ISSN 1984-9354 ANÁLISE DE PARÂMETROS DE ILUMINAÇÃO E EFICIÊNCIA ENERGÉTICA APLICADA A UM CONJUNTO HABITACIONAL DE CASAS POPULARES EM CACOAL-RONDONIA. Sérgio Luiz Sousa Nazario, Paulo Renda Anderson, Rodrigo Selhorst Silva, Tiago Arthur Gonçalves Walter (UNESC; IFRO) Resumo: O consumo de energia per capita dos países é um dos principais indicativos para analise de desenvolvimento humano da população. Em países emergentes como o Brasil a cada dia se evidencia a importância de índices relacionados ao crescimento do poder aquisitivo da população com o consumo de energia elétrica. Desta forma, a busca por produtos de maior eficiência são de suma importância para economia no custo de energia elétrica e para redução de riscos de sobrecargas do sistema elétrico que podem provocar apagões nos grandes centros urbanos. Sendo assim, um fator de grande valia para um melhor aproveitamento de energia, garantindo o desenvolvimento socioeconômico nas cidades é a melhoria da eficiência energética de equipamentos e de tecnologias de iluminação pública, residencial e comercial. O presente trabalho apresenta uma analise de parâmetros de iluminação e eficiência energética para lâmpadas com diferentes tecnologias e um estudo de caso aplicado a um conjunto habitacional em Cacoal, Rondônia. Palavras-chaves: Iluminação;Eficiência energética;fluxo luminoso; sustentabilidade.
INTRODUÇÃO A escassez de recursos econômicos, a falta de investimentos em geração e distribuição de energia e falta de incentivo na produção de equipamentos com maior aproveitamento de energia elétrica; somados ao crescente aumento populacional, crescimento exagerado e estimulado por isenções de impostos de bens de consumo, contribuem para um aumento considerável no consumo de energia elétrica em todo pais. Esse fato promove debates no Brasil e em todo mundo, para ações que minimizem o consumo de energia elétrica e busquem soluções sustentáveis e ambientalmente corretas. Desta forma o presente trabalho apresentará um estudo sobre eficiência luminosa e energética de equipamentos de iluminação utilizados em aplicações gerais, como meios potenciais para redução de consumo de energia elétrica e analise de viabilidade econômica para projetos governamentais. Segundo o Ministério de Minas e Energia (MME, 2011), eficiência energética refere-se a ações de diversas naturezas que culminam na redução da energia necessária para atender as demandas da sociedade por serviços de energia e, portanto, menor impacto ambiental. Hoje muitos países buscam melhorar a eficiência energética, desenvolvendo aparelhos que minimizem o consumo de energia e aumentem a produtividade gerando menor impacto ao meio ambiente. (Novicki e Martinez, 2008) No Brasil, o Ministério de Minas e Energia lançou em 2011 o Plano Nacional de Eficiência Energética PNEf - premissas e diretrizes básicas. O documento orienta as ações a serem aplicadas no sentido de se atingirem metas de economia de energia, dentro do contexto do Planejamento Energético Nacional. (MME, 2011) Diversos tipos de órgãos públicos e privados vêm buscando alternativas para melhorar o uso da energia. Todos esses setores em geral possuem um alto índice de consumo de energia por falta de consciência ambiental e socioeconômica. Outro fator importante é a utilização de equipamentos de baixa eficiência energética somados à falta de sistemas de gestão ambiental, que contribuem para um cenário inadequado em relação a consumo eficiente de energia elétrica (FILHO, 2008; PASA et. al, 2012). 2
Diversas tecnologias podem ser empregadas para se alcançar um patamar mais adequado de eficiência energética, sendo os principais: eficiência luminosa, eficiência em condicionamento de ar, eficiência no aquecimento de água (Valentim,et. al, 2010). Segundo Aguiar (1999), os descasos que ocorrem no setor de iluminação em geral podem ser predominantes para diminuir a eficiência energética, e esses descasos ocorrem desde a utilização de luminárias de baixa eficiência, posição incorreta das lâmpadas, luzes acesas desnecessariamente e até a sujeira nas luminárias. Para buscar a eficiência energética em sistema de iluminação é necessário que sejam adotadas novas tecnologias e novos métodos para redução de nível de consumo. Nesse sentido, o objetivo do presente trabalho é verificar a viabilidade econômica ao se aplicar as melhores práticas para otimização da eficiência energética e luminosa em conjuntos habitacionais. 