Javier Calonge. Experto en iluminación y eficiencia energética.

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2 Guías técnicas de energía y medio ambiente 23. La eficiencia energética en el alumbrado. Autor Javier Calonge. Experto en iluminación y eficiencia energética. Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, eletroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización por escrito de la Fundación Gas Natural Fenosa. Edita Fundación Gas Natural Fenosa Plaça del Gas, Sabadell (Barcelona) Teléfono: Fax: ª edición, 2012 ISBN: Impreso en España

3 Índice prólogo de Pedro-A. Fábregas La iluminación. Conceptos básicos Luz y visión Luz y color Características ópticas de la materia Principales magnitudes lumínicas Los sistemas lumínicos Los sistemas lumínicos. Componentes Los sistemas lumínicos. Diseño La eficiencia energética en el alumbrado por sectores Conceptos: necesidades y posibilidades Eficiencia energética en el alumbrado doméstico Eficiencia energética en el alumbrado comercial Eficiencia energética en el alumbrado de oficinas Eficiencia energética en el alumbrado industrial Eficiencia energética en las instalaciones públicas de alumbrado Eficiencia energética en el alumbrado del sector del transporte Los protagonistas del alumbrado Los protagonistas del alumbrado profesional Grado de implantación y de comportamiento El impacto medioambiental del alumbrado El impacto medioambiental de los sistemas lumínicos eficientes en el entorno

4 5.2. La eficiencia está en nuestras manos Impacto de los sistemas lumínicos eficientes en el ser humano La economía en el alumbrado Las empresas de servicios energéticos y la mejora del alumbrado público El alumbrado público en España Caso práctico: Gas Natural Fenosa ofrece soluciones para el alumbrado público de Salobre, en la provincia de Albacete Caso práctico: Bridgestone Hispania convierte en eficiente, el alumbrado de sus plantas industriales La regulación del alumbrado Normativa legal de carácter medioambiental La promoción y ayuda de las administraciones públicas a la eficiencia energética en alumbrado El futuro del alumbrado Desarrollar tecnologías eficientes Reducir el consumo energético Mejorar la gestión de los recursos lumínicos Daylighting Minimizar los impactos medioambientales Políticas gubernamentales de apoyo a la eficiencia energética lumínica Glosario Referencias Enlaces de interés

5 Prólogo Uno de los primeros usos de la energía fue para tener luz con la que poder ver en la oscuridad. Desde las teas, a los candiles de aceite, los quinqués de petróleo o las farolas de gas, hasta llegar al alumbrado eléctrico el recorrido es largo y prácticamente coincide con la historia de la Humanidad. Gas Natural Fenosa inició su recorrido construyendo a mediados del siglo xix la primera fábrica de gas de España, producido a partir de carbón, y utilizado para realizar el alumbrado de las calles de la ciudad de Barcelona, hasta aquellos momentos poco o mal iluminadas. El actual concepto de eficiencia también viene de lejos. En aquellos primeros momentos prácticamente en todos los contratos de alumbrado de gas del país que realizaban los Ayuntamientos con distintas empresas, regulaban con total precisión, la intensidad de la luz que debían dar los faroles, medida en lámparas Cárcel, y este era un aspecto técnico o tecnológico. Pero otro elemento también incidía y era más ciudadano, casi siempre se regulaba que la iluminación de gas de las calles no debía encenderse en las noches de luna llena, por entender que la luz de la luna era suficiente para los cotidianos menesteres de la época, a la par que permitía un ahorro en el consumo de gas que repercutía claramente en las arcas municipales. Pero si de estos ancestros viajamos a la actualidad, debe indicarse que España, de acuerdo con los últimos datos disponibles, es un país poco eficiente en el aspecto del alumbrado público. Un reciente estudio de la Universidad Complutense de Madrid indica que España consume en alumbrado público 116 kwh por habitante y año, mientras que Alemania solo consume 43 kwh, y Francia presenta un consumo más alto pero que no supera los 91 kwh por habitante y año. Vislumbrar las razones por las cuales España, que indudablemente tiene más horas de sol que Alemania, consume prácticamente el triple en alumbrado público por habitante, merecería un análisis más profundo, pero sin duda indica que existe un amplio campo de mejora. Algunos sociólogos señalan que el problema quizás está en que el ciudadano espera percibir en las calles durante la noche la luz a que está acostumbrado a lo largo del día, pero también juegan elementos como la sensación de inseguridad ante una vía pública que quizás no está 5

6 oscura, pero que se percibe como oscura. En definitiva, hay elementos técnicos, pero también sociológicos y personales en la cuestión, no siendo fácil su análisis. En cualquier caso el alumbrado público con la información disponible aparece como una de las mayores oportunidades de mejora en la eficiencia energética de un gran número de municipios de nuestro país. En el caso concreto de algunos Ayuntamientos, el alumbrado público puede llegar a suponer entre el 50 y el 60% del consumo de energía del conjunto de sus instalaciones. Todo ello sin olvidar el alumbrado privado (viviendas, terciario, industria) que también presenta importantes márgenes de mejora. Los expertos estiman que puede conseguirse con relativa facilidad un ahorro del consumo de energía en el alumbrado público del orden del 40% con las tecnologías disponibles, cifra de una gran importancia y difícil de alcanzar en otros usos finales de la energía. Quizás unos datos adicionales pueden ayudar a plasmar mejor la situación: Una tradicional lámpara de incandescencia doméstica, en este momento ya prohibidas por la Unión Europea, solo conseguía transformar en luz, que era la finalidad buscada, un 5% de la electricidad que consumía, perdiéndose el otro 95% como calor expandido. Una lámpara de alto rendimiento o un LED, aprovecha un 25% de la electricidad consumida, con lo cual para obtener la misma luz se requiere un 80% menos de electricidad. En las lámparas de alumbrado público la evolución desde una clásica de vapor de mercurio a una de vapor de sodio a baja presión, hace que el resultado pase de 15/45 lúmenes por vatio a 183/200 lúmenes por vatio, o lo que es lo equivalente en promedio multiplicar la eficiencia lumínica por 6 veces. Es evidente que no todo en iluminación es la eficiencia, siendo esta muy importante, también hay otros elementos importantes, como: el uso del alumbrado, la calidez de la iluminación, la temperatura de color, etc. Para el desarrollo de este trabajo hemos tenido la suerte de disponer de un reconocido experto en la materia Javier Calonge, persona de importante trayectoria en la ingeniería de la iluminación, con una relevante preparación técnica tanto teórica como práctica, con el que hemos diseñado el manual de amplio uso que presentamos. El libro «La eficiencia energética en el alumbrado» es el resultado de un amplio trabajo para poder presentar de una forma exigente pero amena una auténtica guía exhaustiva del alumbrado eficiente. Parte de los conceptos mas básicos relacionados con la luz y el ojo humano 6

