Introdução

Populações de diferentes comunidades espalhadas por todo o planeta construíram, ao longo da história, moradias que se adaptavam aos seus costumes e condições ambientais. Estas moradias foram desenvolvidas através de muitas gerações que verificavam empiricamente as soluções que obtinham melhores resultados e mostravam-se mais confortáveis. Técnicas engenhosas e criativas foram desenvolvidas por povos considerados primitivos que adaptavam os materiais disponíveis aos ciclos da natureza de cada região. Da mesma forma que os costumes destes grupos foram importantes para a criação de seus abrigos, a maneira como estes últimos se comportavam em cada estação ou alteração climática também influenciou os hábitos de seus moradores. Com o passar do tempo, a casa de um determinado povoado foi sendo associada a este grupo como uma importante imagem de seu povo. Além disso, estas casas, seus materiais e soluções, representam regiões e o próprio meio-ambiente onde elas estão localizadas.

A maior parte destas edificações possui uma configuração dinâmica e se adapta a diferentes horários, estações etc. Seu dinamismo aproxima ainda mais os moradores e seus hábitos dos ciclos da natureza. Suas janelas ou portas são fechadas quando o vento muda de direção e algumas vezes até o local em que as famílias cozinham está relacionado com o clima. Em outros casos, as moradias são constituídas por uma série de camadas que são fechadas por seus moradores nos dias mais frios ou abertas quando a temperatura torna-se mais elevada. Estas casas são, portanto, instrumentos que ajudam a conectar os homens com a natureza.

O desenvolvimento de importantes tecnologias, entre elas, a lâmpada elétrica e o ar-condicionado, vem alterando essa relação entre as residências e seu ambiente natural. As diferenças entre casas diminuíram, não importando se estão localizadas em regiões sem qualquer semelhança. Finalmente, o que denominamos de “International Style” apenas evidenciou uma tendência de separação dos moradores das variações do meio ambiente. Esta separação é decorrência do desenvolvimento de uma série de equipamentos e técnicas para amenizar o desconforto causado por variações climáticas ou ciclos da natureza. As novas construções poderiam, com pequenas adaptações, estar em qualquer região do planeta. Seus novos moradores não precisavam mais conhecer o ciclo lunar ou o regime de ventos da sua região, e os edifícios cada vez representavam menos o meio ambiente onde estavam construídos. O distanciamento entre os homens e a natureza ocorreu em diferentes situações cotidianas e as edificações representam apenas parte desta mudança de hábitos do homem moderno.

Reconhecidos autores, em diferentes países, vêm destacando a dimensão da perda que estas novas tecnologias impactam na cultura dos povos, na nossa forma de viver e, mais especificamente na arquitetura. Nos anos 1930, o reconhecido escritor japonês Junichiro Tanizaki escreveu um notável ensaio sobre a importância da penumbra para a percepção dos espaços das construções japonesas. De acordo com Tanizaki, a profusão e a homogeneidade da iluminação elétrica reduziram a percepção da beleza das sombras e das texturas dos materiais, características essenciais da arquitetura tradicional japonesa (TANIZAKI, 2007). Mais recentemente, nos anos 1990, o arquiteto finlandês Juhani Pallasmaa publicou um ensaio sobre os sentidos e a arquitetura que viria a tornar-se uma importante fonte de leitura em escolas de engenharia em todo o mundo. Pallasmaa busca resgatar na arquitetura a qualidade dos sentidos que a humanidade perdeu ao privilegiar a visão. Segundo Pallasmaa, estamos expostos a uma enorme quantidade de imagens e nossa cultura se volta cada vez mais para a visão. A estandardização da arquitetura e a relevância das suas imagens através de fotografias, em detrimento da vivência dos espaços, ilustram como usamos menos os outros sentidos. Pallasmaa destaca ainda o trabalho de arquitetos que produzem obras que claramente sensibilizam e reforçam outros sentidos como o tato, a audição e o olfato (PALLASMAA, 2005). A relação dos povos primitivos com o ambiente em que vivem se dá através de todos os seus sentidos. Estes povos são parte do meio ambiente e lhes parece estranho pensar até mesmo discutir sobre a sua relação com o ambiente natural, uma vez que eles são um só. Através da pele são percebidas as mudanças climáticas que estão por vir e são confirmadas pela audição, olfato e também pela visão. Nem mesmo o olho do homem moderno, exercitado em diferentes tipos de telas, consegue mais distinguir com precisão essas alterações dos ciclos da natureza.

Entretanto uma nova mudança está surgindo. Há algumas décadas, um grupo relativamente pequeno, cujos integrantes eram frequentemente rotulados como radicais, deu partida a uma série de iniciativas que buscavam demonstrar a situação insustentável da humanidade, seu modo de vida e sua relação com o planeta. Atualmente, já existe um consenso de que necessitamos mudar essa direção, mas ainda estamos longe de tomarmos atitudes realmente eficazes. A força do termo sustentabilidade está se perdendo em decorrência da banalização de seu uso. Recentemente, na introdução de seu livro sobre Urbanismo Ecológico, Mostafavi, dean da Harvard Graduate School of Design, destacou o conceito ético-político de Guattari denominado ecosofia, que defende que apenas uma articulação entre as três ecologias (o meio-ambiente, as relações sociais e a subjetividade humana) poderia oferecer uma resposta para a crise ecológica que vivemos. Para isso, é importante e necessário que esta resposta ocorra em uma escala global, mas também na escala do indivíduo (MOSTAFAVI, 2010).

