Iluminação com eficiência energética

dez, 2014

Edição 106 – Novembro de 2014
Por Daniel Apolônio, Roberto Apolônio e José Antônio Lambert*

Trabalho propõe a substituição do sistema instalado por outro que seja dimerizável automaticamente por meio do aproveitamento da iluminação natural.

O perfil de consumo de prédios públicos demonstra que 24% de toda energia consumida pela edificação é utilizada para a iluminação, 48% com condicionadores de ar, equipamentos de escritório aparecem com 15% e elevadores e bombas com 13% (Magalhães, 2001). Esses dados permitem concluir que os sistemas de iluminação podem assumir parcela significativa nas ações que acarretem o uso racional da energia elétrica.

As edificações, quando concebidas em projeto, podem ser pensadas de forma a obter maior eficiência energética por meio do uso de equipamentos com tecnologias avançadas, alterações em características construtivas da edificação, proteções solares, aberturas para ventilação, entre outros. Depois de construídas, as alterações físicas se tornam mais complicadas, porém manutenções periódicas nos equipamentos, alterações de hábitos ou rotinas dos trabalhadores, ou algumas reformas restritas ainda podem trazer benefícios de qualidade, eficiência energética e econômica à instituição pública.

Em geral, o sistema de iluminação é projetado para a pior situação, ou seja, normalmente para períodos noturnos. Por outro lado, durante o dia (quando há iluminação natural) acabam por permanecer ligados por falta de aberturas com o exterior ou por descuido dos usuários. O aproveitamento da iluminação natural em uma edificação influencia na qualidade da luz, comunicação com o exterior, conservação de energia, entre outros benefícios.

Com o avanço tecnológico, equipamentos eletrônicos foram introduzidos no mercado de iluminação e os projetos luminotécnicos puderam evoluir para melhor atender aos requisitos de iluminação de um ambiente e redução do consumo de energia elétrica.

Dentre tais equipamentos, o dimmer eletrônico, equipamento que permite variar o fluxo luminoso da lâmpada, constituído basicamente por componentes eletrônicos, é capaz de variar o fluxo luminoso, permitindo que o usuário ajuste o nível de iluminação mais agradável para determinada ocasião, ou que esse nível se ajuste automaticamente em função da contribuição da iluminação natural.

Nesse contexto, esse trabalho visa avaliar o sistema de iliminação artificial instalado em uma sala de trabalho, de acordo com a NBR 5382/1985 e NBR 5413/1992 da ABNT, bem como avaliar o aproveitamento e associação da iluminação natural na otimização da iluminância local, por meio de um sistema dimerizável, visando maior eficiência energética, qualidade da iluminação, consumo de energia e impacto na qualidade da energia elétrica na instalação.

Sistema de iluminação existente 

O ambiente no qual se realizou o estudo fica no primeiro pavimento da edificação, possui laje em concreto, paredes em alvenaria revestida e pintada na cor azul acrílico, divisórias em PVC branco, piso cerâmico e janelas em vidro transparente. As Figuras 1 e 2 apresentam o recinto e o sistema de iluminação existente.

O ambiente possui quatro luminárias distribuídas de maneira não uniforme, sendo que duas luminárias se encontram presas na viga de concreto, a uma altura de 2,96 m de altura e as outras duas na laje, a 3,34 m de altura. Além disso, elas se encontram mal distribuídas, deslocadas do centro do ambiente, como se observa na planta baixa. Este sistema denominar-se-á sistema 1. As quatro luminárias são ligadas por um interruptor simples situado fora do ambiente. As características dos aparelhos existentes são:

– Luminárias do tipo comercial, com duas lâmpadas fluorescentes tubulares de 32 W, fluxo luminoso de 2.115

lúmens/lâmpada e temperatura de cor de 6.500 K, vida útil de 8.000 h (Figura 3).

– Os reatores utilizados são do tipo eletrônico, para duas lâmpadas de 32 W/220 V. Possuem fator de fluxo luminoso igual a 0,95 e fator de potência de 0,98 c. A potência total de cada unidade quando ligado em 220 V é de 62 W.

Avaliação do sistema de iluminação

O registro das grandezas elétricas foi realizado apenas para a luminária mais próxima às janelas. As grandezas elétricas foram coletas durante alguns dias, no intuito de se definir um dia padrão que representasse os dados de tensão, fator de potência, corrente, consumo, demanda e qualidade da energia do sistema de iluminação existente e do sistema de iluminação implementado. As medições ocorreram no mês de outubro, em dias mais longos, ou seja, dias nos quais há iluminação natural por maior tempo.

