ESTUDIO DE TECNOLOGÍAS: Sistemas de Iluminación

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1 ESTUDIO DE TECNOLOGÍAS: Sistemas de Iluminación PREPARADO POR: LUIS HINOJOSA CASTILLO JUAN LUIS OLGUÍN MARSCHHAUSEN FUNDACIÓN CHILE FEBRERO DE

2 Tabla de Contenidos. 1 Introducción Objetivos Objetivo general Objetivo específico Sistemas de iluminación Tipos de Alumbrado Conceptos básicos Algunos tipos de lámparas Algunos tipos de luminarias Balastos Criterios de Calidad y Diseño Condiciones del ambiente y lugares de uso: Confort Niveles de iluminancia requeridos y uniformidad Propiedades de color Deslumbramiento Consumo de energía Introducción a los índices energéticos Oportunidades de eficiencia energética Iluminación natural Recambio de luminarias Diseño eficiente Sistemas de Control Control de la iluminación artificial mediante interruptores manuales y temporizados Control de iluminación artificial mediante controla-dores de luz natural Control de iluminación artificial mediante detectores de presencia Regulación y control por un sistema centralizado de gestión Evaluación de proyectos de eficiencia energética Descripción caso base Proyecto 1: recambio uno a uno de las luminarias Proyecto 2: incorporación de un sistema de control Comparación de los proyectos Fuentes de iluminación basadas en energía renovable Procedimiento para la realización de un proyecto de eficiencia energética 44 8 Conclusiones y recomendaciones

3 Índice de Tablas. Tabla 3.1. Características técnicas para los diversos tipos de lámparas. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA Tabla 3.2. Comparación balastos magnéticos y electrónicos Tabla 3.3. Pérdidas de los balastos. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA Tabla 3.4. Ejemplo ahorro de energía Tabla 4.1. Descripción código IP Tabla 4.2. Descripción código IP Tabla 4.3. Niveles de iluminación, de acuerdo a Decreto Supremos Tabla 4.4. Temperaturas de color recomendadas. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA Tabla 4.5. Índice de reproducción de color según tipo de lámpara Tabla 5.1. Características técnicas de los tipos de tubos fluorescentes existentes Tabla 5.2. Recomendaciones de Eficiencia Energética Tabla 5.3. Ejemplo ahorro de energía Tabla 6.1. Características técnicas luminarias alumbrado general Tabla 6.2. Características técnicas luminarias alumbrado local Tabla 6.3. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado general Tabla 6.4. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado local Tabla 6.5. Ahorro de energía con la implementación del proyecto Tabla 6.6. Indicadores económicos Proyecto Tabla 6.7. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado general Tabla 6.8. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado local Tabla 6.9. Ahorro de energía con la implementación del Proyecto Tabla Indicadores económicos Proyecto Tabla Comparación económica de los proyectos Características técnicas luminarias alumbrado exterior Características técnicas luminarias alumbrado exterior Tabla Ahorro de energía con la implementación del caso propuesto Tabla Comparación económica de los proyectos Índice de Figuras. Figura 3.1. Ejemplo de lámpara y luminaria... 6 Figura 3.2. Tipos de tubos fluorescentes Figura 3.3. Tipos de lámparas LED... 8 Figura 3.4.Tipos de lámparas fluorescentes compactas Figura 3.5. Tipos de lámparas haluro metálico Figura 3.6. Tipos de lámparas vapor de sodio Figura 3.7. Etiquetado de eficiencia energética Figura 3.8. Tipos de luminarias herméticas Figura 3.9. Tipos de luminarias con reflector Figura Tipos de luminarias con difuso Figura Tipos de luminarias exteriores Figura 4.1. Explicación código IP Figura 4.2. Escala de temperatura de color, en K Figura 5.1. Aporte de luz natural durante las horas del día Figura 5.2. Descripción nueva tecnología para aporte de luz natural

4 Figura 5.3. Nueva tecnología para aporte de luz natura Figura 5.4. Rendimiento luminoso. Fuente: Catalogo OSRAM Evolución del flujo luminoso Figura 6.2. Flujos Proyecto Figura 6.3. Diagrama sistemas de control.. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA Figura 6.4. Flujos Proyecto Comparación de los flujos de proyecto Figura 6.6. Comparación consumo de energía

5 1 Introducción. En Chile la iluminación utilizada en la industria, comercio y en las residencias representa cerca de un 20% del consumo de energía eléctrica. Dentro de la matriz de energía en el sector agroindustrial, el consumo de los sistemas de iluminación, por lo general, se encuentra entre un 2% y 15% Los sistemas de iluminación presentan buenas oportunidades de implementar soluciones de eficiencia energética. Debido a que estás son aplicadas localmente y normalmente no es necesario intervenir mayormente las instalaciones eléctricas. Las inversiones asociadas a los sistemas de iluminación son recuperadas generalmente entre tres meses y cinco años, lo cual dependerá directamente de la cantidad de horas de uso y del tipo de tecnología utilizada. Los periodos de retorno de la inversión disminuyen considerablemente si las opciones de eficiencia energética son detectadas en la etapa de proyecto. Con el presente escrito se persigue otorgar una herramienta básica en lo que a sistemas de iluminación refiere, enfocado principalmente en el uso racional de energía, este en ningún caso persigue ser una guía técnica de luminotecnia. En la actualidad todas las lámparas incandescentes, fluorescentes compactas y tubos fluorescentes comercializados en nuestro país deben contar con una etiqueta de eficiencia energética, cuyo objetivo otorgar una herramienta de decisión, basada en la eficiencia en el uso de energía, para optar por alguna tipo de tecnología u otra. 3

6 2 Objetivos. 2.1 Objetivo general Con el presente escrito se persigue otorgar una herramienta básica en lo que a diseño de sistemas de iluminación refiere, enfocado principalmente en el uso racional de la energía, este en ningún caso persigue ser una guía técnica de luminotecnia. 2.2 Objetivo específico Otorgar herramientas para que los usuarios puedan implementar tecnologías eficientes por sí mismos y/o asesorados por especialistas. Mostrar las diversas tecnologías para los sistemas de iluminación disponibles en el mercado nacional. Realizar una evaluación técnico económico de diversos proyectos de iluminación eficiente. 4

