Eficiencia Energética Iluminación Artificial

Octubre 2013

CONTENIDO • Conceptos básicos • Medición de intensidad lumínica • Factores de la calidad de la iluminación• Comparación de fuentes de luz típicas • Estándares de eficiencia de iluminación• Iluminación incandescentes • Iluminación fluorescente• Iluminación de alta eficiencia (HID)

• Diseño de iluminación • Software SIMCLI• Software Relux

CONTENIDO • Medidas de ahorro de energía • Lámparas y luminarias incandescentes • Lámparas y accesorios fluorescentes • Lámparas y accesorios HID y LPS• Control manual de iluminación • Control automático de iluminación • Mantenimiento de accesorios

CONCEPTOS BÁSICOS

Medición de la intensidad lumínica • Lúmenes: es la unidad total de luz que genera una

fuente de luz. Si una lámpara estuviera rodeada por una burbuja transparente, la tasa total de luz que pasa por dicha burbuja se mide en lúmenes.

• Pie-candela y luxes: son unidades que indican la densidad de luz que se esparce por una superficie. Esto es lo que los medidores de luz miden.

Medición de la intensidad lumínica • Las lámparas interiores tienen un rango de 100-1000

luxes, la luz solar promedio es de aproximadamente 50000 luxes.

Factores de la calidad de la iluminación• Calidad visual = eficiencia visual + confort visual

• La eficiencia visual es la medida de la eficiencia que tiene una persona para desempeñar actividades que requieren el sentido de la vista.

• La eficiencia visual depende de dos factores, las características de los objetos y las características de la iluminación. A mayor iluminación mayor eficiencia visual (hasta cierto punto).

Factores de la calidad de la iluminación• El confort visual depende de la percepción de las

personas y es muy similar a la eficiencia visual. Sin embargo, una iluminación intensa mejora la eficiencia visual, pero puede resultar poco confortable después de un determinado periodo de tiempo.

Factores de la calidad de la iluminación• Intensidad de iluminación: es expresada en luxes y

es generalmente el primer criterio que se debe tomar en cuenta para diseñar un sistema de iluminación. Los niveles de iluminación son diseñados en base a las tareas que se van a realizar y la edad de las personas que estarán en el área que se desea iluminar.

Factores de la calidad de la iluminaciónÁrea / actividad Nivel de

iluminación

(luxes)

Corredores y

escaleras

100-200

Recepciones de

oficinas

100-200

Lectura de libros 200-500

Trabajo con

monitores

50-100

Pastelerías 200-500

Reparación

automotriz

500-1000

Autopistas 200-500

Área / actividad (NOM-

025-STPS-2008)

Nivel de

iluminación

(luxes)

Exteriores generales patios y estacionamientos

20

Interiores generales , pasillos y escaleras

50

Áreas de circulación y pasillos (salas de espera)

100

Talleres, áreas de empaque, ensamble y oficinas

300

Talleres de precisión y salas de computo

500

Procesos de gran exactitud 2,000

Factores de la calidad de la iluminación• Uniformidad de la iluminación: la iluminación debe de

ser tan uniforme como sea posible en el área de trabajo.

• Sombras en las áreas de trabajo: en algunos casos la existencia de sombras es necesaria ya que se necesita tener cierto grado de contraste (gravado en metal y la fotografía).

• Luz de fondo: es cualquier luz que se genera fuera del área de trabajo, puede afectar la eficiencia visual y el confort.

Comparación de fuentes de luz típicas • Generación de lúmenes: las lámparas de tipo

incandescente cubren todas a necesidades.

• Degradación de lúmenes: la mayoría de las lámparas disminuye su generación de lunes con el paso del tiempo.

• Vida útil o de servicio: es el periodo de tiempo en el cual el 50% de las lámparas falla. Las fluorescentes, acortan su vida de servicio cundo se incrementa el encendido y apagado.

Comparación de fuentes de luz típicas • Consumo eléctrico del balastro: todas las lámparas fluorescentes y

de tipo HID requieren un balastro.

• Potencial de equivocarse en el cambio de lámparas

• Índice de color: es un criterio que indica que tan bien una lámpara presenta el color de un objeto iluminado. Este índice tiene una escala del 1-100.

• Temperatura de arranque

• Efecto de la temperatura en la generación de luz

Comparación de fuentes de luz típicas • Tiempo de re-encendido• Control de distribución de luz: el patrón de la

distribución de luz es esencial en cuanto a la eficiencia energética se refiere. La lámpara y la moldura forman un sistema que determina el patrón de distribución• Ruido• Distorsión armónica• Interferencia electromagnética

Iluminación incandescente

Iluminación incandescente • La luz es creada cuando los electrones pierden energía

debido a que pasan de un estado de alta energía a uno de baja energía. Para deshacerse de la diferencia de energía el electrón emite un fotón, que es una pequeña partícula de luz.

