O objeto desta pesquisa é a alteração das condições de ventilação natural e de incidência solar provocadas pelo meio urbano. Objetiva-se comprovar a hipótese de que o maior adensamento urbano através da verticalização é compatível com o conforto térmico em edifícios residenciais multifamiliares em altura utilizando apenas a ventilação natural durante 80% das horas do ano. Obstáculos no entorno modificam o comportamento do vento, reduzindo ou incrementando o campo de pressões sobre as fachadas. Por outro lado, edifícios altos situados nas proximidades podem reduzir parcelas significativas da radiação solar sobre planos verticais. O estudo tem como foco o clima quente e úmido de Fortaleza (3° S) e analisa quatro diferentes configurações representativas da morfologia urbana presentes nesta cidade. A investigação vale-se de simulações computacionais em diferentes etapas e escalas de abordagem numa metodologia sequencial e complementar na qual cada fase fornece dados necessários ao estágio seguinte. Partiu-se da avaliação da ventilação urbana através de CFD para as duas direções de vento predominantes, que forneceram dados de Cp sobre as aberturas do edifício adotado. Em seguida, simulou-se o comportamento dos fluxos internos, determinando as taxas de renovação do ar e o campo de velocidades no interior do apartamento. O desempenho térmico anual de três ambientes de permanência prolongada foi calculado e os resultados analisados com base no total de horas dentro da zona de conforto utilizando o modelo adaptativo da ASHRAE (2004). A sensação de resfriamento a partir do movimento do ar foi considerada para a extensão dos limites da zona de conforto. A hipótese mostrou-se válida, uma vez que formas urbanas mais verticalizadas como os cenários 2 e 3 obstruíram parcelas significativas da radiação solar em pavimentos mais baixos comparados a conjuntos urbanos formados por edificações mais baixas. Mesmo diante de vazões de ar cerca de 40% mais baixas em alguns casos com vento sudeste, o cenário 2 apresentou maior quantidade de horas em conforto. O mesmo ocorreu com o cenário 3, cujos valores de vazões de ar com vento leste foram discretamente superiores àqueles obtidos nos cenários 1 e 4, porém alcançando maiores períodos em conforto térmico nos pavimentos mais baixos, reforçando a atuação conjunta da obstrução à radiação solar e a manutenção de condições para ventilar naturalmente as fachadas de edifícios. Ao considerar o efeito de resfriamento provocado pelo movimento do ar, foi possível atingir a condição de conforto térmico em 85% dos casos. Ainda, as baixas correlaçõesentre a vazão de ar e a taxa de ocupação do solo em cada cenário ou a altura média das edificações reforçam a premissa de que a variabilidade do vento e o dinamismo da forma urbana impedem a determinação imediata de quais configurações espaciais reduzirão ou potencializarão as condições de ventilação natural, indicando, também, a possibilidade de compatibilizar maiores níveis de densidade urbana e condições ambientais satisfatórias em edifícios. / The object of this research is the changes in natural ventilation conditions and sunlight caused by the urban environment. The aim is to prove the hypothesis that higher urban density levels thru vertical buildings is compatible with thermal comfort in naturally ventilated residential buildings during 80% of total year´s hours. Surrounding obstacles modify wind patterns, reducing or increasing the pressure field over façades. On the other hand, tall buildings located nearby might reduce significant solar radiation portions over vertical planes. This study focus the hot-humid climate of Fortaleza, Ceará, Brazil (3° S) and analyses four different representative urban forms within this city. The investigation uses computational simulations in different stages and approaching scales in a sequential and complementary methodology in which each phase supplies the necessary data to the next level. Starting point was to evaluate the urban ventilation using a CFD tool according to two dominant wind directions, which provided Cp data over buildings openings. Then, internal flows were simulated in order to determine air changes rates and velocity field in the apartment. Annual thermodynamic performance in threelong permanence rooms was calculated and the results were evaluated using ASHRAE (2004) adaptive model. Cooling effect due to air movement was considered to extend the limits of thermal comfort zone. The hypothesis proved to be valid since more vertical urban forms such as scenarios 2 and 3 obstructed significant solar radiation portions over lower floors compared to urban settlements with lower buildings. Even with airflow rates about 40% lower in some cases with southeast wind, scenario 2 had more hours within the comfort zone. The same occurred with scenario 3, in which airflow rates for east wind were slightly higher than that obtained in scenarios 1 and 4, but achieving greater comfort periods in lower floors, reinforcing the combined effect of obstructing solar radiation and maintaining the conditions to naturally ventilate building´s façades. Considering the cooling effect due to air movement made possible to achieve thermal comfort situations in 85% of the cases. Yet, lower correlations between airflow rates and land use in each scenario or average height of buildings reinforce the premise that wind variability and the dynamism of the urban form prevent the immediate determination of which spatial configuration may reduce or enhance natural ventilation conditions, also indicating that high-density urban levels are compatible with satisfactory environmental conditions within buildings.

