SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO DO ESTACIONAMENTO DOS BLOCOS DE CIÊNCIAS BIOLÓGICAS E DE CIÊNCIAS EXATAS DO CENTRO POLITÉCNICO DA UFPR: UM ESTUDO DA VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA Mateus Alves Berbick e Rafael Ribeiro Calado Curso de Engenharia Elétrica Universidade Federal do Paraná Curitiba Paraná - Brasil e-mail: mateusberbick@hotmail.com e rafacalado83@hotmail.com Resumo Este artigo teve o objetivo de demonstrar a viabilidade técnica e econômica da substituição do atual sistema de iluminação dos estacionamentos dos blocos de Ciências Biológicas e Ciências Exatas do Centro Politécnico da Universidade Federal do Paraná, localizada em Curitiba - PR. Os cálculos realizados, bem como as simulações executadas demonstraram tal viabilidade. Outro ponto importante diz respeito à eficiência energética, que pôde ser claramente constatada nos resultados. Palavras-Chave eficiência energética, UFPR, luminosidade. Abstract This article has the main purpose to demonstrate the technical feasibility and cost of replacing the current parking facilities of the blocks of Biological Sciences and Exact Sciences of the Polytechnic Center of the Federal University of Parana, located in Curitiba - PR. Calculations made and the simulations show made such viability. Another important point relates to energy efficiency, which could be clearly seen in the results. Keywords: efficiency, UFPR, luminance I INTRODUÇÃO Diante de uma situação nada favorável em termos de economia de energia elétrica, o planejamento de consumo deve ser profundamente analisado a fim de se evitar desperdício, uma vez que nos deparamos com recentes programas de racionamento. Levando em consideração que este desperdício de energia representa um dinheiro mal utilizado, esta verba desperdiçada pode ser utilizada para outros fins de modo a melhorar a sua aplicabilidade na Universidade. Devido à situação atual, o uso racional da energia, medidas de redução das perdas e de racionalização técnico-econômica são cada vez mais necessárias. garantindo assim uma maior Eficiência Energética. Fazendo uma breve análise do sistema de iluminação instalado no campus do Centro Politécnico da UFPR, notase diferentes arranjos de iluminação e pode-se também concluir que determinadas instalações são dimensionadas de maneira exagerada, oferecendo uma iluminação acima do que realmente é necessário para seus fins, acarretando em desperdícios. Tendo em vista este panorama, este artigo visa demonstrar a viabilidade técnica e econômica da substituição do atual sistema de iluminação nos estacionamentos dos Blocos de Ciências Biológicas e Ciências Exatas. Dentre os fatores analisados, pode-se citar a disposição das luminárias, a altura que elas se encontram, as potências das lâmpadas e a distribuição do fluxo luminoso. II ESTUDOS PRELIMINARES O sistema de iluminação de um estacionamento tem como principais finalidades iluminar o ambiente de maneira suficiente para que o proprietário e os passageiros possam encontrar o seu carro no determinado ambiente e também para que os mesmos possam garantir a sua segurança, uma vez que poderão notar qualquer movimentação estranha nas redondezas. Já a iluminação da via, deve ser fornecida pelos faróis dos veículos que por ali circulam e não pelo sistema de iluminação local. Com isso, consegue-se compreender que o sistema de iluminação a ser utilizado não deve ser mal-dimensionado. Atualmente estão instaladas quatro lâmpadas de vapor de sódio de 400 [W] em cada poste com 12 [m] de altura nos ambientes estudados, totalizando uma potência de 1600 [W] por poste. Apesar de proporcionar uma iluminação de alta intensidade, pode-se interpretar tal ocorrência como um sistema totalmente superdimensionado. No estacionamento de Ciências Biológicas encontram-se atualmente instalados 12 postes (potência instalada de 19,2 [kw]) e no estacionamento de Ciências Exatas têm-se mais três postes (totalizando uma potência instalada de 4,8 [kw]). FIGURA 1: Luminária da instalação atual. 1
