Last modified: 2015-08-27
Abstract
Com a inevitável verticalização dos centros urbanos, há uma menor área disponível no telhado, possibilitando a exploração do potencial das fachadas para a produção de energia solar. Especificamente para instalações fotovoltaicas em fachadas, a condição de exposição à radiação solar nas áreas urbanas é de difícil controle, especialmente nas áreas urbanas já consolidadas. Muitos estudos apresentam análises de sistemas fotovoltaicos integrados nas edificações baseados em tipologias de edifícios isoladas, desconsiderando a presença de entorno. Porém, além da configuração da obstrução, a componente refletida das edificações vizinhas e até mesmo do solo é apontada como um dos fatores que afetam os níveis de radiação (LOBACCARO et al 2012a). Além disso, as características formais deles também afetam a irradiação solar na envoltória (VANNINI, 2011). No entanto, a literatura descreve uma ampla variedade de ferramentas e metodologias de análise, o que contribui para a verificação de tais condições, como a abordagem conhecida como sistemas generativos, ou processos de parametrização e otimização. O processo de otimização pode ser realizado através do Galápagos (RUTTEN, 2011), um plugin da ferramenta Grasshopper, que é baseado em um algoritmo evolutivo genético de amostragem randômica. Essencialmente, são definidas duas partes para a criação de uma simulação: o conjunto de genes e o fitness. Os genes/variáveis são os valores numéricos que o algoritmo vai experimentar. O valor de fitness é o critério de adequação pelo qual o algoritmo classifica cada configuração resultante das combinações. Vários estudos já demonstraram o potencial de utilização de algoritmos de otimização para avaliações de disponibilidade de radiação solar no meio urbano e otimização da envoltória/fachada (CHOO; JANSSEN, 2013; GIANI et al., 2013; LOBACCARO; FRONTINI, 2014; LOBACCARO; MASERA, 2014a; STINA; LOBACCARO; HÅRKLAU, 2014). Estes estudos costumam usar as ferramentas ECOTEC ou o plug-in Diva o parâmetro de exposição ao sol como valor de fitness. Neste contexto, este trabalho desenvolve um procedimento para otimizar a forma da edificação considerando o impacto do ambiente construído sobre a disponibilidade de radiação solar, através de um parâmetro inovador de viabilidade econômica da instalação como valor de fitness, o que difere em estudos de otimização encontrados na área. A metodologia deste trabalho visa maximizar o acesso solar de edificações através da utilização de ferramentas de modelagem generativa (Rhinoceros - Grasshopper - Galapagos) e o plug-in DIVA para análise da radiação solar. O processo dentro do Grasshopper inicia com a modelagem da base da edificação a partir da superfície do terreno. Esta definição permite a geração de uma forma geométrica tridimensional para qualquer superfície, em condições de exposição de entorno distintas, possibilitando a aplicação do algoritmo para qualquer configuração. O contexto urbano pode ser modelado diretamente no Grasshopper, ou importado através do compenente “brep”. A segunda etapa é referente à aplicação de ferramentas de transformações geométricas (variáveis) dentro do Grasshopper, que são conectadas com a volumetria inicial. As transformações aplicadas se dividem entre lineares e não lineares. As primeiras são referentes à largura, altura e comprimento. As transformações não lineares paramétricas são: torção (twist), rotação (rotate), inclinação angular do edifício (shear) e escala. A escala é a única transformação que foi criada dentro do Grasshopper, já que não existe esse componente de transformação nas opções do programa. A partir do plano de base da edificação é aplicada uma escala no plano da cobertura, permitindo a deformação tridimensional de toda a edificação. Para cada tipo de transformação são definidos limites de valores, denominados “sliders”. Os limites para cada slider são enviados para o solver Galápagos, responsável pelo processo de otimização da forma da edificação. Esta ferramenta permite a combinação e avaliação das transformações geométricas utilizadas a partir da definição de um valor de irradiação solar incidente desejado, considerado como “fitness” do processo de otimização. Neste trabalho, este valor é estabelecido através do nível de irradiação anual mínimo necessário para a viabilidade econômica da instalação. Antes do início de cada simulação, é aplicado um fator de escala para a manutenção do volume da edificação, através do componente Scale. O volume resultante da combinação das variáveis, para cada interação, é dividido pelo volume desejado, referente ao volume inicial da edificação. Além disso, a volumetria inicial tridimensional foi convertida em uma mesh, que divide as superfícies em quadriláteros, de acordo com os valores definidos para as coordenadas – U e V. A avaliação da incidência de radiação solar na envoltória é realizada através de simulações anuais dinâmicas com o plug-in DIVA para o Grasshopper, com a utilização do arquivo climático do tipo SWERA. Todos os componentes da radiação solar (difusa e direta, componentes de céu e os reflexos de superfícies externas) são considerados neste processo. Nesta etapa são definidos os materiais utilizados nos objetos analisados e o número de meshes a serem analisados. Neste componente, o parâmetro “Ambient bounces”, que varia de 0 a 7, define o número máximo de inter-reflexões entre as superfícies dos objetos, que define a precisão da simulação. Para este estudo foram testados diferentes valores do parâmetro, de 2 a 5. Após todas as definições, o Galápagos realiza o processo de otimização através da combinação das transformações, aliadas às simulações de irradiação solar no plug-in