O objeto desta pesquisa é a alteração das condições de ventilação natural e de incidência solar provocadas pelo meio urbano. Objetiva-se comprovar a hipótese de que o maior adensamento urbano através da verticalização é compatível com o conforto térmico em edifícios residenciais multifamiliares em altura utilizando apenas a ventilação natural durante 80% das horas do ano. Obstáculos no entorno modificam o comportamento do vento, reduzindo ou incrementando o campo de pressões sobre as fachadas. Por outro lado, edifícios altos situados nas proximidades podem reduzir parcelas significativas da radiação solar sobre planos verticais. O estudo tem como foco o clima quente e úmido de Fortaleza (3° S) e analisa quatro diferentes configurações representativas da morfologia urbana presentes nesta cidade. A investigação vale-se de simulações computacionais em diferentes etapas e escalas de abordagem numa metodologia sequencial e complementar na qual cada fase fornece dados necessários ao estágio seguinte. Partiu-se da avaliação da ventilação urbana através de CFD para as duas direções de vento predominantes, que forneceram dados de Cp sobre as aberturas do edifício adotado. Em seguida, simulou-se o comportamento dos fluxos internos, determinando as taxas de renovação do ar e o campo de velocidades no interior do apartamento. O desempenho térmico anual de três ambientes de permanência prolongada foi calculado e os resultados analisados com base no total de horas dentro da zona de conforto utilizando o modelo adaptativo da ASHRAE (2004). A sensação de resfriamento a partir do movimento do ar foi considerada para a extensão dos limites da zona de conforto. A hipótese mostrou-se válida, uma vez que formas urbanas mais verticalizadas como os cenários 2 e 3 obstruíram parcelas significativas da radiação solar em pavimentos mais baixos comparados a conjuntos urbanos formados por edificações mais baixas. Mesmo diante de vazões de ar cerca de 40% mais baixas em alguns casos com vento sudeste, o cenário 2 apresentou maior quantidade de horas em conforto. O mesmo ocorreu com o cenário 3, cujos valores de vazões de ar com vento leste foram discretamente superiores àqueles obtidos nos cenários 1 e 4, porém alcançando maiores períodos em conforto térmico nos pavimentos mais baixos, reforçando a atuação conjunta da obstrução à radiação solar e a manutenção de condições para ventilar naturalmente as fachadas de edifícios. Ao considerar o efeito de resfriamento provocado pelo movimento do ar, foi possível atingir a condição de conforto térmico em 85% dos casos. Ainda, as baixas correlaçõesentre a vazão de ar e a taxa de ocupação do solo em cada cenário ou a altura média das edificações reforçam a premissa de que a variabilidade do vento e o dinamismo da forma urbana impedem a determinação imediata de quais configurações espaciais reduzirão ou potencializarão as condições de ventilação natural, indicando, também, a possibilidade de compatibilizar maiores níveis de densidade urbana e condições ambientais satisfatórias em edifícios. / The object of this research is the changes in natural ventilation conditions and sunlight caused by the urban environment. The aim is to prove the hypothesis that higher urban density levels thru vertical buildings is compatible with thermal comfort in naturally ventilated residential buildings during 80% of total year´s hours. Surrounding obstacles modify wind patterns, reducing or increasing the pressure field over façades. On the other hand, tall buildings located nearby might reduce significant solar radiation portions over vertical planes. This study focus the hot-humid climate of Fortaleza, Ceará, Brazil (3° S) and analyses four different representative urban forms within this city. The investigation uses computational simulations in different stages and approaching scales in a sequential and complementary methodology in which each phase supplies the necessary data to the next level. Starting point was to evaluate the urban ventilation using a CFD tool according to two