25106417 Lighting Handbook Manual de Iluminacion Eficiente ELI

Manual de Iluminación Eficiente

ÍNDICE 1. INTRODUCCIÓN : USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA ILUMINACIÓN 2. LUZ, COLOR Y VISIÓN 3. ILUMINACIÓN EFICAZ: CALIDAD Y FACTORES HUMANOS 4. FUENTES LUMINOSAS 5. LUMINARIAS PARA LA ILUMINACIÓN DE INTERIORES 6. EQUIPOS AUXILIARES DE LAS FUENTES DE ILUMINACIÓN 7. SISTEMAS INNOVADORES DE ILUMINACIÓN 8. DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN DE INTERIORES 9. USO DE COMPUTADORAS PARA EL DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN 10. ILUMINACIÓN DE LOS ESPACIOS PRIVADOS 11. LUZ NATURAL Y LA ILUMINACIÓN DE INTERIORES

• ANEXO 1 • ANEXO 2

12. EL ALUMBRADO NATURAL EN LOS EDIFICIOS 13. ANÁLISIS ECONÓMICO DE LA ILUMINACIÓN EFICIENTE 14. AUDITORIAS ENERGÉTICAS DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL 15. POTENCIAL DE AHORRO EN EL SECTOR RESIDENCIAL 16. AUDITORIAS ENERGÉTICAS EN EDIFICIOS NO RESIDENCIALES 17. IMPACTO AMBIENTAL DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN 18. ESTRATEGIAS DE DISEÑO EFICIENTE APLICADO A DIFERENTES USOS: OFICINAS Y COMERCIAL SEMINARIO – Material didáctico complementario

• Guía para el DOCENTE • Guía para el ALUMNO

Editorial de la Universidad Tecnológica Nacional U.T.N. - Argentina

edUTecNe [Editorial Universitaria de la U.T.N.] Sarmiento 440 - (C1041AAJ) - Ciudad Autónoma de Buenos Aires – Argentina

© ELI (Efficient Lighting Initiative) - Argentina

ISBN (Publicación electrónica) 978-950-42-0077-2

Buenos Aires, 2006

Capítulo 1

Introducción al Uso Eficiente de la Energía en la Iluminación Carlos Tanides

1. Los recursos energéticos en nuestra sociedad ........................................................................2

2. Uso eficiente de la energía ........................................................................................................7

2.1. Usos finales de la energía ...............................................................................................7 2.2 Estrategia energética en base a los usos finales...............................................................8 2.3 Otras posibilidades de ahorro ........................................................................................10 2.4 Potencial de ahorro ........................................................................................................12

3. La iluminación eficiente..........................................................................................................13

3.1 La iluminación y la demanda de energía .......................................................................13 3.2 Iluminación eficiente .....................................................................................................14 3.3. Potencial de ahorro .......................................................................................................15 3.4. Programas de iluminación eficiente en el mundo.........................................................15

Referencias ...................................................................................................................................16

Anexo A. Definiciones: ................................................................................................................17

1. Los recursos energéticos en nuestra sociedad

Prácticamente todas las actividades que desarrolla el ser humano requieren de la utilización de los recursos energéticos en mayor o menor grado. Comenzando con los alimentos que son la mínima cantidad de energía necesaria para vivir se puede continuar la lista con la energía utilizada para obtener materias primas, para desarrollar los procesos productivos, para impulsar el transporte, para la actividad comercial, etc. Pero a la vez, desde otra perspectiva, se aprecia que la energía también se relaciona de manera vital con otras dimensiones del desarrollo humano, tales como los niveles de pobreza, la seguridad alimentaria, la salud, la creación de empleo, el desarrollo rural y urbano y el medio ambiente —con sus vinculaciones con la salud humana y la de los ecosistemas— por citar tan sólo algunos ejemplos.

El consumo energético se ha desenvuelto históricamente junto con el hombre moderno desde hace aproximadamente 90.000 años cuando éste aparece tal como se lo conoce en la actualidad (Homo sapiens sapiens). Al comienzo el hombre se introdujo en la cadena trófica como un eslabón más, obteniendo los recursos vitales alimentándose de vegetales y/o animales, y utilizando la energía acumulada en la madera al quemarla. Posteriormente, su horizonte energético se expandió enormemente cuando comenzó a aprovechar los combustibles fósiles: carbón comercialmente desde el siglo XVII, petróleo desde 1850 y gas natural aproximadamente por la misma época.

La población humana ha crecido exponencialmente hasta alcanzar en la década del ’90 los 6.000 millones de habitantes. Pero la evolución del consumo energético no sólo ha acompañado al incremento de habitantes sino que a éste debemos agregarle —sinérgicamente— el proceso de industrialización y la transformación cultural que ha significado la conversión hacia una “sociedad de consumo”. Citando al sabio griego Tanakis “Somos más, podemos más y queremos más”. Actualmente cada uno de los 6.000 millones de habitantes consumen en promedio 8 veces más energía que lo que hacía el hombre hace 90.000 años.

La Fig. 1 esquematiza la progresión del consumo de energía desde la Revolución Industrial hasta nuestros días, sus fuentes principales y su relación con los desarrollos tecnológicos. Como medida de este vertiginoso crecimiento hacemos notar que cinco décadas atrás (1950) el consumo mundial de petróleo era 7 veces menor que el actual.

Figura 1. Utilización mundial de Energía Primaria durante el último siglo. (Fuente: Davis, 1990)

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El explosivo incremento en el consumo energético conduce a un conflicto con el concepto de Desarrollo Sustentable1 conocido como trilema energético caracterizado por tres elementos fundamentales: a) las limitaciones de los recursos energéticos, b) los factores económicos y c) los efectos ambientales asociados a la transformación y consumo de energía.

A continuación se profundizará en cada uno de los puntos.

Energía y Recursos Energéticos

Hasta hace pocos siglos—antes del inicio del uso del carbón mineral—la humanidad dependía casi enteramente de las energías renovables. Para obtener calor y cocinar se utilizaba la combustión de leña o carbón vegetal (es decir la biomasa) y para fuerza motriz y transporte se utilizaban animales, la energía del agua (hidráulica) y la energía del viento (eólica).

El uso de carbón mineral—utilizado en las calderas de las máquinas de vapor—inició el cambio hacia las fuentes fósiles. En el siglo pasado se agregaron el petróleo y el gas natural. El aprovechamiento de la fisión nuclear para la generación de electricidad comenzó en la década del ‘50.

En nuestros días, las fuentes de energía primaria a partir de las cuales se impulsa la humanidad son casi en un 86% combustibles fósiles, no renovables. Por definición, una fuente energética no renovable es aquella cuyo stock es fijo o tiene una velocidad de renovación sumamente lenta, y por lo tanto se encontrará disponible sólo hasta que se agoten sus existencias.

Los combustibles (principalmente los fósiles) tienen aplicación en casi todas las actividades: generación de electricidad, procesos industriales, transporte (terrestre, acuático o aéreo), cocción, calefacción, agricultura, ganadería, e infinidad de destinos más.

Del resto de la energía empleada, un 7% aproximadamente proviene de las represas hidroeléctricas y un 6% de las centrales nucleares.

En cuanto a la distribución de estos recursos, sabemos que 2/3 de todos ellos son consumidos por tan sólo el 25% de la población humana que corresponde a los países desarrollados y que alrededor de 2.000 millones de personas en todo el planeta no tienen acceso a la energía comercial.

El primer signo de que nuestra sociedad moderna tenía una dependencia precaria sobre el petró-leo, y una distribución geográfica de la relación recursos/consumo extremadamente desigual, fue la Crisis Energética de 1973, en donde la OPEP2 (formada dos años antes) aumentó el precio del petróleo y bloqueó la exportación a ciertos países, causando recesión económica en aquellos importadores. Esa crisis de petróleo nos sacudió e hizo recordar que las fuentes fósiles son agotables y que el crecimiento económico asociado con la revolución tecnológica de este siglo yacía sobre una base de petróleo barato. En 1979, una segunda crisis elevó nuevamente los precios del crudo en un factor de cuatro.

Cada combustible o forma de energía tiene, debido a sus características, usos preferenciales: el petróleo se destina principalmente al transporte; el carbón (muy poco utilizado en la Argentina) a la generación de electricidad y la industria; el gas natural al sector industrial, residencial,

1 Se recurrirá al concepto de Desarrollo Sustentable dado por la Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el

Desarrollo (de las Naciones Unidas) que lo definió como aquel “desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer las propias”.

2Organización de los Países Exportadores de Petróleo; no todos los países exportadores pertenecen a esta entidad.

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generación de electricidad y transporte y las energías hidráulica y nuclear casi exclusivamente a la generación eléctrica.

Las fuentes no renovables están limitadas por la magnitud de su recurso. Tenemos cierta cantidad, podemos utilizarla más o menos rápidamente, pero no podemos aumentar su existencia. Distintas razones de índole técnica y política hacen que sea dificultoso obtener cifras confiables respecto a las reservas de combustible. En 1990, se estimaba que las existencias de carbón, gas natural y petróleo podrían durar 1.500, 120 y 60 años respectivamente [Fulkerson et al., 1990]. Actualmente, se estima que hacia el final de la primera década del 2000 asistiremos a un lento pero inexorable descenso de los niveles de producción del petróleo, y a la extinción de la era del petróleo barato, a no ser que la demanda del mismo decaiga abruptamente. [Campbell y Laherrere, 1998]

Para la Argentina, las reservas comprobadas de combustibles fósiles son: 9 años para el petróleo, 18 años para el gas natural [IAE, 1998].

Podemos estimar que al ritmo actual de crecimiento del consumo (tasa promedio anual de 1,1% entre 1989 y 1998) en un siglo el mundo habrá agotado la mayor parte del recurso de los hidrocarburos (petróleo y gas natural); el carbón mineral podrá durar unos siglos más, pero a fines del siglo XXI habremos vuelto nuevamente a depender—en gran medida—de las fuentes renovables. Por supuesto, las formas de esas fuentes energéticas serán muy diferentes de las históricas, e incluso tendremos (posiblemente) la contribución de la fusión nuclear.

En la Fig. 2 podemos apreciar la distribución de las distintas fuentes de energía primarias que abastecen actualmente al mundo y en la Fig. 3 el consumo de energía secundaria para la Argentina por fuente y sector en el año 1997.

Totales mundiales (1998) [International Energy Annual 2000]

Petróleo40%

Renov.1%

Carbón23%

Nuclear6%

Hidro7%

Gas Nat.23%

Argentina (1997) [Balance Energético Nacional, 1997]

Gas Nat.46%

Hidro5%

Nuclear 3%

Renov. 4%

Petróleo42% Petróleo

Gas Nat.HidroNuclearCarbónRenov.

Figura 2. Consumo de Energía Primaria por fuente

Por otra parte, las fuentes renovables provienen directa o indirectamente del Sol3, que si bien por definición es un recurso prácticamente inagotable, tiene otro tipo de limitación que radica en que éste proporciona en forma directa cuando mucho un kilowatt de potencia por metro

3 La excepción la constituyen la energía geotérmica y la mareomotriz.

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cuadrado de superficie terrestre. Esto implica que aunque el flujo total de potencia solar que llega hasta la tierra es inmenso—alrededor de 15.000 veces el consumo mundial total de 1990— su baja densidad energética limita o dificulta, su utilización.

A pesar de esto, las crisis energéticas descriptas anteriormente motivaron —dadas sus ventajosas características— su resurgimiento desde la década del ’70, representando hoy casi el 1% de la generación mundial encontrándose en rápido aumento —fundamentalmente la eólica. La tasa promedio de crecimiento anual mundial de las energías renovables se ha ubicado, en el período 1989-1998, en el 5,9%.

En la Figura 2 “renovables” incluye biomasa, geotérmica, solar y producción de electricidad a partir de la energía eólica. En el caso de Argentina la relativamente importante participación de esta fuente (4%) se debe fundamentalmente a la utilización de leña y bagazo de caña.

Energía y recursos económicos

Los combustibles fósiles permitieron a la humanidad aumentar la disponibilidad energética y con ello su actividad económica. Esta situación condujo a un concepto fuertemente arraigado hasta hace poco tiempo que sostenía que el uso de la energía y el crecimiento económico están estrechamente vinculados y que este último requería constantes incrementos en el uso de la primera.

El razonamiento (desarrollado abajo) seguido es el siguiente: para obtener Desarrollo se debe crecer económicamente, lo cual implica un mayor consumo energético [Goldemberg et al., 1988] Desarrollo crecimiento económico mayor PBI mayor consumo energía⇒ ⇒ ⇒

En particular, para el sector eléctrico, la lógica se completa de la siguiente forma:

mayor consumo energía mayor consumo electricidad Generación centralizada⇒ ⇒ 4

Para los Países en Vías de Desarrollo (PVD) cuyo consumo energético era relativamente peque-ño, este esquema implicaba un gran y rápido incremento en la disponibilidad energética para hacer factible el desarrollo económico. En efecto, el consumo energético ha ido creciendo rápidamente en la mayoría de los PVD, pero la proyección hacia el futuro de estas tendencias no es sostenible en el tiempo debido a las restricciones mencionadas en el trilema energético.

En 1983 el Banco Mundial estimó que las inversiones anuales necesarias para el sector energético en los PVDs alcanzaría un promedio de $144 mil millones anuales durante el período 1982-1992 [World Bank, 1983 citado en Williams, 1988]. En 1987 en un informe realizado para el Congreso Mundial de Energía se estimaba una cifra aún mayor: $ 254 mil millones anuales para el período 1980-2000.

El mismo estudio citado indicaba que el sector eléctrico totalizaría alrededor del 60 % del total de los requerimientos de capital, y que para todos los países en vías de desarrollo los gastos de capital en electricidad se incrementarían del 1,5 % del PBI que representaban en 1980, a un valor entre el 2,6 % al 5,5 % para el año 2000. Un estudio más reciente del Banco Mundial [1990] estimaba que las necesidades financieras del sector eléctrico durante los ´90 serían de $ 1 billón. Entre 1961 y 1995, 90 % de los préstamos energéticos del Banco Interamericano de Desarrollo

4 Se entiende por Generación Centralizada de la energía eléctrica a aquella que se realiza en centrales eléctricas de gran potencia —cientos de MW— y que luego se distribuye (a veces a través de grandes distancias) hacia los centros de consumo por líneas de transmisión y redes de distribución de la energía eléctrica.

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fueron al sector eléctrico [Millan, J., 1996, com. pers.]. Otro elemento agravó la situación aún más: el incremento en los requerimientos de capital coincidió con la crisis financiera que enfrentaron los países en vías de desarrollo desde el comienzo de los ´80.

Energía y medio ambiente

Toda actividad humana interactúa de alguna forma con la naturaleza. Los recursos naturales: alimentos, materias primas y recursos energéticos provienen de ella; y todos los resultados de esta actividad: efluentes gaseosos y líquidos, desechos urbanos e industriales, y objetos con su vida útil acabada, etc., van a parar a ella.

Por este motivo, inevitablemente, también todas las etapas asociadas al sector energético: extracción de recursos energéticos, transporte, transformación, distribución y utilización se encuentran integradas en mayor o menor grado, y en forma más o menos conflictiva, con el ambiente.

En particular siendo nuestro objeto de estudio la iluminación eléctrica se concentrará la atención en las diversas formas de impacto ambiental asociados a la generación de energía eléctrica que, sintéticamente, pueden resumirse en: • contaminación del aire por centrales térmicas que utilizan combustibles fósiles —carbón

mineral, petróleo, gas natural— y emiten gases y partículas a la atmósfera • cambio de clima a partir de las emisiones de dióxido de carbono (CO2), el principal gas del

efecto invernadero • alteración de ecosistemas (centrales hidroeléctricas) • contaminación del agua y contaminación térmica (centrales térmicas que utilizan cuerpos de

agua en su ciclo de refrigeración) • contaminación por radioactividad (centrales térmicas nucleares), accidentes, generación de

residuos de alta actividad • etc.

El crecimiento en el uso de energía acentúa los daños y los riesgos ambientales asociados.

En la Figura 3 se muestra a modo de ejemplo la evolución en la concentración de CO2 atmosférico responsable del potencial calentamiento de la Tierra (cambio climático).

Figura 3. Concentraciones de CO2 (ppm: partes por

millón). Fuente: IPCC, 1990.

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2. Uso eficiente de la energía

Para entender apropiadamente el concepto de uso eficiente de la energía y en particular los beneficios que conlleva hacer iluminación eficiente, es conveniente en principio definir algunos términos a emplear que tendrán un significado muy específico a lo largo del libro.

2.1. Usos finales de la energía

La energía no representa un fin en sí mismo sino un medio para conseguir algo (un servicio) por lo que en realidad la demanda de energía enmascara otra demanda, la de los servicios que la energía nos puede proveer: comida caliente, ropa limpia, iluminación, transporte de personas y mercaderías, elevación de agua para irrigación, fuerza motriz en fábricas, calor de proceso, etc. A partir de esto se entiende por servicio energético (o uso final de la energía5) a aquella prestación, provista naturalmente o por un dispositivo, que utiliza energía para satisfacer una necesidad humana.

De este modo, la demanda de energía no tiene dinámica propia, sino que surge del requerimiento de los innumerables servicios energéticos —en cantidad y calidad— que la energía provee.

Un análisis completo para la provisión de servicios energéticos debería tener como propósito la búsqueda de opciones que requieran poca —o no requieran— provisión artificial de energía, a un bajo costo, y con mínimo —o nulo— impacto ambiental. Para ello se deberán identificar principalmente aquellos servicios que puedan ser provistos naturalmente con un adecuado diseño de instalaciones y/o procesos, en concordancia con estos requisitos. Los casos típicos en donde esto es factible son: iluminación y climatización ambiental. En otro tipo de procesos, típicamente los industriales, estas opciones son más escasas (aunque no inexistentes: tratamiento de efluentes6, destilación y secado por medio del sol, etc.), debido a sus características y a la intensidad energética requerida.

Entre los servicios energéticos más comunes encontramos el transporte (por automóviles, aviones, barcos, etc.), la fuerza motriz (por medio de motores de combustión interna, eléctricos, etc.), la iluminación (mediante lámparas incandescentes, de descarga, etc., o con luz natural), la conservación de alimentos (heladeras, freezers, etc.), la cocción de alimentos, la calefacción (estufas a gas o eléctricas), etc.

La Tabla 1 nos muestra una posible síntesis de los usos finales más importantes a partir de la energía eléctrica.

Tabla 1. Usos finales de la energía eléctrica. Transporte Movimiento de materiales Procesos mecánicos Calefacción Enfriamiento Iluminación Manejo de la información Transformación física/química

5 En general ambos términos se usan en forma indistinta. En este libro se utilizarán como sinónimos. 6 Digestión aeróbica o anaeróbica.

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Los automóviles, las lámparas, las heladeras, las estufas, etc., son artefactos de uso final. El nexo entre el servicio provisto y la demanda de energía es la tecnología empleada en cada caso por el artefacto de uso final para transformarla en la forma o el servicio energético deseado. Para todos los artefactos de uso final—lámparas, ventiladores, motores eléctricos, cocinas, etc.—existen alternativas tecnológicas eficientes.

Lamentablemente, los análisis de consumo por usos finales son escasos, entre otras razones, por la dificultad técnica que implica su realización. Comúnmente los consumos energéticos, y en particular los de energía eléctrica, se hallan discriminados por región geográfica (límites políticos o comerciales) y/o por sectores de consumo, entendiendo por sector de consumo a la categorización del consumo total de energía por similitud física y/o funcional. Por ejemplo, todas las residencias particulares integran el sector residencial, todas las industrias el sector industrial, y así sucesivamente encontramos el sector transporte, agropecuario, comercial y público, etc.

2.2 Estrategia energética en base a los usos finales

En virtud de lo analizado en el trilema energético, la creciente demanda de servicios energéticos y consecuentemente de los recursos energéticos, representa uno de los desafíos más importantes que deberá enfrentar la humanidad en el futuro.

Algunos países —fundamentalmente los desarrollados— reaccionaron frente a las crisis energéticas de los ’70 obteniendo ciertos éxitos recortando la demanda de petróleo mediante una combinación de medidas que involucraban la substitución de combustibles y el uso eficiente de la energía. Como resultado de esta intervención, los precios del crudo cayeron. Los años posteriores a 1973 demostraron un quiebre en la histórica correlación que existía entre el consumo energético y la actividad económica en la mayoría de los países industrializados: el Producto Bruto creció mientras que el Consumo de Energía Total se mantuvo prácticamente constante en los niveles de 1973 (hasta mediados de la década del ’80). La Fig. 4 muestra este fenómeno para el caso de los EE.UU., existiendo gráficas similares para el resto de los países desarrollados que implementaron políticas activas al respecto.

Pero aunque se alcanzó un cierto éxito en la reducción del consumo de energía total luego de la crisis del petróleo, el consumo de energía eléctrica continuó incrementándose y los costos de ampliación del sistema eléctrico constituyeron una pesada carga económica, particularmente en los países menos desarrollados. En la Fig. 4 se observa que el consumo de energía eléctrica siguió creciendo después de 1973 aunque a un ritmo mucho menor que el histórico.

Una estrategia energética dirigida a cumplir los objetivos del desarrollo sustentable se funda-menta en el análisis energético por usos finales de energía, el cual estudia de forma detallada cómo se utiliza la energía, e incorpora los conceptos de uso eficiente de la energía y de gestión de la demanda (UEGD). A causa de este énfasis sobre los usos, más que en las técnicas de planeamiento energético tradicional orientadas principalmente a incrementar el suministro para satisfacer un crecimiento previsto de la demanda exógena (sin indagar en los detalles de ésta), se la conoce también como “Estrategia energética orientada a los usos finales”.

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Figura 4. Evolución de los totales de Energía Primaria y Electricidad usada en los EE.UU. (Fuente: Datos de energía y PBN del Monthly Energy Review, Energy Information Agency,

US Department of Energy.)

Se entiende por uso eficiente de la energía a la aplicación de: a) tecnologías, sistemas o modos de uso que reduzcan la cantidad de energía consumida para conseguir el servicio energético deseado y de b) las metodologías necesarias para la promoción de a).

La gestión de la demanda se refiere a la aplicación de metodologías y/o tecnologías que modifiquen la forma de la curva de carga sin que esto implique necesariamente un menor consumo energético. Esto es fundamental en el caso de la energía eléctrica —que no puede ser convenientemente almacenada en grandes cantidades, y en donde el suministro debe seguir a la demanda instante a instante— razón por la cual la variación temporal de la carga es tan importante como la magnitud de la energía consumida. La eficiencia energética y la gestión de la demanda van de la mano en un futuro energético orientado a los usos finales.

La definición de la estrategia energética orientada a los usos finales comprende los siguientes pasos:

a) estimar la magnitud del consumo energético de cada uso final, por ejemplo: transporte, iluminación, refrigeración, fuerza motriz industrial, etc. Estudiando pormenorizadamente los usos finales de la energía a partir de relevamiento de datos, auditorías, mediciones, etc.;

b) evaluar las tecnologías relacionadas con los artefactos de uso final empleados actualmente (motores, lámparas, heladeras, etc.)—particularmente su eficiencia energética además de los aspectos técnicos, y los factores económicos y ambientales—consultando información técnica, mediante ensayos, etc.;

c) recopilar datos acerca de los artefactos de uso final energéticamente eficientes, sus rendimientos, costos y otras características técnicas. Idem (b).

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d) compendiar información acerca de las tecnologías alternativas para la producción de energía. Incluyendo en el estudio fuentes y tecnologías tanto convencionales como no convencionales, y especialmente aquellas basadas en fuentes renovables y/o procesos de conversión menos contaminantes.

e) estimar la demanda futura de los servicios energéticos. Basándose en la expectativa de crecimiento poblacional, el incremento en la actividad económica, y otros factores, o sea planteando un futuro escenario energético; y

f) elaborar una metodología para determinar la óptima combinación de tecnologías de producción, distribución y ahorro de energía, con el objeto de satisfacer los futuros requerimientos de los servicios energéticos al mínimo costo social7.

Utilizando toda esta información puede determinarse cual es la combinación óptima de fuentes centralizadas y distribuidas, renovables y no renovables, aprovechando medidas rentables de eficiencia energética, gestión de la demanda y otras oportunidades identificadas en el análisis por usos finales.

Como se aprecia, esta estrategia cuestiona la correlación entre desarrollo y consumo energético con todas las consecuencias ya descriptas conduciendo a una identificación de escenarios energéticos futuros que son mucho menos intensivos en capital y recursos (además de ser menos costosa en general), y ambientalmente menos conflictiva.

2.3 Otras posibilidades de ahorro

Las alternativas para hacer uso eficiente de la energía no se limitan a las tecnologías aplicadas a los artefactos de uso final. En rigor, estos artefactos integran, generalmente, un sistema que deberá ser estudiado en su totalidad. Por lo tanto se puede aumentar la eficiencia en algún otro componente del sistema que constituye la conversión energética para satisfacer un servicio. Estos otros componentes se denominan elementos asociados y pueden ser activos o pasivos. Los sistemas de control, también, pueden jugar un papel importante a la hora de disminuir los consumos.

El cambio en los procesos industriales constituye otra alternativa que ha conseguido disminuir significativamente la necesidad energética.

La Tabla 2 resume una posible clasificación de las posibles medidas descriptas hasta aquí.

7Costos económicos directos mas costos indirectos, principalmente los costos ambientales.

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Tabla 2. Medidas de uso eficiente de la energía eléctrica a nivel de uso final

Mejora en Ejemplos aparatos de uso final motores, lámparas, etc. elementos activos asociados

bombas, ventiladores, balastos para lámparas fluorescentes, etc.

elementos pasivos asociados

cañerías, conductos, válvulas, acoplamientos, pinturas claras, aislación de heladeras, etc.

sistemas de control iluminación, aire acondicionado de edificios, velocidad de motores, etc.

procesos industriales electromecánicos, termodinámicos, electrónicos, etc. medidas arquitectónicas luz natural, aislación de edificios, calentamiento solar pasivo,

películas aislantes en ventanas, etc. contribución de la energía solar a nivel de uso final

colectores para calentamiento de agua, lámparas solares (con acumulación), vehículos solares, etc.

recuperación de energía frenado regenerativo en tracción eléctrica.

Pero las posibilidades de ahorro energético tampoco se limitan exclusivamente a las tecnologías utilizadas en los artefactos de uso final o en los elementos asociados al proceso de conversión final. El resto de los elementos de la cadena energética también puede ser optimizado. Por ejemplo, una central generadora puede ser más eficiente, pueden reducirse las pérdidas por transmisión y distribución de energía eléctrica, etc.

Cambiar la fuente energética puede conducir también a ahorros energéticos y beneficios econó-micos y ambientales. Históricamente, el reemplazo de leña y tracción animal por el carbón y, posteriormente, por petróleo y gas natural ha sido acompañado generalmente por ahorros substanciales de energía para desarrollar las mismas tareas. En bombeo para riego o en el calentamiento de agua para el sector residencial puede tener sentido reemplazar la electricidad por alguna otra forma de energía. La iluminación eléctrica es mucho más eficiente que las lámparas de kerosene (ampliamente utilizadas en muchas partes del mundo donde no llega la electricidad). Una política energética y eléctrica racional debería considerar el incremento de la iluminación eléctrica en aquellas áreas donde se utilice kerosene para iluminación.

Los cambios estructurales dentro de la economía, asimismo, pueden modificar el patrón de consumo energético. En sociedades industrializadas, las últimas décadas han visto un decrecimiento en la utilización de materias primas que eran energéticamente intensivas para su fabricación, y un incremento en el uso de materiales más especializados necesarios en menores cantidades.

La urbanización, de igual modo, también afecta notablemente el consumo energético dado que el desempeño del transporte, o la posibilidad de captar energía solar, se vinculan con la estructura de las ciudades. El enorme consumo de energía en el transporte particular en Norteamérica proviene de la distribución difusa de población la cual a la vez aumenta los recorridos y reduce la factibilad del transporte público. En el otro extremo, tenemos el paradigma de la ciudad de Curitiba (Brasil), donde un desarrollo urbano bien planificado y mantenido a lo largo de las décadas conjuntamente con la creatividad de un sistema de transporte ejemplar han logrado uno de los éxitos más importantes en todo el planeta.

La informática desempeña un papel importante en la utilización de la energía. En la actualidad, se asiste a la llamada Revolución Informática, ya no se requiere mover materia—personas,

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papeles, documentos, etc.—de un sitio a otro sino que comunicamos ideas, sonidos, imágenes, etc. gracias a las espectaculares posibilidades que nos proporcionan las modernas tecnologías de telecomunicación: fax, módem, correo electrónico, televisión satelital, Internet, etc. Esta facilidad para transmitir información conjuntamente con su abundancia, además de disminuir las necesidades de transporte y consecuentemente el consumo energético derivado, permite tomar decisiones más acertadas, seleccionar convenientemente entre un mayor número de alternativas, operar con mayor velocidad, etc., posibilidades éstas que impactan sobre la eficiencia con la que usamos la energía.

Por último, el consumo energético se encuentra vinculado también con aspectos tales como hábi-tos y/o comportamientos, conocimientos, creencias, símbolos de estatus, etc., de los consumidores, elementos éstos que podemos denominar dimensión humana del consumo de energía o “ineficiencia energética cultural” según algunos autores [Kempton et al., 1994]. Esta categoría va ganando importancia en el análisis del uso eficiente de la energía, constituyéndose gradualmente en un área de estudio específica.

2.4 Potencial de ahorro

Finalizando esta introducción relacionada con el uso eficiente de la energía resta mencionar la posibilidad de cuantificar la magnitud de los beneficios a obtener por el uso eficiente de la energía y gestión de la demanda. Esta estimación es conocida como potencial de ahorro, y dada su importancia se describirá en profundidad el proceso para evaluarlo en el Capítulo 15.

El potencial de ahorro de la energía eléctrica, o sea la cantidad de energía que es posible ahorrar técnica y económicamente hablando en función del actual estado del arte surge, para la Argentina, a partir de algunas cifras reales y de aproximaciones realizadas sobre la base de los datos de otros países. La evolución de la demanda de energía eléctrica en la Argentina, correspondiente a la “eficiencia congelada” (sin ninguna mejora en la eficiencia en el futuro) y al “futuro eficiente” donde las tecnologías eficientes existentes se incorporen en todos los casos en donde son rentables, determina una diferencia (potencial de ahorro) del 39% para el año 2020, respecto un consumo de 196 TWh con la eficiencia congelada. O sea una reducción del consumo de energía eléctrica de 76 TWh mayor que el valor del consumo actual —60 TWh en el año 1996— [Informe de Prospectiva 1997, Secretaría de Energía].

Este ahorro energético se traduce directamente en menores gastos para la sociedad que según se ha estimado alcanzarían tan sólo para dos usos finales —la iluminación y las heladeras domésticas— un ahorro neto para los usuarios del sector residencial del orden de los 8.600 millones de $ (1994) en un lapso de 20 años. [Dutt et al., 1995]

Actualmente, el crecimiento en la demanda eléctrica se abastece con la incorporación de potencia a la represa hidroeléctrica Yacyretá y la construcción de nuevas centrales térmicas a gas natural. Una reducción en la demanda reduciría la generación en las plantas térmicas, ya que la generación hidráulica y nuclear, seguirían funcionando. Por lo tanto, se puede estimar la disminución en la contaminación atmosférica considerando una reducción en la generación térmica de esta magnitud. Pero en el mediano o largo plazo un descenso de la demanda puede significar también postergar la necesidad de construir nuevas centrales de todo tipo (incluyendo hidroeléctricas y nucleares).

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3. La iluminación eficiente

3.1 La iluminación y la demanda de energía

A partir de los temas desarrollados en el punto 3 surge con claridad que podemos categorizar a la la iluminación como un uso final de la energía. Continuando la línea conceptual allí seguida una de las primeras opciones que deberían considerarse frente a la necesidad de luz es la posibilidad de aprovechar adecuadamente la luz natural a partir de un conveniente diseño arquitectónico y/o de la utilización de sistemas de control que desactiven aquellas lámparas en donde la luz aportada por el Sol alcance para satisfacer la necesidad de iluminación. En particular estos temas se desarrollarán en el/los Capítulos 13 y 14 respectivamente.

Para la provisión de luz por medios artificiales la mejor forma que tenemos (en el presente y dentro del futuro previsible), es a partir de la energía eléctrica. A excepción de las áreas rurales y aquellas fuera del alcance de las redes de electricidad, el resto de la iluminación en los sectores industrial, comercial y público, residencial urbano y el alumbrado público se basan en el uso de energía eléctrica, por lo que de ahora en más este texto se limitará pura y exclusivamente al análisis de este tipo de iluminación.

En una primera aproximación al sector energético de la Argentina se observa que desde un punto de vista del consumo final de energía por sector, estos se ordenan de mayor a menor de la siguiente manera: transporte, industrial, residencial y comercial y público (Fig. 6a). Sin embargo, al repetir la comparación pero a partir del consumo final de energía eléctrica por sector, ahora el sector transporte prácticamente pierde toda relevancia y tan sólo tres sectores acaparan casi el 98% del consumo. Estos son sector industrial, residencial y comercial y público (ver Fig. 6b).

a) Energía Total (1997)

Resid.21%Industria

31%

Agrop.7%

Transp.34%

Com y Pub.7%

b) Electricidad (1997)

Com y Pub.22%

Transp.1%

Agrop.1%

Industria47%

Resid.29%

Figura 6. Consumo final de energía por sector en la Argentina (sin incluir los no energéticos)

Fuente: Balance energético nacional (1997)

Ahora bien, realizando un análisis por usos finales de la electricidad dentro de cada sector de consumo para la energía eléctrica (considerando tan sólo los tres sectores más importantes), se observa que la iluminación tiene una participación destacada fundamentalmente en el sector comercial y público, luego en el residencial y en menor grado en el industrial. En la Figura 7 se

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grafica la distribución del consumo por usos finales de energía eléctrica en cada uno de los sectores y en el total del país.

INDUSTRIAL 30,7 TWh

Otros6%

Ilum.7%

Motores elécricos

75%

Electroquímica12%

RESIDENCIAL 18,9 TWh

Ilum. 35%

Cons. alimentos

30%

TVs y asoc.14% Otros

21%

COM. Y PUBLICO 14,1 TWh

Otros25%

Ilumin.53%

Motores elécricos

10%

Refrig.12%

TOTAL 64,7 TWh

Ilumin.25%

Cons. alimento

s9%

Motores eléctricos

37%

Otros29%

Figura 7. Consumo final de energía eléctrica en Argentina (1997) por sector y uso final.

En la Figura 7 se puede apreciar que en el total del consumo de energía eléctrica la iluminación representa el 25% ubicándose como segundo uso final en importancia luego de los motores eléctricos. Este porcentaje es alto en relación con otros países donde la iluminación representa menos del 20% del consumo total de energía eléctrica. Esto se debe, básicamente, a que se utiliza el gas como substituto de la energía eléctrica para muchos usos finales.

3.2 Iluminación eficiente

En función de lo visto, podemos analizar la eficiencia en la provisión del servicio de iluminación en los distintos niveles.

El primero de ellos lo constituyen las lámparas que son el artefacto de uso final que transforma la energía eléctrica en luz. Existen miles de lámparas distintas, que utilizan diferentes tecnologías para conseguir su propósito, y que brindan prestaciones diversas con distintos niveles de eficiencia en la conversión de energía eléctrica en energía lumínica. La descripción de los dispositivos más eficientes que existen en la actualidad se desarrolla en el Capítulo 4 de este libro.

14

Completando el análisis hacia el resto del sistema de provisión de luz se tienen los elementos asociados a las lámparas que son básicamente las luminarias (elementos pasivos) que son los artefactos encargados de distribuir adecuadamente el flujo luminoso emitido por éstas; y los balastos (elementos activos) necesarios para el encendido y el correcto funcionamiento de las lámparas del tipo de descarga. El estudio de la eficiencia asociada a estos elementos se profundiza en los Capítulos 5, 6 y 7.

3.3. Potencial de ahorro

En un trabajo realizado para la Argentina para el año 2000, se estimó que tan sólo el recambio de lámparas por sus equivalentes más eficientes en donde esto fuera posible y económicamente rentable redundaría en una disminución de alrededor del 28% del consumo energético en iluminación y el 7% de todo el consumo de energía eléctrica de nuestro país. [Assaf y Dutt, 2001] Esta evaluación establece una hipótesis de ahorro mínimo pues sólo considera la substitución de lámparas sin tener en cuenta, como hemos visto, muchas otras medidas para mejorar la eficiencia del sistema.

Para poder determinar en forma más o menos precisa el potencial de ahorro en iluminación se requiere en primera instancia conocer el consumo eléctrico para este uso final en forma desagregada para poder evaluar las alternativas más eficientes. La descripción de la determinación del potencial de ahorro se realiza en el Capítulo 15.

3.4. Programas de iluminación eficiente en el mundo

Diversos factores contribuyen a que la iluminación sea uno de los primeros usos finales donde se haya comenzado a trabajar aplicando medidas de eficiencia energética [Tanides, 1998]

1. El potencial de ahorro para este uso final demuestra ser muy elevado.

2. Algunas alternativas de eficiencia en iluminación no representan costo adicional alguno y en otros casos el uso eficiente de la energía eléctrica en la iluminación es una medida altamente rentable.

3. Debido a su alta coincidencia con la demanda pico vespertina de electricidad, una reducción en el consumo energético se reflejaría también en una disminución de la demanda de punta, permitiendo importantes ahorros en las inversiones necesarias para suministrar dichos picos.

En particular para el sector residencial,

4. Pocos puntos luminosos de las residencias concentran la mayor parte del consumo, lo que permite un gran aprovechamiento del potencial de ahorro cambiando pocas lámparas.

5. Debido a la corta vida útil, al bajo costo de las lámparas a reemplazar (incandescentes) y a que la tecnología para efectuar el cambio se halla disponible en el mercado, la substitución puede realizarse en plazos relativamente breves.

La mayor parte de las ventajas enumeradas se repiten en una considerable cantidad de países, razón por la cual, muchos de ellos han puesto en marcha diversos tipos de programas de iluminación eficiente. Estos programas contemplan campañas de información, difusión y demostración, normativas de eficiencia, sistemas de etiquetado, distintas metodologías de financiación de los productos, etc.

15

Uno de ellos es el Programa de Iluminación Eficiente (Efficient Lighting Initiative, ELI), que está en funcionamiento en Argentina, Filipinas, Hungría, Letonia, Perú, República Checa y Sudáfrica.

Referencias

Assaf, L.O. y G.S. Dutt, 2001. “Potencial de ahorro de energía mediante el uso de lámparas eficientes en la República Argentina”. Luminotecnia, N° 68, pp. 76-79.

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Dutt, G.S., 1993. Electricity at Least Cost, The Center for Energy and Environmental Studies, Princeton University.

Dutt, G.S., M. Brugnoni y C. Tanides, 1995. “Megawatts o Negawatts: alternativas para minimizar inversiones en el sector eléctrico”, presentado en el II Congreso Latinoamericano Generación y Transporte de Energía Eléctrica, Mar del Plata, nov.

Fulkerson, W., R.R. Judkins y M.K. Sanghvi, 1990. “Energía de combustibles fósiles”, Investigación y Ciencia, Nro. 170, pp. 84-92, noviembre.

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Johansson, T. B., et al., 1993. Renewable Energy - Sources for Fuels and Electricity, Island Press, Washington, DC.

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OLADE, 1994. “Energía en cifras”, versión No. 6, Organización Latinoamericana de Energía, Quito, julio.

Williams, R.H., 1988. “Are energy capital costs a constraint on development? - A demand analysis of the power sector capital crisis in developing countries”, trabajo presentado en el International Seminar on the New Era in the World Economy, The Fernand Braudel Institute of World Economics, San Pablo, Brasil, agosto-septiembre.

World Bank, 1983. The Energy Transition in Developing Countries, Washington, DC.

World Bank, 1990. “Capital expenditure for electric power in the developing countries in the 1990s”, Energy series paper 23, Industry and Energy Department, World bank, Washington, DC.

16

Anexo A. Definiciones:

Artefacto de uso final (end-use device): se denomina de esta manera al artefacto en el cual se consume energía para proveer un servicio energético. Ejemplos de artefactos de uso final son lámparas, motores, heladeras, etc.

Servicio energético (end-use service category): los usos finales de la energía pueden ser clasificados de diferentes maneras. Una de estas formas es por categoría de servicio, p.e. calefacción, refrigeración, iluminación, transporte, etc.

Desarrollo Sustentable: La Comisión Mundial sobre el Medio Ambiente y el Desarrollo (de las Naciones Unidas) definió el “desarrollo sustentable” como un “desarrollo que satisface las necesidades del presente sin comprometer la capacidad de las generaciones futuras para satisfacer las propias

Energía Primaria: según OLADE “Se entiende por energía primaria a las distintas fuentes de energía, tal como se obtienen en la naturaleza, ya sea en forma directa como en el caso de la energía hidráulica o solar, la leña y otros combustibles vegetales o después de un proceso de extracción como el petróleo, carbón mineral y geotermia. Se han considerado las siguientes fuentes primarias: Petróleo Crudo, Gas Natural, Carbón Mineral, Hidroenergía, Geoenergía, Combustibles Fisionables, Leña, Productos de Caña, Otras fuentes energéticas primarias.”

Escenario energético: se denomina de esta manera al conjunto de suposiciones necesarias para realizar una proyección de la demanda energética. Entre las consideraciones a realizar, podemos citar:

Clima: es el conjunto estadístico de la condiciones del tiempo (meteorológico) para un área dada especificado durante un intervalo de tiempo (usualmente décadas).

Cambio Climático: se denomina así a la variación de las características del Clima, de origen antrópico o no, por ejemplo la alteración del balance térmico terrestre debido al crecimiento de los «gases de invernadero» (CO2, CH4, etc.), o el adelgazamiento de la capa de ozono en la estratosfera.

17

Capítulo 2

Luz, Color y Visión Elisa Colombo y Beatriz O`Donell

1. Magnitudes fotométricas

2. Magnitudes colorimétricas

3. Instrumentos de medición

4. Características funcionales del sistema visual humano

5. Efectos de las condiciones de iluminación sobre las capacidades del sistema visual

5.1. El estímulo visual y sus características 5.2. Agudeza visual 5.3. Contraste umbral y Función Sensibilidad al contraste 5.4. Función de sensibilidad temporal 5.5. Discriminación de color 5.6. Alternativas para mejorar la eficiencia visual umbral

Bibliografía

1

La luz es la parte de la energía radiante evaluada visualmente, es decir, la energía que, al interactuar con alguna superficie, se refleja o se trasmite hacia el sistema visual y produce la respuesta de los fotoreceptores, dotando al ser humano del sentido de la visión. Una comprensión integral de la luz implica, además de una aproximación desde la física, la consideración de la respuesta del ser humano, tanto psicológica como fisiológica, ya que la iluminación tiene un propósito más amplio que el de asegurar que los objetos sean vistos. La naturaleza de los vínculos y relaciones existentes entre las condiciones de iluminación y las características del objeto visual, así como los requerimientos que deben cumplirse para optimizar la habilidad y capacidad humana, son complejos y no existen “fórmulas mágicas” para resolver una dada situación. Esto se pone de manifiesto en la complejidad de estos estudios y la cantidad de variables involucradas, la mayoría de ellas no controlables. El análisis se hace más complejo si se tienen en cuenta las diferencias individuales, que pueden deberse a la edad de las personas o a las condiciones de la visión, y el peso que tiene la componente visual en la totalidad de la tarea. Mientras la eficiencia visual se cuantifica a través de la velocidad y la precisión con que se realiza una tarea, el confort visual es una medida del grado en que las condiciones de iluminación predisponen favorablemente a las personas para realizar la tarea. Los aspectos que afectan a la eficiencia están relacionados con la tarea y su entorno inmediato, mientras que aquellos que influyen sobre el confort involucran aspectos más generales del medio ambiente iluminado. Por ejemplo, puede ocurrir que en una oficina el nivel de iluminación corresponda al valor recomendado pero la fuente luminosa presente un parpadeo molesto, o la presencia de una ventana dentro del campo visual del usuario constituya un foco de distracción debido al deslumbramiento. En resumen, una buena solución en el diseño de un sistema de iluminación debe asegurar eficiencia visual, confort visual y un medio ambiente apropiado a las personas que utilizarán ese espacio, así como consideraciones energéticas, condiciones térmicas, acústicas y visuales, ya que todas en conjunto conducirán a una mayor productividad en los usuarios de ese espacio.

1. Magnitudes fotométricas

Las fuentes de luz emiten energía en forma de ondas electromagnéticas. Esta radiación se cuantifica con la ayuda de las magnitudes radiométricas. Si interesa cuantificar solamente la radiación a la que es sensible el ojo humano estas magnitudes radiométricas se transforman en magnitudes fotométricas.

2

La luz corresponde a la pequeña parte del espectro electromagnético comprendida entre las longitudes de onda de 380nm (nm: nanometros; 1nm=10-9m) y 760nm, aproximadamente, cuya energía es absorbida por los fotoreceptores del sistema visual humano, iniciando así el proceso de la visión (Figura 1).

Rayos gamma

Rayos X

-1 4

-1 2

-1 0

- 8

- 6

- 2- 4

6

4

21

10

10

10

1010

1010

10

10

10

10

Rayos U.V.

Rayos I.R.

RadarF.M.T.V.

A.M.Ondacorta

Visible

El efecto vonda. Las mla sensibilidde claridadindividualeexperimentinternacionComisión ILa CIE (19observador en el año 19año 1951. sistemas defundamentaescotópicasmientras qu

Figura 1.- Pequeña parte del espectro electromagnético que al incidir en el ojo humano provoca las sensaciones de claridad y color

isual de la radiación, en el rango visible, depende fuertemente de la longitud de agnitudes fotométricas se obtienen mediante factores de peso que corresponden a ad espectral relativa del sistema visual humano, basada en la diferente percepción para cada longitud de onda en la región visible. Debido a las diferencias s, y a la dependencia de esta curva de sensibilidad espectral de las condiciones ales, y en especial del nivel de iluminación, ha sido necesario lograr acuerdos ales entre representantes de los distintos países, los que han sido canalizados por la nternacional de la Iluminación (CIE: Commission Internationale de l´Eclairage). 70, 1978) adopta dos curvas de sensibilidad espectral relativa, V(λ), para el

CIE estándar, en condiciones fotópicas, es decir para niveles de iluminación altos, 24, y en condiciones escotópicas, es decir para niveles de iluminación bajos, en el

En la Figura 2 se muestran estas dos curvas, que están relacionadas a los dos fotoreceptores que tiene el sistema visual humano, el de los conos, que opera lmente en condiciones fotópicas, y el de los bastones, que opera en condiciones . El ojo muestra su máxima sensibilidad para 555nm en condiciones fotópicas, e para condiciones escotópicas este máximo se desplaza hacia los 507nm.

3

400

0.0

0.5

Eficiencialuminosarelativa

1.0( )V

b)

a)

450 500 550 600 700650

Longitud de onda (nm)

La radwatLumpor hum(lm)

donwatestácorrescolumincabala

Figura 2.- Curvas de sensibilidad espectral para (a) el observador CIE en condiciones fotópicas(b) el observador CIE en condiciones escotópicas (CIE, 1970, 1978)

medida fundamental de la radiación electromagnética emitida por una fuente es el flujo iante (φrad), es decir, la cantidad de energía emitida por unidad de tiempo, y se mide en t (W). La magnitud fotométrica derivada, usada para medir el efecto de la luz, es el Flujo

inoso (φlum), que se esquematiza en la Figura 3a, es decir la cantidad de energía radiante unidad de tiempo multiplicada por la sensibilidad espectral relativa del sistema visual ano integrada sobre el rango de longitudes de onda del visible, y se mide en lúmenes . Así, el flujo luminoso se expresa por la ecuación:

∫760

380mlum d K= λφφ λ radV (1)

de φ rad dλ es el flujo radiante en un pequeño intervalo de longitud de onda dλ, medido en t, y φlum el flujo luminoso expresado en lúmenes. El valor de V(λ) depende del observador ndar apropiado al nivel de iluminación, lo mismo que el valor de la constante Km, que esponde a 683lm W–1 para condiciones fotópicas y 1699lm W-1 para condiciones tópicas. La relación entre el flujo luminoso y el flujo radiante, que define la eficiencia inosa, depende del tipo de fuente, por ejemplo, el flujo luminoso de una lámpara ndescente de 100W es 1380lm y el de una lámpara fluorescente compacta de 20W con sto electrónico es de 1200lm.

4

El Flujo Luminoso caracteriza la cantidad de luz total emitida por una fuente luminosa en todas direcciones. Sin embargo, para aplicaciones prácticas muchas veces es necesario cuantificar el flujo luminoso emitido en una dada dirección, para lo cual se define la Intensidad Luminosa (I) (Figura 3b) como el flujo emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección especificada. La misma deriva de la magnitud radiométrica denominada Intensidad de Radiación. La unidad de medida de la intensidad luminosa es la candela, que es equivalente a un lumen/estereorradián. Esta magnitud fotométrica se usa para describir la distribución de luz proveniente de una fuente o una luminaria. El modo en como se distribuye la intensidad luminosa, de una lámpara o una luminaria, se indica mediante gráficas de isocandelas, es decir curvas de igual valor de intensidad. Estos diagramas, representados en coordenadas polares o cartesianas, permiten elegir una luminaria de acuerdo a las funciones para las cuales se utilizará.

a) Flujo luminoso b) Intensidad luminosa

c) Iluminancia d) Luminancia

Su(s

Figura 3.- Gráficos ilustrativos de los conceptos de (a) flujo luminoso, (b) intensidad luminosa, (c)iluminancia y (d) luminancia.

i una lámpara fluorescente compacta con balasto convencional de 7W que emite 400lm fuera na fuente puntual, iluminando por igual en todas las direcciones, su intensidad sería 400lm/ 4π sr), es decir 33 candelas, ya que el flujo luminoso total se divide por el ángulo sólido total ubtendido por una esfera, 4π estereorradián.

5

Las otras dos magnitudes fotométricas fundamentales son: iluminancia (Figura 3c) y luminancia (Figura 3d). La Iluminancia (E), que deriva de la Irradiancia, se define como el flujo luminoso que incide por unidad de área de una superficie dada. Se mide en lux (lux (lx) = lm/m2). En general, cuando se mide la iluminancia sobre el plano de trabajo o Iluminancia Horizontal, se fija convencionalmente una altura de 0,85m. Cuando se necesita especificar la iluminancia sobre paredes o pantallas de video, las mediciones se hacen sobre planos verticales, lo que se conoce como Iluminancia Vertical. Su aplicación práctica es cuantificar la cantidad de luz que llega a una superficie y por la simplicidad de su medición es la magnitud que más se usa. La iluminancia sigue la ley inversa de los cuadrados, que en el caso de una fuente puntual toma la forma:

E = I / d2 (2) donde d es la distancia desde la fuente luminosa a la superficie a la que llega el flujo luminoso y la superficie es perpendicular a la dirección de propagación de la radiación incidente (Figura 4a). Cuando la superficie no es perpendicular a la dirección de propagación del flujo luminoso (Figura 4b) la ecuación debe ser modificada y se obtiene:

E = ( I / d2) cos θ (3) donde θ es el ángulo de inclinación de la superficie.

dI

Superficie (b)

(a)SuperficieSuperficie

Figura 4.- Cálculo de la iluminancia para el caso de a) una superficie perpendicular a la dirección de la intensidad y b) una superficie que forma un ángulo θ con la dirección de la intensidad.

6

La luminancia (L), que deriva de la radiancia, de una fuente o de una superficie, se define como la intensidad luminosa emitida, por la fuente o la superficie, en la dirección de un observador, dividida por el área de la fuente o la superficie vista por el observador, es decir por unidad de área proyectada. Su unidad es la candela por metro cuadrado (cd / m2). Esta magnitud se ilustra en la Figura 5a para el caso de una lámpara fluorescente compacta. La línea de visión, desde el observador a la lámpara, forma un ángulo α con la línea perpendicular al frente de la lámpara. La luminancia en la dirección del observador (Lα) se calcula de la siguiente manera:

Lα = Iα / A cos α (4) donde Iα es la intensidad de la fuente en la dirección del ángulo α y el producto de A por cos α es el área proyectada perpendicular a la dirección de visión. En la Figura 5b se ilustra un ejemplo similar para una superficie que refleja luz.

Superficieiluminada

Endepr

EsáncoapsoCu

Figura 5.- La dirección de visión del observador forma un ángulo α con la normal (a) una lámpara fluorescente compacta y (b) superficie que refleja luz

el caso de una superficie difusora perfecta la luminancia es independiente de la dirección observación. Si se simboliza con Io a la intensidad según la normal, y con Iα a la que esenta en la dirección α de observación, se tiene que:

Iα = Io cos α (5)

decir que, en los emisores y difusores perfectos, la intensidad varía con el coseno del gulo que forma la dirección de emisión con la normal, y se dice que emite según una ley del seno o ley de Lambert. Los metales fundidos cumplen con la ley del coseno con bastante roximación por lo que se suele usar como difusor patrón al óxido de magnesio. También n buenos difusores los vidrios esmerilados, las porcelanas blancas esmeriladas, el yeso, etc. ando se supone un emisor o un difusor perfecto se emplea para el valor de luminancia

7

constante el símbolo L, sin necesidad de especificar el ángulo. En la Figura 6 se representan las distintas posibilidades, en a) la situación de una superficie que refleja en forma especular, en b) el caso de un difusor perfecto y en c) la de un reflector que en parte es especular y en parte difusor. En el caso de una superficie que refleja perfectamente en forma difusa se puede demostrar que, si su factor de reflectancia es ρ, la relación entre la iluminancia, es decir la radiación de

l

a b

Sdui

Lalc

Figura 6.- a) reflector especular, b) reflector difuso, c) reflector en parte especular y en partec

difusor

uz incidente, y la luminancia, es decir la reflejada desde ella, viene dada por la expresión:

L = ρ E /π (6)

i la superficie no es perfectamente difusora en lugar del factor de reflectancia se usa el factor e luminancia q que es el cociente entre la luminancia de la superficie reflectora, vista desde na dada dirección, a la luminancia de una superficie blanca difusora iluminada dénticamente, en este caso la ecuación es:

L = q E (7)

a luminancia es una magnitud fotométrica de excepcional importancia por ser la variable que precia el ojo. La luminancia de una superficie tiene su correlato perceptual en la claridad de a misma, aunque la relación no es directa ni independiente de otras variables, como la omposición espectral de la radiación o las condiciones de adaptación. Es la magnitud que

8

mejor permite indicar la calidad de la iluminación desde el punto de vista del usuario, la cual, junto a la iluminancia son las dos magnitudes más usadas por los diseñadores de sistemas de iluminación para cuantificar fotométricamente el medio ambiente visual. En la Tabla 1 se resumen las definiciones de las magnitudes fotométricas. Tabla 1.- Magnitudes fotométricas Magnitud fotométrica Definición Unidades Flujo luminoso: cantidad de flujo radiante que produce sensación visual ∫

760

380mlum d K= λφφ λ radrV lumen (lm)

Intensidad luminosa: flujo luminoso emitido en un pequeño cono que contiene una dirección dada dividido por el ángulo sólido del cono

I = dφ lum / dω

candela (cd)

Iluminancia: flujo luminoso sobre una determinada área

E = dφ lum / dS

lux (lumen/m2)

Luminancia: flujo luminoso emitido en una dada dirección dividido por el producto del área proyectada de una fuente puntual perpendicular a la dirección y el ángulo sólido que contiene esa dirección

L = dφ lum / dω dS cosα

cd/ m2

2. Magnitudes colorimétricas

Las cantidades fotométricas descriptas hasta aquí no tienen en cuenta la composición espectral de la luz recibida por el ojo. Dos campos con igual luminancia pero con diferentes combinaciones de longitudes de onda se diferenciaran por su color. El color depende de la distribución espectral de la luz. Si prevalecen longitudes de onda largas del espectro visible, la luz se percibirá roja, si prevalecen las del medio el espectro la luz se percibirá amarilla/verde o si esta concentrado en las bajas longitudes de onda se percibirá un azul. Si se combinan todas las longitudes de onda del espectro visible, en aproximadamente cantidades iguales, el ojo percibe una luz color blanca, como la del sol. La suma de tres luces de colores, roja, azul y verde, en proporciones apropiadas, da blanco, verde con rojo da amarillo, verde con azul el cian y finalmente rojo con azul el color magenta, es decir púrpura, un color no espectral. Dos colores que, sumados dan blanco se llaman colores complementarios. Así el azul y el amarillo, el rojo y el cian, y el verde con el magenta, son complementarios. En la Figura 7 se muestran curvas de distribución de intensidad para fuentes de distintos colores, a) azul, b) verde, c) rojo, luego suma de luces, d) el amarillo, e) el cian y en f) el púrpura, para mostrar finalmente el blanco como la suma de las tres luces en el diagrama g).

9

500

500

500

500

500

500

500








700

700

700

700

700

700

700

600

600

600

600

600

600

600

400

400

A V

R

A

V R

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

400

CM

B

RA V

RA

A

V

400

400

400

400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2Irr

adia

ncia

esp

ectra

l w/c

m2

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2Irr

adia

ncia

esp

ectra

l w/c

m2

Figura 7.- Luces de colores. Curvas de distribución de intensidad de a) luz azul, b) luz verde, c) luz roja, d)mezcla aditiva de verde y rojo dando amarillo, e) mezcla aditiva de azul y verde, dando cian f) mezclaaditiva de rojo y azul, dando magenta g) mezcla aditiva azul, verde y rojo, obteniéndose el blanco.

10

La apariencia de un campo iluminado coloreado puede ser descripto por tres atributos perceptuales: tono, saturación y claridad. Las Figuras 8 ejemplifican estos conceptos

AmarilloVerde

Rojo

Violeta Purpura

Azul

AzulVerde Naranja

(b)saturación

(a) tono

Ellleadpo Codepuco9 sa moy e ElasEnlasresel

Fig 8.- a) Tono b) saturación y c) claridad
(c ) claridad
color está definido, en buena medida, por la composición espectral de la radiación que ga al ojo. Decimos en buena medida pues, además, hay que tener en cuenta los procesos de aptación del sistema visual que conducen a los fenómenos de contraste simultáneo y efectos steriores.

mparar diferentes distribuciones espectrales no es una tarea sencilla, dos colores iguales sde el punto de vista perceptual, es decir dos colores que el ojo no es capaz de diferenciar, eden tener composiciones espectrales distintas. Dos colores que parecen iguales, pero cuyas mposiciones de intensidad espectral son diferentes, se denominan metámeros. En la Figura e muestran tres distribuciones de intensidad espectral que podrían percibirse como iguales un amarillo. En (a) se trata de la distribución espectral de una fuente amarilla nocromática, en (b) la mezcla aditiva de dos fuentes monocromáticas, una verde y otra roja n (c) la mezcla aditiva de dos fuentes roja y verde no monocromáticas.

tono está asociado al color predominante, sea este espectral o no, es decir es el atributo ociado con el nombre de los colores básicos: rojo, amarillo, naranja, verde, azul o púrpura. general, se describe el tono por la longitud de onda del color dominante, aunque como en Figuras 9b y c no esté presente. En el caso de un color no espectral como el púrpura, que ulta de una suma de luces rojas y azules, que no se corresponde con una longitud de onda, tono se describe como la longitud de onda de su color complementario.

11

500 500Longitud de onda (nm) Longitud de onda (nm)

700 700600 600400

ARV

(a) (b)

400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

500Longitud de onda (nm)

700600

A

V R

(C)

400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

La moncomluz obte El tpuepercpropestá

Figura 9.- Curvas de distribución de intensidad a) fuente amarilla monocromática, b) mezcla aditiva de dos fuentes monocromáticas, una verde y otra roja, c) mezcla aditiva de dos fuentes no monocromáticas,verde y roja.

saturación corresponde a la pureza del color que determina el tono. Un color ocromático espectral tiene la mayor saturación, mientras la luz blanca, es una luz pletamente no saturada, como se indica en la Figura 10a. En la Figura 10b se muestra una roja saturada, y en la Figura 10c se muestra una mezcla de esta luz roja con blanco niéndose un color rojo muy poco saturado, es decir un color rosa.

ercer atributo del color, la claridad, se refiere a la cantidad de luz. Un mismo objeto sto al sol o a la sombra solamente se diferencia por su claridad. Es una magnitud eptual asociada al nivel de la intensidad que emite una fuente de luz (Figura 11a), o a la orción de la luz incidente que es reflejada en el caso de objetos (Figura 11b). La claridad

asociada con la luminancia.

12

500

blanco

Longitud de onda (nm)700600

(a)

400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

500

rosa


(c)

600400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

500

R


(b)

600400

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

1

Porc

enta

je d

e lu

z re

fleja

da

13

Figuras 10.- Saturación: a) luzblanca, completamente no saturada,b) luz roja saturada, c) luz rojamenos saturada

500

claro

blanco

gris

oscuro


(a)

600400

00

Irrad

ianc

ia e

spec

tral w

/cm

2

Figura 11.- a) Curvas dedistribución de intensidad de unafuente para tres niveles distintos, b)curvas que representan el porcentajede luz reflejada por tres superficiesdistintas, en función de la longitud deonda.
oscuro

700

(b)

6004000

Existen dos maneras de representar el color de la luz: el atlas de color y el sistema colorimétrico de la CIE. La primera, el atlas de color, es una representación en las tres dimensiones del espacio de color, asociadas a los tres atributos perceptuales mencionados y su objetivo es clasificar los colores de manera que puedan ser evaluados y comunicados. Si bien hay distintos atlas de color propuestos, posiblemente el más conocido es el Sistema de color Munsell (IES, 1993). En el mismo la posición de cualquier color se identifica con un código alfanumérico que tiene tres términos que indican el tono, un valor de claridad y un nivel de saturación. La escala de los tonos consiste de 100 divisiones en un círculo que contiene cinco tonos principales (rojo, amarillo, verde, azul y púrpura), cinco intermedios (rojo/amarillo, amarillo/verde, verde/azul, azul/púrpura, púrpura/rojo). La escala de claridad en el eje vertical va desde 1, que corresponde al negro, hasta el 10, que indica el blanco. Finalmente, la escala de saturación, que se indica radialmente, crece desde el centro con un valor de cero, saturación neutral, hasta alcanzar la saturación máxima, que se indica con el valor 20 (Figura 12).

Se podría pensar en tener un catálogo de colores derivado del sólido de color mencionado, y con tantas subdivisiones de sus escalas como sea necesario, entonces, si se quisiera especificar un color bastaría comparar la muestra con los del catálogo y asignarles las coordenadas de su igual. Esto es lo que se hace corrientemente en la industria cuando no se requiere gran exactitud. En general, para identificar pinturas, materiales de construcción, plásticos, cerámicos se usa un atlas del tipo descripto. Sin embargo, sería imposible hacer un catálogo con todos los colores diferentes que puede distinguir el observador humano normal,

14

Figura 12.- Diagrama de representación del color en tres dimensiones.

pues subdividiendo las tres escalas del atlas en todos los escalones perceptibles, se calcula que el hombre puede distinguir hasta 10 millones de colores. Por ello, cuando se quiere caracterizar el color de una luz o una superficie, de manera que se le pueda asignar una denominación inequívoca, y que esta denominación permita reproducirlo con toda exactitud, se recurre a las mediciones del color a partir del método de las mezclas, que conducen a los diagramas de cromaticidad. El sistema colorimétrico CIE, desde el más complejo al más simple (CIE, 1971, 1972, 1978a), se basa en que la mayoría de la gente tiene respuestas al color muy similares y que casi cualquier color puede ser igualado por una combinación de no más de tres longitudes de onda que descansan en las regiones del azul, el verde y el rojo. Si bien, el desarrollo completo de este sistema es complicado (Wyszecki y Stiles, 1982; IES 1993) haremos una presentación simplificada. Dados tres colores monocromáticos: un rojo (λ = 650nm), un verde (λ=530nm) y un azul (λ=460nm), la Figura 13 da las cantidades relativas que se necesitan para igualar cualquier color monocromático. Nótese que en algunos puntos se necesitan cantidades negativas, lo que en realidad implica sumar estas cantidades al color que se busca. Por ejemplo, para obtener un amarillo con λ=570nm, debe agregársele una pequeña cantidad de azul (un valor negativo en el gráfico) y entonces, sumando un porcentaje de rojo y de verde, se obtendrá el color buscado. Estos porcentajes pueden extraerse de la figura, obteniéndose: 36% de rojo, 66% de verde y 2% negativo para el azul para igualar al particular amarillo seleccionado.

406-20

100

80

60

530460 650

Cantidad de azul 460

Cantidad de verde 530

Cantidad de rojo 650

Cantidadrelativade cadacolor

40

20

0

%

418 431 447 465 488 515 550 596 659


747

En rLa reprnece

Figura 13.- Cantidades relativas de tres colores (λ = 460nm azul, λ = 530nm verde, λ = 650nm rojo)necesarias para igualar cualquier color monocromático (espectral). Son curvas estandarizadas pues losdatos reales varían según el observador y la intensidad de la luz.

ealidad, bastaría con conocer dos de estas curvas, pues la suma tiene que dar 100%. Figura 14 muestra otra manera de graficar la cantidad relativa de un rojo de 650nm –esentada en el eje horizontal– y un verde de 530nm –representada en el eje vertical– sarias para igualar cualquier color. A su vez, de estos valores se puede calcular la

15

cantidad relativa del azul de 460nm. Los puntos sobre la herradura corresponden a la ubicación de los colores espectrales y eligiendo uno cualquiera, por ejemplo el mismo amarillo de λ=570nm, se tienen sus componentes: en el eje horizontal se encuentra el valor de 0.36 (36% del rojo) y en el eje vertical el valor de 0.66 (66% del verde), obteniéndose un valor negativo del 2% para el azul. Esta curva contiene toda la información de la Figura 13. Se elige esta representación, que puede parecer más complicada, pues en este nuevo diagrama las reglas aditivas del color son fácilmente expresadas: “las mezclas aditivas de dos colores descansa sobre una línea recta que une los mismos”. Las regiones dentro de la herradura corresponden a los colores no saturados. Además, la mezcla de rojo con azul, que da, como ya se mencionó, el color no espectral púrpura, corresponde a la parte transversal en la base inferior de la herradura.

0.1 0.2

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5490

510

500

520 530 Verde

540

550

570 Amarillo

560

580

590

F

600 Naranja

610

650 Rojo680

640630

620

700

480

470

460410440Azul

Blanco0.4

0.3

0.2

0.1

0.66

1.0

0.3 0.40.36

0.5

Cantidad relativa de rojo de 650 nm

Cantidad relativa de verde de 530 nm

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Figura 14.- Curva con forma de herradura de caballo que muestra la ubicación de los colores espectrales y no espectrales a ser igualados.

16

Supongamos que a partir de un amarillo de λ= 570nm se va sumando un azul de λ=460nm. El color resultante descansa en la línea recta que une estos dos puntos y depende de la proporción de cada uno. En algún lugar entre estos dos puntos descansa el punto correspondiente al blanco, ya que amarillo y azul son complementarios. Por lo tanto, una mezcla apropiadamente balanceada de los dos da el blanco, que de esta manera descansa en la zona central del diagrama. Conociendo la ubicación del blanco, podemos encontrar el complementario de cualquier color con la siguiente regla: “el complementario de cualquier color se encuentra en el lado opuesto de la herradura siguiendo la línea que pasa por el blanco”. El punto blanco descansa aproximadamente donde los tres colores, el rojo, el verde y el azul, contribuyen igual, y, su exacta ubicación depende del blanco elegido. Para superar cualquier tipo de ambigüedad se elige un iluminante blanco estándar. Para ello se ha establecido un acuerdo internacional sobre los iluminantes patrones (CIE, 1972, 1978a). Por ejemplo, si se quiere conocer el tono de un color F en el diagrama, se dibuja una línea recta desde el blanco, a través del F, hacia la zona espectral de la herradura. La intersección de aquella línea con la herradura es la ubicación del color saturado correspondiente, la longitud de onda dominante o tono. Si el tono de F es púrpura, siguiendo la línea a través del blanco, cortará a la herradura en el verde, y dará la ubicación de la longitud de onda del complementario, el que define el tono del color púrpura. Es interesante notar que cualquier color dentro del triángulo, inscripto en la herradura, se puede obtener, usando los tres colores, 650nm rojo, 530nm verde y 460nm azul, sin usar contribuciones negativas. En este sentido el rojo, el azul y el verde constituyen la mejor elección de un conjunto de tres colores para obtener físicamente la mayor cantidad de colores pues dan el triángulo más grande que se puede obtener dentro de la herradura, de manera de tener la mayor variedad de colores sin contribuciones negativas. Esta es la explicación de por qué los colores rojo, azul y verde se llaman los colores primarios aditivos. Esta es la razón también por la que se eligen estos colores para los fósforos de la TV, ya que trabaja por mezcla aditiva de colores, tan saturados como los fósforos lo permiten. Por supuesto, aún usando los colores primarios, no se pueden igualar todos los colores espectrales. Sin embargo, para la mayoría de los propósitos esto no es importante, porque la mayoría de los colores de la naturaleza son no saturados. A partir de estas ideas la CIE (1971) ha desarrollado el sistema colorimétrico CIE basado en tres “colores” imaginarios, posibles matemáticamente aunque no físicamente, llamados “valores triestímulos”, en lugar del rojo, el azul y el verde. Con ellos se puede obtener el diagrama de la Figura 15, correspondiente al mostrado en la Figura 13 usando los tres colores primarios. La característica fundamental de este nuevo sistema es que permite igualar cualquier color con combinaciones positivas de estos tres nuevos primarios x, y, z, sin tener que recurrir a porcentajes negativos.

17


700600

xy

z

4000

Cantidadrelativade cadacolor

Con estos tres colores imaginarios se obtiene el diagrama dmuestra en las Figuras 16 y 17, en cuyos ejes horizontcantidades relativas x e y, de dos de los primarios, necesaEste par de valores (x,y) es llamado “cromaticidad del cocalcular la cantidad relativa, z, del tercer primario. Dejando dpresentado en las Figuras 16 y 17 tiene las mismas propiedad 1. el blanco se encuentra en la vecindad del punto equiener

exacta del estándar elegido, 2. las mezclas de colores se encuentran en la línea recta que3. los colores complementarios se encuentran extendiend

cuestión hacia el lado opuesto de la herradura espectral p4. los colores saturados están sobre el perímetro de la herrad5. los colores no saturados están en la zona interior de la he6. los colores púrpuras saturados están en la línea que cierra Este diagrama, además, brinda reglas precisas de mezcla de cy. Queda por especificar la claridad del color. Un diagrampara un dado valor de claridad, y la identificación de dependerá de la claridad del diagrama particular.

18

Fig 15.- Valores triestímulos paraigualar un dado color espectral.

e cromaticidad de la CIE, que se al y vertical se representan las rios para igualar cualquier color. lor” y a partir de ellos se puede e lado estos detalles, el diagrama es que el de la Figura 14:

gético, dependiendo su ubicación

une los dos colores de interés, o una línea desde el color en

asando a través del blanco, ura

rradura en la base a la herradura

olores, a través de los índices x e a de cromaticidad está dibujado puntos con colores específicos

x

y

460440

520

500

480

540

Además, la CIE, desarrollado dos ematemáticas aplicapermiten cuantificsegundo para fuencoordenadas en undos colores en esteser diferenciados. La apariencia de temperatura de col(radiador caliente) CIE 1931 (Wyszecfuentes incandescefuentes estándaresmediodía (4.870ºKmanera convenientemperaturas de cose consideran fuenfuentes con tempelámparas incandesclos naranjas. Por ejdel flujo luminoso hacerlo simplemenAunque estas variasí lo serían para loiluminación de suscontrolan usando exteriores las cáma

Fig 16.- Diagrama de cromaticidad de la CIE.

con el propósito de proveer una caracterización precisa del color, ha spacios del color de tres dimensiones (CIE, 1978a) basados en relaciones das a las distribuciones espectrales, que se simbolizan por Lab y Lµν, que ar el color. El primero se usa para cuantificar el color de objetos y el tes luminosas u objetos autoluminosos. Si dos colores tienen las mismas o de estos espacios de color ellos se percibirán iguales. La distancia entre espacio está relacionada con la facilidad con que estos dos colores pueden

color de las fuentes luminosas se describe convencionalmente por su or correlacionada, es decir, la temperatura de color de un cuerpo negro cuyas coordenadas están más cerca en el diagrama de cromaticidad de la ki y Stiles, 1982). En la Figura 17 se muestra la ubicación de los colores de ntes para distintas temperaturas y se muestran las ubicaciones de tres blancos: A: incandescente de tungsteno (2.854ºK), B: luz del sol al ) y C: filamento de tungsteno filtrado a “luz día“ (6.770ºK). Esta es una te de estandarizar las fuentes de luz. En general aquellas fuentes con lor altas, mayores de 5000ºK se consideran con bajo rendimiento de color y tes “frías”, como las lámparas fluorescentes luz día. En cambio aquellas raturas de color menores de 3000ºK son fuentes “cálidas” como las entes, con mayor presencia de longitudes de onda más largas, los rojos y emplo, en un estudio de TV las cámaras se balancean para una temperatura de 3.200ºK, si uno quisiera oscurecer la iluminación del estudio, no puede te “enfriándola” pues cambiaría el balance de color haciéndose más rojiza. ciones podrían no ser evidentes para los actores, pues sus ojos se adaptan, s usuarios de TV en sus casas que compararían este color con el de la casas. Consecuentemente las luces en un estudio de filmación de TV se diafragmas neutros delante de las fuentes de luz. Para filmaciones en ras de color deben balancearse en forma diferente.

19

0.8

520

540

500

CB

A

560

580

590

480

470

620700

0.6

0.4

0.4 0.6 0.8x

y

0.2

0.20.0

Figura 17.- Ubicación de diferentes fuentes luminosas en el espacio de color: A)incandescente de tungsteno B) luz del sol a mediodía C) filamento de tungsteno filtradopara simular luz diurna

El efecto de la luz sobre la apariencia del objeto se indica mediante un “Indice General de Rendimiento de Color CIE”, el cual es un número simple que indica, para una fuente de luz, con qué precisión reproduce los colores con relación a una fuente estándar (CIE, 1974). Específicamente, se calculan las posiciones en un espacio de color de 8 colores de prueba, bajo una fuente de luz de referencia y bajo la fuente de luz de interés. Luego se calcula la separación entre las dos posiciones correspondientes al mismo color de prueba, se suman las separaciones para los ocho colores de prueba y se escalan para dar un valor de 100 cuando no hay separación para ninguno de los colores de prueba, lo que indica un índice de reproducción de color perfecto. Este es un sistema muy rudimentario y, es sabido que, dos fuentes de luz que tengan un mismo índice general de rendimiento de color pueden reproducir en forma distinta dos colores, sin embargo, este índice es muy usado para clasificar el rendimiento de fuentes de luz, en relación con la reproducción del color.

3. Instrumentos de medición

Los instrumentos para medir cantidades fotométricas o colorimétricas se dividen en instrumentos de laboratorio y de campo (CIBSE, 1994; IESNA, 1993). Los primeros son mas sofisticados y por tanto más caros, mientras los segundos son pequeños y manuables. El flujo luminoso y las propiedades de color de una fuente de luz, así como la distribución de intensidad luminosa de una luminaria, se miden generalmente en un laboratorio ya que implican la disponibilidad de equipamiento sofisticado y del desarrollo de metodologías complejas. De todos modos, las cantidades que en general se necesitan medir en trabajos de

20

campo son la iluminancia y la luminancia, las cuales se miden con el luxímetro y el luminancímetro. Un medidor de iluminancia (luxímetro) tiene tres características importantes: sensibilidad, corrección de color y corrección coseno. La sensibilidad se refiere al rango de iluminancia que cubre, dependiendo si será usado para medir luz natural, iluminación interior o exterior nocturna. Corrección de color se refiere a que el instrumento tiene un filtro de corrección V(λ), para que el instrumento tenga una sensibilidad espectral igual a la del Observador Standard Fotópico de la CIE. La corrección coseno significa que la respuesta del medidor de iluminancia a la luz que incide sobre él desde direcciones diferentes a la normal sigue la ley de coseno. El luminancímetro está diseñado para medir la luminancia media sobre un área especificada. Posee un sistema óptico que enfoca la imagen sobre un detector. Mirando a través del sistema óptico el operador puede identificar el área sobre la que está midiendo la luminancia, y usualmente muestra la luminancia promedio sobre esta área. Las características más importantes de los luminancímetros son su respuesta espectral, su sensibilidad y la calidad de su sistema óptico. Al igual que un luximetro, un buen luminancímetro tiene una respuesta espectral acorde con la curva de sensibilidad espectral del observador standard de la CIE. La sensibilidad exigida al instrumento depende de las condiciones bajo las cuales se usará el mismo. La calidad de su sistema óptico puede ser medido por su sensibilidad a la luz del área exterior al área de medición (CIE, 1987). Recientemente han comenzado a aparecer luminancímetros basados en cámaras de video que capturan la imagen en forma digitalizada (Rea y Jeffrey, 1990). Si bien estos instrumentos todavía son caros proveen una manera de medir luminancias de escenas que cambian espacialmente y en el tiempo.

4. Características funcionales del sistema visual humano

La iluminación es importante para el hombre, no solamente porque altera el estímulo que llega al sistema visual, sino porque, al mismo tiempo, modifica el estado de operación del sistema visual. Por lo tanto, para comprender los efectos de la iluminación, es necesario conocer cuáles son las capacidades del sistema visual y cómo varían con la iluminación. El sistema visual está compuesto del ojo y del cerebro operando en forma conjunta. La luz que llega al ojo es enfocada sobre la retina por el efecto combinado de la córnea y el cristalino del ojo (Figura 18). La retina, considerada por algunos autores como una extensión del cerebro, consiste de dos tipos diferentes de fotoreceptores y numerosas interconexiones nerviosas. En los fotoreceptores, los fotones de luz incidentes son absorbidos y convertidos en señales eléctricas. La imagen, luego de una primera etapa de procesamiento básico realizado por las interconexiones nerviosas, es transmitida a través del nervio óptico de cada ojo al quiasma óptico, donde las fibras nerviosas provenientes desde los dos ojos son combinadas y transmitidas a las partes izquierda y derecha a la corteza visual. En la corteza visual, estas señales son interpretadas en términos de la experiencia pasada.

21

retina fovea

músculociliar

puntociego

esclera

pupila

iris

córnea

cristalino

nervio óptico

Figura 18.- Sección del ojo donde se muestran sus distintos componentes y el cristalino modificado paravisión cercana y distante

Muchas capacidades del sistema visual pueden ser comprendidas conociendo la organización de la retina. Los dos tipos de fotoreceptores, llamados bastones y conos por su apariencia anatómica, tienen diferentes sensibilidades a la longitud de onda, diferentes sensibilidades absolutas a la luz y poseen diferente distribución en la retina. Los bastones tienen mayor sensibilidad absoluta a la luz y en consecuencia son los responsables de la visión nocturna. Los conos, menos sensibles a la luz, se clasifican, según su sensibilidad espectral a diferente longitud de onda, en tres tipos diferentes identificados por ¨rojos¨, ¨verdes¨ y ¨azules¨, según estén asociados a longitudes de onda ¨largas¨, ¨medias¨ o ¨cortas¨. Estos tres tipos de conos son los responsables de la percepción del color. Los conos están concentrados fundamentalmente en una pequeña área central de la retina llamada fóvea, por donde pasa el eje visual del ojo, y subtiende un diámetro de aproximadamente 5º. Los bastones, ausentes de la fóvea, alcanzan su concentración máxima alrededor de los 20º desde la fóvea. Esta variación en concentración de los conos y los bastones con respecto a la fóvea parece aún mayor por la cantidad de receptores conectados a cada fibra óptica nerviosa. En la fóvea, la relación de fotoreceptores a las fibras ópticas nerviosas es próxima a uno pero aumenta rápidamente a medida que nos alejamos de la fóvea. Esta estructura es responsable de las diferentes funciones de la fóvea y la periferia. La fóvea es la parte de la retina que provee una fina discriminación de detalles, mientras el resto de la retina está destinado primariamente a detectar cambios en el medio visual hacia los cuales se requerirá luego la atención de la fóvea, para un examen detallado. Para que un estímulo fuera del eje visual atraiga la visión foveal tiene que diferenciarse del fondo, en luminancia o en color, o cambiar sus características, en espacio o tiempo, es decir, tendría que estar moviéndose o parpadeando. Como ya dijimos, los conos y los bastones tienen diferentes sensibilidades espectrales absolutas. El pico de sensibilidad de los conos se encuentra a unos 555nm, mientras que el de

22

los bastones está desplazado hacia valores menores de longitudes de onda, se obtiene a los 507nm. Estas sensibilidades espectrales constituyen las bases de los observadores estándares de la CIE y de aquí, las magnitudes fotométricas discutidas anteriormente en la sección de magnitudes fotométricas. Ajustando la emisión espectral de una fuente luminosa para que caiga en la zona más sensible de la respuesta espectral del sistema visual, los fabricantes de lámparas pueden variar la eficacia luminosa de sus fuentes luminosas, es decir, modificar la cantidad de lúmenes emitidos por cada watt de potencia energética utilizado. El sistema visual puede operar sobre un rango de alrededor de 12 unidades logarítmicas, desde una luminancia de 10-6 cd/m

2 hasta unos 106 cd/m

2, es decir desde la luz tenue de una

estrella hasta la luminancia medida sobre un papel blanco iluminado por la luz del sol. En la tabla 2 se muestran los órdenes de magnitud de iluminancias y luminancias en casos de importancia en la práctica, es decir en situaciones comunes de la vida diaria. Valores mayores, como los que surgen de la visión directa de la luz del sol, deben evitarse siempre, pues son dañinas a la retina. Tabla 2.- Valores de iluminancia y luminancia en condiciones específicas Situación Iluminancia sobre una

superficie horizontal [lux]

Superficie sobre la que se mide la luminancia

Luminancia [cd/m2]

Luz solar 100.000 Papel blanco 105 - 106

Cielo cubierto 10.000 Césped 3000 Puesto de trabajo con pantalla de video

500 Pantalla con fondo gris 10 a 50

Puesto de trabajo en oficina

500 Papel blanco 100

Zona de circulación 100 Superficie de cemento 10 Alumbrado de calles 10 Superficie de asfalto 1 Noche con luna 1 Papel blanco 0.01

Sin embargo, este amplísimo rango en el cual el sistema visual es capaz de adaptarse, no se cubre simultáneamente, pues en cada momento, el sistema visual solamente puede cubrir un rango de 2 o 3 unidades logarítmicas de luminancia. Los valores de luminancias que están por encima de este limitado rango son vistos como deslumbrantes y aquellos valores que estén por debajo quedan simplemente oscuros sin ser diferenciados. Las capacidades del sistema visual dependen de la luminancia de adaptación. Por convención se identifican tres rangos funcionales diferentes: el fotópico, el mesópico y el escotópico. La tabla 3 sintetiza las capacidades del sistema visual en cada uno de estos rangos funcionales.

23

Tabla 3.- Rangos funcionales de las capacidades del sistema visual humano Nombre Rango [cd/m2] Capacidades Fotoreceptor activo Fotópico > 3 Visión de color

Buena discriminación de detalles

Conos

Mesópico >0,001 y < 3

Visión de color disminuida Reducida discriminación de detalles Corrimiento en la sensibilidad espectral

Conos y bastones

Escotópico < 0,001 Sin visión de color Muy pobre discriminación de detalles

Bastones

La iluminación interior es casi siempre suficiente para que el sistema visual pueda operar en condiciones fotópicas, incluso, la iluminación exterior, en calles y en áreas urbanas, es usualmente suficiente para mantener el sistema visual operando en condiciones fotópicas. La velocidad de adaptación es importante cuando ocurre un cambio en la luminancia. Ejemplos de situaciones en las que esto ocurre son la entrada a los túneles durante el día, el encendido de la luz de emergencia cuando se corta la luz, el deslumbramiento que sufre un conductor en una ruta de noche, los cambios de adaptación en un puesto de trabajo, etc. Estos problemas son superados o mitigados, con distintas estrategias, favoreciendo que los cambios en luminancia sean graduales, permitiendo mayores tiempo de adaptación, modificando los rangos de variación, etc. Cuando el sistema visual está adaptado fotópicamente puede discriminar muchos miles de colores. Debido a que la visión de color está mediada por los fotoreceptores conos, la habilidad para discriminar colores se reduce cuando la luminancia de adaptación disminuye hacia la región mesópica y se desvanece en la visión escotópica. Como ya se dijo, las distintas fuentes de luz emiten con composiciones espectrales diferentes y, por lo tanto, tienen un rendimiento de color diferentes. Para asegurar una buena discriminación de color es necesario usar una fuente de luz que tenga, no solamente, un Indice de Rendimiento de Color General CIE alto, sino, que además produzca luz suficiente para asegurar que el sistema visual opere en la región fotópica. Sin embargo, es importante notar que dos fuentes de luz pueden tener el mismo Indice de Rendimiento de Color CIE y no reproducir los colores de la misma manera. Por ejemplo, una lámpara incandescente y una fluorescente, ambas con el mismo índice, por ejemplo del orden de 90, hacen que los colores azul y verde parezcan diferentes. Por lo tanto, para asegurar una buena apariencia de color tanto como buena discriminación de color, se necesita no solamente un Indice de Rendimiento de Color alto sino también una fuente de luz intensa.

24

5. Efectos de las condiciones de iluminación sobre las capacidades del sistema visual 5.1. El estímulo visual y sus características Para describir las capacidades del sistema visual se necesitan diferentes tipos de datos, y cada uno de ellos relacionados a diferentes aspectos de lo que el sistema visual puede hacer, lo que es expresado en términos de cantidades cuantificables en el mundo físico, y por lo tanto asociadas con tareas reales. Los descriptores del sistema visual humano son afectados no solamente por la iluminación sino también por otros aspectos relacionados a las condiciones visuales, por ejemplo la parte del campo visual sobre el cual el estímulo es visto, el tiempo de presentación del estímulo, las características del estímulo usado, su nitidez, su composición espectral y el fondo sobre el cual es visto, si es estacionario o se está moviendo, etc. Cualquier estímulo puede ser descripto básicamente por cinco parámetros: tamaño visual, contraste en luminancia, contraste cromático, calidad de la imagen retiniana e iluminación retiniana. Estos parámetros son importantes para determinar el grado por el cual el sistema visual puede detectar o identificar un estímulo. El tamaño visual de un estímulo se especifica en términos angulares. Si el objetivo de la tarea es de detección, el tamaño visual corresponde al ángulo sólido que el estímulo subtiende en el ojo (el ángulo sólido está dado por el cociente del área del objeto y el cuadrado de la distancia desde la cual es visto). Cuánto más grande es el ángulo sólido, más fácil es detectar el estímulo. El tamaño visual para una tarea de resolución se especifica por el ángulo subtendido por el ojo correspondiente a la dimensión critica del estímulo. Cuanto más grande es el tamaño visual del detalle en un estímulo, más fácil es resolver la tarea. Para estímulos complejos la medida usada está basada en el ángulo que subtiende un detalle crítico y está medido en términos de las veces que esta dimensión se repite en un ángulo de 1° y se expresa en unidades de ciclos por grados (frecuencia espacial). La iluminación puede aumentar o disminuir el tamaño de un estímulo tridimensional a partir de la formación de sombras, de manera de aumentar o disminuir el tamaño visual del estímulo. El contraste de luminancia de un estímulo (CIE, 1992) es una medida de su luminancia relativa al fondo sobre el cual es visto. Cuánto más grande es el contraste de luminancia, más fácil es detectar el estímulo. Hay, en términos generales, dos formas diferentes de definir el contraste de luminancia. Para estímulos que son vistos sobre un fondo uniforme, el contraste de luminancia se define por convención como:

C = (Lo - Lf ) / Lf (8)

donde C representa el contraste de luminancia, Lf la luminancia del fondo y Lo la luminancia del detalle. Esta ecuación es ampliamente usada para estímulos que tienen detalles más oscuros que el fondo, como por ejemplo para textos impresos, y se obtienen valores de contrastes entre 0 y 1. Cuando los detalles son más claros que el fondo esta definición de contraste da valores desde 0 hasta infinito. Para estímulos que tienen patrones periódicos de luminancias, por ejemplo redes, el contraste de luminancia o modulación, en general se define por:

C = (Lmax - Lmin ) / (Lmax + Lmin ) (9)

25

Donde Lmax es la luminancia máxima y Lmin es la luminancia mínima. Esta fórmula da valores de contrastes de luminancia que varían desde 0 a 1. La iluminación puede cambiar el contraste de luminancia de un estímulo si produce deslumbramiento fisiológico en el ojo, o reflexiones de velo sobre el estímulo, o modificando la radiación espectral incidente cuando están involucrados estímulos de colores. Un estímulo con contraste de luminancia cero o muy bajo, puede ser detectado si difiere en color del fondo, es decir, si tiene contraste cromático. La iluminación puede acentuar, o disminuir, el contraste cromático de un estímulo, según la composición espectral de la emisión de la fuente de luz utilizada. Como todos los sistemas que procesan imágenes, el sistema visual trabaja mejor cuando la imagen es clara y nítida. La nitidez del estímulo puede ser cuantificado por la distribución de frecuencia espacial del estímulo - una imagen nítida presenta componentes de frecuencias espaciales altas, mientras que una imagen borrosa las ha perdido. La nitidez de la imagen retiniana está determinada por el estímulo mismo, por tres factores: las características del estimulo, la dispersión de la luz en el medio que la trasmite y por la habilidad del sistema visual para enfocar la imagen sobre la retina. La iluminación puede afectar muy poco cualquiera de estos factores, aunque se ha mostrado que las fuentes de luz que son ricas en longitudes de onda cortas producen tamaños de pupilas más pequeñas y, en este sentido, se tiende a mejorar la visión de detalles para objetos de bajos contrastes. La explicación que se sugiere es que con pupilas de menor tamaños se obtiene mayor profundidad de campo y por lo tanto mejor calidad de la imagen retiniana (Berman et al., 1993). La iluminación retiniana determina el estado de adaptación del sistema visual y por lo tanto altera sus capacidades. La iluminación retiniana está determinada por el producto de la luminancia en el campo visual y el tamaño de la pupila. La iluminación retiniana se mide en trolands, unidad definida cuando una superficie cuya luminancia es de 1 cd/m2 es vista a través de una pupila del ojo de área igual a 1 mm2 (Wyszecki y Stiles, 1982). La luminancia del campo visual está determinada por los valores de iluminancias y por las reflectancias de las superficies del medio. El tamaño de la pupila está determinado por el valor de luminancia y por el contenido espectral de la luz que llega al ojo. Variando el estímulo físico es posible explorar la relación particular entre estímulo y respuesta del sistema visual, desde condiciones de operación en que la tarea no es visible hasta condiciones en las que el estimulo siempre se ve. Esta relación se expresa en forma simple a través del valor umbral. Cualitativamente el valor umbral de contraste, tamaño o velocidad, por ejemplo, es aquel valor de la variable de interés para la cual la tarea apenas puede realizarse, o se realiza con dificultad. Cuantitativamente, y como resultado de una conversión, es el valor de la variable para la cual el rendimiento de la tarea a realizar, detección de un estimulo o discriminación de una dirección de movimiento, por ejemplo, corresponde a un valor de 0.5, lo que quiere decir que la tarea puede ser realizada correctamente el 50% de las veces que es presentada.

