O consumo de energia eléctrica das instalações de iluminação de uma instalação industrial poderá variar entre 2 a 10% do seu consumo total, contudo num edifício de serviços representa, em média, cerca de 25% do consumo total do sector de serviços, o que torna a iluminação numa das utilizações finais prioritárias em termos da Utilização Racional de Energia.
Em resposta aos elevados consumos em iluminação procura-se, hoje em dia, instalar equipamentos que proporcionem os níveis de iluminação necessários ao desempenho das actividades, reduzindo quer o consumo de energia eléctrica quer os custos de manutenção dos sistemas, promovendo os níveis de conforto adequados.
1› Introdução
De uma forma geral, uma boa iluminação melhora a velocidade de percepção e aumenta a sensibilidade visual, pelo que os níveis de iluminação recomendados (DIN 5035 ou EN 12464-1) têm em conta o desempenho visual médio necessário à realização das tarefas. Deve ter-se em atenção que os valores recomendados nas normas são valores genéricos tendo em atenção os padrões médios de iluminação relativos a cada actividade. No entanto, é necessário ter em conta as condições específicas de cada aplicação, como as condições envolventes, a idade dos ocupantes e as características inerentes a cada tarefa.
Reduzir os níveis de iluminação recomendados com a finalidade de reduzir os consumos de energia é uma medida errada, já que normalmente esta atitude traduz-se num decréscimo de produtividade e num aumento da fadiga dos ocupantes, não esquecendo os problemas oftalmológicos que estão inerentes à falta de luminosidade.
O projecto de iluminação interior visa pois a obtenção de um nível uniforme de iluminação no espaço considerado, tendo em conta as condições do local, as tarefas a executar e as características dos utilizadores.
Para além das questões relacionadas com as instalações de iluminação propriamente ditas, convém referir que a fonte luminosa mais barata, a iluminação natural, é normalmente desprezada na concepção dos projectos arquitectónicos de edifícios, pelo que a redução nos custos energéticos destas instalações passa necessariamente pela valorização desta componente.
2› Conceitos básicos
A iluminação de qualquer espaço deve ser estabelecida de acordo com os critérios de quantidade e qualidade da iluminação proporcionada. Assim, deverão ser tomadas em consideração os seguintes parâmetros característicos das instalações:
›Níveis de iluminação: As diversas tarefas visuais desempenhadas requerem diferentes níveis de iluminação: quanto maior for o nível de detalhe ou menor for o contraste com o fundo, maior será a quantidade de luz necessária para a realização das tarefas. As instalações de iluminação devem pois proporcionar níveis de iluminação adequados, quer à exigência das tarefas a desempenhar, quer às características dos utilizadores, nomeadamente a sua idade e características visuais. Nesta medida, a Comissão Internacional de Iluminação, C.I.E., recomenda níveis mínimos de iluminação para as diferentes tarefas;
›Equilíbrio da iluminação: Uma distribuição equilibrada da iluminação, evitando uma iluminação direccional muito difusa ou demasiado forte reduzindo assim contrastes acentuados, é um factor imprescindível para o rendimento e conforto visual dos utilizadores;
›Encandeamento: O encandeamento, directo ou reflectido, produz nos utilizadores sensações de desconforto que, em casos extremos, pode conduzir à total incapacidade de visão. É vulgar a ocorrência deste fenómeno nas instalações com lâmpadas fluorescentes montadas em régua desprotegidas. A sua eliminação é fácil, sendo para tal necessário a instalação nas luminárias de grelhas difusoras ou de polarizadores;
›Restituição de cor: O modo como a luz reproduz as cores dos objectos designa-se por restituição de cor. Uma das características importantes das lâmpadas é o seu índice de restituição de cor, factor determinante para a sua escolha em função das tarefas a desempenhar e da necessidade da criação de uma atmosfera agradável, contribuindo assim para o aumento de rendimento.