7 para terminar en los aspectos más concretos y específicos del mantenimiento de un sistema eficiente de alumbrado. La guía expone exhaustivamente, con todo tipo de imágenes y ejemplos, el inventario de lámparas, luminarias y sistemas de alumbrado más avanzados, detallando qué soluciones son las más adecuadas para cada actividad humana: viviendas, oficinas, comercios, industrias, transporte o vías públicas. También se insiste en todos los factores que debe considerar un gestor del alumbrado, desde la calidad hasta el coste y la eficiencia, una compatibilidad no siempre fácil, pero necesaria para conseguir unos resultados adecuados. Por otra parte, la publicación no esquiva los temas más debatidos, como el impacto ambiental del alumbrado (contaminación lumínica, emisiones a la atmósfera) o los aspectos económicos del mismo. La indudable aportación que pueden realizar las empresas de servicios energéticos es presentada con detalle, como elementos que pueden coadyuvar claramente en la consecución de un sistema de alumbrado que consiga niveles de calidad y eficiencia. Las explicaciones se apoyan en diferentes casos y experiencias prácticas. El importante ámbito del marco regulatorio: directivas, normas y disposiciones también es presentado con detalle en el capítulo correspondiente, permitiendo situarse con facilidad en este siempre complejo entorno. Al mismo tiempo se ilustra sobre la evolución del alumbrado hacia la eficiencia a través del tiempo y se brinda un glosario de términos técnicos de gran interés. La Agencia Internacional de la Energía ha indicado que el principal campo de avance en la lucha contra las emisiones de gases de efecto invernadero debe ser la eficiencia en el uso final de la energía, la mejora del alumbrado público está en este terreno y parece que hay elementos, tecnologías y medios para avanzar claramente en su mejora y desarrollo. Esperamos que la publicación de este libro, sea útil para los gestores del alumbrado en organizaciones públicas y privadas, así como para expertos y estudiosos de la eficiencia energética a todos los niveles, estimulando el conocimiento y la observación, y permitiendo avanzar en el nivel de desarrollo y competitividad en un contexto cada vez más global. Pedro-A. Fábregas Director General Fundación Gas Natural Fenosa 7

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9 1 La iluminación. Conceptos básicos 1.1. Luz y visión Aunque el ojo es comúnmente conocido como el órgano de la vista (Figura 1.1), en realidad, el órgano que efectúa el proceso de la visión es el cerebro. En el proceso de la vista influyen tanto factores biológicos como físicos. Para llevar a cabo este proceso son necesarios cuatro agentes: 1. La fuente productora de luz o radiación luminosa. 2. Un objeto a iluminar. 3. El ojo, que recibe la energía luminosa y la transforma en imágenes. 4. El cerebro, que interpreta dichas imágenes. Las imágenes se forman cuando de los objetos iluminados o con luz propia, situados en el campo de visión, parten los rayos luminosos que atraviesan la córnea y el humor acuoso. El iris, mediante la abertura de la pupila, controla la cantidad de luz que se refracta a través del cristalino para incidir finalmente en la retina. Allí, el pigmento fotosensible de las fotos receptoras registra imágenes invertidas, mucho más pequeñas que la materia real, al igual que ocurre en una cámara fotográfica réflex. Las imágenes, una vez recibidas y formadas en la retina, se envían a través del nervio óptico hacia el cerebro, que se encarga de interpretarlas y de rectificar su posición. Pese a ser uno de los órganos que más información transmite al cerebro, el ojo humano tiene limitaciones. Una de ellas, el campo visual. Si bien no es posible ver en todos los ángulos ni en todas las direcciones al mismo tiempo, diversos estudios científicos han probado que el 9

10 Músculo ciliar Cámara posterior (humor acuoso) Córnea Pupila Humor vítreo Cuerpo ciliar Fibras zonulares Eje visual Cámara anterior (humor acuoso) Iris Punto Cristalino ciego Eje óptico Corteza del cristalino Retina Zónulas posteriores Esclerótica Nervio óptico Coroides Figura 1.1. Composición física del ojo humano. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. campo medio de visión en un adulto abarca aproximadamente 130º en el plano horizontal y otros 130º en el plano vertical. Y esto siempre que la vista no se centre en un detalle. Cuando esto ocurre, el campo de visión se reduce, viendo más nítido lo que se encuentra en el centro del campo visual y menos nítido lo que se encuentra en los extremos. Pero, además de ver, el ojo humano realiza un proceso de ajuste. Por un lado, busca, enclava y enfoca. Cuanto más cerca esté el objeto, más convexo será el cristalino de nuestro ojo. A medida que se aleja el objeto, el cristalino se aplana más. Por otro lado, el ojo se adapta a los niveles de luz. Ante espacios con una intensidad lumínica reducida, la pupila se agranda para permitir la entrada de más cantidad de luxes. Si se pasa de un local con mucha iluminancia a otro completamente a oscuras, el ojo se ve sometido a un proceso de adaptación para cuyo ajuste total necesita unos 30 minutos. Por el contrario, ante niveles de luz altos, se empequeñece, actuando de la misma manera que el diafragma de una cámara fotográfica. Este proceso tarda sólo unos segundos. Su versatilidad es formidable, ya que es capaz de percibir imágenes en una franja lumínica comprendida entre los 0,3 lux (noche con luz de luna) y los lux (día claro de sol). No obstante, como todos los órganos vivos, la edad es un factor fundamental en el comportamiento del ojo humano. Los ojos de un joven de 20 años se ajustan rápidamente a los 10

