Distribuição espacial de temperaturas internas em uma cobertura verde leve para o clima tropical brasileiro

ENTECA 2013 IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura 1 a 3 de outubro de 2013

Distribuição espacial de temperaturas internas em uma cobertura verde leve para o clima tropical brasileiro Grace Tibério Cardoso de Seixas 1 Francisco Vecchia 2

RESUMO Este artigo tem por objetivo avaliar a distribuição espacial das temperaturas superficiais internas (TSI) da cobertura verde leve (CVL) e das temperaturas de bulbo seco (TBS) em uma célula de teste. Os sistemas de cobertura conhecidos como telhados verdes tem o potencial de reter as águas pluviais, colaborando para a redução do escoamento. No entanto, a característica a ser levada em consideração neste trabalho é a capacidade de isolamento deste tipo de cobertura. Para avaliar a distribuição espacial de temperaturas em um ambiente com a cobertura verde leve, foi proposto um novo método de aquisição da série de dados climatológicos e de temperaturas, a partir de abordagens espaciais e temporais da climatologia dinâmica. Os dados climatológicos foram fornecidos por uma estação meteorológica automática e as temperaturas foram coletadas em uma célula de teste com cobertura verde leve. A avaliação da distribuição espacial das temperaturas da superfície e das temperaturas internas do ar (bulbo seco), baseou-se nos conceitos de episódio e dia representativos do clima, presente no estudo da climatologia dinâmica. Os resultados levaram à conclusão de que a cobertura verde leve tem uma distribuição espacial equilibrada tanto das temperaturas superficiais internas do telhado (TSI), quanto das temperaturas internas do ar (TBS), ou seja, sem grandes variações ao longo do dia. A nova metodologia também mostrou a importância de se especificar a localização dos sensores e da estação meteorológica automática em estudos experimentais sobre o comportamento térmico de edificações.

Palavras-chave: Cobertura verde leve (CVL). Comportamento térmico. Temperatura Superficial Interna (TSI), Temperatura de Bulbo Seco (TBS). Climatologia Dinâmica. Episódio representativo do clima.

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Doutoranda, Universidade de São Paulo-USP, Programa de Pós-graduação em Ciências da Engenharia Ambiental-PPGSEA, [email protected] Prof. Assoc., Universidade de São Paulo-USP, Escola de Engenharia de São Carlos-EESC, [email protected]

