Microsoft Word - correcao_dissertacao_final_rodrigo.docUNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE
CASO
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL
EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE
CASO
RODRIGO ESTEVES ASCURRA
Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre.
BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador
Cuiabá – MT Setembro 2013
“Os três grandes fundamentos para se conseguir qualquer coisa são, primeiro, trabalho árduo; segundo, perseverança; terceiro, senso comum.”
Thomas A. Edison
I
RESUMO
ASCURRA, R. E. Eficiência Elétrica em Iluminação Pública Utilizando Tecnologia LED: Um Estudo de Caso. Cuiabá-MT, 2013. 157 p. Dissertação (Mestrado). Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia. Universidade Federal de Mato Grosso.
Este trabalho apresenta a avaliação dos impactos resultantes da implantação de um projeto de eficiência elétrica em iluminação pública com a utilização de lâmpadas LED (Ligth Emitting Diode). No escopo são estudados o comportamento da demanda e do consumo de energia elétrica, análise da viabilidade econômica e da relação custo benefício, análise do impacto sobre a qualidade da energia e a realização do desenvolvimento, por último, a validação experimental de um modelo computacional da luminária utilizada nos estudos. O projeto implementado propiciou a substituição da tecnologia existente na Iluminação Pública (IP) da via de tráfego central da Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT, dotada de 40 postes de 20 metros de altura, luminárias de três pétalas com lâmpadas de vapor de sódio de 400 W, cada, por lâmpadas LEDs de 230 W. Desta forma, além da diminuição do consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência ativa, constatou-se também o alivio do sistema em horário de ponta, tornando as instalações elétricas existentes mais eficientes. Por meio da metodologia de cálculo desenvolvida nesta pesquisa, demonstrou-se que o retorno do investimento em eficiência elétrica pode proporcionar a viabilidade técnica e econômica, aferida por uma satisfatória relação custo benefício, mesmo com o custo mais elevado da lâmpada LED em relação à lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão (VSAP). Além disso, também se deve atentar para outros aspectos fundamentais: a economia com os custos de energia e a redução da necessidade de manutenção do sistema de iluminação pública. Aborda-se também, a melhoria da iluminação, aspectos ambientais relacionados com a fabricação dos LEDs e o seu descarte. Conceitos sobre a utilização da atual tecnologia em iluminação pública da UFMT é revisada e estudada de forma a comparar as características das luminárias e lâmpadas existentes com o sistema proposto. É realizada comparação dos resultados das medições, obtidas em laboratório, com relação ao consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência ativa dos sistemas utilizados, observando-se, inclusive, os níveis de iluminância antes e após a adoção da tecnologia LED. O estudo também contempla a simulação com auxílio de uma ferramenta computacional, que possibilitou a comparação do sistema de iluminação LED e representação da modelagem do circuito contendo os componentes básicos necessários para o seu funcionamento. Palavras-chave: LED, iluminação pública, eficiência elétrica, eficiência energética, qualidade da energia elétrica, viabilidade econômica, relação custo benefício.
II
ABSTRACT
ASCURRA, R. E. Electrical Efficiency in Street Lighting Using LED Technology: A Case Study. Cuiabá-MT, 2013. 157 p. Master’s Dissertation. Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia. Universidade Federal de Mato Grosso.
This paper presents the evaluation of impacts resulting from implementation of a project -efficiency electrical lighting using LED lamps ( Ligth Emitting Diode). In scope are studied behavior of demand and electricity consumption, economic viability analysis and cost benefit analysis of the impact on power quality and realization of the development, finally, the experimental validation of a computational model of the luminaire used in the studies. The project implemented enabled the replacement of existing technology in Public Lighting (IP) traffic via the central Federal University of Mato Grosso - UFMT, endowed with 40 poles, 20 feet high, with three petals lamp high pressure sodium (HPS) 400 W, each, exchanged for LED lamps of 230 W. Thus, in addition to lowering electric power consumption and demand of active power, it was also found relief of the system in peak hours, making the most efficient existing electrical installations. Through the calculation methodology developed in this study, it was shown that the return on investment in electrical efficiency can provide the technical and economic viability, as measured by a satisfactory cost-effective, even with the higher cost of the LED lamp in relation to the lamp High Pressure Sodium (HPS). In addition, attention must be given to other aspects: the economy with energy costs and reducing the need for maintenance of public lighting system. It also discusses the improvement of the lighting, environmental aspects related to the manufacture of LEDs and their discard. Concepts on the use of current technology in lighting UFMT is reviewed and studied in order to compare the characteristics of existing luminaires and lamps with the proposed system. It is performed comparing the results of measurements obtained in the laboratory with relation to the electricity consumption and demand of active power of the systems used, observing even the illuminance levels before and after the adoption of LED technology. The study also includes the simulation with the aid of a computational tool that allows the comparison of the LED lighting system and representation of the modeling circuit containing the basic components necessary for its operation.
Palavras-chave: LED, street lighting, electrical efficiency, energy efficiency, power quality, economic viability, cost-effectiveness.
III
AC: Alternating current (Corrente alternada)
ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica
ANSI: American National Standards Institute
CA: Certificado de Aprovação
CO2: Dióxido de carbono
DTI: Distorção harmônica total da corrente
DTT: Distorção harmônica total da tensão
EE: Eficiência Elétrica
FD: Fator de deslocamento
FP: Fator de Potência
GND: Ground (Terra)
Im: Iluminância média
IP: Iluminação Pública
IP66: Ingress Protection (Proteção contra Ingresso) ou International Protection,
(Proteção Internacional) - isolação e proteção do tipo selado contra poeira e jato forte de
água
LDO: Lei de diretrizes orçamentárias
LED: Light emitting diode (Diodo Emissor de Luz)
MME: Ministério de Minas e Energia
MVM: Multivapor metálico
NBR: Norma Brasileira
NR10: Norma regulamentadora 10 - Segurança em instalações e serviços em
eletricidade
PEE: Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de Distribuição de
Energia Elétrica
Semafórica Eficientes
PROPLAN: Pró-Reitoria de Planejamento
RCB: Relação custo benefício
SINAPI: Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil
SSL: Solid state lighting
THD: Total harmonic distortion (Distorção Harmônica Total)
Tj: Temperatura junção
UV: ultravioleta
V
Figura 01 - Classificação das vias urbanas.....................................................................14
Figura 02 - Farol de Alexandria. ....................................................................................17
Figura 03 - Humphry Davy, químico e inventor inglês, considerado o criador da
primeira Lâmpada de Arco Voltaico. ..........................................................17
Figura 04 - Exemplo de lâmpada a arco voltaico. ..........................................................17
Figura 05 - Thomas Alva Edison, inventor e empresário americano, ............................18
Figura 06 - Modelo de luminária equipada com lâmpada incandescente. .....................19
Figura 07 - Depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas. ...........................................21
Figura 08 - Exemplo de temperaturas de cores. .............................................................22
Figura 09 - Trecho da avenida principal da UFMT, que ilustra claramente as diferenças
de índice de reprodução de cor existentes entre um cenário de iluminação
pública rodoviária com base em tecnologia LED (IRC>70) e outro
tradicional, com base na tecnologia de vapor de sódio (VSAP) (IRC<25).24
Figura 10 - Luminária tipo prato com lâmpada incandescente. .....................................26
Figura 11 - Ilustração de alguns exemplares de LED e sua evolução ao longo dos anos.
.....................................................................................................................30
Figura 12 - (a) Processo de eletroluminescência do LED e seu símbolo gráfico em (b).
.....................................................................................................................31
Figura 13 - Exemplo de LED miniatura, utilizado na eletrônica. ..................................32
Figura 14 - Tipos de perturbações elétricas que comprometem a qualidade da energia.