dominant wind directions, which provided Cp data over buildings openings. Then, internal flows were simulated in order to determine air changes rates and velocity field in the apartment. Annual thermodynamic performance in threelong permanence rooms was calculated and the results were evaluated using ASHRAE (2004) adaptive model. Cooling effect due to air movement was considered to extend the limits of thermal comfort zone. The hypothesis proved to be valid since more vertical urban forms such as scenarios 2 and 3 obstructed significant solar radiation portions over lower floors compared to urban settlements with lower buildings. Even with airflow rates about 40% lower in some cases with southeast wind, scenario 2 had more hours within the comfort zone. The same occurred with scenario 3, in which airflow rates for east wind were slightly higher than that obtained in scenarios 1 and 4, but achieving greater comfort periods in lower floors, reinforcing the combined effect of obstructing solar radiation and maintaining the conditions to naturally ventilate building´s façades. Considering the cooling effect due to air movement made possible to achieve thermal comfort situations in 85% of the cases. Yet, lower correlations between airflow rates and land use in each scenario or average height of buildings reinforce the premise that wind variability and the dynamism of the urban form prevent the immediate determination of which spatial configuration may reduce or enhance natural ventilation conditions, also indicating that high-density urban levels are compatible with satisfactory environmental conditions within buildings.

Nos últimos anos, devido à crescente preocupação com a sustentabilidade, foram despendidos mundialmente grandes esforços para a redução do consumo de energia pelos sistemas prediais. Em países tropicais como o Brasil, a ventilação natural é uma maneira efetiva e econômica para melhorar o conforto térmico dentro de habitações. Ela contribui para diminuir o uso do condicionamento de ar e renovar o ar da edificação, ajudando a reduzir as chances de se ter a Síndrome do Edifício Doente (Sick Building Syndrome SBS) e melhorando a qualidade do ar interno (Indoor Air Quality IAQ). Para tirar proveito destas vantagens da ventilação natural, o comportamento do fluxo de ar dentro da edificação deve ser analisado considerando o clima local. Existem diversos códigos computacionais baseados na Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics CFD) que podem ser utilizados para esta finalidade, no entanto, o CFD é um campo que requer conhecimentos altamente especializados e experiência prática para se obter bons resultados e este conhecimento geralmente está além da formação da maioria dos engenheiros e arquitetos. Com base nas dificuldades listadas e na necessidade de complementar a formação de engenheiros e arquitetos nesta área do conhecimento, este trabalho está focado em dois objetivos: o primeiro é implementar um simulador numérico computacional baseado no algoritmo Solution Algorithm for Transient Fluid Flows SOLA e as condições de contorno necessárias para a simulação da ventilação, sendo que a validação do simulador foi realizada por comparação com resultados numéricos e experimentais existentes na literatura. O segundo objetivo é propor uma ferramenta prática para a análise da ventilação natural na fase de projeto, com uma abordagem baseada na teoria de sistemas nebulosos, para identificar as melhores configurações de aberturas para um dado leiaute. Para isto, adotou-se a idéia utilizada por Givoni em seu estudo experimental: o espaço interno de uma sala é dividido em subdomínios onde a velocidade média do ar, sob diversas configurações de aberturas, é registrada. Como as velocidades médias refletem bem a eficácia da ventilação no subdomínio, elas formam a base para a definição espacial da função de pertinência para boa circulação de ar dentro da sala, considerando cada configuração de abertura. No entanto, ao invés de usar resultados experimentais, uma série de