Sistemas de automação e informação em residências de energia zero

Outra significativa mudança está ocorrendo através das tecnologias direcionadas para edificações e, mais especificamente, para residências de energia zero (que produzem na média anual toda a energia que consomem). Estas casas devem gerar localmente grande quantidade de energia através de fontes renováveis. Além disso, deve-se priorizar o desenvolvimento de tecnologias direcionadas para a redução do consumo através de sistemas e equipamentos muito eficientes. A eficiência energética dos sistemas ainda é o principal debate sobre estas casas, mas um importante aspecto que devemos nos concentrar é na utilização de sistemas passivos que não exigem energia ou que seu uso seja mínimo, facilitando a adaptação destas casas para as variações da natureza. Acreditamos ainda que estas tecnologias possuam um significativo potencial de reconexão do homem contemporâneo com o ambiente natural e seus ciclos. Grande parte destas possibilidades de geração de energia não é constante, estando diretamente relacionada a estes ciclos da natureza. Além disso, sistemas e equipamentos eficientes são preferencialmente passivos, não dependendo do uso da energia da casa e, portanto, necessitam de energia externa disponível na natureza, como ventos ou diferenças de temperatura. Ao contrário do modelo de casas que pode ser reproduzido em qualquer região do planeta, estas devem estar adequadas ao clima local e às disponibilidades de energia e recursos naturais, que são extremamente variáveis e diferentes de região para região.

Mais recentemente, os sistemas destas residências vêm sendo interconectados através de cada vez mais complexos sistemas de automação e informação residencial. Os sistemas mais básicos organizam informações pré-definidas pelos usuários para automatizar algumas atividades rotineiras. Entretanto, os sistemas de automação podem ser cada vez mais dinâmicos ao se adaptarem às variações da residência e do meio-ambiente, medidas através de diferentes tipos de sensores. Estes sensores permitem o melhor desempenho possível para a casa, mesmo sem a presença do morador. Janelas podem ser abertas de acordo com a direção do vento ou da temperatura externa. Venezianas podem ser ajustadas para permitir ou reduzir o ganho de calor através da posição do sol. Ao retornarem para casa, os moradores encontrarão condições de conforto muito melhores e que reduzirão o uso de equipamentos mecânicos. O gerenciamento dos recursos das casas também poderá ser ajustado por estes sistemas enquanto os moradores estiverem fora. Atividades que exigem água quente, como por exemplo a utilização de máquina de lavar louça, poderão ser iniciadas quando houver grande insolação e previsão de tempo sem nebulosidade. Além disso, diversas atividades domésticas poderão ser realizadas quando houver maior produção de energia através de painéis fotovoltaicos. Com a implementação de smart-grids¹, o gerenciamento energético será importante para que estas atividades sejam realizadas nos períodos de menor consumo e, consequentemente, menor custo de energia.

Quando os moradores estão em casa, os sistemas de automação e informação residencial possibilitam maior conforto para que estas atividades sejam realizadas automaticamente, mas permitem ainda que decisões mais acertadas sejam tomadas pelos usuários. Os moradores podem fazer escolhas mais sustentáveis baseadas em informações sobre os sistemas da casa, recursos disponíveis e previsões meteorológicas. Atividades como tomar um banho, por exemplo, podem ser realizadas em outro momento, se isso for possível, e até mesmo escolher o melhor local para ler um livro, pode depender do gerenciamento de informações sobre condições de insolação, iluminação e ganho de calor.

A conexão de sistemas de automação a estações meteorológicas locais ou remotas, através da Internet, abre um amplo espaço para grandes inovações na área de automação para residências mais sustentáveis. A percepção através dos nossos sentidos do ambiente natural, perdida pelo homem moderno, pode ser complementada por estes sistemas de automação e informação residencial. Talvez aí esteja, justamente, o mais relevante potencial para facilitar uma nova conexão dos moradores com os ciclos da natureza. Ao gerenciar informações fornecidas por sensores conectados aos vários sistemas da casa e àqueles que propiciam informações relacionadas às condições climáticas, os sistemas de automação e informação residencial devem disponibilizar informações relevantes e organizadas para que os usuários possam efetuar suas escolhas. Conectados à Internet, estes sistemas podem ainda associar informações de serviços de previsão climática. Inúmeras possibilidades se abrem para que os moradores possam saber quanto cada escolha demanda de energia, recursos naturais e, em última análise, impacta o meio ambiente. Além disso, o usuário pode saber o melhor momento para realizar determinada atividade, dependendo da disponibilidade de energia ou a previsão de que estes recursos podem ser mais ou menos abundantes nas horas seguintes.

A competição do Solar Decathlon

O Solar Decathlon é uma iniciativa do Departamento de Energia dos Estados Unidos que surgiu com os objetivos de incentivar a realização de pesquisas acadêmicas que viabilizem a difusão do uso de energia solar em residências e a divulgação desta alternativa energética para que o público em geral a adote. Cerca de 20 equipes, representando universidades de todo o mundo, devem projetar, construir e habitar a casa mais eficiente, sustentável e inovadora que funcione exclusivamente com energia solar (térmica e fotovoltaica). As equipes, constituídas principalmente por alunos, devem cumprir 10 provas que testam as inovações da casa, sua capacidade de geração e eficiência energética, o conforto, a qualidade espacial e construtiva, a viabilidade de implementação etc. As casas são construídas e testadas no campus de cada universidade ou grupos de universidades e transportadas para o local da competição. Lá elas são montadas durante uma semana, permanecendo em exposição lado a lado por 10 dias, quando são abertas à visitação do público e realizadas as provas. Esta competição ocorre tradicionalmente no National Mall, em Washington (Figura 1), desde 2002. Após a segunda edição, em 2005, o evento passou a ocorrer a cada dois anos, sempre no mesmo local. Em 2010, a Unviersidad Politécnica de Madrid, em conjunto com o Ministério de Viviendas da Espanha, organizaram a primeira versão do evento fora dos Estados Unidos, que ocorreu em um parque recém-criado às margens do Rio Manzanares e vizinho ao Palácio Real, em Madri (Figura 2). Além da edição norte-americana de 2013, estão previstas edições na Europa, em Madri, 2012 e na China, em 2013.

Figura 1. Solar Decathlon 2009, Washington. Fotografia de Stefano Paltera/U.S. Department of Energy Solar Decathlon.