1. INTRODUÇÃO Este trabalho tem como objetivo principal as análises da distribuição espacial de temperaturas superficiais internas do teto (TSI) e do gradiente de temperatura interna do ar (TBS), em uma célula de teste com cobertura verde leve (CVL). Células de teste são espaços edificados, que possuem escala apropriada de maneira a manter a linearidade dos dados de temperaturas coletados próxima à situação real. Essa linearidade nas medições não aconteceria se fossem utilizadas maquetes ao invés de células de teste (CARDOSO; CLARO NETO; VECCHIA, 2012). A metodologia de coleta de dados presente neste trabalho, aliada à compreensão dos processos atmosféricos, será uma importante contribuição em estudos experimentais sobre comportamento, desempenho e conforto térmico de ambientes construídos, visto que diversas pesquisas utilizam diferentes procedimentos metodológicos para coleta desses dados (ADELARD et al., 2000; AYATA et al., 2011; BARBOSA; LAMBERTS, 2002). Dessa forma, a metodologia proposta possibilitará a normatização dos procedimentos metodológicos para coleta de dados de temperatura, garantindo maior confiabilidade dos resultados, além de facilitar o intercâmbio de informações entre pesquisadores da área. A utilização de telhados verdes nas grandes cidades é crescente, pois este sistema de cobertura pode contribuir efetivamente com possíveis soluções de vários problemas ambientais decorrentes de construções e do desenvolvimento urbano, como por exemplo, as inundações durante a primavera e o verão na região sudeste do Brasil, devido à tendência da concentração de chuvas em poucos dias (CARDOSO; VECCHIA, 2013). Os telhados verdes tem o potencial de retenção de água de chuva sobre a superfície do telhado reduzindo o efeito de escoamento por meio da absorção de parte da precipitação e distribuir o escoamento por um período longo de tempo (TEEMUSK; MANDER, 2007). O retardamento do escoamento da água pluvial ajuda a reduzir o impacto das fortes chuvas, que afetam as áreas urbanas com maior parcela de solos impermeáveis (OULDBOUKHITINE; BELARBI; DJEDJIG, 2012), além de contribuir com a redução da poluição das águas pluviais urbanas por meio da absorção e filtragem de poluentes (MORAN; HUNT; JENNINGS, 2003). Somados aos aspectos da construção sustentável, a aplicação de coberturas verdes pretende otimizar a eficiência energética de edifícios com a redução de acondicionamento térmico artificial e atender aos requisitos de conforto ambiental, minimizando os valores da temperatura do ar no interior e a temperatura da superfície do sistema de cobertura. Estas duas características também contribuem para a redução dos problemas de saúde (respiratória) e o aumento da produtividade por meio da promoção de condições de trabalho adequadas (escolas, fábricas e escritórios, hospitais e clínicas), especialmente em edifícios que buscam reduzir seus custos operacionais (CARDOSO; VECCHIA, 2013). Como a amplitude térmica da temperatura superficial interna do telhado verde é menor, com oscilações térmicas menores comparadas aos telhados convencionais, a tensão térmica sobre essa superfície é significativamente reduzida, o que melhora a durabilidade do telhado (CARDOSO; VECCHIA, 2013; TEEMUSK; MANDER, 2010). Outros fatores podem ser adicionados a esta questão, como a redução dos efeitos de ilha de calor, pois o telhado verde contribui com a evapotranspiração e o aumento da umidade do ar no entorno (ALEXANDRI; JONES, 2008; GOMEZ et al., 1998). Neste trabalho, o estudo da distribuição espacial de temperaturas em edificação com cobertura verde foi a partir dos conceitos de episódio e dia representativos do clima, de acordo com a abordagem dinâmica do clima. A possibilidade de adotar essa abordagem climática oferece, em um curto intervalo de tempo, subsídios para o entendimento das condições climáticas e possíveis repercussões sobre o ambiente construído, com relação à conservação de energia e ao comportamento e desempenho térmicos de edifícios (CARDOSO; CLARO NETO; VECCHIA, 2012; CARDOSO; VECCHIA, 2013). Condições climáticas consideradas equilibradas são muito raras, no entanto é possível conceber espaços confortáveis e com baixo custo de manutenção reduzindo o condicionamento IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura

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térmico artificial. Existem diferentes condicionantes climáticas que interferem em uma edificação. O interior de um edifício tem uma temperatura de ar interna, de maneira passiva, que é resultado da incidência da radiação solar, da temperatura, velocidade e umidade do ar (GIVONI, 1976). No livro “Design with Climate”, Olgyay (1963) faz uma análise exemplificada das diferentes condicionantes que incidem sobre o ambiente construído. Ele fala sobre uma interpretação climática para fazer um projeto adequado ao entorno ou região onde será localizado, utilizando princípios arquitetônicos tais como: espaçamento, orientação, controle solar, entorno, efeitos do vento, desempenho e comportamento térmicos dos materiais, entre outros. As variações de temperatura, radiação solar e da velocidade e umidade do ar estão condicionadas pela massa de ar dominante no local onde se encontra o objeto de estudo, ou seja, em escala mesoclimática. Todavia, outras condições devem ser levadas em consideração, como os fatores de modificação do clima - topografia, relevo, altitude, latitude, longitude ou continentalidade, vegetação, entre outros e, a escala de abordagem de tempo (anos, meses, dias) e espaço (macroclimática, mesoclimática e microclimática). Portanto, a aplicação da climatologia dinâmica é mais adequada, pois reconhece os climas zonais e regionais, correlacionando-os à circulação geral da atmosfera, com base nos dados meteorológicos tomados na superfície e obtida de forma automática e em tempo real, além de possibilitar a validação de programas de simulação termoenergética. 1.1. Cobertura Verde Leve (CVL) A Cobertura Verde Leve é composta pela grama, um substrato com terra vegetal, uma manta de drenagem e uma camada de impermeabilização. Este conjunto deve ser colocado sobre uma laje. Embora a construção deste tipo de cobertura seja simples, o sistema de drenagem e a vedação devem ser escolhidos e executados com rigor de qualidade. A CVL foi projetada para ter um peso próprio equivalente ao peso de um sistema de telhado convencional com estrutura de madeira e telhas cerâmicas (CARDOSO; VECCHIA, 2013). A impermeabilização da CVL foi feita com a resina de poliuretano derivada de óleo de mamona (Ricinus communis), desenvolvida pelo Grupo de Química Analítica e Tecnologia de Polímeros (GQATP) do Instituto de Química de São Carlos-USP, e comercializado pela Cequil Central Ind. Des. Polímeros Ltda., empresa localizada na cidade de Araraquara-SP. A utilização dessa resina na impermeabilização da CVL tem grande relevância, pois é um material biodegradável e não tóxico, ou seja, não causa danos ao meio ambiente ou à saúde, além ser originário de um recurso renovável, contribuindo para uma construção sustentável (CARDOSO; CLARO NETO; VECCHIA, 2012). O geocomposto MacDrain 2L utilizado para drenagem do substrato (parceria com Macaferri do Brasil Ltda.), é leve e flexível: o núcleo é uma geomanta tridimensional composta de filamentos de polipropileno, com espessura de 10 a 18 mm, e filtros geotêxteis em seus dois lados, não tecidos, a base de poliéster. Como componente vegetal foi utilizada a grama-batatais (Paspalum notatum), também conhecida como grama-comum e grama de pasto, pois é resistente à ação da luz solar e ao pisoteamento. 1.2. Análise climática da série de dados O crescimento urbano acelerado exige uma metodologia de análise do regime climático que seja ágil e precisa, visto que impõe aos ambientes construídos a sua ação, por meio da atuação das massas de ar. O regime climático se caracteriza pelas variações dos elementos do clima ao longo do tempo. Essas flutuações climáticas impõem a necessidade de definição das estratégias de organização do espaço construído, bem como dos materiais e elementos construtivos das IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura

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edificações. É necessário definir o conceito de regime climático, pois a atuação dos elementos do clima desencadeiam trocas térmicas que ocorrem entre o interior dos ambientes e o meio exterior, que podem ser, respectivamente, denominados de clima interior e clima exterior. Isso significa que, na verdade, o regime climático pode ser representado pelos Tipos de Tempo, ou seja, pelas sucessões encadeadas de estados atmosféricos que ocorrem sobre determinado lugar. Neste trabalho, o regime climático da cidade de Itirapina-SP, de acordo com Tipos de Tempo, foi analisado na forma de episódios representativos do fato climático, que apresenta pelo menos duas situações básicas: 1) o início do processo, expresso pelo prenúncio e avanço de uma massa de ar (anticiclone Polar Atlântico) e, a outra situação, 2) etapa final desse processo, apresentada através das situações de domínio e transição, de acordo com definição de Monteiro (1969). Essas duas situações, respectivamente, denominadas Pré-Frontal e Pós-Frontal serão utilizadas para definir e analisar o comportamento térmico da Cobertura Verde Leve proposta neste experimento. Isso se deve ao fato de que são nessas situações em que ocorrem as maiores excitações dos elementos e fatores climáticos sobre o Ambiente Construído. Neste artigo foi utilizado um episódio referente à situação de verão, descrevendo portanto a ação do isolamento da CVL frente ao calor, condição primordial de avaliação do comportamento térmico de edifícios.

