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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CENTRO TECNOLÓGICO
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ARQUITETURA E URBANISMO CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM CONSTRUÇÃO CIVIL APOSTILA DE CONFORTO AMBIENTAL - ILUMINAÇÃO
Fernando Oscar Ruttkay Pereira, PhD Marcos Barros de Souza, Dr.
Florianópolis, SC 2005
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SUMÁRIO ILUMINAÇÃO ............................................................................................................. 001 A BASE FÍSICA - LUZ ........................................................................................... 001 1. FOTOMETRIA ....................................................................................................... 006
1.1. GRANDEZAS FOTOMÉTRICAS ............................................................ 007 1.1.1. Fluxo Radiante e Fluxo Luminoso ............................................... 007 1.1.2. Eficiência Luminosa ...................................................................... 008 1.1.3. Intensidade Luminosa .................................................................. 009 1.1.4. Iluminância ...................................................................................... 011 1.1.5. Luminância ........................................................................................ 012
1.2. LEIS FUNDAMENTAIS DA ILUMINAÇÃO ....................................... 016 1.2.1. Lei do inverso do quadrado .......................................................... 016 1.2.2. Lei do cosseno ................................................................................ 016 1.2.3. Lei da aditividade ......................................................................... 017
1.3. PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS ................................... 017 1.3.1. Reflexão .......................................................................................... 019 1.3.2. Absorção ......................................................................................... 019 1.3.3. Transmissão ................................................................................... 019 1.3.4. Refração ......................................................................................... 020
2. COR ............................................................................................................................. 022 2.1. CLASSIFICAÇÃO DAS CORES ............................................................. 023 2.2. TEMPERATURA DA COR CORRELATA ............................................... 028 2.3. APARÊNCIA DE COR ............................................................................... 028 2.4. REPRODUÇÃO DAS CORES ................................................................... 029 2.5. USO DAS CORES EM AMBIENTES DE TRABALHO ...................... 031 2.6. USO DAS CORES NAS SINALIZAÇÕES .......................................... 032
3. ILUMINAÇÃO ESPACIAL .............................................................................. 034 3.1. ILUMINAÇÃO ESCALAR ........................................................................ 034 3.2. VETOR ILUMINAÇÃO ............................................................................ 035
4. VISÃO E PROJETO DE ILUMINAÇÃO .................................................. 036 4.1. VISÃO E PERCEPÇÃO .............................................................................. 037 4.2. ADAPTAÇÃO VISUAL ............................................................................ 038 4.3. DESEMPENHO DAS TAREFAS VISUAIS ......................................... 038
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4.3.1. Iluminância média (nível de iluminação médio) ...................... 039 4.3.2. Contraste ....................................................................................... 040 4.3.3. Acuidade visual ............................................................................. 041 4.3.4. Desempenho visual ....................................................................... 042 4.3.5. Eficiência visual ............................................................................ 043
4.4. OFUSCAMENTO ...................................................................................... 043 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 51
ANEXOS
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ILUMINAÇÃO PREÂMBULO "Por que estudar a luz?"
Na sociedade moderna as pessoas passam a maior parte do tempo em ambientes iluminados parcialmente por aberturas, mas predominantemente iluminados artificialmente. Nas estradas, à noite, estamos totalmente dependentes dos faróis dos veículos e das luminárias das ruas para nossa segurança. Desta forma, a maior parte do ambiente que vemos, seja de trabalho ou não, é iluminado artificialmente.
Iluminação inadequada pode causar desconforto e fadiga visual, dor de cabeça, ofuscamento, redução da eficiência visual ou mesmo acidentes. Iluminação artificial é também um dos sistemas que mais consome energia no ambiente construído. Boa iluminação aumenta a produtividade, gera um ambiente mais prazeiroso e pode também salvar vidas. Portanto, garantir uma iluminação adequada é uma das principais responsabilidades não só dos projetistas, mas também de administradores e autoridades locais. A BASE FÍSICA - LUZ
Várias teorias tem sido utilizadas para descrever o fenômeno da luz. Estas teorias são: A Teoria Corpuscular, a Teoria da Onda, a Teoria Eletromagnética, a Teoria do Quantum e finalmente uma Teoria de Unificação.
Teoria do Corpuscular
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Esta foi a teoria defendida por Isaac Newton (1642-1727), que no século XVII imaginou que a luz poderia ser constituída de partículas. Como esta teoria passou a explicar a maior parte dos fenômenos e fatos conhecidos na época, Newton não quis ir adiante em suas pesquisas, e esta idéia tornou-se popular entre seus seguidores. Esta teoria está baseada nos seguintes princípios:
Corpos luminosos emitem energia radiante em partículas;
Que estas partículas são lançadas intermitentemente em linha reta;
Que as partículas atingem a retina e estimulam uma resposta que produz uma sensação visual. ISAAC NEWTON
(1642 – 1727)
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Teoria das Ondas Embora a teoria corpuscular fosse amplamente aceita,
o físico holandês Cristiaan Huygens (1629-1695) não se deixou convencer por ela e em 1690 lançou uma série de argumentos que o levavam a crer que a luz deslocava-se em ondas. O que o levou a defender a teoria das ondas ao invés da teoria das partículas, foi a imensa velocidade com que a luz se deslocava. Os princípios básicos da teoria das ondas são os seguintes:
A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos;
Estas vibrações eram transmitidas através de uma substância invisível e sem peso que existia no ar e no espaço, denominada “éter luminífero”; CRISTIAAN HUYGENS
(1629 – 1695) (Fonte: BURNIE [1994])
As vibrações transmitidas atuam na retina, simulando uma resposta que produz uma sensação visual.
Anos depois, o físico Charles Wheatstone (1802-1875) criou o modelo ondulatório que
mostrava como as ondas luminosas se comportavam. O modelo de Wheatstone mostrava que o éter luminoso fazia o transporte vibrando em ângulo reto com as ondas luminosas, ao contrário do que acreditava Huygens, para ele o éter vibrava na mesma direção da luz, se espremendo e esticando enquanto transportava as ondas. Atualmente, sabe-se que o éter luminoso não existe.
Thomas Young (1773-1829) juntamente com Augustin Fresnel (1788-1827) conseguiu
reunir importantes evidências para validar a teoria ondulatória. Young foi o primeiro a concluir que as cores diferentes são produzidas por diferentes comprimentos de onda.
Teoria Eletromagnética Em 1820, o físico dinamarquês Hans Christian
Oersted (1777-1851) verificou que a posição da agulha de uma bússola era modificada quando esta estava ao lado de um fio condutor percorrido por corrente elétrica. Na mesma época o físico e matemático francês André Marie Ampère (1775-1836) demostrou que dois fios condutores percorridos por corrente elétrica sofriam uma força de atração ou repulsão, dependendo do sentido da corrente elétrica. Neste momento ficou claro que eletricidade e magnetismo se relacionavam de algum modo. Em 1865, o físico escocês James Clerk Maxwell (1831-1879) explicou matematicamente esse relacionamento, elaborando a teoria do eletromagnetismo. Maxwell percebeu que ao fazer uma corrente elétrica oscilar em dois sentidos, para frente e para trás, esta produz ondas eletromagnéticas variáveis que se irradiam a uma grande velocidade. Em seus cálculos ele
JAMES CLERK MAXWELL (1831 – 1879)
(Fonte: BURNIE [1994])
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demonstrou que estas ondas eletromagnéticas se deslocavam a velocidade da luz, o que o levou a concluir que a própria luz era uma forma de onda eletromagnética. A teoria defendida por Maxwell baseia-se nos seguintes princípios:
Os corpos luminosos emitem luz na forma de energia radiante; A energia radiante se propaga na forma de ondas eletromagnéticas; As ondas eletromagnéticas atingem a retina, estimulando a uma resposta que produz
uma sensação visual.
Teoria Quântica
No final da década de 1850, o físico alemão Gustav Kirchoff (1824-1887) descobriu que todos os átomos podem emitir ou absorver determinados comprimentos de onda. Esta descoberta demonstrou a existência de fortes ligações entre os átomos e a luz. Até o final do século XIX os físicos acreditavam que a luz e outras formas de radiação eletromagnética eram fluxos contínuos de energia. No entanto, no início do século XX essa concepção começou a apresentar vários problemas teóricos. Max Planck (1858-1947) desafiou a todos sugerindo que a energia na radiação não era contínua, mas dividida em minúsculos pacotes, ou quanta. Sua teoria quântica mostrou que em certas circunstâncias a luz podia ser concebida como partículas, como acreditavam os seguidores da teoria corpuscular de Isaac Newton. MAX PLANCK
(1858 – 1947) O átomo é formado por um núcleo pequeno e denso,
circundado por elétrons, as mesmas partículas que produzem a corrente elétrica. Os elétrons possuem tanto mais energia quanto mais afastados estiverem do núcleo. Se um elétron desloca-se de uma órbita externa para outra mais interna, ele perde energia, que é liberada como um quantum de luz, ou fóton. A maioria dos átomos possui muitos elétrons e muitos níveis de energia. Os comprimentos de onda da luz que cada elétron pode produzir dependem da quantidade de energia liberada quando ele cai de uma órbita para a outra. Juntos, esses diversos comprimentos de onda dão ao átomo seu espectro de emissão característico, cujo exame permite aos cientistas identificar o tipo de átomo que o produziu.
A teoria defendida por Planck possui as seguintes premissas:
A energia é emitida e absorvida em quantum, ou fóton; A magnitude de cada quantum é determinada pelo produto de “h” e “f”, onde “h” é a
constante de Planck (6,626x10-34 J.s), e “f” é a freqüência de vibração do fóton em Hertz.
Teoria de Unificação Esta teoria foi proposta pelo físico francês De Broglie (1892-1987) e o físico alemão
Heisenberg (1901-1976) baseada no seguinte:
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Todo o elemento de massa em movimento tem associado com ele uma onda cuja duração é determinada pela EQUAÇÃO 1.1:
v mh⋅
=λ (1.1)
Onde: “λ” é o comprimento de onda; “h” é a constante de Planck; “m” é a massa e; “v” a velocidade da partícula.
É impossível determinar simultaneamente todas as propriedades que são distintas de
uma onda ou de um corpúsculo. LOUIS DE BROGLIE
(1892 – 1987) WERNER HEISENBERG
(1901 – 1976) Esta teoria foi proposta pelo físico francês De Broglie (1892-1987) e o físico alemão
Heisenberg (1901-1976) baseada no seguinte: Todo o elemento de massa em movimento tem associado com ele uma onda cuja
duração é determinada pela EQUAÇÃO 1.1:
v mh⋅
=λ (1.1)
Onde: “λ” é o comprimento de onda; “h” é a constante de Planck; “m” é a massa e; “v” a velocidade da partícula.
É impossível determinar simultaneamente todas as propriedades que são distintas de uma onda ou de um corpúsculo.
As teorias, quântica e das ondas eletromagnéticas, fornecem a explicação de todas as
características da energia radiante que interessam a engenharia de iluminação. Luz, ou radiação visível, é energia em forma de ondas eletromagnéticas capazes de
excitar o sistema humano olho-cérebro, produzindo diretamente uma sensação visual. Ao contrário do som ou vibração, que são vibrações mecânicas, ondas eletromagnéticas não
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necessitam do meio para sua transmissão. Elas passam através de sólidos, líquidos ou gases, mas se propagam mais eficientemente no vácuo, onde não há nada para absorver a energia radiante.
O espectro eletromagnético, mostrado na FIGURA 1.1, cobre uma grande variedade de
energia radiante, classificadas de acordo com a magnitude de suas freqüências ou comprimento de onda. Numa extremidade do espectro, de grande comprimento de onda (milhares de metros; baixa freqüência) encontram-se as ondas de rádio, enquanto na outra ponta, estão os raios gama e raio X com comprimentos de onda na ordem de 10-12 m (alta freqüência). Apenas uma pequena parte desta energia radiante é percebida pelo olho humano; sendo denominada "luz". Esta radiação visível situa-se no espectro entre 380nm a 780 nm. O sistema olho-cérebro não só percebe a radiação dentro desta faixa, mas também é capaz de descriminar diferentes comprimentos de onda para produzir a sensação de cor.
Infravermelho Ondas de Rádio
Microondas
Vermelho
Laranja
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
400 500 600 700 nm
Raios X Ultravioleta
Raios Gama
10-5 10-3 10-1 101 103 105 107 109 1011
FIGURA 1.1 – Espectro eletromagnético (comprimentos de onda em nanometros).
Radiação ultravioleta
As ondas de ultravioleta possuem mais energia do que a luz e as ondas de infravermelho.
A radiação ultravioleta, em função de seus efeitos, pode ser dividida em três parcelas, ultravioleta A, B e C. A radiação ultravioleta UV-A (315 a 400 nm), embora seja a menos prejudicial a saúde humana, ela é capaz de penetrar profundamente nas camadas da pele, destruindo gradativamente sua elasticidade causando assim o envelhecimento precoce. Superfícies fluorescentes quando bombardeadas por este tipo de radiação são capazes de emitir luz, por isso a radiação UV-A é também conhecida como luz negra. O UV-A também é utilizado em seções de bronzeamento e em tratamentos fototerápicos.
A radiação UV-B (280 a 315 nm) é a parte mais destrutiva da radiação ultravioleta, pois possui energia suficiente para danificar tecidos biológicos (queimaduras). Este tipo de radiação é conhecido por causar câncer de pele. A camada de ozônio da atmosfera é capaz de bloquear a maioria da radiação UV-B extraterrestre, por isso uma pequena diminuição desta camada poderá aumentar dramaticamente o perigo de câncer de pele na população humana.
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A radiação UV-C (100 a 280 nm) é praticamente absorvida em sua totalidade pelo ar.
Quando os fótons de UV-C colidem com os átomos de oxigênio, existe uma troca de energia que proporciona a formação do ozônio. Este tipo de radiação raramente é observado na natureza, visto que rapidamente é absorvido pela atmosfera. Lâmpadas germicidas UV-C são freqüentemente utilizadas para purificar o ar e a água, pela sua capacidade de matar bactérias, fungos e microorganismos. Luz
A parcela da radiação eletromagnética compreendida entre os comprimentos de onda de
380 a 780 nm é conhecida como luz, sendo a faixa do espectro que o olho humano consegue perceber. Dependendo do comprimento de onda será a cor da luz percebida pelo olho humano. Nos comprimentos de onda de 380 a 440 nm tem-se a cor violeta, de 440 a 500 nm a cor azul, de 500 a570 nm a cor verde, de 570 a 590 nm a cor amarela, de 590 a 630 nm a cor laranja e finalmente de 630 a 780 nm a cor vermelha. Radiação infravermelho
A radiação eletromagnética nos comprimentos de onda do infravermelho possui menos quantidade de energia por fóton do que a radiação ultravioleta e a luz. Este tipo de radiação é percebido na forma de calor. Os equipamentos de visão noturna ampliam a radiação infravermelha e tornam visíveis as pessoas e os equipamentos que estão escondidos na escuridão. Além de tornar visível a escuridão, a radiação infravermelha também tem aplicações na industria, agricultura e medicina. Para a geração de infravermelho utilizam-se lâmpadas de onda curta (780 a 1.400 nm), onda média (1.400 a 3.000 nm) e onda longa (3.000 nm a 1 mm). 1. FOTOMETRIA
O termo fotometria, originado diretamente do grego (φωs - luz; µετου - medida) é definido simplesmente como:
"o ramo da ciência que trata da medição da luz".
A fotometria lida com o balanço de energia nos processos de emissão, propagação e
absorção de radiação. A quantidade de radiação pode ser avaliada em unidades de energia ou no seu efeito sobre o receptor: o olho humano, a película fotográfica, a pele humana, etc. Dependendo do receptor, o resultado será avaliado nas unidades físicas habituais ou em unidades especiais, como unidades de luz (ou fotométricas), unidades fotográficas ou unidades eritêmicas.
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A teoria fotométrica, formulada por Pierre Bouguer (1698-1758) e elaborada matematicamente por J.H. Lambert (1728-1777), esteve completamente esquecida até meados de 1900 quando, com o surgimento da lâmpada elétrica, a humanidade pode aspirar a uma melhor iluminação artificial. Inicialmente, o projetista só necessitava de métodos de cálculo da iluminação produzida por fontes puntuais. Entretanto, com o crescente interesse na iluminação natural (grandes fontes de luz superficiais), projeto de luminárias, propriedades das superfícies quanto à absorção, transmissão e reflexão da luz e uma série de outros problemas, a fotometria tomou seu primeiro impulso na direção de uma generalização. JOHANN HEINRICH LAMBERT
(1728 – 1777) No primeiro quarto deste século, os projetistas só estavam preocupados em obter a
iluminação necessária nos planos de trabalho (iluminação planar). A experiência prática tem mostrado que este critério pode ser bastante inadequado, dependendo da atividade visual considerada. Novos conceitos têm aparecido para explicar e gerar um embasamento teórico para a expressão "qualidade da iluminação", que tem sido entendida como todas aquelas propriedades que o projetista não consegue caracterizar com números (quantificar). 1.1. GRANDEZAS FOTOMÉTRICAS
As grandezas físicas descritas a seguir podem ser classificadas de acordo com dois critérios independentes:
Composição espectral da radiação: as grandezas físicas relacionadas com a totalidade do espectro são chamadas de totais e esta qualificação deve ser considerada como implícita. As grandezas relacionadas com um intervalo espectral específico dλ, centradas num comprimento de onda λ, são denominadas monocromáticas e usualmente designadas com o símbolo λ.
Distribuição espacial da radiação: diz-se hemisférica ou global a quantidade
relativa a todo o espaço no qual uma superfície emite ou recebe radiação. As grandezas são ditas direcionais quando relacionadas a uma direção de propagação da radiação específica.
1.1.1. Fluxo Radiante e Fluxo Luminoso
Fluxo radiante é a potência [W] da radiação eletromagnética emitida ou recebida por um corpo. O fluxo radiante pode conter frações visíveis e não visíveis. Por exemplo, quando uma lâmpada é ligada não é apenas a radiação visível que é vista, a radiação térmica (infravermelho) também é sentida. O componente de qualquer fluxo radiante que gera uma resposta visual é
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chamado de fluxo luminoso - φ. A unidade no SI para fluxo luminoso é lumen [lm]. A FIGURA 1.2 mostra o fluxo luminoso típico de fontes luminosas conhecidas.
lm 12=φ
lm 000.1=φlm 000.48=φ
FIGURA 1.2 – Fluxo luminoso. 1.1.2. Eficiência Luminosa
Uma fonte de luz ideal seria aquela que converteria toda sua potência de entrada [W] em luz [lm]. Infelizmente, qualquer fonte de luz converte parte da potência em radiação infravermelho ou ultravioleta. A habilidade da fonte de converter potência em luz é chamada de eficiência luminosa, η:
consumida Potêncialuminoso Fluxo
=η (1.2)
W
lm/W
lm
FIGURA 1.3 – Conversão da potência [W] em Fluxo luminoso [lm]. A unidade de eficiência luminosa no sistema internacional de unidades é lúmen/watt
[lm/W]. A eficiência luminosa permite comparar entre duas fontes luminosas, qual delas
proporcionará um maior rendimento. Infelizmente por questões culturais muitos ainda usam a potência da fonte como termo comparativo, o que é totalmente errado. A FIGURA 1.4 mostra como muitos fabricantes apresentam as suas lâmpadas de alta eficiência. A comparação feita é em função da potência das fontes ao invés da eficiência luminosa.
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9 x 100 W = 23 W
=
FIGURA 1.4 – Comparação do fluxo luminoso entre lâmpadas. A potência elétrica da fonte luminosa possibilita estimar o consumo e a eficiência
luminosa estabelece o rendimento do sistema de iluminação. A eficiência luminosa depende do comprimento de onda da radiação. O valor máximo
teórico é de 683 lm/W o que corresponderia a uma fonte hipotética de radiação monocromática de comprimento de onda igual a 555 nm (cor verde-amarelo), comprimento este no qual a visão humana apresenta o pico de sensibilidade. A FIGURA 1.5 mostra a variação da eficiência luminosa em função do comprimento de onda. Em geral, as fontes luminosas apresentam sua energia distribuída ao longo do espectro, apresentando valores de eficiência luminosa bem abaixo dos 683 lm/W.
0
100
200
300
400
500
600
700
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Comprimento de onda [nm]
Efic
iênc
ia
[lm/W
] Eficiência luminosa máxima
1 W = 683 lm
FIGURA 1.5– Variação da eficiência luminosa em função do comprimento de onda.
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1.1.3. Intensidade Luminosa Antes de saber o que é de intensidade luminosa é importante entender o que vem a ser
ângulo plano e ângulo sólido. Ângulo plano Define-se ângulo plano “α” como sendo o quociente entre o comprimento de arco “l” e
o raio “R” da circunferência.
(1.3) Como o comprimento de uma circunferência é de “2πR”, o ângulo plano central é de
6,28 rad. Assim sendo, 1 radiano é o ângulo plano central que subentende um arco de círculo de comprimento igual ao do respectivo raio.
Rl
=α
FIGURA 1.6– Ângulo plano.
R α
l
Ângulo sólido Visto que a luz se propaga no espaço, tem-se a necessidade de trabalhar com ângulos
sólidos. Define-se ângulo sólido “ω” como sendo o quociente entre a área superficial “A” de uma esfera pelo quadrado de seu raio “R”.
2RA
=ω
R
ω
(1.4)
A
FIGURA 1.7– Ângulo sólido (Fonte: RYER [1998]).
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A área superficial de uma esfera é de “4πR2”, logo o ângulo sólido dela será de 12,56 sr. O esterradiano [sr] é para o espaço tridimensional o mesmo que o radiano [rad] é para o espaço bidimensional. Um esterradiano é definido como o ângulo sólido, que tem seu vértice no centro da esfera, cuja área superficial é igual ao quadrado de seu raio (A = R2).
Intensidade luminosa Se você olhar diretamente para um farol e depois repetir a operação mais de lado, é
aparente que não é só a quantidade total de luz emitida pela fonte que é importante. A direção de propagação da luz também é vital. Luz se propagando numa dada direção, dentro de um ângulo sólido unitário, é chamada intensidade luminosa, I, e sua unidade no SI é lúmen/esterradiano ou candela [cd].
ω
φ
Fonte
FIGURA 1.8– Intensidade Luminosa. Para fontes puntais, onde suas dimensões são muito pequenas se comparadas com a sua
distância do objeto iluminado (distância > 5 x maior dimensão da fonte), por definição, a EQUAÇÃO 1.5 é válida:
ωφ
=I (1.5)
Uma tabela ou curva polar (curva fotométrica) da distribuição da intensidade ao redor de uma fonte pode ser confeccionada a partir de medições de intensidade luminosa. O diagrama fornece uma boa representação gráfica da distribuição espacial, enquanto a tabela é mais útil para o desenvolvimento de cálculos (FIGURA 1.9).
Direção da intensidade luminosa
300o
270o
240o 210o 180o 150o 120o
60o
90o
330o 30o0o
120
80
40
Ângulo I [cd] 0o 159 5o 153
15o 146 25o 135 35o 117 45o 95 55o 71 65o 46 75o 23 85o 6
FIGURA 1.9– Distribuição da intensidade luminosa.
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1.1.4. Iluminância
Quando a luz emitida por uma fonte atinge uma superfície, esta superfície será iluminada. Assim, iluminância (E), é a medida da quantidade de luz incidente numa superfície por unidade de área. Sua unidade no sistema internacional é lumen/m2 ou lux [lx].
AE φ=
1 lux = 1 lm/m2
1 cd
1 sr
1 m2
(1.6) 1 m
FIGURA 1.10– Iluminância. Na FIGURA 1.10, a fonte de luz possui uma intensidade luminosa “I” de 1 candela [cd],
ou 1 lm/sr. O fluxo luminoso se propaga sob um ângulo de 1 esterradiano [sr]. Este fluxo luminoso produzirá em uma superfície de 1 m2 que está afastada da fonte de 1 m, a iluminância de 1 lux [lx].
Observe que quanto mais distante da fonte luminosa, o fluxo luminoso se expande cada
vez mais, tornando-se menos denso. Portanto, para uma superfície a 0,5 m da fonte a área é igual a 1/4 da área a 1 m. Se a 1 m a iluminância é de 1 lux, a 0,5 m, com um fluxo luminoso bem mais denso, a iluminância é de 4 lux.
Além da distância entre a fonte e a superfície, outro fator que influência no valor da
iluminância é o ângulo entre o feixe luminoso e o vetor normal a superfície. Quando o fluxo luminoso é paralelo ao vetor normal a superfície, tem-se a iluminância máxima. Em situações em que o fluxo luminoso é perpendicular ao vetor normal a superfície a iluminância será nula (FIGURA 1.10). Para posições intermediárias, a iluminância varia de 0 ao valor máximo.
Nr
Nr
Nr
φθ
E E = 0
Emáx
FIGURA 1.11– Variações da iluminância em função do ângulo de incidência.
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A iluminância numa superfície também pode ser relacionada com a intensidade da fonte
luminosa e a sua posição em relação ao fluxo luminoso pela EQUAÇÃO 1.7.
θcos2 ⋅=dIE (1.7)
Onde: “I” é a intensidade luminosa da fonte; “d” é a distância entre a fonte e a superfície e; “θ” é o ângulo formado entre a direção da luz e a normal da superfície (FIGURA 1.11).
