Validação da Simulação de Iluminação Artificial no CODYRUN: Aplicação aos Casos de Teste da CIE

Índice

1. Introdução

Este artigo apresenta um estudo de validação das capacidades de simulação de iluminação artificial no software CODYRUN, uma ferramenta computacional para simulação aeráulica e térmica em edifícios desenvolvida pelo Laboratório de Física e Sistemas de Edifícios (L.P.B.S). O estudo foi iniciado para avaliar a fiabilidade do software na simulação deste fenómeno físico específico, visando identificar os seus limites e potenciais de melhoria. A validação utiliza casos de teste (especificamente os cenários 1 e 3) desenvolvidos pelo Task-3 TC-33 da Comissão Internacional de Iluminação (CIE), que fornece procedimentos padronizados para avaliar software de simulação de iluminação.

2. Novo Modelo Simplificado para Cálculo da Iluminação Interior

Para determinar quantitativamente a iluminação interior, o CODYRUN integra vários modelos combinados que contabilizam os componentes de luz artificial direta e difusa. O novo modelo simplificado introduzido é conceptualmente semelhante aos utilizados em software de conceção de iluminação estabelecidos, como o DIALux e o CALCULUX.

2.1 Hipótese da Simulação no CODYRUN

O modelo opera sob várias premissas-chave: o espalhamento da luz é considerado Lambertiano (uniforme em todas as direções); as luminárias são caracterizadas por dados fotométricos fornecidos pelo fabricante e são reduzidas a uma fonte pontual no seu centro de gravidade; e não há obstrução entre a fonte de luz e o ponto iluminado no plano de trabalho.

2.2 Componente Direta da Iluminação (da Fonte de Luz Artificial)

A iluminância direta num ponto do plano de trabalho é calculada com base na morfologia da fonte e no ângulo sólido subtendido no ponto iluminado em relação à fonte. A Figura 1 ilustra este conceito, mostrando a propagação da luz de uma fonte montada no teto para um ponto no plano de trabalho.

2.3 Componente Difusa da Iluminação (da Inter-reflexão Interior)

A componente difusa resulta das inter-reflexões da luz direta nas superfícies interiores da sala (paredes, teto, chão). Esta componente depende da refletividade (cor) destas superfícies. O modelo do CODYRUN calcula isto ponderando a iluminância direta pelo coeficiente de reflexão médio das paredes internas, conforme ilustrado na Figura 2.

3. Perspetiva Central: Análise do Especialista

Perspetiva Central: Este trabalho representa uma abordagem pragmática e focada na engenharia para a validação, priorizando a eficiência computacional e a integração numa plataforma multifísica existente (CODYRUN) em detrimento da busca da máxima precisão física possível. A escolha de um modelo simplificado e semi-detalhado em vez de métodos mais rigorosos como o Radiosity ou o Ray Tracing é um compromisso estratégico.

Fluxo Lógico: A lógica do artigo é direta e defensável: 1) Identificar uma lacuna (falta de iluminação validada num simulador térmico). 2) Adotar/desenvolver um modelo computacionalmente leve adequado para integração. 3) Validá-lo com base num benchmark padrão da indústria (casos de teste da CIE). Este é um fluxo de trabalho clássico de V&V (Verificação e Validação) de software, semelhante às metodologias discutidas na Norma ASHRAE 140 ou nos procedimentos BESTEST para simulação energética de edifícios.

Pontos Fortes e Fracos: O principal ponto forte é a própria integração. Combinar iluminação com simulação térmica e de fluxo de ar é crucial para uma análise holística do desempenho do edifício, impactando o uso de energia para iluminação e arrefecimento. A utilização de benchmarks da CIE acrescenta credibilidade. A principal fraqueza, que os autores reconhecem ao chamar o modelo de "simplificado", é a simplificação significativa da física. Reduzir luminárias complexas a fontes pontuais e usar um método de média ponderada para inter-reflexões (semelhante a uma aproximação grosseira de fator de forma) introduzirá inevitavelmente erros em espaços complexos, não difusos ou obstruídos. Isto contrasta fortemente com as técnicas de renderização de alta fidelidade e baseadas na física usadas na investigação em computação gráfica, como as construídas sobre a seminal Equação de Renderização de Kajiya.

Insights Acionáveis: Para os profissionais, esta ferramenta é valiosa para estudos de conceção comparativa em fases iniciais, onde a velocidade é fundamental. No entanto, para conformidade final de conceção de iluminação ou análise detalhada de conforto visual, o software de iluminação dedicado (por exemplo, ferramentas baseadas no Radiance) continua a ser essencial. O caminho futuro é claro: o modelo serve como uma boa base. O próximo passo deve ser uma abordagem em camadas — usando o modelo simples para iterações rápidas e acionando cálculos mais precisos de Radiosity ou mapeamento de fotões (como os do conjunto de software de código aberto Radiance) para vistas críticas ou validação final, criando um ambiente de simulação híbrido de múltiplas fidelidades.

4. Detalhes Técnicos e Formulação Matemática

O cálculo central, conforme implícito no artigo, envolve somar as componentes direta e difusa. A iluminância direta $E_{direct}$ num ponto é regida pela lei do inverso do quadrado da distância e pelo cosseno do ângulo de incidência, derivada da intensidade luminosa da fonte $I(\theta)$ fornecida pelo seu ficheiro fotométrico:

$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$

onde $d$ é a distância do ponto da fonte ao ponto iluminado, e $\alpha$ é o ângulo entre a direção da luz e a normal à superfície.

