Ampliação e remodelação da iluminação pública

abr, 2015

Edição 110 – Março de 2015
Por Marcos Antônio Aguillera*

Tecnologias de fonte de luz mais adequadas à remodelação eficiente dos parques de iluminação pública das cidades brasileiras.

Este estudo visa verificar as vantagens de se optar pela tecnologia Led em detrimento de outras tecnologias convencionais de iluminação pública. O Led tem sido alvo de muito interesse dos administradores públicos, da comunidade científica, da mídia e da população, seja por seu apelo energético, estético, ambiental ou, simplesmente, por ser considerada tecnologia de ponta, porém, sua acelerada evolução tem causado o surgimento de muita variedade na qualidade dos produtos ofertados pelo mercado, causando dúvidas quanto a ser ou não a melhor opção.

Neste artigo, verifica-se que o Led, sob os pontos de vista técnico e econômico, é a tecnologia mais indicada para cada aplicação em iluminação pública, seja na ampliação ou na remodelação dos parques existentes nas cidades paulistas, o que já se pode perceber pelas recentes iniciativas de algumas das grandes prefeituras do estado de São Paulo, que já têm iniciado processos de licitação de parcerias público-privada para administração da iluminação pública, cujo requisito básico é que todas as luminárias sejam a Led de última geração.

Introdução

Desde o surgimento dos primeiros serviços de iluminação pública, os prestadores deste serviço vêm acompanhando uma crescente aceleração da evolução tecnológica das fontes de luz, em que, historicamente, sempre houve um espaço de tempo suficiente para que as tecnologias fossem colocadas à prova e fossem profundamente conhecidas em todos os seus aspectos.

Porém, atualmente, o tempo entre o surgimento de uma tecnologia e outra, presumidamente superior, é cada vez menor. As vidas úteis declaradas são cada vez maiores a ponto de a sua constatação direta não ser técnica e economicamente viável, pois em tempo menor a este já terão surgido tecnologias mais eficientes.

O exemplo mais contundente deste fato são os Leds, para os quais, em intervalos inferiores a um ano, surgem novos aperfeiçoamentos da tecnologia que os tornam muitas vezes mais eficientes, sob todos os aspectos.

Várias cidades do mundo têm modernizado seu parque com luminárias Led, como é o caso de Los Angeles e Las Vegas, nos Estados Unidos, além de grandes projetos na Índia e na Europa. Na América do Sul, pode-se destacar São Paulo, São Bernardo do Campo, Rio de Janeiro e Buenos Aires, que modernizarão 100% de seus parques.

No Brasil, a iluminação pública tem sido utilizada como mais um instrumento de divulgação de uma imagem política voltada às necessidades sociais e, muitas vezes, como mecanismo para aumento da aceitação pública do administrador. Raramente é levado em consideração o grau de competência técnica e econômica daqueles que decidem por qual tecnologia será adotada, mesmo porque as consequências de uma má decisão surgirão, muito provavelmente, no próximo período administrativo. Uma decisão público-administrativa acertada sob os pontos de vista energético, econômico, ambiental, estético e de segurança pode ser de grande utilidade aos interesses políticos.

As tecnologias mais aplicadas

As tecnologias disponíveis no mercado para este uso, consideradas viáveis técnica e economicamente, são as lâmpadas de descarga e o Led. Outras tecnologias, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas de indução, fluorescentes, por exemplo, não serão analisadas, tendo em vista que as quantidades existentes são insignificantes e tendem a ser totalmente substituídas.

Lâmpadas de descarga

As lâmpadas de descarga, como as de vapor de sódio em alta pressão e a multivapores metálicos, possuem eletrodos numa cápsula com componentes internos que, quando submetidos a uma diferença de potencial, forçam a passagem de corrente elétrica por meio do gás e vapores metálicos que, por sua vez, emitem radiações eletromagnéticas em comprimentos de onda, do ultravioleta ao infravermelho, sendo boa parte luz.

