REABILITAÇÃO DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO EM EDIFICAÇÕES RESIDENCIAIS PELO USO DO LED _ FINAL IV CIRMARE – Rio de Janeiro
Osvaldo R. Cruz Filho, D.Sc.
Centro Federal de Educação Tecnológica – CEFET – RJ Departamento de Eletricidade – Laboratório de Medidas e Instrumentação. (55)(21) 99975 8872.
Luiz Biondi Neto, D.Sc.
Universidade do Estado do Rio de Janeiro – UERJ
(55)(21) 996387485
Resumo
O trabalho proposto objetiva apresentar a redução do consumo de energia em sistemas de iluminação de edificação verticalizada residencial, utilizando como fonte de luz LED. Utilizando um edifício situado na cidade do Rio de Janeiro, possuindo área construída de 8940 m², que apresentava consumo médio de energia elétrica em 14544 kWh, foi possível propor um retrofit no sistema de iluminação. A recente tecnologia LED aplicada à iluminação já é identificada como a mais promissora fonte luminosa com melhor eficiência energética e a que deve apresentar menor custo de manutenção nos sistemas de iluminação. A metodologia utilizada foi baseada no levantamento in loco das fontes de luz existentes com seu uso temporal e o LED com distribuição ao longo da curva do corpo negro dentro dos limites máximos de variação das coordenadas de cromaticidade para cada valor de temperatura de cor. O custo da energia elétrica obriga a uma evolução permanente nos processos de reabilitação de edificações existentes, objetivando a redução de seu consumo de energia elétrica conduzindo a uma nova forma de garantir a qualidade do ambiente. O resultado alcançado com reabilitação efetuada no sistema de iluminação da edificação, comparado ao consumo de energia médio, apresentou uma redução de 1758,56kWh/mês.
Palavras-chave: Reabilitação de Edificações, Eficiência Energética, Retrofit.
Abstract
The proposed work aims to present the reduction of energy consumption in residential building vertical lighting systems, using as LED light source. Using a building located in the city of Rio de Janeiro, having built up area of 8940 m², which had an average consumption of electricity in 14,544 kWh, it was possible to propose a retrofit the lighting system. The latest LED technology applied to lighting is already identified as the most promising light source with improved energy efficiency and that it should provide lower maintenance costs in lighting systems. The methodology used was based on-site survey of existing light sources with their time and use the LED with distribution along the curve of the black body within the limits of variation in chromaticity coordinates for each value of color temperature. The cost of electricity requires a constant evolution in existing buildings rehabilitation processes, aiming to reduce its electricity consumption leading to a new way of ensuring the quality of the environment. The result achieved with rehabilitation carried out in the building lighting system, compared to the average power consumption, decreased by 1758,56 kWh / month.
Keywords: Rehabilitation of Buildings, Energy Efficiency, Retrofit.
- INTRODUÇÃO
Os edifícios residenciais, em sua maioria, depois de constituído o condomínio, passam a ter o funcionamento de suas instalações elétricas sem a supervisão necessária exercida através de um plano de manutenção, exceto para casos pontuais tais como; elevadores, sistemas de sucção e recalque de água, sistema de combate a incêndio e portas ou portões de acesso automatizados onde é mantido um contrato de manutenção mensal com uma empresa.
Assim, o sistema elétrico nestas edificações, com o passar do tempo fica sem receber a manutenção necessária, bem como, uma avaliação de seu desempenho.
É comum então, verificar nos sistemas de iluminação, que o conjunto luminária – lâmpada, instaladas em áreas comuns, apresenta depreciação do fluxo luminoso, originando consumo de energia elétrica ativa constante, com perda no nível de iluminância. A eficiência desse conjunto é especificada em termos da taxa de emissão de luz, que corresponde à relação entre a luz total emitida pela luminária e a luz total gerada pelas lâmpadas, mas sem indicação de como é dada a distribuição da luz. Estes sistemas também acabam solicitando uma energia reativa excedente, implicando em um rebaixamento do valor do fator de potência da instalação.