A medição da iluminância, como forma de analisar o potencial de retrofitting da sala e sua adequação ao ambiente de trabalho, com a iluminação oriunda apenas da iluminação artificial, foi efetuada por meio de um luxímetro digital. As medições foram feitas durante o período noturno para obter a parcela de iluminação máxima advinda das luminárias.

O registro da iluminância foi efetuado  pelo medidor HOBO, que armazena os dados da iluminância na memória para que se possa comparar a iluminação do ponto definido durante todo o período de medição definido.

Estratégias para reduzir demanda e consumo

A utilização do recinto de trabalho se dá predominantemente no período diurno, normalmente das

7h30 às 11h30 e das 13h30 às 17h30. O ambiente de trabalho é usado durante a noite, porém, não com tanta frequência como ao longo do dia.

Para reduzir o consumo foram elencadas diversas medidas, que podem ser divididas em ações a serem executadas (caso da substituição da luminária) ou também calculadas (caso de suposição de uso) para as interferências no sistema de ilumina&

ccedil;ão.

Divisão das luminárias em circuitos separados

O ambiente é ocupado por duas pessoas e cada uma possui sua mesa de trabalho, conforme se verifica na Figura 2. Assim, toda a iluminação não precisa ser ligada ao mesmo tempo. Quanto à iluminação natural existente na sala, ela é proveniente das janelas (Figura 1) e incide mais diretamente sobre a mesa próxima dessas janelas. Deste modo, a utilização de controles separados das luminárias pode permitir o desligamento das lâmpadas nos períodos que a radiação solar se mostrar suficiente para suprir as necessidades de iluminamento do plano de trabalho, reduzindo assim o consumo de energia. Segundo o Regulamento Técnico de Qualidade do Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C) para ambientes iluminados naturalmente, sugere a separação do circuito de iluminação para as luminárias próximas às janelas, corroborando com uma das ações escolhidas para ser executada nesse estudo.

Novo projeto luminotécnico

A eficiência energética do sistema de iluminação só se torna correta se forem garantidas as condições de iluminação adequadas definidas pela norma ABNT NBR 5413. Desse modo, foi realizada uma avaliação da iluminância do sistema de iluminação em uso, sendo que o novo projeto luminotécnico procura atender as indicações da ABNT NBR 5413, com economia de energia elétrica.

Medição da iluminância

Não foi possível obter a média da iluminância de acordo com os procedimentos descritos na norma ABNT NBR 5382 devido à distribuição irregular da posição das luminárias no ambiente o que acarretaria em resultados não condizentes à formulação apresentada na referida norma.

Para esse estudo considerou-se que a iluminação deve atender às iluminância definidas pela norma sobre o plano de trabalho e em função da atividade executada no local. Assim, mediu-se a iluminação sobre a mesa, no plano de trabalho, como sendo o valor mais importante a ser atendido.

A iluminância medida sobre diversos pontos da mesa medidos a altura de 0,75 m do piso do sistema antigo, estavam próximas de 257 lux. Essa medição demonstrou o potencial de retrofitting da sala com a adequação da iluminação aos níveis exigidos por norma.

Foi definido um ponto para medição para que se pudesse instalar o registrador Hobo e gravar os valores de iluminância ao longo do dia. O local escolhido para instalação foi o centro da mesa (Figura 4), no qual é desenvolvida a maior parte das atividades.

Sistema de iluminação proposto

O sistema de iluminação proposto tem por base garantir os níveis mínimos de iluminância descritos na ABNT NBR 5413. A escolha recaiu no valor de 300 lx, de acordo com a atividade e após aplicação dos fatores determinantes da iluminância adequada: idade do observador, velocidade e precisão e refletância do fundo da tarefa.

O sistema proposto consiste de um sistema de iluminação com luminárias, reatores e lâmpadas de maior rendimento e com maior vida útil. Além disso, considerou-se relevante o aproveitamento da iluminação natural por um sistema automatizado de controle com o uso de reatores dimerizáveis. Após a análise das opções de mercado, concluiu-se que o novo sistema de iluminação pode ser composto por:

– Luminária de sobrepor para quatro lâmpadas T5 de 14 W. A luminária é feita em chapa de aço fosfotizada e refletor parabólico em alumínio com 99,85% de pureza. Possui aletas parabólicas em alumínio anodizado com 99,85% de pureza. É de alta tecnologia, côncava na parte superior e inferior e selada na parte superior. Como diferencial, temos a curva fotométrica aberta tipo batwing. A Figura 5 mostra uma luminária escolhida para uso no retrofitting e a curva fotométrica.

