AMPLIAÇÃO
E REMODELAÇÃO DA ILUMINAÇÃO PÚBLICA
TECNOLOGIAS DE FONTE DE LUZ MAIS
ADEQUADAS À REMODELAÇÃO EFICIENTE DOS PARQUES DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA DAS CIDADES
BRASILEIRAS.
Este
estudo visa verificar as vantagens de se optar pela tecnologia Led em
detrimento de outras tecnologias convencionais de iluminação pública. O Led tem
sido alvo de muito interesse dos administradores públicos, da comunidade
científica, da mídia e da população, seja por seu apelo energético, estético,
ambiental ou, simplesmente, por ser considerada tecnologia de ponta, porém, sua
acelerada evolução tem causado o surgimento de muita variedade na qualidade dos
produtos ofertados pelo mercado, causando dúvidas quanto a ser ou não a melhor
opção.
Neste artigo, verifica-se que o Led,
sob os pontos de vista técnico e econômico, é a tecnologia mais indicada para
cada aplicação em iluminação pública, seja na ampliação ou na remodelação dos
parques existentes nas cidades paulistas, o que já se pode perceber pelas
recentes iniciativas de algumas das grandes prefeituras do estado de São Paulo,
que já têm iniciado processos de licitação de parcerias público-privada para
administração da iluminação pública, cujo requisito básico é que todas as
luminárias sejam a Led de última geração.
INTRODUÇÃO
Desde o surgimento dos primeiros
serviços de iluminação pública, os prestadores deste serviço vêm acompanhando
uma crescente aceleração da evolução tecnológica das fontes de luz, em que,
historicamente, sempre houve um espaço de tempo suficiente para que as
tecnologias fossem colocadas à prova e fossem profundamente conhecidas em todos
os seus aspectos.
Porém, atualmente, o tempo entre o
surgimento de uma tecnologia e outra, presumidamente superior, é cada vez
menor. As vidas úteis declaradas são cada vez maiores a ponto de a sua
constatação direta não ser técnica e economicamente viável, pois em tempo menor
a este já terão surgido tecnologias mais eficientes.
O exemplo mais contundente deste fato
são os Leds, para os quais, em intervalos inferiores a um ano, surgem novos
aperfeiçoamentos da tecnologia que os tornam muitas vezes mais eficientes, sob
todos os aspectos.
Várias cidades do mundo têm
modernizado seu parque com luminárias Led, como é o caso de Los Angeles e Las
Vegas, nos Estados Unidos, além de grandes projetos na Índia e na Europa. Na
América do Sul, pode-se destacar São Paulo, São Bernardo do Campo, Rio de
Janeiro e Buenos Aires, que modernizarão 100% de seus parques.
No Brasil, a iluminação pública tem
sido utilizada como mais um instrumento de divulgação de uma imagem política
voltada às necessidades sociais e, muitas vezes, como mecanismo para aumento da
aceitação pública do administrador. Raramente é levado em consideração o grau
de competência técnica e econômica daqueles que decidem por qual tecnologia
será adotada, mesmo porque as consequências de uma má decisão surgirão, muito
provavelmente, no próximo período administrativo. Uma decisão
público-administrativa acertada sob os pontos de vista energético, econômico,
ambiental, estético e de segurança pode ser de grande utilidade aos interesses
políticos.
AS TECNOLOGIAS MAIS APLICADAS
As tecnologias disponíveis no mercado
para este uso, consideradas viáveis técnica e economicamente, são as lâmpadas
de descarga e o Led. Outras tecnologias, como lâmpadas incandescentes, lâmpadas
de indução, fluorescentes, por exemplo, não serão analisadas, tendo em vista
que as quantidades existentes são insignificantes e tendem a ser totalmente
substituídas.
LÂMPADAS DE DESCARGA
As lâmpadas de descarga, como as de
vapor de sódio em alta pressão e a multivapores metálicos, possuem eletrodos
numa cápsula com componentes internos que, quando submetidos a uma diferença de
potencial, forçam a passagem de corrente elétrica por meio do gás e vapores
metálicos que, por sua vez, emitem radiações eletromagnéticas em comprimentos
de onda, do ultravioleta ao infravermelho, sendo boa parte luz.
