SOFTWARE PARA O CÁLCULO DO NÚMERO DE LÂMPADAS, LUMINÁRIAS E DA DISTRIBUIÇÃO NO AMBIENTE VISANDO O USO EFICIENTE DA ENERGIA ELÉTRICA Resumo TEÓFILO MIGUEL DE SOUZA INÁCIO BIANCHI Professores Assistentes Doutores Unesp Campus de Guaratinguetá SP Departamento de Engenharia Elétrica - Centro de Energias Renováveis teofilo@feg.unesp.br ibianchi@feg.unesp.br No Brasil, a iluminação artificial representa um valor bastante expressivo no consumo de energia elétrica. O bom desempenho de um sistema de iluminação depende dos critérios estabelecidos no projeto elétrico, envolvendo informações sobre lâmpadas, luminárias, ambiente iluminado e o tipo de atividade a ser executada no local. Este artigo apresenta um software de fácil uso, que, requerendo pequena capacidade computacional, permite fazer uma seleção criteriosa das lâmpadas e luminárias, da distribuição das mesmas no ambiente, e das distâncias entre elas (lay-out) promovendo uma iluminação adequada e energeticamente eficiente. Os resultados são apresentados, através do monitor de vídeo, com saída para arquivos em disco, que podem ser impressos e anexados ao memorial descritivo do projeto. Assim, várias alternativas podem ser fornecidas rapidamente através do programa para uma pré-análise da viabilidade econômica do projeto de iluminação. Palavras-chave: Software de cálculo luminotécnico, Iluminação eficiente. Abstract In Brazil artificial lighting contributes with expressive value to electric power consumption. Good performance of lighting system depends of criterion fixed on the electric design conception that takes into account the information about lamps, environment and type of work carried on the local. This paper presents an easy of use and low computational requirements software used to choice lamps, fixtures and its lay-out aiming a good and efficient illumination system design. Its textual format results are displayed at the video monitor, and stored in files, and can be printed and attached to the technical memorial report. So, a presentation of several design options can be furnished quickly through the software for an economic pre-analysis of illumination design. Keywords: Software for lighting calculation, efficient illumination. 1 Introdução No Brasil boa parte da energia elétrica consumida é dedicada à iluminação artificial. Baseado em dados das décadas de 1980 e 1990 estima-se que as edificações públicas e comerciais consomem com iluminação 44 % e as residenciais 25 % do total da sua energia elétrica consumida (Poole, 1997), assim, projetos eficientes de iluminação podem prestar uma grande contribuição para o uso racional e eficiente da energia elétrica no Brasil. Este trabalho apresenta e descreve um software, denominado LAMPADA, desenvolvido para rodar em DOS. Com código com tamanho reduzido de linhas pode ser executado a partir do drive de 3 ½ de qualquer micro PC. O software, de baixo custo, pode ser usado por qualquer pessoa que queira fazer um projeto de iluminação de qualquer tamanho e natureza e baseia-se em um banco de dados
de informações retiradas de catálogos sobre lâmpadas e luminárias disponíveis no mercado, e nos algoritmos de cálculos luminotécnicos comuns [Cotrim, 2003]. As lâmpadas transformam a energia elétrica em luz, e com o auxílio das luminárias, se obtém, além do aspecto visual agradável, melhor rendimento luminoso, melhor proteção contra as intempéries e ligação à rede. Pela importância no projeto luminotécnico, as principais características e os modelos mais comuns existentes de lâmpadas atualmente no mercado serão aqui apresentados brevemente. 2 Tipos de lâmpadas considerados pelo software Basicamente as lâmpadas usadas em luminárias atualmente, e cujos dados constam no banco de dados do software LAMPADA, pertencem a um dos seguintes grupos: 1. Lâmpada incandescente utilizada em locais em que se deseja luz dirigida, portátil, e com flexibilidade de escolha de ângulos de abertura de facho luminoso. Pode ser também usada em luminárias com lâmpada do tipo refletora. Em residências é empregada na iluminação geral de ambientes ou quando se desejam efeitos especiais. Nos estabelecimentos comerciais é indicada para destacar as mercadorias ou para iluminação geral. Nas indústrias usa-se na iluminação geral ou suplementar nas máquinas de produção ou em locais com problemas de vibração (lâmpada para serviço pesado) ou ainda em estufas de secagem (lâmpada de infravermelho). 