Como, os condomínios de edifícios são geridos financeiramente pelos próprios moradores, todo o custo direto na aquisição de componentes, para reabilitação parcial ou total da edificação causa inicialmente desconforto aos seus usuários, sendo necessário, o entendimento que o beneficiamento virá ao longo do tempo, pelo retorno do capital empregado através da redução do consumo de energia elétrica ativa.
Esse trabalho objetiva mostrar a redução do consumo de energia elétrica em edificações verticalizadas com retorno do investimento direto em tempo inferior a 24 meses. [1]
1.1 Características da edificação a ser avaliada
Tomando-se o condomínio do edifício, “Z” na zona norte, situado no município do Rio de Janeiro, que possuí área construída de 8940 m² distribuída da seguinte forma:
- Dois pavimentos de garagem, uma no subsolo, e uma no térreo.
- Subsolo contendo casa de bombas, lixeira e vestiário para funcionários.
- Um pavimento térreo com entrada e portarias social e de serviço independentes.
- Um pavimento de playground no segundo piso contendo, sala de administração, cozinha, salão de festa, quatro banheiros, sala de sauna, área de recreação.
- 16 pavimentos tipo com dois halls social independente, hall de uso comum e escada de serviço entre pavimentos.
- Um pavimento com cobertura e telhado contendo casa de máquinas de elevadores.
Este condomínio mantinha o sistema de energia elétrica desta edificação, com supervisões manuais mecânica, exercidas por funcionários do condomínio.
O Consumo médio ao longo de doze (12) meses apresentava valor de 14777,5 kWh com uma potência elétrica ativa média de 20,54 kW, tomando-se mês base da Light de 720 horas. Dentro deste consumo, constavam as cargas de iluminação e força motriz.
A situação em que se encontrava o condomínio do edifício quanto ao consumo de energia está apresentado no gráfico 1.
Gráfico 1 – Consumo de Energia Elétrica de 12 meses
Fonte: Condomínio – Base de Dados – LIGHT (2013/2014)
2 Metodologia
A metodologia utilizada no estudo em questão foi baseada no levantamento in loco do uso da eletricidade na edificação, relativo ao sistema de iluminação, com identificação das potências elétricas ativas das fontes de luz e no estudo comparativo dessas fontes com fonte de luz produzida pelo LED (diodo emissor de luz) na melhor variação das coordenadas de cromaticidade e valor real de fluxo luminosos produzido, verificado posteriormente através da medição do consumo de energia elétrica ativa.
3 Avaliação do sistema
O consumo de energia elétrica no Brasil totalizou 38.196 gigawatts-hora (GWh) de acordo com dados divulgados pela Empresa de Pesquisa Energética (EPE) em 2014, vinculada ao Ministério de Minas e Energia. Para esse total, 20% da energia elétrica consumida são efetuadas através da iluminação artificial. Destes, mais de 40% são consumidas pelo setor de comércio e serviço e cerca de 20% estão no setor residencial. As perdas de energia devido à iluminação ineficiente são de valores bem expressivos e nessa situação estão às fontes incandescentes e algumas a descarga. Os baixos custos de aquisição das fontes incandescentes constituem ainda um forte parâmetro para a ineficiência da iluminação em residências. Com a proibição da comercialização de lâmpada incandescente de potência nominal de 60 W, a partir de julho de 2015 em todo o Território Nacional, haverá necessidade da troca por outra fonte de luz para substituição.
Ao se economizar energia elétrica com a iluminação, ganha o meio ambiente, uma vez que a geração de energia elétrica tem impacto ambiental e contribui com a redução do consumo de energia elétrica.
A eficiência de um sistema de iluminação artificial está diretamente relacionada à eficiência luminosa (η) da fonte de luz, que é caracterizada pela relação entre fluxo luminoso (lm) emitido e a potência (W) requerida. A eficiência das fontes de luz contribui diretamente para a eficiência energética do sistema. [2]
O levantamento do sistema de iluminação encontrado no edifício está mostrado na tabela 1, FLT – Fluorescente Tubular, FLC – Fluorescente Compacta.