7 3 Sistemas de iluminación. Es un conjunto formado por un grupo de luminarias y la instalación eléctrica, cuyo objetivo es iluminar de modo artificial lugares en los cuales existe ausencia o escasez de luz natural. 3.1 Tipos de Alumbrado Alumbrado General Esta disposición de alumbrado es utilizado principalmente en zonas con superficies mayores a 200 m 2, y donde los niveles de iluminación requeridos no son muy elevados. En el caso de las agroindustria el alumbrado general es utilizado en las zonas de Packing y áreas en las cuales son refrigerados los productos, como túneles y cámaras de frío. Alumbrado general y local. El alumbrado general es complementado por un alumbrado local, que persigue incrementar los niveles de iluminación. En el caso de las agroindustria es posible observar esta combinación de alumbrado en la zona de Packing, en donde se lleva a cabo la tarea de seleccionar la fruta. Alumbrado exterior Por lo general es utilizado para iluminar recintos exteriores en donde transitan personas en horas de la noche. Ejemplos de este tipo de alumbrado son los utilizados en la vía pública, estacionamiento, entre otros Conceptos básicos. Lámpara: es un equipo emisor de luz, ejemplos de lámparas son las ampolletas y los tubos fluorescentes. Luminarias: son las estructuras que sostienen y conectan a la red de eléctrica las lámparas. También son las encargadas de controlar y dirigir la luz emitida por las lámparas. 5

8 Luminaria Lámpara Figura 3.1. Ejemplo de lámpara y luminaria Flujo luminoso: es la cantidad de luz que es capaz de emitir una lámpara bajo condiciones determinadas. Su unidad de medida es el lumen (lm). Rendimiento lámpara (eficiencia): este representa la cantidad de luz que es capaz de entregar la lámpara por unidad de potencia. Su unidad de medicad es el lm/w. Este dato es informado por el fabricante. Un error frecuente es pensar que las lámparas con mayor consumo de potencia son capaces de emitir una mayor cantidad de luz. Un ejemplo que contradice esto son las lámparas fluorescentes compactas, que con una potencia cuatro veces menor que las incandescentes son capaces de entregar similar cantidad de luz. Rendimiento de la luminaria: basicamente nos indica que parte de la luz emitida por la lámpara es dirigido luminaria por la luminaria hacia el palno de trabajo. El rendimiento de la luminaria, por lo genereal se expresa en porcentaje. Este dato es informado por el fabricante. Índice de reproducción cromática (IRC o Ra): es la capacidad de una lámpara para reproducir fielmente los colores de varios objetos en comparación con una fuente de luz natural o ideal. La siguiente tabla muestra el IRC para algunos tipos de lámparas Temperatura de color: Es el color que otorga la luz emitida por una determinada lámpara, en comparación con una llama que posee diversas temperaturas, de ahí su nombre. La unidad de medida de esta propiedad son los grados Kelvin Deslumbramiento: condición visual que produce molestia, interferencia en la eficiencia visual y/o fatiga visual, debido a la gran luminosidad de una porción del campo de visión (lámparas, luminarias, ventanas u otras superficies que son mucho más luminosas que el resto del campo visual). 6

9 3.1.2 Algunos tipos de lámparas. Lámparas fluorescentes tubulares (tubos fluorescentes) Dado su bajo consumo de energía, duración y buena reproducción de color se han convertido en las lámparas más utilizadas. Estas son utilizadas principalmente en iluminación interior de edificios comerciales e industriales. En la actualidad existen tres tipos de tecnologías disponibles lámparas fluorescentes tubulares: Tecnología T-10(menos eficiente en el consumo de energía Tecnología T-8(eficiente en el consumo de energía) Tecnología T-5(muy eficiente en el consumo de energía) La clasificación de las tecnologías para los tubos fluorescentes viene de los diámetros que poseen. Por ejemplo, T-10 significa que su diámetro corresponde a 10/8 de pulgada, T-5 quiere decir que su diámetro corresponde a 5/8 de pulgada. Mientras. A continuación se muestran imágenes para estos tres tipos de lámparas Lámparas LED (Light Emitting Diode) Figura 3.2. Tipos de tubos fluorescentes. En un comienzo esta tecnología era utilizada para tableros electrónicos, semáforos, luces de freno de automóviles, entre otros. En la actualidad se utiliza para pantallas de computadores, de televisión e iluminación artificial. Estos dispositivos obtiene la luz a partir de diodos semiconductores. Tienen un buen índice de reproducción cromática, entre 70 y 85, además están disponibles en temperaturas de color que verían entre y K. Dentro de todas las lámparas son la que tiene un mayor rendimiento. 7

10 Figura 3.3. Tipos de lámparas LED Las lámparas del tipo LED son una tecnología en desarrollo, por esto es recomendable adquirirlos cuando estos superen la etapa de prueba en nuestro país, además es muy importante obtener este tipo de lámparas de marcas de confianza. Lámparas fluorescentes compactas También conocidas como lámparas de ahorro de energía, son las encargadas de reemplazar a las lámparas incandescentes, halógenos y haluros metálicos, en algunas aplicaciones. Estas lámparas utilizan los mismos principios que los tubos fluorescentes, son básicamente un tupo fluorescente compactado. Su aplicación va desde el sector residencial hasta el industrial. Estas lámparas, al igual que los tubos fluorescentes, necesitan de un balasto. Desde este punto de vista esta puede clasificarse en lámparas de ahorro de energía con equipo incorporado (balasto+partidor) o con equipo exterior 8

11 lámparas de ahorro de energía con equipo incorporado lámparas de ahorro de energía con equipo exterior Lámparas haluro metálico. Figura 3.4.Tipos de lámparas fluorescentes compactas. Dado su bajo consumo de energía, duración y buena reproducción de color eléctrica se han convertido en una de lámparas más utilizadas. Estas son utilizadas tanto en alumbrado interior como exterior. En el sector agroindustrial es común encontrarlas en la zona de Packing. 9