26

5.2. Agudeza visual

Se define la agudeza visual como habilidad del sistema visual humano para resolver detalles. Se define como el ángulo subtendido en el ojo por el tamaño del detalle que puede detectarse, discriminarse o reconocerse, de acuerdo a la exigencia de la tarea, en el 50% de las ocasiones en que es presentado. Indistintamente se utiliza para la definición el recíproco del ángulo. La Figura 19 muestra la agudeza visual en términos de la luminancia de adaptación para

diferentes contrastes. Se observa que a medida que la lumdesde condiciones escotópicas a fotópicas, la agudeza visuales capaz de detectar, discriminar o reconocer tamaños de Asimismo se observa que la agudeza visual tiende aluminancias, y que el cambio de agudeza visual en el rangmenos marcado para contrastes altos. A partir de un vencontrado en instalaciones de iluminación en interiores ousarse para determinar si un detalle de un determinado tamañ

0.01

0.15

0.09

0.28

0.39

0.760 . 9 3

0

2

4

6

Connor y Ganoug 1935

Shlaer 1937

8

10

12

14

16

0.1 1 10 100

Luminancia cd/m²

Log.

Agu

deza

Vis

ual (

min

arc

o)

La agudeza visual depende, además de la luminancia de aexcentricidad, del tiempo de presentación, del movimientobservador. Sin embargo, es poco dependiente de la compmenos que el rango de emisión de la misma sea muy angconvencionalmente usando estímulos con un contraste de lumencionó, cuando el contraste de luminancia del objeto dismempeora. Una regla práctica y útil para el diseño de iluminación es quveces más grandes que el límite de agudeza visual para safectar la respuesta visual (Bailey, Clear y Berman, 1993).

27

Figura 19.- Los efectos de la luminancia de adaptación sobre la agudeza visual en pruebas con anillos de Landolt tomando como parámetro el contraste (CIE, 1989)

inancia de adaptación aumenta, mejora, es decir el sistema visual detalles cada vez más pequeños. un valor asintótico para altas o de luminancias considerado es alor de luminancia típicamente exteriores, la Figura 19 puede o puede resolverse.

1000

daptación y del contraste, de la o del estímulo y de la edad del osición espectral de la fuente, a osto. La agudeza visual se mide minancia alta, pero, como ya se inuye, la agudeza visual también

e los detalles necesitan ser cuatro er resuelto en forma rápida sin

5.3. Contraste Umbral y Función Sensibilidad al Contraste El contraste umbral se refiere la habilidad del sistema visual para detectar, discriminar o reconocer diferencias de luminancias entre el estímulo y el fondo contra el cual es presentado. Se define como el valor de contraste de luminancias para el cual un estímulo puede detectarse, discriminarse o reconocerse en el 50% de las veces en que es presentado.

00.1

0.5

0.2

1

2

10 10 102 3

Luminancia cd/m²

Sens

ibilid

ad a

l con

trast

e re

lativ

a

La Figura 20 muestra la dependencia de la fudel contraste umbral, con la luminancia de luminancia aumenta la capacidad del sistemamejora, hasta alcanzar un valor asintótico, arepresentación ha sido obtenida con una poblamediciones de visibilidad de una tarea de ref4min de arco presentado durante 0,2s cada se100cd/m2, con iluminación difusa y no polariy temperatura de color de 2.850ºK. Se encuentra que el contraste umbral deexcentricidad o posición del estimulo respectolas variables intervinientes los cambios en el (ley de respuesta disminuida). Por otro lado, Gque estos resultados se mantienen para un grimpresas, etc. Por lo tanto, es razonablerepresentativos para una gran variedad de estí Una regla práctica y útil en el diseño de ilumivisible, es necesario que el contraste de luumbral (Boyce, 1997). Cuando se mide el contraste umbral usando que tiene un perfil espacial sinusoidal (Figucontraste, determinado la inversa del contrastla red sinusoidal presentada. La frecuencia es

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Figura 20.- Función de referencia de la CIE (1981):Sensibilidad al contraste relativa (RCS).

410

nción sensibilidad al contraste, que es la inversa adaptación. Se encuentra que a medida que la visual para detectar diferencias de luminancias l igual que en el caso de agudeza visual. Esta ción de referencia entre 20 y 30 años, a partir de

erencia (CIE, 1981) que consiste en un disco de gundo, fijando el valor 1 para una luminancia de zada, uniformidad en los alrededores de la tarea

pende del tiempo de presentación y de la del eje foveal. Asimismo, a iguales cambios de

contraste umbral son cada vez menos efectivos uth y Mc Nelis en 1969 (CIE, 1989) mostraron

an rango de estímulos, tales como redes, letras sugerir que los resultados expresados son mulos.

nación es que, para que una tarea sea fácilmente minancia sea al menos dos veces el contraste

como estímulo un patrón de luminancia simple ra 21), se obtiene la función de sensibilidad al e umbral en función de la frecuencia espacial de pacial de una red de este tipo es la cantidad de

veces que se repite el ciclo en una unidad de longitud, que por tratarse de la visión se expresa en unidades angulares, por lo tanto la unidad de frecuencia es ciclos por grado.

Figura 21.- Redes sinusoidales de tres frecuencias espaciales. Abajo se representa el

perfil de luminancias. En cualquier estímulo se puede asociar el tamaño del detalle crítico en términos cuantitativos con la separación entre dos bandas de luminancia por cada grado de ángulo visual subtendido en el ojo. La función de sensibilidad al contraste integra los resultados provenientes de agudeza visual y contraste umbral de luminancias. Una manera efectiva de estudiar el camino de procesamiento del sistema visual frente a una imagen compleja es usando como estímulos este tipo de patrones periódicos de luminancia, tales como redes sinusoidales. Mediciones de esta función mostraron que el sistema visual posee canales de procesamiento sensibles a determinadas bandas de frecuencias espaciales. En general se puede decir que los detalles de una imagen están asociados al contenido de altas frecuencias mientras los rasgos generales se asocian a bajas frecuencias. La Figura 22 muestra la función de sensibilidad al contraste versus frecuencia espacial. La misma indica que el sistema visual es más sensible al contraste para frecuencias espaciales de alrededor de dos o tres ciclos por grado. La sensibilidad al contraste decae fuertemente tanto en altas como en bajas frecuencias espaciales. Cuando la luminancia de adaptación aumenta desde condiciones escotópicas a fotópicas, la sensibilidad al contraste aumenta para todas las frecuencias espaciales, aumenta también la frecuencia espacial a la cual se presenta el pico de la sensibilidad al contraste y la frecuencia espacial más alta a la cual puede ser detectada.

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10-1

1

2

3

4

56

7

0

0

1

1

2

2

3

10

10

10

10

10

10

10

Frecuencia Espacial (ciclos / grado)

Sens

ibilid

ad a

l Con

trass

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Figura 22.- Función de sensibilidad al contraste para diferentes valores de luminancia de adaptación: (1) 0,003 cd/m2; (2) 0,003 cd/m2; (3) 0,03 cd/m2; (4) 0,3 cd/m2; (5) 3 cd/m2; (6) 30 cd/m2; (7) 300 cd/m2

Si una dada tarea o imagen se descompone en sus componentes de frecuencias espaciales y, al menos una de ellas está contenida dentro del límite establecido por la función de sensibilidad al contraste, entonces la misma será visible (Sekuler y Blake, 1994), aunque la apariencia del estímulo será diferente según la componente o las componentes que sean visibles, es así que si una imagen contiene en su mayoría frecuencias espaciales bajas se verá borrosa, mientras que si posee frecuencias altas se verá nítida. Si bien la función sensibilidad al contraste varía mucho con el nivel de luminancia no hay evidencia experimental de que dependa del contenido espectral de la luz utilizada para iluminar la tarea, supuesto que se compare el efecto de fuentes con las cuales las luminancias de la tarea son aproximadamente las mismas. 5.4. Función de Sensibilidad Temporal La función de sensibilidad temporal brinda información sobre la habilidad del sistema visual para separar eventos en el tiempo, es decir se refiere a su capacidad de resolución temporal. Se construye a partir de mediciones de la amplitud de modulación porcentual umbral en función de la frecuencia de la modulación temporal del estímulo.

30

1

2

34 5 6

1100

20

50

10

5

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1

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5 10 20 50Frecuencia (hz)

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Figura 23.- Amplitud demodulación porcentual en funciónde frecuencia (Hz) para diferentesniveles de iluminación retiniana:(1) 0,06 trolands; (2) 0,65 trolands;(3) 7,1 trolands; (4) 77 trolands; (5)850 trolands; (6) 9300 trolands

La Figura 23 muestra la función de modulación temporal en función de la frecuencia temporal. Cuando la luminancia de adaptación aumenta desde condiciones mesópicas a fotópicas, la sensibilidad temporal aumenta para todas las frecuencias, la frecuencia a la cual se tiene el pico de sensibilidad temporal aumenta y la frecuencia más alta que puede ser detectada también aumenta. Del mismo modo que para la función de sensibilidad espacial, si la onda que representa la fluctuación de luz se descompone en sus frecuencias componentes, la fluctuación sólo será visible si al menos una de sus frecuencias componentes cae dentro del límite establecido por la función de sensibilidad temporal. Las fluctuaciones temporales en el flujo luminoso, o parpadeo, no son deseables en las instalaciones de iluminación. Las lámparas incandescentes tienen una inercia térmica suficiente para asegurar que, aún cuando la frecuencia de fluctuación es sólo dos veces la frecuencia de alimentación, (100 Hz para una alimentación eléctrica de 50 Hz) la modulación porcentual es pequeña, así que hay una probabilidad muy baja de percibir parpadeo de tal tipo de lámpara. Sin embargo, las lámparas de descarga, tales como las lámparas fluorescentes, no tienen inercia térmica, de manera que su modulación porcentual puede ser alta. Más adelante se verá, cuando se analice la relación entre Iluminación y confort visual, que para eliminar este parpadeo es necesario incrementar la frecuencia y/o disminuir el porcentaje de modulación suficientemente para asegurar que su combinación quede fuera de los límites establecidos por la función sensibilidad temporal (Jaen, 1999). La función sensibilidad temporal tal como fue presentada se aplica a campos de luminancias uniformes. Si el campo tiene un patrón, es decir una distribución de frecuencias espaciales, la función sensibilidad temporal puede modificarse (Koenderink y Van Doorn, 1979). 5.5. Discriminación de Color La habilidad para discriminar entre dos colores de igual luminancia depende de la diferencia en la distribución espectral de la luz recibida por el ojo. La Figura 24 muestra las elipses de MacAdam (el área alrededor de un valor de cromaticidad, cada una magnificada 10 veces) dentro de las cuales no puede hacerse discriminaciones de colores, aún bajo condiciones de

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comparación lado a lado, que es la metodología de mayor sensibilidad (Wyszecki y Stiles, 1982).

0 0.2 x

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0.8

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00.4 0.6

Fig. 24.- Elipses de MacAdam (1942) en función deldiagrama de cromaticidadde la CIE 1931. Los límitesde cada elipse representan10 veces la desviaciónestándar del juicio de colorrealizado para lacromaticidad indicada

El efecto de la iluminancia sobre la habilidad para discriminar colores está limitada a la región fotópica, siendo suficiente una iluminancia de 300 lux para buenos trabajos de juicios de color (Cornu y Harlay, 1969). Cuando el sistema visual entra a la región mesópica, la habilidad para discriminar detalles se deteriora y finalmente falla cuando se alcanza la región escotópica. El efecto del espectro de la luz es mucho más importante. La posición de un color sobre el Diagrama de Cromaticidad CIE 1931 está determinada por el espectro de la luz y, si éste es reflejado desde, o transmitido a través de, una superficie, de la reflectancia o transmitancia espectral de esa superficie. Por lo tanto, es posible favorecer la discriminación de colores o empeorarla, cambiando el espectro de la fuente de luz utilizada. La elección cuidadosa de la fuente de luz es importante siempre que la discriminación de color sea necesaria. 5.6. Alternativas para mejorar la eficiencia visual umbral Trabajar cerca de condiciones umbrales no es fácil pues crecen las exigencias sobre casi todas las variables del estímulo que son importantes para el sistema visual. De hecho, puede argumentarse que la principal función de quien diseña la iluminación es proveer condiciones que eviten la necesidad de usar el sistema visual cerca de las condiciones umbrales. Sin embargo, si ésta es la situación, entonces pueden tomarse precauciones y encarar acciones

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efectivas, para mejorar la eficiencia visual umbral, acordes a cada situación y cada problema, teniendo en cuenta la discusión precedente. Es posible alejarse de las condiciones umbrales modificando algunas características de la tarea: aumentando el tamaño o el contraste del detalle, organizar la tarea de manera que ésta pueda ser mirada directamente, es decir, fovealmente, cambiar el color del estímulo para hacerlo más conspicuo, presentarla durante un tiempo mayor o reducir su velocidad si este fuera el caso. Pero también se puede actuar sobre el medio, aumentando la luminancia de adaptación, seleccionando la lámpara con mejores propiedades de color, diseñando la iluminación de manera que no haya deslumbramiento y reflexiones de velo.

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Capítulo 3

Iluminación Eficaz, Calidad y Factores Humanos Elisa Colombo, Beatriz O´Donell, Carlos Kirschbaum

1. La influencia de la iluminación sobre el ser humano

2. Calidad de la iluminación.

3. Efectos de la iluminación sobre el rendimiento visual supraumbral

3.1. Rendimiento visual relativo con visión axial 3.2. Tarea de búsqueda visual 3.3. Rendimiento visual, rendimiento de la tarea y productividad 3.4. Alternativas para mejorar la eficiencia visual supraumbral

4. Iluminación y su efecto sobre el confort visual. 5. Rendimiento visual, confort visual y productividad.

6. Impresiones de la luz

7. Efectos fotobiológicos: sistema circadiano

Conclusiones Bibliografía

1

1. La influencia de la iluminación sobre el ser humano La iluminación tiene la potencialidad de modificar no solamente el estado de operación del sistema visual sino también de afectar la manera en que el ser humano realiza una tarea o se desenvuelve en un medio ambiente luminoso. En este sentido, la iluminación puede actuar como un factor positivo, favoreciendo el desempeño de las personas, o puede influir negativamente sobre la respuesta de las mismas, lo que, a su vez, y dependiendo del contexto, puede afectar la productividad. El ser humano posee tres sistemas a través de los cuales la iluminación puede influir la forma en que una persona se desempeña en una dada situación: el sistema circadiano, el sistema visual y el sistema perceptual (Boyce, 2000). En la Figura 1 se esquematiza un marco conceptual donde se incluyen los tres caminos a través de los cuales las condiciones de iluminación pueden producir un impacto sobre el rendimiento humano y las interacciones entre ellos.

sistema visual sistema perceptual

sistema circadiano

Desempeño humano Figura 1.- Marco conceptual que incluye los tres caminos: circadiano, visual y perceptual, a través de los cuales las condiciones de iluminación pueden influir sobre el desempeño humano. La iluminación regula el ritmo de la fisiología del ser humano, y el de casi todos los seres vivientes. El ciclo día-noche regula el comportamiento humano a partir de las variaciones de los ritmos hormonales que ocurren en el período de las 24 horas y cuya manifestación más evidente es la alternancia entre estar despierto y dormido. El órgano que controla estos ciclos en el ser humano es el núcleo supraquiásmico (SCN) que está vinculado directamente a la retina a través de células ganglionales que reciben señales de una zona muy densa de fotoreceptores. De esta manera, la radiación luminosa, y más precisamente la iluminancia retinal -nivel y composición espectral-, actúa a través del sistema circadiano y puede alterar el desempeño humano modificando las bases funcionales del resto del cuerpo, con consecuencias no solamente en los aspectos visuales sino también en los cognitivos. El efecto de la iluminación sobre la visión es el más evidente y conocido de los efectos que produce la luz sobre el rendimiento humano. El sistema visual humano procesa en forma eficiente, la imagen que del mundo exterior forma su sistema óptico sobre la retina. El sistema perceptual actúa una vez que la imagen retiniana ha sido procesada por el sistema visual. La salida más simple del sistema perceptual está relacionado con el confort visual. Pero la percepción es un proceso mucho más sofisticado y complicado que no puede reducirse a producir un sentimiento de confort visual o de ausencia del mismo. Por el contrario cada instalación de iluminación proporciona un mensaje que se interpreta de acuerdo al contexto en

2

el cual ocurre y a la propia cultura y experiencia previa. La importancia de este mensaje es a veces suficiente para contrarrestar condiciones que podrían disminuir el confort, como podría ser el caso de condiciones de iluminación consideradas extremadamente no confortables en una oficina y sin embargo deseadas por su efecto positivo en un club de baile. Es justamente este mensaje el que puede actuar modificando el humor, estado de ánimo, o la motivación de las personas. Finalmente, es importante decir que, aunque el impacto de las condiciones de iluminación a través de los sistemas circadiano, visual y perceptual ha sido considerado separadamente, en la práctica esto no ocurre, el impacto es global y por los tanto es necesario considerar un balance entre los tres sistemas. Por ejemplo una instalación de luz diseñada para un trabajo durante la noche, tendrá que tener en cuenta que la misma debe ser capaz de aumentar el estado de alerta del trabajador, como así también garantizar la visibilidad necesaria, de modo confortable y al mismo tiempo enviar un mensaje apropiado para la gente que usa ese espacio. Encontrar estos múltiples objetivos requiere una consideración cuidadosa de todos las formas en las cuales la iluminación puede influenciar sobre el rendimiento humano en su conjunto.

2. Calidad de la iluminación Los primeros diseñadores de sistemas de iluminación basaron sus propuestas en mediciones fotométricas con aportes del campo Tecnológico y de la Ingeniería, bajo el supuesto de aprovechar la energía eléctrica disponible de una manera económica. La importancia de las investigaciones en el campo de la iluminación se evidencia a partir de datos que indican que el consumo de energía eléctrica relacionada con la iluminación corresponde, según el caso, entre el 25 y el 50% de la demanda energética total en edificios. Los efectos de los estudios realizados y la disponibilidad de lámparas y luminarias más eficientes han sido acompañados por un aumento continuo de los niveles de iluminación. En el caso de Estados Unidos, la cantidad de luz necesaria para realizar una tarea como la de lectura en oficinas ha variado entre los años 1910 y 1959 desde 20 a 750 lux (Collins et al., 1989). Con el tiempo se fue asociando el criterio de eficiencia no solamente a la disminución del costo sino al mejoramiento de las condiciones de iluminación en consonancia con los objetivos de la misma. En este camino, junto a las crecientes innovaciones tecnológicas surgidas en el campo de la producción de luz -mayor vida útil, mayor eficiencia luminosa, mejor índice de rendimiento de color, aparición de los balastos electrónicos, sistemas de control de la luz, etc.- se fueron incorporando las exigencias que surgen de considerar los factores humanos. En la actualidad un buen diseñador de iluminación debe ser consciente de la importancia de tener el cuenta la calidad de la iluminación en su forma más global e incorporar todos los resultados disponibles en este sentido para lograr instalaciones de iluminación de mejor calidad (Miller y McGowan, 2000). ¿Cuáles son los aspectos que interesan para diseñar un sistema de iluminación? Estos aspectos dependerán del particular proyecto a realizar, del objetivo del mismo, de las condiciones arquitectónicas y su rol histórico, de las posibilidades de inversión económica y de las preferencias e intereses de los usuarios. De esta manera incorpora el interés del usuario, ya sea

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que se trate de un puesto de trabajo, un lugar para la recreación o el descanso, una vía pública o su propio hogar, interesa su edad, necesidades visuales, experiencia previa, expectativas e incluso sus gustos y preferencias. No hay una clara definición de “Calidad de la Iluminación” existiendo una gran cantidad de aproximaciones para definirla, desde la búsqueda de índices fotométricos simples calibrados a partir de respuestas subjetivas (Bean y Bell, 1992), de resultados de procesos de diseño holísticos basados en patrones de luz (Loe y Rowlands, 1996), de determinaciones de las condiciones de iluminación que tienen impactos deseables sobre la eficiencia de una tarea, la salud y el comportamiento (Veitch y Newsham, 1998), o la sistematización de las características de la iluminación que aumentan nuestra habilidad para discriminar detalles, color, forma, textura y terminación de las superficies sin disminución del confort (Boyce y Cuttle, 1998). Boyce (1998) plantea como alternativa superadora de esta discusión que la calidad de la iluminación puede ser definida en forma más general como el grado por el cual la instalación logra los objetivos propuestos y se ajusta a las restricciones impuestas por el cliente y el diseñador. Dependiendo del contexto, los objetivos pueden incluir resultados deseados facilitadores, como por ejemplo mejorar el rendimiento en la realización de tareas relevantes, crear impresiones específicas o generar patrones de comportamiento esperados, tanto como asegurar un medio visual confortable. Las restricciones son generalmente impuestas por razones financieras o capacidad presupuestaria, por razones de tiempo para lograr completar el trabajo, y a veces, restricciones que impone el diseño mismo. Veitch (2000; 2001a y b) establece que la calidad de un sistema de iluminación está determinada por el grado de excelencia alcanzado, el cual se define como un juicio que depende del contexto en el cual se desarrolla el proyecto de iluminación, incluye las componentes del bienestar de la persona e integra estas necesidades con las restricciones arquitectónicas y económicas. En la Figura 2 se muestra un esquema de las tres componentes que participan en la definición de calidad de la iluminación, a partir del modelo propuesto por Veitch (2000). Una de las magnitudes que caracterizan un diseño de iluminación es la densidad de potencia instalada lo que explica la tendencia de la industria de la iluminación en aumentar la eficiencia luminosa de las lámparas y la eficiencia de las luminarias, la reducción de la potencia instalada puede ser un parámetro importante, asociado a la reducción de costos y de la polución, siempre y cuando se evite disminuir el confort, el rendimiento de la tarea y la seguridad. Un ejemplo positivo a destacar seria el de las lamparas fluorescentes compactas en las que, junto a una mayor eficiencia luminosa, se ha logrado mejorar el índice de rendimiento de color y el tiempo de encendido. A modo de síntesis se puede decir que la consideración de la calidad de la iluminación engloba al de eficiencia energética y define un concepto más amplio de iluminación eficiente.

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Figura 2.- Diagrama de las tres componentes que participan en la definición de calidad de iluminación El amplio dominio de la investigación en iluminación se podría dividir en tres grandes campos, que si bien se solapan, los tres juegan un rol en el establecimiento de nuevas tecnologías, en la definición de los procesos de diseño y en el conocimiento de todos aquellos factores que puedan aportar al mejoramiento de la calidad de la iluminación. Estos campos son: investigación orientada al desarrollo de tecnologías en iluminación, incluyendo el aporte de la luz natural, la investigación orientada al diseño y la arquitectura, y la investigación sobre los factores humanos, incluyendo los procesos visuales y no visuales así como sus efectos. Este capítulo está orientado al desarrollo de los aspectos vinculados a este tercer campo.

3. Efectos de la iluminación sobre el rendimiento visual supraumbral

En la mayoría de los casos en los que nos movemos, realizando tareas como leer un libro, escribir en una computadora, manejar un auto, buscar un remedio en un estante, detectar una falla en una plaqueta de circuitos eléctricos, cocinar, etc., el sistema visual no trabaja en condiciones umbrales. El rendimiento visual es un continuo desde la eficiencia visual umbral hasta el rendimiento en condiciones supraumbrales. En el umbral justo se ve, justo se discrimina o reconoce, etc., cerca del umbral el estímulo se ve siempre pero la precisión con que la tarea se realiza está limitada y toma más tiempo. En el supraumbral siempre se ve el estímulo pero ahora interesa lo bien que se ve, es decir, establecer cuáles son las mejores condiciones para realizar una determinada tarea (Yonemura, 1981). Si bien el rendimiento visual supraumbral está referido al rendimiento de tareas que son fácilmente visibles, las condiciones de iluminación influyen sobre la velocidad y la precisión con que el sistema visual procesa la información extraída de los estímulos, especialmente influye la "iluminación retiniana", que está determinada por la luminancia del campo visual y, en consecuencia, por la iluminancia sobre las superficies presentes en ese campo y por las características ópticas de las mismas. Pensemos en leer un libro con un nivel muy bajo de

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iluminación pero en condiciones en que las letras sean perfectamente visibles: lo podríamos leer, pero lo leeríamos lentamente y con dificultad. 3.1. Rendimiento visual relativo con visión axial El estudio de la influencia de las condiciones de iluminación y de las características de la tarea sobre el rendimiento visual ha llevado a la formulación de modelos empíricos. Entre ellos se destaca el modelo del "Rendimiento Visual Relativo" (RVR) que mide el tiempo de reacción para la detección de diferentes estímulos visuales enfocados en la fóvea en función de la luminancia de adaptación, el contraste de luminancia y el tamaño visual (Rea y Oullette, 1988; 1991). La Figura 3 muestra la forma de la superficie predicha por este modelo para cuatro tamaños diferentes del estímulo visual, cuando se representa el RVR en función del contraste y la iluminancia retinal. La forma general de esta superficie muestra dos comportamientos, uno corresponde a una meseta y el otro a una zona empinada (Boyce y Rea, 1987). Se observa que a medida que el tamaño del estímulo aumenta la zona de la meseta se extiende. Figura 3.- Modelo de Rendimiento Visual Relativo en función del contraste y la iluminancia retinal para distintos tamaños del estimulo: a) 2 µstr, b) 5 µstr, c) 15 µstr y d) 130 µstr aproximadamente En esencia, lo que estos gráficos muestran es que el sistema visual es capaz de un alto nivel de rendimiento visual en un amplio rango de tamaños visuales, contrastes de luminancias e iluminancias retinales (la meseta), pero para ciertas condiciones, el tamaño visual, el contraste de luminancia o la iluminancia retinal se vuelven insuficientes y el rendimiento visual colapsa rápidamente, representada por la zona empinada de pendiente, hacia el umbral. Se ha mostrado que este modelo permite predicciones precisas para una gran cantidad de diferentes tareas (Rea, 1986, 1987; Bailey et al., 1993). El Rendimiento Visual también

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depende de la definición de los bordes (Colombo et al., 1987, 1990), de las diferencias de color entre fondo y estimulo (Travis, 1990; Eklund, 1999), de las diferencias de luminancias entre pixeles vecinos, o contraste interno para tareas en monitores de video (O´Donell y Colombo, 1999, 2001) y del parpadeo de la fuente luminosa (Jaen, 1999, 2000). Los resultados pueden sintetizarse en las siguientes conclusiones: • Iguales incrementos de iluminación producen incrementos cada vez menores en el

rendimiento visual de la tarea hasta que se satura (meseta) • La iluminancia a la cual el rendimiento se satura depende de la dificultad de la tarea en

términos de las variables consideradas, como el tamaño del estímulo. Sin embargo este modelo no tiene en cuenta la nitidez de la imagen ni las diferencias de color. Cuánto menor es el tamaño o el contraste, mayor es la iluminancia a la cual se satura el RVR.

• Importantes cambios en el RVR de la tarea pueden lograrse aumentando el tamaño, el contraste y la definición de los símbolos, más que aumentando la iluminancia sobre cualquier rango posible.

• No es posible hacer que una tarea que es visualmente difícil sea realizada con igual rendimiento que una tarea visualmente fácil aumentando solamente la iluminancia.

Las dos últimas conclusiones indicarían que más luz no significa necesariamente mayor rendimiento necesariamente, sino que una tarea se puede realizar en forma correcta con solo mejorar las condiciones del estímulo. Esta afirmación es importante en el marco de los conceptos de iluminación eficiente pues disminuye la exigencia sobre el nivel de iluminación. Ante una tarea concreta el modelo de RVR, en condiciones fotópicas, provee un medio cuantitativo de predecir el efecto de cambiar tamaño y contraste de la tarea (si fuera posible) o la luminancia de adaptación para visión axial. La consideración de otras variables, como la nitidez, por ejemplo, puede alejarnos de la zona de la meseta. En consecuencia, el deber de cualquier diseñador de sistemas de iluminación es proveer iluminación que asegure que todas las tareas se realicen en el nivel de la meseta y lejos de la zona de la pendiente de las curvas. 3.2. Tarea de búsqueda visual La tarea de interés puede estar en cualquier lugar del campo visual, no solamente en ubicación axial, lo que implica una exigencia de búsqueda visual. Esta tarea se lleva a cabo a través de una serie de fijaciones del ojo, que son guiadas, ya sea, por expectativas sobre dónde es más probable que aparezca el objeto a ser visto, o bien, por la porción de la escena visual que es más importante, y que conducen, en cualquiera de estos casos, a patrones de fijación característicos. Típicamente, el objeto de interés es detectado primero en la periferia y luego confirmado o resuelto por fijación foveal. La velocidad con la cual una tarea de búsqueda visual es llevada a cabo depende de la visibilidad del objeto a ser encontrado, de la presencia de otros objetos en el área de búsqueda y del grado por el cual el objeto buscado es distinto de otros objetos. La tarea de búsqueda visual más simple es aquella en la cual el objeto buscado aparece en alguna parte de un campo visual vacío, como por ejemplo los defectos presentes en la pintura de un automóvil. La tarea de búsqueda visual más difícil es aquella en la cual el objeto buscado está situado en un campo complejo, cuyo contenido es muy similar al objeto buscado, como por ejemplo la búsqueda de un rostro particular en una muchedumbre.

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La efectividad de una instalación de alumbrado para revelar la presencia de un objeto se puede estimar a partir de un modelo conocido como Lóbulo de visibilidad del mismo (Inditsky et al., 1982), que proporciona la distribución de probabilidad de detección de un objeto dentro de una pausa de fijación, la cual es máxima cuando el objeto es visto sobre la fóvea y decrece cuando se incrementa la desviación desde la fóvea. Para objetos que aparecen sobre un campo uniforme, el lóbulo de visibilidad está basado en la detección del objeto. Para objetos que aparecen entre otros objetos similares, el respectivo lóbulo de visibilidad se basa en la capacidad de discriminación del objeto a partir de los otros que lo rodean. La búsqueda visual será más rápida para aquellos objetos que posean el mayor lóbulo de visibilidad. Si bien las condiciones de iluminación necesarias para lograr una búsqueda visual rápida son similares a aquellas usadas para mejorar el rendimiento visual umbral foveal, puede surgir alguna exigencia particular debido a las características físicas del objeto buscado. Por ejemplo, si el objeto es bidimensional, y de reflectancia mate, situado sobre un fondo mate, casi la única opción sería el incremento de la luminancia de adaptación. Sin embargo, si el objeto es tridimensional y posee una componente de reflectancia especular, entonces puede recurrirse a una apropiada distribución de luz para incrementar el tamaño aparente del objeto, mediante la formación de sombras y el contraste de luminancia del objeto, favoreciendo que éste o sus alrededores se destaquen. Asimismo, si el objeto se distingue respecto de su fondo fundamentalmente por el color, es muy importante considerar la composición espectral de la luz utilizada. Es esta necesidad de adaptar las condiciones de iluminación a la naturaleza de los objetos buscados, la que hace que el diseño de instalaciones de iluminación para tareas de inspección sea difícil y diverso (IESNA, 2000). 3.3. Rendimiento visual, rendimiento de la tarea y productividad La mayoría de las tareas en general, poseen tres componentes: visual, cognitiva y motora (Figura 4).

visual

Tarea

componente cognitiva

componente

Rendimiento de una tarea

componente motora

Figura 4.- El rendimiento de una tarea depende de la estructura de la misma, es decir de sus componentes visual, cognitiva y motora.

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La componente visual se refiere al proceso de extracción de la información relevante para la realización de la tarea utilizando el sentido de la visión. La componente cognitiva es el proceso por el cual los estímulos sensoriales son interpretados y se determina una acción apropiada. La componente motora es el proceso por el cual los estímulos son manipulados para extraer información y/o llevar a cabo las acciones decididas. Cada tarea es única cuando se realiza el balance entre sus componentes visual, cognitiva y motora, y, por lo tanto, en el efecto que las condiciones de iluminación tienen sobre el rendimiento de tarea. El modelo de Rendimiento Visual Relativo para tareas axiales y los modelos de búsqueda visual discutidos precedentemente pueden usarse para cuantificar los efectos de las condiciones de iluminación sobre el rendimiento visual, pero no hay un modelo general que traduzca estos resultados sobre el rendimiento de una tarea, que es en última instancia el que determina la productividad y permite establecer relaciones costo/beneficio mediante la comparación de los costos de provisión de un sistema de iluminación con los beneficios resultantes en función de un mejor rendimiento de la tarea. El rendimiento visual es lo único que se puede afectar directamente si se cambian las condiciones de iluminación y, en consecuencia, el efecto de la iluminación sobre el rendimiento de la tarea depende de la estructura de la tarea y específicamente del rol de la componente visual con relación a las componentes cognitiva y motora. Las tareas en las cuales la componente visual es grande serán más sensibles a los cambios en condiciones de iluminación que aquellas tareas donde la componente visual es pequeña. Por ejemplo, tareas de lectura para la corrección de textos son mucho más sensibles a los cambios de luz que tareas de lectura que solamente impliquen comprensión (Smith y Rea, 1978; 1982). El rol de la componente visual puede variar al menos de tres maneras diferentes. Primero, la magnitud de la componente visual puede variar de una tarea a la otra. Por ejemplo, la componente visual es más grande cuando debemos entrar datos en una PC desde material escrito que si alguien nos dictara los mismos. Segundo, la relevancia de la componente visual en la estructura de la tarea modifica la importancia de las condiciones de iluminación, y esta relevancia no está necesariamente relacionada con la magnitud de la componente visual. Por ejemplo, en la construcción de un circuito electrónico montado sobre un panel con un circuito impreso, la inspección visual de este panel puede tomar solamente un tiempo corto, pero si una falla no es detectada, las consecuencias pueden ser serias. Tercero, la componente visual puede requerir poner el énfasis en distintos aspectos de las condiciones de iluminación y esto puede ser diferente para diferentes tareas. Por ejemplo, en el caso de lectura con contrastes bajos o letras pequeñas, del tipo que se encuentran en los contratos (para alquilar un auto, o la letra chica de los préstamos o los seguros), es más importante el nivel de iluminación que el contenido espectral de la luz utilizada, mientras que en el caso de una tarea de discriminación entre muestras de telas de diferentes colores, el contenido espectral de la luz puede jugar un rol importante. Pero la complejidad de la situación no termina aquí, si consideramos cualquier oficina o lugar de trabajo veremos que una única instalación de iluminación sirve para la realización de muy diferentes tareas. En realidad, una misma tarea implica a su vez diferentes exigencias, más aún la componente visual de una tarea puede cambiar a lo largo del tiempo e incluso las necesidades de la gente también pueden cambiar, evidenciando la variabilidad inherente en las demandas visuales de la mayoría de los lugares de trabajo. Sin embargo, es posible realizar recomendaciones sobre condiciones de iluminación basadas en las condiciones más desfavorables, pero no hay garantía que esta solución debiera representar un apropiado

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compromiso en la relación costo-beneficio ni siquiera que la iluminación requerida para la situación más desfavorable sea la apropiada para las tareas más fáciles. Por último quedaría agregar el factor de la edad que afecta al rendimiento de una tarea y por tanto a la productividad. Los efectos de la edad sobre el sistema visual pueden sintetizarse en los siguientes puntos: 1. Crece la limitación en el enfoque, afectando la nitidez del estimulo. 2. Al incrementar la dispersión en los medios oculares del ojo se reduce la calidad de la

imagen que se forma en la retina. 3. La absorción de la luz en los medios oculares reduce la iluminancia retinal y cambia la

composición espectral de la luz que llega a la retina. 4. La degeneración de la retina reduce la resolución. Todos los problemas que afectan a una persona de visión normal se ven magnificados con la edad y por tanto un diseño de iluminación deberá ser más cuidadoso e implica conocimientos más específicos. 3.4. Alternativas para mejorar la eficiencia visual supraumbral Se puede lograr una mejora del rendimiento visual supraumbral modificando las características de la tarea como de la iluminación, teniendo en cuenta que cada situación tendrá su solución más apropiada o factible. En el caso de la tarea, se puede aumentar el tamaño o el contraste de luminancia del detalle, hacer que el objeto a detectar sea claramente distinto de los objetos que lo rodean en la mayor cantidad posible de dimensiones, como por ejemplo tamaño, contraste, color y forma, cuando se trata de tareas fuera del eje de visión en un campo complejo, asegurar que el objeto forme una imagen clara y definida sobre la retina. También es posible modificar el entorno visual incrementando la luminancia de adaptación, seleccionando fuentes de luz con mejores propiedades de color, diseñando la iluminación de manera que no haya deslumbramiento fisiológico ni reflexiones de velo, incrementando el tamaño aparente y el contraste de luminancia del objeto.

4. Iluminación y su efecto sobre el confort visual Las instalaciones de iluminación tienen que ser diseñadas no solamente para asegurar un buen rendimiento visual sino también incluir consideraciones sobre el confort visual. Los aspectos de la iluminación que causan molestias visuales incluyen aquellos relevantes al rendimiento visual pero se extienden más allá. La razón es que los factores relevantes al rendimiento visual están generalmente restringidos a la tarea y su entorno cercano, mientras que los factores que afectan al confort visual tienen que ver con todo el medio iluminado. Los resultados indican que el confort visual es más sensible a los cambios en la iluminación que el rendimiento visual. Más aún, si una dada condición luminotécnica es considerada no confortable puede llegar a disminuir el rendimiento visual, aún cuando las condiciones no afecten directamente al estímulo. A continuación nos referiremos a las situaciones que con mayor frecuencia provocan disminución de confort. Cada tarea posee un determinado grado de dificultad visual. Una alta exigencia visual provoca una pérdida de confort visual. Por ejemplo, en el caso de un texto con letras pequeñas la

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reacción usual es acercar la tarea a los ojos para incrementar el tamaño angular de las letras, lo que a su vez implica ajustar los mecanismos de acomodación de los ojos para mantener definida la imagen sobre la retina. Este ajuste puede llegar a producir fatiga muscular y, en consecuencia, reducción de confort visual. Otra situación en que puede evidenciarse falta de confort visual ocurre cuando el observador no encuentra en la escena información relevante para extraer –subestimulación- o bien cuando existe excesiva información –sobreestimulación- de manera que en los dos casos la situación es de incomodidad. Ejemplos característicos de información nula se producen cuando se conduce un vehículo en la niebla o en una tormenta de nieve, en ambos casos, el sistema visual está esperando encontrar alguna información significativa, como la presencia de un obstáculo, que puede aparecer repentinamente, y a su vez requerir una respuesta rápida. Es una experiencia común el estrés que se genera cuando se conduce en estas condiciones. En el caso de sobreestimulación, la tarea se ve enmascarada por un fondo complejo, como por ejemplo cuando se quiere leer un texto impreso sobre un fondo con información similar. Estas dos situaciones, en las que un sujeto tiene que realizar una tarea, pueden provocar la aparición de dolores de cabeza, migrañas y dificultades adicionales para la realización de la tarea misma. El sistema visual posee un campo periférico grande que detecta la presencia de objetos que posteriormente son examinados, en detalle, utilizando la fóvea. Si estos objetos tienen altos valores de luminancia, se mueven o parpadean serán mas fácilmente detectados. Pero si, después de ser examinados, resultan tener poco interés para el observador, se vuelven causas de distracción debido a que su poder de atención no disminuye después de una observación. Tratar de ignorar los objetos que automáticamente atraen la atención es estresante y puede ser causa de síntomas de disminución de confort visual. El entorno visual consiste de un patrón de luminancias determinado por las diferentes reflectancias de las superficies presentes en el campo visual y la distribución de iluminancias sobre esas superficies. En algunos casos puede ocurrir que un patrón de luminancias entre en conflicto con el que corresponde al campo visual asociado a la tarea que se realiza, produciendo confusión perceptual, lo que es fuente de pérdida de confort visual. La falta de confort visual puede dar origen a una gran variedad de síntomas: enrojecimiento, inflamación, picazón, hormigueo y lagrimeo de los ojos; dolores de cabeza y migraña; problemas gastrointestinales; dolores y molestias asociados con una mala postura, etc. Sin embargo, la reducción de confort visual no es la única fuente posible de estos síntomas, por lo cual es de gran importancia considerar la naturaleza del entorno visual antes de adjudicar alguno de estos síntomas a las condiciones de iluminación.

Las condiciones de iluminación deben asegurar, además de un buen nivel de rendimiento visual, un buen grado de confort visual. Esto implica que a partir de la identificación de la tarea, o de las tareas a ser realizadas, se deben evitar factores de distracción, tratar que la estimulación sea suficiente, evitar elementos que produzcan confusión perceptual, etc. Analizaremos diferentes aspectos de la iluminación que pueden afectar el confort visual y las posibles soluciones en cada caso. Variación temporal de la iluminación y sensibilidad del sistema visual humano

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La luz natural provee una iluminación prácticamente constante en el tiempo o a lo sumo con variaciones lentas a lo largo del ciclo diario. En cambio, la luz artificial es en general variable, dependiendo esta variación del tipo de fuente de alimentación y del mecanismo de emisión de la luz. Las lámparas incandescentes tienen parpadeo poco visible debido a la inercia térmica del filamento, sin embargo las lámparas de descarga pueden producir parpadeo. La variación temporal de la iluminación, o parpadeo, es un fenómeno común en tubos fluorescentes, pantallas de televisión o monitores de computadora, luces estroboscópicas decorativas, etc. El parpadeo es altamente nocivo para el ser humano, sobre todo a muy bajas frecuencias. La frecuencia critica de fusión, frecuencia a la que el observador ya no percibe el parpadeo, es muy variable según el individuo y se ubica en general entre 60 a 80 Hz. Este límite se modifica fuertemente con la edad encontrándose los máximos valores de frecuencia de fusión a los 20 años, de manera que la población de jóvenes estudiantes es la de mayor riesgo. Sin embargo, por encima de esta frecuencia el parpadeo sigue siendo detectado por estructuras superiores del sistema visual e influye de alguna manera en el sistema nervioso en su totalidad (Jaen, 1999a). En los últimos 50 años se han utilizado los tubos fluorescentes como principal fuente de luz en oficinas, establecimientos educativos y a veces en los hogares. Hoy en día se ha generalizado el uso de lámparas fluorescentes compactas (LFC), cuyo principio de funcionamiento es idéntico al de los tubos fluorescentes. Se han registrado quejas frecuentes de dolores de cabeza en trabajadores de oficinas con iluminación fluorescente, con y sin pantallas de computadoras, las que han sido vinculadas a la modulación de 100 Hz de luz emitida por los tubos (Brundrett, 1974; Wilkins, 1989; Lindner y Kropf, 1993). Cuando se introducen balastos electrónicos se eleva la frecuencia de parpadeo de la luz a unos 30-50 kHz. Diferentes trabajos de investigación evidencian que este tipo de balasto disminuye las quejas de dolores de cabeza, aumenta el bienestar e incluso disminuye la tensión nerviosa de personas más sensibles (Wilkins, 1993). El efecto también se evidencia en mediciones de eficiencia visual en condiciones umbrales (Jaen, 1999b) y supraumbrales (Jaen, 2000a y b). En este último caso mediciones con anillos de Landolt revelan que la velocidad de realización de la tarea mejora para una iluminación con lámparas fluorescentes con balastos convencionales modulada a más baja frecuencia (100 Hz) que cuando se utilizan balastos electrónicos que conducen a una frecuencia alta (30 kHz). Sin embargo, la exactitud de la tarea es significativamente mayor en el segundo caso. Estos resultados, que aparentemente se contradicen, pueden ser interpretados en términos de que las modulaciones de la luz a una frecuencia justo por encima del límite de fusión, son trasmitidos por los nervios ópticos a los centros cerebrales y pueden originar alteraciones en el sistema nervioso central provocando un mayor estado de excitación nerviosa y como consecuencia una mayor velocidad y menor exactitud en la tarea visual, situación que no se evidencia con iluminación modulada a muy alta frecuencia, en donde el observador, más relajado, dedica un tiempo mayor a la realización más precisa de la tarea. De todo lo dicho se evidencia la importancia de conocer en qué manera este problema afecta la calidad de la iluminación que se está suministrando, máxime cuando en muchos casos se trata de un efecto del cual el observador no tiene conciencia, de manera que su efecto puede provocar incomodidad y molestias sin que la persona sepa bien las razones. Las soluciones posibles para disminuir el parpadeo son muy diferentes. Una de ellas está relacionada con la fabricación de la lámpara y sugiere el uso de fósforos con mayor persistencia, atendiendo no solamente la elección de los fósforos vinculados al índice de

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reproducción cromática sino también a este efecto perjudicial. Otra alternativa está vinculada al diseño de la instalación e implica la conexión de las lámparas a fases diferentes de modo de introducir un desfasaje en las emisiones de los distintos tubos utilizados en la instalación, produciendo un aparente aumento de frecuencia de la luz emitida. Sin embargo, la solución que más se está generalizando es el uso de los balastos electrónicos por su efecto de elevar la frecuencia de modulación. La modulación de la onda de luz a la salida, que en las distintas lámparas conectadas a circuitos convencionales varia entre 10 a 30%, se reduce con el balasto electrónico al 2%. Sin embargo, no todos los balastos electrónicos que existen en el mercado aseguran la eliminación efectiva de la componente de 100Hz en la modulación de la emisión luminosa. Las lámparas fluorescentes compactas son en su mayoría integrales, incorporando un balasto electrónico; sin embargo, las modulares, como por ejemplo las fluorescentes lineales, trabajan con el equipo auxiliar separado, de manera que pueden operar con cualquiera de los dos tipos de balastos, lo que obliga a analizar las alternativas propuestas para evitar los efectos nocivos del parpadeo. Deslumbramiento Múltiples situaciones de la vida cotidiana son experimentadas por las personas como deslumbrantes. Sin embargo, las distintas formas de deslumbramiento pueden clasificarse en tres tipos diferentes (Vos, 1999), y cada uno de ellos necesita soluciones diferentes El deslumbramiento fisiológico se refiere al efecto de enmascaramiento de la visión debido a la dispersión de la luz, proveniente de fuentes en cualquier lugar del campo visual, producida por los distintos medios del ojo. Este enmascaramiento tiene el efecto de reducir el contraste de luminancia de la imagen de interés que se forma en la retina en la zona de la fóvea. Si bien este tipo de deslumbramiento no es muy frecuente en alumbrado interior es muy común en calles durante la noche, en especial por causa de las luces de automóviles que circulan en sentido opuesto. En este caso es necesario considerar además otros medios, externos al ojo, que también producen dispersión, como por ejemplo la atmósfera, partículas de polvo o marcas en el vidrio del parabrisas. También durante el día, especialmente cuando se tiene el sol de frente, tanto en el amanecer como en el ocaso. El efecto que produce este tipo de deslumbramiento puede determinarse sumando una luminancia de velo equivalente a la escena, y la magnitud de la luminancia de velo equivalente puede calcularse a través de la ecuación clásica de Stiles-Holladay (IESNA, 2000):

Lv / Eg = 10/ θ2

donde Lv es la luminancia de velo expresada en cd/m2, Eg es la iluminancia debida al deslumbramiento sobre el ojo, medida en lux, y θ es el ángulo entre la línea de visión y la de la fuente deslumbrante, expresado en grados, que para la mayoría de los fines prácticos es suficientemente precisa. Se puede reducir el deslumbramiento fisiológico mediante una adecuada selección, distribución en planta y orientación, de las luminarias para disminuir la intensidad luminosa en las direcciones cercanas a la línea de visión.

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En muchos casos es posible experimentar el deslumbramiento fisiológico sin afectar al confort, dependiendo del contexto. Por ejemplo, si bien para una persona sentada por horas frente a una televisión por libre elección, el monitor puede constituir una fuente deslumbrante, sin embargo, la misma no es calificada como tal. Otro ejemplo puede ser cuando hay interés específico sobre la fuente deslumbrante, como podría ser una araña en una casa, la que puede no resultar deslumbrante, o, el caso de una fuente extensa como una ventana, tampoco resultaría deslumbrante si juega el rol de proveer contacto con el exterior y contribuyendo a la iluminación interior. La mayoría de los trabajos que estudian el efecto de deslumbramiento lo hacen para condiciones fotópicas en términos de umbrales de visibilidad de detección o reconocimiento y en condiciones estables de adaptación. Sin embargo, en los últimos años nuevas investigaciones realizadas para condiciones de deslumbramiento transitorio, para bajos niveles de iluminación -similares a los que se encuentran en conducción nocturna- y niveles supraumbrales de contraste, proponen una metodología para cuantificar el deslumbramiento a partir de la pérdida de claridad de la escena (Barraza et al., 1998; Colombo et al., 1999, 2000; Issolio et al., 2000) y muestran que el deslumbramiento transitorio reduce la sensibilidad al movimiento del ser humano (Barraza y Colombo, 1997, 1999a y b, 2000, 2001). El deslumbramiento que ocasiona molestia o incomodidad, es el que produce distracción de la tarea en el campo central -foveal- debido a fuentes luminosas en el campo periférico. En la mayoría de la bibliografía en castellano se lo encuentra como deslumbramiento psicólogo, pues se considera que no produce ningún cambio en el rendimiento visual, pero sí es causa de disminución de confort. Existen diferentes formas de predicción de la magnitud del deslumbramiento psicólogo provocado por instalaciones de alumbrado interior (CIBSE, 1994; IESNA, 2000). Todos estos sistemas están basados en una ecuación en la cual el grado de deslumbramiento psicológico aumenta con la luminancia y el ángulo sólido de la fuente deslumbrante y decrece cuando la luminancia de fondo y la desviación respecto de la fuente deslumbrante aumentan. Los fabricantes de luminarias utilizan esta relación para producir tablas del grado de deslumbramiento psicológico producido por una distribución regular de luminarias, para tipos de interiores representativos. Estas tablas brindan la precisión necesaria para la estimación del grado promedio de deslumbramiento psicológico, semejante al que realmente ocurriría en un interior real. Al igual que en el caso anterior se puede reducir el deslumbramiento psicológico mediante una adecuada selección y distribución de las luminarias. Se debe emplear las recomendaciones locales o curvas de luminancias límites de Söllner adoptadas por las normas IRAM-AADL (IRAM–J20) para estimar la magnitud del deslumbramiento psicológico. El uso de superficies de alta reflectancia en el ambiente, como el aumento de la luminancia de fondo contra la que son vistas las luminarias, ayuda a reducir este tipo de deslumbramiento. El tercer tipo de deslumbramiento es el causado por niveles de luz excesivos en la escena visual, que enceguece y produce fotofobia. Consideremos por ejemplo una persona leyendo bajo la luz del sol, el observador entorna sus ojos, parpadea o mira lejos, produciendo una situación incómoda en la tarea que se está realizando. Las soluciones en este caso pasan por el apantallamiento de la radiación, lo que no siempre puede realizarse fácilmente. Sombras

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La magnitud de una sombra depende, no solamente del tamaño del objeto opaco que intercepta la radiación, sino también de las distancias involucradas entre la fuente y el objeto y, del tamaño mismo de la fuente. Una sombra será mayor cuánto mayor sea el objeto, más puntual sea la fuente y más próxima esté del objeto. Las sombras pueden constituir un problema severo, dejando en la oscuridad una zona de la escena que sea de interés, llegando incluso a provocar exigencias de adaptación en tiempos cortos, provocando en estos casos molestia visual. Pero también puede ser un elemento esencial para revelar la forma de objetos tridimensionales utilizando las técnicas de disposición de luminarias que se basan en la idea de crear un juego de luces y sombras para modificar el aspecto percibido del objeto iluminado. Este último caso es muy común con fines artísticos donde también con las sombras se busca crear un determinado clima, por ejemplo de miedo o terror. Entre los casos de falta de confort podemos citar el típico problema del alumbrado industrial donde grandes piezas de maquinarias producen sombras en áreas adyacentes. El efecto de estas sombras puede ser contrarrestado ya sea incrementando la proporción de luz interreflejada, usando superficies con alta reflectancia, o bien instalando alumbrado localizado sobre las áreas sombreadas. En cambio, en el caso de objetos pequeños, la sombra puede caer sobre una zona significativa, lo que puede provocar confusión perceptual, en particular si dicha sombra se mueve. Un ejemplo cotidiano se presenta cuando la iluminación en un escritorio es interceptada por la mano, produciendo sombra sobre la zona de interés. Este problema se puede minimizar colocando una lámpara de escritorio ubicada apropiadamente. La cantidad y tipo de sombras dependen de la cantidad de fuentes luminosas y de la magnitud de las interreflexiones de la luz que se producen en el espacio. Las sombras más profundas se producen a partir de una única fuente luminosa concentrada en una habitación oscura. Sombras débiles se producen cuando las fuentes luminosas son extensas y el grado de interreflexiones es elevado. Si no se desean sombras en el ambiente se deberá usar superficies con elevada reflectancia con el fin de incrementar la cantidad de luz interreflejada, y utilizar mayor cantidad de lámparas de baja potencia para lograr el valor de iluminancia deseado. Esta última es la solución más adecuada cuando las sombras no pueden evitarse debido a la extensión de la obstrucción. Si las sombras no pueden ser evitadas por su extensión se puede usar iluminación localizada en dichas áreas. Reflexiones de velo Cuando la radiación visible, proveniente de una fuente de alta luminancia, por lo general una luminaria o una ventana, se refleja especularmente en una superficie, tal como un papel satinado o una pantalla de video, aparecen las conocidas y molestas reflexiones de velo. La luminancia de la imagen reflejada cambia el contraste de luminancias del estímulo de interés, un texto en la página satinada o una imagen en la pantalla. La eficiencia visual disminuye y este cambio se puede cuantificar utilizando el modelo de Rendimiento Visual Relativo. Sin embargo, la pérdida de confort visual no es tan fácilmente cuantificable, aunque se considera una reducción del 20% del contraste de luminancia como el límite aceptable sin que cause disminución en el confort visual (Boyce, 1997). De todos modos genera posturas incómodas por medio de las cuales el sujeto trata de evitar los reflejos molestos. La especularidad del material que está bajo observación y la geometría entre el observador, el objeto y la fuente de alta luminancia son los factores que determinan la magnitud de las

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reflexiones de velo. Al igual que las sombras, las reflexiones de velo también pueden aprovecharse cuando quiere destacarse algo por medio de un acento de luz. El efecto de las reflexiones de velo puede disminuirse: a) reduciendo la componente especular de la reflectancia de la superficie observada, b) cambiando la geometría entre el observador, la superficie observada y la zona afectada, c) disminuyendo la luminancia de las luminarias, d) aumentando la cantidad de interreflexiones de luz en el ambiente. Si las reflexiones de velo aparecen en una superficie autoluminosa, como una pantalla de video, también es posible, aumentar la luminancia de la pantalla eligiendo letras oscuras contra un fondo claro.

5. Rendimiento visual, confort visual y productividad. De las secciones sobre eficiencia y confort es evidente que un sistema de iluminación no solamente debe asegurar un buen nivel de rendimiento visual sino también que el medio visual sea confortable, pues ambos aspectos se complementan. Lo que distingue el confort de la eficiencia visual es que mientras esta última está esencialmente determinada por el estímulo presentado al sistema visual y por las capacidades del mismo, los factores que afectan al confort visual dependen del medio iluminado en su conjunto, de las motivaciones y expectativas. Dado que los individuos tienen diferentes capacidades visuales se esperarían diferencias en el rendimiento visual; sin embargo, ya que todos los sistemas visuales son similares en su constitución es esperable que respondan con la misma tendencia ante similares modificaciones del estímulo. Lo mismo no puede decirse de los resultados de confort visual ya que parte de la variabilidad, o de las diferencias individuales, se debe al hecho de que cuando una persona debe identificar una fuente de molestia necesita realizar no solamente una tarea de discriminación (si hay molestia o no) sino también utilizar un criterio de evaluación. La componente de discriminación de este proceso está determinada por las características del sistema visual que agrega algo de variabilidad pero la parte del criterio agrega otro elemento de variabilidad que está basado en la experiencia pasada, en las expectativas y en las actitudes de las personas. Las recomendaciones establecidas por los distintos países sobre valores de iluminancia que deben proveerse en puestos de trabajo (CIBSE, 1994; IESNA, 2000) tienen como objetivo lograr, no solamente un rendimiento alto sino también, un buen nivel de confort. Existen evidencias experimentales de que las medidas de confort visual son más sensibles a los cambios en la iluminación que la eficiencia visual, como lo muestran los trabajos que se citan a continuación. Boyce (1996) encuentra que los valores de iluminancia que surgen del modelo de Rendimiento Visual Relativo son considerados oscuros, no confortables e inaceptables. Esto puede explicarse pues por ejemplo el nivel de iluminancia calculado a partir del modelo RVR para la realización de una tarea de lectura sobre papel impreso de contraste 0,7 y tamaño de caracter tipo Arial 10, es de 100 lx, mientras que las normas (IESNA, 2000) recomiendan para una situación similar 500 lx. Un resultado similar encuentran Muck y Bodman (Boyce, 1996), en un experimento en el cual la tarea consistía en buscar un número de dos dígitos entre 99 del mismo tipo, distribuidos al azar sobre una hoja, encontraron que la velocidad de detección incrementaba con la iluminancia en no más del 1%, para una variación de iluminancia entre 50 y 10000 lx,

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mientras que los resultados de confort visual indicaban un valor óptimo de iluminancia de 500 lx. En una serie de trabajos llevados a cabo en el Departamento de Luminotecnia (Colombo et al., 1987; Colombo y Kirschbaum, 1990) se estudió la influencia de la luminancia y la definición de bordes de estímulos presentados en tareas de lectura típicas de oficina; en este caso las tareas consistían en comparar listas de números y en buscar palabras en una lista. Se encontró que para valores de iluminancia sobre la tarea entre 67,3 y 1122 lx, que corresponden a valores de luminancia entre 15 y 250 cd/m2 la eficiencia visual no cambia significativamente. Sin embargo, cuando se evalúa el grado de confort, en una escala de categorías de Pobre, Suficiente y Excesivo, mas del 80% de las opiniones indican que el nivel de 67,3 lux es considerado insuficiente, y, solamente entre un 10% y 20%, encuentran al nivel más alto, esto es 1122lx, como excesivo. Un alto porcentaje de respuestas (entre el 80 al 95%) considera que la iluminación es suficiente en el rango de niveles entre 200 a 1100 lx, aproximadamente. Otra investigación (Kirschbaum y Tonello, 1997) logra acotar más precisamente estos resultados. En la misma los observadores juzgan los niveles de iluminancia entre 250 lx y 1235 lx sobre un texto presentado en un escritorio, según una escala de cinco puntos entre Insuficiente y Excesivo. Los resultados indican que un 76% de los observadores consideran al nivel de 1200 lx como óptimo, elevándose este porcentaje a un 90% al considerar las respuestas entre las categorías optimo y suficiente, mientras que un valor de 600 lx fue considerado en un 50% como suficiente y en un 70% entre optimo y suficiente. Estos resultados acuerdan con las normas argentinas que sugieren valores entre 500 y 750 lx para tareas de oficina. Mas aún, experiencias de campo llevadas a cabo en oficinas de planta abierta con pantallas de video, sobre 250 puestos de trabajo, muestran que en un 62 % de los casos para los cuales el nivel medio de iluminancia sobre el plano horizontal era de 500 lx fue juzgado como suficiente, mientras valores menores de 200 lx fueron considerados insuficientes en un 55% de las veces y valores mayores de 1000 lx como excesivo en un porcentaje de 37% (O’Donell y Kirschbaum, 2000). Estudios sobre el rol del contraste en estímulos presentados en pantallas de video para diferentes resoluciones del monitor, polaridad de contraste, luminancia de fondo e iluminancia, mostraron al contraste interno como la variable significativa (O’Donell y Colombo, 2001). Las pruebas de eficiencia resultaron menos sensibles que las de confort respecto de las variables consideradas, es así que mientras la eficiencia visual no mostró un cambio significativo con la polaridad del contraste o luminancia de fondo, las medidas de confort mostraron que la polaridad negativa y fondo gris son consideradas confortables, en acuerdo con otras investigaciones. Estos ejemplos indican que la eficiencia y el confort visual representan dos restricciones sucesivas en una aproximación a las condiciones óptimas de iluminación, que deben tenerse en cuenta en las recomendaciones. Sin embargo, si bien el confort visual es una cuestión muy importante en algunas situaciones, por ejemplo para el usuario de una oficina e incluso para un jugador de tenis en una cancha iluminada artificialmente, hay otras situaciones en las que factores como el deslumbramiento son muchos menos críticos, como para una persona bailando en una discoteca o conversando en una confitería. En estos casos es necesario introducir otros factores vinculados al impacto psicológico que puede producir el medio

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ambiente iluminado relacionado con el humor, la creación de climas, las expectativas, etc. creando efectos positivos y negativos, campo sobre el cual se ha avanzado mucho en los últimos tiempos, aunque por ahora no se reflejan en normas o recomendaciones. Estos últimos aspectos los consideraremos como impresiones o mensajes provistos por la iluminación.

6. Impresiones de la luz

La iluminación de un dado espacio inevitablemente contribuye a crear impresiones en las personas. La luz le da un carácter al espacio, este puede ser dramático, depresivo, aburrido, relajante, interesante, funcional, etc. Estas impresiones pueden ser buenas o malas, apropiadas o inapropiadas, firmes o vagas, pero existen, produciendo efectos negativos, positivos o neutros. Los aspectos negativos producen falta de confort, mientras los positivos crean sentimientos de placer. Si bien en un diseño de iluminación es necesario tener en cuenta las normas para ciertas tareas como lectura, dibujo, etc., un diseñador debe ser capaz de poder hacer un uso correcto de la luz a fin de reforzar la atención hacia algo de interés, crear impresiones de espacialidad, estimular sensaciones de intimidad, calidez o excitación, etc. , dependiendo de la interacción espacio-actividad. En este sentido, la iluminación puede tener un carácter indiferente, como es el caso cuando la misma está destinada sólo a permitir la realización de tareas, o cuando un diseño se realiza sin importar la ubicación de cada puesto de trabajo, o cuando la luz le imprime al espacio un sentido público mas que privado, en todos los cuales la iluminación no juega un papel preponderante. Sin embargo, la iluminación puede tener un rol más activo, en el sentido que influencie sobre el comportamiento, refuerce impresiones tales como relajación o privacidad, basándose en la idea que la luz es un vehículo que modifica la atención o altera la información contenida en el campo visual, como es el caso de comercios, restaurantes, vidrieras. La manera de estudiar las impresiones que causa la iluminación sobre las personas puede llevarse a cabo desde un nivel simple, en el que se trata de establecer una correlación entre las impresiones y las variables físicas de interés (estudios correlacionados) hasta un nivel más complicado en el que se recurre a procedimientos multidimensionales donde no siempre existe un correlato entre las variables perceptuales y las físicas. La iluminación de objetos en exhibidores o vidrieras presenta aspectos interesantes desde el punto de vista de las impresiones que puede causar un sistema de iluminación, en este caso a fin de lograr la atención de las personas y del mensaje que se quiere enviar. Una experiencia sobre la apariencia de frutas y verduras colocadas en vidrieras (Mirkin, 1997) iluminadas con diferentes fuentes luminosas, mostró que mientras más alto es el nivel de iluminancia mayor es la valoración de los colores y apariencia de los exhibidores. A partir de 2000 lux el incremento en la calificación subjetiva es proporcionalmente menor que el aumento en el nivel de iluminación. Las fuentes usadas fueron: fluorescentes tubulares de 36W con diferentes emisiones espectrales, fluorescente compacta de 23W (Tc = 2700 ºK), incandescente halogenada de 200W (Tc= 2900 ºK), sodio de alta presión de 250 W (Tc= 2150ºK) y, sodio blanco de 100 W (Tc= 2500ºK). Los resultados asimismo mostraron que vidrieras iluminadas con sodio blanco y fluorescente compacta poseían mayor calificación para el color y la apariencia respecto de las otras lamparas usadas. Se observó además que vidrieras iluminadas con sodio blanco e incandescente halógena eran mejor calificadas para

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un menor nivel de iluminancia mientras que, para alcanzar igual valoración con fluorescente compacta era necesario un mayor nivel de iluminancia. La iluminación de vidrieras muestra la importancia de la elección del tipo adecuado de lámpara de acuerdo al tipo y carácter de objetos a exhibir en la creación de impresiones o en los mensajes que se quieren enviar, ya que ultima instancia redunda en beneficios económicos.

7. Efectos fotobiológicos: sistema circadiano La fotobiología estudia la interacción entre los sistemas biológicos y la radiación ultravioleta, infrarroja y visible que absorben los fotoreceptores del sistema visual humano. Como ya se indicó el órgano que constituye la fuente de los ritmos biológicos en el ser humano es el núcleo supraquiásmico (SCN) que está vinculado directamente a la retina. La melatonina u hormona del sueño es segregada durante la noche por la glándula pineal, la que está relacionada con el SCN, con un máximo alrededor de las 2 de la madrugada. Los ritmos biológicos son: el ciclo día/noche o circadiano, el lunar y el estacional. Estos ciclos son importantes ya que las capacidades visuales, el estado de animo y la fisiología humana varían dentro de ellos. El ciclo mas fuertemente estudiado es el ciclo circadiano, ya que esta relacionado con los horarios de trabajo. El trabajo en horarios nocturnos produce como consecuencia inmediata, problemas de fatiga por la necesidad de dormir durante el día y el estado de alerta durante la noche, y a largo plazo también puede ser origen de problemas cardiovasculares, gastrointestinales, emocionales y sociales. El conocimiento de cómo afectan las condiciones de iluminación al rendimiento humano a través del sistema circadiano ha crecido rápidamente en los últimos años. Hay dos efectos distintos: un corrimiento, en el cual la fase del ritmo circadiano puede ser adelantado o retrasado por exposición a la luz en tiempos especificados, y un efecto agudo relacionado con la supresión de la hormona melatonina en la noche. Puede esperarse que ambos efectos acentúen el rendimiento humano en circunstancias correctas. Se han realizado intentos para usar el corrimiento de fase para lograr una adaptación más rápida de gente que trabaja durante la noche. Estos intentos llevan a resultados cruzados, y esto puede deberse a que esta exposición debería controlarse durante las 24 horas y no solamente durante la noche. En cuanto al efecto agudo, hay una clara evidencia que la exposición a la luz aumenta el estado de alerta durante la noche y que esto puede conducir a mayor rendimiento de tareas cognitivas complejas, pero este efecto solamente parece ocurrir cuando la melatonina ha sido producida, es decir, durante la noche biológica. Los problemas de corto plazo en los trabajadores pueden ser aliviados con la exposición a la luz, produciendo un corrimiento en el ritmo circadiano. Muchas investigaciones han mostrado que se logran mejoras en el estado de alerta y el rendimiento cognitivo como consecuencia de una exposición a altas intensidades de luz durante la noche, junto con cambios fisiológicos con relación al ritmo circadiano. Otro problema con relación a la exposición de la luz y los ciclos es el llamado desorden afectivo estacional (SAD). Personas que sufren estos efectos experimentan depresión, menor energía, mal estar y necesidad de dormir mas durante los meses de invierno.

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El uso de la luz como forma de alivio a todos estos problemas es una evidencia mas de la existencia de la relación entre la misma y el bienestar del ser humano.

Conclusiones Ya que casi el 95% de las instalaciones de alumbrado son diseñadas por personas que poseen un conocimiento limitado sobre los efectos de la iluminación, es importante tener conciencia que la calidad de un sistema de iluminación no sólo se traduce en términos de rendimiento y confort sino como un medio que envía mensajes, redundando en productividad, salud y seguridad de quienes ocupan estos espacios y, en ultima instancia, en beneficios económicos. Boyce (2000) califica como indiferentes a sistemas de iluminación diseñados solamente en base a normas o recomendaciones, ya que los mismos proveen sólo una buena visibilidad y confortabilidad; sin embargo, la diferencia entre este tipo de diseño y uno de buena calidad está centrado en las demandas del contexto, de la moda y de la oportunidad. Según el contexto, un sistema de iluminación puede ser atractivo en una oficina pero no en un restaurante donde puede requerirse un ambiente mas íntimo. La moda es importante ya que ofrece elementos que despiertan interés en las personas, y la oportunidad tiene que ver con el aprovechamiento de la tecnología del momento, lo que al cambiar con el tiempo no es fácilmente cuantificable. Por todo lo dicho, cuando se afirma que iluminar es una mezcla de arte y ciencia, precisamente se hace referencia a que una buena iluminación no surge solamente de aplicar técnicas a través de recomendaciones sino que quien diseña debe ser capaz de interpretar el espacio en términos de las necesidades de las personas que ocuparán el mismo, de modo que el mismo trasmita impresiones positivas, de valorizar la arquitectura o estilo del espacio y de contribuir a un uso eficiente de la energía. Si se entiende el rol de un diseñador de este modo los beneficios económicos llegan por añadidura. Por estos motivos, es crucial comprender los mecanismos mediante los cuales las condiciones de iluminación afectan a las personas: visibilidad, estado de ánimo, impresiones y fotobiología. Resta a los investigadores profundizar en aquellos aspectos pendientes, como por ejemplo: 1) proponer una sistematización y clasificación de las tareas de acuerdo a su sensibilidad frente a las condiciones de iluminación, 2) integrar los aportes de la visión periférica en los modelos RVR, 3) analizar la información de las condiciones de iluminación sobre las respuestas perceptuales a través de diseños integrados y ecológicos, más próximos a las condiciones reales y finalmente, en el área de la fisiología, 4) estudiar la sensibilidad espectral de los fotoreceptores que controlan el núcleo supraquiásmico a fin de identificar el espectro de luz más efectivo, y 5) analizar la relación entre dosis de luz y momento del día. En la Figura 5 se esquematiza un marco conceptual donde se incluyen los tres caminos a través de los cuales las condiciones de iluminación pueden producir un impacto sobre el rendimiento humano, el cual junto a consideraciones económicas y arquitectónicas definen la calidad de la iluminación

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Experiencia Cultura

Oportunidad

Moda

Motivación

Estado de alerta Corrimiento de fase

Iluminancia retinal

Desempeño humano

CALIDAD DE LA ILUMINACION

Economía + Arquitectura

Mensaje visual

Deslumbramiento

Reflexiones develo

Parpadeo

Confort visual

Baja visión/

Diferencias individuales

Expectativa

Entrenamiento Fatiga

Estado deánimo

Espectro de luz

Sombras

iluminación

Contexto

Momento del día

tarea

Sistema circadiano

Rendimiento visual

Rendimiento motor

Rendimiento de la tarea

Rendimiento cognitivo

Calidad de laimagen retineana

Iluminancia retinal

Diferencia decolor

Contraste deluminancia

Tamaño visual

Figura 5.- Marco conceptual que incluye los tres caminos: circadiano, visual y perceptual, a través de los cuales las condiciones de iluminación influye sobre el desempeño humano y que definen la calidad de iluminación. Las flechas indican la dirección del efecto.

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Capítulo 4

Fuentes Luminosas

Beatriz M. O’Donell, José D. Sandoval y Fernando Paukste 1. Evolución de las fuentes luminosas 2. Formas de producción de la radiación luminosa

2.1. Incandescencia 2.2. Luminiscencia 2.3. Descarga en gases 2.4. Electroluminiscencia 2.5.Clasificación de las fuentes luminosas 2.6. Características generales de las fuentes luminosas

3. Lámparas Incandescentes

3.1. Componentes de una lámpara incandescente 3.2. Características de funcionamiento

4. Lámparas de descarga en gas 5. Lámparas Fluorescentes

5.1. Componentes de una lámpara fluorescente 5.2. Características de funcionamiento

6. Lámparas de Inducción

6.1. Características de funcionamiento 7. Lámpara de sodio baja presión 8. Lámparas de descarga de alta intensidad (HID) 9. Lámparas de vapor de mercurio de alta presión

9.1. Características de funcionamiento

10. Lámpara de halogenuros metálicos 10.1. Componentes de la lámpara de halogenuro metálico. 10.2. Características de funcionamiento

11. Lámpara de sodio de alta presión

11.1. Componentes de la lámpara de sodio de alta presión 11.2. Características de funcionamiento

12. Comparación entre las lámparas de alta intensidad

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13. LED (Light Emitting Diode) 13.1. Detalles constructivos de un LED 13.2. Evolucion de los LEDs 13.3. Beneficios 13.4. Aplicaciones

14. Criterios de selección de lámparas Bibliografía

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1. Evolución de las fuentes luminosas Las primeras fuentes luminosas empleadas por el hombre estuvieron basadas en alguna forma de combustión: el fuego, las antorchas, las velas, etc. Las lámparas más antiguas de que se tienen noticias aparecieron en el antiguo Egipto hacia el año 3000 a.C. y consistían en piedras ahuecadas rellenas de aceite, con fibras vegetales como mechas. Ya en la Edad Media, se fabricaban velas empleando sebo de origen animal. Más tarde, se reemplazó el sebo por cera de abejas o parafina. Las velas modernas pueden considerarse como la evolución de estas lámparas de grasa, pero su uso actual es casi por completo decorativo y ceremonial Los griegos y romanos fabricaron lámparas de bronce o arcilla, con aceite de oliva u otros aceites vegetales como combustible. La evolución del diseño de estas lámparas condujo al agregado de elementos reflectores para mejorar el aprovechamiento de la luz producida. Con el correr del tiempo, se introdujeron muchas mejoras en el diseño y la fabricación de estas lámparas, aunque sin lograr que produjeran luz de manera razonablemente eficiente hasta 1874, cuando el químico suizo Argand inventó una lámpara que usaba una mecha hueca para permitir que el aire alcanzara la llama, obteniendo así una luz más intensa. Luego, a la lámpara de Argand se le agregaría un cilindro de vidrio para proteger la llama y permitirle arder mejor. Con el advenimiento de la industria del petróleo, el kerosén se transformaría en el combustible más utilizado en este tipo de lámparas. Alrededor del año 1800, se hizo muy común resolver el alumbrado de calles con lámparas de gas, que funcionaban prescindiendo de la mecha. Estas lámparas producían luz mediante una llama abierta caracterizada por un parpadeo considerable. Hacia el final del siglo XIX y principio del XX se inició el reemplazo de las lámparas de gas por la lámpara eléctrica. La primera lámpara eléctrica fue la lámpara de arco de carbón, presentada en 1801 por Humphrey Davy, aunque la luz eléctrica sólo se impondría a partir del desarrollo de la lámpara incandescente por Joseph Swan (Inglaterra) y Tomás A. Edison (EE.UU.) trabajando independientemente. Edison patentó su invención en 1879, transformándola posteriormente en el éxito comercial que aún perdura. La Figura 1 ilustra la evolución de las diferentes fuentes luminosas.

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Figura 1. Evolución de las fuentes luminosas desde su aparición hasta la actualidad La cantidad de fuentes luminosas de diversos tipos se ha visto enormemente incrementada durante el siglo XX, considerando las mejoras introducidas a la lámpara de Edison, la aparición de las lámparas de vapor de mercurio alrededor de 1930, la presentación de las lámparas fluorescentes en la Feria Mundial de 1939, la introducción de las lámparas de tungsteno halogenado alrededor de 1950, la aparición de las lámparas de sodio de alta presión y las de halogenuros metálicos en los años 1960, la introducción de las lámparas fluorescentes compactas en la década del 1970 hasta el surgimiento de las lámparas sin electrodos en los 1990. Dado el alto grado de dinamismo de esta industria, es de esperar que la evolución de las fuentes luminosas continúe al mismo ritmo en el presente siglo.

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2. Formas de producción de la radiación luminosa

Todas las fuentes de luz artificial implican la conversión de alguna forma de energía en radiación electromagnética. Considerada esta conversión como un proceso físico a nivel atómico, la excitación y subsiguiente desexcitación de átomos o moléculas es el proceso más empleado para la generación de luz en las fuentes artificiales. La Figura 2 muestra una representación muy simplificada de este proceso: la parte (a) muestra un átomo consistente en un núcleo con un electrón girando alrededor de él en una órbita estable; el átomo es “excitado”, por ejemplo mediante el choque con alguna otra partícula, de modo que el electrón se mueve a otra órbita con un nivel de energía mayor, como se muestra en (b); luego, el electrón en estado “excitado” caerá “espontáneamente” a su órbita estable original, como en la parte (c) de la figura, devolviendo en esta “desexcitación” el exceso de energía en forma de un fotón o unidad de luz. Este fenómeno se conoce como emisión de radiación. La frecuencia de la radiación emitida, correspondiente a una línea espectral, está dada por la relación de Planck:

Q = h ν = h c / λ

Donde Q es la diferencia de energía entre los dos estados, ν es la frecuencia, λ es la longitud de onda, c es la velocidad de la luz en el vacío (c = 2.998 × 108 m/s) y h es la constante de Planck (h = 6.626 × 10-34 J s). El estado estable de más baja energía se denomina estado base o fundamental.

Figura 2. Excitación atómica y emisión espontánea de radiación La discusión anterior está referida a un átomo aislado, sin embargo los átomos reales no están aislados y las interacciones entre ellos provocan perturbaciones que dan lugar a una multiplicidad de líneas espectrales de diferentes frecuencias cuando retornan a sus estados de energía original.

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En los gases atómicos, estas líneas pueden ser bien definidas y distintas. Sin embargo, en los gases moleculares hay tantos niveles de energía permitidos que las líneas espectrales se mezclan y confunden, formando bandas, y en los líquidos y sólidos, en los que los niveles de energía se encuentran ensanchados de tal modo que sus límites se pierden, mezclándose y confundiéndose, dando como resultado un espectro continuo sobre un amplio rango de frecuencias. Las maneras de llevar un átomo a niveles energéticos superiores son diversas: someter los átomos en un gas a esfuerzos de compresión considerables, calentarlos a elevadas temperaturas, someterlos a fuertes campos eléctricos o magnéticos o producir la recombinación de átomos ionizados con electrones. En este último caso se emite un espectro continuo de radiación, dando lugar a lo que se denomina un “continuo de recombinación”. Un átomo excitado puede volver a su estado base en forma espontánea o por la estimulación de otro fotón. En el primer caso las fases de los fotones emitidos no tienen relación entre sí, denominándose radiación incoherente, mientras en el otro caso tanto la fase del fotón estimulante como la del emitido son iguales generando de este modo radiación coherente, como es el caso de las fuentes de luz láser. En realidad ambos tipos de radiación pueden ocurrir simultáneamente, pero bajo circunstancias normales prevalece la primera. Si bien el proceso básico de producción de energía es el mismo, cualquiera sea la fuente luminosa involucrada, es decir átomos excitados que vuelven a sus estado bases emitiendo fotones, la radiación luminosa incoherente está producida por la incandescencia y la luminiscencia. Esta última, a su vez se puede dividir en descarga en gases y electroluminescencia A continuación, se describe los procesos de incandescencia y luminiscencia en general. La luminiscencia representa la mayoría de las fuentes de iluminación eficiente, por lo cual el texto continúa con una explicación más detallada de las dos formas de luminiscencia: descarga en gases y la electroluminiscencia. 2.1. Incandescencia Cuando un cuerpo adquiere una temperatura determinada, sus átomos sufren choques que los llevan a estados excitados, con la subsiguiente desexcitación y producción de radiación de un espectro continuo. Esta forma de generar la radiación luminosa recibe el nombre de incandescencia. La incandescencia en una lámpara de filamento es causada por el calentamiento debido al paso de una corriente eléctrica. La corriente es transportada por el movimiento de electrones libres a través de una apretada red de átomos o iones (átomos que han perdido un electrón, quedando cargados positivamente) que, salvo por las vibraciones térmicas, están inmóviles. Los conductores metálicos contienen aproximadamente tantos electrones libres como átomos o iones fijos, de lo que se deriva su alta conductividad eléctrica. Si bien las moléculas de sólidos o gases están en constante movimiento a temperaturas por arriba del

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cero absoluto y su movimiento es función de la temperatura, la emisión en el rango visible comienza a temperaturas mayores de 600 ºC. El efecto directo del pasaje de una corriente eléctrica a través de un conductor es el calentamiento de éste, de manera que si el calentamiento es suficiente para excitar los átomos se produce la emisión en el rango visible. El fenómeno de incandescencia se describe a través de las propiedades macroscópicas de un cuerpo negro o radiador perfecto. Por definición un cuerpo negro es aquel que absorbe toda la radiación que llega a una dada temperatura. La Figura 3 muestra la emitancia radiante espectral de un cuerpo negro en función de la longitud de onda. Los máximos aumentan rápidamente a medida que la temperatura aumenta, desplazándose hacia longitudes de onda menores.

Figura 3. Curva de radiación de un cuerpo negro para temperaturas entre 500 y 20000 K, en la que se muestra el desplazamiento de los picos máximos. La región sombreada corresponde a la zona visible. En la práctica los materiales reales no se comportan tal cual lo haría un cuerpo negro a la misma temperatura, lo que lleva a la definición de emisividad, una medida de lo que radia un cuerpo real en comparación a lo que radia un cuerpo negro a igual temperatura. De este modo, si se quiere usar el fenómeno de incandescencia para generar radiación en el visible el material empleado debe ser resistente a altas temperaturas (> 2000 K) y ser un emisor selectivo que favorezca la zona visible. 2.2. Luminiscencia

10.0

00 K

20.0

00 K

3.00

0 K 2 .

000

K1 .

000

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1011 1011

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10 4 10 4

10 2 10 2

10 5 10 5

106 10 6

108 108

109 109

10 100 1,000 10,000 100,000Longitud de onda (nm)

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m2

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Luminiscencia es el proceso en el cual la energía es absorbida por la materia y luego reemitida en forma de fotones. Dentro del fenómeno de luminiscencia puede ocurrir que la emisión ocurra casi inmediatamente a la excitación, denominándose este caso fluorescencia, mientras que cuando hay un retardo entre estos dos procesos, excitación y emisión, se llama fosforescencia. La emisión de luz se produce por la excitación de los electrones de valencia de un átomo, tanto en estado gaseoso como en un sólido cristalino o molécula orgánica. En el primer caso, se emiten líneas espectrales, como las de mercurio o sodio, mientras en el segundo caso se emiten bandas angostas que usualmente se encuentran en la región visible, contrastando las mismas con el espectro de radiación continuo de una fuente incandescente. Una de las características de la luminiscencia, a diferencia de la incandescencia, es que la fuente excitante es no térmica; el caso más simple de luminiscencia ocurre cuando un electrón es excitado por alguna fuente no térmica, como puede ser la absorción de un fotón o una colisión con otro, como es el caso de electrones energéticos en un tubo de rayos catódicos. El fotón es emitido cuando el electrón vuelve a su estado base con una frecuencia correspondiente a ese salto de energía, como se indicó anteriormente. La fluorescencia tiene además una transición intermedia no radiante, es decir, el electrón decae a un nivel inferior —relajación— para luego alcanzar su nivel de base con un quantum de luz de mayor longitud de onda que lo que se hubiera esperado sin ese paso medio. En el caso de la fosforescencia el fenómeno es algo más complicado, ya que en este caso el paso intermedio corresponde a un nivel de energía metaestable. De este modo la diferencia entre ambos fenómenos radica en la forma de volver a su estado base. En los materiales luminiscentes reales los sistemas energéticos y transiciones intermedias son más complicadas. El juego de energía puede estar restringido a un átomo aislado o molécula —centro de excitación— o puede ser transferido a otras zonas. Por ejemplo en los halofosfatos usados en las lámparas fluorescentes la excitación ocurre en los iones antimonios, de manera que parte de la energía es radiada en los mismos iones, emitiendo radiación de color azul luego de la relajación, y la otra proporción de la energía en juego es transferida a los iones de manganeso, consecuentemente produciendo una emisión de color naranja. Se dice entonces que el ion de manganeso es activador, mientras el ion de antimonio sensibilizador o activador primario. Uno de las consecuencias a destacar es que en la mayoría de estos procesos la longitud de onda de la energía radiada es mayor que la de la energía absorbida, ya que la cantidad de energía emitida es menor. Casi todos los fósforos que recubren el interior de las lámparas fluorescentes y de descarga convierten la radiación ultravioleta, generada por la descarga en el gas, en radiación visible a través de estos procesos explicados. 2.3. Descarga en gases Las descargas en gases son usualmente más eficientes que la incandescencia para producir radiación luminosa, ya que en este último caso la radiación se logra con filamentos sólidos a altas temperaturas y con subsecuentes pérdidas de energía en el infrarrojo, mientras que en las primeras se logra una emisión más selectiva.

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Si sobre un gas cualquiera, confinado en un espacio o tubo de descarga con dos electrodos, se aplica un campo eléctrico, y, dado que dentro del gas normalmente no se encuentran electrones libres, la conducción sólo puede tener lugar si se ionizan los átomos del gas, obteniéndose electrones e iones positivos. Este flujo de iones y electrones a través del gas se llama descarga, en la que los electrones se desplazan hacia el ánodo y los iones hacia el cátodo, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Descarga eléctrica a través de un tubo lleno de gas ionizado La mayoría de los electrones presentes son el resultado del proceso de ionización, por lo que hay casi el mismo número de electrones que de iones. Esta igualdad está acentuada por la atracción electrostática mutua entre iones y electrones, de modo que prácticamente no hay carga espacial neta, constituyendo una región neutra en lo que a carga eléctrica se refiere y a la que se denomina plasma. La densidad de electrones en cualquier punto es igual a la densidad de iones y se designa normalmente como la densidad del plasma. La ionización de los átomos del gas puede lograse por diferentes medios: aumentando la tensión entre electrodos a valores suficientemente altos; utilizando una mezcla apropiada de gases; utilizando un electrodo auxiliar a muy corta distancia del ánodo. Un mecanismo típico de generación de luz en una descarga en gas, cuando se aplica el campo eléctrico, contiene los siguientes pasos: 1. Un electrón libre emitido por el cátodo choca con un átomo del gas. En este choque el

electrón puede perder muy poca energía —choque elástico—, produciendo un incremento de la temperatura del gas, o puede excitarlo entregándole parte de su energía cinética, de modo que sus electrones de valencia ascienden a niveles energéticos superiores, o puede ionizar al átomo, liberando por completo uno de sus propios electrones.

2. Los electrones de conducción pierden velocidad en el impacto y cambian de dirección, pero continúan excitando o ionizando uno o más átomos y perdiendo su energía cada vez más. Generalmente terminan en las cercanías de las paredes del tubo, donde se recombinan con átomos ionizados y otra parte de la corriente de electrones es colectado por el ánodo.

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3. Los electrones de conducción, ya sean los que provienen del cátodo o los que se generan por los procesos de colisión, ganan energía del campo eléctrico aplicado, y por tanto mantienen la descarga a través del tubo sin ninguna ayuda exterior.

4. Luego el electrón de valencia retorna a su estado energético normal ya sea mediante una sola transición o con una serie de pasos intermedios. Si el electrón retorna a su estado base en una sola transición la radiación emitida se llama de resonancia.

A medida que el campo eléctrico aumenta, los iones y electrones adquieren más energía y chocan con otros átomos de modo que la ionización aumenta produciéndose para un dado valor de tensión un proceso acumulativo de avalancha. Si la velocidad de ionización excede a la velocidad de recombinación de iones y electrones, se produce un aumento rápido en la descarga y por tanto la tensión en la descarga cae, lo que explica la característica negativa de la relación tensión-corriente en las descargas. Por este motivo es necesario el uso de diseños limitantes de corriente, usualmente llamados balastos, resistivos si la tensión aplicada es continua o, inductivos para alterna. . El numero de colisiones de los electrones es muy grande, del orden de 109 /segundo y las velocidades al azar son mucho mayores que la velocidad neta en el campo eléctrico. El periodo de encendido es critico en la vida del cátodo. Hasta que el cátodo está suficientemente caliente para emitir termoiónicamente los electrones, los mismos abandonan el cátodo por emisión de campo, de modo que si el campo eléctrico en la superficie es muy alto algunos electrones pueden escapar. Sin embargo, el campo eléctrico necesario es tan alto que los iones son acelerados hacia el cátodo e impactan sobre él con gran energía. Los iones positivos, que chocan con el cátodo a gran velocidad, liberan electrones de la superficie de éste. La relativa inmovilidad de los iones, por su mayor masa en comparación con los electrones, da lugar a que se acumulen alrededor del cátodo, donde han sido generados la mayoría de ellos. De esta manera se forma una carga espacial positiva que produce una caída de tensión –caída catódica- entre esa zona positiva y el cátodo negativo. La perdida de material emisor durante este periodo acorta la vida del cátodo, por ello, en las lámparas fluorescentes se ayuda este encendido mediante el precaldeo del cátodo —cátodo caliente—. Para favorecer este efecto se recubren los electrodos, con óxidos tales como óxido de bario, de modo que puedan operar a relativamente bajas temperaturas y con baja velocidad de evaporación. La temperatura a la cual se torna importante este fenómeno depende del tipo de óxido. Esto muestra que el cátodo tiene la función de suplir los electrones necesarios para mantener la descarga, mientras el ánodo es mucho menos importante, siendo principalmente un receptor de partículas cargadas para completar el ciclo. También pueden operar como cátodos fríos, donde la emisión tiene lugar dentro de un pequeño cilindro con su interior recubierto de un material emisivo. Las propiedades de una descarga en gases cambian principalmente con el tipo y presión del gas o mezcla de gases, el material del electrodo, la temperatura de trabajo de los mismos, la forma y estructura de su superficie, la separación entre ellos y la geometría del tubo de descarga.

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Descarga en un gas a baja presión Cuando en un tubo de descarga de unos centímetros de diámetro y aproximadamente un metro de longitud, que contiene uno o más gases a una presión relativamente baja, por ejemplo una centésima de atmósfera, circula corriente no mayor que uno o dos Ampere, el calentamiento que se produce en el gas no es significativo y se puede hablar de una descarga en baja presión. Bajo estas condiciones, la ionización es principalmente producida por choques de electrones. Por ejemplo en una lámpara fluorescente que contiene mercurio y argón a baja presión, la mayor parte de los iones presentes son los de mercurio, como resultado de los choques entre los átomos de mercurio y los electrones energéticos de la descarga, ya que su energía de ionización es de 10.4 eV, mientras que la del argón es de 15.7 eV (1 eV es la energía ganada por un electrón que es acelerado por una diferencia de potencial de 1 V, 1 eV = 1.602 × 10-19 J). Muy pocos de los electrones en la descarga tienen energía suficiente para ionizar o excitar a los átomos de argón, de modo que la mayoría de las colisiones de los electrones con átomos de argón son colisiones elásticas que dan como resultado un ligero incremento en la temperatura del gas. La gran región uniforme que se forma entre los electrodos en una descarga se denomina columna positiva. Está formada por una mezcla de átomos del gas, átomos excitados, iones y electrones, todos moviéndose aleatoriamente. Las partículas más pesadas forman un gas que está a una temperatura apenas superior a la de los alrededores del tubo (típicamente entre 40 ºC y 60 ºC). Los electrones, en cambio, requieren mucha más energía para producir la ionización. Generalmente, éstos tienen energías que corresponden a temperaturas del electrón del orden de 11000 K a 13000 K. Esta energía adicional es obtenida de la aceleración debida al campo eléctrico a medida que se desplazan hacia el ánodo, produciendo múltiples colisiones. Resulta entonces sorprendente que en un mismo espacio coexistan átomos gaseosos y electrones a diferentes temperaturas, lo que se explica por la poca interacción entre ellos. El campo eléctrico actúa sobre los electrones acelerándolos, mientras los iones se mueven más lentamente. Los electrones chocan con los átomos pero en cada choque la energía transferida es muy pequeña dada sus masas muy diferentes, por lo que sus velocidades prácticamente mantienen su alto valor. Este fenómeno es lo que diferencia la descarga de baja presión respecto de la de alta ya que en este ultimo caso la frecuencia con que realizan los choques es tan alta que las temperaturas de los electrones y átomos son similares. La radiación en la descarga proviene de la columna positiva, ya que los electrones energéticos que producen la ionización y excitación de los átomos de gas, radian en sus frecuencias características. En el caso de la descarga de baja presión de mercurio, la radiación de resonancia ultravioleta es la fuente de radiación más importante y es la que incide sobre los fósforos que recubren las paredes internas del tubo, convirtiéndola en radiación visible. En el caso que se usen mezclas de gases —mezcla Penning— para iniciar la descarga, se agrega una pequeña porción de otro gas que posee una energía de ionización menor que la del gas principal. Las funciones de este gas adicional, que puede ser argón, neón, helio kriptón, son: ayudar a la iniciación de la descarga; reducir la perdida de iones que se dirigen hacia las paredes; controlar la movilidad de los electrones y por tanto la conductividad

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eléctrica; prolongar la vida de los electrodos reduciendo su evaporación, y, en el caso de las lámparas fluorescentes, proteger a los fósforos de los iones mercurio. Descarga en un gas a alta presión Cuando la presión del gas en una descarga aumenta gradualmente ocurren los siguientes cambios: • La temperatura del gas aumenta gradualmente debido a la transferencia de energía por

el incremento de choques (principalmente elásticos) de sus átomos con los electrones energéticos, y la energía media del electrón se reduce también gradualmente, hasta alcanzar un equilibrio (4000 K a 6000 K) con los átomos de gas. A estas temperaturas los electrones tienen suficiente energía para ionizar al gas.