2. DESENVOLVIMENTO Neste trabalho a série de dados de temperaturas superficiais internas (TSI) da laje forro e das temperaturas de bulbo seco (TBS), foram coletadas em uma célula de teste com Cobertura Verde Leve, e os dados das principais variáveis climáticas referentes ao clima externo (radiação solar global, temperatura externa do ar, umidade relativa do ar, direção e velocidade do vento, pressão atmosférica e pluviosidade) foram coletados por meio de estação meteorológica automática. 2.1. Localização e caracterização das células de teste e estação automática O trabalho foi desenvolvido no canteiro experimental da Estação Climatológica do CRHEAUSP, às margens da Represa do Lobo na cidade de Itirapina (SP), entre as coordenadas geográficas 22º01’22’’/22º10’13’’ S e 43º57’38’’/ 47º53’57’’W, altitude 733 m. A célula de teste ou unidade experimental, foi planejada de forma a garantir equivalência a uma situação real na aquisição de dados. As dimensões internas são 2,00 m x 2,50 m e pé-direito máximo de 2,82 m, inclinação de 23 %, com uma porta padrão de 2,10 m x 0,60 m voltada para fachada Leste e uma janela de 1,0 m x 0,70 m com orientação Norte. As portas e janelas são de embalagens acartonadas de Tetra Pak® (Fig. 1).

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(a) (b) Figura 1 - (a) Planta Baixa; (b) célula de teste CVL Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor.

Os dados de TSI e TBS da célula de teste foram coletados por meio de termopares tipo T de cobre-constantan (liga metálica de cobre e níquel), 2x24 AWG, com medições em intervalos de 30 minutos, registrados e armazenados por um datalogger CR10X. A acurácia dos termopares é grande, ou seja, as temperaturas podem ser medidas com erro de ± 0,1 a 0,2 °C, desde que os termopares estejam em perfeitas condições de uso e aplicação (KINZIE, 1973). Os equipamentos que compõem a estação meteorológica automática são da empresa Campbell Scientific Inc., responsáveis pela coleta e armazenamento de dados climatológicos externos. Outros equipamentos fazem parte da estação para mantê-la em funcionamento, como bateria recarregável de 12V, painel solar e o datalogger CR10X. 2.2. Instalação dos sensores de temperatura Os sensores responsáveis pela coleta de dados de temperatura superficial interna (TSI) na laje da CVL, foram instalados conforme apresentado na Figura 2.

DUTOS COLETORESSAÍDA DE ÁGUA

Figura 2 - Planta Interna da Cobertura - Sensores TSI Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor. IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura

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Com essa distribuição dos sensores na superfície interna da CVL pretendeu-se a espacialização da medição para verificar se existe diferença significativa entre os valores de temperatura dos pontos. Os sensores mais distantes do ponto central estão a 10 cm de cada parede vizinha e cada sensor do meio está equidistante do ponto central e do seu respectivo sensor próximo às paredes. No total são 17 pontos de sensores para TSI na célula de teste (Fig. 2). Para avaliar a temperatura interna do ar (TBS), os termopares foram instalados no centro da célula, variando as alturas (0,10 m; 0,60 m; 1,10 m e 1,70 m; 2,10 m e 2,54 m, a partir do piso acabado). Outros dois sensores foram incluídos nessa avaliação: o sensor TSI 32 do piso e o TSI 14 do teto (ver Fig. 2 e 3). Essas alturas foram escolhidas para verificação do gradiente vertical de temperatura interna do ar (Fig.3). A diferença entre os valores da temperatura interna do ar é de fundamental importância para a sensação de estresse térmico dos usuários dos ambientes interiores, de acordo com publicação da INNOVA (BRUEL; KJAER, 1996). No total são seis sensores para aquisição de dados de TBS, com abrigos de PVC e isolamento com manta foil .

DUTO COLETORSAÍDA DE ÁGUA

Figura 3 - Corte esquemático - Sensores TBS e TSI Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor.

As medições na célula de teste foram realizadas com as portas e janelas fechadas para verificação apenas das temperaturas, ou seja, sem a influência da ventilação passiva nos registros coletados.

2.3. Análise do Episódio de Verão Os dados coletados apresentam o ritmo climático entre os dias julianos 58 à 83 (26/02/2013 à 24/03/2013). Para a definição do episódio representativo foram avaliadas as imagens de satélite GOES (Fig. 4 e 5) e as informações climáticas (Fig.6), durante a transição entre as estações verão-outono, do dia 26 de fevereiro a 24 de março de 2013, pois observou-se a presença de frente fria no Estado de São Paulo. Em virtude do tamanho excessivo dos arquivos contendo as imagens do satélite, optou-se pela apresentação de apenas 4 imagens, sendo estas mostradas de forma sequencial, objetivando uma melhor visualização e entendimento do movimento da massa polar sobre o Estado de São Paulo, evidenciando as etapas Pré-frontal (Fig. 4) e Pós-frontal (Fig. 5).