1.1.5. Luminância
Luminância pode ser considerada como uma medida física do brilho de uma superfície iluminada ou fonte de luz, sendo através dela que os seres humanos enxergam. A luminância é uma excitação visual e a sensação de brilho é a resposta visual desse estímulo.
Assim, luminância “L”, é definida como a intensidade luminosa por unidade de área
aparente de uma superfície numa dada direção e sua unidade no SI é candela/m2 [cd/m2]. A área aparente, A’, é a área que a superfície parece ter do ponto de vista do observador (FIGURA 1.12):
Nr
βA
FIGURA 1.12– Luminância de uma superfície.
A EQUAÇÃO 1.8 apresenta a definição de luminância.
)cos()(
')(
βββ
⋅==
AI
AI
L (1.8)
A área aparente A’ = A . cos β, onde “A” é a área real da superfície, “β” é o ângulo entre o vetor normal a superfície e a direção de observação e I(β) é a intensidade luminosa na direção considerada.
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FIGURA 1.13– Luminância.
A luminância independe da distância entre o observador e a superfície fonte de luz. Como pode ser visto na FIGURA 1.13, a medida em que o observador se aproxima, a área vista por ele diminui, mantendo constante a luminância da superfície.
Alternativamente, a luminância de uma superfície difusa pode ser calculada pela
EQUAÇÃO 1.9, onde ρ é o fator de reflexão da superfície.
πρ⋅
=EL
(1.9)
O olho humano detecta luminâncias da ordem de um milionésimo de cd/m2 até um limite superior de um milhão de cd/m2, a partir do qual a retina é danificada. Ofuscamento, impedimento da visão, ocorre a partir de 25.000 cd/m2. Assim se explica como os olhos podem ser facilmente danificados pela visão direta da luz solar que apresenta uma luminância 1.000 vezes maior que o limite máximo.
TABELA 1.1 - Valores de luminância de algumas fontes
Fonte Luminância [cd/m2]
Sol 1600 x 106
Céu claro 0,4 x 104
Lâmpada de tungstênio de bulbo claro (100 W) 6,5 x 106
Lâmpada de tungstênio de bulbo leitoso (100 W) 8 x 104
Lâmpada a vapor de mercúrio alta pressão (400 W) 120 x 104
Lâmpada fluorescente (80 W) 0,9 x 104
Lâmpada a vapor de sódio baixa pressão (140 W) 8 x 104
Papel branco (fator de reflexão 80%) E = 400 lux 100
Papel cinza (fator de reflexão 40%) E = 400 lux 50
Papel preto (fator de reflexão 4%) E = 400 lux 5
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TABELA 1.2 - Grandezas fotométricas
Grandeza
Nome Símbolo Significado Unidade
Fluxo luminoso
Componente do fluxo radiante que gera uma resposta visual.
Esfera de Ulbricht: a fonte luminosa é colocada dentro de uma grande esfera, cujo o interior é pintado de branco perfeitamente difusor. Mede-se a iluminância produzida pela luz difusa através de uma pequena abertura, protegendo os raios que saem diretamente da fonte, esta iluminância é proporcional ao fluxo luminoso emitido pela fonte.
Eficiência Luminosa
É a razão entre o fluxo luminoso "φ" produzido por uma fonte e a potência "P" consumida.
A eficiência luminosa é deduzida juntamente com a medição do fluxo luminoso com a esfera de Ulbricht, medindo-se a potência consumida pela fonte luminosa e seus equipamentos auxiliares, através de um wattímetro.
Intensidade Luminosa
É o fluxo luminoso "φ" emitido por uma fonte numa certa direção, dividido pelo ângulo sólido "ω", no qual está contido.
cd Banco fotométrico: a fonte luminosa em exame é comparada com uma fonte de intensidade conhecida. No caso de aparelhos de iluminação, a medição é feita por meio de um fotogoniômetro: uma célula fotovoltaica gira em volta do aparelho e mede a intensidade luminosa emitida em todas as direções.
Iluminância
É o fluxo luminoso incidente "φ" numa dada superfície, dividida pela área "A"da mesma.
lux Luxímetro: é formado por uma fotocélula que transforma a energia luminosa em energia elétrica, indicada por um galvanômetro cuja a escala está marcada em lux.
Luminância
É a intensidade luminosa "I" (de uma fonte ou de uma superfície iluminada) por unidade de área aparente "A'" numa dada direção.
Luminancímetro: aparelho que reproduz a imagem da superfície projetada e cuja a luminância deve ser medida. A energia elétrica produzida pelo fotosensor é ampliada e medida por um galvanômetro calibrado em candelas por m2.
Como medir
φ lm
Pφ
=ηηWlm
ωφ
=II
AE φ=E
L'A
IL = 2mcd
19
1.2. LEIS FUNDAMENTAIS DA ILUMINAÇÃO
A intensidade luminosa "I" e a iluminância produzida "E" são correlacionadas por duas leis de propagação da luz: 1.2.1. Lei do inverso do quadrado
A iluminação numa superfície é inversamente proporcional ao quadrado da distância
entre a fonte de luz e a superfície.
2dIE = (1.10)
Esta lei advém do fato que a luz é emitida a partir da fonte para o espaço; assim, quanto mais longe estiver a superfície menor é o fluxo de luz que ele irá interceptar. Por outro lado, se a distância é dobrada, a área iluminada é quadruplicada, produzindo uma redução proporcional na densidade superficial de luz incidente (FIGURA 1.14).
r2 = 2.r1
Superfície esférica 2
(4 vezes área 1)
Superfície esférica 1
r1
Fonte de luz
FIGURA 1.14 - Lei do inverso do quadrado da distância (Fonte: MOORE [1991]). 1.2.2. Lei do cosseno
A iluminação numa superfície varia com o cosseno do ângulo entre a normal à superfície e o raio de luz. Ela é máxima quando o raio é normal à superfície, ou seja, quando o ângulo de incidência θ = 0°. Em qualquer outro caso o raio de luz cobrirá uma área maior, com uma conseqüente redução no nível de iluminação (FIGURA 1.15).
)cos(2 θ⋅=dIE (1.11)
20
Distantes da fonte de luz as linhas de fluxo
luminoso são paralelas Iluminância na
superfície inclinada 50 lux
Ângulo de incidência (cosseno = 0,5)
FIGURA 1.15 - Lei do cosseno (Fonte: MOORE [1991]). 1.2.3. Lei da aditividade
Esta lei diz que a iluminação total numa superfície, produzida por várias fontes de luz, será a simples soma das iluminações produzidas por cada uma das fontes:
(1.12) nEEEEE ++++= .......321
1.3. PROPRIEDADES ÓTICAS DOS MATERIAIS
Materiais expostos à luz se comportam de várias maneiras. Quando a luz incide numa
superfície, uma fração ρ do total incidente é refletida, isto é, retoma ao hemisfério de procedência sem penetrar na matéria; uma outra porção, α, é absorvido dentro do material, configurando-se num ganho de energia, enquanto a ultima fração τ pode ser transmitido (no caso de superfícies transparentes ou translúcidas) para o outro lado (ver FIGURA 1.16).
FIGURA 1.16 - Fluxo luminoso incidente em uma superfície.
Material semitransparente
Transmissão
Absorção
Reflexão
21
Caso φi, φr, φa e φt, sejam, respectivamente, o fluxo luminoso total incidente, refletido, absorvido e transmitido, pode-se denominar:
Refletância
iφφρ r=
(1.13) Absortância
iφφα a=
(1.14)
Transmitância
iφφτ t=
(1.15)
resultando em:
(1.16) 1=++ ταρ A TABELA 1.3 apresenta os coeficientes de reflexão, absorção e transmissão de alguns
materiais. TABELA 1.3 - Refletância, absortância e transmitância de alguns materiais.
Material Refletância Absortância Transmitância
Alumínio 0,55 -0,90 0,45 - 0,10
Aço polido 0,55 - 0,65 0,45 - 0,35
Níquel 0,55 0,45
Papel branco 0,70 - 0,85 0,30 - 0,10 0,10 - 0,20
Vidro transparente 0,06 - 0,08 0,04 - 0,02 0,80 - 0,90
Gesso 0,80 - 0,90 0,20 - 0,10
Branco de cal 0,80 0,20
Argamassa de cal 0,40 -0,70 0,60 - 0,30
Concreto 0,40 - 0,50 0,60 - 0,50
Tijolo 0,18 - 0,32 0,82 - 0,68
Madeira 0,15 - 0,50 0,85 - 0,50
Espelho 0,70 - 0,85 0,30 - 0,15
22
Os elementos acima representam a percentagem total de luz refletida, transmitida e absorvida, no entanto, não fornecem nenhuma informação a respeito da forma de propagação da luz imposta pela superfície após a incidência.
1.3.1. Reflexão
A FIGURA 1.17 mostra como a direção da luz refletida é afetada pela textura da
superfície, variando de difusa (luz refletida igualmente em todas as direções) a especular (luz refletida somente numa direção, isto é reflexão de espelho). Superfícies rugosas refletem de modo predominantemente difuso, independente do ângulo de incidência, fazendo que, desta forma, a luminância da superfície seja resultado apenas da iluminação no plano da mesma e de sua refletância (FIGURA 1.17a). Superfícies polidas e brilhantes produzem reflexão especular (de espelho), com o raio de luz refletido localizando-se no plano de incidência e com ângulo de reflexão igual ao de incidência (FIGURA 1.17b). A reflexão especular é dita "como de espelho" porque ela mantém a aparência, direcionalidade e tamanho da fonte original. Superfícies que refletem especularmente podem ser bastante úteis, mas igualmente prejudiciais caso as reflexões não sejam adequadamente controladas. Entretanto, em geral, as superfícies encontradas na prática não são nem perfeitamente difusas nem especulares, refletindo luz em várias direções em diferentes proporções (FIGURA 1.17c).
O uso adequado de reflexões compostas (semi-difusa ou semi-especular) pode ser
bastante útil para o controle da direção da luz direta e/ou para suavizar as imagens.
(a)
(b) (c)
FIGURA 1.17 - Reflexão de superfície especular, difusa e composta.
1.3.2. Absorção Parte do fluxo luminoso incidente em uma superfície não é refletido nem transmitido,
passando a ser absorvido por ela. A parcela absorvida pela superfície depende das características da mesma, sendo que sua cor será definida em função das parcelas do fluxo luminoso incidente que é absorvido e refletido.
1.3.3. Transmissão A transmissão de luz através de superfícies não opacas ocorre de um modo similar ao do
mecanismo de reflexão. A luz pode ser transmitida tanto de maneira difusa como colimada ou
23
mesmo de uma forma combinada, produzindo resultados distintos no ambiente lumínico (ver FIGURA 1.18).
(a) (b) (c)
FIGURA 1.18 - Transmissão de superfície especular, difusa e composta.
A transmitância de uma superfície é afetada pelo ângulo de incidência e pelas características difusoras da mesma. Novos tipos de vidro têm sido estudados e propostos no sentido de aumentar a transmissão da luz natural e a reflexão da radiação térmica.
1.3.4. Refração O fenômeno de refração da luz ocorre quando a luz atravessa materiais com índices de
refração distintos; a direção do facho de luz e alterada durante sua trajetória através do material. Esta modificação na direção é causada por uma modificação na velocidade da luz. A velocidade diminui se o novo meio é mais denso do que o primeiro, e aumenta, quando este meio é menos denso. A modificação na velocidade é seguida por um desvio da luz que é conhecido como refração (ver FIGURA 1.19).
α1
η1
η2
η1
α2
α1
FIGURA 1.19 - Refração da luz entre dois meios diferentes.
24
A lei da refração é descrita pela EQUAÇÃO 1.17, onde η1 e η2 são os índices refrativos do primeiro e segundo meio respectivamente, α1 o ângulo de incidência do fluxo luminoso e α2 o ângulo de refração da luz.
)sen()sen(
1
2
2
1
αα
ηη
= (1.17) A TABELA 1.4 fornece alguns índices de refração. Como pode ser visto o índice de
refração do ar é 1 (ηar =1), o que torna a EQUAÇÃO 1.17 mais simples, resultando na EQUAÇÃO 1.18.
)sen()sen( 221 αηα ⋅= (1.18)
TABELA 1.4 - Índices de refração.
Meio Índice de refração (η)
Ar 1,00
Água 1,33
Vidro comum 1,50 - 1,54
Cristal 1,56 - 1,78
Como o ângulo de refração muda com o comprimento de onda, através da dispersão em prismas é possível promover a separação da luz branca em suas cores integrantes.
25
2. COR
Cor é uma importante consideração no projeto de iluminação; é possível que uma instalação de iluminação seja tecnicamente correta quanto a garantir luz suficiente e, ainda assim, causar insatisfação pelo efeito incorreto das cores.
A maioria das superfícies mostra propriedades de reflexão seletivas. Elas absorvem certos comprimentos de onda da luz incidente e, consequentemente, a composição espectral da luz refletida é diferente. Esta luz refletida determina a aparência da cor da superfície. Estudos e experiências têm demonstrado que a cor tem influência sobre a saúde, o bom humor e o rendimento das tarefas, possibilitando a obtenção de:
reações psicológicas positivas; interesse visual; aumento de produtividade; melhoria no padrão de qualidade; menor fadiga visual; redução do índice de acidentes.
Fisicamente, cor é uma parte do espectro de ondas eletromagnéticas que, ao estimular o
olho humano, permite a distinção de diferenças na qualidade da sensação visual. Portanto, como qualquer fenômeno físico, cor é mensurável em relação a uma unidade. Um corpo que, sob uma luz branca (vermelho+azul+verde) apresentar uma coloração avermelhada, é porque está refletindo as ondas de comprimento acima de 650 nm e absorvendo as demais.
FIGURA 1.20 - Incidência de luz branca em uma superfície avermelhada.
Sob um ponto de vista subjetivo, a cor é a resposta a um estímulo luminoso captado pelo olho e interpretado no cérebro. Assim, a cor é uma sensação que depende de diversos fatores, tais como: posição que ocupa dentro de um conjunto de cores, iluminação que recebe, composição com outras cores, etc.
Quando duas ou mais cores são superpostas, gera-se uma cor diferente das que lhe deram origem. Existem dois processos através dos quais é possível misturar cores:
superposição de luzes coloridas (cor luz); mescla de pigmentos (cor pigmento).
26
No processo de superposição de luzes coloridas, ocorre o somatório dos comprimentos
de ondas, razão pela qual denomina-se de mistura aditiva. É possível, desta forma, obter-se todas as cores do espectro partindo-se das chamadas cores fundamentais: vermelho, azul e verde. A mistura aditiva sempre produz uma cor mais clara. Este processo de superposição de luzes é o que se utiliza nos tubos de imagem de televisores coloridos, sendo que o branco resulta da soma das três cores fundamentais e o preto corresponde a ausência de luz.
FIGURA 1.21 - Mistura aditiva (
No caso de mescla de pigmentos, ocorre um process
incidente produzindo uma diminuição dos comprimentos de ochamado de subtrativo e as cores básicas são: magenta, cyansempre produz uma cor mais escura que as originais. O preto ébásicas de pigmento, que juntas absorvem todos os comprimento
FIGURA 1.22 - Mistura subtrativa (c
cor luz).
o de absorção de parte da luz nda refletidos. Este processo é e amarelo. Mistura subtrativa
obtido pela soma das três cores s de onda.
or pigmento)
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2.1. CLASSIFICAÇÃO DAS CORES
Ao se descrever uma superfície vermelha a uma outra pessoa, ela tem uma idéia geral sobre a mesma, o problema surge quando se ordena a essa pessoa que reproduza esta superfície vermelha com exatidão. Surge então a necessidade de especificar a cor com precisão (Qual seu colorido?; Qual seu brilho?). Um dos primeiros sistemas criados e também um dos mais conhecidos de classificação de cores, foi desenvolvido em 1915 pelo americano Albert H. Munsell baseado em três atributos distintos:
Matiz (ou Tom): é a qualidade que distingue uma cor da outra, é o conceito de cor usando os termos comuns das cores, vermelho, amarelo, azul, etc, com cores de transição e outras subdivisões. A matiz depende do comprimento de onda dominante.
Valor (brilho): é a medida subjetiva de refletância, aparência clara ou escura de acordo
com uma escala de 0 (preto) a l0 (branco). Na prática são encontrados valores de 1 a 9 definindo uma escala cromática de valores, que pode ser convertida em refletância, diretamente relevante para o projeto de iluminação:
100)1( −⋅
=VVρ (1.19)
Saturação (ou croma): é dada pela intensidade ou pureza da cor. Munsell estabeleceu
uma escala ascendente de até 14 graus para correlacionar as diferenças entre a cor pura e o cinza neutro.
Neste sistema, cada cor possui uma notação feita em três partes: Matiz-Valor/Saturação. Deste modo um certo tom (matiz) de verde com um valor médio na escala de brilho (valor) e com 8 graus distante do cinza neutro será representado da seguinte forma: 5G-5/8.
FIGURA 1.23 - Círculo de cores de Munsell (Fonte: FITT
28
FIGURA 1.24 - Diagrama de cromaticidade (Fonte: FITT [1997]). Um outro sistema de especificação de cores, não tão simples como o sistema proposto
por Munsell, foi proposto em 1931 pela CIE (Commission International de L'Eclairage). O sistema proposto pela CIE é baseado no seguinte procedimento:
coloca-se um observador em frente a uma tela branca; em uma metade da tela é projetada uma fonte de luz arbitrária (fonte teste); na outra metade da tela é projetada uma combinação das três cores primárias de luz
(vermelho (λ=700 nm), verde (λ=546,1 nm) e azul (λ=435,8 nm)); observador tem que ajustar a intensidade das três cores primárias até que ambos os
lados da tela apresentem a mesma cor e o mesmo brilho. Cabe salientar que, embora os dois lados da tela tenham a mesma cor, eles podem não
possuir a mesma composição espectral e que as quantidades de luz vermelha, verde e azul que especificam a cor observada são valores únicos para a mesma.
Esta classificação é feita em função de três componentes denominados valores
tristímulos, que são representados pelas letras X, Y e Z. As variações dos valores tristímulos que ocorrem em função do comprimento de onda da radiação, permitem a elaboração de três curvas que delimitam áreas iguais com o eixo das abscissas. A FIGURA 1.24 mostra a representação gráfica dos tristímulos.
29
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Comprimento de onda [nm]
Tri
stím
ulos
FIGURA 1.25 - Valores dos tristímulos.
Com a representação dos valores tristímulos em um sistema de eixos cartesianos, é possível construir um diagrama com todas as cores do espectro visível. Porém, esta representação não é tão simples por se tratar de um sistema tridimensional. Com o objetivo de transformar o sistema tridimensional em um bidimensional, os valores tristímulos X, Y e Z foram dividido pela soma dos mesmos, resultando nas seguintes equações:
ZYXXx++
=
(1.20)
ZYXYy++
= (1.21)
ZYXZz++
= (1.22)
A soma dos três valores conhecidos como coordenadas de cromaticidade (x, y e z) é igual a 1. 1=++ zyx (1.23)
Utilizando-se dois coeficientes tricromáticos (x e y) é possível traçar um diagrama bidimensional que represente todas as cores do espectro. Este gráfico representado no espaço
30
bidimensional recebe o nome de Diagrama de Cromaticidade (FIGURA 1.26). Todas as cores possíveis da combinação das cores primárias de luz (vermelho, verde e azul) estão dentro da área limitada pela curva e pela reta conhecida como linha das púrpuras, tendo em sua região central o branco de referência (x=0,33, y=0,33) com temperatura de cor correlata de 9600 K.
FIGURA 1.26 - Diagrama de Cromaticidade (Fonte: FITT [1997])
31
Figura 1.27: Valores do Sistema Munsell e refletâncias
32
2.2. TEMPERATURA DA COR CORRELATA
Um corpo aquecido emite radiação eletromagnética, cujo comprimento de onda depende da temperatura do emissor. Com temperaturas até 600 K os comprimentos de onda são maiores que os da faixa visível. Com o aumento da temperatura, o espectro se move para a porção visível. Em torno de 6.000 K (radiação solar) a emissão está centrada na banda visível. A cor da radiação pode ser definida de acordo com a temperatura do emissor, isto é, temperatura que um corpo negro deve ter para emitir um espectro similar ao da fonte de luz - temperatura da cor correlata em K. A TABELA 1.4 mostra a temperatura que o corpo negro deve atingir para emitir luz colorida.
TABELA 1.4 - Temperatura da cor correlata da luz colorida.
Cor da luz TCC [K]
Vermelho 800 - 900
Amarelo 3.000
Branco 5.000
Azul 8.000 - 10.000
Azul brilhante 60.000 - 100.000
Cabe salientar que a referência feita a cores quentes ou frias (quanto a sua aparência) tem o significado inverso ao da temperatura da cor. O vermelho "quente" tem na verdade a menor temperatura da cor, enquanto o azul "frio" é emitido pelos corpos a mais alta temperatura. 2.3. APARÊNCIA DE COR
As fontes de luz podem ser divididas, com uma certa aproximação de acordo com sua aparência de cor e temperatura de cor correlata (ver TABELA 1.5).
TABELA 1.5 - Aparência de cor.
Aparência de cor TCC [K]
Fria (Branca-azulada) > 5.000
Intermediária (Branca) 3.300 - 5.000
Quente (branca-avermelhada) < 3.000
Diversas experiências têm mostrado que para uma iluminação de boa qualidade, a aparência de cor das fontes de luz deve estar de acordo com o nível de iluminação. A TABELA 1.6 mostra a aparência de cor em função do nível de iluminação para ambientes iluminados com lâmpadas fluorescentes. Analisando a TABELA 1.6 nota-se que quanto maior for o nível de iluminação, maior deve ser a temperatura de cor, proporcionando ao ambiente uma aparência de cor mais fria.
33
TABELA 1.6 - Variação da aparência de cor em função do nível de iluminação.
Aparência de cor da luz
Quente Intermediária Fria
< 500 agradável neutra fria
500 - 1.000
1.000 - 2.000 estimulante agradável neutra
2.000 - 3.000
> 3.000 inatural estimulante agradável
Iluminância [lux]
2.4. REPRODUÇÃO DAS CORES
Embora a luz branca contenha as sete cores do espectro, nem todas as fontes de luz branca, tais como lâmpadas, luz natural ou solar, contém iguais quantidades de cada cor. Por exemplo, luz do sol ao meio-dia apresenta um espalhamento das cores bastante uniforme (FIGURA 1.27a), enquanto uma lâmpada incandescente contem uma grande quantidade de vermelho (FIGURA 1.27b). Lâmpadas fluorescentes são normalmente deficientes no vermelho, mas apresentam picos de amarelo/verde e algumas partes de azul (FIGURA 1.27c). Lâmpadas de vapor de mercúrio são deficientes no azul (FIGURA 1.27d).
(a) (b)
(c) (d)
FIGURA 1.27 - Curva de distribuição espectral de algumas fontes de luz.
34
A cor da superfície a ser percebida é, obviamente, influenciada pelo conteúdo de cores da fonte luminosa - este efeito é chamado de reprodução da cor. Veja na TABELA 1.7 como uma luz colorida pode realçar ou distorcer a cor dos objetos. É, portanto, importante que as fontes de luz proporcionem uma reprodução das cores correta de acordo com os objetivos específicos do projeto. Por exemplo, museus, galerias de arte, indústrias têxteis, vitrines, açougues, etc.
TABELA 1.7 - Influência da cor da luz na cor dos objetos.
Cor da luz
Amarelo Vermelho Azul Verde
Amarelo Amarelo brilhante
Laranja avermelhado
Marrom claro
Amarelo limão
Vermelho Laranja brilhante
Vermelho brilhante
Vermelho azulado
Vermelho amarelado
Azul Púrpura claro
Púrpura escuro
Azul brilhante
Azul verdoso
Verde Verde amarelado
Verde oliva Azul verdoso
Verde brilhante
Cor do objeto
A reprodução de cor pode ser classificada, sendo o índice de reprodução de cor Ra da
CIE (Commission Internacionale L'Eclairage) o mais comum. Este índice é derivado de um jogo de 8 cores teste, que são iluminadas por uma fonte de luz de referência (Ra = 100) e a fonte de luz a ser testada. Compara-se visualmente para definir quão próximo a luz de teste reproduz as cores vistas sob a fonte de referência. A TABELA 1.8 apresenta as faixas de variação.
TABELA 1.8 - Classificação das fontes de luz conforme o índice de reprodução de cores.
Grupo de
reprodução de cor
Índice de
reprodução de cor Aplicação típica
1A Ra ≥ 90 Situações especiais de controle de cor apurado
1B 80 ≤ Ra < 90
Quando é necessário um bom julgamento de cor, sua reprodução e aparência (indústrias têxteis, gráficas, lojas, museus, hospitais, residências, hotéis, etc.)
2 60 ≤ Ra < 80 Reprodução de cor moderada (escritórios, indústrias em geral, escolas, lojas, etc.)
3 40 ≤ Ra < 60 Quando a reprodução de cor não é importante, mas não se quer distorções em excesso.
