Transcript URE - Iluminação - Laboratório de Gestão de Energia

Utilização Racional de
Energia em Iluminação
Humberto Jorge
Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
Gestão de Energia em Edifícios e na Indústria
2003/04
MEEC - Gestão de Energia em
Edifícios e na Indústria
1
Introdução
Numa sociedade em que as pessoas
passam mais de 90% do tempo em
ambientes interiores, artificialmente
criados, a iluminação artificial
desempenha um papel de primordial
importância.
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Alguns Dados
Importância Relativa dos Consumos
em Iluminação





32.8% - Edifícios de escritórios;
34,4% - Comércio;
20,2% - Hotéis;
17,0% - Hospitais;
22,4% - Escolas.
25% em edifícios em geral (como os edifícios
representam 20% do consumo global de energia  5% do
consumo global em energia).
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Concepção da Iluminação
Consideração integrada de:
 concepção dos espaços
 uso da iluminação natural
 fontes de luz e sistemas auxiliares
 sistemas de controlo
 tipo de manutenção
 recuperação de calor
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Algumas Definições
F - Fluxo luminoso
Unidade: lumen - Lm (dF/dt)

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Fluxo luminoso: quantidade
total de luz emitida por uma
fonte de luz por unidade de
tempo (um segundo).
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Algumas Definições
I - Intensidade luminosa
Unidade: candela (cd) (dF/dw)

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Intensidade luminosa emitida
numa determinada direcção:
fluxo luminoso emitido por
unidade de ângulo sólido na
direcção considerada.
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Algumas Definições
E - Iluminância ou Nível de
Iluminação
Unidade: lux (dF/ds)

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Iluminância: se um fluxo
luminoso de 1 lm incidir
numa área de 1m2, a
iluminância nessa área é
de 1 lux.
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Algumas Definições
 -Eficiência Luminosa
Unidade: Lumen/Watt (F/P)

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Eficiência Luminosa: é o
quociente entre o fluxo
luminoso (F) emitido e a
potência absorvida (P).
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Qualidade da Iluminação
Alguns Parâmetros Funcionais a
Considerar:

Nível de iluminação;

Restituição de cor;

Ausência de encandeamento;

Ausência de reflexões desconfortáveis.
(Secretárias, monitores de computadores, p. ex.)
Aspectos psico-fisiológicos.
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Qualidade de Iluminação
Alguns Parâmetros Operacionais a
Considerar nos Sistemas de
Iluminação:

Facilidade de operação e manutenção;

Versatilidade;

Baixo consumo de energia eléctrica.
Aspectos técnicos.
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Níveis de Iluminação
Tipo de actividade
(Alguns exemplos)
Escritórios
Bibliotecas
Comércio
Hospitais
Níveis recomendados (lux)
Entre 100 (circulações)
e 750 (desenho)
Entre 150 (ficheiros)
e 500 (leitura)
Entre 100 (armazéns)
e 1500 montras
Entre 250 (enfermarias)
e 20000 (operações)
 Níveis superiores NÃO garantem a melhoria
da qualidade da iluminação.
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Sistemas de Iluminação
Desempenho Depende Fortemente:



Fontes de luz;
Luminárias;
e…
Manutenção.
(nos “BONS“ sistemas de iluminação)
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Fontes de Luz
São Caracterizadas por Quatro
Factores:
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
Aparência da cor;

Índice de restituição de cor;

Tempo de vida útil;

Eficiência luminosa.
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Aparência da Cor
Temperatura de Cor

