Entre os desafios para o futuro do desenvolvimento sustentável no planeta, está a construção de edifícios que utilizem menos recursos para fornecer condições funcionais, saudáveis e confortáveis aos seus usuários. Nesse sentido, um importante fator que deve ser considerado no projeto de edificações é a adequada iluminação natural que, juntamente com o controle do brilho e de ganhos excessivos de radiação solar, oferece não só benefícios para a saúde e o bem-estar, mas tem também um potencial significativo de economia de energia (Chartered Institution of Building Services Engineers, 2020). Como consequência, a influência de diferentes estratégias de projeto, como tipos de vidros e aberturas, na iluminação natural que atinge o interior das edificações, tem sido amplamente investigada (Yu; Wennersten; Leng, 2020).

Em 1997, o Programa Nacional de Energia Elétrica (PROCEL), em parceria com o Instituto Brasileiro de Administração Municipal (IBAM), desenvolveu um Modelo para Elaboração de Código de Obras e Edificações, com o objetivo de garantir a eficiência energética nas edificações. O documento, atualizado em 2012, indica avaliar a “[...] necessidade de previsão e correta localização de prismas de ventilação e iluminação”, como fator condicionante para o conforto luminoso (Bahia; Guedes, 2012, p. 113), como uma estratégia de projeto arquitetônico para promover o conforto ambiental. Nesse sentido, o poço de luz tem sido um artifício amplamente utilizado e consiste em um “[...] espaço luminoso interno que conduz a luz natural para porções internas da edificação” (Associação Brasileira de Normas Técnicas, 2005, p. 4). Essa é uma solução utilizada quando não há possibilidade de iluminação natural em um ambiente pelas faces externas da edificação ou quando a iluminação é promovida por uma área central atendendo a vários blocos. No Brasil, esse recurso tem sido permitido por legislações em diferentes cidades como São Paulo, Rio de Janeiro e Belo Horizonte (Bolssoni; Laranja; Alvarez, 2018). Em cada caso, as dimensões da geometria do poço seguem fórmulas matemáticas que consideram sua altura e largura e distância à rua, por exemplo.

Em Juiz de Fora (MG) – latitude: 21° 45’ 51” S; longitude: 43° 20’ 59” O –, cidade de aproximadamente 541 mil habitantes (Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística, 2022), o Código de Obras elaborado em 1986, atualizado em 2019 (Juiz de Fora, 2019, online), define as seguintes condições para o projeto do poço de luz:

I – o afastamento de qualquer vão à face da parede ou da divisa que lhe fique oposta deve permitir a inscrição de um círculo com diâmetro mínimo de 2,00m (dois metros); II – possibilitar, acima do segundo pavimento servido pela área, ao nível de cada piso, a inscrição de um círculo cujo diâmetro mínimo seja dado pela fórmula D = 2,00 + h/b, na qual ‘h’ representa a distância do piso considerado ao piso do 2º (segundo) pavimento servido pela área e ‘b’ corresponde a uma constante explicitada em cada caso.

Dessa forma, a área do poço é alterada de acordo com o número de faces fechadas, a altura do edifício e a tipologia e o uso da edificação, tendo ampla aplicação na cidade. Contudo, considerando que esse tipo de solução resulta em um céu mais obstruído e, por consequência, uma maior dificuldade de acesso à luz natural, torna-se necessário verificar se as dimensões determinadas na legislação são suficientes para permitir um nível adequado de iluminação nos ambientes internos das edificações. Assim, este trabalho tem como objetivo identificar se as dimensões mínimas, determinadas pela legislação urbana de Juiz de Fora (MG) para o poço de luz, são suficientes para garantir a adequada iluminação natural nos ambientes por ele servido.

A partir do levantamento e da análise de normativas e estudos que avaliaram a iluminação sob os aspectos de conforto visual e eficiência energética, Moraes, Alcojor e Bittencourt (2018) concluíram que, no Brasil, normas e orientações evoluíram expressivamente para tipologias não residenciais. Como consequência, os autores indicam a necessidade de desenvolvimento de diretrizes para a iluminação de edificações residenciais. Assim, de forma a suprir a carência de estudos nessa tipologia, este trabalho trata da análise de uma edificação multifamiliar residencial. Embora este estudo aborde as dimensões determinadas pela legislação local, os resultados obtidos podem ser úteis a cidades em latitudes próximas.