A versão norte-americana possui a maioria dos concorrentes de universidades dos Estados Unidos e Canadá, com algumas participações europeias. Em 2011, pela primeira vez participarão em Washington equipes da Nova Zelândia e China, além de uma belga. Na primeira versão europeia, participaram duas equipes da China, duas norte-americanas e equipes da Espanha, Alemanha, França, Reino Unido e Finlândia. As dez provas da última competição, realizada na Europa, foram as seguintes: Arquitetura, Engenharia e Construção, Sistemas Solares, Balanço Energético, Condições de Conforto, Equipamentos, Comunicação, Industrialização e Mercado, Inovação e Sustentabilidade (MINISTERIO DE VIVIENDA, GOBIERNO DE ESPAÑA, 2009). As provas de inovação e sustentabilidade perpassam as outras oito provas e constituem uma das principais diferenças da versão europeia. Provavelmente este diferencial, aliado à quantidade de diferentes países participantes, conferiu uma diversidade de propostas muito maior em Madri do que nas recentes versões norte-americanas.

A competição representa, para as universidades participantes, uma oportunidade inovadora em vários aspectos (YEANG, 2007). A pequena casa com área máxima de 75m² possibilita que diferentes grupos de pesquisa, que normalmente trabalham separados em suas universidades, possam interagir para buscar uma eficiência máxima. Ela permite ainda uma forma revolucionária de aprendizagem colaborativa com a integração de alunos de áreas diferentes que precisam projetar, construir, desenvolver uma série de testes, corrigir problemas de construção ou projeto e finalmente transportá-la para a competição, quando será montada, testada e visitada. O sucesso do evento demonstrou a relevância da iniciativa na formação de profissionais compromissados e capazes de alterar uma das áreas de maior potencial para a redução do impacto que causamos no meio ambiente. Cada vez mais, o caráter educativo, tanto para os estudantes e pesquisadores quanto para o público, tornou-se uma das principais preocupações do evento.

Figura 2. Solar Decathlon Europe, 2010, Madri. Fotografia dos autores.

O Solar Decathlon apresenta uma excelente oportunidade para experiências de pesquisa e ensino na direção de projetos de residências para uma sociedade mais sustentável. Um dos principais desafios lançados às equipes participantes é realmente o de estabelecer um trabalho colaborativo entre pesquisadores de diferentes áreas. Este desafio representa um dos principais paradigmas a serem alterados no ensino e pesquisa universitários, se desejamos promover construções realmente mais sustentáveis. Com algumas significativas exceções, as equipes apresentam uma predominância de integrantes de escolas de Arquitetura. A formação mais generalista dos arquitetos, que possuem ainda disciplinas de projeto que sintetizam o conhecimento das áreas afins, parece ser um indício de preparação mais colaborativa. Entretanto, todas as equipes encontram dificuldades para estabelecer essa colaboração, especialmente nas fases iniciais dos projetos. A integração das diferentes pesquisas no desenho da casa é ao mesmo tempo a grande dificuldade e onde ocorrem as experiências mais bem sucedidas.

Os sistemas de automação e informação residencial no Solar Decathlon

Todas as equipes participantes nas últimas edições do Solar Decathlon utilizaram algum tipo de sistemas de automação e informação residencial para gerenciar os recursos das suas casas. Algumas delas investiram grande quantidade de pesquisa e trabalho no desenvolvimento destes sistemas. Vários sistemas permitem acesso remoto através de telefones celulares e tablets possibilitando o controle dos sistemas pelo morador quando estiver fora de casa e também quando em casa. A equipe vencedora da versão europeia de 2010, da Virginia Polytechnic Institute & State University², apresentou um sofisticado sistema com interface para iPhones e iPads. Como nem sempre as casas estão ocupadas, o seu monitoramento é essencial para que eventuais falhas possam ser identificadas e corrigidas. As empresas que desenvolvem sistemas fotovoltaicos já oferecem diversos tipos de monitoramento. A empresa norte-americana SunPower desenvolve painéis fotovoltaicos extremamente eficientes e, por isso, é uma das mais procuradas pelas equipes participantes. A empresa desenvolveu um sistema de monitoramento sem fio em monitores dentro de casa, através de página web ou por iPhones, que permitem visualizar a produção de energia em tempo real ou através de relatórios históricos (SUNPOWER CORPORATION, 2011). Outras empresas como as de condicionamento de ar, oferecem soluções semelhantes. O grande desafio das equipes, entretanto, é a integração destes sistemas – muitas vezes fechados – em um único sistema que permita gerenciar todos os sistemas da casa.

Figura 3. Casa da Universidade de Darmstadt, 2009, e sua interface de automação e informação residencial. Fotografias: superior de Stefano Paltera/U.S. Department of Energy Solar Decathlon, e inferior dos autores.

A equipe alemã da Technische Universität Darmstadt (Figura 3), vencedora da edição norte-americana de 2009³, desenvolveu um sistema (Figura 4) que permitia a partir de vários monitores, que podiam ser utilizados fora da casa, obter diversas informações sobre o desempenho da casa e também iniciar tarefas programadas. O menu do sistema foi estruturado em 4 áreas principais: energia, temperatura, luz e som. No primeiro, o morador visualiza informações de geração de energia em cada grupo de painéis fotovoltaicos, do consumo de energia da casa, do balanço energético e dos valores economizados e do controle dos eletrodomésticos. No menu relacionado à temperatura, pode-se operar as aberturas que regulam os sistemas de massa térmica para aquecer ou esfriar a casa de forma passiva, ou controlar os sistemas de condicionamento de ar e aquecimento a partir de informações de temperaturas do ar, interno e externo, e da água armazenada nos tanques. A abertura das janelas, inclinação e abertura das persianas e iluminação são controlados através do menu de luz e a partir do menu do som, seleciona-se as músicas, volume e local onde o sistema de som funciona. A integração destes sistemas facilita o gerenciamento do funcionamento da casa a partir das variações climáticas garantindo uma utilização mais sustentável da casa.

Figura 4. Imagens da tela do sistema de automação e informação residencial da Universidade de Darmstadt, 2009. Fotografias dos autores.