Iluminación incandescente • Los electrones colisionan con otros electrones de

materiales especiales dentro de la lámpara, los cuales se excitan a un estado alto de energía para posteriormente descender y emitir fotones en el proceso.• ¿Por qué la iluminación incandescente no es eficiente?: debido a que poca de la radiación que emiten este tipo de lámparas es visible para el ser humano.• Prohibición para México 2014.

Iluminación fluorescente

Iluminación fluorescente • Una lámpara fluorescente está formada por un tubo

de vidrio con electrodos en cada extremo. La superficie interior del tubo está cubierta por fosforo, vapor de mercurio y uno o más gases “buffer” llenan el tubo a baja presión.

Iluminación fluorescente • La luz en las lámparas fluorescentes es generada en

dos etapa:

• Se genera un arco de descarga, el propósito del vapor de mercurio es generar el arco, en si el arco es un gas o vapor que transporta una corriente eléctrica.

• El tipo de luz emitida cuando los átomos de mercurio regresan a su estado basal se encuentran en el espectro visible, pero muy cercano al de tipo UV. El trabajo del fosforo es transformar la luz UV en luz visible.

Iluminación fluorescente • La temperatura óptima de operación de una lámpara

fluorescente es de 30°C.

• La longitud de los tubos determinante en la eficiencia. Los electrodos consumen energía sin producir luz y la emisión de luz cerca de los diodos es ineficiente. Entre más largo el tubo mayor es la eficiencia.

• La vida de servicio promedio es de 20,000 horas, la cual se ve afectada por el número de ciclos de encendido.

Iluminación fluorescente • Las lámparas fluorescentes necesitan balastros para

operar, ya que controlan la corriente que entra a la lámpara y aumentan el voltaje para que la lámpara pueda empezar a funcionar.

• El mercurio en las lámparas genera un gran problema ambiental, ya que es una sustancia altamente toxica.

Iluminación de descarga de alta intensidad (HID)

Iluminación de descarga de alta intensidad (HID)• Al igual que la tecnología fluorescente, las lámparas

HID usan un vapor de metal excitado como la principal fuente de luz.

• La presión de las lámparas de vapor de metal de tipo HID es miles de veces mayor que la presión de las lámparas fluorescentes.

• La intensa excitación de los gases resulta en un espectro, casi en su totalidad, de luz visible.

Iluminación LED

Iluminación LED • Emiten luz debido a que un material semiconductor es

excitado por un campo electrostático.

Iluminación LED • Las lámparas compactas LED están compuestas por

varios LED´s, debido a que un solo LED no es capaz de alcanzar la intensidad luminosas de otro tipo de lámparas.

• Funcionan con corriente continua.• Arranque instantáneo.• Encendidos y apagados continuos.• Mayor vida útil.• Elevado costo inicial.

Comparación de lámparas Lúmenes Consumo (W)

LED´s Incandescentes HID Fluorescentes

50-80 1.3 10 - -

110-120 3.5 15 10 5

250-440 5 25 20 7

550-650 9 40 35 9

650-800 11 60 50 11

800-1500 15 75 70 18

1600-1800 18 100 100 20

2500-2600 25 150 150 30

2600-2800 30 200 200 40

DISEÑO DE ILUMINACIÓN • Método de lúmenes

Entrada de datos

Determinar el emplazamiento de las

luminarias

Probar con otro tipo de lámpara o

luminaria

Calculo de número de luminarias

Flujo luminos

o ΦT

Si

No

• Datos de entrada:• Dimensiones del local y la altura del plano de trabajo.

• Determinar el nivel de iluminancia media (Em), el cual depende de la actividad a realizar.• Escoger el tipo de lámpara y luminaria.• Determinar la altura de suspensión de la luminarias.

Donde:h: altura entre el plano de trabajo y las luminariash': altura del locald: altura del plano de trabajo al techod': altura entre el techo y las luminarias

• Recomendación de alturas para las luminarias

• Calcular el índice del local (k) a partir de la geometría de este.

• Determinar los coeficientes de reflexión.

• Determinar el factor de utilización (η) a partir del índice local y los factores de reflexión. Estos valores se encuentran tabulados y los suministran los fabricantes.

• Determinar el factor de mantenimiento (fm) que depende del grado de suciedad ambiental y de la frecuencia de limpieza del local.