12 Figura 3.5. Tipos de lámparas haluro metálico Lámparas de vapor de sodio Son las lámparas más eficientes en el uso de energía, sin embargo estas poseen un bajo índice de reproducción cromático, es por esto que su uso, por lo general, esta limitado al alumbrado exterior. Figura 3.6. Tipos de lámparas vapor de sodio 10

13 Las principales características de las lámparas que se deben conocer antes optar por una o por otra tecnología son: Temperatura de color Rendimiento (eficiencia) Vida útil Aplicación Potencia Cantidad de luz que emiten Índice de reproducción cromática. La siguiente tabla muestra una comparación basada en estas características para las luminarias descritas. Tabla 3.1. Características técnicas para los diversos tipos de lámparas. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA. Etiquetado energético En la actualidad todas las lámparas incandescentes, fluorescentes compactas y tubos fluorescentes comercializados en nuestro país deben contar con una etiqueta de eficiencia energética, cuyo objetivo otorgar una herramienta de decisión, basada en la eficiencia en el uso de energía. La simbología que utilizan las etiqueta de eficiencia energética esta compuesta por barras de diferentes colores sobre las cuales se encuentra una letra que va desde la A hasta la G (ver la figura siguiente), siendo la primera de estas la opción la más eficiente y la última la menos eficiente. 11

14 Indica la clase de eficiencia energética Indica el flujo luminoso de la lámpara en Lumen Indica la Norma de eficiencia energética Indica la potencia de la lámpara en Watt Indica la vida útil de la lámpara en Horas Figura 3.7. Etiquetado de eficiencia energética Algunos tipos de luminarias. Como ya fue mencionado, las luminarias son las encargadas de dirigir y controlar la luz emitidas por las lámparas. A continuación son descritas los tipos de luminarias más utilizadas en el sector agroindustrial. 1. Luminarias herméticas Estas luminarias protegen al ambiente exterior de los posibles residuos desprendibles de las lámparas, recordemos que los tubos fluorescentes y algunas lámparas de descarga utilizan mercurio para su funcionamiento. Son frecuentemente utilizadas en Packing y Casinos, en general zonas en las cuales existe manipulación de alimentos. A continuación se muestran imágenes del tipo de luminarias descrito. Figura 3.8. Tipos de luminarias herméticas El rendimiento de estas luminarias varía entre un 60 y un 80%, lo que significa que la mayor parte de la luz emitida por la lámpara es dirigida al plano de trabajo 12

15 2. Luminarias con reflector Estas luminarias está constituida por una estructura que cumple dos funciones principales: sostener la lámpara y dirigir la luz emitida por esta en todas direcciones al plano de trabajo. Estas luminarias son utilizadas principalmente en recintos interiores: oficinas, salas de estar, pasillos, bodegas, etc. A continuación se muestran imágenes del tipo de luminarais descrito. Figura 3.9. Tipos de luminarias con reflector El rendimiento de estas luminarias varía entre un 70 y un 85%, lo que significa que la mayor parte de la luz emitida por la lámpara es dirigida al plano de trabajo. 3. Luminarias con difusor Estas luminarias son utilizadas principalmente para alumbrado general, su principal característica es que emiten luz que prácticamente no genera sombra y con un bajo grado de deslumbramiento, son utilizados principalmente en oficinas IP: 40 Figura Tipos de luminarias con difuso El rendimiento de estas luminarias varía entre un 50 y un 65%, lo que significa que la mayor parte de la luz emitida por la lámpara es dirigida al plano de trabajo. 4. Luminarias exteriores Estas luminarias protegen a las lámparas del ambiente exterior, principalmente del agua, humedad y el polvo. Son utilizadas principalmente para alumbrado exterior en estacionamiento, calles, entre otros, 13

16 Figura Tipos de luminarias exteriores. Las características de las luminarias que se deben conocer antes optar por una o por otra tecnología son: Ambientes de uso Rendimiento Protección IP Tipo de reflector Balastos Estos mantienen la tensión necesaria para generar un arco eléctrico al interior de las lámparas fluorescentes tubulares, lámparas fluorescentes compactas y lámparas de descarga a la vez que limita la corriente a la que se somete el tubo o lámpara. Existen dos tipos principales de balastos: los electromagnéticos y los electrónicos. A continuación se presenta una tabla resumen que muestra una comparación técnica entre las los balastos electrónicos y electromagnéticos. Tabla 3.2. Comparación balastos magnéticos y electrónicos. Tipo de balasto Electromagnético Electrónico Peso (grs) Vida útil (Hrs.) Frecuencia alimentación (Hz) Frecuencia salida (Hz) Distorsión armónica (THD) >25% >15% Factor de potencia >0,5 <0,96 Al determinar la potencia que consumen las luminarias se incurre en el error de considerar sólo el consumo de las lámparas fluorescentes tubulares, y no la potencia que consume el balasto. La siguiente tabla muestra los rangos de potencia disipados por los balastos magnéticos y electrónicos de acuerdo al tipo de lámpara. 14

17 Tabla 3.3. Pérdidas de los balastos. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA. A continuación se muestra una comparación técnico-económica entre una luminaria que utiliza balasto magnético con la misma luminaria, pero utilizando balasto electrónico. Tabla 3.4. Ejemplo ahorro de energía Tipo de balasto Magnético Electrónico Tipo de lámpara Tubo fluorescente Tubo fluorescente Potencia lámpara 36 W 36 W Cantidad de lámparas 2 2 Pérdidas del balasto 18 W 7,2 W Potencia luminaria 90 79,2 Horas de uso hrs hrs. Consumo de energía anual 225 kwh 198 kwh Precio de la energía 100 $/kwh 100 $/kwh Costo anual de energía asociado $ $ Costo balasto $ $ Ahorro costos de energía $ 0 $ Existe una diferencia en la inversión inicial entre un balasto magnético y electrónico, para el caso expuesto en el ejemplo anterior esta diferencia es recuperada en un periodo cercano a los dos años. Este periodo disminuye considerablemente si el uso de la luminaria aumenta. Los ahorros se incrementan en el tiempo, ya que la vida útil de un balasto electrónico es cinco veces mayor que un balasto magnético. En algunos países de Europa existe la meta de retirar del mercado paulatinamente los balastos magnéticos. 15