.....................................................................................................................38
Figura 16 - Foto panorâmica da UFMT, campus de Cuiabá/MT...................................50
Figura 17 - Organograma de um processo licitatório de obras. .....................................55
Figura 18 - Planta baixa do campus da UFMT - Cuiabá................................................56
Figura 19 - Vista geral do Campus da UFMT, e em vermelho, o trajeto da iluminação
pública em estudo. .......................................................................................58
Figura 20 - Ilustração que mostra parte da via de tráfego da UFMT e como se dispõe o
poste de 20 metros e o conjunto de luminárias de VSAP............................59
Figura 21 - Foto da luminária de três pétalas utilizadas com as lâmpadas de VSAP, que
mostra como era o sistema tradicional, instalada no topo de um poste de 20
metros de altura. ..........................................................................................59
VI
Figura 22 - Quadro de comando e proteção utilizado no acionamento da iluminação
pública do canteiro central da Universidade Federal de Mato Grosso. .......60
Figura 23 - Espectro da luz de algumas lâmpadas x curva de sensibilidade do olho
humano. .......................................................................................................61
Figura 24 - Ilustração em CAD do trajeto da IP no canteiro central da UFMT, com a
marcação de todos os pontos de iluminação existentes neste trecho...........63
Figura 25 - Posicionamento e espaçamento médio entre os pontos de iluminação na
avenida principal da UFMT.........................................................................63
Figura 26 – Ilustração do resultado de uma simulação qualquer, feita através do
software Dialux............................................................................................64
Figura 27 - Ilustração da primeira lâmpada analisada para utilização no projeto,
Luminária LED Arealight Modular 120 – 277 V, 202W, 5700 K. .............65
Figura 28 - Tela ilustrativa da simulação computacional realizada para o cálculo
luminotécnico do projeto caso utilizasse a luminária GE Arealight............65
Figura 29 - Módulo de lâmpada pública comercializada pela Samsung, modelo
StreetLight Module 90 W. ...........................................................................66
Figura 30 - Ilustração da luminária LED estudada e escolhida para o projeto, modelo
GreenVision BRP362 de 230 W..................................................................67
Figura 31 - Resultado de simulação computacional realizada através do software
Dialux para avenida principal da UFMT, utilizando duas lâmpadas LED por
poste.............................................................................................................68
Figura 32 - Estimativa de demanda de potência ativa total para os dois tipos luminárias,
VSAP e LED, respectivamente. ..................................................................69
Figura 33 - Estimativa de consumo anual total de energia elétrica................................70
Figura 34 - Ilustração do suporte duplo utilizado para sustentação das luminárias em
poste cônico. ................................................................................................72
Figura 35 - Foto do suporte duplo utilizado na sustentação das luminárias...................73
Figura 36 - Foto do suporte triplo utilizado para a sustentação da luminária de três
pétalas (VSAP), que foi trocado pelo suporte duplo da Figura 35. .............73
Figura 37 - Exemplo de guindaste com cesto, para serviços de manutenção em
instalações elétricas, utilizados em trabalhos com altura elevada, e
sinalização de segurança através de cones...................................................74
VII
Figura 38 - Registro fotográfico da execução dos serviços de instalação de luminárias
LED, que mostra a utilização de um caminhão munk com cesto tipo gaiola,
pronto para ser içado....................................................................................75
Figura 39 - Registro fotográfico do serviço de retirada das luminárias tradicionais
(VSAP), para posterior colocação das lâmpadas LED, mostra um caminhão
munk conectado a um cesto duplo, utilizado para o trabalho em altura de
dois eletricistas. ...........................................................................................75
Figura 40 - Ilustração do caminhão munk em dois momentos distintos durante o
içamento de dois eletricistas. Primeiramente através de cesto tipo duplo e
posteriormente através de cesto tipo gaiola, respectivamente. Com melhor
atendimento através do cesto tipo gaiola. ....................................................76
Figura 41 - Detalhe ilustrativo das luminárias retiradas, estas que eram utilizadas com
as lâmpadas de vapor sódio de alta pressão (400 W). .................................76
Figura 42 - Registro fotográfico do início da montagem das luminárias LED, in loco,
mostra duas luminárias LEDs sendo preparadas para a instalação do suporte
duplo. ...........................................................................................................77
Figura 43 - Tipo de condutor utilizado na energização da lâmpada LED, no caso, cabo
de cobre flexível triplo (F+F+T) tipo pp de 4 mm². ....................................78
Figura 44 - Foto referente ao serviço de conexão dos condutores elétricos com os
bournes da luminária LED. .........................................................................78
Figura 45 - Ilustração da etapa de montagem da luminária LED, que mostra o ajuste
dos terminais de pressão para conexão do suporte duplo com as duas
pétalas do novo sistema. ..............................................................................79
Figura 46 - Conjunto de luminária LED montada e colocada no cesto tipo gaiola de um
caminhão munk, pronto para ser instalado por dois eletricistas. .................79
Figura 47 - Içamento da luminária LED. .......................................................................80
Figura 48 - Uniforme eletricista. ....................................................................................80
Figura 49 - Ilustração de exemplos de cones de sinalização utilizados na prevenção de
acidentes. .....................................................................................................81
Figura 50 - Ilustração gráfica para representação da malha de inspeção de iluminância.
.....................................................................................................................81
Figura 51 - Luxímetro digital marca Yokogawa, modelo 51001, ..................................82
Figura 52 - Planta geral do campus da UFMT, com a localização dos trechos em que
foram realizadas as medições de iluminância..............................................84
VIII
Figura 53 - Grade de medições de iluminância (ponto 1), realizadas com lâmpadas de
LED (a) e VSAP (b), em um trecho de 40 metros, compreendido entre dois
pontos de iluminação. ..................................................................................85
Figura 54 - Grade de medições de iluminância (ponto 2), realizadas com lâmpadas de
LED (a) e VSAP (b), trecho de espaçamento igual a 40 metros,
compreendido entre dois pontos de iluminação. .........................................86
Figura 55 - Ilustração do analisador de energia “MARH-21”, utilizado nas medições.89
Figura 56 - Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra o
equipamento analisador utilizado para diagnóstico de desempenho da
luminária LED e VSAP. ..............................................................................90
Figura 57 - Ilustração da luminária LED Green Vision com os seus componentes
identificados.................................................................................................90
Figura 58 - Ilustração de uma lâmpada vapor de sódio 400 W, soquete E-40, tipo
tubular. .........................................................................................................91
Figura 59 - Esquema de montagem do analisador de energia e a lâmpada LED de 230
W, conectada a uma rede de 220 V / 60Hz. ................................................91
Figura 60 - Esquema de montagem do analisador de energia e lâmpada de vapor de
sódio de 400 W conectada ao reator eletromagnético, circuito energizado
por uma rede 220 V / 60 Hz. .......................................................................92
Figura 61 - Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra um
osciloscópio (Modelo GW INSTEK GDS-2062) conectado a uma luminária
LED. ............................................................................................................92
Figura 62 - Ilustração da montagem experimental do resistor shunt em série com o
circuito da placa LED. .................................................................................93
Figura 63 - Diagrama de montagem do osciloscópio e da placa LED. ..........................93
Figura 64 - Diagrama simplificado da luminária LED...................................................94
Figura 65 - Representação ilustrativa do circuito eletrônico da luminária, contento 1
driver e 1 placa de 64 LEDs. .......................................................................95
Figura 66 - Ilustração do circuito eletrônico da luminária LED, representada através
dos módulos I, II, III, IV e V. ......................................................................95
Figura 67 - Representação gráfica de uma fonte de corrente alternada. ........................96
Figura 68 - Representação gráfica do transformador T1................................................97
Figura 69 - Ilustração do Módulo III, circuito retificador de onda completa.................97
Figura 70 - Representação do funcionamento de um retificador de onda completa. .....98
IX
Figura 71 - Representação de um filtro capacitivo para circuito retificador de onda
completa.......................................................................................................98
Figura 72 - Diagrama simplificado de uma fonte de alimentação com utilização de
filtro com capacitor......................................................................................99
