TECNOLOGIAS PARA O SISTEMA DE ILUMINAÇÃO VIÁRIA · O conceito iluminância (num plano...

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10º Congresso sobre Geração Distribuída e Energia no Meio Rural

11 a 13 de novembro de 2015

Universidade de São Paulo – USP – São Paulo

TECNOLOGIAS PARA O SISTEMA DE ILUMINAÇÃO VIÁRIA

Elvo Calixto Burini Junior1, José Carlos M.Melero2, Arnaldo Gakiya Kanashiro1,3

1 Instituto de Energia e Ambiente – IEE (antigo: Instituto de Eletrotécnica - IE)

Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289, CUASO, CEP 05508-010, São Paulo, Capital, Brasil, Telefone: (11) 3091 2572 Fax: (11) 3091 2563;

2 Prefeitura de Santo André, Secretaria de Mobilidade Urbana, Obras e Serviços Públicos,

Departamento de Manutenção e Obras, Supervisor de Iluminação, Tel.: (11) 4435-0010, S.P., Brasil; 3 Programa de Pós-Graduação em Energia – PPGE/IEE/USP,

Av. Prof. Luciano Gualberto, 1289, CUASO, CEP 05508-010, São Paulo, Capital; (E-mail: [email protected])

Resumo

A iluminação viária que não apresentar uniformidade adequada poderá não atender à

prescrição normativa e trazer incômodo aos usuários. O projeto para iluminação viária,

quando o conceito de luminância é considerado, necessita de conhecimentos sobre a

capacidade de reflexão do pavimento. A substituição de equipamentos de iluminação viária,

cuja fonte primária é do tipo a vapor de Sódio em alta pressão (VSAP) pela tecnologia SSL

(LED) está sendo realizada em várias localidades, o poste existente é retirado e a completa

substituição da instalação é realizada. A substituição preconizada necessita considerar as

possíveis reduções no custo de implantação do LED para a municipalidade brasileira, o que

significa maximizar os benefícios da substituição. O foco deste artigo está em apresentar

dados coligidos e discutir a utilização de conhecimentos sobre o coeficiente de luminância; a

refletância espectral de pavimento viário focando o meio ambiente, desenvolvimento

sustentável, uso final da energia e o usuário. As propriedades de reflexão da superfície da

via melhora com a incorporação de elementos branqueadores ao pavimento; incluindo

aspecto econômico e análise com base na condição da visão mesópica, dados obtidos de

sistemas para iluminação viária estão considerados.

Palavras-chave: Iluminação (pública) viária, Luminância, LED, Visão mesópica.

Abstract

The road lighting that does not provide adequate uniformity can not meet the normative

prescription and bring nuisance to users. The project for street lighting, when the concept of

luminance is considered, requires knowledge of the pavement reflection capacity. The

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replacement of street lighting equipment, whose primary source is the type to Sodium vapor

at high pressure (HPS) for SSL (inorganic LED) is being held in various locations, the

removal of existing poles and complete replacement of installations Based on the HPS

technology. The replacement of HPS lamp from the use of LED technology need to consider

possible reductions in LED deployment cost for the Brazilian municipality, which means

maximizing the benefits of substitution. The focus of this article is to present data collected

and to discuss the use of knowledge on the luminance coefficient; the spectral reflectance of

road pavement focusing on the environment, sustainable development, final energy use and

the user. The reflection properties of the road surface can be improved with the incorporation

of bleaching elements; including economics topics, analysis based on the mesopic vision

condition, data obtained from road lighting systems are considered.

Keywords: Road lighting, Luminance, LED, Mesopic vision.

1. INTRODUÇÃO

A iluminação viária necessita ser considerada e dimensionada a partir do conceito da

luminância. Neste sentido conhecimentos sobre a distribuição das intensidades luminosas

da fonte de luz primária e a capacidade de reflexão do pavimento deverão ser acessados

necessariamente. O conceito iluminância (num plano considerado, fluxo luminoso por

unidade de área) tem utilidade na comparação do desempenho entre luminárias, enquanto

que o conceito de luminância considera a intensidade luminosa em direção que seja de

interesse, como da posição do usuário. Ao chegar onde estão nossos olhos, a luz artificial

tarifada poderá permitir a discriminação de contornos por diferença de contraste, e também

conter informação útil.