A equipe de Darmstadt foi ainda a que desenvolveu a melhor interface da edição do Solar Decathlon de 2009, que facilitava a visualização dos dados e as decisões dos usuários. Esta é uma área ainda pouco explorada comercialmente e mesmo nas equipes do Solar Decathlon. Os sistemas da maior parte das casas ainda são desenvolvidos por pesquisadores da área de computação e geralmente não possuem interfaces compatíveis com sua complexidade de dados e recursos. A comunicação com os usuários e consequentemente sua usabilidade, é comprometida muitas vezes por problemas de interface.

A integração de dados meteorológicos nos sistemas de automação e informação residencial ainda é pouco explorada. A visualização destes dados permitiria que o morador pudesse tomar decisões baseadas em antecipações do desempenho da casa nas horas ou dias seguintes. Ele certamente adicionaria uma complexidade bem maior na visualização destes dados, mas permitiria que o usuário economizasse energia quando a previsão é de redução da incidência de sol ou antecipar tarefas, especialmente quando a produção de energia atual é maior do que a prevista para o futuro ou ainda, quando existe grande quantidade de água quente armazenada e a previsão é de continuidade de horas de sol.

Figura 5. Casa da Universidade de Sttutgart, 2010, e sua interface de automação e informação residencial. Fotografias dos autores.

A competição do Solar Decathlon valoriza também a integração das tecnologias utilizadas por cada equipe no desenho de suas casas. Uma das direções verificadas é a integração de sistemas solares nas fachadas. O melhor exemplo desta direção é novamente a equipe de Darmstadt que, em 2007, utilizou um sistema de persianas móveis, com células fotovoltaicas na face externa e, em 2009, criou uma fachada com diferentes tipos de células fotovoltaicas. Em 2010, o evento europeu mostrou uma grande variedade de soluções deste tipo e, entre as equipes que integraram sistemas solares nas fachadas, estavam a Universidade Avançada da Catalúnia⁴, a Universidade de Stuttgart⁵ (Figura 5) e a Universidade de Valladolid⁶. Os sistemas de automação, por outro lado, ainda estão pouco integrados nestes desenhos. O maior potencial deve ser através das interfaces de visualização e controle, que são os elementos mais aparentes deste sistema, constituídos ainda por quadros de dispositivos que conectam sensores a outros dispositivos que comandam os sistemas automatizados das casas. As interfaces ainda são visualizadas através de suportes tradicionais, como telas posicionadas em paredes, através de televisores ou pequenos monitores móveis.

O gerenciamento sustentável através da visualização de dados

Uma busca no final de fevereiro de 2011, na loja da Apple para aplicativos utilizando os termos “home automation” retornou com 74 opções de aplicativos somente para iPad e 167 aplicativos para iPhone. A maior parte deles é oferecida por empresas de automação para o gerenciamento dos seus produtos. As interfaces geralmente misturam ícones básicos com imitações de controles analógicos ou gráficos rudimentares. Essa constatação não é uma surpresa, uma vez que mesmo em sistemas de casas do Solar Decathlon, não vemos gráficos muito mais elaborados do que o padrão Microsoft Excel.

Sistemas de automação e informação residencial de casas energia zero serão cada vez mais complexos, integrando grande quantidade de tipos diferentes de dados. Esses sistemas são voltados para moradores com formação diferenciada e, portanto, devem priorizar a facilidade de compreensão, oferecendo informação suficiente para o usuário operá-lo e, principalmente, tomar a decisão mais adequada. Por essa razão, o desenho da interface e da visualização de dados é fundamental para o bom uso destes sistemas e, o que vemos, é que ele é subvalorizado pela maioria dos desenvolvedores.

Julio Bermúdez e Jim Agutter comentaram em um artigo sobre arquitetura informática – ou arquitetura da informação – que “o controle da grande maioria dos sistemas do século XXI se dará forçosamente de forma indireta, através de representações de dados” e que “existe tanta informação que é tão complexa e que se acumula e muda tão rapidamente que parece ser impossível de ser compreendida e, menos ainda, de ser usada”. Eles complementam dizendo que “não podemos continuar usando métodos quantitativos do início do século XX, noções infantis de cognição humana e espaços de representação simplistas, quando devemos confrontar ambientes e demandas computacionais do terceiro milênio” (BERMÚDEZ; AGUTTER, 2005).

Os moradores destas novas residências devem gerenciar uma diversidade de dados inter-relacionados tais como temperatura, umidade e luminosidade tanto interna quanto externa, atual e prevista; produção e consumo de energia elétrica; temperatura da água no tanque de água quente; consumo de água potável e disponibilidade de água da chuva; pressão atmosférica e velocidade e direção do vento; consumo de água ou energia elétrica por sistema ou equipamento; etc. A combinação entre as diversas tecnologias residenciais e o ambiente natural determinará o sucesso dessas novas residências. Acreditamos que o sucesso desta combinação passa por uma interface de visualização de dados bem feita e clara. Mais do que isso, a visualização destes dados demonstrará a importância que os ciclos da natureza possuem para estes sistemas e como estes ciclos estão interligados a uma série de fenômenos que podemos identificar na natureza. E são estes fenômenos que deixamos de valorizar no decorrer da história e o conhecimento que nos deixava mais próximos dos ritmos do planeta foi se perdendo. É provável, portanto, que as interfaces dos sistemas de automação e informação residencial sejam um elo de ligação com os ciclos da natureza e que nossas atividades voltem a estar mais ligadas a estes ciclos.

Neste sentido, os sistemas de automação e informação residencial possuem ainda um importante caráter educativo. Eles possibilitam um impacto de grande relevância na mudança dos hábitos dos moradores e na maneira como estes se relacionam com a natureza. A economia de recursos naturais passa, em um primeiro e significativo momento, pela redução drástica do desperdício. As residências consomem atualmente a maioria da água potável consumida nas cidades e grande parte da energia elétrica. São ainda responsáveis pelo maior desperdício destes recursos. Instalações comerciais e industriais possuem um consumo muito mais eficiente. Por esta razão, o aumento da eficiência e redução do desperdício em sistemas residenciais possuirá um grande impacto na economia de recursos naturais como a água potável, energia elétrica e gás (MAYER, 2011).

