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Marcos Hideki Yamanaka
LUXLOGGER –
Sistema Autônomo de Medição de Iluminação Natural
de Baixo Custo
Orientador: Prof. Dr. Paulo Sergio Scarazzato
UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO FACULDADE DE ARQUITETURA E URBANISMO
São Paulo
2008
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II
Marcos Hideki Yamanaka
LUXLOGGER –
Sistema Autônomo de Medição de Iluminação Natural
de Baixo Custo
Dissertação apresentada à Comissão de
Pós-Graduação da Faculdade de Arquitetura
e Urbanismo da Universidade de São Paulo
como parte dos requisitos para obtenção do
título de Mestre em Arquitetura e Urbanismo.
Área de Concentração:
Tecnologia da Arquitetura
Orientador:
Prof. Dr. Paulo Sergio Scarazzato
São Paulo
2008
III
DEDICATÓRIA
À minha mãe, que nunca me
ensinou a desistir, e que de
onde estiver, continue a enviar
sua energia.
IV
AGRADECIMENTOS
A busca do conhecimento sempre levou os pesquisadores a um grande isolamento
pessoal, para que a concentração e aprofundamento das idéias não se
dispersassem em temas que não os objetos da procura.
Acredito que hoje o desenvolvimento do conhecimento e a divulgação dos avanços
das pesquisas são fundamentais para a sociedade, porém sem um retorno social,
não haveria sentido em estudar algum assunto em profundidade. E incluo neste
retorno social, o convívio dos pesquisadores, parceiros e o conjunto da sociedade.
Sendo assim, não poderia deixar de agradecer diversos companheiros e
companheiras que contribuíram, em muito, no desenrolar desses anos de pesquisas.
Pessoas que, mesmo não sabendo, tornaram possível que eu (nós!!) chegasse a
este momento de realização.
Este trabalho iniciou-se através do mestre Eduardo Vianna, que me convidou a
entrar neste universo da ciência da arquitetura, portanto não poderia deixar de
Laboratório de Conforto Ambiental e Eficiência Energética da Faculdade de
Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo (FAUUSP) - LABAUT.
Ao Prof. Dr. Paulo Sergio Scarazzato, pela coragem em aceitar orientar um trabalho
na área de eletrônica aplicada à arquitetura, postura que enriqueceu a condução da
pesquisa como um todo, sobretudo na compreensão das necessidades específicas
da arquitetura com relação ao suporte oferecido por equipamentos de medição, em
particular daqueles destinados a estudos de iluminação natural no interior dos
edifícios.
Não poderia deixar de citar as professoras Dra. Márcia Peinado Alucci e Dra. Anésia
Barros Frota, que sempre me incentivaram ao longo de tantos anos de trabalhos,
com idéias e um alto astral que movimentam o mundo!
Aos pesquisadores do LABAUT, todos aqueles que conheci e também contribuíram
para os sucessos dos trabalhos, quero agradecer profundamente. E pelos nomes
das Profas. Dras. Denise Helena Silva Duarte e Joana Carla Gonçalves, gostaria que
V
todos os alunos e pesquisadores sintam-se homenageados. E meu muito obrigado
ao Kadu, que teve a paciência e agilidade no auxílio nas medições.
Aos meus amigos Daniela Cardoso Laudares Pereira, Sandra Regina Pinto e Dimas
Bertolotti, um agradecimento profundo a este grupo especial de pessoas que foi
fundamental para minha maior compreensão do universo arquitetônico, pois através
das discussões e estudos em conjunto, apresentaram-me à amplidão dos trabalhos
científicos em tecnologia da arquitetura.
Aos meus eternos baianos, que estiveram juntos nos momentos de alegria e alguns
de sofrimento desde os tempos da graduação, Alexandre, Fabião, Janinha, Galeano,
Lú.
Os Ricardos e Marcos e suas respectivas Lús e Iná, agradeço enormemente por
tantos anos de amizade e incentivos em todos os aspectos!
À Janaina, pelos anos de convivência e paciência.
À empresa Electrocell, através do nome de Gilberto Janólio, o meu agradecimento
pela disponibilidade de equipamentos e programas fundamentais para o
desenvolvimento deste projeto.
E não posso deixar de agradecer à minha família, que incondicionalmente, tem
tornado possível meu desenvolvimento, seja pela alegria das crianças, pelos
momentos em companhia, ou simplesmente, pela segurança de sabermos que
somos uma família!
VI
“Portanto, a luz é algo como as
gotas de chuva – cada pequeno
pedaço de luz chama-se
<<fotão>> - e, se a luz for toda
de uma cor, todas as <<gotas
de chuva>> têm o mesmo
tamanho.”