Diodos Emissores de Luz

O Led é um dispositivo eletrônico semicondutor, que permite a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido. É formado pela junção de dois terminais – anodo e catodo – que, quando polarizados diretamente, há a recombinação de lacunas e elétrons, liberando a energia na forma de luz, onde parte dela é transformada em calor na junção.

A estrutura básica de um Led é uma pastilha semicondutora sobre uma superfície refletora, envolvida por uma resina que direciona o facho luminoso.

Características das tecnologias

Rendimento ótico da luminária

O Led, possuindo dimensões muito reduzidas e facho direto, pode ser considerado como fonte de luz pontual, o que lhe confere grande versatilidade e facilidade para o direcionamento do seu facho. Tal característica proporciona às luminárias Led altos rendimentos quando comparadas com as luminárias para lâmpadas de descarga, que, além de suas dimensões relativamente grandes, têm parte de seu fluxo emitido perdida devido à absorção nos refletores e lentes e pela própria lâmpada, que funciona como um obstáculo à luz rebatida pelo refletor.

Tempo de partida a frio e tempo de partida a quente

O início do funcionamento de algumas lâmpadas de descarga é dado pela aplicação de uma ddp de curta duração (tensão elétrica de pulso), muito mais alta que a tensão nominal da rede (de 0,75 kV a 4,5 kV), dependendo do seu projeto. Essa tensão de pulso gerada por ignitores ou reatores eletrônicos é necessária para vencer a rigidez dielétrica inicial dos vapores e assim promover o fluxo de uma corrente elétrica.

Depois de iniciada a passagem da corrente elétrica, a temperatura do gás e vapores metálicos sofre uma grande elevação, reduzindo sensivelmente sua rigidez dielétrica.

O valor da tensão de partida é calculado para a rigidez dielétrica que o gás apresenta em uma faixa de temperatura não muito mais ampla do que a temperatura ambiente usual.

Quando é interrompido o funcionamento de uma lâmpada de descarga, seu religamento só é possível quando a pressão interna é reduzida pelo resfriamento dos vapores, de maneira que o pulso de tensão possa romper novam

ente o dielétrico. O tempo de partida a frio das lâmpadas de descarga é de três a cinco minutos, desde sua partida até atingir  90% do fluxo luminoso total, e o tempo de partida a quente necessita ainda mais dez a quinze minutos, para que ocorra a redução necessária da pressão interna possibilitando o religamento (lâmpadas a vapor de sódio em alta pressão podem religar imediatamente com 100% do fluxo para interrupções inferiores a 20 s ou 30 s).

O Led não necessita de tempo de resfriamento, retornando imediatamente a emitir luz depois de uma interrupção, bastando que seja reestabelecida sua alimentação elétrica.

Eficiência luminosa das fontes de luz

O gráfico da Figura 1 apresenta a evolução da eficiência energética das atuais tecnologias de fontes de luz, bem como a evolução prevista para os próximos anos, em que se destaca a grande vantagem dos Leds sobre as tecnologias concorrentes. Pode-se perceber que o Led possui um horizonte muito mais amplo de aumento de eficiência do que as demais tecnologias para os próximos seis anos.


Figura 1 – Histórico e projeção da evolução da eficiência das fontes de luz.

Vida mediana e vida útil (depreciação do fluxo luminoso)

Equipamentos eletroeletrônicos apresentam, como uma de suas características, um determinado comportamento na evolução das taxas de falha durante o decorrer de sua vida que podemos representar graficamente pela Figura 2.

No início da vida dos dispositivos, podem ocorrer falhas em curto espaço de tempo (mortalidade infantil) em função, principalmente, de problemas de fabricação, transporte, manuseio e instalação. Os dispositivos que não sofrem tais problemas iniciais passam então por um período mais longo de operação normal, com taxa de falhas constantes, em função das características do projeto do equipamento e das qualidades intrínsecas dos seus materiais. A seguir, os dispositivos entram em uma fase de elevação da taxa de falhas devido aos processos de deterioração (envelhecimento).