A iluminância difusa $E_{diffuse}$ é aproximada como uma função da componente direta e das refletâncias das superfícies da sala. Um método simplificado comum (sugerido por "ponderação") é usar uma refletância média $\rho_{avg}$ e um fator de inter-reflexão, frequentemente derivado do "método dos lúmens" ou de aproximações simples de fatores de forma:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (ou uma formulação semelhante que tenha em conta a geometria da sala).

A iluminância total $E_{total}$ é então: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Resultados Experimentais e Descrição dos Gráficos

O artigo aplica casos de teste da CIE (Cenários 1 e 3 do TC-3-33) ao CODYRUN. Embora os resultados numéricos específicos não sejam detalhados no excerto fornecido, o propósito de tais casos de teste é tipicamente comparar os valores de iluminância calculados pelo software em pontos de grelha especificados com valores de referência ou resultados de outro software validado.

Figura 1: Fonte de Luz Direta – Este esquema representa uma secção transversal simplificada de uma sala. Uma fonte de luz pontual é mostrada no teto. Uma linha reta (raio) conecta esta fonte a um ponto específico no plano de trabalho horizontal (por exemplo, uma secretária). O ângulo de incidência é indicado. Esta figura define visualmente as variáveis (distância, ângulo) usadas no cálculo da iluminância direta.

Figura 2: Luz Difusa – Este diagrama ilustra o conceito de inter-reflexão. Provavelmente mostra a mesma sala, mas agora com múltiplas setas a ricochetear entre paredes, teto e chão antes de eventualmente atingirem o ponto do plano de trabalho. Isto representa a componente difusa que não vem diretamente da fonte, mas de reflexões, enfatizando a sua dependência das cores das superfícies (refletividade).

6. Estrutura de Análise: Caso de Exemplo

Cenário: Avaliar o desempenho da iluminação e o impacto associado na carga de arrefecimento ao substituir luminárias fluorescentes embutidas por painéis LED num gabinete de escritório padrão de 5m x 5m x 3m.

Aplicação da Estrutura usando o Modelo do CODYRUN:

1. Definição de Inputs: Criar duas variantes do modelo no CODYRUN. Variante A: Usar dados fotométricos (ficheiro IES/LDT) para a luminária fluorescente existente. Variante B: Usar dados fotométricos para o painel LED proposto. Definir a mesma altura do plano de trabalho (0,75m) e grelha de pontos de cálculo.
2. Execução da Simulação: Executar a simulação de iluminação para ambas as variantes. O modelo simplificado calculará $E_{total}$ em cada ponto da grelha. Simultaneamente, o motor térmico do CODYRUN calculará o ganho de calor dos sistemas de iluminação (com base na sua potência e fração radiante).
3. Análise:
   • Métricas de Iluminação: Comparar a iluminância média, o rácio de uniformidade (mín/méd) e a conformidade com normas como a EN 12464-1.
   • Impacto Energético: Comparar a densidade de potência de iluminação (LPD).
   • Impacto Térmico: Analisar a diferença na carga sensível de arrefecimento devido à alteração no ganho de calor da iluminação.
4. Verificação de Validação: Para pontos críticos (por exemplo, sob uma janela, num canto), verificar pontualmente os valores de iluminância contra um cálculo rápido usando o DIALux ou uma fórmula manual para avaliar o erro introduzido pela simplificação.

Esta análise integrada, embora aproximada, fornece uma avaliação rápida e co-simulada dos efeitos multidomínio da alteração de conceção.

7. Perspetivas de Aplicação e Direções Futuras

A integração da simulação de iluminação em ferramentas de desempenho global do edifício, como o CODYRUN, abre várias vias futuras:

• Controlo Híbrido de Iluminação Natural e Artificial: O próximo passo lógico é integrar um modelo de iluminação natural validado (por exemplo, baseado no modelo de céu de Perez). Isto permitiria simular estratégias de controlo dinâmico para luzes elétricas com base na luz natural disponível, crucial para prever poupanças energéticas reais.
• Conforto Visual e Efeitos Não Visuais: Ir além da simples iluminância para prever métricas como a Probabilidade de Ofuscamento por Luz Natural (DGP), o Índice de Ofuscamento Unificado (UGR) e o estímulo circadiano. Isto alinha-se com o foco crescente na saúde e bem-estar nos edifícios, como visto no WELL Building Standard.
• Escalonamento da Fidelidade do Modelo: Desenvolver uma estrutura de simulação adaptativa onde o nível de detalhe do modelo de iluminação se ajusta com base na fase de análise — modelos simples para exploração paramétrica e acionamento automatizado de simulações de alta fidelidade no Radiance para validação final da conceção.
• Integração com BIM e Controlo em Tempo Real: Usar o núcleo de simulação para informar sistemas de gestão de edifícios (BMS) em tempo real ou para gerar dados para treinar modelos de aprendizagem automática para controlo preditivo da iluminação.

8. Referências

1. Software CODYRUN. Laboratório de Física e Sistemas de Edifícios (L.P.B.S).
2. CIE. (Ano). Casos de Teste para a Avaliação de Software de Iluminação. Comissão Internacional de Iluminação, Comité Técnico TC-3-33.
3. Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
4. Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
5. DIALux. DIAL GmbH.
6. CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
7. ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
8. Ward, G. J. (1994). The RADIANCE lighting simulation and rendering system. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.