Grande parte da redução do desperdício pode ser obtida através da conscientização dos moradores. A clareza na visualização do consumo e da disponibilidade de recursos é o principal instrumento para essa conscientização. Todos os contribuintes das concessionárias de energia elétrica e de água potável possuem seus dados de consumo em suas contas ou medidores de consumo. Entretanto, estes dados são extremamente abstratos, de difícil leitura e avaliação das formas mais eficazes para se economizar. A mudança dos hábitos dos consumidores, passa necessariamente pela implementação de novos sistemas de visualização destes dados. Este fato é demonstrado pelos esforços nessa direção de empresas do porte da Google ou da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), responsável por regular a distribuição da energia elétrica no Brasil. A Google está lançando através de algumas concessionárias nos Estados Unidos, Reino Unido e Alemanha, o Google PowerMeter (Figura 6), divulgada como uma ferramenta gratuita de monitoramento de energia (GOOGLE, 2011) e a ANEEL pretende trocar todos os relógios tradicionais por medidores inteligentes. Segundo o diretor da Agência Nacional de Energia Elétrica (Aneel), André Pepitone da Nóbrega, "Como esse medidor é conectado com a concessionária, os consumidores têm informação em tempo real sobre o seu consumo" (Jornal Hoje, Rede Globo, 17 fev. 2011, apud CONSELHO BRASILEIRO DE CONSTRUÇÃO SUSTENTÁVEL, 2011).

Figura 6. Google PowerMeter. Fonte: http://www.google.com/powermeter/about.

Considerações finais

O desenvolvimento de tecnologias voltadas para edificações, um dos principais responsáveis pelo afastamento gradativo do homem do seu habitat, pode ser agora um dos principais veículos para esta reconexão. Sistemas que reproduzem informações, que povos primitivos têm muito mais facilidade de perceber do que os homens modernos, ajudariam a valorizar novamente este conhecimento. Deixariam claro ainda, que em vez de simplesmente habitarmos a Terra, somos parte dela e que seus ciclos estão diretamente conectados aos nossos. Sistemas de automação e informação residencial, mediando informações ambientais e dos sistemas residenciais, podem ser facilitadores deste movimento.

Possuímos hoje uma grande quantidade de recursos para visualizar variações climáticas em uma escala planetária e seu efeito na nossa cidade. Alertas climáticos ultrapassam fronteiras e são transmitidos para diferentes países ou mesmo continentes. O aumento de desastres climáticos e o desenvolvimento de sistemas de alerta, especialmente nos países com mais recursos tecnológicos e sujeitos a estes fenômenos, demonstra também como estes fenômenos estão conectados. Terremotos e tsunamis do outro lado do planeta evidenciam que estamos todos ligados por um só oceano, assim como uma série de redes sociais que muitas vezes mostram-se mais eficientes para disponibilizar informações em tempo real do que os tradicionais meios de comunicação. Eles demonstram ainda a interconexão global e a nossa responsabilidade universal enquanto humanidade, tanto em termos de nossas ações no mundo, a forma como usamos nossos recursos naturais e de energia, como na forma como nos desfazemos dos que não queremos, afetando não apenas nossa rede local, mas global.

Os telefones celulares atingiram uma escala de massa e modificaram de forma inimaginável nosso modo de vida. Podemos vislumbrar sistemas de monitoramento da natureza diretamente conectados aos sistemas residenciais e a dispositivos de comunicação móvel que aproximem nossas atividades dos ciclos da natureza. A densificação das cidades deve valorizar importantes fontes de recursos naturais como sol e vento. As residências de energia zero e seus sistemas de automação e informação residencial podem ainda alterar os padrões do modo de vida urbano e fazer com que mesmo os moradores de densas cidades alterem suas relações com nosso planeta.

Introduction

Populations of different communities spread all over the world, throughout the history, have built dwellings that adapted to their customs and environmental conditions. These homes were developed through many generations which empirically verified the solutions that obtained best results and seemed to be more comfortable. Creative and ingenious techniques were developed by people considered primitive and adapted the materials available from the cycles of nature in each region. In the same way that the habits of these groups were important for the creation of their shelters, the manner of how the latter would work in each season or climatic changes, also influenced the habits of its residents. Over the course of time, the house of a certain village was being associated to this group as an important image of its people. Moreover, these houses, their materials and solutions, represent regions and the proper environment they are located.

Most of these buildings have a dynamic configuration and adapt to different times, seasons etc. Its dynamism approaches even more the dwellers and their habits to the cycles of nature. Its windows and doors are closed when the wind changes direction and sometimes even the place where the families cook is related to the climate. In other cases, the houses are formed by a series of layers that are closed by their residents on coldest days or opened when the temperature rises. However, these houses are devices that help to connect men with nature.

The development of key technologies, among them, the incandescent lamp and the air-conditioning, is altering the relationship between households and their natural environment. The differences between dwellings have decreased, no matter if located in regions without any similarity. Finally, what we call “International Style” revealed a tendency of rupture of the dwellers with the environmental variations. This separation is due to the development of a range of equipments and techniques to ease the discomfort caused by climatic changes or cycles of nature. The new buildings could, with minor adjustments, exist in any region of the world. Its new residents do not need to know the lunar cycle or the wind patterns of the place anymore, and the buildings represent less and less the environment where they are built. The detachment between men and nature occurs in different daily situations and buildings represent only a part of this change in the habits of modern man.