4 20 ≤ Ra < 40 Reprodução de cor é desprezível (iluminação pública)
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2.5. USO DAS CORES EM AMBIENTES DE TRABALHO
Um ambiente de trabalho que apresente uma utilização adequada das cores proporcionará aos seus usuários uma atmosfera agradável, segura e com menos propensão de danos a sua saúde. Este ambiente agradável diminuirá os riscos de fadiga visual evitando assim falhas na execução das tarefas, logo, resultará em um aumento de produtividade.
Ao escolher a cor dos ambientes de trabalho, deve-se dar preferência a tons suaves, pois
embora as cores vivas sejam mais interessantes, elas se tornaram cansativas para aqueles que terão que passar uma jornada de trabalho de 8 horas ou mais neste ambiente. Isto não quer dizer que o uso de cores vivas deve ser descartado, muito pelo contrário, existem certos ambientes que elas proporcionarão um efeito psicológico muito mais eficaz, tais como: halls de entrada, salas de espera, salas de lazer, etc.
TABELA 1.9 - Índices de reflexão média das cores (refletância).
Cor Refletância [%]
Branco teórico 100 Branco de cal 80 Amarelo 70 Amarelo limão 65 Verde limão 60 Amarelo ouro 60 Rosa 60 Laranja 50 Azul claro 50 Azul celeste 30 Cinza neutro 30 Verde oliva 25 Vermelho 20 Azul turquesa 15 Púrpura 10 Violeta 05 Preto 03 Preto teórico 00
O fator climático é um dos determinantes na hora do planejamento cromáticos dos ambientes de trabalho. Em locais de clima quente, deve-se dar preferência aos tons azuis e verde claro, que estão associados a frescura das águas, da relva e das folhagens, evitando-se sempre o uso do amarelo, que lembra o fogo e o sol. Embora a utilização das cores frias traga uma sensação de frescor e tranqüilidade, elas poderão tornar o ambiente monótono e ao mesmo tempo depressivo. Quando o clima é mais frio deve-se optar por cores que dêem a sensação de calor, como o amarelo, laranja e o vermelho.
Além dos aspectos
psicológicos e decorativos que as cores possuem, o que realmente interessa para iluminação do ambiente de trabalho são as suas propriedades de reflexão da luz. A utilização de cores com altos índices de reflexão poderá melhorar significativamente o rendimento do sistema de iluminação, podendo-se aumentar o nível de
36
iluminamento geral do ambiente sem que seja necessário aumentar o fluxo luminoso das fontes de luz. Na TABELA 1.9 são apresentados os índices de reflexão média de algumas cores.
O planejamento cromático de um determinado local de trabalho depende de vários fatores, tais como: atividade a ser desenvolvida no local, as dimensões do espaço, o tipo de iluminação a ser utilizado, o perfil do usuário (sexo, idade e cultura), etc. Neste planejamento o teto, as paredes e o piso deverão receber um tratamento diferenciado.
Cores de tetos e forros: Na escolha da cor do teto deve-se optar por cores mais claras. Quanto mais estas se aproximem do branco, melhor serão as condições de iluminação do ambiente. A luz difusa refletida pelo teto proporcionará uma melhor uniformidade dos níveis de iluminação do ambiente, reduzindo os problemas de sombras excessivas e de ofuscamentos produzidos por reflexões dirigidas. Cores de paredes: O fundo de qualquer ambiente é limitado por suas paredes, e sobre este fundo se destaca tudo que nele existe. É para este fundo que a visão é direcionada quando se afasta de sua atividade, portanto, deve-se evitar diferenças acentuadas entre a cor do plano de trabalho e o fundo, pois isto exigirá do olho um grande esforço de adaptação a nova cor, resultando em uma fadiga visual. A cor das paredes e do plano de trabalho deverá sempre que possível possuir o mesmo tom. Pisos: Recomenda-se que o piso tenha uma cor mais escura que as que foram utilizadas para as paredes e o teto.
Na TABELA 1.10 apresentam-se os valores recomendados de refletância para teto,
paredes de piso.
TABELA 1.10 - Refletâncias recomendadas para teto, paredes e piso.
Superfície Refletância [%]
Teto 90 - 70
Paredes 70 - 50
Piso 40 - 20 2.6. USO DAS CORES NAS SINALIZAÇÕES
A grande vantagem do uso das cores para sinalização é que ela possibilita uma reação instantânea no observador. Um cartaz faz com que um observador pare, leia, analise e só então depois de todas estas etapas, tome a atitude recomendada pelo mesmo. Para que com as cores a reação fosse imediata, foi necessária uma uniformidade na aplicação destes sinais, de tal forma que o seu significado seja sempre o mesmo.
A norma brasileira NB-76/59 determina as cores dos locais de trabalho com a finalidade de evitar acidentes. A aplicação de cada uma das cores é mostrada na TABELA 1.11.
37
TABELA 1.11 - Aplicação das cores com a finalidade de evitar acidentes.
Cor Aplicação
Vermelho Indicar equipamentos de combate a incêndio (extintores, hidrantes)
Alaranjado Identificar partes móveis e perigosas de máquinas e equipamentos (polias, engrenagens)
Amarelo Em escadas, vigas, partes salientes de estruturas, bordas perigosas como um sinal de advertência "cuidado"
Verde Identificar equipamentos de primeiros socorros, macas, e quadros para exposição de cartazes sobre segurança
Azul Indicar equipamentos fora de serviço e fontes de energia
Púrpura Indicar os perigos provenientes de radiações eletromagnéticas e de partículas nucleares
Branco Demarcar áreas de corredor e locais de armazenagem, localização de equipamentos de socorros, combate ao incêndio, coletores de resíduos e bebedouros
Preto Indicar os coletores de resíduos. A TABELA 1.12 apresenta algumas cores fixadas pela norma brasileira NB-54/57 para
tubulações, outros códigos poderão ser obtido consultando-se a norma.
TABELA 1.12 - Aplicação das cores em tubulações.
Cor Aplicação
Vermelho Combate ao incêndio
Verde Água
Azul Ar comprimido
Amarelo Gases não liqüefeitos
Laranja Ácido
Lilás Álcalis
Preto Inflamáveis e combustíveis de alta viscosidade
Alumínio Gases liqüefeitos, inflamáveis e combustíveis de baixa viscosidade
Branco Vapor
Marrom Qualquer outro tipo de fluído
Cinza claro Vácuo
Cinza escuro Eletrodutos
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3. ILUMINAÇÃO ESPACIAL
As condições de iluminação são usualmente descritas, medidas ou especificadas em termos de iluminância num dado plano, mais freqüentemente num plano de trabalho horizontal (tomada a uma altura entre 0,75 a 0,90 m) e, em algumas vezes, vertical ou inclinado; em outras palavras, iluminação planar.
Iluminação frontal
Entretanto, isto não descreve totalmente as
condições de iluminação. Uma certa iluminação pode ser produzida por um estreito raio de luz, vindo de uma determinada direção, ou por um ambiente aonde a luz vem de todas as direções. Um sensor de luz plano registra a luz proveniente de um hemisfério e não distingue entre um raio de luz e um ambiente difuso. Existem certos ambientes, tais como praças de esporte, palcos, museus, estradas, saguão de entrada, etc., onde o objeto central da tarefa visual é essencialmente tridimensional; nestes casos a iluminação planar oferece pouca informação sobre as reais condições de iluminação (ver FIGURA 1.28).
Iluminação lateral
FIGURA 1.28 - Iluminação espacial.
Um outro conceito utilizado para caracterizar um sistema de iluminação, que não seja
somente a iluminância no plano de trabalho é proposto adotando-se dois novos conceitos: iluminância escalar e vetor iluminação.
3.1. ILUMINAÇÃO ESCALAR
A iluminância escalar em um ponto é a
iluminância média recebida por uma pequena esfera
colocada neste ponto, proveniente de todas as
direções, isto é, o fluxo total incidente na esfera,
dividido pela sua superfície. É designado por ES e
medido em lux; sendo a medida da quantidade total
de luz, não considerando sua direção.
FIGURA 1.29 - Iluminação escalar.
39
Utilizando-se a EQUAÇÃO 1.6, e admitindo-se que a pequena esfera possui um raio "r", a iluminância escalar pode ser representada pela EQUAÇÃO 1.24:
24 rES ⋅
=πφ (1.24)
3.2. VETOR ILUMINAÇÃO E1
É uma grandeza composta, apresentando magnitude e direção. A magnitude do vetor iluminação em um ponto é a diferença máxima de iluminâncias entre dois pontos diametralmente opostos na superfície de uma pequena esfera colocada neste ponto. Sua direção é dada pelo diâmetro que liga os dois pontos que apresentam a máxima diferença. É designado por ∆Emáx e é medido em lux.
E2
FIGURA 1.30 - Vetor iluminação.
Na FIGURA 1.30 os valores E1 e E2 são os que fornecerão o módulo do vetor iluminação (∆Emáx = E1 - E2). Estes valores poderão ser determinados pela EQUAÇÃO 1.25.
2rE
⋅=πφ
(1.25)
A razão vetor iluminação/iluminação escalar é a medida da direcionalidade da luz e também serve como um bom indicador das qualidades de modelamento do ambiente. Este valor varia de 0 a 4. Em um ambiente que possua uma iluminação perfeitamente difusa, os valores E1 e E2 são igual, resultando um vetor iluminação nulo e um índice de modelamento também nulo. Ambientes com índice de modelamento baixo há uma ausência de sombras, os detalhes não são realçados e a percepção de profundidade da cena fica prejudicada. O oposto, ou seja, uma iluminação unidirecional proporciona o índice de modelamento igual a 4, o valor máximo. Locais com índice de modelamento alto podem criar sombras demasiado fortes, esconder os detalhes e causar desconforto visual por ofuscamento. Os valores recomendados para ambientes de trabalho situam-se entre 1,2 - 1,5.
40
4. VISÃO E PROJETO DE ILUMINAÇÃO
Visão é a habilidade do olho perceber aquela porção do espectro de radiação que é definido como luz. A luz entra no olho através da pupila, uma abertura na íris que varia seu diâmetro para controlar a quantidade de luz admitida. A córnea e o cristalino (lente) focam a luz por retração para criar uma imagem invertida na retina - superfície sensível a luz localizada no fundo do olho - que transmite a informação para o cérebro. A retina é composta por dois tipos de receptores sensíveis à luz: cones e bastonetes. Existem três tipos de cones, cada um cobrindo uma margem espectral distinta; isto que torna possível a visão a cores. A fóvea é uma pequena porção da retina que consiste no centro de nossa visão; a região da fóvea contém uma grande quantidade de cones (aproximadamente 6 x 106), que são sensíveis a cor e ao detalhe, mas pouco sensíveis a luz e movimento. A porção maior ao redor é responsável pela visão periférica (área parafoveal). Esta região contém uma enorme quantidade de bastonetes (em torno de 125 x 106), que são extremamente sensíveis a luz (possibilitando a visão no escuro) a ao movimento, mas não possuem sensitividade a cor e ao detalhe (ver FIGURA 1.31).
Filme
Diafragma
Lentes
Abertura
Área Foveal
Área parafoveal
Pálpebra Córnea Íris Pupila
FIGURA 1.31 – O olho humano x Câmera fotográfica (Fonte: MOORE [1991]). Num primeiro instante, a experiência visual se apresenta como um processo de
orientação e formação de impressões espaciais. A seguir, pelo recebimento de várias informações, ocorre um processo de comparações e ordenamento de prioridades mentais. A visão também inclui o processo de comunicação com a identificação de informações visuais. Por fim, a visão interpreta movimento e mudanças no entorno adjacente, contribuindo para a orientação espacial e segurança no ambiente.
A evolução da humanidade tem sido feita predominantemente à luz do dia e do sol, o que não surpreende pelo fato de que o máximo de sensitividade do olho humano ocorre na faixa do espectro solar. Com pouca luz (luminância média de 0,001 cd/m2), os bastonetes são usados e a sensitividade máxima corresponde a λ = 0,507 nm, o que é designada de visão escotópica. Com mais luz (luminâncias na ordem de 3 cd/m2), os cones começam a operar e a sensitividade máxima é deslocada para λ = 555 nm, designada agora de visão fotópica ou curva V(λ). Esta
41
defasagem, ou seja, o deslocamento na sensitividade máxima do olho humano é denominado Efeito Purkinje (ver FIGURA 1.32).
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Comprimento de onda [nm]
Sens
itivi
dade
Vis
ual
Visão noturna (Escotópica)
Visão diurna (Fotópica)
FIGURA 1.32 – Sensitividade espectral do olho humano.
A curva V(λ) é de fundamental importância nas medições de luz uma vez que é internacionalmente usada como base em qualquer medição de luz, independentemente do nível de iluminação. 4.1. VISÃO E PERCEPÇÃO
A analogia olho-câmera fotográfica, que pode ser usada para explicar o processo de controle de admissão de luz, foco e criação da imagem visual, se desfaz quando os impulsos nervosos chegam ao cérebro. Enquanto a câmera enxerga a cena e a registra, o cérebro percebe a cena e a interpreta. Esta interpretação da cena pelo cérebro lança mão da memória, experiência, aprendizado, conhecimento e inteligência. A FIGURA 1.33, por exemplo, mostra como o cérebro gera sentido a partir de um conjunto de figuras pretas aparentemente sem nenhum significado (tendência à complementação).
FIGURA 1.33 – Exemplo de percepção por tendência de complementação.
42
4.2. ADAPTAÇÃO VISUAL
O olho humano tem uma grande capacidade de adaptação a condições variáveis de iluminação. O processo pelo qual os olhos se ajustam a estas condições é chamado de adaptação visual. Adaptação é a característica dominante na visão humana; de outra forma não se poderia ver em ambientes tão distintos como os produzidos pelo dia, noite, luz solar, nuvens, interiores e exteriores. É por causa desta capacidade de ajustamento do olho humano que a luminância, ou brilho, é relativa e não absoluta; a luz do dia que parecia ser satisfatória ao entrarmos no cinema parece excessivamente brilhante quando deixamos o cinema. Faróis de veículos que incomodam à noite quase não são percebidos durante o dia.
O processo de adaptação possui três componentes: uma resposta neural rápida quando ocorre uma mudança na iluminação; uma resposta média do olho com a dilatação ou contração da pupila para regular a
quantidade de luz admitida no interior do olho; uma resposta retinal lenta com a produção ou remoção de substâncias fotos-
químicas para aumentar ou diminuir a sensitividade à luz.
A resposta do olho pela pupila é mais um efeito secundário; uma proporção de luminâncias em torno de 8 para 1 pode ser adaptada desta forma. O processo de adaptação principal é a lenta resposta retinal/substâncias fotos-químicas que é capaz de lidar com diferenças de até 1.000 para 1. Como esta resposta é lenta são necessários alguns minutos para a adaptação completa. Geralmente, a adaptação do claro para o escuro é mais lenta (aproximadamente 30 minutos) que a do escuro para o claro (2 a 3 minutos), pois é mais fácil remover as substâncias fotos-químicas dos cones do que produzi-las nos bastonetes.
Ao focalizar um novo cenário, o olho se adapta a luminância média deste. Portanto, existe uma faixa de variação de luminância para ambos os lados na qual o olho pode funcionar. Existem duas considerações de projeto importantes que são uma conseqüência da habilidade de adaptação do olho:
margem de adaptação: ao adaptar-se a luminância média da cena, a margem de visibilidade para ambos os lados é grande, mas não infinita. Diferenças muito grandes podem gerar perda de visibilidade e ocorrência de ofuscamento;
velocidade de adaptação: como já foi mencionado, a velocidade de adaptação é
bastante lenta comparada com os movimentos humanos normais. Caso haja um aumento muito rápido nos níveis de luz pode ocorrer ofuscamento. Se for um decréscimo muito rápido pode haver perda de visibilidade (ex., entrada e saída de túneis).
43
4.3. DESEMPENHO DAS TAREFAS VISUAIS
Os ambientes construídos (internos e externos) são iluminados para permitir o desenvolvimento de tarefas visuais (leitura, visão, manufatura, consertos, etc.). É, portanto, muito importante que se saiba o que influencia a habilidade das pessoas de desempenhar estas tarefas. Existem quatro aspectos fundamentais a serem considerados: luz, contraste, tamanho e tempo.
FIGURA 1.34 – Fatores que influem na discriminação visual.
Contrate é a diferença de brilho entre a figura e o
fundo. Se o contraste não existir a figura ficará
camuflada
4.3.1. Iluminância média (nível de iluminação médio)
De maneira geral, quanto maior for o nível de iluminação, mais contraída estará a pupila, melhorando a nitidez da imagem "vista" pelo olho. Dezenas de experiências e estudos têm apontado a preferência por iluminâncias que variam entre 1.000 a 2.000 lux para atividades normais de escritório (FIGURA 1.35). É óbvio que, na prática e por questões econômicas, são aceitáveis valores abaixo desta faixa. Entretanto, existem outros critérios que devem ser satisfeitos e o que se verifica, na prática, é que se pode admitir valores de iluminâncias menores, sem prejuízo do desempenho da tarefa visual.
FIGURA 1.35 – Acuidade visual x Nível de iluminamento (Fonte: IIDA [1997]).
44
Analisando o gráfico da FIGURA 1.35 nota-se que até 1.000 lux o rendimento visual cresce enquanto a fadiga visual decresce. A partir deste ponto até 2.000 lux há um aumento discreto do rendimento visual com um acréscimo da fadiga visual. Ultrapassado os 2.000 lux o rendimento visual tende a permanecer constante com um aumento da fadiga. Por isso, recomenda-se que somente em situações especiais utiliza-se níveis de iluminamento maiores que 2.000 lux.
No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) através da NBR 5413 (abril de 1992) fixa iluminâncias mínimas a serem atingidas em função do tipo de tarefa visual. 4.3.2. Contraste
Contraste é definido como a diferença entre a luminância (brilho) de um objeto e a luminância do entorno imediato deste objeto. No senso subjetivo, o contraste é a determinação da diferença em aparência de duas partes do campo visual. Objetivamente, contraste, especificamente contraste de luminância, pode ser expresso por pelas EQUAÇÕES 1.26, 1.27 e 1.28:
fundo
fundofigura
LLL
C−
= (1.26)
maior
menormaior
LLLC −
= (1.27)
mínimomáxima
mínimamáxima
LLLLC
+−
= (1.28)
A Equação 1.26 resultará em contrastes que variam entre 0 e 1 para um objeto que é mais escuro que o seu entorno, e de 0 a ∞ (infinito) para aquele objeto que é mais luminoso que o fundo. Esta equação é mais freqüentemente utilizada em casos que o fundo é mais luminoso que o objetivo.
Os valores de contrastes fornecidos pela EQUAÇÃO 1.27 variam entre 0 e 1,
independente de quem apresenta a maior luminosidade, o fundo ou a figura. Esta equação é especialmente aplicada em situações onde não se consegue identificar claramente o fundo da figura.
A EQUAÇÃO 1.28 apresenta uma outra maneira de determinar o contraste figuras e seus
respectivos fundos. Esta formulação define o que é conhecido como modulação.
45
A luminância de uma superfície varia com o ângulo de incidência da luz e o ângulo de observação. Quando estes ângulos forem semelhantes o contraste será mínimo e o reflexo da luz incidente pode se tomar um problema, reduzindo a visibilidade de elementos contidos no objeto central de visão. Contraste depende não só do nível de iluminação, mas também das características de reflexão dos elementos envolvidos. Como o contraste é uma medida relativa, a percepção é também relativa. Um objeto pode parecer mais ou menos brilhante dependendo do brilho do seu entorno.
Em pleno dia pode-se perceber diferenças de luminâncias de até 1%, mas sob condições precárias de iluminação até diferenças de 10% podem passar despercebidas. A sensitividade ao contraste melhora com o aumento da luminância, que por sua vez é função da iluminação, até um certo limite (possibilidade de ocorrer ofuscamento). Uma aplicação importante da sensitividade ao contraste é a iluminação de sinalização de emergência tipo SAÍDA; deve haver um alto contraste entre o sinal e o ambiente cheio de fumaça para permitir que o mesmo seja visível. 4.3.3. Acuidade visual
Nitidez de visão ou acuidade visual é a medida da habilidade do olho em discernir detalhes. Pode ser definida em termos do ângulo visual contido nos extremos do menor detalhe perceptível ou contido entre dois objetos que os olhos ainda podem distinguir separadamente. Este ângulo é expresso em minutos e a acuidade visual é expressa pelo recíproco deste ângulo (acuidade = 1/α) (ver FIGURA 1.36):
Níveis de iluminação [lux]
FIGURA 1.36 – Definição de acuidade visual (Fonte: PILOTTO NETO [1980]).
d
E
α
A FIGURA 1.37 apresenta
a acuidade visual em função da iluminação. Acuidade melhora com a iluminação, mas como com a sensitividade ao contraste, a lei da diminuição dos retornos pode ser aqui comprovada; com altos níveis de iluminação a acuidade visual tende à constância. FIGURA 1.37 –Acuidade visual em função do nível de
iluminação.
46
Tipicamente, um adulto pode perceber detalhes com um ângulo visual de 1' (min), resultando numa acuidade visual de 1. A acuidade visual de uma criança pode chegar até 2,5, enquanto que com a idade a acuidade pode decrescer até menos que 1. Assim, a distância máxima para visão com precisão, limite de percepção, pode ser obtida pela EQUAÇÃO 1.29:
)'1tan(dD ≤
(1.29)
Portanto, o menor detalhe que o olho normal pode distinguir com precisão deve ter uma dimensão de pelo menos 1/3.438 da distância de observação:
438.3Dd ≥
(1.30)
Acuidade visual, e por conseqüência, as distâncias do observador ao objeto e as dimensões deste objeto, são também afetadas pelo nível de contraste, contraste de cor, tempo de visão e qualidade ótica do olho. O projetista deve estar consciente do grau de detalhe provável a ser requerido num determinado ambiente. Acuidade é normalmente medida através do anel de Landolt (FIGURA 1.38). Consiste em círculos com uma interrupção na sua circunferência. O teste envolve a visão de uma imagem com mais ou menos 100 anéis, onde se deve dizer onde a falha ocorre (isto é, 12, 3, 6 ou 9 horas).
5a a
FIGURA 1.38 –Anel de Landolt para teste de acuidade visual.
4.3.4. Desempenho visual
Os dois aspectos vistos anteriormente são expressões da eficiência visual sob condições estáticas. Dado tempo suficiente, a maioria das pessoas serão capazes de perceber um objeto mesmo se o contraste e a acuidade visual forem fracos. Entretanto, eficiência precisa ser medida em relação a tarefas visuais transientes, em relação a mudanças; desta forma, o tempo também é considerado. Desempenho visual é quantificado tanto pelo tempo necessário para se perceber um objeto, como pelo número de objetos percebidos por unidade de tempo. Este aspecto apresenta conseqüências importantes quanto à segurança com respeito à circulação, escadas, vias de tráfego, etc. A FIGURA 1.39 mostra que o tempo necessário para a realização de uma determinada tarefa visual diminui com o aumento do nível de iluminação. Existirá um momento em que, aumentar do nível de iluminação, não diminuirá o tempo de realização da tarefa. Para cada tarefa tem-se o nível de iluminação ideal.
47
Níveis de iluminação [lux]
Tempo necessário para ver
FIGURA 1.39 –Desempenho visual em função do nível de iluminação. 4.3.5. Eficiência visual
Este termo fornece uma descrição geral de como os três parâmetros discutidos acima se combinam para dar uma medida da habilidade do olho em desempenhar tarefas visuais. Ele ajuda a responder:
Qual é a menor diferença de luminância percebida? Qual é o menor objeto ou menor detalhe a ser distinguido? Quanto tempo é necessário para o desempenho da tarefa visual?
Assim, a sensitividade ao contraste, a acuidade visual e o desempenho visual são três
aspectos mensuráveis da relação estímulo/resposta; nenhum deles isoladamente descreve completamente esta relação, mas juntos eles fornecem uma boa estimativa da eficiência do processo visual. Sem surpresas, a eficiência visual também tenderá a aumentar com o nível de iluminação. Aqui também a lei da diminuição dos retornos se aplica, alertando para o risco de se exceder nos níveis de iluminação (FIGURA 1.35).
48
4.4. OFUSCAMENTO
Quando o processo de adaptação não transcorre normalmente devido a uma variação muito grande da iluminação e/ou a uma velocidade muito grande, experimenta-se uma perturbação, um desconforto ou até mesmo uma perda na visibilidade que é chamada de ofuscamento. O ofuscamento pode ocorrer devido a dois efeitos distintos:
Contraste: caso a proporção entre as luminâncias de objetos do campo visual seja maior do que 10:1;
Saturação: o olho é saturado com luz em excesso; esta saturação ocorre normalmente quando a luminância média da cena excede 25.000 cd/m2.
Ofuscamentos podem ser
classificados como: desconfortáveis ou perturbadores e inabilitadores. (ver FIGURA 1.36). Os primeiros não impedem necessariamente o desenvolvimento da tarefa visual; são atribuídos à tendência do olho de fixar em objetos ou pontos brilhantes dentro do campo visual (fontes de luz ou reflexos intensos em superfícies muito polidas). O grau de desconforto produzido por luminárias é função de quatro parâmetros: luminância da fonte, tamanho da fonte, ângulo entre a fonte e a linha de visão do observador e a capacidade de adaptação do observador. FIGURA 1.40 –Tipos de ofuscamento
(Fonte: GRIEVE [1990]).
