efi. energetica.pdf

8/17/2019 Efi. Energetica.pdf

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSOFACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DEEDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICAUTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE

CASO

RODRIGO ESTEVES ASCURRA

BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador

Cuiabá – MTSetembro 2013


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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSOFACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DEEDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICAUTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE

CASO

RODRIGO ESTEVES ASCURRA

Dissertação apresentada junto ao Programade Pós-Graduação em Engenharia deEdificações e Ambiental da UniversidadeFederal de Mato Grosso, como requisito paraobtenção do título de Mestre.

BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador

Cuiabá – MT

Setembro 2013


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“Os três grandes fundamentos para se conseguir qualquer coisa são, primeiro,trabalho árduo; segundo, perseverança; terceiro, senso comum.”

Thomas A. Edison


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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 MatoGrosso.

Este trabalho apresenta a avaliação dos impactos resultantes da implantação deum projeto de eficiência elétrica em iluminação pública com a utilização de lâmpadasLED ( Ligth Emitting Diode). No escopo são estudados o comportamento da demanda edo consumo de energia elétrica, análise da viabilidade econômica e da relação custo

benefício, análise do impacto sobre a qualidade da energia e a realização dodesenvolvimento, por último, a validação experimental de um modelo computacional da

luminária utilizada nos estudos. O projeto implementado propiciou a substituição datecnologia existente na Iluminação Pública (IP) da via de tráfego central daUniversidade Federal de Mato Grosso - UFMT, dotada de 40 postes de 20 metros dealtura, luminárias de três pétalas com lâmpadas de vapor de sódio de 400 W, cada, porlâmpadas LEDs de 230 W. Desta forma, além da diminuição do consumo de energiaelétrica ativa e demanda de potência ativa, constatou-se também o alivio do sistema emhorário de ponta, tornando as instalações elétricas existentes mais eficientes. Por meioda metodologia de cálculo desenvolvida nesta pesquisa, demonstrou-se que o retorno doinvestimento em eficiência elétrica pode proporcionar a viabilidade técnica eeconômica, aferida por uma satisfatória relação custo benefício, mesmo com o customais 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: aeconomia com os custos de energia e a redução da necessidade de manutenção dosistema de iluminação pública. Aborda-se também, a melhoria da iluminação, aspectosambientais relacionados com a fabricação dos LEDs e o seu descarte. Conceitos sobre autilização da atual tecnologia em iluminação pública da UFMT é revisada e estudada deforma 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 dossistemas utilizados, observando-se, inclusive, os níveis de iluminância antes e após aadoção da tecnologia LED. O estudo também contempla a simulação com auxílio de

uma ferramenta computacional, que possibilitou a comparação do sistema deiluminação 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.


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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 deArquitetura, 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). Inscope are studied behavior of demand and electricity consumption, economic viabilityanalysis and cost benefit analysis of the impact on power quality and realization of thedevelopment, finally, the experimental validation of a computational model of theluminaire used in the studies. The project implemented enabled the replacement ofexisting 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, inaddition to lowering electric power consumption and demand of active power, it wasalso found relief of the system in peak hours, making the most efficient existingelectrical installations. Through the calculation methodology developed in this study, itwas shown that the return on investment in electrical efficiency can provide thetechnical and economic viability, as measured by a satisfactory cost-effective, even withthe higher cost of the LED lamp in relation to the lamp High Pressure Sodium (HPS). Inaddition, attention must be given to other aspects: the economy with energy costs andreducing the need for maintenance of public lighting system. It also discusses theimprovement of the lighting, environmental aspects related to the manufacture of LEDs

and their discard. Concepts on the use of current technology in lighting UFMT isreviewed and studied in order to compare the characteristics of existing luminaires andlamps with the proposed system. It is performed comparing the results of measurementsobtained in the laboratory with relation to the electricity consumption and demand ofactive power of the systems used, observing even the illuminance levels before and afterthe adoption of LED technology. The study also includes the simulation with the aid ofa computational tool that allows the comparison of the LED lighting system andrepresentation of the modeling circuit containing the basic components necessary for itsoperation.

Palavras-chave: LED, street lighting, electrical efficiency, energy efficiency, powerquality, economic viability, cost-effectiveness.


