INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA PROPUESTA DE ILUMINACIÓN CON TECNOLOGÍA LED EN LA BIBLIOTECA DE LA ESIME ZACATENCO TESIS QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO ELECTRICISTA PRESENTAN ERNESTO ISMAEL RAMÍREZ CEDILLO JOSÉ LUIS PÉREZ AGUILAR ASESORES M. EN C. DAVID HERNÁNDEZ LEDESMA M. EN C. RENÉ TOLENTINO ESLAVA MÉXICO D.F. SEPTIEMBRE 2013

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3 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA TESIS: PROPUESTA DE ILUMINACIÓN CON TECNOLOGÍA LED EN LA BIBLIOTECA DE LA ESIME ZACATENCO JOSÉ LUIS PÉREZ AGUILAR ERNESTO ISMAEL RAMÍREZ CEDILLO Asesores: M. en C. David Hernández Ledesma M. en C. René Tolentino Eslava México, D. F. Septiembre 2013

4 ÍNDICE RESUMEN. INTRODUCCIÓN. OBJETIVO GENERAL. I II III Capítulo 1: LA ILUMINACIÒN CONCEPTOS BÁSICOS DE ILUMINACIÓN TIPOS DE ILUMINACIÓN ILUMINACIÓN EN BIBLIOTECAS PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LÁMPARAS FLUORESCENTES, Y LED. 13 Capítulo 2: LA IMPORTANCIA DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÒN ADECUADO FACTORES QUE AFECTAN UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES Y LED S FRENTE A UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN ESTADO ACTUAL DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN EN LA BIBLIOTECA. DE LA ESIME ZACATENCO. 24 Capítulo 3: CÀLCULO DEL SISTEMA DE ILUMINACIÒN APLICADA A LA BIBLIOTECA DE ESIME ZACATENCO DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE WATT POR. METRO CUADRADO DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO. DETERMINACIÓN DE LA ILUMINACIÓN PROMEDIO DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE ILUMINACIÓN. EN INTERIOR CON TECNOLOGÍA FLUORESCENTE. 39

5 3.4 CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE ILUMINACIÓN EN INTERIOR. CON TECNOLOGÍA LED. 50 Capítulo 4: ANÀLISIS COSTO BENEFICIO COSTO DE LA ENERGÍA ANÁLISIS COSTO BENEFICIO ANÁLISIS DE RESULTADOS. 68 CONCLUSIONES. 71 RECOMENDACIONES. 74 GLOSARIO. 77 BIBLIOGRAFÍA. 80 ANEXO 1: Método de Watt. 83 ANEXO 2: Plano del sistema de iluminación existente. 84 ANEXO 3: Metodo para evaluar los niveles de iluminación. 85 ANEXO 4: Plano mallado. 86 ANEXO 5: Plano del sistema de iluminación con tecnologia fluorescente. 87 ANEXO 6: Catalogo curvalume. 88 ANEXO 7: Catalogo D'carrlight. 89 ANEXO 8: Reporte fotométrico. 90 ANEXO 9: Catalogo de lampara T8. 91

6 ANEXO 10: Categorias de mantenimiento. 92 ANEXO 11: Factor de mantenimiento. 93 ANEXO 12: Cálculos del sistema de iluminación fluorescente. 94 ANEXO 13: Coeficiente de utilizacion. 118 ANEXO 14: Cálculos del sistema de iluminación LED. 119 ANEXO 15: Plano del sistema de iluminación con tecnologia LED. 138 ANEXO 16: Temperatura color. 139 ANEXO 17: Plano de la biblioteca. 140

7 ÌNDICE DE TABLAS Tabla 1.1: Niveles de iluminación (2). 5 Tabla 1.2: Brillantez con luz natural y luz artificial (1). 8 Tabla 1.3: Colores de los LED. 15 Tabla 3.1: Especificaciones de la lámpara OCTRON ECO (OSRAM). 42 Tabla 3.2 Coeficiente de utilización. 45 Tabla 3.3: Número de luminarios en la biblioteca. 49 Tabla 3.4: Especificaciones de la lámpara LED. 53 Tabla 3.5 Coeficiente de utilización de la luminaria LED. 54 Tabla 3.6: Número de luminarios en la biblioteca con tecnología LED. 56 Tabla 4.1: Especificaciones generales. 59 Tabla 4.2: Costo de energía por lámpara. 60 Tabla 4.3: Costo de la energía por luminaria. 62 Tabla 4.4: Costo de energía en la biblioteca. 63 Tabla 4.5: Análisis del C.E. por sistema de iluminación. 64 Tabla 4.6 Costo de la energía a 1 año y a 9 años. 65 Tabla 4.7 Costo de la inversión de las luminarias a 1 año y a 9 años. 66 Tabla 4.8: Análisis costo beneficio. 67 Tabla 4.9: Sistema de iluminación con tecnología fluorescente. 69 Tabla 4.10: Número de luminarias por sistema de iluminación. 70

8 ÌNDICE DE FIGURAS Figura 1.1: Espectro electromagnético. 2 Figura 1.2: Flujo luminoso. 3 Figura 1.3: Cuerpo radiante (1). 4 Figura 1.4: Relación lx, ft/cd y Lm (1). 4 Figura 1.5: Densidad de la luz. 6 Figura 1.6: Eficiencia luminosa en una bombilla. 7 Figura 1.7: Ejemplos de brillantez directo o/e indirecto en una casa habitación (2). 8 Figura 1.8: Iluminación en exteriores. 9 Figura 1.9: Iluminación en interiores. 10 Figura 1.10: Iluminación en una biblioteca. 11 Figura 1.11: Dispositivos eléctricos de una luminaria fluorescente (3). 13 Figura 1.12: Dispositivo semiconductor LED. 14 Figura 2.1: Nave industrial iluminada. 17 Figura 2.2: Deslumbramiento directo (verde y amarillo) e indirecto (azul). 18 Figura 2.3: Reflexión especular (2). 19 Figura 2.4: Reflexión difusa. 20 Figura 2.5: Reflexión mixta. 20 Figura 2.6: Efecto cebra. 21 Figura 2.7: Reproducción de colores. 21 Figura 2.8: Flujo luminoso. 22 Figura 2.9: Lámpara fluorescente. 23

9 Figura 2.10: Lámpara LED. 23 Figura 2.11: Biblioteca de la ESIME Zacatenco. 24 Figura 2.12: Armonía entre luminarias. 25 Figura 2.13: Luz parasita en la biblioteca. 26 Figura 2.14: Separación entre luminarias. 26 Figura 2.15: Efecto cebra. 27 Figura 2.16: Separación de luminarias. 27 Figura 2.17: Reflexión por deslumbramiento (1). 28 Figura 2.18: Calidad de la iluminación. 28 Figura 3.1: Curva fotométrica 3D de una lámpara incandescente. 30 Figura 3.2: Plano de luminarias instaladas sin escala. 32 Figura 3.3: Luxómetro marca AEMC modelo Figura 3.4: Plano sin escala. 37 Figura 3.5: Plano sin escala del sistema fluorescente calculado. 40 Figura 3.6: Lámpara OSRAM OCTRON ECO. 41 Figura 3.7: Reflectancias del área de anaqueles. 43 Figura 3.8: Gabinete D CARRLIGHT utilizado en la biblioteca. 44 Figura 3.9: Curva fotométrica del luminario. 44 Figura 3.10: Lámpara LED. 50 Figura 3.11: Gabinete adaptado. 51 Figura 3.12: Conexión para la medición de lámparas. 52 Figura 3.13: Curva fotométrica del luminario con LED. 54 Figura 3.14: Plano sin escala del sistema LED calculado. 57

10 Figura 4.1: Costo de la energía a 1 año. 65 Figura 4.2: Costo de la energía a 9 años. 65 Figura 4.3: Costo de las luminarias a 1 año. 66 Figura 4.3: Costo de las luminarias a 1 año. 66 Figura 4.4: Costo de la luminaria a 9 años. 66 Figura 4.5: Análisis costo beneficio. 67 Figura 4.6: Gráfica del análisis costo-beneficio. 68 Figura C1: Distribución inadecuada. 72 Figura C2: Lámpara encendida en el cuarto obscuro. 73 Figura R1: Concentración de luz natural en la biblioteca de la ESIME Zacatenco. 744 Figura R2: Espaciamiento inadecuado. 755 Figura R3: Plano físico de la biblioteca 76

11 RESUMEN: En el presente trabajo se desarrolló el cálculo del sistema de iluminación en la Biblioteca de ESIME Zacatenco utilizando tecnología fluorescente y tecnología LED, comparando los sistemas de iluminación calculado e instalado actualmente. La comparación se realiza por medio de un análisis costo beneficio dónde se estipula la inversión total de la instalación y el costo de la energía a 9 años. El sistema de iluminación se calculó por medio del método de iluminación en interiores, el cual es el método más preciso para dimensionar el número de luminarias que deben de instalarse en la biblioteca. Para saber si el sistema de iluminación actual cumple con los niveles de iluminación sugeridos por la S.M.I.I. y la NOM-025 se empleó el método de iluminación en promedio estipulado en la misma norma, y para revisar si el número de luminarias fue el correcto en la biblioteca se empleó el método del Watt por metro cuadrado. Se obtuvieron los niveles de iluminación que se encuentran actualmente en la biblioteca específicamente en el área de anaqueles y lectura principal; el número de luminarias que deben de encontrarse instaladas con tecnología fluorescente realizado con el método de Watt por metro cuadrado y el método de iluminación en interiores; el espaciamiento correcto de luminarias con la tecnología fluorescente y un nuevo espaciamiento de luminarias con tecnología LED utilizando el método de iluminación en interiores. Un análisis costo beneficio, en donde se demuestra el ahorro de energía y el costo de inversión de los diferentes sistemas de iluminación. El costo beneficio se desarrolló a 9 años, obteniendo una gráfica donde se compara el ahorro de la energía, con los tres sistemas utilizados. Al realizar el costo benéfico se concluyó que el ahorro de energía se manifiesta en el noveno año, donde el costo de la inversión más el costo de energía es mayor en las lámparas fluorescentes calculadas e instaladas que en las lámparas LED. Teniendo un sistema más eficiente utilizando tecnología LED, ya que se ilumina el área de trabajo de cada sección de la biblioteca y se instalan menor cantidad de luminarias; además de que el costo de la inversión puede disminuir ya que las lámparas LED en un periodo de un año han bajado de precio al irse a la mitad de lo que costaban al inicio del trabajo. Página i