Ofuscamento inabilitador impede o desenvolvimento da tarefa visual, o que pode ser muito perigoso em certas circunstâncias. Este tipo de ofuscamento pode ocorrer por três maneiras:
espalhamento de luz pelo cristalino produzindo uma luminância na retina encobrindo a imagem da cena;
tempo insuficiente do olho para adaptar-se a uma diferença de luminâncias; imagens fantasma, produzidas por flash de câmeras fotográficas, visão do sol,
faróis, etc. O processo da adaptação retinal lento sofre um distúrbio devido à luz excessiva; o cérebro se confunde e continua a ver imagens da fonte de luz, alternando o positivo e negativo numa seqüência decrescente. A visão normal é restaurada em um intervalo de tempo de 5 a l0 minutos.
49
5. FONTES DE LUZ ARTIFICIAL
HISTÓRICO
Pesquis
para as mais iluminação de em
Na TAB
grupo há uma construtivas, potvida útil e custo.
TABELA
GRUP
Dg
Antes da invenção da lâmpada, as casas eram iluminadas pelachama das velas, embora nas maiores cidades os lampiões de gás fossemamplamente usados nas ruas, teatros e grandes escritórios, mas, além decaro, o gás cheirava mal e não havia para ele um sistema geral dedistribuição.
A primeira lâmpada elétrica foi inventada em 1879, por ThomasAlva Edison, inventor norte-americano que após testar vários tipos defilamentos (inclusive fios de barba de colegas), conseguiu produzir umalâmpada que consistia em um filamento de algodão carbonizado colocadodentro de um vidro fechado, onde era feito um vácuo, e que, quandopercorrido por corrente elétrica se encandecia gerando luz, daí, o nome“lâmpada incandescente”. A primeira lâmpada testada com sucesso foiacesa a 21 de outubro de 1879, brilhando por 45 horas consecutivas.
As lâmpadas de descarga são originárias de outro invento, feito nocomeço do século XX, recebendo o nome de lâmpada de arco. Esta lâmpadaconsistia na criação de uma descarga elétrica entre dois eletrodos de carvão,sendo que a maior parte da energia luminosa era produzida pelaincandescência de seus eletrodos.
as e novas tecnologias têm proporcionado uma variedade enorme de lâmpadas diversas aplicações (residencial, comercial, industrial, iluminação pública, ergência, etc.).
ELA 5.1 são mostrados os sete principais tipos de lâmpadas. Dentro de cada grande variedade de lâmpadas disponíveis que diferem em características ência, eficiência luminosa, reprodução de cores, temperatura da cor correlata,
5.1 – Classificação geral das lâmpadas.
O TIPO DE LÂMPADA
GLS
Incandescentes halógenas
Fluorescentes (Tubular e compactas)
Vapor de sódio à baixa pressão
Vapor de sódio à alta pressão
Vapor de mercúrio
Vapor metálico
Incandescentes
escarga asosa
Baixa pressão
Alta pressão
(HID)
50
Para facilitar a identificação dos diversos tipos, as lâmpadas foram codificadas. A TABELA 5.2 mostra os códigos para cada tipo de lâmpada. Estes códigos normalmente são acompanhados da potência da lâmpada e, se necessário, outros detalhes, tais como: vida média, índice de reprodução de cores, posição de funcionamento, etc.
TABELA 5.2 – Codificação das lâmpadas.
TIPO DE LÂMPADA DESCRIÇÃO
Lâmpada de filamento GLS Iluminação para serviços gerais TH Tungstênio - halógena PAR Lâmpada de filamento com refletor parabólico revestido de
alumínio internamente, seguido pelo diâmetro nominal da lâmpada em oitavos de polegada
PAR-E Lâmpada PAR com potência reduzida e eficiência óptica aumentada, seguido pelo diâmetro nominal da lâmpada em oitavos de polegada
R Bulbo de vidro contendo um refletor interno, seguido do diâmetro em milímetros
K Tubular e linear de tungstênio - halógeno M Lâmpadas de display com filamentos
Lâmpada fluorescente tubular MCF Lâmpadas para circuitos com starter MCFE Lâmpadas para circuitos sem starter MCFA Lâmpadas para circuitos sem starter com fio terra MCFR Lâmpadas MCF com refletor interno T5, L 16 mm de diâmetro nominal (5/8 de polegada) T8, TLD, L 26 mm de diâmetro nominal (1 polegada) T12, TL, L 38 mm de diâmetro nominal (1,5 polegadas)
Lâmpada fluorescente compacta SL, SLD, SLR, Globalux Lâmpadas que incorporam o reator e o starter PLEC, PLET, SLDE, Dulux EL Lâmpadas que incorporam controles eletrônicos PLS-2P, PLC-2P, 2D-2P, 4L-2P, Dulux S, Dulux D, Biax S, Double Biax,
Lâmpadas de 2 pinos com starter interno, requerendo um reator externo
PLS-4P, PLC-4P, PLL, 2L, 2D-4P, 4L-4P, Dulux F, Dulux L, Dulux SE, Dulux DE, Biax SE, Double Biax
Lâmpadas de 4 pinos que requerem starter e reator externos ou reatores eletrônicos
Lâmpadas à vapor de sódio baixa pressão
SLI Tubo linear com dupla terminação SOX Tubo em forma de U, com terminação simples SOX-E SOX com a eficácia aumentada
Lâmpadas à vapor de sódio alta pressão
SON, SON-E, NAV-E, LU-D Lâmpadas com bulbo elipsoidal difuso exterior com terminação simples
SON-I SON com starter interno SON-EXTRA Tubo duplo com terminação simples SON-T, NAV-T, LU-T Bulbo tubular claro exterior e terminação simples SON-T COMFORT SON-T com melhoramento da definição de cores NAV-DSX-T SON-T com melhoramento da definição de cores sem mercúrio SON-TD, SON-L, NAV-TS, LU-TD Bulbo tubular claro exterior e terminação dupla SON-R, NAV-R SON com refletor interno
51
SON-H, NAV-T, LU-H SON com mercúrio SON-DL, SON COMFORT, NAV-DL, LU-DX, LU-CL
SON com melhoramento da definição de cores
TABELA 5.2 – Codificação das lâmpadas (continuação).
TIPO DE LÂMPADA DESCRIÇÃO
Lâmpadas à vapor de sódio alta pressão
SON-S, SON PLUS, NAV Super, LU-XL
SON com aumento da eficácia
SON-ST, SON-T PLUS, NAV-T Super
SON-T com aumento da eficácia
SDW-T, LU95 SON branca, bulbo tubular exterior com terminação simples Lâmpada à vapor de mercúrio Alta pressão
MB, HQ Lâmpada de mercúrio a alta pressão com bulbo exterior MBF, HQL, HPL-N, HR-DX, HAX Lâmpada de mercúrio a alta pressão com bulbo exterior contendo
fósforos MBFR, HQLR, HPL-R MBF com refletor interno HPL COMFORT, HQL-DL, HWDX, HR-WDX
MBF com melhoramento da eficácia e do IRC
Lâmpada blindadas à vapor de mercúrio Alta pressão
MBTF, HWL, ML, HMLI Combinação das lâmpadas MBF com filamento que atua como um reator
MBTFR, HWLR, MLR MBFT com refletor interno Lâmpada à vapor metálico MBI, HQI, HPI, MVR, MXR, HgMI Lâmpada com bulbo exterior difuso ou claro, com terminação
simples MBIF, MVR-C, MBID MBI com bulbo exterior contendo fósforo MBIL, HQI-TS Tubo de arco linear, com terminação dupla MBI-T, HPI-T, HQI-T Bulbo exterior tubular claro, com terminação simples MHD Compacta com terminação dupla MHN-T, HQI-T, MVR Bulbo exterior tubular, com terminação dupla MHN-TD, NDL, HQI-TS, MQI/N Tubular com dupla terminação, baixa potência (aparência fria) MHW-TD, HQI-TS, WDL, MQI/W Tubular com dupla terminação, baixa potência (aparência
quente) CSI, CID Compacta, podendo possuir refletor interno Posições de funcionamento /U Universal (geralmente não marcado na lâmpada) /V Vertical /H ou /HOR Horizontal /BD ou /VBD Base em baixo /BDH Base em baixo com inclinação para a horizontal /BU ou /VBU Base em cima /BUH Base em cima com inclinação para a horizontal /BUS Base em cima, com dispositivo de acionamento
Na comparação e seleção da lâmpada mais adequada, pode-se utilizar um conjunto de
critérios como segue abaixo:
52
Energia nominal Condiciona o fluxo luminoso e o dimensionamento da instalação do ponto de vista elétrico (condutores, tipos de proteção, etc.).
Eficiência luminosa Condiciona o quanto uma lâmpada pode ser econômica no consumo de energia. A TABELA 5.3 apresenta a eficiência luminosa de diversas fontes luminosas.
Vida útil A maioria das lâmpadas apresenta um decaimento do fluxo luminoso durante o funcionamento e uma duração média; a vida útil consiste no período no qual a lâmpada é considerada econômica, considerando-se os dois aspectos anteriores. Reprodução de cores O índice de reprodução de cores condiciona o maior ou menor apreciação das cores quando comparadas sob a luz natural (IRC Luz Natural = 100). Temperatura da cor correlata Este parâmetro condiciona a tonalidade da luz (ou aparência da cor). Diz-se que uma lâmpada emite uma luz "quente" ou "fria", quando prevalecem radiações do espectro de cor avermelhada ou azulada, que está associado à escala de temperatura de cor correlata. A luz fria possui a temperatura da cor correlata elevada, enquanto que a luz quente apresenta temperatura da cor correlata baixa. Dimensões Condicionam a construção das luminárias (manipulação da direção e concentração do feixe de luz, necessidade de equipamentos auxiliares, custo, etc.).
53
TABELA 5.3 - Eficiência luminosa de várias fontes luminosas.
FONTE LUMINOSA EFICIÊNCIA LUMINOSA [lm/W]
Artificiais Vela Lamparina a óleo Lâmpada original de Edison Lâmpada de Edison (1910) Incandescente Halógena Fluorescente Vapor de Mercúrio Vapor Metálico Vapor de sódio a baixa pressão Vapor de sódio a alta pressão Microondas
Naturais
Luz direta do sol Luz difusa da abóbada (média) Luz difusa da abóbada (céu bem claro) Céu claro + sol (média) Céu encoberto
0,1 0,3 1,4 4,5
14 – 20 16 – 20 50 – 80 30 – 60 60 – 80 90 – 100 120 - 140 80 - 140
90 – 95 120 150 110 110
Na seqüência serão apresentadas as características dos diversos tipos de lâmpadas, que poderão variar conforme o fabricante, sendo necessário consultar os catálogos específicos para obter maiores detalhes e dados mais precisos.
5.1. LÂMPADAS INCANDESCENTES A produção de luz numa lâmpada incandescente é obtida pela elevação da temperatura
de um filamento até um valor capaz de produzir irradiação na porção visível do espectro; isto é alcançado pela ação de aquecimento da corrente elétrica. Para que o filamento não queime, ele é encerrado num bulbo de vidro, em cujo interior se produz vácuo (lâmpadas de baixa potência) ou se introduz um gás inerte (média e grande potência).
A lâmpada incandescente é composta dos seguintes elementos: bulbo, filamento, meio
interno, base.
54
FIGURA 5.1 – Partes principais de uma lâmpada incandescente
1 Filamento
2 Meio interno
3 Bulbo
4 Base
(Fonte: GARCIA JÚNIOR [1996]). Filamento Quanto maior a temperatura do filamento, maior será a porção da energia irradiada na região visível do espectro e maior a eficácia da lâmpada. Para que se consiga uma boa eficácia luminosa o material do filamento deve apresentar um elevado ponto de fusão, baixa pressão de vapor, alta resistência e ductibilidade. Devido a uma combinação favorável destas propriedades, o filamento de tungstênio é utilizado na maioria das lâmpadas incandescentes. Um aumento da eficácia luminosa é obtido espiralando-se o filamento. O filamento duplamente espiralado (o que aumenta ainda mais a eficácia e diminui, ao mesmo tempo, o tamanho do filamento) é usado em muitos tipos de lâmpadas incandescentes em geral. Meio interno Para que o filamento não se queimasse antigamente era feito vácuo dentro do bulbo, tendo como objetivo a retirada do oxigênio. Hoje em dia é introduzido dentro do bulbo um gás inerte que cria uma pressão interna, diminuindo assim a evaporação do filamento. Nitrogênio e argônio são os gases mais comumente usados. Um outro gás também utilizado é o criptônio, porém devido ao seu alto custo ele somente é utilizado em lâmpadas especiais, onde a eficácia luminosa é mais importante que o preço (lâmpadas de farol de automóvel). Bulbo O filamento de uma lâmpada incandescente é colocado em um invólucro de vidro selado, chamado bulbo. O bulbo poderá ser transparente, branco ou colorido. Bulbos brancos leitosos usados para amenizar os problemas de ofuscamentos, poderão ser produzidos cobrindo-se a superfície interna do bulbo com um silicato branco. O bulbo também é disponível em uma grande variedade de formas, conforme pode ser visto na FIGURA 5.2.
55
FIGURA 5.3 – Bases para lâmpadas incandescentes
(Fonte: GARCIA JÚNIOR [1996])
FIGURA 5.2 – Tipos de bulbos típicos de lâmpadas incandescentes
a Pérola
b Cogumelo
c Lustre
d Vela
e Decorativa linear
f Vitrine
g Tubular
h Piloto
(Fonte: GARCIA JÚNIOR [1996]). Bases A base serve para fixar a lâmpada ao seu suporte, fazendo a ligação desta com o circuito elétrico de alimentação. Existem bases do tipo Edison (ou roscadas) e do tipo Baioneta (ou de encaixe), fabricadas geralmente de latão, alumínio ou níquel. As bases são identificadas por uma letra e um número. A letra corresponde ao tipo (“E” para tipo Edison e “B” para tipo Baioneta) e o número indica o diâmetro da base em milímetros. A FIGURA 5.3 mostra alguns tipos de bases. Eficácia luminosa das lâmpadas
incandescentes A eficácia luminosa máxima teoricamente possível de uma lâmpada incandescente seria
de 53 lm/W, considerando o ponto de liquidificação do tungstênio (3653 K) e uma situação em que não existisse perdas por condução e convecção. Na prática as lâmpadas incandescentes são as que apresentam a menor eficácia sendo que 2% da potência aplicada são perdidos nos fios de condução, 10% são perdidos por condução e convecção no gás que existe dentro do bulbo, 0,5% em ultravioleta que é absorvido pelo bulbo de vidro, 81% utilizado para gerar radiação infravermelho (calor), sendo que somente 6,5% da potência consumida é que é utilizado para a produção de luz visível. Hoje nas modernas lâmpadas incandescentes a eficácia luminosa varia de 8 a 21,5 lm/W.
56
Vida das lâmpadas incandescentes Conforme padrões internacionais a vida média das lâmpadas incandescentes de uso geral
é de 1000 h. A vida média é determinada acendendo-se uma certa quantidade de lâmpadas, o tempo em que 50% das lâmpadas se queimaram é considerado a vida média da lâmpada, portanto, algumas lâmpadas poderão durar mais ou menos que a sua vida média. Logo, existem lâmpadas incandescentes com vida média maior e menor que 1000 h. A vida mais curta é aceita quando um alto fluxo luminoso ou eficácia luminosa são desejados, como é o caso das lâmpadas utilizadas em faróis de automóvel, faroletes, lâmpadas para minas, lâmpadas para teatro, lâmpadas para estúdios de fotografia e filmagens. Uma vida mais longa, podendo chegar até 5000 horas, é desejada quando uma confiabilidade extremamente alta é importante ou quando a reposição da lâmpada é difícil e cara. Estas lâmpadas de vida mais longa são geralmente utilizadas em painéis de controle, lâmpadas de sinalização de transito e lâmpadas infravermelho.
5.1.1. Lâmpadas incandescentes comuns São as mais conhecidas e de tecnologia mais antiga, se apresentam em bulbos claros ou
leitosos (amenizar ofuscamento). A alta temperatura do filamento causa evaporação do tungstênio que se deposita no bulbo escurecendo-o e produzindo uma depreciação do fluxo luminoso e duração curta (1.000 horas); apesar do custo inicial baixo, seu custo global (operação e manutenção + inicial) é alto.
5.1.2. Lâmpadas incandescentes refletoras (espelhadas) São lâmpadas que possuem um refletor interno para melhorar o direcionamento da luz
produzida. A área espelhada funciona como uma luminária, com a vantagem de não necessitar limpeza ou sofrer deterioração, garantindo um alto rendimento durante a vida da lâmpada. O refletor pode ter um perfil parabólico ou elíptico, sendo este último especialmente importante quando a lâmpada está embutida numa luminária de corpo profundo e aletas anti-ofuscantes. O redirecionamento de luz, que do contrário seria emitida para os lados ou para cima, pode melhorar a eficiência da instalação (ver FIGURA 5.4).
57
FIGURA 5.4 – Redirecionamento da luz proporcionado por lâmpadas refletoras (Fonte: MASCARÓ [1992]).
5.1.3. Lâmpadas incandescentes halógenas São lâmpadas especiais nas quais, além dos gases (geralmente o criptônio), é introduzido
um halogênio (normalmente iodo, flúor ou bromo) no interior do bulbo. Com a ajuda do bulbo de quartzo, que suporta elevadas temperaturas evitando assim a condensação, o tungstênio evaporado combina-se com o halogênio formando o iodeto de tungstênio; quando este novo gás entra em contato com o filamento, faz com que o tungstênio da mistura seja redepositado no filamento e o halogênio continua sua tarefa no ciclo regenerativo. Estas lâmpadas apresentam um decaimento do fluxo luminoso muito pequeno, uma maior eficiência, uma vida de 2.000 horas e possuem dimensões bem reduzidas.
58
FIGURA 5.5 – Representação esquemática das lâmpadas halógenas (Fonte: GARCIA JÚNIOR [1996]).
As lâmpadas halógenas podem ser encontradas em três configurações básicas:
Lâmpadas com terminação simples (FIGURA 5.6- a); ❏ ❏ ❏
Lâmpadas com dupla terminação (FIGURA 5.6 - b); Lâmpadas encapsuladas (FIGURA 5.6 – c).
As lâmpadas halógenas com terminação simples são apresentadas em uma grande faixa
de tamanhos que variam de (3 a 24 mm) e potências de (5 a 10000 W) apresentando uma vida média de 2000 h com eficiência luminosa de 20 a 25 lm/W. Os tipos de base mais comuns são bi-pinos, baioneta e tipo parafuso. Por apresentarem um filamento compacto, este tipo de lâmpada é geralmente utilizado em sistemas ópticos complexos (projetores cinematográficos).
As lâmpadas com dupla terminação apresentam uma forma tubular cujo diâmetro pode
variar de 2 a 8 mm, numa faixa de potência que vai de 45 a 2000 W com vida média de 2000 h e eficiência luminosa de 15 a 25 lm/W, podendo ser aumenta para 32 a 38 lm/W com a aplicação de uma película refletora de infravermelho na parede do bulbo.
A variedade de lâmpadas halógenas encapsuladas é muito grande, com variações na
forma, no tamanho, na potência e na configuração da base. Este tipo de lâmpada tem como principais aplicações à iluminação de restaurantes, estabelecimento de varejo, vitrines e galerias de arte.
( a ) ( b ) ( c )
FIGURA 5.6 – Configurações básicas das lâmpadas halógenas
59
Algumas lâmpadas halógenas são equipadas com um refletor multifacetado coberto com uma película dicróica (FIGURA 5.7). Trata-se de um filtro químico que reflete grande parte da radiação visível e transmite para trás da lâmpada cerca de 65% da radiação infravermelha (térmica), proporcionando, desta forma, uma luz mais "fria" que aquela obtida com refletores comuns. A grande maioria das lâmpadas halógenas funciona com uma tensão diferente da rede elétrica (6, 12 ou 24 V), necessitando de transformadores para a sua aplicação.
FIGURA 5.7 - Lâmpadas halógenas com refletor multifacetado (Fonte: Catálogos da Philips).
Vantagens e desvantagens Em geral, quanto maior a potência da lâmpada incandescente, maior será sua eficiência
luminosa e sua vida útil. Como aspectos positivos pode-se enumerar: baixo custo inicial; ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
tamanho reduzido; funcionamento imediato; excelente reprodução das cores; não há necessidade de aparelhagem auxiliar (exceto as halógenas); sem limitação quanto à posição de funcionamento (exceto algumas halógenas); por ser uma fonte puntual, sua luz é de fácil direcionamento; podem ser facilmente controladas por “dimmers”; é a lâmpada que apresenta o maior número de configurações (formato, tipo de refletor, tensão de funcionamento, potência e cores).
Como pontos negativos:
eficiência luminosa baixa; vida útil limitada; sensíveis a choques e vibrações; luminância alta com relação a possibilidade de ofuscamento; custo de operação elevado; elevada dissipação de calor; sofrem com variação da tensão da rede (FIGURA 5.8).
Características das lâmpadas incandescentes em função da tensão aplicada As lâmpadas incandescentes podem mudar suas características se a tensão aplicada for
diferente da sua tensão nominal. O fluxo luminoso, a temperatura da cor correlata, a potência dissipada, a sua vida média e a sua eficiência luminosa mudam em função da tensão aplicada e podem ser expressas pelas seguintes equações:
60
Fluxo luminoso: 4,3
nominal Tensãoaplicada Tensãonominal Fluxo real Fluxo
⋅=
Temperatura da cor correlata:
42,0
⋅=
nominal Tensãoaplicada Tensãonominal aTemperatur real aTemperatur
Potência dissipada:
6,1
nominal Tensãoaplicada Tensãonominal Potência real Potência
⋅=
Vida média:
13
aplicada Tensãonominal Tensãonominal vida real Vida
⋅=
Eficiência luminosa:
9,1
nominal Tensãoaplicada Tensãonominal Eficiência real Eficiência
⋅=
O gráfico da FIGURA 5.8 mostra as variações das características das lâmpadas
incandescentes em função da tensão aplicada.
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
140.00%
160.00%
85.00% 90.00% 95.00% 100.00% 105.00% 110.00% 115.00%
% da Tensão Nominal
% d
os V
alor
es N
omin
ais
Fluxo luminosoEficiência luminosaPotênciaVida útil
FIGURA 5.8 – Efeito da variação de tensão na rede nas características de operação das
lâmpadas incandescentes.
61
Problemas de funcionamento
dos problemas de mau funcionamento mais comuns das lâmpadas incandescentes.
tomas de mau funcionamento das lâmpadas incandescentes, causas e soluções.
INTO
A TABELA 5.4 apresenta alguns
TABELA 5.4 – Sin
S MAS CAUSAS SOLUÇÕES
Diminuição sensível do fluxo luminoso (bulbo enegrecido)
a vida útil da lâmpada
pada Excedida Trocar a lâm
Vida útil reduzida
(bulbo enegrecido) ento elevada ões
de ventilação da
to) vibrações ou choques es ou
ntichoque
r à nominal fornecida à instalação
ede inferior à nominal fornecida à instalação
Temperatura de funcionam
Verificar as condiç
instalação
Usar amortecedorlâmpadas a
Vida útil reduzida
(quebra do filamen
Lâmpada sujeita a
Vida útil reduzida
(luz muito forte)
Tensão da rede superio Regular a tensão
Luz avermelhada Tensão da r Regular a tensão
62
5.2. LÂMPADAS DE DESCARGA GASOSA Esta classificação de lâmpadas é muito extensa; inclui as lâmpadas fluorescentes
tubulares, as de vapor de mercúrio ou sódio, as de vapores metálicos e os tubos utilizados em anúncios luminosos. Mesmo com diferenças marcantes em termos de funcionamento, construção, qualidade da luz e aplicação, estas lâmpadas possuem um traço comum: não têm filamento, a luz é produzida pela excitação de um gás (pela passagem da energia elétrica) contido entre dois eletrodos. Esta excitação do gás contido no tubo de descarga produz radiação ultravioleta que, ao atingir a superfície interna do tubo (ver FIGURA 5.9), revestida por substâncias fluorescentes (geralmente cristais de fósforo), é transformada em luz (radiação visível).
FIGURA 5.9 – Fenômeno de emissão de luz por lâmpadas de descarga gasosa (Fonte: COTRIM [1992]).
Entretanto, devido ao seu princípio de funcionamento, as lâmpadas de descarga
requerem uma série de dispositivos auxiliares: Estabilizadores de corrente As lâmpadas de descarga gasosa têm uma resistência interna a funcionamento negativo;
por conseguinte, enquanto a tensão de alimentação se mantém constante, a corrente tende a aumentar, até provocar um curto-circuito interno. Por isto, adotam-se dispositivos de limitação de corrente chamados de reatores. Dependendo de sua fabricação, os reatores podem consumir elevada potência reativa, sobrecarregando os circuitos alimentadores. Caso isto ocorra torna-se necessário a correção do fator de potência (cosϕ) da carga instalada;
Condensadores O baixo fator de potência de alguns reatores (entre 0,3 - 0,5), devido a defasagem entre a
corrente absorvida pela lâmpada de descarga e a tensão de alimentação, exige o uso de condensadores (também chamados de capacitores) para a obtenção da refasagem e elevação do fator de potência (>0,92 – conforme determinação das distribuidoras de energia elétrica). Reatores modernos de boa qualidade já possuem incorporado internamente este dispositivo de correção;
Starters São dispositivos que se destinam a proporcionar a tensão necessária para haver a
descarga inicial do gás, através de pulsações de corrente, ionizando desta forma, o caminho da descarga, para que a lâmpada passe a operar. Os starters são constituídos de um pequeno tubo de vidro contendo um gás inerte (neon ou argônio) dentro do qual são colocados dois eletrodos. Um dos eletrodos é constituído de uma lâmina bimetálica que retorna a posição inicial após alguns instantes.