Figura 73 - Representação gráfica de uma placa com 64 LEDs. ...................................99
Figura 74 - Aspecto da modelagem computacional da representação da fonte de
alimentação da rede de energia, realizada via a interface gráfica do
ATPDraw...................................................................................................101
a interface gráfica do ATPDraw. ...............................................................101
Figura 76 - Aspecto da simulação computacional do circuito da ponte retificadora de
onda completa realizada via software ATPDraw. .....................................102
Figura 77 - Representação gráfica da simulação computacional do circuito do driver e
placa de 64 LEDs, após a inserção do filtro harmônico, desenvolvida
através do software ATPDraw...................................................................103
Figura 78 - Modelagem computacional final do circuito relativo à alimentação de duas
placas, totalizando 128 LEDs, desenvolvida através de software. ............104
Figura 79 - Formas de onda da tensão aplicada na entrada da lâmpada LED, através da
simulação computacional (a), e aferição por meio de medição experimental
(b)...............................................................................................................105
Figura 80 - Formas de onda da corrente elétrica na entrada da luminária LED, feita
através da simulação computacional (a), e da medição experimental (b). 106
Figura 81 - Oscilografia das formas de onda de tensão e corrente elétrica, na entrada do
circuito, obtidas a partir de simulação feita através do software ATP (a), e
realizada através de medição experimental (b)..........................................107
Figura 82 - Gráficos de tensão e corrente (VCC) aplicados na placa de 64 LEDs,
fornecida pelo driver, obtidas a por simulação (a) e medição através de
medição experimental com a utilização do osciloscópio (b). ....................108
Figura 83 - Espectros harmônicos da tensão de entrada do circuito, obtidas por
simulação computacional (a), e medição experimental (b) através da
utilização de analisador de energia. ...........................................................109
Figura 84 - Espectro harmônico da corrente elétrica de entrada, simulação
computacional (a), e medição experimental (b). .......................................110
X
Figura 85 - Oscilogramas de tensão e corrente da lâmpada LED (a) e da lâmpada VSAP
(b)...............................................................................................................115
Figura 86 - Espectro harmônico de tensão da luminária LED (a) e da lâmpada de VSAP
(b), obtidas na entrada de energia dos dispositivos. ..................................116
Figura 87 - Espectro harmônico de corrente elétrica da luminária LED (230W) e VSAP
(400 W)......................................................................................................117
Figura 88 - Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de
energia elétrica ativa da utilização de lâmpadas de VSAP em 12 anos. ...126
Figura 89 - Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de
energia elétrica ativa da utilização de lâmpadas LED em 12 anos............127
Figura 90 - Exemplo de representação de fluxo de caixa de um projeto. ....................129
Figura 91 - Representação gráfica dos valores de fluxo de caixa do projeto em 12 anos.
...................................................................................................................131
Figura 92 - Valores obtidos para o método do valor presente líquido com juros de 8%
ao ano.........................................................................................................132
XI
QUADRO 03: Vias Normais (C2)..................................................................................15
QUADRO 04: Vias Secundárias (C3). ...........................................................................16
QUADRO 05: Quantidade e participação por tipo de lâmpada na iluminação pública no
Brasil. .....................................................................................................25
QUADRO 07: Eficiência e rendimento de vários tipos de lâmpadas.............................28
QUADRO 08: Quantidade de mercúrio por lâmpada. ...................................................33
QUADRO 09: Distribuição detalhada da iluminação no Brasil – 2008.........................35
QUADRO 10: Evolução das lâmpadas no parque de IP. ...............................................36
QUADRO 11: Quadro geral de vagas dos cursos de graduação da UFMT ...................51
QUADRO 12: Resumo e comparação entre as opções de medição e verificação. ........54
QUADRO 13: Resumo dos resultados das lâmpadas.....................................................68
QUADRO 14: Valores utilizados para modelagem da fonte de alimentação de CA. ..101
QUADRO 15: Valores utilizados para modelagem do Módulo II. ..............................102
QUADRO 16: Valores utilizados para modelagem do Módulo IV – Filtro Capacitivo.
..............................................................................................................102
XII
°C: Grau Celsius
cd/m²: Candela por metro quadrado, unidade de luminância
cd: Candela, unidade de intensidade luminosa
E: Iluminância, quantidade de luz que atinge uma unidade de área (lux)
GWh: Gigawatthora, unidade de consumo de energia elétrica
Hz: Hertz, unidade de frequência
h: Hora, unidade de tempo
I: Intensidade de corrente elétrica (A)
K: Kelvin, unidade de temperatura
kVAR: kilo Volt Ampère Reativo, unidade de potência reativa
L: Luminância, medida fotométrica da intensidade luminosa por unidade de área da luz
que viaja numa determinada direção (cd/m²)
lm/W: Lúmen por watt, unidade de eficiência luminosa
lm: Lúmen, unidade de fluxo luminoso
Lx: Lux, unidade de iluminamento
m²: metro quadrado, unidade de área
MWh: Megawatthora, unidade de consumo de energia elétrica ativa
P: Potência ativa (W)
Q: Potência reativa (kVAR)
S: Potência aparente (kVA)
U: Fator de uniformidade da iluminância em um determinado plano
V: Volts, unidade de tensão elétrica
VA: Volt Ampére, unidade de potência aparente
Wh/ano: Watthora por ano, unidade de consumo de energia elétrica ativa
φ: Fluxo luminoso, radiação total emitida em todas as direções por uma fonte luminosa
XIII
LISTA DE TABELAS
TABELA 01: Tabela com as lâmpadas utilizadas na iluminação pública do Brasil. .....25
TABELA 02: Especificações máximas absolutas. .........................................................32
TABELA 03: Estimativa da diminuição da demanda de energia elétrica com a proposta
da iluminação utilizando lâmpadas LED de 230 W. ...............................69
TABELA 04: Estimativa de consumo de energia elétrica..............................................70
TABELA 05: Estimativa de consumo de energia elétrica diário, mensal e anual..........71
TABELA 06: Cálculo das potências e corrente elétrica.................................................71
TABELA 07: Resumo das medições de iluminância realizadas para comparação da
avaliação do desempenho da luminária LED em relação à lâmpada de
VSAP.......................................................................................................87
TABELA 08: Síntese das medições de iluminância com referência à NBR 5101.........87
TABELA 09: Tabela com o resumo dos valores de todos os componentes do circuito da
luminária LED simulada........................................................................103
TABELA 10: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho da luminária
LED sob condições ideais e nominais de suprimento ...........................104
TABELA 11: Tabela com dados comparativos entre os resultados computacionais e
experimentais.........................................................................................111
TABELA 12: Dados dos fabricantes das lâmpadas contempladas...............................113
TABELA 13: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho das lâmpadas
LED e VSAP .........................................................................................114
TABELA 14: Comparação dos valores obtidos através de medição............................118
TABELA 15: Valor estimado das potências: ativa; reativa; e aparente. De acordo com a
quantidade de pontos de iluminação, com dados das medições realizadas
em laboratório........................................................................................118
TABELA 16: Comparação da corrente harmônica da lâmpada led com os limites de
corrente harmônica para equipamentos tipo classe C da norma IEC
61000-3-2 expressa em percentagem. ...................................................119
TABELA 17: Custos unitários de equipamento, com mão de obra e custos indiretos
para ........................................................................................................123
TABELA 18: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para
implantação do sistema de iluminação pública utilizando lâmpadas LED.
...............................................................................................................124
XIV
TABELA 19: Custo do investimento inicial – Luminária de VSAP e LED ................125
TABELA 20: Estimativa de custo do consumo de energia - VSAP e LED.................125
TABELA 21: Cálculo do custo total com investimento e consumo de energia em 12
Anos - Luminária de VSAP e LED .......................................................126
TABELA 22: Estimativa de Manutenção de Vida Útil e Manutenção das Luminárias de
VSAP e LED .........................................................................................127
TABELA 23: Estimativa de fluxos de benefícios e custos da troca das lâmpadas de
VSAP por LED......................................................................................128
TABELA 24: Valores obtidos para o método do valor presente líquido, com juros de
8% ao ano. .............................................................................................131
TABELA 25: Comparação dos dados Técnicos das Lâmpadas LED e VSAP ............133
TABELA 26: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para
implantação do sistema de iluminação pública com a tecnologia LED.