III COMPARATIVO DAS TECNOLOGIAS Para efetuar a escolha da tecnologia que possa substituir o sistema atual de iluminação, uma análise deve ser feita, levando em consideração fatores como: índice de IRC (índice de reprodução de cores), distribuição de fluxo luminoso e vida útil. No mercado, encontram-se disponíveis diferentes alternativas que devem ser estudadas de modo a encontrar a melhor solução para a situação proposta. A seguir tecnologias serão apresentadas e comparadas. Lâmpada Multivapor São lâmpadas que combinam iodetos metálicos, com altíssima eficiência energética, alto IRC, longa vida mediana e baixa carga térmica. Sua luz é muito branca e brilhante. Existem versões de alta potência que para grandes áreas, com índice de reprodução de cor de até 90%, eficiência energética de até 100 [lm/w], temperatura de cor entre 4.000 a 6.000 [K] e de baixa potência (de 70 a 400 [W]). São ideais para aplicações onde se desejam elevados níveis de iluminação com economia de energia e boa reprodução de cor. Lâmpada de Vapor de Mercúrio As lâmpadas de vapor de mercúrio são utilizáveis em zonas exteriores, jardins e parques em substituição das lâmpadas incandescentes e fluorescentes, embora também sejam aplicadas em outros campos da luminotécnica devido à sua eficácia e durabilidade quando comparadas com outros tipos de lâmpadas. A utilização destas lâmpadas tem como vantagens uma razoável restituição de cores, uma excelente estabilidade de arranque e uma vida útil bastante longa. No entanto, do ponto de vista energético, apresenta valores bastante reduzidos de eficiência, devendo ser ponderada a sua utilização. Lâmpada Mista São basicamente lâmpadas de Vapor de Mercúrio que possuem filamento de lâmpada incandescente junto com o tubo de arco. Este filamento permite que a lâmpada seja utilizada direto em redes elétricas conforme suas tensões de operação, sem necessitar de reator. Sua eficiência luminosa é, contudo, menor do que a de uma lâmpada de Vapor de Mercúrio. Lâmpada de Vapor de Sódio As lâmpadas de vapor de sódio possuem longa durabilidade e são as mais econômicas fontes de luz. Com formatos tubulares e elipsoidais, emitem luz branca amarelada e são utilizadas em locais onde a reprodução de cor não é um fator importante, como em estradas, portos, ferrovias e estacionamentos. As lâmpadas convencionais de vapor de sódio em alta pressão representam uma economia direta de 25% nos custos de manutenção anual, em contraste às lâmpadas mistas ou de vapor de mercúrio que possuem um baixo custo de implantação e um elevado custo operacional (devido à menor vida útil), além de possuírem um baixo fluxo luminoso, o que requer um elevado número de lâmpadas para obter o mesmo resultado atingido com as lâmpadas de vapor de sódio nas mesmas circunstâncias. Quanto às desvantagens, temos que considerar a cor amarelada e espectros luminosos que dificultam a definição de cores. Conseqüentemente, pode haver uma impressão inicial negativa por parte da população. Porém, deve-se considerar que a cor amarelada é a que possibilita ao olho humano a melhor acuidade visual, favorecendo a segurança. Outra desvantagem da lâmpada de sódio, seria o fato dela exigir ignitor para a partida, tornando assim o conjunto mais vulnerável à problemas. Por outro lado, esta lâmpada emite bem menos radiação ultravioleta que a de mercúrio, com isso tem-se um benefício, na medida em que se diminui a atração de insetos. A Tabela 1 mostra um comparativo com lâmpadas de mesma potência das diversas tecnologias acima descritas. TABELA 1: Comparativo de tecnologias. [5] Tipo Potência (W) Fluxo Luminoso (lm) Mista 250 5500 6000 62 Multivapor 250 20800 10000 65 Vapor de Mercúrio 250 12000 12000 40 Vapor de Sódio 250 27500 28500 25 Diante do que foi exposto e dos dados constantes na Tabela 1, pode-se notar a viabilidade em manter a atual tecnologia instalada (vapor de sódio), pois o único item no qual esta é inferior às demais é o do IRC, algo que não é