18 4 Criterios de Calidad y Diseño Existen diversos criterios de diseño que son aplicados en los sistemas de iluminación, los cuales abarcan desde el aspecto técnico, pasando por criterios estéticos, hasta lo referido a temas de confort. Tanto es así, que existen diversas normativas orientadas a establecer estándares mínimos de iluminación en lugares determinados, por ejemplo: oficinas, laboratorios, pasillos, ente otros. La principal normativa utilizada en nuestro país es el Decreto Supremo N 594: APRUEBA REGLAMENTO SOBRE CONDICIONES SANITARIAS Y AMBIENTALES BÁSICAS EN LOS LUGARES DE TRABAJO. En este capítulo sólo serán presentados algunos de los criterios de diseño utilizados en los sistemas de iluminación. 4.1 Condiciones del ambiente y lugares de uso: Condiciones del ambiente Esto se refiere principalmente a: Las condiciones que impone el ambiente para el funcionamiento de los sistemas de iluminación: humedad del ambiente, temperatura, entre otros. La higiene requerida en el lugar, por ejemplo en lugares en los cuales se manipulen alimentos: cocinas, Packing, entre otros, donde las luminarias deben ser herméticas para que en el caso de fallas eléctricas o mecánicas en donde se liberen residuos, estos no caigan sobre los alimentos Lugares de uso La elección de un determinado tipo de luminaria utilizada en un proyecto de iluminación, dependerá de su: Ubicación: Ambiente interior o Packing o Oficinas o Pasillos o Casinos y cocina Ambiente exterior: o Alumbrado público o Estacionamientos Para verificar que la luminaria se puede utilizar en un ambiente y/o lugar existe una clasificación denominada índice de protección, IP. Este último representa un código alfa númerico que indica el grado de protección que tienen los aparatos electricos-eléctrónicos contra el ingreso de objetos solidos o agua. A continuación se muestra la explicación de dicho código 16

19 Figura 4.1. Explicación código IP Símbolo 1, según norma ANSI/IEC Nivel Tamaño del objeto entrante 0 Sin protección 1 >50 mm 2 >12.5 mm 3 >2.5 mm 4 >1 mm 5 Protección contra polvo 6 Protección fuerte contra polvo Tabla 4.1. Descripción código IP Símbolo 2, según norma ANSI/IEC Nivel Protección frente a Efectivo contra El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 50 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 12,5 mm de diámetro) no debe llegar a entrar por completo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 2,5 mm de diámetro) no debe entrar en lo más mínimo. El elemento que debe utilizarse para la prueba (esfera de 1 mm de diámetro) no debe entrar en lo más mínimo. La entrada de polvo no puede evitarse, pero el mismo no debe entrar en una cantidad tal que interfiera con el correcto funcionamiento del equipamiento. El polvo no debe entrar bajo ninguna circunstancia Tabla 4.2. Descripción código IP Método de prueba Resultados esperados 0 Sin protección. Ninguno El agua entrará en el equipamiento. 1 Goteo de agua 2 Goteo de agua 3 Agua nebulizada. (spray) Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. No debe entrar el agua cuando se la deja caer, desde 200mm de altura respecto del equipo, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm3 por minuto) No debe entrar el agua cuando de la deja caer, durante 10 minutos (a razón de 3-5 mm3 por minuto). Dicha prueba se realizará cuatro veces a razón de una por cada giro de 15º tanto en sentido vertical como horizontal, partiendo cada vez de la posición normal de trabajo. No debe entrar el agua nebulizada en un ángulo de hasta 60º a derecha e izquierda de la vertical a un promedio de 10 litros por minuto y a una presión de kN/m2 durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos. 17

20 4 Chorros de agua 5 Chorros de agua Chorros muy potentes de agua. Inmersión completa en agua. Inmersión completa y continua en agua. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. Se coloca el equipamiento en su lugar de trabajo habitual. El objeto debe soportar (sin filtración alguna) la inmersión completa a 1 metro durante 30 minutos. El equipamiento eléctrico / electrónico debe soportar (sin filtración alguna) la inmersión completa y continua a la profundidad y durante el tiempo que especifique el fabricante del producto con el acuerdo del cliente, pero siempre que resulten condiciones más severas que las especificadas para el valor 7. No debe entrar el agua arrojada desde cualquier ángulo a un promedio de 10 litros por minuto y a una presión de kN/m2 durante un tiempo que no sea menor a 5 minutos. No debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a un promedio de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30kN/m2 durante un tiempo que no sea menor a 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros. No debe entrar el agua arrojada a chorros (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 12,5 mm de diámetro, a un promedio de 100 litros por minuto y a una presión de 100kN/m2 durante no menos de 3 minutos y a una distancia que no sea menor de 3 metros. No debe entrar agua. No debe entrar agua 4.2 Confort En términos de luz, puede decirse que el confort lumínico se logra cuando el ojo humano está en condiciones de leer un libro u observar un objeto fácil y rápidamente sin distracciones y sin ningún tipo de estrés visual. Los parámetros que se deben considerar para obtener confort visual son principalmente una adecuada iluminación, la limitación del deslumbramiento (exceso de iluminación) y las consideraciones subjetivas de un adecuado esquema de color Niveles de iluminancia requeridos y uniformidad Son los niveles mínimos de iluminación establecidos por la normativa nacional, de acuerdo a las actividades que se realizan en un lugar determinado. Estos niveles persiguen establecer los valores mínimos requeridos para obtener un grado de confort visual. La siguiente tabla muestra los valores considerados en dicha norma, Decreto Supremos 594, Articulo