Tabela 1 – Sistema de iluminação do condomínio.
Fonte: Condomínio – 2014
As refletâncias das superfícies internas foram verificadas utilizando-se o método do papel branco. Tomando a refletância do papel branco como sendo de 90%, a refletância da superfície será determinada através da expressão: [3]
– refletância da superfície (%). 
– iluminância refletida pela superfície (Lux)
– iluminância refletida pela superfície do papel branco (lux).
Tabela 2 – Refletância superficial das paredes.
Fonte – Condomínio 2014
4 Reabilitação do sistema de iluminação
O condomínio em sua rotina de utilização do sistema de iluminação apresentava um plano de escalonamento na distribuição do acionamento das fontes de luz compartilhado em três períodos de funcionamento; de 07h – 17h; de 17h – 22h e de 22h – 07h.
Em cada um dos períodos, o sistema apresentava carga parcial em relação ao total de cada local, conforme mostrado nas tabelas 3, 4 e 5. A potência ativa total do sistema de iluminação é de 6370 W.
Tabela 3 – Porcentagem da potência ativa total 1º período
Fonte – Condomínio 2014
Tabela 4 – Porcentagem da potência ativa total 2º período
Fonte – Condomínio 2014
Tabela 5 – Porcentagem da potência ativa total 3º período
Fonte – Condomínio 2014
Com o escalonamento estabelecido pela administração do condomínio, a potência elétrica ativa, tomando-se os valores fornecidos pelos fabricantes em cada uma das fontes de luz, conforme estabelecido na tabela 1 apresentava seu valor para cada período correspondendo a seguinte condição:
- Primeiro período – 07h – 17h P = 4320 W
- Segundo período – 17h – 22h P = 5775 W
- Terceiro período – 22h – 07h P = 4780 W
Dessa forma, com a distribuição estabelecida pelo condomínio, a participação da iluminação no consumo de energia mensal correspondia a 3596kWh.
Para substituir uma fonte qualquer de iluminação por LED, esse deve ser capaz de reproduzir luz ambiente e, para isso, é necessário que emita luz que tenha todos os comprimentos de onda do espectro visível. Lâmpadas LED atualmente duram aproximadamente três vezes mais que as lâmpadas fluorescentes compactas [4], [6], [8].
A luz branca, qualificada por nós humanos, é formada a partir da composição de vários comprimentos de ondas onde resulta em uma distribuição espectral de potência capaz de sensibilizar os nossos olhos, sendo então transformada em sinais visuais por nosso cérebro. A composição das intensidades e dos valores desses comprimentos de ondas irão nos permitir perceber diferentes tipos de luz branca as quais qualificamos, informalmente, em três (3) categorias; branco frio, neutro, e quente. Essa qualificação está identificada no diagrama CIE 1931, representado na figura 1, através da temperatura de cor TC(K) da fonte de luz onde 5000a 6000K corresponde a branco frio, 4000K neutro e 2500 a 3000K quente. A representação da curva do corpo negro com valores das temperaturas de cor e seus respectivos quadrantes que limitam as coordenadas de cromaticidade estão baseados nos estudos das elipses de MacAdam, representadas na figura 2 [7], [9].
Figura 1 – Representação do diagrama CIE 1931.
Fonte – Nature communications journal
Figura 2– Representação do diagrama CIE 1931.
Fonte – Ocean optics
Através das elipses de MacAdam é possível verificar a distribuição dos pontos centrais dos quadrantes alojados sobre ou próximos à curva do corpo negro, de forma que, esses podem ser considerados realmente brancos. Assim, quando nos afastamos pelas coordenadas x, y do corpo negro, curva (vermelha), da figura 2, que corta o quadrante horizontalmente, observa-se o fenômeno do tingimento, isso é, mescla de cores adjacentes. Tomando um LED de 4000K sobre a curva do corpo negro, a curva perpendicular representa a curva isométrica relativa aos 4000K de temperatura de cor. Assim, para y=0,39 e x=0,39 iremos ter uma coloração diferente do branco real, o mesmo ocorrendo para y =0,37 e x=0,375, apesar de estar sobre a temperatura de 4000K.