simulações computacionais baseadas em CFD, foram executadas para compor um banco de dados para avaliação das funções de pertinência. Por outro lado, temos o leiaute, que é produzido durante a concepção do projeto. Na medida em que o leiaute provê as informações para elaborar os requisitos do fluxo de ar, a função de pertinência relacionada ao fluxo de ar em cada subdomínio deve ser avaliada baseada no leiaute e nos requisitos do usuário. Acertando os requisitos providos pelo leiaute com a eficácia do fluxo de ar provido pela configuração de abertura, pode ser identificada a configuração que melhor se adapta ao leiaute. Nos casos analisados neste trabalho, o método mostrou-se promissor, indicando a configuração típica que melhor atende aos requisitos de projeto com uma boa conformidade com os resultados obtidos pela simulação da sala completa, incluindo a mobília. / In the last years, due to the concerns on sustainability, a great effort in energy saving of building systems is being carried out worldwide. In tropical countries such as Brazil, the natural ventilation is an effective and economical option to improve thermal comfort inside the dwellings, to avoid the use of costly HVAC systems, and to renew the indoor air, contributing to mitigate the Sick Building Syndrome (SBS) and to improve the Indoor Air Quality (IAQ). In order to take advantage of the natural ventilation, the behaviors of the airflow inside the buildings must be analyzed considering the local climate. There are many computer simulation codes based on Computational Fluid Dynamics (CFD) that may be adopted for this purpose, however, CFD is a field that requires highly specialized knowledge and experience to achieve good results and this expertise, which is needed to obtain reliable numerical results, is generally beyond the formation of the most part of architects and engineers. Owing to these difficulties and on the necessity to form engineers and architects in this area of knowledge, this work is focused in two main objectives: The first one is to implement a numeric computational simulation program based on Solution Algorithm for Transient Fluid Flows (SOLA) and the boundary conditions needed to simulate ventilation. The validation of the code is made by comparing the numerical results with results obtained using numerical or experimental methods published by other authors. The second objective is to propose a practical tool for the analysis of natural ventilation in the design of dwellings, with an approach based on the concepts of the Fuzzy Systems Theory to identify the best configurations of the openings for a given layout. For this, the idea used by Givonis experimental study is adopted: the inner space of a room is divided in sub-domains whose mean air velocities under different opening configurations are recorded. As the mean velocities reflect very well the effectiveness of the ventilation in the sub-domain, they form the basis for the definition of spatial distribution of the membership function for good air circulation inside the room concerning each opening configuration. However, instead of the experimental ones, a series of computer simulations were carried out to build a database for the assessment of the membership functions. On the other hand, we have the sketch of the layout, which is produced during the conceptual stage of design. As the layout provides the information about the requirements for the airflow, the membership function regarding the desirable air flow for each sub-domain might be assessed based on the layout and considering the user\'s requirements. By matching the requirements provided by the layout with the effectiveness of the airflow provided by the opening configurations, the opening configuration that best fits the layout can be identified. In the cases analyzed in this work, the method shows promising results. The typical configuration that best fits the design requirements with a good conformity with the results was obtained by full room simulation, including the furniture.