12 INTRODUCCIÓN: Un buen sistema de iluminación debe de proveer una visibilidad adecuada, brindar iluminación de alta calidad, instalar en el lugar luminarias estéticas y ahorrar energía eléctrica (2). Estas especificaciones se deben cumplir para la clasificación de los tipos de iluminación; los cuales son: la iluminación exterior (NOM-013- ENER-2004) y la iluminación interior (NOM-007-ENER-2004), donde se encuentran los centros de educación. En la biblioteca de la ESIME Zacatenco se observa que los niveles de iluminación aunque son los adecuados provocan un cansancio visual en el alumno y en el mismo bibliotecario, teniendo deficiencias en las especificaciones antes mencionadas; como la mala distribución de las luminarias, la inadecuada colocación de espacio, la utilización de los sensores de presencia en las luminarias fluorescentes; afectando el desempeño del alumno. Por lo que un buen diseño en la iluminación de la biblioteca logrará el confort a la hora de leer y un ambiente agradable a la hora de estudiar, disfrutando de esta área con nuevas tecnologías como las lámparas LED. El cálculo del sistema de iluminación se realizara para la biblioteca ubicada en Instituto Politécnico Nacional s/n U. Profesional Adolfo López Mateos, Gustavo A. Madero, Ciudad de México, Distrito Federal, edificio número 3. Las lámparas que se encuentran actualmente en la biblioteca son fluorescente T-8 marca OSRAM Curvalume de 31W, y las lámparas LED que se emplearán el cálculo del sistema de iluminación son T-8 marca LEDCo de 9W. El capitulado está dividido en 4 secciones. El capítulo 1 presenta una breve introducción a los conceptos básicos de la iluminación, el principio de funcionamiento de cada lámpara empleada y la iluminación en bibliotecas. El capítulo 2 comprende los factores que afectan a un buen sistema de iluminación, así como las ventajas y desventajas de las lámparas junto con el estado actual de la biblioteca. En el capítulo 3 se realizarán los diferentes cálculos de los sistemas de iluminación utilizando métodos de iluminación para cada situación. Y para el capítulo 4 se desarrollara la parte de costo-beneficio. Página ii

13 OBJETIVO GENERAL: Diseñar un sistema de iluminación que cumpla con los niveles de iluminación recomendados por la S.M.I.I. y los establecidos por la Norma NOM-025-STPS para la biblioteca de la ESIME Zacatenco utilizando tecnología LED. Página iii

14 CAPÍTULO 1: LA ILUMINACIÓN Pérez Aguilar, Ramírez Cedillo IPN-ESIME Zacatenco

15 La iluminación debe de tomar en cuenta factores cómo eficiencia luminosa, la luz, la estética y economía. Una iluminación adecuada permite un mejor desarrollo de todas las actividades elevando su rendimiento. Para que una instalación de iluminación sea eficaz, se debe de cumplir, entre otras cosas, con un buen nivel de iluminación. En términos básico de iluminación, la luz es una porción del espectro electromagnético a la cual el ojo responde (1), esta energía visible es una parte del espectro total. En la figura 1.1 se observa que la longitud de onda que el ojo humano alcanza a percibir, se encuentra, entre 380 nm y 760 nm. El color de la luz está determinado por su longitud de onda, la energía visible con la longitud de onda produce una sensación que percibe el ojo como un color en específico. Figura 1.1: Espectro electromagnético. Las diversas fuentes de luz entregan energía en un espectro de distribución continuo, algunas no emiten luz de color verde o azul, mientras otras no emiten luz roja. La medición de ésta característica de emitir luz según la frecuencia de la onda en función del incremento de temperatura se conoce como, temperatura color. La temperatura de color se mide en grados Kelvin y describe la calidez o la frialdad producida por la fuente de luz. Una temperatura de color bajo, indica una fuente de luz cálida o roja. Una temperatura de color alto, indica una fuente de luz fría o de color azul. La temperatura de color define la blancura de la luz de una lámpara incandescente, y está relacionada a la temperatura real medida en grados Kelvin, por lo que su escala es la misma. Página 2

16 1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE ILUMINACIÓN El flujo luminoso es la rapidez en el que la luz de cualquier fuente luminosa cae sobre una superficie en km/s, el flujo luminoso se denota en la figura 1.2, su unidad de medida es el Lumen. Figura 1.2: Flujo luminoso. El Lumen es la unidad de la cantidad de luz emitida por un radian sólido, proveniente de una fuente de luz de una candela (cd) de intensidad. La candela es la unidad de intensidad de una fuente de luz en una dirección dada, la cual se define como la intensidad luminosa de 1/ m 2 de un cuerpo negro radiante a la temperatura de solidificación del platino. La candela es la unidad de intensidad y describe la cantidad de luz en una unidad de ángulo solido como se observa en la figura 1.3, esta unidad de ángulo solido se llama estereorradián (28.6 grados sólidos), por una fuente puntiuniforme igual a 1 candela. Sus unidades son Lumen/estereorradián. Página 3

17 Figura 1.3: Cuerpo radiante (1). Cuando el flujo luminoso cae sobre una superficie se dice que está iluminada, por consiguiente a estos efectos se le denomina iluminación. La iluminación, es la luz cayendo sobre una superficie. La unidad de medida de la iluminación en el sistema internacional es el lux (lx), en el sistema americano es pie sobre candela (ft/cd) y su equivalente es el lumen sobre pie cuadrada (lm/ft 2). Un lux equivale a ft/cd. y un ft/cd. equivale a lx. En la figura 1.4 se muestra la relación que existe entre las candelas, lx. y ft/cd. Figura 1.4: Relación lx, ft/cd y Lm (1). Página 4

18 En términos matemáticos la iluminación se define como el flujo luminoso por unidad de superficie, sus unidades son Lumen/metros 2 o lux (lx) y su ecuación es la 1.1: Donde: E= Iluminación (lx) Φ= Flujo luminoso (Lm) S= Unidad de superficie (m 2 ) (1.1) Lo niveles de iluminación varían según la luz proporcionada en un lugar en específico. La luz proporcionada puede ser una fuente de luz natural (el sol) o una luz artificial (lámpara). En la tabla 1.1 se muestran los niveles de iluminación con luz natural y luz artificial: Tabla 1.1: Niveles de iluminación (2). SITUACIÓN NIVEL DE ILUMINACIÓN[lx] Noche sin luz 0.01 Noche con luna llena 0.2 Noche con alumbrado público 5-20 Oficina con buena iluminación 500 Aparador bien iluminado 3000 Un día claro con cielo nebuloso El flujo luminoso sobre una superficie se conoce como iluminación aunque su verdadero término es Iluminancia, ésta a diferencia de iluminación es definida por la Intensidad luminosa dirigida hacia un punto en específico, dividido por la distancia al cuadrado de la fuente y su ecuación matemática es la ecuación 1.2: (1.2) Página 5

19 Donde: E= Iluminación (ft/cd) I= Intensidad luminosa (cd) d= Distancia (ft) A medida que el ángulo crece con la distancia de la fuente, el flujo de luz permanece igual, la densidad de la iluminación como se muestra en la figura 1.5 de la luz de la superficie disminuye, pero si la luz incide en otro ángulo la ecuación 1.2 se transforma en la ecuación 1.3: Donde: E= Iluminancia (ft/cd) D=Distancia (ft) I= Intensidad luminosa (cd) Ѳ= ángulo de incidencia ( ) Figura 1.5: Densidad de la luz. Para medir el rendimiento de la luz artificial emitida por una lámpara, se hace referencia a la eficiencia luminosa. La eficiencia luminosa es la relación entre el Página 6

20 flujo (lm) y la potencia absorbida por una lámpara como se muestra en la figura 1.6. Se expresa en Lm/W y su ecuación es la 1.4. Donde: =Flujo luminoso (Lm) P= Potencia (W) Figura 1.6: Eficiencia luminosa en una bombilla. 1.- Potencia en Watts, 2.- Menor flujo luminoso (Lm) con la misma potencia, 3.- Mayor flujo luminoso (Lm) con la misma potencia. Un factor que afecta a la iluminación es la luminancia o brillantez, y que se debe de tomar en cuenta en cualquier proyecto de la misma. La Luminancia como se muestra en la figura 1.6 es la intensidad luminosa emitida en una dirección determinada, que se presenta en una superficie luminosa o iluminada. Página 7

21 Figura 1.7: Ejemplos de brillantez directo o/e indirecto en una casa habitación (2). El efecto de la luminosidad que una superficie produce al ojo humano, ya sea por una fuente primaria (lámpara) o una fuente secundaria (reflejo), se expresa por la letra L y se mide en cd/m 2. En la tabla 1.2 se observan los niveles de luminancia en algunas fuentes de luz: Tabla 1.2: Brillantez con luz natural y luz artificial. (1) TIPO DE LUZ NIVEL DE LUMINANCIA [cd/cm 2 ] Lámparas fluorescentes Lámparas incandescentes Lámparas de arco Sol TIPOS DE ILUMINACIÓN Dependiendo de la actividad que se realice será la intensidad de luz requerida en un sitio, su visibilidad (contraste y tamaño), la velocidad y precisión requerida y la edad de la persona que la realice. Todas estas variables influyen en elegir la fuente de luz adecuada. En el campo de aplicación de la NOM 007- Eficiencia energética para sistemas de alumbrado en edificios no residenciales, comprende los sistemas de alumbrado Página 8

22 interior y exterior para uso general de los edificios nuevos no residenciales. La NOM-013 comprende la eficiencia de la iluminación en sistemas de alumbrado para vialidades y exteriores de edificios. Los sistemas de iluminación para vialidades, estacionamientos públicos, exteriores o abiertos y todo tipo de aéreas exteriores, se conocen generalmente como: iluminación de exteriores, no se consideran los aeropuertos, alumbrados de feria, plataformas marinas, anuncios luminosos, alumbrado temporal en aéreas de construcción, entre otros (9). Iluminación en exteriores es un sistema de iluminación ubicado en el exterior de inmuebles y que tiene como finalidad principal resaltar en su entorno durante la noche, la textura y/o la forma del área, estructura o monumento, para favorecer las condiciones de seguridad, estética y comerciales de un sitio como se puede observar en la figura 1.8. El alumbrado público es un sistema de iluminación que tiene como finalidad proporcionar condiciones mínimas de iluminación para el tránsito seguro de peatones y vehículos de vialidades y espacios. Figura 1.8: Iluminación en exteriores El diseño del alumbrado en un ambiente de trabajo interior mostrado en la figura 1.9, es proporcionar suficiente luz para el desarrollo de actividades visibles en forma eficiente y correcta, creando al mismo tiempo un ambiente confortable, con un mínimo de fatiga y esfuerzo visual. En particular, los edificios cubiertos por la NOM 007 son aquellos cuyos usos autorizados en función de las principales Página 9

