Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Engenharia. GEPEA Grupo de Energia do Departamento de Engenharia de Energia Elétrica e Automação da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
INTRODUÇÃO
Eficiência energética no setor industrial
Os programas nacionais de conservação de energia elétrica (PROCEL) e derivados de petróleo (CONPET) surgiram em meados da década de 1980. Essas informações mostram que o consumo de energia elétrica no Brasil foi, em média, três a quatro vezes maior que o aumento da população no mesmo período.
Motivação e objetivos
Estrutura do trabalho
O grau de mérito utilizado para analisar as soluções propostas é o ANNUALIZED LIFE CYCLE COST (CCVA) e para aprofundar este estudo, uma análise de sensibilidade é realizada levando em conta mudanças em parâmetros variáveis como taxa de juros, custo do equipamento, custo de energia e tempo de uso do sistema. O quinto capítulo apresenta os estudos de viabilidade técnica e econômica dos cenários propostos, analisados através da figura de mérito CCVA e do estudo de sensibilidade das variáveis em todos os sistemas propostos, apresentando os resultados e benefícios alcançados.
REVISÃO DA LITERATURA
Qualidade da iluminação e bem estar dos funcionários
A temperatura de cor da luz também deve ser objeto de estudos aprofundados, pois as tecnologias disponíveis hoje possuem uma grande variedade de cores, índices de reprodução de cor e temperatura de cor. Portanto, cabe ao profissional de iluminação escolher a cor da luz a ser aplicada de forma a se adequar ao objetivo do ambiente.
CONCEITOS DE ILUMINAÇÃO RELEVANTES PARA PROJETOS
Conceitos básicos
4 Dentro da família das lâmpadas de sódio, a lâmpada elipsoidal (SON-E) é a que apresenta menor fluxo luminoso nominal. É a relação entre o fluxo luminoso nominal que atinge uma superfície e a soma dos fluxos luminosos das lâmpadas fora da luminária (ITAIM, 2008).
Legislações relativas aos sistemas de iluminação pertinentes ao segmento
- Norma Brasileira Regulamentadora NBR 5413 – Iluminância de Interiores
Este trabalho terá como foco a NBR 5413, mais especificamente nos artigos relacionados a plantas industriais. a) as cargas luminosas devem ser determinadas em decorrência da aplicação da ABNT NBR 5413;. NOTA No ponto 9.5.2.1 são definidos os critérios mínimos para pontos de iluminação em áreas residenciais.". a) em salas ou instalações com área igual ou inferior a 6 m2, deve ser assegurada uma carga mínima de 100 VA;
Eficiência Energética em sistemas de iluminação industrial
Os mecanismos mais comumente utilizados em sistemas de iluminação são sensores de presença, interruptores de minuto, dimmers e interruptores fotoelétricos. Este dispositivo eletrônico aciona o sistema de iluminação após detectar movimento no ambiente e desliga após um tempo programável, quando não há mais movimento.
Tipos de luminárias utilizadas em projetos industriais
- Dados fotométricos
A luz emitida pela lâmpada depende da ótica da lâmpada (absorção, reflexão, transmitância e temperatura operacional). O fator de eficiência é apresentado em forma de tabela e é a razão entre o fluxo luminoso nominal que atinge a superfície e a soma dos fluxos luminosos das lâmpadas fora da lâmpada.
Tipos de lâmpadas utilizadas em projetos industriais
Em comparação com as lâmpadas de descarga de baixa pressão, que segundo o mesmo fabricante duram 7500 horas e têm uma eficiência luminosa de 90,2 lm/W, o que representa uma eficiência luminosa dez vezes superior às lâmpadas incandescentes e uma vida útil mais longa. São elas: lâmpadas de descarga de baixa pressão (fluorescentes), lâmpadas de descarga de alta pressão (vapor de sódio e metal) e LED.
Tipos de equipamentos
O fator de eficiência (EF) indica a eficiência do reator, obtido através da relação entre o fluxo luminoso nominal das lâmpadas e a potência total do sistema (lâmpada + reator). O fator de potência (PF) é definido pela relação entre a potência ativa ou real (W) e a potência aparente ou total (VA).