11 1. La iluminación. Conceptos básicos cambios de luz ambiental. Sin embargo, esta velocidad se va perdiendo a medida que pasan los años. Así, una persona adulta de 60 años necesita, aproximadamente, 10 veces más cantidad de luz que un joven para ver de la misma forma y enfocar con la misma precisión. De igual manera, según avanza la edad de la persona, también crece el grado de molestia y perturbación ante el deslumbramiento. Además de la edad, existen ocho factores críticos que determinan la visión y su calidad: La acomodación. Se produce cuando el cristalino aumenta su potencia refractiva para enfocar objetos cercanos, ya que cuando el ojo está relajado, tiende a fijar la vista en planos más lejanos. La adaptación. Como se apuntaba anteriormente, es la capacidad que tiene el ojo para ajustarse automáticamente a las diferentes iluminaciones de los objetos. El contraste. Se trata de la diferencia relativa de intensidad lumínica entre un punto de una imagen y sus alrededores. El deslumbramiento. Fenómeno que produce molestia o disminución en la capacidad para distinguir objetos, o ambas cosas a la vez. Se debe a una inadecuada distribución o escalonamiento de luminancias. También puede deberse a contrastes excesivos en el espacio o en el tiempo. Los efectos que origina el deslumbramiento pueden ser de tipo psicológico (molesto) o de tipo fisiológico (perturbador). La distancia. La calidad de visión del ojo humano aumenta a medida que se acerca al objeto observado. Si acercamos demasiado dicho objeto (aproximadamente 1,5 veces la separación entre los ojos), se pierde el enfoque y se experimenta el efecto de mareo visual. La luminancia. Cuanto más alta sea la luminancia (nivel de luz que refleja un objeto), mejor será la calidad de visión. El tamaño. Al igual que con la distancia, a mayor tamaño del objeto observado, mejor será la imagen que nuestro ojo tome de él. El tiempo de exposición. Este factor incide muchísimo en la capacidad de observar detalles. Si empleamos un lapso de tiempo amplio, nuestros ojos podrán comunicar más información al cerebro que en un visionado corto. Si el objeto está en movimiento, precisará más cantidad de luz que los objetos estáticos. 11

12 Figura 1.2. Espectro visible del ojo humano. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. Un dato curioso dentro de esta materia, que también supone un límite para el ojo humano, es la incapacidad del ojo para ver todos los espectros de luz. Si analizamos la curva de sensibilidad del ojo humano, podemos observar que las radiaciones de longitud de onda comprendidas entre 380 nanómetros y 780 nanómetros (luz ultravioleta y luz infrarroja) son percibidas por el ojo como luz y fuera de esta gama el ojo no ve nada (Figura 1.2). La luz blanca que se puede observar a mediodía (en una jornada soleada) es la suma de todas las longitudes de onda del espectro visible. Si desglosamos cada una de estas longitudes de onda de manera independiente, se obtiene una curva que ha sido elaborada por la Comisión Internacional de Iluminación, tras realizar mediciones en un gran número de personas (Figura 1.3). Podemos observar que, para la luz blanca del día (fotópica), la máxima sensibilidad del ojo corresponde a la longitud de onda de 555 nanómetros y al color amarillo. La mínima sensibilidad corresponde a los colores rojo y violeta. De esta forma, las fuentes luminosas cuyas longitudes de onda corresponden al amarillo-verde son las que tienen más eficacia, aunque de peor calidad debido a que tal luz no es apropiada para nuestro ojo, acostumbrado a la luz blanca del Sol. En el caso de la luz nocturna (escotópica), el máximo de sensibilidad se desplaza hacia longitudes de onda menores y, por consiguiente, las radiaciones de menor longitud de onda (azul-violeta) producen mayor intensidad de sensación con baja iluminación. La intensidad lumínica de la luz en una dirección determinada se expresa en candelas (cd) y se mide con un aparato de medición que recibe el nombre de luminancímetro (Figura 1.4) 12

13 1. La iluminación. Conceptos básicos Intensidad relativa 1,0 0,8 Fotópica Escotópica 0,6 0,4 0,2 0, Longitud de onda (nm) Figura 1.3. Visión fotópica del ojo humano. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. y la energía lumínica de una fuente de luz se expresa en lúmenes (lm) y se mide con un aparato de medición llamado luxómetro (Figura 1.5). En términos lumínicos, el ojo recepciona la luminosidad que resulta de la luz transmitida o reflejada por una superficie, no la iluminancia. Esta luminosidad se denomina luminan- Figura 1.4. Luminancímetro de precisión. Fuente: Instituto Nacional de Meteorología. Figura 1.5. Luxómetro de precisión. Fuente: Instituto Nacional de Meteorología. 13