• Calculo del flujo luminosos total.

• Calculo del numero de luminarias. Donde:N es el número de luminariasΦT es el flujo luminoso totalΦL es el flujo luminoso de una lámparan es el número de lámparas por luminaria

Donde:ΦT es el flujo luminoso total (lúmenes)E es la iluminancia media deseada S es la superficie del plano de trabajoη es el factor de utilizaciónfm es el factor de mantenimiento

• Emplazamiento de luminarias: en los locales de planta rectangular las luminarias se reparten de forma uniforme en filas paralelas a los ejes de simetría.

Donde:N es el numero de luminarias.

• La distancia máxima de separación entre luminarias dependerá del ángulo de apertura del haz de luz.

• Comprobación de resultados.

Donde:Em es la iluminación deseada n es el número de lámparas por luminariaΦL es el flujo luminoso de una lámparaS es la superficie del plano de trabajoη es el factor de utilizaciónfm es el factor de mantenimiento

DISEÑO DE ILUMINACIÓN • Software SIMCLI

MEDIDAS DE AHORRO DE ENERGÍA

Lámparas y luminarias incandescentes

Lámparas y luminarias incandescentes: Eliminación de iluminación excesiva por medio de reducción de voltaje • La mayoría de las lámparas incandescentes poseen el mismo tipo

de socket (E-26)el cual acepta lámparas de 10 – 1000 watts.

• El problema de que en un solo tipo de socket se puedan conectar lámparas de diferentes tamaños reside en que se pueden colocar lámparas con voltajes muy altos.

• Beneficios económicos: se puede lograr una disminución del 20-40% en el consumo de energía.

• Consejos: puede ser tedioso seleccionar el voltaje necesario para cada área o actividad y etiquetar cada uno de los accesorios, pero si no se hace los ahorros en energía desaparecerán pronto. Se debe tener una lista con las potencias de las lámparas.

Lámparas y luminarias incandescentes: substituir por lámparas fluorescentes.

• Las lámparas fluorescentes roscables vienen en paquete que consiste de un tubo fluorescente, un iniciador y un balastro. Puede que el tubo esté conectado permanentemente al balastro o que este se pueda desconectar.

• Las mejores lámparas fluorescentes roscables son menos eficientes que los arreglos fluorescentes convencionales, pero son hasta cuatro veces más eficientes que sus contrapartes incandescentes.

• No se recomienda usar lámparas fluorescentes en lugares en los que se enciendan y apaguen las luces repetidamente.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar de 50-75% de energía eléctrica. De ser posible se deben conseguir lámparas a las que se les puedan remplazar los tubos. La inversión se puede recuperar en menos de un año.

• Consejos: El hecho de que aun existan productos chatarra en el mercado es evidencia de que los consumidores no está escogiendo sabiamente.

Lámparas y luminarias incandescentes: instalar dimers (controles de intensidad lumínica).

• Los dimers ayudan a ahorrar energía cuando se tienen lámparas incandescentes en situaciones en las que se requiere que el nivel de iluminación cambie, tales como efectos decorativos y estéticos.

• La eficiencia de las lámparas incandescentes se reduce drásticamente cuando se usan dimers.

• El uso de dimers puede generar una frecuencia mayor de la energía que existe en la instalación eléctrica, lo cual puede afectar el funcionamiento de varios equipos.

• Beneficios económicos: el ahorro de energía puede es de 20-60%. El tiempo de retorno de la inversión es de menos de un año.

• Consejos: conseguir que el personal use correctamente los dimers y no compra marcas de dudosa calidad.

Lámparas y luminarias fluorescentes

Lámparas y luminarias fluorescentes: eliminación de iluminación excesiva por medio de quitar lámparas y desconectar o quitar sus balastros

• Se pueden ahorrar grandes cantidades de energía de manera rápida y barata quitando lámparas de las luminarias que producen más luz de la necesaria. Para mantener los ahorros por largo tiempo se recomienda también quitar los balastros .

• Por ejemplo, en oficinas con múltiples luminarias, usualmente, no requieren que todas las luminarias generen luz. Así mismo, pasillos y bodegas no necesitan la misma iluminación que las áreas de oficina.

• El quitar lámparas puede producir un patrón irregular de brillo en las luminarias, lo cual crea la apariencia de que se tienen lámparas fundidas.• Se debe contar con un buen medidor de iluminación

(luxómetro) para realizar el estudio.