DIODOS EMISSORES DE LUZ
O Led é um dispositivo eletrônico
semicondutor, que permite a passagem da corrente elétrica em apenas um sentido.
É formado pela junção de dois terminais – anodo e catodo – que, quando
polarizados diretamente, há a recombinação de lacunas e elétrons, liberando a
energia na forma de luz, onde parte dela é transformada em calor na junção.
A estrutura básica de um Led é uma
pastilha semicondutora sobre uma superfície refletora, envolvida por uma resina
que direciona o facho luminoso.
CARACTERÍSTICAS DAS TECNOLOGIAS
RENDIMENTO ÓTICO DA LUMINÁRIA
O Led, possuindo dimensões muito
reduzidas e facho direto, pode ser considerado como fonte de luz pontual, o que
lhe confere grande versatilidade e facilidade para o direcionamento do seu
facho. Tal característica proporciona às luminárias Led altos rendimentos
quando comparadas com as luminárias para lâmpadas de descarga, que, além de
suas dimensões relativamente grandes, têm parte de seu fluxo emitido perdida
devido à absorção nos refletores e lentes e pela própria lâmpada, que funciona
como um obstáculo à luz rebatida pelo refletor.
TEMPO DE PARTIDA A FRIO E TEMPO DE
PARTIDA A QUENTE
O início do funcionamento de algumas
lâmpadas de descarga é dado pela aplicação de uma ddp de curta
duração (tensão elétrica de pulso), muito mais alta que a tensão nominal da
rede (de 0,75 kV a 4,5 kV), dependendo do seu projeto. Essa tensão de pulso
gerada por ignitores ou reatores eletrônicos é necessária para vencer a rigidez
dielétrica inicial dos vapores e assim promover o fluxo de uma corrente
elétrica.
Depois de iniciada a passagem da
corrente elétrica, a temperatura do gás e vapores metálicos sofre uma grande
elevação, reduzindo sensivelmente sua rigidez dielétrica.
O valor da tensão de partida é
calculado para a rigidez dielétrica que o gás apresenta em uma faixa de
temperatura não muito mais ampla do que a temperatura ambiente usual.
Quando é interrompido o funcionamento
de uma lâmpada de descarga, seu religamento só é possível quando a pressão
interna é reduzida pelo resfriamento dos vapores, de maneira que o pulso de
tensão possa romper novamente o dielétrico. O tempo de partida a frio das
lâmpadas de descarga é de três a cinco minutos, desde sua partida até
atingir 90% do fluxo luminoso total, e o tempo de partida a quente
necessita ainda mais dez a quinze minutos, para que ocorra a redução necessária
da pressão interna possibilitando o religamento (lâmpadas a vapor de sódio em
alta pressão podem religar imediatamente com 100% do fluxo para interrupções
inferiores a 20 s ou 30 s).
O Led não necessita de tempo de
resfriamento, retornando imediatamente a emitir luz depois de uma interrupção,
bastando que seja reestabelecida sua alimentação elétrica.
EFICIÊNCIA LUMINOSA DAS FONTES DE LUZ
O gráfico da Figura 1 apresenta a
evolução da eficiência energética das atuais tecnologias de fontes de luz, bem
como a evolução prevista para os próximos anos, em que se destaca a grande
vantagem dos Leds sobre as tecnologias concorrentes. Pode-se perceber que o Led
possui um horizonte muito mais amplo de aumento de eficiência do que as demais
tecnologias para os próximos seis anos.
Figura 1 – Histórico e projeção da
evolução da eficiência das fontes de luz.
Vida mediana e vida útil (depreciação
do fluxo luminoso)
Equipamentos eletroeletrônicos
apresentam, como uma de suas características, um determinado comportamento na
evolução das taxas de falha durante o decorrer de sua vida que podemos
representar graficamente pela Figura 2.