• La mayor temperatura se localiza en el centro de la descarga generando un gradiente de temperatura hacia las paredes, por lo que la mayoría de la radiación es generada en el centro.

• Las altas temperaturas favorecen la excitación y la ionización.

Las paredes se vuelven menos importantes, de modo que la descarga trabaja entre los electrodos. Cuando opera horizontalmente la zona de emisión luminosa central se inclina hacia arriba y por esta razón a este tipo de descarga se la llama de arco. Sin embargo hay una fuerte tendencia a la inestabilidad, el arco se inclina o se retuerce, convirtiéndolo en una fuente de luz inútil. Los medios para prevenir estos efectos son limitaciones a las paredes o los electrodos de modo que no se encuentren lejos uno de otro. Esto también explica porque estas lámparas no tienen una posición de encendido universal, ya que pequeñas inclinaciones pueden cambiar el color y provocar sobrecalentamiento en las paredes. Los electrodos son más robustos que en la descarga de baja presión y son indefectiblemente autocalentados por bombardeo de iones. La emisión de electrones se logra mediante efecto termoiónico. Debido a que el flujo radiante por unidad de superficie de arco es mucho más elevado, una lámpara de descarga de alta presión puede ser de menor tamaño en comparación a otra de baja presión, aunque la diferencia más importante es la composición espectral de la radiación emitida. En este sentido cuando la descarga se produce en un gas a baja presión el espectro está formado por líneas de emisión angostas entre las que sobresalen las líneas de resonancia emitidas por el elemento con potencial de excitación más bajo. Al aumentar la presión, el número de líneas se incrementa, debido a la excitación de los niveles más elevados y a que las transiciones entre niveles metaestables se hacen más prominentes. De esta manera las líneas se ensanchan convirtiéndose en bandas y apareciendo de esta manera un débil espectro continuo, de tal modo que cuando la presión es muy elevada el espectro es casi continuo. Gracias a estas bandas de emisión las lámparas de descarga de alta presión poseen mejor rendimiento de color dependiendo del gas usado.

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2.4. Electroluminiscencia La electroluminiscencia es la conversión directa de energía eléctrica en luz, sin necesidad de un paso intermedio como en la descarga de un gas o como el calentamiento de un material. Los dos mecanismos a través de los cuales ocurre la excitación en este proceso son: la recombinación de portadores de carga en ciertos semiconductores y mediante la excitación de centros luminiscentes en fósforos. Los LEDs y los paneles electroluminiscentes son ejemplos de fuentes de luz basadas respectivamente en estos fenómenos. 2.5. Clasificación de las fuentes luminosas La Figura 5 muestra una clasificación de las fuentes luminosas artificiales, de acuerdo a los fenómenos involucrados en la generación de luz.

Figura 5. Clasificación de las fuentes luminosas más importantes

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2.6. Características generales de las fuentes luminosas Las características generales de las fuentes luminosas se pueden dividir en cuatro grupos: fotométricas, colorimétricas, eléctricas y duración. Fotométricas Se incluyen en este grupo al flujo luminoso, intensidad y eficacia. Las dos primeras ya fueron definidas en el Capitulo 2 Luz, Color y Visión. Eficacia luminosa: se define como la relación entre el flujo luminoso de una fuente de luz y la potencia suministrada a ella, expresada en lm/W. La eficacia luminosa depende de dos factores: el porcentaje de la potencia eléctrica que se transforma en radiación visible y, la distribución espectral de la radiación emitida por la fuente en relación con la curva de sensibilidad espectral del sistema visual humano. De acuerdo a la curva de sensibilidad espectral ya presentada en el Capitulo 2: Luz, Color y Visión, surge que 1 watt de potencia radiante de 555 nm equivale a 683 lm/W, valor que correspondería a la máxima eficacia luminosa posible. Sin embargo, las fuentes luminosas no tienen valores tan altos de eficacia luminosa, ya que van desde 10 a 20 lm/W para una lámpara incandescente a 200 lm/W para algunos lámparas de sodio de baja presión. Esto se debe a que la energía entregada a una fuente no sólo se transforma en energía del visible sino también en energía ultravioleta (UV), infrarroja (IR) y pérdidas de calor por conducción o convección. La siguiente tabla indica el balance energético para las fuentes luminosas más comunes, en donde los valores son ordenes aproximados, ya que como se vera más adelante este balance depende de una serie de otros factores. Tabla 1. Distribución de la energía emitida en la radiación de distintas fuentes luminosas.

(Fuente: CEI, 1996) Tipo de fuente % de radiación

visible % de radiación

UV % de radiación

IR Conducción y

convección Incandescente 5,75 0,25 75 19 Fluorescente 28 0,5 71,5 Mercurio halogenado 24 1,5 24,5 50 Mercurio de alta presión 16,5 4 15 64,5 Sodio de baja presión 31 25 44 Sodio de alta presión 40,5 3,5 56

La tabla 1 muestra que sólo una parte de la energía entregada se convierte en radiación visible. Colorimétricas

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Las características colorimétricas se refieren a la Temperatura de Color (Tc) y al Indice de Rendimiento de Color (IRC), magnitudes ya explicadas en el Capítulo 2: Luz, Color y Visión. La Temperatura de Color, expresada en K para las lámparas incandescentes, está estrechamente relacionada con la temperatura del cuerpo incandescente, ya que es una fuente que emite un espectro continuo, similar al de un cuerpo negro. Se define como la temperatura absoluta del cuerpo negro cuya radiación tiene su misma cromaticidad. En cambio para el caso de fuentes luminosas de descarga, ya que la radiación emitida es un espectro discreto (bandas y líneas), la apariencia de color se describe en términos de la Temperatura de Color Correlacionada, correspondiente a la temperatura de color del cuerpo negro cuyas coordenadas están más próximas en el diagrama de cromaticidad de la CIE 1931. Respecto del aspecto cromático que proporciona una fuente al iluminar un objeto, el mismo se indica por el Índice de Rendimiento de Color (IRC), ya descrito en el capítulo Luz, Color y Visión. Puesto que este índice es bajo en las lámparas de descarga, por su espectro de emisión discreto, se han buscado diferentes formas de mejorar este valor: combinar dos fuentes con diferentes distribuciones espectrales dentro de una misma lámpara; incrementar la presión del gas en la descarga; añadir sólidos con el gas de relleno, los cuales se vaporizan con el calor generado en la descarga y emiten radiación con espectros de bandas más extensos o hasta casi continuo; depositar polvos fluorescentes sobre la capa interna del tubo de descarga. El resultado de estas mejoras es variable ya que por ejemplo el aumento de la presión del gas en la descarga disminuye su eficacia respecto de sus correspondientes de baja presión por las pérdidas térmicas. Sin embargo las lámparas con aditivos de halogenuros metálicos o con recubrimientos fluorescentes tienen en general mejor eficacia que cuando no lo tienen. Eléctricas Una de las diferencias fundamentales entre las lámparas incandescentes y las de descarga es que las primeras tienen una resistencia eléctrica positiva —ley de Ohm— pero con las de descarga ocurre en general lo contrario, debido a que durante la descarga cada electrón libera nuevos electrones. Precisamente la compensación de este efecto obliga al uso de balastos en el funcionamiento de estas lámparas. En la presentación de cada lámpara que se incluye más adelante se consideraran las siguientes características eléctricas: Arranque. Cuando una lámpara de descarga está desconectada, la resistencia interna del tubo de descarga es demasiado alta como para que la lámpara arranque con la tensión nominal de la red. Las maneras de resolver este problema son: incorporación de un electrodo auxiliar; precaldeo de los electrodos hasta el punto de emisión termoiónica; aplicación un pulso de tensión sobre los electrodos.

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Periodo de encendido. En muchas lámparas de descarga, los elementos emisores se encuentran en estado sólido o liquido cuando la lámpara está fría. En estas condiciones, la tensión de vapor es insuficiente para su encendido. Éste es el caso de las lámparas de mercurio, sodio y halogenuros metálicos. El encendido de estas lámparas se logra mediante un gas auxiliar que se caracteriza por tener una tensión de ruptura muy baja. Reencendido. En algunas lámparas de descarga de alta presión, la presión del gas en el tubo de descarga es más alta cuando la lámpara está funcionando que cuando está fría o apagada. Si se la apaga, los electrones libres en la descarga desaparecen casi inmediatamente pero la presión del gas se mantiene hasta que la lámpara se enfría, proceso que puede llevar algunos minutos. Dado que la resistencia de un gas no ionizado aumenta gradualmente con la presión, la tensión de pico del arrancador puede ser insuficiente para reencender una lámpara caliente. Duración Vida. El tiempo de vida de una lámpara depende de un sinnúmero de factores, por lo que sólo es posible estimar un valor medio de vida sobre la base de una muestra representativa. Su valor depende de la cantidad de encendidos, de la posición de funcionamiento, de la tensión de alimentación y de factores ambientales tales como temperatura y vibraciones. Las diferentes formas de definir la vida son: • Vida individual: es el número de horas de encendido después del cual una lámpara

queda inservible, bajo condiciones especificas. • Vida promedio o nominal: tiempo transcurrido hasta que falla el 50% de las lámparas

de la muestra bajo condiciones especificas. • Vida útil o económica: valor basado en datos de depreciación, cambio de color,

supervivencia como así también el costo de la lámpara, precio de energía que consume y costo de mantenimiento. Puede definirse como el número de horas durante el cual puede operar correctamente una lámpara hasta que se hace necesario su reemplazo.

• Vida media: valor medio estadístico sobre la base de una muestra. Depreciación del flujo luminoso. El flujo luminoso de una lámpara corresponde al valor medido luego de 100 horas de funcionamiento. Este valor puede disminuir con el tiempo de funcionamiento como consecuencia del ennegrecimiento del bulbo: ya sea por evaporación del tungsteno en las lámparas incandescentes, en las lámparas de descarga a causa de la dispersión del material del electrodo que se deposita sobre las paredes del tubo de descarga; agotamiento gradual de los polvos fluorescentes, en el caso de lámparas con recubrimientos fluorescentes como fluorescentes y mercurio de alta presión. A pesar de que la definición de la vida promedio o nominal es la misma cualquiera sea el caso, la manera de medirla difiere según la fuente luminosa. Así, en el caso de una lámpara incandescente la vida nominal se mide sobre una muestra que opera continuamente a una tensión constante hasta que el 50% de las lámparas fallan. En el caso de las lámparas fluorescentes, al igual que en las otras de descarga, la vida nominal se mide bajo un ciclo de

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funcionamiento determinado y bajo condiciones especificas de acuerdo al caso. Hoy se sabe que menores ciclos de operación resultan en un menor valor medido de vida nominal en la mayoría de las lámparas de descarga, por lo que últimamente la vida útil o económica se ha convertido en un parámetro de mayor utilidad. Por ejemplo en el caso de lámparas de mercurio halogenado, la vida útil es alrededor del 60 a 70% de su vida nominal teniendo en cuenta su depreciación luminosa y cambio de color. Por ejemplo, si la vida nominal es de 10000 h, su vida útil es de 6000 h, ya que a esa altura la lámpara emite el 70% de su intensidad luminosa inicial. Esto muestra que el término vida nominal provee una información parcial sobre la vida de una lámpara. La tabla 2 compara la vida nominal de diferentes fuentes y el porcentaje de depreciación luminosa en lm al 50% y 100 % de su vida nominal.

Tabla 2. Vida nominal y depreciación luminosa para distintos tipos de lámparas. (Fuente: Narendran et al., 2000)

Fuente de luz Vida nominal % depreciación luminosa al 50% de la

vida nominal

% depreciación luminosa al 100% de

la vida nominal Incandescente 1.000 88 83 Incandescente halogenada 2.000 98 97 Fluorescente T8 20.000 85 75 Mercurio 24.000 75 65 Mercurio halogenado 15.000 74 68 Sodio de alta presión 24.000 90 72

Según esta tabla una lámpara de mercurio de alta presión tiene un 65% de su intensidad luminosa inicial al final de su vida nominal, en cambio en las lámparas incandescentes la variación en la depreciación luminosa es menor. En la tabla 3 se muestran las características fotométricas, colorimétricas y de duración para las lámparas más representativas de cada tipo.

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Tabla 3. Características fotométricas, colorimétricas y de duración para las lámparas más

representativas de cada tipo. (Fuente: IES, 2000) Lámpara Potencia

(W) Temperatura de color (K)

Eficacia (lm/W)

Indice de rendimiento

de color

Vida útil (h)

Tiempo de encendido

(min) Incandescente convencional

100 2700 15 100 1000 0

Inc. halógena lineal

300 2950 18 100 2000 0

Inc. halógena reflectora

100 2850 15 100 2500 0

Inc. halógena de baja tensión

50 3000 - 3200 18 100 3000 0

Fluorescente lineal T5 alta frecuencia

28 3000 - 4100 104 85 12000 0

Fluorescente lineal T8 alta frecuencia

32 3000 - 4100 75 85 12000 0

Fluorescente compacta

36 2700 -4000 80 85 12000 0 -1

Fluorescente compacta doble

26 2700 -4100 70 85 12000 0 -1

Vapor de mercurio

125 6500 50 45 16000 < 10

Mercurio halogenado (baja potencia)

100 3200 80 75 12000 < 5

Mercurio halogenado(alta potencia)

400 4000 85 85 16000 < 10

Sodio de alta presión (baja potencia)

70 2100 90 21 16000 < 5

Sodio de alta presión (alta potencia)

250 2100 104 21 16000 < 5

Otros factores que influyen sobre el funcionamiento Temperatura ambiente. Las lámparas se construyen para que trabajen a temperaturas ambientes, es decir entre -30 ºC y 50 ºC. Sin embargo, debido a que algunas disipan una gran cantidad de calor, su temperatura de trabajo puede ser bastante más alta como es el caso de lámparas dentro de luminarias cerradas. Desviaciones de la tensión nominal de red. Las desviaciones de la tensión nominal de la red afecta tanto a la tensión de la lámpara, su potencia, corriente y flujo luminoso, pero estos efectos varían de acuerdo al tipo de lámpara que se trate.

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Numero de encendidos. El número de veces que se enciende una lámpara de descarga a lo largo de un tiempo dado es un dato de importancia para determinar su duración, ya que esto afecta a la eliminación de las sustancias emisoras que contienen los electrodos. Por ello es importante definir el ciclo de encendido-apagado con el que se realiza una prueba de duración. Ya que es muy difícil que el ciclo real coincida con el de la prueba, existen discrepancias entre los valores reales y las condiciones de laboratorio. Posición de funcionamiento. La posición de funcionamiento de una lámpara influye sobre la cantidad de luz entregada así como sobre su vida. Los catálogos especifican el flujo luminoso para una posición de funcionamiento vertical y horizontal, pudiéndose calcular para posiciones intermedias. Cuando esta posición no está especificada significa que no es de importancia. La tabla 4 muestra las maneras en que se indica la posición de funcionamiento en los catálogos. El sector angular de color claro, en cada uno de los símbolos de la tabla, indican el valor del ángulo que puede inclinarse la lámpara como máximo.

Tabla 4. Ejemplos indicativos de posiciones posibles de funcionamiento para lámparas.

Diagrama Posición de funcionamiento

Cualquier posición

Horizontal, inclinada hacia arriba o abajo hasta 45º

Vertical, inclinada hasta 30º hacia derecha o izquierda.

3. Lámparas incandescentes La lámpara incandescente, desde su invención, ha mejorado sensiblemente en características tales como tamaño, eficacia y vida. A pesar de que hoy en día existen otras lámparas más eficientes, permanece como la fuente dominante para la iluminación en el sector residencial y hasta cierto punto en comercios y para la iluminación decorativa de interiores en general. Esto se debe a su bajo costo inicial, disponibilidad en un gran rango de formas decorativas y por su buena reproducción de color. Oficinas, industrias, edificios públicos, comercios, vehículos han ido adoptando cada vez más lámparas de descarga. Las lámparas incandescentes halógenas han ido reemplazando a las incandescentes convencionales. Por otro lado, la existencia de lámparas fluorescentes compactas de tamaño comparable con las incandescentes y disponibles en una variedad de formas decorativas achica aún más el uso de las lámparas incandescentes. Aunque puede tener todavía algún futuro, la lámpara incandescente común es hoy el símbolo de la iluminación ineficiente.

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Principio de operación de la lámpara incandescente convencional Cuando una corriente eléctrica es suministrada a un alambre, parte de esta energía se transforma en energía radiada por la superficie del filamento (infrarroja, visible y ultravioleta), de acuerdo al fenómeno de incandescencia ya explicado. Si el bulbo de una lámpara incandescente se llena de gas, hay perdidas de energía por convección, lo que no ocurre si el filamento está en vacío. Por otro lado, la energía suministrada se transforma también en calor por conducción en los alambres que soportan al filamento. Es así que lámparas que trabajan en lugares con vibraciones o que están sujetas a golpes tienen soportes extras para el filamento, y por tanto menor eficacia. El balance de energía (tabla 1) depende de varios factores: temperatura del gas, presión de vapor del gas, tipo de gas usado, longitud y forma del filamento y diámetro de los soportes. Este balance de energía determina fundamentalmente características de la lámpara tales como eficacia y vida. 3.1. Componentes de una lámpara incandescente La Figura 6 muestra el esquema de construcción típico de una lámpara incandescente convencional. Cada una de sus partes se describen a continuación.

Figura 6: Componentes de una lámpara incandescente. Lámparas de diferentes formas Bulbo Es lo que determina la forma de la lámpara, existiendo una enorme variedad de ellas. En general estas lámparas tienen formas de pera u hongos. Por lo general, estos bulbos se construyen con vidrio de diferentes tipos. En la mayoría de los casos están hechos de sodocalcio o vidrio blando y en otros casos, en los que deben soportar altas temperaturas, se usa sílice o sílice puro fundido (cuarzo). En muchos tipos de bulbos se aplica una cubierta interior, consistente en una capa de polvo de silica blanca que produce una moderada

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difusión de la luz con una reducción de la misma desde el 2% hasta el 35% debido al fenómeno de absorción. Las lámparas incandescentes también pueden ser coloreadas. El color se logra mediante una capa exterior, o interior, o con cerámicos mezclados con el vidrio o con un plástico transparente que cubre el bulbo. El hecho de que sólo se aprovecha una parte de la luz emitida por el filamento, las lámparas de color tienen eficacia luminosa aún menor que las incandescentes comunes. Casquillo Los casquillos o bases de estas lámparas tienen variadas formas. Hay dos tipos de casquillos, de rosca y bayoneta –(dos patas), por ejemplo E 27 es un casquillo de rosca de diámetro 27 mm. Cuando se necesita una posición determinada con relación a sus componentes ópticos, como el caso de un proyector, la base debe proveer una ubicación exacta, en este caso el casquillo es de tipo bayoneta. Filamento La eficacia de estas fuentes de luz depende de la temperatura del filamento, dado que cuanto mayor es la temperatura del filamento mayor es la proporción de energía radiada dentro del espectro visible. Como se indica en la Figura 3.3, sólo una pequeña porción de la radiación total está en la región visible. Cuando la temperatura aumenta, la radiación para longitudes de onda cortas se incrementa más rápidamente que para longitudes de onda largas. Por lo tanto la radiación en el visible aumenta más rápidamente que en la región infrarroja, mejorando la eficacia de la lámpara. Pero por otro lado a mayor temperatura del filamento, mayor debe ser el punto de fusión del material elegido para el filamento. Sin embargo, aparte de su punto de fusión, es importante también que el mismo posea una baja presión de vapor, alta ductilidad, emisividad selectiva y adecuada resistencia eléctrica. El tungsteno ha mostrado buenas propiedades como elemento de construcción del filamento. Su baja presión de vapor y alto punto de fusión (3382°C) permite operar a altas temperaturas y como consecuencia se consigue mayor eficacia. Cuanto más cerca es la temperatura del filamento a la temperatura de fusión, más alta es la proporción de energía visible radiada y, por tanto mayor su eficacia luminosa, pero, por otro lado mayor es la velocidad de evaporación del filamento en vacío, y por lo tanto su vida es menor, de aquí el compromiso que deberá existir entre eficacia luminosa y vida para una dada potencia de la lámpara. El material del filamento evaporado se transfiere ya sea a las partes adyacentes al filamento o al soporte de la estructura, o puede difundirse a través del gas y luego transportarse por las corrientes convectivas. El mismo se condensa sobre todo en la superficie del bulbo formando una capa metálica que incrementa a través de la vida y absorbe cada vez más la radiación emitida, reduciendo así su eficacia.

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Ya que la perdida de energía a través del gas que rodea al filamento es proporcional a la longitud del filamento e inversamente proporcional al diámetro, esta perdida se reduce si al filamento se le da una forma de espiral con un diámetro de 2 a 6 veces el diámetro del alambre. El uso de filamentos doblemente enrollados junto a un gas inerte mejora notablemente la eficacia de estas lámparas. Gas de relleno Alrededor de 1911 se realizaron intentos para reducir la velocidad de evaporación del filamento, mediante el llenado del bulbo con algún gas. A pesar de que el gas reduce el ennegrecimiento, la presencia del gas incrementa la pérdida de calor, por convección, disminuyendo, como ya se dijo, su eficacia. Si el bulbo en cambio se llena con un gas no-reactivo y de baja conductividad de calor que reduzca la velocidad de evaporación, y por tanto el ennegrecimiento del bulbo, se puede mejorar la vida y la eficacia de la lámpara. Para ello se usan gases inertes teniendo en cuenta sus características no-reactivas con las partes internas de la lámpara. Aunque las lámparas de vacío se siguen fabricando todavía, para potencias menores de 40W, la mayoría de las lámparas incandescentes contienen un gas de relleno. Normalmente consiste en una mezcla de argón y nitrógeno, cuya proporción depende de la aplicación a que se destina y de la tensión de la lámpara. Lámparas incandescentes halógenas La necesidad de mejorar la relación eficacia-vida en las lámparas incandescentes convencionales llevó a la incorporación de un gas haluro aditivo —bromo, cloro, flúor y yodo— el cual produce un ciclo regenerativo del filamento. El termino halógeno es el nombre que se da a esta familia de elementos electro-negativos. El yodo fue usado en las primeras lámparas pero hoy en día se usa el bromo. En la figura 7 a) se muestra el proceso de evaporación del tungsteno para una lámpara incandescente convencional en la que el tungsteno evaporado se deposita en el bulbo. La figura 7 b) corresponde al ciclo halógeno para una lámpara incandescente halógena para el caso en que el aditivo es bromo en forma de compuesto orgánico o bromuro de metileno (CH2Br2). El vapor de tungsteno se combina con el halógeno para formar bromuro de tungsteno (WBr2), el cual permanece en estado gaseoso en vez de depositarse en las paredes de la ampolla. Cuando una molécula de bromuro de tungsteno se acerca al filamento caliente se descompone en Tungsteno (W) y 2Br, dando lugar a que el tungsteno se redeposite sobre el filamento, reiniciándose el ciclo.

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Figura 7. a) Una lámpara incandescente convencional y b) Ciclo halógeno en una incandescente halogenada Aun con esta mejora introducida en las lámparas halógenas el tungsteno no siempre se deposita en aquellos lugares de donde se evaporó, por lo que la vida de estas lámparas tiene un valor finito. Las altas temperaturas de las paredes de la ampolla (una temperatura mínima de la ampolla de 260ºC), necesarias para mantener el ciclo halógeno, exige un tamaño reducido de la misma. Como consecuencia de esto, las temperaturas son elevadas y por tanto la ampolla se construye de un material mas resistente como es el cuarzo. Debido a la forma más compacta de estas lámparas, la presión admisible del gas puede ser mayor, con lo cual se reduce su velocidad de evaporación, y la posibilidad de usar un gas de mayor densidad, tal como el kriptón o xenón en vez de argón o nitrógeno, aunque los mismos son de mayor precio. Este proceso lógicamente aumenta su vida. Estas lámparas generan mayor cantidad de ultravioleta (UV) que las incandescentes convencionales, debido a la mayor temperatura del filamento. La cantidad de UV emitida está determinada por el material del bulbo, como es el caso del cuarzo. Por tanto en las aplicaciones donde es critica esta radiación, caso de obras de arte, el uso de un filtro es casi obligatorio. Especial cuidado debe tenerse cuando se usan lámparas con una temperatura de color por arriba de 3100K, dado que la radiación emitida tanto en el ultravioleta como en las bajas longitudes de onda del visible aumenta con la temperatura creando una fuente potencial de daño. 3.2. Características de funcionamiento Características cromáticas El espectro emitido por una lámpara incandescente es continuo (ver Figura 8). El índice de reproducción de color es de 100, por definición.

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Figura 8. Espectro de emisión visible de una lámpara incandescente

Vida, eficacia y depreciación del flujo luminoso Una lámpara incandescente halógena posee una eficacia luminosa entre 17 a 25 lm/W, como consecuencia de la mayor temperatura a que trabaja el filamento, frente a una convencional de 12 a 15 lm/W. En el caso de lámparas incandescentes, la vida de una lámpara está determinada por la rotura del filamento. La vida de las halógenas es del orden de 2000 horas frente a 1000 h en las convencionales. Algunas lámparas experimentan un rápido deterioro por disipación térmica, según la posición de funcionamiento tales como las incandescentes halógenas de cuarzo lineales, ya que una parte del filamento trabaja a mayor temperatura que el resto. Desviaciones de la tensión nominal de red La temperatura del filamento esta determinada por la tensión aplicada (V). La corriente (I), la potencia (P), el flujo luminoso (φ) y la vida son todas variables dependientes de la temperatura y, por tanto de la tensión aplicada.. La Figura 9 muestra la variación porcentual de, la potencia, la corriente, la eficacia y el flujo luminoso en el eje de ordenadas de la derecha, con la variación porcentual de la tensión nominal de red mientras, en el eje ordenado de la izquierda se muestra la vida útil de una lámpara incandescente convencional. La relación más importante de éstas es la dependencia de la vida: a medida que la variación de la tensión aumenta la vida disminuye exponencialmente. Por ejemplo una variación del 5% por arriba de la tensión nominal puede reducir la vida a la mitad, mientras una reducción en la misma cantidad puede casi duplicar su vida, sin embargo la eficacia luminosa sólo cae en un 10%, en el último caso.

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Figura 9. Curvas típicas de variación % de la potencia (en W), vida (en horas), eficacia (en lm/W) y flujo luminoso (en lm) para una lámpara incandescente convencional con la

variación % de la tensión (en V). Aplicaciones Las lámparas incandescentes tienen amplio uso en la iluminación del hogar, por su color cálido de luz, su reducido peso, dimensiones y, particularmente por su bajo costo inicial, además de que no necesitan equipos auxiliares para funcionar. La baja eficacia y corta vida útil de las lámparas incandescentes frente a las alternativas disponibles, limitan las posibles aplicaciones de las lámparas incandescentes. El costo energético de operación es muy alto (ver Capítulo 13: Análisis Económico de la Iluminación Eficiente). Sólo se las recomiendan para locales de poco uso o de alta intermitencia de uso, por ejemplo en sótanos, garajes, baños y placares residenciales. No se aconsejan para iluminación donde sea necesario altos niveles de iluminancia o de uso prolongado. Incandescentes halógenas: debido a sus menores dimensiones, mayor vida y eficacia ofrecen ciertas ventajas respecto a las incandescentes convencionales. Son muy útiles en aquellos lugares donde se necesiten luminarias de pequeñas dimensiones o, para iluminación de acento, dado su mejor control óptico respecto de las convencionales o cuando es necesario un encendido rápido como el caso de luminarias de seguridad, o para iluminación de vehículos, sistemas de proyección, iluminación de estudios de televisión, teatro, cine, etc. Sin embargo, la eficacia es muy inferior a las lámparas de descarga, por lo cual no debe utilizarse para la iluminación general de espacios con uso prolongado. Hasta que haya una lámpara de bajo costo y mejor rendimiento, las lámparas incandescentes seguirán cumpliendo una función importante para la iluminación.

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4. Lámparas de descarga en gas Existen varios tipos de lámparas de descarga en gas, las cuales se describen a continuación.

5. Lámparas fluorescentes La mayor parte de la luz artificial hoy en día se produce en lámparas fluorescentes. Sus ventajosas características, tales como la gran variedad de formas y tamaños disponibles, la flexibilidad en sus propiedades de reproducción de color, el buen desempeño en términos de conversión de potencia eléctrica en luz, la emisión de luz difusa y la comparativamente baja luminancia que presentan, hacen de esta lámpara una fuente de luz adecuada para numerosas aplicaciones. Principio de funcionamiento Las lámparas fluorescentes pertenecen a la categoría de lámparas de descarga en gases a baja presión. Están constituidas básicamente (Figura 10) por un bulbo o tubo de descarga con vapor de mercurio y recubierto de polvos fluorescentes (denominados “fósforos”) en la pared interior del tubo para la conversión de radiación UV en visible, un par de electrodos sellados herméticamente en los extremos del tubo y los casquillos que proporcionan la adecuada conexión eléctrica a la fuente de suministro de energía.

Figura 10: Esquema de una lámpara fluorescente. La descarga eléctrica en una atmósfera de mercurio a baja presión es convertida principalmente en radiación UV. Típicamente alrededor del 63% es convertida en radiación UV-C en longitudes de onda de 185.0 nm y en 253.7 nm. Una pequeña cantidad de energía, aproximadamente el 3%, es convertida directamente en radiación visible, predominantemente en las longitudes de onda de 405 nm (violeta), 436 nm (azul), 546 nm (verde) y 577 nm (amarillo). El efecto de estas mezclas de cuatro colores le da a la descarga un color azul pálido. El resto de la energía es disipada en forma de calor, en los electrodos y en la descarga, como consecuencia de los choques entre iones y átomos del gas. La cantidad de radiación producida en las dos líneas de UV depende principalmente de:

• la presión de vapor del mercurio • el gas auxiliar

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• la densidad de corriente • las dimensiones del tubo de descarga.

La emisión ultravioleta tiene la capacidad de estimular los polvos fluorescentes que recubren el interior del tubo en el que se produce la descarga, y que convierten la radiación UV en luz visible, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 11.

Figura 11: Conversión de radiación en la capa fluorescente

5.1. Componentes de una lámpara fluorescente Bulbo Las lámparas fluorescentes se construyen con bulbos tubulares rectos cuyo diámetro varía entre aproximadamente 12 mm (0,5 pulgadas), designados T4 (porque su diámetro equivale a 4/8 de pulgada) y 54 mm (2,125 pulgadas) designados T17. Generalmente su longitud varía entre 100 mm y 2440 mm (4 y 96 pulgadas). La letra de la designación indica la forma del bulbo. En este caso, T por “tubular”; también puede ser C por “circular” o U indicando que el bulbo ha sido doblado sobre sí mismo. También existen lámparas de menor diámetro, de extremo único, de dos, cuatro o seis tubos paralelos, formadas por bulbos en forma de U conectados por pequeños tubos en sus extremos, conocidas como lámparas fluorescentes compactas (Figura 12).

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Figura 12. Lámparas fluorescentes lineales, circulares y compactas, de diferentes potencias y tipos de casquillos Electrodos

Los electrodos se diseñan para operar ya sea como cátodos “fríos” o como cátodos “calientes”. Las lámparas que emplean cátodo frío operan, por lo general con una corriente del orden de unos pocos cientos de mA, con un alto valor de caída de tensión catódica (tensión requerida para crear el flujo de corriente de electrones y iones), algo superior a 50 V. Los electrodos de cátodo caliente se construyen generalmente con un único alambre de tungsteno o con un alambre de tungsteno con otro enrollado a su alrededor, produciendo así dobles o triples arrollamientos. Estos arrollamientos se cubren con una mezcla de óxidos para reforzar la emisión de electrones favoreciendo el encendido. Durante la operación de la lámpara el electrodo alcanza una temperatura de alrededor de 1100°C. En este punto, la combinación alambre/recubrimiento emite grandes cantidades de electrones para una caída de tensión catódica relativamente baja, entre 10 y 12 V. La corriente normal de operación

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de las lámparas de cátodo caliente es del orden de 1.5 A. Como consecuencia de la menor caída de tensión catódica en este tipo de lámparas, se obtiene un funcionamiento más eficiente, por lo que la mayoría de las lámparas fluorescentes se diseñan para operar con cátodo caliente. Gas de relleno La operación de las lámparas fluorescentes depende de la producción de una descarga entre los dos electrodos sellados en los extremos del bulbo. La presión del mercurio se mantiene aproximadamente a 1.07 Pa, valor que corresponde a la presión de vapor del mercurio líquido a 40°C. Además del mercurio, el bulbo contiene un gas o una mezcla de gases inertes a baja presión (entre 100 y 400 Pa) para facilitar el encendido de la descarga. Las lámparas fluorescentes convencionales emplean argón o una mezcla de argón, neón y xenón. Fósforos La primera lámpara con descarga de mercurio que poseía una cubierta de fósforo para convertir el UV en visible se hizo en el año 1935 por la compañía General Electric en USA. Como se indicó anteriormente, la radiación emitida, la cual define el color característico de una lámpara, tiene una longitud de onda mayor que la radiación de la excitación y depende de la naturaleza del fósforo usado y no de la longitud de onda de radiación excitadora. Los fósforos usados en las lámparas son compuestos inorgánicos de alta pureza con partículas de tamaño mediano, del orden de 10 µm. Son generalmente óxidos o compuestos oxi-haluros, tales como fosfatos, aluminatos, boratos y silicatos. Además estos fósforos contienen iones activadores, que son deliberadamente agregados en una adecuada proporción. La tabla 5 muestra los fósforos más comunes usados y el pico de longitud de onda en el que emiten, con el color de la luz percibida.

Tabla 5. Polvos fluorescentes típicos Nombre del compuesto Color Haluros Halofosfato de calcio Blanco (480nm, 580nm) Trifósforos óxido de itrio + trifósforo de europio Rojo-naranja (611nm) aluminato de magnesio, cesio y terbio Verde (543 nm) fosfato de lantano + fosfuro de cesio y terbio Verde (544 nm) borato de magnesio y gadolinio + fosfuro de cesio y terbio

Verde (545nm)

aluminato de magnesio y bario + fosfuro de europio

Azul (450nm)

Cloroapatita de estroncio + fosfuro de europio Azul (447nm)

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Fósforos de lujo Estroncio verde, azul Verdoso (480nm, 560nm) Estroncio rojo Rojizo (630nm) Los polvos fluorescentes de halofosfato de calcio combinan dos bandas de emisión de colores complementarios en un solo fósforo. Debido a que las dos bandas complementarias de color en los fósforos anteriores no cubren toda la región visible y en particular son deficientes en la región roja del espectro, los colores son distorsionados bajo la luz de estas lámparas en comparación con su apariencia bajo la luz del sol. Para mejorar el índice de rendimiento de color, se usan los fósforos de lujo. En particular el estroncio activado es usado para proveer una banda ancha de emisión en el rojo de 620 a 630 nm. Sin embargo, debido a la banda ancha de emisión, que se extiende fuera del rango visible, y por su baja eficiencia cuántica (relación entre la cantidad de fotones absorbidos y emitidos) estas lámparas tienen alrededor de sólo 2/3 del flujo luminoso respecto de las fluorescentes convencionales anteriores con halofosfato. Alrededor de la década del 70 la industria de la iluminación logra una combinación de fósforos de tal modo que las lámparas emitían un espectro con tres bandas angostas en 610 nm del rojo, 545 nm del verde y 450 nm del azul. Estas longitudes de onda están cerca de los picos de la función triestímulo de la CIE 1931 usadas para definir el espacio de color. Esto hizo pensar que era importante tener una banda de emisión angosta en el rojo cerca de 610 nm. Si la emisión del rojo es desplazada hacia longitudes de onda mayores o ensanchada, el rendimiento de color mejora pero la eficacia luminosa disminuye. Si es desplazada hacia menores longitudes de onda el rendimiento de color cae abruptamente. Esto significa que existe mayor flexibilidad en la elección de las bandas de emisión del azul o el verde. Con el descubrimiento en los años 70 de los fósforos con tierras raras, se logró mejorar estas emisiones, como se muestra en la tabla 5. Tan importante como su alto rendimiento de color es su habilidad para mantener su alta eficacia durante la vida de la lámpara. Los fósforos de halofosfatos tienen un anticipado daño en las cortas longitudes de onda de 185nm del UV y en el final de su vida se ven afectados por las interacciones del mercurio con el sodio del vidrio. Las mejoras logradas con los trifósforos activados con tierras raras bajo condiciones de altas densidades de corriente de la descarga permitieron el desarrollo de las fluorescentes compactas. La mayor desventaja de los fósforos activados con tierras raras es su costo, aunque en la actualidad han bajado drásticamente. 5.2. Características de funcionamiento Eficacia luminosa La eficacia de una lámpara fluorescente depende de un gran número de factores: potencia, dimensiones, construcción del electrodo, tipo y presión del gas, propiedades de la capa de fósforo, tensión de suministro y temperatura ambiente. Por ejemplo, a medida que se incrementa el diámetro del tubo de descarga crece la eficacia de la lámpara hasta alcanzar

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un máximo, más allá del cual comienza a decrecer. La longitud del tubo también influye sobre la eficacia, de modo que cuanto mayor es la longitud, más alta es la eficacia. Es claro que la capa fluorescente es el factor que más contribuye a la eficacia de la lámpara, es así que si la lámpara no tuviera recubrimiento de fósforo, su eficacia seria de 5 lm/W. Los fósforos actuales permiten elevar este valor hasta 100 lm/W. La eficacia luminosa está influenciada por la distribución espectral de la luz, cuanto más elevada es la proporción de radiación en aquellas bandas de energía a las que el sistema visual humano es más sensible mejor será su eficacia. Características cromáticas El color de una lámpara fluorescente está determinada por el fósforo usado. Como la curva de sensibilidad del sistema visual humano indica que su máxima sensibilidad se encuentra en 555 nm, una mayor eficiencia se lograría si los fósforos convierten la radiación UV en este rango. Sin embargo esta luz seria de un color muy verde e inaceptable para iluminación. La presencia de tres colores primarios —rojo, verde y azul— en proporciones correctas es esencial para alcanzar una luz blanca con buenas propiedades de reproducción de color por lo que existe un compromiso entre ésta y la eficacia luminosa. En la Figura 13 se muestran espectros de emisión de lámparas fluorescentes con diferentes índice de reproducción de color. La tabla 6 muestra una clasificación de estas lámparas a partir de la que sugiere la Comisión Internacional de Alumbrado (CIE), de acuerdo a la apariencia de color y su temperatura de color correlacionada

Tabla 6. Apariencia de color de lámparas fluorescentes(adaptada de CIE Publicación Nº 29.2, 1986)

Apariencia de color Temperatura de color (K) Blanco cálido 3000 Blanco 3500 Blanco frío 4200 Luz día 6500

La tabla 7 establece además una clasificación de la lámparas, agrupándolas en distintos grados de reproducción cromática, a partir de la sugerida por la CIE.

Tabla 7. Clasificación de lámparas fluorescentes de acuerdo a su índice de reproducción cromática (adaptada de CIE, 1986)

Grado de reproducción cromática Indice de rendimiento de color 1 A > 90 1 B 80 a 90 2 A 70 a 79 2 B 60 a 69 3 40 a 59 4 20 a 39

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Figura 13. Espectros de emisión de lámparas fluorescentes de diferentes índices de rendimiento de color: 55 (arriba) y 72 (abajo).

En las lámparas fluorescentes la temperatura de la pared del bulbo es un factor crucial, ya que las variaciones de la misma no solamente afectan al flujo luminoso de la lámpara fluorescente, sino también las características cromáticas de la luz emitida por ellas. Puesto que la luz producida por las lámparas fluorescentes tradicionales de halofosfatos tiene dos componentes (uno proveniente de la descarga en una atmósfera de mercurio y el otro debido a la transformación que tiene lugar en el recubrimiento de fósforo), cada uno de los cuales reacciona a los cambios de temperatura en forma independiente del otro, el color resultante para la luz emitida depende de cuál de estos fenómenos prevalece en cada nivel de temperatura. En general, cuando aumenta la temperatura, el color de la luz se desplaza

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hacia el verde azulado debido a que la propia descarga en el mercurio incrementa en forma considerable su contribución en la región visible del espectro. Vida La vida de las lámparas fluorescentes de cátodo caliente está determinada por la velocidad de pérdida del recubrimiento emisivo de los electrodos. Cada vez que la lámpara se enciende, algo de este recubrimiento se pierde. Adicionalmente, este recubrimiento también sufre una cierta evaporación, por ello, los electrodos deben diseñarse para minimizar ambos efectos. El fin de la vida de la lámpara se alcanza cuando uno o ambos electrodos han perdido por completo su recubrimiento, o cuando el recubrimiento restante ha perdido su poder, dejando de emitir. Debido a las pérdidas de material emisivo producidas en cada encendido, la vida de la lámpara de cátodo caliente está directamente influenciada por la frecuencia de encendido. La vida nominal de una lámpara se consigna suponiendo una operación de tres horas por encendido. Los efectos típicos del régimen de encendido sobre la vida de la lámpara se muestran en la Figura 14

Figura 14. Efecto del ciclo de encendido medido en horas sobre la vida media para las lámparas fluorescentes más conocidas del tipo encendido rápido. Todas las lámparas fluorescentes poseen un comportamiento similar dependiendo del tipo de lámpara y balasto usado En cambio, la frecuencia de encendido no afecta en forma apreciable la vida de las lámparas de cátodo frío. Hay, por otra parte, muchas otras condiciones que afectan la vida de las lámparas fluorescentes: las características de diseño de balastos y arrancadores en el caso de los dispositivos precaldeados; balastos que no proporcionan los requerimientos especificados

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para el encendido o que no operan la lámpara a los niveles de tensión apropiados; contactos eléctricos inadecuados entre lámpara y zócalo; inapropiado conexionado; etc. Un factor especialmente importante para la vida de la lámpara fluorescente es la tensión de línea, de modo que si ésta es muy elevada, puede ocasionar encendido instantáneo de las lámparas en circuitos de encendido rápido y precaldeados. Si la tensión de línea es baja, se produce un encendido muy lento de las lámparas de encendido rápido o de encendido instantáneo. Todas estas condiciones afectan negativamente la vida de la lámpara. La Figura 15 muestra una curva típica del porcentaje de supervivencia de lámparas fluorescentes en función del porcentaje de vida media.

Figura 15. Mortalidad típica para un gran número de lámparas fluorescentes

(ciclo de encendido de 3 horas) Depreciación luminosa El flujo luminoso de la lámpara fluorescente decrece con el tiempo acumulado de operación, debido a la degradación fotoquímica, tanto de los fósforos del recubrimiento interno como del vidrio que forma el bulbo, y a la creciente deposición de elementos absorbentes de luz sobre el cuerpo de la lámpara. La degradación de los fósforos aumenta con la potencia desarrollada en el arco y disminuye con el incremento del área cubierta por los fósforos. La Figura 16 muestra cómo se modifica la curva de depreciación luminosa para diferentes lámparas fluorescentes. Los trifósforos son más estables que las que contienen halofosfatos. En ocasiones se usa un recubrimiento protector para reducir la degradación de los fósforos, con lo que se reduce el porcentaje de depreciación luminosa de la lámpara.

0 0

50

100

120 80 40 160

% de la VIDA MEDIA

% d

e LÁ

MPA

RAS

SUPE

RVI

VIEN

TES

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Figura 16. Depreciación luminosa en función de las horas de operación

(basado en un ciclo de encendido de 3 horas) La degradación fotoquímica del vidrio que constituye el bulbo también acrecienta la depreciación luminosa, así como el depósito de material emisivo desprendido de los cátodos en los extremos de los tubos, lo que reduce la transmisión de radiación UV y por lo tanto la estimulación de los fósforos, lo que resulta en una reducción del flujo luminoso proporcionada por la lámpara a medida que ésta envejece. Influencia de la temperatura En las lámparas fluorescentes la temperatura constituye un factor crucial, ya que determina la presión del mercurio contenido en el tubo de descarga. Una lámpara fluorescente contiene una considerable cantidad de mercurio líquido que es el que se vaporizará para permitir su funcionamiento. El vapor en exceso (por encima de lo que determina la presión de vapor para la correspondiente temperatura) tenderá a condensarse en el punto más frío de la lámpara. Si algún punto dentro del bulbo está significativamente más frío que el resto, todo el mercurio líquido tiene mayor probabilidad de concentrarse allí. La presión de vapor del mercurio en el interior del bulbo dependerá de la temperatura de este punto frío. Ésta, a su vez, estará determinada por las características constructivas de la lámpara, por su potencia, por la temperatura ambiente, por el diseño de la luminaria en la cual esté alojada la lámpara, por la mayor o menor circulación de aire sobre ella, etc. Los efectos de la temperatura sobre la presión de vapor del mercurio se manifiestan como variaciones en el flujo luminoso y las características cromáticas de la lámpara. Las lámparas que emplean amalgamas de mercurio en lugar de mercurio líquido permiten ampliar el rango útil de temperatura ambiente en el que puede operar, ya que las amalgamas actúan como estabilizadores de la presión de vapor. Las altas temperaturas ambiente no solamente disminuye el flujo luminoso de las lámparas fluorescentes, sino además pueden cambiar sus características eléctricas y ponerlas fuera de

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los rangos de diseño del balasto, lo que permitiría un mayor flujo de corriente que afectaría de manera negativa la vida de la lámpara. A medida que la temperatura de operación se incrementa, aumentan tanto el flujo luminoso de la lámpara como su consumo de potencia. Sin embargo, esta potencia empieza gradualmente a disminuir cuando la temperatura supera los 32 °C. El flujo luminoso continúa incrementándose más allá de este valor, hasta que la temperatura llega aproximadamente a los 38 °C, punto en el que se inicia un rápido descenso. La eficacia de la lámpara, alcanza su máximo aproximadamente a los 40 °C, como se muestra esquemáticamente en la Figura 17. Dado que las temperaturas dentro de una luminaria son en general mayores que el valor óptimo para la lámpara y, que la pérdida de flujo luminoso al elevar la temperatura es casi lineal, se puede estimar esta pérdida sabiendo que ésta será del orden del 1% por cada incremento de 1.1 C en la temperatura ambiente por arriba de 38ºC.

Figura 17. Eficacia luminosa y su dependencia con la temperatura mínima

de la pared del tubo de descarga Encendido El encendido de las lámparas fluorescentes se produce en dos etapas: en primer lugar, los electrodos deben ser calentados —precaldeo— hasta su temperatura de emisión; en segundo lugar, debe aplicarse a la lámpara una tensión suficiente para iniciar la ionización del gas y permitir el establecimiento del arco. Algunos sistemas de encendido emplean una tensión aplicada entre uno de los electrodos y “tierra” para facilitar la ionización.

50°F 70°F 90°F 110°F 130°F 10°C 20°C 30°C 40°C 50°C 60°C

80

Potencia ActivaFlujo luminosoEficacia

60

40

20

100

Temperatura mínima de la pared del bulbo

% d

el V

alor

Máx

imo

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A medida que se reduce la temperatura ambiente, el encendido de las lámparas fluorescentes se hace más lento y dificultoso. Para lograr un encendido confiable a bajas temperaturas, se requiere un valor más elevado de tensión de alimentación. Con el advenimiento de las lámparas fluorescentes se desarrollaron numerosos sistemas de encendido que contemplaban las condiciones de uso de cada lámpara: • En primer lugar, el encendido por “precalentamiento” que requiere una llave, ya sea

manual o automática, que conecte y desconecte el sistema de encendido. El encendido por precalentamiento es ampliamente utilizado en las lámparas fluorescentes compactas.

• En segundo término, el sistema de “encendido instantáneo”, que requiere una elevada

tensión de circuito abierto proporcionada por el balasto. Para funcionar en circuitos de balastos magnéticos, se requieren lámparas de encendido instantáneo especialmente construidas. Se han desarrollado balastos electrónicos que tienen la capacidad de proporcionar encendido instantáneo a una gran variedad de tipos de lámparas fluorescentes.

• Finalmente, el más usado de los sistemas de encendido es el denominado de “encendido

rápido”, que funciona sobre la base del calentamiento permanente de los electrodos, por lo que no requiere de elevadas tensiones ni llaves de encendido.

Lámparas fluorescentes compactas Las lámparas fluorescentes compactas han surgido como consecuencia del uso de fósforos activados con tierras raras y con la contribución de la electrónica, las cuales, conservando la eficacia y vida de las fluorescentes lineales, pueden competir con las lámparas incandescentes aún en el hogar. Estas lámparas fueron originalmente diseñadas para ser intercambiadas con las lámparas incandescentes de 25 a 100 W, pero ya hoy en día existen lámparas compactas de diferentes potencias, color, tamaños y formas similares a las incandescentes, incluso hasta contienen reflectores incorporados que pueden reemplazar a las fluorescentes lineales en luminarias pequeñas. En ellas se usan los tubos T-4 y T-5 de forma curvada o plegada de manera compacta y plana, o bien dos o más tubos paralelos de pequeño diámetro, interconectados entre sí y con un solo casquillo. Existen muchas técnicas de sellado, conexión entre tubos y de recubrimiento interior, que permiten la obtención de diferentes tamaños y flujos luminosos. La parte del tubo es a menudo encerrada en una cápsula de vidrio o plástico con forma cilíndrica o esférica. Las fluorescentes compactas han tenido en estos últimos años gran auge y se las conoce como lámparas de bajo consumo, aunque en realidad la diferencia con las lámparas fluorescentes lineales radica en su menor tamaño, forma y la posibilidad de que pueden adaptarse a una instalación diseñada para lámparas incandescentes. Por ejemplo, una lámpara fluorescente compacta frente a una incandescente consume una cantidad de energía

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4 veces menor aproximadamente para igual flujo luminoso, dependiendo del tipo de lámpara, y tiene una vida de 3 a 10 veces mayor, según el modelo. La construcción compactada de estas lámparas requiere tubos de menor diámetro y longitud que los que se utilizan en las lámparas convencionales lineales para igual flujo luminoso, lo que da como resultado una mayor carga en la pared de esta lámparas compactas. Los tubos angostos en las lámparas compactas tienen campos elevados, de modo que la descarga es más corta por lo que los tubos deben ser plegados para alcanzar la longitud apropiada. Uno de los logros fue la utilización de fósforos de banda estrecha, más estables y resistentes a altas densidades de radiación ultravioleta. Debido a la alta densidad de potencia en estas lámparas, se usan fósforos con alto rendimiento para lograr mejoras en la depreciación luminosa y reproducción de color, obteniéndose valores de la temperatura de color correlacionada entre 2700 K y 6500 K. Originalmente las lámparas compactas incluían un balasto inductivo convencional —compacta integrada—, lo que traía como consecuencia un peso bastante mayor que las lámparas incandescentes. Dado que gran parte de este peso estaba dado por el balasto, surgió la idea de separar la lámpara del balasto con el fin de hacerla más liviana, eficiente y practica. La separación lámpara–balasto o sistema modular tiene como ventaja la posibilidad de reponer la lámpara sin necesidad de hacer lo mismo con el balasto, teniendo en cuenta que el tiempo de duración del balasto es mucho mayor que el de la lámpara, aproximadamente en una relación de 3 a 10. Sin embargo la aparición de balastos electrónicos de menores dimensiones y peso, junto al aumento de vida de las lámparas compactas, ha llevado en estos últimos años a la fabricación masiva de lámparas compactas integrales con balastos electrónicos. Las lámparas fluorescentes compactas (LFC) actuales tienen rangos de potencia entre 5 a 55 W, con flujo luminoso entre 250 a 4800 lm. Sus dimensiones varían entre 100 a 540 mm de longitud máxima, dependiendo de la potencia y construcción. Las LFC que incluyen el balasto tienen rosca tipo Edison permitiendo reemplazar directamente a una incandescente, mientras que aquellas modulares tienen casquillos especiales a fin de que no sean intercambiadas con una incandescente sin tomar los recaudos necesarios. Las ventajas de estas lámparas en general respecto de las incandescentes son: menores potencias a igual flujo luminoso, de tamaños comparables, livianas, con buena reproducción de color, alta eficacia luminosa y larga vida. Sin embargo, son en general más sensibles a las variaciones de temperatura del ambiente que las fluorescentes tubulares lineales. La vida nominal de los buenos modelos (por ejemplo que cumplen con la normativa ELI) varia entre 6000 y 12000 horas, similar a la de las fluorescentes lineales. Aplicaciones En sus varias formas, las lámparas fluorescentes dominan las aplicaciones comerciales e industriales: Respecto a las incandescentes comunes, ofrecen la posibilidad de grandes ahorros de energía con un incremento de su vida entre 6 a 10 veces. Se recomiendan en interiores de uso prolongado, de difícil acceso para el reemplazo de la lámpara, excepto en

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locales con alta frecuencia de encendido. Tienen amplias aplicaciones en edificios de oficinas, escuelas, hospitales, supermercados, etc. donde la altura del cielorraso no es excesivo o que no haya conflictos de los artefactos con la estética del local, por ejemplo restaurantes elegantes, ambientes del hogar, etc. En los últimos 20 años, la llegada de lámparas fluorescentes compactas ha aumentado las posibilidades de aplicación a hogares, comercios y otros usos donde una menor dimensión es deseada. Al mismo tiempo la disponibilidad de modelos de distintas temperaturas de color y de altos índices de rendimiento cromático aumenta las aplicaciones de estas lámparas.

6. Lámparas de inducción Las lámparas sin electrodos usan un campo electromagnético (EM) desde afuera del tubo en lugar de la aplicación de una tensión adentro para iniciar la descarga. Se clasifican de acuerdo al método usado para generar este campo electromagnético en lámparas con descarga inductiva y descarga de microondas, aunque sólo se describirán las primeras. Las lámparas de descarga inductiva, conocidas como lámparas de inducción, se las asocia a lámparas fluorescentes sin electrodos ya que producen luz excitando los mismos fósforos convencionales de la fluorescentes. El principio de operación (esquematizado en la Figura 18) es el siguiente: Un equipo de radio frecuencia (1) envía una corriente eléctrica a la bobina de inducción (2), la cual es un alambre enrollado sobre un núcleo metálico o plástico. La corriente que pasa a través de la bobina de inducción genera un campo electromagnético. El campo electromagnético excita al gas mercurio (3) contenido dentro de una ampolla, el cual emite radiación UV. Esta energía UV excita la capa de fósforos que cubre la ampolla del bulbo, produciendo radiación visible (4).

Figura 18. Esquema de una lámpara de inducción

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La lámpara de inducción consta de tres componentes principales, cada uno de los cuales puede reponerse por separado: Ampolla o cámara de descarga Es un recinto de vidrio que contiene un gas inerte a baja presión y una pequeña cantidad de vapor de mercurio. Las paredes están recubiertas de polvos fluorescentes del mismo tipo empleado en las lámparas fluorescentes lineales, lo que posibilita la obtención de diferentes temperaturas de color. La cámara de descarga está fijada al equipo que provee la energía mediante un casquillo de plástico con cierre de seguridad. Equipo que provee energía Transfiere energía desde el generador de alta frecuencia a la ampolla utilizando una antena formada por una bobina primaria de inducción y un núcleo de ferrita. Este equipo, además, consta de un soporte para la antena, un cable coaxial y una varilla termoconductora. Generador de alta frecuencia Produce una corriente alterna de 2,65 MHz o 13,65 MHz, que se suministra a la antena. Contiene un oscilador ajustado a las características de la bobina primaria. Debido a que estas lámparas son diseños electrónicos, generan ondas electromagnéticas y por tanto producen interferencia no deseada. El valor de esta frecuencia está regulado por los países, de aquí que en Estados Unidos estas lámparas deben operar a 13, 65 MHz y están aprobadas para su uso comercial y domestico mientras, en la Comunidad Europea operan a 2,65 MHz. 6.1. Características de funcionamiento En general se puede decir que estas lámpara tienen una eficacia entre 48 a 70 lm/W, una vida nominal de 10000 hasta 100000 horas. Su apariencia de color es blanco cálido y temperaturas de color correlacionada entre 2700 a 4000 K con un índice de reproducción de color de 80. Aplicaciones El costo de las lámparas a inducción es todavía alto con relación a cualquier otra lámpara. Por ello, su aplicación está limitada a situaciones en lugares de difícil acceso, por ejemplo en ambientes con un cielorraso muy alto requiriendo la colocación de andamios para el reemplazo de las lámparas, con un costo de reemplazo alto.

7. Lámpara de sodio de baja presión La lámpara de sodio de baja presión (Figura 19) es similar a la de mercurio de baja presión o fluorescente, pero en este caso contiene un vapor de sodio a baja presión donde se produce el arco. Para facilitar el arranque se agrega neón con una cierta proporción de

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argón, de modo que la lámpara puede arrancar con una tensión de pico entre 500 y 1500 V, según el tipo de lámpara. Una vez que se ha encendido y que el gas se ha ionizado, la descarga inicial se produce en el neón, de aquí su color rojo. En operación normal, la luz producida es casi monocromática, la que consiste en una línea doble del sodio de 589,0 nm y 589,6 nm (amarillo). La Figura 20 muestra la distribución espectral para una lámpara de sodio de baja presión.

Figura 19. Lámpara de sodio baja presión. Ejemplos de la misma. Aunque solo el 35 a 40% de la potencia de entrada se transforma en energía visible, es el doble de la eficacia luminosa de una lámpara fluorescente tubular. Esto se debe a que esta línea se encuentra cerca del máximo de la sensibilidad del ojo humano y a que no hay perdidas de energía en transformación fluorescente del UV a radiación visible. Los valores de eficacia se encuentran entre 100 y 200 lm/W, dependiendo de la potencia. Aunque es la fuente de mayor eficacia no permite discriminar los colores, con una apariencia de color amarillo, por lo que no es posible asignarle un índice de rendimiento de color. Sin embargo se le atribuye una temperatura de color correlacionada de 1800 K. La vida nominal puede llegar hasta 14000 horas y una vida útil de hasta 18000 h. Este alto valor se debe a la baja depreciación del flujo luminoso y a su bajo índice de fallos.

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Figura 20. Distribución espectral de una lámpara de sodio de baja presión. Aplicaciones Por la monocromaticidad de la luz y la consiguiente imposibilidad de discriminar los colores, este tipo de lámpara tiene escaso uso. En algunos casos, se las han utilizado en túneles y puentes donde la discriminación de color se consideró menos importante.

8. Lámparas de descarga de alta intensidad (HID) Las lámparas de descarga de alta intensidad (HID) (Figura 21) incluyen al grupo de las conocidas lámparas de mercurio, mercurio halogenado y las de sodio de alta presión. Todas estas lámparas producen luz mediante una descarga eléctrica de arco en un bulbo interior o tubo de descarga el cual a su vez está dentro de un bulbo exterior. El tubo de arco contiene electrodos sellados en cada extremo y contiene un gas de encendido que es relativamente fácil de ionizar a baja presión y temperatura ambiente. Este gas de encendido es generalmente argón o xenón o una mezcla de argón, neón o xenón dependiendo del tipo de lámpara. El tubo de arco también contiene metales o compuestos de halogenuros metálicos que, cuando se evaporan en la descarga, producen líneas características de la energía radiante, de modo que cada tipo de lámpara de descarga de alta intensidad produce luz de acuerdo al tipo de metal contenido en el arco. Así, las de vapor de mercurio producen radiación visible excitando los átomos de mercurio, las de sodio de alta presión excitando los átomos de sodio, y las de halogenuros metálicos excitando átomos y moléculas de sodio, escandio, tulio, holmio y disprosio.


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Figura 21. Lámparas de descarga de alta intensidad (HID).

9. Lámparas de vapor de mercurio de alta presión La Figura 22 muestra en forma esquemática las características constructivas de una lámpara de mercurio típica. Tubo de descarga y ampolla exterior La mayoría de las lámparas de mercurio se construyen con doble envoltura: La interior o tubo de descarga, está relleno de un gas inerte (argón) y una cantidad de mercurio. El arco inicial se establece por la ionización del argón, que es el gas auxiliar en esta lámpara. Una vez establecido este arco, el calor generado vaporiza el mercurio líquido presente en el tubo de descarga. La exterior cumple múltiples funciones: • Proteger al tubo de descarga de corrientes de aire y cambios de temperatura exterior • Contener un gas inerte (generalmente nitrógeno) para prevenir la oxidación de las partes

internas de la lámpara e incrementar la tensión de ruptura a través del bulbo • Proveer una superficie interna que actúe de soporte para el recubrimiento de fósforo

Lámparas de sodio dealta presión (SON)

Lámparas de mercurio(H)

Lámparas de descargade alta intensidad

Lámparas de mercuriohalogenado (HQI)

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• Actuar como filtro para quitar de la radiación emitida ciertas longitudes de onda no deseadas (UV-B y UV-C)

En general, los tubos de descarga de las lámparas de mercurio se construyen de silicio fundido, con cintas de molibdeno selladas en sus extremos que actúan como conductores de corriente. El bulbo exterior se hace generalmente de vidrio duro (borosilicato), pero puede ser de otro tipo de vidrio si la polución, el ataque químico del medio ambiente o el choque térmico no son factores decisivos para la lámpara, o bien si se desea obtener características especiales de transmisión. Electrodos Los electrodos empleados en las lámparas de mercurio son de tungsteno espiralado, recubiertos de material emisivo compuesto por varios óxidos metálicos.

Figura 22 Esquema de una lámpara de vapor de mercurio de alta presión.

9.1. Características de funcionamiento Eficacia luminosa

La eficacia luminosa de aquellas que contienen recubrimientos fluorescentes es mayor que las que no lo tienen. Por ejemplo una lámpara de igual potencia con recubrimiento fluorescente de 250 W llega a 51 lm/W o mayor frente a 46 lm/W en el caso que no contenga dicho recubrimiento. Además la eficacia luminosa depende de la potencia, por ejemplo para una lámpara de mercurio de alta presión de color mejorado de 80 W es de alrededor de 41 lm/W frente a 59 lm/W para un lámpara de 1 kW. Cabe observarse que la

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eficacia de una lámpara de vapor de mercurio es muy inferior a las de fluorescentes y de sodio de alta presión (ver Aplicaciones, abajo). Características cromáticas

La distribución espectral de una lámpara de mercurio de alta presión en general se presenta en tres tipos, las de vidrio claro, las que poseen recubrimiento y, las de color mejorado. En el primer caso, hoy casi en desuso, la lámpara tiene un color blanco azulado con una temperatura de color correlacionada del orden de 6000K con cuatro líneas principales de emisión y por lo tanto un bajo rendimiento de color (IRC = 15). La lámpara de color corregido tiene una apariencia de color más cálida, con una temperatura de color de 4300 K con índice de rendimiento de color de 48, para un potencia de 80 W, mientras aquellas con recubrimiento especial son aún más cálidas con un rendimiento de color de 52. La figura 23 muestra la distribución espectral de una lámpara de mercurio de alta presión de color mejorado.

Figura 23. Espectro de emisión de una lámpara de vapor de mercurio de alta presión de color mejorado. Vida

La vida útil de una lámpara de mercurio de alta presión se encuentra entre valores de 12000 a 16000 horas, dependiendo de la potencia. Encendido Las lámparas de mercurio de alta presión pueden encenderse por medio de un electrodo auxiliar, ya que los electrodos poseen un recubrimiento emisivo y porque la mezcla de vapor en la lámpara en frío es tal que puede arrancar con una tensión de 220 V. El gradiente de tensión entre el electrodo principal y el auxiliar, es capaz de ionizar el gas en esa zona, y formar una descarga luminosa. Cuando la descarga alcanza el otro electrodo, se incrementa la corriente, y como consecuencia se calientan los electrodos principales hasta la

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temperatura apropiada de emisión de electrones por el bombardeo producido por el arco. Una vez alcanzado este punto el electrodo auxiliar deja de intervenir en el proceso. Aplicaciones Tradicionalmente se utilizaban lámparas de vapor de mercurio para el alumbrado público y para espacios exteriores privados. Hoy día en estas aplicaciones se tienden a utilizar lámparas de vapor de sodio de alta presión por su superior eficacia. En algunas aplicaciones, por ejemplo donde se pretende resaltar el verde de plazas y jardines, esta lámpara es una opción. Sin embargo, opciones más eficientes incluyen a fluorescentes y halogenuros metálicos. Ambas ofrecen mejor reproducción de colores además de mayor eficacia, pero con menor vida útil que la lámpara de mercurio.

10. Lámpara de halogenuros metálicos

Estas lámparas contienen halogenuros metálicos de cloro e yodo, además del mercurio y una mezcla de argón para el encendido. Cuando la lámpara alcanza su temperatura de funcionamiento estos halogenuros metálicos se vaporizan parcialmente disociándose en halógenos e iones metálicos. De este modo en la lámpara se forman los siguientes elementos: • Halogenuros metálicos no agresivos, cerca de la pared del tubo de descarga • Iones metálicos y de halógeno en el centro de la descarga. Los iones metálicos son los

que emiten radiación. • Cuando los iones metálicos y halógenos se acercan, sea por convección o difusión, a las

partes más frías del tubo se recombinan y el ciclo se repite —ciclo del halogenuro. Ambos son potencialmente agresivos pero, debido a la menor temperatura de la zona exterior, no pueden alcanzar la pared del tubo sin antes recombinarse.

El mercurio ya no actúa como generador de luz, sino como regulador. El uso de estos metales halogenuros presentan dos ventajas: • Los halogenuros metálicos son más volátiles a la temperatura de operación del tubo que

los metales puros. • Aquellos metales que reaccionan químicamente con el tubo pueden ser usados en

forma de halogenuros, que de este modo no lo hacen. 10.1. Componentes de la lámpara de halogenuro metálico La figura 24 muestra los elementos de una lámpara de halogenuro de mercurio. Tubo de descarga y ampolla exterior

Estas lámparas son similares en su construcción a las de mercurio pero su tamaño es menor para iguales potencias. El tubo de descarga es de cuarzo puro con transmitancia constante y

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no selectiva. La temperatura del tubo suele estar por encima de 627 ºC pero no debe sobrepasar los 927 ºC por la cristalización del cuarzo. La parte interior de la ampolla exterior, en el caso de las lámparas de forma ovoidal se recubre con fósforos para convertir la radiación UV en visible. Sin embargo como los halogenuros producen una pequeña cantidad de radiación UV, la radiación visible proviene principalmente de ellos. El tubo del arco tiene un recubrimiento blanco en las puntas para incrementar la vaporización del halogenuro metálico. Muchas de estas lámparas de mercurio halogenado operan en posición vertical, y en esta posición alcanzan su mejor rendimiento. Cuando trabaja horizontalmente el arco se inclina hacia arriba debido a las corrientes de convección. Al mismo tiempo, el halogenuro metálico, que es liquido, se mueve hacia el centro del tubo del arco, con lo que la presión de vapor disminuye decreciendo la concentración del metal en el arco reduciéndose la emisión de luz. Además el arco inclinado se acerca más hacia las paredes del tubo del arco, aumentando la temperatura y reduciendo la vida de la lámpara en un 25%.

Figura 24. Esquema de una lámpara de halogenuro metálico. Dado que en muchas aplicaciones es necesario la lámpara en posición horizontal, existen diseños para esta posición. En uno de estos diseños el tubo del arco tiene una forma de tal modo que sigue naturalmente la inclinación del arco. Otro diseño es un tubo de arco asimétrico con los electrodos más bajos en el cuerpo del tubo de arco de tal modo que el arco se inclina hacia la línea central del tubo. En ambos diseños la cantidad de luz emitida aumenta en un 25% y la vida en un 33% respecto de las lámparas de posición vertical.

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Algunas lámparas se diseñan de forma ovoidal y de esta forma el halogenuro metálico se calienta más rápidamente respecto de las lámparas con forma cilíndrica convencional (ver Fig. 24). Gas de relleno La mezcla de gases que se usa para el encendido consiste, generalmente de neón-argón o kriptón-argón con una presión en frío de 4000 a 5000 Pa. La desventaja de usar neón es que éste se difunde a través de la pared de cuarzo del tubo de descarga, problema que se soluciona rellenando también con neón el bulbo exterior. A esta mezcla se le suman los halogenuros metálicos y el mercurio, de modo que cada combinación empleada da como resultado lámparas con características cromáticas y de eficacia muy diferentes. Es así que pueden diferenciarse tres tipos de lámparas:

• Lámparas trilínea, con yoduros de sodio, talio e indio. Su nombre proviene de las tres líneas características de los tres metales mencionados, amarillo para el sodio, verde para el talio y azul para el indio. La proporción de cada uno de estos metales determina las características de esta lámpara en lo que se refiere a eficacia y rendimiento de color.

• Lámparas multilínea, con yoduros de tierras raras como disprosio, holmio y tulio y también con yoduros de escandio, sodio o cesio. Estos últimos se agregan para desplazar la distribución espectral o para estabilizar la descarga. Se denominan de este modo porque los metales que intervienen dan lugar a un espectro semi-continuo. El índice de rendimiento de color es en general mejor que en el caso anterior.

• Lámparas que presentan un espectro cuasicontinuo que emplean como halogenuros metálicos al yoduro de estaño y cloruro de estaño. En este caso los halogenuros metálicos actúan no solamente como vehículo de transporte de los átomos metálicos sino que también contribuyen a la generación de luz las partes separadas de las moléculas (radicales), formándose un espectro cuasicontinuo con líneas adicionales procedentes del mercurio gaseoso y del sodio, que se añade para estabilizar el arco. Como consecuencia es una lámpara con muy buena reproducción de color.

Electrodos En las lámparas trilineas se utiliza el oxido de torio como emisor. En las lámparas de escandio se añade al relleno yoduro de torio y en las lámparas con tierras raras kriptón para facilitar el encendido. 10.2. Características de funcionamiento Eficacia luminosa

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La eficacia de estas lámparas es bastante mayor que las de mercurio de alta presión, comercialmente pueden obtenerse lámparas con eficacia de 80 a 108 lm/W, dependiendo de la potencia, sin incluir las pérdidas en el balasto. Características cromáticas El sistema con tierras raras para las lámparas multilinea permite una gama más amplia de temperaturas correlacionadas, por ejemplo 4300 K si se incluye el yoduro de sodio o 3000 K con cesio. Dentro de ellas la lámpara de disprosio tiene una temperatura de color más elevada de 5600 K. Determinados colores pueden obtenerse agregando elementos tales como, sodio para el naranja, tulio para el verde, indio para el azul y hierro para el UV. El índice de rendimiento de color oscila entre 75 a 90, con un espectro de emisión casi continuo en el ultimo caso. La Figura 25 muestra un espectro de emisión de este tipo de lámparas.

Figura 25. Espectro de emisión de una lámpara de vapor de mercurio halogenado

de tipo multilínea. También existen lámparas con recubrimientos de fósforos en la envoltura exterior, con el propósito de obtener una fuente de luz más difusa aunque el índice de reproducción de color disminuye. Vida Debido a la alta temperatura de los electrodos, los óxidos que los recubren se evaporan rápidamente por lo que la vida útil de estas lámparas es menor que las restantes lámparas de descarga, pudiendo llegar hasta valores de 10000 horas. Depreciación luminosa

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Poseen una depreciación luminosa mayor respecto, por ejemplo, a las de mercurio de alta presión, lo que se debe principalmente al ennegrecimiento que sufre el tubo de descarga por la evaporación del tungsteno de los electrodos que se deposita sobre las paredes del tubo. También la depreciación de los polvos fluorescentes influye en la depreciación en el caso de lámparas recubiertas. En la Figura 26 se muestran curvas de mortalidad y depreciación luminosa para una lámpara de mercurio halogenado.

Figura 26. Curva típica de mortalidad y depreciación luminosa de una lámpara de mercurio halogenado.

Encendido y reencendido En una lámpara de halogenuro metálico el encendido es más complicado que para las de mercurio de alta presión, debido a la actividad química del relleno de la lámpara por lo que no puede emplearse materiales emisores normales. En las lámparas trilinea, los electrodos contienen oxido de torio, que facilita el arranque y actúa como emisor termoionico. En las

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multilínea, el oxido de torio no puede usarse porque reaccionaria con el halogenuro, por lo que se utiliza yoduro de torio. La mayoría de estas lámparas tiene una tensión de encendido entre 4 y 5 kV. Después del encendido de la lámpara, el mercurio y los restantes compuestos del tubo de descarga se evaporan, disocian y generan luz como consecuencia del paso de la corriente. Este proceso tarda algunos minutos, durante este tiempo la apariencia de color cambia hasta que al final del periodo de encendido se alcanza el color definitivo. Si la lámpara se apaga, pasarán aproximadamente 10 a 20 minutos antes de que la presión dentro de la lámpara descienda lo suficiente para poder volver a arrancar. Aplicaciones Las lámparas de descarga de halogenuros metálicos tienen cualidades que las distinguen que otras lámparas: combinan alta eficacia con color de luz blanca, similar a la luz diurna, con excelente reproducción de colores. A diferencia de las lámparas fluorescentes que también tienen estas cualidades, éstas producen un alto flujo luminoso a partir de una lámpara relativamente pequeña. Por ello, se ha ampliado su utilización como reflector en el exterior de los edificios, en estadios, y en otros lugares donde se requiere un alto nivel de iluminancia. Los principales inconvenientes son el costo relativamente alto y una vida, si bien alta (hasta 10000 horas, en algunos modelos aún mayores), menor que otras lámparas de descarga. Cuando se busca economía, tanto en términos de eficacia luminosa, costo de lámpara y larga vida útil, mientras que el color de luz o la reproducción de colores son menos importantes, se utilizan lámparas de sodio de alta presión, que se describen a continuación.

11. Lámpara de sodio de alta presión En la Figura 27 se muestra la construcción de este tipo de lámpara. La lámpara de sodio de alta presión radia en todo el espectro visible, en contraste con las lámparas de sodio de baja presión, que solo radia el doblete D del sodio en 589 nm. Las lámparas de sodio estándar, con una presión del sodio entre 5 a 10 kPa, poseen en general una temperatura de color entre 1900 a 2200 K y un índice de rendimiento de color de 22. A medida que la presión del sodio aumenta por arriba de 27 kPa, la línea de radiación D (589 nm) del sodio es absorbida por el gas circundante más frío y reemitida como un espectro casi continuo a ambos lados de las líneas D, haciéndose éstas cada vez más débiles. Esto resulta en una región “negra” de 20 nm de ancho en la zona de 589 nm, como se observa en la Figura 28. Incrementado la presión del vapor de sodio incrementa el porcentaje de longitudes de onda larga emitidas, mejora el índice de rendimiento del color hasta un valor de 65, aunque la eficacia y la vida disminuyen.

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Figura 27. Esquema de una lámpara de vapor de sodio de alta presión. Ejemplos de la misma

Figura 28. Distribución espectral de la radiación emitida por una lámpara de vapor de sodio de alta presión.

11.1. Componentes de la lámpara de sodio de alta presión Tubo de descarga Como ya se indicó anteriormente se construyen dos envoltorios o cápsulas, la interior, donde se produce el arco, se construye con alúmina policristalina, sintetizada en forma de tubo, la cual no reacciona con el sodio, con alta resistencia a la temperatura y alto punto de fusión. Esta sustancia es translúcida, insensible al vapor de sodio caliente (1500 K) con un


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punto de fusión de 2300 K A pesar de que este material es translúcido, provee una buena transmisión de radiación visible en más del 90%. Gas de relleno El tubo de arco contiene xenón como gas de encendido con una presión en frío de 3 kPa, y una pequeña cantidad de una amalgama de sodio-mercurio la cual es parcialmente vaporizada cuando la lámpara alcanza la temperatura de operación. Las presiones del vapor de sodio y mercurio para la lámpara estándar en régimen normal de funcionamiento son de 10 kPa y 80 kPa respectivamente. El mercurio actúa como un gas amortiguador para aumentar la presión del gas y reducir las pérdidas térmicas de la descarga al disminuir la conductividad térmica del vapor caliente. El mercurio no produce ninguna radiación significativa. Ampolla exterior El bulbo externo de borosilicato puede estar al vacío o lleno de un gas inerte. Sirve para prevenir ataques químicos de las partes metálicas del tubo interior así como el mantenimiento de la temperatura del tubo del arco, aislándolo de los efectos de la temperatura ambiente. Las lámparas de sodio estándar tiene formas tubulares u ovoides, siendo la de forma tubular siempre de vidrio claro. El tipo de vidrio usado depende de la potencia de la lámpara. Muchas de estas lámparas pueden operar en cualquier posición, la misma no tiene efecto sobre el flujo luminoso. 11.2. Características de funcionamiento Eficacia Como se indico la eficacia decrece a medida que la presión de vapor del sodio aumenta debido al ensanchamiento y posterior desaparición del doblete del sodio, con lo que se elimina la radiación en la zona donde el sistema visual es más sensible. Otro factor que influencia la eficacia es la composición y presión del gas amortiguador y de arranque en el tubo de descarga. Como la conductividad térmica del sodio es alta, la eficacia luminosa es baja, pero a fin de contrarrestar este efecto se usan gases de amortiguación y arranque de baja conductividad térmica, a presiones mucho mayores que el vapor de sodio. Si se aumenta la presión del xenón desde 20 kPa a 200 kPa, la eficacia luminosa aumenta entre un 10 a 15%, sin cambiar sus características de color, aunque la desventaja es que se necesitan ayudas extras para el arranque. La eficacia de todas estas lámparas está en un rango entre 80 a 130 lm/W, dependiendo de la potencia de la lámpara y de las propiedades de reproducción del color. La lámpara de sodio “blanco” tiene una eficacia de 43 lm/W, valor un 45 % menor de las de sodio de alta

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presión estándar. Las mismas poseen un tubo de descarga de oxido de aluminio sintetizado, alojado en una envoltura tubular de vidrio transparente al vacío. Características cromáticas La típica apariencia de color de una lámpara de sodio de alta presión no cambia apreciablemente hasta el 50% de su flujo luminoso. Debajo de este valor prevalece el color amarillo, característico del sodio de baja presión. Las lámparas de sodio de alta presión estándar, con presiones del sodio entre 5 a 10 kPa, tienen una temperatura de color de 1900 a 2200 K y un índice de rendimiento de color de 22 aproximadamente. El color de luz se puede modificar aumentando la presión del vapor de sodio, siendo éste el caso de la lámpara de sodio blanco, en la cual el índice de rendimiento de color aumenta hasta 80 con una presión del vapor de sodio de 95 kPa. La misma tiene una apariencia de color blanco cálido (temperatura de color correlacionada entre 2500 a 2800 K). Con presiones de vapor intermedias se consiguen lámparas con características intermedias entre la de sodio blanco y la estándar, como es el caso de las lámparas de sodio de alta presión de color mejorado. Vida y depreciación luminosa La vida útil para estas lámparas es de aproximadamente 16000 horas dependiendo de su diseño. Sin embargo este valor está limitado por el aumento en la tensión, aunque lento, que ocurre durante su vida. Este aumento es principalmente debido al ennegrecimiento de los extremos del tubo de arco debido a la dispersión del material emisor del electrodo. La parte ennegrecida absorbe radiación, la cual calienta los extremos del tubo de arco y vaporiza las amalgamas de sodio adicional. Esto incrementa la presión en el tubo de arco y consecuentemente la tensión del arco. La difusión de sodio a través de los extremos sellados de tubo de arco y la combinación de sodio contenido en el arco con impurezas del tubo limitan también la vida de estas lámparas. En la Figura 29 se muestran curvas típicas de mortalidad y depreciación luminosa para una lámpara de sodio de alta presión en función de las horas de operación.. Encendido y Reencendido Debido a que estas lámparas no tienen un electrodo de encendido por su menor diámetro, se suministra un pulso de alta tensión, entre 1,5 a 5 kV, mediante un ignitor, para ionizar al gas de encendido que es el xenón. Una vez encendida, la lámpara se calienta en 10 minutos aproximadamente, durante el cual va cambiando de color. Una vez que se ha establecido el arco, la tensión del mismo es baja por la baja presión de vapor. El color inicialmente es blanco por la descarga del xenón, cambiando luego a amarillo después de unos veinte segundos. Durante este tiempo el sodio se evapora y poco a poco se involucra en la descarga. Debido a que la presión de operación en estas lámparas es menor que en el caso de las de mercurio, el tiempo de reencendido es menor. Sin embargo, como se ha dicho, necesita un

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pico de tensión bastante grande para arrancar, de modo que si se interrumpe la tensión de la red no puede encender de inmediato. La lámpara debe enfriarse lo suficiente para que la presión de vapor de sodio en el bulbo de descarga sea tal que el impulso producido por el arrancador permita iniciar la descarga. Este tiempo es en general menor de 1 minuto y se calienta en 3 a 4 minutos. En las lámparas que tienen un arrancador incorporado este tiempo puede ser mayor, ya que estos dispositivos se desconectan después de cada encendido por medio de un interruptor bimetálico que debe enfriarse antes de poder funcionar nuevamente. El periodo de enfriamiento puede durar de 10 a 15 minutos. Aplicaciones La alta eficacia luminosa, larga vida y baja depreciación luminosa explican la amplia difusión de lámparas de sodio de alta presión para la iluminación de grandes espacios interiores, iluminación vial, parques, y en situaciones donde el ahorro y el bajo mantenimiento son prioridades.

Figura 29. Curva típica de mortalidad y depreciación luminosa para

una lámpara de sodio de alta presión.

12. Comparación entre las lámparas de alta intensidad En las Figuras siguientes 30 a 32 se comparan los tiempos de encendido, el flujo luminoso en función de la potencia y del tiempo de vida para todas las lámparas de alta intensidad.

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En la Figura 30 se observa que, a diferencia de la lámpara de mercurio, la lámpara de sodio de alta presión, el tiempo de encendido y reencendido es mucho menor, usualmente ésta reenciende en menos de 1 minuto y se calienta en 3 o 4 minutos. Esto se debe a que la presión de operación es mucho menor.

Figura 30. Comparación de tiempos de encendido y reencendido

entre las distintas lámparas de alta intensidad.

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Figura 31. Flujo luminoso en función del tiempo (horas) de operación para lámparas de descarga de alta intensidad.

Figura 32 Flujo luminoso en función de la potencia para lámparas de descarga de alta intensidad a) vapor de mercurio, b) mercurio halogenado, c) sodio de alta presión.

Las líneas punteadas representan áreas donde ocurren cambios de color significativos.

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13. LED (Light Emitting Diode)

Un LED es un componente electrónico de estado sólido que comenzó a ser producido en la década del 60. La sigla LED se debe a la expresión “light emitting diode” o, en español, diodo emisor de luz. Este tipo de semiconductores pertenece a la familia de los diodos. Los diodos tienen la particularidad que conducen la corriente eléctrica mas fácilmente en un sentido que en otro. La simbología perteneciente a un LED se representa en la Figura 33.

Figura 33. Simbología de un LED

Este tipo de semiconductores son del tipo p-n. La adición de impurezas selectivas a un cristal semiconductor puede producir un exceso de electrones libres en la banda de conducción. Estos son semiconductores tipo-n. Semiconductores tipo-p se logran usando otras impurezas que producen excesos de agujeros (ausencia de un electrón) en la banda de valencia, donde un agujero tiene una carga igual y opuesta a la del electrón. En el material tipo-p los electrones son conductores de carga minoritaria mientras los agujeros la mayoritaria. La inversa ocurre para el material tipo-n. Existen técnicas para preparar un cristal único casi perfecto en el cual se produce el cambio de conductividad entre la parte tipo-p a la tipo-n dentro de una pequeña región de transición. Esto es lo que se llama unión p-n. Cuando se aplica una diferencia de tensión en una unión p-n desde la región p a la n, los agujeros fluyen hacia el lado tipo-n y los electrones hacia el lado tipo-p. Un electrón en una banda (banda de conducción) se combina con un agujero de otra banda (banda de valencia) produciéndose la emisión de un fotón de energía electromagnética. Los materiales que componen la unión p-n determinan el salto de energía y la eficacia del LED. 13.1. Detalles constructivos de un LED Una lente clara o difusa, hecha con una resina epoxi, cubre el chip semiconductor y sella al LED en forma de cápsula. La misma provee también un control óptico a la luz emitida, ya que incrementa el flujo luminoso y reduce las reflexiones en la superficie del semiconductor, logrando de este modo una variedad de distribuciones angulares. Los componentes que conforman un LED se pueden observar en la Figura 34.

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Figura 34. Componentes de un LED Un LED difiere tanto de una lámpara incandescente como de una de descarga. No incluye ningún filamento como las incandescentes, que pueden romperse o quemarse, ni electrodos como la mayoría de las lámparas de descarga. Figura 35 compara un LED y una incandescente.

Figura 35. LED vs. Lámpara incandescente

Los primeros LEDs que se fabricaron estaban basados en semiconductores de arseniuro de galio (GaAs) y fosfuro de galio (GaP). Sin embargo hoy en día estos han sido reemplazados por materiales más prometedores: AlInGaP y InGaN. El fosfuro de aluminio indio galio (AlInGaP) es usado para desarrollar longitudes de onda largas (590 a 630 nm) en el rojo, amarillo y ámbar, dependiendo de la cantidad utilizada de cada elemento, mientras el nitruro de indio galio (InGaN) se usa para lograr cortas longitudes de onda (470 a 525 nm) para el azul y el verde. La tabla 8 muestra las características de LEDs de AlInGaP y InGaN.

Cátodo

Chip LED

Anodo

Reflector

Lente de epoxi

Bigote

Espaciadores

Cátodo

Chip LED

Anodo

Reflector

Lente de epoxi

Bigote

Espaciadores

LED montado en unaplaqueta

Cátodo

Chip LED Bigote

Cubierta ópticade Epoxy

LED montado en unaplaqueta

Cátodo

Chip LED Bigote

Cubierta ópticade EpoxyCubierta ópticade Epoxy

Lámpara incandescentemontada en un portalámpara

Cubierta de vidrio

Filamento

Portalámpara

Lámpara incandescentemontada en un portalámpara

Cubierta de vidrio

Filamento

Portalámpara

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Tabla 8. Características de LEDs de AlInGaP y InGaN. (Fuente: IES, 2000) AlInGaP InGaN Salto de energia 1,6 a 2,31 eV 3,4 eV (azul) Pico de longitud de onda 585 nm (ámbar) 460 nm (azul)

520 nm (verde) Eficacia luminosa 20 a 25 lm/W (ámbar) 6 lm/W (azul)

30 lm/W (verde) La distribución espectral de un LED es pequeña, con anchos de banda de 17nm para los LEDs de AlInGaP y 35 nm para InGaN. Esto significa que los LEDs producen luz altamente saturada y casi monocromática. El color de un LED se especifica con su longitud de onda dominante, como se muestra en la Figura 36 en la que se ubican diferentes LEDs dentro del diagrama de cromaticidad de la CIE de 1931. Los LEDs de AlInGaP producen colores rojos (626 a 630 nm) , rojo-naranja (615 a 621 nm), naranja (605 nm) y ámbar (590 a 592 nm), mientras los de InGaN producen colores verdes (525 nm), azul-verde (498 a 505 nm) y azul (470 nm ).

Figura 36. Longitud de onda dominante para diferentes LEDs indicadas en

el diagrama de cromaticidad de la CIE 1931. 13.2. Evolucion de los LEDs Antiguamente los LEDs tenían una eficiencia muy limitada (0,1 lm/W) y no servían para iluminación, sino que se los utilizaba sólo para indicación y de manera decorativa (el ejemplo más claro es en los televisores: el indicador de si el TV está encendido o en posición stand-by; o las lucecitas de los equipos musicales). Estos LEDs eran de color rojo y utilizaban la tecnología GaAsP. A medida que fueron evolucionando los conocimientos de aplicación de diversas tecnologías, se han obtenido LEDs de alto rendimiento. Los LEDs con tecnología InGaN es muy nueva aún (1998) y son fabricados por solamente dos o tres

520 nmInGaN LED 525 nmVerde

AlInGaP LED 560 nm Ambar

AlInGaP LED 605 nm Naranja

AlInGaP LED 615 nm Rojo - Naranja

AlInGaP LED 626 nm Rojo

InGaN LED 505 nmAzul - Verde

InGaN LED 496 nmAzul - Verde

InGaN LED 450 nm Azul

540 nm

560 nm

580 nm

600

CIE Iluminante C700 nm

Diagrama cromáticidadCIE 1931

400 nm x

y

61

empresas en el mundo. Con los nuevos materiales, los LEDs han alcanzado una mayor eficacia luminosa, 30 lm/W para el LED verde InGaN y 10 lm/W para el LED InGaN azul. En el futuro irá aumentando la eficacia de los LEDs. Actualmente existen desarrollos en laboratorio de LED con 100 lm/W de rendimiento, aunque en producción se están haciendo con 40 o 50 lm/W. Desde los 1960 hasta hoy el rendimiento de los LEDs ha crecido 400 veces, como puede observarse en la Figura 37.

Figura 37. Evolución del rendimiento de los LED.

Paralelamente, los costos de los LEDs disminuyen un 20% cada año gracias a estos avances. Otro de los aspectos importantes para graficar la evolución de estas tecnologías es el de la corriente que se podía hacer circular por el chip semiconductor sin que este se quemara. Los LEDs más conocidos, los de Ø5mm, soportan una corriente de hasta 20 mA. Actualmente existen en el mercado LEDs de alto rendimiento que soportan corrientes de 300mA y de hasta 1A. Distintos tipos de LED se muestran en la Figura 38.

SodioBaja Presión(18W)EFICACIA LUMINOSA(LUMENS/WATT)1000.1101VERDEGaAs P0.6 0.4GaP:Zn,OGaP:Zn,OGaP:NVERDEAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAsAlInGaP/GaAsAlInGaP/GaPROJO-NARANJA-AMARILLOAZULSiCAZULGaAsPGaAsP:NInGaNROJOROJOROJOROJOROJORojoFiltradoFluorescente (40W)Amarillo FiltradoPrimera lámpara de EdisonROJO-NARANJA-AMARILLOROJO-NARANJA-AMARILLO19601970197519801985199019952000AÑO

SodioBaja Presión(18W)EFICACIA LUMINOSA(LUMENS/WATT)1000.1101VERDEGaAs P0.6 0.4GaP:Zn,OGaP:Zn,OGaP:NVERDEGaP:NVERDEAlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAsAlGaAs/AlGaAsAlInGaP/GaAsAlInGaP/GaPROJO-NARANJA-AMARILLOAZULSiCAZULGaAsPGaAsP:NInGaNROJOROJOROJOROJOROJORojoFiltradoFluorescente (40W)Amarillo FiltradoRojoFiltradoFluorescente (40W)Amarillo FiltradoAmarillo FiltradoPrimera lámpara de EdisonROJO-NARANJA-AMARILLOROJO-NARANJA-AMARILLO19601970197519801985199019952000AÑO

SodioBaja Presión(18W )

EFIC

ACIA

LU

MIN

OSA

(LU

MEN

S/W

ATT)

100

0.1

10

1

VERDE

GaAs P0.6 0.4

GaP:Zn,OGaP:Zn,O

GaP:NVERDE

AlGaAs/GaAs

AlGaAs/AlGaAs

AlInGaP/GaAs

AlInGaP/GaPROJO - NARANJA - AMARILLO

AZUL

SiCAZUL

GaAsP

GaAsP:N

InGaN

ROJO

ROJO

ROJO

ROJO

ROJO

Rojo Filtrado

Fluorescente (40W )

Amarillo Filtrado

Primera lámpara de Edison

ROJO - NARANJA - AMARILLO


1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

AÑO

SodioBaja Presión(18W )

EFIC

ACIA

LU

MIN

OSA

(LU

MEN

S/W

ATT)

100

0.1

10

1

VERDE

GaAs P0.6 0.4

GaP:Zn,OGaP:Zn,O

GaP:NVERDEGaP:NVERDE

AlGaAs/GaAsAlGaAs/GaAs

AlGaAs/AlGaAs

AlInGaP/GaAs

AlInGaP/GaPROJO - NARANJA - AMARILLO

AZUL

SiCAZUL

GaAsP

GaAsP:N

InGaN

ROJO

ROJO

ROJO

ROJO

ROJO

Rojo Filtrado

Fluorescente (40W )

Amarillo Filtrado

Rojo Filtrado

Fluorescente (40W )

Amarillo FiltradoAmarillo Filtrado

Primera lámpara de Edison



1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

AÑO

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Figura 38. Tipos de LED

Los LEDs de alto rendimiento tienen un formato especial en donde tiene que adicionársele un disipador térmico. Son por lo general del tipo montaje superficial. En la Figura 39 vemos este tipo de LED.