23 actividades y tareas específicas que en ellos se desarrollen, quedan comprendidos dentro de los siguientes tipos: Edificios para oficinas. Escuelas y demás centros docentes. Hospitales y clínicas. Hoteles y moteles. Restaurantes y cafeterías (8). Figura 1.9: Iluminación en interiores 1.3 ILUMINACIÓN EN BIBLIOTECAS Los proyectos de iluminación se encuentran en todas partes, casa habitación, comercios, industria, oficinas y escuelas. Para tener una visibilidad adecuada se requiere una iluminación correcta en donde se realiza el trabajo; la influencia que tiene la iluminación en la realización de cualquier tarea es muy importante y puede influir potencialmente en la ejecución de dicha labor. En cualquier trabajo se requiere la vista; a estos se le llama rendimiento visual y es la velocidad de funcionamiento del ojo y la exactitud del mismo con la que se lleva a cabo dicha tarea, por eso en un proyecto de iluminación se deben de respetar los siguientes parámetros: Nivel de iluminación Deslumbramiento Sombras y modelado Calidad de luz Uniformidad en la iluminación. Página 10

24 Los parámetros de iluminación presentados se utilizan en cualquier proyecto, en la biblioteca, la iluminación debe hacer visibles las proporciones espaciales y orientar a los usuarios de la biblioteca como se muestra en la figura Una luz de acentuación puede resaltar las zonas de circulación y los puntos de atención al usuario. Las condiciones de iluminación de los principales espacios de una biblioteca son la sala de exposiciones, los mostradores, las mesas y cabinas de estudio, el trabajo en la computadora, además de las estanterías y los almacenes (16). Figura 1.10: Iluminación en una biblioteca SALA DE EXPOSICIONES: En la sala de exposiciones la Iluminación debe de ser flexible y direccional, para que ésta sea adaptada a los diferentes modos de exposición, además de contar con un sistema de regulación de la intensidad luminosa para darle efecto a ciertas exposiciones (teatro, danza, entre otros). Se recomienda una iluminación que bañe las paredes. MOSTRADORES: Una iluminación concentrada sobre el plano de trabajo evitara sombras y facilitará un mejor manejo de libros por parte del encargado, la iluminación debe ser la adecuada para agilizar trámites como el préstamo de libros. Debe tomarse en cuenta que la iluminación en ésta zona debe de diseñarse de manera particular por el ingeniero. Página 11

25 MESAS DE ESTUDIO: La mesa de estudio es la más importante en una biblioteca, por eso su sistema de iluminación debe de tener la uniformidad e intensidad necesarias sobre el plano de trabajo, que evite las sombras, las cuales son muy molestas. Las luminarias de pie y de mesa permiten leer y escribir sin deslumbramientos, además de reforzar la iluminación general de la biblioteca. La iluminación en la lectura debe garantizar que en las mesas se podrá leer y escribir de forma idónea, sin esforzar la vista. TRABAJO CON COMPUTADORA: Desde hace una década las computadoras han cambiado la forma en realizar trabajos, por lo que una biblioteca sin computadora no es biblioteca. Cuando se trabaja con la computadora no puede haber incidencia directa de luz natural en las pantallas de la computadora, no se aconseja orientarlas a las aberturas exteriores, tampoco puede haber reflejos de luz artificial. La fuente luminosa debe situarse detrás de los equipos y en un punto elevado, ya que la luz que emite el monitor mas la reflexión de las luminarias podría causar molestia y cansancio visual de manera drástica. ESTANTERÍAS: No es lo mismo leer un libro que buscarlo; por lo que la estantería debe de tener un sistema de iluminación adecuado para la consulta rápida de cualquier libro, las repisas superiores como las inferiores deben recibir un nivel de iluminación excelente. La solución más efectiva es la luminaria lineal paralela fluorescente a las estanterías, de manera que la luz baña el plano vertical e ilumina perfectamente los lomos de los libros. Este efecto se puede conseguir con luminarias incorporadas a las estanterías o bien colgadas estratégicamente en función de la ubicación. La problemática de llegar al nivel apropiado en las repisas inferiores se puede reducir mediante la reflexión de la luz producida por el material y el color del piso. ALMACENES: Al igual que las estanterías los almacenes son fundamentales para la rápida consulta de algún libro que se encuentre guardado, por lo que se recomienda la luz fluorescente con filtros contra los rayos ultravioletas, dado que este tipo de luz no desprende calor. En las estanterías compactas, entre las que el pasillo de trabajo es variable se recomienda una alineación perpendicular a la de las estanterías. Página 12

26 1.4 PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LÁMPARAS FLUORESCENTES Y LED. Las lámparas fluorescentes son lámparas que por medio de un impulso eléctrico genera una luz ultravioleta en forma de arco eléctrico, al hacer colisión con elementos químicos en el interior de la lámpara emiten una luz blanca. Las lámparas fluorescentes funcionan con dispositivos eléctricos mencionados en la figura 1.8, que al conectarse a la red realizan un control para una excelente iluminación, al conjunto de estos dispositivos de la lámpara se le conoce como luminario. Figura 1.11 (3) : Dispositivos eléctricos de una luminaria fluorescente. 1.- Interruptor, 2.- Electrodo, 3.- Cebador, 4.- Revestimiento de fósforo, 5.- Tubo de vidrio, 6.- Electrodo, 7.- Arco eléctrico (Flujo de electrones) y 8.- Balastro (Bobina de inductancia) Al encender el interruptor la corriente eléctrica viaja por el cable, ésta corriente eléctrica pasa por un balastro que es una bobina de inductancia, la cual regula la corriente y manda la necesaria para que la lámpara no sufra una sobre corriente y pueda descomponerse. Estos dispositivos en la actualidad son electrónicos pero siguen realizando la tarea de una bobina de inductancia, además de aumentar la frecuencia hasta 20kHz. Para que el encendido de la lámpara sea rápido. Después de que el balastro ha regulado la corriente eléctrica éste se conecta en serie a la lámpara fluorescente emitiendo un impulso eléctrico capaz de convertir la electricidad en una fuente de luz ultravioleta. La luz ultravioleta se colisiona con los gases y sustancias químicas que se encuentran en el interior de la lámpara; Página 13

27 estas sustancias son 1.- el mercurio el cual es el que mantiene el arco eléctrico y no deja que se extinga y 2.- el fósforo que es el recubrimiento blanco en el cual se emite la luz. Esta operación no es posible sin el cebador, que se encuentra conectado en paralelo. Éste dispositivo es el arrancador de la lámpara fluorescente, ya que al llegar la descarga eléctrica del balastro, el cebador en su interior, excita al argón y al neón que se encuentran en forma de gas para precalentar a los electrodos que son dos placas bimetálicas (laminas de metal con diferente dilatación) que al abrirse provoca una fuerte descarga capaz de encender la lámpara fluorescente. Un LED es un diodo emisor de luz observado en la figura 1.9 (Light Emitting Diode por sus siglas en inglés). Comúnmente un diodo es un semiconductor que permite a la energía eléctrica pasar por un sólo sentido; el LED de igual manera permite el paso de la energía eléctrica en el ánodo (pin pequeño), la corriente eléctrica es el flujo de electrones que pasa a través de una placa semiconductora (PNP o NPN) la cual al momento de dejar espacios en la placa libera fotones de luz visibles al ojo humano. Figura 1.12: Dispositivo semiconductor LED. 1.-Encapsulado, 2.- Hilo puente, 3. Chip semiconductor, 4.-Cátodo con reflector, 5.- Cátodo, 6.- Ánodo Ésta luz que emite el LED puede variar según el compuesto con el que se recubre dicho LED. Éstos compuestos realizan la misma función que el recubrimiento del fósforo en una lámpara fluorescente y en la tabla 1.3 se mencionan los elementos y el respectivo color. Página 14

28 Tabla 1.3: Colores de los LED COMPUESTO Arseniuro de galio Arseniuro de galio y Aluminio Arseniuro de fósforo de galio Fósforo de galio Nitruro de galio Seleniuro de zinc Nitruro de galio e Indio Carburo de silicio Diamante Silicio COLOR Infrarrojo Rojo e infrarrojo Rojo, anaranjado y amarillo Verde Verde Azul Azul Azul Ultravioleta En desarrollo Para emitir la luz blanca en un LED se deben de juntar los tres colores primarios los cuales son el rojo, el verde y el azul. La práctica anterior suele elevar el costo del mismo, por lo que recubriendo el LED con fósforo, la luz azul que emite el LED se convierte en luz blanca para mayores aplicaciones, ya que es tan efectiva como la luz emitida por una fluorescente. Página 15

29 CAPÍTULO 2: LA IMPORTANCIA DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN ADECUADO. Pérez Aguilar, Ramírez Cedillo IPN-ESIME Zacatenco Página 16

30 Un sistema de iluminación inadecuado afecta a las personas que fueron destinada a tales luminarias (conjunto de equipos eléctricos que tienen la función de encender una lámpara), provocando accidentes, bajo rendimiento y vista cansada. El Centro de Estudios de Alumbrado de Alemania y varios países de Europa incluyendo a Estados Unidos (2), realizó una investigación con 39 naves industriales sobre los niveles de iluminación en dichos locales. Al observar la figura 2.1 el objetivo era claro: En el trabajo intelectual, llegar a contribuir al incremento en las cifras de producción, para realizar esta prueba se aumentaron los niveles de iluminación que se encontraban en las naves. Figura 2.1: Nave industrial iluminada. La investigación lanzó resultados favorables para las industrias, el rendimiento de los trabajadores se elevo, se redujeron las fatigas y también se redujeron los accidentes, por lo que los investigadores quedaron satisfecho con los resultados obtenidos concluyendo que la iluminación es importante en cualquier área de trabajo (4). Ahora la parte difícil es saber si los niveles de iluminación son los adecuados para cada trabajo en especifico, por lo que se deben de comprender los factores que afectan a que la iluminación no sea la adecuada. Página 17

31 2.1 FACTORES QUE AFECTAN UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN Al obtenerse la luz en una lámpara cual sea, se presenta un problema en el flujo luminoso, actualmente es imposible controlar su flujo luminoso de tal forma que sea el necesario para que la iluminación sea eficiente. Su aplicación directa puede provocar problemas que bajan el rendimiento de la persona y el cansancio visual de la misma. Al ser aplicada directamente la luminaria ocurre un proceso denominado deslumbramiento, que es la capacidad que tiene cualquier fuente de luz para generar una sensación de molestia en la persona por el cambio repentino de iluminación en un área; un claro ejemplo es en la BNCT, al medio día en la época de primavera donde las nubes no cubren al sol en su totalidad, el deslumbramiento genera dolor de cabeza al momento de salir de la biblioteca. Este molesto factor mostrado en la figura 2.2 afecta a la hora de leer, de observar y puede generar problemas como fatiga visual y accidentes al caminar. Existen dos formas de deslumbramiento: El deslumbramiento directo a través de la fuente luminosa sobre el campo visual. Deslumbramiento por reflexión de la luz por cualquier material en el plano de trabajo, direccionado para el campo visual. Figura 2.2: Deslumbramiento directo (verde y amarillo) e indirecto (azul). Página 18

