O estudo até agora realizado sobre as tecnologias de iluminação centrou-se principalmente nas características técnicas das fontes de luz, especialmente em termos da sua constituição e das propriedades da luz emitida. No entanto, um projecto luminotécnico engloba bem mais do que isso. Para além da escolha dos tipos de iluminação, há que fazer o cálculo luminotécnico
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Estima-se a existência em toda a Europa de cerca de 100000 luminárias a gás funcionando com um rendimento luminoso de 2lm/w aproximadamente [25].
verificativo das grandezas, a nível principalmente de iluminância no plano de interesse, uniformidade de luminâncias, encandeamento e distribuição adequada do fluxo luminoso. Também importante é o estudo económico das soluções encontradas, pois é este, em última análise, que determina a viabilidade da sua aplicação na óptica do cliente comparador do produto final.
Pretende-se então agora avaliar de um ponto de vista não meramente técnico, nem dos aspectos específicos das aplicações, mas antes com recurso aos critérios de eficiência energética e potencial de poupança económica mais relevantes para o utilizador, que em última instância é quem decide sobre a aplicação prática da tecnologia. Há por isso que proceder à escolha de indicadores relevantes, que possam ser considerados independentemente das aplicações concretas, e que forneçam ao agente responsável pela escolha de uma tecnologia de iluminação os dados concretos e objectivos que reflictam as suas prioridades e permitam facilitar o processo de decisão.
O custo da iluminação é possivelmente o critério mais importante do ponto de vista do decisor na escolha de uma tecnologia, já que se confrontado com duas soluções distintas que satisfaçam as suas necessidades, a sua opção vai naturalmente recair naquela que acarretar menores custos.
Na figura seguinte é possível verificar a evolução do custo da iluminação ao longo dos anos [27].
Figura 5.1 – Evolução do custo da luz [27].
Os valores apresentados nesta figura representam o custo, em termos unicamente da energia necessário, por fluxo luminoso emitido e por tempo de funcionamento através de diferentes tecnologias de iluminação desde 1800 até 1992. É um valor em cêntimos de dólar por lúmen hora convertidos para os preços de 1992. Esta figura serve para ilustrar a forma como o desenvolvimento tecnológico permite disponibilizar um bem, neste caso a iluminação, com um custo menor à medida que esse desenvolvimento vai acontecendo. Cada ponto do traçado corresponde portanto a uma tecnologia tida como a mais eficiente, ou seja com um menor custo, para a época em questão. Assim, os primeiros pontos correspondem às tecnologias mais antigas
como a vela, lâmpada a óleo, lâmpada a gás, etc. A partir de 1883 referem à lâmpada eléctrica [27].
Da análise do gráfico verifica
progressivo deste custo, particularmente
certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo dois deste trabalho, como a lâmpada de incandescência com fila
do século e as tecnologias baseadas na descarga eléctrica em gases es
do século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminu
mais acentuada. Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um aumento da utilização da tecnologia de base
Na figura 5.2 mostram-se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes tecnologias actuais.
Figura
É importante verificar que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de efic
Pelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro próximo. Deste modo percebe
possam ter, e que já foram em boa parte referidas, o aumento generalizado da sua gama de aplicações é directamente dependente da diminuição do seu custo.
O custo da iluminação é portanto muito importante para a avaliação das tecnologia equipamentos concretos a usar. O
técnicos são tidos em consideração na quantificação desse custo importância excessiva ao valor de compra dos equipamentos
O custo da luz é uma definição aceite na indústria da iluminação que é apre seguinte equação [26]. !"#$ %& '!( )*+,-. · /01*.23 Incandescentes Halogéneo Fluorescentes VMAP VSAP VSBP
como a vela, lâmpada a óleo, lâmpada a gás, etc. A partir de 1883 os pontos do traçado à lâmpada eléctrica [27].
Da análise do gráfico verifica-se que a tendência principal é notoriamente de decréscimo particularmente ao longo de todo o século vinte.
certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo como a lâmpada de incandescência com filamento de tungsténio no início século e as tecnologias baseadas na descarga eléctrica em gases especialmente na parte final século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminu
Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um aumento da utilização da tecnologia de base causadora dessa diminuição.
se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes
5.2 – Rendimentos Luminosos para várias fontes de luz.
que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de efic
Pelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro próximo. Deste modo percebe-se que, independentemente de outras virtudes técnicas que e que já foram em boa parte referidas, o aumento generalizado da sua gama de aplicações é directamente dependente da diminuição do seu custo.
custo da iluminação é portanto muito importante para a avaliação das tecnologia
equipamentos concretos a usar. O que acontece frequentemente é que nem todos os parâmetros eração na quantificação desse custo, sendo aliás
valor de compra dos equipamentos.