um problema crítico para a instalação em ambientes externos. IV METODOLOGIA Vida Mediana (h) IRC Visando adequar o sistema de iluminação do caso em estudo, uma simulação deve ser feita para comparar a viabilidade da substituição do sistema atual pelo sistema a ser proposto. Esta simulação será realizada utilizando um software que simula a distribuição da intensidade luminosa de um determinado conjunto luminária-lâmpada em sua área de cobertura. Após isso, deverá ser feita a anualização dos custos, que consiste numa análise da relação custo benefício, na qual o investimento aplicado deve ser pago em um tempo inferior à vida útil do equipamento, garantindo assim o retorno do capital investido. 2
Para esta análise, foram utilizados os conceitos do PEE da ANEEL, sendo utilizadas as seguintes fórmulas [1], item 4.3.4, páginas 48 e 49. CPE = CE + ( CT CTE ) CTE CE transparente. Ao redor da lâmpada existe uma luminária composta por aletas refletoras feitas em chapas de alumínio de alto brilho, com uma base em alumínio injetado, conforme Figura 2. CA = CPE FRC CA = CA + CA +... + FRC TOTAL 1 2 CA N n i( 1+ i) ( 1+ i) 1 = n Sendo: - CPE: Custo dos equipamentos com a mesma vida útil, acrescido da parcela correspondente aos outros custos diretos e indiretos; - CE: Custo somente de equipamentos com mesma vida útil; - CT: Custo total do projeto; - CTE: Custo somente de equipamentos; - FRC: Fator de Recuperação de Capital; - i: taxa de juros (taxa de desconto); - n: vida útil (em anos). Cálculo de RCB: relação custo benefício. Custos Anualizados RCB = Benefícios Anualizados EE( uso final n) Peso ( uso final n) = EE( total ) Cálculo dos Benefícios: B = ( EE CEE) + ( RDP CED) onde: EE - Energia Economizada (MWh/ano) CEE - Custo Evitado de Energia (R$/MWh) RDP - Redução de Demanda na Ponta (kw) CED - Custo Evitado de Demanda (R$/kW.ano) V SISTEMA PROPOSTO Seguindo os padrões definidos pela ANEEL (Agência Nacional de Energia Elétrica), que menciona que a reprodução de cores para este tipo de ambiente externo não é de extrema importância, considera-se que as finalidades do sistema de iluminação para este local são as seguintes: Garantir a segurança pessoal; Fácil localização do veículo na ausência de iluminação natural. Frente a isto, recomendam-se lâmpadas do tipo vapor de sódio. Uma vez que o sistema instalado atualmente encontrase superestimado, como alternativa está sendo proposta a instalação de postes com 3,5 [m] de altura, espaçados em 20 [m] um do outro de maneira a iluminar apropriadamente as áreas dos estacionamentos em questão. Tais postes sustentarão lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão com 70 [W] de potência, fluxo luminoso mínimo de 5800 [lm], com globo em policarbonato FIGURA 2 Luminária do conjunto proposto. - Equipamentos a serem utilizados: Para a implantação do sistema sugerido são necessários os seguintes componentes: Luminária com globo em policarbonato; Lâmpada de Vapor de Sódio 70[W], com fluxo luminoso mínimo de 5800 [lm]; Poste Reto Flangeado 3,5[m]; Reator 70 [W], 220 [V] Ignitor com pico de tensão de 5000 [V] VI RESULTADOS Com base nas medições feitas no atual sistema, verificou-se uma intensidade luminosa de aproximadamente 100 [lux] a uma distância de cinco [m] da base do ponto de iluminação e uma intensidade de aproximadamente cinco [lux] entre os dois pontos de iluminação em que encontram-se instaladas as quatro lâmpadas de vapor de sódio 400W. Para este tipo de ambiente, recomenda-se que valor da iluminância seja em média de 10 [lux]. [9] Baseado na metodologia utilizada, que visa a anualização dos custos e a simulação de um sistema que possa substituir o atual, o sistema mais adequado foi o proposto. O sistema atualmente instalado (Tabela 2) e o sistema proposto (Tabela 3) são compostos conforme segue: TABELA 2: Dados do sistema atual. Sistema Atual SAP 400W Totais Lâmpada P[W] PL 1 400 Qtde NL 1 60 60 Reator Perdas[W] PR 1 40 Qtde NR 1 60 60 Potência Instalada [kw] 26,40 26,40 Energia Consumida 106,00 106,00 [MWh] anuais 3
