DESENHO INDUSTRIAL POR ALGORITMOS EVOLUTIVOS:
LUMINOTECNIATrabalho Final de Curso 1999/2000
LUMINOTECNIAConceitos e Unidades Fundamentais
Requesitos para uma Boa Iluminação
Projecto de Iluminação
O grau de desenvolvimento em que se encontra a iluminação artificial só em parte é devido à existência de melhores fontes de iluminação. A pesquisa efectuada nos campos da Óptica e Física muito fez ao criar o conhecimento básico da iluminação visível. Aprendeu-se a definir iluminação tanto em termos de qualidade como de quantidade. Para além de se aplicar uma certa quantidade de luz a uma área, especifica-se a sua distribuição no espaço tempo e comprimento de onda.
O olho humano recebe como luz qualquer radiação electromagnética no intervalo [380,780] nm (1 nm=10-9m).
A radiação visível é gerada é gerada no átomo quando a sua estrutura é estimulada de forma a provocar uma descarga ou incandescente ou luminescente. A radiação térmica é geralmente contínua ao longo de todo o espectro.
CONCEITOS E UNIDADES FUNDAMENTAIS
De forma a classificar a arte da boa iluminação, em termos de engenharia, foram introduzidos os seguintes conceitos:
Fluxo Luminoso
Serve para medir a potência de radiação que provoca a sensação luminosa no olho. A sua unidade é o lumen (lm), e representa quantitativamente o mesmo que o Watt para o fluxo de energia. A capacidade de iluminação de uma fonte é dada em função do fluxo luminoso, onde também se entra em linha de conta com o nível de iluminação.
Eficiência Luminosa
A eficiência luminosa de uma fonte é a relação entre a energia luminosa e a energia eléctrica, e é medida em lm/W.
Quantidade de Luz
A quantidade de luz é o produto do fluxo luminoso pelo tempo em que é mantido (Q=Ft). A sua unidade é lumen-hora (lm h). Esta unidade é introduzida quando do cálculo da eficiência de uma instalação pela comparação entre o seu consumo eléctrico e a energia luminosa efectivamente utilizável.
Intensidade Luminosa
A intensidade luminosa (numa certa direcção) é o quociente entre o fluxo luminoso gerado por uma fonte, ou elemento da fonte, num cone infinitesimal contendo a direcção pretendida, e o ângulo sólido desse cone:
com a unidade de candela (cd)
Esta unidade é definida recorrendo a fontes de iluminação padrão, de onde são obtidas na prática, todas as outras unidades de iluminação usadas em engenharia.
Antes de 1950, a intensidade luminosa era medida por comparação com velas de Hefner (HC) ou com velas internacionais (IC) e só a partir daí passou a ser usada a unidade candela em todo o mundo.
1 cd = 0.98 IC = 1.16 HC
O ângulo sólido é uma quantidade tridimensional, que tem como unidade o stereoradiano (sr). O cone é tal que tendo o seu vértice no centro de uma esfera, projecta na sua superfície a mesma área de um quadrado com lado igual ao seu raio.
Na arte e prática de iluminação o conceito de intensidade é importante uma vez que define o diagrama de distribuição de luz, característico das fontes luminosas, armaduras e lanternas.
Iluminação
A iluminação de qualquer ponto de uma superfície iluminada é a densidade de fluxo luminoso que recebe. A sua unidade é equivalente a lm/m2 e é designada por Lux.
Os cálculos e planeamento de iluminação partem normalmente de um nível de iluminação pretendido que é pré-definido.
Luminância
A luminância, numa dada direcção, é o quociente entre a intensidade luminosa de uma superfície, medida num certo ângulo S com a normal dessa superfície, pela projecção ortogonal da superfície num plano perpendicular à direcção pretendida. A sua unidade é cd/m2 ou stilib.
A entrega de luminância de uma superfície reflectora ou emissora, como paredes ou tectos, pode ainda ser medida em apostilib (asb) sendo:
1 asb = (10 000)-1 = 31.8 x 10-6 sb
Uma luminância de 1 asb é a apresentada por um reflector perfeito, ou seja, uma superfície branca pura iluminada com 1 Lux. À medida que a capacidade reflectora diminui, o mesmo acontece com a sua luminância.
A luminância pode assim ser considerada como uma medida do brilho de uma fonte luminosa ou de um objecto iluminado do ponto de vista de um projectista de iluminação.
A luz apenas se torna visível quando reflectida ou difundida por uma substância. Superfícies com a mesma iluminação podem parecer mais ou menos brilhantes ao observador, dependendo das suas qualidades reflectoras.
REQUESITOS PARA UMA BOA ILUMINAÇÃOEmbora a finalidade de uma iluminação possa ser diversa, existem bases gerais em que uma boa iluminação deve assentar como: iluminação suficiente, sombras adequadas, uniformidade, ausência de encandeamento e cor adequada. O sucesso de uma instalação eléctrica depende da sua conveniente combinação.