No início da vida dos dispositivos,
podem ocorrer falhas em curto espaço de tempo (mortalidade infantil) em função,
principalmente, de problemas de fabricação, transporte, manuseio e instalação.
Os dispositivos que não sofrem tais problemas iniciais passam então por um
período mais longo de operação normal, com taxa de falhas constantes, em função
das características do projeto do equipamento e das qualidades intrínsecas dos
seus materiais. A seguir, os dispositivos entram em uma fase de elevação da
taxa de falhas devido aos processos de deterioração (envelhecimento).
Figura 2 – Curva da banheira.
Durante a vida, a intensidade do
fluxo sofre depreciação até ocorrer uma falha. Antes de chegar ao fim de sua
vida, o fluxo decai a valores tão reduzidos que não podem ser considerados como
úteis à aplicação para a qual foram projetados. A partir desta característica,
foi criado o conceito de “vida útil”, função da depreciação do fluxo, que é o
tempo de utilização no qual o fluxo luminoso decai em uma determinada porção do
fluxo inicial, expressa em valor percentual. Lâmpadas a multivapores metálicos
têm vida mediana de 20 mil horas, a vapor de mercúrio 18 mil e a vapor de sódio
de alta pressão 36 mil horas (depreciação máxima de 20%).
ESPECTRO DA LUZ
As Figuras 3 e 4 a seguir apresentam
os valores aproximados de comprimento de onda, frequência e energia para
regiões selecionadas do espectro eletromagnético.
Figura 3 – Espectro da radiação
eletromagnética.
Figura 4 – Espectro eletromagnético.
Pode-se notar que a faixa de luz é
uma faixa bem estreita quando comparada a todo espectro das ondas
eletromagnéticas.
As fontes de luz utilizadas na
iluminação pública produzem ondas eletromagnéticas segundo suas propriedades
físicas, conforme é mostrado pela Figura 5.
Em níveis de iluminação a partir de
0,034cd/m2 (candelas por metro quadrado), na qual se inicia a visão mesópica, a
luz branca azulada possibilita melhores condições de reconhecimento facial à
distância e percepção de cores e detalhes do ambiente do que a luz branca
amarelada, causando às pessoas uma maior sensação de segurança.
ÍNDICE DE REPRODUÇÃO DE COR (IRC)
Nota-se pelos gráficos (veja a Figura
5), que as fontes de luz branca de alguns tipos de LED e as lâmpadas a
multivapores metálicos são as fontes com maiores IRCs disponíveis para
iluminação pública. Nesse mercado, é possível encontrar lâmpadas a multivapores
metálicos com IRC de 60 a 85 e Led de 70 a 80 (é possível, mas não usual,
encontrar Leds de alta potência com IRC de até 98), enquanto as lâmpadas a
vapor de sódio apresentam IRC que não ultrapassa os 25.
Figura 5 – Eficácia luminosa
relativa.
- VM = vapor de mercúrio - VSBP
= vapor de sódio baixa pressão - MVM = multivapores metálicos - VSAP =
vapor de sódio alta pressão - LED = exemplo de espectro, uma vez que o Led pode
produzir inúmeros espectros diferentes.
Figura 6 – Curva de sensibilidade
relativa – espectral do olho humano.
VISÃO MESÓPICA
Resumidamente, a visão humana é um
fenômeno que começa a partir da sensibilização de células fotossensíveis
localizadas no olho que, quando ativadas pela luz, geram impulsos elétricos
transportados até a parte posterior do cérebro pelos nervos ópticos, onde as
imagens são formadas.
O olho humano possui duas células fotossensíveis
relacionadas à visão: cones e bastonetes. Os cones são estimulados por maiores
intensidades de luz, percebendo cores e detalhes dos objetos – visão fotópica.
Os bastonetes são estimulados por bem menos luz, percebendo contornos e
contrastes entre claro e escuro – visão escotópica.
Figura 7 – Diagrama de cromaticidade.
Fonte: International
Commission on Illumination (CIE).