Figura 39. LED de alto rendimiento

Con la aparición del LED azul en el año 1990, se hizo posible la creación del LED blanco de banda ancha. Estos LEDs blancos se construyen con el agregado de un fósforo al LED azul. Parte de la luz azul es convertida por el fósforo en un ancho espectro amarillo, lo que resulta en una luz de apariencia blanca azulada (Figura 40). Los LEDs blancos también pueden ser generados mediante la mezcla de LEDs azul, verde y rojo.

Figura 40. Distribución espectral de un LED azul-blanco

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13.3. Beneficios Los beneficios que trae esta tecnología para la iluminación son innumerables. Vamos a tratar de describir algunos de ellos.

• Bajo consumo: Una lámpara LED requiere menor potencia para producir la misma cantidad de luz. El beneficio es notable cuando se trata de luz de color. Una lámpara incandescente de 100 W con filtro rojo produce 1 W de luz roja (por ej. en un semáforo). Para generar la misma cantidad de luz rojo, un LED sólo requiere 12 W.

• Baja tensión: Generalmente se alimentan a 24V de corriente continua, adaptándose perfectamente a la mayoría de las fuentes de alimentación de los equipos, y reduciendo al mínimo los posibles riesgos de electrocución.

• Baja temperatura: Por su alto rendimiento, el LED emite poco calor. Además, los procesos de su operación no requieren el calor, como las lámparas incandescentes y hasta cierto punto las de descarga, por lo cual opera a baja temperatura.

• Mayor rapidez de respuesta: El LED tiene una respuesta de funcionamiento mucho más rápida que el halógeno y el fluorescente, del orden de algunos microsegundos, ello lo hace ideal para funcionar con un estrobo (sistemas estroboscópicos), aumentado así las prestaciones de este último.

• Sin fallos de iluminación: Absorbe las posibles vibraciones a las que pueda estar sometido el equipo sin producir fallos ni variaciones de iluminación. Esto es debido a que el LED carece de filamento luminiscente evitando de esta manera las variaciones de luminosidad del mismo y su posible rotura.

• Mayor duración: La vida de un LED es muy larga en comparación con los demás sistemas de iluminación:

Vida media, horas LED 100.000

Fluorescente 20.000 Halógeno 4.000

Incandescente común 1.000

La depreciación luminosa es mínima en relación a las lámparas halógenas y las fluorescentes:

Pérdida de luminosidad -20% -30%

LED 45.000 h 100.000 h Fluorescente 5.000 h 20.000 h

Halógena 1.500 h 4.000 h

64

13.4. Aplicaciones Desde hace muchos años se emplean los LED como lámparas indicadoras, debido a su robustez mecánica, larga vida, pequeño tamaño y bajo consumo. Como fuente luminosa, su uso es relativamente reciente y es particularmente útil cuando se requieren luces de colores. Se puede decir que el mercado de señalización está siendo transformado con la aparición de estas fuentes de luz, por ejemplo en los semáforos: rojo, amarillo y verde; como luces de autos: pueden reemplazar a las incandescentes tanto para luces de freno o de posición; en iluminación infrarroja: su larga vida y robustez permite usarlas para situaciones de seguridad, en conjunción con cámaras infrarrojas o detectores donde la visión nocturna es necesaria. El desarrollo de LEDs de color blanco de características adecuadas (mayor eficacia) puede aumentar las posibles aplicaciones de este tipo de fuente luminosa. Día a día vemos nuevas aplicaciones de la tecnología de LED. Entre las aplicaciones más difundidas podemos señalar algunas en la Figura 41:

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Figura 41. Aplicaciones de los LEDs

Considerando que los semáforos requieren luces de colores y que los LEDs generan luces de color directamente, esta aplicación fue una de las primeras para los LEDs. Asimismo, se ha visto varios avances tecnológicos para esta aplicación. En el año 1993, para reemplazar una lámpara incandescente de 100W se necesitaban 700 LEDs de ø 5mm (Figura 42, izquierda). Para el año 1996 ya se necesitaban solamente 200 LEDs del mismo tamaño (Figura 42, centro). En la actualidad, esa cantidad se redujo a sólo 18 LEDs de alto flujo luminoso (Figura 42, derecha, a la misma escala)

SEMAFOROS SEÑALES DETRAFICO

PANELES DEINFORMACIÓN AL

PASAJERO

BALIZAMIENTO

CARTELERIA INTELIGENTEPARA AUTOPISTAS

DEMARCACION DECAMINOS

SEÑALIZACIÓN EN PISTAS DEATERRIZAJE EN AEROPUERTOS

ILUMINACIÓN DEEMERGENCIA PANELES DE VIDEO COLOR

66

Figura 42. Evolución en las lámpara para semáforos

En este caso también trae beneficios en cuanto a la seguridad. Por no poseer reflector metálico en su interior, carece del llamado Efecto Fantasma que consiste en el virtual apagado de las tres lámparas del semáforo cuando el conductor queda entre medio del semáforo y el Sol. En el caso de las lámparas a LED, la incidencia de los haces del Sol sobre ellas no produce efecto fantasma. Otro aspecto fundamental es que permite el desarrollo de semáforos más compactos y estancos, lo que evitará pérdidas causadas por el vandalismo. Con todas estas virtudes y la única desventaja, por el momento y por poco tiempo mas, del costo, el LED puede ser la fuente de iluminación artificial estrella del futuro.

14. Criterios de selección de lámparas Las características fotométricas, cromáticas, eléctricas y de duración junto al programa de actividades y objetivos del espacio a iluminar, así como las consideraciones arquitectónicas y económicas constituyen los condicionantes a la hora de elegir las fuentes luminosas. De esto se desprende que, si bien no es posible dar reglas estrictas cuando se elige una lámpara, sí es importante poseer criterios claros de elección a fin de poder priorizar aquellas características más relevantes al caso en cuestión. Los criterios de elección se pueden dividir en: • Criterios de eficacia • Criterios cromáticos • Criterios de duración Criterios de eficacia

La eficacia es la característica fotométrica más importante en cuanto a las consideraciones energéticas, ya que cuanto más eficiente es una lámpara se necesita menos energía para producir la misma cantidad de luz. La eficacia las lámparas de sodio de baja presión tiene el mayor valor (SBP, hasta 200 lm/W), luego le siguen las de sodio de alta presión (SAP,

67

hasta 130 lm/W) y luego las fluorescentes lineales (hasta 100 lm/W). Generalmente otros criterios inciden antes de elegir una lámpara de alta eficacia. Por ello, y tal como hemos señalado antes, las lámparas SBP tienen escasos usos por su luz monocromática sin capacidad de reproducción de colores. A veces se le asigna un valor negativo al índice de reproducción cromática (IRC). Cuando se valoriza el rendimiento a pesar del bajo IRC, se eligen las SAP, como solución de compromiso, por ejemplo en el alumbrado público y para la iluminación de grandes espacios exteriores, donde se requiere altos niveles de iluminación y el IRC se considera menos importante. Cuando se busca una lámpara compacta, con buena reproducción de colores, las lámparas fluorescentes compactas (LFC) son una opción interesante, por lo cual se la utilizan con mayor frecuencia en las viviendas y ciertas aplicaciones comerciales. Las LFC se limitan a potencias bajas (típicamente menores a 26 W, aunque existen algunos modelos especiales de mayor potencia) y de bajo flujo luminoso. Cuando se requiere alta eficacia (hasta 100 lm/W) y excelente reproducción de colores con alto flujo luminoso, las de halogenuros metálicos son ideales. Criterios cromáticos Desde el punto de vista de la reproducción cromáticas las fuentes que presentan el mayor índice son las incandescentes halógenas y convencionales (IRC = 100), pero éstas tienen baja eficacia. Hoy días existen modelos de lámparas fluorescentes (denominados trifosforados) y de mercurio halogenado con IRC aproximadamente 80, acercándose al de las incandescentes pero con una eficacia muy superior a las incandescentes, pero inferior a las SAP. Se eligen estas lámparas para la iluminación de interiores y de exteriores donde el IRC es tan importante como la eficacia. Criterios de duración Las lámparas de inducción son las de mayor vida, luego las de mercurio de alta presión y sodio de alta presión (de 16.000 a 24.000 h). Siguen las lámparas fluorescentes y de mercurio halogenado (de 6.000 a 10.000 h, aunque algunos modelos nuevos superan estos valores). Las incandescentes comunes constituyen el grupo más desfavorable, con una vida nominal de 1000 h.

Bibliografía CEI, 1996. Aplicaciones Eficientes de Lámparas. Cuadernos de eficacia energética en iluminación Nº 1. Comité Español de Iluminación. Bierman A., 1998. “LEDs from indicators to illumination”, Lighting Futures Volume 3 Number 4, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute. Bullough J., Huang Kun y K. Conway, 2000. Lighting Transformations: Optimizing the design and use of light emitting diodes for visually critical applications in transportation and architecture: Summary of LEDs and traffic signal technology, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute.

68

Cayless M.A. y A.M. Mardsen, 1983. Lamps and Lighting, Third Edition Ed. Arnold. Coaton J.R. y A.M. Marsden, 1997. Lamps and Lighting. Ed. Arnold. CIE, 1986. Guide for Interior Lighting, 2nd Edition, Nº 29.2, Commision International de l’Eclairage. De Boer J. y D. Fisher, 1978. Interior lighting, Ed. Philips Technical Library. Ducharme A., 2001. “A thousand points of light, at least”, LD+A Journal, July, 57-59 Henderson S. T. y A.M. Marsden, 1979. Lamps and Lighting, Ed. Arnold. IES, 2000. The IESNA Lighting Handbook. 9th Edition. Illuminating Engineering Society North America. IES, 1996. Museums and art gallery lighting: a recommended practice, IES RP 30-96. Illuminating Engineering Society North America. Meyer Chr. y H. Nienhuis, 1988. Discharge Lamps. Philips Technical Library. Murdoch I.B., 1985. Illumination Engineering: From Edison`s Lamp to the Laser Macmillan Pub. Comp, Collier Macmillan Pub. Narendran N., J. D. Bullogh, N. Maliyadoga y A. Bierman, 2000. “What is useful life for white LEDs?”, IES (Illuminating Engineering Society) Annual Conference, paper Nº 52, Washington, August. Osram, 2000. Catálogo General de Luz. El Programa ELI agradece la autorización y gentileza de Osram de Argentina en la reproducción de especificaciones y figuras de algunos de sus productos. Osram-Sylvania, 2001. Product Catalog Online. Philips, 2001. Catálogo General de Lámparas. El Programa ELI agradece la autorización y gentileza de Philips de Argentina en la reproducción de especificaciones y figuras de algunos de sus productos.

Capitulo 5

Luminarias para Iluminación de Interiores

Leonardo Assaf – Elisa Colombo – Beatriz O´Donell

1. Fenómenos físicos involucrados en el control óptico de la radiación luminosa................ 2. Sistemas ópticos utilizados en luminarias ............................................................................

2.1. Elementos reflectores ................................................................................................... 2.2. Elementos refractores................................................................................................... 2.3. Dispositivos de apantallamiento y filtros.....................................................................

3. La luminaria desde el punto de vista mecánico y eléctrico.................................................

3.1. Partes de una luminaria ................................................................................................ 3.2. Materiales.....................................................................................................................

4. Las luminarias según distintos criterios de selección..........................................................

4.1. Clasificación de las luminarias según su distribución luminosa.................................. 4.1. Clasificación de distribución luminosa según la CIE (1986)....................................... 4.2. Clasificación de las luminarias según su aplicación .................................................... 4.4. Clasificación de las luminarias según el grado de protección...................................... 4.5. Clasificación de acuerdo al grado de seguridad eléctrica ............................................ 4.6. Criterios de selección de una luminaria según factores de eficiencia..........................

Bibliografía..................................................................................................................................

Se denomina luminaria a la unidad de luz destinada a albergar una o varias lámparas. También puede alojar equipos auxiliares para el funcionamiento de la fuente de luz. Las primeras luminarias fueron desarrolladas para posibilitar un montaje y un transporte seguro. A medida que se dispuso de lámparas más potentes, primero las de gas y luego las lámparas eléctricas, surgió la necesidad de lograr con estas luminarias una distribución luminosa apropiada, aumentando así la eficiencia del sistema. Para esto se utilizaron elementos constructivos convenientes recurriendo a diferentes fenómenos físicos para controlar la emisión de luz; de esta manera fue posible satisfacer las diferentes necesidades de iluminación del medio ambiente y el usuario, en cuanto a eficiencia y confort visual, así como la necesidad de aprovechar lo más posible la energía utilizada. La definición de luminaria aceptada internacionalmente es: “dispositivo que distribuye, filtra o transforma la luz emitida por una o más lámparas, que incluye todos los componentes necesarios para fijarlas y protegerlas y, donde corresponda, los equipos auxiliares, así como los medios necesarios para la conexión eléctrica de iluminación (CIE, 1986). Para el logro de estos objetivos, una luminaria debe proveer las siguientes funciones: 1. Distribuir adecuadamente la luz en el espacio. 2. Evitar toda causa de molestia provocada por deslumbramiento o brillo excesivo. 3. Satisfacer las necesidades estéticas y de ambientación del espacio al que están destinadas. 4. Optimizar el rendimiento energético, aprovechando la mayor cantidad de flujo luminoso

entregado por las lámparas. En el diseño de una buena luminaria se consideran también los siguientes aspectos: • montaje seguro y sencillo para la instalación eléctrica y el mantenimiento. • protección del usuario contra descargas eléctricas. • efectos térmicos producidos por el confinamiento de la lámpara y los equipos auxiliares. • interferencia electromagnética (EMI) y radiofrecuencia (RFI), provocada por las fuentes y

los equipos auxiliares. • alojamiento de los equipos auxiliares: debe disponer el espacio suficiente para los

componentes y poseer los accesorios de fijación necesarios, brindando los medios de seguridad adecuados para un correcto funcionamiento.

Las luminarias, para condiciones especiales de servicio, como por ejemplo entornos húmedos o con peligro de explosión, deben satisfacer exigencias mayores y requieren construcciones especiales. En la actualidad, la tecnología de las luminarias ha permitido superar ampliamente a aquellas con las cuales se buscaba casi exclusivamente el apantallamiento de la lámpara, que en general tenían una escasa eficiencia. Sin embargo, en el campo de las luminarias decorativas la eficiencia es secundaria frente a los aspectos estéticos.

2

1. Fenómenos físicos involucrados en el control óptico de la radiación luminosa

Los fenómenos físicos involucrados en los controles ópticos usados en la construcción de luminarias son: La reflexión de la luz: al incidir luz sobre un cuerpo ésta se refleja total o parcialmente, en forma especular o difusa, en general en forma mixta, y con una composición espectral diferente según sea la interacción de la luz con la materia y su dependencia con la longitud de onda. Este fenómeno es decisivo en la construcción de luminarias pues la forma de la óptica reflectora permite una orientación precisa de la luz siendo un elemento fundamental en el rendimiento del artefacto. La mayoría de los elementos reflectores combinan los tres tipos de reflexión -especular, extendida y difusa- dependiendo del tipo de superficie, como se muestra en la figura 1. En la figura 2 se muestran las combinaciones posibles entre los tres tipos de reflexión mostrados en la figura 1.

1 Figura 1. El tipo de reflexión depende de la superficie: a) superficie pulida, reflexión especular, b)

superficie rugosa, reflexión extendida y c) superficie mate, reflexión difusa

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Figura 2. Ejemplos de reflexión compuesta: a) difusa y especular b) difusa y extendida

c) especular y extendida La absorción y la transmisión de la luz: cuando la radiación luminosa incide sobre un cuerpo es absorbida total o parcialmente según las características del mismo. En la construcción de luminarias la absorción plantea el compromiso entre dos aspectos, por un lado se aprovecha el apantallamiento de fuentes de luz lo que es imprescindible para lograr un adecuado nivel de confort visual, por el otro, reduce el rendimiento de la luminaria. Si la intensidad de la radiación de todas las longitudes de onda que llega a un cuerpo se reduce en aproximadamente la misma proporción, el material muestra una absorción general, caso contrario, presenta una absorción selectiva espectralmente. Algunos materiales como el vidrio, el plástico, los textiles, los cristales, etc. son buenos transmisores de la luz; el porcentaje de luz transmitida depende del factor de transmitancia del material y del espesor atravesado. Los medios transparentes no modifican la dirección de la radiación transmitida, mientras que los materiales translúcidos son aquellos que desvían la luz de su dirección original, en particular, los materiales difusores son aquellos que transmiten la luz en todas direcciones. Los materiales transparentes en luminarias se pueden utilizar solamente a los efectos de proveer el cierre de la luminaria o como filtro, ya sea neutro, disminuyendo la luminancia de la lámpara pero sin modificar la componente espectral o, como filtro espectral que absorbe selectivamente obteniéndose una luz coloreada o con menor componente UV o IR según sea el rango de longitudes de onda filtrado. También se utilizan materiales difusores, por ejemplo vidrio, para evitar efectos de deslumbramiento mediante la reducción de la luminancia. La refracción: cuando los rayos de luz pasan de un medio transmisor a otros de diferente densidad óptica, como por ejemplo del aire al vidrio, se produce el fenómeno de la refracción, es decir, se modifica la velocidad de propagación y su dirección, excepto cuando la luz entra en dirección perpendicular a la superficie del nuevo medio. La relación de la velocidad de 4

propagación en un medio a la velocidad de la luz en el vacío se llama índice de refracción y depende de la frecuencia de la radiación electromagnética. El cambio en la dirección original de propagación depende del índice de refracción de los dos medios, para la particular longitud de onda involucrada, y del ángulo de incidencia (Figura 3). En la figura 4 se presentan varios casos que se explican por refracción: a) cuando un haz de luz atraviesa un cuerpo de caras paralelas el efecto final es sólo de un desplazamiento paralelo de la dirección de propagación de la radiación, b) en el caso de un prisma, el haz de luz se dispersa, es decir, se observa la descomposición de la luz en su espectro, y en c) y d) se observa la formación de imágenes por una lente. En la construcción de luminarias se utilizan elementos refractores como prismas o lentes, a menudo en combinación con reflectores, para una conducción precisa de la luz.

Figura 3. Fenómeno de refracción de la luz cuando pasa de un medio a otro.

Figura 4. Refracción de la luz en: a) un cuerpo de placas paralelas, b) un prisma c) una lente convergente y d) una lente divergente

5

Reflexión total: cuando la radiación luminosa pasa de un medio de índice de refracción (n2) mayor al otro (n1), existe un ángulo de incidencia límite tal que para ángulos mayores se produce el fenómeno de reflexión total, es decir la componente que pasa al otro medio es nula (Figura 5). Este fenómeno es la base del principio de conducción de la luz en la fibras ópticas (figura 6). Se clasifican en fibras coherentes, utilizadas para transmitir imágenes, e incoherentes, para transmitir luz.

Figura 5. La reflexión total ocurre a partir de un ángulo de refracción de 90º. El ángulo de incidencia límite o crítico depende del medio.

Figura 6. Representación de la transmisión de luz en a) una fibra óptica b) grupo de fibras ópticas Otro fenómeno como el de interferencia, no tan importante en la construcción de luminarias, se utiliza en la construcción de filtros. Cuando la luz incide sobre capas muy delgadas ciertas frecuencias son trasmitidas y otras reflejadas. Mediante una sucesión de capas, de elementos y espesor adecuados, se puede producir una capacidad de reflexión selectiva para determinados rangos de frecuencia. La importancia de los filtros de interferencia es que permiten obtener altos valores de transmitancia y muy buena selectividad, de manera que es posible construir filtros de color de calidad. 6

2. Sistemas ópticos utilizados en luminarias

Los sistemas de control óptico actúan con uno o más de los siguientes elementos de control: reflectores, refractores, difusores, dispositivos de apantallamiento y filtros. 2.1. Elementos Reflectores En la construcción de luminarias se utilizan los reflectores con superficies de reflexión difusa, casi siempre blanco mate, y los que tienen superficies especulares, que originalmente se fabricaban en cristal espejado. En la actualidad se utilizan sobre todo aluminio anodizado y materiales sintéticos, como plástico, que llevan un recubrimiento de cromo o aluminio, respectivamente. Los reflectores de material sintético resultan más económicos, pero la carga térmica es limitada y no son tan robustos como los reflectores de aluminio, que, debido a su resistente capa anodizada, están mecánicamente protegidos, pudiendo soportar altas temperaturas. Las posibilidades de control del haz son muy variadas ya que las superficies de reflector pueden tener distinto tipo de terminaciones, en su forma, en el grado de especularidad e incluso pueden ser facetadas o martilladas. En relación a la forma del reflector el mismo puede ser parabólico, esférico, elíptico o combinaciones de estos. Las superficies pueden ser lisas o mates; el efecto mate permite que se logre una mayor uniformidad. Para obtener diferentes aperturas del haz y bordes más difusos se recurre a las terminaciones facetadas o martilladas. Un reflector facetado consiste en un cierto número de pequeños reflectores contiguos, o facetas, que pueden ser de distinto tamaños, planas o curvadas, y que siguen la forma general del reflector. En la figura 7 se muestran distintos tipos de reflectores.

a) b)

d) c)

Figura 7. Reflector (a) mate, (b) martillado, (c) facetado y (d) especular

La característica de una luminaria se determina esencialmente por la forma del reflector utilizado. Reflectores parabólicos Los reflectores parabólicos son los más utilizados. Ofrecen la posibilidad de dirigir la luz de un modo más variado, obteniéndose radiación concentrada, paralela, abierta o asimétrica. Se emplean mucho en la iluminación de interiores. La propiedad óptica más importante del reflector de sección parabólica es que una fuente de luz puntual situada en el foco de la parábola da lugar a un haz de rayos reflejados paralelo al eje parabólico, como se muestra en la figura 8, mientras que si la fuente se desplaza hacia atrás o hacia delante de dicho foco, el haz converge o diverge respectivamente. El apartamiento de la fuente de luz respecto de la forma puntual ideal, aumenta la divergencia del haz de luz emitido. Los ángulos de emisión y de apantallamiento se pueden escoger libremente de modo que se pueden proyectar luminarias con diferentes exigencias tanto para la distribución de luz como para la limitación de deslumbramiento.

Figura 8. Reflector parabólico: se muestra el haz paralelo de una fuente puntual ubicada en el foco De acuerdo al diseño de este tipo de reflectores, parte de la luz directa, procedente de la

propia fuente, puede causar deslumbramiento. Una solución interesante consiste en utilizar un reflector en la misma lámpara, de manera que la luz directa se refleje hacia el artefacto

(Figura 9).

Figura 9. Reflector parabólico para una lámpara con reflector incorporado

8

Reflectores esféricos Una fuente puntual situada en el foco de un reflector especular esférico orientará sus rayos reflejados en la forma indicada en la figura 10a, en la que se aprecia que solamente los rayos cercanos al eje, los rayos paraxiales, se reflejan casi paralelamente al mismo. Cuando la fuente puntual se ubica en el centro de curvatura los rayos incidentes sobre el reflector se reflejarán a través de la propia fuente en todas direcciones tal como se aprecia en la figura 10b. Si no hubiese pérdidas, la intensidad de la fuente en todas las direcciones sería el doble y se obtendría una ganancia igual a 2.

Figura 10. Reflector esférico con una fuente luminosa en: a) el foco y b) en el centro de curvatura Este tipo de reflectores se utiliza combinado con lentes en sistemas de proyección para aumentar la intensidad de luz focalizada. Los reflectores cilíndricos se emplean, por ejemplo, en lámparas de vitrinas. En las figuras 11a y 11b se ilustran dos ejemplos de luminarias en los que los reflectores parabólicos y esféricos se han combinado para dar lugar a una unidad reflectora integral, que mejora el aprovechamiento de la radiación luminosa. En los dos casos el centro de curvatura del círculo coincide con el foco de la parábola. El reflector esférico intensifica los rayos procedentes de la fuente antes de su incidencia sobre el reflector parabólico. En la figura 11a ) la intensidad en la periferia del reflector será generalmente mayor que en el centro del haz, mientras que en la disposición de la figura 11 b) la intensidad del haz será más o menos constante. Figura 11. Combinaciones de reflectores esféricos y parabólicos: a) la intensidad en la periferia del

reflector es mayor que en el centro, b) la intensidad del haz es constante

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Reflectores elípticos En estos reflectores la radiación luminosa de la lámpara que se encuentra en uno de los focos de la elipse se refleja hacia el segundo punto focal (figura 12a). También puede apreciarse el resultado de ubicar la fuente delante o detrás del foco (figura 12b y 12c). En la práctica, y puesto que la fuente tiene un tamaño finito, los rayos reflejados desde cada punto del reflector divergen ligeramente y no coinciden exactamente en el segundo foco. Figura 12. Esquema de comportamiento de los rayos en un reflector de sección elíptica, con la fuente

ubicada en distintas posiciones respecto del primer foco: a) en el primer foco, b) desplazada hacia fuera, c) desplazada hacia el reflector

Quizás la aplicación más familiar se da en la iluminación arquitectónica, en forma de pequeños puntos circulares de iluminación de luz dirigida hacia abajo y con haces de divergencia apropiada. Se utilizan para producir un haz de luz directamente desde el techo, como si fuera un pequeño agujero, usando una luminaria tipo Downlights, que se verá más adelante. En este caso el segundo punto focal puede estar situado directamente en el plano del techo como fuente de luz imaginaria de libre radiación (Figura 13).

Figura 13. Ejemplo de un sistema de iluminación descendente tipo “pinhole” o agujero de luz, con reflector elíptico

Reflectores difusores A diferencia de los reflectores especulares, los reflectores difusores no proporcionan un control de haz nítido pero son muy valiosos cuando lo que se pretende es dirigir la luz hacia zonas amplias del ambiente. Como difusor se usan metales y pinturas con acabados mates, así como pintura blanca vitrificada sobre metal. Los valores de reflectancia en estos casos pueden llegar al 90%. 10

En estos reflectores la forma del difusor es menos relevante y sirve sobre todo para captar la mayor cantidad de flujo luminoso y redirigirlo hacia el exterior. Cuánto menos profundo sea un reflector mayor será su eficiencia pues con la profundidad aumentan las interreflexiones y disminuye la proporción de luz emitida (Figura 14). Los reflectores difusores son ampliamente utilizados en luminarias de interiores a fin de conseguir niveles de luminancia uniformes.

Figura 14. Reflector difusor donde se muestra un esquema de la marcha de rayos 2.2. Elementos refractores Los elementos refractores utilizados en luminarias permiten un buen control direccional de la luz. Se trata de sistemas ópticos más complejos que utilizan las propiedades refractivas de lentes y prismas, o combinaciones de pequeñas porciones de estos, y elementos que solamente actúan como difusores. Los materiales de transmisión difusa se utilizan en ciertos tipos de luminarias para distribuir la luz emitida por la lámpara, o lámparas, en todas direcciones, reduciendo así la luminancia de la luminaria para todos los ángulos de visión, al aumentar la superficie aparente de emisión luminosa. Se pueden fabricar de vidrio opalino, para las luminarias de lámparas incandescentes, o de vidrio translúcido, policarbonatos, metacrilatos o acrílico, para las de lámparas fluorescente. Estos materiales presentan el máximo grado de difusión de la luz junto a una mínima absorción. Las lentes condensadoras se combinan casi siempre con un reflector curvo constituyendo un sistema que permite un enfoque preciso de la luz. Se utilizan para obtener un haz de luz paralelo ubicando la fuente de luz en el foco de la lente (Figura 15). Si se modifica la distancia de la lente condensadora a la fuente de luz se pueden realizar diferentes ajustes del ángulo de iluminación sobre la imagen con conos luminosos nítidos, cuyas formas se pueden manipular usando monturas con distintas formas que permiten proyectar motivos especiales acordes a los requerimientos escénicos.

Figura 15. Luminaria con lente condensadora y reflector elipsoidal

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En la figura 16 se muestra una lente de Fresnel, su superficie curvada es escalonada en su parte de atrás asegurando una acción óptica similar a la de una lente convergente pero con espesor reducido y mucho más plana, ya que se proyectan concéntricamente en forma anular. En algunos diseños la zona de los escalones se pinta de negro mate para evitar interreflexiones no deseadas. Se usan en proyectores escénicos y en iluminación arquitectónica, pues permiten regular los ángulos a diferentes distancias del objeto.

Figura 16. Lente de Fresnel También la refracción en prismas se utiliza para un mejor redireccionamiento, tanto para lograr iluminación homogénea como para proveer apantallamiento, dependiendo de la elección adecuada del ángulo del prisma y de la disposición de los mismos para favorecer, cuando se requiere, que la luz incidente se refleje totalmente. Los sistemas prismáticos, que se utilizan sobre todo en luminarias para lámparas fluorescentes tubulares previstas para iluminación general (Figura 17), consisten de un panel horizontal liso en su parte superior y con prismas cónicos o piramidales en su parte inferior, que forma el cierre externo de la luminaria. En la fabricación de estos paneles se utiliza tanto el policarbonato como el acrílico.

Figura 17. Típico panel refractor prismático utilizado en luminarias de interior

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2.3. Dispositivos de apantallamiento y filtros Las luminarias pueden ser equipadas también con otros elementos que ayudan a modificar sus cualidades luminotécnicas. Para ocultar la lámpara, o lámparas, de la visión directa, se utiliza la técnica del apantallamiento, que puede estar incluida en el diseño mismo de la luminaria o puede conseguirse mediante dispositivos adicionales. Cuando se quiere utilizar efectos de color o cuando es necesario limitar la radiación UV o IR, por ejemplo en iluminación de exhibición y decorativo, se puede recurrir a filtros de distintos tipos. Apantallamientos y celosías Para evitar el deslumbramiento, muchas luminarias se diseñan de manera de limitar la radiación en las direcciones de visión. Una forma de lograrlo consiste en disponer el reflector, o cierta parte del mismo, de manera que provea el grado de apantallamiento necesario (Figura 18). El grado en que una lámpara permanece oculta de la visón se expresa por el ángulo de apantallamiento (Figura 18a), es el que el que se forma entre la horizontal y la dirección en que la lámpara, o lámparas, justo deja de ser visible. A veces también se indica, como se muestra en la figura 18a, el denominado ángulo de corte (“cut off”), o ángulo de una luminaria medido desde el nadir entre el eje vertical y la línea de visión para la cual la fuente no es visible. Para que el apantallamiento proporcionado por el reflector o carcasa sea efectivo, tales elementos deben ser bastantes profundos. Para obviar este problema, se puede incorporar un deflector adecuado. Por ejemplo en luminarias para lámparas fluorescentes se utiliza un elemento en forma de “V” situado entre las lámparas y paralelo a las mismas, como se muestra en la figura 18b. También se utiliza un deflector horizontal para reducir la cantidad de luz desviada hacia los lados del haz, como se muestra por ejemplo en el proyector de la figura 19.

Figura 18. Reflector que proporciona apantallamiento de la lámpara. a) dado por el contorno de la

lámpara, b) utilizando un elemento en forma de V.

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Figura 19. Deflector interno incorporado a un proyector de haz estrecho para reducir la cantidad de luz deslumbrante. a) diagrama de rayos, b) ejemplo de un proyector

Con el mismo propósito de apantallar, pero para otras aplicaciones, se diseñan distintos tipos de dispositivos –celosías o louvers– que se disponen en forma longitudinal, transversal o formando celdas a la salida de la luminaria. Su finalidad es limitar la emisión de luz en ángulos laterales adecuados, modificando la distribución luminosa de la luminaria. Entre otros pueden reconocerse los siguientes tipos: Persiana, Casetón, Reticulado Parabólico y Doble parabólico. Si sólo contribuyen a apantallar la lámpara sin modificar la distribución luminosa se les llama no focalizantes, caso contrario focalizantes. Las primeras están diseñadas para su empleo en luminarias de interior para iluminación general; se fabrican generalmente con materiales reflectantes difusores tales como plástico opal y, acero o aluminio pintado en blanco, aunque se emplean también materiales especulares. El grado de apantallamiento queda determinado por la relación entre la profundidad y la separación de las láminas que forman la celosía. Un ángulo de apantallamiento normal es de unos 40º a 45º. Se adaptan también a proyectores cuando existe la posibilidad de que estos puedan producir contaminación lumínica o deslumbramiento. El funcionamiento de las celosías focalizantes es más complicado. Se utiliza material reflectante especular y con una sección transversal parabólica o en forma de cuña. Trabaja como un reflector parabólico para dirigir la luz verticalmente hacia abajo, aumentando así el ángulo de apantallamiento (Figura 20). Estos tipos de celosías se emplean exclusivamente en luminarias de interior para iluminación general. Además de apantallar la lámpara de la visión directa ayudan a redirigir la luz hacia la superficie a iluminar, reduciendo el brillo de la luminaria cuando ésta se observa desde fuera del ángulo de apantallamiento, brindando mayor eficiencia.

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Figura 20. Esquema de funcionamiento de una celosía focalizante. Para conseguir una limitación de deslumbramiento mas efectiva se utilizan rejillas de panal. En caso de elevadas cargas mecánicas, sobre todo en espacios destinados a los deportes y en zonas con peligro de vandalismo, se puede instalar una rejilla adicional de protección. Filtros Hay dos tipos de filtros: los de absorción y los de interferencia. La mayor parte de los filtros de absorción están hechos de plástico o vidrio coloreados con tinte transparente y, en general, debido a la absorción de la radiación de longitudes de onda no deseadas, la cantidad de luz transmitida se reduce fuertemente. Los valores típicos de transmitancia para los filtros utilizados en conjunción con lámparas incandescentes son: 5% para el azul, 15% para el verde, 20% para el rojo y 40% para el ámbar. Dado que en los filtros de absorción parte de la radiación absorbida se transforma en calor, provocando un calentamiento del material, puede recurrirse a otro tipo de filtros denominados de interferencia. Los mismos consisten de dos láminas de vidrio trabajadas ópticamente con superficies adyacentes semiplateadas espaciadas a tal distancia que solamente una estrecha banda de longitudes de onda puede pasar, siendo el resto parcialmente reflejado, lo que permite un control ajustado del rango de longitudes de onda de la radiación transmitida y evita el problema de calentamiento. También se utiliza este tipo de filtros para transmitir las radiaciones IR y reflejar las visibles o a la inversa, en cuyo caso se conocen como filtro de calor. Ambos tipos de filtros de interferencia se denominan dicroicos –dos colores– dado que el haz se descompone en luz trasmitida y reflejada de diferentes longitudes de onda.

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3. La luminaria desde el punto de vista mecánico y eléctrico

3.1. Partes de una luminaria La diversidad de aplicaciones y diseños de luminarias dan como resultado una amplia variedad de las mismas, a pesar de lo cual es posible distinguir las siguientes partes o componentes: Cuerpo, Compartimiento porta-equipo, Cubierta y Controles ópticos. En la figura 21 se muestra un esquema de una luminaria.

Figura 21. Esquema de una luminaria El cuerpo es la parte que contiene el portalámparas y los equipos auxiliares. Se integra de una manera más o menos fija a las paredes, cielo raso, columnas u otros medios de fijación del local, como bastidores, o ménsulas. El compartimiento porta-equipo es el espacio requerido para los equipos auxiliares integrados a las lámparas usadas, que no solamente debe ser suficiente para el alojamiento de los mismos sino también para los dispositivos de fijación. Para facilitar el mantenimiento e inspección periódica es preferible que este dispositivo sea removible, empleándose frecuentemente bandejas metálicas con perforaciones para los equipos, llamadas por ello bandejas porta-equipos. En la figura 21 se indica el dispositivo de anclaje en la parte superior del cuerpo. La cubierta tiene por finalidad proteger las partes internas del ingreso de polvo, en el caso en que la luminaria esté diseñada para instalarse en lugares más o menos expuestos. Cuando no cumple ninguna función óptica debe ser lo más transparente posible para optimizar el rendimiento del artefacto. Como ya se dijo, los controles ópticos pueden incluir un dispositivo reflector, un elemento refractor o difusor y sistemas de apantallamiento o filtros. El reflector por lo general se interpone entre el cuerpo y la(s) lámpara(s), mientras los elementos refractores y los dispositivos de apantallamiento y filtros se ubican en la boca de la luminaria. Las restantes partes deben disponer de dispositivos de fijación mecánica y de conexión eléctricos removibles sin necesidad de herramientas para facilitar la extracción periódica para el mantenimiento o la inspección. La facilidad de desmontaje no debe implicar en modo alguno peligro de desprendimiento o desconexión.

3.2. Materiales Los materiales de una luminaria se distinguen por la función que cumplen: mecánica, eléctrica u óptica. Los materiales comúnmente usados en artefactos de iluminación son aquellos con la terminación más estable y de buenas propiedades ópticas. Mencionaremos entre ellos:

• Hierro en forma de chapas lisas o perforadas, plegadas y soldadas • Aluminio en forma de perfiles o chapas plegadas o láminas • Plásticos moldeados, extruidos o soplados • Vidrios planos o en forma de lentes • Fibras ópticas, para canalizaciones de haces de luz

Tratamiento de superficies El tratamiento de las superficies influye sobre sus propiedades ópticas. Las terminaciones más utilizadas para este fin en las luminarias son: Para el aluminio:

• Pulido: acabado que se logra mecánicamente a fin de aumentar la reflexión especular • Anodizado: acabado químico consistente en crear una capa superficial de óxido de

aluminio, cuya propiedad es incrementar la reflexión especular • Abrillantado: acabado químico de oxidación superficial con la incorporación de

compuestos brillantes, que incrementa predominantemente la reflexión especular • Gofrado: acabado mecánico que confiere múltiples relieves convexos a la superficie,

incrementando la reflexión predominantemente difusa. Para plásticos y metales:

• Plateado • Dorado • Niquelado • Cromado

Pintado:

• Orgánico: adecuado para interiores • Cerámico (a 500 ºC): de gran resistencia a los agentes atmosféricos

Dispositivos de conexión eléctrica Para los dispositivos de conexión eléctrica y sus accesorios se utilizan materiales especiales determinados por la función de proveer energía desde el punto de alimentación hasta los componentes del circuito, lámparas, equipos auxiliares y tierra eléctrica (ver Figura 21). Los elementos de conexión son por lo general cables o barras de cobre de secciones adecuadas a la potencia de la(s) lámpara(s) o equipos conectados, asegurando la aislación acorde al régimen de tensión y temperatura de trabajo dentro de la luminaria. Los elementos de conexión y aislamiento son empalmes de manguito, fichas conectoras, borneras, 17

portalámparas y terminales, cuyo objetivo es facilitar la conexión y desconexión, preferentemente sin necesidad de herramientas. En lo que se refiere a la tensión, las normas de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) establecen una Tensión de Prueba igual a (2.Un + 1.000) V, siendo Un la tensión nominal, de modo que, para una tensión nominal de 220V, la tensión de prueba es de 1.440 Voltios. Los accesorios del sistema eléctrico de una luminaria tienen por finalidad facilitar la identificación, fijación y el pasaje de los conductores por la luminaria. Ellos son: prensacables, pasacables de goma y manguitos identificadores. No cumplen ninguna función eléctrica aunque tienen que ser aislantes y soportar altas temperaturas. Las diferentes aislaciones que se emplean en las luminarias se distinguen por el grado en que están expuestas al calor, como ser los chicotes de acometida al portalámparas. Los rangos de temperatura son menores a 275 ºC, y dependen del tipo y potencia de la lámpara que contenga la luminaria, así como de sus propiedades para disipar el calor. La Tabla 1 muestra las temperaturas de prueba de las distintas partes de una luminaria sometidas al calor. La Tabla 2 indica las temperaturas que pueden ser soportadas por distintos tipos de aislaciones. Las mismas nunca deben ser inferiores a las temperaturas desarrolladas por las luminarias, caso contrario podría deteriorarse la aislación y provocar daños de distinta naturaleza.

Tabla 1. Exigencias de temperatura para las partes de una luminaria Parte de la luminaria Temperatura de prueba, ºC Casquillo de lámparas 275 Portalámparas 225 Arrollamientos 90 Partes metálicas 60 Partes no-metálicas 75 Materiales combustibles 90 Partes sometidas al haz central 90

Tabla 2. Exigencias de temperatura para los aislantes

Tipo de aislante Temperatura de trabajo admisible, ºC

Fibra de vidrio barnizada 200 Politetrafluoroetileno (PTFE) 250 Caucho silicona 200 Cloruro polivinílico (PVC) 90

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4. Las luminarias según distintos criterios de selección La selección de la luminaria adecuada para cada tipo de instalación es un paso importante dentro del proyecto de un sistema de iluminación y debe realizarse en forma conjunta con la elección de la lámpara. Existen los más diversos tipos de luminarias y diferentes criterios de clasificación que un proyectista debe tener en consideración para elegir una luminaria, como por ejemplo:

• Clasificación según la distribución luminosa • Clasificación según su aplicación • Clasificación según el grado de protección • Clasificación de acuerdo al grado de seguridad eléctrica

4.1. Clasificación de las luminarias según su distribución luminosa Desde el punto de vista fotométrico una luminaria se puede caracterizar por su distribución de luz - cuerpo fotométrico - es decir, por la forma en que se distribuye el flujo luminoso radiado en las diferentes direcciones del espacio. Existen varias formas de representar gráficamente la distribución de la luz por una luminaria. A modo de ejemplo citamos el diagrama polar y el de coordenadas rectangulares (Figura 22)

Figura 22. Representación gráfica de una distribución de luz asimétrica, por medio de: a) coordenadas rectangulares, b) coordenadas polares.

Las distribuciones de luz pueden ser simétricas o asimétricas, directas e indirectas y según el ángulo de corte. Distribuciones simétricas y asimétricas Los cuerpos fotométricos pueden reconocerse según las distintas simetrías de sus curvas de distribución luminosa: Simetría de revolución o rotacional es aquella por la cual la curva de distribución puede ser obtenida por la rotación de un semiplano alrededor de un eje de revolución y por lo tanto el cuerpo fotométrico puede ser representado por un solo plano. Una luminaria como la que se muestra en la figura 23 tiene una distribución de luz simétrica respecto al eje que atraviesa el

punto de luz. Además, dado que la luminaria es semiesférica, se evidencia que la distribución trazada sobre un plano que pase por el centro de la luminaria será idéntica a la trazada sobre cualquier plano que cumpla la misma condición.

Figura 23. a) Luminaria con una distribución de luz simétrica de revolución b) Curva de distribución de la luz de esa luminaria

Se habla de bi-simetría o simetría plana cuando la simetría se presenta en dos planos ortogonales. Por ejemplo una luminaria para lámpara fluorescente, como la que aparece en la figura 24, tiene una distribución luminosa simétrica, pero en este caso, la simetría queda limitada tan solo a dos planos verticales, uno de ellos perpendicular al eje de la lámpara y el otro paralelo al mismo.

b)

a)

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c)

Figura 24. a) Luminaria con simetría según dos planos para una lámpara fluorescente compacta, b)

Curvas de distribución de la luz de esa luminaria según los dos ejes normales, c) Ejemplo de utilización de esta luminaria en una sala de conferencia

Simetría longitudinal es aquella que se presenta en un solo plano, ya sea en el plano perpendicular al eje de la lámpara o en el eje paralelo al mismo. Una luminaria con reflector asimétrico, para iluminar superficies verticales –bañadores de pared- presenta este tipo de distribución (Figura 25).

Figura 25. Luminaria asimétrica en un plano para fluorescente lineal, ejemplo de uso y curvas de distribución de la luz de esa luminaria según los dos ejes normales

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4.1. Clasificación de distribución luminosa según la CIE (1986) Distribuciones directa e indirecta. Esta clasificación esta basada en el porcentaje del flujo luminoso total emitido por encima o por debajo del plano horizontal que atraviesa la lámpara. La Comisión Internacional de Alumbrado (CIE, 1986) reconoce seis tipos de distribuciones de intensidad luminosa, en artefactos de iluminación interior, desde iluminación totalmente directa a totalmente indirecta (Figura 26): a) Iluminación directa: cuando el porcentaje de luz emitida hacia abajo es del 90 al 100%. La

distribución puede variar desde aquellas de haz abierto hasta la de haz estrecho, dependiendo del material reflector, terminación, contorno, apantallamiento y controles ópticos empleados.

b) Iluminación semi-directa: cuando entre el 60 al 90 % del flujo luminoso es emitido hacia abajo y el resto hacia el techo o paredes superiores.

c) Iluminación general difusa: cuando el porcentaje del flujo luminoso, entre el 40 al 60 %, es emitido en igual cantidad hacia arriba y hacia abajo.

d) Iluminación semi-indirecta: cuando el sistema emite entre el 60 al 90% de su flujo luminoso hacia arriba.

e) Iluminación indirecta: es el caso cuando entre el 90 al 100 % del flujo luminoso es emitido hacia arriba sobre el techo o paredes superiores.

Figura 26. Clasificación de luminarias de acuerdo a la CIE. a) directa, b) semi-directa, c) general difusa, d) semi-indirecta e) indirecta.

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Las distribuciones directas corresponden a luminarias de gran eficiencia, pero tienen la gran desventaja de que pueden provocar deslumbramiento. Se distinguen aquellas de haz estrecho y de haz ancho, característica que depende de la óptica, terminación, forma de apantallado, etc. Las luminarias de haz estrecho proveen de poca iluminancia vertical. Es casi la iluminación obligatoria en locales de baja altura. La distribución semi-directa es predominantemente hacia abajo, pero permite también que, parte del haz luminoso sea dirigido hacia el techo. Son luminarias suspendidas. Si se suspenden a poca distancia del techo pueden producir manchas luminosas. La luminaria con distribución difusa general tiene bajo rendimiento, menor que la luminaria de iluminación directa o semi-directa, aunque es apropiada para locales con reflectancias altas. En los casos en que pueda provocar deslumbramiento es necesario ubicarlas a mayor altura o bien elegir luminarias de menor potencia, si esto fuera posible. La distribución semi-indirecta es similar al indirecto pero en este caso parte del haz se dirige también hacia el hemisferio inferior, en una proporción tal que la luminancia de la propia luminaria y la del cielo raso son equivalentes. Por tanto la luminaria debe ubicarse a una altura correcta. En este sistema debe controlarse el deslumbramiento. Las distribuciones indirectas se logran con luminarias que aprovechan el cielo raso como amplio difusor, por tanto el local tiene que ser lo mas claro posible para un mejor aprovechamiento. Todo el haz se dirige hacia arriba por lo que se debe tener cuidado que las luminarias no provoquen manchas de luz en el cielo raso, regulando convenientemente la altura de montaje. Favorece la uniformidad de la iluminación aún con pocos puntos de luz, lo que es apropiado para locales en donde se quiere limitar los reflejos, tales como los destinados a salas de computadoras y para gente de edad que tiene mayor sensibilidad al deslumbramiento. Es de menor eficacia que los sistemas anteriores.

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Torchières Halógenas Ciertos sistemas ubican la luminaria en un pedestal apoyado en el piso, que provee iluminación indirecta. A principios de los 1980, diseñadores italianos crearon atractivos modelos, combinando este tipo de artefacto con lámparas halógenas lineales utilizadas en la iluminación de exteriores. Este concepto resultó popular entre las personas que buscaban una luz cálida difusa, una atenuación completa en un artefacto fácil de mover. Estos artefactos se llaman torchières (del francés, porta-antorcha) o uplighters (iluminando hacia arriba) halógenas. Inicialmente costosos (en los EEUU se vendían por cientos de dólares), modelos económicos empezaron a fabricarse en Asia a precios que habían bajado a US$ 12 en los EEUU para el año 1996. A pesar de su popularidad, cabe observar que las torchìeres representan una alternativa de alto consumo energético, por el uso de lámparas incandescentes de alta potencia (de 300 W hasta 600 W) y por ser un artefacto de iluminación indirecta. A plena potencia la eficacia de la lámpara puede ser de 10 a 15 lm/W, pero atenuada sólo rinde 2 a 3 lm/W apenas más que la lámpara de Edison de 1879. Considerando que la luz se dirgie hacia arriba de donde está reflejada a las superficies horizontales y verticales del ambiente, sólo una pequeña parte del flujo luminoso es útil, por lo cual la combinación lámpara / luminaria tiene muy bajo rendimiento. Si bien una lámpara “uplighter” de 300 o 500 W puede generar suficiente luz para la lectura, la misma se puede lograr con una lámpara halógena de 20 a 50 W en una luminaria para la lectura o “downlight” (iluminando hacía abajo). Debido a que la mayor parte de la potencia eléctrica produce calor y no luz, las lámparas son muy calientes con temperaturas muy por encima de aquella necesaria para la combustión de papel, tela y madera. Ver Fig. HT1. Figura HT1. El calor generado en una torchière halógena es suficiente para cocinar un huevo. Debido a que la torchière está abierta arriba, no es difícil que alguno de estos materiales inflamables tomen contacto con la superficie de la lámpara. En los Estados Unidos se han documentado docenas de incendios provocados por este proceso. En algunos casos, los artefactos fueron colocados cerca de cortinas, camas, plantas artificiales; en otros, las lámparas halógenas explotaron, esparciendo fragmentos calientes de cuarzo sobre materiales inflamables a su derredor.

Se han estimado que por la popularidad de estos artefactos en los EEUU, el consumo de los mismos en 1996 superaban el ahorro logrado por todas las lámparas fluorescentes compactas instaladas. [Siminovitch y Page, 1996] No obstante estos problemas, es posible gozar de las ventajas de una luz cálida difusa, con artefactos torchières utilizando lámparas fluorescentes. Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han desarrollado artefactos torchières que utilizan lámparas fluorescentes compactas con atenuación luminosa (“dimming”) al igual que las halógenas. Dicha atenuación se logra mediante balastos que permiten atenuación continua o con tres efectos de iluminación. Existen varios proveedores en el mercado norteamericano. La potencia máxima de una configuración típica es de 55 W que genera la misma cantidad de luz que una halógena de 300 W. Mediciones reportadas por Calwell y Mills (1996) indican que la eficacia de los sistemas con fluorescentes compactas es cinco veces el valor con las halógenas a potencia máxima. Sin embargo, con atenuación esta relación aumenta a 30. Esto se debe a que la eficacia de la halógena disminuye notablemente con la atenuación (tal como se ha comentado antes), mientras que la de la fluorescente compacta se mantiene casi constante. La imagen infrarroja Fig. HT2 compara las temperaturas de instalaciones de torchières con halógena y con lámpara fluorescente compacta. Figura HT2. Imagen termográfica de artefactos torchières equipadas con lámpara fluorescente compacta (izquierda) y con lámpara halógena (derecha). La temperatura de la lámpara fluorescente suele ser menor que la del exterior de la base de un artefacto con lámpara halógena. Argentina lleva un retraso respecto a la situación norteamericana. En 1996, las torchières eran desconocidas aquí. Sin embargo, al momento de ir a la prensa (mediados del 2002), éstas están ganando popularidad en el mercado nacional. Las alternativas eficientes portando fluorescentes compactas no están disponibles todavía. Calwell, C. y E. Mills, 1996, “Halogen uplights and hot ceilings”, IAEEL Newsletter 4/96. International Association for Energy-Efficient Lighting. Siminovitch, M. y E. Page, 1996, “Energy-Efficient Torchières for Residential Applications”, CBS Newsletter, Fall 1996, p. 6. Center for Building Science, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA.

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La distribución directa-indirecta (Figura 26 f) no está incluida en la clasificación de la CIE Es una variante de la distribución difusa general, vista anteriormente, y a diferencia de ésta la luminaria emite muy poca luz para ángulos cercanos a la horizontal. Clasificación de acuerdo al ángulo de corte (cutoff) El ángulo de corte (cutoff) define la distribución luminosa de la luminaria. De acuerdo al ángulo de corte las luminarias pueden clasificarse como se indica en la Tabla 3.

Tabla 3. Clasificación de luminarias de acuerdo al ángulo de corte (IES, 2000) Nombre Distribución de intensidad Totalmente apantallado (Full cutoff)

Luminaria para la cual la intensidad nula se alcanza para un ángulo de 90º sobre el nadir y para todos los ángulos mayores. Además que la distribución luminosa en cd/1000 lm no exceda numéricamente en 100 (10%) para un ángulo de 80º a partir del nadir. Esto se aplica para todos los ángulos laterales alrededor de la luminaria.

Apantallado (Cutoff) Cuando la distribución luminosa en cd/1000 lm no excede numéricamente en 25 (2.5%) para un ángulo de 90º sobre el nadir y en 100 (10%) para un ángulo de 80º sobre el nadir. Esto se aplica para todos los ángulos laterales alrededor de la luminaria.

Semi apantallado (Semi-cutoff)

Cuando la distribución luminosa en cd/1000 lm no excede numéricamente en 50 (5%) para un ángulo de 90º sobre el nadir y en 200 (20%) para un ángulo de 80º sobre el nadir. Esto se aplica para todos los ángulos laterales alrededor de la luminaria

No apantallado (Non-cutoff) Sin limitación de la distribución luminosa 4.2. Clasificación de las luminarias según su aplicación Una forma común de clasificar a las luminarias para interiores es por su aplicación, lo que a su vez depende de la fuente usada, del montaje y su construcción. De este modo una clasificación simple sería:

• Luminarias para iluminación industrial • Luminarias para iluminación comercial y/o oficinas • Luminarias para iluminación residencial

Luminarias para iluminación industrial En áreas industriales en general se usan luminarias con lámparas fluorescentes lineales o de alta intensidad dependiendo de las características del área a iluminar. Aquellas que contienen lámparas fluorescentes a menudo poseen reflectores no así elementos refractores (Figura 27). En ambientes con alto contenido de polvo o ambientes húmedos poseen cubiertas herméticas. También pueden instalarse luminarias con fluorescentes lineales sin ningún tipo de reflector en aquellos lugares donde se necesitan altos niveles de iluminación general difusa y donde las exigencias sobre protección de humedad o polvo no sean necesarias. 26

Figura 27.- Luminaria con cerramiento hermético para fluorescente lineal con su curva de distribución luminosa y ejemplo de uso.

27

Figura 28.- Luminarias para lámparas de alta intensidad (halogenuro metálico) con su curva de distribución luminosa y ejemplo de uso.

Luminarias con lámparas de alta intensidad, como la que se muestra en la figura 28, se pueden instalar en espacios donde la relación espacio/altura de montaje es menor o igual a 1. En general son luminarias suspendidas o aplicadas sobre el techo, cerradas o abiertas. Las mismas poseen elementos reflectores y refractores con diferentes tipos de distribuciones de intensidad luminosa. Cuando la relación espacio/altura de montaje es mayor de 1 las luminarias deben proveer distribuciones de intensidad luminosa abiertas para lograr altos valores tanto de iluminancia horizontal como vertical.

28

Luminarias para iluminación comercial, de oficinas y residencial Las luminarias adecuadas para iluminación comercial, de oficinas y residencial se consideran en forma conjunta ya que poseen características similares. Pueden ser clasificadas en: Luminarias para iluminación localizada: pueden ser móviles como es el caso de un escritorio o fija cuando se instalan en muebles de cocinas o baños. Contienen en general lámparas fluorescentes compactas, incandescentes de bajo voltaje o incandescentes halógenas. Luminarias tipo downlight, uplight o up-downlight: se trata de luminarias que dirigen la luz principalmente hacia abajo, hacia arriba o en forma mixta. Generalmente se indican por su nombre en inglés. Las de tipo downlight se instalan en el techo, empotradas o suspendidas, pero cuando se usan en la iluminación de pasillos o de exteriores generalmente se aplican en la pared. Las de doble foco, debido a la forma de su reflector, ya mencionado en la sección de reflectores elípticos, posibilitan un alto rendimiento luminoso con una pequeña abertura de techo. Los bañadores de pared tipo downlight disponen de una distribución luminosa asimétrica ya que, no sólo dirigen la luz verticalmente hacia abajo, sino también directamente sobre superficies verticales. Los proyectores orientables tipo downlight sirven para la iluminación acentuada de diferentes áreas y objetos, mediante la orientación del cono luminoso que permite adaptarlos a diferentes tareas de iluminación. Las de tipo uplight se pueden aplicar para iluminar el techo, para iluminación indirecta de un dado espacio mediante luz reflejada en el techo o para iluminar paredes por reflexión. Se pueden instalar en el suelo o en la pared. Las de tipo updownlights son la combinación de uplight y downlight, por lo que pueden proporcionar iluminación simultánea del suelo y del techo o una iluminación de pared por reflexión de luz. Se pueden instalar en la pared o suspendidos.

29

Este tipo de luminarias pueden alojar distintos tipos de lámparas, aunque las más habituales son lámparas incandescentes, halógenas incandescentes, halogenuros metálicos y fluorescentes compactas. Poseen en general aperturas moderadas con bajos valores de luminancia para ángulos de visión grandes, es decir un control adecuado de deslumbramiento. En la figura 29 se muestran este tipo de luminarias.

a)

b)

Figura 29. Luminaria: a) embutida tipo downlight, con lámpara fluorescente compacta

b) proyector tipo uplight embutida de piso para sodio blanco

30

Luminarias de retícula: construidas para fuentes tales como lámparas fluorescentes o fluorescentes compactas. Este nombre se debe a los distintos tipos de rejillas que utilizan como recubrimiento, las cuales controlan el deslumbramiento para ángulos determinados. Se utilizan sobre todo para la iluminación de grandes superficies. Las luminarias de retícula tienen normalmente una forma rectangular alargada, aunque, para lámparas fluorescentes compactas también hay formas cuadradas y circulares. Hay modelos de tipos embutidas, de superficie y suspendidas. En su forma básica disponen de una distribución luminosa simétrica axial, con ángulos de apantallamiento entre 30° y 40° y diferentes curvas de distribución de luz a fin de adaptarse a las diferentes exigencias. Mediante reflectores de rejilla que utilizan tanto material especular como mate, se consigue un grado de rendimiento mayor de la luminaria. Los reflectores mate proporcionan una luminancia de techo uniforme y adaptada a la luminosidad del reflector, en tanto que los especulares si bien pueden parecer oscuros dentro del ángulo de apantallamiento pueden causar reflejos molestos. Otra posibilidad para el control de la iluminación en estas luminarias son las rejillas prismáticas. Las luminarias de retícula asimétricas proyectan la luz principalmente en una dirección y se pueden utilizar para la iluminación uniforme de paredes. Las luminarias de retícula con distribución luminosa tipo alas de murciélago se emplean para la iluminación de puestos de trabajo con pantallas de video presentando en los dos ejes principales un ángulo de apantallamiento de por lo menos 30°, sin sobrepasar un valor de luminancia media de 200 cd/m2 por encima del ángulo de apantallamiento. Por este motivo están principalmente equipadas con reflectores de alto brillo (Figura 30).

31

Figura 30. Luminaria para oficinas con terminales de video, con reflector doble parabólico para lámparas fluorescentes lineales con su distribución luminosa tipo ala de murciélago.

Las luminarias de retícula directa - indirecta se suspenden del techo o se sujetan a la pared. Producen una parte de iluminación directa sobre las superficies horizontales debajo de la luminaria al mismo tiempo que proporcionan luminosidad al techo, produciendo una iluminación general difusa. La figura 31 muestra varios ejemplos de estos tipos de luminarias.

Figura 31. Luminarias de retícula de diferentes formas

32

Bañadores: son luminarias que producen una distribución de iluminancia/luminancia sobre una superficie y que no es uniforme, sino que varía en forma gradual. Los bañadores de pared de instalación fija existen en versiones empotrables y de superficie. Muchos de ellos se diseñan de tal modo que la relación de iluminancia entre la parte superior e inferior de la pared no sobrepasa un valor de 10. Pueden utilizarse con lámparas fluorescentes lineales, compactas, incandescentes halógenas y halogenuros metálicos. Aquellas que contienen fluorescentes lineales poseen reflectores que permiten ubicarlas muy cerca de la pared, mientras que aquellas que contienen fluorescentes compactas, incandescentes, incandescentes halógenas o halogenuros metálicos son luminarias más pequeñas en tamaño cuando se embuten en el techo y se parecen a las de tipo downlight. Los bañadores de techo sirven para iluminar techos así como para la iluminación general indirecta. Se ubican en la pared por encima del nivel de visión o suspendidos. Se equipan principalmente con lámparas halógenas incandescentes para tensión de red y lámparas de descarga de alta presión. Los bañadores de suelo se utilizan principalmente para la iluminación de pasillos y otros pasos de circulación. Se ubican relativamente a baja altura, empotrados en la pared o en superficies ligeramente por encima del suelo.

33

En la figura 32 se muestran distintos tipos de bañadores.

a) b)

Figura 32. Bañadores a) de pared para fluorescente compacta, b) de techo para lámpara incandescente halógena.

34

Todas las luminarias descriptas anteriormente pueden estar montadas de diferentes formas como elementos de iluminación arquitectónica. En este sentido el montaje se puede realizar de diversas formas de acuerdo a las necesidades o limitaciones de espacio, pueden estar aplicadas al cielo raso, a la pared, embutidas o suspendidas. Las Figuras 33 a 36 muestran diferentes tipos de montaje para una misma luminaria ya sea del tipo downlight, uplight, bañador de pared o retícula. Figura 33. Formas de montaje de downlights; empotrado, semiempotrado, de superficie, suspendido y

de pared.

Figura 34. Formas de montaje de uplights y updownlight; de pared, sobre el suelo y empotrado en el suelo.

Figura 35. Formas de montaje de luminarias de retícula: empotrado en techo, en la superficie del

techo, en rieles electrificados, en pared, con soporte y suspendido.

35

Figura 36. Formas de montaje de bañadores de (a) techo en pared, con soporte de una y dos luminarias y suspendido y (b) bañadores de pared montados en pared fija, móvil y con brazos.

Cuando una luminaria es aplicada al cielorraso, no queda espacio entre ambos entre el techo y la luminaria. Es apta para iluminación directa y para locales de baja altura. Cuanto más bajo es el cielo raso, mayor control del deslumbramiento se debe realizar, lo cual se logra disminuyendo la luminancia en aquellos ángulos expuestos a la visión (45° a 90°), aunque esta disminución podría resultar conflictiva con la regularidad lograda. La luminaria que se aplica a la pared –apliqué–, es apropiada cuando se quiere iluminar una zona limitada, ya sea porque se carece de otro medio de fijación o por razones decorativas. Las luminarias embutidas se aplican de tal modo que la boca de las mismas es lo único que emerge en el plano del cielo raso, quedando el cuerpo y los laterales embutidos, conformando cielo raso y luminaria un solo plano. La luminaria embutida se destina casi exclusivamente a cielo rasos que tienen el espacio adecuado a las dimensiones de la luminaria, por lo que en general se usan en cielo rasos suspendidos. Es apta para locales de baja altura, pudiendo emplearse luminarias orientables para iluminación de acento. Un factor a considerar en estas luminarias embutidas es el del confinamiento y sus consecuencias: caída de la eficacia luminosa, vida de lámpara y disminución de las propiedades de disipación térmica. Sus componentes, lámparas, portalámparas y cables, deben ser los suficientemente robustos para soportar mayores temperaturas y nunca deben usarse lámparas de potencia mayor a las especificadas por el fabricante. Las luminarias suspendidas son adecuadas para crear un plano de iluminación más próximo al plano de trabajo, cuando el cielo raso está muy alto o bien tiene forma irregular. Todo lo expresado para luminarias aplicadas es válido para luminarias suspendidas. Los elementos de suspensión pueden ser alambres, barrales o cadenas, amurados en techos o paredes. A menos que por alguna otra razón se pretenda crear un plano virtual, los elementos de suspensión deben ser de pequeña sección para que no sean demasiado intrusivos en el espacio y para permitir su correcta alineación.

36

Luminarias de integración arquitectónica: en algunos casos se utilizan elementos de la arquitectura como componente luminotécnico efectivo, como por ejemplo techos luminosos, iluminación de molduras o contornos que reciben luz indirecta. En estos casos se pueden usar luminarias convencionales con lámparas fluorescentes. Por regla general, las propuestas de iluminación integradas en la arquitectura son poco eficientes y difíciles de controlar desde el punto de vista luminotécnico, no están diseñadas para brindar la iluminación general sino para destacar ciertos elementos de esa arquitectura. Sistemas de iluminación con fibras ópticas: permiten el transporte de la luz en cualquier dirección, incluyendo trayectos curvos, de modo que es posible separar el origen de la radiación luminosa de la salida de luz, utilizando fibras ópticas para iluminación. Se aprovechan sobre todo en lugares en los que no se pueden utilizar lámparas convencionales por su tamaño, por problemas de seguridad o por ocasionar unos costos de mantenimiento imposibles de asumir. Por ejemplo, se pueden iluminar vitrinas de cristal enteras desde su zócalo: al tener en el exterior la fuente de luz, la carga térmica y el riesgo de lo expuesto se reducen. Estructuras luminosas modulares: se refiere a los sistemas que incluyen tanto las luminarias como los rieles diseñados para el montaje y la provisión de energía eléctrica de las mismas. A diferencia de las luminarias anteriores, de instalación fija, las luminarias para estos rieles se pueden desplazar permitiendo orientar la dirección de la luz. Los sistemas modulares originalmente fueron desarrollados para artefactos de lámparas fluorescentes lineales (Figura 37) aunque, con el auge de este tipo de instalación, han ido apareciendo en el mercado, en forma creciente, modelos para otros tipos de lámparas, como dicroicas o fluorescentes compactas, entre otras. Se aprovecha la estructura longitudinal de los artefactos fluorescentes para la canalización eléctrica. Pueden disponerse en forma aplicada o suspendida. Los artefactos se diseñan permitiendo el acoplamiento por los extremos formando estructuras lineales de luz. Los sistemas comercialmente ofrecidos cuentan con diversos accesorios para el acoplamiento en T, L, X (rígidos) o bien bajo cualquier ángulo (flexibles), permitiendo el pasaje de cables de alimentación de las luminarias, o para otras aplicaciones, tales como sistemas acústicos, telefonía, señalización etc. Son especialmente indicados para iluminación localizada de refuerzo, facilitando la ubicación de la luz sobre los puestos de trabajo aun si no se dispone de una buena distribución de las bocas de alimentación eléctrica.

a) b)

37

c) Figura 37. a) Esquema de un sistema modular con uniones en T y en cruz, b) aplicación de un sistema

modular suspendido para luminarias con fluorescentes tubulares c) para sistemas de proyectores. De este modo se tiene la posibilidad de adaptar estructuras luminosas a la arquitectura o incluso de crear estructuras arquitectónicas propias, que proporcionan un aspecto integrado y uniforme de la instalación de iluminación. Los rieles electrificados consisten en perfiles preferentemente de aluminio, linealmente extruidos. Para la provisión de la energía se alojan en sus pliegues planchuelas de cobre aisladas, excepto en una franja en donde las terminales de los artefactos hacen contacto (Figura 38). Estos sistemas de iluminación otorgan flexibilidad a la instalación, permitiendo el desplazamiento de las luminarias.

Figura 38. Luminarias para riel y accesorios: a) proyector para lámpara halógena para tensión de red, b) proyector para lámpara halógena de baja tensión con transformador incorporado, c)

proyector para fluorescente compacta con louver tipo persiana, d) proyector para lámpara halógena de baja tensión con accesorios, e) accesorio para alimentación, f) unión en L.

Además de los rieles debe contarse toda la serie de accesorios de montaje, conexiones eléctricas y vinculación mecánica: empalmes en L, X o T, flexibles para adaptarse a cualquier patrón (Figura 39). Existen rieles de 1, 2 y 3 vías para mayor capacidad de carga y control de efectos. La carga estándar es de 10A para 220V. Si se usan lámparas de bajo voltaje se necesitan transformadores que pueden ubicarse de manera integrada con cada luminaria o, centralizado para toda la instalación. El sistema integrado, es decir cada luminaria con su transformador individual, es más caro pero permite aprovechar mejor la capacidad de carga del riel, ya que trabajando a tensión de red, involucra menores corriente por luminaria.

38

B)

C)

E)D)

F)

G)

A)

Figura 39. Algunos accesorios para rieles: a) unión de alimentación en cruz, flexible y en T b) transformador electrónico y toroidal , c) multiadaptador, d) cable de suspensión con unión mecánica,

e) unión mecánica, f) tapa final, g) perfil de riel trifásico para aplicación en el techo. Proyectores: el propósito de los mismos es resaltar la iluminación directa sobre determinadas áreas o volúmenes. Son apropiados para aquellos casos en que: (a) se requiere mayor nivel en áreas localizadas, (b) si por diversas razones no puede disponerse una iluminación general, (c) cuando se busca efectos atractivos o especiales, como modelado, exposición, exhibición, acento o contrastes de sombra. Las luminarias para proyectores deben contar con dispositivos que faciliten la orientación espacial del haz. El cuerpo fotométrico de los artefactos usados como proyectores es estrecho en relación al haz principal. Generalmente son sólidos de revolución, por lo que puede ser caracterizado por un solo plano. Por su grado de apertura, los proyectores se clasifican en: Haz ancho, aperturas mayores de 30º Haz medio, aperturas de 30º a 15 º Haz estrecho, aperturas entre 7º y 15º Haz muy estrecho, aperturas menores que 7º El control del tipo de haz en un proyector se logra con la adecuada elección del sistema óptico. Cuanto más estrecho es el haz mayor control óptico es necesario. En general se equipan con reflectores o lámparas reflectoras y en algunos tipos se utilizan también lentes condensadoras o lentes Fresnel para lograr distintos ángulos de emisión. En la figura 40 a) se muestra esquemáticamente un proyector de haz muy estrecho en el que la concentración del haz se logra mediante la combinación del reflector y un sistema de lentes denominado “contorneador”. En la figura 40 b) se muestra un proyector de este tipo.

39

Aletas

Lentes

Lámpara

Reflector

Diafragma

Contorneador

Haz principal

a)

Figura Nº 40.- (a) Esquema de un artefacto proyector de haz estrecho y (b) Proyector de este tipo. Una de las características típicas de los proyectos es la posibilidad de agregarles, además, elementos como filtros de color, ultravioleta o infrarrojo, así como diferentes elementos antideslumbrantes, como viseras y cilindros antideslumbrantes, diafragma ranurado o rejillas de panal, y permiten la proyección de formas mediante diafragmas, etc., elementos ya mencionados entre los dispositivos de apantallamiento y filtros. Los proyectores pueden alojar muy distintos tipos de lámparas. No obstante, como en general su uso está asociado al logro de una emisión intensa y definida, se utilizan preferentemente fuentes de luz tales como lámparas incandescentes, halógenas incandescentes y de descarga de alta presión, ocasionalmente también lámparas fluorescentes compactas. Lámparas de mayor volumen, como lámparas halógenas incandescentes de doble casquillo y lámparas de descarga de alta presión, así como lámparas fluorescentes compactas se utilizan principalmente para proyectores bañadores, mientras que las fuentes de luz casi puntuales como lámparas halógenas de bajo voltaje o lámparas de halogenuros metálicos posibilitan un enfoque especialmente intenso de la luz. Luminarias con reflector secundario: debido el incremento de los puestos de trabajo con pantalla de video, han aumentado las exigencias respecto al confort visual, sobre todo en cuanto a la limitación del deslumbramiento directo y el deslumbramiento por reflexión. La ausencia de deslumbramiento se puede conseguir, como ya se dijo, mediante la utilización de luminarias con distribuciones tipo alas de murciélago, pero también se puede lograr utilizando iluminación indirecta, aunque ésta, si bien evita deslumbramiento, resulta poco efectiva, por lo que también se usan combinaciones de iluminación directa e indirecta, sea combinando luminarias de puesto de trabajo y bañadores de techo, sea utilizando luminarias con radiación directa- indirecta.

40

Una tecnología alternativa para el control óptico se obtiene con el doble sistema reflector (Figura 41), el primario, y otro secundario, que sustituye el techo como superficie de reflexión, que, desde el punto de vista luminotécnico, no puede ser controlada. De este modo se puede especificar completamente la información sobre sus propiedades de reflexión y luminancia.

Figura 41. Luminaria con doble sistema reflector para lámpara fluorescente Utilizando fuentes de luz de alta luminancia, como las lámparas halógenas incandescentes o de halogenuros metálicos, se pude conseguir un elevado confort visual sin renunciar a buenos niveles de iluminación. 4.4. Clasificación de las luminarias según el grado de protección La Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) establece una clasificación que se ha impuesto en forma universal. La misma establece el “grado de protección” de la luminaria, mediante la sigla IP seguida por dos dígitos, de acuerdo a la capacidad de la misma contra el ingreso de cuerpos extraños y agua. El primer dígito indica el grado de protección de la luminaria contra ingreso de cuerpos extraños (Tabla 4). El otro dígito indica el grado de protección contra ingreso de agua, tal como muestra la Tabla 5. De acuerdo a esta clasificación una luminaria IP54, por ejemplo, está protegida contra el polvo y salpicaduras de agua.

41

Tabla 4. Grado de protección de una luminaria contra el ingreso de sólidos extraños (IEC) Primer dígito Símbolo Denominación Comentarios

0 No-protegida Sin ninguna protección

1

Protegida contra el ingreso de objetos sólidos mayores de 50 mm por ejemplo una mano

2

Protegida contra el ingreso de objetos mayores de 12 mm por ejemplo un dedo

3

Protegida contra el ingreso de objetos mayores de 2.5 mm por ejemplo herramientas

4

Protegida contra el ingreso de objetos mayores de 1.0 mm por ejemplo cables o alambres

5

Antipolvo

6

Hermética al polvo

Tabla 5. Grado de protección de una luminaria contra el ingreso de agua (IEC) Segundo dígito Símbolo Denominación Comentarios

0 No protegida

1 Contra goteo Si el agua cae verticalmente no provoca daño

2 Contra goteo con

inclinaciones de hasta 15 grados

3

Contra lluvia

Para lluvia con ángulos no mayores de 60°

4 Contra salpicaduras Cualquier salpicadura no provoca

daño

5 Contra chorro de agua El chorro de una manguera desde cualquier dirección no daña

7 Contra inmersión Breves inmersiones a determinada presión no provocan daño

8 Contra sumersión

Luminaria herméticamente sellada ...m

42

4.5. Clasificación de acuerdo al grado de seguridad eléctrica La clasificación de seguridad eléctrica preparada por el IEC abarca cuatro tipos de luminarias (ver Tabla 6).

Tabla 6. Grado de protección eléctrica de una luminaria (IEC) Clase símbolo Comentarios

0 Eléctricamente aisladas, sin puntos para conexión a tierra.

I Además de estar aisladas eléctricamente disponen de una conexión a tierra

II Diseñadas de tal modo que las partes metálicas expuestas no puedan llegar a estar bajo tensión, lo que se logra por un aislamiento doble reforzado

III Aquellas en las que la protección contra descargas eléctricas se encuentra en la tensión de seguridad extrabaja y en las que no se generen tensiones superiores a 50V c.a. eficaces. No debe tener ningún medio de conexión a tierra de protección.

También se debe especificar la distancia de seguridad en las lámparas reflectoras y con distribuciones de haz estrecho, en las cuales se debe mantener una distancia mínima entre la fuente luminosa y la superficie a iluminar para evitar daños por temperaturas altas. 4.6. Criterios de selección de una luminaria según factores de eficiencia En la selección de las luminarias se deberá tener en cuenta los distintos criterios de clasificación mencionados comenzando por su aplicación, aunque simultáneamente, entre los requisitos básicos, se deberán considerar el rendimiento, el factor de atenuación, el factor de utilización y el factor de mantenimiento. Rendimiento luminoso de una luminaria: relación entre el flujo luminoso que sale de la luminaria, medido bajo condiciones prácticas de trabajo, y el flujo luminoso de la lámpara, o de las lámparas, funcionando fuera de la luminaria. Sin embargo, el rendimiento total de una luminaria no es en sí mismo una medida de su eficiencia ya que, como el rendimiento total puede considerarse formado por dos componentes, el rendimiento del hemisferio superior y del inferior, según sea el caso, puede interesar maximizar una de las componentes en lugar del rendimiento total. Por ejemplo, una lámpara fluorescente desnuda emite luz en casi todas las direcciones, con un alto rendimiento según la definición, pero si dicha lámpara estuviera en un artefacto similar provisto de un reflector adecuado, la luz se concentraría hacia el plano que podría considerarse el de trabajo, y, aunque en este caso el rendimiento total fuera menor, sería mayor el rendimiento útil y se lograría una iluminación más adecuada a la requerida. Las luminarias más eficientes son aquellas que optimizan la relación rendimiento luminoso y distribución de luz necesaria.

43

Factor de atenuación: es la relación de iluminancias entre la iluminancia máxima sobre el objeto o plano iluminado (Es) y la iluminancia media horizontal (Eh):

Factor de Atenuación = Es / Eh Se obtienen distintos efectos según varíe esta relación, como se muestra en la Tabla 5.

Tabla 5. Relación de los efectos con el factor de atenuación Factor de Atenuación

Efecto

2:1 Apenas perceptible 5:1 Ligeramente teatral 15:1 Teatral 30:1 Dramático >30:1 Muy dramático

Factor de utilización: es la relación existente entre la iluminancia media en el plano de trabajo y el flujo luminoso instalado por metro cuadrado. En interiores, las características geométricas de un local, el color y reflectancia de sus paredes tienen importancia significativa en relación al ahorro de energía en la iluminación. Se volverá a este punto en el capítulo de diseño de iluminación. Factor de mantenimiento: otro de los factores que influye sobre la disminución de la iluminancia provista por una instalación es el depósito de suciedad en lámpara y luminarias y decoloramiento o pérdida de sus propiedades ópticas, etc. Estos elementos se deberán tener en cuenta en la planificación del mantenimiento de la luminaria en sus condiciones iniciales de funcionamiento, facilidad de limpieza y recambio de lámparas, posibilidades de montajes, etc.

44

Bibliografía CIBSE 1994. Code for Interior Lighting. The Chartered Institution of Building Services, London. CIE (Commission Internationale de l’Eclairage), 1986. Guide on interior lighting, Publicación 29.2, Second Ed. Coaton J.R. y Marsden A.M., 1997. Lamps and Lighting, Arnold Pub. Comité Español de Iluminación, 1996. Aplicaciones eficientes de luminarias, Cuadernos de eficiencia energética en iluminación, Instituto para la Diversificación y Ahorro de Energía (IDEA), pp. 1-85. G. Rüdiger, 2000. Cómo planificar la luz, ERCO Edición, España. IEC, 1992. Luminaires for General Service, Publication No. 598. International Electrotechnical Commission. IRAM/AADL, 1972. IRAM/AADL Norma J 2028. Luminarias para uso general. Instituto Argentino de Normalización y Asociación Argentina de Luminotecnia. IES, 2000. The IESNA Lighting Handbook. 9th Edition. Illuminating Engineering Society North America. Philips, 1977. Manual de Alumbrado Philips. Editorial Torroba, Madrid. Osram 2000. Catálogo General de Luz. Philips 2001. Catálogo General de Luminarias.

Capitulo 6

Equipos Auxiliares de Fuentes de Iluminación

Leonardo Assaf Introducción Importancia de los equipos auxiliares Función del Equipo Auxiliar Funciones convencionales de los equipos auxiliares Característica voltio-ampere del proceso de descarga en un gas Operación de lámparas en corriente alternada Encendido y re-encendido de lámparas de descarga. Ignitores, arrancadores y ayudas de arranque Estabilización de funcionamiento de lámparas de descarga. Los balastos Resistencias como Balastos Capacitores como balastos Inductor-capacitor como balasto Compensación del factor de potencia Estabilidad vs. eficiencia: La instalación en circuitos de iluminación Circuitos con lámparas fluorescentes Vida de Balasto Impacto del balasto sobre el rendimiento de la lámpara Impacto de los componentes en la vida del balasto Impacto de la mala calidad de arrancadores en los sistemas de alumbrado fluorescentes. Equipos Auxiliares Innovativos Balasto electrónico de alta frecuencia

Bibliografía

Introducción A diferencia de una lámpara eléctrica, la misión del equipo auxiliar que acompaña a dicha lámpara, presenta diversos aspectos desconocidos aún para los entendidos. La sub-estimación de la importancia del equipo auxiliar en las instalaciones de alumbrado se manifiesta con la pérdida de las condiciones de servicio, la necesidad de mantenimientos frecuentes y los altos costos operativos. Las reglas del arte para proyectar, construir y mantener sistemas de iluminación exige no sólo el conocimiento formal de cada uno de los equipos y sus esquemas de conexionado, sino también los efectos de la interacción mutua de éstos componentes entre sí, bajo todas las condiciones de funcionamiento posible. Aunque los equipos auxiliares no cuentan con la profusión informativa de las lámparas, tampoco puede decirse que sobre el tema haya un vacío informativo, no obstante ello, y por la misma necesidad de un enfoque independiente y abarcativo requerido en el caso de aquellas, queda justificada la inclusión del presente capítulo, que no reemplaza sino complementa la información existente en el mercado.

Importancia de los equipos auxiliares Los puntos de luz con equipo auxiliar consumen anualmente en la República Argentina unos 6,5 TWh, de ellos casi 700 GWh son disipados en balastos, ignitores, capacitores y otros equipos, que tienen, además, directa incidencia en las condiciones de servicio, los costos operativos y la eficiencia de los sistemas de iluminación. La elaboración de equipos según normas de calidad y con tecnología de eficiencia permitiría reducir ese consumo a la mitad, mejorando las condiciones de servicio y el costo del mantenimiento. El concepto de que los equipos auxiliares son un mal necesario o una compañía indeseada, surgido con la mismísima creación de las lámparas de descarga, ha venido disipándose en los últimos años, merced a una serie de cambios tecnológicos, entre éstos señalemos la introducción de equipos electrónicos, nuevos tipos de lámparas y –fundamentalmente– la creciente demanda de nuevas funciones en los sistemas de alumbrado, haciendo a las instalaciones más flexibles y amenas. Esta tendencia permite preveer que en un futuro próximo, cada punto de iluminación estará provisto del elemento de producción de luz propiamente dicho –lámpara– y del dispositivo de control –equipo auxiliar–, por lo que el aumento en la cantidad y variedad de productos en el mercado crecerá en forma exponencial. Con ello también aumentará la demanda de conocimiento sobre el tema y la necesidad de afrontar los problemas asociados, sea para el diseño, la fabricación o el mantenimiento de las instalaciones.

2

Función del Equipo Auxiliar En términos generales puede definirse como equipo auxiliar, a aquel dispositivo asociado eléctricamente a una lámpara para posibilitar cualquiera de las siguientes funciones (Figura 1):

1. Proveer medios de encendido y/o reencendido 2. Permitir la estabilización en los valores nominales de funcionamiento de

lámpara 3. Ejercer el control de la lámpara, sea para encenderla, apagarla o atenuar

su flujo luminoso 4. Monitoreo de los parámetros de funcionamiento de la lámpara, para

programar el mantenimiento.

Figura 1

Puede considerarse que las funciones 1 y 2 son las convencionales de todo equipo auxiliar, mientras que 3 y 4 son alguna de las variadas propuestas innovativas que se están introduciendo en las instalaciones modernas de alumbrado, tal como se mencionó en el párrafo anterior. A los efectos de un mejor análisis, es conveniente, entonces, clasificar las funciones de los equipos auxiliares en convencionales e innovativos, según las funciones que realice y la tecnología que apliquen.

Equipo

Auxiliar

DuraciónCondiciones de servicioEficiencia

Funciones convencionales de los equipos auxiliares Los funciones convencionales de los equipos auxiliares se origina en el hecho de que las lámparas de descarga no son capaces de arrancar ni de controlar por si solas la corriente de circulación, debido a que representan una impedancia variable con la corriente. El equipo auxiliar tiene la finalidad de proveer los medios de arranque, fijando la corriente del tubo de descarga a los parámetros preestablecidos de funcionamiento, siendo un aditamento indispensable de las lámparas, además de jugar un importante rol en las condiciones de servicio, duración y eficacia de las mismas.

3

Equipo Auxiliar

EnergíaLuz

Figura 2

Lámpara y equipo auxiliar se influyen mutuamente en los parámetros de funcionamiento, pudiendo afectarse uno al otro con respecto a la duración (Figuras 1 y 2). Cuando se dice que una lámpara tiene una eficacia de 100 lm/w y una duración promedio de 8.000 horas, se está haciendo referencia implícita a su funcionamiento con un equipo que satisface plenamente los requisitos de la lámpara, es decir normalizado; de lo contrario esos datos no se verificarán en la práctica. Dicho de otra forma, una misma lámpara puede tener diferente eficacia y duración, según opere con diferentes calidades de equipo auxiliar. Por otro lado el rendimiento del equipo auxiliar depende de que la lámpara se encuadre dentro de los parámetros que establece la norma, caso contrario resulta en un funcionamiento anormal, pudiendo provocarle daños irreversibles. Para evitar la dispersión entre diferentes fabricantes y asegurar la intercambiabilidad, los parámetros de diseño están claramente especificados en las “hojas de características técnicas” de las lámparas, tales como las especificadas en las normas nacionales del Instituto Argentino de Normalización (IRAM) o internacionales del Comité Electrotécnico Internacional (IEC) a los que todo equipo auxiliar, sea balasto, ignitor o arrancador debe ajustarse. Característica volt-ampere del proceso de descarga en un gas El diseño de un equipo auxiliar requiere del conocimiento de las características volt-ampere del proceso de descarga, como también de los recursos necesarios para el encendido de las lámparas. Aunque las distintas fases de una descarga gaseosa son bastante complejas, desde el punto de vista eléctrico se puede considerar a la lámpara como una impedancia no-lineal con una pequeña característica inductiva y de pendiente preponderantemente negativa. Para su mejor entendimiento conviene considerar lo que ocurre con una descarga en corriente continua, visualizada en las diferentes partes, de acuerdo al gráfico de figura 3:

4

C D

E

BA

10 10-15 -10 -5 0 110 10 10 100 A

500 V

V Figura 3: característica volt-ampere de un proceso de descarga en gases

I- Región de Townsed: la corriente es muy pequeña, originada por las pocas cargas libres que pudieran existir, generadas fundamentalmente por la radiación cósmica.

II- Transición: En el punto A los electrones adquieren tal velocidad que pueden

producir ionización por choque con átomos o moléculas del gas. Aumenta así el número de portadores y, consecuentemente, se produce un gran incremento de la corriente.

III- Efecto γ: a partir del punto B los iones (más lerdos) forman una carga espacial

en las cercanías del cátodo. Aparece una zona de mayor potencial denominada "caída catódica" que resulta en una aceleración de iones. Estos eventualmente bombardean los electrodos con tal intensidad que son capaces de desprender electrones, fenómeno que se denomina efecto γ (gamma) y que provoca una caída de la tensión.

IV- Región de efluvios: Comienza la descarga luminosa (glow discharge = efluvios).

El área de descarga se va ensanchando hasta cubrir todo el cátodo (punto D). A pesar de que la corriente aumenta, la densidad de corriente permanece igual ya que aumenta proporcionalmente la superficie de conducción.

V- El gas ha llegado a su máxima ionización, el efecto γ también. No hay mas

portadores libres para corresponder al aumento de corriente, por lo que hay un aumento de la tensión hasta el punto E.

VI- Región de descarga de arco: En el punto E empieza a jugar el hecho del

calentamiento del cátodo, producido por la gran densidad de corriente. Comienza el fenómeno de la emisión termo-ionica, y la tensión cae nuevamente. En esta región trabaja la mayoría de las lámparas de descarga. Nótese la característica volt-amper negativa producida por el efecto acumulativo de la colisión átomo-electrón que resulta en ionización.

5

Operación de lámparas en corriente alternada En corriente alternada la descarga en un gas es afectada por la frecuencia y las características del equipo auxiliar. La impedancia equivalente de una lámpara es una resistencia no-lineal y una inductancia en serie. Un rápido incremento en la tensión de alimentación no afecta inmediatamente a las condiciones de conductividad del gas en descarga, sino luego del tiempo que tarda en alcanzar un nuevo punto de equilibrio, poniendo de manifiesto la no linealidad que las caracteriza. En la frecuencia de 50 Hz la impedancia de la lámpara va cambiando continuamente y ello ocasiona tensiones y corrientes no sinusoidales que significan armónicas. Con la desaparición momentánea de la corriente en cada semiciclo, el arco se extingue. Con el nuevo ciclo de corriente, luego de pasar el valor cero y desaparecer la descarga, en una interfase que se denomina “ciclo negro”, parte de los portadores ha desaparecido debido a la recombinación, debiéndose gastar una cierta cantidad de energía para volver a ionizarlos y restablecer el arco. El resultado de este proceso marca la característica de “luz pulsante” propia de la lámpara de descarga, lo que da origen a una serie de fenómenos en los espacios iluminados que pueden afectar la visión, tales como el efecto estroboscópico y la modulación de luz. Si se aumenta la frecuencia, el tiempo para la recombinación se acorta, y los fenómenos asociados se atenúan, pudiendo llegar a desaparecer. Cuando la frecuencia es mayor de 1000 Hz, la des-ionización del gas no puede seguir los rápidos cambios de la corriente de la lámpara, y la cantidad de portadores no se modifica. Esto da como resultado un plasma casi constante, similar al funcionamiento en corriente continua. Operar una lámpara en estas condiciones trae aparejado una reducción de las pérdidas en los electrodos y un aumento en la columna positiva, mejorando la eficiencia hasta en un 20% (Figura 4), ello no es posible con los equipos convencionales y por lo tanto se usan dispositivos electrónicos apropiados, cuyas características cuales se discutirán mas adelante.

120

( % )

efic

acia

rel

ativ

a 115

110

105

1000 4 8 12 16 20

frecuencia( K Hz )

Figura 4: Eficacia de una lámpara de descarga en función de la frecuencia de operación

6

Encendido y re-encendido de lámparas de descarga. Ignitores, arrancadores y ayudas de arranque El encendido es una fase crítica en el funcionamiento de la lámpara de descarga, insumiendo algunos minutos hasta que el arco se estabiliza y la lámpara produce el 100% del flujo luminoso nominal, lo que ciertamente es una limitación para sus aplicaciones. En condiciones normales los gases se comportan como dieléctricos o sea no conducen la electricidad, debiéndose disponer de una tensión superior a la tensión de funcionamiento a los efectos de que la lámpara pueda arrancar, tal como expresa la ecuación:

Uarr > Ul [1] Siendo:

Uarr: Tensión de arranque Ul: Tensión de lámpara

Uarr, depende de la humedad, temperatura externa y campos eléctricos, entre otros factores. Para el arranque la lámpara debe disponer de dispositivos que le provean la tensión Uarr, en cualquier condición, lo que puede lograrse con un transformador, un circuito semi-resonante o un generador de pulsos. Por otro lado, tanto el mercurio como el sodio, elementos fundamentales en las dos grandes familias de lámparas de descarga, en condiciones de temperaturas y presión normales se encuentran en estado líquido y no gaseoso, debiéndose recurrir a una serie de estratagemas para hacer posible el encendido de la lámpara. Las fases más importantes en este proceso son dos:

A - Evaporación de los elementos (Sodio o Mercurio). B - Generación de portadores para iniciar el proceso de descarga.