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(a) (b) Figura 4 - Etapa Pré-frontal: (a) Prenúncio, (b) Avanço Fonte: INPE (2013).

(c) (d) Figura 5 - Etapa Pós-frontal: (c) Domínio, (d) Tropicalização Fonte: INPE (2013). Dia Representativo

Prenúncio

Avanço

Domínio

Tropicalização

Figura 6 – Análise rítmica do período de 26/02 à 24/03/2013 com algumas variáveis e indicação das etapas da atuação da massa Polar Atlântica sobre a região Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor. IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura

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Analisando os gráficos referentes ao comportamento das variáveis climáticas no episódio, foi selecionado o dia juliano 63 (04/03/2013), como dia representativo de verão, pois apresentou a radiação máxima do período selecionado (779 W/m²), temperatura mais elevada do período escolhido e ausência de nebulosidade e precipitação. A Figura 7 e Tabela 1 mostram a variação diária (máximas e mínimas) das Temperaturas de Bulbo Seco (TBS) e Temperaturas Superficiais Internas (TSI) no eixo central da célula de teste, para o dia 04/03/2013.

Figura 7 – Gráfico Temperatura Bulbo Seco (04/03/2013) Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor.

Temp. Ext. Ar (°C) 31,87 (16:00) 17,94 (6:30)

Tabela 1 – Temperaturas máximas e mínimas (respectivos horários) TSI 32 TBS 01 TBS 02 TBS 03 TBS 04 TBS 05 TSI 14 (PISO) (h=0,1m) (h=0,6m) (h=1,10m) (h=1,70m) (h=2,10m) (h=2,54m) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) 26,18 28,91 29,47 29,73 29,76 29,77 28,67 (18:30) (16:30) (17:00) (17:00) (17:30) (17:30) (17:30) 21,61 20,57 20,77 20,76 20,94 21,18 22,86 (7:00) (7:00) (7:00) (7:00) (7:00) (7:00) (7:30)

De acordo com a análise desses dados, o sensor localizado no piso teve menor amplitude térmica (4,57 °C), seguido pelo sensor TSI 14 (5,81 °C), localizado no teto. No entanto, os sensores TBS 01, TBS 02, TBS 03, TBS 04 e TBS 05, não apresentaram amplitudes térmicas muito diferentes entre si, aproximadamente 8,50 °C. Também não foram registrados atrasos térmicos significativos entre eles, cerca de 30 minutos entre as máximas TBS 01 e 02 e 30 minutos entre as máximas TBS 03 e TBS 04. Já todas as temperaturas mínimas foram registradas às 7:00hs. Isso significa que o gradiente vertical de TBS pode ser considerado homogêneo, já que as diferenças entre as temperaturas máximas e mínimas entre os sensores é menor que 0,2°C, ou seja, está dentro do erro natural de medição, com atrasos térmicos pouco significativos. A grande diferença está na comparação entre as temperaturas máximas e mínimas de TBS e Temperatura Externa do Ar. Entre as máximas de TBS 04 (altura considerada padrão para atividades humanas) e da temperatura externa do ar, a diferença é de 2,11°C, com atraso térmico de 01:30hs. Já entre as mínimas, a diferença é ainda maior, 3°C, com atraso térmico de 01:30hs. No caso dos dados coletados dos sensores de Temperatura Superficial Interna (TSI), instalados no teto, foi necessário separá-los em dois gráficos (Fig. 8) e Tabelas 2 e 3, para facilitar a análise das temperaturas registradas.

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(a) (b) Figura 8 – Gráficos Temperaturas Superficiais Internas (04/03/2013) (a) Sensores internos, (b) sensores mais próximos às paredes Fonte: Arquivo pessoal do 1° autor.