A concepção das instalações de iluminação na óptica da utilização racional de energia, pressupõe a verificação de alguns paramentos, essenciais para a redução dos consumos energéticos, mantendo ou melhorando as condições globais de iluminação nos espaços considerados. Assim, deve ter-se em consideração os seguintes aspectos:
› Dar prioridade à iluminação natural, mantendo sempre limpas as áreas de entrada de luz;
› Dimensionar correctamente os níveis de iluminação necessários para os locais, prevendo níveis gerais de iluminação e níveis específicos para os diferentes postos de trabalho;
› Optar correctamente pelo tipo de iluminação mais adequada para os locais em questão, tendo também em atenção as necessidades de restituição de cor das tarefas a executar;
› Utilizar sempre equipamentos de rendimento elevado, não só no que se refere ao tipo de lâmpadas como também das luminárias e seus acessórios;
› Utilizar sistemas de controlo e comando automático nas instalações de iluminação;
› Proceder regularmente às operações de limpeza e manutenção das instalações, de acordo com um plano estabelecido, e apoiados preferencialmente nos sistemas automáticos de gestão de iluminação;
› Definir correctamente os períodos de substituição das lâmpadas, optando sempre pelo método de substituição em grupos.
Na maioria das situações o acréscimo de investimento inicial devido à utilização dos equipamentos atrás descritos é recuperado em tempo aceitável, através das economias de energia que proporcionam. Todas as soluções atrás referidas devem ser complementadas com uma correcta selecção de cores e matérias constituintes das superfícies envolventes (tetos, paredes e chão), de forma a melhorar as condições de distribuição de luz nos espaços.
O rendimento de um sistema de iluminação aumenta à medida que tornamos os espaços mais claros devido à distribuição de cores nas superfícies envolventes desses mesmos espaços. Este aumento pode atingir, em sistemas de iluminação indirecta, valores na ordem dos 50%, se compararmos com a situação inicial e definida como base. O aumento de rendimento do sistema pressupõe uma diminuição do número de luminárias instaladas e consequentemente uma redução da potência instalada e uma diminuição do consumo energético do sistema.
No entanto, a maioria das instalações existentes não foram projectadas tendo em conta a utilização das condições de iluminação natural e, como tal, torna-se necessário recorrer à abertura de janelas ou clarabóias, ou ainda à colocação de telhas translúcidas, ou até mesmo recorrer a soluções mais sofisticadas como são exemplos os dispositivos de orientação de luz solar, apresentados na figura anterior.
Contudo a iluminação natural não está disponível durante 24 horas por dia, como tal teremos de recorrer à iluminação artificial. Assim, sempre que possível deverá ser tomada em consideração a utilização de sistemas mistos de iluminação, devendo também ser instalados processos de controlo automático, de modo a garantir um nível uniforme de iluminação.
4› Lâmpadas
Tal como os outros receptores eléctricos, as lâmpadas apresentam diferentes rendimentos ou eficiências luminosas. O seu valor é expresso em lúmens por watt (lm/W) e representa a relação entre a quantidade de luz emitida e a quantidade de energia eléctrica absorvida.
As reduções do consumo de energia eléctrica nas instalações de iluminação passam pela utilização de lâmpadas de elevada eficiência luminosa, sendo para tal necessário conhecer as suas características principais de modo a realizar uma escolha criteriosa, não prejudicando a qualidade de iluminação.
Existem lâmpadas de diferentes tipos, umas servem para fins de iluminação, outras têm aplicações especiais. As características mais importantes duma lâmpada são:
› Fluxo luminoso que produz, ou seja a iluminação que dá (medido em lúmen);
› A eficiência luminosa, também designada por rendimento luminoso, é a razão entre o fluxo luminoso produzido (em lúmen) e a potência eléctrica instalada (em Watt);
› A gama de comprimentos de onda em que a lâmpada emite a radiação (em mícron ou em nanómetro), ou seja a restituição de cor (IRC);
› Duração (em horas), ou seja o tempo de vida médio da lâmpada.
As lâmpadas que servem para fins de iluminação emitem nos comprimentos de onda da luz visível. Mas existem lâmpadas que emitem na zona dos ultravioletas (UV), ou seja, em comprimentos de onda menores, e outras que emitem na zona dos infra-vermelhos (IV) ou seja em maiores comprimentos de onda.
Na tabela é indicado o aspecto e a eficácia média das lâmpadas para fins de iluminação, agrupadas por tipos. As lâmpadas têm uma eficácia tanto maior quanto maior for a sua potência. Em alguns tipos de lâmpadas, a eficácia pouco varia, no entanto noutras pode ter uma forte variação.
Todas as lâmpadas fluorescentes têm um elevado rendimento luminoso, baixo consumo e vida útil longa. Duram 8 a 10 vezes mais do que as lâmpadas incandescentes convencionais economizam cerca de 85% de energia. As lâmpadas fluorescentes tubulares são lâmpadas de descarga de mercúrio em baixa pressão, sendo as lâmpadas mais indicadas para soluções de iluminação em edifícios de serviços e até mesmo na indústria.