Os poços de luz possuem características particulares para cada caso e local, mas, muitas vezes, é adotado um modelo genérico normalmente sugerido pelos Códigos de Obras. O Quadro 1 mostra as diretrizes definidas para as capitais dos estados da Região Sudeste e para a cidade de Juiz de Fora (objeto deste estudo). Como é possível observar, as legislações possuem uma determinação geral que considera apenas a geometria do poço (dimensões da abertura e profundidade). Contudo, outros fatores, como refletividade das paredes do poço, dimensões do ambiente interno e até mesmo o espaçamento entre poços, são também importantes na iluminância resultante (Acosta; Navarro; Sendra, 2013). Além disso, outras especificações de projeto, como área da janela, acabamentos, orientação solar e localização geográfica, são fundamentais para determinar o bom desempenho do poço de luz (Ahmed; Nassar; Asr, 2014).

Bolssoni, Laranja e Alvarez (2018) avaliaram, por meio de simulação computacional, o desempenho luminoso de ambientes de permanência prolongada voltadas para o poço de luz em um edifício de seis pavimentos, dimensionado de acordo com a legislação de Vitória (ES) – Lat. 20.3° S, Longit. 40.3° O. Eles verificaram que, para a orientação norte, a porcentagem de horas em que a iluminância no plano de trabalho atingiu níveis aceitáveis (entre 500 e 2000 lux), chegou ao máximo de 47,5% do tempo, no mês de outubro. Os autores concluíram que a variação da iluminância não se deu de forma proporcional à variação do diâmetro do poço. Além disso, os autores defendem que, como cada orientação possui características particulares, não é possível adotar um modelo de “área principal” genérico independente da orientação, como sugerem os códigos de obras.

Alguns estudos avaliaram o desempenho de diferentes configurações geométricas dos poços de luz, conforme descrito a seguir. Em uma análise que utilizou simulações computacionais, Freewan, Gharaibeh e Jamhawi (2014) testaram, entre outros fatores, a influência da altura (2, 3 e 4 pavimentos) e área de seção quadrada transversal (1, 2 e 3m) de um poço de luz na iluminação natural de um edifício de quatro pavimentos, na Jordânia (lat. 31.9° N, longit. 35.9° L). Eles identificaram que poços com área de seção 1m ou 2m não forneceram aos espaços inferiores níveis de iluminância necessários; o poço deve atingir 3m para proporcionar níveis de iluminância adequados ao longo do ano. Em relação à altura do poço, o estudo mostrou que essa dimensão tem um efeito direto no desempenho da iluminação natural. Considerando um poço com área de seção transversal quadrada de 3m, os resultados indicaram uma iluminância variando de mais de pouco mais de 500 lux a 2000 lux a 1,75m da janela para edifícios de 4 e 2 pavimentos, respectivamente em junho.

Ahadi, Saghafi e Tahbaz (2018) também avaliaram a geometria de poço de luz, de forma a determinar a altura ideal para diferentes áreas de seção. Os casos, simulados nas condições climáticas do Teerã (Lat. 35.7° N, Longit. 51.3° L), indicaram que para áreas de 1m e 2m, a altura máxima dos edifícios deve ser de um e dois pavimentos, respectivamente; e para um edifício de quatro pavimentos, a área do poço de luz necessária para que a iluminação seja considerada adequada é de 4m x 4m. Em relação aos casos de seção retangulares, os resultados indicaram que os ambientes têm melhor desempenho luminoso quando suas janelas são voltadas para o comprimento do poço de luz.

Ahadi, Saghafi e Tahbaz (2017) compararam, entre outros casos, modelos de edifícios com 7 pavimentos e poços de luz com formatos quadrado e cilíndricos no Teerã (Lat. 35.7° N, Longit. 51.3° E) e os resultados mostraram que, com a mesma área de poço, os cilíndricos têm melhor desempenho de iluminação natural. Para ambientes no pavimento superior orientados a norte, os valores de DA300 subiram de 76% para 84% para os casos de poço quadrado e cilíndrico, respectivamente.