Figura 2 – Curva da banheira.

Durante a vida, a intensidade do fluxo sofre depreciação até ocorrer uma falha. Antes de chegar ao fim de sua vida, o fluxo decai a valores tão reduzidos que não podem ser considerados como úteis à aplicação para a qual foram projetados. A partir desta característica, foi criado o conceito de “vida útil”, função da depreciação do fluxo, que é o tempo de utilização no qual o fluxo luminoso decai em uma determinada porção do fluxo inicial, expressa em valor percentual. Lâmpadas a multivapores metálicos têm vida mediana de 20 mil horas, a vapor de mercúrio 18 mil e a vapor de sódio de alta pressão 36 mil horas (depreciação máxima de 20%).

Espectro da luz

As Figuras 3 e 4 a seguir apresentam os valores aproximados de comprimento de onda, frequência e energia para regiões selecionadas do espectro eletromagnético.


Figura 3 – Espectro da radiação eletromagnética.


Figura 4 – Espectro eletromagnético.

Pode-se notar que a faixa de luz é uma faixa bem estreita quando comparada a todo espectro das ondas eletromagnéticas.

As fontes de luz utilizadas na iluminação pública produzem ondas eletromagnéticas segundo suas propriedades físicas, conforme é mostrado pela Figura 5.

Em níveis de iluminação a partir de 0,034cd/m2 (candelas por metro quadrado), na qual se inicia a visão mesópica, a luz branca azulada possibilita melhores condições de reconhecimento facial à distância e percepção de cores e detalhes do ambiente do que a luz branca amarelada, causando às pessoas uma maior sensação de segurança.

Índice de Reprodução de Cor (IRC)

Nota-se pelos gráficos (veja a Figura 5), que as fontes de luz branca de alguns tipos de LED e as lâmpadas a multivapores metálicos são as fontes com maiores IRCs disponíveis para iluminação pública. Nesse mercado, é possível encontrar lâmpadas a multivapores metálicos com IRC de 60 a 85 e Led de 70 a 80 (é possível, mas não usual, encontrar Leds de alta potência com IRC de até 98), enquanto as lâmpadas a vapor de sódio apresentam IRC que não ultrapassa os 25.

Figura 5 – Eficácia luminosa relativa.
– VM = vapor de mercúrio             – VSBP = vapor de sódio baixa pressão
– MVM = multivapores metálicos     – VSAP = vapor de sódio alta pressão
– LED = exemplo de espectro, uma vez que o Led pode produzir inúmeros espectros diferentes.


Figura 6 – Curva de sensibilidade relativa – espectral do olho humano.

Visão mesópica

Resumidamente, a visão humana é um fenômeno que começa a partir da sensibilização de células fotossensíveis localizadas no olho que, quando ativadas pela luz, geram impulsos elétricos transportados até a parte posterior do cérebro pelos nervos ópticos, onde as imagens são formadas.

O olho humano possui duas células fotossensíveis relacionadas à visão: cones e bastonetes. Os cones são estimulados por maiores intensidades de luz, percebendo cores e detalhes dos objetos – visão fotópica. Os bastonetes são estimulados por bem menos luz, percebendo contornos e contrastes entre claro e escuro – visão escotópica.


Figura 7 – Dia

grama de cromaticidade. Fonte: International Commission on Illumination (CIE).

O olho humano médio funciona, em visão escotópica, quando submetido a intensidades luminosas inferiores a 0,034 cd/m² e, em visão fotópica, em intensidades superiores a 3,4 cd/m². No intervalo entre 0,034 cd/m² a 3,4 cd/m² ocorre a visão mesópica, que é quando ambas as células fotossensíveis são estimuladas, conforme mostrado pelo gráfico da Figura 6 de sensibilidade relativa espectral do olho humano.