O olho humano médio funciona, em
visão escotópica, quando submetido a intensidades luminosas inferiores a 0,034
cd/m² e, em visão fotópica, em intensidades superiores a 3,4 cd/m². No
intervalo entre 0,034 cd/m² a 3,4 cd/m² ocorre a visão mesópica, que é quando
ambas as células fotossensíveis são estimuladas, conforme mostrado pelo gráfico
da Figura 6 de sensibilidade relativa espectral do olho humano.
LUZ BRANCA – TEMPERATURA DE COR
A luz é percebida como luz branca
quando os três tipos de cones (sensíveis ao vermelho, sensíveis ao verde e
sensíveis ao azul) localizados na retina são excitados pela luz de cada
respectiva cor e numa proporção adequada. A luz do sol, como as lâmpadas
incandescentes, emite luz com espectro de cor composto por todas as cores, como
mostra a Figura 5.
A luz branca pode ser obtida por meio
de arranjos cromáticos. Salienta-se que, em todos os casos, esses arranjos são
criados em função das características de sensibilização exercida nos cones da
retina. A Figura 7 mostra o gráfico de cromaticidade que compreende a gama de
luz branca.
OUTRAS RADIAÇÕES ALÉM DA LUZ
As fontes de luz, de uma maneira
geral, além da luz emitem outras radiações fora do espectro luminoso, radiações
de comprimentos de onda inferiores a 380 nm – ultravioletas – e radiações com
comprimento de onda superior a 780 nm – infravermelho. Obviamente, para a
iluminação pública, a emissão de radiações que não sejam luz, além de ser um
desperdício de energia, pode ser também prejudicial aos materiais e componentes
da própria luminária, deteriorando-os precocemente. Ressecamento de juntas de
vedação, perda de transparência das lentes e da reflexão dos refletores são
consequências da exposição a essas radiações.
Os Leds não emitem infravermelho e
ultravioleta em seu facho, o que possibilita maior durabilidade aos materiais
óticos e às luminárias, com maior eficiência energética.
MODO DE FALHA
A grande maioria dos componentes das
lâmpadas de descarga, quando falham, causa a interrupção total do funcionamento
da lâmpada. Quanto aos módulos de Led, que são a composição de agrupamento de
unidades Led (chips) em uma mesma placa, durante sua vida útil, podem
apresentar falhas chip a chip, causando diminuição parcial do fluxo total,
proporcional ao número de Led falhados. Dependendo do tipo de arranjo das ligações
entre os chips, o funcionamento dos demais chips não é prejudicado pela falha
de alguns, possibilitando a emissão de um fluxo luminoso reduzido enquanto a
placa não é substituída. Cabe salientar que nesta análise não estão sendo
considerados os modos de falha de reatores e drivers.
APLICAÇÃO DAS TECNOLOGIAS
CONTROLE DO FACHO
Quadro 1 – Características vantajosas
do Led.
O Led, pelas suas dimensões
reduzidas, muito inferiores às dimensões das lâmpadas usuais, tem como grande
vantagem a facilidade de controle de seu facho, permitindo que toda a luz
emitida seja direcionada com maior precisão e com muito menos luz emitida para
direções indesejadas, apresenta as seguintes vantagens:
- OPERAÇÃO E MANUTENÇÃO
A qualidade da iluminação pública
pode ser delimitada por índices luminotécnicos mínimos, como iluminância
mantida, uniformidade e ofuscamento – parâmetros bem definidos nas normas
brasileiras, como a ABNT NBR 5101:2012 – Iluminação pública – Procedimento,
além da ABNT NBR 5181:2013 – Sistemas de iluminação de túneis – Requisitos e
outras a elas relacionadas. A qualidade também pode ser definida pela forma
como o serviço é mantido, ou seja, percentual máximo de pontos desligados e o
tempo máximo de reparo por tipo de falha. Além disso, deve-se, ou pelo menos se
deveria, manter os parâmetros luminotécnicos previstos nas normas durante toda
a vida dos equipamentos, prevendo substituições programadas em função da perda
da eficiência luminosa.