2. Lâmpada de quartzo (halógena) é um aperfeiçoamento da lâmpada incandescente, constituída de um tubo de quartzo dentro do qual existem um filamento de tungstênio e partículas de iodo. Apresenta as seguintes vantagens sobre a lâmpada incandescente comum: vida mais longa, ausência de enegrecimento do tubo, maior eficiência luminosa, melhor reprodução de cores e reduzidas dimensões. Pode ser usada em interiores nos mesmo locais que a lâmpada comum, em iluminação externa, iluminação de proteção, de áreas de carga e descarga de mercadorias de prática desportiva. Sempre protegida por luminária. A lâmpada incandescente ainda pode ser de aplicações específicas tais como: espelhada do tipo comptalux, de facho médio, de bulbo prateado, germicidas, de luz negra, de infravermelho. 3. Lâmpada fluorescente pelo seu ótimo desempenho, é mais indicada para iluminação de residências e de estabelecimentos comerciais e industriais. Tem espectro luminoso indicado para cada aplicação. Não permite o destaque perfeito das cores, porém, utilizando-se a lâmpada branca fria, permite-se uma razoável visualização do espectro de cores. Em residências pode ser usada em cozinhas, banheiros, garagens, etc. A do tipo HO (high output) tem grande aplicação em escritórios, mercados, lojas, é indicada por razões de economia, pois, sua eficiência luminosa é muito elevada. 4. Lâmpada fluorescente compacta com potências de 5 W a 35 W, oferece vantagens significativas como uma alternativa às lâmpadas incandescentes comuns com até 80% de redução de consumo de energia, dimensões compactas e uma vida útil de até 10000 horas. 5. Lâmpada mista possui uma eficiência inferior à lâmpada fluorescente e superior à da incandescente. Em geral é usada quando se deseja melhorar o rendimento da iluminação incandescente, pois não necessita de nenhum equipamento auxiliar, bastando colocá-la no lugar da incandescente, porém, exige que a tensão da rede seja de 220 V. Utilizada em iluminação interior de indústrias, galpões, postos de gasolina, etc, e também em iluminação externa. 6. Lâmpada de vapor de mercúrio empregada em interiores de grandes proporções, em vias públicas e áreas externas. Pela sua vida longa e alta eficiência, tem um bom emprego em galpões de grande pé direito, onde o custo de substituição de lâmpadas e reatores é elevado. Onde há a necessidade de melhor destaque de cores, deve ser usada lâmpada com feixe corrigido.
7. Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão apresenta a melhor eficiência luminosa, por isso, para o mesmo nível de iluminação, pode-se economizar mais energia do que em qualquer outro tipo de lâmpada. Devido às radiações de banda quente, esta lâmpada apresenta o aspecto de luz branco-dourada, porém, permite a visualização de todas as cores, por reproduzir todo o espectro. Utilizada em iluminação de ruas, áreas externas, indústrias cobertas, etc. Deve-se observar que o uso de lâmpadas que necessitam de reatores ou dispositivos especiais de partida, tais como fluorescentes, de vapor de sódio, metálico e mercúrio, diminuem o fator de potência da instalação, representando portanto uma desvantagem em relação às demais, entretanto, esta desvantagem pode ser minimizada com o uso de reatores de alto fator de potência. 3 Algoritmo de cálculo do número de lâmpadas e de luminárias No software LAMPADA, o cálculo do número necessário de luminárias para iluminar um determinado plano de trabalho de área S empregando um dado tipo de lâmpada é feito utilizando-se o seguinte algoritmo: 1. Escolher o nível de ilumância média E m em lux, baseando-se nos seguintes critérios: Ambientes de trabalho exigem no mínimo 150 lux; Locais de tarefas visuais simples ou variadas (trabalho bruto) exigem de 250 a 500 lux; Locais de observações contínuas de detalhes médios ou finos (trabalho normal) exigem de 500 a 1000 lux; Locais de tarefas visuais contínuas e precisas (trabalho fino, desenho) exigem de 1000 a 2000 lux; Locais de trabalho muito fino exigem no mínimo 2000 lux. 2. Calcular o fator do local K, que depende das dimensões de ambiente, empregando-se a equação: CL K = ( C + L) A (1) na qual C é o comprimento (em m), L é largura (em m) do ambiente e A é a altura da luminária ao plano de trabalho (em m). 3. Determinar o fator de utilização η (0 η 1) que indica os coeficientes médios de reflexão do teto, das paredes e do piso. Este fator depende do valor de K, porém, resultados práticos aceitáveis podem ser obtidos com o cálculo de η feito seguindo-se os valores da tabela 1, que representam uma média entre os valores fornecidos pelos fabricantes. Tabela 1 Relação entre o coeficiente de utilização e o tipo de ambiente a ser iluminado Características das superfícies do ambiente η Teto Paredes Piso Claro Claras Claro 0,8 Claro Claras Escuro 0,6 Claro Escuras Escuro 0,4 Escuro Escuras Escuro 0,2 4. Obter do fator de depreciação, d (0 d 1), que depende da manutenção do ambiente. Com o tempo, as paredes e tetos ficarão sujos, os equipamentos de iluminação acumularão poeira e as lâmpadas fornecerão menor quantidade de luz. Na prática, para amenizar o efeito desses