14 cia y se mide en candelas por metro cuadrado (cd/m 2 ). Por muy alto que sea el porcentaje de luz reflejada (sobre la luz emitida), siempre se perderá una parte, ya que la absorbe el cuerpo iluminado. Por lo tanto, la luz visible que percibe el ojo es igual a la luz emitida, menos la luz absorbida, por el objeto iluminado. Puede medirse con un aparato llamado fotómetro Luz y color Se trata de un fenómeno físico-químico, asociado a innumerables combinaciones de luz, que ayuda a los seres humanos a diferenciar los objetos con mayor precisión. El color es una percepción visual que se genera en el cerebro al interpretar las señales nerviosas enviadas por los fotorreceptores de la retina. Estos receptores de luz captan el espectro electromagnético y se lo envían al cerebro que interpreta y distingue las distintas longitudes de onda visibles. Nuestro cerebro tiene asociado para cada longitud de onda un color determinado. Para que este proceso pueda desarrollarse, es necesaria una iluminación abundante, ya que sin ella el ojo no es capaz de percibir las longitudes de onda. De hecho, si la luz es pobre, la visión se efectúa en blanco y negro. Pero cómo se forman físicamente los colores? Existen dos explicaciones en función de la génesis del color. La teoría de la síntesis aditiva (comúnmente llamada «superposición de colores luz») explica cómo se crean colores mediante la luz. La unión de todos los espectros de luz crearía el color blanco, mientras que el negro surgiría ante la ausencia de color. La luz blanca, a su vez, puede ser descompuesta en todos los colores por medio de un prisma. En la naturaleza esta descomposición da lugar al arcoíris (Figura 1.6). La síntesis sustractiva, por su parte, explica los colores generados por el hombre a través de la mezcla de pinturas, tintes, tintas y colorantes naturales. Para clasificar los colores, se puede emplear el diagrama cromático de la Comisión Internacional de Iluminación (CIE) (Figura 1.7). Este diagrama cromático en forma de triángulo, aprobado por la CIE, se emplea para tratar cuantitativamente las fuentes de luz, las superficies coloreadas, las pinturas, los filtros luminosos, etc. También sirve para describir las coordenadas de todas las fuentes de luz artificial. 14

15 1. La iluminación. Conceptos básicos Luz blanca Prisma 380 nm 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm 780 nm Figura 1.6. Descomposición de la luz. Fuente: The Iesna Lighting Handbook Figura 1.7. Diagrama cromático de la CIE. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. 15

16 Los colores se dividen en función de: La claridad o esplendor. Depende de la iluminancia del objeto. Un objeto es más claro cuanto más se aleja su color del negro en la escala de grises. Hace referencia a la intensidad. El tono o matiz. Este apartado se refiere al nombre común del color (rojo, amarillo, verde, etc.). Hace referencia a la longitud de onda. La pureza o saturación. Proporción en que un color está mezclado con el blanco. Hace referencia a la pureza espectral. Además, debemos analizar dos aspectos importantes a la hora de percibir los colores. Por un lado, es importante tener en cuenta el color de la fuente de luz. Existen diversos tipos de lámparas y cada una emite un espectro de luz diferente. La composición espectral de cualquier fuente de luz puede representarse mediante un gráfico. En él se podrá apreciar la potencia radiante de cada longitud de onda, siempre que esté dentro del espectro visible. Cuanto más elevada sea su curva en cualquier punto del gráfico, más potencia emitirá en esa longitud de onda. Por ejemplo, una fuente de luz con una gran cantidad de potencia radiante en los espectros azul y verde acentuará esos colores (Figuras 1.8 y 1.9). Por lo tanto, cuanto más coincida el color de la realidad iluminada con la tonalidad de la fuente de luz, mejor será el resultado. Por ejemplo, una lámpara de halogenuro metálico, que reproduce muy bien en la longitud de onda de los colores rojos, hará que el color de manzanas, rosas y carnes rojas, entre otros, se vea realzado. El segundo lugar, es importante tener en cuenta el color propio del objeto a iluminar. Si su color no coincide con el espectro de la fuente de luz, la tonalidad del objeto no se percibirá con claridad. Además de estos aspectos, existen otros dos puntos clave que caracterizan la apariencia cromática de cualquier fuente de luz: la temperatura de color y el índice de reproducción cromática o rendimiento en color. La temperatura de color de una fuente de luz se define comparando su color, dentro del espectro luminoso, con el de la luz que emitiría un cuerpo negro calentado a una temperatura determinada. La temperatura de color se expresa en grados Kelvin. 16

17 1. La iluminación. Conceptos básicos nm nm nm nm Figura 1.8. Diferentes espectros de color de las fuentes de luz. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. 1,0 0,5 0, Figura 1.9. Diferentes espectros de color de las fuentes de luz. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. 17

18 Como cualquier otro cuerpo incandescente, el cuerpo negro cambia de color a medida que aumenta su temperatura. Primero adquiere el tono de un rojo sin brillo, luego alcanza el rojo claro, después el naranja, el amarillo, el blanco, el blanco azulado y, finalmente, el azul (Figura 1.10). El segundo aspecto lumínico que debemos tener en cuenta respecto a la reproducción del color es el índice de reproducción cromática (IRC). Este factor mide la capacidad que tiene una fuente luminosa para reproducir fielmente los colores, comparándolos con una fuente de luz natural o ideal. Las fuentes de luz con un índice de reproducción cromática o rendimiento en color elevado son necesarias en aplicaciones donde es importante reproducir los colores de una manera realista. 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0, K K K K K K K K K K K 0,25 0,20 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50 0,55 Figura Diagrama de temperaturas de color. Fuente: The Iesna Lighting Handbook. 18

19 1. La iluminación. Conceptos básicos En la siguiente tabla, se pueden observar diferentes tipos de fuentes de luz, tanto naturales como artificiales, su temperatura de color expresada en grados Kelvin y su índice de reproducción cromático (IRC) (Tabla 1.1). Por otro lado, las fuentes de luz pueden agruparse en función de su índice de reproducción cromático o rendimiento en color (Tabla 1.2). El índice de reproducción cromática es vital en España, sobre todo desde la publicación y aprobación, en el año 2006, del Código Técnico de la Edificación. Este documento establece, en su apartado HE 3, los valores mínimos de IRC para cada tipo de actividad, dentro del sector de la edificación. Por lo tanto, cuando se aborda un proyecto lumínico, es muy importante definir correctamente estos dos parámetros, pues el resultado final de la instalación depende en buena medida de ellos. Una iluminación eficiente de calidad tiene que buscar un perfecto equilibrio entre la cantidad de luz necesaria y la calidad de luz que se precisa. Tipo de fuente de luz Temperatura de color (K) Índice de reproducción cromático Cielo azul / /100 grupo 1 Cielo nublado /100 grupo 1 Luz solar de día /100 grupo 1 Lámparas de descarga (excepto vapor de sodio) Luz día (halogenuros metálicos) /100 grupo 1 Blanco neutro 3.000/ /84 grupo 2 Blanco cálido < /69 grupo 3 Vapor de sodio < 40 Lámpara incandescente 2.100/ /100 grupo 1 Llama de una vela /69 grupo 3 Tabla 1.1. Reproducción cromática y temperatura de color por tipo de fuente de luz. Fuente: Elaboración propia. 19