2. PRESCRIÇÃO NORMATIVA

Nos EUA a utilização do conceito de luminância é relativamente recente (KING, E.,

1976), o conceito de iluminância era mais difundido e utilizado. A partir do final dos anos

1980 a IESNA passou a considerar conceito sobre a visibilidade (Small Target Visibility –

STV) para as instalações de IP (Iluminação Pública e/ou viária), o qual possui lastro em

luminância. Na Europa o conceito de luminância já era discutido no final dos anos 1950 e

tem sido utilizado extensivamente. No Brasil o conceito de luminância já foi parte da

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“NBR 5101” e na versão vigente em meados dos anos 1970 (ABNT NB 429, 1976; BURINI

JUNIOR, E. C., 2002a). Segundo o pesquisador Duco (SCHREUDER, D., 1998) a

“luminância da superfície da via” é o critério de qualidade mais relevante para a iluminação

pública, sendo o segundo critério mais relevante é a uniformidade da luminância. Na parte

seguinte deste artigo estão considerados os conceitos referidos acima, uniformidade e

procedimentos de medições para ambos.

2.1 Uniformidade da luz artificial

No Brasil a uniformidade, calculada a partir de uma distribuição de valores de

iluminância amostrados no leito da via tem sido utilizada como o critério balizador para

qualidade do projeto (ABNT NBR 5101, 1992 e 2012). Na prática busca-se evitar o efeito de

faixas transversais escuras, ao longo da via, efeito denominado de zebramento que

representa uma baixa uniformidade de luminância aos olhos do usuário.

2.1.1 - Iluminância A iluminância está definida num ponto de superfície, é razão entre o fluxo luminoso

incidente pela área considerada (ABNT TB-23, 1991). O luxímetro (nome derivado de lux,

unidade no SI) é o equipamento de medição apropriado para a realização de amostragens.

Uma observação importante diz respeito à definição do plano (ou superfície) a ser

considerado com exatidão, particularmente, quando a distância fonte-sensor é muito

elevada ou for necessário manter baixa a incerteza na determinação da intensidade

luminosa. Para realizar amostragem em IP, uma malha de pontos para medição (ou quadra),

cuja definição ou marcação indelével no solo se faz necessária previamente. O resultado de

experimento realizado a partir de postes separados por 35 m, luminárias tipo VSAP 250 W,

padrão PETERCO está considerado como um referencial. A distância entre os pontos da

malha referida foram definidos conforme especificação de concessionária paulista,

Bandeirante Energia (9 linhas longitudinais e 15 colunas, transversais à via), totalizando 135

(+ 2, introduzidos) pontos para amostrar iluminância. O resultado de levantamento realizado,

em campo, para um par de equipamentos padrão CUASO antigo (poste curvo, em concreto)

está considerado a seguir. Uma malha foi definida no plano do pavimento (no

estacionamento do IEE/USP, contíguo ao prédio da administração) para amostrar

iluminância propiciada por equipamentos padrão CUASO, tipo VSAP 250 W (ver detalhe da

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Fig. 1: foto do refrator em vidro tipo borossilicato), e cuja iluminância média calculada tem o

valor médio de Emed = (8,2 ± 0,8) lux, o desvio é para confiança de 95 % (ANBT NB 1188).

Figura 1. Malha com iluminância amostrada (valores em lux), dois equipamentos

padrão CUASO antigo, VSAP 250 W (ver detalhe). Fonte: BURINI JUNIOR, E. C., 2012.

Para área de estacionamentos a IESNA indica como aceitável o valor médio de 10 lux.

A uniformidade de iluminâncias, quando definida pela relação (Emin/Emed) possui patamar

aceitável quando < 0,2 até 0,3; para a faixa de 10 lx e conforme a complexidade da via,

como a presença de cruzamento. No caso do experimento apresentado acima a

uniformidade, conforme definida, registrou valor 0,22; que é aceitável ainda que tenha sido

registrada ausência de simetria, provavelmente, devido à presença de obstruções (árvores

no lado esquerdo) e diferença na saída de luz de cada equipamento (depreciação luminosa

diferente). Para uma malha com 45 pontos (ABNT NBR 5101, 2012), diferentes condições

de montagem, largura de via, equipamentos VSAP 250 W, a iluminância média calculada

poderá ter valor bastante superior. Estudo realizado com luminárias tipo SSL adotou a

malha de medição proposta pela norma brasileira numa Avenida de Santo André com três

faixas de rolamento com acabamento asfáltico, uma largura total de 10,60 m, distância entre

postes de 31 m, altura de montagem de 7,68 m e projeção do braço de sustentação de

4,20 m. Nessas condições foram obtidos o Emed de 44 lux, com um Emin de 9 lux (MELERO,

J. C. M., 2015). O Fator de Uniformidade calculado foi de 0,2. Ambas as amostragens

consideradas foram para equipamento com uso de lâmpada de VSAP. Outra observação

importante diz respeito à possibilidade de existir desvio na resposta espectral do luxímetro

utilizado, o qual é calibrado/aferido com fonte incandescente exclusivamente. A necessidade

de um fator para correção das leituras deve ser avaliada, recomenda-se verificar o

funcionamento do equipamento de medição quando ele é utilizado com fonte de natureza

distinta da incandescente (desvio da resposta espectral).