Recognized authors in different countries often highlight the dimensions of loss due to the impact these new technologies on the peoples culture, our way of living and, more specifically, on architecture. In the 30’s, the renowned Japanese writer Junichiro Tanizaki wrote a remarkable essay about the importance of the twilight to the perception of Japanese constructions of space. According to Tanizaki, the profusion and the homogeneity of the electric lighting reduced the perception of the beauty of shadow and texture of materials, essential features of the traditional Japanese architecture (Tanizaki, 2007). More recently, in the 90’s, the Finnish architect Juhani Pallasmaa published an essay about the meanings and architecture that would become an important source of reading in engineering schools all over the world. Pallasmaa seeks to recover in architecture the quality of the senses that humanity has lost, privileging the sight. According to Pallasmaa, we are exposed to a large amount of images and our culture turns more and more to the sight. The standardization of architecture and the relevance of its photographic images, instead of an experience of the spaces, illustrate how we use less the others senses. Pallasmaa highlights the work of architects who address other senses like touch, sound and smell in their projects (Pallasmaa, 2005). The relationship of primitive people with their environment is established through all senses. These people are part of the environment and it seems strange to them to think and even discuss about their relationship with the natural environment, since they are one. Through the skin, upcoming climatic alterations are perceived and then confirmed by hearing, smell and also by sight. Not even the eye of the modern men, exercised in different types of screens, can accurately distinguish those changes of the cycles of nature anymore.

However, a new change is coming. A few decades ago, a relatively small group, whose members were often labeled as radicals, started a series of initiatives that sought to demonstrate the unsustainable situation of mankind, their way of life and relationship with the planet. Currently, there is already a consensus that we need to change this direction, but we still are far to take truly effective attitudes. The force of the term sustainability is being lost due to the trivialization of the use. Recently, in the introduction of his book about Ecological Urbanism, Mostafavi, dean of the Harvard Graduate School of Design, said the ethnical-political concept of Guattari called ecosofia, which defends that only an articulation between the three ecologies (the environment, the social relationship and the human subjectivity) could offer an answer to the ecological crisis we live. Therefore, it is important and necessary that this response occurs at a global scale, but also on the scale of the individual (Mostafavi, 2010).

Residential automation and information systems in zero energy homes

Another significant change is occurring through technologies directed to buildings and, more specifically, for zero energy homes (which produce throughout the year all energy they consume). These homes should generate locally large amount of energy through renewable sources. In addition, the development of technologies directed to the reduction of the energy consumption through more efficient systems and equipments should be priorized. In the context of these houses, the energy efficiency of the systems is still the main debate, but an important aspect is that we should concentrate on is the use of passive systems that do not require energy or only use a minimal amount, facilitating the adaptation of these houses to the variations of nature. We believe that these technologies have a significant potential to reconnect contemporary men with the natural environment and its cycles. Much of these possibilities of energy generation are not constant, being directly related to the cycles of nature. Moreover, efficient systems and equipment are preferably passive, not depending on the energy use of the house and therefore require external available energy, such as wind or temperature differences. Unlike the houses that can be reproduced in any region of the planet, these houses must be adapted to the local climate, the availability of energy and natural resources, which are highly variable and differ from region to region.

More recently, these residence systems have been interconnected through increasingly complex residential automation and information systems. The most basic systems organize pre-set information by users in order to automate some routine activities. However, automation systems can be more and more dynamic when adapting to the residential and environmental changes, measured by different kinds of sensors. These sensors allow the best possible performance to the house, even without the presence of the resident. Windows can be opened, according to the wind direction or the external temperature. Louvers can be adjusted to allow or reduce the heat gain by sun position. Returning home, residents will find much better comfort conditions, which will reduce the use of mechanical equipment. The resource management of the houses can also be adjusted by these systems while residents are away. Activities that require hot water, such as the use of the dishwater, can be initiated when there is much insolation and weather forecast without cloudiness. Moreover, several household activities can be realized when there is increased production of energy through photovoltaic panels. With the implementation of smart-grids¹, the energy management will be important so that the activities are performed in periods of lower consumption and, consequently, lower energy costs.

When residents are home, the home automation and information systems allow more comfort for performing these activities automatically, but they also provide information for the users to take better decisions. The dwellers can make more sustainable choices, based on information about the house systems, available resources and weather forecasts. Activities like taking a bath, for example, can be performed at another time, if possible, and even choices like the best place to read a book, can depend on the management of information about the insolation, lighting and heat gain conditions.

The connection of automation systems to local or remote meteorological stations, via Internet, opens a wide space for major innovations in the field of residential automation for more sustainable houses. The perception through our senses of the natural environment, lost by modern men, can be complemented by these residential automation and information systems. Maybe the most relevant potential to facilitate a new connection of the residents with the cycle of the nature is right there. Managing the information provided by sensors connected to the systems of the house, as well as information related to climatic conditions, the residential automation and information systems should provide the user with relevant and organized information that to make their choices. Connected to the Internet, these systems can also associate information of weather forecast services. Many possibilities open up so that the residents are aware about the energy demand to each choice, natural resources and, ultimately, the environmental impact. Furthermore, the user can know the best time to perform some activity, depending on the availability of energy or the prediction that these resources may be more or less abundant in the following hours.

The Solar Decathlon Competition

The Solar Decathlon is an initiative of the United States Energy Department that came up with the objectives to encourage the realization of academic research that makes the spread of solar energy use in houses more viable as well as the dissemination of this energetic alternative for the general public to adopt. Around 20 teams, representing universities throughout the world, must design, build and inhabit the most efficient, sustainable and innovative house that works exclusively with solar energy (thermal and photovoltaic). The teams, consisting mainly of students, must fulfill 10 contests that evaluate the innovations of the house, its capacity of energy generation and efficiency, the comfort, the spatial and constructive quality, the viability of implementation etc. The houses are built and tested on the campus of each university or university groups and then transported to the site of the competition. There they are assembled during one week, remaining in exhibition side by side for 10 days, while they are open to public visits and being tested. This competition traditionally takes place on the National Mall in Washington (Figure 1) since 2002. After the second edition in 2005, the event would happen every two years, always in the same place. In 2010, the Universidad Politécnica de Madrid, in conjunction with the Spain Ministry of Housing, organized the first version of the event outside the United States, which occurred in a recently created park on the banks of the Manzanares River, next to the Royal Palace, in Madrid (Figure 2). Besides the North American edition of 2013, there are editions planned in Europe, in Madrid in 2012 and in China in 2013.