20 Grupo de rendimiento en color Rango de rendimiento en color (irc) Apariencia de color Uso preferible Uso aceptable 1A > 90 Cálido/neutro/frío Galerías de arte, tiendas de moda, imprentas 1B 1B 80/90 Cálido/neutro Neutro/cálido Hoteles, restaurantes, oficinas, escuelas Imprenta, trabajo industrial 2 60/80 Cálido/neutro/frío Trabajo industrial Oficinas, escuelas 3 40/60 Trabajo industrial Trabajo industrial 4 20/40 Trabajo industrial Tabla 1.2. Principales características de apariencia del color. Fuente: Elaboración propia. Estos parámetros, como veremos a continuación, permiten crear diferentes ambientes o situaciones. Si observamos el ejemplo de esta estancia, podemos apreciar que con sólo cambiar la temperatura de color de la fuente de luz y su índice de reproducción cromática producimos de forma inmediata una sensación que puede ser desde muy agradable hasta muy desagradable Características ópticas de la materia La capacidad de transmisión de la luz no es constante, ya que está influenciada en todo momento por el entorno. Por lo tanto, es extraordinariamente importante definir tanto el comportamiento de la luz en diferentes situaciones, como las características propias de la misma. Los cuatro principales fenómenos físicos que afectan inevitablemente a cualquier espectro de luz visible y que influirán claramente en la confección de cualquier buen proyecto lumínico son los siguientes: la absorción, la reflexión, la refracción y la transmisión lumínica. 20

21 1. La iluminación. Conceptos básicos Hablamos de absorción (producida por la superficie iluminada) cuando la intensidad de la radiación se reduce al atravesar la materia. Por ejemplo, cualquier objeto, al ser alcanzado por un haz de luz solar, absorbe todos los espectros de luz, reflejando sólo el espectro que se corresponde con el pigmento de color que el objeto posee en la superficie. La reflexión de la luz se produce cuando las ondas lumínicas dirigidas hacia un objeto rebotan en la superficie, regresando al medio inicial. La reflexión puede ser de diferentes clases. Se dice que es especular cuando la superficie es lisa y el ángulo de incidencia y de reflexión es el mismo. La reflexión compuesta ocurre cuando la superficie es irregular y el ángulo de intensidad máxima es igual al de incidencia. Se denomina difusa generalmente cuando se produce sobre superficies blancas y la luz se dispersa en todas las direcciones. Por último, se debe nombrar la reflexión mixta, que se produce sobre superficies brillantes, en las que parte de la luz incidente se refleja y otra parte se difunde. La refracción de la luz es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La transmisión lumínica es un proceso en el cual la luz pasa a través de un medio sin sufrir cambios de frecuencia en sus radiaciones monocromáticas. Este fenómeno es característico de ciertos tipos de vidrios, cristales, plásticos, líquidos y del aire. Al atravesar el material, parte de la luz se pierde debido a la reflexión en la superficie del medio contiguo y parte se absorbe. La relación entre la luz transmitida y la luz incidente se denomina transmitancia del material. La transmisión es regular cuando el medio generalmente es transparente (deja ver cuerpos a través del objeto), es atravesado por el espectro lumínico y éste sale de él en forma de haz. En cambio, se dice que la transmisión es difusa cuando el haz lumínico atraviesa el medio (generalmente translúcido) y, al hacerlo, el haz de luz se descompone y se proyecta de forma difusa. La transmisión mixta, por su parte, es una mezcla de las dos anteriores. Los cuerpos suelen ser vidrios orgánicos y su difusión incompleta Principales magnitudes lumínicas Existen diversas magnitudes lumínicas. En la tabla 1.3, se establece una enumeración de las más importantes. 21

22 Magnitud Descripción Símbolo Unidad Relación Flujo luminoso Cantidad de luz que sale de una fuente lumínica natural o artificial F Lumen (lm) F = I w Eficacia lumínica La eficacia luminosa de una fuente de luz es la relación existente entre el flujo luminoso (en lúmenes) emitido por una fuente de luz y la potencia (en vatios) e Lumen por vatio (lm/w) e = F/R Intensidad luminosa Es la cantidad de flujo luminoso que emite una fuente por unidad de ángulo sólido I Candela (cd) (cd = lm/sr) I = F/S Iluminancia Es la cantidad de flujo luminoso que emite una superficie por unidad de área E Lux (lx) (lx = lm/m 2 ) E = F/S Luminancia Es la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área L Nit = cd/m 2 Stilb = cd/cm 2 L = I/S cos j Coeficiente de iluminación Factor de uniformidad media Factor mantenimiento Es una medida de la eficiencia de una luminaria en la transferencia de energía luminosa al plano de trabajo en un área determinada El factor de uniformidad media es un factor que relaciona la iluminancia mínima con la iluminancia media Relación entre la iluminancia promedio en el plano de trabajo después de un período específico de uso y la iluminancia promedio h % h = F/Fe Um % Um = E MIN /E MED F M % F M = F PL F DL F T F E F C Tabla 1.3. Principales magnitudes lumínicas. Fuente: Elaboración propia. 22

23 2 Los sistemas lumínicos 2.1. Los sistemas lumínicos. Componentes Lámparas Fuentes de luz luminosa Las radiaciones electromagnéticas que forman la luz se producen principalmente de tres formas: termorradiación, radiación eléctrica y luminiscencia (Tabla 2.1). La termorradiación La termorradiación se produce cuando un cuerpo caliente emite luz. En la termorradiación, la luz resultante está siempre acompañada de una enorme radiación térmica. Esta característica se utiliza en algunos casos de forma beneficiosa. Las lámparas de luz infrarroja, por ejemplo, se utilizan para sanar. No obstante, en el caso de las fuentes lumínicas termorra- Termorradiación Radiación eléctrica Luminiscencia Fuentes de luz naturales Sol/fuego Relámpago Luciérnaga Fuentes de luz artificiales Lámparas incandescentes de tungsteno e incandescentes halógenas Lámparas de vapor de sodio, de vapor de mercurio y de halogenuros metálicos Leds Lámparas de luz mezcla Lámparas fluorescentes Tabla 2.1. Clasificación de las fuentes de luz naturales y artificiales. Fuente: Elaboración propia. 23