Actividad Número de tubos o lámparas

(32-40 watts) recomendadas

Trabajo rutinario de oficina 2

Trabajo detallado 4

Trabajo con monitores de

computadora

2 tubos por cada 14 m2

Áreas de almacenamiento 2 tubos por cada 9 – 18 m2

Pasillos 1-2 tubos por cada 5-6 m

• Las relaciones públicas son esenciales: para evitar quejas por parte de los usuarios es necesario advertir con antelación que se quitaran algunas lámparas y explicar que se mantendrán niveles de luz adecuados para cada una de las áreas de trabajo.

• Benéficos económicos: se puede ahorrar de un 30-70 % de energía eléctrica. El periodo de retorno es de menos de un año.

• Consejos: no se debe iniciar un programa de remoción de lámparas sin antes hacer el estudio adecuado.

Lámparas y luminarias HID

Lámparas y luminarias HID: instalar lámparas más eficientes, así como sus balastros y accesorios.

• Una oportunidad de ahorro es el cambio de las lámparas de vapor de mercurio por lámparas de halogenuros metálicos o sodio de alta presión.

• Se debe intentar tomar una decisión de todo o nada, ya que tener diferentes tipos de lámparas y/o balastros puede resultar en equivocaciones cuando se necesite realizar un cambio.

• ¿Cómo seleccionar lámparas HID?: • Generación inicial de lúmenes• Degradación de generación de lúmenes: las lámparas de tipo HID

presentan una seria reducción de su generación de lúmenes conforme pasa el tiempo, la cual puede llegar a ser 60-75% menos de su generación inicial.

• Características de color: esta característica puede ser un impedimento sobre todo en con las lámparas de sodio a alta presión, ya que no ofrecen una gran variedad de colores.

• Vida de servicio: las lámparas de vapor de mercurio tienen una vida de servicio de 24,000 horas, las de haluros metálicos de 10,000-20,000 horas, las de sodio de baja presión de 15,000-24,000 y las de sodio de alta presión de 18,000 horas.

• ¿Cómo seleccionar balastros HID?: • Dimers: se debe tener en cuenta si se van a utilizar dimers. • Compatibilidad con la lámpara: la lámpara y el balastro deben de

ser compatibles. Existe un código para los balastros que indica que tipo de lámpara puede ser conectada (H: vapor de mercurio, M: haluros metálicos, S: sodio a alta presión, L: sodio a baja presión), seguida por un número que indica que tipo de balastro correspondiente.• Número de lámparas: la mayoría de los balastros para lámparas

HID suelen poder operar dos lámparas.• Distancia del balastro a la lámpara: en distancias mayores a 10m

(postes de luz) se necesitan balastros especiales.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar 40-65% de energía en aplicaciones típicas. El periodo de recuperación en nuevas instalaciones es de 1-2 años, en aplicaciones de remodelación puede ser de varios años.

• Consejos: se debe tener mucho cuidado cuando se va a seleccionar el nuevo equipo.

Control manual de iluminación

Control manual de iluminación: instalar carteles en los controles de iluminación.

• Los usuarios necesitan estar informados para controlar las luces eficientemente. Los carteles son un método efectivo y de bajo costo de proveer dicha información.

• Los carteles requieren esfuerzo para ser diseñados e instalados. Para ser efectivos los carteles deben de llamar la atención, deben de proveer la información suficiente y ser fáciles de comprender.

• La clave para tener éxito en esta media es la adaptar cada cartel a las diferentes áreas en las que se planean colocar.• Considerar la duración de los materiales con los que

se van a fabricar los carteles.• Beneficios económicos: se puede ahorrar de un 10-

60% de energía eléctrica. El periodo de recuperación de la inversión es menor a un año.• Consejos: un buen diseño de carteles toma tiempo y

esfuerzo. Se deben escoger cuidadosamente los materiales con lo que estarán hechos los carteles.

Control manual de iluminación: usar personal de seguridad o de mantenimiento para mantener las luces apagadas• Este método debe ser usado en instalaciones que tienen

ocupación irregular, tales como edificios de oficinas, laboratorios e instalaciones recreacionales.

• Para conseguir buenos resultados con esta medida se deben dar instrucciones claras, supervisar continuamente y proveer motivación por medio de explicar los altos costos de la iluminación.

• Beneficios económicos: el costo es mínimo si se asigna personal existente para cumplir con esta medida.

Control manual de iluminación: usar interruptores con llave.

• Usar interruptores con llave es un método absoluto de control de iluminación. La mayor ventaja es que el control de la iluminación no depende de los usuarios.

• Beneficios económicos: el costo de instalación es relativamente barato. El periodo de recuperación de la inversión es de menos de un año.