5 10 15

Minutos20

50

100

Fluj

o Lu

min

oso

%

La evaporación (A) no plantea dificultades técnicas singulares. Depende de las condiciones de presión del tubo de descarga y la temperatura. El régimen de funcionamiento normalmente provee de calor suficiente para una evaporación más o menos rápida de los componentes, que se hallan en baja presión dentro del tubo de

descarga. Como sea, esto representa un proceso que retrasa la puesta en servicio en pleno de las lámparas, en algunos casos de hasta 15 minutos (Figura 5). Figura 5: Tiempo de encendido de una lámpara de descarga

7

Por re-encendido se entiende el intento de arrancar una lámpara que acaba de apagarse debido, por ejemplo, a una súbita caída de tensión o a un apagado accidental. Las lámparas de baja presión reencienden instantáneamente. En las de alta presión, el tubo de descarga está caliente y todos los compuestos están vaporizados, en estas circunstancias el encendido no se produce debido a que en ausencia de corriente los portadores se recombinan (desaparecen), siendo muy dificultosa la re-ionización del gas por que la presión en el tubo de descarga es alta. Ésa es la razón por la cuál una lámpara de alta presión no puede reencender en forma inmediata. Hay que esperar que se enfríe, que disminuya la presión de vapor para que pueda reiniciarse el proceso. Esto frecuentemente toma más tiempo que el proceso de arranque en frío, siendo una característica de las lámparas de descarga de alta presión, que debe ser tomada en cuenta. (Figura 6).

Figura 6: Tiempo de re-encendido de una lámpara de descarga

En cuanto a la creación de los primeros portadores (B), fase que normalmente es anterior a la de evaporación de componentes, se recurre a una serie de estratagemas que se aplican según el tipo de lámparas que se trate. A continuación se enumeran las más importantes:

Fluj

o Lu

min

oso

%

100

50

20

Minutos15105

1- Métodos pre-heat (precalentamiento) de lámparas fluorescentes: Un circuito paralelo controlado por el arrancador hace circular una corriente de calefaccionado por los cátodos. Estos están recubiertos con una capa de material especial que emite electrones con la temperatura (material termoemisor), suministrando portadores para la descarga. 2- Calefaccionado de cátodo: Las lámparas de sodio de baja presión también tienen un sistema similar al de los tubos fluorescentes, con cátodos recubiertos de material termo-emisivo, aunque sin arrancador. Un transformador de núcleo saturado los calefacciona hasta que la emisión (corriente) es lo suficientemente grande para saturar al balasto. En estas circunstancias la corriente de calefacción se anula.

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3- Pulsos de sobretensión: Es el método de arranque utilizado por lámparas de descarga de alta intensidad: sodio de alta presión y mercurio halogenado, entre otras. Consiste en proveer pulsos de la tensión suficiente como para provocar la ruptura del gas, generados por dispositivos auxiliares (ignitores) que se desconectan automáticamente una vez que el arco se ha establecido. Estos pulsos, según el tipo y potencia de la lámpara, varían entre 600 hasta 20.000 voltios, y tienen una duración de algunos segundos. Los ignitores no proveen por lo general de corriente de precalentamiento. Según el principio de operación los ignitores pueden clasificarse en los siguientes tipos:

(a) Ignitor de superposición (Figura 7) (b) Ignitor de dos polos con transformador de pulso (Figura 8) (c) Ignitor de tres polos en paralelo (Figura 9) (d) Ignitor de dos polos en paralelo (Figura 10)

T

LC

IGN

BAL "

Figura 7: Ignitor de superposición Figura 8: Ignitor de dos polos con

T L

C

IGN

IF "BAL

transformador de pulso

L

IGN

BALIF

"

Figura 9: Ignitor de tres polos en paralelo Figura 10: Ignitor de dos polos en

L

IGN

BAL IF"

paralelo Los distintos sistemas se diferencian entre sí por los requerimientos sobre el balasto. El ignitor de superposición (a) y el de dos polos (b) no imponen sobretensiones al balasto y por lo tanto son apropiados para casos en los que se requiera pulsos de muy alto voltaje. Con los restantes sistemas se producen sobretensiones sobre las espiras del balasto, por lo que éste debe especificarse muy bien de manera de poder soportarlas.

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Las lámparas de sodio de baja presión, pueden arrancar con 600 V, nivel de tensión que se logra con un balasto autotransformador, tal como es usado en nuestro país, lo que es poco eficiente. Con un ignitor podría usarse un balasto mas pequeño y eficiente, tal como muestra la tabla I:

Pérdidas Tipo de LÁMPARA Balasto tipo

autotransformador

Balasto e ignitor

(híbrido) 35W 23W 13W 55W 21W 17W 90W 34W 25W

135W 37W 26W 180W 36W 26W

Tabla I: Comparación de pérdidas en un equipo auxiliar para lámpara de sodio de baja presión con autotransformador y con ignitor

Los pulsos de muy alta tensión (15.000 o 20.000 V) son utilizados para el reencendido instantáneo, ionizando el gas aún estando el tubo de descarga caliente. Este tipo de dispositivo es apropiado para aquellos casos en que la restitución de la iluminación, luego de un súbito corte de energía sea muy necesaria, tal como en iluminación de emergencia de un estadio deportivo, un muelle de maniobras ferroviario, etc. En estos casos se usan lámparas especiales provistas de una tercera terminal para los pulsos de alta tensión. 4- Mezcla Penning: Se denomina así a la combinación de gases formados por dos compuestos cuya energía de ionización es menor que la de cualquiera de ellos. Por caso el mercurio y el argón (ionización 10,4 eV y 15,7 eV respectivamente) mezclados ionizan a 9,6 eV. Como ventaja adicional el argón, en las condiciones de presión del tubo de descarga de las lámparas, se encuentra en estado gaseoso, mientras en mercurio, como ya se mencionó se encuentra en estado líquido y tarda en evaporarse. Este método se aplica en lámparas de vapor de mercurio y sodio de alta presión. 5- Electrodos auxiliares: Se trata de un pequeño electrodo que se emplaza a muy corta distancia de cualquiera de los electrodos principales, con el propósito de crear un gran campo eléctrico inicial. Entre ambos electrodos se producen descargas que generan mas portadores contribuyendo a desencadenar la descarga. Una vez que el arco se ha establecido, y debido a que este pequeño electrodo está en serie con una resistencia, deja de funcionar. Este procedimiento se aplica en lámparas de vapor de mercurio. 6- Aditivos de material radioactivos: Pequeñas dosis de radioisótopos, en cantidades que no representan ningún daño para el medio ambiente --según declaración de los fabricantes-- son usadas para facilitar la ignición de lámparas de descarga, especialmente las de gran potencia.

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Figura 11: Circuito de lámpara fluorescente y Arrancador luminiscente (derecha)

Estabilización de funcionamiento de lámparas de descarga. Los balastos Ya se han mencionado los dispositivos para facilitar el arranque, de manera que además de ello, una vez encendida la lámpara se requiere un dispositivo que limite la corriente de funcionamiento. Por otro lado, como ya se describió, la característica voltio-ampere negativa de las lámparas de descarga implica que, a medida que la corriente que circula por el tubo de descarga aumenta, la impedancia del mismo se hace menor. Sin un elemento que limite la corriente, ésta aumentaría hasta representar un corto circuito para la instalación o bien autodestruirse a la manera de un fusible. Ello justifica las razones por la cual una lámpara necesita de un equipo auxiliar, consistente básicamente en una impedancia en serie, al que se denomina balasto (Figura 12). Básicamente cualquier impedancia, sea resistiva, capacitiva o inductiva podría servir como balasto. Resistencias como Balastos La disipación de energía activa que producen, limita su uso como balasto a unas pocas aplicaciones, tales como las lámparas mezcladoras que es una lámpara de vapor de mercurio con un filamento incandescente en serie, que actúa como balasto y aprovecha la energía para producir luz. Las lámparas de descarga con resistencias como balasto tienen la desventaja de ser poco estables debido a que la tensión de arco y la corriente de lámpara están en fase. En cada semiciclo el reencendido es más dificultoso al encontrarse tanto la corriente como la tensión en el valor mínimo. Por esta razón las lámparas mezcladoras son muy propensas a apagarse en instalaciones que tienen caídas de tensión frecuentes.

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Capacitores como balastos Capacitores pueden funcionar como balastos pero debido al elevado factor de cresta que suele producir por la deformación de la corriente conducen a un desgaste prematuro de los electrodos, por lo tanto no son aconsejables como balastos. Inductores como balastos Los inductores son usados universalmente como balastos en lámparas de descarga (Figura 12) debido a que ofrecen una serie de ventajas: • Admiten alimentación en cualquier tensión, actuando como autotransformadores. • Facilitan la re-ignición de la lámpara: el arco se extingue cuando la tensión está

en su máximo. • El funcionamiento es mas estable y la distorsión de la corriente es menor • La eficiencia es del orden del 80 al 90%, llegando al 95% en los balastos de

bajas pérdidas. • Pueden trabajar en saturación: esto permite que la tensión de arranque sea

superior a la de funcionamiento, lo cual facilita ignición y re-ignición.

LC

D

Figura 12- Balasto Inductivo en serie (el capacitor no tiene función sobre los parámetros de la lámpara). D: Balasto o reactor, C: Capacitor de compensación del factor de potencia (FP), L: Lámpara de descarga.

Los inductores son usados como balasto de lámparas de sodio de alta y baja presión, en las de mercurio, mercurio halogenado y fluorescentes. Pueden recurrirse a diferentes tipos de soluciones, de acuerdo a las condiciones de funcionamiento que se tenga [1]: Reactores: La tensión de línea debe ser lo suficientemente alta para arrancar la lámpara y la regulación debe esta en el orden del ± 5%. Autotransformadores: Si la tensión de la línea de alimentación fuera mayor o menor a la necesaria para arrancar las lámparas, se utiliza un autotransformador. La regulación de la línea de alimentación debe estar dentro del rango del 5% y la compensación del factor de potencia requiere de un capacitor más grande. Regulador o de potencia constante: Es un circuito especial, con capacitor para un alto factor de potencia, que provee una corriente de lámpara regulada sobre un

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amplio rango de tensión de alimentación, manteniendo la potencia de la lámpara estable. Una variación del ± 14% en la alimentación puede dar como resultado cambios del ± 2% de la potencia de la lámpara. La tensión de arranque en este caso es menor que la corriente de funcionamiento estable. Los inductores como balastos tampoco están exentos de dificultades, las que son superables solo mediante una buena manufactura. Por un lado, el circuito lámpara-balasto se transforma en una carga fuertemente inductiva, con un factor de potencia (cos ϕ) entre 0,3 y 0,5 que requiere compensación. Se usa para ello una capacidad C adecuada al factor de potencia que se quiera lograr. Las deformaciones de la corriente del circuito de alimentación es también otro inconveniente que experimenta. Esta deformación puede expresarse en términos de una serie de Fourier, de frecuencias múltiplos impares (3,5,7, etc.) de la frecuencia de red, o sea, en redes de 50hz los términos de la serie o armónicas serán: 150hz, 250hz, 350hz, etc. Los inconvenientes que esto genera son variados, dependiendo del rango de frecuencias en donde se manifiesten. Para bajas frecuencias (hasta 1 kHz) y en sistemas de distribución trifásicos en estrella, tal como se usa en la Argentina, la denominada 3a armónica y sus múltiplos (9, 12,15, etc.) están en fase, por lo que no se compensan mutuamente, sino que se suman en el conductor de retorno o neutro. Esto da lugar a que éste pueda llegar a sobrecargarse, debido a que por normas de diseño de instalaciones, tiene menor sección de cobre que los demás conductores. Una prevención a este problema es especificar límites a la deformación que producen los equipos auxiliares (balastos) sobre la onda de corriente, tal como establecen las normas, (Tabla II)

% máximo permitido respecto de la fundamental

Orden de armónica

Fluorescentes

Mercurio A.P.

Sodio A.P.

2 5 5 5 3 30 λ 25 λ 30 λ 5 7 5 7 7 4 3 4 9 3 2 3

11 -- 2 -- 13 -- 1 --

Tabla II – Limitación de armónicos en la corriente de alimentación de un conjunto balasto-lámpara de referencia, según normas [2], [3]

[4]. λ es el factor de potencia del circuito total Para frecuencias medias (< 1kHz), aunque la amplitud de las armónicas vaya disminuyendo a medida que se aumente el orden de frecuencia, la energía es aún suficiente para producir fenómenos de radiointerferencia que pueden perturbar la recepción de aparatos de radio próximos a los equipos auxiliares. La radiointerferencia puede ser radiada por los circuitos o bien conducidas a través de

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los conductores de la instalación por toda la red. También existen restricciones que se especifican en las normas de calidad respectiva a la que todo balasto de buena calidad debería cumplir. Inductor-capacitor como balasto El balasto-reactor se conecta en serie con la lámpara y el capacitor (Figura13). Desde el punto de vista de la estabilidad, distorsión de corriente y reencendido, este conjunto ofrece el mejor resultado como balasto. Es el circuito recomendado para sitios con deficiente tensión de alimentación. El único inconveniente es que para lograr una compensación adecuada, exige un valor de capacidad mas elevado, lo que lógicamente resulta en un mayor costo. Sea éste el problema o la ignorancia de las bondades que este circuito ofrece, el hecho es que prácticamente no es usado en la Argentina.

LC

D

Figura 13: Balasto Inductivo-Capacitor (la inductancia y el capacitor regulan los parámetros de la lámpara). D : Balasto o reactor C : Capacitor (actúa como balasto y compensa el factor de potencia (FP) L : Lámpara de descarga

Compensación del factor de potencia En circuitos de lámparas con balastos a reactor se produce un desfasaje entre la tensión de alimentación y la corriente de lámpara del orden de los 55 a 65 grados eléctricos. Esto favorece el reencendido en cada semiciclo, pero afecta seriamente al factor de potencia (cos fi) que cae a valores entre 0,3 y 0,5. Es conocido que los bajos factores de potencia producen sobrecargas en los conductores de alimentación. Las empresas distribuidoras de energía penalizan a las instalaciones con bajos factores de potencia, de acuerdo por lo general al esquema de Tabla III:

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Factor de potencia (cos fi)

Penalización (recargo sobre el básico)

< 0,82 20% Entre 0,82 y 0,92 10%

> 0,92 Sin recargo Tabla III – Típica penalización en la facturación de una empresa distribuidora de energía por bajo factor de potencia

La compensación del factor de potencia de un circuito de iluminación se efectúa generalmente en forma individual (o sea en cada luminaria) mediante una capacitancia de valor C en paralelo con el circuito. El valor de dicha capacidad depende de una serie de factores, a saber: Potencia wattada del circuito a compensar (W) Factor de potencia del circuito a compensar (F1) Factor de potencia que se quiere lograr (F2) Forma de conexión del capacitor (serie o paralelo) La capacidad en un circuito paralelo se puede calcular sobre la base de la siguiente ecuación

C= 15,20 W [(F12/(1-F12) - (F22/(1-F22)] [2] Mientras que la capacidad de un circuito serie se selecciona, de tal manera que la impedancia capacitiva sea el doble que la impedancia inductiva.

Xc = 2 Xl [3] Estabilidad vs. eficiencia: El diseño del balasto resulta en una solución de compromiso de eficiencia y estabilidad de la lámpara. Las características del conjunto dependen de este compromiso. Lámpara y Balasto están vinculados eléctricamente mediante la ecuación siguiente:

Un2 = Ul2 + Ub 2 [4]

Siendo: Un = Tensión de alimentación (fasorial) Ul = Tensión de lámpara (fasorial) Ub = Tensión sobre balasto (fasorial)

Para un dado valor de tensión de alimentación (Un) si la tensión de la lámpara (Ul) se reduce, la tensión del balasto (Ub) debe aumentar necesariamente. La selección de ambas tensiones es un compromiso entre estabilidad y eficiencia, de acuerdo a los siguientes tópicos:

• La característica volt-ampere del circuito resultante debe ser positiva, cuanto más positiva mejor. Ello significa que grandes cambios en la

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alimentación producirán pequeños cambios en los parámetros de funcionamiento de la lámpara.

• En balastos serie la mayor estabilidad se logra cuando la tensión de lámpara es mucho menor que la tensión de alimentación, o sea balasto grande.

• Para mejorar la eficiencia del conjunto el balasto debe ser lo más pequeño posible, lo que implica una tensión de lámpara mayor.

• El reencendido luego del ciclo negro (interfase cuando la corriente de lámpara se hace cero) depende mucho de la FEM del balasto, cuanto más alta, mejor.

La instalación en circuitos de iluminación La instalación de un circuito de iluminación debe contemplar todas las características del conjunto fuente luminosa-equipo auxiliar como impedancias, para lograr el diseño mas adecuado de la instalación, tanto en la elección de la sección de conductores como en la selección de dispositivos de protección y maniobra. Las circunstancias varían de acuerdo al tipo de lámpara con que se trate. Algunas recetas generalizadas terminan resultando en no pocos inconvenientes en las instalaciones. • Circuitos con lámparas incandescentes: La corriente de arranque resulta en 20 veces la nominal, aunque sea de poca duración. Ello se debe a que la impedancia en frío de la lámpara es apenas un 8% de la impedancia en situación de régimen. La corriente máxima ocurre cuando el encendido se realiza en el momento en que la tensión de alimentación pasa por su valor máximo. La duración del transitorio de corriente depende de la constante térmica del filamento, pudiendo variar de entre pocos milisegundos hasta algunos segundos. • Lámparas de descarga con factor de potencia corregido: El máximo se produce por el transitorio en el capacitor (dV/dt = máximo), esto ocurre cuando la tensión de alimentación realiza el cruce por cero. La corriente puede llegar a ser 6 veces la corriente nominal y con una duración de 10 ms. Otro factor que influye en la corriente de arranque es un posible efecto rectificador, que suele aparecer en los primeros semiciclos del arranque, por esta causa la corriente puede incrementase 3 o 4 veces por sobre la nominal. • Selección de fusibles: Los fusibles deben seleccionarse de acuerdo a las corrientes máxima y nominal. Siempre por encima de esta última. El factor de fusible debe ser de 4 para circuitos individuales y hasta 1,5 para instalaciones con muchas lámparas. Es recomendable la consulta al catálogo del fabricante de lámparas para una mejor especificación de las características de cada tipo en particular. Transitorios de tensión:

Los balastos pueden ocasionar transitorios de tensión (sobrevoltajes) que se propagan a la instalación circundante. Estos transitorios serán atenuados por la

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existencia de capacitancia en paralelo en las líneas de alimentación. Es por ello que el fenómeno es peor en circuitos sin compensación. • Armónicas y secciones del conductor neutro: Como ya se indicó la combinación lámpara-balasto producen armónicas de corriente. Varían entre 5 y 30% de la fundamental y están limitadas por las normas de balastos. En sistemas de distribución estrella-triángulo (3 fases más neutro) la fundamental se anula en el neutro, no así las armónicas de orden 3 que se suman. Esto hace conveniente de que la sección del neutro deba ser igual a la sección de los conductores de fase. • Interferencias de radio: Las lámparas de descarga producen interferencia de radio frecuencia (RFI) que afectan a la recepción de radio y de televisión, fenómeno que se agudiza al final de la vida útil. La señal de interferencia está modulada a 2 veces la frecuencia de la fuente de alimentación. El rango de interferencia va desde los 100 kHz hasta 10 MHz, cubriendo las ondas corta, media y larga de las radioemisoras comerciales. Las vías que siguen las interferencias son:

(a) Radiación directa de la lámpara (b) Conducción por el cable de alimentación hasta el receptor (c) Conducción por cable y luego radiación al aire (d) Radiación captada por el cable (antena) y luego re-radiada al aire.

De todas estas formas (c) es la más común Las dificultades asociadas a ignitores son: en primer lugar la atenuación que sufren los pulsos de tensión en el circuito desde el ignitor a la lámpara, puede producir dificultades en la ignición. Esto hace recomendable que el cableado sea lo mas corto posible y con aislación superior a los 500V de los conductores domiciliarios. En tramos lámpara-ignitor largos, también hay que prever la posible atenuación capacitiva, usándose cable coaxial. Circuitos con lámparas fluorescentes Las fluorescentes son las lámparas más importantes de la iluminación artificial. Un 70% de la producción de luz se realiza en este tipo de fuente. El consumo de lámparas fluorescentes está estimado en 1 lámpara por habitante/año para países desarrollados. En la Argentina es como en los países en desarrollo, de alrededor de 1 lámpara cada dos habitantes por año. Diversos circuitos son utilizados para operar a las lámparas fluorescentes, de entre los cuales él mas usado en la Argentina es el denominado de precalentamiento con reactor inductivo tipo serie. Este circuito es él más sencillo de todos y uno de los más eficientes. La figura 11 muestra un circuito de este tipo. El funcionamiento puede describirse de la siguiente manera: en un primer momento no hay circulación de corriente y por tanto toda la tensión es aplicada en bornes del arrancador. El arrancador consiste en un bulbo con gas de neón, uno de cuyos electrodos es un bimetal. Cuando el bulbo se enciende los electrodos se calientan y flexan hasta unirse, haciendo circular una corriente por los electrodos de la lámpara. Esta

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corriente denominada de calefacción de cátodo excita el material de recubrimiento termoemisor que emite iones. En este punto el bimetal del arrancador que se ha enfriado lo suficiente se separa interrumpiendo la corriente de calefacción y produciendo, por la inductancia serie, un transitorio sobre los bornes de la lámpara. A menudo dos o tres de este transitorio (de unos 400 – 900 V) es suficiente para encender la lámpara dando ese parpadeo de no más de 3 segundos que es característico en este tipo de lámparas. Modernos sistemas de encendido, tal como los provistos por balastos o arrancadores electrónicos, realizan esta operación en una fracción de segundos, haciéndolo casi imperceptible. El arrancador es el elemento fundamental en este proceso (Figura 11). Consiste en un par de electrodos, uno de los cuales es un bimetal encapsulado en una ampolla con gas neón. Mientras aparece una tensión en sus extremos, se produce la descarga eléctrica luminosa del neón que calienta el bimetal. Este se flexa hasta tocar el segundo electrodo cerrando el circuito. En este momento los cátodos de la lámpara quedan en serie con el balasto permitiendo el paso de una corriente 1,5 veces la nominal que los calienta hasta la termoemisividad. Mientras el arco no se ha establecido, actúa cerrando y abriendo el circuito, provocando por el inductor un transitorio de sobretensión (600 a 1500 V) sobre los bornes de la lámpara. Al producirse el arco la tensión sobre el arrancador cae a niveles insuficientes como para activarlo y por lo tanto permanece fuera de servicio durante el funcionamiento de la lámpara. Este sencillo y efectivo sistema de arranque de las lámparas fluorescentes es el mas usado en la República Argentina. El único inconveniente que posee es el parpadeo que produce en el momento de encendido. Vida de Balasto La vida de los equipos auxiliares es uno de los tópicos más importantes en los costos operativos y condiciones de servicio de los sistemas de alumbrado. Se entiende por vida de un balasto al período en el cual éste opera normalmente la(s) lámpara(s), y que es el resultado de características bien definidas del diseño. Puede ser expresado indistintamente en horas, días o años, todos de funcionamiento continuo. Las expectativas de vida de un balasto tipo inductivo es perfectamente predecible pues están ligadas al concepto de vida térmica de los arrollamientos. El material aislante de los arrollamientos del inductor, va deteriorándose por efecto de la temperatura hasta perder su condición de tal, circunstancia que provoca la muerte del balasto. Las pérdidas en los arrollamientos y en el núcleo de hierro del balasto –pérdidas ohmicas y magnéticas– dan como resultado el aumento de la temperatura, en especial de aquellas zonas con menor propiedad de disipación del calor, denominadas “nichos térmicos”. La relación matemática entre vida y temperatura, está dada por la ecuación empírica de Montzinger [5]:

L = k eα/T [5] Siendo:

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L = duración de la aislación (L días) a la temperatura T T = Temperatura de trabajo (°K) k, α = Constantes e = base de logaritmos naturales o Neperianos Aunque teóricamente es posible la fabricación de un balasto “para toda la vida”, es conveniente por razones de índole económica y de tamaño, limitar razonablemente su duración. Ello es lo que convencionalmente hacen las normas. Un balasto estándar, es decir manufacturado de acuerdo a normas reconocidas en la materia tiene que ofrecer una expectativa de vida mínima de 10 años de funcionamiento continuo, esto es, unos 3.652 días. Es decir:

Lo = k eα/To [6] Siendo: Lo = duración nominal a la temperatura de diseño = 3.652 días To = Temperatura de arrollamiento (°K), que resulta en una duración de 3.652 días, denominada temperatura de trabajo, dependiente del tipo de aislante utilizado. De las ecuaciones [5] y [6]:

L = Lo eα(1/T – 1/To) [7] Reemplazando el valor de las constantes numéricas en la expresión anterior puede derivarse:

log L = log Lo + S log ( 1/T – 1/To) [8] Con S = constante, que depende del rango de temperatura T, según tabla VII To, también denominada temperatura de trabajo (Tt), es un dato que depende de la naturaleza del aislante utilizado en los arrollamientos. En la práctica los aislantes se elaboran en la forma de barnices o esmaltes que se aplican directamente sobre el alambre de cobre que será usado para la elaboración de los arrollamientos. Los diferentes barnices se han estandarizado en las denominadas “clases”, distinguidas con una letra A, B, C,.., F. Las mas usadas en la fabricación de balastos son las B y C, cuyas temperaturas de trabajo son de 105 ºC y 120 ºC, respectivamente (Tabla VI).

Clase de Aislante

Temperatura de trabajo

A 95 ºC B 105 ºC C 120 ºC D 130 ºC F 155 ºC

Tabla IV – Clases de aislantes y su temperatura de trabajo

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La expresión [8] es ampliamente utilizada para predecir la vida de un balasto, dentro de un rango de temperaturas que llega a los 160 ºC. Para tener una idea tangible de lo que esta relación significa, nótese que un balasto con una temperatura de diseño de 105 ºC (To) y expectativa de vida nominal (10 años), si trabaja a 115 ºC , o sea 10 ºC mas de temperatura, su duración cae a 5 años o sea, a la mitad. Igualmente si trabaja con 10 ºC menos de temperatura (100 ºC) las expectativas de vida se duplican. Esto es conocido en la práctica como “regla de los 10 grados” [5].

Límites para la temperatura T (ºC)

Constante S

S = 4500 S = 5000 S = 6000 S = 8000 S = 11000 Aislante

clase A (95 ºC)

171 162 149 134 123

Aislante clase B (105

ºC) 185 176 162 152 134

Tabla V: Valor de la constante S (ecuación [8]) en función de la temperatura de los arrollamientos

Con el objeto de orientar al instalador, diversas normas IRAM sobre balastos inductivos establecen que los mismos contengan información tanto de la temperatura de trabajo Tt como del aumento de temperatura, ∆T provocado por disipación propia. Con ello se puede calcular cual es el margen disponible de temperatura del ambiente (igual a la diferencia Tt-∆T) para el emplazamiento del balasto. Las condiciones de disipación es otro factor a considerar, la temperatura de trabajo Tt, según norma, es la de un balasto confinado dentro de una luminaria aplicada en un cielorraso, si se tuviese condiciones mas desfavorables puede resultar que la capacidad de evacuación de calor sea inferior y por lo tanto la de temperatura de régimen del balasto superior a la de diseño. Esta información, si bien es cierto es de utilidad, es solo raramente usada por los instaladores. ¿Cuál son las entonces las expectativas de vida de un balasto? Suponiendo que es usado en la iluminación de una oficina, resulta que podría estar funcionando a razón de 3.000 horas anuales, lo que representa unos 30 años como mínimo, es decir lo que dura la instalación. Para que ello ocurra es menester que se cumplan una serie de condiciones a saber: (1º) que el balasto cumpla con los requisitos de la norma o los supere, (2º) que se encuentre emplazado en lugares cuya disipación térmica sea suficiente como para evitar que los arrollamientos queden expuestos a temperaturas mayores que las de trabajo (Tt), (3º) que los restantes componentes del equipo sean también normalizados y (4º) que la tensión de alimentación no supere la nominal. El Departamento de Luminotecnia, Luz y Visión de la Universidad Nacional de Tucumán, ha efectuado el relevamiento y la inspección de una serie de instalaciones, alguna de las cuales llevaban mas de 30 años de antigüedad sin que una parte significante de los balastos hayan debido ser removidos por fallas. Otras instalaciones, en cambio, han experimentado diversos inconvenientes, desde

20

pérdidas de condiciones de servicio, hasta daños por incendio provocados por balastos de baja calidad (Figuras 14 y 15). Figura 14: Reactancia para tubo fluorescente de 40W, causante de un principio de incendio en un local comercial de San Miguel de Tucumán.

Figura 15: Un balasto similar al de la figura ha sido identificado como causa de un siniestro producido en la planta de una industria textil de la Provincia de La Rioja.

Impacto del balasto sobre el rendimiento de la lámpara El balasto afecta no solo el rendimiento de la lámpara sino también su vida. La característica del balasto mas estrechamente relacionada con la duración de lámpara es el denominado Factor de Cresta (Figura 16) esto es, la relación entre el valor de pico y el valor eficaz de la onda de corriente de la lámpara, una medida de la deformación de la onda de alimentación de la descarga. Un alto factor de cresta puede asociarse a una excesiva densidad de corriente que, aunque sea de corta duración, provoca la evaporación del recubrimiento termoemisor de los cátodos. A los efectos de considerar este fenómeno las normas establecen un límite a dicho factor, dependiendo del tipo de lámpara que se trate, tal como se muestra en la tabla VI Las normas imponen límites a la pérdida de flujo luminoso provocada por el balasto, al limitar la potencia que éste entrega a la lámpara

Figura 16: Influencia del Factor de Cresta (fc) en la vida de una lámpara fluorescente

21

Tipo de lámpara

Factor de cresta (máximo)

Fluorescentes 1,7 Mercurio 1,8 Sodio baja Presión 1,6 Halogenuros Metálicos 1,8 Sodio de Alta Presión 1,8

Tabla VI: – Máximo factor de cresta para un balasto admitido por norma, según el tipo de lámpara [3], [2], [6],

[7], [8] Impacto de los componentes en la vida del balasto Como ha sido mencionado, el balasto sufre deterioro no sólo debido al funcionamiento propio sino también por el funcionamiento anormal de los otros componentes asociados. Los problemas mayores se originan cuando la lámpara de descarga tiene un alto grado de desgaste, lo que puede dar lugar a un funcionamiento errático, sensible a las caídas de tensión. Si los cátodos de la lámpara sufren un desgaste desigual, lo que es frecuente, aparece una componente de continua debido a un efecto rectificador sobre la onda de corriente. Esto provoca una saturación del núcleo de hierro de los balastos y un sobrecalentamiento anormal por pérdidas magnéticas y, consecuentemente, un desgaste acelerado del balasto. En el caso de tubos fluorescentes, cuando las lámparas agotadas no son separadas de la instalación provocan un calentamiento excesivo al balasto y picos de tensión en forma prolongada, afectando la vida de balasto y arrancador. También el arrancador suele ser causa de sobrecalentamiento de las reactancias, situación que es analizada con profundidad en el punto siguiente. Impacto de la mala calidad de arrancadores en los sistemas de alumbrado fluorescentes. El costo propio del arrancador es insignificante en el conjunto de los costos operativos de los sistemas de iluminación fluorescente, según puede apreciarse en la figura 17, sin embargo un arrancador de mala calidad puede tener un impacto notable en los demás costos, debido a lo que se podría denominar una “cascada de daños” que se extiende sobre todo el sistema. Por esta razón el arrancador puede ser la principal causa de circuitos fuera de servicio de una instalación. Según ensayos de muestras, los arrancadores de mala calidad tienen una gran penetración en el mercado Argentino, lo que puede apreciarse en la tabla VII

Pruebas Realizadas

Muestras ensayadas

Marcas Ensayadas

Total 1.260 140 11 Aprobadas 756 35 2 Rechazadas 504 105 9 Rechazadas (%) 40 75 82

TABLA VII: Cantidad de rechazos según prueba, muestra o marca[9]

La norma IRAM 2124 de arrancadores luminiscentes, arrancadores de mala calidad son proclives a quedar permanentemente conectados. En este caso y mientras no sea solucionado este inconveniente, el calefaccionado de los cátodos se produce en forma permanente, lo que conduce al agotamiento prematuro de la lámpara. Una vez agotado el material termoemisivo no podrá volver a arrancar.

Fig. 17 Costos operativos de un circuito fluorescente con arrancador normal y fallado

El problema del mantenimiento se agudiza con la calidad deficiente de arrancadores y balastos e implica pérdidas de condiciones de servicio y mayores costos. La tabla VIII muestra la mayor demanda en la reparación de equipos de lámparas fluorescentes fuera de servicios para el caso “normal”, cuando sólo el tubo ha dejado de funcionar y para los casos arrancador y balasto en condición de “falla”

Tabla VIII: Tiempo insumido en mantenimiento de equipos ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Condición del equipo: Normal Arrancador Balasto OPERACION: fallado fallado ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Retirar lámpara vieja X X X Limpieza artefacto X X X Colocar lámpara nueva-probar X X X Retirar lámpara nueva X X Reemplazar arrancador X X Colocar lámpara-probar X X Retirar bandeja porta-equipos X Inspección zócalos y conexiones X Reemplazar balasto X Colocar bandeja porta-equipos X Colocar lámpara-probar X ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Tiempo total demandado (minutos) 5 7 19 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Tiempo adicional sobre Normal (%) -- 40% 300% ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- Nota: 1- Los tiempos consignados son promedios observados en un mantenimiento realizado en la Universidad Nacional de Tucumán (4) sobre una instalación de 140 artefactos abiertos (sin louvers) tipo industrial de 2 lámparas fluorescentes de 40 W. No incluye tiempos muertos, traslados, etc. 2- El artefacto denominado Normal solo requería limpieza y reemplazo de lámparas. Con arrancador fallado y con balasto fallado eran artefactos que tenían uno de los componentes, ya sea el arrancador o el balasto en falla y por lo tanto requirieron reparación. Equipos Auxiliares Innovativos La aparición de semiconductores de potencia, capaces de operar en el rango de corriente y tensión de las fuentes luminosas, está imponiendo desde la década de los '80, un nuevo concepto en el campo de los equipos auxiliares. Las facilidades que brinda la electrónica para operar lámparas provienen de la amplia variedad de recursos que posee en comparación con los equipos auxiliares convencionales. Esto le permite la realización de diversas prestaciones, alguna de las cuales vamos a mencionar: Balasto electrónico de alta frecuencia El balasto electrónico se basa fundamentalmente en la técnica de la alta frecuencia. Ya hemos mencionado que en corriente alterna cuando la onda de corriente pasa por cero el arco se extingue, re-encendiéndose nuevamente con el siguiente hemiciclo. Esto resta eficacia al sistema ya que, durante el lapso en que el arco está apagado, hay desaparición de portadores por recombinación, y una cierta energía es necesaria para la re-ionización, unas 100 veces/seg con frecuencia de 50Hz.

120

( % )

efic

acia

rel

ativ

a 115

110

105

1000 4 8 12 16 20

frecuencia( K Hz )

Figura 18 Aumento de eficacia con la frecuencia en lámparas fluorescentes

Si se aumenta la frecuencia (entre los 25 y 60 KHz), el fenómeno de recombinación se hace menos importante ya que los portadores disponen de menos tiempo para ello. Este es el fundamento del aumento de eficacia de las lámparas de descarga con la frecuencia (Figura 18). Las ventajas que ofrece el balasto electrónico de alta frecuencia puede sintetizarse como sigue:

1. Mayor eficacia luminosa (10 a 20 %) 2. Menor consumo propio 3. Mejor comportamiento de las lámparas con la temperatura 4. Factor de potencia unitario, no requiere compensación (fig.19) 5. Eliminación del parpadeo luminoso y del efecto estroboscópico

Por el momento no todas las lámparas de descarga comunes son aptas para operar en alta frecuencia. Algunas tienen problemas de resonancia dentro del tubo, provocando que el arco sea zigzagueante. Se está poniendo todo el empeño en el desarrollo de lámparas especiales para el funcionamiento en alta frecuencia, algunas de las cuales ya se encuentran a la venta.

Cos

0.9

1.0

0.8

0.750 100 1.000 10.000

frecuencia 35.000 Hz Figura 19: Aumento del factor de potencia con la frecuencia en una lámpara fluorescente

Atenuadores de iluminación El Atenuador Lineal o Dimmer, ofrece la posibilidad de regular el flujo luminoso de las fuentes (incandescentes o de descarga) de acuerdo a las condiciones de servicio. La atenuación se especifica en un porcentaje del flujo luminoso sin atenuación y algunos productos que se ofrecen ya en plaza declaran capacidades de 0 al 100%, o sea regulación total. Las posibilidades que esto brinda son mucho mas amplias que las obtenibles vía conmutación de grupos de lámparas o luminarias, sin afectar la regularidad. Los atenuadores aprovechan las ventajas que la electrónica y la técnica de alta frecuencia ofrecen, siendo en muchos casos una prestación incorporada en los propios balastos electrónicos. Dimmer autorregulado por señal horaria Está diseñado para instalaciones cuyo nivel de iluminación se desea variar según un programa horario preestablecido. Tal el caso de sistemas de alumbrado de calles que modifican la potencia de la lámpara, según la variación horaria del flujo de tránsito. O en la iluminación perimetral, para diferenciar horarios de circulación y horarios en donde solo se necesita luz por razones de seguridad. La señal es aportada por un timer electrónico incorporado al equipo, y el flujo se regula en uno o varios escalones, en cada lámpara. Se destacan las ventajas de estos sistemas frente al método convencional consistente en apagar grupos de luminarias, afectando la regularidad de la iluminación. Balastos Autorregulados La señal de control es la potencia de la lámpara o bien su flujo luminoso. Mantiene constante la salida luminosa, absorbiendo variaciones de tensión de alimentación y la depreciación luminosa de la propia lámpara. Permite ahorrar energía, preservando durante amplios períodos, las condiciones de servicio de la instalación. Sensores de presencia Son Detectores Infrarrojos Pasivos que permiten la conmutación de lámparas en zonas en donde no se detecta la presencia de personas durante un lapso de tiempo. Esto permite un importante ahorro de energía, que permite amortizar la inversión de este tipo de instalaciones en el orden de los 1,5 a 2 años, según el tipo de instalación que se considere. Detectores de presencia de luz diurna Se trata de fotocélulas que captan la iluminación de una parte del local, censando la cantidad de luz que llega del exterior para así proceder a atenuar la iluminación eléctrica de esa zona. Tiene la finalidad el lograr aminorar la cuenta de luz, y los resultados dependen de la cantidad de energía natural que se disponga.

Sistemas Automáticos de Control La integración de Sensores ocupacionales, sensores de luz diurna, atenuadores lineales y otros dispositivos de supervisión y control en una sola unidad (Sistema Automático de Control), programada para la realización de un mejor manejo energético de las instalaciones de iluminación parecería ser el tema del futuro. Existe suficiente cantidad de información sobre instalaciones reales que usan estos sistemas. Los resultados, medidos en términos económicos dependen del tipo de instalación, del derroche y desaprovechamiento de la energía previo a la instalación y del diseño de Sistema que se haga. Como en el caso de los balastos electrónicos hay que advertir que la dificultad para una aplicación masiva de estos sistemas radica en lo dificultoso de las especificaciones de calidad y contabilidad y en la carencia de método de diseños de las instalaciones. Bibliografía 1. IES Lighting Handbook, Reference and Application Volume. 8th edition, 1993..

Edit. Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). 120 Wall Street, 17th floor, New York, NY 10005. USA. ISBN 0-87995-102-8.

2. NORMA IRAM J23 12. 3. NORMA IRAM 2027. 4. NORMA IRAM 2457. 5. Standadd IEEE 101-1972 “Guide for the statistical analysis of thermal data”

Institute for Electrical and Electronic Engineers, New York, 1972. 6. NORMA IRAM 2283. 7. NORMA IEC 60923. 8. NORMA AENOR 60922:1997. 9. Ensayos LENº 81 al 91 ADELCO

Capítulo 7

Sistemas Innovadores de Iluminación

Leonardo Assaf

1. Sistemas Automáticos de Control de Iluminación

2. Sensores

3. Referencias de instalaciones con sistemas automáticos de control

4. Selección de estrategia de control 5. Limitaciones de la tecnología de los Sistemas Automáticos de Control de Iluminación 6. Bibliografía

Con el nombre de Sistemas Innovadores se engloba una serie de dispositivos concebidos para mejorar la eficiencia y las condiciones de servicio en instalaciones de alumbrado, mediante la introducción de nuevas funciones, haciéndolas más flexibles, confortables y atractivas. Innovador hace referencia a aquello distinto de lo convencional y que aún no se ha generalizado para las instalaciones corrientes. Los sistemas innovadores comprenden una diversidad de dispositivos que van desde luminarias, equipos auxiliares y sistemas de control, hasta ventanas inteligentes, lumiductos y colectores de luz solar. Una clasificación general permitiría diferenciar inicialmente entre los sistemas innovadores del alumbrado artificial y los sistemas innovadores del alumbrado natural. Aunque muchos de ellos aún se hallan en etapa experimental y de perfeccionamiento, las expectativas que generan sobre eficiencia y mejoramiento en la calidad de servicio de las instalaciones de alumbrado permiten vaticinar que en un futuro cercano no podrán estar ausentes en ningún tipo de instalación de luz. Estas circunstancias, y la insuficiente información disponible, justifican la importancia de una mayor y más objetiva divulgación de ellos en la República Argentina.

1. Sistemas de control automáticos de iluminación Con el desarrollo de la electrónica de potencia, con componentes capaces de manejar las corrientes y tensiones típicas de lámparas de descarga (Assaf y Avellaneda de Wilde, 1985) de interfaces de control y de los Controladores Lógicos Programables (PLC), han aparecido en el mercado equipos que realizan nuevas e innovativas funciones en los sistemas de iluminación, entre ellos, los denominados Sistemas Automáticos de Control. Un Sistema Automático de Control de Iluminación (SACI) puede ser definido como un dispositivo de control del alumbrado artificial, que tiene la finalidad de proveer alguna de las siguientes funciones:

•

•

•

•

•

•

Encendido Apagado Atenuación (control del flujo luminoso)

Los sistemas de control automático (SACI) aparecen, entonces, como una alternativa al control manual, realizado por el usuario o por el encargado (administrador) según su propio criterio; con los SACI se ejecutan las mismas tareas automáticamente, y de acuerdo a un patrón preestablecido, orientado al ahorro energético y en función de una o más de las siguientes variables:

Nivel de iluminancia por la luz artificial o natural Ocupación de los locales Horario de ocupación de los locales

Pertenece a esta categoría una amplia gama de equipos, desde simples relojes controladores de iluminación hasta módulos de control conectados, por interfaces apropiadas, a complejas centrales de administración y control de un edificio domótico. La finalidad de estos sistemas es el control de todos los sub sistemas, incluidos los de iluminación, luz de emergencia, señalización de vías de escape, alarmas de seguridad, etc. Cada módulo, compuesto por una

red de sensores y de dispositivos varios, realiza el monitoreo de las condiciones operativas, la detección de fallas, predicción del mantenimiento, etc., información que es luego procesada por la central de control. En el presente capítulo nos referiremos únicamente a los SACI como módulos independientes y al ahorro energético como la más importante finalidad de los mismos.

Figura. 1- Esquema de un sistema automático de control de una lámpara de descarga, con los diferentes tipos de sensores con los que puede operar. El bypass permite la anulación del control automático, recuperando el control

manual. La figura 1 muestra esquemáticamente los constituyentes de un SACI. El equipo de control actúa sobre el equipo auxiliar o directamente sobre la lámpara asociada, pudiendo conmutar (encender o apagar) o bien atenuar la potencia de las mismas. La atenuación es realizada, por lo general, con balastos electrónicos de alta frecuencia, también con componentes convencionales (balastos inductivos), aunque son menos apropiados. La acción de control se ejerce sobre una o varias luminarias, pudiendo ser:

con salida a interruptores (control si-no). •

• con salida a atenuadores (regulación continua). Se describen, a continuación, cada uno de los componentes y sus aplicaciones. Salida a interruptores La salida a interruptores provee un control tipo Sí/No, su confiabilidad deviene en que no involucra componentes sofisticados. El control (apagar o encender) puede ejercerse sobre una o más luminarias, pudiendo emplearse tanto con sensores ocupacionales como con sensores de nivel luminoso, como se verá más adelante. Los equipos ofrecidos comercialmente soportan por lo general cargas de hasta 10 Amperes, lo que es suficiente para conmutar directamente unas 25 lámparas fluorescentes de 36 W. Instalaciones más importantes, con una mayor cantidad de lámparas, tales como naves industriales o locales deportivos, precisan la ayuda de relés o contactores (Figura 2).

Figura. 2.- Diagrama de un SACI con salida sí/no: a) cargas menores de 10 Amperes pueden ser controladas directamente, b) para cargas mayores se utilizan contactores o relés

Si se usan sensores fotoeléctricos, con salida sí/no, el control se hace por escalones, es decir se apagan o encienden grupos de luminarias a la vez. Cuanto mayores sean estos escalones, más económica resultará la instalación, aunque menor será el aprovechamiento de la luz natural disponible. Por el contrario, escalones pequeños, aunque resulten más onerosos, no sólo permiten un mejor aprovechamiento energético sino que evitan las distracciones de los usuarios ocasionadas por las variaciones perceptibles del nivel de iluminación. Para evitar esto, los escalones de control no deben ser superiores al 30 % de la potencia total instalada en luz en los locales bajo control; por esta razón, el control por atenuación del nivel de iluminancia, mediante sensores fotoeléctricos es más apropiado que el si/no.

Salida a Atenuadores Es un sistema de control proporcional, la señal de control determina cuál es la proporción de atenuación del flujo luminoso de las lámparas, disminuyéndoles su potencia. La relación directa entre flujo luminoso y potencia, denominada eficiencia luminosa, puede modificarse con la regulación del flujo luminoso de la lámpara. Si se realiza la regulación a un tubo fluorescente con un dispositivo que no provoque distorsiones en la forma de corriente de alimentación de la lámpara, la eficacia puede aumentar hasta en un 12%. Equipos de mala calidad no sólo empeoran la eficacia luminosa con la atenuación, sino que pueden afectar la duración de la lámpara. No todas las lámparas son aptas para la regulación de su flujo luminoso sin que experimenten algún tipo de inconvenientes. Recientes desarrollos electrónicos permiten hacer funcionar tubos fluorescentes en regímenes de baja potencia, por lo tanto, no hay limitaciones en el grado de atenuación que puede realizarse, desde el 100% a valores tan bajos como 1%, sin parpadeos. Algunos fabricantes han desarrollado líneas especiales de lámparas con capacidad de ser atenuadas, para ser usadas con balastos de alta frecuencia preferentemente en instalaciones que posean regulación de flujo. La información necesaria para una adecuada selección puede obtenerse de los catálogos. Merece destacarse que la regulación del flujo luminoso de lámparas posibilita el máximo aprovechamiento de las continuas variaciones de la luz natural con mínimas molestias para el usuario quien no percibe ningún cambio en la iluminación. Además, permite ahorrar la energía del exceso de iluminación que puede estar originado, por ejemplo, por sobredimensionado inicial de la instalación para lograr un buen factor de mantenimiento. Este sobredimensionado inicial de la instalación –del orden del 20 al 25%– se realiza para que la depreciación luminosa hasta el momento del mantenimiento no deteriore el nivel de iluminación por debajo del mínimo recomendable. Esto puede representar una economía de un 10 al 15% de la energía consumida, entre períodos de mantenimiento.

2. Sensores La finalidad de un sensor de un sistema de control es evaluar las condiciones de los ambientes (cantidad de luz natural, presencia o ausencia de ocupantes, etc.) para generar la señal de control. Los tipos más conocidos son:

Sensor ocupacional •

•

•

Sensor fotoeléctrico Sensor de tiempo (reloj)

Sensor Ocupacional El derroche por factor ocupacional (Dfo) ha sido caracterizado como un importante factor en la ineficiencia en los sistemas de alumbrado. Valores típicos del desperdicio por luces encendidas, en locales desocupados de un edificio, pueden ser del 25% de la energía total disipada en iluminación (Tabla 1). El sensor ocupacional es un dispositivo que detecta la presencia de personas en los locales para realizar el control. Son apropiados, a este fin, dispositivos similares a los utilizados en sistemas de seguridad (alarmas antirrobo), los que están basados principalmente en dos tipos de tecnología: de

infrarroja y de ultrasonido. En este caso, el control es del tipo Sí/No, no siendo compatibles las salidas de atenuación. Tecnología de infrarroja: Los sensores infrarrojos pasivos (PIR, passive infrared) consisten en opto-resistencias que se hallan colimadas por una lente de Fresnel. Detectan la ocupación del espacio por diferencias de temperatura entre los cuerpos en movimientos y el ambiente. Las lentes de Fresnel les otorgan una gran cobertura espacial. La principal ventaja es que son económicos y el área de control está perfectamente delimitada.

Tecnología Ultrasónica: actúan por efecto Doppler producido por el movimiento de la fuente emisora. La señal ultrasónica de un emisor de cristal de cuarzo, reflejada por los objetos del local, es recibida por uno o más receptores, permitiendo la detección de movimiento por cambios en el tiempo de retorno de la señal. Debido a que el sonido se propaga en todas direcciones, se denominan también detectores volumétricos, característica que deberá considerarse cuando se realiza el diseño de una instalación con este tipo de sensores, en atención a la existencia de fuentes de perturbación que ocasionen falsos disparos.

Tabla 1. Derroche por factor ocupacional (Dfo) producido en locales no ocupados con luces encendidas

TIPO DE LOCAL Dfo Baños-Servicios 43% Oficinas individuales 27% Salas de Reunión 23% Laboratorios 19% Talleres 3%

Sensor fotoeléctrico Un fotosensor es un dispositivo de control electrónico que permite variar el flujo luminoso de un sistema de iluminación en función de la iluminancia detectada. Aprovechar la luz natural con el sistema de control convencional significa considerar, en diferentes circunstancias, si la luz que está ingresando por la ventana es suficiente para la remisión total o parcial de la luz artificial, una tarea que para los ocupantes de una oficina, por ejemplo, sería aceptable sólo si es realizada voluntariamente, como un compromiso en contra del derroche de energía, nunca si se vieran presionados a ello. En los ambientes laborales, donde los usuarios no han adquirido tal hábito, el aprovechamiento de la luz natural puede representar un porcentaje insignificante, estudios realizados en edificios informan que no alcanza al 5% del gasto de energía en iluminación. El control con sensor fotoeléctrico ahorra esas molestias al ocupante, siendo casi infalible en la evaluación de la cantidad de luz. Los sensores no son otra cosa que elementos fotosensibles colimados por una lente enfocada sobre el área de interés, como en el caso de sensores PIR. Cuando se pretende integrar señales de un área importante del local son apropiadas las lentes de Fresnel, o bien lentes comunes orientadas sobre un área más reducida, ya sea un escritorio o una porción de pared (Figura 3). La ubicación de este punto, junto con el enfoque del sensor, parecieran ser los puntos críticos de esta técnica, que frecuentemente se ve perjudicada por falsos disparos.

Figura. 3.- Sensor fotoeléctrico enfocado a un área de trabajo que recibe luz natural y artificial.

Las lentes son enfocados a partes testigos del área de trabajo (Figura 3), generándose la señal de control, según la cantidad de iluminación que está recibiendo esa zona del local. Si esta cantidad es mayor que el valor de calibración (coincidente con el nivel de iluminancia de servicio) una proporción de la potencia de las lámparas controladas es atenuada. Las luminarias deben estar dispuestas en filas paralelas a la ventana. Primero se conmutará (o atenuará, según el tipo de control) la fila más próxima a la ventana, siguiendo con las restantes, según la cantidad de luz natural disponible en cada zona. El gradiente de esta atenuación debería ser tal que los usuarios no lleguen a percibir cambios ni diferencias de su medio ambiente visual. El control fotoeléctrico es recomendable sólo en locales o zonas que dispongan de una buena contribución de luz natural. El denominado coeficiente de luz diurna (cld, ver Capítulo 12) es el indicador más apropiado para evaluar la luz natural de un local. Se define como el cociente de la iluminancia interior (en un punto) y la iluminancia exterior producidas por la luz natural (sin considerar obstrucciones y en un día nublado). Puede ser calculado mediante tablas, con los datos geográficos del sitio de emplazamiento del edificio. Un control tipo si/no será provechoso cuando el cld en el punto de ubicación de las luminarias a controlar sea mayor al 1%, mientras que los que tienen salida de atenuación pueden ser usados a partir de cld = 0,5%, siendo por lo demás apto para controlar exceso de iluminancia sobre el plano de trabajo cualquiera sea su origen, tal como se comentó anteriormente. Sensor horario Son interruptores horarios programables que poseen más de un ciclo de apagado. Precursores de estos equipos son los relojes usados desde hace décadas para el control de luces de vidrieras o carteles luminosos de la vía pública. En los modernos relojes de tiempo electrónico y en ciertos PLCs, puede realizarse una programación en forma diaria, semanal, mensual o anual y hasta incluir feriados. Una memoria no volátil con reserva horaria evita que un eventual corte de energía borre la programación. Estos dispositivos están indicados preferentemente para locales con un patrón de ocupación muy regular y conocido, por ejemplo aulas escolares, naves industriales, o locales de oficinas, para la pausa del mediodía o al final de la jornada. En una oficina, cuyos horarios incluyan

una pausa al mediodía, un control horario induce un ahorro adicional, al estimular un mayor uso de la luz natural debido a que al regreso de la pausa, coincidente con la hora de mayor aporte de luz natural, los ocupantes de los locales tienden a encender en menor proporción las luces.(Figuras 4)

8

8

12

12

14

14

E

E´

A

A´

DB

B´

C

C´

E

E´

18

18

100 %

100 %

I - Control manual

I I - Control por reloj

Horas del día

Horas del día

Luz natural

Luz natural

Pote

ncia

de

ilum

inac

ión

Pote

ncia

de

ilum

inac

ión

Figura 4.- Diagrama de carga de iluminación en una oficina típica. Comparación entre control convencional (I) y control automático (II):

(I) Control convencional (usuarios)

A- Por las mañanas al inicio de las tareas, la disposición de luz natural es mínima, los usuarios encienden todas las luces (la utilización de la iluminación es máxima-100%).

B-C En la pausa del medio día, coincidente con la hora de máxima disposición de luz natural, los ocupantes abandonan su locales dejando las luces encendidas.

D- Al final de las tareas, por descuido, algunas luces quedan encendidas E- Luces encendidas hasta la próxima jornada.

(II) Control por reloj , programado para apagar las luces a las 12:00 y 18:00 hs.; con retardo (tr=20´) los usuarios pueden encenderlas a voluntad A'- Por las mañanas al inicio de las tareas, la disposición de luz natural es mínima, los

usarios encienden todas las luces (utilización 100%) B'- A las 12:00 Hs pausa del medio día, el sistema apaga las luces. Sólo quedan

encendidas unas pocas luces indispensables. C'- Al regresar a sus tareas, coincidentes con la hora de máxima luz solar, los

ocupantes sólo encienden parte de la lámparas, aumentandose gradualmente según las necesidades, según declina la luz diurna.

D'- Corte de las 18:00 Hs. Con un dispositivo de control automático, E´- Ninguna lámpara queda encendida una vez finalizada la tarea.

Los dispositivos con control horario no se usan, por lo general, para encender luces, quedando esta función como atributo de los ocupantes, que las ejecutan según sus necesidades. Resulta menos problemático y beneficioso usar el dispositivo de control para apagar antes que para encender luces. Ya que es frecuente que algunos ocupantes permanezcan en los lugares de trabajo más allá de los horarios establecidos, se recomienda incluir una señal que les advierta que las luces van a ser apagadas, en cuyo caso los usuarios optarán por retirarse o permanecer en los locales anulando el dispositivo de control. Ajuste de los sistemas de control Un tema crítico de estos sistemas lo constituye el ajuste post-instalación. Ninguno de ellos sale de fábrica listo para operar inmediatamente después de instalado, requiriendo el ajuste a cada local en particular. Esta tarea puede demandar varias jornadas de control y observación en prevención de cualquier funcionamiento inapropiado. Las situaciones imprevisibles derivadas de instalaciones no bien ajustadas pueden ocasionar conflictos con los ocupantes o bien el desaprovechamiento del potencial de ahorro de los locales, dos circunstancias que hay que evitar. A continuación, destacamos los puntos que deben considerarse en el ajuste de los diferentes tipos de sensores: Retardo de prevención: La acción de control con cualquier tipo de sensor debe estar precedida por un retardo a fin de evitar alteraciones molestas en el ambiente iluminado, producidas por cambios momentáneos de la variable de control, tales como usuarios que se alejan de sus lugares de tareas para retornar inmediatamente, o variaciones de la luz natural provocados por un nublado pasajero, etc. No hay una regla sobre la magnitud de tal retardo, empero entre 5 y 10 minutos pareciera ser un tiempo suficiente para abarcar la mayoría de las situaciones que pueden considerarse como transitorias. Sensores fotoeléctricos: El ajuste o calibración del sistema de control es la tarea mediante la cual se relaciona la señal del sensor con los valores de iluminancia horizontal. Esto se realiza en cada instalación según el control sea tipo SI/NO o de atenuación. En el primer caso debe conocerse cuál es la Iluminancia horizontal de servicio (Es), un valor establecido por las normas de diseño, según el tipo de local y la Iluminancia de conmutación (Ec), ésta es, la contribución de las luminarias controladas por el dispositivo en ajuste, obtenido por medición. La señal medida por el sensor es proporcional a la iluminancia sobre el plano de trabajo (E) y la acción de control se realizará de acuerdo a las siguientes condiciones:

si E > Es + Ec durante un lapso de tiempo t > tr, entonces apaga si E < Es + Ec durante un lapso de tiempo t > tr, entonces enciende Es decir que la acción de control no se ejecutará en forma inmediata, sino luego de que la condición se prolongue un período mayor que el tiempo de retardo, tr, generalmente de entre 5 y 10 minutos. Es indispensable que el sensor integre sólo la luz que aportan las luminarias bajo control, lo cual puede lograrse mediante una apropiada zonificación del local (Figura 5). La ubicación del sensor es otro factor a tomar en cuenta para evitar falsos disparos debido a reflejos o altas luminancias. Si no se pudiese evitar la aparición de las mismas dentro del área de sensibilidad, es recomendable el apantallado o enmascarado del sensor de las probables fuentes de perturbación.

Figura. 5 Zonificación en una oficina multiocupacional para la instalación de sensores fotoeléctricos con

atenuación. Se diferencian 3 zonas de control A (escritorios), B (mostradores) y C (pasillos), con sus respectivas luminarias, dispuestas longitudinalmente a la línea de ventanas.

Sensores ocupacionales: El área barrida por estos sensores debe limitarse a los espacios bajo control. Para evitar falsos disparos no debe hallarse expuesta a señales espurias, originadas por la presencia dentro del área sensible de objetos de alta reflectancia o que presenten rápidos cambios de temperatura, tales como calefactores, acondicionadores de aire o ventanas (Figura 6). También debe contemplarse cierto retardo de tiempo antes del apagado de luces, a fin de evitar cortes frecuentes e improductivos por ausencias breves de los usuarios.

Figura. 6. Vista en planta del esquema de alcance de un sensor ocupacional instalado zenitalmente en una oficina individual (izquierda). El sensor cubre un área cónica, siendo el

radio de acción proporcional a la altura de montaje (derecha) Relojes: Un apagado a escalones de 15 minutos de duración, por lo menos, puede servir de advertencia para que los usuarios tengan conocimiento de que las luces van a ser apagadas y que la hora de desocupar los locales se ha cumplido.

3. Referencias de instalaciones con sistemas automáticos de control Las instalaciones con sistemas de control de uso de alumbrado realizadas en diversos países muestran, por lo general, excelentes resultados, lo que alienta las expectativas para la adopción de esta tecnología en nuestro país. En la evaluación de antecedentes sólo se tomó en consideración aquellos de carácter independiente, de una fuente imparcial e inobjetable, descartándose la publicada por los factores interesados en componentes de esta tecnología como pueden ser los fabricantes o instaladores. En Gran Bretaña, las instalaciones monitoreadas reportan ahorros de un 40% a un 60%, y resulta en buena rentabilidad con período simple de recupero de capital de 1,7 a 3 años (ver Tabla 2).

Tabla 2: Ahorro de energía mediante sistemas de control en edificios remodelados en Inglaterra (Fuente: Slater y Wilson, 1994; Crisp, 1982).

Edificio

Uso de edificio

Ahorro de energía

Período de recuperación simple de

capital (años) Chase Manhattan Oficina 64% 3,5 GEC Turbines Oficina 40% 3 Gwent CC Oficina 75% 7 IBM – Greenlock Oficina S/d 1,9 Jacobs Well Oficina 36% 0,8 Porthmouth Oficina 40% 1,8 Racal Decca Oficina 75% 1,5 Vandyke School Escuela S/d 1,7 Avon Cosmetics Fábrica 28% 2,1 Romford Brewery Fábrica 50% 2,5 Brooke Bond Almacén S/d 3,0 BT, Birmingham Almacén 47% 1,0 Unimart, Cowley Almacén 85% 1,8

Más promisorios aún, son los resultados que se declaran haber conseguido en Australia, país con recursos de alumbrado natural similares a los de la República Argentina, y que se muestran en la Tabla 3. Tabla 3. Ahorro de energía mediante sistemas de control en edificios de Australia.

Edificio Ahorro de energía Consejo de Melbourne (talleres) 62% Hospital Dental de Adelaide 60% Escuela Panorama 57% Oficina Servicio de Energía 45% Edificio Capita 56% Oficina de teléfonos 64% Las referencias internacionales son a veces contradictorias. Mientras en una investigación realizada en edificios escolares de Inglaterra se informa que es prácticamente nulo el ahorro que puede lograrse (Crisp, 1987), en Australia se reportan instalaciones en escuelas con ahorros de energía del 40 al 57 % (Badgery, 1989). Con respecto a las instalaciones de envergadura de este tipo, realizadas en nuestro país (Lamata, 1982), puede decirse que se está aún lejos de las que se realizan en países de desarrollo similares. Señalemos como precursoras al edificio IBM y a la torre Pérez Companc, ambas realizadas en la ciudad de Buenos Aires en los inicios de la década de los 80. Más recientemente, una serie de edificios denominados inteligentes, equipados con SACI han sido inaugurados; lamentablemente se carece de información alguna sobre monitoreo del rendimiento obtenido en tales instalaciones, al menos aquello que haya sido divulgado públicamente.

4. Selección de estrategia de control La selección de la estrategia de control está orientada a lograr un buen resultado del método de control. Una selección adecuada implica la elección del sensor apropiado según el tipo de ocupación y la cantidad de ocupantes. La tabla 4 incluye las recomendaciones del Building Research Establishment (BRE) de Gran Bretaña, de los sensores más apropiados según el tipo de ocupación y la cantidades de ocupantes. Tabla 4. Recomendaciones respecto a los sensores más apropiados en distintas circunstancias. (Fuente: BRE, 1983.)

Tipo de ocupación

Cantidad de ocupantes

Sensor horario

Sensor ocupacional

Sensor fotoeléctrico

Variable Muchos +++ + + Variable Uno o dos + ++ + Horario

Intermitente Muchos +++ + +

Continua Muchos +++ Solo en áreas localizadas +++

Continua Uno o dos + Solo en áreas localizadas ++

Horario Intermitente

Uno o dos --- +++ +

Eventual Cualquiera +++ +++ --- Notas: +++ Muy apropiado ; ++ Aceptable; + No recomendable; --- No aplicable

Selección de Sensor ocupacional

La Tabla 5 contiene la elección más adecuada para sensores ocupacionales, en función del local a controlar. La misma está basada en información de diversos fabricantes.

Tabla 5. Tipos de sensores ocupacionales más adecuados en función del espacio a controlar.

Tipo de local

Sensor PIR

Sensor ultrasónico

PIR + ultrasónico

Oficinas con cerramientos +++ + +++ Depósitos +++ + +++ Baños + +++ +++ Con techos altos +++ + + Aulas +++ + +++ Salas de reuniones + +++ ++ Con generadores de calor + ++ +++ Cocinas + +++ +++ Pasillos confinados +++ +++ +++ Oficinas Individuales + ++ +++ Notas: +++ Muy apropiado; ++ Aceptable; + No recomendable

5. Limitaciones de la tecnología de los SACI Como toda tecnología de innovación, corresponden mencionarse limitaciones e inconvenientes derivados de ella, con el objeto de evitar que se vea desprestigiada, situación que, según los cánones del mercado, es muy difícil de revertir. Los inconvenientes, todos superables desde el punto de vista tecnológico, sobre los que el diseñador o proyectista debe tomar las precauciones necesarias son:

(a) Carencia de métodos apropiados para el diseño de instalaciones (b) Dificultad en la predicción del ahorro que es posible lograr (c) Funcionamiento no deseado de las instalaciones, sea en el encendido o apagado de

luces (d) Dificultad de especificaciones y calidad de los equipos (e) Reacción adversa de los ocupantes a este tipo de instalación.

Según una investigación realizada en los EEUU (RPI, 1997), los detectores PIR han sido disparados por corrientes de aire, reflejos u otras señales espurias, provocando encendidos o apagados innecesarios de luces. También se objeta que los sensores utilizados no son de presencia, sino de movimiento, lo cual es cierto en parte: es más fácil la detección de personas en movimiento que la detección sin movimiento. Si el usuario permanece inmóvil durante cierto tiempo, el sensor puede interpretarlo como una "ausencia de ocupante" y producir un disparo falso. Por esta razón no son apropiados para locales como baños u oficinas individuales, curiosamente en donde mayor derroche por factor ocupacional se verifica (Tabla 1). La tecnología dual (combinación PIR y ultrasonido) es más recomendable en cualquier situación dudosa, con mucho menos posibilidades de falsos disparos. Los detectores ultrasónicos pueden ser activados también con señales provenientes desde zonas fuera del área de interés, tal como corredores adyacentes o aún zonas exteriores a una puerta o ventana. Las características acústicas, de cada una de las superficies de los locales,

influyen en el rendimiento y funcionamiento de estos equipos; superficies tales como alfombras y tapices disminuyen el alcance debido a que absorben la señal. Un tema importante es el de la calidad de los equipos y confiabilidad de las instalaciones, especialmente cuando los sistemas de control (SACI) incluyen dispositivos electrónicos. Polución electromagnética, prematuro envejecimiento de lámparas y fallas catastróficas son algunos de los problemas que se reportaron debido a la mala calidad de balastos electrónicas, dimmers o sensores ocupacionales. Podría argumentarse que éste es un problema que puede solucionarse con apropiados estándares de calidad, lo cual es cierto. Sin embargo, no es fácil la normalización de dispositivos de relativamente nuevo diseño. La Norma IRAM 2465 (IRAM, 1996) homologa a las internacionales IEC 928 y 929 (IEC, 1989) sobre balastos electrónicos. No existe por el momento norma para atenuadores (dimmers) a nivel internacional. La mayoría de los componentes de los sistemas de control se hallan aún sin normalización. Las reacciones adversas, de los ocupantes de locales equipados con sistemas de control SACI, parecen ser el punto más limitante de esta tecnología. Afortunadamente la mayoría de las quejas se originan principalmente en el mal funcionamiento de estos equipos, ya sea porque incurren en apagados incorrectos o bien incluyen operaciones frecuentes y distractivas, tal como se comentó anteriormente. Aunque la queja de los usuarios u ocupantes pueda hallar en los sistemas de control, la oportunidad para canalizar otras insatisfacciones, mayormente relacionadas con el medio ambiente laboral, un aspecto a considerar es la no-resignación a la pérdida de control de la iluminación, percibiendo en ello una restricción de sus atribuciones. Sólo un diseño inobjetable de la instalación puede prevenir un conflicto de esa naturaleza. Por lo demás, en caso de dudas, es aconsejable la coexistencia del control manual y el automático, en el cual el usuario conserve la facultad de encender y aún de apagar las luces a su voluntad.

Bibliografía Assaf L. y Avellaneda de Wilde, M., 1985. “Dispositivos elecrónicos como equipos auxiliares de fuentes luminosas”. Luminotecnia N° 19.

Badgery, J., 1989. “Lighting controls systems practical experiences”. 35th IESANZ National Convention, Auckland.

BRE, 1983. Lighting Controls and Daylight Use. BRE Digest No. 272, Building Research Establishment,Department of Environment, United Kingdon.

Crisp, V., 1982. Lighting Controls to Save Energy PD 33/82, BRE (Building Research Establishment), Dept. of Environment, Reino Unido.

Crisp, V., 1987. Lighting Research and Technology, Vol.10, No. 2.

Lamata, J, 1982. “Control del consumo energético en instalaciones a través de computadoras”. Luminotecnia 34, Vol. XVI.

RPI, 1997. Occupancy Sensors, Specifier Reports, Vol. 5, No. 1. Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY. (Revisado: oct. 1998.)

Slater, A. y Wilson, A., 1994. “Energy efficient lighting in industrial buldings and warehouses”. CIBSE National Lighting Conference, p.154.

IEC, 1989. Normas IEC 928 e IEC 929. Electronic ballasts for tubular fluorescent lamps. International Electrotechnical Commission.

IRAM, 1996. Norma IRAM 2465. Balastos electrónicos para lámparas tubulares fluorescentes. Instituto Argentino de Normalización.

Capitulo 8

Diseño de la Iluminacion de Interiores

Ing. Mario Raitelli

1. El Concepto de Iluminación Eficiente 2. El Proceso de Diseño de Iluminación

2.1. Análisis del Proyecto

2.2. Planificación Básica

2.3. Diseño Detallado 3. Asistencia Técnica y Evaluación Posterior

La luz es un componente esencial en cualquier medio ambiente ya que hace posible la visión del entorno, pero además, al interactuar con los objetos y el sistema visual de los usuarios, puede modificar la apariencia del espacio, influir sobre su estética y ambientación y afectar el rendimiento visual, estado de ánimo y motivación de las personas. El diseño de iluminación requiere comprender la naturaleza (física, fisiológica y psicológica) de esas interacciones y además, conocer y manejar los métodos y la tecnología para producirlas, pero fundamentalmente demanda una fuerte dosis de intuición y creatividad para utilizarlas. Visto desde una perspectiva globalizadora, el diseño de iluminación puede definirse como la búsqueda de soluciones que permitan optimizar la relación entre el usuario y su medio ambiente. Esto implica tener en cuenta diversos aspectos interrelacionados y la integración de técnicas, resultados, metodologías y enfoques de diversas disciplinas y áreas del conocimiento, como la física, la ingeniería de edificios, la arquitectura, el gerenciamiento energético y ambiental, la psicología, la medicina, el arte, etc. Por ello, la solución a una demanda específica de iluminación debe ser resuelta en un marco interdisciplinario.

1. El concepto de iluminación eficiente Hasta no hace mucho el diseño de iluminación implicaba suministrar luz en cantidades apropiadas a fin de posibilitar la realización de las tareas con alto rendimiento visual. El aspecto cualitativo se limitaba, eventualmente, a eliminar o reducir posibles efectos de deslumbramiento. Sin embargo, el descubrimiento de que la luz no sólo afecta las capacidades visuales de las personas sino también su salud y bienestar, por un lado, el vertiginoso desarrollo tecnológico de fuentes luminosas, dispositivos ópticos y sistemas de control y la necesidad de utilizar los recursos energéticos de manera más eficiente, por otro, le dieron al concepto de diseño un perfil notablemente más cualitativo. Teniendo en cuenta ese nuevo enfoque, se puede decir que un sistema de iluminación eficiente es aquel que, además de satisfacer necesidades visuales, crea también ambientes saludables, seguros y confortables, posibilita a los usuarios disfrutar de atmósferas agradables, emplea apropiadamente los recursos tecnológicos (fuentes luminosas, luminarias, sistemas ópticos, equipos de control, etc.), hace un uso racional de la energía para contribuir a minimizar el impacto ecológico y ambiental; todo esto por supuesto, dentro de un marco de costos razonable, que no solamente debe incluir las inversiones iniciales sino también los gastos de explotación y mantenimiento.

2. El proceso de diseño de iluminación No es fácil establecer un procedimiento sistemático para diseñar un sistema de iluminación ya que cualquier proyecto puede tener diferentes puntos de abordaje. No obstante, es recomendable seguir el proceso que se emplea en otros campos del diseño y que se indica esquemáticamente en la Figura 1.

Figura 1. Proceso de diseño de iluminación

2.1. Análisis del proyecto El procedimiento es aplicable tanto en nuevos diseños como para remodelar instalaciones existentes[1], [2] y comienza por un análisis destinado a reunir datos que permiten determinar las demandas, visuales, emocionales y estéticas, de iluminación y establecer los alcances y limitaciones del trabajo. La identificación clara y precisa de estas cuestiones es fundamental para el éxito de cualquier proyecto.

Análisis del proyecto

Planificación básica

Diseño detallado

Asistencia técnica

Evaluación posterior

Las demandas visuales son una consecuencia de la realización de actividades y para determinarlas se debe evaluar la dificultad de las tareas en función de sus características y condiciones de realización. Los requerimientos emocionales, en cambio, surgen por la influencia que la luz ejerce sobre el estado de ánimo, motivación, sensación de bienestar y seguridad de las personas. Estos dos tipos de demandas son variables entre individuos por razones de edad, entrenamiento, aptitud, condiciones de visión, etc. y este hecho debe ser tenido en cuenta en el análisis. Las demandas estéticas por su parte, se refieren a la posibilidad de crear ambientación visual, destacar la arquitectura, ornamentación, obras de arte, etc. Para esto hay que considerar las características físicas y arquitectónicas del ambiente así como del mobiliario y del entorno, la importancia y significado del espacio, etc. En cuanto a alcances y limitaciones se puede afirmar que, por lo general, la restricción más importante es de carácter presupuestario. Para analizar este aspecto hay que considerar no sólo los costos de instalación sino también los de funcionamiento. Cuando las decisiones se toman solamente en función de la inversión inicial, como ocurre frecuentemente, se corre el riesgo de restringir seriamente los objetivos del proyecto o diseñar instalaciones donde los costos no previstos de consumo energético y mantenimiento hacen que su uso sea demasiado oneroso. Un ejemplo de este punto lo constituyen las lámparas fluorescentes compactas, cuyo uso muchas veces se descarta por su mayor precio en comparación con las fuentes incandescentes, a pesar que su alta eficiencia permite amortizar la inversión inicial en muy corto plazo. Otras restricciones pueden surgir de cuestiones normativas o reglamentarias, por razones de

seguridad o debido a la conformación del espacio, por ejemplo, la existencia de elementos estructurales, arquitectónicos o canalizaciones de otros servicios suelen impedir el emplazamiento de luminarias y/o equipos auxiliares. La mayoría de los datos necesarios para el análisis del proyecto se obtiene de la documentación técnica que deben suministrar el propietario y/o el responsable de la obra. Pero también hay que realizar un relevamiento visual (y eventualmente fotométrico, eléctrico y fotográfico) en la obra, ya que permite verificar y completar datos técnicos e identificar detalles difíciles de especificar en planos. Por último, la entrevista a los usuarios es también de mucha ayuda, ya que brinda la oportunidad de conocer sus opiniones, necesidades y preferencias respecto de las condiciones de iluminación. 2.2. Planificación básica A partir del análisis de la información reunida en la etapa anterior, es posible establecer un perfil de las características que debe tener la instalación para satisfacer las distintas demandas que el trabajo plantea. Lo que se busca aquí es desarrollar las ideas básicas del diseño sin llegar a precisar todavía ningún aspecto específico como seria la selección de las luminarias, por ejemplo. En este punto se define el sistema de alumbrado, las características de las fuentes luminosas, la factibilidad para el uso de alumbrado natural y, eventualmente, la estrategia para su integración con la iluminación artificial, etc. Para estas tareas, la consulta a publicaciones especializadas y la visita a instalaciones con características similares ayudan a desarrollar algunas ideas; pero fundamentalmente, son la aptitud y experiencia del diseñador y sobre todo su espíritu creativo, los elementos que permiten plasmar el concepto inicial de diseño. Elección del sistema de alumbrado En las Figuras 2 a 5 se muestran los principales sistemas de alumbrado utilizados en instalaciones de iluminación de interiores y en la Tabla 1 se resumen las características más importantes a tener en cuenta para seleccionar el tipo más adecuado.

Figura 2. Alumbrado general

Figura 3. Alumbrado localizado

Figura 4. Alumbrado general y localizado

Figura 5. Alumbrado modularizado

El sistema de alumbrado general se caracteriza por proveer una iluminación uniforme en todo el espacio ya que las luminarias se distribuyen en planta en forma regular. Esto conduce a un mayor consumo de energía por alumbrado, en especial en instalaciones de grandes dimensiones, como por ejemplo locales de planta abierta. Este tipo de iluminación brinda al ambiente un aspecto ordenado y produce efectos de modelado bastantes blandos, es simple de diseñar y no requiere coordinación con el esquema de distribución de los puestos de trabajo. Si se trata de salas donde se prevé utilizar paneles divisorios o muebles de altura considerable, puede ser necesario modularizar también el arreglo de luminarias (Figura 5) a fin de minimizar los efectos de proyección de sombras sobre el plano de trabajo.

Tabla 1: Características aproximadas de los sistemas de alumbrado:

Sistema Disposición Características Efectos Visuales Coordinación Consumode

Alumbrado de

Luminarias Luminotécnicas Sobre el Espacio Sobre personas

y objetos con ubicación de áreas de trabajo

energético

General Directo o indirecto

Uniforme

Altos niveles de Iluminancia en todo el espacio. Excelente uni-formidad. Reducción de contrastes y brillos. Se minimiza la proyección de sombras.

Produce sensación de amplitud y orden Crea atmósferas de monotonía y condi-ciones propicias pa-ra trabajos que re-quieren de alta concentración.

Modelados blandos. Aplana texturas. Oculta detalles. Minimiza efectos de reflejos especulares Apaga intensidad de los colores.

No requiere

Elevado (más con sis-tema indirecto). No permite reducción indi-vidual de los niveles de iluminación.

Localizado

Irregular

Altos niveles de Ilumi-nancia sólo en áreas de interés. Uniformidad general baja Contrastes realzados. Puede cau-sar importante proyec-ción de sombras

Produce sensación de reducción del espacio. Puede crear atmósferas dramáticas, estimu- lantes y distractivas

Modelados duros. Realza textura y detalles. Los colores resultan más inten-sos. Ideal para crear efectos luminosos.

Muy importante

Reducido. Adecuado para controlar niveles de iluminación individualmente.

General y localizado

Uniforme (general) e irregular (localizado)

Iluminancia general re-ducida respecto de áreas de trabajo. Unifor-midad general baja. Contrastes realzados. Puede causar impor-tante proyección de sombras

Un balance adecuado puede compen-sar la sensación de reducción del espa-cio y crear condicio-nes propicias para el trabajo

Con un balance adecuado el modelado resulta casi natural. Buena apariencia de textura y detalles.

Muy importante sólo para el sistema de alumbrado localizado

Intermedio entre alumbrado general y locali-zado. Adecuado para controlar niveles de iluminación individual-mente sin afectar el resto de la instalación.

Modularizado

Uniforme por sectores

Iluminancia media elevada. Uniformidad excelente. Reducidos contrastes y proyección de sombras

Idem a alumbrado general

Idem a alumbrado general

Importante para determinar el arreglo de luminarias

Elevado. Requiere sectorización de los circuitos. Permite reducción de los nive-les de iluminación por sectores.

En el caso de alumbrado localizado, el arreglo de luminarias se diseña para proveer valores de iluminación altos solamente en las áreas de trabajo y en sectores que interesa destacar tales como accesos, áreas con riesgo de accidentes, lugares donde se quiere crear efectos decorativos, etc. y se deja el resto de la instalación con niveles menores. Esto reduce considerablemente la carga energética en comparación con el sistema de alumbrado general, pero el diseño es más complejo puesto que se necesita coordinar con el esquema de ocupación del espacio y, además, hay que cuidar que el desbalance de iluminancias no produzca efectos distractivos, cansancio visual o afecte la estética del espacio. A fin de satisfacer los requerimientos de seguridad para la circulación y confort visual, en general se recomienda una relación de iluminancias entre las áreas de trabajo y las otras zonas no superior a 3:1[3]. Elección de las fuentes luminosas Respecto de las fuentes luminosas, en la etapa de planificación básica, solamente se define el tipo de lámpara que conviene utilizar de acuerdo con las demandas del proyecto; por ejemplo, se decide si va a emplearse luz incandescente, fluorescente, vapor de mercurio, etc. La especificación definitiva (potencia, equipo auxiliar, modelo, forma, marca, etc.) se hace cuando se seleccionan las luminarias y se realiza el diseño geométrico. Para la selección de lámparas hay que tener en cuenta todos sus parámetros y características funcionales, según se vio en el capítulo de fuentes luminosas y equipos auxiliares. Sin embargo, para el tipo de análisis que interesa por ahora, en general, es suficiente considerar sólo los factores de diseño que tienen que ver con el rendimiento luminoso, las características cromáticas, la vida útil y el tiempo de encendido. En la tabla 2 se indican los requerimientos del diseño a tener en cuenta en relación con cada uno de esos parámetros.

Tabla 2. Factores de diseños a tener en cuenta para la selección del tipo de lámpara en la etapa de planificación básica.

Características de las Fuentes luminosas

Requerimientos o factores de diseño a tener en cuenta

Rendimiento luminoso [lm/W]

Tiempo diario de funcionamiento Uso racional de la energía

Temperatura de color [°K] Necesidades de ambientación Demandas psicológicas

Indice de respuesta al color

Demandas estéticas Reproducción de colores Apariencia de objetos

Vida útil [horas]

Tiempo diario de funcionamiento Frecuencia de encendido-apagado Requerimientos de mantenimiento

Tiempo de encendido

Tiempo de puesta en servicio de la iluminación Demandas de seguridad Requerimientos de mantenimiento

Alumbrado Natural El empleo de la luz natural para iluminación de interiores es una excelente alternativa para optimizar el consumo de energía por alumbrado en edificios. Además, siempre es importante tener en cuenta que, aún cuando la disponibilidad de luz natural no sea suficiente para la realización de las tareas, hay un alto porcentaje de personas que prefieren trabajar con luz natural o al menos, tener en sus hábitats la apariencia de la iluminación diurna[2,4]. Por otro lado; el hecho de disponer aberturas brinda una serie de ventajas adicionales en relación con los objetivos de un diseño, por ejemplo: posibilita el acondicionamiento ambiental y la ventilación del local, permite el contacto visual y físico con el exterior lo cuál contribuye al bienestar y satisfacción de los usuarios, si el escenario a través de las ventanas está adecuadamente tratado. En relación con el alumbrado natural, los aspectos a abordar en un proyecto de iluminación comprenden: la determinación del potencial de luz natural (ver capítulo sobre Luz natural e iluminación de interiores), la coordinación entre el alumbrado natural y artificial (ver capítulo sobre El aprovechamiento energético del alumbrado natural en edificios) y la selección del equipamiento para el control de la iluminación artificial (ver capítulos sobre Sistemas de control). Hay que agregar también, el diseño de ventanas y sistemas de protección[5], aunque normalmente este aspecto no es competencia del diseñador de iluminación. La disponibilidad de luz natural en interiores y su potencial de ahorro de energía puede estimarse mediante el coeficiente de luz diurna promedio (ver capítulo sobre El aprovechamiento energético del alumbrado natural en edificios). Si se requiere más precisión hay que recurrir al estudio con modelos a escala[6] o a cálculos más elaborados, como por ejemplo con métodos computacionales[7]. El coeficiente de luz diurna (CLD) en un punto interior expresa la relación entre la iluminancia producida por la luz natural en el punto y la iluminancia en el exterior determinada en el mismo instante y sin obstrucciones (Figura 6). Eint

CLD % = -------- x 100 (1) Eext

Figura 6. El coeficiente de luz diurna

La tabla 3 muestra valores de CLD promedio tomados de la norma IRAM-AADL j20-02[8] para locales de trabajo en función de la dificultad de las tareas visuales. La tabla 4 por su

Eint

Eext

Eint

CLD % = ----- 100 Eext

parte, indica cómo se puede caracterizar la impresión de claridad y ambientación en un espacio iluminado con luz natural a través de los valores de ese coeficiente. En general se puede decir que para planificar un aprovechamiento de luz natural hay que disponer de un coeficiente de luz diurna promedio no inferior a 2%. También, que en locales donde el valor es superior a 5% y la geometría de ventanas asegura una distribución uniforme del alumbrado, es posible prescindir de la iluminación artificial durante el día; aunque esta última siempre es necesaria (para el uso nocturno del local o cuando no hay suficiente luz natural). Con el uso de luz natural hay que cuidar el balance de luminancias de las superficies internas, en especial en la proximidad de ventanas, a fin de prevenir molestias visuales debido a elevados contrastes de claridades con las aberturas. También, hay que estudiar cuidadosamente la ubicación de los puestos de trabajo para no causar deslumbramiento directo o por reflexión de las aberturas. Lo ideal es evitar ubicarlos enfrentados o de espalda a las ventanas, en especial, cuando se trabaja con computadoras.

Tabla 3: Valores recomendados en norma IRAM-AADL j20-02 para el coeficiente de luz diurna promedio según la dificultad de la tarea

Clasificación de la tarea según su dificultad

CLD promedio %

Ejemplos típicos de la norma IRAM-AADL j20-05

Reducida 1 Circulación, depósitos de materiales toscos, etc. Mediana 2 Inspección general, trabajo común de oficina.

Alta 5 Trabajos de costura, dibujo, etc. Muy alta 10 Montaje e inspección de mecanismos delicados.

Tabla 4: Correspondencia entre la impresión visual de claridad y ambientación con el coeficiente de luz diurna CLD medio.

% < 1 1 - 2 2 – 4 4 - 7 7 – 12 > 12

Muy bajo Bajo Moderado Medio Alto Muy alto

CLD sobre un plano horizontal Sector

del local Zonas alejadas de las ventanas, dista ntes 3 a 4 veces la altura de las ventanas

Zonas próximas a ventanas o bajo

claraboyas Impresión de claridad

De oscura a poco clara

De poco clara a clara De clara a muy clara

Ambientación El local parece separado del exterior (dormitorios, foyers)

El local se abre hacia el exterior (áreas de Trabajo)

2.3. Diseño detallado En esta etapa, en función del perfil definido en la fase de planificación básica, se comienza a resolver los aspectos específicos del proyecto, estos comprenden: la selección de luminarias, el diseño geométrico y sistema de montaje, los sistemas de alimentación, comando y control eléctricos, la instalación de alumbrado de emergencia y seguridad. Además, se realiza el análisis económico-financiero y el presupuesto del proyecto, se confecciona la documentación

técnica (planos y memorias descriptiva) incluyendo una propuesta de esquemas funcionales para propiciar el uso racional de la energía y un programa adecuado de mantenimiento. Es muy conveniente, y a menudo solicitado por el usuario, considerar varias alternativas. Selección de luminarias La selección de las luminarias es uno de los aspectos más importante del proyecto. El tipo más conveniente se determina sobre la base de consideraciones técnicas, estéticas y por supuesto, económicas. Aunque siempre deben considerarse los tres factores, hay que establecer prioridades en función de los requerimientos del diseño. Por ejemplo, si la ambientación visual es la meta deseada, la pauta predominante en la selección será la búsqueda de armonía entre los artefactos y el estilo arquitectónico, el carácter y la ornamentación del local. Si en cambio, se necesita crear condiciones de trabajo visual adecuadas y alta eficiencia energética, van a prevalecer los criterios técnicos tales como el rendimiento de las luminarias, las características fotométricas, el control de deslumbramiento, etc. El mercado ofrece una amplia variedad de luminarias que permiten satisfacer, prácticamente, cualquier tipo de demanda. Sin embargo, hay que tener en cuenta que las luminarias se diseñan para funcionar con determinados tipos de lámparas; esto significa que una vez definido el tipo de fuente, el universo de artefactos disponibles se reduce. Lo mismo ocurre con las lámparas si primero se define el tipo de luminaria. De manera que la elección debe hacerse en forma conjunta. En la tabla 5 se indica los distintos criterios que normalmente se utilizan para identificar los tipos de luminarias. En instalaciones de alumbrado, y con el propósito de ahorrar energía, se recurre con bastante frecuencia al reemplazo de lámparas por otras más eficientes pero sin cambiar la luminaria. Por ejemplo, es común sustituir lámparas de mercurio por sodio de alta presión o fuentes incandescentes por fluorescentes compactas de menor potencia pero con similar flujo luminoso. Se puede demostrar fácilmente que esta estrategia es muy conveniente económicamente. Sin embargo, hay que tener en cuenta que el reemplazo puede implicar una modificación de la fotometría del artefacto por cuanto cambian el tamaño, la forma y a veces, hasta el tipo de ampolla (por ejemplo, se pasa de una lámpara clara a otra con recubrimiento difusor), además, se pueden modifican también las características cromáticas. De manera que hay que hacer un análisis fotométrico y colorimétrico con las nuevas fuentes a fin de verificar que la distribución espacial de la luz y la reproducción de colores no se modifiquen de tal modo que afecten las condiciones de iluminación y visión. Por otro lado es importante también controlar que el eventual cambio en la apariencia del espacio no produzca efectos negativos sobre las personas. Con el fin de que este tipo de estrategias de ahorro de energía cubra las expectativas de aceptación del usuario conviene aplicar lo indicado en la sección análisis del proyecto sobre entrevistas a los usuarios. En este capítulo se considerarán sólo los aspectos fotométricos, pero en la selección hay que tener en cuenta también las características físicas, constructivas, mecánicas, eléctricas, térmicas, de seguridad, estéticas y por supuesto, económicas (ver capítulo sobre Fuentes Luminosas y Equipos Auxiliares). Estas se pueden consultar en numerosas publicaciones técnicas [9], [10] aunque siempre es conveniente tratar de obtener información de los fabricantes.

Tabla 5. Criterios de clasificación de luminarias normalmente usados en la práctica.

Criterio de clasificación

Tipo de luminaria Ejemplos típicos

Alumbrado general Luminarias fluorescentes (lineales o compactas), campanas.

Alumbrado localizado Lámparas de mesa, spots* p/ilumi-nación de obras de arte.

Uso Alumbrado decorativo Luminarias de estilo, colgantes, apliques.

Señalización y emergencia Letreros luminosos, indicadores de dirección, luces de emergencia.

Especiales Luminarias estancas (sumergibles), capsuladas (p/ambientes explosivos)

Incandescente (Convencionales y halógenas de bajo voltaje)

Luminarias de mesa, spots, apliques y colgantes.

Tipo de fuente

Fluorescente (Lineales y compactas) Plafones y colgantes, downlights**, uplights***, bañadores.

de luz Descarga en gas (Tubulares y elipsoidales)

Proyectores, campanas.

Conductores de luz Fibras ópticas, lumiductos. Puntual Spots p/ lámparas halógenas de baja

tensión Dimensiones Extensa Fluorescentes lineales

Embutido, aplicado o suspendido (eventualmente con pequeños ajuste del enfoque)

Luminarias fluorescentes (lineales o compactas), campanas, spots, downlights, uplights.

Estructuras modulares Módulos lineales fluorescentes integrados.

Fijo

Integrados a la arquitectura Cielorasos luminosos, pozos de luz, gargantas y molduras.

De enfoque libre Proyectores.

Tipo de montaje

Móvil Desplazables (generalmente también orientables)

Luminarias p/rieles electrificados

Sin cerramiento Plafones y colgantes abiertos, campanas.