Grandeza que expressa a aparência da cor
da luz.
Unidade: grau Kelvin (K).
Quanto mais alta a temperatura de cor, mais
branca é a cor da luz.
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Aparência da Cor
Temp. de Cor - Alguns Exemplos
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Temperatura
(ºK)
Aparência
T > 5000
Fria (Branco-azulado)
3300  T  5000
Intermédia (Branca)
T < 3300
Quente (Branco-avermelhado)
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Nível Ilu. / Temp. de Cor
Relação entre a Temperatura de Cor e o
Nível de Iluminação
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Nível de
iluminação (lux)
Quente
Intermédia
Fria
 500
Agradável
Neutra
Fria
500 – 1000
Agradável
Neutra
Fria
1000 – 2000
Estimulante
Agradável
Neutra
2000 – 3000
Estimulante
Agradável
Neutra
 3000
Artificial
Estimulante
Agradável
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Restituição de Cor (IRC)
Efeito da radiação emitida por uma fonte
de luz sobre o aspecto cromático dos
objectos que ela ilumina (quando
comparada com a radiação emitida pela
luz do dia).
É medido numa escala de 0 a 100
(mau a bom).
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Restituição de Cor (IRC)
Índice de Restituição de Cor
Qualidade desejada
 Apreciação o mais exacta
possível das cores
 Excelente rendimento de
cor
 Rendimento de cor
aceitável
 Rendimento de cor
medíocre
 Sem qualquer exigência
de rendimento de cor
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Ra
Ra > 90
Aplicações
 Controlo e selecção
 Laboratórios
 Sala de impressão



60<Ra<70 
Ra > 70
Ra <60
Escritórios
Escolas
Lojas
Indústrias: oficinas
mecânicas
 Indústria: armazéns,
salas de fundição e
produção em geral
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Tempo de Vida Útil
Número de horas de funcionamento de
uma lâmpada, à tensão nominal.
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Tempo de Vida Útil
Influência do Envelhecimento
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Lâmpadas Incandescentes
 Influência da Tensão
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Tipos de Lâmpadas
Incandescentes


Normais
Halogéneo
Fluorescentes


Tubulares
Compactas
Descarga
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Funcionamento Lâmpada Incandescente
Numa ampola cheia de gás, o filamento de volfrâmio
em forma de espiral torna-se incandescente pela passagem da
corrente eléctrica, para além de calor, produz-se luz, que
representa somente 5% da energia consumida.
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Funcionamento Lâmpada Halogéneo
Em lâmpadas de halogéneo, a temperatura do bulbo é suficientemente
elevada para evitar condensação. O tungsténio evaporado combina com
o halogéneo para formar um componente tungsténio - halogéneo, em
forma de gás. Quando este, se aproxima do filamento, é decomposto
pela alta temperatura em tungsténio, que é re-depositado no filamento e
em halogéneo. Este último continua a sua tarefa no ciclo regenerativo
(evita o escurecimento)
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Funcionamento Lâmpada Fluorescente
As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de vapor de mercúrio
de descarga em baixa pressão. Uma carga eléctrica provoca a agitação