...............................................................................................................136
TABELA 27: Valores da Tabela Horo-Sazonal Azul, relativos ao custo unitário de
demanda e energia. ................................................................................139
TABELA 28: Valores de consumo de energia e demanda coincidente e fator de carga
...............................................................................................................139
TABELA 29: Valores das variáveis LP, LE e LE1 para k=0,15...................................140
TABELA 30: Valores das variáveis LE2, LE3, LE4 para K=0,15..................................140
TABELA 31: Constantes de perda de demanda e de energia, variáveis LP, LE, LE1,
LE2, LE3 e LE4 de acordo com a tabela de fator de carga e K=0,15. .....141
XV
SUMÁRIO
2.1.1. Evolução da iluminação pública...........................................................................8
2.1.2. Eficiência Elétrica em Sistemas de Iluminação Pública (IP) – Conceitos e
recomendações .....................................................................................................9
2.1.3 Tipos de Acionamento Geralmente Utilizados em Lâmpadas de IP ..................11
2.1.4. Normas Técnicas Aplicáveis ..............................................................................12
2.1.5. Evolução da Iluminação Pública Artificial.........................................................16
2.2 CONCEITOS BÁSICOS REFERENTES À ILUMINAÇÃO ............................20
2.3. ASPECTOS DE EFICIÊNCIA COMUMENTE CONSIDERADOS EM
ILUMINAÇÃO PÚBLICA .................................................................................24
2.4. TECNOLOGIA LED...........................................................................................28
2.5. A POLUIÇÃO AMBIENTAL E EMISSÃO DE RAIOS ULTRAVIOLETAS .32
2.6. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO
BRASIL...............................................................................................................34
XVI
3.1. A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA (QEE).........................................37
3.1.1. Distúrbios na amplitude da tensão......................................................................38
3.1.2. Distúrbios na frequência do sinal .......................................................................39
3.1.3. Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos..............................40
3.1.4. Deformações na forma de onda do sinal. ...........................................................41
3.1.4.1 Instrumentação utilizada para medição de harmônicos.......................................44
3.2. AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA ..........................................44
3.2.1. Fluxo de Caixa....................................................................................................45
3.2.2. Valor Presente Líquido.......................................................................................46
DO CANTEIRO CENTRAL DA UFMT ........................................................49
4.1. ASPECTOS GERAIS SOBRE A CONCEPÇÃO DO PROJETO DE
ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO CANTEIRO CENTRAL DO CAMPUS DA
UFMT EM CUIABÁ...........................................................................................49
4.1.1. A UFMT .............................................................................................................49
4.1.2. Aspectos básicos a serem considerados num projeto de Iluminação pública ....51
4.1.3. Aspectos técnicos a serem observados num projeto de eficiência energética de IP
............................................................................................................................53
4.1.5. Recomendações adicionais para elaboração de projeto de IP ............................56
4.2. CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DE ESTUDO ............................................58
4.3. PROJETO DESENVOLVIDO............................................................................62
SIMULAÇÃO .....................................................................................................64
4.5. ESTIMATIVA DE DEMANDA E CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA ...68
4.6. PROCEDIMENTOS PARA EXECUÇÃO DA REVITALIZAÇÃO DO
SISTEMA DE IP CENTRAL DA UFMT...........................................................72
4.6.1. Suporte duplo......................................................................................................72
4.6.2. Utilização de equipamento para retirada das luminárias antigas e instalação das
luminárias LED ..................................................................................................74
4.6.4. Sinalização e segurança......................................................................................80
4.7. MEDIÇÃO DE ILUMINÂNCIA........................................................................81
5.2. MODELAGEM COMPUTACIONAL DA LÂMPADA LED ...........................94
5.2.1. Identificação da luminária LED e circuito equivalente......................................94
5.2.1.1 Módulo I: Fonte de corrente alternada (rede de baixa tensão 220 V) .................96
5.2.1.2 Módulo II: Transformador...................................................................................97
5.2.1.4 Módulo IV: Filtro Capacitivo..............................................................................98
5.2.2. Implementação computacional no software ATP e validação experimental....100
5.3. AVALIAÇÃO DO IMPACTO NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA
COM A SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA DO
CAMPUS...........................................................................................................112
5.3.2. Resultados.........................................................................................................114
CUSTO BENEFÍCIO DO PROJETO PROPOSTO..........................................120
5.4.1 Estudo de Viabilidade Econômica....................................................................123
5.4.2.1 Levantamento dos Dados Técnicos dos Equipamentos.....................................133
5.4.2.2 Redução de Demanda na Ponta e Energia Economizada ..................................134
5.4.2.3 Fator de Recuperação de Capital (FRC)............................................................135
5.4.2.4 Levantamento do Custo de Investimento do Projeto.........................................136
5.4.2.5 Custo Anualizado do Valor Investido ...............................................................137
5.4.2.6 Custo Evitado de Demanda e Consumo de Energia Elétrica Ativa...................137
5.4.2.7 Cálculo do Valor do Benefício Anualizado.......................................................141
5.4.2.8 Relação Custo Benefício (RCB)........................................................................142
7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS.............................................................149
1. INTRODUÇÃO
O presente capítulo introdutório contextualiza a pesquisa a ser apresentada, sua
problemática e expõe as justificativas para o desenvolvimento desta dissertação, além de
seus objetivos e a estruturação do documento.
1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DA PROBLEMÁTICA
Como resposta às crises energéticas (do petróleo em 1972 e 1979 e o apagão
entre 2001 e 2002), o aumento dos juros internacionais e na busca da sustentabilidade,
empresas, órgãos governamentais e sociedade tem buscado alternativas objetivando a
racionalização do consumo de energia elétrica, tais como o desenvolvimento de projetos
com o objetivo de identificar oportunidades de melhorias nos equipamentos e nos
processos (UFSM, 2012).
Com os movimentos em prol do meio ambiente e com os tratados relacionados
às mudanças climáticas, a eficiência energética foi colocada na condição de instrumento
privilegiado e, por vezes, preferencial para a mitigação de efeitos decorrentes das
emissões de gases causadores do efeito estufa e destruidores da Camada de Ozônio. Ao
mesmo tempo, aumentou a percepção de que o aumento de eficiência pode constituir
uma das formas mais econômicas e ambientalmente favorável de atendimento a parte
dos requisitos de energia de programas de eficiência energética, como o Programa
Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) e o Programa de Eficiência
Energética (PEE).
Com a edição da Lei n° 9.991, de julho de 2000, foi regulamentada a
obrigatoriedade de investimentos em programas de eficiência energética no uso final,
por parte das empresas brasileiras distribuidoras de energia elétrica. Esta Lei consolidou
a destinação de um montante importante de recursos para ações de Eficiência
Energética, o chamado Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de
Distribuição de Energia Elétrica (PEE). Este programa totaliza ate o momento, mais de
R$ 2 bilhões em investimentos realizados ou em execução. Em 2010, foi promulgada a
Lei n° 12.212, que alterou o percentual destinado aos consumidores de baixa renda. Por
meio desta Lei, as concessionárias e permissionárias de distribuição de energia elétrica
deverão aplicar, no mínimo, 60% dos recursos dos seus programas de eficiência
energética em unidades consumidoras beneficiadas pela tarifa social, (MME, 2010).
2
Nessa direção, para a definição do uso de insumos energéticos, é de grande
importância na tomada de decisões, além do aspecto de custo, também as implicações
climáticas que as emissões associadas ao consumo de energia acarretam. A maneira
como se utiliza a energia elétrica é uma questão chave neste processo. Por este motivo,
o aumento da eficiência energética nas atividades em órgãos públicos é imprescindível
para se atingirem os objetivos deste novo modelo de desenvolvimento, denominado
sustentável, tanto pela diminuição da demanda energética global quanto pelo aumento
dos correspondentes resultados econômicos.