32 La reflexión es cuando una superficie cual sea, devuelve el haz de luz emitido por una fuente luminosa como una lámpara o el propio sol. La reflexión puede ser tan brillante como la luz de la propia fuente, la persona puede sentir una sensación de molestia causando problemas al leer u observar. La reflexión necesita de elementos que la puedan reproducir, uno de estos elementos dependen de las condiciones de la superficie; una superficie lisa puede emitir más reflexión que un material áspero; el otro es el ángulo de la incidencia luminosa necesaria para que la reflexión pueda generar molestias; y por último el color de los rayos incidentes; el blanco es el que crea una mayor reflexión. Existen varios tipos de reflexión, los cuales son: Reflexión especular: Es aquella reflexión que se observa en la figura 2.3 y que genera una molestia igual a la de la propia fuente luminosa y su ángulo de incidencia es idéntico el original, por ejemplo la reflexión de un espejo. Figura 2.3: Reflexión especular (2). Reflexión difusa: El rayo incidente se refleja en todas direcciones del hemisferio superior como se observa en la figura 2.4, lo que supone una intensidad luminosa en todas partes, además produce una pérdida de intensidad luminosa según la cantidad de flujo luminoso recibido. Solamente se reproduce en materiales rigurosos dónde se puede ver el objeto sin producir deslumbramiento, por ejemplo en una tela blanca. Página 19

33 Figura 2.4: Reflexión difusa. Reflexión mixta: Predomina una dirección sobre las demás observada en la figura 2.5, donde la dirección que predomina es más intensa que las demás provocando deslumbramiento a la persona que observa tal objeto, un ejemplo claro un metal sin pulir. Figura 2.5: Reflexión mixta. El efecto de la luz y la sombra técnicamente llamado efecto cebra mostrado en la figura 2.6 es importante en la iluminación, se debe de tener cuidado en direccionar una lámpara para evitar que se presenten sombras perturbadoras. El factor principal es que no se debe de perder la identificación de la textura y el formato de los objetos. Además, una buena iluminación no significa una luz distribuida por igual. Página 20

34 Figura 2.6: Efecto cebra. Un buen sistema de iluminación debe de tener una reproducción de colores establecido. El color de un objeto está determinado por la reflexión del espectro de luz que incide sobre el mismo como se denota en la figura 2.7 (2), por lo que una buena tonalidad depende de la calidad de la luz que se incide en el lugar, donde todos sus colores puedan distinguirse y reproducirse fácilmente. Figura 2.7: Reproducción de colores. El efecto estroboscópico es aquel en donde una lámpara parpadea más de una vez en una fracción de tiempo, este tiempo no rebasa el medio minuto, por lo que tal efecto puede producir malestar visual a la persona. El efecto estroboscópico da un aviso del término de la vida útil de una lámpara fluorescente; por lo que una lámpara de excelentes condiciones tardara en realizar tal efecto, si se compara con una lámpara de bajo costo y de marca no muy reconocida. Los factores anteriores se pueden evitar si tenemos una perfecta armonía entre luminarias, aunque a veces esta armonía es la que falla a la hora de realizar un proyecto de iluminación. La inadecuada proporción armoniosa entre luminarias, produce la conocida fatiga visual, debido al trabajo excesivo para acomodar la vista al pasar por variaciones de intensidad luminosa bruscamente. Página 21

35 2.2 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LAS LÁMPARAS FLUORESCENTES Y LED S FRENTE A UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN. Las lámparas son dispositivos eléctricos que al momento de conectarlas a la red eléctrica emiten un flujo luminoso constante, hay varios tipos de lámparas y cada una de ellas ofrece un flujo luminoso diferente, pero en la actualidad se utilizan las fluorescentes y una nueva tendencia utilizando tecnología LED mostrados en la figura 2.8. Las lámparas al igual que cualquier equipo eléctrico son utilizados según sea el caso indicado, por lo que no solamente se debe de observar el diseño, la capacidad, y sus especificaciones sino que además se tienen que visualizar otros factores como ventajas y desventajas que ofrecen para que pueda realizar un mejor desempeño. Figura 2.8: Flujo luminoso de A) lámpara incandescente (flujo mixto); B) lámpara fluorescente (flujo semidirecto) y C) lámpara LED (flujo directo). Las ventajas de la tecnología fluorescente mostradas en la figura 2.9 son que ahorran mayor energía que la lámpara incandescente; la energía calorífica que emiten es menor, tienen una vida útil de horas; el color que reproduce al iluminar es mejor y es más fiel al verdadero; la potencia luminosa es 4 o 6 veces mayor que la incandescente, además la iluminación es más uniforme y menos deslumbrante (21). Aunque han revolucionado a la iluminación, las lámparas fluorescentes tienen grandes desventajas, una de ellas es que para tener un excelente funcionamiento se debe de adquirir un balastro que se conecta a la lámpara lo cual duplica el precio de la misma. El efecto estroboscópico es una desventaja muy importante en las lámparas ya que por ser de corriente alterna la lámpara realiza un parpadeo continuo, que con el tiempo se puede retardar más a tal grado que la persona puede presentar dolor de cabeza. Al encender la lámpara fluorescente, tarda en entregar su potencia Página 22

36 lumínica total y ocurre un gran desgaste en la lámpara al ser encendida y apagada constantemente; ocupan mayor espacio que las demás lámparas; además de que el gas que tienen en su interior (calcio o magnesio) se desgasta y pierde su potencia lumínica adquiriendo un color negro en las esquinas de la lámpara, afectando al color verdadero. Figura 2.9: Lámpara fluorescente. Al contrario de las lámparas fluorescentes la lámpara LED observadas en la figura 2.10, ofrece como ventajas un consumo de energía eléctrica menor a las fluorescentes (3 Watts x 20 Watts); una vida útil mayor superando a las fluorescentes, de horas a horas. Su mantenimiento es casi nulo; la luz emitida por los LED s puede variar ya que tiene la característica de reproducir los tres colores primarios (rojo, verde y azul) además de que la luz blanquiazul natural que emite el LED reproduce mejor los colores en una habitación. Consta de un mayor flujo luminoso y un encendido rápido (20), por lo que no necesita de un tiempo prolongado para entregar toda su potencia lumínica. Figura 2.10: Lámpara LED. Las lámparas LED no necesitan balastro para un excelente funcionamiento; no contienen gas ni sustancias que puedan afectar al medio ambiente; emiten una luz fría la cual es perfecta para las actividades dinámicas. La desventaja que tiene es Página 23

37 que es una tecnología nueva por lo que su costo es 3 veces mayor que una lámpara fluorescente. Éste tipo de lámparas no tienen una certificación o Norma que las regule por lo que hay variedad de lámparas que pueden salir defectuosas; no se tiene suficiente información para realizar un buen proyecto de iluminación (aunque éste problema se puede resolver pero el tiempo del proyecto se retardaría). La lámpara LED a altas temperaturas baja su rendimiento y su iluminación es puntual, por lo que baja su eficiencia en alumbrado general. 2.3 ESTADO ACTUAL DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN EN LA BIBLIOTECA DE LA ESIME ZACATENCO. La biblioteca es un área que debe tener un confort visual agradable para realizar lecturas, reconocimiento de libros y estudiar. En ocasiones el confort visual no es el mejor y esto hace que el alumno esfuerce su vista, la biblioteca de la ESIME Zacatenco aunque tiene un nivel de iluminación recomendado por la S.M.I.I. y la Norma 025 observadas en la figura 2.11 no tiene la correcta distribución, por lo que el alumno puede llegar a tener un bajo rendimiento. Por eso la iluminación es un factor importante ya que puede resaltar en un lugar agradable al ojo humano teniendo el confort visual deseado. Figura 2.11: Biblioteca de la ESIME Zacatenco. La línea roja muestra como están separadas las luminarias, de forma inadecuada. La eficiencia luminosa es un factor importante dentro de la biblioteca. En algunas zonas se respeta la distribución armónica de la iluminación, pero en otras sigue siendo una iluminación inadecuada como se muestra en la figura Donde la Página 24

38 armonía entre el espacio y las luminarias debe ser fundamental, ya que al tener columnas la biblioteca, se debe de tomar por separado el área a la hora del cálculo, si no se toma en cuenta este tipo de condiciones puede faltar iluminación en el área. Figura 2.12: Armonía entre luminarias. A) Zona de iluminación ineficiente en la biblioteca. B) Zona de iluminación eficiente en la biblioteca. Los muros de la biblioteca son ventanales donde la luz natural ilumina a la biblioteca, el problema es que no cuentan con persianas o cortinas para evitar que la luz entre de manera directa, creando el deslumbramiento que es igual de perturbador que la reflexión; afectando los niveles de iluminación establecidos por Norma y por la S.M.I.I. Al tener árboles y plantas de gran magnitud afuera de la biblioteca en donde están los ventanales como se muestra en la figura 2.13 no disminuye el deslumbramiento, sólo se concentra en ciertas zonas, ya que las ramas del árbol hacen un recubrimiento irregular para que no entre la luz parasita del sol. A todo esto, afecta que por tener tantos ventanales, la luz emitida por el sol va disminuyendo de intensidad y los niveles de iluminación pueden ser erróneos durante la noche. Lo anterior se puede evitar si el sistema de iluminación fuera el indicado. Pero al realizar las primeras observaciones en la biblioteca mostradas en la figura 2.14, se captó que la separación de las luminarias no es la adecuada en ciertas zonas, a lo cual puede crear reflexión a las personas que no alcancen el flujo luminoso total de la luz. Página 25

39 Figura 2.13: Luz parasita en la biblioteca. Figura 2.14: Separación entre luminarias (Lado izquierdo lámpara modelo, lado derecho distancia de la lámpara modelo hacia las demás). El espacio entre luminarias no solo afectaría en el flujo luminoso, sino que además generaría el efecto cebra al no alumbrar toda la zona perdiendo el lugar color e intensidad luminosa. Por lo que en el área de anaqueles y estantería los libros que estén en una posición elevada no se alcanzarían a distinguir de manera inmediata obsérvese la figura 2.15, y los alumnos que estén revisándolos libros esforzarían la vista sino están cerca del área iluminada. Página 26

40 Figura 2.15: Efecto cebra. A) Lugar con inadecuada iluminación. B) Lugar con adecuada iluminación. La línea amarilla es la reflexión del área iluminada. Además de un posible efecto cebra, la posición de las luminarias y las mesas con las que cuenta la biblioteca no son las idóneas. Por una parte las luminarias se encuentran distribuidas en dos columnas, con un espaciamiento no favorable entre ellas, esta disposición de luminarias sólo se plantea cuando se tienen mesas de gran longitud, por lo que la biblioteca no cuenta con ese tipo de mesas, las mesas son rectangulares para máximo cuatro personas como se muestra en la figura Figura 2.16: Lado izquierdo: Separación de luminarias, lado derecho: mesa para cuatro personas (sin escala). Página 27