O projeto luminotécnico
O terceiro passo é determinar o fator de perda de luz (FPL), definido como a iluminância média na superfície de trabalho após um determinado período de uso. Este fator inclui perdas como acúmulo de poeira, frequência de limpeza do sistema, fator de manutenção da luminária e fator de manutenção da superfície do ambiente e deve ser determinado de acordo com a Figura 7.
METODOLOGIA
Metodologia para definição dos cenários
13 Considera-se esta variação uma vez que a distribuição das luminárias deve ser de acordo com a "grade" proposta, não podendo ser colocadas luminárias "soltas" na grade proposta. Em galpões industriais é de extrema importância a utilização de sistemas de iluminação natural, como telhas translúcidas, sistemas com lentes prismáticas, sistemas em policarbonato alveolar, que normalmente são considerados, para um nível médio de 250 lux, entre 3% e 7% da área de cobertura com esses sistemas, mas o foco desta pesquisa é a iluminação artificial e para a planilha de composição de luz natural não foram consideradas simulação e interferências. Os cálculos devem levar em consideração a pior situação do dia e deixar para os sistemas de gerenciamento de iluminação14 o controle dos ambientes de forma mais eficiente e econômica.
Os valores levados em consideração para a elaboração dos cálculos de viabilidade técnica e econômica foram fornecidos pelo fabricante ITAIM Iluminação, porém qualquer fabricante que apresentar lâmpadas com as mesmas características poderá ser substituído e caso tenham características diferentes o cálculo deve ser repetido com as informações do fabricante em questão. 14 Sistemas de gerenciamento de iluminação são tecnologias para controlar equipamentos instalados como sensores de luz, sensores de presença, sistemas de dimerização, entre outros.
O projeto modelo
- Definição dos cenários
O modelo adotado possibilitou a criação de três cenários, com diferentes alturas de teto, onde em cada cenário são propostos diferentes sistemas de equipamentos, como número de lâmpadas por lâmpada, consumo das lâmpadas, consumo total dos sistemas propostos, tipos de lâmpadas propostas, diferença de fotometria entre as lâmpadas, como potência da lâmpada e abertura do feixe, tempo de operação diferente entre os sistemas, entre outros. Para uma análise adequada entre os cenários, todas as características do ambiente foram consideradas iguais e não devem sofrer nenhuma alteração. Tipo de atividade desenvolvida Indústria metalúrgica At – 300 lux Características ambientais Limpo, mas de baixa manutenção.
Após determinar as características dos ambientes, definiu-se a utilização de sete sistemas de iluminação para cada cenário, a serem analisados entre si. Apenas os sistemas A e B foram alterados, no cenário 1 e 2 para os sistemas G e H no cenário 3, pois os sistemas A e B possuem refletor de feixe aberto e os sistemas G e H possuem refletor de feixe concentrado, mais adequado para tetos mais altos.
Estrutura do modelo proposto e suas variáveis
- Características dos sistemas selecionados
- Sistema A
- Sistema B
- Sistema C
- Sistema D
- Sistema E
- Sistema F
- Sistema G
- Sistema H
- Sistema I
- Sistema J
A descrição da luminária é: corpo em chapa de aço tratada com acabamento em pintura eletrostática a pó epóxi branca, refletor em alumínio anodizado alto brilho. A descrição da luminária é: Corpo em chapa de aço tratada com acabamento em pintura eletrostática a pó epóxi branca, refletor em alumínio anodizado alto brilho com rendimento de 81%, conforme Figura 15.
A descrição da luminária é: Corpo em chapa de aço tratada com acabamento em pintura eletrostática a pó epóxi branca, refletor em alumínio anodizado alto brilho com rendimento de 81%, conforme Figura 18.
Simulação computacional do modelo proposto
Luminária saliente modelo IE 130 R9024 para LED, com temperatura de cor de 4500K, CRI superior a 70, consumo nominal de 130W, ângulo de abertura de 90°, corpo em alumínio anodizado e acabamento em policarbonato transparente, conforme figura 20.
Critérios da análise de viabilidade econômica
- Parâmetros fixos
- CCVA – Custo do ciclo de vida anualizado
- Análise de sensibilidade
- Parâmetros variáveis
O custo do ciclo de vida anualizado neste estudo é obtido a partir do custo de investimento e custo de consumo de energia de cada sistema, multiplicado pelo fator de recuperação de capital (CRF) de cada equipamento com diferentes vidas úteis. O FRC aplicado separadamente ao custo de investimento torna-se uma série de pagamentos iguais ao longo de um ano e a soma do custo anualizado de cada equipamento representa o custo anualizado do ciclo de vida de cada sistema. Os parâmetros variáveis são aqueles que mudam ao longo do tempo ou em função da política de cada indústria, devido a diversos fatores, como flutuações de mercado, mudanças na economia mundial, aumento do custo das matérias-primas do produto, entre outros.