Em um estudo com edificações reais em Penang, Malásia (Lat. 5.2° N, Longit.100.4° L), e com altura variando de 12 a 31 pavimentos, Fadzil e Al-Absi (2016) avaliaram casos com poços de luz com área que variaram de 8m² a 84,5m². Eles identificaram um padrão nos valores de fator de luz diurna (proporção entre o nível de luz no centro do poço em relação ao nível de luz no exterior) dos casos analisados: alta iluminação nos 3 pavimentos superiores (até 44%); muita luz para os próximos 4 a 5 andares (cerca de 0,1%), enquanto abaixo dessas, a distribuição de luz foi considerada bastante baixa, exigindo iluminação artificial.

A geometria é um dos fatores mais importantes no desempenho do poço de luz, mas no intuito de melhorar o desempenho da iluminação nessa tipologia, alguns estudos têm analisado outras alternativas arquitetônicas, além da geometria, para melhorar o desempenho luminoso de ambientes internos. Como exemplo, Goharian, Daneshjoo e Yeganeh (2022) testaram diferentes inclinações das paredes do poço e indicaram que, para esse tipo de modelo, é importante considerar a inclinação solar local. Bugeat, Beckers e Fernández (2020) testaram a alteração das propriedades ópticas das superfícies do poço e a instalação de espelhos para redirecionar os raios solares. Os resultados indicaram que, variações de 10% na refletância das paredes, podem produzir diferenças na iluminação anual média de até duas vezes nos pavimentos térreos. O estudo indicou ainda que alternar paredes escuras por brancas difusas aumenta em 5 vezes o nível médio de iluminância dos ambientes internos. Em relação aos espelhos redirecionadores implementados, durante o período de inverno, a adição do dispositivo aumenta consideravelmente a quantidade de luz nas áreas inferiores do edifício, resultando em uma mudança de 40 min a 3 h 30 min por dia do ambiente com uma iluminância superior a 100 lux.

Dessas referências apresentadas, percebe-se que há ainda poucos estudos que avaliaram o desempenho do poço de luz a partir dos critérios das legislações locais, especialmente no Brasil. Os resultados indicam que a variação da iluminância nem sempre acompanha a variação de suas dimensões. A orientação solar também é um fator que pode afetar seu desempenho. É possível perceber que poços estreitos de seção quadrada, com 1m ou 2m de largura, são indicados apenas para edificações baixas, de um ou dois pavimentos; e para edificações mais altas poços mais largos devem ser considerados. O uso do formato cilíndrico, embora pareça promissor para melhorar a iluminação natural nos ambientes servidos pelo poço, pode ser um complicador no projeto arquitetônico. Além disso, embora o uso de estratégias mais sofisticadas, como implementação de dispositivos redirecionadores de luz ou superfícies altamente refletoras, possam contribuir na qualidade luminosa dessa tipologia, não devem ser mandatórias para um desempenho satisfatório. A legislação deve prever casos simples, considerando paredes com refletâncias usuais e preferencialmente a orientação mais desfavorável.

Em relação às métricas usadas para predizer o desempenho luminoso de ambientes, o nível de iluminância, como usado por Freewan, Gharaibeh e Jamhawi (2014), e o fator de luz diurna (relação entre a iluminância interna e a iluminância externa), usada por Fadzil e Al-Absi (2016), são as métricas estáticas mais comuns usadas para testar projetos de iluminação natural. Mais recentemente, uma das métricas dinâmicas criadas que considera a quantidade e o caráter das variações diárias e sazonais da luz natural para um determinado local é a Daylight Autonomy (DA). Ela é entendida como a porcentagem dos períodos ocupados do ano, quando o requisito mínimo de iluminância no sensor é atendido apenas pela luz do dia. De acordo com Reinhart, Mardaljevic e Rogers (2013), o poder preditivo das métricas dinâmicas como o DA para comparações de projetos é maior do que as métricas estáticas, como o fator de luz diurna.