1. FUNDAMENTOS TEÓRICOS Para a análise e estudo dos diferentes tipos de lâmpadas utilizadas nesse trabalho é necessário apresentar característica da luz e os fundamentos de luminotécnica. Esses conceitos ajudaram a analisar os resultados obtidos, como o rendimento luminoso, que é de suma importância para o estudo do índice comparativo. No estudo serão apresentados dados luminotécnicos e analises de payback para um conjunto habitacional popular de 200 casas. 2.1. LUZ ONDA ELETROMAGNÉTICA A luz é uma modalidade de energia radiante verificada pela sensação visual de claridade. A faixa de radiação das ondas eletromagnéticas detectadas pelo olho humano se situa entre 380 nm e 780 nm (1 nanômetro = 10-9 m). Cada comprimento de onda ( do intervalo das radiações visíveis causa, no olho, uma sensação diferente de cor, dada pela relação (NEGRISOLI, 1987). [1] Sendo é a velocidade de propagação da luz e f é a frequência. 3
A margem de radiação visível está limitada pelas radiações ultravioletas e infravermelhas, estas duas classes de radiação não são visíveis, embora sejam emitidas por algumas fontes luminosas. 2.2. GRANDEZAS LUMINOTECNICAS FUNDAMENTAIS 2.2.1. FLUXO LUMINOSO (ϕ) Fluxo luminoso é a quantidade de energia radiante capaz de sensibilizar o olho humano. A unidade desta grandeza é o lúmen (lm), que corresponde à quantidade de energia radiante capaz de sensibilizar o olho humano por segundo (MAMEDE, 2007). 2.2.2. INTENSIDADE LUMINOSA ( I ) A intensidade luminosa é a quantidade de luz que uma fonte por unidade de ângulo sólido (lúmen/esferorradiano) projetada em uma determinada direção. O valor está diretamente à direção desta fonte de luz. A intensidade luminosa é expressa em candelas (cd). A intensidade luminosa e o fluxo luminoso estão vinculados pelo ângulo sólido Ω, que é dado pela expressão: [2] e o fluxo luminoso através de ds é: [3] O fluxo total médio emitido por uma fonte de luz pode ser obtido pela integral de fluxos calculados em pequenas áreas, sendo a intensidade luminosa constante, tem-se a equação 04 (NEGRISOLI, 1987): [4] 4
2.2.3. ILUNINÂNCIA (E) A iluminância num ponto de uma superfície (S) pode ser calculada a partir do quociente da intensidade luminosa ( I ) da fonte e da distância ( r ) ao quadrado entre a fonte e o ponto iluminado. Se a luz incidir perpendicularmente na superfície, será válida a seguinte relação do cálculo de iluminação: [5] A luz adicional proveniente da reflexão em tetos ou paredes não está prevista pela fórmula de calculo da iluminação ponto por ponto. Pela equação 03 e 04 (MAMEDE, 2007) pode-se relacionar a iluminância com o fluxo luminoso, observando-se assim que a iluminância é uma densidade de fluxo luminoso e sua unidade é lux, sendo um 1 lux (lx), por exemplo, o fluxo 1 lm incide uniformemente na superfície de 1 m². Assim: [6] MÉTODO Inicialmente foi realizada uma pesquisa bibliográfica para levantar na literatura as diferentes tecnologias de sistema de iluminação mais utilizadas e foram encontradas lâmpadas do tipo: LED, mista, fluorescente e incandescente. Para a determinação do fluxo luminoso, parâmetro principal que caracteriza a iluminação, utiliza-se a equação 07. Sendo o fluxo total a ser emitido pelas lâmpadas, em lumens, iluminância média [7] requerido pelo ambiente a iluminar, em lux, S a Área do recinto, em m², o Fator de utilização do recinto e o Fator de depreciação do serviço da luminária (MAMEDE, 2007). Para determinar o rendimento luminoso é necessário obter a potencia ativa nominal para a lâmpada em questão. O mesmo pode ser determinado de acordo com a equação 08. 5
[8] Sendo a tensão nominal aplicada ao circuito elétrico, I a corrente nominal em Amperes e cosθ o fator de potencia da lâmpada (MAMEDE, 2007). Através dos dados do fluxo e potencia nominal, calcula-se então o rendimento luminoso de acordo com a equação 09. [9] Para uma melhor comparação da eficiência energética das tecnologias utiliza-se também o índice comparativo dado pela equação 10: [10] Para implantação de novas tecnologias no setor de iluminação deve-se analisar o tempo de retorno financeiro do projeto, sendo utilizados parâmetros apresentados anteriormente que determinarão o consumo de energia elétrica, El, pela equação 11. [11] Sendo a energia elétrica consumida pelo sistema de iluminação (kwh), P a potência da lâmpada, watts (W), e t o tempo de operação do equipamento em horas (h). Ao obter os dados equivalentes ao consumo de energia elétrica calcula-se então o custo mensal em Reais, pela equação 12: [12] 6