Como todas as lâmpadas de descarga, as lâmpadas fluorescentes também não funcionam sem balastro. Depois do arranque originado pelo arrancador, a tensão na lâmpada é inferior à tensão de alimentação, a função do balastro é limitar a corrente de maneira a que a lâmpada receba a corrente adequada para o seu normal funcionamento.
As lâmpadas fluorescentes compactas reúnem o atributo extraordinário das lâmpadas fluorescentes (baixo consumo de energia) e as vantagens das lâmpadas incandescentes (forma construtiva compacta e manipulação simples). Estas lâmpadas proporcionam economias de energia significativas para além de terem uma vida útil superior. Os modelos equipados com balastro electrónicos proporcionam arranques rápidos e seguros e sem cintilações.
O tipo de lâmpadas mais indicado para a iluminação no interior de edifícios de serviços é as lâmpadas fluorescentes tubulares. Dependendo do tipo de aplicação, podem também ser utilizadas lâmpadas fluorescentes compactas (CFL), sempre que se verificar um período de funcionamento contínuo superior a duas horas de funcionamento.
Na indústria é já usual alterar a iluminação de vapor de mercúrio por iluminação fluorescente do tipo T5, já que estas lâmpadas apresentam um rendimento superior e conjugando a lâmpada T5 com uma boa luminária, podem ser colocadas a alturas superiores a 8 metros sem grande perda de rendimento efectivo. A título de exemplo pode referir-se que a 7 metros de altura é possível trocar uma luminária de 250 W de vapor de mercúrio por 1 luminária dupla de 80 W do tipo T5, verificando-se uma economia próxima dos 40%.
Na iluminação exterior deverão ser utilizadas lâmpadas de iodetos metálicos ou de vapor de sódio a alta pressão, já que este tipo de lâmpadas, para a mesma potência nominal, fornece um fluxo luminoso superior às lâmpadas de vapor de mercúrio. Por vezes esta substituição pode ser directa, sendo que noutros casos é necessário substituir para além da lâmpada os componentes eléctricos (balastro e ignitor) e em casos de degradação acentuada da luminária, também se deverá proceder à sua substituição.
Deve referir-se ainda a existência de etiquetagem energética aplicada ao caso específico das lâmpadas, cujas etiquetas devem incluir, entre outra informação relevante, a respectiva classe de eficiência energética (Classe A, mais eficiente, até à Classe G, a menos eficiente).
A distribuição equilibrada das lâmpadas num espaço é um factor imprescindível para o rendimento e conforto visual dos utilizadores, devendo evitar-se uma iluminação direccionada muito difusa ou demasiado forte.
5› Luminárias
As luminárias são equipamentos que permitem filtrar, repartir e transformar a luz das lâmpadas, compreendendo todos os acessórios necessários para as fixar, proteger e unir ao circuito de alimentação eléctrica, e como qualquer outro equipamento apresentam também um rendimento. O rendimento de um aparelho de iluminação exprime a relação entre o fluxo total emitido pelas lâmpadas instaladas no aparelho e o fluxo efectivamente emitido pelo aparelho. Assim, quanto mais obstáculos se encontrarem entre as lâmpadas e o plano a iluminar, menor será a quantidade do fluxo luminoso dessas lâmpadas emitido pelo aparelho, e consequentemente menor será o seu rendimento.
Por razões conhecidas e que estão interligadas a conceitos como o conforto visual, o encandeamento e a qualidade de iluminação, os aparelhos de iluminação incluem, regra geral, um qualquer controlador de fluxo, sejam reflectores ou outros dispositivos difusores, cuja função é redireccionar todos os raios luminosos cujas trajectórias são indesejáveis. A qualidade e a forma do difusor vão afectar directamente o rendimento global da luminária. Assim, aspectos como a forma, o índice de reflexão e a uniformidade da superfície do difusor são de extrema importância.
Em relação ao índice de reflexão, é óbvio que quanto mais clara for a cor de um corpo melhor esse corpo consegue reflectir. Desta forma um reflector ‘lacado’ branco terá uma reflexão superior a qualquer outro tipo de material. No entanto, o ‘lacado’ apresenta a desvantagem do envelhecimento, deixando de ser branco e tomando tons amarelados. A utilização de um difusor em alumínio, independentemente do ambiente a que se encontra sujeito, consegue manter as suas características iniciais durante muito mais tempo. Deste modo, e do ponto de vista do longo prazo, a opção por um reflector em alumínio é a mais correcta.