24 diantes, empleadas para iluminar, el calor que emana la lámpara constituye una gran pérdida energética. Dentro de las fuentes de termorradiación natural se encuentran el Sol y las demás estrellas del cielo. El Sol emite energía a través de la fusión nuclear de su principal componente, el hidrógeno, que se convierte en helio. Esta conversión de hidrógeno en helio libera grandes cantidades de energía. Por cada gramo de hidrógeno que muda a helio se generan aproximadamente kwh. Si cada segundo 620 millones de toneladas de hidrógeno se transforman en helio, 4 millones de toneladas aproximadamente se convierten en energía, lo que origina 680 billones de kgh por segundo. De esta cantidad, la Tierra sólo recibe una pequeña parte: cada metro cuadrado de superficie recibe aproximadamente vatios. El 60% nos llega en forma de energía calórica y sólo un 40% se percibe como luz visible. El caso de la termorradiación artificial es diferente. Se obtiene calentando cualquier material a una temperatura elevada, bien sea por combustión o incandescencia. La energía de esta radiación depende de la capacidad calórica del cuerpo radiante. La historia nos cuenta que el primer radiador térmico fue empleado por el Homo erectus hace años. Probablemente se trataría del fuego de una hoguera o tal vez una antorcha. Ya en tiempos modernos, pero antes de la generalización de la electricidad, las fuentes de luz más utilizadas fueron la vela (cuyo combustible sólido era la mecha) y las lámparas de aceite (que empleaban un combustible líquido). Después llegarían los combustibles gaseosos, como el gas de carbón mineral, utilizado principalmente para el alumbrado público. A finales del siglo xix, una nueva fuente de luz toma relevancia: la lámpara incandescente. Su principio de funcionamiento es sencillo: al circular una corriente eléctrica por una resistencia, ésta se calienta y emite luz visible en el espectro lumínico. Pero para evitar su combustión con el oxígeno, ese proceso se realiza en un espacio al vacío o dentro de una ampolla de cristal llena de gas inerte. Entonces, el filamento se vuelve incandescente, adquiriendo un color rojizo (tirando a blanco). Adquiere una temperatura comprendida entre los ºC y ºC, emitiendo luz y calor y trabajando como un termorradiador. La radiación eléctrica Se denomina radiación eléctrica a la luz generada por una descarga eléctrica en el interior de un gas. El relámpago es el ejemplo natural más conocido de radiación eléctrica. 24

25 2. Los sistemas lumínicos En todos los gases existen átomos de gas neutrales y electrones (cargas eléctricas libres). Si en un tubo de descarga, entre cátodo y ánodo (sus dos electrodos o terminales conectados a la red eléctrica) se aplica una corriente continua, se crea entre ambos un campo eléctrico que precipita los electrones hacia el ánodo. Esta corriente de electrones «excita» los átomos del gas contenido en el tubo de descarga. A altas velocidades, esta corriente provoca el desprendimiento de electrones de la corteza atómica. Se produce así la «ionización por choque», acción que aumenta la cantidad de electrones libres, realimentando y acelerando el proceso. Por esta condición el sistema requiere de un «estabilizador» que amortigüe este procedimiento. Los iones positivos obtenidos circulan a poca velocidad en sentido contrario hacia los electrones (situados en el cátodo). Transcurrido un breve espacio de tiempo, captura un electrón a cambio de una emisión de energía. Si la alimentación del tubo de descarga se realiza con corriente alterna en vez de continua, los electrodos cambian periódicamente su función, actuando ambos de cátodo y ánodo alternativamente. Dependiendo de la presión del gas en el tubo de descarga, estas fuentes de luz se dividen en lámparas de descarga a baja presión, lámparas de descarga a alta presión o lámparas de descarga a muy alta presión. La luminiscencia La luminiscencia se produce cuando los electrones de una materia son incitados a producir radiaciones electromagnéticas. A un átomo se le suministra una cantidad de energía que «excita» al electrón, y éste cambia su órbita a otra más externa («absorbe» la energía). Tras un brevísimo tiempo de permanencia en ese nivel, el electrón vuelve espontáneamente a su posición original, «cediendo» esa energía en forma de radiación electromagnética, principalmente radiación visible. Dentro de las aplicaciones lumínicas podemos diferenciar varios tipos de luminiscencias: El láser. Este fenómeno se produce cuando un rayo con los electrones «excitados» es interceptado con otro potente rayo, de su misma longitud de onda, y es obligado a emitir luz. El rayo de luz que incide se intensifica de forma continua, propagándose en su misma dirección. La emisión obtenida es muy intensa y coherente, es decir, de igual longitud de onda, fase y plano de oscilación. La fotoluminiscencia. Es el proceso de excitación provocado mediante radiación, casi siempre ultravioleta de onda corta, sobre sustancias luminiscentes que transforman esa onda corta en ondas del espectro visible. El intervalo entre los pasos de absorción y cesión de la energía puede ser corto (menos de 0,0001 segundos) o largo (muchas horas). Si el 25

26 intervalo es corto, el proceso se llama fluorescencia; si el intervalo es largo, el proceso se llama fosforescencia. La electroluminiscencia. Es la radiación provocada por un campo eléctrico. Esto se consigue insertando una sustancia luminiscente entre dos capas conductoras, a las que se les aplica una corriente alterna. Se produce así un centelleo de bajo resplandor en toda la superficie. Tipos de fuente de luz artificial En la figura 2.1 podremos ver los tipos principales de fuentes de luz. Fuentes de luz ineficiente, obsoleta y en desuso: Lámparas incandescentes Lámparas incandescentes de vidrio soplado o metalsol Fuentes de luz artificiales Incandescencia Luminiscencia Incandescencia de tungsteno Halogenas de tungsteno Fotoluminiscencia Electroluminiscencia Descarga en gas LED Alta presión Baja presión Vapor de sodio en alta presión Vapor de mercurio Halogenuro metálico Fluorescente lineal Fluorescente compacta Inducción Vapor de sodio en baja presión Figura 2.1. Tipos de fuentes de luz artificial. Fuente: Elaboración propia. 26