– Reator do tipo eletrônico, 220 V, para 4 lâmpadas T5 de 14 W, fator de fluxo luminoso igual a 1, fator de potência de 0,97 a 0,99 e THD de acordo com a norma EN 6.100-3-2.

– Lâmpadas T5HE 14 W com temperatura da cor igual a 4.000 K, fluxo luminoso de 1.350 lm, eficiência de 96 lumens/W, comprimento de 549 mm e diâmetro equivalente a 16 mm.

– Minissensor de luz para readaptação, instalação tipo clip- on para lâmpadas T5. (Figura 6).

A disposição das luminárias baseou-se no layout dos móveis existentes no ambiente e deve ser reanalisado para outras configurações. A Figura 7 representa o layout em planta baixa do sistema proposto, sendo que a luminária mais próxima da janela possui reator dimerizável.

Sistema de iluminação implementado

Para facilitar a execução do projeto optou-se em instalar somente uma luminária dimerizável próximo as janelas, já que a mesma recebe maior influência da iluminação natural, enquanto sobre a outra mesa de trabalho ainda permaneceram as duas luminárias com duas lâmpadas de 32 W cada. A luminária escolhida é a ilustrada na Figura 5 e o sistema implementado está caracterizado pela Figura 8.

Análise dos resultados

Iluminância e demanda

1) Iluminância ao longo do dia sem utilização de iluminação artificial

A iluminância sobre a mesa foi registrada por diversos dias, dentre os quais dias chuvosos e dias ensolarados. Escolheu-se assim um dia ensolarado típico para a verificação da contribuição da iluminação natural no plano de trabalho da mesa mais próxima das janelas.

A Figura 9 mostra a curva de iluminância ao longo do dia, para o qual a iluminância atingiu valores máximos em torno de 400 lux nos horários da manhã, entre 8h00 e 9h00.

Perceb

e-se que a iluminância permanece acima de 300 lux durante parte do período matutino, não sendo, portanto, necessário a utilização de iluminação artificial. Após o pico de iluminância, que ocorre entre 8h00 e 9h00, justificado pelo posicionamento das janelas, registra-se um decréscimo contínuo da mesma sendo que a partir das 12h00 há a necessidade de se utilizar da iluminação artificial. O nível de iluminância a partir das 10h30 já está bastante próximo ao limite estabelecido pela norma.

É importante frisar que, ao adotar o horário de verão, a curva do gráfico é deslocada em uma hora para a direita, ou seja, há maior aproveitamento da iluminação natural, principalmente no final do período vespertino, reduzindo-se, nesse caso, o consumo de energia elétrica pela menor necessidade de iluminação artificial.

Deve-se enfatizar também que a iluminância no ponto escolhido irá variar ao longo do ano e em função do movimento aparente do sol.

2) Iluminância e demanda ao longo do dia utilizando iluminação artificial do sistema 1

O sistema 1 possui apenas um interruptor e nenhum controle de fluxo luminoso das lâmpadas próximas às janelas, e faz uso somente da iluminação artificial durante todo o período de trabalho. A iluminância do sistema 1 encontra-se abaixo da iluminância requerida nos períodos sem contribuição da iluminação natural (medindo aproximadamente 280 lux no ponto definido), ou seja, insuficiente para períodos noturnos de trabalho pela norma. Nos períodos com contribuição da iluminação natural, a iluminância no plano de trabalho fica superdimensionada, atingindo níveis máximos próximos a 720 lux e média acima de 400 lux.

As potências ao longo do dia da luminária estão representadas na Figura 10 (linha tracejada) sendo que a pequena variação dessa potência se dá devido à variação da tensão da rede no ponto de alimentação, sendo que a demanda média é de 62 W.

Supondo a divisão dos comandos das luminárias, poder-se-ia aplicar a utilização da iluminação artificial apenas nos períodos em que a iluminação natural não fosse suficiente. Segundo os gráficos apresentados anteriormente, a partir das 12h00 seria o ponto de utilização da iluminação artificial. Porém, como nem todos os dias os níveis de iluminação são iguais ao proposto, recomenda-se a utilização a partir das 10h30 para garantir a iluminância. Deste modo, poderia haver uma redução na utilização da iluminação artificial em 3h durante a manhã como demonstra a Figura 11.

A ligação da luminária pode ser feita  por um sistema automatizado como um temporizador horário. Poderia ser configurado para não permitir a ligação da lâmpada no horário proposto. Porém, para dias muito chuvosos, ou com baixa luminosidade, o programador tem de ser de fácil acesso ao usuário para alteração.