- Iluminação Suficiente
Uma iluminação suficiente é a forma pela qual o Homem reconhece as coisas no ambiente que o rodeia, uma vez que só quando iluminados os objectos têm a luminância necessária, a não ser que sejam eles próprios fontes luminosas. A tarefa da iluminação é a de fornecer essa luminância a objectos.
As cores dos objectos têm a propriedade de reflectir luz em diferentes graus e dão-lhes as diferenças de brilho necessárias e essênciais a uma boa percepção dos detalhes.
Para cada tipo de trabalho existe um intervalo de iluminação adequado, ou seja aquele em que se minimiza a fadiga e maximiza a eficiência, tanto em termos de quantidade como de qualidade. Este valor óptimo pode ser atingido com diferentes níveis de iluminação, dependendo da reflecção do objecto, do seu tamanho e do ambiente que o rodeia. A experiência mostra que o olho humano atinge o seu máximo de resolução quando todo o campo tem aproximadamente o mesmo brilho e está entre 200 e 20 000 asb.
Se assumirmos uma reflecção média de 33%, serão necessários 600 Lux para se atingir o limite mínimo do brilho óptimo, ou seja 200 asb. Valores como este encontram-se normalmente em interiores com iluminação natural.
Embora o olho humano seja sensível a diferenças de brilho ou cor, é incapaz de avaliar subjectivamente o nível de iluminação de qualquer sítio. Para esse fim utilizam-se instrumentos de medida que recorrem a células fotovoltaicas; a luz incide sobre a fotocélula que deixa passar uma corrente proporcional ao nível de iluminação existente, o que é reflectido numa escala em Lux.
Diferentes níveis de iluminação, dependendo do fim a que se destinam, estão apresentados na norma Alemã DIN 1035/8.63 Artificial Lightning Idoors e na norma DIN 5044/8.63 Artificial Lightning Outdoors.
– Uniformidade no Tempo
Flutuações na quantidade de iluminação, qualquer que seja a sua causa, podem ter uma má influência no bem estar e eficiência.
Flutuações na tensão de alimentação ou diferenças de brilho podem ter os mesmos efeitos preversos. O facto da tensão de alimentação ser sinusoidal, com 50 ciclos por segundo, não causa efeito algum se a fonte utilizada for do tipo lâmpada de filamento, o que pode não ser verdade numa lâmpada de descarga. Este tipo de lâmpadas não têm qualquer inércia e seguem a alteração periódica da tensão, levando assim esta variação a ser registada pelo olho (efeito estroboscópico). Para eliminar este fenómeno ou são usados circuitos especiais, ou recorre-se à utilização de pares de lâmpadas alimentadas em oposição de fase. O mesmo efeito é atingido distribuindo as lâmpadas pelas diversas fases de um sistema trifásico.
– Uniformidade no Espaço
O olho humano adapta-se ao brilho existente no seu campo de visão. Se houver falta de uniformidade é compelido a fazê-lo mais vezes, o que causa fadiga e redução de eficiência. É portanto exigido a um bom sistema de iluminação que seja tão uniforme quanto possível, o que é atingido pela correcta colocação das fontes luminosas. Uma uniformidade óptima é considerada atingida se a relação entre os diversos brilhos não ultrapassar 3:1. Este objectivo só é atingido com uma iluminação de âmbito geral.
É importante perceber que iluminação local sem iluminação geral não é suficiente. Há já algum tempo que se abandonaram teorias do tipo “Iluminação geral mais iluminação local”, para abraçar teorias do tipo “Iluminação geral orientada para o local de trabalho”. A psicologia do trabalho tem também aqui um papel determinante uma vez que onde existe um nível de iluminação elevado sobre o local de trabalho, afalta de iluminação geral cria uma sensação de isolamento, bem diferente do que se passa com a luz do dia.
– Sombras
A direcção de incidência da luz e as sombras por ela formadas, são tão importantes como um brilho elevado e uniforme. Aumentando o brilho dos objectos aumenta-se também a percepção do seu contraste, por isso seria inconsistente fazê-lo desaparecer pela escolha de um mau ângulo de incidência. Devido à existência de sombras, alguns projectos de iluminação não oferecem o contraste adequado ao ambiente.
Sombras desnecessárias devem ser evitadas de modo a não criar um contraste excessivo no brilho. Um projectista experimentado atenua as sombras, tentando aproximar a iluminação à do dia. O posicionamento das lâmpadas, na iluminação interior, deve ele próprio evitar sombras, dando de preferencia, fila contínuas, ou grandes áreas de tecto iluminadas. Nestes casos são preferidas lâmpadas tubolares em contraste com as de filamento devido ao seu comprimento.
– Encandeamento
O encandeamento é muitas vezes incompatível com o aproveitamento a dequado da luz existente. Distingue-se o encandeamento directo do indirecto.
O encandeamento indirecto é sentido quando dentro do campo de visão existem grandes assimetrias de luminância e, surge normalmente se as áreas de brilho elevado se encontrarem nos limites do campo de visão. Qualquer movimento, por mais natural ou ligeiro que seja, provoca distúrbio.