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FIGURA 5.10 - Starter (Fonte: MAMEDE FILHO [1995]). Ignitores São elementos semelhantes ao starter que são utilizados nas lâmpadas a vapor metálico e
vapor de sódio de alta pressão. Os ignitores geram uma série de pulsações de tensão elevada, ionizando o caminho da descarga, provocando assim o início do processo, colocando a lâmpada em funcionamento. Cada ignitor possui esquema próprio de ligação dos seus terminais que deve ser obrigatoriamente obedecido, bem como a freqüência da rede em que ele deve operar (50 ou 60 Hz).
Efeito estroboscópico As lâmpadas de descarga produzem o efeito estroboscópico: objetos que se movimentam
em alta velocidade (linear ou angular), podem parecer estarem parados ou se movimentando em baixa velocidade, no mesmo sentido ou até no sentido contrário. Isto pode provocar sérios acidentes de trabalho.
A origem deste fenômeno é a corrente alternada de alimentação (FIGURA 5.11): as
lâmpadas se apagam quando a corrente passa pelo zero; isto ocorre duas vezes por período (as lâmpadas incandescentes não se ressentem deste fenômeno devido a inércia térmica do filamento), ocorrendo 60 ciclos a cada intervalo de tempo de 1 segundo (freqüência da rede de 60 Hz). Se o intervalo entre lampejos for igual ao tempo em que um objeto desenvolva uma rotação completa, ele dará a impressão de estar parado; se a velocidade angular do objeto for maior, o objeto parecerá estar girando, mas a uma velocidade bem menor que a real.
E
Ligada
Desligada
t
FIGURA 5.11 – Variação da corrente alternada.
64
Para evitar o efeito estroboscópico deve-se distribuir duas ou mais lâmpadas emitindo fluxos luminosos defasados entre si, que pode ser obtido ligando-se as lâmpadas nas fases diferentes de um sistema trifásico conforme pode ser visto na FIGURA 5.12.
E
Ligada Desligada
Fase R Fase S Fase T
t
FIGURA 5.12 – Lâmpadas ligadas em sistemas trifásicos. A FIGURA 5.12 mostra que no momento em que uma das lâmpadas está apagada, as
outras duas estão acessas, embora não estejam com seu fluxo luminoso máximo. Convém ressaltar que o piscar das lâmpadas a descarga gasosa não é perceptível pelo olho humano, pois isto ocorre muito rápido (120 vezes por segundo quando a freqüência é de 60 Hz) e o órgão visual do homem somente consegue notar uma intermitência cuja freqüência fique entre 20 e 30 Hz.
A evolução tecnológica das lâmpadas de descarga tem sido bastante grande. Pesquisas e
desenvolvimento quanto a qualidade do gás e do pó fluorescente têm proporcionado grande evolução na reprodução de cores e redução das dimensões, novos reatores eletrônicos têm minimizado os principais aspectos negativos dos reatores comuns, sem mencionar a constante elevação da eficiência luminosa, um aspecto já significativo deste grupo de lâmpadas em comparação com as incandescentes.
As principais lâmpadas de descarga são descritas a seguir.
65
5.2.1. Lâmpadas fluorescentes HISTÓRICO
A invenção da lâmpada incandescente em 1879 e o seu aprimoramento com a utilização de filamentos de tungstênio a partir de 1911 foi um grande avanço para a nossa sociedade. Porém, este tipo de lâmpada apresentava um baixo rendimento, ou seja, do total da energia elétrica consumida apenas 6,5% era convertida em energia luminosa e 81% em calor. Pesquisas então começaram a ser realizadas a fim de obter-se outros tipos de lâmpadas. Em 1938 surge então a primeira lâmpada fluorescente para aplicações práticas. O seu desenvolvimento continua até hoje com novas técnicas e materiais. Este é um tipo de lâmpada no qual a sua aplicação é quase que ilimitada na iluminação de indústrias, lojas, residências e vias públicas.
Lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga, geralmente de forma tubular, com
um eletrodo em cada ponta, contendo vapor de mercúrio sob baixa pressão. A luz é produzida por pós fluorescentes ativados pela energia ultravioleta da descarga elétrica (ver FIGURA 5.9).
Até pouco tempo atrás, uma boa reprodução de cor só era obtida às custas da eficácia; na
maior parte das vezes, isto ainda é válido. São freqüentes, no entanto, situações nas quais ambas as características são exigidas. Vários tipos de lâmpadas fluorescentes são um compromisso entre a reprodução de cor ideal e o fluxo luminoso ótimo: ou a reprodução de cor é ótima e a eficácia baixa, ou o contrário. Somente a lâmpada fluorescente de nova geração (/84) proporciona ambos os aspectos em graus elevados.
Formas típicas das lâmpadas fluorescentes As lâmpadas fluorescentes são disponíveis em 5 diâmetros (16mm, 26mm, 32mm e
38mm) e em várias formas (tubo linear, tubo circular, tubo em forma de U e tubo em forma de W). Na FIGURA 5.13 são representadas as diversas formas das lâmpadas fluorescentes:
FIGURA 5.13 – Formas das lâmpadas fluorescentes.
Tubo em U (lâmpadas
Tubo circular (lâmpadas
Tubo em U
Tubo linear
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Camada fluorescente As características das lâmpadas fluorescentes (temperatura da cor, índice de reprodução
de cores “IRC” e eficácia luminosa) dependem do pó fluorescente que é utilizado em sua fabricação, pois é ele que transforma a radiação ultravioleta em radiação visível. Atualmente existe um grande número de pós fluorescentes capazes de cobrirem todo o espectro visível produzindo luz de qualquer temperatura de cor e com excelentes índices de reprodução de cor.
Em casos que uma excelente reprodução de cor é desejada, utiliza-se uma combinação
de pós de diversas cores. Os pós fluorescentes mais utilizados e os respectivos picos do comprimento de onda são mostrados na TABELA 5.5.
TABELA 5.5 – Pós utilizados em lâmpadas fluorescentes.
Pós fluorescentes Pico do comprimento de onda [nm]
Aluminato de estrôncio 304
Disilicato de Bário 350
Silicato de estrôncio / Bário magnésio 365
Tetraborato de estrôncio 368
Tungstato de cálcio 410
Pyrofosfato de estrôncio 418
Aluminato de bário magnésio 447
Halofosfato de cálcio 474
Aluminato de estrôncio 488
Halofosfato de estrôncio 490
Silicato de zinco 525
Óxido de yttrio 610
Borato de yttrio vanadato 615
Pentaluminato de lítio 655
Magnésio fluorgermanato 743 Existem alguns pós fluorescentes capazes de eliminar o problema das lâmpadas de
descarga que é o efeito estroboscópico. Estes pós conseguem emitir luz visível mesmo quando a radiação ultravioleta provocada pela descarga não existe.
Eficácia luminosa das lâmpadas fluorescente Uma lâmpada fluorescente operando em uma temperatura de 25 oC, onde ela possui um
melhor rendimento, consegue converte 30% da potência aplicada em forma de radiação visível, 2% é perdido nos fios de condução, 0,5% na forma de radiação ultravioleta (onda longa) e o restante é perdido em forma de calor. As lâmpadas atuais apresentam uma eficácia luminosa que
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varia de 20 a 100 lm/W, sendo até 5 vezes maior que a eficácia luminosa das lâmpadas incandescentes que fica na faixa de 8 a 21,5 lm/W.
Manutenção do fluxo luminoso Com o uso as lâmpadas fluorescentes vão perdendo a capacidade de produção de luz
devido a uma deterioração que ocorre no revestimento de fósforo de seu bulbo e ao escurecimento da parte interna provocado pelo material emissivo dos eletrodos, que são facilmente notados nas suas extremidades (FIGURA 5.14). Embora todas as lâmpadas percam a sua eficiência ao longo do tempo de utilização, o ritmo desta queda não é o mesmo para todas elas, visto que alguns fósforos são melhores que os outros.
FIGURA 5.14 - Deterioração da lâmpada fluorescente. O fluxo luminoso que consta nos catálogos das lâmpadas foi medido na centésima hora
de seu funcionamento e a uma temperatura de 25 oC, que é a temperatura em que ela apresenta um melhor rendimento, apresentando uma redução em sua emissão para valores abaixo e acima deste. Uma lâmpada instalada em um ambiente onde a temperatura esteja abaixo dos 25 oC pode estar emitindo o seu fluxo luminoso máximo devido ao calor que ela gera em torno da sua luminária.
Vida média A vida média de uma lâmpada fluorescente depende do número de partidas, ou seja, de
quantas vezes ela foi ligada e desligada. O material emissivo sobre os filamentos da lâmpada vai sendo consumido a cada ligação, e sua vida acaba quando este não mais existir. Dependendo do número de acionamentos e do tipo de lâmpada a vida média varia de 6.000 a 20.000 horas.
A vida média de uma lâmpada fluorescente é geralmente determinada para períodos de 3
horas, isto quer dizer: após acionada, a lâmpada fica geralmente acessa por 3 horas. Se este período for aumentado, a vida média da lâmpada será significativamente maior. Exemplo: uma lâmpada fluorescente standard de 40 W é projetada para uma vida média de 20.000 horas, tomando-se como base o período de acionamento de 3 horas. Se este ciclo for aumentado para 10 horas a vida média da lâmpada passa a ser de 27.000 horas.
Consumo do sistema de iluminação com lâmpadas fluorescentes Quando se deseja verificar a potência de um sistema de iluminação que utiliza lâmpadas
fluorescentes deve ser considerada também a potência dos reatores, assim sendo, a potência total do sistema é a soma das potências do reator e das lâmpadas.
68
TABELA 5.6 – Potência total dos sistemas de iluminação com lâmpadas fluorescentes.
Reator Convencional Reator de partida rápida
Reator Potência total Reator Potência total
1 x 20W 7 – 10 27 – 30 - -
2 x 20W - - 16 – 18 56 – 58
1 x 40W 10 – 15 50 – 55 15 – 19 55 – 59
2 x 40W 24 104 23 103
2 x 65 W 32 162 - -
2 x 110 W - - 35 255
Lâmpadas
Quanto aos sistemas de ligação, existem os seguintes tipos de lâmpada: Lâmpadas de catodo pré-aquecido: (convencionais) As primeiras lâmpadas fluorescentes a serem utilizadas eram do tipo pré-aquecidas,
necessitando do aquecimento dos catodos através de um starter. Os catodos são constituídos de um filamento de tungstênio em forma de espiral; uma vez aquecidos, provocam uma intensa emissão eletrônica que dispara um arco entre eles. Este pré-aquecimento pode ser obtido por duas formas:
"interruptor de partida" ou starter Ao acionar-se o interruptor do circuito elétrico da FIGURA 5.15 é produzido um arco
entre as lâminas A e B do starter, pois o gás dentro dele é ionizado. O calor produzido pela ionização do gás faz com que a lâmina bimetálica B deforme-se estabelecendo o contato dentro do starter. Fechado o circuito, a corrente elétrica circula aquecendo os catodos que começam a emitir elétrons, e a ionização do gás dentro do starter é interrompida, esfriando o par bimetálico que se deforma em sentido contrário desfazendo o contato entre as lâminas A e B. Neste momento ocorre dentro da lâmpada um pico de corrente que resulta em uma descarga de arco entre seus catodos fazendo com que a lâmpada se acenda. Logo após a lâmpada ser ligada, a tensão nos catodos diminui devido a reatância em série, fazendo com que o reator a partir daí passe a funcionar como o estabilizador da corrente. Com o objetivo de diminuir a interferência nos aparelhos de rádio e de comunicação durante o processo de acionamento da lâmpada, é acoplado ao starter um capacitor “C”.
Uma desvantagem das lâmpadas de pré-aquecimento com a utilização de starter é
quando elas queimam. Se o circuito for acionado com a lâmpada queimada o starter tentará ligá-la por várias vezes podendo o mesmo ser danificado.
69
Neutro
C
B A
Starter
Filamentos Interruptor
Fase Lâmpada
Reator
Lâmina bimetálica
FIGURA 5.15 - Ligação de lâmpada fluorescente de catodo pré-aquecido. Lâmpadas de cátodo quente não pré-aquecido: (partida rápida) São lâmpadas de menor diâmetro, também chamadas de slimline. Evitam os atrasos na
ligação (possuem acendimento instantâneo), característicos das lâmpadas de cátodo pré-aquecido, e dispensam o starter. A ignição é obtida pela aplicação de uma voltagem elevada em uma de suas extremidades fornecida diretamente pelo reator. Devido a esta alta tensão aplicada são utilizados neste tipo de lâmpada soquetes especiais para evitar riscos de choques elétricos. Na FIGURA 5.16 pode-se ver o esquema de ligação para este tipo de lâmpada.
Interruptor
Filamentos
Lâmpada
Reator
Neutro Fase
FIGURA 5.16 - Ligação de lâmpada fluorescente de catodo quente. Lâmpadas de cátodo frio São lâmpadas especiais de diâmetro muito reduzido usadas em anúncios luminosos, que
dependendo do gás introduzido no tubo, são obtidas diferentes cores. Este tipo de lâmpada tem
70
uma vantagem sobre as demais, pois tem uma vida muito mais longa. Como as lâmpadas de catodo quente, estas também têm partida instantânea.
Lâmpadas fluorescentes compactas As lâmpadas fluorescentes compactas são assim chamadas devido ao seu pequeno
tamanho e baixa potência, disponíveis de 7 a18 W. A produção destas lâmpadas foi possível com a utilização de fósforos tricromáticos que proporcionam um excelente índice de reprodução de cores (IRC) e temperatura da cor correlata. Elas estão criando uma revolução na concepção de projetos de iluminação com lâmpadas fluorescentes, devido a sua excelente eficiência luminosa, proporcionando uma redução no calor gerado pelo sistema e consequentemente uma grande economia de energia elétrica.
Vantagens e desvantagens: Em geral, as lâmpadas fluorescentes apresentam as seguintes vantagens: ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
custo de operação menor quando comparado com as incandescentes; boa eficiência luminosa (4 a 6 vezes mais que as incandescentes); boa reprodução das cores (dependendo do tipo); baixa luminância (redução da possibilidade de ofuscamento); vida média alta (6.000 a 20.000 horas).
Mas apresentam também as seguintes desvantagens:
custo inicial alto; necessitam equipamento auxiliar (reatores, starters, etc.); sensíveis a temperatura ambiente; maiores dimensões (com exceção das novas lâmpadas compactas); produção de ruído pelos reatores; limitações na utilização de “dimmers”.
71
Problemas de funcionamento A TABELA 5.7 apresenta alguns dos problemas de mau funcionamento das lâmpadas
fluorescentes. TABELA 5.7 – Sintomas de mau funcionamento das lâmpadas fluorescentes,
causas e soluções.
SINTOMAS CAUSAS SOLUÇÕES
Dificuldade de acendimento Tensão de alimentação inferior a nominal;
Temperatura ambiente muito baixa;
Substituir por lâmpada resistente à baixa temperatura ou proporcionar proteção térmica;
Redução do fluxo luminoso Uso por tempo superior a vida média;
Trocar a lâmpada;
Falta de acendimento Eletrodos queimados;
Starter com falha;
Ligações com defeito;
Substituir a lâmpada;
Substituir o starter;
Rever os contatos;
Eletrodos funcionam, mas o arco não dispara
Reator defeituoso;
Starter em curto;
Substituir o reator;
Substituir o starter;
Enegrecimento na proximidade dos eletrodos
Uso superior a vida média;
Reator ou starter com defeito;
Substituir a lâmpada;
Substituir o reator ou starter;
Lâmpada fica piscando Lâmpada nova; O efeito provavelmente sumirá sozinho;
72
5.2.2. Lâmpadas a Vapor de Mercúrio
No início de 1750 FRANCIS HAUKSBER, um cientista inglês, produziu
a descarga em um tubo de vidro com vácuo o qual havia sido eletricamente carregado. Somente um século depois, em 1850, é que se obteve luz ao gerar um arco elétrico através de tubos preenchidos com vários gases, cada um com a sua própria característica de cor. Porém, a viabilidade comercial estava difícil de ser obtida e com isso as lâmpadas de descarga elétrica ainda continuariam nos laboratórios, como artigos de efeitos especiais, por um bom tempo. Finalmente em 1901, PETER COOPER, introduziu a primeira lâmpada a vapor de mercúrio comercialmente viável, mas infelizmente a luz emitida por ela tinha um forte tom azul-esverdeado. A lâmpada foi amplamente aplicada em iluminação industrial, uma vez que era muito mais eficiente que as lâmpadas incandescentes da época. Ela continuou em uso principalmente para foto-gravação e outras aplicações onde a reprodução de cores não era crítica. Então em 1934 aparecem as primeiras lâmpadas a vapor de mercúrio modernas, quando foram alcançados alguns avanços tecnológicos importantes: A introdução de eletrodos de tungstênio com pasta emissiva; A possibilidade de fazer passagem selada de metal em vidro duro e quartzo; A introdução de um gás inerte; Conhecimento da tensão de ionização para os diferentes tipos de gases e misturas; Conhecimento da dosagem correta de mercúrio para um
HISTÓRICO
a descarga estável.
O componente principal de uma
lâmpada a vapor de mercúrio é o tubo de arco, assim como das lâmpadas multivapores metálicos e das lâmpadas a vapor de sódio. O tubo de arco (tubo de descarga) é feito de quartzo, material capaz de suportar altas temperaturas. Dentro do tubo de arco existem dois eletrodos denominados principais que são responsáveis pelo arco elétrico criado dentro do tubo, com o auxilio de um terceiro eletrodo (eletrodo auxiliar). O eletrodo auxiliar é ligado em série com um resistor de partida. O tubo de arco é montado em uma estrutura de suporte que o protege de choques mecânicos. Esta estrutura é conectada a base da lâmpada fornecendo suporte geral e permitindo a conexão da lâmpada a rede elétrica. O tubo de arco e a sua estrutura são protegidos de contaminação por um bulbo de vidro duro. Este bulbo é preenchido com um gás inerte que protege o sistema contra a oxidação e ajuda a manter a temperatura da lâmpada praticamente constante. Algumas lâmpadas a vapor de mercúrio têm o bulbo revestido com pós de fósforo, que são depositados por processo eletrostático, e melhoram a qualidade cromática da luz emitida (ver FIGURA 5.17).
FIGURA 5.17 – Lâmpada a vapor de mercúrio (Fonte: MAMEDE FILHO [1995]).
Tubo de arco Eletrodos principais
Eletrodo de partida Resistor
de partida Bulbo externo
73
As lâmpadas a vapor de mercúrio emitem luz através de um arco elétrico, então necessitam de um reator para o seu funcionamento. No instante em que a lâmpada é ligada o reator fornece a tensão necessária para a partida, criando um pequeno arco entre o eletrodo de partida e o eletrodo principal. Este arco ioniza o argônio dentro do tubo de descarga até que se forme um arco entre os eletrodos principais. Após formado o arco entre os eletrodos principais o resistor faz com que o arco auxiliar desapareça. Os eletrodos principais são feitos de um composto emissivo trimetálico, envolto de uma espiral de tungstênio. Enquanto o arco aquece os eletrodos principais os elétrons liberados pelo composto emissivo transitam entre eles vaporizando o mercúrio no tubo de descarga, aquecendo rapidamente a lâmpada e emitindo a luz desejada.
Estas lâmpadas são muito usadas para iluminação de grandes áreas internas (prédios
industriais, armazéns, depósitos, etc.) e externas, onde uma boa reprodução de cores não é exigida. A luz das lâmpadas a vapor de mercúrio tem uma aparência branco-azulada, pois emite radiação visível nos comprimentos de onda amarelos, verdes e azuis, com uma carência dos vermelhos. Embora o índice de reprodução de cores da luz produzida por arco a vapor de mercúrio seja pobre, há uma grande emissão de ultravioleta que poderá produzir o comprimento de onda vermelho através da utilização de pós fluorescentes no bulbo da lâmpada. Exemplo: uma lâmpada de bulbo claro que apresente um IRC de 22 poderá, com a utilização de pós fluorescentes no seu bulbo, aumentar este índice para 52, tornando as cores muito mais naturais.
Eficácia luminosa das lâmpadas a vapor de mercúrio As lâmpadas a vapor de mercúrio disponíveis na faixa de 80 a 1000 W convertem
aproximadamente 13% da potência fornecida em luz visível, mas possuem uma boa eficácia luminosa, entre 45 e 65 lm/W. A temperatura da cor correlata pode variar de 3000 K a 6000 K com um índice de reprodução de cores de 22 a 52.
Vida média As lâmpadas a vapor de mercúrio possuem uma vida longa que pode variar de 6000 a
28000 horas. Infelizmente elas diminuem o fluxo luminoso emitido com o tempo, ou seja, emitem cada vez menos luz à medida que envelhecem. Uma lâmpada a vapor de mercúrio com cinco anos de idade irá emitir de 10 a 20% da quantidade de luz para a qual ela foi projetada. Isto é um problema que deve ser levado em conta no momento de sua escolha. Por exemplo: um sistema de iluminação com lâmpadas a vapor de mercúrio foi projetado para um nível de iluminamento de 100 lux. Este poderá depois dos cinco anos ou mais estar emitindo apenas 15 lux. Associado a perda do fluxo luminoso, existem também uma perda na reprodução de cores pelo envelhecimento da camada de fósforo da lâmpada.
Vantagens e desvantagens As lâmpadas a vapor de mercúrio apresentam algumas vantagens na sua utilização: ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏
boa eficiência luminosa (4 a 6 vezes mais que as incandescentes); boa eficiência luminosa (45 - 65 1m/W); luminância média; oferecidas em gamas de potência elevadas (uma de 400W tem o fluxo luminoso equivalente a 9 - 10 lâmpadas tubulares fluorescentes de 40W); volume pequeno; boa duração média (6.000 - 28.000 horas).
74
As desvantagens das lâmpadas a vapor de mercúrio são as seguintes: ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏
necessita aparelhagem auxiliar para acendimento; leva de 4 a 5 minutos para atingir o fluxo luminoso máximo; custo inicial elevado (pode ser amortizado pela eficiência e vida útil); quando desligadas e ligadas, ainda quentes, levam mais tempo ainda para acender (> 6 minutos); apagam-se (não funcionam) caso a tensão de alimentação caia abaixo da nominal; reprodução de cor apenas razoável, pobre para algumas cores.
Lâmpadas de luz mista Ainda dentro do grupo das lâmpadas a vapor de mercúrio pode-se acrescentar as
lâmpadas mistas. A lâmpada de luz mista consiste de um bulbo preenchido com um gás, tendo sua parede revestida com um fósforo, contendo um tubo de descarga ligado em série com um filamento de tungstênio. Nas lâmpadas de luz mista como nas lâmpadas a vapor de mercúrio, a radiação ultravioleta da descarga de mercúrio é convertida em radiação visível pela camada de fósforo. Somada a esta radiação visível, está a radiação visível do próprio tubo de descarga, bem como a luz de cor quente (avermelhada) do filamento incandescente. A radiação das duas fontes mistura-se harmoniosamente, passando através da camada de fósforo para dar uma luz branca difusa com uma aparência de cor agradável. Estas lâmpadas não necessitam da utilização de reatores, pois o seu filamento além de emitir radiação visível, funciona como um estabilizador da corrente na lâmpada. As lâmpadas de luz mista, portanto, poderão ser ligadas diretamente à rede. Isto significa que as instalações de iluminação existentes, quando usam lâmpadas incandescentes, poderão facilmente ser modernizadas, com o a utilização de lâmpadas de luz mista, que tem praticamente duas vezes a eficiência e quase seis vezes a vida média daquelas, sem o custo extra em termos de reatores, fiação ou luminárias.
75
5.2.3. Lâmpadas a Vapor de Sódio
Embora as lâmpadas a vapor de sódio a alta pressão sejam
atualmente uma das fontes de maior utilização a nível mundial pelas múltiplas vantagens que apresentam, suas origens remontam ao século passado, quando uma corrida dos pesquisadores para a solução da iluminação por meio de descarga elétrica através de gases e vapores começou a apresentar resultados promissores.
Os primeiros sucessos aconteceram com os tubos de Moore (1899) com descarga em gases e a lâmpada de Cooper-Hewitt (1901) que obtinha luz através do vapor de mercúrio a baixa pressão. Seria o grande início da vasta família de lâmpadas de descarga.
Embora se vislumbrasse também a utilização do vapor de sódio, as dificuldades de se trabalhar com ele, pela sua agressividade em relação ao vidro e ao quartzo, fizeram com que só se chegasse a uma lâmpada prática, comercializável, com o aperfeiçoamento do vidro.