Para este estudo, foram utilizadas simulações computacionais, por meio dos programas Grasshopper (versão 1.0.0007), um plug-in do software Rhinoceros, usado para modelagem paramétrica, e o ClimateStudio (versão 1.2.7796.19900). Lançado em 2020, pela Solemma (Inc.), o ClimateStudio é um plug-in do Rhinoceros, que substituiu o plug-in DIVA, mantendo o mesmo mecanismo de análise, porém, com melhorias que o tornam igualmente preciso, mas mais rápido que seu antecessor. No Grasshopper, foram modeladas edificações de 2, 4, 6 e 8 pavimentos, com poços de iluminação seguindo as medidas determinadas pela legislação de Juiz de Fora. A cidade tem uma temperatura média de 19°C e médias mensais de radiação global que variam de 120 a 210 Wh/m². As seções a seguir apresentam os modelos testados, os parâmetros utilizados para as simulações e a forma de análise dos dados.

Foram avaliados todos os pavimentos nas quatro principais orientações solares de cada um dos quatro modelos, totalizando 80 casos. As simulações dinâmicas utilizaram o arquivo climático da cidade de Juiz de Fora, elaborado de acordo com o INMET. Esse tipo de simulação resulta em séries anuais de iluminâncias que possibilitam uma análise do comportamento dinâmico do desempenho da luz natural de hora em hora (Didoné; Pereira, 2010). Foi definido como período de ocupação o horário entre 8 e 18 horas.

Sensores virtuais foram configurados no interior dos ambientes para a medição das iluminâncias, conforme Figura 1. Os pontos distam 30cm tanto entre eles quanto das paredes laterais. Os sensores foram colocados a 75cm de altura, conforme indicado pela NBR ISO/CIE 8995-1 (2013) como plano de trabalho. A métrica de avaliação da iluminação utilizada neste estudo é o DA (Daylight Autonomy), que considera a média da porcentagem das horas de ocupação, ao longo do ano, em que os sensores registraram iluminância igual ou maior a 150 lux, de acordo com a NBR ISO/CIE 8995 (2013). Além disso, foram verificadas as iluminâncias nos ambientes às 9h, 12h e 15h dos solstícios de verão e inverno, considerando as condições luminosas e climáticas, nesses momentos, de Juiz de Fora. Essa análise mais detalhada foi necessária para verificar a influência da altura solar de forma pontual no tempo na iluminação natural em cada orientação, de forma a evitar o mascaramento pelo cálculo do DA considerando todo o ano.

A Figura 2 apresenta os resultados na iluminação natural atingida nos quatro edifícios analisados em cada orientação solar. Nenhum pavimento apresentou 100% do tempo em autonomia de luz, considerando as larguras do poço de luz calculadas de acordo com a legislação. O valor máximo de DA150 chegou a 94%, no modelo de oito pavimentos, com abertura voltada a oeste. Isso pode ser explicado pela baixa altura solar nessa orientação em relação aos casos com janelas à norte e sul. A inadequada iluminação natural em ambientes servidos por poços de luz também foi observada em Vitória, ES, por Bolssoni, Laranja e Alvarez (2018), embora naquele estudo os valores de iluminância considerados suficientes foram definidos entre 500 e 2000 lux.

Assim, como observado por outros autores Fadzil, Al-Absi (2016), a iluminação diminui gradativamente nos pavimentos inferiores servidos pelo poço de luz, tanto nos casos dos edifícios mais baixos, quanto nos mais altos. No edifício de oito pavimentos, o valor de DA atingiu o mínimo de 24% no ambiente do primeiro pavimento do caso voltado a norte.

Foi possível perceber ainda que, embora os edifícios mais altos tenham melhores resultados nos pavimentos do topo, os mais baixos resultaram em melhores níveis de iluminação natural na base da edificação. Assim, quanto mais alto o edifício, menor será o desempenho da iluminação natural dos ambientes no térreo conectados ao poço de luz, o que também foi observado por Acosta, Navarro e Sendra (2013). Assim, percebe-se que, em todos os modelos simulados, os pavimentos superiores são beneficiados com o aumento do diâmetro do poço. Porém, o aumento do diâmetro não é suficiente para compensar a perda de luz, devido ao aumento da profundidade do poço.

Em todos os casos simulados não foram observadas diferenças expressivas nos resultados referentes ao aproveitamento da luz natural entre as diferentes orientações solares. A variação percentual encontrada entre uma face que recebe, por exemplo, a incidência solar norte, em relação as faces que recebem a incidência das outras orientações, chegou no máximo a 3%. Isso pode ser explicado pela métrica usada que considera a média dos valores de iluminância ao longo do ano.