Sendo Valor o custo do consumo de energia elétrica em um mês de utilização (R$); Qde a quantidade de lâmpadas empregada no sistema de iluminação, e c o custo kwh. Finalizando as analises determina-se o payback do projeto proposto através da equação 13: [13] Sendo o p o valor do payback, ano -1, C o custo com as lâmpadas e instalações, (R$), e a economia obtida com a lâmpada de melhor IC encontrada em e (R$). Sendo t o tempo de analise, 12 meses = 1 ano. Caracterização do Estudo de Caso Para aplicação da melhor tecnologia de iluminação no projeto de 200 casas populares, foi realizado um estudo bibliográfico de características ligadas à eficiência energética e de luminosidade. A seguir foram realizadas montagens em laboratório para comparação e validação dos parâmetros em questão. É importante salientar que as lâmpadas de diferentes tecnologias foram avaliadas sobre as mesmas condições experimentais. Para medição de fluxo luminoso foi utilizado um luxímetro de marca Minipa, modelo 1150. A seguir, foi realizada uma comparação entre lâmpadas de maior eficiência para aplicação no projeto. O conjunto habitacional é formado por 200 casas com 5 cômodos e 12 lâmpadas instaladas com consumo médio de 6h diárias. Somados as informações qualitativas da tecnologia é realizada uma analise de custo e viabilidade econômica para o projeto, determinando-se, então, o payback para aplicação do projeto. 7
APLICANDO NOVAS TECNOLOGIAS PARA REDUÇÃO DE CONSUMO ENERGÉTICO Na tabela 1 apresentam-se alguns dos principais equipamentos utilizados para iluminação em varias aplicações. A tabela mostra dados de fluxo luminoso, potencia e rendimento nominal para cada tecnologia. Tabela 1: Comparação de eficiência luminosa nominal entre diversos tipos de lâmpadas Potência Fluxo luminoso Eficiência energética Equipamento Tipo (W) (lm) (lm/w) Incandescente 40 470 11,75 Lâmpadas Fluorescente 35 2000 57,14 Led 9 525 58,33 Mista 160 3000 18,75 Na tabela 2 apresentam-se os resultados obtidos a partir de montagem experimental em laboratório. Comparando os equipamentos de iluminação (lâmpadas) de menor e maior eficiência energética. Para as medições realizadas o sistema de iluminação foi projetado a partir dos valores de fluxo luminoso nominal informado pelos fabricantes, desta forma, utilizou-se uma quantidade de lâmpadas para manter a igualdade nominal deste parâmetro. Pode se observar também que uma lâmpada LED de 9 W possui uma eficiência energética em torno de 50 % maior que uma Lâmpada fluorescente de 35 W. Em relação a lâmpada incandescente de 40 W, a lâmpada LED possui um desempenho ainda maior, chegando a uma diferença de 90% em eficiência energética. Observa-se, que em relação à lâmpada incandescente, a lâmpada LED, além de ter um melhor rendimento em relação à eficiência energética, que é a razão entre a luminosidade e quantidade de watts utilizados, a mesma se mostra 10 vezes mais econômica, pois utiliza 9 W para gerar uma luminosidade aproximadamente de mesma intensidade. 8
Tabela 2: Parâmetros experimentais obtidos a partir de montagem em laboratório. Potência Fluxo luminoso Eficiência energética Equipamento Tipo/Qte. (W) (lm) (lm/w) Incandescente/4 160 634,615 3,96 Lâmpadas Fluorescente/2 51 980,769 19,23 Led/2 18 711,538 39,52 Mista/1 160 769,230 4,80 Na tabela 03 apresentam-se os valores comerciais das lâmpadas utilizadas no trabalho e os resultados obtidos para o índice comparativo, que faz uma relação custo beneficio. Esse índice apresenta-se de grande importância devido à viabilidade do tempo de vida útil das lâmpadas. De acordo com a equação 10 observa-se que quanto maior o tempo de vida útil da lâmpada, menor o índice comparativo, o que fica evidenciado na tabela 03. Desta forma, também relacionam-se o índice em questão com o custo de substituição das lâmpadas. Sendo para lâmpadas com menor tempo de vida, consequentemente mais elevado se torna o índice e o custo de substituição das lâmpadas. Por exemplo, para um tempo médio de vida de 1000 horas para uma lâmpada incandescente