O valor adotado para as perdas do reator foi estimado, uma vez que não foi possível realizar as medições. Este valor refere-se a reatores atuais e de ótima qualidade, não influenciando assim nos resultados. A figura 3 exibe claramente as discrepâncias existentes entre as áreas iluminadas e as áreas sombrias, o que comprova a má eficiência do sistema atual, caracterizando assim pouca uniformidade de fluxo luminoso. FIGURA 4: Vista noturna do sistema semelhante ao proposto, já em uso na UFPR. FIGURA 3: Vista noturna da instalação atual. A Tabela 3 discrimina quantitativamente os equipamentos que deverão ser utilizados na implementação do sistema proposto. Sendo assim tem-se 54 lâmpadas de vapor de sódio com potência de 70 [W] cada uma, totalizando 3,78 [kw]. São consideradas perdas de potência de cada reator, sendo estas de 15 [W], como tem-se um reator para cada lâmpada, estas perdas totalizarão 810 [W]. TABELA 3: Dados do sistema proposto. Sistema Proposto SAP 70W Totais Lâmpada P[W] PL 1 70 Qtde NL 1 54 54 Reator Perdas[W] PR 1 15 Qtde NR 1 54 54 Potência Instalada [kw] 4,59 4,59 Energia Consumida [MWh] anuais 18,43 18,43 Logo a potência total resulta em 4,59 [kw] instalados, totalizando uma enerrgia consumida anual de 18,43 [MWh]. A figura 4, contrastando com a figura 3, exibe uma iluminação mais uniforme, impedindo assim a existência de áreas contrastantes quanto à distribuição do fluxo luminoso. A tabela 4 demonstra a redução de potência que será de 21,81 [kw], a energia conservada anual que será de 87 [MWh], a economia percentual de energia que será de 82,6% e também o valor economizado por ano que chegará a R$ 20.554,94. Com o sistema aqui sugerido, espera-se obter os seguintes resultados: TABELA 4: Valores calculados. Resultados Esperados Redução de potência [kw] Energia Conservada [MWh] anuais Totais RDP 21,81 21,81 EE 87,57 87,57 Economia de Energia (%) 82,6% 82,6% Economia [R$/ano] BA 20.554,94 20.554,94 Para a instalação do sistema proposto existe um custo referente à mão de obra. As tabelas 5, 6 e 7 apresentarão todos os cálculos envolvidos na análise. VII ANÁLISE DOS RESULTADOS Na tabela 5, encontram-se os valores unitários dos materias, além do valor referente ao investimento que deverá ser feito em materias e equipamentos de iluminação, totalizando R$ 84.990,45. Já o custo da mãode-obra será de R$ 15.299,81. Estes dois custos mencionados são parcelas do custo que é chamado de Custo Direto, totalizando R$100.290,26. O outro custo que deve ser levado em conta nos cálculos da viabilidade é o custo indireto, sendo este referente às despesas junto à concessionária, totalizando R$ 5.014,51. As simulações efetuadas via software, juntamente ao cálculo da relação custo benefício, demonstraram que o consumo de energia é reduzido em 82,6%, o que representa uma economia anual de R$ 20.554,94 (valor 4
este maior do que o orçamento anual do departamento de engenharia da UFPR, que gira em torno de R$18.000,00) e um índice RCB de 0,70. Isto indica que, para cada R$ 0,70 gasto para implantar o sistema proposto, o cliente terá R$ 1,00 de retorno. No caso de projetos de eficientização financiados pela COPEL e normalizados pela ANEEL [1], o valor mínimo exigido para o RCB é 0,80; ou seja, o projeto proposto está apto a ser submetido a programas deste tipo. A partir dos resultados obtidos, conclui-se pela viabilidade da adoção do sistema proposto TABELA 5: Custos envolvidos CUSTOS DIRETOS Materiais e Equipamentos de Iluminação Custo Vida Útil Vida Útil Unitário Descrição Qtde Total [horas] [anos] [R$] [R$] 1 Luminárias Uso Externo 70W 20,0 54 869,00 46.926,00 2 Reatores 70W 10,0 54 39,00 2.106,00 3 Lâmpadas SAP 70W 16.000 4,0 54 17,00 918,00 4 Poste 3,5m 20,0 54 309,30 16.702,20 5 Cabos 10mm² 20,0 3.675 4,99 18.338,25 Sub-Total - Custos Diretos 84.990,45 Mão-de-obra para instalação Concessionária (Avaliação e Fiscalização) 4.499,81 Terceiros 54 200,00 10.800,00 Sub-total Mão-de-Obra Terceiros e consumidor 