41 Las luminarias al ser de una longitud inferior a un metro, y al estar muy separadas pueden emitir un ángulo muy favorable para la reflexión mostrada en la figura El ángulo permitido es de 30, evitando el deslumbramiento y reflexión. Figura 2.17: Reflexión por deslumbramiento (1). La reflexión afecta a un buen sistema de iluminación, además las lámparas al estar separadas al momento de que una lámpara fluorescente termine su vida útil la zona no iluminada será de mayor tamaño, por consiguiente las sombras serán más densas y el espacio no iluminado más obscuro. Entre más luminarias o lámparas mayor calidad de iluminación, y se puede observar al mirar al piso o al nivel del lugar de trabajo, observando la zona que se encuentra perfectamente iluminada, por lo que las sombras en el lugar de trabajo deben de ser mínimas, en la figura 2.18 se muestra la calidad de la iluminación. Figura 2.18: Calidad de la iluminación. Página 28

42 CAPÍTULO 3: CÁLCULO DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN APLICADA A LA BIBLIOTECA DE LA ESIME ZACATENCO. Pérez Aguilar, Ramírez Cedillo IPN-ESIME Zacatenco Página 29

43 En el sistema de iluminación, los cálculos más utilizados son el cálculo de iluminación promedio, método de Watt por metro cuadrado y el método de iluminación en interiores. El cálculo punto por punto determina el estado actual de la biblioteca, el método de Watt por metro cuadrado ayuda a realizar un análisis de lo que se tiene en el área o lo que se llegue a tener en ella, con ciertas restricciones que se mencionaran más adelante. Por su parte el método de iluminación en interiores es el método que establece el sistema de iluminación determinado para un área en específico, es el más preciso y determina el número de luminarias que se deben instalar. Aparte de los cálculos ya mencionados se deben de estudiar factores que afectan un sistema de iluminación (factor de mantenimiento, coeficiente de utilización, cavidad del cuarto). También se realizan mediciones para sacar la curva fotométrica que se muestra en la figura 3.1, la tensión mínima de arranque, los niveles de iluminación en condiciones nominales de operación; estas mediciones son variadas y las puede o no realizar el ingeniero aunque se recomiendan. Tales mediciones la empresa encargada de fabricar las luminarias y lámparas debe de tener el compromiso de proporcionarlas. Figura 3.1: Curva fotométrica 3D de una lámpara incandescente (se puede observar el área iluminada). Página 30

44 3.1 DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE WATT POR METRO CUADRADO. El método de Watt por metro cuadrado se utiliza para obtener un número aproximado de luminarias que se van a requerir en el área a iluminar. Esta área debe contar con techos blancos y paredes claras o tonos ligeros. Éste método se utiliza para obtener una iluminación en general con lámparas fluorescentes o lámparas de descarga de alta intensidad HID (High Intensity Discharge), para lámparas incandescentes o de halógeno se utiliza otros valores dados en la tabla del anexo 1. El cálculo se inicia al indicar el lugar que se va a iluminar, posteriormente se busca en las recomendaciones de la S.M.I.I los lux requeridos para tal área. El método debe de seguir una serie de especificaciones que se obtienen a través de la tabla del anexo 1, la tabla denominada MÉTODO DE WATT POR METRO CUADRADO específica los valores a utilizar en W/m 2.Se deberá identificar los Watts requeridos y por último se deberá sacar el área del lugar a iluminar. Con los datos previamente obtenidos determinaremos la potencia requerida por la ecuación 3.1: Donde: W =Potencia requerida (W). A= Área del lugar (m 2 ). Wm 2 = Watts por metro cuadrado. Para obtener el número de luminarias requeridas se deberá de realizar la ecuación 3.2: Donde: Lt= Lámparas totales. Página 31

45 Wt=Potencia total (W). W/lamp =Watts por lámpara (W/no. de lámparas). En ocasiones se utiliza un luminario, si el gabinete del luminario tiene la capacidad de almacenar más de 2 lámparas, se debe de multiplicar la potencia de las lámparas que se encuentren en dicho luminario. SI por algún motivo en el cálculo el número de luminarias sale con resultado decimal se debe de escoger el valor siguiente, si el número de luminarias es irregular se debe de redondear para que el espaciamiento sea regular entre luminarias. El siguiente procedimiento se utiliza en el laboratorio de iluminación (2), el plano se encuentra registrado en el anexo 2. Para seguir a detalle las zonas que se calcularon el plano se observa en la figura 3.2. Figura 3.2: Plano de luminarias instaladas sin escala. Página 32

46 Uso de la metodología: 1.- Área donde se va a realizar la iluminación: área de anaqueles 2.- Lux requeridos por la S.M.I.I: 3.- Identificar los Watts requeridos bajo norma: 4.- Área del lugar a iluminar: 5.-Determinar los Watts requeridos con la ecuación 3.1: 6.- Identificar el número de luminarias requeridas con la ecuación 3.2: 1.- Área donde se va a realizar la iluminación: área de lectura 2.- Lux requeridos por la S.M.I.I: 3.- Identificar los Watts requeridos bajo norma: 4.- Área del lugar a iluminar: 5.-Determinar los Watts requeridos: 6.- Identificar el número de luminarias requeridas: Página 33

47 1.- Área donde se va a realizar la iluminación: área de lectura Lux requeridos por la S.M.I.I: 3.- Identificar los Watts requeridos bajo norma: 4.- Área del lugar a iluminar: 5.-Determinar los Watts requeridos: 6.- Identificar el número de luminarias requeridas: 1.- Área donde se va a realizar la iluminación: recepción 2.- Lux requeridos por la S.M.I.I: 3.- Identificar los Watts requeridos bajo norma: 4.- Área del lugar a iluminar: 5.-Determinar los Watts requeridos: 6.- Identificar el número de luminarias requeridas: Página 34

48 3.2 DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DETERMINACIÓN DE LA ILUMINACIÓN PROMEDIO. Frecuentemente el método determinación de la iluminación promedio se le conoce como punto por punto, ya que el área a iluminar se divide en varias zonas, y en un punto determinado en aquella zona se toma la medición de la iluminación con un luxómetro. Así en cada punto de cada zona se va midiendo con el luxómetro el nivel de iluminación hasta conseguir un cierto número de medidas que a la postre nos llevara a una medida promedio. Para determinar el número de medidas la NOM 025 utiliza un método llamado constante de salón, donde por medio de la ecuación 3.3 se puede determinar los puntos mínimos a medir en el área de trabajo. Donde: K= A la constante de salón. A= Ancho (m). L= largo (m). h= altura (m). Los niveles de iluminación se obtienen con un luxómetro marca AEMC modelo CA 811 como se muestra en la figura 3.3, el luxómetro debe de tener las siguientes características determinadas por la NOM-025: a) Detector para medir iluminación. b) Corrección cosenoidal. c) Corrección de color, detector con una desviación máxima de ± 5% respecto a la respuesta espectral fotópica. Página 35

49 Figura 3.3: Luxómetro marca AEMC modelo 811 Al tener los puntos mínimos de medición se procede a dividir el salón, las mediciones se deben de realizar en la noche ya que no existe luz parasita (luz del sol) y las mediciones son más exactas, aparte se deben de realizar a la altura de trabajo y con un luxómetro en buenas condiciones. Para saber más acerca del método a utilizar a la hora de medir, véase la NOM 025-STPS-2008, condiciones de iluminación en los centro de trabajo. Una vez realizada la medición se procede a calcular la iluminación promedio, el cálculo se realiza bajo especificaciones del anexo 3 y su ecuación es 3.4. Donde: Ep= Nivel promedio (lx). N= Número de medidas realizadas. Ej= Nivel de iluminación en cada punto (lx). Para el cálculo en la biblioteca se realizó este método en dos áreas de las cuatro que se encuentran disponibles, ya que una está ocupada, y la recepción es un lugar muy pequeño para medir. El asesor recomendó realizar las mediciones punto por punto dividiendo el lugar ya que la ecuación da las zonas mínimas a medir y para tener una mejor exactitud se decidió dividir las zonas. El plano se muestra en el anexo 4, y en la figura 3.4 se muestra el plano sin escala. Página 36

50 Figura 3.4: Plano mallado sin escala 1. Área a iluminar: Anaqueles 2. Altura de la medición: 0.13 m 3. Determinación de la constante de salón con la ecuación 3.3: Página 37

51 4. Número de mediciones según la norma 025: 16 mediciones mínimo. 5. Mediciones realizadas: 88 mediciones (para mayor precisión). 6. Iluminación promedio de la ecuación 3.4: 1. Área a iluminar: Área de lectura 2. Altura de la medición: 0.72 m 3. Determinación de la constante de salón: 4. Número de mediciones según la norma 025: de 9 a 16 mediciones mínimo. Página 38

52 5. Mediciones realizadas: 60 mediciones (para tener mayor precisión). 6. Iluminación promedio: DESCRIPCIÓN Y CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE ILUMINACIÓN EN INTERIOR CON TECNOLOGÍA FLUORESCENTE. El método de lumen es el cálculo que más se utiliza en el área de iluminación para saber el número de luminarias que deben de ir en el interior de un cuarto; en este caso de la biblioteca. El método actual a diferencia del método de Watt por metro cuadrado es más extenso, con más parámetros y variantes a considerar, y por ende más preciso. El método de lumen comúnmente llamado cálculo de iluminación en interiores, es el método que la mayoría de los ingenieros utiliza. El método se debe de realizar por zonas, preferentemente simétricas dentro del área total. Los datos a analizar son las dimensiones del lugar, la altura de plano de trabajo, el tipo de techo y la actividad que se realiza. La actividad es muy importante ya que de ahí se definen los niveles de iluminación, recomendados por la S.M.I.I., aparte de los parámetros mencionados es importante señalar los acabados del local, tanto del techo, el piso y las paredes. Los parámetros establecidos deben de ser si no exactos si muy precisos, ya que un mal cálculo con este método puede afectar el nivel de iluminación recomendado. Además de que estos parámetros son esenciales para la obtención de diferentes factores que se utilizan, como el factor de balastro y el factor de mantenimiento. Por medio del programa Excel se realizaron los cálculos correspondientes a cada una de las áreas dentro de la biblioteca, la metodología siguiente se realizó para el área de anaqueles para tener una mejor comprensión del cálculo, las demás áreas se encuentran en el anexo 5 y el plano sin escala se muestra en la figura 3.5. Página 39