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2.1.2 - Luminância

A luminância é definida num ponto de superfície e direção fixada, é a razão entre a

intensidade luminosa pela área projetada na direção considerada (ABNT TB-23, 1991). É

denominado luminancímetro o equipamento para a medição da grandeza ora considerada. A

última revisão da ABNT NBR 5101, 2012 teve o mérito de haver fixado, novamente,

requisitos sobre luminância média e uniformidades (global e longitudinal) de luminância

(p.10, Tab. 3, conforme 3 classes ou tipos da via). Os três valores fixados, na NBR, para

luminância média são: (1,00; 1,50 e 2,00) cd.m-2. Outro critério foi introduzido, o incremento

de limiar – TI (nota- engano na grafia verificado na NBR, não é linear, porém, limiar), ainda

que seja apenas orientativo. Na NBR os pontos da malha fixada para medições, em campo,

não diferem, seja definido o critério iluminância ou luminância, tendo sido indicada diferença

na “definição de luminárias consecutivas” (ABNT NBR 5101, 2012). No entanto, para a

realização de medição com base no conceito luminância é necessário posicionar o usuário

em relação à malha. Em experimento realizado (IEE/USP, em 15/Fev./2001) a distância

fixada entre a origem do início da malha ao posto dos usuários foi de: 83,15 m (o

comprimento da malha: 29,872 m, a largura: 5,444 m; ver Fig. A.2 no Apêndice). A

luminância amostrada, em campo, a partir de equipamentos VSAP 250 W (experimento

CUASO, luminária marca REPUME) está reproduzida pela Fig. 2.

Figura 2. Quadra com valores de luminância, via com largura total de 8 m, CUASO;

luminárias VSAP 250 W, iluminância média calculada de Lmed = (3,5 ± 0,5) cd.m-2. Fonte:

(CUASO/USP: Instalação REPUME – TAB. D – 3.3.1) BURINI JUNIOR, E. C., 2002.

No experimento CUASO, A altura de montagem, em relação ao solo, foi avaliada em

7,43 m; a distância entre postes (números 2 e 3): 30 m; fluxo luminoso em 100 %. A

estatística dos registros da medição conduziu a luminância média: 3,46 cd.m-2 (nit), ao

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desvio padrão de: 1,60 nit, luminância máxima: 6,5 nit, luminância mínima: 1,3 nit, 42

registros, I.C.B. 95%: 0,485 nit, I.C.B. 99%: 0,637 nit (ABNT NB 1188, 1988). As duas

regiões identificadas com a cor cinza (ver Fig. 2) indicam local onde o alvo utilizado (esfera

cinza) não pode ser identificado, mesmo sendo apreciável o valor de luminância no local.

Em 18/Abr./2015 foi amostrada luminância na CUASO, experimento (WLEDi) repetido após

transcorridas 6000 horas da amostragem inicial (realizada em 07/Nov./2013), tendo sido

obtido para o pavimento (asfalto), resultado das amostragens de ambos os experimentos

L > 2 cd.m-2; e a luminância média das faixas (travessia de pedestres) LFAIXA = (5 ± 2) cd.m-2.

2.2 Cálculos com dados sobre luz artificial 2.2.1 - Coeficiente de luminância

O coeficiente de luminância (q) em um elemento de superfície está definido em uma direção

e sob condições de iluminação dadas, pelo quociente da luminância pela iluminância (L / E;

ABNT TB-23 5461, 1991). A comparação entre sistemas de iluminação, a partir de dados de

luminância e iluminância, dois experimentos com alteração na saída de luz dos

equipamentos tipo VSAP, apresentou (q) em valor de 96 mcd.lm-1 (sistema da parte

realizada na França) e 77 mcd.lm-1 para o sistema cujo experimento foi realizado na

CUASO, Brasil (BURINI JUNIOR, E. C., 2002). Para outras duas amostragens realizadas

(em Nov./2013 e Abr./2015) os valores de (q) sob diferentes sistemas de iluminação na

CUASO, em particular para pela tecnologia do diodo emissor de luz branca inorgânico

(WLEDi) são apresentados pela Tab. 1 (a iluminância média esteve mantida em 63 lux).