27 2. Los sistemas lumínicos Lámparas incandescentes de vidrio prensado o par Lámparas incandescentes halógenas Lámparas incandescentes halógenas a tensión de red Lámparas incandescentes halógenas a baja tensión Lámparas incandescentes halógenas a baja tensión con reflector dicroico Lámparas incandescentes halógenas a baja tensión con reflector metálico Lámparas de descarga en gas de vapor de mercurio Lámparas de descarga de luz mezcla Fuentes de luz eficiente pero sin desarrollo tecnológico: Lámparas fluorescentes Lámparas de descarga en gas de vapor de sodio en baja presión Lámparas de descarga en gas de vapor de sodio en alta presión Lámparas de descarga de halogenuros metálicos Fuentes de luz eficientes y con alto desarrollo tecnológico: Lámparas de descarga de halogenuros metálicos con quemador cerámico LED Lámparas de inducción electromagnética En la tabla 2.2 podremos analizar los aspectos más relevantes de las principales fuentes de luz. De esta forma vemos las características principales de las fuentes de luz, como son: Criterios de eficiencia energética de las fuentes de luz: Tipo de encendido. Instantáneo, por lo que su flujo inicial es emitido desde el mismo encendido; o tiene tiempo de encendido, por lo que debemos esperar unos minutos para conseguir el flujo final máximo. 27

28 Vapor de mercurio Fluorescencia T5 Vapor de sodio baja presión Vapor de sodio alta presión Halogenuro metálico Halogenuro metálico (cosmópolis) LED Inducción Tipo Tipo de encendido 5-10 minutos Instantáneo de 5-8 minutos de 5-8 minutos de 5-10 minutos 7-10 minutos Instantáneo Instantáneo Encendido en caliente Contenido en mercurio No Sí No No No No Sí Sí mg mg 6-45 mg mg mg 1-2,8 mg Despreciable 5 mg Lúmenes/ vatio lum/w lum/w lum/w lum/w lum/w lum/w lum/w lum/w Vida útil h h h h h h h h Reproducción cromática > Monocromático > 20 > > 70 > 80 Temperatura de calor K 2.700/ K K K 2.700/ K K 2.700/ K 2.900/ K Parpadeo estroboscópico Coste de mantenimiento Sí Sí Sí Sí Sí Sí No No Alto Medio Alto Alto Medio Medio Muy bajo Muy bajo Tabla 2.2. Tipos de fuentes de luz más usadas. Fuente: Elaboración propia. Encendido en caliente. Si es capaz de reencender en caliente sin esperar al enfriamiento de la lámpara una vez reencendida después de un apagado inesperado o imprevisto. Lúmenes/vatio, o eficiencia lumínica de la lámpara que cuanto más elevada sea mejor rendimiento lumínico posee. 28

29 2. Los sistemas lumínicos Vida útil. Número de horas de vida conservando un flujo lumínico superior al 50% del flujo máximo inicial. Coste de mantenimiento, o coste de reposición más coste de depreciación del flujo lumínico inicial. Criterios de calidad de las fuentes de luz: Contenido en mercurio. Es el contenido en mercurio tóxico que contiene una fuente de luz. Cuanto más elevado, peor. Reproducción cromática, o la capacidad de reproducir los colores de los objetos o cuerpos que ilumina. Cuanto más elevada sea tendrá mejor capacidad de reproducción lumínica. Temperatura de color, o la percepción del entorno iluminado desde sensación lumínica muy fría a sensación lumínica muy cálida. Parpadeo estroboscópico, o el efecto de encendido y apagado físico intrínseco de las lámparas que produce efectos dañinos no deseados Luminarias La Comisión Internacional de Iluminación (en adelante CIE), define una luminaria como «aparato que distribuye, filtra o transforma la luz emitida por una o varias lámparas y contiene los accesorios necesarios para fijarlas, protegerlas y conectarlas al circuito de alimentación». Por otra parte, la norma UNE-EN Uno define luminaria como «aparato de alumbrado que reparte, filtra o transforma la luz emitida por una o varias lámparas y que comprende todos los dispositivos necesarios para el soporte, la fijación y la protección de lámparas (excluyendo las propias lámparas) y, en caso necesario, los circuitos auxiliares en combinación con los medios de conexión con la red de alimentación». Para adecuarse a estas descripciones, una luminaria debe cumplir las siguientes funciones: Distribuir adecuadamente la luz en el espacio. 29

30 Evitar el deslumbramiento o brillo excesivo. Satisfacer las necesidades estéticas y ambientales del espacio al que estén destinadas. Optimizar el rendimiento energético, aprovechando la mayor cantidad de flujo luminoso entregado por las lámparas. Desde que se crearan las primeras luminarias, la evolución ha sido constante. Este desarrollo no sólo se ha basado en una perfección técnica, sino que también ha afectado a los objetivos de las instalaciones luminotécnicas. Las luminarias primitivas emitían luz a través de una llama alimentada con combustibles diversos. En ese primer momento, la mayor preocupación de los fabricantes de luminarias era el de crear una fuente de luz segura, que no supusiera un riesgo de incendio: ni en su transporte, ni en su montaje, ni durante su funcionamiento. Superado este estadio, se fueron creando poco a poco lámparas más potentes: primero las de gas, luego las eléctricas. Entonces, surgió la necesidad de lograr con estas luminarias una distribución luminosa apropiada, aumentando así la eficiencia del sistema. Para lograrlo, tras investigar el comportamiento físico de la luz, se perfeccionaron los cuerpos de las luminarias y se empezaron a crear reflectores, filtros y encauzadores de luz, que permitían jugar con los haces de las distintas lámparas. Gracias a estos avances ha sido posible satisfacer las diferentes necesidades de iluminación, cuidando la eficiencia y el confort visual, al mismo tiempo que se aprovecha al máximo la energía utilizada. En el diseño de una buena luminaria se consideran también los siguientes aspectos: Proveer un montaje seguro y sencillo para el instalador eléctrico y el equipo de mantenimiento. Proteger al usuario contra descargas eléctricas. Evitar efectos térmicos producidos por el confinamiento de la lámpara y los equipos auxiliares. Evitar la interferencia electromagnética y la radiofrecuencia provocada por las fuentes y los equipos auxiliares. Proveer un espacio para los equipos auxiliares. Las luminarias concebidas para prestar servicio en condiciones especiales, como por ejemplo en entornos húmedos o con peligro de explosión, deben satisfacer exigencias mayores y requieren un proceso de fabricación más meticuloso. 30