O êxito se deu na Europa, primeiramente para operação em corrente contínua (1931) e depois em corrente alternada (1933). Obtinha-se então uma lâmpada com eficiência luminosa jamais alcançada antes, da ordem de 55 lm/W.
Tratava-se, todavia, de uma fonte luminosa monocromática, na faixa de 589 nanômetros, raia característica do sódio vaporizado.
Em contrapartida, a nova fonte emitia uma luz surpreendentemente eficiente. Devidamente aperfeiçoada, chega a atingir 200 lm/W, eficiência até hoje não igualada por qualquer outra fonte de luz. Entretanto, apresenta o inconveniente de não reproduzir as cores (exceto o amarelo) e por isso mesmo tem sido sempre rejeitada para aplicações internas.
HISTÓRICO Lâmpadas a vapor de sódio de baixa pressão O tubo de descarga na lâmpada de sódio de baixa pressão contém sódio, que evapora a
98 oC, e uma mistura de gases inertes (neônio e argônio) a uma pressão de diversas centenas de N/m2 para obter uma voltagem de ignição baixa. A descarga se manifesta em um invólucro de vidro tubular a vácuo, coberto na superfície interna com óxido de índio. Esta camada age como um refletor infravermelho e assim mantém a parede do tubo de descarga na temperatura de operação apropriada (270 oC). Esta lâmpada caracteriza-se por emitir uma radiação monocromática, centrada no amarelo, elevada eficiência luminosa (que pode ser de até 200 lm/W) e longa vida média, disponíveis nas potências de 18 a 180 W. Desta forma, este tipo de lâmpada encontra sua aplicação em grandes espaços externos, onde a reprodução da cor não é necessária e onde o reconhecimento por contrastes é predominante (auto-estradas, vias de tráfego, estacionamentos, pátios de manobras, etc.).
76
Lâmpadas a vapor de sódio de alta pressão São lâmpadas nas quais o tubo de descarga contém um excesso de sódio, para dar
condições de saturação do vapor quando ela está funcionando (a uma pressão de 13 a 26 kN/m2), e para permitir a absorção interna na superfície. Também é utilizado um excesso de mercúrio para proporcionar um gás de proteção, e o xênon é incluído sob baixa pressão para facilitar a ignição, e limitar a condução de calor do arco de descarga para a parede do tubo. O tubo de descarga, feito de óxido de alumínio sintetizado, para resistir à intensa atividade química do vapor de sódio à temperatura de operação de 700 oC, é colocado num invólucro de vidro duro, a vácuo.
As lâmpadas de sódio de alta pressão radiam energia sobre uma grande parte do espectro
visível. Em comparação com as lâmpadas de sódio de baixa pressão, elas proporcionam uma reprodução de cor razoavelmente boa. São disponíveis com eficiência luminosa de até 130 lm/W, em potências que variam de 33 a 210W, e uma temperatura de cor de aproximadamente 2100 K. Com uma tonalidade alaranjada agradável e alta eficiência luminosa, estas lâmpadas têm tido um emprego crescente para todos os tipos de iluminação externa e iluminação industrial de grande altura (250 - 400W para alturas de montagem de 6 - 10m e potências superiores para alturas de 15 - 30m).
Vantagens e desvantagens As lâmpadas a vapor de sódio apresentam as seguintes vantagens: ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
elevada eficiência luminosa, especialmente as de baixa pressão; notável vida média (6.000 - 9.000 horas); luminância média (baixa pressão); reprodução de cores razoável (alta pressão apenas); sem limitação de posição para funcionamento (alta pressão).
Como desvantagens das lâmpadas a vapor de sódio pode-se dizer:
ocorre uma distorção das cores pela emissão monocromática (baixa pressão apenas); necessidade de aparelhagem auxiliar para a partida e alimentação; leva de 5 - 8 minutos para atingir 80% do fluxo luminoso máximo; elevada luminância que elevam os riscos de ofuscamento (alta pressão); há limitação de posição para funcionamento (baixa pressão); custo inicial elevado.
5.2.4. Lâmpadas a Vapor Metálico A lâmpada Multivapores Metálicos pertence à família das lâmpadas de alta intensidade
de descarga, e foi desenvolvida baseada na tecnologia da lâmpada Vapor de Mercúrio, com a adição de novos elementos químicos a fim de melhorar o espectro do Mercúrio. O resultado foi uma lâmpada de luz branca, mais eficiente, com melhor índice de reprodução de cores e maior variedade de tonalidades de cor.
77
Devido à tecnologia da lâmpada Vapor Metálico ser relativamente nova, os fabricantes de lâmpadas utilizam diferentes tipos de combinações químicas na produção destas lâmpadas. Basicamente três diferentes tipos de combinações químicas são utilizadas, que são:
❏ ❏ ❏
Química das três cores; Química das terras raras; Química do Sódio Escândio.
Química das três cores Além da utilização do Mercúrio e Argônio, são adicionados os elementos químicos
índio, sódio e tálio na composição do tubo de arco deste tipo de lâmpada Vapor Metálico. A radiação de energia destes três elementos químicos são respectivamente o azul, o vermelho e o verde. O resultado é uma lâmpada que utiliza um reator para lâmpadas Vapor de Mercúrio em combinação com um ignitor de baixo pulso de tensão (baixo custo), uma vida média com menor variação (vida mais previsível), ótima manutenção do fluxo luminoso ao longo da vida. Por outro lado as características de cor estão sob menor controle do que em outros tipos de química, existe a possibilidade de perda de uma das 3 cores no final de vida, o que torna esta diferença muito aparente. Além disso, é muito difícil desenvolver uma lâmpada com uma tonalidade de cor diferente de 4.000 K.
Química das terras raras Neste tipo de química, também se tem a adição de três novos elementos químicos ao
argônio e ao mercúrio, que são: disprósio, tálio e o hólmio, proporcionando à lâmpada um espectro mais uniforme e contínuo. O resultado é um melhor índice de reprodução de cores, eficiência luminosa média melhor, e melhor estabilidade das cores. Esta química também proporciona maior liberdade no desenvolvimento de novas tonalidades de cor (entre 3.800 e 5.600 K). Porém, picos de alta tensão são necessários para acender a lâmpada requerendo também de um reator de maior isolação elétrica (maior custo). Além disso, a manutenção do fluxo luminoso não é tão boa e existe uma maior variação na vida das lâmpadas.
Química do Sódio e Escândio Apesar de o sódio e o escândio serem as principais adições químicas nesta versão, o lítio
e o tálio também podem ser adicionados para melhorar ainda mais o rendimento de cores. As vantagens principais desta química são o alto rendimento de cores, alta eficiência luminosa, boa estabilidade de cores, longa vida média e a possibilidade de desenvolver diversas tonalidades de cor (diferentes temperaturas de cor). As desvantagens são as mesmas da química das terras raras, necessidade de picos de alta tensão para acender a lâmpada, reator de maior isolação elétrica (maior custo) e baixa manutenção do fluxo luminoso durante a vida.
Vantagens e desvantagens Como vantagens das lâmpadas a vapores metálicos cita-se:
78
Disponíveis numa grande gama de potências (250 a 2000W); ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏
Elevada eficiência luminosa (aproximadamente 95 lm/W); Boa reprodução de cores (IRC > 70); Vida útil elevada (6000 a 20000 h).
Como desvantagens:
Necessitam de equipamentos auxiliares; Redução do fluxo luminoso durante a vida útil (de 30 a 50%); Variações na temperatura da cor correlata durante a sua vida (de 300 a 600 K); Sensíveis a variações de tensão maior que 5%.
5.3. LÂMPADAS DE MICROONDAS
inação.
HISTÓRICO
A lâmpada elétrica incandescente foi inventada em 1879, dando início a iluminação elétrica. Na década de 1930 surgem então a família das lâmpadas à descarga gasosa, proporcionando uma melhor eficiência dos sistemas de iluminação. Em 1990 a lâmpada de enxofre (sulfur lamp), que tem sua primeira apresentação em 1994. Muitos consideram que esta nova tecnologia irá revolucionar os sistemas de iluminação no século XXI. Hoje este novo sistema é utilizado em muitas aplicações práticas, e futuramente esta nova lâmpada será popular, tornando-se mais uma opção na solução de projetos de ilum
A lâmpada de microondas (sulfur microwave lamp) representa um grande avanço na
fabricação de fontes de luz artificial. O princípio de funcionamento de forma bem simplificada é o seguinte: um bulbo de vidro rotativo contendo enxofre e argônio é bombardeado com microondas a uma freqüência de 2,45 GHz, transformando-se em um plasma que emite radiação visível. O bulbo é rotativo para que possa ser resfriado e ao mesmo tempo misture o plasma que é criado. As propriedades físicas dos átomos de enxofre excitados asseguram que a maioria da energia de microondas será convertida em luz, emitindo pouquíssima energia como radiação ultravioleta (0,14%) e infravermelho (8%) gerando menos calor. Os primeiros protótipos tinham uma potência de saída de 5900 W, sendo que atualmente já se têm disponíveis lâmpadas de menor potência para utilização comercial.
Bulbo de vidro
Microondas
Enxofre
FIGURA 5.18 – Lâmpada de microondas.
79
Um bulbo com um tamanho aproximado de uma bola de golfe, com uma potência de
1425 W pode produzir 135.000 lumens de luz branca, temperatura de cor de 5700 K e um bom índice de reprodução de cores (IRC=79). Devido ao alto fluxo luminoso estas lâmpadas necessitam de refletores especiais que possam projetar a luz em pontos distantes das fontes, tais como os tubos de luz (light pipe). Estes refletores também são necessários para proteger o ambiente de possíveis vazamentos de microondas. Estes sistemas são excelentes para a iluminação de grandes áreas, tais como: armazéns, pavilhões industriais, centros comerciais e para iluminação de segurança.
FIGURA 5.19 – Lâmpada de microondas com tubo de luz. Eficácia luminosa das lâmpadas de microondas Espera-se que esta lâmpada em pouco tempo seja a fonte de luz artificial mais eficiente,
chegando a 110 lm/W, perdendo somente para as lâmpadas a vapor de sódio de baixa pressão, com a vantagem de emitir uma luz de espectro muito semelhante como o da luz natural.
Vida média Por não existir nenhum filamento nem componentes metálicos para degradar ou alterar a
composição química do composto dentro do bulbo, esta lâmpada possui vida muito longa chegando a atingir em torno de 60.000 h, porém o gerador de microondas (magnetron) terá que ser substituído com aproximadamente 15.000 h. Além de possuir uma vida muito longa, esta lâmpada mantém praticamente constante a temperatura da cor correlata e o seu índice de reprodução de cores, mantendo a qualidade do sistema de iluminação durante toda a sua vida.
Vantagens e desvantagens As lâmpadas a vapor de mercúrio apresentam algumas vantagens na sua utilização:
Alta eficiência luminosa (acima de 110 lm/W); ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
Vida muito longa (lâmpada 60.000 h e magnetron 15.000 h); Excelente reprodução de cores; Baixa emissão de ultravioleta e de infravermelho (menos calor); Não afeta o meio ambiente;
80
❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏
Funciona em qualquer posição; Fonte puntual com grande fluxo luminoso (135.000 lm); Temperatura da cor correlata e IRC estáveis ao longo da vida da lâmpada; Podem ser utilizadas com “dimmers” (redução de até 20% do fluxo máximo); Manutenção fácil.
As desvantagens das lâmpadas de microondas são:
Custo elevado; Demora no acendimento (em 20 segundos – 80% do fluxo máximo); Necessita de refletores especiais.
81
5.4. TEMPERATURA DE COR E TONALIDADE DA LUZ A importância da cor da luz não deve ser negligenciada, principalmente quando existe a
integração da luz natural com a elétrica. O rendimento cromático e a temperatura de cor correlata dependem dos pós fluorescentes que revestem o interior dos tubos e bulbos das lâmpadas. Atualmente, em virtude das pesquisas no campo dos pós fluorescentes, pode-se fabricar lâmpadas de todos os tipos de temperatura de cor com excelentes índices de reprodução de cores.
5.4.1. Temperatura de cor correlata As fontes de luz têm cores que variam de aparência entre "quente" e "fria". As cores
"quentes" possuem uma aparência avermelhada ou amarelada e as de cores “frias” aparecerão azuladas.
Fontes de luz com temperatura de cor correlata até 3.000 K são consideradas como cores
"quentes", com valores acima de 4.000 K, cores “frias”. No intervalo de 3.000 K a 4.000 K, são consideradas de cores neutras ou moderadas, pois não produzem nenhuma das duas aparências de cor descritas anteriormente.
Em locais de cor "quente", como por exemplo, as cores amareladas ou avermelhadas,
estas são destacadas e realçadas por lâmpadas de TCC de 3.000 K. Por outro lado, ambientes onde predominam as cores verdes e azuis, estas serão realçadas com fontes de TCC mais altas, como por exemplo, as fluorescentes de 5.000 K. Na iluminação de ambientes em que há equilíbrio entre cores, mas cujo efeito não se quer "quente" ou "frio", as lâmpadas com TCC de 4.000 K tornam-se uma boa opção.
Cabe relembrar a denominação, cor quente e fria (quanto a sua aparência), tem o sentido
inverso da temperatura de cor. Quanto mais alta a temperatura de cor mais fria é a sua aparência e vice-versa.
Para uma iluminação ser de boa qualidade, a aparência de cor das fontes de luz deverá
estar relacionada com os níveis de iluminamento. Quanto maior for nível de iluminamento, maior deverá ser a temperatura de cor correlata da fonte de luz (luz mais branca), para se obter uma aparência de cor agradável. O diagrama de KRUITHOF relaciona a temperatura de cor correlata com níveis de iluminância. A área limitada pelas duas curvas indica a região na qual, em função da iluminância de projeto de da temperatura de cor correlata da fonte de luz utilizada, as cores terão uma aparência mais natural. Se esses limites são ultrapassados, isso resultará em impressões de cor não naturais e desagradáveis.
A explicação deste fenômeno é também encontrada na natureza: no fim do dia, por
exemplo, a luz natural cria um nível de iluminação relativamente baixo: de 500 a 1.000 lux. A luz tem então até certo ponto, um tom avermelhado, com uma temperatura de cor na ordem de 2.000 K. Ao meio-dia, entretanto, podem existir níveis de 50.000 a 100.000 lux, com uma temperatura de cor de 6.000 a 7.000 K ou mais. Portanto, isso está de acordo com a tendência encontrada no caso da luz artificial.
82
FIGURA 5.20 – Diagrama de KRUITHOF. Estas observações servem como uma orientação sendo que a escolha definitiva da fonte
de luz depende e deve levar em consideração o índice de reprodução de cor desta.
5.4.2. Índice de reprodução de cor O segundo fator na escolha das lâmpadas é o índice de reprodução de cor (IRC). O IRC
no sistema internacional de medidas é um número de 0 a 100, que classifica a qualidade relativa de reprodução de cor de uma fonte padrão de referência da mesma TCC.
O IRC identifica a aparência como as cores de mercadorias, móveis e pessoas serão
percebidas quando iluminadas pela fonte de luz em questão. Quanto maior o IRC, melhor o equilíbrio entre as cores, sendo este um fator preponderante para comparação de fontes de luz com a mesma TCC, ou para a escolha de lâmpada, quando a aparência do ambiente é crítica.
Uma considerável quantidade de luz produzida pelas lâmpadas fluorescentes, até pouco
tempo era perdida quando se procurava obter uma boa reprodução de cor. As lâmpadas fluorescentes convencionais não têm condição de, ao mesmo tempo, produzir um alto fluxo luminoso e uma boa reprodução de cor. Este foi sempre o desafio enfrentado pelos engenheiros responsáveis pela pesquisa e desenvolvimento destas lâmpadas: uma lâmpada com ótima reprodução de cor e alto fluxo luminoso. Porém, este desafio já foi vencido, com uma descoberta revolucionária na tecnologia dos halofosfatos de revestimentos, com o trifósforo, e no processo de dupla camada de revestimento. Atualmente, as lâmpadas com dupla camada de revestimento e
83
trifósforo, garantem um alto fluxo luminoso com excelente reprodução de cores para as lâmpadas fluorescentes, colocando a disposição dos projetistas, uma gama de opções capazes de satisfazer qualquer exigência de aplicação.
A TABELA 5.8 apresenta a temperatura de cor correlata e o índice de reprodução de cor
para algumas fontes de luz.
TABELA 5.8 – TCC e IRC para várias fontes de luz.
FONTE DE LUZ TCC [ K ] IRC
Natural
Céu claro 7.500 – 19.000 100 Céu claro + sol 5.800 – 6.500 100 Céu encoberto 6.400 – 6.900 100
Incandescente
500 W 2.850 97 Halógena 3.000 89
Fluorescente
Branca fria 4.350 67 Branca quente 3.100 55 Luz natural 6.600 75 Branca quente “Deluxe” 3.230 77
Vapor de mercúrio
Clara 5.900 22 Branca “Deluxe” (revestida) 4.000 43
Vapor metálico
Claro 5.200 55 Revestida 4.600 75
Vapor de sódio alta-pressão 2.250 25
A lâmpada de vapor metálico de bulbo claro tem uma temperatura de cor de 5.200 K e
um IRC de 55. A fraca aproximação da luz emitida por esta lâmpada com a luz natural é porque a temperatura de cor define a cor dominante e não a distribuição espectral da luz. Assim, mesmo com uma diferença de apenas 12% na temperatura de cor, esta lâmpada não proporciona uma luz que combine com a luz natural num dia claro + sol.
Eficiência Luminosa de Lâmpadas
0 10 20 30 40 50 60 70 80
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Incandescente
Incandescente Halógena
Halógina dicróica
Vapor de Mercúrio
Fluorescente compacta
Fluorescente compacta (27 –
Fluorescente comum
Vapor
Vapor Metálico
Sódio alta
Sódio baixa
Microondas
45
90 100 110
90 100 110
lm/
(5 – 26W)
lm
46
Orientação para comparação e escolha de Lâmpadas
Lâmpada Rendimento cromático
Eficiência luminosa
Energia consumida
Vida média
Custo inicial
Custo total
INCANDESCENTE ☺ ☺ Halógena ☺
Fluorescente Vapor de Mercúrio
Luz mista Vapor de Sódio ☺ ☺ ☺ ☺
Microondas ☺ ☺ ☺ ☺ ☺
Simbologia
Símbolo Rendimento cromático
Eficiência luminosoa
Energia consumida
Vida média
Custo inicial
Custo total
☺ BOM mais de 80 lm/W Pouca mais de 10.000 h Baixo Baixo
Regular 50 a 80 lm/W Regular 2.000 a 10.000 h Médio Médio
Ruim 15 a 50 lm/W Muita menos de 2.000 h Alto Alto
47
6. LUMINÁRIAS Luminária é toda aquela aparelhagem que serve para modificar (controlar, distribuir e
filtrar) o fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas: desviá-lo para certas direções (defletores) ou reduzir a quantidade de luz em certas direções para diminuir o ofuscamento (difusores). Além disso, protegem a lâmpada e todos os equipamentos necessários para a sua fixação e alimentação contra elementos externos (seja de natureza mecânica ou ambiental) e controlam o acesso direto às partes sob tensão.
Os requisitos básicos de uma luminária são:
proporcionar suporte e conexão elétrica às lâmpadas; ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
controlar e distribuir a emissão de luz; manter a temperatura de operação das lâmpadas nos valores adequados; facilitar a instalação e manutenção; ser esteticamente agradável; ser economicamente viável.
As luminárias podem ser classificadas de acordo com a emissão e distribuição do fluxo
luminoso; pelo tipo de proteção contra contatos diretos ou indiretos; e pelo tipo de proteção contra a umidade e sujeira (com diferenciações quanto ao uso interno ou externo).
6.1. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A DISTRIBUIÇÃO DO FLUXO LUMINOSO. No caso de uma lâmpada contida numa luminária, parte da luz emitida pela lâmpada será
absorvida pela luminária enquanto o restante será emitido ao espaço. A fração de emissão de luz (ou rendimento), portanto, é uma característica da luminária:
[%]lâmpada pela emitida Luzluminária pela emitida Luz
=FEL Este valor depende dos materiais empregados na construção da luminária, da refletância
das suas superfícies, de sua forma, dos dispositivos usados para proteger as lâmpadas, do seu estado de conservação (programa de manutenção) e, em alguns casos, até da temperatura ambiente.
Basicamente, esta fração ainda pode ser dividida numa parcela que vai para cima (para o
hemisfério superior) e noutra que vai para baixo (hemisfério inferior). A TABELA 6.1 apresenta a classificação proposta pela CIE (Commission Internationale d'Eclairage) para luminárias de iluminação geral, de acordo com o direcionamento do fluxo luminoso (ver FIGURA 6.1).
48
TABELA 6.1 – Classificação de luminárias de acordo com o fluxo luminoso, segundo a CIE.
Fluxo luminoso em relação a horizontal [%]
Para cima Para baixo
Direta 0 - 10 90 - 100 O fluxo luminoso é dirigido para baixo. Luminárias deste tipo proporcionam um alto rendimento
Semidireta 10 - 40 60 - 90 O fluxo luminoso é dirigido principalmente para baixo.
Geral difusa 40 - 60 40 - 60 O fluxo luminoso é dirigido em partes iguais para cima e para baixo.
Semi-Indireta 60 - 90 10 - 40 O fluxo luminoso é dirigido principalmente para cima.
Indireta 90 - 100 0 - 10
O fluxo luminoso é dirigido para cima. Luminárias deste tipo proporcionam um baixo rendimento, com uma visão pouco clara por falta de sombras.
Classe de luminária Notas
49
0 - 10 %
90 - 100 %
10 - 40 %
60 - 90 %
40 - 60 %
40 - 60 %
60 - 90 %
10 - 40 %
90 - 100 %
0 - 10 %
FIGURA 6.1 – Classificação das luminárias conforme CIE.
Além disso, as luminárias podem ser também classificadas segundo a concentração do
facho de luz: muito aberto, aberto, difuso, médio, concentrado ou assimétrico.
50
6.2. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A PROTEÇÃO CONTRA CONTATOS DIRETOS
OU INDIRETOS A classificação das luminárias quanto a proteção contra contatos diretos ou indiretos
elaborada pelo IEC (International Electrotechncial Commission) abrange quatro classes (Classe 0, I, II e III). A TABELA 6.2 sintetiza esta classificação:
TABELA 6.2 – Classificação das luminárias quanto a proteção contra contatos diretos ou
indiretos.
Classe Tipo de Proteção Símbolo*
0
São luminárias isoladas eletricamente. Não existe nenhum condutor para aterramento. O alojamento poderá ser de um material isolante, que total ou parcialmente cumprirá a função de isolamento, ou poderá ser de um metal isolado das partes condutoras. Podem incluir partes com isolamento reforçado ou duplamente isolado.
Ausente
I
São luminárias nas quais a proteção contra choque elétrico não fica confiada somente a isolação básica, mas que inclui uma precaução adicional de segurança (aterramento). O condutor de aterramento é conectado a todas as partes de metais expostas que podem se tornar condutoras na presença de uma condição de defeito.
Ausente
II
São luminárias nas quais a proteção contra choque elétrico não fica confiada somente a isolação básica, mas na qual são fornecidas precauções adicionais de segurança como isolamento reforçado ou duplo isolamento. Não existe nenhum condutor de aterramento neste tipo de luminária.
III
São luminárias nas quais a proteção contra choque elétrico depende do suprimento de Segurança de Extra Baixa Voltagem (SELV), e na qual voltagens mais elevadas do que aquelas da SELV não são geradas. O SELV é definido como uma voltagem que não excede 50 V (AC, rms) entre condutores ou entre qualquer condutor e a terra. O mais comum é uma voltagem máxima de operação de 42 V (CA).
III
* Símbolo utilizado pelos fabricantes de luminárias.
51
6.3. CLASSIFICAÇÃO QUANTO A PROTEÇÃO CONTRA POEIRA E UMIDADE O IEC (International Electrotechncial Commission) também elaborou um sistema de
classificação das luminárias quanto ao grau de proteção proporcionado pelo equipamento contra o ingresso de corpos estranhos, poeira e umidade. Este sistema é chamado de IP (Ingress Protection). O termo corpo estranho inclui certos itens como ferramentas e dedos colocados em contato com as partes condutoras.
O grau de proteção deste sistema é identificado pelas letras IP seguidos de dois
algarismos. O primeiro algarismo indica a proteção contra o ingresso de corpos estranhos e poeira, sendo que o segundo algarismo indica o grau de vedação contra a penetração de água. As TABELAS 6.3 e 6.4 mostram o que significa cada um destes algarismos.
TABELA 6.3 – Classificação das luminárias quanto a proteção contra poeira.
Algarismo Grau de Proteção Símbolo*
0 Não protegido. Ausente
1 Protegido contra objetos sólidos maiores que 50 mm. Ausente
2 Protegido contra objetos sólidos maiores que 12 mm. Ausente
3 Protegido contra objetos sólidos maiores que 2,5 mm. Ausente
4 Protegido contra objetos sólidos maiores que 1 mm. Ausente
5 Protegido contra poeira.
6 Hermético.
* Símbolo utilizado pelos fabricantes de luminárias.
52
TABELA 6.4 – Classificação das luminárias quanto a proteção contra umidade.