Difusor opalino o prismático. Plafones y colgantes cerrados. Cerramiento Louver de malla pequeña, grande o doble parabólico.

Plafones y colgantes, downlights.

Difusora Luminarias fluorescentes (lineales o compactas).

Superficie reflectora Especular (lisa o facetada) Luminarias fluorescentes (lineales o

compactas), downlights, proyectores. * Spot: Luminaria de pequeñas dimensiones, asimilable a un punto luminoso. ** Downlight: Luminaria que dirige la luz principalmente de arriba hacia abajo. *** Uplight: Luminaria que dirige la luz principalmente de abajo hacia arriba. Nota: Se ha mantenido la denominación en inglés por cuanto estos términos son ampliamente conocidos y usados en la práctica.

Características fotométricas de luminarias Desde el punto de vista fotométrico los aspectos que interesan para la selección de una luminaria son el rendimiento luminoso y la distribución luminosa. Rendimiento luminoso Este factor expresa la relación entre el flujo luminoso emitido por el artefacto y el flujo de las lámparas que contiene (Figura 7). En general, interesan el rendimiento total y por hemisferios, definidos de la siguiente manera: Flujo total emitido por la luminaria (φ0-180) η = --------------------------------------------------------- Rendimiento total Flujo total de lámparas (φL) Flujo emitido en el hemisferio inferior (φ0-90) Rendimiento en el η0-90 = ----------------------------------------------------------- hemisferio inferior Flujo total de lámparas (φL)

Flujo emitido en el hemisferio superior (φ90-180) Rendimiento en el η90-180 = ---------------------------------------------------------------- hemisferio superior Flujo total de lámparas (φL) El hemisferio inferior comprende desde la posición de nadir (0°) hasta la horizontal (90° ), mientras que el superior, desde la horizontal (90°) hasta la posición del cenit (180°), según se puede ver en la Figura 7.

0° (Nadir)

90°Horizontal

180°Cenit

φL φ0-90

φ90-180

Figura 7. Rendimiento de una luminaria y distribución del flujo por hemisferios El rendimiento luminoso total es una medida de la eficiencia energética de una luminaria pero no brinda mucha información acerca de cómo es la distribución espacial de la luz. Cuando se aplican estrategias de ahorro de energía basadas en reemplazo de lámparas, como se indicó en la sección anterior, se debe analizar la influencia de la modificación sobre el rendimiento de la luminaria.

La Comisión Internacional de Alumbrado[11] (CIE) clasifica las luminarias de acuerdo con el porcentaje de flujo emitido por el artefacto hacia cada hemisferio (tabla 6).

Tabla 6: Clasificación CIE de luminarias de acuerdo con la distribución del flujo luminoso hacia los hemisferios inferior y superior respectivamente.

40 - 6040 - 60

Es un caso especial del tipo difusa pero con una eficiencia energética un poco mayor. Estas luminarias emiten poco flujo en ángulos próximos a la horizontal lo cuál reduce las luminancias en la zona de deslumbramiento directo.

Elimina virtualmente las sombras y el deslumbramiento directo y reflejado pero tiene baja eficiencia energéticaRequiere altas reflectancias de paredes y cieloraso y un adecuado programa de mantenimiento de artefactos y superficies. Hay que cuidar el balance de luminancias con el cieloraso.

Similares al tipo semi-directo pero con menor eficiencia energética. Las superficies del local deben tener alta reflectancia. La baja componente directa reduce las luminancias deslumbrantes y el contraste de claridades con el cieloraso.

Directa-indirecta

Semi-indirecta

Indirecta

90 - 100 0 - 10

60 - 9010 - 40

Combinadas entre tipos directa y semi-directa pero conmenor eficiencia energética. Produce buenas relaciones de claridad y suavizado de sombras. Puede ocasionar deslumbramiento (directo y reflejado) aunque su efecto es compensado por la componente reflejada (difusa). Requiere altas reflectancias de paredes y cieloraso.

Similares a tipo directo pero con menor eficiencia ener- gética. Reduce el contraste de luminancias con el cie-loraso. La luz reflejada (difusa) suaviza sombras y mejora las relaciones de claridad. No deben instalarse demasiado cerca del cieloraso para evitar áreas de al-ta luminancia que podrían resultar distractivas, pertur- badoras y afectar la estética del ambiente.

Semi-directa

Difusa

Directa

40 - 6040 - 60

10 - 4060 - 90

0 - 1090 - 100

Tipo deluminaria

Distribución delflujo por hemisferios

% superior% inferior

Alta eficiencia energética. Posibilita buena uniformidady balance de claridades en el campo visual. Con distri- bución concentrada puede requerir alumbrado suple-mentario para aumentar la iluminancia en superficies verticales. El cieloraso o la cavidad sobre el plano de montaje pueden resultar poco iluminados. En general requiere control de luminancias para minimizar deslumbramiento (directo y reflejado).

Características

Curva de distribución luminosa La representación espacial de las intensidades luminosas de una luminaria permite determinar como se distribuye el flujo luminoso en un local. Esta información se presenta en forma gráfica (normalmente utilizando coordenadas polares) y también tabular para distintos planos como se indica en la Figura 8.

Figura 8. Representación polar de la distribución luminosa de una luminaria. Para cada plano de corte (izquierda) se suministra una curva (derecha) con los valores de intensidad correspondiente a ese plano. Como generalmente las luminarias de alumbrado interior tienen distribución espacial de intensidades con simetría de rotación, para su representación es suficiente un solo plano. En la figura 9 se indican las curvas de tres artefactos típicos.

100

γ = 0°

200

300

180°

C = 90°45°

90°

C = O°

Figura 9. Curvas típica de distribución luminosa en representación polar para artefactos: a) con distribución ancha, b) con haz angosto y c) con forma de ala de murciélago La distribución de intensidades luminosas se utiliza, fundamentalmente, para realizar cálculos de iluminación, pero también en la selección de luminarias es muy útil. Por ejemplo, en la Figura 10 se puede ver que, para iluminar un espacio, se necesita una menor cantidad de artefactos de distribución ancha (Figura 10a) que de distribución angosta (Figura 10b). Esto, desde el punto de vista del consumo de energía, podría ser más conveniente, pero también hay que analizar otros factores, como el deslumbramiento o la apariencia del espacio.

Figura 10. Vista de corte de un local iluminado con luminarias de distribución ancha (izquierda) y angosta (derecha). Con el primer tipo de artefactos se podría reducir el consumo de energía ya que se requiere menor cantidad de artefactos. Cálculos de iluminación Durante la ejecución de un proyecto de iluminación las necesidades de cálculo son variadas. En las primeras etapas, por lo general sólo se requieren valores aproximados que luego hay que ajustar mediante cálculos más elaborados. Un caso típico, que casi siempre se presenta antes de comenzar el proyecto, es la determinación de la potencia eléctrica del sistema de alumbrado. Este dato se necesita, por ejemplo, para proyectar la instalación eléctrica, el sistema de ventilación y aire acondicionado o para efectuar análisis energéticos y económicos. El cálculo de la iluminación de interiores comprende la determinación del flujo luminoso total que incide sobre un punto o una superficie. Este flujo se compone de dos partes (Figura 11), la primera corresponde a la fracción que llega directamente desde las luminarias (componente directa), la otra involucra la cantidad de luz proveniente de las múltiples reflexiones que tienen lugar en los objetos y las superficies que delimitan el espacio y que pueden considerarse como fuentes secundarias (componente indirecta o interreflejada).

Figura 11. El flujo luminoso que llega a una superficie se integra con la fracción que proviene directamente de las luminarias (componente directa) y la producida por las interreflexiones en las superficies del local (componente indirecta).

Plano de Trabajo

ComponenteDirecta

Componente Indirecta

Método del factor de utilización[12] El método del factor de utilización (µ) sirve para determinar la iluminancia media sobre una superficie denominada el plano de trabajo. En la Norma Argentina IRAM-AADL j20-05[13] sobre alumbrado de interiores, se utiliza la versión de este procedimiento conocida como Método de las cavidades zonales. El factor de utilización representa la fracción (�u) del flujo luminoso total (�Tot) de lámparas instaladas, que llega al plano de trabajo después de interactuar con las luminarias y las superficies del local.

Flujo incidente sobre el plano de trabajo φu µ = −−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−− = −−− (2) Flujo total de lámparas instalado φTot

El factor µ depende de la fotometría de la luminaria empleada, de la geometría de la instalación y de los factores de reflexión de las superficies del local. Para determinar la iluminancia media sobre el plano de trabajo (Eimed), en función del factor de utilización de la instalación, se emplea la siguiente expresión:

N . φL . µ Eimed = ----------------- (3) l . a

donde: Eimed : Iluminancia media sobre el plano de trabajo en lux φL : Flujo de lámparas por luminarias en lúmenes. µ : Factor de utilización de la instalación. N : Número de luminarias instaladas l : longitud del local en metros a : ancho del local en metros

El método del factor de utilización puede aplicarse bajo una serie de supuestos que deben cumplirse, razonablemente, para obtener resultados confiables:

Distribución uniforme de las luminarias en planta. Las superficies del local deben ser difusoras y espectralmente neutras. El flujo incidente sobre cada superficie debe distribuirse en forma uniforme. El local está libre de obstrucciones de tamaño considerable.

Por lo general, la expresión (3) se utiliza para estimar el número de artefactos necesarios para obtener un cierto nivel de iluminancia media. Normalmente se utiliza el valor recomendado por normas en función de la dificultad visual de las tareas involucradas[14]. Para posibilitar la aplicación del método, los fabricantes de luminarias deben suministrar los datos del factor de utilización de sus productos. Normalmente esta información se presenta en tablas (Tabla 7) donde utiliza un índice de local (k) para caracterizar la geometría del espacio (Figura 12) y se toma como parámetros las reflectancias de las superficies del local.

Tabla 7: Factores de utilización de una luminaria del mercado argentino

Reflectancia cieloraso [ %]

80 70 50

Reflectancia paredes [ %]

70 50 30 10 70 50 30 10 70 50 30 10

Indice de local Factores de utilización 1 0.90 0.86 0.83 0.80 0.88 0.85 0.81 0.78 0.81 0.78 0.75 0.77 2 0.82 0.75 0.69 0.64 0.80 0.73 0.68 0.64 0.70 0.66 0.62 0.67 3 0.74 0.66 0.57 0.52 0.72 0.64 0.58 0.52 0.61 0.56 0.52 0.59 4 0.68 0.58 0.50 0.45 0.66 0.56 0.50 0.44 0.54 0.48 0.43 0.52 5 0.62 0.50 0.42 0.37 0.59 0.49 0.42 0.37 0.48 0.41 0.36 0.46 6 0.57 0.44 0.38 0.32 0.55 0.44 0.37 0.31 0.42 0.36 0.31 0.41 7 0.52 0.40 0.33 0.27 0.50 0.39 0.32 0.27 0.38 0.31 0.26 0.36 8 0.48 0.36 0.28 0.23 0.46 0.35 0.28 0.23 0.34 0.28 0.23 0.33 9 0.44 0.32 0.25 0.20 0.42 0.31 0.25 0.20 0.30 0.24 0.20 0.29

10 0.29 0.22 0.18 0.39 0.28 0.22 0.18 0.28 0.21 0.17 0.26 0.21 Si no se dispone esta información, se puede recurrir a datos de luminarias genéricas[15] que tienen similitud física.

Figura 12. Método del coeficiente de utilización. Características geométricas del local

En la expresión (3) Eimed representa la iluminancia inicial, es decir el valor al momento de poner la instalación en servicio por primera vez. Con el uso y debido a la depreciación del sistema se produce una reducción progresiva de la iluminancia. Para compensar tal efecto, se aumenta el nivel inicial de modo que, justo antes de efectuar las operaciones de mantenimiento correspondientes, la instalación tenga el valor conocido como nivel de iluminancia mantenido (Emmed) (Figura 13). Este valor se determina introduciendo el factor de depreciación (d) en la expresión (3):

Plano de Trabajo

Plano de montajede las luminarias

h

a

l

l + a

l x ak = 5 . h .

Indice del local

N . φL . µ Emmed = -------------- . d (4)

l . a El factor d contempla los distintos fenómenos que contribuyen a la depreciación. Los

principales son: el envejecimiento de lámparas y la acumulación de suciedad en luminarias y superficies del local. La reducción de flujo por decrepitud de lámparas se obtiene como información técnica de los fabricantes. Los efectos de la suciedad se estiman empleando tablas[15], en función del período de mantenimiento programado y del tipo de luminaria y la atmósfera del local.

Figura 13. El efecto de la depreciación de las instalaciones provoca una disminución progresiva del nivel de

iluminancia media sobre el plano de trabajo que debe ser compensada por un aumento del nivel inicial a fin de disponer el valor de iluminancia mantenida al final del período de mantenimiento.

Einicial

Emantenida

Ilum

inan

cia

[%]

Tiempo de funcionamiento [horas]

Período de mantenimiento

Como el factor de mantenimiento es siempre menor que uno, la cantidad de luminarias (N) derivada de la expresión (4) es mayor que la obtenida si no se tuviera en cuenta la depreciación. Esto demuestra la importancia que adquiere la determinación precisa de ese factor para contribuir al objetivo de una iluminación eficiente. Método de la potencia específica (Pe) Este procedimiento se deriva del método de factor de utilización y se emplea más para evaluar la eficiencia energética de instalaciones de alumbrado que como herramienta de cálculo de iluminación. La potencia específica (Pe) de una instalación de alumbrado se define como la potencia de lámparas (incluyendo el consumo de los equipos auxiliares) por metro cuadrado, necesaria para obtener un nivel de iluminancia media de 100 lux. En la tabla 8, se indican valores de referencia de este parámetro. La base conceptual del método Pe radica en que cada tipo de lámpara tiene una eficacia luminosa (ver capítulo de fuentes luminosas y equipos auxiliares) que, en principio, puede considerarse independiente de la potencia de la fuente. Dicho de otro modo, en una instalación de alumbrado de 600 vatios instalados, con lámparas incandescentes por ejemplo, se podría disponer del mismo flujo luminoso sobre el plano de trabajo, con 6 fuentes de 100 vatios ó con 10 de 60 vatios, suponiendo que en ambos casos se emplean artefactos de similar comportamiento fotométrico.

El procedimiento de la potencia específica como herramienta de cálculo sólo permite realizar determinaciones aproximadas. Para su aplicación, en la fórmula del método del factor de utilización (expresión 4 ) se debe reemplazar el flujo de lámparas (�L), por la relación: Potencia por luminaria (PL)/Potencia específica de la instalación (Pe). Además, hay que incluir la constante 100 y un factor de corrección (f) que tiene en cuenta las características geométricas del local y los factores de reflexión de paredes ( ρw), piso (ρf) y cieloraso (ρc) (Tabla 9).

N . 100 PL Emmed = ------------ . ---- . d . f (5)

l . a Pe En la expresión anterior cada factor representa lo siguiente:

Eimed : Iluminancia media mantenida sobre el plano de trabajo en lux PL : Potencia de lámparas por luminarias en watts. Pe : Potencia específica de la instalación en W/m2 . 100 lux. N : Número de luminarias instaladas d : Factor de depreciación de la instalación f : Factor de corrección por geometría del local l : longitud del local en metros a : ancho del local en metros

Tabla 8. Valores de referencia de potencia específica para diferentes tipos de lámparas en luminarias de radiación directa.

Tipo de lámpara Potencia específica (Pe) [W/m2 . 100 lux]

Incandescente convencional 12 Incandescente halógena 10 Fluorescente tubular 3 Fluorescente compacta 4 Vapor de mercurio elipsoidal 5 Mercurio halogenado tubular 4

Tabla 9. Método de la potencia específica: factores de corrección por geometría del local y por reflectancias de

cieloraso (ρc), paredes (ρw) y piso (ρf). ρc 0.70 0.50 0.00 ρw 0.50 0.20 0.00

Area del Altura del ρf 0.20 0.10 0.00 local [m2] local [m]

20 0.75 0.65 0.60 50 ≤ 3 0.90 0.80 0.75

≥100 1.00 0.90 0.85 20 0.55 0.45 0.40 50 3 – 5 0.75 0.65 0.60

≥100 0.90 0.80 0.75 50 ≥ 5 0.55 0.45 0.40

≥100 0.75 0.60 0.60 Método de cálculo de iluminación puntual En muchos proyectos se requiere establecer la iluminancia en puntos determinados en lugar del valor promedio sobre una superficie. En estos casos se aplica el método de cálculo conocido como punto por punto[16]. El procedimiento de cálculo de iluminancias puntuales es más exacto que el método del factor de utilización, pero también es más complejo puesto que las componentes directa e indirecta (Figura 11) deben determinase por separado. Además también es más laborioso ya que en cada punto debe considerarse la contribución de cada luminaria individualmente. Por estas razones, la aplicación manual de este método es prácticamente posible sólo si la cantidad de puntos y luminarias es pequeña, de otra manera, se debe recurrir al empleo de programas especializados para cálculos de iluminación por computadoras. Cálculo del componente directo Para determinar la iluminancia directa (Epi) que produce una luminaria en un punto se aplica la ley de la inversa de los cuadrados[17], la cual establece que Epi es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia desde la luminaria hasta el punto de cálculo (Figura 14): Iγ

Epi = ------- (6) d2

Para calcular la iluminancia directa total el punto (Ep) se emplea la expresión anterior para determinar la contribución de cada luminaria y se suman los resultados.

Iγi Ep = Σ ----- (7) di

2

Los factores en las expresiones anteriores representan:

d : Distancia luminaria-punto de cálculo en metros, Iγ : Intensidad luminosa en la dirección del punto P en candelas.

Los valores de intensidad luminosa necesarios para aplicar las expresiones (6) y (7) se obtienen de la curva de distribución luminosa del artefacto (ver sección Características fotométricas de luminarias) que debe suministrar el fabricante de la luminaria como información técnica. En la expresión (6) Epi representa la iluminancia en la dirección normal a la incidencia de Iγ. En la práctica, por lo general, interesa determinar las iluminancias horizontal (Eph) y/o vertical (Epv). Además, si todos los artefactos se instalan a la misma altura (como habitualmente ocurre) al reemplazar la distancia d por h/cos(γi), la expresión de la ley de la inversa de los cuadrados para se transforma en: Iγi . cos3(γi)

Eph = Σ ------------------- (8) Iluminancia horizontal en el punto P h2

Iγi . cos2(γ) . sen(γ)

Epv = Σ ---------------------------- (9) Iluminancia vertical en el punto P h2

Figura 14. La iluminancia en el punto P es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia

entre la luminaria y el punto de cálculo (Ley de la inversa de los cuadrados)

h

p

dγ

Iγ

La ley de la inversa de los cuadrados es estrictamente válida solamente para fuentes puntuales. Sin embargo, si la distancia desde la luminaria al punto de cálculo es igual o mayor a 5 veces el máximo tamaño de la fuente, el error en el cálculo normalmente es menor que

10%. Esto se conoce como el criterio del quíntuplo de la distancia y debe ser especialmente tenido en cuenta en los cálculos de alumbrado interior, ya que las distancias involucradas no siempre cumplen la condición mencionada y ello puede representar una importante fuente de error. Cálculo de la componente indirecta El cálculo de la componente indirecta de la iluminancia se realiza aplicando métodos computacionales basados en la teoría de transferencia de flujo[18]. Estos procedimientos permiten obtener resultados bastantes precisos y exactos. Sin embargo, muchas veces sólo se requiere valores aproximados. En tales casos, si es posible asumir que la distribución luminosa de la luz reflejada es uniforme en todas las superficies del local incluido el plano de trabajo, se puede utilizar la siguiente expresión para estimar la contribución de una luminaria a la componente indirecta de la iluminancia:

φL ρm Ei = ------ ----------- (10) ATot 1 - ρm

En la expresión anterior: φL : Flujo luminoso de la luminaria en lúmenes. ATot : es la suma del área de todas las superficies del local en m2. ρm : es la reflectancia media de todas las superficies del local que se calcula con la siguiente

expresión:

Σ ρ i . A i ρm = -------------- (11)

Σ A i Donde A i y ρi son respectivamente, las áreas y reflectancias individuales de cada una de las superficies del local.

Diseño geométrico y sistemas de montaje Una vez que se ha determinado la cantidad de luminarias a instalar hay que proceder al diseño geométrico y de los sistemas de montaje. Para resolver estas cuestiones se debe tener en cuenta, en primer lugar, el sistema de alumbrado elegido, pero también el tipo de artefacto, el diseño arquitectónico y las características del cieloraso o el lugar donde se vayan a emplazar. En los sistemas de iluminación general, las luminarias se distribuyen uniformemente en planta como se indica en la Figura 15; pero también es posible adoptar otras distribuciones ya que la condición de uniformidad se refiere a la densidad de artefactos. En la Figura 16 se indican tres disposiciones alternativas de luminarias tipo downlights que son equivalentes desde el punto de vista luminotécnico. Para la iluminación localizada, los artefactos se disponen en los sectores donde se necesitan mayores niveles de iluminación o que interesen destacar, por ejemplo, áreas de trabajo, accesos o zonas con riesgo de accidentes. La iluminación del resto de ambiente se realiza con

la luz dispersada del sistema localizado o, a veces, con un alumbrado general de menor potencia.

a/2 a

b

b/2

Figura 15. Distribución típica de luminarias en planta uniforme: la distancia desde las paredes a los artefactos es igual a la mitad de la separación entre ellos. Una cuestión importante a considerar en el diseño geométrico, es el impacto visual que provoca la presencia del sistema de luminarias ya que puede afectar la estética del espacio. Aquí hay tener en cuenta ciertas reglas que gobiernan los mecanismos de la percepción e interpretación de imágenes. Según estas reglas, conocidas como leyes de la Gestalt[19], el sistema visual tiende a asociar patrones complejos con unidades más simples, sobre la base de principios de simetría, continuidad, cierre, proximidad, buena configuración, etc. (Figura 17).

Figura 16. Distribuciones en planta de 24 luminarias tipo downlight. Los tres casos son equivalentes en cuanto a los niveles de iluminación, grado de uniformidad, etc. pero las disposiciones modulares por grupos (ley de proximidad) pueden resultar más atractivas desde el punto de vista estético.

Distribución uniforme

Distribuciones uniformes ymodularizadas por grupos

Figura 17. Leyes de la Gestalt aplicadas para el diseño geométrico: la disposición de 8 luminarias tipo downlight (izquierda) se percibe como un círculo (leyes de proximidad y de cierre). Los 8 artefactos (centro) se interpretan como dos líneas, pero el agregado de 2 luminarias (derecha) convierte el esquema en 2 grupos de 5 artefactos (leyes de la buena configuración y de simetría) En lo que se refiere al tipo de luminaria, se puede decir que el diseño geométrico con artefactos suspendidos o plafón es más flexible que con luminarias embutidas, ya que en este último caso el emplazamiento puede estar limitado por elementos ubicados en la cavidad por arriba del cieloraso (en general, las canalizaciones de otros servicios). Otros condicionantes para el montaje son el tipo de cieloraso (por ejemplo, superficie de paneles modulares), su capacidad de carga y la presencia de elementos estructurales como vigas, columnas, conductos, etc. Diseño eléctrico El objetivo de eficiencia energética en un sistema de iluminación requiere no sólo de un diseño adecuado a ese propósito, sino también del uso apropiado de la instalación y para esto último, tiene mucho que ver el diseño de la alimentación eléctrica y, especialmente, del sistema de control de luces. Al diseñar la instalación eléctrica hay que tener en cuenta el voltaje de la línea de alimentación y su variabilidad, especialmente si se prevé utilizar lámparas de descarga ya que puede haber problemas de encendido o estabilidad del funcionamiento (ver capítulo sobre Fuentes Luminosas y Equipos Auxiliares). Esta información, que forma parte de los datos a reunir en la etapa de análisis del proyecto (ver sección Análisis del proyecto) se puede obtener de la empresa que suministra la energía, del responsable de la obra eléctrica o, a veces, del propietario; aunque siempre es recomendable controlar mediante mediciones tomadas en distintos momentos del período de utilización del sistema de iluminación. Otra cuestión relacionada con el diseño eléctrico es la distorsión de la forma de la onda de tensión eléctrica (generación de armónicas) debido al empleo de equipos auxiliares y sistemas electrónicos de control y regulación de luces de mala calidad (es decir, sin un filtrado adecuado). La introducción de armónicas en la red puede conducir a recargos en la facturación de la energía eléctrica pero además, ocasionar serios problemas en el funcionamiento de otros sistemas, como por ejemplo, la pérdida de información en centros de procesamiento de datos. Estas cuestiones destacan la importancia de la correcta selección y dimensionado de los equipos auxiliares (ver capítulo sobre Fuentes Luminosas y Equipos Auxiliares).

Control de la iluminación El control de luces responde a dos tipos de demandas. La primera, el uso racional de la energía, es una condición indispensable para cualquier proyecto que tenga como objetivo la iluminación eficiente (ver sección El concepto de iluminación eficiente) y se satisface ajustando la cantidad de luz, por niveles de iluminancia o por tiempo de uso (preferiblemente ambos) de acuerdo con los requerimientos de cada momento. La otra exigencia surge de la necesidad de brindar flexibilidad en la iluminación de locales con funciones variadas, por ejemplo, en salas de conferencias. Por supuesto ambos criterios no son excluyentes y pueden proyectarse complementariamente. Para implementar un control eficaz hay que programar las escenas de luz, es decir los esquemas funcionales de encendido y/o regulación del flujo de grupos de luminarias que permiten satisfacer las diferentes demandas de iluminación. Para ello debe determinarse claramente las necesidades de iluminación; éstas pueden variar por las distintas funciones del local (Figura 18) o temporalmente; por ejemplo, en un restaurante donde la mayor afluencia de clientes se produce los fines de semanas y días feriados, se podría prever una escena de luz para tales ocasiones y otra para los días de semana. Básicamente, los sistemas de control de iluminación, se dividen en manuales y automáticos (Tabla 10). Tabla 10. Clasificación de los sistemas de control de luces. Una descripción más detallada de las características técnicas y operativas de los sistemas de control se puede ver en los Capítulos 6, y 7.

Tipo de control

Estrategia de control

Dispositivo de comando

Características

Regulación escalonada

Interruptor (llave) de montaje sobre pared.

Posibilita el ajuste por pasos del nivel de iluminación.

Manual

Regulación

continua

Atenuador (dimer)

Permite ajuste continuo del nivel de ilu-minación. Generalmente incorpora la función interruptor. Puede tener montaje fijo (sobre pared) y/o móvil (remoto)

Programable

Unidad de Control multicanal

Permite programar escenas de luz que se conectan accionando pulsadores locales y/o remotos. Generalmente incorpora las funciones de retardo y atenuación (Figura 18)

Local Unidad de Control multicanal

Automatiza el control de un solo local o zona del edificio (Figura 19).

Automático Central

Unidad de Control multicanal

Integra el control de varias zonas (Figura 21). Se puede incorporar a un sistema de gestión integral de energía y servicios (edificios inteligentes)

El comando remoto requiere de un dispositivo emisor y otro receptor de la señal de control (Figura 19). El receptor puede incorporarse en las luminarias o disponerse externamente. En el primer caso, se economiza el cableado y es una buena alternativa para obras de remodelación donde la capacidad de los conductos de la instalación eléctrica está saturada o no es posible la rotura de paredes y cieloraso.

Figura 18. Programación de 4 escenas de luz para un auditorio en función de las distintas demandas de iluminación, empleando un sistema de control manual con 3 canales conmutables y dimerizables. La sala dispone de 3 sistemas de alumbrado (vista de planta a la izquierda): (1) Iluminación general, (2) Baño de luz s/paredes y (3) Iluminación de la zona de exposición.

FunciónAtenuación [%]

Escena Canales de luz

A

B

D

C22

2 2222

21

21

12

1

2

12

2

4

12

1

1 1

4

12

1

1 2 3

758060

Iluminación durante exposiciones con proyección de imágenesPreparación, limpieza y mantenimiento del salón70 1

Iluminación durante exposiciones sin proyección de imágenes

Iluminación general del salón

50 70

sin atenuación

1 2 3

sin atenuación1 - 2

2

2 2

2

2

Grupo de luminarias 2

1

1

2

2

2

1

Grupo de luminarias 1

Emisor

ReceptorEmisor remoto

Receptor

línea

Figura 19. Control manual de luces con comando remoto. El receptor, en este caso externo, capta la señal de mando del emisor y conecta el grupo de luminarias que corresponde. El agregado de la función atenuación más la conexión de los artefactos en 2 esquemas de trebolillo brinda amplia flexibilidad al sistema.

El sistema de control automático puede ser local (Figura 20) o central (Figura 21) según controle una o varias zonas, respectivamente. En el primer caso el sistema se integra con los siguientes componentes: Sistema de sensores: Generan señales en función del valor de la magnitud de sensado. Canal de comunicación (bus de sensores): Transportan las señales de los sensores hacia la unidad de control Unidad local de control: Contiene un procesador que recibe los señales de los sensores y, en función de los niveles de operación preestablecidos, determina el estado de actuación (conexión y/o dimerizado y/o retardo o desconexión) de los dispositivos de comando (interruptores, dimers y relays). Canal de operación: Sirve para energizar las lámparas o para transportar una señal de operación en caso que el dispositivo de comando este incorporado a la luminaria. El esquema de control automático central se trata, básicamente, de la combinación de múltiples zonas locales (Figura 20) en una única unidad de control remota. En cada zona hay un conmutador Local/Central (no indicado en el esquema) para independizar el control del sistema centralizado.

Figura 20. Esquema del sistema de control automático local

Unidad local de control

sensor 1 sensor 2

sensor incorporado en luminaria

canal de sensores (bus)

canal de operación

Alimentación eléctrica

Grupos de luminarias

Zona de control

M A

ConmutadorManual/Automático

Selector y ajuste de niveles de

operación

Figura 21. Esquema de control automático central

Alimentación eléctricaConmutador

Manual/AutomáticoUnidad central

de control

Zona 2Zona 1

canal de sensores (bus)

Zona n

canal de operación

Selector y ajuste de niveles de

operación

Los sensores utilizados en estos sistemas de control pueden ser de distintos tipo, por ejemplo, de niveles de iluminación (fotoeléctricos), de presencia (infrarrojos) o relojes para conectar o desconectar luces de acuerdo con las estrategias de ocupación de las instalaciones. En el capítulo sobre Fuentes luminosas y accesorios se describen las características operativas y técnicas de los principales productos que se ofrecen en el mercado. Para determinar el tipo de control más conveniente hay que realizar un análisis comparativo entre los costos del sistema y las posibilidades de ahorro de energía. Las expectativas de ahorro energético dependen del patrón de variación de las demandas de iluminación. Si este es previsible, por ejemplo, como las actividades de rutina de una oficina, se puede esperar reducciones en el consumo del orden del 60%; mientras que si no lo es, como en el caso de instalaciones de uso ocasional, la economía de energía obtenible, generalmente es inferior al 40%. El control manual es la alternativa más simple y de menor costo de instalación, pero también menos eficaz en lo que a racionalización energética se refiere (Figuras 22 y 23). Esto, en muchos casos, se explica por el diseño inadecuado, por ejemplo, cuando los controles de iluminación no están bien identificados o son de acceso complicado. Pero fundamentalmente, la ineficacia se debe a factores humanos, ya que las luces casi nunca se apagan, por ejemplo, cuando hay suficiente luz natural o cuando algún sector queda sin ocupación. Estas situaciones son particularmente notables en edificios públicos[20].

Figura 22. Coordinación entre alumbrado natural y artificial con regulación automática para un local con ventanas en dos paredes enfrentadas. Se utilizan luminarias con 3 lámparas. Aquí se obtiene el máximo aprovechamiento energético de la luz natural. El área rayada representa el consumo diario de energía.

Figura 23. Coordinación manual entre alumbrado natural y artificial para la mismo instalación de la Figura 22. Se emplean 2 circuitos para obtener 3 escenas de luz. El circuito a conecta 1 lámpara por luminaria (escena 1= 33% de la potencia instalada). El circuito b conecta 2 lámparas por luminarias (escena 2 = 66% de la potencia instalada). Con los circuitos a y b operando simultáneamente se conecta el 100% de la carga (escena 3). El aprovechamiento energético de la luz natural es menor que para el caso de regulación continua.

H o r a s d e l d í a

Pote

ncia

con

ecta

da

8 12

AlumbradoNatural Alumbrado

Artificial

16 20

sensor de iluminación control

Pote

ncia

con

ecta

da

8

Escena 1

H o r a s d e l d í a

12 16 20

Escenas1 + 2 +3Alumbrado

Natural

Escenas1 + 2

comandoba

El control automático de luces es el medio más eficaz para ahorrar energía, ya que ajusta la iluminación a las necesidades de cada momento. Por ejemplo, permite atenuar el incremento de nivel de iluminancia inicial que se adopta para compensar la depreciación de la instalación (Figura 13). Sin embargo, hay que tener en cuenta que también es el que demanda mayores costos, no sólo de instalación sino también de mantenimiento, ya que generalmente requiere mano de obra especializada. Mantenimiento Como se explicó en la sección sobre Cálculos de iluminación, los niveles de iluminancia en cualquier instalación siempre experimentan una reducción progresiva como consecuencia de la depreciación de los componentes; esto es, el envejecimiento de lámparas, equipos auxiliares y luminarias, y además, por la acumulación de polvo y suciedad en las superficies de local. Este efecto se compensa de dos maneras, aumentando el nivel inicial e implementando un programa de mantenimiento. Para elaborar el plan de mantenimiento hay que hacer un análisis de costos que permita determinar la frecuencia óptima de realización de las distintas operaciones: limpieza de luminarias, mantenimiento del local, reemplazo de lámparas, equipos auxiliares y componentes eléctricos, ajustes de sistemas de control y regulación, re-enfoque de luminarias, etc. Por supuesto, cuanto más espaciadas en el tiempo son estas operaciones, menor es el costo del mantenimiento lo que en muchos casos puede justificar la mayor inversión inicial que se necesita realizar. Sería interesante incluir también en este análisis, la influencia del deterioro de las condiciones de iluminación y visión sobre la productividad, por ejemplo, disminución del rendimiento laboral, aumento de la tasa de accidentes, etc. Lamentablemente, son muy pocos los casos donde se llevan registros que posibilitarían este tipo de consideración. En la Figura 24 se muestra la variación de iluminancia en una instalación donde se ha implementado un programa de mantenimiento. Los porcentajes indicados, aunque hipotéticos ya que no pertenecen a ningún caso en particular, son bastantes realistas y demuestran la ventaja de programar el mantenimiento y el resultado de no tenerlo en cuenta.

Figura 24. Esquema de mantenimiento de una instalación de iluminación. La curva A indica la reducción de iluminancia si sólo actuara la depreciación de lámparas y la curva C la variación real como resultado del mantenimiento. Cuando se efectúa limpieza de luminarias únicamente (por ejemplo, al final de los años 1 y 2) no se restablece hasta el nivel dado por la curva A, ya que actúa también la depreciación del local (curva B).

0 11 2 3 4Tiempo de funcionamiento [años]

Lim

piez

a de

lum

inar

ias

Ree

mpl

azo

de lá

mpa

ras

Lim

piez

a de

sup

erfic

ies

del l

ocal

Ilum

inan

cia

[%]

100

80

60

40

20

Sistema no mantenido

Lim

piez

a de

lum

inar

ias

Lim

piez

a de

lum

inar

ias

A B

C

Una cuestión a remarcar y que puede verse en la Figura 24 es que el mantenimiento nunca restituye las condiciones iniciales por cuanto hay factores que son irrecuperables, por ejemplo, el aumento de opacidad y/o reducción de reflectividad en materiales ópticos de luminarias como consecuencia de la radiación ultravioleta de las fuentes luminosas. Un aspecto muy importante del programa de mantenimiento es la definición de la estrategia para el reemplazo de lámparas. Esta puede ser: por grupos, individual o una combinación de ambas. En el primer caso todas las lámparas de la instalación o de un sector se recambian simultáneamente en un momento a definir y que se conoce como vida económica*; mientras que en el segundo, se sustituyen a medida que las fuentes fallan. La decisión sobre cual estrategia conviene aplicar surge de un análisis económico-técnico-operativo; por ejemplo, el reemplazo por grupos puede ser el más económico, pero debido a exigencias del servicio de iluminación, de seguridad, estéticas, etc. hay que recurrir a una estrategia combinada. El mantenimiento es un factor de suma importancia para el objetivo de una iluminación eficiente y su problemática debe formar parte del proyecto de iluminación[21], es decir, comenzar a resolverse durante el diseño, por ejemplo, seleccionando equipos adecuados para las condiciones físicas y ambientales del local, simples de manipular para las operaciones de mantenimiento (desarmado, limpieza, reemplazo de componentes, etc.) y en lo posible, prever su emplazamiento en lugares que sean fáciles de acceder y trabajar.

* En general, la vida económica de una fuente es inferior a su vida útil nominal que, según se vió en el capítulo 8, corresponde al momento para el cual el flujo disminuye alrededor del 20% del valor nominal.

3. Asistencia técnica y evaluación posterior

Las dos últimas etapas del proceso de diseño de iluminación indicadas en la Figura 1 en realidad no pertenecen a lo que tradicionalmente se entiende como proyecto, pero es conveniente incluir en la propuesta de trabajo, no sólo el diseño, sino también la asistencia técnica durante la ejecución de la obra y una vez concluida ésta, la evaluación del impacto del proyecto. En la etapa ejecución de obras, el diseñador puede asesorar a la dirección técnica en la resolución de cuestiones problemáticas que, como es sabido, siempre se presentan en cualquier montaje; por ejemplo, alteraciones respecto del diseño original o modificaciones en otros aspectos del proyecto que requieren el replanteo de algunas de las soluciones luminotécnicas. La recepción y control de calidad del equipamiento es otra situación que puede requerir del diseñador, sobre todo, cuando los proveedores ofrecen productos diferentes a lo especificado sin un respaldo adecuado de información técnica que permita juzgar la calidad de esos equipos. En estos casos, bastantes frecuentes por cierto, puede ser necesario solicitar ensayos fotométricos, eléctricos, mecánicos, de seguridad, etc. Finalmente, la etapa de evaluación posterior tiene como objetivo analizar el proyecto en términos técnicos-económicos y fundamentalmente, en función del grado de aceptación y/o satisfacción de los usuarios. La evaluación técnica implica el control de los parámetros luminotécnicos proyectados (mediante mediciones fotométricas) y de las condiciones de funcionamiento eléctricas, térmicas y mecánicas de todos los componentes de la instalación. El análisis económico por su parte, apunta a evaluar si los esquemas funcionales y las estrategias de control adoptadas han satisfecho las expectativas; esto es, si los costos de funcionamiento del sistema, en especial el consumo de energía, responden a lo previsto.

Bibliografía 1. C.F. Kirschbaum. Diseño de la iluminación de interiores. Fascículo de estudio del módulo

Diseño de la iluminación de la Escuela de Posgrado en Luz y Visión del Instituto de Luminotecnia, Luz y Visión Ing. H.C. BÜHLER, de la UNT. 1995.

2. M.R. Raitelli - E.M. Colombo - C.F. Kirschbaum. Lighting and energy balance: step by

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3. Iluminación Artificial de Interiores. Características. Uniformidad de la iluminación. NORMA IRAMAADL J20 05. Año 1974. 4. B. O’ Donell, G. Tonello, M.Raitelli y C. Kirschbaum, Lighting Evaluation at workplaces

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Volume. 8th edition, 1993. Luminaires, cap. 7, pag. 344 Edit. Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). 120 Wall Street, 17th floor, New York, NY 10005. USA. ISBN 0-87995-102-8.

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13. Iluminación Artificial de Interiores. Métodos de cálculo NORMA IRAMAADL J20 15. Año 1974. 14. Iluminación Artificial de Interiores. Niveles de iluminación. NORMA IRAMAADL J20 06. Año 1974. 15. Lighting Handbook, Reference and Application Volume. 8th edition, 1993. Lighting

Calculations, cap. 9, pag. 393. Edit. Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). 120 Wall Street, 17th floor, New York, NY 10005. USA. ISBN 0-87995-102-8.

16. J.S. Murdoch. Illumination Engineering, 1985, cap. 9 pag.300. Edit. Mc Millan

Publishers. 666 Third Avenue, New York, NY 10022, USA ISBN 0-02-948580-0. 17. Ley de la inversa de los cuadrados J.S. Murdoch. Illumination Engineering, 1985, cap. 9

pag.300. Edit. Mc Millan Publishers. 666 Third Avenue, New York, NY 10022, USA ISBN 0-02-948580-0

18. Lighting Handbook, Reference and Application Volume. 8th edition, 1993. Lighting

Calculations, cap. 9. Pag. 389. Edit. Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). 120 Wall Street, 17th floor, New York, NY 10005. USA. ISBN 0-87995-102-8

19. K. Koffka. Principios de Psicología de la forma, 2da. edición, 1973, cap. 4 El campo

ambital. La organización visual y sus leyes. Edit. Paidos, Defensa 599, 3er piso, Buenos Aires, Argentina.

20. L. Assaf, V. Arreyes, C. Cisint Sistema de Alumbrado de Localizaciones Universitarias. Su administración desde el punto de vista de la eficiencia energética. Informe programa CIUNT Lámparas y equipos auxiliares. Departamento de Luminotecnia, Luz y Visión Ing. H.C. BÜHLER - UNT. 1994

21. Maintenance of indoor electric lighting systems. Reporte técnico CIE 97, 1992. ISBN 2

900 734 34 8.Comisión Internacional de Alumbrado (CIE). Central Bureau, Kegelgasse 27, A-1030 Viena, Austria.

Capítulo 9

El Uso de Computadoras para el Diseño de la Iluminacion Mario Raitelli

1. Exactitud

1.1. Errores en el cálculo de la componente directa 1.2. Prueba de la caja negra 2. Precisión. Errores en el cálculo de la componente indirecta

3. Rutinas de entrada-salida.

3.1. Datos fotométricos 3.2. Datos geométricos 3.3. Propiedades ópticas de los materiales 3.4. Datos de alumbrado natural 3.5. Ubicación y enfoque de luminarias 3.6. Curvas de nivel y característica auto-Recálculo 3.7. Presentación de resultados

En el diseño de iluminación, como en muchos otros campos, el empleo de computadoras representa una alternativa muy interesante para efectuar los análisis que conducen al desarrollo de las soluciones de cualquier proyecto de alumbrado. Con la introducción de esta herramienta se ha simplificado notablemente la larga y tediosa tarea de realizar los cálculos luminotécnicos, de tal manera que ahora resulta posible analizar varias alternativas, en tiempos razonablemente prácticos, antes de tomar una decisión. Sin embargo, no hay que olvidar que además de los cálculos, en cualquier proyecto de iluminación, para interiores o exteriores, hay que abordar varios otros aspectos, para los cuales el mero hecho de disponer programas de diseño por computadora no es suficiente para una resolución satisfactoria; por ejemplo: los factores humanos, las demandas estéticas y de ambientación visual, la integración del sistema de alumbrado con la arquitectura del espacio, etc. Es decir que a pesar del alto grado de desarrollo alcanzado por la tecnología de programas para diseño de iluminación, en especial de software para generación de imágenes (renderizado), si el usuario no dispone de la destreza y la dosis de creatividad necesarias, difícilmente pueda aprovechar todas las posibilidades que esa tecnología ofrece. Este capítulo tiene por objetivo brindar información para evaluar la aptitud del software para diseño de iluminación disponible en el mercado. Para ello, sin hacer referencia a ningún producto en especial, se analizan las principales características operativas de los programas.

Las principales características operativas de los programas para diseño de iluminación, básicamente, se pueden resumir en tres aspectos: el nivel de exactitud de los cálculos, el grado de precisión de los análisis y las rutinas para entrada de datos y presentación de los resultados, según se indica esquemáticamente en el cuadro de la Figura 1.

Figura 1. Características operativas de los programas para diseño de iluminación

1. Exactitud

Exactitud

Precisión

Rutinasde E/S

Errores de cálculo

Nivel de detalle de los análisis

Datos fotométricos

Diseño geométrico Respresentación analítica y gráfica

La exactitud de los resultados queda establecida por los errores introducidos por las rutinas de cálculo. La magnitud que normalmente se calcula en cualquier proyecto es la iluminancia en un punto o sobre una superficie. Esta magnitud, según se vio en el capítulo Diseño de la iluminación de interiores, está integrada por las componentes directa e indirecta (Figura 2). Por lo general, la componente indirecta o interreflejada, no se tiene en cuenta en los cálculos de alumbrado exterior debido a que suele ser despreciable frente a la componente directa. Sin embargo, no siempre es así y ello puede representar una importante fuente de error. Por ejemplo, en cálculos de alumbrado público, muchas veces el equipamiento urbano (fachadas,

vegetación, etc.) puede tener una importante participación en el proceso de interreflexión de la luz.

Figura 2. La iluminancia en un punto o sobre una superficie se integra con las componentes directa e indirecta. 1.1. Errores en el cálculo de la componente directa

Componente Indirecta

ComponenteDirecta

γhI(c

,γ)

p

La componente directa de la iluminancia se calcula aplicando la Ley de la inversa de los cuadrados (Murdoch, 1985a) (ver capítulo Diseño de la iluminación de interiores):

I(c,�) Eph = ------- . cos3(�) (1) h2

La expresión (1) es estrictamente válida sólo para el caso de fuentes puntuales, pero como esta condición nunca se cumple, en la práctica se emplea el criterio del quíntuplo de la distancia luminaria-punto de cálculo, el cuál permite asumir que una luminaria extensa se comporta, fotométricamente, como una fuente puntual con un nivel de error en los cálculos de ±10% (ver capítulo Diseño de la iluminación de interiores). Sobre la base del criterio del del quíntuplo de la distancia las luminarias se clasifican como puntuales, lineales o extensas como se indica en la tabla 1. Tabla 1. Clasificación de luminarias de acuerdo con las dimensiones

Tipo de fuente

Distancia hasta el punto de cálculo

Ejemplos típicos

Puntual > 5 x Ancho de la fuente > 5 x Longitud de la fuente

Spot para lámpara incandescente halógena de bajo voltaje.

Lineal > 5 x Ancho de la fuente < 5 x Longitud de la fuente

Estructuras luminosas lineales

Extensa < 5 x Ancho de la fuente < 5 x Longitud de la fuente

Luminarias para lámparas fluorescentes tubulares.

Cuando una luminaria no puede ser considerada como puntual hay que realizar una partición en pequeños elementos como se indica en la Figura 3. Bajo la suposición de que cada elemento de la partición emite un flujo luminoso proporcional a su área se puede aplicar la ley de la inversa de los cuadrados y sumar los resultados.

Figura 3. La partición de fuentes no lineales en pequeños elementos que cumplan con el criterio del quíntuplo de la distancia permite aplicar la ley de la inversa de los cuadrados. La implementación de una rutina para el particionado de fuentes es muy costosa en términos de requerimientos de memoria y tiempo de procesamiento, por esta razón muchos programas omiten este tipo de consideración y ello puede conducir a errores considerables en los cálculos, como se demuestra en el siguiente ejemplo. Ejemplo: Calcular la iluminancia producida por una lámpara fluorescente tubular de 36 Watt en un punto situado a 0.50 m. Esta situación se puede presentar, por ejemplo, en el diseño de un estante de luz para crecimiento de plantas. El flujo luminoso nominal de la lámpara es 3200 lúmenes y la intensidad luminosa para la posición del nadir (� = 0°, � = 0°) es 272 cd/klm. a) En primer lugar se resuelve considerando que se trata de una fuente puntual y por lo tanto se aplica la ley de la inversa de los cuadrados (Figura 4):

Figura 4. Cálculo de la iluminancia producida por una lámpara fluorescente lineal en un punto situado a 50 cm. La fuente se considera como puntual.

Ep = Σ Epi =

φ

γ

Ii (γ,φ)

3n I i (γ,φ) 2di

P

i = 1 x cos (γi)

Ep = = = 3481.6 lux20.50

272 3.22h

Io

P

Io

b) Ahora se calcula como fuente lineal realizando una partición en sólo dos elementos de 0.60 m de longitud (Figura 5). Cada uno de los elementos de la partición emite el 50% del flujo total de la lámpara (1600 lúmenes) con lo cual, la intensidad luminosa en la posición de nadir resulta también el 50% (136 cd/klm). Además, estas fuentes pueden considerarse difusores perfectos y por lo tanto, la intensidad luminosa para un ángulo cualquiera � se determina aplicando la ley de Lambert (Murdoch, 1985b) I� = Io . cos (�)

Figura 5. Cálculo de la iluminancia producida por una lámpara fluorescente lineal en un punto situado a 50 cm. La fuente se considera como lineal y se emplea una partición en dos elementos de área. Obsérvese que la partición utilizada no es suficiente aún para cumplir con el criterio del quíntuplo de la distancia al punto de cálculo (ver capítulo Diseño de la iluminación de interiores). La iluminancia en el punto de cálculo resulta 1904.5 lux cuando se particiona la fuente en dos elementos; es decir un 54% del valor resultante (3481.6 lux) cuando se considera a la fuente como puntual. Como se indica en la Figura 5, la partición de la luminaria en dos elementos no es suficiente para cumplir con el criterio del quíntuplo de la distancia al punto de cálculo, pero el ejemplo brinda una idea de la magnitud del error que se puede llegar a cometer por no tener en cuenta la geometría de la fuente.

2

Ep = 2 cos α = 2 cos α

Ep = 0.86 = 1904.5 lux

0.50 + 0.30

0.50cos α = = 0.86

20.50

272 3.2

32h

Iα

αIα

322 h

Io cos α

4

2P

αIα

Ep = cos αIo

2h4

1.2. Prueba de la caja negra Se trata de una sencilla prueba que permite determinar si un programa dispone de rutinas de análisis de la geometría de las fuentes (particionado). La prueba simplemente consiste en simular un local con reflectancias de todas las superficies iguales a cero (caja negra). En este local hipotético se dispone una luminaria a una altura tal que no pueda ser considerada fuente puntual según las relaciones de distancias indicadas en la tabla 1, luego se calcula la iluminancia directa en la posición del nadir (la componente interreflejada es nula ya que toda las superficies tienen reflectancias cero). Si el resultado es igual al valor dado por la ley de la inversa de los cuadrados significa que el programa considera a la luminaria como puntual; si en cambio, es menor que ese valor, implica que dispone de rutinas de partición de fuentes y por lo tanto el resultado es más exacto.

Figura 6. Prueba de la caja negra: En un local con reflectancias de todas las superficies iguales a cero y una luminarias dispuesta una altura h tal que no puede ser considerada puntual, la iluminancia en la posición del nadir debe ser menor que el valor dado por la ley de la inversa de los cuadrados.

2. Precisión. Errores en el cálculo de la componente indirecta La precisión de los cálculos de iluminación está relacionada con el nivel de detalle de los análisis y para esto mucho tiene que ver el algoritmo utilizado. Las rutinas de partición de fuentes vistas en la sección anterior permiten un adecuado tratamiento de fuentes no puntuales en lo que respecta a la determinación de la iluminancia directa. Con la componente interreflejada en cambio, el cálculo involucra además, la geometría de las superficies que participan de ese fenómeno. Para la determinación de la componente interreflejada o indirecta, en general se aplica la teoría de transferencia de flujo entre superficies difusoras (IESNA, 1993). En esta teoría se define el concepto de Factor de Forma de una superficie 1 a otra 2 como la fracción de flujo que la primera transfiere a la segunda referido al flujo total emitido por aquella (Figura 7). Además, el fenómeno de reciprocidad establece que la relación entre los flujos que ambas superficies se transfieren mutuamente esta dada por la relación de sus áreas.

Figura 7. Elementos de la teoría de transferencia de flujo entre superficies difusoras.

P

Ioh

h

h < 5 . longitud de la luminaria

ρw = 0

ρf = 0

ρc = 0

Si Ep = Io / h La fuente no se particiona

Si Ep < Io / h La fuente se particiona

2

2

A1 x F1-2 = A2 x F2-1

Factor de forma de 2 a 1

Factor de forma de 1 a 2φ1

φ2

φ2-1F2-1 =

n1

L1φ1-2

φ1-2F1-2 =

A1

Ley de reciprocidad

n2

φ2-1L2A2

El algoritmo de cálculo de la componente indirecta exige realizar una partición, en pequeños elementos de área, de todas las superficies que participan del fenómeno de interreflexión; es decir, paredes, piso, cieloraso, muebles, objetos, etc. como se indica en la Figura 8. Planteando una relación de transferencia mutua de flujo entre cada par de elementos se genera una ecuación matricial cuya resolución conduce a la determinación de las iluminancias finales (componentes directa más interreflejada).

Figura 8. Partición en elementos de área de todas las superficies del local para el cálculo de la componente interreflejada. Cuanto más pequeños sean los elementos de la partición mayor es la precisión del cálculo, pero por otra parte, también aumenta el orden de la matriz a resolver, con lo cual se incrementan las demandas de memoria y tiempo de procesamiento. Dependiendo de la complejidad del diseño del ambiente, la resolución de la ecuación matricial de la Figura 8 puede insumir varias horas, aún en máquinas de muy alta velocidad. Algunos programas brindan al usuario la posibilidad de seleccionar el tamaño de los elementos de la partición, con lo cual se reduce notablemente el tiempo de ejecución de los cálculos. Esta característica es muy interesante, sobre todo en las primeras etapas de un proyecto donde, por lo general, no se necesita aún demasiada precisión.

3. Rutinas de entrada-salida Las características a analizar de las rutinas de entrada se relacionan con dos tipos de datos: la información fotométrica de las luminarias y el diseño geométrico del espacio. Las rutinas de salida por su parte, se refieren a la forma de presentar los resultados. 3.1. Datos fotométricos En la Figura 9 se indican las diferentes formas de presentar los archivos que contienen la información fotométrica de las luminarias.

Archivos fotométricos

Bibliotecas del programa (personalizables)

Externos

Formatos estándar

Formatos particulares

Intercambio de información

Uso exclusivo

Eo: matriz de iluminacias directasE: matriz de iluminacias finales

E = Eo + F EEcuación Matricial

Figura 9. Diferentes formatos de archivos fotométricos. La lectura de los datos fotométricos de luminarias puede hacerse desde bibliotecas que se suministran junto con los programas o desde archivos externos contenidos, por ejemplo, en disquetes u otros dispositivos de almacenamiento. Las bibliotecas pueden ser cerradas o abiertas. En el primer caso, el usuario sólo tiene acceso para la lectura de datos, mientras que las abiertas admiten la eliminación o el agregado de nuevos archivos (bibliotecas personalizables). Existen programas que disponen ambas posibilidades, es decir lectura desde bibliotecas (abiertas o cerradas) y desde archivos externos. Los archivos fotométricos pueden ser de formato estándar o particular. En el primer caso la información se almacena según un protocolo normalizado, lo cual es una ventaja pues permite crear, fácilmente, un archivo si se dispone la fotometría de una luminaria. Los formatos particulares suelen ser desconocidos; ésto impide el intercambio de información fotométrica o la creación de archivos a partir de la fotometría. Existen varios formatos estándares, los más conocidos son los siguientes: Formato de la Comisión internacional de alumbrado (CIE) Formato de la Sociedad de Ingeniería de Norteamérica: IESNA –LM-63-1991 Formato europeo: EULUMDAT

Muchos fabricantes de luminarias suelen ofrecer a sus clientes, sin cargo, programas de cálculo de iluminación con archivos que utilizan formatos particulares desconocidos, almacenados en bibliotecas cerradas y sin posibilidad de acceso externo; de esta manera se aseguran que el programa sólo pueda ser utilizado con sus productos. Desde el punto de vista de la versatilidad del diseño es conveniente disponer de programas que utilicen formatos fotométricos estándares, bibliotecas abiertas y que admitan la lectura de archivos externos. 3.2. Datos geométricos Los datos necesarios para realizar el diseño geométrico del espacio que involucra el proyecto comprenden: las características arquitectónicas, las propiedades ópticas de los materiales, las condiciones para cálculos de alumbrado natural y la ubicación y enfoque de luminarias. Características arquitectónicas Normalmente las dimensiones del espacio se ingresan por teclado, aunque hay programas que disponen de un modo gráfico, lo cual facilita el diseño geométrico, en especial si incluyen algunos comandos de programas especiales para dibujo, como AutoCad por ejemplo. Otra característica muy útil, sobre todo cuando se trata de espacios complejos, es la posibilidad de importar diseños geométrico realizados con programas especializados (Autocad). 3.3. Propiedades ópticas de los materiales

Los datos de los coeficientes de reflexión, transmisión y, eventualmente, absorción de los materiales que integran el diseño, como superficies de la arquitectura, muebles, objetos, etc. se ingresan también por teclado. Sin embargo hay programas que incluyen además, bibliotecas con esa información de los materiales que normalmente se emplean en los diseños. 3.4. Datos de alumbrado natural La inclusión de rutinas para cálculos de alumbrado natural es una característica muy interesante en el diseño de iluminación para interiores. Sin embargo, hay que tener en cuenta que para calcular el aporte de luz natural hay que disponer de los datos de ese importante recurso energético; los cuales, como se sabe, varían durante el día y estacionalmente y además, con la ubicación geográfica donde se emplaza el edificio y con las condiciones atmosféricas. Como se vio en el capítulo sobre alumbrado natural, la información necesaria para los cálculos se obtiene de registros sistemáticos que permiten predecir cual será la disponibilidad de ese recurso en un lugar y momento determinados. Pero, por otra parte, también es sabido que en la República Argentina, al igual que en casi todo el hemisferio sur, no se llevan ese tipo de registros; de modo que los programas suelen emplear los datos del hemisferio norte que corresponden de acuerdo con la latitud y longitud del lugar de emplazamiento del edificio. Esto por supuesto, representa una fuente de error que hay que tener en cuenta. 3.5. Ubicación y enfoque de luminarias Los datos geométricos correspondiente a las luminarias normalmente se ingresan por teclado indicando las coordenadas de los puntos de emplazamiento y enfoque, aunque es más fácil y rápido si se dispone del modo gráfico. 3.6. Curvas de nivel y característica auto-Recálculo Estas dos características solamente están disponibles para diseños de iluminación exterior donde no se considera la componente indirecta. Son muy interesantes para el diseño en modo gráfico de la geometría de la instalación. Una curva de nivel o iso-lux es una representación gráfica de los puntos de una superficie donde una luminaria produce iguales valores de iluminancia (Figura 10).

Figura 10. Representación sobre el plano horizontal de las curvas iso-lux de 15, 20 y 25 lux para una luminaria.

25 Lux

20 Lux

15 Lux

El aspecto más interesante de esta representación es que si se varía alguna característica de la geometría (por ejemplo, la ubicación de la luminaria, el enfoque, la inclinación, etc.) las curvas de nivel también cambian. Esto es una ayuda muy útil para diseñar gráficamente como se indica en el ejemplo de la instalación de alumbrado público de la Figura 11, donde se determina gráficamente la separación entre columnas necesaria para disponer una iluminancia media de 30 lux sobre la calzada.

Figura 11. Determinación en modo gráfico de la separación entre columnas para obtener una iluminancia de 30 lux sobre la calzada en una instalación de alumbrado público: se desplaza la columna hasta que las curvas de nivel 15 lux de dos columnas consecutivas son tangentes.

25 Lux20 Lux15 Lux 25 Lux

20 Lux15 Lux 25 Lux20 Lux15 Lux

15 Lux20 Lux25 Lux25 Lux

20 Lux15 Lux15 Lux

20 Lux25 Lux

La característica auto-recálculo también funciona actualizando los valores conforme se realizan modificaciones en la geometría de la instalación. En realidad se trata de un cálculo realizado automáticamente, es decir sin necesidad de invocar el comando correspondiente. Esta herramienta es muy útil para diseños de instalaciones de iluminación con proyectores, por ejemplo en alumbrado deportivo, para enfocar las luminarias. 3.7. Presentación de resultados Representación numérica y gráfica Los resultados de los cálculos normalmente se presentan numéricamente en forma de matrices en función de las coordenadas de los puntos de cálculo. También es usual la representación gráfica en forma de curvas isolux o niveles de grises como se indica en las Figuras 12 y 13.

Figura 12. Presentación gráfica de los resultados del cálculo de iluminación en forma de curvas isolux.

Figura 13. Presentación gráfica de los resultados del cálculo de iluminación mediante niveles de grises. Renderizados El desarrollo de software para generación de imágenes permite realizar una representación del espacio bajo diseño con un alto nivel de realismo, comparable a fotografías de buena calidad como se puede ver en los ejemplos mostrados en la Figura 14. Esta técnica, conocida como renderizado, es una excelente herramienta para mostrar los efectos luminosos que se pretenden implementar. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la demanda de memoria

para este tipo de análisis es muy grande al igual que el tiempo de procesamiento cuando se trata de diseños arquitectónicos muy complejos. Por esa razón, generalmente se los utiliza en las etapas finales o para la presentación de un proyecto.

Figura 14. Ejemplos de representación gráfica mediante renderizados, para proyectos de iluminación de interiores.

Bibliografía Murdoch, J., 1985a. Illumination Engineering Cap. 9 pag. 300. New York, Edit. Macmillan Publishers.

Murdoch, J., 1985b. Illumination Engineering, Cap. 2 pag. 32. New York, Edit. Macmillan Publishers.

IESNA, 1993. Lighting Handbook, Reference and Application Volume. Cap. 9. “Lighting Calculations” 8th edition. Pag. 389. Illuminating Engineering Society of North America New York.

Capítulo 10

Iluminación de Espacios Exteriores Privados

José D. Sandoval

1. Criterios generales

1.1. Medio ambiente visual. 1.2. Medio ambiente visual e iluminación. 1.3. Creación de impresiones mediante la iluminación. 1.4. Caracterización del espacio: a) Interior; b) Exterior.

2. Características específicas

2.1. Espacio exterior público y privado. Ejemplos. 2.2. Iluminación de exteriores. Criterios generales. 2.3. Requerimientos de iluminación de los espacios exteriores 2.4. Compatibilidad con el arbolado.

3. La instalación de alumbrado

3.1. Fuentes luminosas aplicables en los EEP. 3.2. Luminarias para EEP.

Bibliografía

1. Criterios generales 1.1. Medio ambiente visual. “El medio ambiente visual consiste en un patrón de luminancia y color percibido por un ser humano. Incluye emociones, sentimientos y valores estéticos que juegan un papel importante en el análisis y la valoración que haga el usuario de un ambiente determinado. Estos aspectos son, en general, menos fáciles de medir pero no menos importantes en el diseño” (Tonello 1999). Según se desprende de esta definición, el medio ambiente visual está constituido no sólo por el medio físico que rodea a una persona en una situación dada, sino también por el tipo, cantidad y distribución de la luz que interactúa con los elementos que componen ese medio físico. Esta interacción determina los rasgos y características de la iluminación que actúan como estímulos y disparadores tanto de funciones visuales de diverso grado de complejidad, como de funciones perceptuales y cognitivas, de asignación de significados y asociación. Tales funciones “operan” sobre los estímulos y claves obtenidos del medio, arrojando resultados condicionados por el estado de los sistemas intervinientes (sistema visual, memoria, preferencias). La particular combinación de los resultados específicos obtenidos en una situación determinada, pauta desde el tipo de actividades que la persona puede emprender y realizar en esa situación, hasta la efectividad que puede alcanzar en el desarrollo de esa actividad y el grado de satisfacción obtenido en su realización. La gran cantidad de formas y tamaños que presentan los elementos que constituyen los diferentes medios físicos, sumado al enorme número de combinaciones y relaciones entre ellos, torna imposible la consideración individual de todos ellos en el proceso de determinación de la iluminación más adecuada a cada medio ambiente. Una forma práctica de superar esta dificultad inicial consiste en agrupar los medios físicos en categorías según algún criterio general. En este caso, el eje vertebrador de la consideración y clasificación de los medios físicos son las actividades que se realizan en ellos y para las cuales fueron creados. Esta clasificación se puede afinar y precisar en alto grado, toda vez que se pueda definir una tarea visual (o un conjunto acotado de ellas) que sea representativa de la actividad y que reúna en su definición la esencia de las características y dificultades que la distinguen. De este modo, la identificación de la o las tareas visuales que caracterizan a una actividad que se desarrolla en un medio físico determinado brinda gran parte de la información necesaria para empezar a resolver el problema de proveer a ese medio de la iluminación adecuada. El medio ambiente visual diseñado y resuelto en base a estas consideraciones satisfará tanto más sus objetivos, alcanzando mayores niveles de valoración por parte de sus usuarios, cuanto mejor resueltos estén los siguientes aspectos:

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• Correspondencia del medio físico, los elementos que lo componen y sus relaciones con las características de los usuarios a quienes está destinado y con las actividades que éstos desarrollarán en ese medio;

• Identificación de las actividades y tareas visuales a desarrollarse; exigencias y

limitaciones; rendimientos esperables en su realización; • Identificación de los usuarios principales del espacio bajo tratamiento; exigencias y

limitaciones; condiciones específicas del sistema visual; 1.2. Medio ambiente visual e iluminación. Hemos centrado la caracterización del medio ambiente visual en torno a las actividades que se realizan en el espacio considerado. Esta caracterización se simplifica cuando tales actividades pueden agruparse y representarse mediante una tarea visual. El mayor o menor nivel de resultados alcanzados en la realización de una actividad depende en parte de las condiciones y la capacidad para realizar la porción visual involucrada por la tarea. A su vez, de los dos aspectos recién mencionados, las condiciones están determinadas por las características visuales de la tarea y la capacidad por las características físicas del observador y, de manera particular, por las de su sistema visual. Así, una tarea puede tener una excelente “visibilidad” (como resultado de la combinación entre sus factores característicos y la iluminación provista) y a pesar de ello no ser bien realizada (es decir, no alcanzar buenos niveles de rendimiento en la realización de ese trabajo visual), por razones tales como el cansancio del observador, su edad, la falta de entrenamiento, distracciones en su realización, etc. Esto sugiere que es conveniente hacer una distinción entre potencial visual, (que estaría dado por el máximo rendimiento posible en una situación dada, cuando todos los aspectos intervinientes -factores de visibilidad de una tarea y características del sistema visual del observador o grupo de observadores- presentan un valor óptimo) y rendimiento visual (que estaría dado por el porcentaje del potencial que efectivamente se obtiene en una situación determinada y con un grupo de observadores de características determinadas). Son cuatro los factores físicos de la visión, externos al ojo, que revisten una importancia primordial en la determinación de la capacidad de “ver” una tarea visual y por ende, de realizar trabajo visual. Estos factores externos principales son: tamaño, contraste, tiempo y luminancia. A estos se puede agregar un quinto: el color. Este factor no sólo afecta a la visión sino ejerce su influencia en un nivel más global como es la percepción de los objetos, los espacios en que están ubicados y sus interrelaciones. La optimización de estos factores que influencian la visión determina el máximo rendimiento alcanzable en la realización de la tarea (Potencial Visual), pero no garantizan que ese rendimiento sea alcanzado. Determinar con la mayor precisión posible las relaciones entre los factores mencionados puede permitir establecer criterios para prescribir la cantidad y el tipo de iluminación necesaria para realizar una tarea visual determinada.

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Una condición básica para que la tarea visual pueda ser llevada a cabo consiste en que el observador se encuentre capacitado para recibir claramente la “señal” que la tarea envía hacia él (luz reflejada, transmitida o, en general, modificada por la tarea). Esa capacidad de recepción se ve afectada asimismo por el resto de las radiaciones visibles provenientes del ambiente en el que está inmersa la tarea: ésto constituye el “ruido” del sistema de iluminación y con frecuencia es tan intenso como la propia señal. Otro factor que afecta nuestra capacidad de recepción de señales visuales es el ritmo con el que cambia la señal que estimula al sistema visual. Nuestro receptor visual, como los receptores de radio o televisión, tiene un límite superior en su capacidad de procesar señales rápidamente cambiantes. También se debe considerar que la intensidad de la señal reviste gran importancia respecto de nuestra capacidad de detección de señales visuales. La intensidad es una función tanto de la densidad de flujo luminoso emitido por la tarea como del área de la misma. Finalmente, al caracterizar la capacidad de detección de señales de nuestro sistema visual, se debe tener en cuenta el ancho de banda del canal visual (que es de unos 320 . 106 Hz para un observador normal, mientras que para un canal de radio es de aproximadamente 5 KHz y para un canal de televisión de alrededor de 6 MHz) y la ganancia o selectividad dentro de ese canal (que se identifican como Q para radio y TV y V(λ) para el visible). Estas dos magnitudes -ganancia y ancho de banda- determinan la calidad (fidelidad de sonido, imagen o color) de la señal de salida. Entonces, el ruido del sistema, la señal rápidamente cambiante, la intensidad de la señal, el área de la superficie de la fuente y el ancho de banda y la selectividad del sistema son nada más que otro modo de identificación de contraste, tiempo, luminancia, tamaño y color como factores externos de la visión (Murdoch 1985). 1.3. Creación de impresiones mediante la iluminación. Una de las principales funciones de la iluminación es permitir que el trabajo se realice en forma rápida, precisa y cómoda, lo que a su vez significa que una buena iluminación ayuda a mejorar la productividad. Esto explica que el deseo altruista de proporcionar buena iluminación no es la única fuente de motivación, pues los costos y las posibilidades económicas también están involucrados. Más aún, es una regla general que el costo de la iluminación es tal que sólo un pequeño aumento en la “salida” (un pequeño incremento en la productividad) es suficiente para justificar la inversión que requiere mejorar la iluminación. Según Peter Boyce (1981), “la luz hace mucho más que tornar visibles las cosas. La iluminación de un espacio inevitablemente contribuye a la creación, en la gente que hace uso de él, de impresiones sobre ese espacio. Estas impresiones pueden ser buenas o malas, apropiadas o inapropiadas, definidas o vagas, pero existirán siempre y en todos los casos”. Esta innegable influencia de la iluminación sobre las impresiones tiene aspectos positivos y negativos. Los aspectos negativos se ponen de manifiesto a través de las quejas de la gente que experimenta situaciones en las que las condiciones de confort son deficientes en algún grado. Los aspectos positivos, en cambio, se hacen evidentes cuando las situaciones experimentadas involucran sentimientos y sensaciones de agrado.

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Sin embargo, la situación no es ni tan sencilla ni tan clara ni se limita a esas impresiones. Por el contrario, es mucho más complicada que eso y el disconfort y el agrado no son las únicas impresiones posibles que la iluminación puede contribuir a evocar o producir (Boyce 1981). La luz afecta profundamente nuestra disposición de ánimo, nuestros sentimientos de bienestar, de temor o admiración, de comodidad, nuestra motivación, etc., ejerce su influencia sobre la forma en que percibimos todos los otros elementos constituyentes del espacio iluminado. La iluminación puede conferir carácter a un espacio interior. Tal carácter puede ser dramático, invitante, depresivo, aburrido, relajante, interesante, funcional, etc. Del mismo modo, con ligeras variaciones en las características y adjetivos empleados para su descripción, estas consideraciones pueden ser aplicadas a espacios exteriores: calles, veredas, plazas, parques, espacios parquizados entre edificios, caminerías, áreas residenciales, etc. Por ello, debido a la sutileza y variedad de las impresiones que pueden ser evocadas y a la multiplicidad de formas prácticas, elementos y procedimientos que pueden utilizarse para lograrlo, es que la iluminación se torna en un medio tan importante de comunicación, de transmisión de información y significado y, a veces, hasta de manipulación. El diseño de iluminación es un proceso creativo consistente en el desarrollo de soluciones de iluminación que posibiliten usar el ambiente construido de un modo seguro y productivo y disfrutar de él obteniendo el máximo de satisfacción posible en la realización de las actividades para las que fue pensado el espacio. Este diseño, adecuado a un determinado espacio, interior o exterior, es mucho más que la determinación de la cantidad apropiada de luz que se debe suministrar a una tarea o superficie de interés visual en ese espacio. También debe tenerse en cuenta la calidad de la luz y la iluminación suministrada, considerando no sólo la imprescindible limitación del deslumbramiento, sino otros factores como la correcta distribución, las cualidades cromáticas, etc. La luz es una de las herramientas que el diseñador puede emplear para moldear visual y emocionalmente el ambiente bajo tratamiento. Una parte importante del atractivo de diseñar con luz reside en su naturaleza elusiva: sus efectos pueden ser casi palpables y sus características capturadas mediante el maravilloso sentido de la visión. Cuando los diseñadores o los usuarios hablan de “luz”, usualmente aluden a los efectos de la luz sobre los objetos o las superficies materiales. La luz revela formas: paredes planas, pisos desparejos, espacios tridimensionales, detalles arquitectónicos, obstáculos, claves de orientación, equipamiento, amoblamiento, estructura de objetos (ramas de árboles, p. e.), etc. Por mucho que podamos cuantificar la luz y hablar de la “iluminación de la tarea” o “lux” o “potencia”, la luz trasciende a los científicos, aún cuando los diseñadores requieran más y más conocimientos científicos cada día, pues el corazón de la problemática de la iluminación continúa siendo la variedad de asociaciones emocionales que engendra, el modo en que se “siente” la luz.

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1.4. Caracterización del espacio: a) Interior; b) Exterior. La meta principal en la iluminación de espacios interiores consiste, en general, en proveer un nivel de iluminancia horizontal prescripto según las características de la o las tareas que han de desarrollarse en ese espacio. Esta meta puede ampliarse para abarcar magnitudes tales como iluminancia vertical o semicilíndrica, luminancia, la distribución de estas magnitudes en el espacio considerado, características de reproducción de color, etc. Cuando se trata de iluminar espacios exteriores (espacios a cielo abierto) se emplean los mismos principios fundamentales que en el caso de interiores, pero su aplicación es bastante diferente. Estas diferencias obedecen a varias razones: • Exceptuando la posibilidad de reflexión del piso o de las estructuras cercanas (que en

general es muy pequeña), no hay componente reflejada que deba incluirse en el diseño de iluminación exterior.

• La iluminación de exteriores se realiza normalmente para cumplir con las exigencias de

una variedad de tareas y satisfacer las necesidades de una variedad de personas (por ejemplo, en el alumbrado deportivo debe proveerse de luz a los jugadores, los árbitros, los espectadores y las cámaras de TV. Cada uno de estos observadores tiene diferentes requerimientos visuales, lo que impone diferentes condiciones en cuanto a tipo, distribución, color, nivel, etc.).

• La visión de superficies verticales u oblicuas es, con mucha frecuencia, de importancia

fundamental en la iluminación de exteriores. • En la iluminación de exteriores no hay ángulo standard de visión de 25º (o cualquier otro

valor). La visión es frecuentemente en todas direcciones y por ello el problema que significa proveer una visión libre de deslumbramiento se hace mucho mayor.

• Muy frecuentemente, especialmente en el alumbrado deportivo, el objeto se ve en

movimiento. (A veces, esta situación también se presenta en interiores, y en particular en interiores industriales, no así en escuelas, oficinas y otros espacios de este tipo).

• Los niveles de iluminancia generalmente son menores para las actividades al aire libre, aún

cuando algunas de las tareas visuales pueden presentar tanta dificultad como las de interiores. Ésto se debe a que la mayor parte de las instalaciones de iluminación de exteriores cubren grandes áreas y se realizan con luminarias montadas sobre postes o mástiles cuya altura es mucho mayor que la media de 2.50 m que se encuentra en interiores. Para tales instalaciones, proporcionar un nivel de 500 lx es impracticable y hasta imposible, tanto desde el punto de vista de los costos como del consumo energético.

• La problemática de la seguridad es una preocupación de importancia primordial en la

iluminación de exteriores: es malo que un trabajador de oficina cometa un error debido a una iluminación inadecuada, pero si un conductor no es capaz de ver a un peatón que se cruce en su camino porque éste no está suficiente y adecuadamente iluminado, es mucho peor.

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• En el mismo sentido, es igualmente inaceptable que un peatón sufra algún accidente porque la iluminación no le permite percibir en forma adecuada los obstáculos e inconvenientes de la caminería, o que un visitante no sea capaz de encontrar su lugar de destino por no alcanzar a percibir la señalización, o verse expuesto a situaciones sorpresivas o peligrosas al resultarle imposible reconocer personas e identificar intenciones de quienes comparten con él el uso de la vía pública en un área residencial.

2. Características específicas 2.1. Espacio exterior público y privado. Ejemplos. Los espacios exteriores de dominio público, cuyo uso y propiedad corresponden al conjunto de la sociedad, tales como calles, avenidas y demás componentes del sistema de vías de circulación de una ciudad, constituyen un campo de aplicación de la iluminación muy amplio y con algunas particularidades que lo caracterizan, que se engloba en general bajo la denominación de “Alumbrado Público”. El Alumbrado Público y su problemática están fuera del alcance de este texto, por lo que sólo resta agregar que en nuestro país los aspectos básicos relacionados con él se rigen por la norma IRAM-AADL J2022. Por otro lado, los espacios exteriores de dominio privado presentan una variedad de tipos, formas y escalas tan grande que hace prácticamente imposible establecer una clasificación que sea de utilidad. Los espacios exteriores privados (EEP) comprenden, entre muchos otros, a: • Caminería y parquizado en agrupamientos de viviendas colectivas (monoblocks, edificios

torre, etc.); • Lugares de estacionamiento de vehículos, caminería y accesos, jardines y puestos

exteriores en grandes hipermercados y centros comerciales; • Jardines y accesos en viviendas y edificios residenciales; • Fachadas y accesos en edificios de importancia arquitectónica, ya sean industriales,

comerciales, educativos u otros; 2.2. Iluminación de exteriores. Criterios generales. La discusión acerca de los criterios generales que deben guiar la iluminación de espacios exteriores se desarrollará teniendo como eje dos situaciones particulares pero muy representativas de lo que debe ser este tipo de iluminación: Por una parte, la iluminación (exterior) de grandes centros comerciales e hipermercados, en especial sus zonas de circulación (tanto peatonal como vehicular) y las zonas destinadas a estacionamiento. Las nuevas técnicas de iluminación y equipamiento, así como las fuentes de luz más eficientes, proporcionan más y mejores herramientas a los diseñadores de iluminación para enfrentar el desafío que implican los requerimientos siempre cambiantes del mundo comercial y el creciente costo de la energía.

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Por otro lado, la iluminación de los espacios exteriores de las concentraciones residenciales (grandes monoblocks, barrios privados, etc.). En muchos de estos casos, la problemática (y las soluciones propuestas) es compartida con lo que se denomina “alumbrado público”. A pesar de ello, este último tiene especificidades que lo ponen fuera del alcance de este texto. Cuando hablamos de iluminación de exteriores residenciales estamos incluyendo la iluminación estética y funcional de edificios y estructuras, áreas parquizadas y jardines y la iluminación de puntos de interés específicos tales como esculturas, árboles, fuentes, etc. Tanto en uno como en otro de los casos mencionados, se pone el acento en brindar condiciones adecuadas de iluminación al usuario prioritario de las zonas señaladas: el peatón. Zonas Comerciales Los roles de la iluminación exterior en el caso de grandes tiendas y centros comerciales son varios:

debe atraer al cliente hacia el centro comercial y hacia puntos de venta específicos; •

•

•

•

•

debe identificar claramente áreas clave tales como entradas, salidas de emergencia, áreas de estacionamiento, los diferentes comercios, etc.; facilitar el tránsito seguro de peatones y conductores en las vías de circulación interna; contribuir a la vigilancia y seguridad de personas y propiedades; conferir unidad visual al área de compras, proveyendo iluminación adecuada y evitando la contaminación lumínica y la intrusión de luz en las áreas circundantes.

La entrada de los edificios comerciales es tanto o más efectiva que los carteles que anuncian su presencia al momento de recibir y brindar la bienvenida al lugar a los potenciales clientes. Por ello, es muy importante que se destaque de su entorno, actuando como un punto de referencia, un faro que invita y guía al público al interior tanto durante el día como en horario nocturno. Las entradas deben resultar claramente visibles e identificables desde cualquier sector, y tanto la arquitectura como la señalización y especialmente la iluminación juegan un papel muy importante en este sentido. La iluminación juega un papel muy importante al brindarle al comprador información suficiente para trasladarse en el ámbito del centro de compras, conducirlo de una zona a otra y facilitar cada etapa de los procesos de identificación: desde la localización del centro comercial, la ubicación de los accesos, del área de estacionamiento y de cada tienda del centro (circuito de circulación vehicular) hasta la localización de cada tienda, la ubicación de cada departamento dentro de ella y finalmente de la mercancía que se busca (circuito de circulación peatonal). Zonas residenciales Los propósitos principales de la iluminación de estas zonas son proveer seguridad y confortabilidad tanto a residentes como a transeúntes. La satisfacción de estos propósitos plantea necesidades específicas que pueden, mediante un adecuado diseño, integrarse en una iluminación coherente, eficiente y agradable.

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Que el alumbrado contribuya efectivamente a la seguridad implica que proporcione las condiciones adecuadas de visibilidad que permitan al usuario detectar obstáculos en su camino (tales como umbrales, bordes de canteros, elementos de equipamiento, etc.), cambios de nivel (tales como escalones, baches y roturas, etc.) u otros objetos (ya sean características permanentes del ambiente u objetos extraños que no deberían estar ahí). Implica además la creación o el refuerzo del sentimiento de seguridad, liberando al usuario de temores mediante la identificación de los límites del ambiente y la eliminación de posibles lugares oscuros donde esconderse. Por otro lado, los aspectos estéticos están entre los principales propósitos que deben ser satisfechos por la iluminación nocturna de estas áreas: acentuar las características y los rasgos distintivos del ambiente y prolongar el tiempo durante el cual se puede disfrutar del espacio residencial. La iluminación de los espacios residenciales exteriores plantea usos y necesidades específicas, que incluyen el acceso y recepción de gente en las viviendas (mediante la iluminación de caminos y entradas), la posibilidad de comunicación visual entre el interior y el exterior (y viceversa) y la realización de múltiples actividades nocturnas. Las ideas sobre las que se apoyará el diseño de la iluminación en estas áreas se desarrollan a partir de una evaluación del espacio, el aspecto que éste presenta durante el día, los elementos que lo integran y sus interrelaciones. Un esquema de iluminación no uniforme proporciona el máximo interés visual al espacio bajo tratamiento. El diseñador necesita determinar la importancia visual de todos los elementos y asignarle a cada uno de ellos un papel nocturno en la composición del espacio iluminado. De este proceso se obtiene un conjunto de valores de luminancia que, aplicados al espacio según la jerarquía determinada por la importancia de los elementos, darán como resultado una escena nocturna con orden y cohesión y que satisface las necesidades tanto funcionales como estéticas. En la mayor parte de nuestra geografía nacional, las condiciones climáticas no imponen excesivas restricciones (nieve, bajas temperaturas, viento, lluvia) al uso de los espacios exteriores y la gente puede disfrutar de éstos durante gran parte del año. Para lograr la composición deseada en el medio ambiente visual, esto es conferirle características estéticas y funcionales adecuadas al espacio residencial exterior mediante la iluminación, el diseñador debe conocer la disposición, función y características de los elementos del medio ambiente (pavimentos, revestimientos, plantas y otros). El conocimiento de la reflectancia de los elementos que constituyen el paisaje que se desea iluminar es de gran importancia. Los efectos que la iluminación produce sobre la apreciación del paisaje tienen su origen en la luz reflejada por los elementos que lo constituyen. La importancia de cada objeto en la escena visual depende del contraste de claridad entre el objeto y el fondo contra el cual se lo verá y de la relación de contrastes entre los objetos. El contraste es el parámetro de mayor importancia en la iluminación de exteriores residenciales, pues determina dónde y cómo se verán los rasgos característicos de esos espacios. Los elementos que actúan como puntos primarios de interés pueden alcanzar valores de claridad de hasta 10 veces los correspondientes al su alrededor, o de 3 a 5 veces los

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correspondientes a los puntos secundarios de interés. Para satisfacer estas relaciones, puede ser necesario incrementar los niveles sobre los elementos del alrededor que tengan reflectancia más baja que los elementos primarios. La provisión de iluminación de “relleno” entre los elementos es esencial para crear una sensación de cohesión. El nivel de iluminación que se requiere en cada caso depende del nivel ambiental del alrededor. Las áreas residenciales ubicadas en zonas céntricas de las ciudades tienden a tener sus vías de circulación iluminadas con niveles más altos que las ubicadas en zonas rurales, suburbanas o periféricas. Por lo tanto, en áreas residenciales “céntricas”, los niveles de iluminación exterior pueden alcanzar valores más altos siempre que se tomen las precauciones necesarias para no producir perturbaciones visuales ni molestias en el vecindario. 2.3. Requerimientos de iluminación de los espacios exteriores En las zonas mencionadas (residenciales, comerciales, de estacionamiento y circulación restringida) los peatones (a los que hemos definido como los usuarios prioritarios) realizan tareas visuales y tienen necesidades de iluminación diferentes a las de los conductores de vehículos. Estas diferencias se verifican en muchos aspectos: la velocidad de movimiento es mucho menor, los objetos más cercanos al peatón son más importantes que los lejanos para determinar sus acciones, etc. Asimismo, el tipo de superficie y la textura de los objetos que se encuentren sobre la calzada y la caminería tienen mucha importancia para los peatones pero no tanta para los conductores, para los que la visión de siluetas es determinante. La consideración de tales diferencias indica que la aplicación de criterios de iluminación que satisfagan los requerimientos de los conductores puede no ser igualmente satisfactoria para los peatones y viceversa (CIE 1995). Por las razones enunciadas, la iluminación de espacios exteriores en los que la actividad peatonal sea prioritaria requiere de un tratamiento específico y diferenciado. Si bien en nuestro país no contamos con estudios y estadísticas locales que permitan establecer relaciones entre iluminación y seguridad, tanto respecto de accidentes como de criminalidad y vandalismo, la comunidad internacional ha desarrollado numerosos trabajos en este sentido, algunos de cuyos resultados se han recogido en la elaboración de la recomendación CIE 115 sobre iluminación de vías peatonales. Entre los beneficios de una buena iluminación se citan el mejoramiento del aspecto general de la zona, el desaliento de los actos vandálicos y delitos contra las personas y la propiedad, la contribución a la detección de delitos, la provisión de mayores niveles y sensaciones de seguridad en el vecindario, etc. Por lo tanto, en la actualidad, la iluminación de áreas residenciales o su renovación se realiza como una medida de protección y prevención del delito. En especial en las áreas urbanas, este aspecto de la iluminación de áreas residenciales asume cada vez mayor importancia (CIE 1995). La instalación de iluminación de los espacios exteriores correspondientes a las zonas mencionadas debe contemplar tanto los aspectos relacionados con el rendimiento visual de los usuarios como aquellos relacionados con el confort y las preferencias de los mismos.

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El primero de estos aspectos implica que la instalación debe proporcionar las condiciones adecuadas para que el usuario (fundamentalmente el peatón) pueda desarrollar con eficacia tareas tales como la detección de obstáculos en la superficie del camino, la identificación de personas que compartan el uso del espacio, etc. Asimismo, debe ser capaz de orientarse correctamente en ese espacio y la iluminación debe contribuir a ello. El segundo aspecto implica la creación de impresiones de comodidad y agrado, de sentimientos de ubicación y pertenencia, etc. Para ello se debe cuidar que la instalación no produzca deslumbramientos excesivos, que proporcione un factor de modelado adecuado, que el impacto visual provocado por la misma guarde relación con el entorno, que las características cromáticas de la iluminación se correspondan con los requerimientos de la escena iluminada, que las molestias producidas por la iluminación se reduzcan al mínimo, etc. La orientación visual es un proceso complejo que implica:

• expectativa • experiencia • memoria, especialmente memoria visual • afinidades personales (aumenta con el grado de familiaridad con el medio

ambiente). Tránsito peatonal. Clasificación de vías y valores recomendados La clasificación recomendada por la CIE 115 (1995) para las instalaciones de iluminación de vías de tránsito peatonal se compone de siete categorías, P1 a P7, como se muestra en la Tabla 1. La Clase P1 se emplea para áreas de importancia y prestigio, que requieren de altos niveles de iluminación con el objeto de producir impresiones de ambiente atractivo, estimulante, etc. Las seis clases restantes se ordenan según las exigencias del tránsito peatonal y la necesidad de preservar el carácter del ambiente que enmarca a cada vía. La recomendación aconseja emplear las Clases P5, P6 y P7 sólo en aquellos lugares en que el riesgo de criminalidad y comisión de delitos sea despreciable. Mientras que en aquellos casos en que la probabilidad de que se produzcan actos delictivos o vandálicos sea elevada, debe ponerse especial atención en elegir y aplicar una clase que esté ubicada uno o, en casos severos, dos escalones por encima de la que correspondería de no existir el riesgo de comisión de crímenes (por ejemplo, P4 o P3 en lugar de P5). Estas recomendaciones también se aplican a las vías de circulación empleadas por ciclistas y otros vehículos no motorizados.

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Tabla 1: Clases de iluminación para diferentes calles en áreas peatonales.

Descrición de la vía de circulación Clase de iluminación Calles de gran importancia y prestigio P1 Calles de uso nocturno intenso por peatones o ciclistas P2 Calles de uso nocturno moderado por peatones o ciclistas P3 Calles de uso nocturno escaso por peatones o ciclistas solamente asociado a las propiedades adyacentes

P4

Calles de uso nocturno escaso por peatones o ciclistas solamente asociado a las propiedades adyacentes. Importante preservar el carácter arquitectónico del ambiente.

P5

Calles de uso nocturno muy escaso por peatones o ciclistas solamente asociado a las propiedades adyacentes. Importante preservar el carácter arquitectónico del ambiente.

P6

Calles en las que sólo se requiere la guía visual proporcionada por la luz directa de las luminarias

P7

En la Tabla 2 se dan los valores recomendados por CIE para las magnitudes principales asociadas a las categorías establecidas en la Tabla 1. Para las Clases P1 a P6, estos valores se aplican a la totalidad de la superficie bajo consideración, lo que incluye tanto la calzada como las veredas y la caminería exclusivamente peatonal. Para la Clase P7 es esencial que las partes brillantes (luminosas) de las luminarias sean visibles desde la posición de la luminaria más cercana (y preferiblemente desde más lejos) para proporcionar una efectiva guía visual al usuario de esta vía.

Tabla 2. Requerimientos de iluminación en áreas de tránsito peatonal Clase de Iluminación Iluminancia Horizontal (lx) sobre la totalidad

de la superficie empleada. Mantenida. Valor Promedio Valor Mínimo

P1 20 7.5 P2 10 3 P3 7.5 1.5 P4 5 1 P5 3 0.6 P6 1.5 0.2 P7 No se aplica a esta Clase No se aplica a esta Clase

El diseño y la instalación del equipamiento de las vías de circulación (componentes arquitectónicos tales como columnas, refugios, bancos, señalización, etc.) puede determinar diferencias importantes en la imagen de la calle, tanto de día como de noche. En la iluminación de áreas residenciales, donde la creación de un ambiente funcional y visualmente adecuado para sus usuarios es de suma importancia, debe tenerse específicamente en cuenta que la apariencia de la instalación de alumbrado afecta en alto grado la apariencia global del espacio. A su vez, la valoración de la apariencia de la instalación y las impresiones que ésta produce en el usuario, están determinadas por los siguientes factores característicos de la instalación, sus interrelaciones y su prevalencia en la escena visual (CIE 1995):

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• Altura de las columnas de alumbrado, en relación con los edificios circundantes y el arbolado.

• Ubicación de las columnas de alumbrado, con respecto a los puntos de vista principales de la escena visual. Deben reducirse todo lo posible las obstrucciones.