será necessário em comparação com a lâmpada LED, aproximadamente 40000 horas, a substituição de 160 lâmpadas o que onera um custo de 320,00 reais. Apesar da lâmpada LED possuir um custo vinte vezes maior que o da lâmpada incandescente ainda assim o índice demonstra-se favorável economicamente. Tabela 3: Índice comparativo das lâmpadas obtidos a partir de montagem experimental Vida Útil Custo Índice Comparativo Equipamento Tipo (horas) (R$) (lm/w) Incandescente 1000 8,00 2,02*10-3 Lâmpadas Fluorescente 4000 32,00 4,16*10-4 Led 40000 160,00 1,01*10-4 Mista 2000 11,00 1,14*10-3 PAYBACK Para o estudo de caso verifica-se, pela tabela 4, que uma economia de R$ 15,56 mensais pode ser obtida com os métodos apresentados em uma única residência, chegando ao montante de R$ 3.112,00/mês para todo conjunto habitacional. De acordo com a tabela observa-se também que o tempo de retorno é de 4,49 anos. Sendo que, o tempo de vida das lâmpadas LED é de 9
aproximadamente 18 anos de utilização, desta forma, verifica-se que ao longo do tempo o equipamento é economicamente viável e também reduz impactos ambientais com resíduos sólidos. Além disto, com a economia gerada ao conjunto habitacional, pode-se investir o valor obtido em tecnologias que reduzem o consumo de energia e proporcionam ganho de vida a população. Por exemplo, sistema de aquecimento solar, que segundo Pasa (PASA et. al, 2012), pode gerar uma economia de aproximadamente R$ 50,40/ mês, considerando uma família de três pessoas. Levando em conta o custo do sistema de aquecimento solar estar em torno de R$ 2.500,00 e uma economia anual de R$ 37.344,00, o sistema de aquecimento solar seria pago para todo conjunto em aproximadamente em 13,3 anos. A tabela 4 também apresenta que é necessário um investimento total de R$ 168.000,00 para realizar a implementação de iluminação LED para o conjunto. Tabela 4- Payback para aplicação de lâmpadas LED Payback residencial Custo R$ Economia mensal (R$) Tempo (Meses) Payback(Ano, meses) 840,00 15,56 12 4.49 Paybackconjunto habitacional 200 casas Custo (R$) Economia mensal (R$) Tempo (Meses) Payback(Ano, meses) 168.000,00 3112,00 12 4.49 CONCLUSÕES Segundo o estudo realizado, conclui-se que lâmpadas incandescentes, mistas e fluorescentes possuem um rendimento energético e luminoso inferiores as lâmpadas LED. Em contra partida as lâmpadas LED possuem alto custo financeiro. Observou-se que utilizando equipamento de tecnologias mais eficientes pode-se diminuir custos com consumo de energia elétrica, melhorando assim a qualidade de vida e rendimento econômico das pessoas. Equipamentos como lâmpadas LED, além de trazerem melhor rendimento energético, trazem conforto aos clientes afastando insetos tão abundantes na região norte dos pais. Observa-se também que é necessária a realização de trabalhos socioeducativos que apresentem a importância de uma consciência ambiental e socioeconômica. 10
REFERENCIAL BIBLIOGRÁFICO AGUIAR, C M. L. S. A Iluminação na Tipologia Hotel. Dissertação de mestrado. Porto Alegre: UFRGS, 1999. Programa de Pesquisa e Pós-Graduação em Arquitetura, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 1999. FILHO, R. A. S. Sistema de gestão ambiental como estratégia empresarial no ramo hoteleiro. Revista Produção Online. 2008 MAMEDE, J. F. Instalações elétricas industriais, 7 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2007. 50 p. MME-Ministério de Minas e Energia. PNEF Plano Nacional de Eficiência Energética, 2011. Disponível em: http://www.mme.gov.br/mme/galerias/arquivos/planonacefienergetica.pdf> Acessado em: 06/03/2014. NEGRISOLI, M. E. M. Instalações elétricas: Projetos prediais em baixa tensão, 3 ed. São Paulo: Blucher, 1987. 13 p. NOVICKI, J. M.; RODRIGO MARTINEZ. Leds para iluminação pública. Trabalho de conclusão de curso de graduação em engenharia elétrica. Curitiba: UFPR, 2008. Programa de graduação em Engenharia Elétrica. Universidade Federal do Paraná, 2008. PASA, U. C. M.; BRAGHINI JUNIOR, A. B.; SOUZA, S. N. M. Avaliação da eficiência energética em edificações e sua relação com os materiais construtivos empregados. Revista Científica Eletrônica de Engenharia de Produção. Florianópolis. 2012. VALENTIN, A. A.; FERREIRA, H. S.; COLETTO, M. A. Lâmpadas de led: Impacto no consumo e fator de potência.revista Ciências do Ambiente on-line. 2010 11