A manutenção do sistema de
iluminação, operando dentro de padrões de qualidade aceitáveis, inclui serviços
que podem ser classificados como de rotina (reparos que podem ser programados)
e os serviços de urgência. Estas duas subdivisões dos serviços devem-se à
necessidade de melhor utilizar os recursos para cumprir os prazos de
restabelecimento do serviço, mantendo a qualidade geral ao menor custo. Mas,
para tal, é necessário criar uma grande estrutura englobando: pessoal
operacional e técnico, materiais, ferramentas, depósitos e veículos, pessoal
técnico e administrativo, sistemas computacionais, centrais de atendimento
telefônico, escritórios para recebimento de reclamações da população e para
despacho de serviços operacionais, recursos estes que têm seu dimensionamento
diretamente dependente do porte do parque de iluminação e da vida útil da
tecnologia aplicada.
O parque de iluminação da cidade de
São Paulo é predominantemente composto por lâmpadas de descarga: 50% de
lâmpadas a vapor de mercúrio, 49% a vapor de sódio e 1% de outras tecnologias
(Concorrência, Edital Nº 02/SES/2011, Prefeitura de São Paulo – Secretaria
Municipal de Serviços).
O atual contrato de manutenção da
iluminação pública da cidade de São Paulo com uma prestadora desses serviços
tem um custo aproximado 9,00 R$/ponto/mês (vapor de sódio) e 15,00 R$/ponto/mês
(multivapores metálicos), como pode ser conferido por meio da análise dos
seguintes documentos públicos: Termo de Contrato nº 66/SES/11 – PMSP e Edital
de Licitação Nº 06/SES/11 – PMSP. Como São Paulo possui 505 mil unidades, a
parcela do contrato referente à manutenção das unidades é superior a R$ 54
milhões anuais.
Porém, o atual contrato de instalação
e manutenção da iluminação da Cidade Universitária Armando Salles de Oliveira
(Cuaso), da Universidade de São Paulo (USP), na capital paulista, tem como
preço para o serviço de manutenção por dez anos, para mais de 6.100 unidades
Led, o valor de R$ 117 mil – R$ 0,23 ponto/mês para uma tecnologia requerida
contratualmente com vida útil mínima de 60 mil horas.
O custo da manutenção do Led,
portanto, é 39 vezes menor do que as das lâmpadas de descarga e essa diferença
tende a aumentar ainda mais com os grandes avanços no aumento da vida útil.
Caso a iluminação da capital paulista fosse totalmente a Led, seu custo de
manutenção da iluminação pública seria de apenas R$ 1,4 milhão anuais.
Salienta-se que, no caso da Cuaso, as
luminárias possuem sistema de monitoramento e supervisão à distância em tempo
real, que possibilita operar as luminárias nas funções liga/desliga e a redução
do fluxo luminoso (dimerização), o que permite manter o iluminamento mínimo
necessário, promovendo um aumento na vida útil dos módulos Led e mantendo por
muito mais tempo o iluminamento adequado mesmo com a progressiva depreciação do
fluxo.
O monitoramento à distância tem como
vantagem a detecção imediata de falhas, o que pode dispensar o uso de um call
center e reduzir o contingente técnico/operacional.
A robustez e a resistência a impactos
e vibrações do Led contribuem para aumentar a diferença de custos de
manutenção. As lâmpadas de descarga apresentam muitas falhas prematuras,
provocadas por impactos e vibrações no transporte e por vibrações provenientes
dos postes, causadas pelo tráfego de veículos na pista e pelo vento.
DESIGN DE LUMINÁRIAS
As lâmpadas de descarga, com
dimensões relativamente grandes e fluxo luminoso dirigido para todas as
direções, não possibilitam grandes variações nos designs das luminárias; assim
o design até então tem sido um aspecto desimportante e muito pouco valorizado.
As luminárias a LED têm grande
versatilidade de design, uma vez que o sistema óptico é integrado a cada chip e
também pelas reduzidas dimensões do módulo, possibilitando, sem prejuízo à
qualidade da iluminação, compor diferentes modelos que podem se enquadrar em
qualquer espaço urbano, possibilitando uma integração harmônica entre a
arquitetura e o uso dos espaços urbanos.