21 Tabla 4.3. Niveles de iluminación, de acuerdo a Decreto Supremos Propiedades de color Temperatura de color Es el color que otorga la luz emitida por una determinada lámpara, en comparación con una llama que posee diversas temperaturas, de ahí su nombre. La unidad de medida de esta propiedad son los grados Kelvin Mientras más baja sea la temperatura de color, más cálida será la luz, y cuanta más alta sea, más azulada o fría. La siguiente figura muestra el color obtenido para cada temperatura (la escala se encuentra en K). 19

22 Figura 4.2. Escala de temperatura de color, en K Si la Temperatura de Color es inferior a 3.300K diremos que es una fuente de luz cálida, si se encuentra entre y 5.000K diremos que se trata de un blanco neutro, y si está por encima de 5.000K la luz proporcionada por esa fuente será blanco frío. El siguiente recuadro muestra recomendaciones para seleccionar una determinada temperatura de color, de acuerdo a la actividad desarrollada. 20

23 Tabla 4.4. Temperaturas de color recomendadas. Fuente: Guía Técnica de Eficiencia Energética en Iluminación, IDEA. La elección final del grupo de temperatura de color depende del nivel de iluminancia, la presencia o ausencia de luz natural, condiciones climáticas y, sin lugar a dudas, de la preferencia personal. Índice de reproducción cromática Con un tipo de lámpara u otro serán percibidas distintas tonalidades de color para un mismo objeto, sólo con la luz proveniente del sol es posible ver el verdadero color de las cosas. Basados en esta propiedad, se define el índice de reproducción cromática (IRC o Ra) que es básicamente la capacidad de una lámpara para reproducir fielmente los colores de varios objetos en comparación con una fuente de luz natural o ideal. La siguiente tabla muestra el IRC para algunos tipos de lámparas 21

24 Tabla 4.5. Índice de reproducción de color según tipo de lámpara Tipo de lámpara IRC o Ra Lámpara incandescente 100 Lámpara fluorescente compacta Lámpara de haluro metálico Sodio Alta Presión Técnicamente, los IRC (índice que varía entre 0 y 100) sólo pueden compararse entre fuentes de luz con la misma temperatura de color. No obstante, como norma general, podemos decir que "cuanto más alto mejor"; las fuentes de luz con un IRC alto (80-100) suelen ofrecer mejor aspecto a personas y objetos que las de IRC bajo. En el caso del sector agroindustrial, resulta muy importante escoger lámparas con un buen IRC, especialmente en las zonas en que la fruta o verduras son seleccionadas de acuerdo al color. 22

25 4.2.3 Deslumbramiento Condición visual que produce molestia, interferencia en la eficiencia visual y/o fatiga visual, debido a la gran luminosidad de una porción del campo de visión (lámparas, luminarias, ventanas u otras superficies que son mucho más luminosas que el resto del campo visual). Los principales tipos de deslumbramiento son: El deslumbramiento directo: depende de luminancias altas en el campo de visión, por ejemplo cuándo se mira directamente una lámpara. El deslumbramiento indirecto: depende de reflexiones de luminancias altas, por ejemplo cuando la luz emitida por una lámpara se refleja en un espejo. 4.3 Consumo de energía Dentro de la matriz de consumo de energía eléctrica en el sector agroindustrial, el consumo de energía de los sistemas de iluminación, por lo general, se encuentra entre un 2 y 15%, lo que dependerá principalmente de las características de la instalación a iluminar y su periodo de uso. Dado el alto precio que ha alcanzado la energía eléctrica, este es un criterio que toma día a día mayor importancia en los diseños de los sistemas de iluminación, dejando en un segundo plano los criterios estéticos aplicados. La herramienta utilizada para aplicar este criterio es el índice de eficiencia energética (IEE), que se describe en el siguiente punto 4.4 Introducción a los índices energéticos El Índice de Eficiencia Energética (IEE) es un factor que permite comparar el consumo de energía entre un proyecto y otro. Básicamente es un valor que ayuda a mantener un proyecto de iluminación dentro de cierto rango de eficiencia, o un valor que permite establecer que tan eficiente es un sistema de iluminación ya instalado. La unidad de medida del IEE es (W/m2-100 Lux) Al evaluar el proyecto de iluminación se verificara el IEE para el conjunto del proyecto mediante el cociente entre la potencia eléctrica total proyectada y la superficie considerada. El IEE depende de: Las dimensiones del recinto a iluminar Disposición de las luminarias Niveles de iluminancia Rendimiento de las lámparas Rendimiento de las luminarias Es por todo esto, que el IEE medio recomendado, más que un valor único debe ser un intervalo entre un IEE óptimo y un IEE máximo. Siendo el primero de estos últimos el que obtenga el menor consumo de energía y el segundo el consumo de energía máximo. 23

26 Si el la elaboración de un proyecto de iluminación, se obtiene un IEE que supera el IEE máximo, se sugiere replantear el proyecto hasta obtener un valor que se encuentre entre el rango de eficiencia, o mejor aún alcanzar el IEE óptimo IEE óptimo < IEE obtenido <IEE máximo 24

27 5 Oportunidades de eficiencia energética Los sistemas de iluminación presentan buenas oportunidades de implementar soluciones de eficiencia energética. Debido a que estás son aplicadas localmente y normalmente no es necesario intervenir mayormente las instalaciones eléctricas. Las inversiones asociadas a los sistemas de iluminación son recuperadas generalmente entre tres meses y cinco años, lo cual dependerá directamente de la cantidad de horas de uso y del tipo de tecnología utilizada. Los periodos de recuperación de la inversión disminuyen considerablemente, si las opciones de eficiencia energética son detectadas en la etapa de proyecto. 5.1 Iluminación natural Se trata de un tipo de energía renovable no convencional, que por lo demás es gratis, básicamente es el aporte de iluminación que se puede obtener del sol. El uso de esta fuente de energía dependerá de la ubicación geográfica y de la época del año en que se requiera. La luz proveniente del sol es un tipo de iluminación óptima, dado su elevado IRC (100) y los altos niveles de iluminación que se pueden alcanzar, entre 500 y lux dependiendo de la época del año y las características arquitectónicas del recinto. La siguiente figura muestra el aporte de luz natural que se puede obtener durante las horas, los cuales deben ser complementados con sistemas de luz artificial. Figura 5.1. Aporte de luz natural durante las horas del día. La iluminación natural se puede obtener mediante la arquitectura de una construcción y/o con el uso de dispositivos que controlan su reflexión. A continuación se muestran imágenes con la descripción de las nuevas tecnologías utilizadas para la iluminación natural. 25