53 Figura 3.5: Plano sin escala del sistema fluorescente calculado. Página 40

54 Datos del área a analizar: Área: Anaqueles de biblioteca Datos del proyecto: Lectura rápida y búsqueda de libros. Nivel de iluminación S.M.I.I.: 200 lx Largo: m Ancho: 10.4 m Altura total: 2.65 m Altura de trabajo: 0.15 m Altura luminario al plano de trabajo: 2.5 m Reflectancia del piso: 20% Reflectancia de la pared: 50% Reflectancia del techo: 70% Tipo de área: Limpia Horas de operación por año (despreciando vacaciones y días festivos): h Horas al día: 13 h Horas a la semana: 65 h Horas al mes (30 días): 1950 h. Número de columnas: 10 u. Lámparas utilizadas para tal fin: La lámpara utilizada se especifica en la tabla 3.1 y su estructura física se observa en la figura 3.6 (para más especificaciones consultar el Anexo 6). Figura 3.6: Lámpara OSRAM OCTRON ECO Página 41

55 Para saber el número de luminarias se utiliza la ecuación 3.5: Donde: E= Iluminancia (lx). C.U.= Coeficiente de utilización [IES]. F.M.= Factor de mantenimiento. Tabla 3.1: Especificaciones de la lámpara OCTRON ECO (OSRAM) OCTRON ECO W Acabado K[ ] Flujo[Lm] Vida[h] 17 B. cálido Blanco B.frío B. cálido Blanco B.frío B. cálido Blanco B.frío Luz de día B.cálido Blanco B.frío B.cálido Blanco B.frío Luz de día Página 42

56 Aunque la ecuación 3.5 es una operación básica que involucra multiplicación y división, sus elementos como el coeficiente de utilización y el factor de mantenimiento son ecuaciones que se tiene que realizar por separado. Para el cálculo de C.U. se debe de realizar la ecuación relación de cavidad de cuarto (room cavity ratio), ecuación 3.6: Donde: C.S.= Constante de suciedad (12). Hcc= Altura de la luminaria al área del trabajo. Sustituyendo: Al tener el resultado del RCR las reflectancias de paredes, techo y piso es indispensable para saber el C.U. Las reflectancias para el proyecto con fluorescente se muestran en la figura 3.7. Figura 3.7: Reflectancias del área de anaqueles. Página 43

57 Al tener conocimiento de las reflectancias se procede a observar las características del gabinete, el gabinete instalado es de la marca D CARRLIGHT mostrado en la figura 3.8 el cual sus especificaciones se encuentran en el anexo 7. Teniendo las características del luminario se observa que utiliza un acrílico, que es el encargado de difundir la iluminación en un área determinada del cuarto, por lo que es importante saber su curva fotométrica la cual se muestra en la figura 3.9, ya que permitirá saber cuánta área cubre un solo luminario en los anaqueles. Figura 3.8: Gabinete D CARRLIGHT utilizado en la biblioteca. Figura 3.9: Curva fotométrica del luminario. Al tener los elementos necesarios por medio del catálogo de Holophane, se obtiene el C.U., este coeficiente se encuentra en la tabla 3.2 (para ver tabla completa diríjase a los anexo 8), al hacer un simple cruzamiento de las reflectancias con el RCR. Pero si el RCR se encuentra en medio de los valores Página 44

58 nominales de la tabla se debe de realizar una ecuación de interpolación sencilla que se muestra en la ecuación 3.7, necesaria para saber el C.U. real de la luminaria. Donde: VM= Valor mayor. Vm= Valor menor. RCR= RCR calculado. RCRtm=RCR menor por tabla. S= Separación. Tabla 3.2 Coeficiente de utilización. C.U. Rt 70 Rps 20 Rprd RCR Sustituyendo valores: Página 45

59 El resultado de la interpolación por medio del programa Excel es de 0.590, por lo que el cálculo de interpolación es el C.U. utilizado. El factor de mantenimiento (F.M.) es otra ecuación importante dentro de la iluminación mostrado en la ecuación 3.7, este factor es la multiplicación de varios factores que afectan el funcionamiento de la lámpara y/o luminaria. El factor de balastro es la pérdida de la energía eléctrica (Watts) en calor, de modo que en este caso el factor por pérdida de balastro recomendado por el catálogo de Holophone (Anexo 8) es Otro factor que altera el F.M. es la lámpara fundida, la lámpara fundida es un valor de entre 0.95 y 1, en caso de que la lámpara se apague por defectos de fabricación o por mala instalación este factor aporta la cobertura de la zona fundida y se toma 0.95 por recomendación del IES (2). Otro factor es la deprecación de los lúmenes por la lámpara ya que ningún aparato eléctrico es 100% efectivo existen una serie de tablas (Anexo 9) que aportan este factor, por lo que la lámpara tiene una depreciación de Por último se maneja la depreciación por suciedad acumulada, las luminarias por lo regular se le deben de dar mantenimiento, y dependiendo de la luminaria existe una tabla que se encuentra en el Anexo 10, la luminaria es de categoría de mantenimiento V por lo la categoría correspondiente (anexo 11) se deduce que por un mantenimiento de 24 meses el factor es de Teniendo los parámetros se realiza la siguiente ecuación: Donde: F.B.= Es el factor de balastro. L.L.D.= Depreciación de lúmenes de la lámpara. L.D.D.= Suciedad acumulada en los luminarios. L.F.=Lámpara fundida. Sustituyendo: Página 46

60 Una vez teniendo los factores necesarios, se procede a sustituir la ecuación 3.5 por los valores de los factores adquiridos teniendo el siguiente resultado: Para el acomodo de luminarias se debe de tener en cuenta 3 ecuaciones fundamentales, estas ecuaciones son: espaciamiento real de luminaria (ecuación 3.9), luminarias por columna (ecuación 3.10) y luminarias por fila (ecuación 3.11), respectivamente. Donde: N= Número de luminarias. Sreal= Espaciamiento real de luminarias. Columna= Luminarias por columna. Fila= Luminarias por fila. Página 47

61 Sustituyendo los valores se tienen los siguientes resultados: Al tener el resultado de número de luminarias entre fila y columna se debe de realizar un ajuste, el número de luminarias debe de ser un número entero, por lo que para el área de anaqueles las lámparas por fila son 4 y por columna son 7 teniendo un total de 18 luminarias (hay que recordar que entre más iluminación mejor desempeño, pero un lugar con iluminación exagerada provoca reflexión y deslumbramiento), lo recomendable es agregar más luminarias en lugar de extraer, pero si las dimensiones no permiten utilizar más luminarias se reduce su número sin reducir los niveles de lux recomendados por el S.M.I.I. en caso de que los niveles de iluminación se reduzcan se deberá de realizar de nuevo el cálculo ya que no se respetó la metodología. Para éste se tomaron en cuenta el número de columnas, que como se puede observar en la figura 3.4 afectan el área de anaqueles dividiéndose en tres áreas. Para el lado izquierdo y derecho después de las columnas se realiza el cálculo de luminarias por área, por lo que el lado izquierdo tiene las siguientes dimensiones: 19m de ancho por 1.55m de ancho con un área total de m. Teniendo el área se procede a calcular de igual manera el número total de luminarias con la ecuación 3.5. Página 48

62 Al realizar el espaciamiento real que son las ecuaciones 3.9 a la 3.11 se observa que salen 9 luminarias, 3 más que las 6 propuestas por la ecuación 3.5, este aumento se debe a que las luminarias pueden descomponerse y dejar de funcionar por lo que las demás luminarias realizaran su tarea de iluminar el área fundida. De igual manera en el lado derecho, donde se encuentran las demás columnas se toma el área y se procede a realizar el cálculo, teniendo 9 luminarias. Siguiendo la metodología antes explicada en el programa de Excel el número total de luminarias en cada área se muestra en la tabla 3.3 (para mayor referencia consulte anexo 12).Los cálculos se realizaron en el área de anaqueles, el área de lectura se dividió en 2 áreas teniendo área de lectura 1 y área de lectura 2, los pasillos y el área de recepción. Tabla 3.3: Número de luminarios en la biblioteca. Área Fluorescentes calculadas Anaqueles 36 lectura 1 44 lectura 2 21 pasillo 1 2 pasillo 2 4 recepción 6 total de luminarias 113 Página 49

63 3.4 CÁLCULO APLICANDO EL MÉTODO DE ILUMINACIÓN EN INTERIOR CON TECNOLOGÍA LED. La tecnología LED ha despertado la curiosidad de los ingenieros que trabajan en el área iluminación, los LED han sido utilizados en la electrónica como indicadores visuales en aparatos electrónicos, pero en la última década han surgido interés en llevar la tecnología LED a una rama con mayor utilización, primero se empezó a utilizar en lámparas de emergencia, ya que por su bajo consumo las baterías utilizadas rendían más que con una bombilla incandescente. Finalmente se han desarrollado lámparas LED que pueden sustituir a las lámparas que se conocen actualmente (fluorescentes y de alta intensidad de descarga), como se muestra en la figura 3.10 el rendimiento que los LED han proporcionado junto con el ahorro de energía eléctrica un éxito en el área de iluminación, lamentablemente es una tecnología muy reciente donde su campo de investigación solo se reduce a la industria privada por lo que es difícil de obtener información adecuada. Por este motivo antes de iniciar cualquier cálculo de iluminación en interiores se deben de realizar mediciones y pruebas que en realidad justifiquen los valores nominales que los fabricantes mencionen en sus catálogos. Un problema además del precio (mayor a una lámpara fluorescente) que enfrentan las nuevas lámparas LED es que el flujo luminoso es menor a la de las lámparas comunes, por lo se debe de encontrar una lámpara LED que ofrezca un flujo luminoso igual al de las lámparas normales pero con un precio no excesivo, la lámpara que se utilizó es de la marca LEDCo (23) con un flujo luminoso de 1060 lm. Figura 3.10: Lámpara LED Página 50

64 Al tener 4 lámparas LED se adapto un gabinete de 60x60 cm como se muestra en la figura 3.11 A, el gabinete además de adaptarle las lámparas LED, se adapto para realizar mediciones en el cuarto obscuro mostrado en la figura 3.11B. La adaptación se estableció en el cuarto de mantenimiento donde se encuentran los laboratorios de pesados 2 dentro de la ESIME; para poder insertar las lámparas dentro del gabinete primero se modificó el gabinete para que los pines sujetaran las lámparas, para hacerlo se tuvo que desmantelar todo el gabinete, utilizando el serrucho se segó a los lados del gabinete, realizando 8 aberturas para poder empotrar los pines, se distribuyeron 4 en cada lado de tal forma que las lámparas entraran rectas y paralelas. Par armar de nuevo el gabinete se remachó con una remachadora pop todas las aberturas que unían al mismo gabinete, una vez terminado de remachar se soldó un tubo con cuerda en la parte superior del mismo, antes de soldar el tubo se midió en el cuarto oscuro la altura en que el tubo de la lámpara tendría que hacer cuerda con el tubo del cuarto oscuro para poder sujetar y hacer las mediciones, una vez teniendo las mediciones se elaboró una cuerda alrededor del tubo, Las mediciones se realizaron en el laboratorio de iluminación de la ESIME, donde se ajustó a una altura de 2.5m. Figura 3.11: Gabinete adaptado. Las mediciones del nivel de iluminación se desarrolló con un luxómetro y la conexión se estableció bajo la norma NMX -J-230-ANCE-2001, el circuito para medir la tensión, la corriente y la potencia se encuentra mostrado en la figura Hay que recordar que las normas se hicieron antes de utilizar las lámparas LED, por lo que no hay una conexión específica aun para éste tipo de lámparas. Página 51

