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O zoneamento bioclimático apresenta-se como importante ferramenta para fornecer subsídios para a estruturação de normativa de desempenho térmico e de códigos de eficiência energética de edificações. No entanto, uma metodologia consistente para o desenvolvimento de propostas de zoneamentos é ainda tema de ampla discussão. O objetivo deste artigo é avaliar a aplicabilidade do experimento fatorial como método para caracterização de zonas bioclimáticas. Para tal, empregou-se o experimento fatorial para a análise das variáveis de influência no desempenho térmico de edificações residenciais ventiladas naturalmente em diferentes climas brasileiros. Foram realizadas simulações de desempenho térmico a partir da fatorial e as cidades analisadas foram agrupadas de acordo com a performance quanto ao conforto térmico e com as variáveis de influência. De forma geral, as principais variáveis de influência no conforto térmico das edificações foram a absortância solar da envoltória, a transmitância térmica das coberturas e a ventilação. Para climas mais amenos a transmitância térmica das paredes também apresentou influência, enquanto a capacidade térmica das paredes apresentou influência para os climas de transição. Dentre as localidades amostradas, pode-se reconhecer quatro padrões de comportamento quanto ao conforto térmico e quanto às variáveis de influência, possibilitando o agrupamento das cidades. Identificou-se quatro zonas bioclimáticas, subdivididas de acordo com as necessidades de ventilação específicas locais. A originalidade deste trabalho está na proposta de uma caracterização de zonas bioclimáticas fundamentada em um modelo de conforto adaptativo, na inclusão de mais de um modelo de edificações multifamiliares na análise e na utilização do experimento fatorial.