28 Figura 5.2. Descripción nueva tecnología para aporte de luz natural 26

29 Figura 5.3. Nueva tecnología para aporte de luz natura La luz natural puede aportar incrementos en la eficiencia del sistema de iluminación, en particular cuando se combinan con sistemas automáticos de regulación de luz artificial. Los sistemas basados en el control de la luz natural que penetra en un recinto, por medio de fotocelda, ofrecen otro método alternativo para el ahorro energético. Un sensor de luz, colocado habitualmente en el techo, mide la cantidad de luz natural que reciben las mesas situados debajo de él, y ajusta automática-mente la aportación de luz artificial necesaria para la correcta realización de la tarea que se desarrolla. 27

30 Existen dos tipos de sistemas de regulación: - Todo/Nada: La iluminación se enciende y apaga por debajo o por encima de un nivel de iluminación prefijado. - Regulación progresiva: La iluminación se va ajustando progresivamente según el aporte de luz exterior hasta conseguir el nivel de luz prefijado. La alternativa más adecuada es la de utilizar luminarias con balastos electrónicos de alta frecuencia regulables, que controlados por una fotocelda, hace variar la aportación de flujo luminoso emitido por las lámparas en función de la variación de la luz natural. 5.2 Recambio de luminarias. Está es la alternativa de eficiencia energética más fácil de llevar a cabo, principalmente porque no es necesario modificar la instalación eléctrica existente, ni realizar una modelación luminotécnica. Antes de llevar a cabo está acción, es necesario conocer los tipos de tecnologías utilizados en una instalación, esto con el objetivo de determinar la eficiencia de las luminarias utilizadas y verificar si en el mercado existe una tecnología que con un menor de consumo de energía entregue la misma cantidad de luz, es decir un tipo de luminaria más eficiente. Para aclarar la eficiencia energética que es posible obtener para cada tipo de lámpara, a continuación se muestra una figura comparativa. Figura 5.4. Rendimiento luminoso. Fuente: Catalogo OSRAM 28

31 Si bien las lámparas de vapor de sodio tienen el mayor rendimiento luminoso su reproducción de color no es óptimo, es por esto que su aplicación está limitada, por lo general, a luminarias exteriores, como iluminación pública. Las lámparas de haluro metálico y los tubos fluorescentes también poseen buenos rendimientos luminosos, además de una buena reproducción de color, estos son aplicados principalmente en ambientes interiores, en el sector agroindustrial es común ver estas lámparas en la zona de Packing. Debido a que los tubos fluorescentes son las lámparas más utilizadas, a continuación se muestran una comparación entre los diversos tipos disponibles en el mercado. Tabla 5.1. Características técnicas de los tipos de tubos fluorescentes existentes Tecnología T-10 Tecnología T-8 Tecnología T-5 Características técnicas Potencia [W] Flujo l.[lm] Rendimiento [lm/w] Largo [mm] Diámetro [mm] Características técnicas Largo Diámetro Potencia [W] Flujo l.[ lm] Rendimiento [lm/w] [mm] [mm] Características técnicas Largo Diámetro Potencia [W] Flujo l.[ lm] Rendimiento [lm/w] [mm] [mm] La siguiente tabla muestra algunas recomendaciones de reemplazo de lámparas por otras de mayor eficiencia. Tabla 5.2. Recomendaciones de Eficiencia Energética. Situación actual Recomendación Incandescente 300 W Haluro Metálico 70 W Incandescente 250 W Haluro Metálico 70 W Incandescente 200 W Haluro Metálico 70 W Mixta 160 W (ambiente interno) Haluro Metálico 70 W Mixta 160 W (ambiente externo) Vapor de Sodio 70 W Mixta 250 W (ambiente interno) Haluro Metálico 70 W Mixta 250 W (ambiente externo) Vapor de Sodio 70 W Mixta 500 W (ambiente interno) Haluro Metálico 250 W Mixta 500 W (ambiente externo) Vapor de Sodio 150 W Vapor de Mercurio 80 W Vapor de Sodio 70 W Vapor de Mercurio 125 W Vapor de Sodio 70 W Vapor de Mercurio 250 W Vapor de Sodio 150 W 29

32 Situación actual Vapor de Mercurio 400 W Halógena 100 W Halógena 150 W Halógena 300 W Halógena 500 W Recomendación Vapor de Sodio 250 W Fluorescente Compacta 23 W Fluorescente Compacta 2x20 Haluro Metálico 70 W Haluro Metálico 150 W La siguiente tabla muestra una comparación técnica-económica entre una luminaria halógena y un haluro metálico, que incluye aspectos de consumo de energía y costos asociados. Además, entrega un resumen de las características técnicas. Tabla 5.3. Ejemplo ahorro de energía Situación Actual Recomendada Tipo de lámpara Halógena 500 W Haluro Metálico 150 W Flujo luminoso lámpara Potencia entrada 500 W 150 W Tiempo de uso hrs hrs Consumo de energía anual kwh 375 kwh Precio de la energía 100 $/kwh 100 $/kwh Costo anual de energía asociado $ $ Rendimiento luminoso 21,0 lm/w 76,0 lm/w Ahorro costos de energía $ 0 $ Vida útil hrs hrs 5.3 Diseño eficiente. Un diseño eficiente comienza con el conocimiento de las tecnologías disponibles y una modelación luminotécnica de las instalaciones, lo cual se puede realizar a través de software especializados. Los software luminotécnicos permiten determinar la iluminancia que se obtendrá de acuerdo a un al tipo de luminaria a utilizar y las características del lugar a iluminar (, colores de los muros, tipo de cielo, dimensiones del recinto, aporte de luz natural, etc.). Dentro de estos software se encuadran aquellos que son de propiedad de los fabricantes de luminarias y aquellos independientes, que permiten utilizar las bases de datos de todos los fabricantes de luminarias. Muchos de estos software de iluminación pueden ser descargados de Internet en forma gratuita. La modelación luminotécnica entregará la cantidad exacta de luminarias necesarias para alcanzar los niveles de iluminación requeridos, además de la disposición que estas deben tener en el recinto a iluminar, es decir, la altura en que se deben montar y la orientación que estas deben tener. 5.4 Sistemas de Control Control de la iluminación artificial mediante interruptores manuales y temporizados. 30