Figure 1. Solar Decathlon 2009, Washington. Photo by Stefano Paltera/U.S. Department of Energy Solar Decathlon.

The North-American version has most of the competitors from universities of the United States and Canada, with some European participants. In 2011 there will be participating teams from New Zealand, China and Belgium, in Washington. On the other side, two Chinese and two North-American teams participated in the first European version, as well as teams from Spain, Germany, France, United Kingdom and Finland. The ten tests of the last competition, realized in Europe, were the following: Architecture, Engineering & Construction, Solar Systems, Energy Balance, Comfort Conditions, Equipments, Communication, Processing and Marketing, Innovation and Sustainability (Ministerio de Vivienda, Gobierno de España, 2009). The innovation and sustainability contests pass by the other eight contests and are one of the major differences in the European version. Probably this differential, combined with the amount of different participating countries, has given a greater diversity of proposals in Madrid than in the recent North American versions.

The competition represents for the participating universities an innovative opportunity in many ways (Yeang, 2007). The small house with a maximum area of 75m² allows different research groups, who normally work separately in their universities, to interact in the search of a maximum efficiency. It even enables a revolutionary form of collaborative learning to happen, integrating students of different areas that need to design, construct, develop a series of tests, correct construction or project problems and finally transport the result to the competition, where it is assembled, tested and visited. The success of the event showed the relevance of the initiative in the education of professionals, committed and capable of changing one of the areas with the highest potential in reducing the impact we cause on the environment. More and more, the educative aspect became one of the major concerns of the event, for students and researchers on the one hand, as well as for the public on the other hand.

Figure 2. Solar Decathlon Europe, 2010, Madrid. Photo by authors.

The Solar Decathlon represents an excellent opportunity for research and teaching experiences in the context of projects for residences towards a more sustainable society. One of the major challenges posted to the participating teams is really to establish a collaborative work among researchers from different areas. This challenge represents one of the main paradigms to be changed in the university teaching and research, if we really want to promote more sustainable buildings. With some significant exceptions, the teams represent a predominance of architecture schools members. The rather general education of the architects that includes disciplines of project which synthesize the knowledge of the related areas, seems to be a sign of a more collaborative preparation. However, all teams have difficulties establishing this collaboration, especially in the early stages of the projects. The integration of the different research in the design of the house is the great difficulty but at the same time, it is where the most successful experiences occur.

The residential automation and information systems in the Solar Decathlon

All teams participating in the latest editions of the Solar Decathlon used some kind of residential automation and information systems to manage the resources of their houses. Some of them have invested large amount of research and work in the development of these systems. Several systems allow remote access through cell phones and tablets, enabling the resident to control the systems while being away from home as well as being at home. The winning team of the European version of 2010, from the Virginia Polytechnic Institute & State University², presented a sophisticated system with interface for iPhones and iPads. As the houses are not always being occupied, their monitoring is essential in order to identify and correct eventual failures. The companies that develop photovoltaic systems already offer various types of monitoring. The North-American company SunPower develops extremely efficient photovoltaic panels and is therefore one of the most required companies by the participating teams. The company has developed a wireless monitoring system in screens inside the house, through web sites or iPhone, that allow the visualization of the energy production in real time or from historical reports (SunPower Corporation, 2011). Other companies, like those that work with air conditioning, offer similar solutions. However, the great challenge for the teams is the integration of these systems – often proprietary systems – into a single one which allows managing all systems of the house.

Figure 3. House of the Darmstadt University, 2009, and its residential automation and information interface. Photographs: on top by Stefano Paltera/U.S. Department of Energy Solar Decathlon and on bottom by authors.

The German team of the Technische Universität Darmstadt (Figure 3), winner of the 2009³ North-American edition, developed a system (Figure 4) that made it possible through various monitors, which could be used outside the house, to obtain varied information about the performance of the house and to initiate scheduled tasks as well. The system menu was structured in 4 main areas: energy, temperature, light and sound. At first, the resident visualizes information on energy generation in each group of photovoltaic panels, energy consumption of the house, energy balance and saving values as well as on the domestic appliances. In the menu related to the temperature, you can execute the vents that regulate the systems of thermal mass to heat or cool the house in a passive way, or control the air conditioning and heating systems based on the information of air temperature, internal and external, and of the stored water in tanks. The opening of windows, the inclination and opening of the blinds as well as the illumination are controlled through the light menu and, from the sound menu, you select the music, volume and location where the sound system shall work. The integration of these systems facilitates managing the functioning of the house and in terms of climate variations it ensures a more sustainable use of the house.

Figure 4. Images of the display of the residential system of automation and information of the Darmstadt University, 2009. Photos by authors.

The Darmstadt team was also the one which developed the best interface on the 2009 edition of the Solar Decathlon, which facilitated the visualization of the data and the decisions of the users. This is an area that is not much explored commercially, and even by the Solar Decathlon teams. The systems for the biggest part of the houses are still developed by researchers of the computing area and generally do not have compatible interfaces with its complexity of data and resources. The communication with users and consequently its usability is often compromised by interface problems.

The integration of meteorological data in the residential automation and information systems is still little explored. The visualization of these data would enable the resident to make decision based on anticipations of the houses performance in the next hours or days. It certainly would add a much greater complexity to the visualization of these data, but it would allow the user to save energy when the forecast foresees a reduction of the intensity of the sun, or to anticipate tasks, especially when the actual energy production is higher than the expected one in the near future or even, when a large amount of hot water is saved and a continuation of the sun hours is predicted.

Figure 5. House of the Stuttgart University, 2010, and its residential interface of automation and information. Photo by authors.