Tabela 2 – Temperaturas máximas e mínimas (SENSORES INTERNOS/CENTRAL) Temp. Ext. TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI Ar 09 10 11 13 14 15 17 18 19 (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) 31,87 28,91 29,01 29,38 28,64 28,67 28,91 28,41 28,79 29,01 (16:00) (18:00) (17:30) (17:00) (18:00) (17:30) (17:00) (18:00) (17:00) (17:00) 17,94 22,90 22,71 22,64 22,77 22,86 22,81 22,44 22,22 22,35 (6:30) (7:00) (7:00) (7:00) (7:30) (7:30) (7:30) (6:30) (6:30) (6:30) Tabela 3 – Temperaturas máximas e mínimas (SENSORES EXTERNOS/CENTRAL) Temp. Ext. TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI TSI Ar 06 07 08 12 14 16 20 21 22 (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) (°C) 31,87 29,89 29,60 29,87 29,12 28,67 29,73 28,93 28,46 29,51 (16:00) (17:30) (17:30) (17:00) (17:30) (17:30) (17:00) (17:30) (17:30) (17:00) 17,94 22,31 22,67 22,70 22,57 22,86 22,80 22,72 22,90 22,54 (6:30) (6:30) (7:30) (7:00) (7:00) (7:30) (7:30) (7:00) (7:30) (7:00)

Os sensores TSI 09, TSI 13 e TSI 17 tiveram amplitudes térmicas menores, aproximadamente 6°C, em relação aos sensores espalhados pelo restante do teto, exceto o sensor TSI 14, que está no ponto central e também apresentou amplitude térmica semelhante a estes três sensores. Isto pode ter ocorrido devido a posição deles, já que os sensores 09, 13 e 17 além de estarem localizados mais internamente, estão do lado sul do teto, ou seja, possivelmente estão sofrendo influência dessa posição, que no Hemisfério Sul recebe menor intensidade de luz solar. Apesar disso, os sensores TSI 06, 12 e 20, também localizados na porção sul do teto, apresentaram amplitudes térmicas maiores, influenciados mais diretamente pelas paredes sul, leste e oeste, já que foram instalados mais longe do ponto central, que os sensores TSI 09, 13 e 17. Os sensores TSI 06, 07, 08, 16 e 22 apresentaram amplitudes térmicas maiores, cerca de 7°C, comparados ao outros sensores, pois estão localizados mais externamente e possivelmente foram influenciados pelas paredes oeste e norte, que apresentam as maiores incidências de luz do sol. IX Encontro Tecnológico da Engenharia Civil e Arquitetura

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Outros fatores influenciaram as temperaturas coletadas, como a inclinação do telhado e capacidade de drenagem. Os sensores nos pontos mais altos do telhado tiveram temperaturas maiores que os sensores das posições mais baixas, isto é, mais próximos dos pontos de drenagem da cobertura verde leve. Mas a questão mais importante é que todas a temperaturas TSI, em qualquer posição, mantiveram valores menores que a temperatura externa do ar, entre 1,98 e 3,46°C.

3. CONCLUSÃO Após a análise de todos os dados e imagens de satélite, levando em consideração o dia representativo de verão, ou seja, radiação solar global máxima, temperatura externa do ar alta e baixa nebulosidade, com ausência de precipitação, podemos concluir que a Cobertura Verde Leve (CVL) possui gradientes de temperaturas TBS e TSI praticamente homogêneos, qualificando o espaço como agradável, já que as temperaturas internas ficaram abaixo da temperatura externa do ar, e apresentaram baixa amplitude térmica. A metodologia de coleta de dados mostrou que é importante saber a localização dos sensores para se entender a espacialização dos gradientes de temperatura internos, sejam eles das superfícies das envolventes ou do ar interno. Outros elementos devem ser incluídos nas análises, como os dados das demais envolventes (paredes), para aprofundamento do estudo de comportamento térmico de edificações, utilizando a metodologia de pesquisa deste trabalho.

AGRADECIMENTOS Agradecimentos ao CNPq pelo apoio financeiro e aos funcionários da Estação Climatológica do CRHEA - USP, pela colaboração em questões técnicas e de execução da pesquisa.

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