Luz branca – temperatura de cor

A luz é percebida como luz branca quando os três tipos de cones (sensíveis ao vermelho, sensíveis ao verde e sensíveis ao azul) localizados na retina são excitados pela luz de cada respectiva cor e numa proporção adequada. A luz do sol, como as lâmpadas incandescentes, emite luz com espectro de cor composto por todas as cores, como mostra a Figura 5.

A luz branca pode ser obtida por meio de arranjos cromáticos. Salienta-se que, em todos os casos, esses arranjos são criados em função das características de sensibilização exercida nos cones da retina. A Figura 7 mostra o gráfico de cromaticidade que compreende a gama de luz branca.

Outras radiações além da luz

As fontes de luz, de uma maneira geral, além da luz emitem outras radiações fora do espectro luminoso, radiações de comprimentos de onda inferiores a 380 nm – ultravioletas – e radiações com comprimento de onda superior a 780 nm – infravermelho. Obviamente, para a iluminação pública, a emissão de radiações que não sejam luz, além de ser um desperdício de energia, pode ser também prejudicial aos materiais e componentes da própria luminária, deteriorando-os precocemente. Ressecamento de juntas de vedação, perda de transparência das lentes e da reflexão dos refletores são consequências da exposição a essas radiações.

Os Leds não emitem infravermelho e ultravioleta em seu facho, o que possibilita maior durabilidade aos materiais óticos e às luminárias, com maior eficiência energética.

Modo de falha

A grande maioria dos componentes das lâmpadas de descarga, quando falham, causa a interrupção total do funcionamento da lâmpada. Quanto aos módulos de Led, que são a composição de agrupamento de unidades Led (chips) em uma mesma placa, durante sua vida útil, podem apresentar falhas chip a chip, causando diminuição parcial do fluxo total, proporcional ao número de Led falhados. Dependendo do tipo de arranjo das ligações entre os chips, o funcionamento dos demais chips não é prejudicado pela falha de alguns, possibilitando a emissão de um fluxo luminoso reduzido enquanto a placa não é substituída. Cabe salientar que nesta análise não estão sendo considerados os modos de falha de reatores e drivers.

Aplicação das tecnologias

Controle do facho


Quadro 1 – Características vantajosas do Led.

 

O Led, pelas suas dimensões reduzidas, muito inferiores às dimensões das lâmpadas usuais, tem como grande vantagem a facilidade de controle de seu facho, permitindo que toda a luz emitida seja direcionada com maior precisão e com muito menos luz emitida para direções indesejadas, apresenta as seguintes vantagens:

– Operação e manutenção

A qualidade da iluminação pública pode ser delimitada por índices luminotécnicos mínimos, como iluminância mantida, uniformidade e ofuscamento – parâmetros bem definidos nas normas brasileiras, como a ABNT NBR 5101:2012 – Iluminação pública – Procedimento, além da ABNT NBR 5181:2013 – Sistemas de iluminação de túneis – Requisitos e outras a elas relacionadas. A qualidade também pode ser definida pela forma como o serviço é mantido, ou seja, percentual máximo de pontos desligados e o tempo máximo de reparo por tipo de falha. Além disso, deve-se, ou pelo menos se deveria, manter os parâmetros luminotécnicos previstos nas normas durante toda a vida dos equipamentos, prevendo substituições programadas em função da perda da eficiência luminosa.

A manutenção do sistema de iluminação, operando dentro de padrões de qualidade aceitáveis, inclui serviços que podem ser classificados como de rotina (reparos que podem ser programados) e os serviços de urgência. Estas duas subdivisões dos serviços devem-se à necessidade de melhor utilizar os recursos para cumprir os prazos de restabelecimento do serviço, mantendo a qualidade geral ao menor custo. Mas, para tal, é necessário criar uma grande estrutura englobando: pessoal operacional e técnico, materiais, ferramentas, depósitos e veículos, pessoal técnico e administrativo, sistemas computacionais, centrais de atendimento telefônico, escritórios para recebimento de reclamações da população e para despacho de serviços operacionais, recursos estes que têm seu dimensionamento diretamente dependente do porte do parque de iluminação e da vida útil da tecnologia aplicada.