custo da luz é uma definição aceite na indústria da iluminação que é apre
/01*.23 4 )â+6471*.23 +ã3 4, 39:2,+63 4, ;4 < = >$#ê@AB& · A!"#$ %& 0 25 50 75 100 125 150 175 200 Incandescentes Halogéneo Fluorescentes VMAP VSAP VSBP Led Rendimento luminoso (lm/W) os pontos do traçado já se tendência principal é notoriamente de decréscimo ao longo de todo o século vinte. Tal facto estará certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo mento de tungsténio no início pecialmente na parte final século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminuição do custo é Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes
que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de eficácia energética. Pelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro irtudes técnicas que e que já foram em boa parte referidas, o aumento generalizado da sua gama de custo da iluminação é portanto muito importante para a avaliação das tecnologias e dos que acontece frequentemente é que nem todos os parâmetros aliás habitual dar uma custo da luz é uma definição aceite na indústria da iluminação que é apresentada na
%& C@C DB&E(5.1) 200 Valores Actuais Valores futuros
Esta formulação leva em consideração seis critérios distintos que são o fluxo luminoso emitido pelos equipamentos, o custo destes, o custo da mão-de-obra, o tempo de vida dos equipamentos, a sua potência de funcionamento e o custo da energia. O resultado é um número habitualmente expresso em dólares por milhão de lúmen hora.
Estes conceitos servem para justificar a escolha dos indicadores a apresentar de seguida, que serão essencialmente de carácter económico, e que influenciam no seu todo o custo associado ao ciclo de utilização de uma solução de iluminação. Estes indicadores serão depois usados num caso prático de iluminação onde será usada tecnologia Led para assim se avaliar o impacto da sua utilização relativamente à solução tradicional.
Potência.
Este indicador corresponde ao total da potência eléctrica necessária para servir a aplicação de iluminação. Será portanto a soma das potências eléctricas individuais de funcionamento dos equipamentos a instalar, lâmpadas ou luminárias e aparelhagem auxiliar se necessária.
A determinação desta potência deverá normalmente ter por base um cálculo luminotécnico que garanta o dimensionamento adequado das grandezas nomeadamente a iluminância e luminância, mas do ponto de vista do cliente estas grandezas não serão significativas. É por isso mais útil expressar-se como um indicador de comparação entre tecnologias o total da potência necessária para cada uma das soluções, que fornece desde logo uma informação considerável acerca da instalação como o seu tamanho, ou a rede eléctrica necessária.
Em alternativa, também é habitual indicar-se, especialmente em aplicações de interior, a densidade de potência expressa em Watt por metro quadrado de área a iluminar (W/m2).
Investimento inicial.
O investimento inicial é o indicador relativo aos encargos económicos decorrentes da implementação de uma situação de iluminação. Este valor será composto por duas componentes essenciais que são o custo de aquisição dos equipamentos e o custo de instalação.
A primeira componente reflecte por um lado os custos de fabrico de um dado produto e por outro a margem de ganho do fabricante. Assim sendo, é natural que numa fase inicial de aparecimento de um produto como é o caso dos Led, o seu preço de produção seja maior reflectindo, não só os custos de fabrico elevados, como uma maior margem de remuneração para os fabricantes, não só pelas óbvias razões económicas, como também pela necessidade de recuperar os investimentos feitos em investigação e desenvolvimento tecnológico.
À medida que os processos de fabrico são optimizados, e é massificada a produção, com a entrada de novos agentes no mercado, e o consequentemente aumento da concorrência, há a tendência de os preços diminuírem. Assim se percebe que nesta fase ainda relativamente precoce de aparecimento dos Led enquanto alternativa viável de iluminação, os preços de aquisição sejam elevados e daí a necessidade de se avaliar para casos concretos se as vantagens a nível técnico da tecnologia já são suficientes para compensar esse acréscimo no investimento inicial. Do ponto de vista prático a determinação do custo de aquisição dos equipamentos depende da quantidade de equipamentos usar, que tem, num projecto adequado, de ser determinado pelo respectivo cálculo luminotécnico.
Relativamente aos custos de instalação, estes representam os encargos necessários para a implementação da solução, que não o custo de aquisição de equipamentos, mas especificamente inerentes à tecnologia a adoptar. Por exemplo, a substituição de uma iluminação com recurso a lâmpadas de incandescência que usam casquilhos do tipo Edison, por iluminação fluorescente tubular que necessita de casquilhos com pinos, acarreta custos adicionais. Os custos de instalação incluem portanto o custo de mão-de-obra, transporte, materiais, custos de elevação, etc.
