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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

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













XII



XIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Medidas comparativas dos canais 1 e 8 do

Luxlogger e luxímetros comerciais........................................................................115







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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