• Consejos: se recomienda usar ese tipo de interruptores solo en algunas partes de la instalación.

Control automático de iluminación

Control automático de iluminación: si se requiere iluminación en horarios establecidos, usar controles de tiempo • Hay muchas aplicaciones de iluminación en las cuales

los usuarios están en un horario repetitivo. La seguridad es el factor primordial a tomar en cuenta en esta medida, ya que se corre el riego de dejar a oscuras a los usuarios.

• En áreas de oficina es recomendable usar controladores de tiempo pero también instalar sensores de movimiento en caso de que los empleados trabajen hasta tarde.

• En el mercado se pueden encontrar controladores de tiempo programables para cualquier horario que incluya días festivos y fines de semana.• Beneficios económicos: se puede ahorrar 20-70%

de la energía eléctrica. El costo de remplazar lámparas se reduce en un rango similar. Los controladores de tiempo modernos cuestan entre $800 y $5,000. El periodo de retorno de la inversión es menor a un año. • Consejos: se debe pensar en combinar esta medida

con otras de ahorro de energía.

Control automático de iluminación: controlar la iluminación exterior con foto- controles

• ¿Cómo seleccionar foto controles?: • Método de montaje: la mayoría de lo foto controles tienen el tamaño

ideal para ser instalados en los postes de luz.

• Material: existen foto sensores cuyas carcasas o empaques están hechos de plástico, el cual puede sufrir daños por la luz UV o el calor de la lámpara.

• Ajuste de nivel de luz: algunos foto controles cuentan con la opción de ajustar el nivel de luz al cual se apagan o prenden las luces.

• Tiempo de respuesta: para evitar ser activados por fuentes externas de luz los foto controles cuentan con un tiempo de respuesta, el cual no puede ser cambiado.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar de un 10-70% de energía eléctrica consumida en la iluminación exterior. El periodo de retorno de la inversión es menor a un año.

• Consejos: en caso de que las luces sean utilizadas durante todo el periodo de oscuridad, se puede combinar este método como controladores de tiempo u otros métodos apropiados de control.

Control automático de iluminación: instalar foto controles internos para aprovechar la luz de día

• Esta medida se debe considerar para cualquier espacio que cuente con iluminación proveniente de ventanas y/o domos y donde existan lámparas incandescentes y fluorescentes.

• Los foto controles para interiores son poco comunes, por lo que en dado caso se deberá de instalar un foto control de exteriores, teniendo ciertas precauciones en su instalación.

• Se deberá de instalar un cartel que informe a los usuarios como se controla la iluminación.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar de un 30-70% de energía eléctrica. El precio de los foto controles no es superior a los $1,000 y el periodo de retorno de la inversión es de menos de un año.• • Consejos: estar seguro que las variaciones abruptas en la

iluminación no sean un problema para los usuarios. Dedicarle el tiempo suficiente para buscar la ubicación correcta para el sensor.

Control automático de iluminación: donde la necesidad de iluminación es determinada por la presencia de personas usar interruptores de movimiento • Se deben de cumplir tres condiciones para poder usar

sensores personales:

• El sensor debe de ser capaz de detectar a cualquier persona dentro del área de control.

• El sensor no se debe de activar, salvo por personas.

• La respuesta de la iluminación debe de ser rápida, por lo cual quedan excluidas las lámparas de tipo HID y algunas de tipo fluorescente.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar de un 20-70% de energía. Los sensores infrarrojos pueden costar hasta $2,000. El tiempo de retorno de la inversión es de aproximadamente un año.

• Consejos: la planeación es esencial en esta medida. De igual manera la selección del sensor correcto se debe tomar con cuidado. Se debe de informar a los ocupantes y colocar carteles que indiquen que las luces de una determinada área serán controladas con sensores personales.

Mantenimiento

Mantenimiento: limpiar luminarias y lámparas en intervalos definidos.

• El polvo y la suciedad colectada por las lámparas y las luminarias pueden reducir la generación de luz en 10-50%. La suciedad y el polvo también atrapan el calor lo cual reduce la vida útil del balastro.

• Se recomienda pasar un guante blanco por la lámpara o luminaria y si este se ensucia es tiempo de proceder con la limpieza.

• Beneficios económicos: se puede ahorrar hasta una 30% de energía, el costo de esta medida depende de la limpieza del ambiente y de la accesibilidad de las lámparas. El periodo de retorno es menor a un año.

• Consejos: se deben de dar acciones claras y por escrito al personal de las acciones a realizar, con la finalidad de evitar accidentes.