Então o indicador de investimento inicial (Invini) é dado por:
@FG-= H+ -. (5.2)
Onde, Caq e Cins representam respectivamente os custos de aquisição dos equipamentos e os
custos de instalação. E por:
@FG-= @ ∙ I-+ -.2 (5.3) Em que, n representa o número de equipamentos a usar e Cuni é o custo unitário de compra
dos equipamentos.
Tempo de utilização.
É necessário haver uma previsão do tempo de funcionamento da instalação em concreto, porque disso depende a utilidade de usar fontes de iluminação com maior ou menor duração de vida média. Caso se trate de uma aplicação em que não se conheça em concreto um limite para o tempo de utilização, o que na generalidade dos casos é o que acontece, dado se pretender que funcione o maior tempo possível, deve ser considerado o maior valor da duração de vida esperada de entre as fontes de iluminação em avaliação. Desta forma, é possível levar em conta as necessidades de troca de equipamentos durante o ciclo de utilização e fazer portanto uma avaliação mais correcta tendo em conta este factor, beneficiando o mais possível das fontes com maior duração.
Assim, define-se o horizonte temporal do projecto tp como:
#J= K L M L N #* $! =2OPáR STU V (5.4)
Onde, tu representa o tempo de utilização projectado da instalação se for conhecido, tvmáx o
tempo de duração de vida máximo de entre as tecnologias em avaliação e Txu a taxa de
utilização, que expressa a proporção de tempo de funcionamento das fontes luminosas em função do tempo da instalação.
Custo de funcionamento.
O custo de funcionamento engloba o conjunto dos encargos necessários para que a instalação de iluminação funcione durante o horizonte temporal do projecto. Esses encargos englobam o custo da energia, e os custos de substituição e manutenção dos equipamentos.
O custo energético é o indicador dos encargos económicos resultantes do consumo energético dos equipamentos. Este custo deriva essencialmente dos rendimentos luminosos dos equipamentos em avaliação através dos quais é possível obter a iluminação pretendida com um determinado número de aparelhos de determinada potência. Tal não significa obrigatoriamente que o uso de fontes de iluminação com rendimentos luminosos superiores implique uma redução do custo energético. Pode também acontecer que, devido a certas propriedades da luz, se consiga obter uma situação de iluminação aceitável com o uso de equipamentos com rendimentos luminosos inferiores, mas em que a densidade de potência instalada seja menor do que a alternativa com equipamentos mais eficientes.
O custo de funcionamento vai pois depender directamente da potência eléctrica total instalada para o funcionamento dos equipamentos. Esta deve ser convertida em valores monetários à custa do tempo de utilização efectivo dos aparelhos (tue), que é dado por:
#*, = #6∙ WX* (5.5)
Em que, tp e Txu são, como definidos anteriormente, respectivamente o horizonte temporal
do projecto e a taxa de utilização dos equipamentos.
Assim, o custo energético (Ce) será igual à energia total gasta pelos aparelhos (lâmpadas ou
luminárias) multiplicado pelo custo da energia eléctrica. Então o custo de funcionamento será dado por:
CZ= n ∙ (P ∙ t^Z) ∙ cZ (5.6) Em que, n é o número de aparelhos usados, P a sua potência individual, e ce o custo da
electricidade.
O custo de substituição é um valor que resulta da necessidade de ter de se substituir o equipamento caso a sua duração de vida média esperada seja inferior ao tempo expectável de funcionamento da instalação. Como já foi referido, caso não seja possível definir esse valor é considerado o valor da duração de vida máxima de entre as soluções em avaliação. Assim, para uma determinada aplicação os seus custos de substituição serão zero caso a sua duração de vida esperada seja igual ou superior ao tempo de vida da instalação ou mais especificamente ao horizonte temporal do projecto. Caso a duração de vida média esperada seja inferior a este valor é necessário determinar o número de vezes que se espera vir a ser necessário substituir as lâmpadas/luminárias, o que corresponde a dividir o tempo de duração da instalação em funcionamento pela duração de vida da lâmpada e arredondar esse valor para o número inteiro mais próximo por defeito.
Então o número de vezes que se prevê ser necessária a substituição dos equipamentos (N`) é dado por:
a. = K L M L N 0 "C #*, < #; $! & 4,d022UeO< "C #*, < #; V (5.7)
Em que, tp é o tempo de utilização da instalação, tv a duração de vida esperada dos
equipamentos, e arrdef significa o arredondamento por defeito à unidade.
E o custo de substituição total esperado (Cs) será:
.= a.∙ A. (5.8)
O custo de substituição c` corresponderá ao custo de aquisição dos equipamentos que deixaram de funcionar mais os custos necessário para fazer a troca dos equipamentos.