• Diseño de los elementos de soporte. • Complejidad de la geometría de la instalación. • Diseño de las luminarias. Iluminación de playas de estacionamiento Las características de las playas de estacionamiento son de gran importancia en la actividad de centros comerciales, hipermercados, grandes instalaciones deportivas, centros de exhibición y convenciones, etc. Los objetivos que debe satisfacer la iluminación de estos espacios no sólo tienen que ver con la seguridad de los usuarios sino también con el confort y la satisfacción que estos experimenten al hacer uso de ellos. La iluminación es un factor muy importante en la protección contra asaltos, robos y vandalismo, así como en la contribución a la creación de un ambiente propicio para la realización de actividades comerciales y/o recreativas. Los requerimientos de iluminación de estos espacios dependen de sus dimensiones y la intensidad de su uso. En principio, pueden distinguirse tres niveles de actividad: bajo, medio y alto. Estos niveles tienen en cuenta la actividad tanto del tránsito automotor como de los peatones. La Tabla 3 establece las características que debe tener la iluminación de estas zonas para cumplir con su cometido.

Tabla 3. Niveles recomendados de iluminancia horizontal mantenida en zonas de estacionamiento. (Fuente: IES, 1993)

Áreas peatonales y de estacionamiento

Áreas de uso vehicular solamente

Nivel de actividad E (lx) (1) U (2) E (lx) (1) U (2) Alto 10 4:1 22 3:1 Medio 6 4:1 11 3:1 Bajo 2 4:1 5 4:1

Notas: (1) Valor de ILUMINANCIA mínimo sobre el pavimento (2) Valor de UNIFORMIDAD DE ILUMINANCIA (medio/mínimo) Las “Áreas peatonales y de estacionamiento” son aquellas en las que los conflictos entre vehículos y peatones tienen una probabilidad de ocurrencia considerable. En cambio, en las “Áreas de uso vehicular solamente” la probabilidad de ocurrencia de esos conflictos es muy baja. Debe notarse que en las primeras el nivel recomendado es el mínimo admisible, mientras en las últimas se recomienda un nivel medio. En las zonas de estacionamiento se debe prestar la debida atención a la problemática del color, asegurando las condiciones mínimas para que cada usuario sea capaz de identificar sus

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automóviles sin mayores problemas: tanto el nivel como las características de reproducción de color de las fuentes empleadas deben servir a este propósito. La filosofía básica que guía la propuesta de una instalación de iluminación adecuada a los espacios exteriores y que cumpla con los requisitos antes señalados consiste en el aprovechamiento de las ventajosas características que ofrece la lámpara fluorescente compacta , sumada a su disponibilidad en potencias bajas (conservando una eficacia luminosa considerablemente elevada). Con estas bases, se plantea una instalación que sea capaz de suministrar valores luminotécnicos adecuados y pueda además integrarse al entorno en el cual ha de funcionar evitando conflictos funcionales, de escala y/o de colisión con otros elementos componentes de ese espacio, en especial la vegetación. La satisfacción de estos criterios generales, más el cumplimiento de los requerimientos luminotécnicos específicos, conducen a las disposiciones adoptadas para la instalación propuesta para iluminar los espacios exteriores privados de uso común (tales como jardines y espacios parquizados de complejos habitacionales, playas de estacionamiento, maniobra y circulación de localizaciones comerciales, etc.):

∗ Utilización de fuentes luminosas de menor potencia. ∗ Incremento de los “puntos de luz” correspondientes a zona iluminada. ∗ Menor altura de montaje de los “puntos de luz”.

La utilización de fuentes luminosas de menor potencia permite la reducción de la altura de montaje. Esto a su vez redunda en grandes ventajas respecto de la operación y el mantenimiento de las instalaciones resultantes y reduce los costos por estos rubros en forma considerable. Los costos de instalación descienden en gran medida debido a que los elementos constituyentes de la instalación (especialmente de soporte) se hacen más livianos. Los costos de operación también se reducen por la menor potencia involucrada por punto de luz. Si los elementos empleados en la realización de las instalaciones son más livianos y accesibles, es posible realizar los controles, reparaciones, acondicionamientos y reemplazos empleando equipo técnico más simple y económico, ahorrando no sólo en máquinas y herramientas, sino también en personal calificado para su operación. La concurrencia de estos factores da como resultado que el mantenimiento de estas instalaciones tenga menor incidencia en el costo total involucrado por la iluminación de estas zonas. El aumento de la cantidad de puntos de luz, consecuencia de la menor potencia unitaria, es el que posibilita distribuir mejor la energía luminosa disponible, permitiendo alcanzar y superar los valores mínimos admisibles para las magnitudes principales determinantes de la calidad del alumbrado: nivel, uniformidad, etc. 2.4. Compatibilidad con el arbolado. Finalmente, es absolutamente imprescindible que, en la iluminación de nuestras áreas residenciales, los diseñadores de iluminación sean capaces de considerar y logren conjugar adecuadamente la interacción entre el árbol, que en climas como los nuestros juega un papel

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de gran importancia, y la instalación de iluminación en los aspectos funcionales y también estéticos (Kirschbaum 1997, Sandoval 1995, Manzano 1995 ). La menor altura de montaje de la instalación alternativa tiene una ventaja adicional de gran importancia cuando se trata de iluminar espacios exteriores como los que se encuentran en áreas residenciales y comerciales en regiones geográficas como muchas de nuestro país (áreas subtropicales en las que la vegetación y el arbolado juegan un rol fundamental en la conformación del hábitat urbano): por su escala es capaz de compartir el espacio con la vegetación, otro de los componentes importantes de estas áreas, permitiendo que cada uno cumpla con su función de la mejor manera posible. De este modo se minimizan los problemas mencionados anteriormente: no se iluminan las copas de los árboles, se evita el efecto de “túnel vegetal” en las veredas, se evita que la luminaria se “sumerja” en la vegetación, etc.

3. La instalación de alumbrado 3.1. Fuentes luminosas aplicables en los EEP Las fuentes luminosas adecuadas para ser usadas en la iluminación de espacios exteriores (jardines, parquizados, caminerías, áreas residenciales, vías peatonales, etc.) dependen fundamentalmente de la envergadura del proyecto, de los efectos que se pretendan lograr, del color de los elementos que constituyen la escena visual y de las dimensiones del espacio a iluminar. En la Tabla 4 se indican algunas posibilidades de selección de fuentes según el colorido de los elementos presentes en el paisaje. Tabla 4. Objetos y materiales típicos de las áreas parquizadas. Fuentes luminosas empleadas

para iluminarlos. (Fuente: IES, 1993) Color Objetos/materiales Tipo de fuente CRI Cálido Ladrillos rojos Sodio Alta Presión (SAP) 22 Flores rojas o amarillas SAP Color Corregido 70 Follaje otoñal Incandescente (220 V) 95 Cortezas rojas Incandescente halogenada (220 V) 100 Incand. halogenada (bajo voltaje) 99 Corteza de ciprés Fluorescente compacta (2700 K) 81 Corteza de pino Concreto Neutro Corteza de abedul Halogenuros metálicos recubierta (3200 K) 75 Follaje variado Material vegetal verde Fluorescente compacta (3500 K) 74 Halogenuros metálicos standard 65 Mercurio Color Corregido 45 Fluorescente compacta (4100 K) 70 Césped “Bermuda” Halogenuros metálicos HQI (4100 K) 88 Césped Mercurio clara 15 Frío Flores azules Halogenuros metálicos “luz día” 80

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3.2. Luminarias para EEP La selección de la luminaria a emplear es quizás la decisión más importante en la iluminación de exteriores, en especial cuando se trata de iluminar algunos espacios exteriores tales como áreas parquizadas. Los equipos de iluminación deberían integrarse a la arquitectura del espacio que se va a iluminar. Es muy importante que las luminarias no sean demasiado notorias durante el día. Si es posible, no deben verse. Si no lo es, deben complementar el paisaje, integrándose a él. La escala de la luminaria, sus proporciones, estilo y terminación deben constituir un complemento arquitectónico adecuado. Los equipos deben ser capaces de soportar las exigencias que impongan las condiciones climáticas a las que estarán sometidos. Todos aquellos factores que faciliten la corrosión de los artefactos (niebla, lluvia, nieve, variaciones de temperatura, etc.) deben ser considerados cuidadosamente al momento de elegir el artefacto que se ha de utilizar. Las características constructivas de las luminarias deben ser convenientemente evaluadas en la etapa de diseño, pues las condiciones imperantes en los ambientes exteriores pueden dañar, severamente en algunos casos, tanto la apariencia cuanto la estructura de las luminarias, llegando a ponerlas fuera de servicio antes de lo que se prevé para una instalación determinada. La luminaria escogida debe brindar una adecuada protección de la lámpara alojada en ella, especialmente contra el agua y los choques térmicos. Las luminarias deben cumplir adecuadamente con todos los requerimientos desde el punto de vista de la seguridad de servicio, la resistencia al vandalismo, el control apropiado de la distribución luminosa de modo tal que sea posible cumplir con las recomendaciones relativas a la polución lumínica, al derroche de energía que resulta de enviar luz hacia donde no sólo es absolutamente innecesaria, sino que muchas veces es fuente de inconvenientes y perturbaciones de variada índole. Los controles diseñados para los sistemas de iluminación deben ser flexibles y fáciles de operar. Controles bien diseñados y convenientemente ubicados permiten al usuario operar sólo aquellas luminarias que son necesarias para lograr el efecto deseado, con el consecuente ahorro de energía.

Bibliografía Boyce, P. R. 1981. Human Factors in Lighting, Applied Science Publishers, London. CIE, 1995. Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic, CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) Technical Report 115. Henderson, S.T. y A. M. Marsden, 1979. Lamps and Lighting. Second Edition. Edward Arnold, London. Kirschbaum, C.F., 1997. “Reconversión del alumbrado público”, Proceedings Reunión sobre Alumbrado Público en Brasil, Río de Janeiro.

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Manzano, E.R., 1995. Iluminación de áreas residenciales: efecto del deslumbramiento sicológico y fisiológico. Tesis de Magister en Luminotecnia, Universidad Nacional de Tucumán. Murdoch, J.B. 1985. Illumination Engineering - From Edison’s Lamp to the Laser, Macmillan Publishing Company, New York. IES, 1993. IES Lighting Handbook, Rea, Mark S. (Ed.), Illuminating Engineering Society of North America, New York. Sandoval, J. D. et al., 1995. “Considerations about colour lighting preferences in roads inside a park”. Proceedings 23rd Session of the CIE, New Delhi. Sandoval, J.D., 2000. Factibilidad de uso de la lámpara fluorescente compacta en la iluminación de áreas residenciales, Tesis de Magister en Luminotecnia, Universidad Nacional de Tucumán. Tonello, G.L., 1999. Apuntes de la asignatura Medio Ambiente Visual, Depto. de Luminotecnia UNT.

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Capítulo 11

Luz Natural e Iluminación de Interiores

Andrea Pattini 1. Fuentes de luz natural

1.1. Fuentes de luz natural directas, indirectas y difusas 1.2. Tipos de cielo 1.3. Cielo cubierto 1.4. Cielo parcialmente despejado 1.5. Cielo claro

2. Disponibilidad del dato de luz natural exterior.

2.1. Modelos de validez local de iluminancia exterior 2.2. Programa internacional de mediciones de iluminación natural 2.3. Modelos de predicción generales

3. Iluminación natural de los interiores

3.1. Objetivos de diseño 3.2. Sistemas de iluminación natural

4. Aplicaciones y desarrollos recientes

4.1. Bandejas o reflectoras estantes de luz 4.2. Nuevos materiales 4.3. Vidrios prismáticos 4.4. Sistemas con hologramas 4.5. Lumiductos

5. Tratamiento cuantitativo de la luz natural

5.1. Determinación de iluminancia absoluta. 5.2. Determinación de iluminancia relativa 5.3. Factor de luz natural 5.4. Mediciones en modelos a escala 5.5. Modelos matemáticos para el análisis de la iluminación natural interior de edificios

Conclusiones Bibliografia

La iluminación natural constituye una alternativa válida para la iluminación de interiores y su aporte es valioso no sólo en relación a la cantidad sino también a la calidad de la iluminación. En relación a la iluminación artificial, la iluminación natural presenta las siguientes ventajas: * Es provista por una fuente de energía renovable. La iluminación natural es proporcionada por la energía radiante del sol, en forma directa o a través de la bóveda celeste. * Puede implicar ahorro de energía. Una iluminación natural bien diseñada puede cumplir con los requerimientos de iluminancia de un local interior donde se realicen tareas visuales de complejidad media entre un 60-90% del total de horas de luz natural, lo que tiene un potencial de ahorro en energía eléctrica de hasta el 90% en edificios de uso diurno, como por ejemplo escuelas, oficinas, industrias y edificios residenciales. * Puede proporcionar niveles de iluminancia más elevados en las horas diurnas, para una considerable parte del año, que los obtenidos con luz eléctrica mediante instalaciones económicamente sustentables. Se puede, mediante la iluminación natural, obtener una iluminancia homogénea interior de alrededor de 1000 lux. * La luz solar directa introduce menos calor por lumen que la mayoría de las fuentes de iluminación eléctrica. La luz directa del sol, iluminando superficies perpendiculares a ella, alcanza valores de entre 60.000 a 100.000 lux, muy intensa, en general, para ser utilizada directamente pues puede ocasionar deslumbramiento y aumentos de temperatura. Por estas razones, generalmente se prefiere excluir completamente la luz solar de los interiores, lo que constituye un error, pues si bien prácticamente toda la energía proveniente de las fuentes de luz se convierte finalmente en calor, la proporción de calor introducida por lúmenes de luz solar directa es menor que en la mayoría de las fuentes de iluminación eléctrica, como surge de la tabla I. Puede contribuir favorablemente en la necesidad de calefacción en invierno si las aberturas se diseñan de manera que las ganancias solares excedan a las perdidas de calor, por ejemplo, vidrios verticales en la fachada norte para el hemisferio sur. En los meses de verano, las mismas aberturas pueden ser usadas para evitar el ingreso de la radiación directa, por ejemplo estas mismas superficies vidriadas pueden ser sombreadas para evitar el ingreso de la radiación directa, iluminando el interior por reflexión y difusión de la luz del sol.

Tabla 1. Eficacia luminosa de distintas fuentes luminosas incluida la luz directa del sol y la proveniente del cielo (Fuente: Moore, 1985).

Fuente luminosa Eficacia (lm/W) Sol 90-117 (según altitud) Cielo claro 150 Cielo promedio 125 Lámpara incandescente (150w) 16 - 40 Tubo fluorescente (150w) 50 - 80 Lámpara de sodio de alta presión 40 - 140 Lámparas fluorescentes compacta (26w) 70

* Tiene la particularidad de ser dinámica: esta continuamente cambiando a lo largo del día y de los meses del año. En este sentido es importante destacar que la visión humana está

3

desarrollada de manera que evidencia cierta adaptación a las características de la luz natural y de sus cambios. Además, sus continuos cambios son favorables como efecto estimulante. * Integra otros elementos que favorecen la satisfacción de las necesidades biológicas y psicológicas de ritmos naturales. Por ejemplo, haciendo visible el entorno asegura una conexión con el ambiente exterior, las radiaciones externas y las condiciones de cielo, efecto que en general es muy bien recibido por el usuario de la iluminación. * La adecuada provisión de luz natural a una vivienda o local puede incrementar el valor comercial de ellos.

1. Fuentes de luz natural Así como las lámparas de distinto tipo constituyen las fuentes de luz en la iluminación eléctrica, el sol y el cielo son las fuentes de las que se dispone para la iluminación natural. La luz natural llega al interior de un local directa o indirectamente, dispersada por la atmósfera y reflejada por las superficies del ambiente natural o artificial. De la misma manera que una luminaria filtra y distribuye la luz emitida por la lámpara eléctrica que ésta contiene, la luminaria de la luz natural es la envolvente edilicia que admite la luz del sol en el interior de un espacio por transmisión, dispersión o reflexión de la misma. Esto incluye el cielo (bóveda celeste), así como al ambiente externo natural o construido por el hombre. Por lo tanto, el tipo de cielo, las superficies de la tierra, plantas y otros edificios son parte de la "luminaria natural". Estos elementos pueden hacer variar la iluminación interior de un momento a otro y de un caso a otro. Un caso extremo se da cuando no hay obstrucción sobre la abertura (ventana) y la luz natural proviene directamente desde el sol o el cielo. Otra situación extrema se da cuando la abertura de un local en altura está enfrentada a un edificio, de modo que no puedan ser vistos desde el interior el cielo y el suelo, en este caso la luz natural resulta de la luz reflejada desde el edificio que se ve desde la ventana. En consecuencia, el sol, el cielo, las obstrucciones naturales (plantas, el terreno, montañas) y las obstrucciones artificiales (edificios, construcciones) contribuyen al grado de variación de iluminación natural de los interiores (Figura 1). Esta variación puede cambiar parcialmente debido al movimiento del sol y los cambios en las nubes y en parte porque el follaje de las plantas y la reflexión del piso cambian con las estaciones del año.

4

5

Figura 1.- Se muestra la variación de la luz natural que ingresa desde la ventana de una casa debida a las modificaciones estacionales del follaje natural

El sol determina las características esenciales de la luz natural disponible, el largo de los días y sus cambios estacionales, así como los cambios de carácter que ocurren durante el día. Estas características dependen de los movimientos de la tierra (Figura 2), del ángulo de sus ejes (influencia de la localización geográfica) y del ángulo de la superficie iluminada respecto al ángulo de incidencia del rayo de luz, denominado efecto coseno.

Figura 2.- Gráfico de la geometría solar

De la radiación total que llega a la superficie de la tierra después de atravesar la atmósfera, sólo la radiación visible -380 a 780nm- es relevante desde el punto de vista de la iluminación natural.

PN

PS

PS

PS

PN

PN

Solsticio deverano

Equinoccio deotoño

Equinoccio deprimavera

Solsticio de invierno

PS

1.1. Fuentes de luz natural directa, indirecta y difusa Se llama luz solar directa a la porción de luz natural que incide en un lugar específico proveniente directamente desde el sol. La luz solar directa se caracteriza por: • Su continuo cambio de dirección. • Su probabilidad de ocurrencia. • La iluminacia que produce en una superficie horizontal no obstruida. • Su temperatura de color. La luz solar indirecta es la que llega a un espacio determinado por reflexión generalmente en muros, pisos o cielorrasos. En los climas soleados, la luz natural indirecta constituye un verdadero aporte a los sistemas de iluminación natural, mediante uso de superficies reflectoras que dirigen la luz solar directa por ejemplo al cielorraso aumentando la cantidad de luz natural disponible y mejorando su distribución. La luz natural difusa es aquella que tiene aproximadamente la misma intensidad en diferentes direcciones (la luz proveniente de la bóveda celeste sin considerar el sol). Para aplicaciones de iluminación natural de edificios, lo que caracteriza la cantidad de luz natural disponible es la iluminancia en una superficie horizontal exterior no obstruida. 1.2. Tipos de cielo Si bien la fuente primaria de luz natural es el sol, desde el punto de vista de la iluminación diurna de edificios, la fuente de luz considerada para el cálculo es la bóveda celeste, excluyendo siempre la luz solar directa sobre los planos de trabajo por su gran capacidad lumínica, que genera contrastes excesivos y causa deslumbramiento. Es muy importante evitar, desde el diseño mismo, el ingreso de luz directa del sol, mediante la difusión y reflexión de los rayos solares hacia los interiores, pues de lo contrario los ocupantes de los edificios tienden a eliminar totalmente el ingreso de luz natural y a reemplazarla por iluminación artificial, cambiando las condiciones ambientales interiores y perdiendo la oportunidad de ahorrar energía eléctrica durante las horas de sol. Desde el punto de vista de sus características distintivas, el cielo puede ser descrito por su distribución de luminancias, lo que permite su utilización en los cálculos y en el análisis de sus efectos en el interior de un local. Según las características locales de la bóveda celeste y las estrategias de diseño, se emplea la siguiente clasificación: Cielo cubierto: definido para climas fríos por la CIBSE -Estandarización Británica- como un cielo cubierto en un 90% por nubes con sol no visible. Otras clasificaciones incluyen en este tipo de cielo cuando la proporción de nubes va desde un 70 a 100%. La ecuación para la distribución de luminancias para cielo cubierto es:

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3sen21 θθ +

×= LZL

donde, LZ es la luminancia en el cenit, θ es el ángulo de altitud del punto considerado, como se muestra en la figura 3a. Un cielo cubierto es de 2.5 a 3 veces más luminoso en el cenit que en el horizonte (Figura 3a), lo que hace que sea favorable la iluminación cenital (ventanas altas o de techo), aprovechando así la parte más luminosa de la bóveda celeste, sin los riesgos de excesivos contrastes debidos a la luz solar directa. Sus valores y distribuciones varían con la localización, las características climáticas, densidad y uniformidad de las nubes y condiciones atmosféricas como la turbidez. El valor medio anual de iluminancia exterior sobre una superficie horizontal que se considera para los cálculos es de 5000 lux.

Una simplificación de este tipo de cielo es conocida como cielo de luminancias uniformemente distribuidas o cielo uniforme (Figura 3b), que supone una capa de nubes blancas de espesor constante y una atmósfera de turbidez constante, por lo tanto su distribución de luminancias es:

L(θ ) = constante

b a

Figura 3.- a) distribución de luminancias del cielo nublado. b) distribución de luminancias del cielo uniforme.

Cielo parcialmente despejado: con presencia estacional del sol alternada por períodos de nubosidad variable (climas templado húmedo y cálido húmedo), la iluminancia en una superficie horizontal exterior no obstruida bajo este tipo de cielos, puede variar entre 100.000 lux (sin nubes) y 10.000 lux (con nubes interceptando el sol). Este tipo de cielo es el más difícil de predecir por la enorme variabilidad que puede presentar y por lo tanto no se dispone de un modelo especifico simple.

Un cielo claro: definido por la CIBSE -Estandarización Británica- como un cielo no obstruido por nubes y por la IESNA -Estandarización Norteamericana- como un cielo obstruido en un porcentaje menor al 30%. En todos los casos se trata de una bóveda celeste donde el sol no está obstruido por las nubes. Su relación de luminancias es de 1 en el horizonte a 0,5 en el cenit (Figura 4)

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Figura 4. Distribución de luminancia de un cielo claro.

La ecuación de la distribución de luminancias del cielo claro es: donde LZ es la luminancia del cenit, θ es el ángulo de altitud del punto considerado, k es la distancia angular de este punto desde el sol y ZEN es el ángulo cenital del sol. Hay dos problemas al caracterizar de esta manera las distribuciones de luminancias de los cielos. Por una parte, hay innumerables distribuciones de cielos posibles y solo tres de ellas pueden ser descriptas por una fórmula matemática; por otra parte los valores de luminancia son determinados estadísticamente, con valores obtenidos como resultado de mediciones de varios años. A pesar de lo mencionado anteriormente, esta manera de caracterización es muy útil, ya que permite definir las condiciones de cielo ilustradas en las figuras 3 y 4. Las funciones sólo dan valores relativos, no absolutos, y muestran que: • Cuando el cielo está nublado, el cenit es tres veces más luminoso que el horizonte. • Si se considera un cielo uniforme a modo de simplificación para los cálculos, en este caso

las luminancias provenientes del cielo “uniformemente nublado” son asumidas como isotrópicas (iguales independientemente de la dirección de donde provienen).

• En un cielo claro la parte del cielo más brillante es la que se encuentra en el sol y en anillo que lo circula (circunsolar) y la más oscura (azul intenso) es la que se encuentra a 90° del sol; de esta manera, el horizonte puede ser más luminoso que el cenit en condiciones de cielo claro.

El tipo de cielo, y su correspondiente distribución de luminancias –claridad-, característico del lugar donde se emplazará una construcción, puede ser establecido con precisión mediante el análisis de la frecuencia de ocurrencia de cielo claro o con nubes a partir de los datos meteorológicos locales, pudiéndose completar la información respecto a la distribución de luminancias con mediciones locales de cielo (Pattini y otros, 1994).

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2. Disponibilidad de datos de luz natural exterior

El punto de partida para el aprovechamiento de luz natural en un diseño de iluminación es el conocimiento de la disponibilidad de luz exterior, tanto en sus niveles como en sus períodos de duración, de acuerdo a las horas del día y a las estaciones, sin embargo, lamentablemente, son muy pocos los países en el mundo en donde se toman registros de luz natural en forma regular. La forma en que se trabaja para los cálculos es utilizando modelos de predicción que han sido desarrollados para cuatro aplicaciones diferentes: 1- Para establecer condiciones de diseño, que se utilizan en el desarrollo de herramientas

simples de diseño, o bien para establecer un cielo de diseño. 2- Para establecer una evaluación hora-hora del recurso que luego sea introducido en

herramientas complejas de simulación de consumos de energía en edificios tales como el RADIANCE, Energy-10, etc.

3- Para establecer promedios horarios de disponibilidad del dato en forma tabulada para el uso de arquitectos, ingenieros y diseñadores de sistemas de iluminación.

4- Como una herramienta de investigación que ayude a comprender el recurso de luz natural y el desarrollo de nuevas maneras de evaluar los sistemas de iluminación solar.

Los modelos de predicción se pueden dividir en los de validez local o regional y los generales. 2.1. Modelos de validez local de iluminancia exterior El procedimiento de cálculo utilizado a partir de datos locales o regionales tabulados para evaluar el recurso y determinar las condiciones de cielo sólo puede realizarse en las localidades donde se ha medido y está disponible (Robbins, 1986), obteniendo un modelo de probabilidad de luz solar diferenciado para condiciones de cielo claro y cubierto especificando horas del día, mes y año. Sin embargo, debido a que muy pocas estaciones meteorológicas en el mundo proveen los datos climáticos locales o regionales en forma tabulada, esta solución no es factible. 2.2. Programa internacional de mediciones de iluminación natural La Comisión Internacional de Iluminación –del inglés Commission Internationale de L'Éclairage, CIE-, designó el año 1991 como el año internacional de la medición de la luz natural, estableciendo tres categorías de estaciones de medición Básica, General y de Investigación. En las dos primeras categorías las principales cantidades medidas son iluminancia y radiación, mientras que en la de Investigación, se realiza una recolección continua de la distribución de luminancia de cielo, así como de iluminancia, radiación y otros datos meteorológicos (Tregenza 1987, Dumortier 1998).

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En Mendoza, Argentina, se desarrolló en 1993, un equipo de adquisición de datos que colecta datos exteriores de radiación solar e Iluminancia exterior directa, global y difusa, sobre superficie horizontal. Con los primeros datos obtenidos, se formuló un modelo de predicción de validez local (Pattini y otros 1996). Desde fines de 1999 esta estación de clase general (figura 5), que arroja datos minuto a minuto, forma parte de la red de estaciones de la CIE (figura 6). En la figura 7 se ha graficado la distribución de los valores registrados en la mencionada estación, de iluminancia global exterior sobre superficie horizontal, desde el amanecer hasta el anochecer, correspondientes a tres días del mes de Junio, en donde se pueden apreciar las importantes diferencias de niveles y su distribución según se trate de un día nublado (gráfico izquierdo), parcialmente nublado (gráfico central) o con cielo claro (gráfico derecho)

Figura 5.- Estación General para la medición de luz natural ubica en Mendoza, Argentina, perteneciente a la Red Mundial CIE

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Figura 6.- Mapa con la distribución de estaciones de medición de la Red CIE, (previo a la incorporación de la estación ubicada en Mendoza, Argentina)

Iluminanancia Global Horizontal (Mendoza, Junio Cielo nublado)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0.02

1.32

2.62

3.92

5.22

6.52

7.82

9.12

10.4

211

.72

13.0

214

.32

15.6

216

.92

18.2

219

.52

20.8

222

.12

23.4

2

horas

lux

Iluminanancia Global Horizontal (Mendoza, Junio parcialmente

nublado)

010000

2000030000

4000050000

60000

0.02

1.32

2.64

3.95

5.27

6.59

7.90

9.22

10.5

411

.85

13.1

714

.49

15.8

017

.12

18.4

419

.75

21.0

722

.39

23.7

0

horas

lux

Iluminanancia Global Horizontal (Mendoza, Junio Cielo Claro)

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

0.00

1.32

2.64

3.95

5.27

6.59

7.90

9.22

10.5

411

.85

13.1

714

.49

15.8

017

.12

18.4

419

.75

21.0

722

.39

23.7

0

horaslu

x

Figura 7.- Distribución horaria de valores de iluminancia global medidos en el mes de Junio en Mendoza,

Argentina; correspondiente a tres situaciones: a) día nublado, b) parcialmente nublado y c) cielo claro. 2.3. Modelos de predicción generales Una aproximación que no requiere colectar datos de iluminancia exterior por un período de tiempo extenso es la formulación de modelos de predicción. Un modelo de predicción de iluminancia es aquel que puede otorgar información acerca de la cantidad de iluminancia exterior que llega a una superficie de determinada orientación, en un intervalo de tiempo (generalmente horario), basándose en las mediciones y cálculos de aquellas condiciones climáticas que afectan la disponibilidad de la Luz Natural. En este sentido, el modelo podría aplicarse a cualquier localidad, simplemente introduciendo los datos climáticos necesarios. En muchos de estos modelos, la iluminancia global (EG) que llega a una determinada superficie está compuesta por la Iluminancia directa (ED), la Iluminancia difusa (ed) y la Iluminancia reflejada por el suelo o albedo (eg):

EG = ED + ed + eg

Si la superficie sobre la que se realiza el cálculo es horizontal, no se incluye la correspondiente componente reflejada por el suelo.

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La mayor distinción entre los modelos se encuentra en si han sido formulados para cielos claros, parcialmente nublados o cubiertos.

3. Iluminación natural de los interiores En el desarrollo preliminar del diseño de un edificio, así como en el diseño de los elementos que han de captar, dirigir y distribuir la luz natural, el criterio visual interior y los requerimientos básicos de iluminación deben ser prioritariamente conocidos y definidos. Esto nos remite a las normas y recomendaciones efectuadas a escala regional y/o internacional para los distintos tipos de locales (Gonzalo y otros, 2000; Pattini, 2000). A continuación, los diseñadores deben determinar los parámetros de disponibilidad de luz natural para la localidad donde se emplazará el edificio y la selección de los datos apropiados de luz natural que se usarán como base para la propuesta de diseño, para poder predecir entonces la contribución de iluminación natural para varios esquemas. 3.1. Objetivos de diseño El diseño debe procurar optimizar la orientación de las plantas de los edificios para permitir, dentro de las posibilidades de los terrenos, el acceso de la luz natural a la mayoría de los locales. En la figura 8 se muestran locales, con distintas formas y orientaciones, y se indica en cuáles casos la situación es más favorable.

N M

UY

MA

LO

MALO

BUENO

MUY BUENO

EXCELENTE

Figura 8.- Orientaciones favorables y desfavorables de los edificios para que la mayoría de los espacios tengan

acceso a la luz natural. En cuanto a las ventanas utilizadas para el mejor aprovechamiento de luz natural en la iluminación de interiores, los objetivos de diseño son:

Maximizar la transmisión de luz por unidad de área vidriada (marcos y hojas de ventanas esbeltas)

•

•

•

•

Controlar la penetración de luz solar directa sobre el plano de trabajo Controlar el contraste de claridad dentro del campo visual de los ocupantes, especialmente entre las ventanas y las superficies circundantes del local. Minimizar el efecto de reducción de ingreso de radiación debido al ángulo de incidencia de la luz -efecto reducción por coseno-. Esto significa que aventanamientos ubicados en la parte alta de los muros producen más iluminancia que una ventana más baja de la misma área.

12

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• Minimizar el deslumbramiento de velo sobre los planos de trabajo, resultante de la visión directa de la fuente de luz en las ventanas superiores.

• Minimizar las ganancias de calor diurno durante el período de verano. • Maximizar las ganancias térmicas diurnas en invierno para permitir la calefacción natural

los espacios. • Proveer sombra sobre las áreas vidriadas para evitar sobrecalentamientos estacionales o

deslumbramientos según la orientación de la fachada donde está ubicada la ventana (Figura 9).

Figura 9.- Indicación sobre los distintos tipos de protección a utilizar sobre las ventanas para evitar

deslumbramientos según orientación de la fachada en donde el aventanamiento esta emplazado. 3.2. Sistemas de iluminación natural Llamamos sistema de iluminación natural al conjunto de componentes que en un edificio o construcción se utilizan para iluminar con luz natural. La cantidad, calidad y distribución de la luz interior depende del funcionamiento conjunto de los sistemas de iluminación, de la ubicación de las aberturas y de la superficie de las envolventes. Básicamente son tres los sistemas de iluminación natural utilizados: • Iluminación lateral • Iluminación cenital • Iluminación combinada Iluminación lateral La luz llega desde una abertura ubicada en un muro lateral, y es por eso que la iluminancia del plano de trabajo cercano a la ventana tiene un nivel alto y aporta en forma importante a la

No necesita

protección

Proteger con alerosanchos horizontales yverticales o parasolesdifusores

30°

ORIENTACIÓN DE LA

FACHADA

N

S

E O

30° 30° 30°

Proteger con alerosanchos horizontales yverticales o parasoles

difusores

Proteger con

parasoles verticales

Proteger con

parasoles verticales

Proteger con aleros moderados o parasoles horizontales y difusores

iluminación general. Si nos movemos, alejándonos de la ventana, el valor de la iluminación directa decrece rápidamente y la proporción relativa de la componente indirecta (reflejada y difusa) se incrementa. Sin embargo, como se muestra en la figura 10, la cantidad y distribución de la luz que ingresa lateralmente a través de una abertura en un muro depende fundamentalmente de la orientación del muro donde la misma esta emplazada, debido a que en general, las ventanas orientadas al Norte reciben sol (iluminación directa) desde el amanecer hasta el atardecer, las orientadas al Este solo permiten el ingreso de la radiación directa desde el amanecer hasta el mediodía, La ubicadas hacia el Oeste desde el mediodía hasta el atardecer y las emplazadas hacia el Sur no reciben aporte de iluminación directa, solo reciben iluminación difusa y reflejada.

Ventana muro EsteVentana muro Oeste

Ventana muro SurVentana muro Norte

Figura 10.- Diferencias entre las curvas de isolux resultantes en el mismo espacio interior modificando solamente la ubicación de la ventana en los muros Norte, Sur, Oeste y Este.

Iluminación lateral y el muro norte En diseños de edificios que utilizan energía solar pasiva para su acondicionamiento térmico, la misma superficie vidriada (ganancia directa solar) puede ser utilizada para calefaccionar

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durante los meses de invierno, y enfriar por ventilación cruzada natural y para materializar el sistema de iluminación natural. La ganancia térmica solar directa en fachadas verticales orientadas al norte, potencial causa de deslumbramiento, se puede controlar con un alero fijo o con sombra vegetal, bloqueando la radiación directa sobre las áreas vidriadas en los meses de verano, ingresando por lo tanto sólo iluminación difusa a los interiores. En la situación de invierno, lo que se desea es el ingreso del sol en el local para ganancia térmica, cosa que ocurre naturalmente, ya que el sol tiene ángulos bajos y el alero que sombreaba en verano (ángulo solar alto) permite el total asoleamiento de la superficie vidriada. Para evitar también el deslumbramiento y en consecuencia las molestias visuales, que produce el ingreso del sol directo en invierno a través de la ventana ubicada en la fachada norte, se puede difundir el rayo solar mediante estantes de luz interiores o difusores que redirijan o difundan la luz solar directa para iluminar (figura 11), una vez que ya ingreso al local para calefaccionar, acumulándose en los elementos constructivos con masa (muros y pisos).

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Figura 11.- Control de la luz solar directa proveniente de aberturas ubicadas en la fachada norte.

a- Diseño de difusores interiores de luz solar directa en ventanas fachada norte

b- Diseño de estantes de luz interior - exterior en ventanas de fachada norte

Iluminación cenital Se utiliza generalmente en las localidades con predominio de cielos nublados. El plano de trabajo es iluminado directamente desde la parte más luminosa de estos tipos de cielos, el cenit. La proporción de iluminación indirecta generalmente no excede el 25%. En la figura 12a se indica la distribución de las aberturas según su relación con la altura del local.

Edificios sin ventanas

MonitorDiente de sierra

Lucarna

Clerestorio

Edificios con ventanas

2H 2HH

H

HH 1/2H1/2H

H H

2 / H1 22 / H1 22 / H1 2

/ H1 2

Figura 12.- Se muestran esquemas de aberturas para lograr: a) iluminación cenital y b) iluminación combinada

Iluminación combinada En la iluminación combinada hay aperturas en muros y en techos. En un interior donde la envolvente no está claramente dividida en muros y techos, por ejemplo en cerramientos abovedados, se la considera como iluminación lateral si la abertura es más baja que 2.5 m; por encima de esta altura se considera iluminación cenital o superior. En la figura 12b se indica la mejor distribución en el espacio de las aberturas combinadas. En una iluminación combinada, la relación de la componente directa e indirecta de la iluminación puede ubicarse entre los dos extremos mencionados anteriormente.

4. Aplicaciones y desarrollos recientes Por razones de facilidad constructiva y de costos, la mayoría de los aventanamientos para iluminación natural se realizan a través de los muros laterales. El factor más importante a tener en cuenta cuando se ilumina lateralmente es la orientación. Los diseños con iluminación unilateral tienen tres problemas que resolver:

La mala distribución de la iluminación lateral. •

• La luz solar directa, que puede causar deslumbramientos

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El hecho de que sólo los locales con un muro al exterior o al techo (cielo) pueden ser iluminados con luz natural.

•

4.1. Bandejas reflectoras o estantes de luz La distribución interior de la iluminación lateral, que ingresa por una ventana ubicada en la fachada norte, puede ser mejorada con la colocación de una bandeja o estante horizontal de material reflectante. Un estante de luz tiene el efecto de incrementar la componente reflejada y redireccionarla al cielorraso interior que trabaja como una fuente secundaria de luz natural. La ubicación de los estantes de luz con respecto al plano del edificio afecta su exposición al cielo, y por ende su reflexión de luz sobre el cielorraso. Este tipo de estante de luz intermedio se utiliza dividiendo la parte superior e inferior del vidrio, reflejando luz adicional a través de la parte superior del vidrio, mientras actúa como un alero de sombra para la parte de abajo del vidrio en los meses de verano. La contribución de los estantes de luz a la iluminación interior está directamente afectada por la reflectancia del cielorraso. El muro posterior también afecta la iluminancia, porque su aporte está limitado por su exposición directa a la luz solar y, en un grado menor, a la luz reflejada desde el techo; la exposición directa del muro posterior del reflector horizontal es despreciable. Es un error de concepto generalizado que esta configuración aumenta la iluminancia en la parte posterior del local. En la práctica, la reflectancia adicional sobre la superficie del cielorraso no incrementa la luz directa del cielo que es obstruida por el estante. La principal ventaja del estante de luz intermedio es la reducción del deslumbramiento desde el cielo a los lugares próximos a la ventana, como se muestra en la figura 13.

Estante exterior/interior

Con estante de luz solo exterior

Sin estante de luz

Figura 13.- Efectos de un estante de luz o bandejas reflectoras

4.2. Nuevos materiales Se ha extendido la utilización de nuevos materiales que se aplican sobre los estantes de luz, como por ejemplo el sistema Valra, que utiliza un material reflexivo flexible que puede ajustarse estacionalmente. También se han desarrollado materiales difusores reflexivos

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basados en el mismo principio, formados por tablillas fijas —tipo cortina americana— que con la finalidad de optimizar su mantenimiento, y en consecuencia máxima duración con efectividad a lo largo del tiempo, se los puede colocar entre dos paños de vidrio. 4.3. Vidrios prismáticos Se utiliza el efecto que produce un prisma de redirigir la luz por refracción, produciendo un efecto similar al de los estantes de luz: al llegar la luz del sol directamente a las superficies de los múltiples prismas del vidrio (o material plástico), es redirigida hacia el cielorraso. Con cielo nublado su efecto es despreciable. También en este caso, para un mantenimiento adecuado en el tiempo, estas placas prismáticas se colocan entre dos vidrios transparentes, en la parte superior de la ventana. Pueden construirse fijos o permitir algún tipo de movimiento de acuerdo a las estaciones. Una sofisticación es la realización de una película prismática adherente que puede ser aplicada sobre la superficie de la ventana.

4.4. Sistemas con hologramas Estos tienen una propuesta similar a la anterior, pero en este caso, la difracción es creada por estructuras microscópicas y los elementos ópticos holográficos pueden ser usados tanto en soporte móvil como fijo. El efecto de arco iris puede hacer que no sea adecuado para todas las aplicaciones. 4.5. Lumiductos Estos sistemas son utilizados cuando un local no tiene posibilidades de recibir la luz natural porque no tiene ningún muro expuesto al exterior o bien porque se considera insuficiente la luz natural que ingresa. En la figura 14 se muestra un ejemplo. Tienen tres partes constitutivas:

Un captador de luz solar •

•

•

Un conductor de luz solar Un emisor de luz al interior del local (o boca de salida)

Figura 14.- Diseño de lumiducto (con la indicacion de sus componentes) para aula de planta baja.

Emisor

Conductor

Colector

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Este sistema es sólo justificable en climas soleados y no responde con eficiencia a la luz natural difusa.

5. Tratamiento cuantitativo de la luz natural La iluminación de un interior es cuantificada por la iluminancia en el Plano de Trabajo. El Plano de Trabajo de referencia, es un plano ficticio, horizontal, vertical o con una determinada inclinación (dependiendo del uso que se le dará al local: oficina, aula, museo, etc.) formado por una grilla de puntos equidistantes y de una altura correspondiente con la función (ej. 0,80 m para oficinas). Los procedimientos para calcular la iluminación interior en cada uno de los puntos de la grilla del Plano de trabajo, proveniente de fuentes naturales han sido propuestos por diferentes países desde hace más de 90 años (Fontoynont, 1998). En general en la actualidad se pueden clasificar en dos: 5.1. Métodos que proveen iluminancia relativa (los valores se expresan en porcentajes). Los métodos de análisis que determinan la iluminancia relativa, le permiten al diseñador o analista hacer una predicción del porcentaje de la Luz Natural exterior que es utilizada para iluminar el interior analizado. La iluminancia relativa es frecuentemente percibida como una constante que no varía con la hora del día ni con la orientación de la abertura (Factor de Luz Natural). 5.2. Métodos que proveen valores absolutos de iluminancia interior de un local (los valores se expresan en lux). Estos métodos le otorgan al analista o diseñador una predicción de la cantidad de iluminación interior provista por la Luz Natural en cada punto considerado del local. La iluminancia absoluta varía con el tiempo (hora, mes, estación), con la orientación de la abertura, y con las condiciones de cielo (claro, parcialmente nublado y cubierto) 5.3. Factor de luz natural Este método ha sido desarrollado para condiciones de cielo nublado, pues la iluminancia relativa es una constante, lo que no ocurre bajo condiciones de cielo claro. El Factor de Luz Natural (FLN) es la relación entre la iluminancia en un punto interior (Ei) y la iluminancia horizontal en una superficie exterior no obstruida (Ee) medidas en forma simultánea, de manera que:

FLN = (Ei/Ee) x 100

Obteniéndose:

Ei = (FLN/100) x Ee

Como la iluminación externa está en constante cambio, la iluminancia interior la acompaña, de manera que la iluminancia cambia su valor en el tiempo t:

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Ei(t) = (FLN/100) x Ee(t) En esta ecuación el término Ee(t) representa el aporte del cielo como luminaria y el término FLN/100 depende del diseño de arquitectura. El Factor de Luz Natural es una expresión de la eficacia de utilizar la luz del cielo para proveer iluminancia horizontal en un interior, es decir que este factor indica en qué medida el edificio y su interior -muros y cielorraso-, así como las obstrucciones externas, restringen la potencial disponibilidad de iluminancia. El FLN podría ser del 100% en ausencia de un edificio o de una obstrucción. En una forma simplificada se puede decir que el FLN considera los tres componentes siguientes: 1. La componente de cielo (Cc): es la proporción de luz que aporta de la porción de cielo que

¨ve¨ el punto interior donde se calcula la iluminancia. 2. La componente reflejada del exterior (Cre): es la proporción de luz reflejada que llega al

punto interior donde se calcula la iluminancia desde todas las superficies del exterior. 3. La componente reflejada del interior (Cri): es la proporción de luz reflejada que llega al

punto interior donde se calcula la iluminancia desde todas las superficies interiores.

FLN = Cc + Cre + Cri El Factor de Luz Natural cuantifica todos los efectos del exterior y del interior en la iluminancia de un punto interior considerado, siendo una función de:

La posición de un punto considerado •

•

•

•

•

•

Las dimensiones interiores Las reflectancias de las superficies interiores La localización, tamaño y estructura de la abertura La localización, tamaño y reflectancias de las obstrucciones externas Las reflectancias del suelo (albedo)

Si se analiza ahora el FLN en distintos puntos del ambiente interior (Plano de Trabajo), y para un dado valor de Ee en el tiempo, el mismo cambia de un punto a otro de la misma forma que lo hace la iluminancia del interior, es decir, tiene igual distribución. Esto significa, que una curva de distribución de iluminancia Ei (lux) tendrá una forma similar a la curva de FLN (%). En general se especifican los siguientes valores críticos del Factor de Luz Natural: Valor de FLN promedio Valor de FLN mínimo Valor de uniformidad FLNmin/ FLNprom

que, de acuerdo a lo dicho en el párrafo precedente, están en relación directa con los valores respectivos de iluminancia en el interior.

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5.4. Mediciones en modelos a escala La evaluación de la luz natural en modelos a escala (Pattini y otros, 1993) es muy utilizada porque además de permitir un análisis cuantitativo (valores interiores medidos) otorga datos cualitativos de la distribución de la iluminancia interior. La luz no tiene dimensión escalar, por lo tanto, los valores de iluminancia medidos en maqueta serán los mismos que se registrarán en el local de interés. El único factor de posible distorsión está referido a las reflectividades de las superficies interiores, es decir que habrá que utilizar en el interior de las maquetas superficies con valores de reflexión similares a los que se utilizarán para pintar el local en la realidad. La evaluación en modelos a escala puede realizare bajo una bóveda celeste natural o en cielo artificial. Este último permite sólo estudiar configuraciones comparativas, ya que no permite el análisis de la presencia estacional del sol. En general, los cielos artificiales reproducen las condiciones exteriores similares a las de la bóveda celeste uniformemente cubierta. Para medir la cantidad de luz interior de maquetas se utiliza un luxímetro, midiendo sobre una grilla que simula la altura del plano de trabajo, o bien con varios censores de lectura simultánea. Para poder establecer los valores de FLN pueden realizarse mediciones de iluminancia exterior e interior simultáneas.

5.5. Modelos matemáticos para el análisis de la iluminación natural interior de edificios Los modelos matemáticos ofrecen ventajas en su modo de obtener los valores de iluminación interior: • Permiten un análisis rápido de varias configuraciones de aperturas para modificar o

verificar diferentes conceptos de diseño, incluyendo la forma del local, el tamaño de ventanas, la orientación de las aberturas y otras variables.

• La mayoría de las técnicas de modelización matemáticas están disponibles en forma de programas computaciones comerciales.

• Pueden utilizarse para determinar el rendimiento de los sistemas de iluminación (natural y artificial) en un período de tiempo determinado, con posibilidad de visualizar los ambientes interiores, ya sea en monitor de PC o en impresos en papel.

Desventajas: • Las simplificaciones asumidas por los modelos matemáticos utilizados como herramientas

simples de diseño a menudo limitan su uso y reducen su exactitud y precisión en comparación con el comportamiento del edificio o respecto a un modelo a escala.

• Los modelos matemáticos más avanzados utilizan el método de transferencia de flujo del que es imposible su cálculo manual.

• Las técnicas de modelización matemática están limitadas por el número de casos que han sido estudiados para desarrollar el modelo matemático.

Los trabajos de cálculos lumínicos basados en modelos matemáticos pueden hoy ser realizados con un importante número de simuladores que se ajustan a cada necesidad de

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respuesta, pero el debate sobre la validación del simulador que se debe utilizar se centra en conocer si los mismos parten de datos que sean válidos para calcular los aportes en las condiciones similares en donde se emplazaran los edificios bajo análisis (cielos típicos). Como dato general podemos decir que ninguno de ellos tiene el grado de precisión que puede lograrse con evaluaciones en modelos a escala. Pero son de gran utilidad en las etapas de prediseño y evaluación comparativa de estrategias. Esto es importante conocerlo, principalmente en los climas soleados, en los que conviene manejar con mayor grado de ajuste los diferentes aspectos que intervienen en los sistemas de iluminación natural para evitar en la práctica posibles situaciones de disconfort térmico y/o deslumbramientos. Los programas más utilizados como herramientas de predicción son: SuperLite y Radiance desarrollados por el Laboratorio Lawrence Berkeley de California, Estados Unidos, Lumen Micro de Lighting Technologies, y el Genelux desarrollado en Francia. En el siguiente sitio de internet pueden obtenerse herramientas de cálculo sin costo:

http://www.aud.ucla.edu/energy

Conclusiones La iluminación natural constituye un recurso sustentable para la iluminación de edificios y es una alternativa preferida por los usuarios. Para el aprovechamiento de la luz natural en edificios y sus partes constituyentes, es necesario comprender los principios de la iluminación natural, para integrarlos adecuadamente desde el inicio del proceso de diseño. Esta comprensión comienza con el conocimiento adecuado del sol y sus radiaciones luminosas para la obtención de clasificaciones características para las distintas regiones, pues los trabajos de normas y recomendaciones sobre aprovechamiento de luz natural derivan del conocimiento que tienen los países que poseen datos y modelos verificados. En cuanto al desarrollo preliminar del diseño de un edificio, el criterio visual interior y los requerimientos básicos de iluminación deben ser definidos a priori, teniendo en cuenta disponibilidad de la luz natural regional como un requerimiento para realizar los cálculos de valores absolutos y relativos de luz natural. Es fundamental el conocimiento, tanto de la cantidad como de la duración y características de la luz natural en el Hemisferio Sur, particularmente en nuestro país en donde una gran cantidad de territorio se encuentra en condiciones de cielo claro. El aprovechamiento de la luz solar ofrece una real oportunidad para el ahorro de energía eléctrica, con los consiguientes beneficios ambientales que ello otorgaría, en espacios creados para el bienestar, en el marco de un desarrollo y utilización responsables de los recursos naturales que aún hoy disponemos.

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http://www.aud.ucla.edu/energy

Bibliografía

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Anexo 1. Ductos de luz 1. Introducción

En los edificios de oficinas de mediana y gran altura, la planta suele resolverse de manera abierta, donde el núcleo de circulaciones verticales ocupa una posición central o periférica, liberando así la mayor superficie como espacio de trabajo. Esto genera que existan áreas a más de 4m de distancia de los aventamientos que requieren necesariamente iluminación artificial, por ser éste el límite de ingreso pasivo de la luz natural. Es por ello que se han desarrollado sistemas de captación y distribución de la iluminación natural, los cuales podemos dividirlos en dos grupos:

• Sistemas de conducción de luz directa y difusa hasta el centro de la planta del edificio que alcanzan hasta 8 ó 10 m de profundidad por medio de reflexión, refracción o deflexión, (estantes de luz, louvers).

• Sistemas de transporte de luz natural, que alcanzan mayores distancias que los anteriores, canalizando la radiación solar directa desde el exterior hasta el interior donde es distribuída (ductos de luz).

2. Sistemas de transporte de luz

En un sistema de transporte intervienen tres procesos, a saber: • Captación de la radiación solar mediante un dispositivo • Transporte del fluido mediante un ducto • Extracción y distribución del la luz natural en el espacio Los sistemas de transporte de luz natural se clasifican según el material que se emplee,

a saber: a. Fibra óptica: es sumamente eficiente; funciona por reflexión interna total pero su

elevado costo restringe su uso a aplicaciones decorativas de luz artificial. El mayor inconveniente está representado por la concentración requerida dada la escasa apertura de la fibra: Para ello se requieren complicados heliostatos que concentren la luz natural. Recientemente se encuentran en estudio concentradores luminiscentes de luz natural emitida como luz fluorescente que es transportada por guías de material flexible de un costo menor a la fibra óptica.

b. Guías de PMMA transparente: el polimetil metacrilato o PMMA es un acrílico transparente que ha sido usado. por sus propiedades transmisoras y relativo bajo costo. La luz es transportada por reflexión interna total mediante caños macizos o huecos cilíndricos. En el caso de los macizos, la eficiencia es del 50% para una relación de 1: 24 entre diámetro y longitud. Sólo ha sido testeado en pequeños edificios.

c. Dispositivos de lentes y espejos : las lentes tienen buenas características transmisoras y mantienen el rayo de luz concentrado , este sistema no necesita un contenedor. Los inconvenientes que presenta son el alto costo de las lentes y el montaje preciso que requieren. La transmitancia es del 92% y el espacio entre lentes dependerá de la longitud focal de las mismas. Se ha comprobado una eficiencia del 28% para un dispositivo de 13 lentes.

d. Ductos prismáticos: son estructuras huecas con paredes de acrílico que contienen ángulos rectos precisos que transportan la luz por reflexión interna total. El problema que presenta este dispositivo es el sistema de recolección de luz natural debido al ángulo de entrada requerido (28°/ 30°) La eficiencia medida ha sido del orden del 30% para una razón de 1:30.

e. Ductos huecos espejados: este sistema transporta la luz por múltiples reflexiones especulares, es relativamente más económico que otros sistemas y tiene un potencial de aplicación más amplio en edificios. La eficiencia depende del área y geometría del ducto, reflectividad del material (85% a 98%) y capacidad de direccionamiento de la fuente de luz. , alcanzando un índice de 50% de eficiencia del sistema. Estos ductos se pueden asociar a diferentes colectores de luz natural como los anidólicos o paneles cortados a láser. Los cielorrasos anidólicos integran colectores parabólicos con un contenedor altamente reflectivo y su uso está recomendado para regiones de cielos predominantemente cubiertos. Los paneles cortados a láser asociados con ductos espejados son una solución más económica para climas soleados, obteniéndose eficiencias del orden del 20% para una razón de 1: 30.

2. Casos de aplicación de ductos de luz

La causa principal por la cual las plantas profundas de oficinas no pueden prescindir de

la iluminación artificial en su área central es la disminución progresiva de la luz natural a medida que nos alejamos del perímetro aventanado. Otras causas son:

a. gran diferencia de los niveles de iluminancia entre el perímetro y el centro debido a la iluminación lateral creando áreas brillantes y otras oscuras.

b. Los aventanamientos laterales requieren la incorporación de dispositivos que eviten el deslumbramiento con la consecuente disminución de la cantidad de luz que ingresa.

c. oficinas perimetrales cerradas que bloquean el ingreso de la luz hacia el interior de la planta

En estos casos, la instalación de ductos de luz horizontales mejorarían las condiciones de iluminación del espacio de trabajo. Pero cuando el edificio posea fachadas que no reciban suficiente luz natural por proximidad con edificios vecinos o mala orientación y no posea más de cinco pisos se puede instalar ductos de luz verticales.

3. Descripción del sistema

Ambos ductos, horizontales y verticales se componen de un tubo de superficie espejada de alta reflectancia y paneles cortados a láser (PCL) como colectores de luz solar, extractores a lo largo del tubo para redirigir la luz hacia los espacios que así lo requieran y emisores de luz que distribuyan uniformemente esa luz. 3.1 Ductos de luz horizontales (DLH)

En un sistema fijo, la luz es captada por los PCL con una inclinación que maximice el ángulo óptimo de ingreso para que los rayos solares sean redirigidos axialmente con el mínimo número de reflexiones. A intervalos determinados se insertan paneles transparentes de donde se extrae una fracción de luz que es redirigida por un dispositivo triangular hacia el espacio circundante consiguiéndose así una distribución uniforme de la iluminación.

3.2 Ductos de luz verticales (DLV)

El colector de LCP es una pirámide que mejora el ingreso de luz solar en ángulos medios y bajos, de manera más axial El ducto posee aperturas de extracción en cada piso que se resolvieron con dos propuestas diferentes:

a. un cono de determinado ángulo de inclinación en el interior del tubo que redirige la luz hacia el espacio circundante con un estante difusor que evita la visual directa de la apertura por parte de los usuarios y dirige la luz hacia el cielorraso

b. un anillo de PMMA como colector donde moléculas de sustancia fluorescente verde absorben parte de la radiación incidente en la placa y la re-emiten como radiación fluorescente que es transportada hacia los bordes por reflexión interna total.

4. Conc

Spotenciaadecuadsoleadohorizonen un áresulta nvariacio

Lincorpolos DLVincorponatural. Bibliog Baker, Unido Carter, Anglia R DaylighInternatConserv

lusiones

e deduce que los ductos de luz horizontales y verticales constituyen una solución l a la iluminación de plantas profundas de edificios de oficinas proveyendo una a iluminación del área de trabajo. Los valores obtenidos en condiciones de día y en cielo artificial (cielo cubierto) oscilan entre 100 a 400 lux para ductos tales en el período de 12 a 4 h pm y de 50 a 20 lux para ductos verticales con PCL ngulo de 45° y 50 a 400 lux para un ángulo de 35° durante el día. Sin embargo, ecesario que el ingreso de luz solar posea un sistema de regulación que reduzca las nes a lo largo del día. os DLH son fácilmente integrables dentro un cielorraso suspendido y pueden ser

rados en un nivel de diseño del edificio más avanzado o en edificios existentes pero requieren ser considerados en las primeras etapas del diseño ya que no podrían

rarse tardíamente por la superficie requerida para lograr una óptima iluminación

rafía

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Anexo 2.

Colectores Anidólicos Cenitales 1.- Introducción

La palabra “anidólico” es sinónimo de “sin imagen”, formada a partir de dos vocablos del griego antiguo: an: sin y eidolon: imagen. Esto indica que este sistema se ha diseñado utilizando métodos específicos de la estructura teórica de la óptica de la no imagen. Originalmente, esta teoría se aplicó al campo de la física de las partículas fundamentales y luego para ciertos concentradores solares denominado “Winston”. Esta teoría ofrece una rigurosa metodología para el desarrollo de sistemas de iluminación natural que recogen luz solar y la transmiten dentro de un recinto con mínimas pérdidas (fig. 1).

Fig. 1. Corte transversal de un colector anidólico cenital. El primer reflector curvo concentra los rayos que ingresan en un ángulo de 90° hacia una abertura vertical más pequeña sobre la

fachada. Los rayos son luego redirigidos en un ángulo de salida definido de 60° por medio de dos reflectores curvos enfrentados.

2.- Características del sistema Este sistema sobresale horizontalmente de las fachadas para aprovechar las mayores luminancias que se encuentran en las mayores alturas. Comprende un sistema de dos reflectores curvos que distribuyen los rayos lumínicos dentro de un rango de ± 30 grados respecto del plano horizontal. Todos los rayos incidentes son canalizados a través de este ángulo. No excluye la penetración de la radiación directa, ya que ha sido diseñado para maximizar radiación difusa en cielos cubiertos, por lo cual debiera dotárselo de un dispositivo ajustable para tal fin. Mediante una simulación de trazado de rayos (ray-tracing) se puede evaluar el comportamiento del sistema ya que generalmente se conocen sólo las características ópticas individuales de cada componente y no de la totalidad. El procedimiento no hace sino

confirmar la exactitud del diseño, que se ha valido de la teoría arriba enunciada para su materialización (fig. 2).

Fig. 2. Trayectoria de los rayos a través de un colector anidólico cenital para tres ángulos de incidencia: 30°, 60° y 89° sobre el horizonte calculados mediante un

programa de “ray- tracing” La limitación que posee es que se carece de mediciones precisas acerca de la atenuación del flujo ya que el método es de la óptica geométrica. Cada rayo pierde una fracción de su caudal cada vez que interactúa con una superficie, sea reflexión en un material opaco o absorción en un material transparente. A los efectos del diseño, debe conocerse la transmitancia para cada ángulo de incidencia acotándola entre 0 (rayo no transmitido) y 1 (rayo transmitido sin ninguna pérdida). La transmitancia direccional es un promedio para toda la abertura de entrada. Para cada ángulo de incidencia, este valor representa la fracción de flujo incidente que emerge en cada dirección a la salida del sistema. Se la conoce técnicamente como transmitancia direccional hemisférica. Como la geometría de un sistema de iluminación natural puede reducirse a dos dimensiones, analizaremos solamente los rayos entrantes en el plano perpendicular. Los resultados se representan en diagramas polares. Los colectores anidólicos transmiten eficientemente la luz que ingresa de la totalidad de la media bóveda celeste (fig. 3)

Fig. 3 Transmit
ancia direccional hemisférica de un colector computada por un programa de “ray- tracing”

Cuando se utilizan sistemas armados comercializados no se cuenta con la información necesaria acerca de este parámetro, ya que su medición se realiza mediante un instrumento llamado goniofotómetro. Aunque se trata de un instrumento complejo, tanto el Departamento de Luminotecnia, Luz y Visión de la Universidad Nacional de Tucumán como el Centro de Luminotecnia Aplicada del Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI) cuentan con este equipamiento. La fase siguiente consiste en observar qué ocurre en la abertura de salida, que funciona como una luminaria de luz natural. Esta analogía sugiere diagramas de curvas de distribución luminosa, conocido como “indicatriz de difusión”. Es muy similar a los diagramas provistos por los fabricantes de luminarias de luz artificial pero debido a la naturaleza variable de la luz natural, los sistemas de luz natural nunca pueden ser caracterizados por una única indicatriz. Cada una de ellas es el resultado de la distribución luminosa del cielo y las propiedades ópticas del sistema. Para subsanar esta dificultad, se fijan algunos parámetros que limiten la cantidad de perfiles de indicatrices relevantes.

Se supone una distribución para cielo cubierto CIE, con una iluminancia horizontal de 10.000 lux y una obstrucción externa hasta los 30°, suponiendo la presencia de edificios vecinos. Los resultados obtenidos para un colector anidólico cenital, limitado al rango de ±30°, son notables. Las luminancias son bastante altas (1500- 2000 cd/m2) pero de un 20% a un 40% inferiores respecto de una ventana con doble vidriado. Sin embargo, es esperable que se incremente el factor de luz natural en la parte más profunda del local y una mejora en la razón de uniformidad de la iluminación. No obstante, algún deslumbramiento podría experimentarse cuando la abertura de salida del sistema se encuentra dentro del campo visual del usuario.

Fig. 4. Indicatriz de difusión computarizada en la abertura de salida de un colector (10 klux para cielo cubierto CIE con 30° de obstrucción externa)

2. Integración con el edificio

Cuando se incorpora un sistema de iluminación natural, ciertas consideraciones que afectan el resto del diseño deben ser tenidas en cuanta desde las primeras instancias proyectuales. En el caso de este sistema, el cielorraso se considera un reflector por lo que debe tener alta reflectancia y el espacio inferior a éste, estar libre de obstáculos, como ser, ductos de ventilación, luminarias suspendidas, paneles acústicos y rociadores de incendio (figs. 5 y 6).

Figura 5 Figura 6 Comparación en una habitación con superficies oscuras (reflectancias: piso = 11%, muros=30%,

cielorraso = 57%) en el primer caso (Fig. 5) y con un sistema anidólico y superficies claras (reflectancias: piso: 165, muros= 75%, cielorraso= 75%) en el segundo (fig. 6). Estos valores se

obtuvieron en un módulo de 5,40 x 3,40 x 2,70 m en el marco de un programa suizo de demostración.

Se pueden evaluar los resultados en las primeras etapas de diseño mediante el uso de modelos a escala, situados al aire libre o en cielo artificial. También se pueden considerar las condiciones de iluminación en modelizaciones computarizadas. Se verifican las conclusiones que se habían obtenido al examinar las características del sistema por separado (figs. 7 y 8).

Fig. 7. Caso de referencia con ventana de doble vidrio

Fig. 8. Colector cenital anidólico. Se observa el efecto del mismo sobre la pared del fondo y una

mejor distribución de las iluminancias.

Junto con los datos de los materiales, forma edilicia, instalaciones, patrones de uso, etc. y datos locales del clima se puede simular el impacto del sistema de iluminación natural en el consumo energético del edificio, siendo recomendable que se realice este tipo de simulaciones en las primeras fases de diseño para que sea incluído en el dimensionado de los servicios relevantes de la obra. 3. Resolución tecnológica Se deben considerar los puentes térmicos que se generan al adosar la estructura de un sistema al edificio. Se puede optar por aislar ambos reflectores —interior y exterior— con un vidrio transparente en el plano vertical en coincidencia con el cerramiento del edificio, manteniéndose la barrera térmica en un mismo nivel Pero esta solución acarrea una disminución de la transmitancia del 16%, para ángulos de incidencia superiores a 60°. Otra alternativa sería colocar un doble vidriado en el exterior como aislamiento térmico y vidrio simple en el interior par evitar la acumulación del polvo. Esta solución implica asimismo la necesidad de aislar térmicamente el colector exterior. Si existe riesgo de condensación por bajas temperaturas o sobrecalentamiento por radiación solar, debe preverse un medio de ventilación natural. Los elementos expuestos al calor sufrirán una dilatación que deberá ser contemplada en el diseño de las juntas entre partes. Asimismo deberá preverse estanqueidad contra el agua de lluvia y sobrecargas adicionales de viento y nieve.

El impacto negativo de una resolución poco satisfactoria en la fachada requiere de una cuidosa solución a los problemas antes enumerados, que no constituyen por sí solos una lista exhaustiva. 4. Instalación y mantenimiento El mantenimiento del sistema es de suma importancia para evitar el deterioro y la disminución de las prestaciones esperadas. Todos los sistemas están sujetos a ensuciarse con polvo y suciedad que debe ser periódicamente removida. Es previsible que existan fallos en las partes móviles del sistema por lo cual debe preverse su acceso, preferentemente desde el interior. La instalación debe realizarse con cuidado para evitar daños y una incorrecta colocación de algún elemento durante el montaje. Luego, debe considerarse un monitoreo periódico del funcionamiento, particularmente durante el primer año, para realizar ajustes sobre todo si existen partes móviles. Por todo lo dicho más arriba, debe evaluarse objetivamente las ventajas y desventajas de un sistema, considerando el esfuerzo e inversión necesarias para un resultado exitoso. Bibliografía Baker, N. y Steemers K., 2002. Daylight Design of Buildings. James & James, Reino Unido. Compagnon R., Scartezzini J.-L., Paule B., 1993. Application of Non-imaging Optics to the Development of New Daylighting Systems. Congreso Mundial de Energía Solar, ISES, Budapest, Hungria.

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Capítulo 12

El Aprovechamiento Energético del Alumbrado Natural en Edificios

Leonardo Assaf 1. Glosario 2. Introducción 3. Aprovechamiento de la luz natural 4. Estrategias para incentivar el uso de la luz natural

4.1. Diseño de sistemas alumbrado natural – efectivos 4.2. El papel del usuario u ocupante. Campañas de estímulo. 4.3. Evaluación del aprovechamiento 4.4. Selección del sistema de control de la iluminación

Bibliografía Anexo

1. Glosario

Eficiencia (de un sistema de iluminación) El logro pleno de las necesidades de iluminación de los ambientes, con el mínimo requerimiento de energía. Bóveda Celeste: Hemisferio visible del cielo que contiene el conjunto de iluminantes naturales, constituidos por el cielo, las nubes y el sol. Abertura Parte no opaca de la envolvente de un edificio, concebida –entre otros fines– para permitir el ingreso de la luz natural. Obstrucción (de la bóveda celeste respecto de un punto) Cualquier elemento interpuesto entre el punto y la bóveda celeste, de manera tal que modifique la cantidad de luz natural que éste recibe, sea bloqueando o reflejando flujo radiante proveniente del cielo. Se aplica para describir la influencia de volúmenes próximos, tales como edificios, árboles o accidentes del terreno en la luz que recibe una abertura. Dispositivos intermedios Elemento fijo o movible que se agrega interna o externamente a una abertura con fines funcionales, de sombreado, estético o de seguridad y que puede modificar la cantidad de luz admitida.

2. Introducción

El concepto eficiencia del alumbrado, tal como es corrientemente entendido, está circunscripto a la eficiencia individual de los componentes de la instalación propiamente dicha: lámparas, equipos auxiliares, artefactos, etc., sin tomar en cuenta ningún otro factor. De acuerdo a este enfoque, ampliamente aceptado, el alumbrado natural no forma parte de la eficiencia. Esto contrasta con el hecho indiscutido de que luz natural es uno de los recursos más convenientes para la iluminación de interiores y que su aprovechamiento puede ser importante para la remisión de la energía usada en la iluminación y –por ende– de la eficiencia. La razón de tal omisión puede explicarse, más que por la desvalorización de la luz natural como recurso, por la falta de métodos adecuados de análisis que permitan evaluar de una manera simple cómo y cuánto de ella puede ser aprovechada en un local o situación particular. El desarrollo de tales herramientas y de estrategias en pro de un mayor aprovechamiento de la luz natural son los objetivos de la presente sección.

3. Aprovechamiento de la luz natural El alumbrado natural es un recurso para la eficiencia energética en la iluminación de interiores en la medida en que permite reducir de uso de la luz artificial. Es necesario reconocer sin embargo que la luz natural representa un caudal potencial, que será aprovechado siempre y cuando el edificio cuente con los recursos necesarios y la sustitución de luz eléctrica por luz natural sea realizada, de allí la conveniencia de diferenciar entre aprovechamiento potencial y aprovechamiento real.

2

Los factores que son determinantes para el aprovechamiento de la luz natural, se pueden clasificar de la siguiente manera: Factores determinantes del potencial de aprovechamiento de la luz natural:

(1) La cantidad de luz natural disponible en el sitio de emplazamiento del edificio,

dependiente de factores geográficos, climáticos, estacionales y atmosféricos. (2) La cantidad de luz natural que es admitida en el interior, propiedad intrínseca del

edificio, dependiente de su orientación y entorno, la geometría del local, formas, dimensiones y permeabilidad luminosa de las aberturas.

Factores determinantes del aprovechamiento real de la luz natural:

(1) Los dispositivos de control del sistema de iluminación eléctrico para permitir la

remisión parcial o total de la luz eléctrica. (2) En el control manual, la voluntad de los usuarios respecto al ahorro de energía.

Los factores geográficos y climáticos no son modificables y las propiedades del edificio en la admisión de luz desde el exterior, lo son sólo en la etapa de diseño. Resulta así que, en un edificio construido, el único elemento disponible para las estrategias de aprovechamiento de la luz natural es un adecuado método de control de la iluminación y el compromiso de los usuarios con las metas energéticas.

4. Estrategias para incentivar el uso de la luz natural

El aprovechamiento energético del alumbrado natural puede mejorarse mediante la aplicación de estrategias adecuadas. Éstas deben ser de carácter integral, iniciándose con el mismo diseño del edificio (1) y continuándose –una vez construido– con el incentivo a los usuarios para que hagan uso de la luz natural. Esto –que es válido para todo tipo de edificio– cobra preponderancia en el edificio no residencial debido a que es allí donde se presentan los más pobres resultados en lo que respecta al alumbrado natural, tal como se tratará más adelante.

Las estrategias abarcan las siguientes etapas:

1- Diseño luz natural - efectivo del edificio 2- Campaña para incentivar el aprovechamiento de la luz natural 3- Evaluación del aprovechamiento resultante 4- Selección del sistema de control de la iluminación

4.1. Diseño de sistemas alumbrado natural – efectivos La orientación y el tipo de abertura son las principales herramientas de diseño para lograr un alumbrado natural - efectivo de un edificio. Diversas normas y recomendaciones sobre esta materia tales como la norma IRAM AADL J2002/4 (2) o el código CIBSE para alumbrado de interiores (3) dan una aceptable metodología sobre la predicción y el diseño del alumbrado natural.

3

El parámetro más significativo de las propiedades de admisión de luz natural en un edificio –establecido por ambos códigos– es el denominado coeficiente de luz diurna (Cld) que se define como:

Cld = Ei/Eo [1]

siendo: Eo = Iluminancia horizontal en el exterior, en un cielo uniformemente nublado, sin obstrucciones Ei = Iluminancia horizontal en el local, provocada por una iluminancia exterior Eo

Respecto de la abertura mas corriente en edificios, la ventana, debe considerarse dos aspectos: el primero, los requerimientos de ventilación y comunicación con el exterior condicionan la cantidad de luz admitida; en segundo lugar, estos requerimientos no son constantes sino variables con el clima, las horas del día, según el gusto y necesidad de los ocupantes. La ventana deberá disponer los dispositivos apropiados (dispositivos intermedios) (figura 1), sea para controlar la entrada de luz directa, la ventilación, el sombreado, etc. (4) Estos elementos modifican la permeabilidad luminosa, por ende la cantidad de luz que ingresa, empero, no significa que ello resulte necesariamente en un menor uso de la luz natural, ni tampoco que una ventana de grandes dimensiones o elevados valores de Cld necesariamente conduzcan a un gran aprovechamiento de la luz natural.

Dispositivos intermedios

Externo fijo

Internoregulable

Externoregulable

Vidrio

Figura 1 – Los dispositivos intermedios son determinantes en la cantidad de luz admitida en los interiores y, por ende, en el aprovechamiento energético. Ventana y dispositivos intermedios Para satisfacer las necesidades de los ocupantes, las ventanas deben contar con dispositivos apropiados. Los requerimientos son variados, siendo los más importantes los relacionados al confort visual, aunque deben considerarse los estéticos, de seguridad y funcionales: 1. Control solar: El ingreso de luz solar directa debe evitarse cuando ésta provoca pérdida

de confort o es distractiva. Los dispositivos deben bloquear la luz solar directa para cualquiera de los posibles ángulos de incidencia, sin limitar el eventual ingreso de otras componentes de la luz natural.

4

2. Control del deslumbramiento: Altas luminancias provenientes del cielo o superficies muy claras vistas desde el interior pueden causar molestias. Son apropiadas a este fin dispositivos de control solar o cortinas.

3. Control de iluminación: En determinados locales, puede presentarse la necesidad de atenuar la iluminación o producir un oscurecimiento, para lo cual las ventanas deben disponer elementos de control de la admisión de luz, tales como cerramientos opacos.

4. Confort térmico: La ventana facilita el intercambio térmico con el ambiente exterior. En climas cálidos y de mucha radiación solar puede que sea más confortable la limitación del ingreso de luz desde la ventana. En climas fríos debe limitarse el intercambio térmico mediante una aislación adecuada, especialmente entre los puntos de contactos de partes fijas y móviles.

5. Aislación acústica: Si los ruidos provenientes del exterior son molestos, los ocupantes trataran de limitar su ingreso por la ventana, cerrándola. El vidrio tiene buena aislación acústica, empero, cuando esto es insuficiente, el usuario no dudará en interponer todos los cerramientos disponibles en la ventana.

6. Privacidad: Si la ventana afecta su privacidad, el ocupante interpondrá cerramientos a fin de bloquear la visión desde el exterior. Son preferibles en este caso cerramientos translúcidos a los opacos debido a que no limitan el ingreso de luz desde el exterior.

7. Seguridad: La ventana puede ser un elemento vulnerable. Muchas de las medidas adoptadas para aumentar la seguridad –tales como la instalación rejas o dispositivos similares– disminuyen la permeabilidad luminosa.

Un diseño luz natural - efectivo tiene que reunir las siguientes condiciones:

- Los cerramientos deberán contar los dispositivos intermedios para cada una de las necesidades que se presenten.

- Los dispositivos intermedios poseerán la flexibilidad suficiente para adaptarse a las condiciones cambiantes y serán fáciles de maniobrar por parte de los usuarios, caso contrario, si su regulación se asocia a control de deslumbramiento, los usuarios preferirán dejarlos fijos en una posición de baja permeabilidad luminosa.

4.2. El papel del usuario u ocupante. Campañas de estímulo.

Cuando el usuario posee el control de la iluminación –lo cual es usual en la mayoría de las instalaciones– su conducta conservacionista e interés por el ahorro de energía serán los determinantes del aprovechamiento de la luz natural. Dos aspectos pueden considerarse en relación al uso eficiente de la iluminación. Por un lado el desperdicio de energía por factor ocupacional, que se verifica en locales sin ocupantes y con las luces encendidas y por otro el grado en que la luz natural es aprovechada. En razón de que ambos aspectos son concomitantes y determinantes de lo que se podría definir como eficiencia de uso de las instalaciones de alumbrado de interiores, deben considerarse y tratarse en forma conjunta.

La eficiencia de uso en residencias o edificios comerciales o públicos, etc. refleja la distinta apreciación que cada una de esas instalaciones le merece a los ocupantes que ejercen el control de la iluminación. En un edificio no residencial, tal como oficinas, los usuarios se consideran libres de las preocupaciones del ahorro de energía, en razón de que no perciben beneficios en el ahorro ni perjuicios en el derroche. En consecuencia, las estrategias deberían orientarse en mostrar que el ahorro de energía también aporta beneficios para ellos. Esto puede lograrse mediante campañas apropiadas, utilizando los canales de comunicación corrientes. Para ello debe tenerse en consideración los siguientes puntos:

5

Las campañas basadas en el combate al desperdicio de energía tienen resultado inmediato. Puede ocurrir sin embargo, que los usuarios tiendan a retornar a sus anteriores prácticas luego de que la comunicación sobre el tema haya cesado. Evitar esto implicaría realizar campañas en forma permanente, lo cual es impracticable.

•

•

•

•

•

En instalaciones importantes, con varios sectores o edificios más o menos independientes, el conocimiento de los consumos individuales, mediante la instalación de medidores de energía en cada sector puede estimular la eficiencia en el uso. La preservación del medio ambiente y la polución asociada a la generación de energía eléctrica, pareciera ser la respuesta más apropiada a la falta de motivación del usuario para esforzarse en un ahorro de energía que —excluída esta consideración— le reportaría beneficios muy indirectos. La creciente preocupación por el medio ambiente tiene un alto poder de motivación ya que involucra beneficios para todos, por esa razón son ampliamente utilizadas por diversos programas tales como el Green Lights Program de la Agencia de Protección al Medioambiente (EPA) en los EEUU (5). Hay que notar que campañas tales como las mencionadas no son gratuitas. Deben planificarse muy bien, evaluándose previamente los posibles beneficios. En ningún caso los ahorros de energía pueden compensar eventuales molestias al usuario. Hay que evitar cualquier carga distractiva. Medidas restrictivas en el uso de la iluminación perjudican el medio ambiente laboral y por lo tanto son desaconsejables.

4.3. Evaluación del aprovechamiento El administrador de la instalación debe tener percepción del aprovechamiento del alumbrado natural logrado en el edificio a fin de adoptar la medidas más convenientes del caso. Con el objeto de estimular su valoración como recurso, conviene expresar al aprovechamiento de la luz natural como la cantidad de energía eléctrica que es ahorrada en la instalación en un determinado período de tiempo (kWh). Ésta energía, en un período anual –preferentemente–, está conformada por fracciones de aprovechamiento que se producen en cada uno de los locales del edificio durante todo el año. Cada fracción de energía –a su vez– está definida por la potencia de remisión de la instalación de alumbrado a causa de la luz natural, por el período de tiempo que media entre el inicio hasta el fin del aprovechamiento (figura 2).

6

Enciende ?

Se retira ?

Apaga ?

Inicio derroche factor ocupacional

Inicio aprovechamiento luz natural

NO

NO

SI

SI

SI

Enciende ?

Seretira ?

Apaga ?

INGRESOAL LOCAL

FinSI

SI

Retorna ? NO

SI

NO

SI

NO

Fin aprovechamiento luz natural

NO

Fin derroche factor ocupacional

(I)

(II)

NO

Figura 2 – Flujograma de actividades de un usuario que determinan los dos componentes de la eficiencia en el uso de la iluminación; el aprovechamiento de la luz natural y el desperdicio por factor ocupacional. La rama señalada con (I) muestra el aprovechamiento de abstención, mentras que la señalada con (II) el de acción

7

Inicio del aprovechamiento:

(I) Abstención de encender (total o parcialmente) la iluminación eléctrica. Es el caso

del ocupante que ingresa a un local en momentos en que la luz admitida por la ventana es suficiente –a su juicio– para cubrir sus necesidades visuales. En estas circunstancias se abstendrá de encender parcial o totalmente la iluminación, según corresponda. De acuerdo a estudios realizados en Inglaterra por D. Hunt (1980), (6) (7) la decisión de encender las luces es probabilística y está razonablemente correlacionada con el valor de la iluminancia horizontal mínima sobre el plano de trabajo, Ehmín1. A cada nivel de iluminancia Ehmín le corresponde una cierta probabilidad de encendido. Es de esperar entonces que para un mismo local, la probabilidad de que haya aprovechamiento, irá incrementándose a medida de que la opción de encendido se presente más próximo al medio día solar y a partir de allí vaya menguando con la declinación de la luz natural. Conviene señalar que la opción de encendido se le presentará nuevamente al usuario toda vez que abandone momentáneamente el local con la única condición de que al abandonarlo no deje las luces encendidas. Es así como el combate al desperdicio por factor ocupacional redunda en un incremento del aprovechamiento de la luz natural (figura 2).

(II) Acción de apagar (total o parcialmente) la iluminación. Es el caso de quien ha estado en un local alumbrado con luz eléctrica en horas del amanecer, o de un usuario que ingresa a un local que tiene las luces encendidas. En el primer caso, la luz que ingresa desde la ventana irá incrementándose gradualmente hasta el momento en que es suficiente a juicio del usuario para cubrir las necesidades de iluminación. En estas circunstancias el usuario se dirigirá hacia el control y conmutará parcial o totalmente la iluminación, según corresponda. Tal decisión también se vinculará con la apariencia visual del local, en especial con la iluminancia mínima sobre el plano de trabajo, Ehmín2 (figura 2)

La acción de apagar (II) requiere no sólo distinguir las circunstancias en que la luz natural que está ingresando es suficiente para reemplazar parcial o totalmente la luz eléctrica sino también compromiso del usuario con las metas de ahorro de energía. Una vez reconocida esta situación, el usuario debe accionar los interruptores, lo cuál le implica una tarea adicional. Esto supone también una dificultad perceptual: mientras que percibir situaciones en las que la iluminación es insuficiente es una respuesta derivada de la fisiología de la visión, reconocer cuándo la iluminación eléctrica está de más es un acto voluntario resultado del compromiso con la economía de energía. Consecuentemente es de esperar que el aprovechamiento que se realiza por acción sea mucho menos frecuente que aquel que se realiza por abstención, encontrándose prácticamente ausente en ambientes que no sean residencias, situación que ha sido comprobada experimentalmente (8). fin del aprovechamiento:

(III) El aprovechamiento energético iniciado por acción o abstención cesa cuando el usuario o abandona el local o bien enciende nuevamente las luces, esto último debido a la disminución de la luz natural que está ingresando, que puede evidenciar por las dificultades de percepción de las tareas que esté realizando (figura 2).

8

Para expresar lo anterior en términos de la instalación, el fin del aprovechamiento ocurrirá cuando el nivel de iluminancia sobre a tarea disminuya por debajo de un cierto nivel, Ehmín3. En razón de que el sistema visual del usuario se encuentra adaptado, por los lentos cambios en la iluminancia, es razonable suponer que Ehmín3 deba ser menor que Ehmín1.

Determinación de la eficiencia energética en el uso de instalaciones, mediante indicadores Las dificultades que presenta la determinación del aprovechamiento de la luz natural y el derroche por factor ocupacional pueden ser obviadas mediante procedimientos sencillos, tal como el de los indicadores denominados Contribución Energética de la Luz Natural (CELN) y Derroche por factor ocupacional, (Dfo). Esto coeficientes, apropiadamente obtenidos, pueden representar el aprovechamiento y derroche que se produce en un edificio en unidades de energía.

La Contribución Energética de la luz Natural se define como la relación de la potencia de luz desconectada por causa del ingreso de luz natural, respecto de la potencia total de la instalación de iluminación. Hay CELN cuando en un local se presenta la siguiente situación:

1) El local está ocupado 2) Hay suficiente aporte de luz natural 3) La instalación de alumbrado se halla desconectada total o parcialmente a causa de la

presencia del alumbrado natural Conviene expresar esta relación como el cociente entre unidades de consumo, es decir potencia de lámparas apagadas y encendidas.

CELNi Psi( )t

Pe( )t Psi(t ) [2] donde:

CELNi = CELN en el momento del relevamiento. Psi = Potencia de las luminarias sustituidas por la luz natural (W) Pe = Potencia de las luminarias encendidas (W)

Lo más usual en instalaciones es que las lámparas sean del mismo tipo y potencia, en cuyo caso se puede simplificar la expresión anterior:

Nsi)(NeNsiCELNi+

=

[3] donde

Nsi= Cantidad de lámparas sustituidas por la luz natural Ne= Cantidad de lámparas encendidas

De manera análoga el derroche por factor ocupacional se define por la siguiente relación de potencias:

9

Dfo= Pld/Pt [4] o, lo que es lo mismo,

Dfo= Nld/Nt [5] donde:

Dfo = Derroche de energía por factor ocupacional (%) Pld = Potencia de luces encendidas en locales no ocupados (W) Pt = Potencia total de la instalación (W) Nld = Número de lámparas desconectadas Nt = Número total de lámparas de ese local

La potencia ha reemplazado a la energía y el número de lámparas a la potencia. Es decir que solo es necesario contar cantidad y tipo de lámparas, lo que simplifica el relevamiento (figura 3).

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EstaOcupado ?

FLUJOGRAMA DE ACTIVIDADES PARA LA OBTENCION DE LOS INDICADORES CELN Y Dfo

Relevamiento de un local

EstaOcupado ?

LucesApagadas ?

CELN = 0

CELN

Calcular CELN

Dfo

Dfo = 0

Calcular Dfo

DESCARTARNO

NO

NO

NO

NO

NO

SI

SI

SI

SI

SI

SI

LucesEncendidas ?

En AreaOcupada ?

Funcionan ?

Contabilizar lámparas encendidas y no encendidas

Contabilizar lámparas encendidas y no encendidas

Figura 3 – Flujograma del relevamiento para identificación y determinación de los coeficientes CELN y Dfo

El CELN representa así el porcentaje de luz natural aprovechada como energía en un local, mientras que el Dfo es la proporción de energía disipada en locales desocupados, respecto a la energía total disipada en iluminación. Ambos coeficientes deben sustentarse estadísticamente, es decir, representar razonablemente las diferentes situaciones que se presenten en los locales. La variabilidad del CELN se origina –principalmente– en las variaciones que se producen en la luz natural admitida, según las características de cada local,

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a lo largo de las horas del día, el clima, las estaciones, etc., mientras que el Dfo es altamente aleatorio. Una indicación más detallada de los procedimientos a seguirse para la obtención de los indicadores se indica en el ANEXO al presente capítulo. 4.4. Selección del sistema de control de la iluminación Una vez evaluada en términos energéticos el aprovechamiento de la luz natural en el edificio, el administrador se encontrará en posición de adoptar las medidas más apropiadas para lograr las metas de eficiencia. Si resultara que el aprovechamiento es inferior al que puede potencialmente lograrse, debería considerar las diferentes alternativas para realizar ese potencial, en primer lugar estimulando el compromiso de los usuarios con las metas de ahorro, por ejemplo, mediante una campaña de combate al desperdicio, tal como ha sido descrita en párrafos anteriores. Luego, si esto resultara insuficiente, puede considerar medidas más profundas como el cambio del sistema de control manual por la instalación de sistemas de control automáticos. Los sistemas automáticos son equipos que reemplazan a los ocupantes en el control de la iluminación, realizando la mayor parte del potencial energético del alumbrado natural. La tabla precedente muestra los resultados obtenidos para el indicador CELN en relevamientos de edificios realizados por el Departamento de Luminotecnia de la Universidad Nacional de Tucumán (9) y la estrategia sugererida para cada tipo de edificio. Como puede observarse los sistemas de control automáticos son apropiados para el aprovechamiento de la luz natural en edificios no residenciales, sean públicos o privados. Ello en razón de los resultados que pueden obtenerse. La adopción de estos dispositivos debe hacerse en base a un cuidadoso análisis que tome en consideración no sólo metas energéticas sino posibles conflictos con el medio ambiente laboral. Una descripción más detallada sobre este tema puede ser consultada en el capítulo Sistemas Innovativos de Iluminación.

Estrategia recomendada Tipo de edificio CELN Potencial de

ahorro Control automático

Campañas a ocupantes

Residencial 20% 10% No Si No residencial público 4% 26% Si Si No residencial privado 7% 20% Si Si

Fuente: (Assaf et al., 1993)

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Bibliografía

1. Mascaró, L. Incidencia das variáveis projectivas e de constructivo no consumo energético dos edifícios. Ministerio de Industria y Comercio, Comisión Nacional de Industria de la Construcción Civil y Programa de Pesquisa e Pós Graduado da Universidad Federal de Río Grande do Sul. Sagra-DC Luzzatto Editores, Porto Alegre 1992.

2. IRAM Instituto Argentino de Normalización, Norma IRAM AADL J 2002, IRAM AADL J2003 Iluminación Natural en edificios, Cond. Generales y Requisitos.

3. Chartered Institution of Building Services Engineers. CIBSE Code for Interior Lighting-Londres 1992.

4. Gonzalo et al. Habitabilidad en edificios. Centro de Estudio y Medio Ambiente, Instituto de Acondicionamiento Ambiental, FAU, Univ. Nacional de Tucumán, 2000.

5. Environmental Protection Agency, Department of Energy. Green Lights Program.

6. Hunt, D.G.R. “The use of artificial lighting in relation to daylight levels and occupancy”. Building Environment, 1979, 14, pp. 21-33.

7. Hunt, D.G.R. “Predicting daylight use – a behavioural approach”. Lighting Research and Technology, 1980, 12

8. Littlefair, P. Predicting lighting energy use under daylight linked lighting controls, (Personal Comunication), 1997.

9. Assaf L, V. Arreyes, C. Cisint, “Sistema de alumbrado de localizaciones universitarias: su evaluación desde el punto de vista de la eficiencia energética”. Informe del Instituto de Luminotecnia de la Universidad Nacional de Tucumán.

10. Crisp, V. and Henderson, G. “The energy management of artificial lighting” Lighting Research and Technology, 14 (4) pp 193-206, 1982.

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Anexo

Tipificación de procedimientos para la obtención de indicadores de eficiencia en uso de las instalaciones La evaluación de edificio o locales mediante relevamiento debe ser precedida por una conveniente una planificación a fin de lograr resultados aceptables sin desperdiciar esfuerzos, minimizando las interferencias con el funcionamiento de los locales. Una tipificación adecuada de los locales que es posible encontrar permitirá definir el procedimiento más adecuado en cada caso. Al respecto se ha considerado que el universo puede ser reducido a los siguientes tres casos: 1- Locales con un solo puesto de trabajo, con uno o más circuitos de iluminación o locales

con varios puestos de trabajo y un solo circuito de iluminación, que se denominará Simple. 2- Locales con más de un puesto de trabajo y más de un circuito de iluminación o

Complejo. 3- Conjunto de locales (Edificio) o Múltiple.

Los siguientes ejemplos darán una idea más acabada sobre los distintos procedimientos aplicables, según la precedente tipificación: CASO 1- Simple Locales con un solo puesto de trabajo, con uno o más circuitos de iluminación o locales con varios puestos de trabajo y un solo circuito de iluminación. Consideremos el caso sencillo de una oficina con un solo ocupante, equipada con 2 artefactos con 3 lámparas fluorescentes de 36W cada uno (potencia total, incluido equipos auxiliares: 246W) , la instalación de luz se controla con un solo circuito (un solo efecto), significa que puede conmutarse el 100% de la potencia de una sola vez. Régimen de ocupación: 8:00 a 19:00 hs, con pausa al medio día. El relevamiento puede realizarse:

(a) de forma continua (relevamiento permanente) (b) de forma discreta (unos pocos relevamientos).

1.a – Monitoreo continuo

La fig. 4 muestra el diagrama obtenido por un monitoreo continuo de la ocupación del espacio y el empleo del sistema de iluminación eléctrico (ocupación y encendido) del local.