10.800,00 Sub-total Mão-de-Obra 15.299,81 Outros Custos Diretos Acessórios - Sub-Total - Custos Diretos 100.290,26 Custos Indiretos Administração Própria (concessionária) 5.014,51 Sub-Total - Custos Indiretos 5.014,51 Sub-Total - Iluminação 105.304,77 TABELA 6: Custos anualizados CUSTOS ANUALIZADOS Materiais e Equipamentos de Iluminação Vida Descrição Útil FRC CPE CA [anos] 1 Luminárias Uso Externo 70W 20,0 0,13388 58.142,20 7.784,01 2 Reatores 70W 10,0 0,17698 2.609,37 461,82 3 Lâmpadas SAP 70W 4,0 0,33021 1.137,42 375,59 4 Postes 20,0 0,13388 20.694,34 2.770,53 5 Cabos 10mm² 20,0 0,13388 22.721,44 3.041,92 CA Ilum 14.433,86 5
TABELA 7: Cálculo do índice RCB Uso Final EE RDP CA Total Energia Economizada (MWh/ano) Retirada de Demanda na Ponta (kw/ano) Custo Anualizado (R$) Benefícios Anualizados (R$) RCB Uso Final Peso (%) RCB Total Iluminação 87,57 21,81 14.433,86 20.554,94 0,70 1,00 0,70 Total 87,57 21,81 1,00. VIII CONCLUSÕES Uma das dificuldades enfrentadas na implantação de projetos como este é a conscientização do consumidor de que a substituição de um sistema que encontra-se em perfeitas condições de funcionamento por um novo sistema é viável. Mesmo tendo um investimento inicial, o cliente deve estar ciente de que este valor aplicado será pago ao longo dos anos, com o capital salvo através da economia de energia seguinte à instalação. No caso específico da UFPR, o valor que poderá ser economizado, caso o sistema aqui proposto seja implementado, pode simplesmente representar a duplicação do orçamento do departamento de Engenharia Elétrica, ajudando assim o desenvolvimento do curso. Apesar de restrito a um ambiente limitado, este estudo pode ser expandido para todos ambientes, trazendo assim, muitos benefícios para a própria instituição, oferecendo melhores condições aos estudantes, uma vez que o dinheiro economizado poderá ser investido em materiais e infraestrutura para os alunos. Conclui-se portanto que estudos como este são importantes para comprovar a possibilidade de redução considerável do consumo de energia elétrica, possiblitando assim, uma melhor utilização da verba pública aumentando os investimentos em qualidade de ensino na universidade. IX AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à orientação que receberam do Professor Dr. Ewaldo Luiz de Mattos Mehl e à Coorientação do Engenheiro Fernando Augusto Lopes Corrêa, que foi de suma importância para a execução deste artigo. Agradecem também à Universidade Federal do Paraná, que possibilitou a formação profissional dos autores. X ANEXOS Anexos encontram-se os layouts com a disposição das luminárias dos estacionamentos dos Blocos de Ciências Biológicas e de Ciências Exatas e as simulações de distribuição do fluxo luminoso. XI REFERÊCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] ANEEL - Manual para Elaboração do PEE, Fevereiro/2008. [2] PROCEL INFO Centro Brasileiro de Informação de Eficiência Energética, disponível em: <http://www.eletrobras.com/pci/main.asp> Acesso em: novembro de 2008. [3] COPEL Manual de Iluminação Pública, Outubro de 1998. [4] COPEL - NTC841050, Projeto de Iluminação Pública, Janeiro de 1998. [5] GE General Electric Company, disponível em: < http://www.geiluminacao.com.br> Acesso em: Novembro de 2008. [6] INDALUX Iluminación Técnica, disponível em: <http://www.indal.es>. Acesso em: Novembro de 2008. [7] SHOMEI Shomei Iluminação, disponível em: <http://www.somei.com.br>. Acesso em: Novembro de 2008. [8] ABNT- NBR-5413, Iluminância de Interiores, Maio de 1992. [9] REA, MARK S.; IESNA Lighting Handbook Reference and Application; Ninth edition, Julho de 2000. 6
ANEXO 1: Layout do estacionamento do bloco de Ciências Exatas 7
ANEXO 2: Layout do estacionamento do bloco de Ciências Biológicas 8
ANEXO 3: Simulação da distribuição do fluxo luminoso para o sistema atual, realizada através do software CalcuLuX Road 2.0a. 9
ANEXO 4: Simulação da distribuição do fluxo luminoso para o sistema proposto, realizada através do software Indalwin 6.0. 10