No que respeita à rugosidade existem vários tipos de qualidades de alumínio, desde o alumínio com uma pureza de 99,8%, até ao alumínio com 99,9% de pureza. Este último é o que apresenta a superfície mais plana, conseguindo-se uma reflexão com maior intensidade, já que o fluxo não se dispersa.
A disposição das luminárias é um factor bastante importante na qualidade da iluminação, devendo ser disposta de modo a não criar encandeamentos nos planos de trabalho. O seccionamento dos circuitos eléctricos das luminárias, ou seja, a possibilidade de se apagar uma ‘fila’ de luminárias sempre que a iluminação seja suficiente, permitindo uma redução no consumo de energia em iluminação, é também outros dos factores de grande importância num sistema de iluminação eficiente.
6› Balastros
Um balastro é um dispositivo que, na sua constituição mais básica, tem duas funções primordiais:
› Limitar a corrente para valores apropriados, para que esta possa atravessar a lâmpada e produzir o efeito desejado;
› Elevar a tensão de forma a estabelecer uma diferença de potencial suficientemente elevada entre os eléctrodos para dar origem ao aparecimento de um arco eléctrico que provocará a descarga na lâmpada.
O primeiro balastro para lâmpadas fluorescentes teve origem nos anos 30. Era um balastro electromagnético constituído por um núcleo magnético de chapas laminadas envolvido por enrolamentos de cobre. Com o evoluir da tecnologia, diferentes materiais e dispositivos foram empregues, com o intuito de reduzir perdas e melhorar o rendimento.
Porém, com o constante evoluir da tecnologias e contínuos estudos na área de sistemas de iluminação, conclui-se que a operação de lâmpadas a alta frequência melhorava substancialmente a sua eficiência luminosa. Assim, e após a invenção do inversor, surge um novo conceito de balastro, o balastro electrónico.
O desenvolvimento dos balastros electrónicos tem por base o aparecimento de novas tecnologias, e a melhor eficácia obtida nas lâmpadas de descarga. Os balastros electrónicos convencionais convertem uma linha de tensão de 50 Hz numa de alta frequência. Neste processo salientam-se inúmeras vantagens, onde a principal é o aumento significativo da eficiência da lâmpada.
Este tipo de balastro apresenta inúmeras vantagens sobre o balastro electromagnético. Algumas destas vantagens são apresentadas seguidamente:
› Aumento da eficiência da lâmpada, devido ao uso de altas frequências;
› Eliminação do efeito ‘flicker’;
› Aumento do rendimento do balastro;
› Aumento da vida útil da lâmpada;
› Diminuição do ruído sonoro audível;
› Diminuição das dimensões do balastro.
Tipicamente, a eficiência da lâmpada aumenta cerca de 10% para frequências de operação na casa das 20 kHz, quando comparadas com frequências que rondam os 50 Hz, a estes 10% acrescem mais cerca de 15 a 20% de redução de potência do próprio balastro, o que se traduz numa economia de energia significativa.
7› Sistemas de controlo de iluminação
A iluminação deve ser utilizada apenas em níveis suficientes para as actividades desenvolvidas nos espaços em questão e apenas quando é necessária. A utilização de sistemas de controlo da iluminação, nomeadamente reguladores de fluxo luminoso, permite que o nível de iluminação seja apenas o necessário para a actividade desenvolvida, reduzindo assim o consumo energético em iluminação. Deve salientar-se que as lâmpadas fluorescentes tubulares com balastro normal não permitem a utilização de reguladores de fluxo luminoso.
A utilização de balastros electrónicos com regulação de fluxo permite uma poupança de energia elevada. Numa sala com exposição solar, o fluxo necessário por parte das luminárias (luz artificial) é muito inferior às 11:00 horas do que às 18:00. É nestas situações que a utilização destes balastros se torna mais vantajosa, pois permite ter uma economia de energia elevada e consequentemente um retorno do investimento mais rápido, além de proporcionar um conforto elevado.
Outro dos sistemas de controlo de iluminação que permite reduzir os consumos energéticos em iluminação é a instalação de sensores de presença e de sensores crepusculares, que quando integrados no sistema anterior permite uma maximização da economia de energia.