fatores, admitindo-se uma boa manutenção periódica, pode-se adotar os valores de depreciação da tabela 2. Tabela 2 Valores de depreciação para cada ambiente Ambiente Período de manutenção 2500h 5000h 7500h Limpo 0,95 0,91 0,88 Normal 0,91 0,85 0,80 Sujo 0,80 0,66 0,57 5. Calcular o fluxo luminoso total φ T em lúmens, pela equação: SE φ m T = (2) ηd 6. Calcular o número de lâmpadas ou luminárias necessárias Q pela equação: φt Q = F (3) na qual F é fluxo de cada lâmpada ou luminária obtido do banco de dados do programa. 7. Determinar o espaçamento entre as luminárias, que depende de sua altura ao plano de trabalho (altura útil) e da sua distribuição de lux. O valor do espaçamento situa-se, geralmente, entre 1 a 1,5 vezes a altura útil, em ambas as direções, e o espaçamento entre as paredes e as luminárias deve corresponder à metade desse valor. 4 Descrição do funcionamento do software A figura 1 representa o diagrama de fluxo do software LAMPADA, onde se pode ter uma idéia da sua simplicidade de funcionamento. No atual estágio em que se encontra, a sua interface de comunicação de entrada com o usuário é puramente textual, e ao ser iniciado são apresentados, para o usuário escolher um, os seguintes tipos de lâmpadas: incandescente, fluorescente, mista, vapor de mercúrio, vapor de sódio, vapor metálico, halógena, fluorescente compacta, e as respectivas potências padronizadas disponíveis. As opções disponíveis no banco de dados do programa estão de acordo com os catálogos dos principais fabricantes, organizadas segundo a potência e o número de lúmens de cada lâmpada. Na entrada geral de dados são solicitados os seguintes valores: quantidade de lâmpadas por luminária, comprimento, largura e altura do local a ser iluminado, quantidade de lux desejado, o fator de utilização, características das superfícies (claras ou escuras), e o fator de depreciação. No bloco de cálculos é obtido o fluxo luminoso de cada lâmpada escolhida do banco de dados, são calculados: o fluxo total para o local, a quantidade de lâmpadas ou luminárias, as distâncias entre luminárias e entre luminárias e paredes conforme o algoritmo dado na seção anterior.
A saída geral de dados apresenta na tela a quantidade, o tipo, a potência e os lúmens de cada lâmpada. Ainda são apresentados o nível de iluminação, os tipos de superfície e o lay-out da distribuição das luminárias sobre a área, com suas respectivas distâncias. Tanto os dados presentes na saída como os de entrada são armazenado textualmente em um arquivo de dados cujo nome é fornecido ao programa quando o mesmo é iniciado. O software está sendo reescrito para rodar em Windows e conter opções mais detalhadas de cálculo, porém, para que a filosofia original não seja modificada, sua versão DOS continua sendo melhorada e mantida em funcionamento. 1 Início Sim Cálculo do número de luminárias ou lâmpadas? Não 2 Escolha do tipo de lâmpada Entrada geral de dados Cálculos Saída geral de dados 2 Novo cálculo? Sim 1 Não Início 5 Comentários e conclusões Figura 1- Fluxograma do software LAMPADA
O programa elaborado tem sido utilizado em projetos luminotécnicos reais de diferentes características, tais como: estádios cobertos, pátio de manobra de veículos e de shoppings, iluminação pública, residencial, comercial e industrial, e em edificações rurais. Por sua simplicidade de uso o software tem possibilitado realizar, de forma rápida e confiável, projetos eficientes que utilizam racionalmente a energia elétrica para iluminação. Como o programa mostra o lay-out do projeto, caso o usuário deseje outra opção, ele pode ser modificado executando o programa novamente alterando-se as escolhas das lâmpadas e de luminárias de modo a encontrar a disposição ideal das mesmas. Software como este teriam grande utilidade se utilizados por comunidades e cooperativas rurais, pois, geralmente no meio rural os sistemas de iluminação são feitos sem a realização de um projeto detalhado, acarretando em deficiência de iluminação ou gasto excessivo de energia elétrica. Referências bibliográficas [1] Poole, A.D., Geller, W.; O novo Mercado de Serviços de Eficiência Energética no Brasil, http://www.inee.org.br/down_loads/escos/escomerc.pdf; Instituto Nacional de Eficiência Energética; Rio de Janeiro RJ; 1997, 50p. [2] Cotrim, A.A.M.B.; Instalações Elétricas, 4ª Ed.; Prentice Hall; São Paulo SP; 2003, 678p.