do vapor de mercúrio através de um campo eléctrico entre dois
eléctrodos, originando a emissão de radiação UV. A matéria
fluorescente utilizada no interior do tubo de vidro converte a radiação
UV em luz visível.
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Lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão.
Legenda:
1 - Mola de suporte
2- Bolbo externo de vidro duro, forma ovóide
3- Camada interna de fósforo
4- Fio de entrada/suporte
5- Tubo de descarga de quartzo
6- eléctrodo auxiliar
7- Eléctrodo principal
8- Resistência de partida
9- Base de rosca
As modernas lâmpadas de descarga em alta pressão possuem um
princípio de funcionamento completamente diferente das lâmpadas
incandescentes. Uma descarga eléctrica entre os eléctrodos faz com
que o gás de enchimento ou vapor ionizado do tubo de descarga
emita luz. A luz é produzida por um arco de descarga.
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Lâmpada de Indução
O princípio de funcionamento de uma lâmpada de indução é o
mesmo que o da lâmpada fluorescente, só que neste último a energia é
“injectada” do lado de fora do tubo, por meio de campos magnéticos, daí
o seu longo período de vida.
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CFL - Compact Flurescent Lamp
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Tabela Comparativa
Tipo de lâmpada
Lâmpada incandescente
Lâmpada Halogéneo
Lâmpada Tubular Fluorescente
Lâmpada Compacta Fluorescente
Lâmpada de Descarga
Vapor de Mercúrio
L.D. Iodetos Metálicos
L.D: Vapor de Sódio
Lâmpada de Indução
2003/04
 (lm/w)
12
15
40 – 80
45
Vida Útil (Horas)
1 000
4 000
8 000 – 12 000
12 000 – 15 000
45
15 000
80
155
80
6 000
18 000
60 000
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Lâmpadas de descarga
Vapor de mercúrio (boa restituição de cores)
“Metal halide” (boa restituição de cores)
Vapor de sódio de alta pressão (reacendimento rápido)
Vapor de sódio baixa pressão (a mais eficiente mas luz
monocromática amarela)
Tempos de arranque inicial e de reacendimento
Mercúrio: 5 a 7 min e 3 a 6 min
“Metal halide”: 3 a 5 min e 10 a 15 min
Sódio de AP: 3 a 4 min e 1 min
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Tip o d e Ilum ina ç ã o
Eficiência dos diversos tipos de
Iluminação
Só d io d e Ba ixa Pre ssã o
Só d io d e Alta Pre ssã o
Io d e to s M e tá lic o s
Flu o re sc e n te
Va p o r d e M e rc ú rio
In c a n d e sc e n te
0
20
40
60
80
100
120 140
160
180
Efic iê n c ia (Lu m e n / W a tt)
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Análise Comparativa
Comparação da Eficiência Luminosa
Tipo de Lâmpada
Eficiência luminosa (lm/W)
Incandescentes:
 Standard
 Halogéneo
Fluorescentes tubulares
Fluorescentes compactas
 Integrais
 Modulares
Mercúrio de alta pressão
Lâmpadas de luz mista
Lâmpadas de iodetos metálicos
Lâmpadas de vapor de sódio:
 Baixa pressão – LPS
 Alta pressão - HPS
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10 a 20
21 a 25
50 a 95
36 a 50
60 a 80
40 a 60
11 a 25
80 a 90
100 a 180
70 a 125
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Luminárias/Armaduras
A eficiência dos sistemas de iluminação
está fortemente relacionada com a
eficiência das luminárias/armaduras
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Luminárias
Réguas:

Não proporcionam controlo de
encandeamento. Baixo custo.
Com Abas Reflectoras:

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Possível dirigir fluxo luminoso.
Custo reduzido.
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Luminárias
Com Difusores Opalinos ou
Prismáticos:

Baixo rendimento,
principalmente os opalinos.
Com Grelhas Opalinas ou
Metálicas:

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Rendimentos baixos. Em
desuso. Preço intermédio.
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Luminárias
Com Lamelas ou Reflectores
Planos:

Bom rendimento. Custo
intermédio.
Com Reflectores Parabólicos
(Alumínio Anodizado ou Espelhado):

Muito eficientes.
As mais adequados para planos de
trabalho horizontais (p.e. escritórios
mesmo com computadores).
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Luminárias
De Luz Indirecta:

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Luz difusa. Maiores
consumos de energia.
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Armaduras
O Problema do Aquecimento

Todos os sistemas de iluminação
produzem calor (indesejável) que:
Diminui a eficiência luminosa das lâmpadas;
Sobrecarrega os sistemas de climatização
(estação de arrefecimento).
2003/04
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Iluminação (recuperação de calor)
2003/04
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Rendimento Global de um aparelho de iluminação
Luminárias para Interior
Descrição
Rendimento
luminoso
Eficiência
Energética
Armadura Encastrar 4x18 Reflector Termolacado
58.87 %
29,67 lm/VA
Rendimento
Global da
Luminária
17,46 lm/VA
Armadura Encastrar 4x18 Reflector Plano em Alumínio Mate
64,56 %
29,67 lm/VA
19,15 lm/VA
Armadura Encastrar 4x18 Reflector Plano em Alumínio Brilhante
65,55 %
29,67 lm/VA
19,44 lm/VA
Armadura Encastrar 4x18 Reflector Parabólico em Alumínio Mate
61,87 %
29,67 lm/VA
18,35 lm/VA
Armadura Encastrar 4x18 Ref. Parabólico em Alumínio Brilhante
66.20 %
29,67 lm/VA
19,64 lm/VA
Arm. Encastrar 4x18 Ref Par Alu Brilhante Balastro electrónico
66.20 %
75 lm/VA
49,65 lm/VA
67 %
85,71 lm/VA
57,43 lm/VA
Armadura Encastrar 3x36 Compactas Refl. Par. Alumínio Mate
65,77 %
32,22 lm/VA
21,2 lm/VA
Armadura Encastrar 2x36 Iluminação Indirecta
35,05 %
31,86 lm/VA
11,16 lm/VA
Arm. Encastrar 2x36 Iluminação Indirecta Balastro Electrónico
35,05 %
80,55 lm/VA
28,23 lm/VA
Armadura tipo Régua 2x36
98 %
36,81 lm/VA
36,07 lm/VA
Armadura Industrial Reflector Termolacada 2x36
78 %
36,81 lm/VA
28,71 lm/VA
Armadura Industrial Reflector Alumínio 2x36
83 %
36,81 lm/VA
30,5 lm/VA
Armadura Industrial Reflector Alumínio 2x36 Bal. Electrónico
83 %
93,05 lm/VA
77,23 lm/VA
Armadura Estanque 2x36 (Difusor em Policarbonato)
MEEC - Gestão de Energia em
2003/04
Edifícios e na Indústria
70 %
36,81 lm/VA
25,77 lm/VA
Armadura Encastrar 4x14 (T5) Parabólico em Alumínio Brilhante
40
URE - Iluminação
Algumas Oportunidades de
Racionalização de Consumos
(ORC’s) em Iluminação
2003/04
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URE - Iluminação






2003/04
Concepção do Espaços a Iluminar;
Concepção dos Circuitos de Iluminação
(uso da iluminação natural);
Operação e Gestão dos Sistemas de
Iluminação;
Tecnologias Eficientes;
Controlo Automático;
Manutenção.
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42
URE - Iluminação
Concepção dos Espaços a Iluminar:

Maximizar a utilização de luz natural;

Optimizar a distribuição dos espaços;

Usar revestimentos com coeficientes de
reflexão adequados.
2003/04
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43
URE - Iluminação
Utilizar ao máximo a luz natural:

Pressupõe a existência de adequados
sistemas de protecção e difusão de
iluminação natural.
• Difusores internos
2003/04
• Palas sombreadoras
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• Luz zenital
44
URE - Iluminação
Optimizar a distribuição dos espaços:

Em função da iluminação natural
disponível.
N
N
B5
B2
B4
L
C
L
C
L
C
L
C
L
C
L
C
B3
B1
B1
• Possível aprov. luz natural
B2
• Difícil aprov. luz natural
2003/04
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45
Regulação de Persianas
• Desvio da luz natural até ao interior por meio de persianas
reflectoras
• Distribuição uniforme da luz natural sobre o tecto
• Desvio da luz directa perturbadora
2003/04
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46
URE - Iluminação
Concepção dos Circuitos de
Iluminação:

Segregar adequadamente os circuitos em
função:
Luz natural;
Localização dos espaços.

2003/04
Interruptores bem localizados e
etiquetados.
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47
URE - Iluminação
Segregação de circuitos - um exemplo
Lado das janelas
2003/04
Diferentes possibilidades
de comando:
A-A-A / B-B-B / …
a / b /c
...
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48
URE - Iluminação
Operação e Gestão dos Sistemas de
Iluminação:



2003/04
Desligar sistemas de iluminação que não
estejam a ser utilizados;
Utilizar luz local;
Reduzir níveis excessivos. Por ex., áreas
não laborais e de armazenamento;
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49
URE - Iluminação
Operação e Gestão dos Sistemas de
Iluminação (continuação):

Rever os actuais níveis de iluminação.
Considerar a remoção de algumas fontes.
Por ex., retirar armaduras ou lâmpadas
junto às janelas. Não esquecer de desactivar
balastros.