Algarismo Grau de Proteção Símbolo*
0 Não protegido. Ausente
1 Protegido contra gotejamento de água. ❛
2 Protegido contra gotejamento de água quando inclinada acima de 15o. Ausente
3 Protegido contra água pulverizada.
4 Protegido contra água borrifada.
5 Protegido contra jatos de água.
6 Protegido contra jatos de água em alta pressão. Ausente
7 Protegido contra efeitos de imersão. ❛❛
8 Protegido contra submersão. ❛❛
❛
❛
❛ ❛
..m
* Símbolo utilizado pelos fabricantes de luminárias.
6.4. CURVA FOTOMÉTRICA As luminárias servem para controlar, conforme a necessidade, a distribuição de luz das
lâmpadas. O controle da fonte de luz proporcionado pela luminária é representado em forma de diagramas, mostrando a intensidade luminosa em todas as direções através de medições em laboratório.
Estes diagramas são obtidos traçando-se retas radiais, a partir de uma fonte luminosa,
com a mesma distância angular entre elas. Utiliza-se de vetores para representar a intensidade luminosa em cada uma das direções traçadas. Através da união da extremidade de cada vetor, é construída a curva de distribuição de intensidade luminosa da luminária, também conhecida como curva fotométrica (ou polar).
A curva fotométrica de uma luminária puntual será um círculo, pois ela emitirá um fluxo
luminoso com igual intensidade em todas as direções do ambiente, conforme pode ser visto na FIGURA 6.2.
53
0o
210o
240o
150o
120o
180o
330o
300o
270o 90o
60o
30o
FIGURA 6.2 – Curva fotométrica para uma fonte puntual. Porém, como as fontes de luz não são puntuais, as curvas fotométricas não serão
circulares, pois elas emitem diferentes intensidades luminosas conforme a direção considerada. A FIGURA 6.3 mostra um exemplo de curva fotométrica de uma fonte real de iluminação.
0o
210o
240o
150o
120o
180o
330o
300o
270o 90o
60o
30o
FIGURA 6.3 – Curva fotométrica para uma fonte real. Geralmente estas curvas são construídas para dois planos: um plano vertical através do
eixo longitudinal da luminária (90o – 270o) e um outro perpendicular ao eixo longitudinal (0o – 180o). Estes planos são representados nas FIGURAS 6.4(a) e 6.4(b) respectivamente.
FIGURA 6.4 – Planos utilizados para construção de curvas fotométricas.
54
Por convenção, as curvas fotométricas são traçadas para fluxos luminosos de 1000 lm com a finalidade de permitir comparações entre diferentes luminárias. Então, a leitura da intensidade luminosa deve ser ajustada para o fluxo luminoso real da lâmpada utilizada. Por exemplo, a leitura da curva numa dada direção é: I = 200 cd para 1.000 lm. Caso a lâmpada forneça 3.000 lm, o valor lido deve ser multiplicado por 3 (3.000/1.000); assim, a intensidade luminosa real será: I = 200 x 3 = 600 cd.
Para lâmpadas refletoras o diagrama de intensidade luminosa é dado em valores
absolutos de candela, ao invés de candelas por 1000 lúmens.
55
7. PROJETO LUMINOTÉCNICO Para que se obtenha uma iluminação de qualidade, esta deve ser planejada obedecendo
critérios técnicos. Sabendo-se que a concepção do ambiente é um dado fundamental para a qualidade da iluminação, o arquiteto e o luminotécnico devem trabalhar em conjunto desde as fases iniciais do projeto arquitetônico. Um projeto de iluminação de qualidade pode ser caracterizado pelos seguintes aspectos:
Nível de iluminamento adequado ao tipo de atividade; ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏
Redução ou total eliminação de ofuscamentos; Distribuição harmoniosa das iluminâncias no ambiente; Jogo equilibrado de sombras; Cor do ambiente e das fontes de luz adequadas; Não geração de cargas térmicas indesejáveis; Proporcionar aos usuários do ambiente impressão de bem-estar e conforto.
A quantidade e qualidade da iluminação de uma área de trabalho interna deverão ser
baseadas no desempenho visual, no conforto e em critérios de economia de energia. Uma análise do ambiente a ser iluminado e a tarefa visual a ser executa, determinam a escolha do sistema de iluminação a ser usado e a posição e distribuição das luminárias. Existem quatro formas de se iluminar artificialmente um ambiente:
Iluminação geral; Iluminação geral localizada; Iluminação local; Iluminação da tarefa/ambiente.
Iluminação geral Sistemas de iluminação geral
proporcionam uma iluminação uniforme sobre toda a área do plano de trabalho de um ambiente. São sistemas nos quais a iluminação parte de luminárias fixadas regularmente no teto. Neste tipo de sistema toda a área de trabalho apresenta a iluminância de projeto.
FIGURA 7.1 – Iluminação geral. Iluminação geral localizada
Nos sistemas de iluminação geral
localizada, as luminárias são colocadas para
iluminar as regiões onde são realizadas as
tarefas visuais e proporcionam uma
FIGURA 7.2 – Iluminação geral localizada.
56
iluminação de fundo para o resto do ambiente. Num sistema de iluminação geral localizada
somente as áreas de tarefas apresentam o nível de iluminação de projeto.
Iluminação local Sistemas de iluminação local
proporcionam iluminação sobre áreas relativamente pequenas e imediações (p.ex., uma lâmpada de escrivaninha). Para evitar problemas de ofuscamento e adaptação, este sistema é geralmente empregado em conjunto com um sistema de iluminação geral que fornece iluminação de fundo; no caso desta combinação, o sistema geral é chamado de sistema de iluminação de tarefa/fundo e o sistema local é chamado de sistema de iluminação suplementar.
FIGURA 7.3 – Iluminação local + tarefa/fundo.
Iluminação tarefa/ambiente
Sistemas de iluminação da tarefa/ambiente usam iluminação bem dirigida à tarefa visual, suplementada por uma iluminação indireta para produzir a iluminação de ambiente. Este sistema de iluminação é geralmente fixado diretamente na mobília ou partições internas e dispensam iluminação artificial no teto. FIGURA 7.4 – Iluminação tarefa/ambiente.
7.1. VARIÁVEIS LUMINOTÉCNICAS A seguir são descritas as principais variáveis luminotécnicas a serem consideradas para a
obtenção de uma iluminação adequada.
7.1.1. Nível de iluminação médio da tarefa Uma das primeiras etapas do projeto luminotécnico é a definição dos níveis de
iluminação a serem obtidos nos ambientes em função das diferentes tarefas visuais. Durante muito tempo os sistemas de iluminação foram projetados de modo a economizar ao máximo a energia necessária para o seu funcionamento. No início do século XX os valores de iluminância recomendados oscilavam em torno de 2,5 a 35 lux, valores muito inferiores aos atualmente utilizados. Com o desenvolvimento de fontes de luz de alta eficiência, os valores recomendados no momento chegam a ser de até 30 vezes ou mais os valores iniciais.
57
O rendimento visual tende a crescer, a partir de 10 lux, com o logaritmo do nível de
iluminamento até aproximadamente 1000 lux, ao mesmo tempo em que fadiga visual diminui sensivelmente, conforme pode ser visto na FIGURA 7.5. A partir deste ponto os aumentos de iluminância não acarretam em melhoras sensíveis no rendimento visual, começando a ocorrer um aumento na fadiga visual, logo, recomenda-se que os níveis de iluminamento para o desenvolvimento de tarefas visuais nunca ultrapassem a 2000 lux, exceto situações especiais tais como cirurgia e montagens na área de micro-eletrônica, onde os níveis recomendados chegam a 20.000 lux.
FIGURA 7.5 – Variações no rendimento e na fadiga visual com variações na iluminância
(Fonte: IIDA [1997]). Se antigamente a principal preocupação dos projetistas de iluminação era somente
quantitativa, ou seja, sistemas de iluminação que fossem econômicos, hoje em dia esta tendência não se confirma. Cada vez mais os luminotécnicos procuram soluções que sejam energeticamente eficiente, mas que, principalmente, proporcione uma iluminação de qualidade, criando ambientes confortáveis, o que acarretará numa maior produtividade dos seus usuários.
A iluminância média da tarefa é resultante da combinação de quatro elementos que
determinam a quantidade de luz necessária para o desempenho de uma determinada tarefa visual:
a cena visual (tarefa visual propriamente dita); ❏ ❏ ❏ ❏
a idade dos observadores; importância da velocidade e acuidade visual no desempenho visual; refletância da tarefa (do fundo no qual os detalhes são vistos).
A idade dos usuários de um sistema de iluminação afeta a fadiga visual. A medida que
se envelhece, o poder de acomodação, para focalizar objetos próximos diminui devido ao endurecimento do cristalino. Quando jovem uma pessoa é capaz de focalizar um objeto a 10 cm de distância, sendo que esta distância é aumenta podendo chegar a 100 cm quando se atinge os 60 anos de idade. Além do endurecimento do cristalino, ocorre também como envelhecimento uma redução no diâmetro da pupila, diminuindo assim a quantidade de luz que penetra nos olhos. Para um mesmo nível de iluminamento, a quantidade de luz que penetra nos olhos de uma pessoa de 60 anos de idade é um terço da quantidade de luz que penetrará nos olhos de uma de 20 anos.
58
Isto significa dizer que pessoas idosas necessitarão de quantidades de luz maior, a fim de evitar a fadiga visual.
Outro problema acarretado pelo envelhecimento e a velocidade e a precisão na
discriminação de pequenos detalhes no campo visual, que começa a ser notada a partir dos 30 anos. Para solucionar estes problemas são recomendados níveis de iluminação mais elevados.
Na escolha do nível de iluminamento devem ser levados em consideração também os
aspectos relativos aos contrastes no ambiente. Quando não existe um contraste adequado entre o objeto observado e o fundo, este ficará camuflado, e não será perfeitamente visível.
De um modo geral, quanto maior for a iluminância mais fechada a pupila ficará, o que
melhora a acuidade visual. Como visto anteriormente, a partir de um certo nível de iluminação, o ganho em termos de desempenho visual não compensa o custo efetuado para obtê-lo.
No Brasil, a Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), através da norma NB-
57 (NBR 5413), indica a iluminância a ser obtida para cada tipo de tarefa, em função da faixa etária do observador, da precisão requerida pela tarefa e da refletância de fundo. Como o número de tarefas visuais são ilimitadas, as atividades que não constam nesta norma poderão ter seu nível de iluminamento determinado através de outras que apresentem características semelhantes.
7.1.2. Distribuição espacial da luz (uniformidade) A aparência de um ambiente é valorizada quando suas características estruturais, os
objetos e as pessoas são iluminados de maneira que as formas e as texturas fiquem claramente reveladas. A iluminação não deverá ser por demais direcional, o que provocaria sombras muito acentuadas, não devendo também ser muito difusa, para evitar a eliminação do efeito modelador do ambiente que é proporcionado pela luz. Os dois extremos de iluminação deverão ser evitados em locais de trabalho.
A escolha e o posicionamento correto das luminárias têm uma importância determinante
para a obtenção de uma iluminação que proporcione uma visão boa e agradável. Como regra geral, um ambiente de trabalho não deve apresentar zonas com diferenças muito acentuadas de nível de iluminação FIGURA 7.6; num local com distribuição das áreas de trabalho uniforme, a relação entre as iluminâncias não deve ser superior a 3:1.
500 lux 500 lux100 lux 500 lux 500 lux500 lux
Errado Correto
FIGURA 7.6 – Recomendações quanto a uniformidade das iluminâncias.
59
Tanto a ausência de sombras, que dificulta percepção espacial e o reconhecimento de detalhes, como contrastes de sombra marcantes são desaconselhados e devem ser corrigidos pela adequada implementação dos sistemas de iluminação descritos anteriormente (ver FIGURA 7.7).
Correto Errado
FIGURA 7.7 – Posicionamento das fontes de luz.
7.1.3. Controle do ofuscamento Em virtude da aplicação de elevadas luminâncias, atualmente, existe a possibilidade da
luminosidade da luminária se tornar excessiva, causando ofuscamento, trazendo problemas de desconforto e fadiga visual. Um controle neste sentido é relativamente fácil e muitas vezes indispensável. Este ofuscamento poderá ser direto ou refletido.
Ofuscamento direto: O ofuscamento direto poderá ser causado por uma luminária de grande intensidade
luminosa no campo visual do observador. Este ofuscamento poderá se apresentar de duas maneiras, um inabilitador e outro desconfortável ou perturbador. Um ofuscamento é dito inabilitador quando uma fonte luminosa muito intensa está dentro do campo visual podendo causar até cegueira no observador (FIGURA 7.8). Já o ofuscamento perturbador é aquele que a fonte luminosa que se encontra dentro do campo visual causa desconforto, irritação e distração visual (FIGURA 7.9).
FIGURA 7.9 – Exemplo de ofuscamento desconfortável ou perturbador (Fonte: LAMBERTS [1997]).
FIGURA 7.8 – Exemplo de ofuscamento inabilitador.
Na iluminação de interiores o ofuscamento desconfortável é um problema maior do que
o ofuscamento inabilitador e geralmente as medidas adotadas para controlá-lo conseguem simultaneamente resolver também os problemas do ofuscamento inabilitador. Embora o
60
ofuscamento perturbador não produza a incapacidade visual ele as vezes leva a uma grande fadiga visual. O grau de ofuscamento perturbador depende, primeiramente: da luminância das fontes de luz quando comparadas com a luminância geral do ambiente; do número e tamanho aparente das fontes de luz; e da posição das fontes no campo de visão.
Existem vários sistemas de avaliação de ofuscamento, adotados por diversos países,
podendo-se citar os seguintes: Sistemas de classificação do conforto visual (método Americano) Para avaliação dos problemas de ofuscamento os Estados Unidos da América e o Canadá
utilizam um sistema de classificação do conforto visual para um dado sistema de iluminação interno. Este sistema baseia-se na porcentagem das pessoas que consideram visualmente confortável uma dada instalação quando vista do fundo da sala. Uma instalação é considerada sem ofuscamento se a probabilidade de conforto visual (PCV) for de, pelo menos, 70 %.
Sistema de índices de ofuscamento (método Britânico) Na Grã-Bretanha, Países Escandinavos e África do Sul, o sistema de índices de
ofuscamento IES, descrito no "British IES Tecnical Report l0", é usado para especificar e avaliar o grau de desconforto para a maior parte das áreas interiores de trabalho, para uma série de luminárias com distribuição de luz padronizada.
Sistema de limitação de luminâncias (método Australiano) O "Australian Standard Code", para a iluminação artificial de edifícios, estabelece
limites para a luminância média de uma luminária (ou lâmpada nua), dependendo das dimensões da sala e da altura de montagem acima do nível do olho. Esta é complementada por um número de ângulos empíricos de limitação de luz para luminárias de distribuição limitada.
Sistema de curvas de luminância O sistema de curvas de luminância foi adotado pela CIE e é utilizado na Áustria, França,
Alemanha, Itália e Holanda, e é considerado o mais simples e prático dos métodos, sendo também o mais comumente utilizado no Brasil. Por ser o mais utilizado no Brasil, ele será descrito a seguir.
Este sistema é utilizado para verificar possíveis ofuscamentos causados por luminárias
uniformemente distribuídas em um plano superior ao observador, como pode ser visto na FIGURA 7.10. Este sistema mostra os limites de luminâncias para luminárias em diferentes classes de qualidade, numa faixa de ângulos críticos de 45o a 85o a partir da vertical.
1,20 m Observador
Sha
=λtan
a
hS λ 45o
FIGURA 7.10 – Verificação do ângulo de ofuscamento.
61
A faixa de ângulos críticos é entre 45o e o ângulo λ para um observador situado no limite do ambiente. O ângulo λ é o ângulo entre a vertical e alinha do olho do observador até a fonte de luz mais distante. O máximo valor do ângulo λ é de 85o.
A limitação do ofuscamento direto é suficiente quando a luminância média de uma dada
luminária na faixa de ângulos críticos não excede os valores especificados pelas curvas de limitação de um dos dois gráficos da FIGURA 7.11.
TABELA 7.1 – Curva de luminância em função da iluminância e da classe da luminária.
Classe da luminária Iluminância de serviço [lux]
A 2.000 1.000 500 ≤ 300
B 2.000 1.000 500 ≤ 300
C 2.000 1.000 500 ≤ 300
D 2.000 1.000 500 ≤ 300
E 2.000 1.000 500 ≤ 300
Curva de luminância a b c d e f g h
Diagrama 1: Válido para Luminárias sem lados luminosos Luminárias alongadas vistas na direção longitudinal
Diagrama 2: Válido para: Luminárias não alongadas com lados luminosos Luminárias alongadas com lados luminosos vistas na direção transversal
FIGURA 7.11 – Curvas de limitação de luminâncias.
62
Uma luminária é considerada como tendo lados luminosos quando tiver um lado
luminoso com uma altura maior do que 30 mm e é alongada quando a razão do comprimento contra a largura da sua superfície luminosa for maior que 2:1.
As curvas cobrem uma escala graduada de valores de ofuscamento, representando
classes de qualidade de A até E para diversos valores de iluminâncias práticas. As classes de qualidade das luminárias são definidas em função das diferentes necessidades de controle de ofuscamento para cada atividade e ambiente, tendo a seguinte definição:
Classe A: Qualidade muito elevada; Classe B: Qualidade elevada; Classe C: Qualidade média; Classe D: Qualidade baixa; Classe E: Qualidade muito baixa. Recomenda-se a utilização das classes de luminárias A e B para escolas, escritórios e
hospitais. No caso de lojas, áreas de exposição, cinemas, teatros, igrejas, residências, hotéis as classes de luminárias B ou C são bem aceitas.
Para se utilizar as curvas de limitação de luminâncias no controle de ofuscamento, deve-
se considerar a distribuição de luminâncias da luminária nas direções longitudinal (90o – 270o) e transversal (0o – 90o) como pode ser visto na FIGURA 7.4.
Este sistema é válido somente para ambientes cujas refletâncias sejam de no mínimo:
50% para o teto e 25% para as paredes, não ocorrendo ofuscamento quando as luminâncias da luminária estiverem (em todos os ângulos) à esquerda da curva limitante selecionada.
Ofuscamento indireto: É provocado pela visão do reflexo da fonte de luz no plano da tarefa visual; pode
inabilitar a visão principalmente por diminuição de contraste (ex., reflexo em telas de vídeo) e causar desconforto visual (reflexo em superfícies de trabalho polidas). Como medidas corretivas, além de se evitar acabamentos polidos e brilhantes nos ambientes de trabalho, recomenda-se verificar o posicionamento das luminárias com relação aos usuários e, em especial, a análise do diagrama fotométrico das luminárias para se proceder um controle da emissão de luz em determinados ângulos:
❏ ❏
superfícies horizontais - 0° a 30°; superfícies verticais - > 50°.
7.1.4. Distribuição das luminâncias
Para um observador, localizado num ambiente, a luz torna-se significativa ao atingir
objetos e superfícies; a luz refletida por estes na direção do olho do observador é que os tornam visíveis. Assim, a primeira causa de percepção visual é a luminância dos objetos e superfícies
63
contidos no campo visual. Iluminância é a etapa anterior do processo de propagação da luz e serve para determinar as luminâncias.
A distribuição harmônica de luminâncias, que contribui para um efeito agradável da
iluminação, é conseguida com paredes (ρ > 50%) e teto (ρ > 70%) suficientemente claros. O piso não deverá ser muito escuro (ρ > 20%) para evitar contrastes exagerados de luminâncias.
O reconhecimento espacial de obstáculos, bem como o seu aspecto superficial, é
ressaltado por um jogo adequado de sombras. A iluminação não deve, portanto, ser demasiadamente pobre em sombras. A profundidade das sombras (sombreamento) deve, no entanto, ser limitada. Os limites das sombras devem ser suaves. Sombras perturbadoras no objeto principal a ser visto, devem ser totalmente evitadas. Sombras com profundidade limitada são obtidas através de uma disposição regular dos pontos de luz com área suficientemente grande, como é o caso das luminárias de lâmpadas fluorescentes.
A iluminação totalmente difusa (iluminação indireta), somente é recomendável em casos
especiais, devido ao reduzido efeito de sombras. Nos planos de trabalho, a direção principal de incidência da luz deve vir de cima e da esquerda do plano.
A cor da luz artificial e a reprodução de cores, resultante de seu conteúdo espectral em
conjunto com a pintura do recinto determinarão o “clima de cores” e o aspecto cromático dos objetos existentes no recinto. As cores de luz branco-neutras (TCC de 3.000 K a 4.000 K), resultarão num clima de cor neutro, não causando mistura desagradável da luz artificial com a luz natural. São, portanto, preferidas em ambientes de trabalho.
As cores de luz branca luz do dia (TCC maiores que 5.000 K), resultaram num efeito de
cores semelhantes à luz solar, desde que o nível de iluminamento atinja 1000 lux. As cores de luz branco-mornas (TCC menores que 3.000 K), causam um realce de tons alaranjados e vermelhos. São recomendadas para recintos de descanso, de preferência com níveis de iluminamento baixos.
64
8. CÁLCULO DA ILUMINAÇÃO INTERNA
São três os métodos gerais mais usados para o cálculo da quantidade de luz num
ambiente devido a fontes de luz artificiais e definição do número e distribuição das luminárias: ❏ ❏ ❏
método ponto a ponto; método da iluminância média (ou lumen ou fluxo total); método do fluxo transferido (ou radiosidade diferenças finitas).
A escolha sobre qual dos três métodos deve ser utilizado deve ser baseada na
complexidade das exigências de iluminação (distribuição das tarefas visuais e geometria do ambiente) e do tipo de sistema de iluminação escolhido.
Os métodos ponto a ponto e da iluminância média oferecem técnicas da análise
simplificadas que podem ser fácil e rapidamente empregadas, mas que envolvem uma certa perda na precisão final. Caso o objetivo seja garantir uma iluminação de projeto sobre toda a área do plano de trabalho, a iluminância média fornece uma avaliação razoável da situação em cada local. Em situações em que são utilizados sistemas de iluminação localizada para tarefas visuais específicas, o método ponto a ponto deve ser o empregado, que também é o adequado para a maioria das situações de iluminação externa.
O método do fluxo transferido pode parecer demasiadamente complexo para situações
simples, mas, sem dúvida, é o único método capaz de produzir resultados confiáveis no projeto de sistemas de iluminação complexos. Este método necessita do uso de computador para resolver as equações envolvidas. Atualmente no mercado internacional existem muitos programas de computador baseados neste método.
8.1. MÉTODO PONTO A PONTO É empregado principalmente na análise de fontes em ambientes de iluminação localizada
e não uniforme (várias fontes irregularmente espaçadas contribuindo para iluminar uma determinada área). Leva em consideração apenas a componente direta da emissão de luz, a parcela refletida é desconsiderada.
O nível de iluminamento em um determinado ponto poderá ser calculado pela EQUAÇÃO
1.7 quando o tamanho da fonte for muito pequeno quando comparado com a distância entre a fonte e o ponto considerado. Em situações em que isto não ocorre, outros procedimentos de cálculo deverão ser utilizados. Pode-se, então, considerar três tipos básicos de fonte: fontes puntiformes, fontes lineares e fontes superficiais.
8.1.1. Fontes puntiformes Uma fonte de luz (lâmpada ou luminária mais lâmpada) será considerada puntiforme se
sua maior dimensão for menor que um quinto da distância entre a fonte e o ponto a ser iluminado.
65
Para fontes puntiformes os níveis de iluminamento poderão ser determinados pela EQUAÇÃO 1.7, que poderá ser adaptada através de relações trigonométricas para situações práticas mais freqüentes:
Iluminância (Eβ) em um plano cuja normal forma um ângulo “β” com a linha que une o ponto a fonte (EQUAÇÃO 5.1)
90o β
θ d
H
FIGURA 8.1 – Iluminância de uma fonte puntiforme em um plano qualquer
( ) )cos(cos HI
E 22 βθθ
β ⋅⋅=
(8.1) Iluminância horizontal (Eh) causada por uma fonte puntiforme (EQUAÇÃO 8.2)
θ = β
β
θ d
H
FIGURA 8.2 – Iluminância de uma fonte puntiforme no plano horizontal
( ) θθ 32h cos
HI
E ⋅= (8.2)
66
Iluminância vertical (EV) causada por uma fonte puntiforme (EQUAÇÃO 8.3)
β = 900 - θ
β
θ d
H
FIGURA 8.3 – Iluminância de uma fonte puntiforme no plano vertical ( ) θθθ sencos
HI
E 22V ⋅⋅= (8.3)
Nas EQUAÇÕES 8.1, 8.2 E 8.3, “I(θ)” é a intensidade luminosa na direção que faz um
ângulo “θ” com a vertical que passa pela fonte luminosa puntual.
8.1.2. Fonte luminosa linear Uma fonte de luz só pode ser chamada de fonte puntual em relação a um determinado
ponto conforme for a distância entre os dois. Assim, uma lâmpada fluorescente de 2,4 m de comprimento (ex: H.O. de 110W) só poderá ser tratada como fonte puntual para pontos distantes a mais de 12 m (5 vezes o seu comprimento), distância na qual os erros causados pela EQUAÇÃO 8.2 são toleráveis. Para distâncias menores que 12 m este tipo de fonte deve ser tratado como uma fonte luminosa linear.