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III

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

AC: Alternating current (Corrente alternada)

ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica

ANSI: American National Standards Institute

CA: Certificado de Aprovação

CO2: Dióxido de carbono

CPF: Coordenação de Planejamento Físico

DC: Direct current (Corrente direta)

DTI: Distorção harmônica total da corrente

DTT: Distorção harmônica total da tensão

EE: Eficiência Elétrica

EPC: Equipamento de proteção coletiva

EPI: Equipamento de proteção individual

FD: Fator de deslocamento

FP: Fator de Potência

FRC: Fator de recuperação de capital

GND: Ground (Terra)

IEC: International Eletrotechnical Comission

IES: Illuminating Engineering Society

IESNA: Illuminating Engineering Society of North America

Im: Iluminância média

INMETRO: Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

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

IRC: Índice de reprodução de cores

LDO: Lei de diretrizes orçamentárias

LED: Light emitting diode (Diodo Emissor de Luz)

MME: Ministério de Minas e Energia

MVM: Multivapor metálicoNBR: Norma Brasileira


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IV

NEC: National Electrical Code

NR10: Norma regulamentadora 10 - Segurança em instalações e serviços em

eletricidade

PEE: Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de Distribuição de

Energia Elétrica

PROCEL RELUZ: Programa Nacional de Iluminação Pública e Sinalização

Semafórica Eficientes

PROCEL: Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

PROPLAN: Pró-Reitoria de Planejamento

QEE: Qualidade da Energia Elétrica

RCB: Relação custo benefício

SINAPI: Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil

SSL: Solid state lighting

Ta: Temperatura ambiente

Tc: Temperatura crítica

TC: Transformador de corrente

TCC: Temperatura de cor correlata

THD: Total harmonic distortion Distorção Harmônica Total)

Tj: Temperatura junção

UFMT: Universidade Federal de Mato Grosso

UFSM: Universidade Federal de Santa Maria

UV: ultravioleta

VM: Vapor de mercúrio

VSAP: Vapor de sódio de alta pressão


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V

LISTA DE FIGURAS

Figura 01 - Classificação das vias urbanas.....................................................................14

Figura 02 - Farol de Alexandria. ....................................................................................17Figura 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


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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. ................................................................................................72Figura 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


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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. .......................................................................80Figura 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 queforam realizadas as medições de iluminância..............................................84


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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...................................................94Figura 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.................97Figura 70 - Representação do funcionamento de um retificador de onda completa. .....98


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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

Figura 75 - Representação da simulação computacional do transformador, realizada via

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


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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


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XI

LISTA DE QUADROS

QUADRO 01: Classificação para tráfego de pedestres..................................................15

QUADRO 02: Classificação para tráfego motorizado. ..................................................15

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 06: Alternativas de substituição propostas. ..................................................27

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. ..............................102QUADRO 16: Valores utilizados para modelagem do Módulo IV – Filtro Capacitivo.

..............................................................................................................102


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XII

LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS

°C: Grau Celsius

A: Ampére, unidade de corrente elétrica

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)

TWh: Terawatthora, unidade de consumo de energia elétrica ativa

U: Fator de uniformidade da iluminância em um determinado plano

V: Volts, unidade de tensão elétricaVA: Volt Ampére, unidade de potência aparente

Wh/ano: Watthora por ano, unidade de consumo de energia elétrica ativa

Fluxo luminoso, radiação total emitida em todas as direções por uma fonte luminosa


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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........................................................................................118TABELA 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


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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


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XV

SUMÁRIO

RESUMO .......................................................................................................................... I

ABSTRACT .....................................................................................................................II

LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................III

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................V

LISTA DE QUADROS.................................................................................................. XI

LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS..........................................................................XII

LISTA DE TABELAS .................................................................................................XIII

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................1

1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DA PROBLEMÁTICA..............................................1

1.2. JUSTIFICATIVA..................................................................................................3

1.3. OBJETIVO GERAL..............................................................................................4

1.3.1. Objetivos Específicos ...........................................................................................4

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO..........................................................................5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................7

2.1. ILUMINAÇÃO PÚBLICA ...................................................................................7

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

2.1.4.1.Classificação da via pública (NBR 5101) ...........................................................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 EMILUMINAÇÃO PÚBLICA .................................................................................24