The Solar Decathlon competition also values the integration of the technologies used by each team in the design of their houses. One of the verified directions is the integration of the solar systems on the facades. The best example of this direction is again the Darmstadt team when it used a moving blinds system, with photovoltaic cells on the external face in 2007 and created a facade with different types of photovoltaic cells in 2009. In 2010, the European event showed a great variety of such solutions and, among the teams that integrated solar systems on the facades, were the Catalonia Advanced University⁴, the Stuttgart University⁵ and the Valladolid University⁶. The automation systems, on the other hand, are still poorly integrated in these drafts. The greatest potential should lie within the visualizing and controlling interfaces, which are the most apparent elements of this system, constituted by frames of devices that connect sensors to other devices which command the automatized systems of the houses. The interfaces are also visualized through traditional tools, such as screens positioned on wall, through television or small movable monitors.

The sustainable management by data visualization

A search in late February 2011, at the Apple store for applications using the words “home automation” resulted in 74 app options only for iPad and 167 app for the iPhone. Most of them are offered by automation companies for the management of their products. The interfaces usually mix basic icons with reproduction of analog controls or rudimentary graphics. This observation is not a surprise, hence we do not even see graphics in the house systems of the Solar Decathlon, that are much more elaborated than the standard Microsoft Excel.

Residential automation and information systems of zero energy houses will be more and more complex, integrating big quantities of different types of data. These systems are intended for residents with differential education and should therefore prioritize the easy understanding, providing enough information for the user to operate it and mainly to take the most appropriate decision. For this reason, the design of the interface and data visualization is essential for the proper use of these systems and, what we see, is that it is undervalued by most of the developers.

Julio Bermúdez and Jim Agutter commented on an article about computer architecture – or information architecture – that “the vast majority of the XXI century control systems will necessarily be in an indirect way, through data representations” and that “there is so much information that is so complex and that accumulates and change so quickly that it seems impossible to be understood and, even less, to be used”. They complement by saying that “we cannot keep using quantitative methods of the early XX century, childish notions of human cognition and spaces of simplistic representation, when we should confront environments and computational demands of the third millennium” (Bermúdez and Agutter, 2005).

The residents of these new houses must manage a variety of interrelated data such as temperature, humidity and luminosity both internal and external, current and planned; production and consumption of electric energy; water temperature in the hot water tank; drinking water consumption and availability of rainwater; atmospheric pressure and wind speed and direction; consumption of water or electric energy by system or equipment; etc. The combination of the various residential technologies and the natural environment will determine the success of these new homes. We believe that the success of this combination passes through a visualization interface of data well done and clear. More than that, the visualization of these data will demonstrate the importance the cycles of nature have for these systems and how these cycles are linked to a series of phenomena that can be identified in nature. And it is these phenomena that we failed to appreciate in the course of history and the knowledge which made us living closer with the rhythms of the planet was being lost. Thus, it is likely that the interfaces of residential automation and information systems are a vital link with the cycles of nature and that our activities go back to being more linked to these cycles.

In that sense, the residential automation and information systems also have an important educative character. They enable a relevant impact in the dwellers habit changes and in the way they relate to nature. The preservations of natural resources, in a first and significant moment, is related to the drastic reduction of waste. The houses currently consume most of the drinking water consumed in cities as well as a big amount of electricity. They are also responsible for the biggest waste of these resources. For this reason, the increase of the efficiency and the reduction of waste in residential systems will have a great impact in the natural resources economy such as drinking water, electric energy and gas (Mayer, 2011).

Much of the waste reduction can be obtained through the awareness of the residents. The clarity in the visualization of the consumption and availability of resources is the main instrument for this awareness. The dwellers have their consumption data on the bills or the consumption meter registered when they pay for electric energy and drinking water utility. However, these data are extremely abstract, difficult to read and evaluate in order to effectively generate savings. The change in consumers’ habits is related necessarily with the implementation of new systems for these data visualization. This fact is demonstrated by the efforts towards this direction of big companies such as Google or the Electric Energy National Agency (Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL), responsible for regulating the distribution of electricity in Brazil. Google is launching through some utilities in the United States, United Kingdom and Germany, the Google PowerMeter (Figure 6), released as a free tool of energy monitoring (Google, 2011) and ANEEL pretends to change all the traditional clocks for smart meter devices. According to the director of the Electric Energy National Agency (ANEEL), André Pepitone da Nóbrega, “As this meter is connected to the utility, the consumers have the information in real time about their consumption” (Jornal Hoje, Rede Globo, 17 February 2011, cited in Conselho Brasileiro de Construção Sustentável, 2011).

Figure 6. GoogleMeter. Source: Google.

Final Considerations

The development of buildings technologies, one of the main reasons for the gradual separation of men from their habitat, may now be one of the main vehicles for this reconnection. Systems that reproduce information, that primitive people understand much easier than modern men, would help to enhance this knowledge again. They would even clarify, that instead of simply inhabiting the Earth, we are part of it and its cycles are directly connected to ours. Residential automation and information systems, mediating environmental information with the residential systems can be facilitators of this movement.

Nowadays, we have a large amount of resources to visualize climatic changes on a planetary scale with its effects on our city. Climate alerts go beyond borders and are transmitted to different countries or even continents. The increase of weather disasters and the development of warning systems, especially in countries with more technological resources, that are influenced by these phenomena, also show how they are connected. Earthquakes and tsunamis across the world display that we are all connected by just one ocean. In a parallel way, a series of social networks often present a higher efficiency providing real time information about these disasters than traditional media. They also demonstrate the global interconnection and our universal responsibility as humanity, both in terms of our actions in the world, the way we use our natural resources and energy, as well as in the way we discard what we do not want, affecting the local as much as the global network.

Cell phones have reached a mass scale and change in an unimaginable way our way of life. We can glimpse the monitoring systems of nature directly connected to the residential systems and to devices of mobile communication that approximate our activities to the cycles of nature. The densification of the cities should enhance important sources of natural resources like sun and wind. The zero energy houses and their residential automation and information systems can also change the patterns of the urban way of life and make even residents of dense cities change their relationship with our planet.