DIVA. Neste processo, cada combinação das variáveis, ou genoma, produz um único objeto. Ao final do processo, os dados de saída são exportados para uma planilha em formato Excel, contendo as variáveis de cada transformação utilizada para cada solução resultante, o valor de fitness e a porcentagem de área de cada superfície de fachada que atinge valores acima do valor do fitness. Essa porcentagem é calculada em relação à quantidade total de pontos na fachada. O processo de simulação de irradiação solar no plug-in DIVA foi concebido para fornecer a visualização simultânea do resultado na tela do Rhinoceros . Para sua validação, o algoritmo foi aplicado em um contexto urbano na cidade de Florianópolis-SC. O contexto urbano foi modelado diretamente no programa Rhinoceros, e importado no algortimo através do componente “brep”. Neste contexto, uma edificação foi selecionada para avaliação do impacto da obstrução e da volumetria sobre a disponibilidade de radiação solar. Para cada tipo de transformação foram definidos os limites de valores dos “sliders” de acordo com os limites observados no Plano Diretor. Estes limites são definidos de acordo com os limites de ocupação do terreno, procurando evitar a intersecção dos volumes otimizados com o entorno, problema apontado anteriormente na revisão de alguns estudos da área. Inicialmente a volumetria foi dividida em uma malha de 14 meshes, ou seja, uma mesh por pavimento, se considerado um pé-direito de 3m, resultando em um total de 1176 polígonos. Para esta divisão da volumetria, o incremento no nível de radiação total das superfícies foi, em média, 11%e o tempo médio de simulação de 20h. Visando a obtenção de uma mesh por metro, se considerado a altura máxima da edificação de 42m, a forma inicial foi dividida em 42 unidades nas coordenadas U e V, resultando em 11094 polígonos totais no volume. Esta configuração resultou em uma maior precisão na simulação dos modelos, uma vez que mais pontos de cada fachada são analisados, atingindo incrementos de até 32% de irradiação solar nas fachadas. No entanto, o aumento da quantidade de polígonos na malha também aumenta o tempo do processo de simulação. O processo de optimização resultou em uma área maior da envoltória com níveis de radiação acima do valor de fitness, mas penalizou fachadas que já tinham valores acima dele. Por exemplo, na fachada norte, a edificação de referência tem uma percentagem de área acima do valor de fitness de 98%. Para uma forma otimizada, esta percentagem diminui 9,3%, mas o valor de fitness aumenta 28%. Apesar dessa consideração, o processo de otimização possibilitou aumentos na área de exposição para o valor de fitness em fachadas que não eram expostas à luz solar, tais como ocorreram nas fachadas sul e leste. Principalmente para a fachada Leste, a solução ótima atingiu até 33% da área da fachada acima do fitness, em relação a 9,3% da edificação de referência. Os resultados obtidos no processo generativo da forma otimizada demonstram a ampla variedade de formas que podem ser geradas, através da associação de diferentes ferramentas computacionais de modelagem geométrica. O algotirmo se mostrou sensível à variação de alguns parâmetros, o que modifica substancialmente o resultado final, como a quantidade de polígonos de divisão da volumetria e a definição do parâmetro do plug-in Diva “Ambient bounces”. Através da combinação das transformações geométricas (inclinação, rotação, torção e escala) e dos resultados de radiação solar incidente anual, foi possível identificar volumetrias de edificações para maximizar o acesso à irradiação solar para conversão fotovoltaica, oferecendo uma ideia geral das áreas que podem ser utilizadas para tal finalidade. As porções das fachadas com menor incidência de radiação solar podem ser trabalhadas quanto à outros aspectos, fundamentais para o bom desempenho do edifício, como a iluminação e a ventilação natural.
Keywords
References
CHOO, T. S.; JANSSEN, P. Semi-transparent building integrated photovoltaic facades: Maximise energy savings using evolutionary multi-objective optimisationProceedings of the 18th International Conference on Computer-Aided Architectural Design Research in Asia (CAADRIA 2013). Anais...Singapore: 2013
GIANI, M. et al. A Design approach for the solar optimization of built volumesCISBAT 2013. Anais...Lausanne, Switzerland: 2013
LOBACCARO, G. et al. Urban solar district : a case study of geometric optimization of solar façades for a residential building in MilanAuSES Solar 2012 Conference Urban. Anais...Meulbourne: 2012a
LOBACCARO, G. et al. District Geometry Simulation: A Study for the Optimization of Solar Façades in Urban Canopy Layers. Energy Procedia, v. 30, p. 1163–1172, jan. 2012b.
LOBACCARO, G. et al. SolarPW: A New Solar Design Tool to Exploit Solar Potential in Existing Urban Areas. Energy Procedia, v. 30, p. 1173–1183, jan. 2012c.
LOBACCARO, G.; FRONTINI, F. Solar Energy in Urban Environment: How Urban Densification Affects Existing Buildings. Energy Procedia, v. 48, n. 1876, p. 1559–1569, 2014.
LOBACCARO, G.; MASERA, G. A digital language for a new sustainable urban planning: Design and Simulation Tools for Solar ArchitectureProceedings of the Building Simulation and Optimization. Anais...London, UK: 2014
RUTTEN, D. Evolutionary Principles applied to Problem Solving. Disponível em: <https://ieatbugsforbreakfast.wordpress.com/2011/03/04/epatps01/>. Acesso em: 13 jun. 2013.
STINA, C.; LOBACCARO, G.; HÅRKLAU, S. Optimization of solar energy potential for buildings in urban areas – a Norwegian case study. Energy Procedia, v. 58, n. 1876, p. 166–171, 2014.
VANNINI, V. C. Otimização geométrica de dispositivos solares de fachada. [s.l.] UFRGS, 2011.