65 Figura 3.12: Conexión para la medición de lámparas. Realizando las mediciones correspondientes se obtuvo que al tener una tensión nominal de 130 V, la corriente es de 350 ma, la potencia es de 35 W y el nivel de iluminación es de 186 lx. Pero los 130 V no es la tensión que realmente se distribuye para una línea en baja tensión (B.T.), por lo que se vario la tensión a 127 V que es la distribuida, dando como resultado una corriente de 350 ma, una potencia de 35 W y un nivel de iluminación de lx por lo que la variación es mínima, demostrando que la lámpara LED funciona a tensiones nominales de B.T., como el fabricante especificó. Aunque la tensión permitida en B.T. es de 127 V en México existe una variación del +/- 10%, dando como resultado un valor menor al nominal a lo que la lámpara LED no debe de sufrir variación de lectura; la prueba se realizó a 110 V obteniendo que la corriente es de 375 ma, con una potencia de 35 W y un nivel de iluminación de lx. Al tener las especificaciones generales y comprarlas con las del fabricante, el siguiente paso es realizar el sistema de iluminación utilizando tecnología LED. Datos del área a analizar: Área: Anaqueles de biblioteca Datos del proyecto: Lectura rápida y búsqueda de libros. Nivel de iluminación S.M.I.I.: 200 lx Largo: m Ancho: 10.4 m Altura total: 2.65 m Altura de trabajo: 0.15 m Altura luminario al plano de trabajo: 2.5 m Reflectancia del piso: 20% Reflectancia de la pared: 50% Página 52

66 Reflectancia del techo: 70% Tipo de área: Limpia Horas de operación por año (despreciando vacaciones y días festivos): h Horas al día: 13 h Horas a la semana: 65 h Horas al mes (30 días): 1950 h Número de columnas: 10 u Lámparas utilizadas para tal fin: La lámpara utilizada se específica en la tabla 3.4 (23) y su estructura física se observa en la figura Tabla 3.4: Especificaciones de la lámpara LED CÒDIGO LEDT860 LEDT8120 LEDT8240 Watts (W) Base Voltaje (V) G13 AC 120V Flujo luminoso (Lm) Ángulo de apertura 150 Temperatura color Blanco Blanco cálido Duración (h) Blanco frio Dimensión (cm) Para realizar los cálculos se inicia con el RCR por lo que es el mismo resultado que se obtuvo con las lámparas fluorescentes de Para obtener el C.U., al no contar con una curva fotométrica propia se realizó en el laboratorio de iluminación una curva fotométrica con el gabinete adaptado para almacenar 4 lámparas LED en su interior (figura 3.6). Para realizar la curva fotométrica se instaló el luminario en el cuarto obscuro como se observa en la figura 3.19 y se realizaron mediciones de la lámpara con el multímetro cada 5 ; empezando desde 0 hasta llegar a 90 por instrucciones del asesor, dando una curva fotométrica mostrada en la figura Obteniendo la curva fotométrica los demás valores para determinar el C.U. (tabla 3.5) se obtuvieron mediante un programa de Excel, el C.U. completo se observa en el anexo 13. Página 53

67 Figura 3.13: Curva fotométrica del luminario con LED. Tabla 3.5 Coeficiente de utilización de la luminaria LED. C.U. Rt 70 Rps 20 Rprd RCR Como el RCR se encuentra entre dos posibles resultados, se lleva a cabo la ecuación 3.7. Página 54

68 El resultado de la interpolación por medio del programa Excel es de 0.783, por lo que el cálculo de interpolación es el C.U. utilizado. Para el F.M., el factor de balastro es de 0.9 ya que aunque el balastro no está separado de la lámpara, en su interior tiene un circuito que hace la función del propio y por lo tanto se debe de tomar en cuenta. La lámpara fundida es un valor de 0.95 recomendado por la IES (12). La deprecación de los lúmenes por la lámpara es de 0.99, y la suciedad es de 0.88 (ver catálogo Holophane), ya que es la establecida para este tipo de gabinetes. Se sustituye la ecuación 3.7: Una vez teniendo los factores necesarios, se procede a sustituir la ecuación 3.5 por los valores de los factores adquiridos teniendo el siguiente resultado: Se realiza el espaciamiento con las ecuaciones 3.6, 3.7 y 3.8 respectivamente. Sustituyendo los valores se tienen los siguientes resultados: Página 55

69 De igual manera, se realiza el cálculo en la parte derecha e izquierda dónde se encuentran las columnas como se realizó para las luminarias fluorescentes, teniendo 8 luminarias por cada lado. Se realiza el ajuste necesario como en las luminarias fluorescentes como se muestra en la tabla 3.5 obteniendo los siguientes resultados en la biblioteca utilizando el programa Excel que se pueden consultar en el anexo 14, el plano se encuentra en el anexo 15 y el plano sin escala se muestra en la figura 3.14 Tabla 3.6: Número de luminarios en la biblioteca con tecnología LED. Área Lámparas LED Anaqueles 25 lectura 1 34 lectura 2 18 pasillo 1 2 pasillo 2 4 recepción 4 total de luminarias 87 Página 56

70 Figura 3.14: Plano sin escala del sistema LED calculado. Página 57

71 CAPÍTULO 4: ANÁLISIS COSTO BENEFICIO. Pérez Aguilar, Ramírez Cedillo IPN-ESIME Zacatenco Página 58

72 Para saber si un sistema de iluminación implementado en cualquier área de trabajo, en este caso la biblioteca, es rentable o no se debe de realizar un análisis económico. El análisis debe de ser claro y conciso ya que determina el costo total de la operación y el beneficio de forma económica de lo que se instalará, en caso contrario la pérdida monetaria que puede llegar a tener la empresa. Todos los aspectos para comparar diferentes sistemas de iluminación debe incluir el costo inicial como el costo de operación (4). Para realizar el costo beneficio se deben de tener los precios de la lámpara que se desea emplear hasta la tarifa eléctrica de la compañía de electricidad (CFE), los precios pueden variar según la cantidad y el fabricante por lo que es indispensable saber el precio de la lámpara que se desea utilizar. Para el sistema de iluminación en la biblioteca se obtuvieron los siguientes datos de cada lámpara, las lámparas que se emplearon son OCTRON CURVALIME 31 W marca OSRAM y LEDT860 marca LEDCO, sus especificaciones generales se muestran en la tabla 4.1. Tabla 4.1: Especificaciones generales. Especificaciones OCTRON LEDT860 Precio de la lámpara $29 $350 Potencia consumida 31W 9W Flujo luminoso 2725 Lm 1080 Lm Temperatura de color 4100 K 5700 K Tiempo de vida 20000h 50000h Precio del balastro $135 $0 Precio de gabinete $ $ Al tener las especificaciones generales de las lámparas, gabinete y en su caso balastro se procede a realizar el costo beneficio del sistema de iluminación. Hay que resaltar que aparte de las especificaciones técnicas, en este caso también cuenta el valor monetario de cada lámpara y sus demás accesorios. Página 59

73 4.1 COSTO DE LA ENERGÍA. Para realizar un análisis adecuado, se debe de investigar el tipo de tarifa que la compañía de luz suministra para el proyecto. Para las universidades de gran magnitud se considera la tarifa HM (24), que consta de $ por kw/h intermedio en la zona central del país. Teniendo la tarifa y el costo de cada luminario que se muestra en la tabla 4.1 se procede a calcular el costo de la energía, y su ecuación es la 4.1. Al tener el costo de la energía se multiplica por el consumo por día, por mes, bimestral y anual. A continuación en la tabla 4.2 se realiza el ejemplo del costo de la energía consumida por lámpara con tecnología LED y fluorescente. Tabla 4.2: Costo de energía por lámpara. Especificaciones lámpara fluorescente lámpara LED Potencia de la lámpara 31W 9W Precio de la lámpara $29 $350 Precio del balastro $135 0 Tiempo de vida del balastro 5 años 0 Precio del gabinete $1148 $1148 Precio de los pines $20 $20 Tiempo de vida en horas Horas de operación al día Horas de operación a la semana Horas de operación al mes Horas de operación bimestral Horas de operación al año Costo diario de energía $0.53 $0.15 Costo mensual de la energía $10.66 $3.10 Costo bimestral $21.32 $6.19 Anual $ $29.87 Costo total $1, $1, Para realizar el costo de la energía se sustituye la ecuación 4.1 por la operación por día, la tarifa de CFE y la potencia de la lámpara [W], para la tecnología fluorescente se obtuvieron los siguientes resultados: Página 60

74 Para la lámpara LED el resultado del costo de energía es el siguiente. El C.E. se multiplica por las horas de operación por día, semana, mes, bimestral y anual, mostrado en la tabla 4.2. El costo total incluye el precio de la lámpara, el precio del balastro, el precio de gabinete, de los pines y el costo anual que es multiplicado por 9.65 que son los 9 meses 15 días que se encuentra en operación la lámpara, teniendo como resultado el costo total en la tabla 4.2. El Costo total de la energía por lámpara fluorescente es de $1, y de la lámpara LED es de $1,547.87, por lo que a primera vista la lámpara fluorescente tiene un ahorro económico de $ respecto a la lámpara LED. Por lo que la lámpara LED aunque reduce la potencia consumida por su costo es elevado no es factible para esta sencilla comparación. Aparte de realizar la comparación por lámpara se realizó por luminaria, por lo que entraron los costos del balastro y gabinete por lámpara, como se muestra en la tabla 4.3. El C.E. para la luminaria fluorescente es de 1.06 y de la luminaria LED es de 0.61 teniendo un costo total en la luminaria con lámpara fluorescente de $1, y con luminaria con lámpara LED es de $2, Al observar los resultados se tiene que la tecnología fluorescente es más económica que la tecnología LED. Página 61