O último indicador a considerar será o custo de manutenção (Cf) dos equipamentos que corresponde aos encargos económicos derivados das actividades obrigatórias a realizar sobre a instalação para que sejam mantidos os níveis exigidos de desempenho. A manutenção é especialmente importante para aplicações de iluminação exterior em que os equipamentos estão sujeitos aos agentes atmosféricos e são necessárias actividades nomeadamente de limpeza para manter os aparelhos funcionais.
O custo de funcionamento será portanto a soma destes três custos principais:
d = ,+ .+ + (5.9)
5.5 Comentários
Neste capítulo cinco fez-se inicialmente uma caracterização genérica das situações de iluminação interior e exterior. Com isto pretendeu-se ilustrar os requisitos mais importantes associados a cada uma dessas situações de forma a encontrar casos de estudo pertinentes para a simulação de implementação de iluminação Led. Esses requisitos são expressos essencialmente à custa dos parâmetros e grandezas característicos que se encontram listados em normas nacionais e internacionais como as da Comissão de Iluminação Internacional (CIE).
Porém, para situações concretas a realização de um projecto luminotécnico tem que atender essencialmente aos equipamentos que estão disponíveis no mercado para se implementar na prática. Quer isto dizer que só se conseguem tirar conclusões válidas sobre a qualidade da tecnologia com a execução de casos práticos.
Esse caso prático é apresentado no próximo capítulo e será sobre a aplicação de luminárias Led em redes de iluminação pública. Para isso vai-se proceder a uma comparação entre luminárias de vapor de sódio de alta pressão e luminárias Led, que com a ajuda dos indicadores definidos neste capítulo deverão permitir a chegada de conclusões sobre a viabilidade de projectos deste tipo. Foi feita uma aplicação em Excel para cálculo destes indicadores para servir de base à avaliação das soluções.
Definiram-se deste modo quatro indicadores de avaliação e comparação entre tecnologias de iluminação que são a potência, investimento inicial, o tempo de utilização e o custo de funcionamento. Estes reflectem os principais aspectos a ter em conta para a escolha dos equipamentos luminosos. A ideia destes indicadores assim expressos, e consequentemente das suas parcelas, é a de poderem ser usados directamente para se relacionarem com as características da tecnologia que determinam o seu valor e que para o cliente que vai optar por uma determinada tecnologia tem diferentes graus de importância.
Mais uma vez se realça que estes indicadores deverão servir para ajudar genericamente à escolha de uma tecnologia de iluminação, mas existem no pressuposto que os cálculos luminotécnicos, e as normas e grandezas de interesse são respeitados.
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Capítulo 6
Caso de estudo
6.1 Introdução
O seguinte caso de estudo é sobre a aplicação de tecnologia de iluminação de estado sólido Led à iluminação pública.
A iluminação pública tem como objectivo garantir as condições necessárias para a circulação nocturna de automóveis e de peões com conforto e segurança. Inclui portanto a iluminação das vias públicas como auto-estradas, estradas, ruas, pontes, jardins, etc. Esta deve ser feita salvaguardando ao máximo o aspecto estético do local e respeitando custos aceitáveis para o investimento inicial e exploração. Adicionalmente, a iluminação pública é importante porque tem um impacto na redução da criminalidade e um estímulo na actividade económica e turística.
Para a iluminação pública as soluções tradicionais usadas consistiam no uso de luminárias com base nas seguintes tecnologias: Vapor de sódio de baixa pressão; Vapor de mercúrio de alta pressão; Vapor de sódio de alta pressão; Vapor de mercúrio com iodetos metálicos. Estas luminárias caracterizam-se pela emissão de elevados fluxos luminosos, da ordem dos milhares de lúmen, necessários para este tipo de aplicação.
A produção de luz com recurso ao vapor de sódio a baixa pressão é, muito eficiente do ponto de vista energético mas tem o grande inconveniente de produzir uma restituição de cores muito baixa pelo que foi sendo progressivamente substituída há medida que foram desenvolvidas fontes com melhores índices de restituição cromática.
Nesse sentido, as luminárias usando lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão permitem uma restituição de cores melhor (IRC de 50), e como tal foram sendo progressivamente usadas na iluminação pública, ainda que apresentem uma eficácia energética consideravelmente menor. O desenvolvimento da lâmpada de vapor de sódio a alta pressão veio permitir um nível superior de performance energética e, pese embora as limitações que denota ao nível da restituição de cores, é actualmente a solução práticamais comummente utilizada. Para casos onde uma alta restituição de cores seja desejada é aplicada a tecnologia de vapor de mercúrio com iodetos metálicos.