O encandeamento directo causa uma irradiação tal que esconde todos os objectos. Quando uma fonte apresenta uma luminância relativamente elevada e está no campo de visão, o olho prefere adaptar-se a este nível em vez de se adaptar ao do local de trabalho.
O processo constante de adaptação entre encandeamento e condições normais de visão, leva à fadiga e à redução de eficiência. Um bom posicionamento das fontes de luz reduz o encandeamento directo ao mínimo.
– Cor da Luz
Outro dos atributos de uma instalação eléctrica bem desenhada é a sua cor, que deve estar em harmonia com a finalidade da instalação.
Falar em qualidade da cor é o mesmo que dizer a curva específica da luz emitida no espectro visível, que leva à correcta definição, ou identificação das cores dos objectos. A verdadeira cor, a que nos é familiar, é aquela que nos é dada pela iluminação natural, e só pode ser reproduzida pela iluminação artificial se as fontes de luz utilizadas emitirem uma luz de espectro equivalente à natural. Razoáveis reproduções de cor só se podem esperar se as fontes de luz radiarem um espectro contínuo, como o do arco-íris.
Raramente se exige à iluminação artificial que reproduza fielmente as cores, salvo em casos especiais como por exemplo certos processos industriais onde é necessário fazer conjugação de cores, como é o caso da venda ou fabrico de tintas, ou em fotografia.
– CÁLCULOS DE LUMINOTECNIA
Há que diferenciar entre iluminação interior e exterior. Ao contrário do que acontece num espaço fechado, normalmente na iluminação de exteriores não existe luz reflectida por paredes ou tectos.
– Exteriores
O método de cálculo aqui usado é o ponto-a-ponto. Consideremos a figura seguinte onde se mostra a posição da fonte de iluminaçao e de um ponto genérico a.
A iluminação (E) de um ponto, a, pode ser calculada através das seguintes expressões:
Conhecido o diagrama de radiação da fonte (variação da intensidade luminosa em função do ângulo de radiação) e o ângulo de radiação i, está encontrada a intensidade luminosa I. A altura h é a menor distância entre a fonte e o plano de trabalho.
Um projectista de iluminação recorre normalmente a tabelas onde lhe são apresentados os valores normalizados de iluminação, horizontal e vertical, para diversas alturas da fonte, em função dessa altura e, ou do ângulo de radiação, ou da distância d .
Em iluminação de exteriores, quando não se impõem outras condições, o valor de iluminação é medido no plano de trabalho.
A iluminação média Em, é obtida fazendo a média dos valores de iluminação de um número suficiente de pontos, uniformemente distribuidos, sobre o plano de trabalho.
O método ponto-a-ponto só é válido se a fonte de luz estiver a uma distância tal que possa ser vista como um ponto. Usando armaduras difusoras, o limite crítico dessa distancia é cerca de dez vezes superior à maior dimensão da armadura. Uma lâmpada fluorcente com 120 cm de comprimento já pode ser considerada como um ponto a 6 m de distância.
– Interiores
A iluminação de interiores é fortemente influênciada pela luz indirecta reflectida por superfícies. Neste caso o método ponto-a-ponto já não é válido, sendo substituído pelo método do factor de utilização. Este factor depende não só das características de radiação de cada fonte, mas também do seu posicionamento, especialmente da altura a que está colocada.
Ao contrário do que se passa em iluminação de exteriores, em que o valor de iluminação é medido no plano de trabalho, em iluminação de interiores o plano de trabalho é considerado um metro abaixo do solo.
A utilização do método do factor de utilização está mais relacionada com a geometria do espaço fechado e com as proprieddades reflectoras das paredes, chão, tectos e mobiliário.
A relação entre o fluxo luminoso, gerado pelas fontes de luz, e a iluminação média a 0.85 m acima do solo, é a seguinte:
ou
em que
F – Área em m2 do plano de trabalho iluminado
h – Factor de utilização
v – Factor de manutenção (normalmente igual a 0.8 para qualquer armadura)
Mais uma vez, um projectista de iluminação recorre a tabelas onde lhe são apresentados os valores normalizados de h, em função do índice de espaço k, e dos coeficientes de reflecção de paredes e tecto. Para obter h é então necessário calcular o índice k, que tem em conta a geometria do espaço
onde a e b são os lados do espaço, em que não se destingue comprimento e largura.
CUSTOS OPERACIONAIS DE ILUMINAÇÃOA despesa total anual de uma instalação de iluminação é constituida por custos fixos, de aquisição, e varáveis, respeitantes à substituição de lâmpadas e despesas com o fornecimento de energia.
Os custos totais de iluminação podem ser dados pela seguinte equação:
onde
CA – Custos Anuais
A – Custo das Armaduras sem lâmpadas
p – Amortização Anual (normalmente 15%)
B – Custo das Lâmpadas
L – Tempo de Vida das Lâmpadas (em horas)
T – Tempo de utilização Anual
S – Custo da Energia (kWh)
N – Potência, em kW, das fontes de luz
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