A Tabela 2 apresenta os ambientes que atingiram 150 lux em toda sua extensão nos solstícios de inverno e verão. Foi possível observar que somente os edifícios de 4 e 2 pavimentos atingiram as iluminâncias mínimas de 150lux em todo pavimentos em alguns momentos do ano. Isso ocorreu especialmente no horário de 12h, o que pode ser explicado pelo posicionamento mais alto do sol, uma vez que nesse momento, o raio solar tende a adentrar o poço de luz mais profundamente e as reflexões no piso e nas paredes geram mais iluminação difusa para dentro do ambiente. Já os edifícios mais altos tiveram, em geral, um menor aproveitamento da luz. Apenas os pavimentos do topo atingiram o mínimo de 150 lux, em todo o ambiente, nos casos de 8 e 6 pavimentos. É preciso observar, contudo, que a orientação solar também influencia na iluminação natural. No edifício mais baixo, por exemplo, os ambientes com abertura voltadas a norte e a sul não atingiram o mínimo de 150 lux, no inverno, às 9h e às 15h, quando o sol está mais baixo na abóbada celeste.

Em relação aos dois momentos do ano testados, mais ambientes atingiram 150 lux no verão do que no inverno; por exemplo, para o edifício de 8 pavimentos, com abertura voltada para a fachada norte, o poço de luz especificado foi suficiente para iluminar o edifício a partir do quinto pavimento em dezembro às 12h, mas somente a partir do sexto em junho. Isso também está relacionado à posição do sol, que é mais baixa no inverno, em que o raio solar atinge as superfícies mais baixas do poço em junho.

Em relação à distribuição da luz nos ambientes, foi observado que as iluminâncias são expressivamente maiores nas áreas próximas à abertura do que no restante dos ambientes. A Figura 3 apresenta a distribuição das iluminâncias no edifício de 8 pavimentos nos solstícios. Esta concentração da iluminação ocorre devido à posição transversal da abertura do ambiente em relação à abertura do poço. Assim, a maior parte dos raios de luz vindos do poço atingem primeiramente essa porção do piso do ambiente e depois são distribuídos no espaço. Fica claro ainda que, no inverno, o baixo posicionamento solar contribui para maiores níveis de iluminância se espalhando na extensão do ambiente com abertura voltada a norte nos pavimentos superiores. É importante ressaltar que os elevados níveis de iluminância nas áreas próximas às aberturas podem gerar ofuscamento, comprometendo a qualidade visual do ambiente.

Este estudo teve como objetivo identificar se as dimensões mínimas, determinadas pela legislação urbana de Juiz de Fora, para o poço de luz são suficientes para garantir a adequada iluminação natural nos ambientes por ele servido. Os resultados indicaram que as áreas mínimas atuais indicadas para o poço de luz na legislação não permitem que os ambientes tenham níveis adequados de iluminância durante todo o ano. Considerando que os edifícios, atualmente construídos com poços de luz, são geralmente mais altos, tem-se uma tendência de que os ambientes mais abaixo no edifício tenham iluminação comprometida. Os resultados também demonstraram que, independentemente da altura da edificação, os pavimentos superiores são privilegiados e os inferiores ficam cada mais prejudicados em relação à iluminação natural.

Na análise estática de iluminação em 3 horários (9h, 12h e 15h) nos dois solstícios, foi possível perceber que a altura da edificação impacta os resultados. Somente os edifícios mais baixos (4 e 2 pavimentos) atingiram ao menos 150 lux, em toda a extensão dos ambientes. Em relação à distribuição da iluminação nestes ambientes percebe-se uma maior concentração na porção próxima à janela. No entanto, no solstício de inverno, percebeu-se que os ambientes com faces voltadas para norte nos pavimentos superiores tendem a ter uma iluminação mais distribuída devido à inclinação solar.

Dessa forma, notou-se a necessidade de um reestudo da legislação urbana da cidade, visando o atendimento dos critérios definidos nas nomas vigentes e a melhoria da qualidade dos ambientes construídos na cidade. Ressalta-se que o estudo se limita a uma análise quantitativa e não qualitativa, uma vez que fatores como boa distribuição da luz no espaço e ausência de ofuscamento não foram analisados. Para os estudos futuros, sugere-se também, que seja considerada a influência dos edifícios do entorno nos resultados.