De acordo com estudos conduzidos pela Eletrobrás em 2008, a iluminação
pública representa aproximadamente 3,96% do total de energia elétrica consumida no
Brasil, correspondendo a 10.624 GWh/ano. Este dado evidencia a necessidade de se
avaliar o potencial de economia neste segmento, pois a IP (Iluminação Pública) faz
parte deste montante de consumo de energia elétrica utilizada pelo país, (MME, 2010).
Muitos projetos de eficiência nesta área utilizam lâmpadas de alta pressão na sua
concepção, porém, novas tecnologias surgem como alternativas e tendências futuras.
Exemplo disto é a evolução tecnológica das luminárias LED (light emitting diode), de
baixo consumo de energia elétrica. Que vem reduzindo a predominância da tecnologia
consolidada de lâmpadas de descarga, vislumbrando-se um grande potencial de
economia de energia. Anualmente são consumidos no mundo 151,2 teraWatt-hora
(TWh), em média, de energia elétrica em iluminação pública, com o uso de dispositivos
mais eficientes grande percentual deste valor pode ser economizado, com a substituição
por luminárias LED. Esta tecnologia, dessa forma, coloca-se na linha de frente no
combate à poluição ambiental, vez que, além dos pontos já focados, não utilizam
componentes tóxicos na sua composição, ao contrário do que acontece com algumas das
tecnologias tradicionais, como, por exemplo, as lâmpadas de mercúrio e de sódio de alta
pressão, assim como também, no tocante ao desperdício de energia, (BLUESPAN,
2009).
Outra vantagem na utilização de luminárias LED é a redução do custo
operacional com manutenção, pois as luminárias LED possuem vida útil superior às
lâmpadas tradicionais. Por outro lado, também é significativo o aumento da qualidade
da iluminação pública, pois à luz emitida pelo LED apresenta um índice de reprodução
de cor - IRC mínimo de 70, contra um máximo de 25 das lâmpadas de Vapor de Sódio
de Alta Pressão – VSAP.
A maior eficiência energética mencionada constitui-se como uma valiosa
oportunidade para a Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) buscar economia
nos custos com energia elétrica, e oportunizando uma utilização de forma mais racional.
Também deve ser registrado, que o estudo e uso de novas tecnologias serve de exemplo
para a sociedade. Muito embora o sistema de iluminação pública atualmente utilizado
pela UFMT e pelas concessionárias de energia atinjam o padrão de eficiência estipulado
pela Eletrobrás, pretende-se com este estudo, demonstrar que se pode atingir níveis de
economia superiores aos relatados nos manuais de eficiência energética comumente
utilizados para os investimentos nesta área.
1.2. JUSTIFICATIVA
A necessidade de conservação de energia no setor elétrico brasileiro, com o
propósito de diminuir os recursos destinados a expansão da geração e transmissão, tem
levado à adoção de alguns programas pelo governo federal, com intuito de promover
uma forma de utilização mais racional da energia elétrica. Um dos mais importantes é o
programa PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) da
Eletrobrás. Dentro deste programa, o Reluz, objetiva a implantação de sistemas de
Iluminação Pública – IP mais eficientes, o que requer a utilização de tecnologias de
lâmpadas que apresentem maior relação lúmens/Watts, proporcionando economia,
devido ao baixo consumo de energia elétrica e, ainda, melhorar a qualidade na
iluminação. Como resultado positivo da implementação deste programa, destaca-se uma
melhoria significativa da eficiência energética, com a utilização maciça de Lâmpadas a
Vapor de Sódio de Alta Pressão – LVSAP.
Dentro das tecnologias que estão despontando, as lâmpadas a LED oferecem um
grande potencial de aplicação devido a sua alta eficiência aliada ao bom desempenho
luminotécnico e ao impacto positivo em relação ao meio ambiente, constituindo-se
como uma boa alternativa, ocupando maior espaço no mundo. É de se esperar, portanto,
que sistemas de IP a LED no Brasil acompanhem esta tendência, seja fazendo parte de
parques de IP híbridos, formados por lâmpadas a descarga e lâmpadas a LED, ou
somente por lâmpadas LED.
As fontes primárias de energia são limitadas. Mesmo a água, que embora seja
renovável, nem por isso é inesgotável, sofre variações pluviométricas e por vezes
calamitosas como foi à experiência pela qual o Brasil passou em 2001. Sendo assim, é
4
mais um fato que evidencia a necessidade de investimentos em projetos de eficiência
energética, em particular nos sistemas de iluminação pública nos municípios brasileiros,
bem como ações para se alcançar o potencial técnico de economia de energia para este
segmento e explorar o potencial de energia utilizado em um ambiente específico,
adequando-o a um aproveitamento mais econômico da energia fornecida.
1.3. OBJETIVO GERAL
O objetivo geral desta pesquisa é realizar uma comparação entre dois tipos de
tecnologias utilizados na iluminação pública. No caso, a lâmpada utilizada na UFMT, a
mesma utilizada na maioria das vias públicas de Cuiabá, realizada por meio de
lâmpadas de Vapor de Sódio de Alta Pressão (VSAP), e o novo modelo adotado neste
estudo - a tecnologia LED, considerada uma tecnologia inovadora nos sistemas de IP.
São principalmente abordados aspectos como eficiência energética, consumo de energia
elétrica ativa, demanda de potência ativa do sistema e o custo de investimento e
manutenção do sistema de iluminação pública, responsáveis por uma parcela
significativa da operação de um sistema de IP.
O estudo tem como foco também, avaliar a viabilidade econômica e aspectos
técnicos tais como a eficiência luminosa, vida útil das lâmpadas, índice de reprodução
de cores (IRC). Inclusive a nível ambiental, são abordadas questões como a poluição
gerada pelo material construtivo das lâmpadas.
Os estudos realizados contemplam as metodologias experimental e simulação
por meio de recursos computacionais, voltados para avaliar a operação da lâmpada LED
estudada.
Como objetivos específicos destacam-se:
a) Levantar o estado da arte sobre as lâmpadas LED, sua utilização, características
técnicas e aspectos ambientais relacionados à fabricação dos LEDs.
5
b) Estudo comparativo entre lâmpadas LED e VSAP, para tanto abordando:
1) Níveis de iluminância antes e depois da adoção da tecnologia LED, da área
escolhida;
2) Análise do impacto da sua utilização sobre o consumo de energia elétrica
ativa e demanda de potência ativa;
3) Análise de viabilidade econômica e da relação custo benefício;
4) Análise do impacto sobre a qualidade da energia;
5) Desenvolvimento e validação experimental de um modelo computacional da
luminária utilizada nos estudos, por meio de simulações.
1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO
A presente dissertação está organizada em capítulos, que complementarmente a
este capítulo introdutório, apresenta os capítulos seguintes.
Capítulo 2 - trata dos temas centrais relacionados à iluminação pública: sua
evolução e conceitos básicos referentes à iluminação artificial, aspectos comumente
considerados em eficiência de iluminação pública, conceitos e histórico sobre o LED.
Capítulo 3 - trata dos aspectos conceituais sobre a qualidade da energia elétrica
(QEE) e a avaliação da viabilidade econômica, sob a ótica da eficiência elétrica.
Capítulo 4 - Aborda a metodologia empregada neste trabalho, desde a concepção
do projeto da UFMT e caracterização do local de estudo. Prosseguindo, atenta-se para a
legislação para a elaboração de projetos luminotécnicos, determinação do nível de
iluminamento, escolha da luminária, estimativa de demanda de potência ativa e
consumo de energia elétrica ativa, as etapas para sua implementação, medições de
iluminamento (com medições de iluminância antes e após a implantação do novo
sistema) para comparação dos valores medidos entre a lâmpada de vapor de sódio e a
lâmpada LED.