Richard P. Feynman
VII
RESUMO
YAMANAKA, MARCOS H. LUXLOGGER – Sistema autônomo de medição de
iluminação natural de baixo custo. 2008. 98p. Dissertação de Mestrado – Faculdade
de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.
A questão ambiental atualmente tem gerado grandes discussões sobre energias
renováveis sendo que uma das grandes fontes é o sol. Porém, o aproveitamento da
sua energia luminosa ainda não tem sido feito em larga escala em países que
possuem essa disponibilidade, como é o caso do Brasil. Um dos motivos pode ser a
falta de uma maior compreensão de como fazer o dimensionamento da iluminação
natural.
Este trabalho propõe o desenvolvimento de um sistema de medição desta iluminação
natural, através de sensores de baixo custo adaptados para a função de medição,
além de um equipamento de medidas e armazenagem de dados, bem um programa
computacional que permita a descarga, gravação e interpretação desses dados em
um computador.
Através deste sistema poderá ser analisada a disponibilidade de luz natural externa,
assim como a sua distribuição em espaços construídos simultaneamente.
Palavras-chaves: sistema de medição, iluminação natural, equipamento, sensores,
baixo custo.
VIII
ABSTRACT
YAMANAKA, MARCOS H. LUXLOGGER – Autonomous system of daylight
measurement of low cost. 2008. 98p. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de
Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo, São Paulo, 2008.
The environmental issue has now created major discussions on renewable energy,
being one of the major sources is the sun. However, the exploitation of its energy light
has not yet been done on a large scale in countries that have such availability, such
as Brazil. One reason may be the lack of a better understanding of how to make
scaling of natural light.
This paper proposes the development of a system of measurement of daylight,
through low-cost sensors adapted for the task of measuring, and an equipment
measures and storage of data, and a software that allows the discharge, recording
and interpretation such data in a computer.
Through this system could be considered the availability of external daylight, as well
as their distribution in space constructed simultaneously.
Keywords: measurement system, daylight, equipment, low-cost sensor.
IX
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Vistas do corte da edificação avaliada na pesquisa ..............................8
Figura 2 – Vistas da área envidraçada da edificação..............................................9
Figura 3 – Fotos da área envidraçada do átrio........................................................10
Figura 4 – Descritivo do ambiente monitorado........................................................10
Figura 5 - Detalhe do sistema das aletas da veneziana controlada
automaticamente.....................................................................................................11
Figura 6 – Ilustração dos ângulos de incidência solar e de sombreamento das aletas
do sistema...............................................................................................................12
Figura 7 – Diagrama do ambiente com proteção solar monitorado..........................15
Figura 8 – Diagrama da distribuição das luminárias e sensor.................................17
Figura 9 – Foto do LDR ...........................................................................................23
Figura 10 – Fotodiodo..............................................................................................24
Figura 11 – Diagrama interno do fotodiodo..............................................................25
Figura 12 – Esquema elétrico básico do condicionador de sinal para fotodiodo......31
Figura 13 – Diagrama de blocos da configuração de dados de um
Microcontrolador.......................................................................................................32
Figura 14 – representação do ângulo de incidência que determina o efeito do
cosseno.....................................................................................................................39
Figura 15 – Tela do programa computacional para um canal de medida.................43
Figura 16 - Foto do primeiro protótipo do Luxlogger I ..............................................44
Figura 17 – Luxlogger I finalizado .............................................................................45
Figura 18 – Esquema elétrico do Luxlogger I.............................................................46
Figura 19 – Esquema elétrico do Luxlogger XII.........................................................48
Figura 20 - Tela do programa computacional para 12 canais...................................49
Figura 21 – Sistema Luxlogger XII em operação no laboratório................................56
Figura 22 – Sistema Luxlogger XII em funcionamento comparando
os dados a um luxímetro comercial............................................................................57
Figura 23 – Sistema Luxlogger em operação em modelo reduzido...........................60
X
Figura 24 – Luxlogger XII e sensores em montagem no modelo reduzido................61
XI
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 – Coeficiente de temperatura em função do comprimento de onda...........26
Gráfico 2- Gráfico da relação sinal ruído do fotodiodo..............................................27
Gráfico 3 – Sensibilidade relativa em função da posição da área ativa.....................28
Gráfico 4 – Variação da VCP em função da temperatura ambiente..........................29
Gráfico 5 – Variação da corrente escura em função da temperatura ambiente........29
Gráfico 6 – Resposta espectral desejável do sensor em função
do comprimento de onda...........................................................................................38
Gráfico 7 – Curva da queda de tensão no LDR em função da iluminância...............40
Gráfico 8 – Comparativo entre medidas de iluminâncias com o LDR e
luxímetro comercial....................................................................................................41
Gráfico 9 – Comparativo entre medidas de iluminâncias LDR,Fotodiodo e
Luxímetro comercial...................................................................................................42
Gráfico 10 – Iluminâncias medidas de três fotodiodos comparados
às medidas de um luxímetro comercial utilizando Luxlogger VII................................47
Gráfico 11 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 1 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................50
Gráfico 12 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 2 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................51
Gráfico 13 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 3 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................52
Gráfico 14 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 4 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................52