Tomando-se amostras de fontes de luz fluorescente tubular e compacta, LED pontual e LED tubular, representadas na tabela 6, através do laboratório de luminotécnica da UFF, foi selecionada a fonte LED para substituir todas as lâmpadas fluorescentes.
Tabela 6 – Amostra de fontes fluorescente s LED
Fonte – LabLux – UFF
A adoção do LED (10W) e LEDT(18W) na substituição das fontes fluorescentes está relacionada a distribuição ao longo da curva do corpo negro, uma vez que o American National Standard Institute (ANSI) introduziu a norma para definir os limites máximos de variação das coordenadas de cromaticidade para cada valor de temperatura de cor. Nessa situação, essas fontes são as que apresentam o menor fenômeno de tingimento esverdeado [7].
5 Resultados encontrados
As substituições das fontes existentes pelas fontes de LED estão representadas na tabela 7 de maneira que, com essa mudança a potência ativa total instalada passa a ser de 3008 W.
Tabela 7 – LED utilizado na reabilitação.
Fonte – Condomínio 2014
Mantendo-se as condições estabelecidas pela administração do condomínio, quanto sua rotina de utilização do sistema de iluminação, compartilhado em três períodos de funcionamento cuja potência elétrica ativa utilizada corresponde a:
- 1º Período (07h – 17h) P = 2226 W
- 2º Período (17h – 22h) P = 2946 W
- 3º Período (22h – 07h) P = 2413 W
Tomando-se o mês padrão em trinta dias (30) conforme estabelecido pelas Concessionárias de Energia Elétrica, o consumo mensal do sistema de iluminação será de:
E = 1761,21kWh/mês.
De maneira a que se possam ter os registros efetuados, levantamento e aquisição de dados por memória de massa, que corresponda à confirmação para a reabilitação efetuada, foi utilizado um medidor modelo SAGA 4000 do fabricante ESB Eletronic Services Indústria e Comércio Ltda, mostrado através do gráfico 2.
Gráfico 2– Potência elétrica ativa registrada após reabilitação.
Fonte – Saga 4000 ESB memória de massa
Os registros referenciados no eixo horizontal correspondem ao período em que o instrumento ficou efetuando a acumulação das grandezas elétricas.
Tabela 8 – Registros e datas da memória de massa
Fonte – Saga 4000 ESB memória de massa
A potência elétrica ativa nos registros de massa apresenta como valores:
- Maior Valor: 27898,43 W
- Menor Valor: 11960,93 W
- Valor Médio: 19929,68 W
Tomando-se o valor médio das potências registradas no período e utilizando no consumo de energia mensal, será alcançado o valor de 13018,94kWh/mês, inferior ao médio anterior registrado em 12 meses.
- CONCLUSÃO
A reabilitação efetuada no sistema de iluminação comparado ao consumo de energia médio no período aferido no condomínio, entre maio/13 e abril/14, que corresponde a 14777,5 kWh houve uma redução de 1758,56kWh/mês ou 11,90% do consumo médio, através da reabilitação do sistema de iluminação.
As lâmpadas LED10W apresentam tempo de vida de 15.000h e as LED18W 20.000h, enquanto, as lâmpadas fluorescentes LFC apresentam tempo de vida 6.000h e as FLT tempo de vida em 10.000h. Dessa maneira, para os ambientes comuns com potência ativa em 100%, descritas nas tabelas 3,4 e 5, as LFC necessitam troca a cada 8,3 meses contra 20,8 meses das LED e as LFT necessitam de 13,8 meses contra 27,7 meses das LEDT.
O valor das lâmpadas LED10W é de R$49,90 e das LEDT18W R$76,17, dessa maneira o valor a ser investido na reabilitação alcança R$15.275,33. As lâmpadas fluorescentes foram descartadas pelo fornecedor das lâmpadas LED.