Nos últimos anos, devido à crescente preocupação com a sustentabilidade, foram despendidos mundialmente grandes esforços para a redução do consumo de energia pelos sistemas prediais. Em países tropicais como o Brasil, a ventilação natural é uma maneira efetiva e econômica para melhorar o conforto térmico dentro de habitações. Ela contribui para diminuir o uso do condicionamento de ar e renovar o ar da edificação, ajudando a reduzir as chances de se ter a Síndrome do Edifício Doente (Sick Building Syndrome SBS) e melhorando a qualidade do ar interno (Indoor Air Quality IAQ). Para tirar proveito destas vantagens da ventilação natural, o comportamento do fluxo de ar dentro da edificação deve ser analisado considerando o clima local. Existem diversos códigos computacionais baseados na Dinâmica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamics CFD) que podem ser utilizados para esta finalidade, no entanto, o CFD é um campo que requer conhecimentos altamente especializados e experiência prática para se obter bons resultados e este conhecimento geralmente está além da formação da maioria dos engenheiros e arquitetos. Com base nas dificuldades listadas e na necessidade de complementar a formação de engenheiros e arquitetos nesta área do conhecimento, este trabalho está focado em dois objetivos: o primeiro é implementar um simulador numérico computacional baseado no algoritmo Solution Algorithm for Transient Fluid Flows SOLA e as condições de contorno necessárias para a simulação da ventilação, sendo que a validação do simulador foi realizada por comparação com resultados numéricos e experimentais existentes na literatura. O segundo objetivo é propor uma ferramenta prática para a análise da ventilação natural na fase de projeto, com uma abordagem baseada na teoria de sistemas nebulosos, para identificar as melhores configurações de aberturas para um dado leiaute. Para isto, adotou-se a idéia utilizada por Givoni em seu estudo experimental: o espaço interno de uma sala é dividido em subdomínios onde a velocidade média do ar, sob diversas configurações de aberturas, é registrada. Como as velocidades médias refletem bem a eficácia da ventilação no subdomínio, elas formam a base para a definição espacial da função de pertinência para boa circulação de ar dentro da sala, considerando cada configuração de abertura. No entanto, ao invés de usar resultados experimentais, uma série de simulações computacionais baseadas em CFD, foram executadas para compor um banco de dados para avaliação das funções de pertinência. Por outro lado, temos o leiaute, que é produzido durante a concepção do projeto. Na medida em que o leiaute provê as informações para elaborar os requisitos do fluxo de ar, a função de pertinência relacionada ao fluxo de ar em cada subdomínio deve ser avaliada baseada no leiaute e nos requisitos do usuário. Acertando os requisitos providos pelo leiaute com a eficácia do fluxo de ar provido pela configuração de abertura, pode ser identificada a configuração que melhor se adapta ao leiaute. Nos casos analisados neste trabalho, o método mostrou-se promissor, indicando a configuração típica que melhor atende aos requisitos de projeto com uma boa conformidade com os resultados obtidos pela simulação da sala completa, incluindo a mobília. / In the last years, due to the concerns on sustainability, a great effort in energy saving of building systems is being carried out worldwide. In tropical countries such as Brazil, the natural ventilation is an effective and economical option to improve thermal comfort inside the dwellings, to avoid the use of costly HVAC systems, and to renew the indoor air, contributing to mitigate the Sick Building Syndrome (SBS) and to improve the Indoor Air Quality (IAQ). In order to take advantage of the natural ventilation, the behaviors of the airflow inside the buildings must be analyzed considering the local climate. There are many computer simulation codes based on Computational Fluid Dynamics (CFD) that may be adopted for this purpose, however, CFD is a field that requires highly specialized knowledge and experience to achieve good results and this expertise, which is needed to obtain reliable numerical results, is generally beyond the formation of the most part of architects and engineers. Owing to these difficulties and on the necessity to form engineers and architects in this area of knowledge, this work is focused in two main objectives: The first one is to implement a numeric computational simulation program based on Solution Algorithm for Transient Fluid Flows (SOLA) and the boundary conditions needed to simulate ventilation. The validation of the code is made by comparing the numerical results with results obtained using numerical or experimental methods published by other authors. The second objective is to propose a practical tool for the analysis of natural ventilation in the design of dwellings, with an approach based on the concepts of the Fuzzy Systems Theory to identify the best configurations of the openings for a given layout. For this, the idea used by Givonis experimental study is adopted: the inner space of a room is divided in sub-domains whose mean air velocities under different opening configurations are recorded. As the mean velocities reflect very well the effectiveness of the ventilation in the sub-domain, they form the basis for the definition of spatial distribution of the membership function for good air circulation inside the room concerning each opening configuration. However, instead of the experimental ones, a series of computer simulations were carried out to build a database for the assessment of the membership functions. On the other hand, we have the sketch of the layout, which is produced during the conceptual stage of design. As the layout provides the information about the requirements for the airflow, the membership function regarding the desirable air flow for each sub-domain might be assessed based on the layout and considering the user\'s requirements. By matching the requirements provided by the layout with the effectiveness of the airflow provided by the opening configurations, the opening configuration that best fits the layout can be identified. In the cases analyzed in this work, the method shows promising results. The typical configuration that best fits the design requirements with a good conformity with the results was obtained by full room simulation, including the furniture.