2.3.1. Eficiência e rendimento e lâmpadas comumente utilizadas em IP.....................27

2.4. TECNOLOGIA LED...........................................................................................28

2.4.1 Histórico sobre o LED........................................................................................29

2.4.2. Diodos emissores de luz .....................................................................................31

2.5. A POLUIÇÃO AMBIENTAL E EMISSÃO DE RAIOS ULTRAVIOLETAS.32

2.6. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA NOBRASIL...............................................................................................................34


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XVI

3. ASPECTOS CONCEITUAIS SOBRE A QUALIDADE DA ENERGIA

ELÉTRICA (QEE) E AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA.37

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

3.2.3. Considerações adicionais....................................................................................48

4. PROJETO DE EFICIÊNCIA ELÉTRICA NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA

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

4.1.4. Procedimentos administrativos internos à UFMT..............................................54

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

4.4. DETERMINAÇÃO DO NÍVEL DE ILUMINAMENTO POR MEIO DESIMULAÇÃO .....................................................................................................64

4.4.1. Escolha da luminária LED..................................................................................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 dasluminárias LED ..................................................................................................74


22/180

XVII

4.6.3. Montagem e instalação da luminária LED.........................................................77

4.6.4. Sinalização e segurança......................................................................................80

4.7. MEDIÇÃO DE ILUMINÂNCIA........................................................................81

5. RESULTADOS..................................................................................................89

5.1. MONTAGEM EXPERIMENTAL......................................................................89

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

5.2.1.3 Módulo III: Circuito Retificador .........................................................................97

5.2.1.4 Módulo IV: Filtro Capacitivo ..............................................................................98

5.2.1.5 Módulo V - Placa de LEDs .................................................................................99

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

5.3.1. Dados e especificações técnicas .......................................................................113

5.3.2. Resultados.........................................................................................................114

5.4. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA E CÁLCULO DE RELAÇÃO

CUSTO BENEFÍCIO DO PROJETO PROPOSTO..........................................120

5.4.1 Estudo de Viabilidade Econômica....................................................................123

5.4.2. Cálculo de Relação de Custo Benefício (RCB)................................................132

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.........................................1365.4.2.5 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

5.4.2.9 Considerações Adicionais .................................................................................142

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS..........................................................................144

6.1. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ..............................................1487. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS.............................................................149


23/180

XVIII


24/180

1

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 consolidoua 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 eficiênciaenergética em unidades consumidoras beneficiadas pela tarifa social, (MME, 2010).


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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.


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3

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 desempenholuminotécnico 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 vezescalamitosas como foi à experiência pela qual o Brasil passou em 2001. Sendo assim, é


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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.

1.3.1. Objetivos Específicos

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.


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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 novosistema) 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.


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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.


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2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

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 detransportes 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;


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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 decarga, 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 dahumanidade como indispensável para as atividades realizadas no período noturno e


32/180

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).


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10

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:

1) Sobredimensionamento (iluminação em excesso);

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


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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


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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:

1) IESNA – Illuminating Engineering Society of North America;

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 dimensionamentodo projeto terá esta norma como referência para os valores de iluminância do sistema


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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;

b) classe B (vias de ligação);

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.


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Figura 1 - Classificação das vias urbanas.

Fonte: (ABNT, 2012).


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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 MOTORIZADOSem (S) Como nas vias de classe A1Leve (L) Como nas vias residenciais médias

Médio (M) Como nas vias comerciais secundáriasIntenso (I) Como nas vias comerciais principais


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.

CLASSIFICAÇÃOVOLUME DE TRÁFEGO NOTURNO(A) DE VEÍCULOS POR HORA, EM

AMBOS OS SENTIDOS(B), EM PISTA ÚNICA

Leve (L) 150 a 500Médio (M) 501 a 1200Intenso (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 exigênciasmínimas do grupo leve e, para vias com tráfego muito intenso, superior a 2400 veículos por hora, devemser consideradas as exigências máximas do grupo de tráfego intenso.


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.

QUADRO 3: Vias Normais (C2).

VEÍCULOL M

CLASSIFICAÇÃO DOTRÁFEGO

Eméd.min. (lux) Umin. Eméd.min. (lux) Umin. L 2 5M 5 8PedestresI 8

0,210

0,2



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QUADRO 4: Vias Secundárias (C3).