Outra solução para a utilização desse sistema seria a de um usuário ativo, que, ao perceber desconforto visual, acionasse o interruptor ligando a lâmpada. Para facilitar essa ação, poderia ser instalado um interruptor paralelo próximo à mesa, de fácil alcance do usuário.

3) Iluminância e potência ao longo do dia utilizando iluminação artificial e natural do sistema 2

Utilizando-se o sistema de dimerização automática das lâmpadas fluorescentes tubulares constatou-se uma grande redução no consumo de energia elétrica, com os níveis de iluminância superiores ao exigidos pela norma. As lâmpadas permaneceram ligadas durante o dia todo e por isso o gráfico apresenta iluminância média superior a 300 lux no início e no final do dia, conforme a Figura 12. Percebe- se uma redução da potência da luminária pela manhã, onde há grande incidência de iluminação natural. A potência se mantém aproximadamente constante em 20 W quando a iluminação natural é suficiente para promover o nível de iluminância requerido/ajustado. O aumento da potência ocorre a partir das 10h30 para esse dia de medição, momento em que a iluminação natural fica abaixo da iluminância ajustada no minissensor.

Dessa forma pode-se aproveitar a iluminação natural de forma racional e automática, não necessitando de interferência do usuário no controle da mesma. Além disso, se o usuário tiver interesse em aumentar a iluminância, não se mostrando confortável com os 300 lux definidos, ele pode regular o sensor de forma a obter uma maior contribuição possível da luminária. A partir de medições realizadas durante o período noturno obteve-se uma iluminância máxima de 350 lux no plano de trabalho. Nessa configuração, os 300 lux já não são suficientes para sensibilizar o dimmer, assim, o consumo será maior, porém se trata de uma questão de qualidade visual e preferência do usuário.

A substituição de equipamentos elétricos por equipamentos mais eficientes, de menor potência, ou no caso específico, a adequação do sistema de iluminação e uso de luminárias de melhor rendimento, traz de imediato a redução da demanda. Dessa forma, há a possibilidade de redução da demanda contratada.

A demanda média medida para a luminária com duas lâmpadas de 32 W e reator eletrônico ao longo de um dia foi de aproximadamente 62 W. Utilizando o dimmer ajustado para 300 lux encontrou-se uma potência bastante variável no tempo, sendo que, para a luminária próxima as janelas, a demanda nos períodos da manhã é de aproximadamente 20,8 W e durante a tarde aumenta em função da redução da iluminação natural, atingindo até 59 W. Portanto, uma redução de aproximadamente 66,45% durante a manhã e 4,84% no fim de tarde e durante a noite em relação ao sistema 1.

A demanda registrada cobrada pela concessionária é relativa ao maior consumo energético em 15 minutos,
ou seja, pode ser registrado tanto de manhã, como à tarde ou à noite, durante todo o mês. A redução da demanda ao se trocar as luminárias é constante, porém, quando se usa o dimmer, a potência demandada varia ao longo do tempo não garantindo que haverá efetiva redução de demanda. Pode-se afirmar apenas que com o dimmer a redução de 4,84% é garantida e possível de ser contabilizada.

Comparando a demanda dos dois sistemas medidos, tem-se quatro luminárias 2×32 W totalizando 248 W do sistema antigo e duas luminárias 2×32 W mais uma luminária dimerizável, totalizando 183 W, que consiste em uma redução de demanda para esse caso de 25,21 %.

A unidade consumidora se enquadra no subgrupo A4 na tarifa verde, o que representa, segundo a concessionária local, a cobrança de um valor de demanda de 12,56 R$/kW. Considerando que fosse possível a pequena mudança de 65 W na demanda contratada, poderíamos reduzir em R$ 0,81 + impostos a conta de energia por mês. Deve-se pensar que existem diversos outros recintos na mesma situação, com janelas e iluminação natural, o que leva a pensar em uma redução significativa na demanda contratada para toda a edificação pública.

Redução de consumo 

Além da redução da demanda houve principalmente redução no consumo. A maior redução de consumo deu-se pela troca das luminárias e foi de aproximadamente 70,23%. Conforme mostrado na Tabela I, o sistema antigo provou ser ineficiente com grande desperdício de energia, não aproveitando a iluminação natural. O sistema novo implementado com a luminária dimerizada obteve grande redução de consumo de energia elétrica.

A unidade consumidora está enquadrada no subgrupo A4 sob tarifação horo-sazonal verde e esta tarifação possui consumo na ponta e fora de ponta, no período seco e úmido. Não foi considerada utilização no horário de ponta, somente das 7h30 às 11h30 e das 13h30 às 17h30, e as medições foram feitas no período seco, no mês de outubro. Como resultado aproximado, para se ter uma noção da redução de consumo anual, multiplicou-se a redução diária pelo número de dias do ano em que o sistema permanece em uso, no caso, cinco dias por semana, excluindo dois meses relativos ao recesso de atividades.