O parque de iluminação da cidade de São Paulo é predominantemente composto por lâmpadas de descarga: 50% de lâmpadas a vapor de mercúrio, 49% a vapor de sódio e 1% de outras tecnologias (Concorrência, Edital Nº 02/SES/2011, Prefeitura de São Paulo – Secretaria Municipal de Serviços).

O atual contrato de manutenção da iluminação pública da cidade de São Paulo com uma prestadora desses serviços tem um custo aproximado 9,00 R$/ponto/mês (vapor de sódio) e 15,00 R$/ponto/mês (multivapores metálicos), como pode ser conferido por meio da análise dos seguintes documentos públicos: Termo de Contrato nº 66/SES/11 – PMSP e Edital de Licitação Nº 06/SES/11 – PMSP. Como São Paulo possui 505 mil unidades, a parcela do contrato referente à manutenção das unidades é superior a R$ 54 milhões anuais.

Porém, o atual contrato de instalação e manutenção da iluminação da Cidade Universitária Armando Salles de Oliveira (Cuaso), da Universidade de São Paulo (USP), na capital paulista, tem como preço para o serviço de manutenção por dez anos, para mais de 6.100 unidades Led, o valor de R$ 117 mil – R$ 0,23 ponto/mês para uma tecnologia requerida contratualmente com vida útil mínima de 60 mil horas.

O custo da manutenção do Led, portanto, é 39 vezes menor do que as das lâmpadas de descar

ga e essa diferença tende a aumentar ainda mais com os grandes avanços no aumento da vida útil. Caso a iluminação da capital paulista fosse totalmente a Led, seu custo de manutenção da iluminação pública seria de apenas R$ 1,4 milhão anuais.

Salienta-se que, no caso da Cuaso, as luminárias possuem sistema de monitoramento e supervisão à distância em tempo real, que possibilita operar as luminárias nas funções liga/desliga e a redução do fluxo luminoso (dimerização), o que permite manter o iluminamento mínimo necessário, promovendo um aumento na vida útil dos módulos Led e mantendo por muito mais tempo o iluminamento adequado mesmo com a progressiva depreciação do fluxo.

O monitoramento à distância tem como vantagem a detecção imediata de falhas, o que pode dispensar o uso de um call center e reduzir o contingente técnico/operacional.

A robustez e a resistência a impactos e vibrações do Led contribuem para aumentar a diferença de custos de manutenção. As lâmpadas de descarga apresentam muitas falhas prematuras, provocadas por impactos e vibrações no transporte e por vibrações provenientes dos postes, causadas pelo tráfego de veículos na pista e pelo vento.

Design de luminárias

As lâmpadas de descarga, com dimensões relativamente grandes e fluxo luminoso dirigido para todas as direções, não possibilitam grandes variações nos designs das luminárias; assim o design até então tem sido um aspecto desimportante e muito pouco valorizado.

As luminárias a LED têm grande versatilidade de design, uma vez que o sistema óptico é integrado a cada chip e também pelas reduzidas dimensões do módulo, possibilitando, sem prejuízo à qualidade da iluminação, compor diferentes modelos que podem se enquadrar em qualquer espaço urbano, possibilitando uma integração harmônica entre a arquitetura e o uso dos espaços urbanos.


Figura 8 – Exemplos de designs de luminárias.

Meio ambiente

A alta eficiência energética e as vantagens luminotécnicas das luminárias Led possibilitam reduzir significativamente a emissão de CO² para a atmosfera, tanto pelo menor consumo de energia elétrica, quanto pela redução dos serviços de manutenção e pela redução da fabricação de itens de reposição, devido à maior vida útil.