Capítulo 5 – Apresenta os resultados e discussões alcançados com a pesquisa,
discorre-se sobre os impactos na qualidade da energia elétrica, a viabilidade econômica
e a relação custo benefício levando-se em consideração os custos da energia elétrica,
custos de investimento e custos com manutenção.
6
Capítulo 6 – Apresenta o registro das considerações finais da dissertação,
principais avanços alcançados bem como a indicação de possíveis estudos futuros sobre
o tema.
Na parte final do trabalho, relacionam-se as principais referências utilizadas para
o desenvolvimento deste estudo.
Neste capítulo são abordados, a evolução da iluminação pública artificial, fontes
utilizadas em iluminação pública, aspectos ambientais, conceitos sobre iluminação,
vantagens e desvantagens da tecnologia LED, normas relacionadas à iluminação
pública, qualidade da energia e viabilidade econômica.
2.1. ILUMINAÇÃO PÚBLICA
A Iluminação Pública, alvo desta dissertação, encontra-se definida na Resolução
da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL n.º 414/2010, como - o serviço que
tem por objetivo prover de luz, no período noturno ou nos escurecimentos diurnos
ocasionais, os logradouros públicos, inclusive aqueles que necessitem de iluminação
permanente no período diurno. A resolução estabelece classes e subclasses para efeito
de aplicação de tarifas. O inciso VI versa sobre a Iluminação Pública e define a
abrangência do fornecimento de energia elétrica:
Fornecimento para iluminação de ruas, praças, avenidas, túneis, passagens
subterrâneas, jardins, vias, estradas, passarelas, abrigos de usuários de
transportes coletivos, e outros logradouros de domínio público, de uso
comum e livre acesso, de responsabilidade de pessoa jurídica de direito
público ou por esta delegada mediante concessão ou autorização, incluído o
fornecimento destinado à iluminação de monumentos, fachadas, fontes
luminosas e obras de arte de valor histórico, cultural ou ambiental,
localizadas em áreas públicas e definidas por meio de legislação específica,
excluído o fornecimento de energia elétrica que tenha por objetivo qualquer
forma de propaganda ou publicidade (ANEEL, 2010).
Também determina a celebração de contrato de fornecimento de energia elétrica
para a iluminação pública com a inclusão de condições específicas a serem cumpridas:
Art. 25. Para o fornecimento destinado a Iluminação Pública deverá ser
firmado contrato tendo por objeto ajustar as condições de prestação do
serviço, o qual, além das cláusulas referidas no art. 23, deve também
disciplinar as seguintes condições:
I - propriedade das instalações;
8
II - forma e condições para prestação dos serviços de operação e
manutenção, conforme o caso;
III - procedimentos para alteração de carga e atualização do cadastro;
IV - procedimentos para revisão dos consumos de energia elétrica ativa
vinculados à utilização de equipamentos automáticos de controle de carga;
V - tarifas e impostos aplicáveis;
VI - condições de faturamento, incluindo critérios para contemplar falhas no
funcionamento do sistema;
VII - condições de faturamento das perdas referidas no art. 61;
VIII - condições e procedimentos para o uso de postes e da rede de
distribuição;
IX - datas de leitura dos medidores, quando houver, de apresentação e de
vencimento das faturas, (ANEEL, 2010).
Em relação à cobrança feita pela Concessionária à Prefeitura, a resolução
determina:
Art. 60. Para fins de faturamento de energia elétrica destinada à iluminação
pública ou iluminação de vias internas de condomínios fechados, será de
360 (trezentos e sessenta) o número de horas a ser considerado como tempo
de consumo mensal, ressalvado o caso de logradouros públicos que
necessitem de iluminação permanente, em que o tempo será de 24 (vinte e
quatro) horas por dia do período de fornecimento, (ANEEL, 2010).
O consumo de energia elétrica da IP é calculado por estimativa, o valor apurado
depende diretamente do cadastro de IP do município, cabendo a este e à concessionária
zelar por mantê-lo sempre atualizado, conforme previsto no Inciso III do art. 25
sobredito. O art. 62 destaca-se que:
Art. 62. Caso sejam instalados equipamentos automáticos de controle de
carga, que reduzam o consumo de energia elétrica do sistema de iluminação
pública, a concessionária deverá proceder a revisão da estimativa de
consumo e considerar a redução proporcionada por tais equipamentos,
(ANEEL, 2010).
2.1.1. Evolução da iluminação pública
A evolução da iluminação pública tem ocorrido ao longo da história da
humanidade como indispensável para as atividades realizadas no período noturno e
9
diurno. Estas são das mais distintas naturezas: como guiar um automóvel pelas ruas,
passeio de pedestres, e até mesmo iluminar toda uma universidade. Sendo assim, é
necessária a iluminação pública de forma eficaz para que sejam desenvolvidas várias
atividades no período da noite.
Ilumina-se o ambiente à noite para alcançar certos objetivos sociais (ou
econômicos), que incluem segurança, apoio ao desenvolvimento, destaque
às áreas históricas ou espaços verdes públicos ou para enviar mensagens
(MASCARÓ, 2006).
Evidentemente, várias das atividades noturnas hoje rotineiras, surgiram como
resultado da evolução da tecnologia empregada na iluminação. Ou seja, a rotina das
pessoas foi se alterando e as atividades exercidas foram se multiplicando. Hoje é
praticamente impensável viver sem vida noturna. Para tanto, é necessário que a
iluminação seja adequada de acordo com as atividades a serem realizadas,
possibilitando aos cidadãos uma percepção de iluminação mais eficiente, atentando para
o tipo de atividade envolvida, de forma a melhor aproveitar a luz produzida.
No caso em tela, é levada em consideração a iluminação pública da
Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), onde existem vias de tráfego, calçadas,
acesso de veículos e pedestres, estacionamento e prédios, de maneira que a iluminação
deve ser projetada considerando a NBR-05101-1992 (Iluminação Pública), de forma a
satisfazer seus utilitários.
2.1.2. Eficiência Elétrica em Sistemas de Iluminação Pública (IP) – Conceitos e
recomendações
O Brasil vem passando por uma sensível melhoria na qualidade na prestação do
serviço de iluminação pública. Novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas e adotadas,
que potencialmente podem aumentar a eficiência dos sistemas de iluminação pública
existentes, reduzindo o consumo de energia elétrica nesse segmento. Desde 1993, com a
aplicação de recursos em projetos de eficiência energética, a Eletrobrás, por meio do
PROCEL, financia a eficientização da iluminação pública tendo como mutuaria as
concessionárias, (MME, 2010).
Quando se desenvolvem projetos de eficiência energética para sistemas de
iluminação em geral, alguns problemas são frequentemente relatados. Em particular,
sejam empresas públicas ou privadas, os sistemas de iluminação geralmente se
encontram fora dos padrões técnicos adequados. Os tipos mais comuns dessas
ocorrências são:
2) Falta de aproveitamento da iluminação natural;
3) Uso de equipamentos com baixa eficiência luminosa;
4) Falta de comandos (interruptores) das luminárias;
5) Ausência de manutenção, depreciando o sistema;
6) Hábitos de uso inadequados.
Portanto, em projetos luminotécnicos eficientes, deve-se sempre buscar:
1) Boas condições de visibilidade;
2) Boa reprodução de cores;
3) Economia de energia elétrica;
4) Facilidade e menores custos de manutenção;
5) Preço inicial compatível;
6) Utilizar iluminação local de reforço;
7) Combinar iluminação natural com artificial.
Para que sejam alcançados os objetivos em um projeto de iluminação, deve-se
definir o nível de iluminância no local, de acordo com a destinação do ambiente. Para
isso, existem normas técnicas que orientam ou recomendam os níveis recomendados em
função da atividade, características dos usuários, dentre outros.
Os níveis recomendados variam, também, com a duração do trabalho sob
iluminação artificial, devendo ser mais elevado para as longas jornadas. Deve-se buscar
preferencialmente uma correta reprodução das cores dos objetos e ambientes
11
iluminados. A impressão da cor de um objeto depende da composição espectral da luz
que o ilumina, de suas refletâncias espectrais e do sentido da visão humana. Portanto, a
cor não é exatamente uma propriedade fixa e permanente de um objeto, mas o que se
enxerga como cor é o fluxo luminoso refletido pelo mesmo, (RODRIGUES, 2002).