Gráfico 15 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 5 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................53
Gráfico 16 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 6 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................53
Gráfico 17 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 7 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................54
XII
Gráfico 18 – Medidas de iluminâncias comparativas entre o canal 8 do
Luxlogger XII e um luxímetro comercial......................................................................55
XIII
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Medidas comparativas dos canais 1 e 8 do
Luxlogger e luxímetros comerciais........................................................................115
Tabela 2 – Medidas comparativas dos canais 2 e 4 do
Luxlogger e luxímetros comerciais........................................................................116
Tabela 3 – Medidas comparativas dos canais 3 e 7 do
Luxlogger e luxímetros comerciais........................................................................117
Tabela 2 – Medidas comparativas dos canais 5 e 6 do
Luxlogger e luxímetros comerciais........................................................................118
XIV
SUMÁRIO
DEDICATÓRIA.......................................................................................................III
AGRADECIMENTO................................................................................................IV
EPÍGRAFE.............................................................................................................V
RESUMO................................................................................................................VI
ABSTRACT.............................................................................................................VII
1 – Introdução........................................................................................................1
1.1 – Colocação do problema.................................................................................1
1.2 – Justificativa da pesquisa................................................................................2
1.3 – Objeto de estudo............................................................................................3
1.4 – Objetivos da pesquisa....................................................................................3
1.5 – Metodologia....................................................................................................4
1.6 – Recursos e restrições.....................................................................................5
1.7 – Estrutura da dissertação.................................................................................6
2 - Revisão bibliográfica.........................................................................................8
2.1 – Introdução.....................................................................................................8
2.2 – Canadá..........................................................................................................8
2.3 – Tailândia.......................................................................................................13
2.4 – Indonésia......................................................................................................13
2.5 – Espanha........................................................................................................14
2.6 – Hong Kong....................................................................................................16
2.7 - Considerações Finais....................................................................................19
Capítulo 3 – Desenvolvimento do sistema Luxlogger............................................21
3.1 – Introdução.....................................................................................................21
3.2 – Sensores.......................................................................................................22
3.2.1 – LDR............................................................................................................23
3.2.2 – Fotodiodo...................................................................................................23
XV
3.2.3 – Fototransistor.............................................................................................29
3.3 – Condicionador de sinal..................................................................................30
3.4 – Multiplexador.................................................................................................32
3.5 – Microcontrolador............................................................................................32
3.6 – Comunicação serial.......................................................................................34
3.7 – Programa Computacional..............................................................................35
3.8 – Considerações Finais....................................................................................36
Capítulo 4 - Levantamento e análise de dados.....................................................37
4.1 – Introdução......................................................................................................37
4.2 - Norma ABNT 15215-4 Iluminação Natural-Parte 4: Verificação experimental das
condições de iluminação interna das edificações...................................................37
4.3 - Descrição do desenvolvimento do equipamento............................................39
Capítulo 5 – Conclusões.........................................................................................56
5.1 –Considerações Finais......................................................................................56
5.2 – Limitações do sistema e Propostas de trabalhos futuros...............................59
Referências bibliográficas........................................................................................62
Anexos.....................................................................................................................67
Anexo A - Fluxograma da parte de aquisição dos 12 sinais de iluminâncias do
programa embarcado no Luxlogger XII....................................................................67
Anexo B - Fluxograma da parte de comunicação serial embarcado
no Luxlogger XII.......................................................................................................69
Anexo C - Listagem do programa computacional feito em
Microsoft Visual Basic 6.0 para comunicação com o Luxlogger XII.........................71
Anexo D - Esquema elétrico do circuito do Luxlogger I............................................79
Anexo E - Esquema elétrico do circuito do Luxlogger XII.........................................81
Anexo F – Código Fonte...........................................................................................83
Anexo G – Tabelas de valores medidos utilizando o Luxlogger XII.........................114
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