Figura 8 - Exemplos de designs de
luminárias.
MEIO AMBIENTE
A alta eficiência energética e as vantagens luminotécnicas das luminárias Led possibilitam reduzir significativamente a emissão de CO² para a atmosfera, tanto pelo menor consumo de energia elétrica, quanto pela redução dos serviços de manutenção e pela redução da fabricação de itens de reposição, devido à maior vida útil.
O Led não utiliza substâncias tóxicas como as lâmpadas de descarga, que utilizam mercúrio com alto poder poluidor do solo e água, prejudicando animais, plantas e peixes. O consumo de água ou alimentos contaminados por tal substância causa acúmulo irreversível desse metal no organismo, podendo causar doenças graves e incuráveis.
ASPECTOS ECONÔMICOS
Foi realizado um estudo comparativo simplificado entre o investimento no projeto de modernização do sistema de iluminação pública viária, pedonal e de destaque da Cidade Universitária Armando Salles de Oliveira (Cuaso), com 100% de uso do Led, recentemente executado, e projetos hipotéticos utilizando a mesma infraestrutura (com lâmpadas de descarga). Chegou-se à conclusão de que o Led apresenta menor custo global (investimento inicial mais manutenção e consumo de energia), considerando: iluminação das vias, dos passeios e dos caminhos, diferença de luminárias e da infraestrutura em função da diferença entre a potência dos equipamentos, adotando-se dois projetos hipotéticos mantendo os mesmos níveis de iluminação, um com vapores multimetálicos e outro a vapor de sódio.
Tabela 1 – Comparativo
entre tecnologias de fontes de luz para iluminação pública
A Tabela 1 apresenta um quadro
simplificado dos resultados das comparações entre a tecnologia Led, a vapor de
sódio de alta pressão e de multivapores metálicos, em que os pontos
relativamente mais positivos estão destacados em verde claro, os relativamente
menos positivos em vermelho e os intermediários em amarelo.
Uma visão geral da tabela propicia um
entendimento claro da larga superioridade dos Leds, que só possuem um item
menos positivo que as demais, o valor do investimento inicial de instalação.
Porém, este item só pode ser considerado como menos positivo quando analisado
isoladamente, pois, quando é considerado o custo global de instalação, operação
e manutenção, o Led se torna mais atrativo que as lâmpadas a vapor de sódio no
sexto e no quarto ano, em relação às de multivapores metálicos. O alto
investimento inicial torna-se menos significativo no custo global, além de
todas as vantagens da operação de menor custo e manutenção menos significativa.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
O Led se apresenta como sendo uma
tecnologia muito superior às usuais em todos os aspectos. Porém, no início do
seu aparecimento, os preços eram proibitivos para projetos de maior vulto e,
por problemas de qualidade e durabilidade dos produtos oferecidos pelo mercado,
reforçavam a cautela de técnicos quanto à sua aplicação em larga escala.
Inicialmente, a falta de normas
técnicas dificultava a obtenção de um respaldo técnico que pudesse garantir o
seu desempenho. Mas se apresentava como uma grande oportunidade para ser
perdida, assim se iniciou um movimento internacional para normalização de
parâmetros de qualidade para tais produtos.
Hoje é totalmente possível elaborar e
executar projetos de altíssima qualidade, desde que as especificações do Led,
drivers e luminárias sejam bem feitas.
Tabela 2 – Especificações
técnicas mínimas para projetos e obras
*é necessário acompanhar a evolução
da eficiência que ainda deve crescer rapidamente
Outros parâmetros devem ser
especificados conforme as diretrizes do projeto luminotécnico: temperatura de
cor, fluxo mínimo emitido pela luminária, curva luminotécnica das luminárias
com classificações de distribuição longitudinal e transversal, exigindo-se dos
fornecedores que as exigências da Tabela 2 sejam comprovadas por meio de
relatórios de ensaios expedidos por laboratórios idôneos e acreditados pelo
Inmetro, com garantia mínima de dez anos estendida a todos os itens fornecidos.