Na escolha dos aparelhos de iluminação, ou seja, conjunto lâmpada, luminária e
acessórios, os aspectos que devem ser observados são: tipos de lâmpadas que podem ser
empregadas; dispositivos mais econômicos; vida útil e manutenção de suas
características com o tempo e análise das características do ambiente em questão.
Dessa forma, além dos aspectos quantitativos devem também ser aferidos
também os qualitativos, de modo a criar uma iluminação que responda a todos os
requisitos que o usuário exige do espaço iluminado.
2.1.3 Tipos de Acionamento Geralmente Utilizados em Lâmpadas de IP
As lâmpadas de descarga, no que se refere à emissão do fluxo luminoso, não se
comportam da mesma maneira na partida a frio e a quente. Na iluminação pública esta
característica requer atenção, pois dependendo do local e do tipo de utilização, o tempo
de acendimento e/ou re-acendimento pode ser muito importante.
Para partida a frio, o fluxo luminoso das lâmpadas de descarga não atinge de
imediato 90% de seu valor nominal, índice considerado mínimo para a lâmpada estar
acesa, necessitando de 2 a 7 minutos para alcançar este valor, este tempo depende da
tecnologia da lâmpada.
Em caso de um novo re-acendimento, o tempo é ainda maior, podendo chegar a
15 minutos. Isso em locais de grande circulação de veículos e aglomeração de pessoas
pode ocasionar sérios distúrbios e problemas de segurança.
No caso da iluminação pública utilizando lâmpadas LED não existe esse
problema, pois esta tecnologia dispensa ignitor ou reator, de modo que o seu
acionamento é imediato. Portanto, interrupções momentâneas do suprimento de energia
elétrica não teriam grande impacto, uma vez que, quando do restabelecimento da
energia, o acendimento é imediato, minorando, desta forma, o risco de pânico que possa
ser gerado, preservando a ordem e a segurança dos usuários do sistema.
Diferentemente das lâmpadas tradicionais, que têm seu tempo de vida reduzido
com a redução do tempo entre as partidas, se este for menor que 10 h, a quantidade de
12
partida por hora não afeta a vida útil do LED. A redução do tempo de vida da lâmpada
causa o aumento do custo da manutenção por reduzir o intervalo de tempo entre elas.
2.1.4. Normas Técnicas Aplicáveis
Um projeto de iluminação pública, deve seguir as indicações das normas e
especificações da ABNT, da concessionária de energia elétrica e outras pertinentes ao
assunto. O projeto deverá obedecer particularmente às seguintes normas:
1) NBR 5101 – Iluminação Pública – Procedimento;
2) NBR 5410 – Instalações elétricas de baixa tensão.
Para situações omissas nas normas ABNT, estas deverão ser cobertas pela NEC
(National Electrical Code) ou por normas e recomendações dos seguintes organismos
internacionais:
2) IEC – International Eletrotechnical Comission;
3) IES – Illuminating Engineering Society;
4) ANSI – American National Standards Institute.
Para o caso de prédios públicos, encontram-se em vigência, a Regulamentação
para Etiquetagem Voluntária de Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais,
de Serviços e Públicos – INMETRO/PROCEL.
2.1.4.1.Classificação da via pública (NBR 5101)
A metodologia básica para realizar um projeto eficiente de iluminação pública
aplicada em vias, baseando-se nos critérios estabelecidos na NBR 5101:2012
(Iluminação Pública), leva em consideração critérios mínimos necessários para garantir
a funcionalidade do sistema. Fixa requisitos, os quais são destinados a propiciar algum
nível de segurança aos tráfegos de pedestres e veículos. Portanto, o dimensionamento
do projeto terá esta norma como referência para os valores de iluminância do sistema
13
proposto. O primeiro quesito a ser verificado é a classificação das vias públicas a serem
iluminadas, ilustrada na Figura 1, conforme sua natureza:
a) classe A (vias rurais),
A1 - vias arteriais;
A2 - vias coletoras;
A3 - vias locais;
c) classe C (vias urbanas),
C1 - vias principais;
C2 - vias normais;
C3 - vias secundárias;
C4 - vias irregulares;
d) classe D (vias especiais).
No estudo de caso da UFMT, a avenida em questão se enquadra como classe C
(vias normais), que o Código de Trânsito Brasileiro (BRASIL, 2008), publicado em
1997, define vias urbanas, como aquelas caracterizadas pela existência de construções
às suas margens e a presença de tráfego motorizado e de pedestres em maior ou menor
escala, classificadas em:
a) Vias principais: Avenidas e ruas asfaltadas ou calçadas, onde há predominância
de construções comerciais, assim como trânsito de pedestres e de veículos.
b) Vias normais: Avenidas e ruas asfaltadas ou calçadas, onde há predominância de
construções residenciais, trânsito de veículos (não tão intenso) e trânsito de
pedestres.
c) Vias secundárias: Avenidas e ruas com ou sem calçamento, onde há construções,
e o trânsito de veículos e pedestres não é intenso.
14
Fonte: (ABNT, 2012).
15
Classificada a via, deve-se consultar a NBR 5101:2012 para verificar os níveis
de iluminância e os fatores de uniformidades mínimos para cada situação. O tipo do
tráfego também deve ser levado em consideração, sendo classificados como: sem, leve,
médio ou intenso tanto para pedestres, conforme o QUADRO 1, e quanto ao tráfego de
veículos, como mostra o QUADRO 2.
QUADRO 1: Classificação para tráfego de pedestres.
CLASSIFICAÇÃO PEDESTRES CRUZANDO VIAS COM TRÁFEGO MOTORIZADO Sem (S) Como nas vias de classe A1 Leve (L) Como nas vias residenciais médias
Médio (M) Como nas vias comerciais secundárias Intenso (I) Como nas vias comerciais principais
Fonte: (ABNT, 2012).
Portanto, o projetista deve levar em consideração, para fins de elaboração de
projeto, estes quadros no que diz a respeito ao tipo de classificação do tráfego em geral,
conforme orienta a norma de iluminação pública.
QUADRO 2: Classificação para tráfego motorizado.
CLASSIFICAÇÃO VOLUME DE TRÁFEGO NOTURNO(A) DE VEÍCULOS POR HORA, EM
AMBOS OS SENTIDOS(B), EM PISTA ÚNICA Leve (L) 150 a 500
Médio (M) 501 a 1200 Intenso (I) Acima de 1200 (A) Valor máximo das médias horárias obtidas nos períodos compreendidos entre 18h e 21h.
(B) Valores para velocidades regulamentadas por lei. Nota: Para vias com tráfego menor do que 150 veículos por hora, devem ser consideradas as exigências mínimas do grupo leve e, para vias com tráfego muito intenso, superior a 2400 veículos por hora, devem ser consideradas as exigências máximas do grupo de tráfego intenso.
Fonte: (ABNT, 2012).
Para dimensionamento deste sistema adota-se o iluminamento médio e a
uniformidade, com valores mínimos variando de acordo com o tipo da via, volume de
tráfego e intensidade de conflito com pedestres, conforme mostra o QUADRO 3 e
QUADRO 4.
VEÍCULO L M
CLASSIFICAÇÃO DO TRÁFEGO
Eméd.min. (lux) Umin. Eméd.min. (lux) Umin. L 2 5 M 5 8 Pedestres I 8
0,2 10
VEÍCULO L M
CLASSIFICAÇÃO DO TRÁFEGO
Pedestres M 4
Fonte: (ABNT, 2012).
As iluminâncias médias mínimas (Eméd.mín.), são valores obtidos pelo cálculo da
média aritmética das leitura realizadas, em plano horizontal, sobre o nível do piso e a
uniformidade é medida pela relação entre a iluminância mínima e a média obtida na
área iluminada.