31 2. Los sistemas lumínicos En la actualidad, la tecnología de las luminarias ha permitido superar ampliamente a aquellas con las cuales se buscaba casi exclusivamente el apantallamiento de la lámpara, que en general tenían una escasa eficiencia. Sin embargo, en el campo de las luminarias decorativas la eficiencia es secundaria frente a los aspectos estéticos. Partes de una luminaria La diversidad de aplicaciones y diseños de luminarias dan como resultado una amplia variedad de modelos y prestaciones. A pesar de esto, es posible distinguir las siguientes partes o componentes (Figura 2.2): Cuerpo de la luminaria Caja o compartimento porta-equipo Reflector Cierre Figura 2.2. Partes de una luminaria. Fuente: Elaboración propia. 31

32 El cuerpo de la luminaria es la parte que contiene el portalámparas y los equipos eléctricos auxiliares. Se integra de una manera más o menos fija en paredes, columnas u otros medios de fijación, como los bastidores o ménsulas. La caja o compartimento porta-equipo es el espacio donde se alojan los equipos eléctricos auxiliares integrados. Este espacio debe albergar también los dispositivos de fijación. Para facilitar el mantenimiento es preferible que este dispositivo sea practicable, lo que se consigue mediante bandejas metálicas para los equipos, con perforaciones, llamadas bandejas porta-equipos. Los controles ópticos pueden incluir un elemento reflector, un elemento refractor o difusor y sistemas de apantallamiento o filtros. El reflector, por lo general, se interpone entre el cuerpo y la lámpara. En cambio, los elementos refractores, los dispositivos de apantallamiento y los filtros se ubican en la salida de la luminaria. El cierre protege las partes internas de la entrada de polvo, en el caso de que la luminaria esté diseñada para instalarse en el exterior. Cuando no cumpla ninguna función óptica, debe ser lo más translúcido posible para optimizar el rendimiento del conjunto lumínico. Toda parte de la luminaria, que no haya sido mencionada anteriormente, debe disponer de dispositivos de fijación mecánica y de conexión eléctrica. Ambos han de poder ser manipulados sin necesidad de herramientas para facilitar la extracción periódica, llevada a cabo durante las operaciones de mantenimiento e inspección. Clasificación de las luminarias Cuando realizamos un proyecto lumínico, nos encontramos ante dos decisiones clave: la selección de la luminaria adecuada para cada tipo de instalación y la elección de la lámpara adecuada. Existen diferentes criterios de clasificación que un proyectista debe considerar: Clasificación de las luminarias según su aplicación Una forma común de clasificar las luminarias es según su aplicación. Este factor, a su vez, depende de la fuente utilizada y del montaje. De este modo, una clasificación simple sería: Luminarias para iluminación industrial. En general, se usan luminarias con lámparas de descarga de alta intensidad (250 W y 400 W) depen- 32

33 2. Los sistemas lumínicos diendo de las características del área a iluminar. En ambientes con alto contenido en polvo o ambientes húmedos las luminarias deben poseer cubiertas herméticas. También pueden instalarse luminarias equipadas con fluorescentes lineales, con potencias comprendidas entre 36 W y 58 W. En los lugares donde se necesiten altos niveles de iluminación general difusa, se escogerán con reflector, así como en los lugares donde las exigencias sobre protección de humedad o polvo no sean necesarias. Las luminarias fluorescentes lineales se pueden instalar en espacios donde la relación entre el espacio y la altura de montaje sea menor o igual a 1. En general, se trata de luminarias suspendidas o aplicadas sobre el techo, cerradas o abiertas, que poseen elementos reflectores y refractores con diferentes tipos de distribuciones de intensidad luminosa. Cuando la relación entre el espacio y la altura de montaje es superior a 1, las luminarias deben proveer un haz de luz abierto para lograr altos valores, tanto de iluminancia horizontal como vertical. Luminarias para iluminación terciaria (comercios, oficinas y viviendas). Las luminarias adecuadas para iluminar comercios, oficinas y residencias se agrupan dentro de una sola categoría, ya que poseen características similares. Contienen, en general, lámparas fluorescentes compactas, incandescentes de bajo voltaje o incandescentes halógenas. Estas luminarias pueden emplearse para iluminar puntos localizados y pueden ser móviles o fijas. Hablamos de luminarias fijas, por ejemplo, cuando se instalan en muebles de baños o cocinas; en cambio, una luminaria móvil sería la que se coloca sobre una mesa de trabajo. Dentro de este tipo de luminarias, las más célebres son las downlight, uplight o up-downlight. Se trata de luminarias que dirigen la luz principalmente hacia abajo, hacia arriba o en forma mixta, respectivamente. Las luminarias downlight se instalan en el techo, empotradas o suspendidas. Sin embargo, cuando se usan en la iluminación de pasillos o en iluminación exterior, generalmente se aplican en la pared. Dependiendo de su función distinguimos entre: downlight de doble foco, wallwasher y proyector orientable. Las up-downlight de doble foco, debido a la forma de su reflector, posibilitan un alto rendimiento luminoso, ya que incluyen una pequeña abertura de techo. 33