No entanto, como todos os equipamentos, os sensores de presença só funcionam eficientemente se forem bem dimensionados, ou seja, se forem bem posicionados de modo a actuarem sempre que necessário e essencialmente se as lâmpadas sobre as quais irão actuar forem incandescentes ou de halogéneo. Se se tratar de lâmpadas fluorescentes tubulares ou compactas, embora se economize no consumo, aumentam os custos com as lâmpadas, uma vez que a vida útil deste tipo de lâmpadas diminui bastante com o número de manobras.
Já a utilização de relógios temporizadores ou sensores crepusculares (células fotoeléctricas) na iluminação interior ou exterior permitem que a iluminação seja ligada apenas quando é necessária, evitando assim consumos de energia em horas de boa iluminação natural.
Considerações finais
Compete ao projectista definir o tipo de iluminação que deverá ser instalado em determinado local (exemplo: luz fluorescente), escolhendo também o tipo de lâmpadas a utilizar (exemplo: lâmpadas tubulares de alta frequência), a sua potência e restituição de cor, bem como o tipo de luminária e seus acessórios mais adequados ao local.
Esta escolha deverá ser o mais criteriosa possível, permitindo obter uma iluminação adequada às actividades a executar, com as vantagens daí inerentes, bem como obter reduções da potência eléctrica instalada provenientes da utilização de equipamentos com rendimento elevado.
A utilização de equipamentos mais eficientes do ponto de vista energético traduz-se num aumento do investimento inicial, permitindo no entanto, reduzir os custos de manutenção e exploração, sendo o de maior peso referente ao consumo de energia eléctrica.
O desenvolvimento tecnológico relacionado com os sistemas de iluminação, nomeadamente no que se refere a equipamento de alta frequência apoiado em sistemas de controlo automático com regulação de fluxo luminoso, tem sido de tal forma importante que, hoje em dia, compensa substituir as instalações existentes por outras apoiadas nos novos sistemas, pois o acréscimo do investimento inicial é recuperado através das economias de energia que estes sistemas proporcionam. Tendo em atenção os aspectos relacionados com a utilização racional de energia eléctrica, as instalações de iluminação devem satisfazer alguns requisitos que seguidamente se descrevem:
› Rentabilizar ao máximo as condições de iluminação natural, mantendo sempre limpas as zonas de entrada de luz;
› Utilizar a iluminação eléctrica como forma complementar da iluminação natural;
› Definição do nível de iluminação necessário à actividade a desenvolver no local, tendo em atenção as características dos utilizadores, das tarefas e do tipo de ambiente;
› Utilizar sempre lâmpadas de eficiência elevada: lâmpadas fluorescentes compactas de alta frequência em substituição das incandescentes; lâmpadas de vapor de sódio em substituição das de vapor de mercúrio; lâmpadas fluorescentes tubulares de alta frequência em substituição das standard, reduzindo assim o consumo energético para o mesmo nível de iluminação, permitindo tempos de retorno do investimento relativamente baixos;
› Utilização de Balastros Electrónicos na iluminação fluorescente: aumenta o tempo de vida útil das lâmpadas, diminui o consumo energético e anula o efeito ‘flicker’;
› Utilizar sistemas automáticos de controlo e comando de iluminação, tirando assim partido das condições de iluminação natural e das necessidades funcionais das instalações;
› Utilizar o método de substituição em grupo, como forma de manutenção das instalações;
› Mobilidade das armaduras, no caso de se projectar um sistema de iluminação para uma nave que não se sabe bem qual a actividade que ali vai ser exercida, deve prever-se a possibilidade das armações poderem ser mudadas consoante as necessidades;
› Seccionamento da iluminação, para que se possa apagar uma secção quando esta não for necessária;
› Iluminação Geral e local: em alguns casos é aconselhável a utilização de um tipo de iluminação geral mais ‘fraca’ e localmente onde seja necessário outro tipo de iluminação mais ‘forte’;
› Na maioria das situações verificadas, o acréscimo do custo de aquisição/substituição dos equipamentos mais eficientes é recuperado, em tempos bastante aceitáveis, pelas economias de energia que proporcionam;
› Por outro lado, e tendo em consideração que uma parte significativa do consumo eléctrico em iluminação, coincide com o período de ponta do tarifário, mais fácil se torna para o gestor energético a opção pela utilização de equipamentos mais eficientes, reduzindo assim a sua factura de energia eléctrica.