2003/04
Sensibilizar os utentes.
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50
URE - Iluminação
Tecnologia Eficientes

Armaduras compensadas;

Balastros de alta frequência (electrónicos);

Armaduras ventiladas (manutenção mais
cuidada).
2003/04
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Edifícios e na Indústria
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URE - Iluminação
Compensação do factor de potência.
2003/04
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52
URE - Iluminação
Balastros

Eficiência depende das perdas:
No ferro;
No cobre.
Perdas elevadas nas versões mais económicas.
2003/04
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53
Balastros
Eficiência depende das perdas (elevadas nas
versões mais económicas):


no ferro
no cobre
Versões de boa eficiência:


2003/04
Balastros de baixas perdas (melhorias
construtivas
Balastros electrónicos
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Edifícios e na Indústria
54
Balastro electrónico
Frequência elevada (> 20 kHz) aumenta:
Eficiência das lâmpadas
Duração das lâmpadas
Permitem “diming” com controlo manual
ou controlo automático (com informação
de um foto-sensor) para aproveitamento
da luz natural
2003/04
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Edifícios e na Indústria
55
Balastros Electrónicos
2003/04
MEEC - Gestão de Energia em
Edifícios e na Indústria
56
Comparação em % do Consumo de Energia
P
e
r
c
e
t
a
g
e
m
100%
-Poupança
de Energia
80%
60%
100
97,8
92
40%
81,6
63,6
20%
0%
1
2
3
4
5
1 – Balastro convencional
2 – Balastro convencional c/ correcção Factor de Potência
3 – Balastro perdas reduzidas
4 – Balastro electrónico com pré aquecimento
5 – Balastro electrónico com regulação de fluxo
2003/04
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57
URE - Iluminação
Controlo Automático


Horário (programadores horários e/ou
temporizadores);
Função da ocupação dos espaços
(detectores de ocupação) e da luz natural
(sensores de iluminância).

2003/04
Deve salvaguardar-se a possibilidade de controlo
manual EM QUALQUER INSTANTE.
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URE - Iluminação
Controlo Automático - uma solução
SI - Sensor de iluminância, DP - Detector de ocupação
2003/04
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59
URE - Iluminação
Controlo automático em função da
ocupação - um exemplo
Potência instalada (kW)
Utilização diária (horas)
Consumo anual (kWh)
Diferença (kWh)
Economia (euros/ano)
2003/04
Antes
10
24
87.600
-------
MEEC - Gestão de Energia em
Edifícios e na Indústria
Depois
10
1,5
5.475
82.125
6.570
60
URE - Iluminação
Controlo automático de
iluminação - um caso de estudo.

Acções desencadeadas:
Limpeza de armaduras;
Substituição massiva de lâmpadas;
Instalação de Unidades de Controlo Local de
Iluminação (UCLI) - função da ocupação e da luz
natural.
2003/04
MEEC - Gestão de Energia em
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61
URE - Iluminação
• No exterior
• No interior
• UCLI - Unidade de Controlo Local de Iluminação
2003/04
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62
URE - Iluminação
Alguns resultados:


Melhoria dos níveis de iluminação, +65%
nalguns espaços;
Redução dos consumos de Energia
Eléctrica, -33,5%.
Período de amortização do investimento = 2 anos.
2003/04
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Tipos de Sensores
Receptores IR
Comandos IR
Multisensor
Sensores
de luminosidade
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64
Controlo de Iluminação
• Uso de células crepusculares para controlo
• Utilização de balastros electrónicos (Diming)
• Fraccionamento dos circuitos
• Controlo horário de circuitos de iluminação
• Utilização de sensores de presença.
2003/04
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65
Exemplo de Medida de
Racionalização
Instalação de sensores de presença em locais de passagem
Antes (*) Depois (*)
Potência instalada (kW)
3,5
3,5
Utilização diária (horas)
24
10
Consumo anual (kWh)
30.660
8.470
Diferença (kWh)
---22.190
Economia (Euros/ano)
---1.750
(*) Antes sempre ligado; Depois considerou-se 22x12
dias anos a uma média diária de 10 horas)
2003/04
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66
Evolução das poupanças
-60% -75%
sensor de luz constante
+ PIR + regulação manual
-50%
sensor de luz
constante
-25%
PIR + regulação
manual
fluxo constante
fluxo constante
+30%
regulação manual
Do balastro ferromagnético ao balastro
digital para regulação de fluxo
Balastro
Balastro
Balastro
Balastro
Balastro
Balastro
magnético electrónico electrónico electrónico electrónico electrónico
reg. fluxo reg. fluxo
reg. fluxo
reg. fluxo
Sistemas Convencionais
2003/04
Sistemas Digitais
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SISTEMA LUXMATE DAYLIGHT
Principio de Funcionamento
ON/OFF