Tomando-se o valor da tarifa de energia elétrica, para consumidor classe B1 residencial, base julho de 2015 de acordo com a Light, é igual a R$ 716,92 por MWh com impostos. A redução em R$ 1260,74/mês com a reabilitação leva ao montante anual de R$15.128,80. Dessa maneira, em 12 meses, o condomínio passa a ter um ganho no consumo de energia, sem alterar as características funcionais do sistema de iluminação.
Trazendo os valores para a atualidade, uma vez que, os dados levantados remontam a 2014, para as lâmpadas passou a ser valor médio de R$ 14,90 para as LED10W e !7,30 para as LEDT18W. O valor com a compra direta alcança R$3590,90. Já o preço da tarifa exercida pela concessionária Light classe B1 passou a ser de R$1193,92 por MWh. A redução em R$ 2099,57/mês com a reabilitação leva ao montante anual de R$25194,95. Dessa maneira, em 3 meses, o condomínio passa a ter um ganho no consumo de energia, sem alterar as características funcionais do sistema de iluminação
Assim, a filosofia de implantação de equipamentos e componentes de tecnologia avançado em edificações residenciais a serem reabilitadas, pode parecer inicialmente inviável equivocadamente e funcionar como elemento desestimulador. Entretanto, a economia energética, a eficácia e o conforto, assim como, a racionalização dos serviços e da manutenção, permitem visualizar uma nova realidade econômica em que vivemos hoje no Brasil.
Outra excelente questão é que 98% dos materiais que compõem a lâmpada LED são recicláveis e não há metais pesados, como mercúrio, em sua produção (caso das lâmpadas fluorescentes).
A reabilitação do sistema de iluminação procurou uma solução para manter tanto a parte externa quanto a parte interna da edificação, o mais fiel do acabamento arquitetônico original, sem que fossem necessárias obras complementares.
REFERÊNCIAS
[1] MOREIRA, Jose F. C. Método para Retrofit em Sistemas de Iluminação de Hospitais Públicos: Estudo de Caso no Hospital Público Regional de Betim. 2010. 303p. Dissertação. Universidade Federal de Santa Catarina, 2010.
[2] ELEKTRO. Manuais Elektro de Eficiência Energética, Sistemas de Iluminação, 2011.
[3] LAMBERTS, R., GHISE, E. Desenvolvimento de uma metodologia para retrofit em sistemas de iluminação. Artigo Técnico. Labeee. UFSC.1997
[4] MARTINHO. L. LED: A iluminação do futuro. PROCEL, 2014.
[5] OCEAN OPTICS. Emissive Color Measurement of LEDs <http://oceanoptics.com/emissive-color-measurement>. Acesso em 24 de Julho de 2015.
[6] CAPUTO G. et al. Efficient and tunable photoluminescent boehmite hybrid nanoplates lacking metal activator centers for single-phase white LEDs. Nature Communications, December 2014.
[7] AMERICAN NATIONAL STANDARDS INSTITUTE (ANSI). ANSLG C78.377-2011. Specification for the chromaticity of solid state lighting products. 2012.
[8] NOGUEIRA, J. F., CASAGRANDE, C. G., RODRIGUES, C. R. B. S., BRAGA, H. A. C. Aplicação dos diodos emissores de luz orientada a sistemas de iluminação pública. CES Revista. V27,n.1, p. 31-39, jan/dez 2013. Juiz de Fora – MG.
[9] PAHJEHFOULADGARAN, M., KAARMA, A. Spectral Matching Functions and Ellipse Mappings in Search for More Uniform Chromaticity and Color Spaces. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 6474. P. 80-92. 2010.
Artigo apresentado no IV Congresso Internacional na Recuperação, Manutenção e Restauração de Edifícios – CIRMARE, em 2015, organizado pela UFRJ – Poli e UBI – Universidade da Beira Interior – Covilhã – Portugal.