33 Un simple interruptor manual es una poderosa herramienta para ahorrar energía. Los trabajadores pueden apagar el alumbrado durante su ausencia en una dependencia, horas de comidas, etc. Esto es raramente realizado en la práctica cuando el primer ocupante de un local entra en él, la posibilidad de que encienda el alumbrado depende, principalmente, del nivel de luz natural existente en la sala. Sin embargo, el apagado del alumbrado no se produce hasta que el último ocupante del local lo haya abandonado, o en muchas ocasiones hasta que la persona de seguridad de la empresa realiza la ronda de última hora de la tarde. Los interruptores deben estar perfectamente etiquetados, indicando sobre qué instalación o circuito actúa cada uno, y separados entre sí, para que el usuario no sienta la tentación de activar varios de ellos con un solo movimiento de la mano. Las luminarias deben estar conectadas a varios circuitos, separando las que se encuentran próximas a las ventanas de aquellas situadas en el lado opuesto. El control de iluminación mediante interruptores temporizados es un sistema más radical que los manuales. Las lámparas son apagadas desde un panel central a la misma hora cada día, coincidiendo con los tiempos libres. Los usuarios son libres de reencender aquellas lámparas que consideren necesarias. En este sistema, la participación de los empleados es esencial, ya que deben involucrarse en el ahorro energético y comprender la importancia que el consumo tiene en el medio ambiente. En cada caso, un interruptor de rango superior al temporizado, debe permitir reencender las lámparas que a criterio del usuario se consideren necesarias. Interruptores temporizados independientes pueden ser utilizados en aquellas dependencias donde la permanencia de personas sea o deba ser por un tiempo limitado. Por ejemplo, en los servicios Control de iluminación artificial mediante controla-dores de luz natural. La luz natural que penetra a través de las ventanas puede crear una variación agradable en el alumbrado y facilitar un modelado y una distribución de luminancias específicas en el interior. Todo ello contribuye a un sentimiento general de satisfacción visual experimentada por los trabajadores, siempre y cuando no exista deslumbramiento por parte del sol, del cielo o de las propias ventanas cuando las salas son muy profundas. Sin embargo las ventanas que puedan originar deslumbramiento, necesitan que el alumbrado eléctrico en la zona adyacente a la luz natural sea incrementado de nivel, con objeto de compensar la alta luminancia de las ventanas. Podríamos evitar dicho deslumbramiento mediante la utilización de cristales tintados de baja transmitancia, o persianas, rejillas o mamparas. En la mayoría de las instalaciones de oficinas puede aprovecharse la luz natural hasta una distancia de unos 4m desde las ventanas y durante la mayor parte del año, pudiendo 31

34 reducir el flujo de las luminarias instaladas sobre las mesas que ocupan esta posición cercana a las ventanas. Cuando existe aportación de luz natural en el interior, es importante eliminar las zonas oscuras con el apoyo de luz artificial y que ésta tenga una apariencia en color próxima a la de la luz natural tras ser tamizada por los cristales, así mismo cuando el nivel de luz natural sea excesivo se debe reducir con toldos, apantallamientos, cristales opales, o persianas. No obstante, la luz natural puede aportar incrementos en la eficiencia del sistema de iluminación, en particular cuando se combinan con sistemas automáticos de regulación de luz artificial. Este aporte de luz natural debe ser propiciado en primera fase por la incorporación en la propia estructura del edificio, de elementos arquitectónicos como ventanas, lucernarios, claraboyas y paramentos verticales acristalados y, en segunda fase, con la realización de un proyecto de regulación de los sistemas de iluminación artificial acorde a la contribución de la luz natural. Los sistemas basados en el control de la luz natural que penetra en un local, por medio de fotocélulas, ofrecen otro método alternativo para el ahorro energético. Un sensor de luz, colocado habitualmente en el techo, mide la cantidad de luz natural que reciben las mesas situados debajo de él, y ajusta automática-mente la aportación de luz artificial necesaria para la correcta realización de la tarea que se desarrolla. Existen dos tipos de sistemas de regulación: -Todo/Nada: La iluminación se enciende y apaga por debajo o por encima de un nivel de iluminación prefijado. Regulación progresiva: La iluminación se va ajustando progresivamente según el aporte de luz exterior hasta conseguir el nivel de luz prefijado. Un mal funcionamiento del sensor, puede causar molestias a los trabajadores, por los encendidos y apagados de las lámparas, motivados por las variaciones de la luz natural. La alternativa más adecuada es la de utilizar luminarias con balastos electrónicos de alta frecuencia regulables, que controlados por una fotocélula, hace variar la aportación de flujo luminoso emitido por las lámparas en función de la variación de la luz natural Control de iluminación artificial mediante detectores de presencia. Los detectores de presencia responden a la ausencia de personas en el local con el apagado del alumbrado artificial. Existen cuatro tipos de detectores de presencia: - Infrarojos - Acústicos por ultrasonidos - Acústicos por microondas - Híbridos de los dos anteriores Estos sistemas pueden originar el apagado de la instalación que controlan, si a pesar de la presencia de alguna persona en el interior, esta permanece durante un periodo de tiempo en actitud estática. 32