A Tabela II resume a economia em R$/mês devido à redução do consumo em cada etapa considerada.

Quando se compara a redução de consumo em kWh com a redução em R$, percebe-se que esta é equivalente e linear. Isso acontece pois não foi considerado consumo no horário de ponta.

Durante o período de verão, além de o dia ser mais longo há a alteração do horário, adianta-se uma hora aproveitando mais a iluminação natural no início do período matutino e no final do período vespertino. Isso pode ser observado na Figura 12, na qual a partir das 6h30 já existe grande contribuição da iluminação natural, e deslocando-se a curva em uma hora, significa dizer que uso da iluminação artificial ocorrerá 1h mais tarde, resultando em mais economia.

É grande a economia de energia resultante do uso do reator “dimerizável”, porém pode-se perceber que um usuário bastante consciente, consegue também uma redução significativa ao ligar e desligar as lâmpadas de acordo com sua real necessidade.

Distorções na corrente – harmônicas 

As distorções harmônicas aparecem devido a componentes elétricos não lineares e causam a alteração do sinal de tensão ou corrente. Podem causar problemas em equipamentos elétricos podendo até danificá-los. Dessa forma, o controle das harmônicas do sistema de iluminação é fundamental para a qualidade da energia no barramento.

As DHTi dos dois sistemas de iluminação estão mostradas nas tabelas III e IV.

Ao comparar as harmônicas dos sistemas 1 e 2 observa-se que o sistema 1 possui valores de DHTi maiores que o sistema 2. A única exceção ocorre para 11ª harmônica de corrente e potência da carga de 24,7%. Isso demonstra uma melhoria na qualidade da energia após a troca do sistema de iluminação, principalmente pela melhor qualidade (menor distorção) provocada pelo reator “dimerizável”.

Com relação ao sistema 2, há uma variação da distorção de acordo com a potência requerida pelas lâmpadas, sendo que quanto menor a potência maior a distorção registrada. Ainda assim os valores totais de DHTi se encontram bastante abaixo do estipulado por norma demonstrando qualidade dos equipamentos no que tange a qualidade de energia. Em ambos os casos, as componentes 3, 5 e 11 são predominantes.

Com relação à tensão, registraram-se valores de DHTv de aproximadamente 2,5% para o sistema 1 e de 1,2% para o sistema 2, demonstrando influência da corrente distorcida na tensão do barramento. Ambas as tensões, porém, encontram- se dentro dos 10% de distorção de tensão admitidos pela norma.

Conclusões

Apresentou-se nesse artigo uma sequência de ações objetivando a adequação da qualidade da iluminação, o uso racional da energia elétrica, a redução do consumo e da fatura de energia em um sistema de iluminação que atende a um ambiente de trabalho de uma instituição pública.

A utilização de sistemas automáticos que aproveitam a iluminação natural não é tão difundida hoje em dia, porém, quando utilizados, agregam, tecnologia e eficiência à instalação. O sistema proposto, aproveitando-se da iluminação natural, trouxe benefícios ao usuário, adequando o nível de iluminação às suas necessidades e à unidade consumidora ao economizar energia elétrica.

O reator dimerizável utilizado mostrou provocar menos distorções harmônicas de corrente que o reator do sistema 1. A distorção de tensão induzida também foi maior no sistema
1, ambos, porém, dentro dos máximos estipulados por norma.

 


Referências bibliográficas

  • ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. “NBR 5413: Iluminância de Interiores”, 1992.
  • ABNT – ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. “NBR 5482: Verificação de iluminância de interiores”, 1985.
  • Apolonio, Daniel Moussalem; Apolonio, Roberto; Kawaphara, Mário Kiyoshi. (2011). “Adequação da iluminância e automatização: impactos na demanda e consumo de energia elétrica”.
  • Magalhães, L. C. – Eletrobrás/PROCEL. (2001). “Orientações Gerais Para Conservação de Energia Em Prédios Públicos”, 1 ª Edição.

*Daniel Moussalem Apolonio é engenheiro eletricista e mestre em engenharia elétrica pela Universidade Federal do Mato Grosso (UFMT). 

José Antônio Lambert é mestre e doutor em Engenharia Elétrica. Atualmente, é Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMT.

Roberto Apolônio é graduado em Engenharia Elétrica e Economia, mestre e doutor em engenharia elétrica. É Professor Associado do Departamento de Engenharia Elétrica da UFMT.


 

 

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