Neste estudo, uma tarifa de referência de R$ 0,355 por kWh com variação de 10% abaixo e 10% e 20% acima do valor de referência. O critério de decisão entre o melhor sistema em cada cenário levou em consideração fatores econômicos, já que o CCVA apresenta o menor valor gasto anualmente.
VIABILIDADE DOS CENÁRIOS
Análise técnica - cálculos luminotécnicos do projeto sugerido
A partir dos cálculos, parece que o sistema J tem a maior potência total, enquanto o sistema D tem a menor potência total. Embora os sistemas A e J apresentem boa uniformidade, a potência total final dos sistemas de iluminação da usina é alta em relação aos demais sistemas. Os cálculos para o cenário 2 são apresentados na Tabela 13 e apresentam os resultados da quantidade de luminárias propostas, a potência total e o nível de iluminação de cada sistema presente no cenário 2, cujo pé direito é de 10 (dez) metros.
Os cálculos para o cenário 3 são apresentados na Tabela 14 e mostram os resultados da quantidade de luminárias propostas, a potência total e o nível de iluminação de cada sistema presente no cenário 3, cujo pé direito é de 15 (quinze) metros. Conforme a Tabela 14, a diferença de potência total entre o sistema F, que possui a maior potência instalada, e o sistema D, que possui a menor potência, é de 30%.
Análise econômica e resultados encontrados
TAXA DE JUROS ANUAL (%) CUSTO DA ENERGIA (R$/kWh) CUSTO DA UNIDADE DE ILUMINAÇÃO (R$) CUSTO DA UNIDADE DA LÂMPADA (R$) CUSTO DA UNIDADE DO REATOR (R$) CONSUMO ANUAL DO SISTEMA (kWh/ano) CUSTO ANUAL DA ENERGIA (R$/kWh) LÂMPADA FRC LÂMPADA FRC REATOR FRC LÂMPADA CCVA (R$) LÂMPADA CC VA (R$) REATOR CCVA (R) $) CUSTO DE ENERGIA (R$).
Análise de sensibilidade e resultados encontrados
A segunda variável é o tempo de uso do sistema, considerando a variação do funcionamento do sistema de iluminação em três diferentes opções26 conforme tabela 19 e mantendo as demais variáveis como valores de referência. A variável 2 apresentou D como o melhor sistema, para duas lâmpadas XXT de 58W, em duas das três variáveis de tempo, em dois e três turnos nos três cenários, mas para a utilização de 2.250 horas/ano, um turno, o melhor sistema foi E para duas lâmpadas de 110W, conforme tabela 20. referência.
O sistema D, para duas lâmpadas XXT de 58W, representa o mais viável economicamente em todos os cenários, apesar da maior variação de CCVA entre o custo aceito e aquele acrescido de 20%, conforme a Tabela 21, que reproduz os resultados obtidos pelos cálculos da variável 3. Essa variável mostra que, segundo a Tabela 24, o sistema D para duas lâmpadas propostas 58 é melhor.
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Tese apresentada ao Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétrica, Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 1998. Análise das condições de iluminação em bibliotecas públicas municipais da cidade de São Paulo: orientações para melhor aproveitamento da luz natural e redução do uso da iluminação artificial. Uso da energia elétrica nas micro e pequenas indústrias de confecção de São Paulo e os principais efeitos do racionamento de energia: um estudo de caso.
Tese apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Professor Associado. Conforto térmico e iluminação natural no prédio administrativo da Escola de Engenharia de São Carlos – USP.
DETALHES TÉCNICOS DAS LUMINÁRIAS PROSPOTAS
DETALHES TÉCNICOS DAS LÂMPADAS PROPOSTAS
DETALHES TÉCNICOS DOS REATORES PROPOSTOS
DETALHAMENTO DE CÁLCULO DAS VARIÁVEIS
CÁLCULO LUMINOTÉCNICO – DIALUX