Tabela 1. Coeficiente de luminância médio, valores em mcd.ℓm-1, para instalações de

iluminação viária na CUASO e inclui luminâncias médias (BURINI JUNIOR, E. C., 2014).

q (iluminante/local) Data de 07/Nov./2013

Luminância- 2013 (cd.m

-2)

Data de 18/Abr./2015

Luminância- 2015 (cd.m

-2)

qFAIXA (sob LEDi) (92 ± 6) [5,8 ± 1,3] (82 ± 14) [5,2 ± 1,6] qASFALTO - - - - (sob VSAP) (*31 ± 6) [1,3 ± 0,2] --- --- (sob MVM) (*41 ± 5) [0,6 ± 0,1] --- --- (sob LEDi) (44 ± 7) [2,8 ± 0,5] (34 ± 6) [2,1 ± 0,4]

Notas: * Aplicada correção de +8 % para a iluminância (conforme valor apurado para a tecnologia WLEDi).

2.2.2 – Sistema visual na condição mesópica

A condição de visão mesópica (ABNT TB-23, 1991) é situação intermediária entre a

condição fotópica (F) e escotópica (S), sendo que nela cones e bastonetes (fotorreceptores)

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estão ativos. A presença de atividade de ambos os fotorreceptores, simultaneamente, pode

ser considerada barreira que dificultou a parametrização para caracterizar a eficácia

luminosa espectral (visão mesópica), cuja definição foi publicada no ano 2010 (CIE 191,

2010). No ano seguinte a IESNA passou a considerar esse tema e as limitações na

utilização do denominado “multiplicador mesópico”, enfatizando que o fator mesópico (razão:

S/P) não se aplica a visão central ou região da fóvea (a qual submete ângulo de 1,5°).

2.2.3 – Estimativa de custo para a luz: o caso da capital de SP (PPP)

O quociente entre desembolso mensal e consumo da IP municipal é figura de mérito

que possibilita a comparação com o preço de energia elétrica de origens diversas. Uma

delas é o desembolso pelos usuários de faixa tarifária do setor residencial, segundo

inventário (ILUME, 2015) para a IP em SP: R$/MWh 201,59 (ref.: ano 2012);

R$/MWh 176,10 (ref.: 2013); e R$/MWh 177,69 (ref.: até Jun./2014). Outras duas figuras de

mérito de interesse são obtidas pelo quociente tanto do montante faturado quanto da

energia consumida pelo número de lâmpadas inventariadas, neste caso temos apenas um

valor de 561.490 lâmpadas (ref.: Set./2014). Isto resulta em carga média de 222 W/lâmpada

(supondo 12h/dia e 30 dias/mês) e custo mensal médio de R$ 14,20 por lâmpada,

estimativas realizadas com base em Jun./2014 (último dado da série disponível). No caso de

lâmpadas identificadas como tipo LED, o inventário (ILUME, 2015) indica fração de 1,79 %

do total (ref.: Set./2014). Para trocar todas as tecnologias de lâmpadas existentes

atualmente pela tecnologia LED (PPP embargada, em 12/Jun./2015, pelo Tribunal de

Contas do Município), valor de investimento (R$ 7,32 bilhões) e período (24 anos)

considerados, estes valores indicam estimativa mensal para custeio de R$ 45,27 por

lâmpada, com parcelas uniformes no período e capaz de restituir o valor do investimento ou

o custo estimado de R$ 10.837,70 por lâmpada tipo LED instalada. O custo médio por

luminária (incluso controle; instalados, ref.: projeto Mississauga, Canadá, 50 mil pontos) foi

de USD$ 570 (< R$ 2,5 mil). As tarifas praticadas para custeio da IP, junto a um nicho de

consumidores no setor residencial (AES Eletropaulo) ficou mantida no patamar de R$ 3,50

(período 2005 a 2008), registrou R$ 4,72 (ano 2014) e atualmente está em R$ 5,40

(Set./2015). A conta de energia elétrica do consumidor residencial considerado acima, no

bruto, está desembolsando R$/MWh 739,81 (ref.: Set./2015). Aparentemente será

necessário uma revisão nos custo orçados para que a tecnologia WLEDi apresente-se como

atrativa para a sociedade brasileira.

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3. CONCLUSÕES

O conceito de iluminância tem utilidade na avaliação de equipamentos (luminárias),

sendo preciso considerar a aplicação específica uma vez que o resultado no plano

horizontal depende das características de montagem; o conceito de luminância pode

considerar a posição dos olhos do usuário, permitir a discriminação de contornos, por

diferença de contraste, e também trazer informação útil. A iluminância amostrada na

CUASO (WLEDi, 6000 h) ficou mantida, porém a luminância diminuiu. A comparação entre

os (q) de três sistemas para iluminação viária na CUASO, comparativamente revelaram

superioridade do sistema WLEDi em restituir a radiação óptica (conforme fator de correção

utilizado). As malhas coligidas (ver Apêndice) são sugeridas para as discussões objetivando

a revisão/emenda da ABNT NBR 5101, 2012.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS (ABNT). NB 429: Iluminação

Pública, 19p., Rio de Janeiro, 1976.