35 5.4.4 Regulación y control por un sistema centralizado de gestión. En edificios destinados a usos múltiples, es cada vez más interesante disponer de un sistema que permita el manejo y el control energético de las instalaciones de iluminación, de forma similar a los implantados para otras instalaciones como las de climatización. El control centralizado supone una serie de ventajas, entre las que citaremos: - Posibilidad de encendido/apagado de zonas mediante órdenes centrales, bien sea manuales o automáticas (control horario). - Modificación de circuitos de encendido a nivel central sin obras eléctricas. - Monitorización de estado de los circuitos y consumos de los mismos. Si el sistema centralizado dispone simultáneamente de control local, un buen uso de la centralización permitirá un considerable ahorro de energía, aplicando un buen control horario, de acuerdo con las necesidades del usuario, que evite luces olvidadas encendidas. Se recomiendan las siguientes reglas genéricas de conmutación, que son aplicables a cualquier tipo de sistema de control. Cada oficina o zona, por separado debe tener sus propios interruptores de control. En grandes espacios, las zonas de trabajo deben agruparse y el alumbrado de cada grupo conmutarse independientemente. Cada grupo debe ser conmutable en al menos dos etapas del 50% cada una y distribuido uniformemente sobre toda el área. Las zonas de tareas que precisen niveles mayores de iluminación, como por ejemplo mesas de dibujo, deben tener circuitos de alumbrado independientes. Las luminarias adyacentes al plano de ventanas deben conectarse en grupos conmutados separadamente. 33

36 6 Evaluación de proyectos de eficiencia energética. Dentro del sector agroindustrial el consumo de energía proveniente de los sistemas de iluminación se intensifica en la zona de Packing. En este lugar es donde se realiza el lavado, selección, embalaje y pesaje de la fruta. Todas estas tareas requieren de sistemas de iluminación que otorguen elevados índices de reproducción de color, además de altos niveles de confort, ya que aquí son desarrolladas actividades que necesitan un alto grado de esfuerzo visual por parte de los trabajadores. A continuación se compararán un caso base, con dos proyectos que buscan optimizar el consumo de energía de los sistemas de iluminación utilizado en la Zona de packing de un frigorífico. 6.1 Descripción caso base. El Paking una superficie de m 2, con una altura de 7 m. El cielo esta compuesto por planchas de zinc y policarbonato, estas últimas permiten el ingreso de luz natural al recinto durante las horas del día. Dado actividades que se realizan en la zona de Packing, se requiere que los sistemas de iluminación otorguen 500 lux en la zona en donde se realiza la tarea de seleccionar la fruta y 300 lux en el resto de las zonas, además de un índice de reproducción de color (IRC) que varíe entre 70 y 90. En la actualidad se utiliza un sistema de iluminación que combina alumbrado general y alumbrado local, además las luminarias utilizadas en este han cumplido su vida útil. A continuación se detallan las características técnicas de las luminarias utilizadas. Alumbrado general Luminaria Tabla 6.1. Características técnicas luminarias alumbrado general Tipo Características técnicas Cantidad Tipo de lámpara: Haluro metal Cantidad de lámparas: 1 Potencia lámpara: 400 W Tipo de balasto: magnético Perdidas del balasto: 80 W Potencia luminaria: 480 W Ra: 65 Lámpara Potencia total kw

37 Alumbrado local Luminaria Tabla 6.2. Características técnicas luminarias alumbrado local Tipo Características técnicas Cantidad Tipo de lámpara: tubo fluorescentes Cantidad de lámparas: 2 Potencia lámpara: 40 W Tipo de balasto: magnético Perdidas del balasto: 16 W Potencia luminaria: 96 W Ra: 85 Lámpara Potencia total (kw) El sistema de iluminación está conformado por 250 luminarias, con una potencia conectada de 82 kw. Los sistemas de iluminación son utilizados 5 meses por año, de lunes a sábado y en horario continuo. Lo que se traduce en un uso de horas anuales. 6.2 Proyecto 1: recambio uno a uno de las luminarias El primer proyecto consiste en realizar un cambio uno a uno de las luminarias utilizadas, básicamente se trata de realizar una actualización de las tecnologías. El cambio consiste el utilizar sólo luminarias que contengan tubos fluorescentes del tipo T-5. La siguiente tabla muestra una descripción de las luminarias propuestas de acuerdo al tipo de alumbrado. Alumbrado general Tabla 6.3. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado general Tipo Características técnicas Cantidad Potencia total (kw) Tipo de lámpara: tubo fluorescente Cantidad de lámparas: 4 Potencia lámpara: 54 W Tipo de balasto: electrónico Perdidas del balasto: 21 Lámpara W Potencia luminaria: 238 W Ra: Alumbrado local Tabla 6.4. Características técnicas luminarias Proyecto EE para alumbrado local Tipo Características técnicas Cantidad Potencia total (kw) 35

38 Luminaria Lámpara Tipo de lámpara: tubo fluorescentes Cantidad de lámparas: 2 Potencia lámpara: 28 W Tipo de balasto: electrónico Perdidas del balasto: 16 W Potencia luminaria: 61 W Ra: El sistema de iluminación está conformado por 250 luminarias, con una potencia conectada de 42 kw. Tabla 6.5. Ahorro de energía con la implementación del proyecto 1 Consumo de energía caso base kwh/año Consumo de energía proyecto kwh/año Ahorro de energía Disminución de consumo de energía en los sistemas de iluminación 39% Disminución de consumo de energía global 6% Disminución de las emisiones de CO kgco2 /año Con la implementación de este proyecto se consigue disminuir el consumo de energía eléctrica en un 6%. Además de mantener los niveles de iluminancia en el tiempo, ya que la depreciación del flujo luminoso (iluminancia) de las lámparas del caso base, es menor que el de las luminarias propuestas en el Proyecto 1, luego de las horas de uso (ver la siguiente figura) Iluminancia (lm) horas de uso Haluro metal Tubos fluorescentes 6.1. Evolución del flujo luminoso. 36