Uma boa uniformidade na iluminação é necessária a fim de evitar sombras
acentuadas e assegurar o conforto e a segurança para a prática da atividade exercida na
área. O espaçamento entre as luminárias e o distanciamento delas em relação às paredes
têm contribuição direta no resultado da uniformidade da iluminação.
2.1.5. Evolução da Iluminação Pública Artificial
O descobrimento do fogo, certamente foi à primeira fonte de luz artificial
descoberta pelo homem. Na Idade da Pedra, o seu controle e utilização trouxeram
grandes avanços com relação à sobrevivência e ao conforto do ser humano. Durante
milênios, a simples chama foi à única fonte de luz artificial a seu serviço. Ainda na
idade da pedra foram construídas as primeiras lâmpadas de pedra, que queimavam
azeite animal ou vegetal com uma mecha trançada (MASCARÓ, 2006).
O primeiro dispositivo, do qual se tem relatos, que tratava de iluminação pública
é o Farol de Alexandria, ilustrado na Figura 2. O farol, que tinha cerca de 135 metros de
altura, foi construído por volta do ano 285 A.C. por ordem de Alexandre, o Grande. O
histórico monumento localizava-se em uma pequena ilha chamada Faros, em frente à
cidade de Alexandria no Egito. No alto da torre, os egípcios alimentavam uma fogueira
com lenha ou carvão.
A luz produzida pelo fogo era refletida por espelhos para o mar e podia ser vista
a 40 milhas de distância, (RODRIGUES, 2009). Porém a iluminação pública teve um
impulso no século XIX, principalmente na Inglaterra, onde as lâmpadas a gás se
tornaram amplamente populares.
Fonte: (RODRIGUES, 2009).
lâmpadas a arco voltaico, cujos estudos de desenvolvimento iniciaram-se por volta de
1800, (FRÓES DA SILVA, 2006). Pois bem, em 1801 o inglês Humphrey Davy foi o
inventor que propôs este tipo de tecnologia na época, conforme a Figura 3. A lâmpada a
arco consiste de dois eletrodos de carbono devidamente espaçados (alguns poucos
milímetros) que quando alimentados propiciam a criação de um arco voltaico gerando
uma luz intensa e brilhante, um exemplo desta lâmpada é mostrado na Figura 4. Esta é
considerada por muitos a primeira lâmpada de descarga desenvolvida. Entretanto, este
tipo de lâmpada apresenta algumas desvantagens, como a grande intensidade luminosa o
que as restringia à utilização em ambientes externos e a pequena vida útil dos eletrodos
de carbono que deviam ser trocados constantemente e também mantidos com uma
separação exata, do contrário a lâmpada se apagava (RODRIGUES, 2009).
Figura 3 - Humphry Davy, químico e inventor inglês, considerado o criador da primeira Lâmpada de Arco Voltaico.
Figura 4 - Exemplo de lâmpada a arco voltaico.
Fonte: (WIKIENERGIA, 2012). Fonte: (ESCRITA(S), 2012).
18
A consolidação da iluminação elétrica aconteceu anos mais tarde com o
desenvolvimento das lâmpadas incandescentes. Em 1854, o alemão Heinrich Goebel
construiu a primeira lâmpada incandescente utilizando fibra carbonizada de bambu.
Porém aproximadamente em 1879, foi inventada a lâmpada com filamento
incandescente, pelo consagrado Thomas Alva Edison, conforme a Figura 5. Devido a
grande praticidade que esta lâmpada possuía, esta perdurou como a única tecnologia
elétrica comerciável que viria a ser utilizada em iluminação por aproximadamente 56
anos (1879 a 1935), (FRÓES DA SILVA, 2006).
Figura 5 - Thomas Alva Edison, inventor e empresário americano, e sua maior invenção a lâmpada incandescente de filamento.
Fonte: (HOWMANYARETHERE, 2013).
Thomas Alva Edison, através de seus experimentos, observou que o
aquecimento de um filamento metálico era capaz de liberar elétrons (efeito Edison) e
também luz por incandescência. Nascia assim a primeira lâmpada incandescente capaz
de ser comercializada, utilizando como filamento um fio de linha carbonizado. Em 1911
com o desenvolvimento das técnicas de trefilação do tungstênio deu-se um grande passo
para a popularização das lâmpadas incandescentes, já que os filamentos eram mais
robustos e capazes de suportar temperaturas mais elevadas. A invenção da lâmpada
incandescente preencheu a necessidade fundamental da humanidade em poder utilizar a
luz melhor e mais intensa, sem perigo, sem esforços e a baixo custo, (RODRIGUES,
2009).
Porém, este filamento em incandescência dentro de um bulbo de vidro em vácuo
transforma em luz apenas 10% da energia que consome, conforme é ilustrado modelo de
luminária equipada com lâmpada incandescente da Figura 6. Em relação à iluminação
elétrica, foi a cidade de Campos Goytacazes, interior do Estado do Rio de Janeiro, que
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no ano de 1883 inaugurou o sistema de iluminação pública abastecido por uma usina
termoelétrica. Seguida por Rio Claro (SP), Porto Alegre (RS), Juiz de Fora (MG),
Curitiba (PR), Maceió (AL) e Belém (PA). Apenas em 1904 surge no Rio de Janeiro e
no ano seguinte em São Paulo. Com o advento da tecnologia instalava-se em São Paulo
e posteriormente no Rio de Janeiro a “The Rio de Janeiro Light and Power Company
Ltd” – Companhia de Luz e Força do Rio de Janeiro. No princípio, a iluminação elétrica
era alimentada por um sistema de origem térmica, fornecida por uma pequena usina. No
entanto, logo se iniciou a exploração da energia hidrelétrica, cujas características eram o
baixo custo e possibilidade de instalações maiores. Assim a Light foi responsável pela
construção da Usina Hidrelétrica de Fontes no Ribeirão das Lajes, uma das maiores da
época, (ANDRADE, 2007).
Fonte: (ANDRADE, 2007).
“Em 1933 foram desligados os últimos 490 lampiões a gás no Rio de
Janeiro. Nesta mesma época a cidade recebeu o título de “cidade-luz sul-
americana”, sendo reconhecida como uma das mais bem iluminadas do
mundo e comparável, inclusive, com Paris.” (FROES DA SILVA, 2006).
Em 1857, o físico francês Alexandre E. Becquerel, que investigou os fenômenos
de fosforescência e de fluorescência, teorizou acerca de tubos fluorescentes, muito
parecidos com as lâmpadas fluorescentes tubulares utilizadas hoje em dia, mas o
primeiro protótipo de uma lâmpada fluorescente foi construído pelo norte-americano
Peter Cooper Hewitt em 1901 e ficou conhecida como lâmpada de mercúrio em baixa
pressão a arco. Entretanto, este tipo de lâmpada só foi introduzido no mercado da
iluminação por volta de 1940, alcançando popularização quase imediata. Em 1970 as
lâmpadas fluorescentes tubulares já eram as maiores fontes de iluminação artificial.
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Entre o final da década de 1970 e início da década de 1980, a Philips NV e a OSRAM
desenvolveram uma nova concepção em lâmpadas fluorescentes conhecidas como
lâmpadas fluorescentes compactas, (RODRIGUES, 2009).
No início do século XX iniciaram os estudos e o desenvolvimento de novas
tecnologias, fazendo surgir às lâmpadas de descarga em atmosfera de gás, ou seja, as
lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas de vapor de sódio, de altas e baixas
pressões. Em 1934 foi desenvolvida por Edmund Germer, um inventor alemão, uma
variante desta lâmpada, porém, utilizando vapor de mercúrio em alta pressão, o que
propiciava uma intensidade muito maior para a fonte luminosa, permitindo que a mesma
fosse utilizada para iluminação de áreas externas.
Esta lâmpada de mercúrio é basicamente composta de um bulbo pintado por
tinta fluorescente contento em seu interior um tubo de descarga de quartzo
com eletrodos nas suas extremidades.