Uma fonte luminosa será considerada linear quando o seu comprimento for maior do que
cinco vezes a distância entre o centro da fonte e o ponto considerado, e sua largura for menor que um quinto desta distância.
dFONTE-PONTO Plano de Trabalho
CFONTE LFONTE
FONTE LINEAR:
CFONTE > 5.dFONTE-PONTO LFONTE < dFONTE-PONTO /5
FIGURA 8.4 – Iluminância de uma fonte linear.
67
Na maioria das situações, as luminárias para lâmpadas fluorescentes enquadram-se na categoria de fontes lineares. Para determinar a iluminância produzida por fontes lineares é necessário integrar o efeito de cada pequeno elemento da fonte.
8.1.3. Fonte luminosa superficial
Quando o comprimento e a largura de uma fonte são maiores que um quinto da distância
entre o seu centro e o ponto considerado ela deve ser considerada como uma fonte superficial.
dFONTE-PONTO Plano de Trabalho
CFONTE
LFONTE
FONTE SUPERFICIAL:
CFONTE > 5.dFONTE-PONTO LFONTE > 5.dFONTE-PONTO
FIGURA 8.5 – Iluminância de uma fonte superficial. O cálculo dos níveis de iluminamento gerados por fontes superficiais são sem dúvida
nenhuma muito mais complicados do que para fontes puntuais e lineares, por isso raramente são utilizados. É considerado aqui então apenas um caso simples de uma fonte superficial uniforme.
A EQUAÇÃO 8.4 serve apenas para uma fonte superficial uniforme e fornece a
iluminância diretamente em um ponto em baixo de um canto da luminária. Os dados geométricos utilizados na EQUAÇÃO 8.4 são representados na FIGURA 8.6.
Plano de Trabalho
H
C L
B2
B1
A2
A1
FONTE SUPERFICIAL:
A1 = tan-1(W/H)
A2 = tan-1[W.(L2+H2)1/2]
B1 = tan-1(L/H)
B2 = tan-1[L.(W2+H2)1/2]
FIGURA 8.6 – Iluminância de uma fonte superficial em baixo de um canto da luminária.
(8.4) ( ) ( )[ ]1212P sensenA 2I E ABB ⋅+⋅⋅=
68
Na EQUAÇÃO 8.4, “IP” é a intensidade luminosa máxima da fonte. Para se obter a iluminância em um ponto que não esteja diretamente abaixo de um dos
cantos da luminária, torna-se necessário somar ou subtrair a contribuição de quatro fontes imaginárias, cada uma com um canto em cima do ponto considerado.
8.2. MÉTODO DA ILUMINÂNCIA MÉDIA (MÉTODO DOS LUMENS) O método da iluminância média, também chamado método dos lumens ou do fluxo total,
é uma das ferramentas mais simples na elaboração de projetos luminotécnicos e tornou-se a mais conhecida entre os profissionais da área. Este método assume que a luz emitida por uma luminária é uniformemente distribuída sobre o plano horizontal de trabalho (Pht). Embora uma só luminária não garanta uma iluminação uniforme, várias luminárias iguais, espaçadas regularmente, produzem uma iluminação próxima da uniforme em todas as partes de um ambiente. Portanto, a iluminância média num determinado ponto no plano horizontal de trabalho é função do fluxo luminoso da luminária e da área iluminada.
A EQUAÇÃO 8.5 expressa a iluminância média no plano de trabalho (EPht) em função do
fluxo luminoso de cada luminária (φL), do número de luminárias (N), do coeficiente de utilização da luminária (CU), do fator de depreciação (FD) e da área total do plano de trabalho (APht).
[ ]luxA
FDCUN
Pht
L EPht⋅⋅⋅
=φ
(8.5) Caso a iluminância desejada no plano de trabalho EPht já esteja definida, o número de
luminárias N necessário para garantir esta iluminância é obtido pela EQUAÇÃO 8.6:
NFDCU
AE
L
PhtPht
⋅⋅⋅
=φ
(8.6)
Para determinar o fluxo luminoso da luminária (φL) deve-se multiplicar o fluxo luminoso
da lâmpada (φLâmpada) escolhida pelo número de lâmpadas (n) contidas na luminária, conforme mostra a EQUAÇÃO 8.7.
n L ⋅= Lâmpadaφφ (8.7)
O Coeficiente de Utilização (CU) é um número complexo, obtido em laboratório, que
representa a eficácia da luminária e as características físicas e geométricas das superfícies que compõe um ambiente. Parte do fluxo luminoso emitido por uma lâmpada é absorvida pela luminária enquanto o restante divide-se nas direções especificadas pelas regiões da FIGURA 8.7.
69
Pht
2
3 4 3
2 1
Hm
FIGURA 8.7 – Distribuição do fluxo luminoso de uma fonte. Cada região da FIGURA 8.7 caracteriza uma parcela do fluxo luminoso:
Região 1: parcela do fluxo luminoso diretamente sobre o plano de trabalho; ❏ ❏
❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏
Região 2: parcela do fluxo na direção das paredes abaixo do plano das luminárias e acima do plano de trabalho; Região 3: parcela do fluxo na direção das paredes acima do plano das luminárias; Região 4: parcela do fluxo na direção do teto.
A luz emitida diretamente para o plano de trabalho (região 1) é a mais significativa para
o iluminamento final; seguida pela luz refletida na cavidade mediana do ambiente (região 2) e finalmente vem as parcelas que após repetidas reflexões chegam até o plano de trabalho (regiões 3 e 4).
Desta forma o coeficiente de utilização (CU) é função dos seguintes aspectos:
Distribuição espacial de luz pela luminária; Rendimento da luminária; Refletância das diversas superfícies que compõe o ambiente (teto, paredes e piso); Índice do ambiente (K); Distribuição e localização das luminárias.
O índice do ambiente (K), também conhecido como índice do local, depende das
dimensões do recinto: comprimento (C), largura (L) e da altura de montagem da luminária (Hm – distância entre a luminária e o plano de trabalho) e é calculado pela EQUAÇÃO 8.8.
( ) KLCH
LC
m +⋅⋅
=
(8.8) Os coeficientes de utilização (CU) são fornecidos pelos fabricantes em tabelas (encartes
fotométricos), como função do índice do ambiente (K) e das refletâncias das superfícies (teto, paredes e piso), assumindo uma razão espaçamento/altura das luminárias fixa, como pode ser visto na TABELA 8.1 que serve como exemplo.
70
Alguns encartes fotométricos são obtidos em função de um índice do ambiente (K)
calculado pela EQUAÇÃO 8.9 e não pela EQUAÇÃO 8.8, as duas estão corretas, o importante é empregar a equação adequada para o encarte em uso. A variação do CU é invertida conforme o uso da EQUAÇÃO 8.9 ou a EQUAÇÃO 8.8.
( ) 5K
LCLCHm
⋅+⋅⋅
= (8.9) Na TABELA 8.1, tem-se o exemplo de coeficientes de utilização para uma luminária
fictícia. Neste exemplo, o índice do ambiente é igual a 1,0 e o teto, parede e piso têm refletâncias de 50%, 30% e 10% respectivamente, resultando em um coeficiente de utilização CU = 0,55.
TABELA 8.1 – Tabela de coeficientes de utilização (exemplo)
Refletâncias do teto, parede e piso
751 731 711 551 531 511 331 311 000
0,60 ,47 ,43 ,40 ,46 ,42 ,40 ,42 ,40 ,38
0,80 ,54 ,50 ,47 ,53 ,49 ,47 ,49 ,46 ,45
1,00 ,59 ,55 ,53 ,58 ,55 ,52 ,54 ,52 ,51
1,25 ,64 ,60 ,58 ,63 ,60 ,57 ,59 ,57 ,56
1,50 ,67 ,64 ,61 ,66 ,63 ,61 ,62 ,60 ,59
Índice do Ambiente
(K)
Um outro fator considerado em cálculos de iluminação é o fator de depreciação “FD”
(ou fator de perda de luz) que pode ser descrito como a razão entre o nível de iluminação médio após um determinado período de funcionamento e o nível de iluminação médio da instalação nova. Assim, leva-se em consideração a redução do desempenho de uma instalação de iluminação, provocada pelo acúmulo de pó no bulbo das lâmpadas, nas superfícies de distribuição de luz (refletores) das luminárias e nas superfícies do próprio ambiente. Esta forma de depreciação ou decaimento do fluxo luminoso efetivo não depende somente das características das lâmpadas, luminárias e superfícies em geral em acumular mais ou menos sujeira, mas também das condições de sujeira do local e da freqüência de limpeza em geral (TABELA 8.2).
O fator de depreciação “FD” pode também incorporar perdas de luz devidas ao
decaimento do fluxo luminoso provocado pelo ciclo de funcionamento das luminárias (em sistemas de ligação automática esta perda pode ser maior); pode incorporar ainda uma estimativa de redução do nível de iluminação, permitindo uma percentagem de lâmpadas queimarem antes de serem trocadas. De maneira geral, caso não exista informações específicas sobre depreciação
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do fluxo luminoso, freqüência de limpeza, etc. Recomenda-se a adoção dos valores contidos na TABELA 8.2.
TABELA 8.2 – Fatores de depreciação do fluxo luminoso
Tipo de Manutenção
Ótima Boa Regular Péssima
Lâmpada sem refletor 0.90 0.80 0.70 0.60
Lâmpada com refletor aberto 0.85 0.75 0.65 0.55
Lâmpada com refletor, elementos antiofuscamento e difusores de luz
0.85 0.75 0.65 0.55
Tipo de Instalação (Lâmpada + Luminária)
8.3. MÉTODO DO FLUXO TRANSFERIDO (DIFERENÇAS FINITAS) Este é o método mais preciso para a determinação da iluminação num ponto devido
tanto à luz natural como luz artificial. Neste método, um ambiente é descrito em termos da luminância inicial (L01, L02 e L03) das paredes, teto e piso, respectivamente. A luminância final (L1, L2 e L3) é maior que a inicial, para cada superfície, devido a componente da refletida no ambiente. Fatores de forma ou configuração são usados para descrever o fluxo luminoso refletido ou emitido por uma superfície e que incide em outra superfície.
Portanto, o fluxo luminoso final emitido pelo piso pode ser descrito pela EQUAÇÃO 8.10: ( )1312323033 fLfLLL ⋅+⋅⋅+= ρ (8.10) Similarmente, o fluxo do teto é definido pela EQUAÇÃO 8.11: ( )1213232022 fLfLLL ⋅+⋅⋅+= ρ (8.11) Enquanto, para as paredes a luminância é representada pela EQUAÇÃO 8.12:
( )3132121111011 fLfLfLLL ⋅+⋅+⋅⋅+= ρ (8.12) A EQUAÇÃO 8.12 difere-se um pouco das demais, pois uma determinada parede pode
"ver" as outras paredes que formam o ambiente. Assim, as luminâncias finais podem ser obtidas pela solução de um conjunto de equações simultâneas. Obviamente, quanto mais complexa for a cena, mais difícil será a obtenção dos fatores de forma e mais difícil será a solução do conjunto de equações resultante. Este método tornou-se viável somente após o advento do computador digital.
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9. ROTEIRO DE CÁLCULO PARA O MÉTODO DA ILUMINÂNCIA
MÉDIA Um roteiro prático e simples que poderá ser seguido na elaboração de um projeto
luminotécnico utilizando o método da iluminância média (método os lumens) é o seguinte: ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
Escolha do nível de iluminamento (EPht); Determinação do índice do ambiente (K); Escolha das lâmpadas e luminárias; Determinação do coeficiente de utilização (CU); Determinação do fator de depreciação (FD); Determinação do fluxo total (φTotal); Cálculo do número de luminárias (N, NC, NL); Distribuição das luminárias (A, B).
9.1. ESCOLHA DO NÍVEL DE ILUMINAMENTO (EPHT) Como já foi dito anteriormente, está é a primeira etapa em um projeto luminotécnico. O
nível de iluminamento do ambiente será então determinado em função da tarefa visual que será desenvolvida no local projetado. Estes níveis são obtidos na NBR 5413 que fornece o valor mínimo, médio e máximo recomendado para cada tipo de atividade e em função do usuário.
9.2. DETERMINAÇÃO DO ÍNDICE DO AMBIENTE (K) O índice do ambiente (K) que depende das características geométricas do local é
determinado através da EQUAÇÃO 8.8 ou 8.9, dependendo de como o fabricante da luminária que se pretende utilizar fornece os dados de coeficiente de utilização (CU).
9.3. ESCOLHA DAS LÂMPADAS E LUMINÁRIAS A escolha das lâmpadas que serão utilizadas em um determinado ambiente deve ser feita
em função do local e da atividade visual que será desenvolvida. Alguns aspectos devem ser considerados a fim de que se faça a escolha mais adequada:
Dimensões e forma do local a iluminar; Tipo de tarefa visual que será desenvolvida no ambiente; O nível de iluminamento de projeto; O período de funcionamento do sistema de iluminação; A vida útil da lâmpada; A eficiência luminosa da lâmpada; A temperatura de cor correlata e o índice de reprodução de cor da lâmpada; O custo inicial e de operação do sistema.
73
Na escolha da luminária, deve-se levar em conta o tipo de iluminação que se deseja para o ambiente: direta, semidireta, geral difusa, semi-indireta e indireta. Também devem ser considerados os seguintes aspectos:
Adaptabilidade ao ambiente; ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏ ❏
Características construtivas; Efeito estético; O seu rendimento; Facilidade de manutenção e conservação; Facilidade de troca das lâmpadas; Possíveis problemas de ofuscamento.
9.4. DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE UTILIZAÇÃO (CU) Após calculado o índice do ambiente (K) é necessário estabelecer as refletâncias do teto,
paredes e piso para que se consiga determinar o coeficiente de utilização desta combinação de valores.
Na FIGURA 9.1 são mostradas as cavidades do teto e piso e paredes que possuem recomendações diferenciadas quanto as respectivas refletâncias.
Cavidade do teto
Paredes
Cavidade do piso
Plano das luminárias Plano de trabalho
FIGURA 9.1 – Cavidades do piso e teto e paredes. Para a cavidade do teto recomenda-se que a refletância seja a mais alta possível, nunca
inferiores a 60%. No caso das paredes também é desejável que se tenha refletâncias elevadas tendo-se um cuidado especial com as paredes que contem janelas, estas não deverão ter refletâncias inferiores a 60%. Finalmente, para a cavidade do piso, as refletâncias não devem ser inferiores a 20% sem ultrapassarem 40%. A TABELA 9.1 apresenta valores de refletâncias de algumas superfícies.
Após determinadas as refletâncias do local e de posse do índice do ambiente (K), retira-
se do catálogo da luminária escolhida o respectivo fator de utilização.
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TABELA 9.1 – Refletâncias aproximadas de algumas superfícies de edificações.
Superfície Refletância Material ou acabamento
Teto 0,80 Pintura branca em superfície plana de gesso
0,70 Pintura branca em azulejo acústico
0,60 Pintura branca em concreto sem acabamento fino
0,50 Pintura branca em madeira
Paredes 0,80 Pintura branca em superfície plana de gesso Azulejo branco vitrificado
0,70 Tijolo branco
0,65 Gesso rosa
0,40 Cimento de amianto branco Concreto cinza claro
0,35 Aço inoxidável
0,30 Tijolo
0,05 Quadro de giz pintado de preto
Pisos e mobília 0,80 Papel branco
0,45 Carpete, amarelo acinzentado
0,35 Madeira bordo
0,25 Madeira de carvalho Telha de PVC marrom ou mármore Carpete turquesa ou marrom esverdeado
0,20 Cerâmica polida
0,10 Cerâmica marrom Carpete escuro com baixa manutenção Telhas de PVC: marrom escuro Madeira de carvalho escuro
9.5. DETERMINAÇÃO DO FATOR DE DEPRECIAÇÃO (FD) Na determinação do fator de depreciação podem ser usados tanto os dados fornecidos
nos catálogos dos fabricantes de luminárias ou os valores recomendados na TABELA 8.2.
75
9.6. DETERMINAÇÃO DO FLUXO TOTAL (φTotal) Para a determinação do fluxo total utiliza-se a EQUAÇÃO 9.1 que fornecerá a iluminância
média do ambiente.
Total FDCUAE PhtPht
⋅⋅
=φ (9.1) onde:
φTotal - Fluxo luminoso total necessário para se obter a iluminância de projeto; EPht - Iluminância no plano horizontal de trabalho (iluminância de projeto); APht - Área do plano horizontal de trabalho; CU - Coeficiente de utilização da instalação; FD - Fator de depreciação da instalação.
9.7. CÁLCULO DO NÚMERO DE LUMINÁRIAS O número de luminárias (N) necessário é obtido pela EQUAÇÃO 6.2.
L
TotalNφφ
= (9.2)
onde: N - Número de luminárias; φTotal - Fluxo luminoso total necessário para se obter a iluminância de projeto; φL - Fluxo luminoso da luminária (EQUAÇÃO 8.7).
9.8. DISTRIBUIÇÃO DAS LUMINÁRIAS
O espaçamento entre
luminárias em um ambiente depende da distância entre as luminárias e o plano de trabalho (Hm) e da sua distribuição do fluxo luminoso. Recomenda-se que o espaçamento entre o centro das luminárias fique entre 1,0 a 1,5 vezes a altura de montagem (Hm), tanto na largura como no comprimento do ambiente, sendo que a distância entre o centro das luminárias e as paredes deverá ser metade deste valor (FIGURA 9.2).
A/2 A
B
B/2
Os valores de A e B são determinados pela EQUAÇÃO 9.3 e EQUAÇÃO 9.4 respectivamente.
FIGURA 9.2 – Distribuição das luminárias.
CNCA = (9.3)
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LN
LB = (9.4) onde:
A - Distância entre luminárias no comprimento; C - Comprimento do ambiente; NC - Número de luminárias na direção do comprimento; B - Distância entre luminárias na largura; L - Largura do ambiente; NL - Número de luminárias na direção da largura.
Se o número de luminárias resultar em valores para “A” e “B” fora dos limites estabelecidos, corre-se o risco de uma iluminação não uniforme, com a existência de sobras indesejáveis. Para resolver este problema eleva-se o número de luminária ou modifica-se a sua distribuição no ambiente.
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10. SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO ESPECIAL DE EMERGÊNCIA
10.1. INTRODUÇÃO O objetivo principal deste sistema de iluminação é o de garantir, em caso de falta de
energia na rede de alimentação, iluminação adequada para permitir a evacuação fácil e segura do público; como também, garantir a continuidade das atividades que, por sua natureza, não possam sofrer interrupções.
A Norma Brasileira (ABNT) NBR 10898 - Sistema de Iluminação de Emergência
estabelece as exigências principais que um sistema deste tipo deve satisfazer.
10.2. CLASSIFICAÇÃO Os sistemas de iluminação de emergência podem ser classificados de várias formas,
segundo sua função específica, sua fonte alimentadora e sua condição de permanência.
10.2.1. Função específica Evacuação do público: Pode ser dividida em iluminação ambiente e iluminação p/sinalização.
Iluminação ambiente: é obrigatória nas circulações verticais e horizontais (elevadores, escadas e corredores), locais de concentração de pessoas (hall de distribuição, cinemas, teatros, etc.), zonas de saída, áreas de perigo (indústrias) e locais de equipamento de apoio (ver ANEXO A, NBR 10898).
❏
❏ Iluminação de sinalização: serve para mostrar as mudanças de direção, obstáculos, escadas, saídas, etc. A distância entre 2 pontos de luz deve ser no máximo 15 m e o fluxo luminoso deve ser no mínimo de 30 lm. A função da iluminação pode ser auxiliada por textos escritos ou símbolos gráficos, cujas especificações (dimensões e cores) encontram-se no item 5.1.2.6 e no ANEXO B da NBR 10898.
TABELA 10.1 - Iluminamento mínimo ao nível do piso.
Nível mínimo de EPISO Locais Fluxo luminoso do ponto de luz
5 lux
Com desníveis: Escadas; Portas baixas (h < 2,1 m); Obstáculos.
3 lux Planos:
Corredores; Halls; Refúgios.
≥ 120 lm (efetivos, já descontadas
todas as perdas)
78
Continuidade das atividades: Nos ambientes onde, pela natureza da atividade, a iluminação não pode sofrer
interrupções, o sistema de emergência deve ser capaz de suprir uma iluminação que proporcione no mínimo 70 % do nível de iluminação do sistema normal. Isto é válido para locais tal como:
❏ ❏ ❏
salas de atendimento de urgência e de cirurgia; laboratórios de produtos químicos; salas de controle de tráfego (ferroviário e aeroviário).
10.2.2. Fonte alimentadora A alimentação de qualquer sistema de iluminação de emergência deve garantir pelo
menos 1 hora de funcionamento. Quanto à fonte alimentadora os sistemas podem ser classificados em três tipos distintos:
Sistema centralizado de acumuladores: Este tipo é recomendado para edifícios médio, indústrias pequenas, casas de espetáculo
(teatros e cinemas), hospitais, restaurantes, etc.; sendo adequado quando o problema maior é apenas a iluminação de emergência e não existe a necessidade de alimentar máquinas de porte. Apresenta as seguintes vantagens:
❏ ❏ ❏ ❏
fácil automação; boa capacidade de armazenamento de energia em pequenas dimensões (baterias); não exige manutenção freqüente e especializada; não exige depósito ou alimentação com substâncias inflamáveis.
Grupo moto-gerador: São recomendados para grandes edifícios, grandes áreas industriais e comerciais e em
qualquer local onde existam muitas lâmpadas ou equipamentos de porte a serem alimentados. Apresentam alguns inconvenientes:
❏
❏ ❏
manter pessoal especializado na manutenção dos motores e guarda e manuseio do combustível; funcionar o motor periodicamente; evitar a poluição produzida pela combustão.
A NBR 10898 fixa várias condições específicas para a localização dos diversos
componentes da fonte de energia para os dois sistemas acima descritos. Conjunto de blocos autônomos: Também chamados de sistemas unitários, são sistemas onde a fonte luminosa (lâmpada),
a fonte de energia (bateria) e os dispositivos necessários para colocá-los em funcionamento são incorporados num conjunto compacto de iluminação de emergência. São bastante seguros, de simples manutenção, baixo custo e são recomendados para áreas independentes de dimensões reduzidas e para edifícios antigos ou locais de difícil instalação de cabos de distribuição.
79
10.2.3. Condição de permanência
Quanto à condição de permanência da iluminação nos pontos os sistemas podem ser
classificados em: permanentes e não permanentes. Permanentes: São aqueles sistemas nos quais as fontes luminosas de emergência estão ligadas na rede
de alimentação e funcionam em serviço normal; passando automaticamente a serem alimentadas por fonte própria, no caso de falha da fonte normal.
Não permanentes: São aqueles nos quais os aparelhos de iluminação não são alimentados em serviço
normal, pela rede de alimentação normal e, em caso de falha, passam automaticamente a serem alimentados pela fonte própria. Ou seja, ao contrário do sistema permanente, as lâmpadas de emergência permanecem desligadas quando a alimentação é feita pela fonte normal.
Segundo o tipo de fonte de alimentação e condição de permanência da iluminação os
sistemas são classificados pela NBR 10898 conforme a TABELA 10.2.
TABELA 10.2 – Classificação dos sistemas de acordo com a fonte de energia e permanência.
Tipo Iluminação Fonte
1 Permanente Central (acumuladores ou grupo moto-gerador)
2 Não permanente Central (acumuladores ou grupo moto-gerador)
3 Não permanente Central (acumuladores ou grupo moto-gerador) ou blocos autômonos
4 Não permanente Aparelhos portáteis (lanternas) De acordo com o tipo e setor do estabelecimento e do efetivo de público que o utiliza, o
sistema de iluminação de emergência a ser adotado é obtido pelo emprego da TABELA 5 em conjunto com o ANEXO A, ambos da NBR 10898.
10.3. PROJETO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO As instalações de iluminação de emergência devem ser projetadas buscando-se priorizar
as áreas (já definidas anteriormente) em função risco de acidentes; quanto maior o risco, maior deverá ser o nível de iluminação.
As fontes luminosas que podem ser usadas são: ❏ ❏
luminárias com lâmpadas incandescentes; luminárias com lâmpadas fluorescentes;
80
❏ projetores ou faróis. As luminárias devem satisfazer as exigências da NBR 6854, resistir a uma temperatura
de 70 °C por 1 hora e para o controle do ofuscamento devem seguir os níveis de intensidade luminosa da TABELA 10.3.
Tabela 10.3: Intensidade máxima para controle do ofuscamento (fonte NBR 10898).
Altura do ponto de luz em
relação ao piso [m]
Intensidade máxima do
ponto de luz [cd]
Iluminância ao nível do piso na
direção normal ao ponto [lux]
2,0 100 25
2,5 400 64
3,0 900 100
3,5 1.600 131
4,0 2.500 156
4,5 3.500 173
5,0 5.000 200 Projetores ou faróis, dependendo do facho de luz podem iluminar grandes áreas a partir
de um ponto. Entretanto, não devem ser empregados em áreas de dimensões reduzidas, de passagem e escadas; quando utilizados para iluminar áreas de acesso ou saída, o facho luminoso deve ser ajustado ao sentido do fluxo do público.
O método de cálculo dos níveis de iluminação deve ser o ponto-a-ponto e a relação de
iluminação entre as áreas claras e escuras deve ser no máximo 1:20.
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