O Led não utiliza substâncias tóxicas como as lâmpadas de descarga, que utilizam mercúrio com alto poder poluidor do solo e água, prejudicando animais, plantas e peixes. O consumo de água ou alimentos contaminados por tal substância causa acúmulo irreversível desse metal no organismo, podendo causar doenças graves e incuráveis.

Aspectos econômicos

Foi realizado um estudo comparativo simplificado entre o investimento no projeto de modernização do sistema de iluminação pública viária, pedonal e de destaque da Cidade Universitária Armando Salles de Oliveira (Cuaso), com 100% de uso do Led, recentemente executado, e projetos hipotéticos utilizando a mesma infraestrutura (com lâmpadas de descarga). Chegou-se à conclusão de que o Led apresenta menor custo global (investimento inicial mais manutenção e consumo de energia), considerando: iluminação das vias, dos passeios e dos caminhos, diferença de luminárias e da infraestrutura em função da diferença entre a potência dos equipamentos, adotando-se dois projetos hipotéticos mantendo os mesmos níveis de iluminação, um com vapores multimetálicos e outro a vapor de sódio.

Tabela 1 – Comparativo entre tecnologias de fontes de luz para iluminação pública

A Tabela 1 apresenta um quadro simplificado dos resultados das comparações entre a tecnologia Led, a vapor de sódio de alta pressão e de multivapores metálicos, em que os pontos relativamente mais positivos estão destacados em verde claro, os relativamente menos positivos em vermelho e os intermediários em amarelo.

Uma visão geral da tabela propicia um entendimento claro da larga superioridade dos Leds, que só possuem um item menos positivo que as demais, o valor do investimento inicial de instalação. Porém, este item só pode ser considerado como menos positivo quando analisado isoladamente, pois, quando é considerado o custo global de instalação, operação e manutenção, o Led se torna mais atrativo que as lâmpadas a vapor de sódio no sexto e no quarto ano, em relação às de multivapores metálicos. O alto investimento inicial torna-se menos significativo no custo global, além de todas as vantagens da operação de menor custo e manutenção menos significativa.

Considerações finais

O Led se apresenta como sendo uma tecnologia muito superior às usuais em todos os aspectos. Porém, no início do seu aparecimento, os preços eram proibitivos para projetos de maior vulto e, por problemas de qualidade e durabilidade dos produtos oferecidos pelo mercado, reforçavam a cautela de técnicos quanto à sua aplicação em larga escala.

Inicialmente, a falta de normas técnicas dificultava a obtenção de um respaldo técnico que pudesse garantir o seu desempenho. Mas se apresentava como uma grande oportunidade para ser perdida, assim se iniciou um movimento internacional para normalização de parâmetros de qualidade para tais produtos.

Hoje é totalmente possível elaborar e executar projetos de altíssima qualidade, desde que as especificações do Led, drivers e luminárias sejam bem feitas.

Tabela 2 – Especificações técnicas mínimas para projetos e obras

*é necessário acompanhar a evolução da eficiência que ainda deve crescer rapidamente

Outros parâmetros devem ser especificados conforme as diretrizes do projeto luminotécnico: temperatura de cor, fluxo mínimo emitido pela luminária, curva luminotécnica das luminárias com classificações de distribuição longitudinal e transversal, exigindo-se dos fornecedores que as exigências da Tabela 2 sejam comprovadas por meio de relatórios de ensaios expedidos por laboratórios idôneos e acreditados pelo Inmetro, com garantia mínima de dez ano

s estendida a todos os itens fornecidos.


*Marco Antônio Aguillera é engenheiro eletricista e de segurança do trabalho e atua há 30 anos na área de distribuição de energia elétrica. É pós-graduado em lighting design pela Faculdade Belas Artes de São Paulo e consultor na área de energia elétrica e iluminação pública. 


 

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