VEÍCULOL M

CLASSIFICAÇÃO DOTRÁFEGO

Eméd.min. (lux) Umin. Eméd.min. (lux) Umin. L 2 2

PedestresM 4

0,255

0,2


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 naárea. 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 trouxeramgrandes 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.


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Figura 2 - Farol de Alexandria.

Fonte: (RODRIGUES, 2009).

Inicialmente, as primeiras lâmpadas elétricas inventadas foram às chamadas

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 inventoringlês, considerado o criador da primeira Lâmpadade Arco Voltaico.

Figura 4 - Exemplo de lâmpada a arco voltaico.

Fonte: (WIKIENERGIA, 2012). Fonte: (ESCRITA(S), 2012).


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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).

Figura 6 - Modelo de luminária equipada com lâmpada incandescente.

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 aslâmpadas 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. O funcionamento consiste na emissão

de elétrons pelo reator com a finalidade de se chocaram com os átomos de

mercúrio localizados dentro do tubo de descarga. O mercúrio torna-se capaz

de emitir raios ultravioletas que atravessam o bulbo, produzindo a luz visível

(ANDRADE, 2007).

As lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão e de multivapores metálicossurgiram, respectivamente, por volta de 1955 e 1964. A partir daí, muitos avanços

foram observados em relação às lâmpadas de descarga em alta pressão. Hoje em dia,

estas lâmpadas são as mais utilizadas em iluminação pública em todo o mundo, devido

ao grande fluxo luminoso emitido e à longa vida útil. A lâmpada de vapor de sódio é

composta de um tubo de descarga de cerâmica com sódio, onde a partida é dada por

meio de um reator e um ignitor que faz elevar a tensão. Nas décadas de 60 e 70 este tipo

de lâmpada era considerado a solução mundial para a iluminação urbana. Hoje em dia,os sistemas de iluminação pública utilizam principalmente lâmpadas de descarga de alta

intensidade.

2.2 CONCEITOS BÁSICOS REFERENTES À ILUMINAÇÃO

Este item refere-se a aspectos que qualificam a luz e através dos quais é possível

quantificá-la. Para que a interação entre estes elementos seja entendida e explorada, sãoapresentados fundamentos básicos e conceitos relacionados às superfícies, à luz natural


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e à luz artificial, de modo a incorporar requisitos mínimos para que os usuários tenham

conforto e o projeto seja energeticamente eficiente.

A luz é expressa através de conceitos e grandezas. Neste item são descritos os

conceitos necessários para a compreensão dos dados e tabelas utilizadas para

caracterização das tecnologias empregadas na iluminação pública e alguns conceitos

fundamentais para a compreensão dos fenômenos relacionados à iluminação. Segundo

Tavares (2007), para realização de um projeto de iluminação eficiente, é fundamental a

compreensão dos seguintes conceitos e grandezas:

1) Fluxo luminoso (φ): é a quantidade total de luz emitida por uma fonte. Este

fluxo é medido em lúmens (lm). Durante a utilização das fontes luminosas

ao longo da sua vida útil as lâmpadas sofrem redução do seu fluxo luminoso,

esta depreciação é causada pela degradação de seus materiais construtivos. A

Figura 7 mostra a depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas em relação

ao tempo de operação, pode-se observar que as lâmpadas LED e a vapor de

sódio de alta pressão, alvo de comparação deste trabalho, mantêm o fluxo

luminoso acima de 80% do valor inicial após 20.000 h de utilização. Quanto

menor a depreciação do fluxo luminoso da lâmpada maior será sua vida útil

em horas, reduzindo a manutenção do sistema de iluminação.

Figura 7 - Depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas.

Fonte: (SALES, 2011).

2) Intensidade luminosa (I): expressa em candelas (cd), é a intensidade do

fluxo luminoso projetado em uma determinada direção.


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3) Iluminância (E): é o fluxo luminoso que incide sobre uma superfície, situada

a uma certa distância da fonte, por unidade de área. No SI a unidade de

medida para iluminância é lumen/m² ou lux (lx).

4) Luminância (L): medida em candelas por metro quadrado (cd/m²), é a

intensidade luminosa produzida ou refletida por uma superfície aparente. A

luminância pode ser considerada como a medida física do brilho de uma

efi. energetica.pdf

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