ABNT. NB 1188: Interpretação estatística de resultados de ensaio - Estimação da

média - Intervalo de confiança (NBR 11153), Rio de Janeiro, 1988.

ABNT. (TB-23) NBR 5461: Iluminação: terminologia, p.7, itens: 3.1.(35 e 38); p.10,

item 3.2.11; p.23, item 3.4.71, 1991.

ABNT. NBR 5101: Iluminação Pública: procedimento, 23p., Rio de Janeiro ,1992; e

revisão com 35p., 2012.

ANSI/RP-8-00 Recommended Practice for Roadway Lighting Illuminating Engineering

Society of North America (IESNA), 2000.

BURINI JUNIOR, E. C. Refletância, Visibilidade e Luminância como Fatores para

Melhoria da Iluminação Pública Tese (doutorado) Programa Interunidades de Pós-

graduação em Energia da USP e Instituto de Eletrotécnica e Energia, 302p., Dez., 2002.

BURINI JUNIOR, E. C. et al. Requisitos à Iluminação Pública – IP para o transporte

viário no Brasil. “Lux América 2002 – VI Congresso Pan-Americano de Iluminação, San

Miguel de Tucumán, Argentina, 24-27, Junho, 2002a.

BURINI JUNIOR, E. C. COLÓQUIO “ENERGIA, EFICIÊNCIA E SUSTENTABILIDADE:

APARELHOS PÚBLICOS E EDIFICAÇÕES NA CUASO, USP; IEE, Agosto, 2012.

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BURINI JUNIOR, E. C. QUALIDADES E A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA NA

ILUMINAÇÃO VIÁRIA URBANA. 3ª Exposição e Fórum de Gestão de Iluminação Pública,

São Paulo, SP, 5 de Junho de 2014.

CIE 191: RECOMMENDED SYSTEM FOR MESOPIC PHOTOMETRY BASED ON

VISUAL PERFORMANCE, 73p., ISBN 978 3 901906 88 6, AUSTRIA, 2010.

KING, E. Measurement of Directional Reflectance of Pavement Surfaces and

Development of Computer Techniques for Calculating Luminance Journal of the Illuminating

Engineering Society. v.5, n.2, p.118-126, 1976. DOI:10.1080/00994480.1976.10747756L.

MELERO, J. C. M. O uso do LED como alternativa de eficiência da iluminação pública

no município de Santo André. 2015. 146 f.. Dissertação (Mestrado em Energia) -

Universidade Federal do ABC, São Paulo, 2015.

ILUME, PREFEITURA DE SÃO PAULO. ANEXO XI – INVENTÁRIO DA REDE

MUNICIPAL DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA, REDE DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA, Acervo -

Lâmpadas Instaladas. 4p. Disponível em:

<http://www.prefeitura.sp.gov.br/cidade/secretarias/upload/chamadas/anexo_xi__inventrio_d

a_rede_municipal_de_iluminao_pblica_1413484510.pdf>. Acesso em: 28 de Set. de 2015.

EN 13201-3: 2003 E Road lighting - Part 3: Calculation of performance. European

standard. Publication 270-2003.

SCHREUDER, D. Road Lighting for Safety. 1. Ed. (English) Thomas Telford., 1998.

6. APÊNDICE – Figuras A Figura A.1 apresenta arranjo (localização na via de rolamento para veículos

automotores) dos pontos para medição de luminância (Fonte: ANSI/IESNA RP-8-00, 2000).

Figura A1. Arranjo de pontos para a medição de luminância em via de rolamento para

veículos automotores (observador a 83 m da malha). Fonte: ANSI/IESNA RP-8-00, 2000.

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Na Fig. A2 é apresenta a malha e dimensões (83 m, observador - e inicio da área

considerada) de experimento realizado na CUASO ((BURINI JUNIOR, E. C., 2002).

Figura A2. CUASO/USP. Fonte: (p.171, Fig.3.6) BURINI JUNIOR, E. C., 2002).

A Figura A.3 apresenta arranjo (localização na via de rolamento para veículos

automotores) dos pontos para medição de luminância (Fonte: EN 13201-3: 2003).

Figura A3. Posição dos pontos, entre duas luminárias, para a medição de luminância

em via pública. Fonte: EN 13201-3: 2003.

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