Através de um interruptor convencional ou de um interruptor
horário
Regulação do fluxo luminoso através do sensor LSD

O sensor faz a leitura da luz natural disponível e ajusta
automaticamente o fluxo luminoso dos aparelhos pertencentes
aos três canais independentes de regulação
Regulação manual do fluxo luminoso

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Através de um botão de pressão
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68
SISTEMA DSI-SMART
Princípio de Funcionamento
O sensor detecta a presença da pessoa
Interface DSI-SMART
As luminárias são activadas
automaticamente e o fluxo luminoso
regula até ser atingido o nível de
iluminância pré-estabelecido
O sensor deixou de detectar presença
durante uma temporização
Interface DSI-SMART
As luminárias são desactivadas
automaticamente
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SISTEMA LUXMATE DAYLIGHT
Regulação “inteligente” através de sensor de luz
Circuito 1
100%
Circuito 2
100%
Interface TLE
Circuito 3
Sensor de luz LSD
100%
20%
60%
Circuito 3
100%
Circuito 1
1%
2003/04
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Circuito 2
20%
Circuito 3
Circuito 2
Circuito 1
Circuito 1
Circuito 2
Regulação
automática
Circuito 3
60%
70
DALI – Digital Addressable Lighting Interfce
Comando digital;
Endereçamento até 64 endereços
Ligações de comando simples
Cenários de iluminação
Layout de salas flexível
Actualizações de luminárias ou de sensores
Flexibilidade
Sobreposição de grupos
Permite ligação a sistemas de controlo inteligente de
edifícios
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URE – Iluminação Pública
URE em Iluminação Pública:



Reduzir níveis de iluminação
(segurança!!!);
Substituir lâmpadas de Vapor de Mercúrio
por Vapor de Sódio de Alta Pressão;
Introduzir equipamento electrónico de
regulação de fluxo.
Redução de tensão para 170 V aumenta a vida útil em
100%.
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72
URE – Iluminação Pública
Funcionalidade &
Comunicação
Funcionalidade
(sem comunicação)
Sistemas Powerline
Relés inteligentes
ou relés simples
Sistemas Simples
(sem funcionalidades)
2003/04
Fornecimento de Tensão reduzida
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73
URE – Iluminação Pública
(Luxmate)
Economia de energia
50% de economia de energia (média)
Mudança de HM para HS e controle nocturno
Reduz a manutenção
Mais funcionalidade e
flexibilidade
Programação individual para cada luminária
Iluminação ajustada ás
necessidades
Segurança redobrada
2003/04
15-60% dos custos correntes
Redução do nível de luz quando o tráfego é
baixo
Programas especiais para eventos especiais
Para população e prevenção de acidentes
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74
URE - Iluminação
Manutenção

A eficiência dos sistemas de iluminação
vai diminuindo ao longo do tempo devido:
Depreciação mecânica;
Depreciação por sujidade.
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75
URE - Iluminação
Depreciação do fluxo luminoso
1- Depreciação mecânica
2- Depreciação por sujidade
3- Depreciação total
2003/04
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URE - Iluminação
Manutenção

Programar e fazer manutenção periódica
preventiva;
Limpeza e substituição massiva de lâmpadas;
Limpeza e eventual repintura e/ou substituição
de armaduras.
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URE - Iluminação
A substituição massiva de lâmpadas, no fim
da sua vida útil, reduz os custos de
manutenção e exploração pois:
Representa uma percentagem fixa e
previsível nos orçamentos de manutenção;
Reduz custos de substituição;
Reduz stocks;
Minimiza as perturbações do ritmo de
trabalho

2003/04
e … diminui os impactos ambientais - possível
reciclagem.
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URE - Iluminação
Resultado de uma manutenção preventiva
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URE - Iluminação
Substituição massiva de lâmpadas
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FIM
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