75 Tabla 4.3: Costo de la energía por luminaria. Especificaciones lámpara lámpara LED fluorescente Potencia de la luminaria 62W 36W Precio de las lámparas por gabinete $58 $1400 Precio del balastro $135 0 Tiempo de vida del balastro 5 años 0 Precio del gabinete $1148 $1148 Precio de los pines por gabinete $40 $80 Tiempo de vida en horas Horas de operación al día Horas de operación a la semana Horas de operación al mes Horas de operación bimestral Horas de operación al año Costo diario de energía $1.07 $0.62 Costo mensual de la energía $21.32 $12.38 Costo bimestral $42.65 $24.76 Anual $ $ Costo total $1, $2, año $1, $2, año $ $ año $ $ año $ $ año $ $ Total a 5 años $2, $3, año $ $ año $ $ año $ $ año $ $ Total a 9 años $3, $3, ANÁLISIS COSTO BENEFICIO. El costo beneficio se destina para cada uno de los sistemas instalados, se evalúa de forma individual y de forma conjunta se realiza una comparación para saber qué sistema es el adecuado. Esta sencilla comparación se vuelve compleja cuando se tiene que evaluar a corto plazo (menor a 5 años) y largo plazo (5 años en adelante), hay que recordar que todos los proyectos deben de analizarse para saber si es rentable o no. Página 62

76 Cuando el costo de la energía se debe de realizar a corto o largo plazo, entran factores que determinan el costo neto de la operación, para el caso del sistema de iluminación los factores que se consideraron son la vida útil de cada lámpara, la vida útil del balastro, el precio de las lámparas, balastro y gabinete así como la tarifa. Los factores antes mencionados son importantes ya que con estos factores se observará más adelante si se realizó una buena inversión, si se podría haber mejorado tal inversión o si se puede mejorar la inversión aplicando nuevas tecnologías. El costo beneficio se realizó para la biblioteca de la ESIME Zacatenco con el número de luminarias que se obtuvieron en el capítulo 3, y con las lámparas instaladas en la biblioteca actualmente. Las ecuaciones se realizaron en Excel, por lo que el C.E. para cada sistema de iluminación se encuentran en la tabla 4.4. Tabla 4.4: Costo de energía en la biblioteca. Luminaria Costo de la energía Fluorescente LED Teniendo el C.E. se obtiene el costo total de la energía eléctrica mostrado en la tabla 4.5, para el sistema de iluminación instalado, y los sistemas de iluminación calculados con tecnología fluorescente y tecnología LED. El costo total se elaboro hasta los 9 años, teniendo en cuenta la vida útil del balastro y de cada lámpara. Al observar los resultados del C.E., se tiene que en un periodo de 9 años la tecnología LED proporciona un mayor ahorro de energía que la tecnología fluorescente. Para una mayor comprensión en la tabla 4.6 se muestra el costo total de la energía demandada a 1 año y a 9 años, con sus respectivas gráficas, figuras 4.1 y 4.2 respectivamente. Página 63

77 Tabla 4.5: Análisis del C.E. por sistema de iluminación. Especificaciones lámpara lámpara lámpara LED fluorescente calculado fluorescente instalado Potencia de la luminaria 62W 62W 36W Precio de las lámparas por gabinete. $58 $58 $1400 Precio total de las lámparas $6554 $5336 $ Precio del balastro $135 $135 0 Precio total de los balastros $15255 $ Tiempo de vida del balastro 5 años 5 años 0 Cantidad de gabinetes 113u 92u 87u Precio del gabinete $1148 $1148 $1148 Precio total de gabinetes $ $ $99876 Precio de los pines por gabinete $40 $40 $80 Precio de los pines totales $4520 $3680 $6960 Tiempo de vida en horas Horas de operación al día Horas de operación a la semana Horas de operación al mes Horas de operación bimestral Horas de operación al año Costo diario de energía $ $98.09 $53.86 Costo mensual de la energía $2, $1, $1, Costo bimestral $4, $3, $2, Anual $23, $18, $10, Costo total $179, $145, $239, año $179, $145, $239, año $23, $18, $10, año $23, $18, $10, año $45, $36, $10, año $23, $18, $10, Total a 5 años $294, $239, $280, año $23, $18, $10, año $23, $18, $10, año $45, $36, $10, año $23, $18, $10, Total a 9 años $408, $332, $322, Página 64

78 Tabla 4.6 Costo de la energía a 1 año y a 9 años. Añ os 1 9 lámparas fluorescentes calculadas lámparas fluorescentes instaladas lámparas LED $23, $18, $10, $209, $170, $93, $25, $20, $15, $10, $5, $0.00 $23, $18, $10, LFC LFI LLEDC Figura 4.1: Costo de la energía a 1 año. $250, $200, $150, $100, $50, $0.00 $209, $170, $93, LFC LFI LLEDC Figura 4.2: Costo de la energía a 9 años. También se realizó el costo total de las luminarias que se invirtieron, la tabla 4.7 muestra el costo total para cada sistema de iluminación. Las figuras 4.3 muestra la Página 65

79 gráfica a 1 año y la figura 4.4 muestra la gráfica a 9 años, tomando en cuenta que las lámparas fluorescentes y los balastros deben de cambiarse cada 4 años. Años 1 9 Tabla 4.7 Costo de la inversión de las luminarias a 1 año y a 9 años. Luminarias Luminarias fluorescentes Luminarias LED fluorescentes instaladas calculadas $156, $127, $228, $177, $144, $228, $250, $228, $200, $150, $100, $50, $156, $127, $0.00 LFC LFI LLEDC Figura 4.3: Costo de las luminarias a 1 año $250, $200, $177, $144, $228, $150, $100, $50, $0.00 LFC LFI LLEDC Figura 4.4: Costo de la luminaria a 9 años. Página 66

80 En los resultados anteriores se demuestra por separado que la tecnología fluorescente calculada a la hora del costo de instalación es reducido a comparación de las lámparas LED, pero el costo de la demanda de energía eléctrica en las lámparas LED es menor que los sistemas fluorescentes. Al tener estos datos se obtiene el análisis conjunto del costo beneficio mostrado en la tabla 4.8. Inversi ón al año Lámparas fluorescentes calculadas Tabla 4.8: Análisis costo beneficio Lámparas fluorescentes instaladas Lámparas LED 1 $179, $145, $239, $294, $239, $280, $408, $332, $322, Para poder observar mejor la inversión realizada por los tres sistemas de iluminación se realizó la gráfica que se muestra en la figura 4.5. $450, $400, $350, $300, $250, $200, $150, $100, $50, $0.00 $408, $294, $332, $322, $280, $239, $239, $179, $145, LFC LFI LLEDC inversion y costo de energia a 1 año costo de energia a 5 años costo de energia a 9 años Figura 4.5: Análisis costo beneficio Página 67

81 Costo de la energia por lampara En la figura 4.6 se muestra una gráfica, donde se observa cómo se elevan los costos de los dos sistemas de iluminación fluorescentes (calculado e instalado) y como el sistema de iluminación LED no se eleva como en los sistemas fluorescentes. $450, $400, $350, $300, $250, $200, $150, LFC LFI LLEDC $100, $50, $ Año 5 Año 9 Año Figura 4.6: Gráfica del análisis costo-beneficio. Al observar las tablas y gráficas, se demuestra que en un periodo de 9 años; antes de realizar el cambio de lámparas LED en el sistema de iluminación de la biblioteca de la ESIME Zacatenco, se obtiene una reducción de la demanda de la energía en comparación del sistema fluorescente instalado y calculado, demostrando que a largo plazo el sistema de iluminación con tecnología LED es más eficiente que el sistema de iluminación con tecnología fluorescente. 4.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS. En la tabla 4.9 se puede observar la comparación de los sistemas de iluminación realizados por los métodos de Watt por metro cuadrado e iluminación en interior junto con el sistema instalado actualmente en la biblioteca. Página 68

82 Tabla 4.9: Sistema de iluminación con tecnología fluorescente. Área iluminada con tecnología fluorescente Por método W/m 2 Por método de iluminación en interiores Instaladas actualmente Anaqueles Lectura Lectura Pasillo 1 Omitida 2 2 Pasillo 2 Omitida 4 2 Recepción Total de luminarias Al comparar los resultados obtenidos por los dos métodos y el sistema de iluminación utilizando tecnología fluorescente se tiene que por el método de W/m 2 el número de luminarias obtenida por el método de iluminación en interiores, por ejemplo en el área de anaqueles en los dos métodos el número de luminarias es el mismo mientras que en la instalada actualmente aumenta, y en el área de lectura 2 las luminarias tienen un valor superior a las 12 luminarias en el sistema instalado, por lo que el método de W/m 2, siendo aún más eficaz que el sistema instalado. En el método de determinación de la iluminación promedio, se demuestra que los niveles de iluminación obtenidos en la biblioteca son los ideales para tal área, dando como resultado un nivel de iluminación en el área de anaqueles de lx y para el área de lectura 1 se tiene una iluminación de lx. Los resultados anteriores aunque son los ideales no concuerdan con el número de luminarias que se deben de instalar en el lugar como se puede observar en la figura 3.4 del capítulo 3.3 en donde se realizó el método de iluminación en interiores con tecnología fluorescente.. En el capítulo 3.4 que es referente al método utilizado de iluminación en interiores pero ahora con tecnología LED, se demuestra que el número de luminarias es menor que el calculado eh instalado en la biblioteca como se observa en la tabla Página 69

83 Tabla 4.10: Número de luminarias por sistema de iluminación. Sistema de iluminación con tecnología Área Fluorescente Fluorescente LED calculada instalada Anaqueles Lectura Lectura Pasillo Pasillo Recepción Total de luminarias Al realizar el análisis por lámpara y luminaria que se encuentra en el capítulo 4.2 los resultados han favorecido a las lámparas fluorescentes, pero se observa en el costo total que la lámpara LED en la tabla 4.3 solo gasta la energía eléctrica que consume la luminaria, mientras que la fluorescente cada 4 años gasta en el balastro y lámparas nuevas en un periodo equivalente a 9 años. Al realizar el costo beneficio de los sistemas mostrados en la tabla 4.10 se obtiene que para una lámpara con tecnología fluorescente y LED, el número de luminarias calculadas con tecnología fluorescente es mayor a la que se tiene actualmente instalada, ya que al realizar el espaciamiento tomando en cuenta las columnas se elevo el número de luminarias, y al realizar el cálculo con tecnología LED el número de luminarias disminuye un total de 20 luminarias referente a la calculada y se elevo a un luminario más que la instalada. Aunque se obtuvieron menos luminarias la inversión que se realiza para el sistema de iluminación con tecnología LED comparada con la fluorescente instalada es de $93,047.88, pero el ahorro de energía anual se ve retribuido al obtener un ahorro de energía de $10,753.12, de igual manera referente a la instalada. Página 70

84 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Pérez Aguilar, Ramírez Cedillo IPN-ESIME Zacatenco Página 71