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Cronogram a de Ocupación y Ence ndido

Ocupac iónEncendido

Fig. 4

Desperdicio ocupacional

0

50

100

%

Fig. 5 – Cronograma de variación del Dfo para el local considerado

CELNi

0

50

100

%

Fig. 6 - Cronograma de variación del CELN para el local considerado

Los diagramas de figuras 4, 5 y 6 muestran los siguientes parámetros para cada estado:

Jornada laboral (T) = 600 minutos Período Encendido = 568 minutos Ocurrencia CELN = 62 minutos

De acuerdo a la potencia de la instalación, el consumo energético resulta: Energía total consumida = 2.394 Wh Energía por CELN = 254 Wh (11%)

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1.b - Monitoreo discreto. Hipótesis simplificatorias El monitoreo continuo, puede llevarse a cabo con colectores automáticos de datos (data loggers) o bien manualmente: En este caso es necesario realizar una recopilación de datos frecuentes. Esto último, además de requerir una cantidad de personal importante, puede perturbar el medio ambiente laboral. Puede demostrarse que un monitoreo discreto con pocas mediciones, en un número grande de locales puede lograr resultados aceptables con mucho menos demanda de recursos debido a que:

1. en las proximidades del amanecer o del crepúsculo, el CELN=0 2. la probabilidad CELN en el mediodía solar es máxima (CELN=máx) 3. puede verificarse dos máximos, uno durante la mañana, (CELNm), otro a la tarde,

(CELNv) según la ocupación del edificio haya sido antes o después del medio día solar (fig.7)

4. la variación de la iluminancia por la luz natural dentro del local sigue aproximadamente la variación de la iluminancia exterior, (10)

5. la distribución probabilística de CELN, a lo largo del día es la siguiente: si no hay CELN hasta el medio día, es muy improbable que lo haya después. Si lo hay, la tendencia es que se mantenga hasta tanto la iluminancia mínima sobre el plano de trabajo Ehmin haya descendido por debajo de 320lux (Ehmín3)

Fig. 7 (diagrama idealizado)

Variación del aprovechamiento de la luz natural a lo largo de la jornada laboral en locales con pausa al medio día. Se observa su aumento con el incremento de la iluminación natural, siendo máximo hacia el medio día. El escalón entre el aprovechamiento matutino y el vespertino (CELNm y CELNv), luego de la pausa del medio día, está evidenciando el cambio de situación entre el aprovechamiento de acción (por la mañana) al de abstención (tarde) y pone de relieve las consecuencias de la desigualdad entre las iluminancias [1] que determinan las acciones de los ocupantes para iniciar y finalizar el aprovechamiento del alumbrado natural (Ehmín3< Ehmín1< Ehmín2). Se presentan las siguientes situaciones: en el inicio de la jornada por la mañanas, el aprovechamiento por abstención es bajo, en razón de que la iluminancia es baja. El aprovechamiento de luz natural para lo que sigue de la mañana sería mayormente de acción, lo cuál es poco frecuente. En la tarde, al retornar a los locales luego de la pausa del medio día, la abstención de encendido es alta, en razón de que la iluminancia Ehmín1 es alta. El aprovechamiento de la luz natural es prolongado, en razón de que para

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ponerle fin debe producirse iluminancias bajas sobre el plano de trabajo (Ehmín3). Se supone que el diagrama representa un número importante de locales y que éstos reciben igual cantidad de iluminación a la mañana y a la tarde. Los rectángulos representan el CELN del local para la mañana y para la tarde, proporcional a la energía aprovechada del alumbrado natural, mientras que las curvas muestran valores instantáneos. En vista a las consideraciones 1-5 precedentes, resulta que no es necesario realizar un monitoreo continuo. Un análisis cuidadoso del régimen de ocupación y uso del local (o edificio) determinará el momento en que se presuma que el aprovechamiento de la luz natural es máxima, esto es, lo más próximo al mediodía, así su distribución a lo largo de la jornada laboral puede asimilarse –simplificadamente– a un triángulo, cuya superficie representa el ahorro de energía aprovechada (fig. 8).

Figura 8 – Resultado de un relevamiento discreto, mostrando. La superficie trapezoidal define la proporción de energía ahorrado por la luz natural

Para nuestro ejemplo, con un régimen de ocupación con pausa al medio día, es necesario realizar dos relevamientos, uno para determinar el CELNm y otro dentro del momento en que se presuma que el CELNv es máximo. Si el relevamiento se realiza entre una hora antes de la pausa y una hora después de finalizada la pausa del mediodía, el coeficiente de correlación, comparado con el método predictivo propuesto por Hunt es del 70%, ello significa que error máximo es menor al 30%. En las figuras 9 y 10 se muestran dos patrones de ocupación de edificio y los momentos convenientes de relevamiento.

Figura 9

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Figura 10

CASO 2 – Complejo Locales con más de un puesto de trabajo y más de un circuito de iluminación. En este caso la única precaución que hay que tomar es la de discernir si las luces que están apagadas no corresponden a áreas no ocupadas del local, en cuyo caso no puede computarse como CELN. CASO 3 – Múltiple (Edificio) Un edificio puede tratarse como un conjunto de locales. En este caso se realiza el relevamiento local por local, tomando los datos requeridos en la Planilla Nº1, según el esquema anterior. Como resultado se obtiene n monitoreos de N locales (n x N). Luego, con la planilla Nº 2 se obtiene el promedio de todo el edificio.

∑= +

=n

i PsiPePsi

1n 1 CELNi

∑=

=N

1CELNi

N1CELN

j

18

Planilla Nº 1 – Para la determinación del CELN y Dfo por relevamiento de locales

Block: Local Nº: Tipo: Orientac.Ventanas: DLF: Puestos de trabajo: Cantidad de Artefactos: Tipo de artefacto: Lámparas por artefacto: Circuitos:

Estado momentáneo

Todos los circuitos energizados (9) (10) (11) (12) (14)

Fecha

Hora

Art. Energ

iz

Lámp. Enece

nd

Nº de Ocupant

Día Nubl

ad

Semi Nubl

ad

Día Claro

Lámp.

Encend.

No Encie

nd

Parpad.

Encend.

Extrem

faltan

Croquis

Planilla Nº 2 de recopilación de datos (para edificios)

CELNi

Local Nº

Encendido Pe

Apagado

Psi

Fuera de servicio

Po Dfo

CELNv CELNm 1 2 ... N

Total

19

Capítulo 13

Análisis Económico de la Iluminación Eficiente 1. Fundamentos de la matemática financiera.

1.1. Tasa de descuento 1.2. Vida útil del equipamiento y período de análisis 1.3. Flujo de caja 1.4. Valor actual

2. Indicadores comparativos

2.1. Valor actual neto (VAN) 2.2. Período simple de repago (PSR) 2.3. Tasa interna de retorno (TIR) 2.4. Costo anualizado total (CAT) 2.5. Comparación entre los distintos índices

3. Ejemplos de análisis de la rentabilidad de la iluminación eficiente 3.1. Sector residencial 3.2. Sector comercial y público 3.3. Alumbrado público

1

El objetivo del análisis económico que se desarrolla en este capítulo es el de introducir al lector a los distintos métodos de evaluación que proveen de la información necesaria para decidir la conveniencia, o no, de efectuar una inversión en una tecnología eficiente1.

El cálculo completo de los distintos indicadores necesita, entre otros datos, conocer las inversiones, impuestos, considerar los costos directos (costo de la energía, costo de la potencia) y los indirectos (mantenimiento y otros), estimar la magnitud del ahorro de energía, la vida útil del proyecto e incorporar un factor que relacione los beneficios a producirse en el futuro (ahorro energético y otros) con la inversión efectuada en el presente. En algunos casos, también pueden requerirse la consideración de algunas externalidades como por ejemplo las ambientales.

Existen numerosos procedimientos distintos para valorar la rentabilidad de los proyectos de inversión y diferentes perspectivas desde donde hacerlo: la de la distribuidora, la de la sociedad, la del usuario, etc. En este capítulo se desarrollará tan sólo la perspectiva del usuario describiéndose aquellos procedimientos de evaluación que dada su simplicidad, comodidad y/o difusión resultan particularmente convenientes para el objetivo de nuestro trabajo: evaluar alternativas de iluminación eficiente; quedando a juicio del analista la elección de el o los indicadores que le resulten más convenientes en función de sus propósitos.

El capítulo se halla organizado en tres partes principales. En la primera se introducen los conceptos básicos de matemática financiera (ver Sec. 1. Fundamentos de matemática financiera) que luego serán utilizados en la confección de los indicadores. Quienes manejan estos conceptos: tasa de descuento, valor actual del dinero, etc. pueden dirigirse directamente al punto siguiente (ver Sec. 2. Indicadores Comparativos).

En la Sec. 2. Indicadores Comparativos, se desarrollan cuatro indicadores: el Valor Actualizado Neto, el Período Simple de Repago, la Tasa Interna de Retorno y el Costo Anualizado Total.

Por último, se expone un conjunto de ejercicios que aplican las expresiones elaboradas en los puntos anteriores para los proyectos de iluminación eficiente.

1. Fundamentos de matemática financiera

La determinación de la conveniencia, o no, de llevar a cabo una inversión en uso eficiente o saber cuál es la mejor alternativa entre un grupo de opciones, podría realizarse simplemente efectuando la sumatoria de los costos y los beneficios en que se incurre en un determinado proyecto, aceptándose si los últimos son mayores que los primeros. Si bien este procedimiento, caracterizado por su simpleza, se aplica frecuentemente, no contempla el hecho de que el dinero tiene distinto valor según se lo invierta (o se lo perciba) hoy o en el futuro.

Para efectuar una comparación entre la inversión actual y los beneficios desplazados en el tiempo se debe considerar un valor temporal del dinero. Un peso recibido hoy es más valioso que un peso a ser recibido dentro de, por ejemplo, seis meses o un año, porque el peso que se

1 Existen situaciones en donde la tecnología eficiente no tiene mayor costo en cuyo caso el análisis se hace innecesario.

2

tenga hoy puede ser invertido, por ejemplo, en un banco y acumular intereses durante todo ese tiempo. Viceversa, un peso a recibirse en el futuro vale menos que uno en el presente, pues se pierde la oportunidad de invertirlo y obtener intereses.

1.1. Tasa de descuento

Para tener en cuenta el valor temporal del dinero se utiliza la tasa de descuento, i, la cual puede interpretarse así:

un peso ahora vale (1 + i) pesos en un año. (1)

La tasa de descuento tiene la forma de una tasa de interés, expresada en forma de una fracción y no de un porcentaje. P.e.: una tasa de interés del 10% se escribe como i = 0,1.

Técnicamente, esta tasa se denomina ‘tasa real de descuento’. En algunos casos puede considerarse una tasa que tenga en cuenta los efectos de la inflación, que se denomina ‘tasa nominal de descuento’.

En este manual, se considerará solamente la tasa real de descuento a la que se denominará por practicidad simplemente tasa de descuento.

Consideraciones sobre la elección de la tasa de descuento

Teniendo en cuenta que la tasa de descuento es una medida del valor temporal del dinero, se percibe que no es necesariamente la misma para distintos inversores. La tasa de descuento podrá estar influenciada o determinada por una amplia gama de factores que actuarán en forma distinta sobre los diferentes inversores, de provincia a provincia, de sector a sector, de empresa a empresa, etc. No existe una cifra definitiva de la tasa de descuento, la cual deberá determinarse según las circunstancias.

Para el sector privado no hay lineamientos apropiados para la evaluación de la tasa de descuento. Algunos expertos recomiendan para el comercio y la industria una tasa de descuento igual a la del costo de oportunidad del capital. Siendo el costo de oportunidad del capital la tasa de retorno de la mejor alternativa de inversión posible. Si una gran empresa —p.e. una industria siderúrgica— define una tasa de descuento para la evaluación de sus proyectos de inversión, puede utilizar la misma tasa para sus inversiones en el uso eficiente de la energía.

Para un consumidor pequeño, por ejemplo un usuario residencial, se puede considerar las oportunidades alternativas de inversión —plazo fijo en un banco, por ejemplo,— y calcular una tasa de descuento. Para el pequeño inversor, actualmente en la Argentina la tasa de descuento está entre 0 y 0,05. El inversor puede utilizar otra cifra si tiene otras posibilidades de inversión.

Cualquiera sea el caso, para una inversión racional y rentable, el valor de la tasa de descuento, i, tiene que igualar o superar a la tasa de interés o equivalente de una inversión alternativa.

Ejemplo

Se supone el caso de un inversor que decide invertir en el uso eficiente de la energía. Si no lo invierte en este proyecto podría depositarlo en un banco. En Argentina en el año 2000 la tasa de interés en una cuenta de plazo fijo en pesos fue de alrededor de 6% anual y la inflación

3

anual despreciable, por lo cual las tasas nominales y reales coinciden. En este caso, la tasa de descuento real es 0,06.2

1.2. Vida útil del equipamiento y período de análisis

La vida útil del equipamineto es el tiempo (en años) durante el cual las instalaciones que comprenden la instalación estarían en uso. La determinación de este valor resulta crítica en nuestro análisis, y para su obtención puede recurrirse a la experiencia en otros proyectos, fabricantes de equipos, y fuentes varias. En el caso particular de las lámparas la vida útil se expresa en horas de uso y por lo tanto variará en función de la cantidad de horas de encendido diaria que tengan.

El período de análisis es el período de tiempo dentro del cual se realiza la evaluación. Puede o no coincidir con la vida útil del equipamiento y depende de la tasa de descuento. Para valores de esta última de, v.g. 20%, no tiene sentido considerar ingresos y egresos más allá del año 20, dado que su valor actual sería casi nulo (ver Sec. 1.4 Valor actual). Para la evaluación de la eficiencia energética, suelen coincidir el período de análisis con la vida útil del equipamiento.

1.3. Flujo de caja

El flujo de caja está constituido por los ingresos y egresos incurridos por el proyecto durante succesivos intervalos a lo largo del período de análisis. Los intervalos de análisis pueden ser mensuales o anuales. Para los análisis a efectuarse en este capítulo resulta inútil realizar grandes esfuerzos para precisar el momento durante cada intervalo en que ocurren estos movimientos de caja. Comúnmente los ingresos y egresos que suceden dentro de un intervalo se agrupan y suman al comienzo, mitad o final del intervalo de análisis.

En este manual se asumirá la práctica más común que es la de considerarlos agrupados al final de cada intervalo. Para la evaluación de rentabilidad de inversiones de eficiencia energética, generalmente se trabaja con intervalos de análisis de un año, por lo cual la actualización de los valores de los movimientos se realizará utilizando tasas de descuento anuales.

1.4. Valor actual

Una vez decidida la tasa de descuento se puede comparar una inversión en el presente con beneficios a producirse en el futuro introduciendo el concepto de valor actual. El valor actual es la medida del valor al día de hoy (año cero) de los costos y los beneficios a incurrir en el presente y en el futuro. Debido a la importancia de este concepto, se describirá con cierto detalle.

El valor actual, P, de un peso que ingresa o sale de caja en el futuro puede calcularse multiplicándolo por un factor que dependerá de la tasa de descuento, i, y del año en que se produzca el movimiento.

2 En el momento de terminar la edición de este libro (junio de 2002) la situación macroeconómica y financiera argentina es inestable. Hasta que se estabilice la situación, se recomienda el uso de dólares equivalentes en todos los cálculos.

4

nn iFP

)1(1+

×= (2)

donde P: valor actual n: años en el futuro Fn: movimiento de caja n años en el futuro i: tasa anual de descuento

Ejemplo. ¿Cuál es el valor actual de un ingreso a caja de $1.000 a producirse dentro de un año, si la tasa de descuento es del 10%?

Del enunciado tenemos que i = 0,1; F1 = $ 1.000 y n = 1, aplicando (3):

909$909,0000.1$)1,01(

1000.1$ 1 =×=+

×=P

Dicho en otras palabras, los $ 909 representan aproximadamente el valor actual de un futuro ingreso a caja de $ 1.000. Por el contrario, si invertimos hoy $ 909 a una tasa de interés del 10% se tendrán dentro de un año $ 1.000.

Caso con movimientos de caja distintos

Extendiendo estos conceptos, a partir de la expresión básica dada por la fórmula (2), se puede evaluar el valor actual del movimiento de caja a producirse en cualquier período en el futuro. En estos casos el valor actual, P, quedará determinado por la suma de todos los valores actuales de los movimientos de caja, Fn, producidos en cada año, n.

∑ +=

nn

n

iFP

)1( (3)

Ejemplo. ¿Cuál es el valor actual que corresponde a un ingreso de caja de $2 dentro de un año y otro de $1 dentro de cinco años a una tasa de descuento del 5%?

El valor actual quedará determinado de la siguiente forma:

Aplicando (3) con i = 0,05; F1 = $ 2 y n = 1, y F2 = $ 1 y n = 2:

7835,0$7835,01$)05,01(

11$

9047,1$9524,02$)05,01(

12$

52

11

=×=+

×=

=×=+

×=

P

P

5

Una vez que los movimientos de caja fueron convertidos al valor actual pueden sumarse, como se muestra en la Tabla 1 para esta tasa de descuento. En la misma tabla se muestran, también, los resultados para una tasa i = 0,2.

Tabla 1. Resumen de cálculo del valor actual total para una tasa de

descuento del 5 y 20%. i = 0,05 i = 0,20

Período Ingreso ni)1(

1+

Valor actual ni)1(

1+

Valor actual

1 $ 2 0,9524 $ 1,9047 0,8333 $1,6666 5 $ 1 0,7835 $ 0,7835 0,4019 $0,4019

Valor actual total $ 2,6882 $ 2,0685

Observando la Tabla 1 resulta interesante destacar, al comparar los efectos producidos por las distintas tasas de descuento, que una tasa de descuento baja deprecia menos los movimientos de caja en el futuro y que, contrariamente, una alta tiende a desvalorizarlos más fuertemente.

Caso con movimientos de caja iguales

En los ejemplos anteriores para el cálculo del valor actual se hizo necesaria la aplicación de las expresiones (2) y (3).

Ahora bien, como ocurre comúnmente en la práctica y en los ejemplos que daremos más adelante, para el caso en particular en que los valores de los movimientos de caja en los distintos años sean iguales y ocurran en forma regular durante un número N de intervalos (años), el valor actual se calcula con la siguiente expresión:

[ ]N

N

iiiFP

)1(1)1(

+×−+

×= (4)

donde P es el valor presente de un flujo de caja de F anuales durante N años.

En algunas ocasiones como ya se verá, nos interesará realizar el proceso inverso, es decir, distribuir una cantidad de dinero P a lo largo de N años y conocer el valor de F.

Para estas situaciones la expresión a aplicar surge despejando de (4):

FRCPi

iiPF N

N

×=

−+

+××=

1)1()1( (5)

donde la expresión

−+

+×=

1)1()1(

N

N

iiiFRC (6)

se la conoce como Factor de Recupero del Capital y representa el valor anual F durante N años, equivalente a una cantidad P en el presente, a una tasa de descuento dada.

6

Dicho en otras palabras, si P es el capital invertido ahora, su recuperación requiere de un "ingreso" anual de F, dado por la Ec. (5).

Debido a que el factor de recupero de capital depende de i y N, se lo representará como:

FRC = FRC (i, N)

La Tabla 2 muestra valores de FRC para distintas tasas de descuento (i) y para diferentes vida útil (N)del equipamiento que comprende la inversión.

Tabla 2. Factor de recupero de capital para valores de N de 3 a 15 años y tasas de descuento de

0,03 a 0,15. Vida útil del equipamiento, N, años

i 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0,03 0,354 0,269 0,218 0,185 0,161 0,142 0,128 0,117 0,108 0,100 0,094 0,089 0,084 0,06 0,374 0,289 0,237 0,203 0,179 0,161 0,147 0,136 0,127 0,119 0,113 0,108 0,103 0,09 0,395 0,309 0,257 0,223 0,199 0,181 0,167 0,156 0,147 0,140 0,134 0,128 0,124 0,12 0,416 0,329 0,277 0,243 0,219 0,201 0,188 0,177 0,168 0,161 0,156 0,151 0,147 0,15 0,438 0,350 0,298 0,264 0,240 0,223 0,210 0,199 0,191 0,184 0,179 0,175 0,171

De la Tabla 2, para i = 0,12 y N = 6 años, tenemos que FRC (i,N) = 0,243. Así, una inversión actual de $1.000 y un pago anual (F) de $243 durante 6 años tienen el mismo valor actual, para una tasa de descuento de 0,12. En otras palabras, $243 es el pago anual (en pesos constantes) para un valor de $1.000 que se reembolsa en 6 años con una tasa de interés anual del 12%. Cálculos de este tipo se utilizan para la evaluación de las cuotas hipotecas y otros préstamos, donde el intervalo de análisis y de pago suele ser mensual.

2. Indicadores comparativos

A partir de los conceptos de tasa de descuento y factor de recupero de capital, se puede definir algunos indicadores útiles para evaluar la rentabilidad de las inversiones en el uso eficiente de energía. Estos indicadores permiten evaluar la conveniencia económica, o no, de utilizar tecnologías eficientes.

La elección del indicador a utilizar para realizar la evaluación dependerá del caso particular bajo estudio, de los datos disponibles, de la profundidad con que quiera procederse, etc. Los distintos indicadores se expresan en diversas unidades, que posibilitan variados enfoques en el análisis. En algunos estudios podrá convenir, incluso, calcular más de un indicador para obtener una apreciación más completa del problema analizado, por ejemplo para comparación con otra alternativa de inversión u otro propósito.

En la Tabla 4 al final de este capítulo se resumen los rasgos más destacados de cada uno de ellos.

Cabe destacar que la determinación de si una opción de eficiencia energétic es rentable o cual de dos o más alternativas es la más rentable es independiente del indicador utilizado, siempre que las suposiciones fueran las mismas.

7

Generalmente las instalaciones de iluminación eficientes requieren una mayor inversión inicial debido a que este tipo de tecnologías son más caras. Sin embargo y a lo largo de la vida útil de la instalación, se verá una reducción en los costos operativos energéticos y posiblemente también del mantenimiento de las instalaciones. La evaluación económica consiste en sopesar si la mayor inversión adicional se justifica en términos de los ahorros futuros de energía y mantenimiento.

Se desarrollarán a continuación las características de los proyectos y la nomenclatura utilizada para realizar los cálculos.

Inversiones

En adelante al costo inicial de la tecnología convencional se lo llamará CC, mientras que al de la tecnología eficiente CE. La inversión adicional ∆I se computará de la siguiente forma:

CCCEI −=∆ (7)

Las tecnologías eficientes tienen generalmente un costo superior de las que no lo son, por lo cual ∆I es positivo.

Costos de operación y mantenimiento (O&M)

Los costos de operación y mantenimiento (O&M) pueden resumirse en: a) costos de la energía, b) costos de la potencia3 y c) costos de mantenimiento. Los costos de O&M en las instalaciones de iluminación eficiente son siempre inferiores a los de aquellas que no lo son.

Al consumo energético de la instalación convencional se lo denominará EC y al de la variante eficiente EE. Este consumo se indicará, generalmente, en kWh al año [kWh/año]

El precio de la energía está determinado por el sitio y el tipo de tarifa aplicado a la instalación. A este precio se lo notará como PE y en general estará expresado en pesos por kilowatt-hora [$/kWh].

Existen otros costos que deben ser evaluados cuando corresponda, como ser el costo que se paga por potencia contratada en algunas tarifas. Para ello debemos considerar la potencia demandada por las instalaciones. Esta potencia será generalmente menor en la instalación eficiente que en la que no lo es. A la potencia demandada por la instalación eficiente se la notará como DE y a la convencional, DC y se expresa en [kW]. Al costo de la potencia se lo señalará PP, y estará indicado en pesos por kilowatt al año [$/kW-año]4. La evaluación del costo por potencia cobra sentido cuando la modificación afecta una gran porción de la instalación o a un proyecto completo, y puede en consecuencia disminuirse el monto de la potencia contratada.

En ciertos casos, también podrán obtenerse beneficios indirectos como por ejemplo descenso en los niveles de mantenimiento, de requerimiento de aire acondicionado, etc. que, llegado el caso, también pueden ser evaluados.

3 Sólo en aquellas tarifas que incluyen un cargo por este concepto. 4 Debe considerarse que el costo se paga mensualmente, por lo que el monto anual se obtendrá multiplicando por

12 (meses).

8

Sintetizando: CE: costo (inversión inicial) de la tecnología eficiente. [$] CC: costo (inversión inicial) de la tecnología convencional [$] EE: consumo anual de energía de la tecnología eficiente [kWh/año] EC: consumo anual de energía de la tecnología convencional [kWh/año] PE: precio de energía [$/kWh] DE: demanda de potencia en la instalación eficiente [kW] DC: demanda de potencia en la instalación convencional [kW] PP: precio de la potencia [$/kW-año] CMC: costo de mantenimiento de la tecnología convencional [$/año] CME: costo de mantenimiento de la tecnología eficiente [$/año]

Utilizando esta nomenclatura, se tiene que el ahorro anual —beneficio— obtenido en O&M, ∆O&M, queda expresado de la siguiente forma:

)()()(& CMECMCPPDEDCPEEEECMO −+×−+×−=∆ (8)

2.1. Valor Actual Neto (VAN)

Recordando el concepto de valor actual, el VAN se obtiene sumando los costos y los beneficios producidos en un determinado proyecto a lo largo de su vida útil ajustándolos a su valor actual.

NN

N

nn

n

iF

iF

iFF

iFVAN

)1()1()1()1( 22

11

00 +

+++

++

+=+

= ∑=

Κ (9)

A diferencia del concepto de valor actual visto en la Sec. 1.4 Valor actual (Ec. (3)) el valor actual neto, para evaluar integralmente el proyecto incorpora a la sumatoria el término corespondiente a la inversión inicial F0.

Para el cálculo del VAN en iluminación eficiente, se considerarán los flujos de caja de las inversiones como negativos (CE - CC) y los correspondientes a los ahorros (PE x (EC – EE)) como positivos. El VAN queda expresado en pesos [$]. Para el caso particular en donde comparemos dos alternativas de iluminación eficiente, la expresión que queda (aplicando (7), (8) y (9)) utilizando la nomenclatura ya vista, es la siguiente:

∑= +

∆+∆=

N

nniMOIVAN

1 )1(& (10)

Aquellas alternativas con VAN positivos mayores resultan convenientes.

9

Ejemplo

Sea un proyecto eficiente de 5 años, que tiene una inversión adicional mayor que el convencional ∆I de $10.000. La variante eficiente produce un ahorro anual de O&M de $4.000 y se considera una tasa de descuento del 10%. El VAN quedará determinado entonces por el desarrollo que se efectúa en la Tabla 3.

Tabla 3. Valor Actual Neto de los movimientos de caja de pesos actuales.

Período n

Mov. de caja Fn ni)1(

1+

Valor actual

0 $(10.000) 1 $(10.000) 1 $4.000 0,9091 $3.636 2 $4.000 0,8264 $3.306 3 $4.000 0,7513 $3.005 4 $4.000 0,6830 $2.721 5 $4.000 0,6209 $2.484 Valor Actual Neto = $5.152

Un VAN positivo como el que resulta del ejemplo, muestra que la inversión considerada resulta económica. Frente a otra alternativa con un VAN mayor debería escogerse la de VAN más alto. Si la inversión hubiese dado un VAN igual a cero, esto significaría que resultaría indiferente para el inversor. Mientras que, una inversión con un VAN negativo hubiera indicado que los ahorros que se percibirán en el futuro tendrán menor valor que la inversión realizada en el año cero resultando por lo tanto inconveniente.

El VAN se recomienda para la evaluación de alternativas que son mútuamente excluyentes, por ejemplo varios alternativos diseños de iluminación para un estadio de futbol. El diseño cuyo VAN es mayor resulta más conveniente económicamente.

2.2. El periodo simple de repago (PSR)

Una forma muy común de evaluar una inversión es a partir de cuantificar el tiempo que tarda en recuperarse la inversión adicional. Para hacer esto el índice más sencillo es el periodo simple de repago (PSR) del capital. El PSR es la relación entre la inversión inicial y el ahorro en el primer año.

MOIPSR

&∆∆

= (11)

El resultado de este indicador está expresado en años o fracción.

Pese a su sencillez y popularidad, éste es el menos deseable de los indicadores, ya que no considera la vida útil de la inversión ni el valor futuro del dinero.

10

2.3. Tasa interna de retorno (TIR)

La tasa interna de retorno (TIR) de una inversión que tiene una serie de flujos de caja futuros (F0, F1, … Fn) es la tasa de descuento i para la cual el Valor Actual Neto es cero.

En nuestro caso, recordando la expresión (9), resulta:

0)1(

&1

=+

∆+∆= ∑

=

N

nniMOIVAN (12)

Para calcular la tasa interna de retorno hay que encontrar la fórmula que anule el VAN dado los valores de CE, CC, PE, EE, EC y N (que intervienen en el cálculo de ∆I y ∆O&M. Debido a que esta ecuación no tiene una solución analítica explícita, es más fácil resolverla por iteración suponiendo distintos valores para i. Afortunadamente la ecuación (9) se puede resolver con facilidad en una planilla de cálculo, caso que se verá en la sección de ejemplos. Adicionalmente las calculadoras financieras pueden dar el valor del TIR.

Consideraciones sobre la TIR

La ventaja de este índice es que el cálculo no requiere la especificación de una tasa de descuento, y el resultado aparece como una tasa derivada de la inversión. Sin embargo, este método asume implícitamente que el beneficio que se recibe a través de ahorros energéticos se está invirtiendo en un negocio que gana la misma tasa. Esta suposición es cierta cuando un proyecto genera una TIR cercana a la tasa de descuento (una inversión alternativa) pero cuando la TIR es mucho mayor, se sobrestima el rendimiento5.

Un inconveniente con el uso del TIR (al igual que el PSR) es que sólo se puede comparar dos alternativas a la vez, por ejemplo, una eficiente versus una convencional.

En proyectos de eficiencia energética, es común analizar varias alternativas, en cuyo caso el análisis se vuelve oneroso. La alternativa con mayor TIR respecto a la opción convencional no es necesariamente la mejor. Se tiene que ordenar las alternativas en orden incremental de inversiones y analizar pares consecutivos para determinar si la inversión incremental es rentable (TIR > i).

El siguiente indicador CAT es más conveniente para comparar más de dos alternativas.

2.4. Costo anualizado total (CAT)

Los proyectos de iluminación eficiente requieren, usualmente, de una inversión inicial y de las inversiones necesarias para reponer aquellos elementos con menor vida útil que el resto de la instalación. Generalmente se tiene que considerar la reposición de lámparas y equipos auxiliares durante la vida útil de las luminarias y elementos de fijación (brazos, columnas, etc.) que comprenden la instalación. También suelen haber varias combinaciones de lámparas, balastos, luminarias, etc. para llegar a una instalación completa. La comparación de las alternativas y la evaluación económica de la óptima es fácil utilizando el costo anualizado total.

5 Para este último tipo de proyectos se utilizan las tasas pseudo interna o ajustada de retorno que no veremos en

este texto.

11

El costo anualizado total (CAT) es la suma del valor anualizado de las inversiones necesarias y de los costos de operación y mantenimiento de la instalación.

Para una comparación simple entre una tecnología convencional y una eficiente, ambas con la misma vida útil (L años) se calcula el CAT para cada alternativa.

Para la alternativa convencional, el CAT está dado por:

CMCECPELiFRCCCCATC +×+×= ),(

utilizando la misma notación que en Sec. 2.

Para la alternativa eficiente, el CAT está dado por: CMEEEPELiFRCCECATE +×+×= ),(

La alternativa eficiente es económicamente rentable, cuando CATE es menor a CATC.

Tal como se señaló, este método puede aplicarse para comparaciones entre más de dos alternativas, cada una compuesta por distintos elementos con distintas vida útil.

Las inversiones necesarias corresponderán a cada alternativa analizada (l) y dentro de cada alternativa los distintos elementos, a saber: instalación, lámparas, equipos auxiliares (balastos, etc.), etc. A cada elemento puede identificárselo con el subíndice (j) y tendrá a su vez una vida útil característica Nj. El valor anualizado de las inversiones es la suma de valor anualizado de cada componente:

( )∑ ×Ι=L

NiFRClaalternativsinversioneanualizadoCosto ,)(

∑=K

MOMOanualCosto &&

=ljljl

1,, (13)

donde,

l: subíndice que señala alternativa l.

j: subíndice aplicado a los distintos elementos que componen la alternativa l: lámparas, luminarias, balastos, etc.

Il,j: costo del elemento j correspondiente a la alternativa l

FRC(i,Nj): Factor de recupero de capital, correspondiente a cada elemento j, teniendo en cuenta su vida útil Nj y considerando una tasa de descuento i.

Los costos de operación y mantenimiento (O&M) se pueden computar fácilmente en forma anual, por lo que no es necesario anualizarlos, la expresión para calcularlos se muestra en la (14):

=kkl

1, (14)

donde:

l: subíndice que señala alternativa l.

k: subíndice aplicado a los distintos elementos que componen el costo de O&M. Energía, potencia, etc.

O&Ml,k: costos k de operación y mantenimiento, correspondientes a la alternativa l.

12

Finalmente sumando (13) y (14) se obtiene la fórmula (15) que permite computar el CAT:

( )∑ ∑= =

+Ι=L

l

K

kkljljll MONiFRCCAT

1 1,,, &,. (15)

donde:

CATl: Costo anualizado total de la alternativa l.

Con los indicadores anteriores el conjunto de alternativas —si éstas eran más que dos— debían ser ordenadas apropiadamente por inversión requerida y energía ahorrada, y comparadas entre pares adyacentes, empezando con las alternativas con menores requerimientos de capital. Este proceso se olvida a menudo con el resultado de seleccionar inversiones no económicas.

En el caso del CAT, a diferencia de los indicadores anteriores, la evaluación se hace por cada alternativa y no comparando sólo entre dos distintas. Esto simplifica el proceso de análisis cuando haya varias alternativas. La alternativa más conveniente quedará determinada por aquella que tenga el CAT menor.

En el caso de este indicador, deberá colocarse especial atención en la obtención de los Il,j: costo del elemento j correspondiente a la alternativa l, que no resultan de hacer la diferencia entre dos alternativas (ver fórmula (6) ) y de los valores O&Ml,k: costos k de operación y mantenimiento, correspondientes a la alternativa l, que tampoco surgen como una diferencia (ver fórmula (7) )

Este indicador es ideal para establecer un orden entre muchas alternativas, situación muy común en proyectos de iluminación eficiente. El CAT, adicionalmente, proporciona otras ventajas: se puede adaptar la metodología con facilidad para comparar alternativas o sistemas que incluyan componentes de diferente vida útil y b) es posible también comparar la utilidad de reemplazar un aparato todavía con vida por otro más eficiente — el llamado "retiro prematuro" de un aparato en funcionamiento. Si bien es cierto que los otros índices — VAN, TIR— también pueden ser adaptados para estos casos, su cálculo se hace mucho más complicado, fundamentalmente en aquellos casos en donde se tienen muchas opciones para analizar.

2.5. Comparación entre los distintos índices

Debido a que los indicadores a utilizar tienen diversas características, éstas se sintetizan en la Tabla 4 con el objeto de facilitar su selección.

Tabla 4. Características destacadas de los indicadores

comparativos. Tiene en cuenta Características

generales Indicador Se expresa en Vida útil Valor futuro

del dinero Sencillez de cálculo (*)

PSR años No No Sí VAN $ Sí Sí No TIR % Sí Sí No CAT $/año Sí Sí Sí

13

(*) Si el cálculo se realiza con computadora la operatoria será simple en todos los casos, excepto cuando deban compararse alternativas con distinta vida útil.

3. Ejemplos de análisis de la rentabilidad de la iluminación eficiente

En los ejemplos que se darán a continuación, deberán considerarse una serie de elementos importantes a la hora de definir apropiadamente las características de las inversiones.

Vida útil de la instalación y componentes. Si bien la vida de los componentes es de varios años, extendiéndose en el caso de las lámparas cada vez más, puede ocurrir que la instalación difícilmente se mantenga por un lapso de 20 años como lo indica la vida de alguno de los elementos que la componen. El número de encendidos diarios es también un factor que determina la vida útil en las lámparas de descarga. A mayor número de enecendidos, menor vida útil. Por lo tanto si bien una instalación, por ejemplo de pasillos con automático, puede estar encendida un número de horas diarias que haría conveniente el reemplazo de incandescentes por LFCs, no se recomienda la medida —al menos con las tecnologías actuales— debido al deterioro que causa el frecuente encendido y apagado sobre las lámparas.

Deberá recordarse que los resultados obtenidos en una determinada evaluación dependen fuertemente de los costos de operación y mantenimiento, por lo que deberá evitarse extender las conclusiones obtenidas para una determinada localidad hacia otras. Una medida o proyecto inconveniente en Buenos Aires, por ejemplo, puede resultar provechoso en otra región, en donde los costos por potencia y energía sean mayores, o viceversa. Asimismo, deberá considerarse el tema del momento (año) en que fue realizada la evaluación los costos de operación y mantenimiento como los de la inversión inicial, que en la actualidad varían sensiblemente año tras año.

3.1. Sector Residencial

Este sector es el más sencillo de analizar. La opción tecnológica de iluminación eficiente más común es el reemplazo de una lámpara incandescente por una lámpara fluorescente compacta (LFC) integral. Estas lámparas a rosca incorporan el balasto, por lo cual pueden ser colocadas en los mismos portalámparas que alojan a las incandescentes.

Las LFC tienen vida útil declarada por el fabricante de entre las 3.000 y 15.000 horas. Hay modelos que no alcanzan la vida declarada. Las normas requieren una vida declarada de 6.000 horas como mínimo, con otras especificaciones para asegurar la calidad, seguridad y eficiencia de las LFC.

En los ejemplos que siguen, se expresan los precios en pesos convertibles (1 peso argentino igual a 1 dólar EEUU), con los valores vigentes en 1999-2001.

Ejemplo de reemplazo de lámparas incandescentes por LFCs integradas

Se quiere considerar el reemplazo de una lámpara incandescente de 100 W en un ambiente donde se la halla encendida un promedio de 2 h diarias.

El precio de la lámpara incandescente es de $1, el de la LFC de 20 W (equivalente) de $15.

14

La vida útil de la lámpara incandescente es de 1.000 h y el de la LFC, 8.000 h.

Se considera un precio típico de la energía en la zona de Buenos Aires es de $ 0,1 por kWh con impuestos.

La tasa de descuento utilizada será del 10% (i = 0,1)

Cálculo con período simple de repago (PSR)

Utilizando la expresión (11),

MOIPSR

&∆∆

= (11)

Se debe considerar que en el cálculo de este índice durante la vida útil de la LFC deberán comprarse 8 incandescentes por lo que:

∆I = CE - CC

∆O&M = PE x (EC – EE)

CE = $15; CC = 8 lámparas x $1 = $8;

PE = 0,1 $/kWh;

EC = 0,1 kW x 365 día/año x 2 h = 73 kWh ; EE = 0,02 kW x 365 día/año x 2 h = 14,6 kWh

( )( ) años

kWhkWhxkWhPSR 2,1

6,1473/$1,08$15$

=−

−=

Este valor no indica si el reemplazo es rentable. La situación se complica por la distinta vida útil de las dos lámparas. La vida útil de la LFC (con dos horas de encendido por día) es:

( ) añosañodiasdíah

hN 96,10]/[365]/[2

][000.8=

×=

Análogamente, para la lámpara incandescente, la vida útil será de 1,37 años.

Considerando las distintas vida útil, la evaluación económica mediante el uso de los indicadores valor actual neto (VAN) y tasa interna de retorno (TIR) también es difícil. En cada caso, habría que sumar el valor presente de 7 futuras compras de lámparas incandescentes para alcanzar los 11 años que duraría la LFC.

El análisis se vuelve simple con el uso del costo anualizado total (CAT). Para el caso simple de la tarifa residencial, que sólo incluye precio de energía (PE), no de potencia, la ecuación para CAT es:

E*PEN)FRC(i,*CCAT +=

15

El factor de recupero de capital (FRC) permite anualizar el valor de una inversión inicial (C) durante la vida útil (n años) utilizando una tasa de descuento d.

El FRC está dado por la ec. (6):

−+

+×=

1)1()1(

N

N

iiiFRC

Para la lámpara incandescente, N = 1,37 años y considerando una tasa de descuento real de 0,1 y

FRC (incandescente) = 0,817

CAT (incandescente) = $ 1 * 0,817 /año+ 0,1 $/kWh* 73 kWh/año= $ 8,12

Para la lámpara fluorescente compacta, N = 10,96 años; la tasa de descuento es la misma, por lo cual,

FRC (LFC) = 0,154

CAT (LFC) = $ 15 * 0,154 / año + 0,1 $/kWh * 14,6 kWh/año = $ 3,77

Es decir, el costo anual de comprar y pagar el consumo energético de la lámpara incandescente es de $ 8,12, mientras que para la lámpara fluorescente compacta es de $ 3,77. En este caso, queda claro que (bajo las suposiciones del ejemplo) el uso de la lámpara fluorescente compacta es sumamente rentable.

Parámetros que influyen la rentabilidad

La rentabilidad del reemplazo es función de las horas de encendido y las horas de vida útil de las incandescentes y de la LFC, el precio de cada lámpara, la tarifa eléctrica y la tasa de descuento. La dependencia de la rentabilidad sobre estos parámetros se ilustra a continuación.

Consideramos el caso de la substitución de una incandescente de 75 W por una LFC de 20 W, una relación de 3,75 a 1.6

Para esta ilustración, se supone los siguientes valores: Vida útil de lámpara incandescente = 1000 horas; Precio de la lámpara incandescente = $0,75; Tasa de descuento real = 10%, o sea 0,10 anual.

6 Típicamente, los fabricantes de las LFC han reclamado, mediante información en el envase de sus productos que la relación de potencia entre una incandescente y una LFC es de cinco a uno, es decir se puede reemplazar una incandescente de 100 W con una LFC de 20 W, una incandescente de 75 W con una de 15 W, etc. Mediciones en condiciones reales de uso en Argentina han revelado que una substitución con esta relación de potencia, la iluminancia con las LFC es notablemente inferior a aquella de la incandescente, generando rechazo por parte del usuario. Por ello, el Programa ELI en Argentina recomienda una relación de potencia de cuatro a uno. Atento al mismo, la normativa ELI a nivel mundial incluye exigencias respecto a las equivalencias de potencia entre las LFC y las incandescentes.

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Caso 1. Tarifa eléctrica de $0,067/kWh

Consideramos primero una tarifa eléctrica variable de $0,067 por kWh. Es decir, el usuario paga $0,067 por cada kWh adicional de consumo, incluyendo todos los impuestos. De esta manera, el cálculo se refiere a la perspectiva del usuario.

La rentabilidad de la LFC se aumenta con las horas de encendido diario de la boca de luz en cuestión. Consideramos una con sólo una hora de encendido.

En estas circunstancias, una incandescente de $ 0,75 que dura 1000 horas de encendido duraría 2,74 años. El costo anualizado de compra (considerando la tasa de descuento de 10%) es $0,33. Es decir el precio inicial de $0,75 es equivalente a un pago anual de $0,33 durante la vida util de la lámpara (2,74 años).

Cada año, esta lámpara consume 75 * 365 watt horas de electricidad, o sea 27,4 kWh, por un costo de $1,83.

De esta manera, el costo anualizado de compra y operación de la lámpara está dado por la suma de $0,33 y $1,83, es decir $2,16.

El costo anualizado de compra y operación de cualquier artefacto energético se llama el costo anualizado total (CAT) y es una forma de comparar alternativas de distintas eficiencias con distintas vida útil, como en nuestro caso.

La pregunta que hacemos es: ¿Cuál es el precio máximo que el usuario puede pagar para una LFC que provee la misma cantidad de luz que la incandescente de 75 W? A este precio “máximo”, el costo anualizado total de utilizar la incandescente y la LFC son idénticas, en nuestro caso $2,16.

Hemos decidido que una LFC de 20 W provee la misma cantidad de luz que la incandescente de 75 W. El costo anual de electricidad, suponiendo una hora de encendido, es $0,49. Para igualar el costo anualizado total de la incandescente, el costo anualizado de la compra de la LFC debe ser $2,16 - $0,49, es decir $1,67. ¿Cuál es el precio de la LFC equivalente a este costo anual? Dicho precio depende de la vida útil de la LFC.

Consideramos un modelo con una vida útil de 10.000 horas. Esta LFC duraría 27,4 años y el precio máximo a pagar es $15,50.

A continuación se grafica el precio máximo a pagar para una LFC en una boca de luz con encendido diario de una hora, según la vida útil de la misma.

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Substitución: Incand. 75 W por LFC 20 WTarifa eléctrica $0,067/kWh

$0

$5

$10

$15

$20

0 5000 10000 15000

Vida útil, horas

Prec

io m

áxim

o de

LF

C

Figura 1. El precio máximo que el usuario puede pagar para una LFC de 20 W que reemplaza una incandescente de 75 W, con una hora de encendido diario, como función de la vida útil de la LFC. Tarifa: $0,067/kWh.

Al precio máximo calculado y graficado arriba, el usuario es indiferente a la substitución de lámparas. Se verán ahorros en la medida de que el precio de la LFC es menor que el precio máximo calculado. También se verán ahorros positivos con encendidos mayores a una hora por día.

Por ejemplo, si una LFC de 5.000 horas cuesta $6, el ahorro neto (valor presente) sería $6,20. Si otra lámpara fluorescente compacta de 10.000 horas costara $15, el ahorro neto sería tan sólo $0,50.

El ahorro neto también aumenta con las horas de encendido diario. Tomando los precios máximos calculados, la gráfica abajo ilustra el costo anualizado total como función de horas de encendido de una incandescente y LFC con distintas vida útil. El ahorro neto anual es cero por una hora de encendido y crece con mayor encendido.

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Costo anualizado total (lámpara + energía)Tarifa eléctrica $0,067/kWh

$0

$5

$10

$15

0 1 2 3 4 5 6Encendido, horas por día

Cos

to a

nual

izad

o to

tal,

$

IncandescenteLFC, 3000 hLFC, 5000 hLFC, 8000 hLFC, 10000 h

Figura 2. Costo anualizado total para la compra y operación de LFC, según horas de encendido diario. Los precios de LFC corresponden a la gráfica anterior.

Caso 2. Tarifa eléctrica de $0,11 /kWh

Repetimos los cálculos para una tarifa de $0,11/kWh. Las tarifas en los dos ejemplos corresponden aproximadamente a las tarifas residenciales T1R2 y T1R1 respectivamente, vigentes en Capital Federal y Gran Buenos Aires. Sin embargo estos valores son típicos para grandes regiones del país. En otras, donde las tarifas residenciales son mayores, las LFC son aún más rentables.

En este ejemplo, se consideran un encendido diario de 0,6 horas por día. Se fija un valor menor por que la LFC es más rentable con una tarifa mayor, como en este segundo ejemplo. Se determinó el valor de 0,6 horas para que igualar el precio máximo a pagar para LFC de 10.000 horas.

Las demás suposiciones se mantienen sin cambios. A continuciaón se presenta el precio máximo a pagar por una LFC, según la vida útil de las mismas.

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$0

$5

$10

$15

$20

0 5000 10000 15000Vida útil, h

Prec

io m

áxim

o de

LFC

Substitución: Incand. 75 W por LFC 20 WTarifa eléctrica $0,11/kWh

Figura 3. El precio máximo que el usuario puede pagar para una LFC de 20 W que reemplaza una incandescente de 75 W, con 0,6 hora de encendido diario, como función de la vida útil de la LFC. (Tarifa: $0,11/kWh)

Las figuras 1 y 3 indican precios máximos a pagar para LFC de distintas vida útil correspondientes a dos tarifas eléctricas. Se observa una saturación del precio máximo a pagar para LFC de larga vida. El precio de LFC en el mercado nacional demuestra una variación mayor con respecto a la vida útil. Aquellas de larga vida (10.000 horas o más) superan los $20 por unidad, mientras que modelos con vida de 6000 horas se comercializan por alrededor de $12. Para el tiempo de encendido de estos ejemplos, las LFC de larga vida no son rentables, mientras que las de 6000 rinden ahorros netos.

La norma ELI exige una vida útil mínima de 6.000 horas, un valor que parece razonable, desde una perspectiva económica, considerando los costos y beneficios de las LFC como función de la vida útil.

Vida útil

La vida útil de la mayoría de las lámparas fluorescentes compactas depende de la cantidad de encendidos. (Un fabricante de lámparas declara que su línea larga vida de LFC resisten cientos de miles de encendidos.)

Algunas normas definen la vida nominal de lámparas con ciclos de encendido de 3 horas. Sin embargo, mediciones realizadas por la Universidad de Buenos Aires con registradores de luz (“Lighting Loggers”) revelan de que la mayoría de las bocas de luz en viviendas en Buenos Aires tiene encenido de menos de 3 horas por encendido. Por ello, la vida útil de las lámparas fluorescentes compactas se reduciría substancialmente respecto al valor nominal.

En los ejemplos de cálculos económicos, se tomaron la vida útil de las LFC igual que su valor nominal, aún considerando una hora o menos de encendido por día. La norma ELI exige que las LFC deben sobrevivir una cantidad de encendidos igual al doble del valor númerico de la vida útil nominal declarada. Por ejemplo, un modelo de LFC con vida útil nominal de 6.000 horas debe resistir 12.000 encendidos.

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Por ejemplo, una LFC de vida nominal de 6.000 utilizada una hora por día con un solo encendido (y apagado) por día duraría 6.000 días (según la vida útil) y 12.000 encendidos (o días), En este caso, la vida útil estará determinada por el primer criterio, es decir 6.000 días.

La misma LFC con una hora de encendido por día, pero con cinco encendidos por día sufriría 30.000 encendidos en 6.000 horas o 6000 días. En este caso la vida útil se acortará por la cantidad de encendidos, es decir duraría 12.000 encendidos equivalente a 2.400 días.

Tasa de descuento

En los ejemplos anteriores se tomaron un valor del 10% para la tasa de descuento. Este valor es razonable para las personas que comprarían lámparas con efectivo. Sin embargo, si tiene que recurrir al crédito para la realización de la compra, debemos tomar en cuenta que las tasas de interés relevantes en Argentina superan 30% anual. Con estas condiciones la tasa de descuento también es muy alto, y la rentabilidad de las LFC es muy baja. Por ejemplo, en el ejemplo 2 anterior, con una tarifa de $0,11/kWh, se calcularon los precios máximos a pagar para una CFL como función de la vida útil, considerando 0,6 horas de encendido por día. Con una tasa de descuento del 40% anual, se obtienen virtualmente los mismos precios, pero para un encendido de 2,4 horas por día.

Por ello, la financiación para la adquisición de LFC es muy importante para mejorar la rentabilidad y facilitar al acceso a las mismas, sobre todo para familias de menores recursos económicos. La cuestión de financiación se analiza más adelante.

Un criterio simple para determinar la rentabilidad

En síntesis, la rentabilidad depende de varios parámetros. Un análisis económico riguroso no es posible debido a la incidencia de la cantidad de encendidos sobre la vida útil de las lámparas. Considerando una visión pesimista en cuanto a las posibilidades de substitución, podemos suponer que el reemplazo es rentable para todas incandescentes de 75 W que suma 2,67 horas o más de encencendido diario, es decir con un consumo diario de más de 200 watt-horas.

La substitución es más rentable para lámparas de mayor potencia, ya que el consumo y ahorro energéticos son proporcional a la potencia, pero el precio de la LFC es casi independiente de la misma. Por ello podemos extender el criterio de substitución a todas incandescentes que suman más de 200 watt horas por día. Es decir, una incandescente con más de 2 horas por día, una de 60 Wcon más de 3,33 horas por día y una de 40 W con más de 5 horas de encendido.

Este criterio sencillo fue utilizado en el Estudio de Mercado Residencial de ELI. Este estudio, realizado en marzo del 2000, abarcó 800 viviendas en Capital Federal, Gran Buenos Aires, Rosario, Córdoba, Mendoza y Tucumán. Se realizaron un censo de las lámparas según potencia y horas de encendido diario. Considerando las incandescentes con consumo superior a los 200 watt horas diarios, se puede estimar el potencial de ahorro en la substitución de éstas por LFC. Este potencial es 50%.

3.2. Sector comercial y público

Este sector abarca muchas variedades de edificios con distintas funciones, por lo cual las opciones tecnológicas de iluminación eficiente son múltiples. Sin embargo, el uso de lámparas fluorescentes lineales predomina en muchos edificios. A continuación, se presenta el ejemplo de reconversión de aulas de la Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires

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(edificio Paseo Colón). El tema fue estudiado por los (ahora) ingenieros Nicolás Sepliarsky y Tomás Rodríguez Rossi, y los resultados que se presentan provienen de su informe.7 Ellos analizaron otros aspectos de la iluminación eficiente que no se presentan aquí. Aunque las opciones técnicas siguen válidas, los valores económicos corresponden al año 2000, con el peso convertible. Por tal motivo, el ejemplo es ilustrativo y las conclusiones pueden haber variado luego de la devaluación argentina del 2002.

Situación actual. Las aulas tienen tubos fluorescentes lineales T12 ó T8 comunes (no trifosforos) con balastos electromagnéticos comunes colocado en luminarias sencillas sin ningún tipo de control del flujo luminoso.

Equipos alternativos considerados. Se supone una reconversión de las aulas, con nuevas lámparas, nuevos equipos auxiliares y nuevas luminarias. La idea del análisis económico es comparar las distintas alternativas para determinar la combinación óptima que cumplen con los requerimientos luminotécnicos. Los equipos considerados se presentan en la tabla 5.

Tabla 5. - Equipos seleccionados considerados para la reconversión de las aulas. Lámparas Balastos Luminarias Equipo Tubo trifósforo 36W Electromagnético ANFA [1] mod. 1001 Arrancadores c/Reset Tubo trifósforo 58W Electromagnético

eficiente ANFA mod. 1011 Capacitores

Electrónico doble [2] ANFA mod. 1013 Zócalos Electrónico triple [3] Portarrancadores Notas. 1. La marca de luminaria elegida en este estudio. Existen otras marcas con modelos equivalentes. 2. Balasto electrónico que opera dos tubos fluorescentes. 3. Balasto electrónico que opera tres tubos fluorescentes.

Lámparas. Basado en un análisis económico previo, se decidieron elegir solamente lámparas T8 trifosforos, por su mejor rendimiento lumínico con costo marginal relativamente menor. Se elegieron potencias de 36 W y 58 W, descartando otras opciones en el estudio anterior.

Balastos. Se consideraron balastos electromagnéticos (que dominan el mercado nacional) y balastos electrónicos que cumplen con normas de calidad y seguridad. También se consideraton la alternativa de balastos electromagnéticos eficientes, aunque esta alternativa no está disponible en el mercado nacional.

Luminarias. Se consideraron varios modelos de un fabricante nacional. La fotometría de los mismos y el software para la diseño de la iluminación están disponibles.

Otros equipos auxiliares. Cuando se utilizan balastos electromagnéticos, se necesitan arrancadores y se debe colocar capacitores para la compensación del factor de desfasamiento entre la tensión y la corriente (cos ϕ). Los arrancadores seleccionados tienen “Reset” incorporado para evitar el "parpadeo" del tubo cuando éste se encuentra agotado. Pese a su costo elevado con respecto al arrancador común su empleo se justifica por que se iluminarán aulas de estudio en las que se requiere un máximo confort.

Los precios de los equipos seleccionados se presentan en la tabla 6.

7 N. Sepliarsky y T. Rodriguez Rossi, 2000. “Proyecto de iluminación eficiente en el edificio Paseo Colón de la FIUBA”, Depto. de Electrotecnia, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires.

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Tabla 6. Precios unitarios de los equipos seleccionados

Ítem Precio unitario, $ (incl. IVA)

ANFA 1013 2x36 29,40 ANFA 1013 2x58 39,40 ANFA 1001 2x36 34,80 ANFA 1001 3x36 46,96 ANFA 1001 2x58 42,47 ANFA 1011 2x36 64,25

Luminarias

ANFA 1011 3x36 104,06 Osram Lumilux Plus 58W 2,30

Lámparas Osram Lumilux Plus 36W 2,66 EM 1x36 1,82 EM 1x58 2,66 EME 1x36 3,28 EME 1x58 4,79 E 2x36 21,78 E 2x58 27,83

Balastos

E 3x58 41,14 4 µF 1,57

Capacitores 6 µF 1,69 Arrancador c/reset 2,66 Notes: EM: Balasto Electromagnético EME: Balasto Electromagnético Eficiente E: Balasto Electrónico

Se decideron la selección de luminarias prearmadas con lámparas y equipos auxiliares. Esto reduce el tiempo y costo de instalación. Los precios prearmados para las distintas combinaciones se presentan en la tabla 7.

Tabla 7. Precio unitario de las luminarias prearmadas

con distintas combinación de equipamiento Tipo de lámpara Balasto Precio unitario con IVA, $

EM 1x 12,30 EME 1x 20,00 E 2x 33,00 36W E 3x 58,00 EM 1x 16,00 EME 1x 26,60 58W E 2x 45,00

Se analizaron las dimensiones de todas las aulas del edificio, clasificándolas en 4 categorías para simplificar el análisis. Luego se estableció el diseño de iluminación de las aulas en cada categoría, considerando cada combinación de equipamiento seleccionado. Los resultados se sintetizan en la tabla 8.

23

Tabla 8. Configuración de iluminación de cada categoría de aula, por tipo de equipamiento

Luminaria Cantidad de luminarias del aula promedio de la

Modelo

Tipo

Balasto

Categoría 1

Categoría 2

Categoría 3

Categoría 4

Cantidad total de luminari

as

Potencia instalada

, kW

Electromag. 35 19 17 12 737 67,804 Electromag. Eficiente

35 19 17 12 737 61,908 1013 2 x 36

Electrónico 36 20 18 12 758 53,060 Electromag. 39 22 20 13 829 76,268 Electromag. Eficiente

39 22 20 13 829 69,636 2 x 36


26 14 13 9 553 69,678

1001

3 x 36


38 21 19 13 808 67,872 2 x 36


26 14 13 9 553 69,678

1011

3 x 36


22 12 11 8 479 64,186 1013 2 x 58


25 14 13 9 550 73,700 1001 2 x 58

Electrónico 26 14 13 9 553 60,830

Luego, para cada combinación de tipo de lámpara, balasto y luminaria, se modelan todas las aulas del edificio, ponderando por la cantidad de aulas de cada categoría. Para cada una de las 21 configuraciones, se realiza el análisis económico utilizando el métido del costo anualizado total (CAT). Los resultados se presentan en la tabla 9. Dicha tabla incluye la potencia instalada, el consumo anual de energía (que depende de las horas de encendido, determinadas por los autores del estudio), el costo inicial (inversión, incluyendo costo de instalación), el costo anual de energía y potencia para la tarifa eléctrica que corresponde al edificio y el CAT.

24

Tabla 9. Comparación económica de las alternativas configuraciones.

Luminaria

Modelo Tipo

Balasto Potencia instalada

[kW]

Consumo anual [kWh]

Costo inicial

[$]

Costo energía anual, $/año

Costo potencia anual, $/año

CAT [$]

1013 2x58 Electrónico 53,79 58.541 49.742 2.289 8.656 19.998 1013 2x58 Electromag. 69,93 75.445 42.498 2.950 11.254 22.144 1013 2x36 Electrónico 53,06 58.026 59.883 2.269 8.538 22.275 1013 2x58 Electromag.

Eficiente 64,19 69.244 52.652 2.707 10.329 22.490

1001 2x58 Electrónico 60,83 66.011 57.952 2.581 9.789 22.853 1013 2x36 Electromag. 67,80 73.709 52.033 2.882 10.911 24.021 1013 2x36 Electromag.

Eficiente 61,91 67.299 63.383 2.631 9.962 24.513

1001 3x36 Electrónico 60,27 65.925 71.094 2.578 9.699 24.795 1001 2x58 Electromag. 80,30 86.963 50.487 3.400 12.922 25.691 1001 3x36 Electromag. 76,31 82.814 56.825 3.238 12.280 25.840 1001 2x58 Electromag.

Eficiente 73,70 79.815 62.147 3.121 11.860 26.087

1001 2x36 Electrónico 60,76 66.266 73.257 2.591 9.777 26.199 1001 3x36 Electromag.

Eficiente 69,68 75.613 69.599 2.956 11.213 26.395

1001 2x36 Electromag. 76,27 83.520 63.002 3.266 12.273 27.710 1001 2x36 Electromag.

Eficiente 69,64 76.258 75.769 2.982 11.206 28.261

1011 3x36 Electrónico 59,11 64.632 101.879 2.527 9.513 29.110 1011 2x36 Electrónico 60,06 65.185 97.682 2.549 9.665 29.650 1011** 2x36 Electromag. 74,34 80.967 85.203 3.166 11.962 30.537 1011 2x36 Electromag.

Eficiente 67,87 73.926 97.646 2.891 10.922 31.076

1011 3x36 Electromag. Eficiente

69,68 75.613 101.175 2.956 11.213 31.100

1011 3x36 Electromag. 76,31 82.814 101.175 3.238 12.280 32.450

Obsérvese que la configuración más económica (CAT mínimo = $ 20.000) este costo es notablemente menor que la configuración similar a la instalación actual (CAT = $ 30.537, casi el valor máximo).

En térrminos de metodología, cabe mencionar que este análisis que involucró 21 combinaciones, de lámparas, balastos, luminarias, cada uno con una vida útil distinta sería difícil de realizar utilizando otros índices de rentabilidad. Una vez hecha la selección óptima, se puede computar la tasa interna de retorno (TIR) u otro índice de esta óptima respecto a una configuración de base.

25

3.3. Alumbrado público

En los sistemas de alumbrado público también se puede comparar distintas configuraciones utilizando los índices de evaluación económica ya mencionados. Sin embargo, suelen realizar la modernización de estos sistemas, abarcando toda una ciudad o grandes secciones de la misma. En este tipo de proyecto, se puede realizar un rediseño del sistema, y evaluar este con la situación actual. Por ello, consideramos como ejemplo, la rentabilidad de la reconversión de alumbrado público en una ciudad argentina.

La ciudad hipotética de nuestro ejemplo cuenta con 100.000 luminarias de alumbrado público. De esas, el 30% son de vapor de sodio de alta presión, el 50% de vapor de mercurio, 10% incandescentes y 10% lámparas mezcladoras. En el centro de Buenos Aires, el encendido de lámparas de alumbrado público es alrededor de 4000 horas al año. La potencia promedio de las lámparas por tipo (incluyendo el consumo de equipos auxiliares) y el consumo anual de energía se sintetizan en el siguiente cuadro.

Tabla 10. Configuración actual de lámparas

Tipo de lámpara Cantidad W, prom. MWh Mercurio A.P. 50000 380 76000 Sodio A.P. 30000 220 26400 Incandescente 10000 350 14000 Mezcladora 10000 250 10000 Total 126400

En una situación eficiente, se supone que todas las luminarias utilizarían lámparas de sodio de alta presión (SAP). En una posible reconversión para mejorar la eficiencia energética del alumbrado público puede ser los siguiente:

el reemplazo de cada una de las 50.000 luminarias de mercurio por una de SAP con flujo luminoso equivalente; el flujo luminoso de una luminaria SAP de 220 W es igual que una de mercurio de 380 W.

•

•

•

Ya que el flujo luminoso de las lámparas incandescentes y mezcladoras es muy inferior a las de sodio, se supone que las 20.000 lámparas en estas categorías se reemplazarían por 10.000 luminarias de SAP, también con potencia promedio de 220 W.

Después de la reconversión, el consumo anual de las 90.000 luminarias de SAP (todas de 220 W) sería 79.200 MWh, una reducción del 37%.

Las tarifas para el alumbrado público en Argentina varían desde 0,07 a 0,20 $/kWh. Considerando una tarifa de $0,15/kWh (se esperaría concretar la modernización del alumbrado público en áreas donde la tarifa es mayor que el promedio, donde las inversiones serían más rentables), el costo anual del consumo energético baja desde $19 millones a $13 millones.

Para la compra de lámparas, nuevas luminarias, balasto e ignitor, se supone un valor de $200 por luminaria; para las 60.000 nuevas luminarias de sodio, esto implica inversiones de $12 millones.

26

Se supone la necesidad de instalar 25.000 nuevas columnas para mejorar la distribución de luz disponible con las luminarias de SAP; a un costo unitario de $280, incluyendo la instalación, las inversiones adicionales serían $ 7 millones.

•

•

•

•

•

Así, esta reconversión del alumbrado público requeriría $19 millones.

En términos del período simple de repago, una inversión de $19 millones resulta en un ahorro anual de $6 millones, equivalente a un tiempo de recupero para la inversión de unos 3 años.

Sin embargo, a diferencia de inversiones en bienes con una larga vida útil, la situación para el alumbrado público es muy diferente. Las lámparas duran pocos años. Las lámparas de sodio duran más que las de mercurio, que, a su vez, duran bastante más que las mezcladoras. Finalmente, las incandescentes tienen una vida útil de tan solo 1000 horas, comparando con las 24.000 horas de una de sodio.

Además de la lámpara, una instalación incluye equipos auxiliares (un balasto para las de mercurio y sodio, y además un ignitor para la de sodio), la luminaria y la columna. Cada uno de estos elementos tiene una vida útil diferente.

Una manera relativamente fácil de tomar todo esto en cuenta es a través del costo anualizado total de las instalaciones, considerando tanto las inversiones como el consumo energético.

La rentabilidad de cambio en el sistema de alumbrado depende de los siguientes parámetros: Características técnicas y costos de los distintos componentes Vida útil de los mismos Precio de la energía Tasa de descuento (costo de capital)

Las características técnicas y costos de los distintos componentes fueron recopilados a partir de información presentado por fabricantes y proveedores de los mismos. Se estimaron la vida útil de algunos elementos, tales como las luminarias y las columnas.

Se realizó una comparación económica de la situación antes y después del cambio, para un rango de valores para la tasa de descuento desde 0,10 (10% anual) hasta 0,20. Se sintetizan los resultados en la tabla 11. La última fila indica el ahorro neto anual entre la situación actual considerando los gastos anuales en equipos y energía. Se observa que dicho ahorro excede los 6 millones de pesos al año a una tasa de descuento del 10%. El ahorro disminuye lentamente con el aumento en la tasa de descuento, alcanzando una cifra de $5,36 millones para una tasa de descuento del 20% anual.

A pesar de las simplificaciones ímplicitas en nuestro cálculo, la conclusión parece clara: la modernización descrita es muy rentable y dicha rentabilidad no es muy sensible a la tasa de descuento.

27

Tabla 11. Análisis económico de la modernización del alumbrado público en una zonal urbana hipotética

4000 horas por año 100.000 puntos de luz

0,15 $/kWh Tasa de descuento 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 Cons. energía anual Costo Anualizado Total (energía + equipo)

Antes MWh Milln. $ <----------Millones de pesos----------> 50000 Mercurio 76000 11,40 12,70 12,83 12,97 13,12 13,27 13,42 30000 Sodio 26400 3,96 4,83 4,92 5,01 5,11 5,20 5,30 10000 Incand. 14000 2,10 2,28 2,28 2,29 2,29 2,29 2,30 10000 Mezcl. 10000 1,50 1,63 1,64 1,65 1,66 1,68 1,69

126400 18,96 21,44 21,68 21,92 22,18 22,44 22,71 Después

90000 Sodio 79200 11,88 14,50 14,76 15,04 15,32 15,61 15,91

Considerando la instalación de 25000 columnas nuevas, a $280 c/u 15,32 15,70 16,09 16,50 16,92 17,35

Diferencia (ahorro) 6,12 5,98 5,83 5,68 5,52 5,36

28

Capítulo 14

Auditorías Energéticas de la Iluminación Residencial Carlos Tanides

1. Evaluación del consumo en iluminación en el sector residencial

2. Metodología utilizada para la evaluación del consumo de energía eléctrica por usos finales en el sector residencial

2.1. Encuesta y auditoría 2.2. Ejemplo de auditoría 2.3. Mediciones 2.4. Ejemplo de mediciones 2.5. Análisis de facturación

3. Aparatos de Medición

3.1.Medidores de tiempo 3.2. Registradores de datos o data loggers 3.3. Sistemas de monitoreo de carga domiciliarias no invasivo (NIALMS – Non-intrusive appliance load monitoring system)

Bibliografía

Anexo A. Planilla de encuesta de consumo por iluminación

Anexo B. Modelo de encuesta de satisfacción

1

1. Evaluación del consumo en iluminación en el sector residencial

Como se ha visto en la introducción, realizando un análisis por usos finales de la electricidad dentro de cada sector de consumo (considerando tan sólo los tres sectores más importantes), se observó que la iluminación tiene una participación destacada fundamentalmente en el sector comercial y público, luego en el residencial y en menor grado en el industrial. En la Figura 1 se ilustra la distribución del consumo por usos finales de energía eléctrica en el sector residencial y en el total del país.

RESIDENCIAL 18,9 TWh

Ilum. 35%

Cons. alimento

s30%

TVs y asoc.14% Otros

21%

TOTAL 64,7 TWh

Ilumin.25%

Cons. alimento

s9%

Motores eléctricos

37%

Otros29%

Figura 1. Consumo por usos finales de energía eléctrica para el sector residencial y el total de Argentina. [Dutt y

Tanides, 1994]

En la Figura 1 se puede apreciar que en el total del consumo de energía eléctrica la iluminación1 alcanza el 25% ubicándose como segundo uso final en importancia luego de los motores eléctricos. Este porcentaje es alto en relación con otros países donde la iluminación representa menos del 20% del consumo total de energía eléctrica debido, básicamente, a que en Argentina se utiliza el gas como substituto de la energía eléctrica para muchos usos finales.

La correcta evaluación del consumo de energía por usos finales en el Sector Residencial requiere de una metodología que, si bien no es conceptualmente complicada, resulta muy laboriosa, debido a las múltiples aplicaciones en que se halla fragmentado.

En particular al evaluar el uso final de iluminación interesa conocer:

1) ¿Cuánta energía se utiliza en iluminación en los hogares de una determinada región2?

2) ¿Cuál es la curva de carga diaria de este uso final?

3) ¿ Qué tecnología se emplea para proveer la luz artificial y en qué ambientes se utiliza más?

Una vez obtenidas estas respuestas, se podrá avanzar sobre otras preguntas tales como:

1 Obviando el rubro “Otros” compuesto por muchos usos finales. 2 Cuando se habla de región se puede interpretar a la zona abarcada por una distribuidora de energía eléctrica,

municipio, provincia o país.

2

4) ¿Cuánto podrá reducirse el consumo energético?

5) ¿Cuánto podrá reducirse el pico de la potencia demandada por este uso final?

6) ¿Cuál sería el beneficio que obtendrá la sociedad, el residente, y la empresa distribuidora de energía eléctrica?

7) ¿Cuál es la mejor forma para promover iluminación eficiente y cuáles son los impedimentos para que esto ocurra?

Responder estas preguntas en forma precisa requeriría de la medición de las curvas de carga de cada una de las lámparas usadas dentro de la zona de evaluación lo cual es una tarea prácticamente irrealizable. Afortunadamente la estimación del uso de la energía eléctrica en este uso final no necesita de tal grado de exactitud sino que es suficiente con hacerlo en forma aproximada aplicando una metodología adecuada, cuya extensión y profundidad dependerá de los resultados que desean obtenerse.

A continuación se desarrollan distintos procedimientos para realizar esta tarea.

2. Metodología utilizada para la evaluación del consumo de energía eléctrica por usos finales en el sector residencial

Esta metodología se basa, en un sistema mixto de encuestas y auditorías, mediciones y análisis de facturación. Dada la incertidumbre en los resultados obtenidos a partir de estas metodologías se busca siempre, en la medida de lo posible, comparar la información proveniente de distintas fuentes para aumentar la confiabilidad de los resultados obtenidos.

En la realización de estas estimaciones deberá considerarse que la iluminación tiene un patrón de consumo variable a lo largo del año relacionado inversamente con la cantidad de horas de luz natural (menor consumo en verano y mayor en invierno). Cuando las estimaciones son puntuales, y se realizan en un momento del año, deberá tenerse especial cuidado al proyectarla para el resto del año. Un modo de minimizar el sesgo de la evaluación puede ser a) tratando de realizar la evaluación en los equinoccios (comienzo de la primavera y del otoño) pues es aquí donde el día y la noche tienen la misma duración y representan un término medio del año, b) realizarlo en los dos solsticios3 y promediarlo, o c) realizarlo en algún momento del año y ajustarlo a partir de las horas de luz4.

En todos estos casos, deberá utilizarse un criterio estadístico que permita establecer niveles de significación con el objeto de verificar el grado de aproximación con que se está operando5.

A continuación se describirán las tareas y los datos requeridos para que estos tres elementos (encuestas y auditorías, mediciones, y análisis de facturación) se combinen para alcanzar el resultado final.

3 En el solsticio de verano la cantidad de luz natural es máxima y en el solsticio de invierno es mínima. En los días

cercanos a los solsticios, la variación en la cantidad de luz natural entre uno y otro día es muy pequeña. 4 Este procedimiento puede resultar algo complicado, pues no todas las lámparas se utilizan en relación con la

cantidad de horas de luz natural. 5 El desarrollo de la metodología estadística necesaria excede el alcance de este manual.

3

2.1. Encuesta y auditoría

Una encuesta es un procedimiento que consiste en obtener información a partir de una serie de preguntas que se realizan a los usuarios con el fin, en este caso, de responder de la mejor manera posible a las preguntas formuladas en la Sección 1. Por otro lado, una auditoría implica la participación de una o más personas (puede ser el mismo encuestador) en la obtención de parte (o toda) la información requerida. Los procesos de encuesta y auditoría en el caso residencial suelen realizarse en una sola instancia.

En el caso de la iluminación residencial el procedimiento de encuesta y auditoría consiste en relevar todas las lámparas tomando el dato de su tipo y potencia, su horario de encendido y la clase de ambientes en dónde están ubicadas. En la Figura 2 se puede apreciar una posible forma de confeccionar una tabla para recoger dicha información. El horario de uso puede discriminarse, de ser necesario, entre días hábiles, sábados, y domingos y feriados, cubriendo de esta manera las diferencias que pueden existir por cambio de comportamientos. Se adjunta en el Anexo A un modelo de planilla para la toma de datos que resume toda la información a obtener en una encuesta y auditoría, la cual es incorporada a una hoja de cálculo para procesar los datos.

Adicionalmente, se pueden obtener datos acerca del nivel socioeconómico, el consumo eléctrico total facturado, la cantidad de integrantes de la familia, y la superficie cubierta de la vivienda, datos estos que permitirán caracterizar apropiadamente el consumo en iluminación.

De ser posible, conviene realizar las encuestas con el grupo familiar, pues difícilmente un único integrante tenga una noción correcta del uso que hacen los demás de las luces.

En el caso de la ejecución de un programa de iluminación eficiente también resulta útil realizar una encuesta posterior a la colocación de las LFCs con el objeto de valorar el grado de conformidad de los usuarios con el producto. Esta realimentación permitirá encontrar respuesta a la pregunta: “¿Cuál es la mejor forma para promover iluminación eficiente y cuáles son los impedimentos para que esto ocurra?”, y corregir futuras intervenciones. En el Anexo B se incorpora un modelo de encuesta de satisfacción.

4

N°lum. Ambiente Lámpara Cantidad

Potenciatotal/lámpara (W)

Horario de uso

Hs. de usoluminaria/ía (h

/ día)

Tipo DescripciónAbreviada

0- 1- 2- 3- 4- 5- 6- 7- 8- 9- 10- 11- 12- 13- 14- 15- 16- 17- 18- 19- 20- 21- 22- 23-

1 cocina fluor. F60 1 70 0.75 0.75 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10.52 baño incand I40 3 40 1 1 1 33 living incand I40 2 40 1 1 1 1 1 54 comedor incand I60 2 60 0.75 0.75 1.55 dormitorio 1 incand I100 1 100 0.5 0.5 16 dormitorio 2 incand I60 2 60 1 1 1 37 dormitorio 3 incand I60 2 60 1 1

Energíatotal/hora

(kWh)0 0 0 0 0 0.053 0.293 0.25 0 0 0.15 0.27 0.07 0.07 0 0 0 0 0.07 0.15 0.15 0.24 0.28 0.21 Energía to

Figura 2. Ejemplo de tabla ya completada en una encuesta y auditoría sobre iluminación. (El formulario se adjunta en el Anexo A)

5

2.2. Ejemplo de auditoría

A modo de ejemplo se desarrolla a continuación un trabajo de encuesta y auditoría energética, realizado en 1997 en 15 viviendas, orientado principalmente a la iluminación (Mazzeo et al., 1997). El trabajo consistió básicamente en relevar el consumo en iluminación auditando todas las lámparas existentes, su tipo, potencia y clase de ambiente y encuestando al grupo familiar sobre el horario de encendido de todas las luminarias de la vivienda discriminando entre días de semana, sábados y domingos y feriados. Adicionalmente se colectó información sobre el total de electricidad facturada, el número de integrantes de la familia, la superficie cubierta de la vivienda y el nivel socioeconómico.

Los resultados obtenidos a partir de la información recogida pueden sintetizarse de la siguiente manera.

Stock por tipo de lámparas

El parque de lámparas instaladas en bocas de luz, en adelante stock de lámparas, por tipo de lámparas surge directamente del recuento realizado en las auditorías. Su conocimiento permite comprender la actual composición tecnológica y el grado de penetración que tienen los distintos tipos de lámparas, en especial las eficientes.

En el ejemplo desarrollado, el sector se halla conformado principalmente por las incandescentes (86 %), la mayor parte de las cuales son de 40 y 60 W de potencia. Considerando ahora la distribución del consumo de energía eléctrica, también son las lámparas incandescentes las que originan el mayor consumo (83 %). En la Tabla 1, se puede apreciar la composición del stock por tipo de lámpara y su consumo eléctrico.

Tabla 1. Distribución, por tipo de lámpara, del stock y del consumo de electricidad en el Sector Residencial de Cap. Fed. y GBA. (Mazzeo et al., 1997)

Tipo de lámpara Participación en el stock (%)

Consumo de energía eléctrica (%)

Incandescentes 85,6 83,3

Tubo fluorescente 7,7 11,6

Tubo fluorescente circular 1,4 1,6

Lámpara fluorescente compacta 3,9 1,4

Dicroica 1,4 2,1

En la muestra puede observarse una baja penetración de lámparas eficientes con predominio de las lámparas incandescentes.

7

Cantidad de energía. Participación de la iluminación.

El consumo de energía eléctrica para la iluminación se obtiene a partir de los datos encuestados. La participación de la iluminación en el consumo energético total se puede obtener por comparación entre el estimado por encuesta y el total anual facturado que es un dato de fácil obtención. En la Tabla 2 puede observarse la síntesis de la información recogida y los datos que surgen de su procesamiento.

Tabla 2. Cantidad de energía consumida en iluminación y participación en el consumo total. (Fecha de encuesta: junio 1997)

Datos obtenidos por encuesta y auditoría

Datos obtenidos por facturación

Energía ilum./día de

semana (kWh)

Energía ilum./día sábado (kWh)

Energía ilum./día domingo (kWh)

Consumo anual de

iluminación (kWh)

Consumo elec.

promedio/bimestre (kWh)

Consumo elec. Anual

(kWh)

Energía elec. por

iluminación (%)

Familia: 1 1,50 1,50 2,35 569,98 278 1.668 34,17 Familia: 2 1,34 0,66 1,93 465,83 219 1.314 35,45 Familia: 3 2,32 2,32 2,32 814,32 349 2.094 38,89 Familia: 4 4,02 3,81 3,00 1.349,52 248 1.488 90,69 Familia: 5 4,72 5,12 10,06 1.943,72 710 4.260 45,63 Familia: 6 1,53 1,97 1,74 570,73 245 1.470 38,83 Familia: 7 5,29 4,42 4,96 1.795,89 534 3.204 56,05 Familia: 8 2,25 4,68 4,61 1.027,95 242 1.452 70,80 Familia: 9 2,26 2,36 2,36 801,51 390 2.340 34,25 Familia: 10 3,17 3,73 3,53 1.159,05 536 3.216 36,04 Familia: 11 1,48 0,60 1,48 474,77 363 2.178 21,80 Familia: 12 3,12 3,77 4,70 1.206,42 577 3.462 34,85 Familia: 13 1,98 1,89 1,87 684,55 300 1.800 38,03 Familia: 14 6,33 6,57 8,40 2.338,01 870 5.220 44,79 Familia: 15 1,36 1,78 1,10 485,41 363 2.178 22,29 Promedio 2,84 3,01 3,63 1.045,84 414,93 2.490 42,84

De la aplicación directa de los resultados obtenidos, surge que la iluminación tiene una participación del 43% en el consumo del sector. Sin embargo, un análisis más minucioso muestra que este es un valor en exceso ya que deben realizarse las siguientes consideraciones:

a) La encuesta fue realizada en junio momento de la menor cantidad de luz natural o sea, mayor requerimiento de luz artificial.

b) No se consideran vacaciones, en las cuales no hay utilización de luz.

Los dos factores mencionados contribuyen a una estimación por exceso de la utilización de la luz artificial. Esto puede corregirse realizando una encuesta en el verano, o mediante alguno de los procedimientos mencionados.

De la Tabla 2 surge también como dato de interés, la mayor utilización de la iluminación artificial los sábados y más aún los días domingos, como es lógico suponer.

8

Cantidad de energía por ambiente

La cantidad de energía por ambiente surge del producto entre la potencia de las lámparas ubicadas en cada ambiente y la cantidad de horas de funcionamiento. La caracterización del consumo por tipo de ambiente resulta un elemento de análisis interesante ya que permite identificar aquellos sitios con mayores requerimientos de luz artificial y a partir de esta información:

1. Orientar apropiadamente las recomendaciones en una campaña de iluminación eficiente. 2. Profundizar acerca de las pautas de diseño y del estudio de la forma de utilización de la

luz en estos ambientes para optimizar el aprovechamiento de luz natural y el artificial y en donde el diseño de las luminarias y la selección de las lámparas requieren especial atención.

3. Guiar adecuadamente los recambios de acuerdo al propósito del plan de eficiencia que puede estar dirigido a la reducción del consumo energético y/o la punta de la demanda.

La especificación del tipo de ambiente resulta en muchos casos complicada debido a la dificultad de tipificarlos y a la variedad de términos utilizados habitualmente motivo por el cual deberá realizarse una buena descripción previa de la nomenclatura a utilizar para evitar ambigüedades.

En este trabajo la cocina fue el principal consumidor de electricidad para iluminación, seguida por los dormitorios (ver Tabla 3).

Tabla 3. Distribución, por tipo de ambiente, del consumo de electricidad para iluminación [kWh/año-ambiente] en el Sector Residencial de Cap. Fed. y GBA, según muestra. (Mazzeo et al., 1997)

Tipo de ambiente Consumo anual [kWh]

Cocina 297 Dormitorio6 186 Pasillo, galería 120 Living, sala de estar 118 Comedor, living comedor 115 Baño 91 Otros 119 Total iluminación por residencia 1.046

Cantidad de luz

En realidad el consumo energético (kWh) por ambiente no es el mejor indicador del servicio energético (iluminación) ya que éste depende de la eficacia lumínica de la lámpara empleada. Debido a que la energía consumida se correlaciona con la cantidad de luz entregada (servicio energético) a partir de la tecnología utilizada (tipo de lámpara) un mejor indicador de los

6 Aquí dormitorio representa a la suma del consumo en todos los dormitorios de la vivienda.

9

requerimientos de luz por ambiente son los miles de lúmen-hora (o klm-h) por tipo de ambiente. Su determinación resulta, en primera instancia, bastante sencilla ya que puede obtenerse con el horario de funcionamiento —ya determinado— multiplicado por el flujo luminoso de cada lámpara —que es un dato—. En la Tabla 4 se muestran los resultados a partir de los datos encuestados, según este procedimiento.

Tabla 4. Totales diarios x residencia, consumo diario por banda horaria y Factor de Coincidencia con la Punta (FCP).

Promedios diarios por residencia

Consumo diario por banda horaria

Ambiente En punta Fuera de punta FCP(2)

klm-h(1) kWh lm/W kWh kWh Cocina 20,96 0,80 26,3 0,38 0,41 0,48 Pasillos 7,37 0,38 19,3 0,11 0,27 0,28 Dormitorios 6,56 0,54 12,2 0,22 0,32 0,40 Comedor 3,91 0,26 15,2 0,17 0,08 0,68 Baño 3,10 0,25 12,4 0,08 0,17 0,31 Living 2,24 0,23 9,6 0,15 0,09 0,63 Otros 6,92 0,39 17,9 0,25 0,13 0,65

(1) En el Sector Residencial no se trabaja con iluminancia (lux) tal como se hace usualmente sino que se usa por practicidad el flujo luminoso total (lúmen).

(2) Factor de Coincidencia con la Punta. (Ver 2.4 Ejemplo de mediciones)

Nótese que en este caso, la diferencia entre la necesidad de luz por parte de la cocina y dormitorios es mucho más notoria, y que pasa a segundo lugar en importancia pasillos, respecto a lo determinado en el consumo por energía eléctrica (Tabla 3). Esto es debido a que tanto en cocina como pasillos existe una mayor proporción de lámparas eficientes que en el resto de los ambientes (v.g. dormitorios) tal como lo señala la columna lm/W de la Tabla 4. En los datos que surgen de la Tabla 3 este hecho se hallaba ocultado por la ineficiencia energética de aquellos ambientes que utilizan fundamentalmente lámparas incandescentes que consumen mayor cantidad de electricidad en relación al servicio que prestan. También puede rescatarse de la información que muestra la Tabla 4 que en aquellos ambientes en donde se tienen mayores requerimientos de luz el usuario coloca las lámparas más eficientes, tal como es económicamente racional.

Por último, pueden eventualmente correlacionarse los datos obtenidos para poder estimar los consumos en iluminación y también su futura evolución con otras variables. Este trabajo deberá realizarse con técnicas de Análisis de Regresión que determinarán cuál es la relación óptima entre distintas variables como kWh por m2, kWh por habitante, kWh por m2 y habitante, klm-h por m2, etc

Potencial de ahorro

El potencial de ahorro queda determinado por aquellas tecnologías que permiten brindar el servicio de iluminación con un menor costo económico, determinado este último según algunos

10

de los procedimientos estudiados en el capítulo de economía. Conforme a lo visto en estas evaluaciones económicas el potencial de ahorro dependerá del patrón de utilización, del tipo de lámparas utilizadas, su vida útil, sus costos y el precio de la energía.

En el ejemplo analizado se utilizó como índice de evaluación al Costo Anualizado Total (CAT) determinándose de esta forma cuáles eran los reemplazos rentables y cuales no. Para ello se calculó en cada boca de luz el CAT de la lámpara incandescente versus el de la fluorescente compacta equivalente determinándose un potencial punto de ahorro en todos aquellos casos en que el CAT LFC fuera menor que el CAT incandescente. Esta tarea contabilizó un potencial de ahorro máximo del 54% en iluminación. Dicho de otra manera, al cambiar todas las lámparas incandescentes por LFCs —en aquellos casos rentables— se puede consumir menos de la mitad de la electricidad para obtener la misma cantidad o aún más luz7.

El análisis también demuestra que el potencial de ahorro se concentra en unas pocas bocas de luz del hogar y que reemplazando unas pocas lámparas puede obtenerse gran cantidad del ahorro posible. Para determinar esto, se ordenaron por consumo decreciente dentro de cada residencia, las bocas de luz seleccionadas y fue computándose el ahorro a obtenerse si se reemplazaban las lámparas en la boca de mayor potencial de ahorro en cada residencia, luego en dos bocas y así sucesivamente. El resultado de hacer esto se ve graficado en la Figura 3.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

1 2 3 4 5 6 7

Cantidad de lámparas reemplazadas

Porc

enta

je re

spec

to d

el m

áxim

o po

tenc

ial d

e ah

orro

1 punto; 2,2 lámparas

2 puntos; 4,1 lámparas

Figura 3. Potencial de ahorro respecto del máximo posible (identificado) en función de la cantidad de lámparas reemplazadas.

A pesar de que en promedio la cantidad de bocas de luz por residencia en la muestra ha sido de aproximadamente catorce (14), se observa que cambiando las lámparas en un solo punto luminoso de la casa —aquel en donde se consume más energía eléctrica—, en promedio 2,2 lámparas, se obtiene alrededor de un 45 % del potencial de ahorro posible, cifra que se eleva al 70 % si el reemplazo se efectúa en las dos bocas luminosas que más electricidad consumen (en promedio 4,1 lámparas). Por lo tanto frente a un programa de eficiencia energética en iluminación en el sector residencial será de vital importancia identificar aquellos puntos clave que permitirán maximizar el beneficio. (Tanides, 1998)

2.3. Mediciones

Hasta ahora se ha trabajado con valores de encendido horario encuestados, o sea declarados por los residentes. La medición del consumo en iluminación en forma completa y exacta resulta una

7 El reemplazo sugerido en este trabajo fue de 4 a 1 en potencia entre lámparas incandescente y fluorescente

compacta.

11

tarea compleja, debido a la gran cantidad de bocas de luz que se encuentran en las residencias (en promedio 14 pero pueden ser muchas más)8. En la práctica y frente a un plan de promoción de eficiencia energética la medición se puede restringir a unas pocas bocas identificadas (de 2 a 4 bocas) que representan el mayor consumo energético. En algunos casos, de ser necesario, es posible evaluar el comportamiento de todas las lámparas con analizadores especiales (ver 3.3 NIALMS) pero a un costo sustancialmente mayor.

Básicamente, la información que se pretende obtener a partir de realizar las mediciones puede sintetizarse en cuatro ítems principales: 1) energía consumida, 2) curva de carga, 3) cantidad de encendidos y 4) características técnicas de las lámparas: intensidad luminosa (lux), fdp, etc.

Energía consumida, curva de carga y cantidad de encendidos

La energía consumida generalmente se determina a partir de mediciones indirectas en donde se contabiliza la cantidad de horas de funcionamiento de las lámparas y se multiplica por su potencia. Para realizar esta tarea se pueden utilizar contadores de horas de luz o data loggers de luz (lighting loggers). Los primeros permiten estimar la cantidad de energía consumida por una lámpara o por un grupo de lámparas. Los segundos, además de la cantidad de energía, almacenan la información del momento de encendido y del apagado, relevando de esta forma la curva de carga y la cantidad de encendidos efectuados dentro del período de medición. La descripción pormenorizada de estos aparatos se realiza en la Sección 3.

Si conjuntamente con los medidores de luz se registra el consumo de energía eléctrica total de la casa con un medidor de energía, se conseguirá determinar qué porcentaje del consumo corresponde a la iluminación. Si el registrador del consumo total de energía almacena los datos de consumo horarios, se obtendrá la curva de carga total que al ser contrastada con la obtenida por los lighting loggers, además, permitirá distinguir el factor de coincidencia con el pico de la demanda (FCP) y los consumos en las horas valle, resto y pico.

Características técnicas de las lámparas

Para la realización de un plan de promoción de una tecnología eficiente es importante evaluar su desempeño en las residencias y su influencia sobre el resto del sistema. En este sentido puede resultar interesante medir, por ejemplo, los niveles de iluminación de las lámparas en condiciones reales. Esta determinación es crítica, pues se reflejará en la satisfacción del usuario y por lo tanto en su aceptación o no al producto. Se ha detectado en numerosos trabajos que, aplicando las equivalencias de reemplazo declaradas por los fabricantes, la iluminancia de las lámparas LFC es menor que la de las incandescentes. Los motivos de este menor nivel pueden resumirse en: condiciones de trabajo distintas a las del ensayo normalizado (posición y temperatura)9 y diseño de luminarias apto para lámparas incandescentes, pero inapropiado para LFCs. Para solucionar este problema se sugiere un reemplazo con una relación de potencia entre incandescentes y LFC de 4 a 1 y no 5 a 1 como sugieren muchos fabricantes de lámparas.

8 Existen pocos trabajos de mediciones de este tipo en todo el mundo y siempre con una cantidad de viviendas sin

significancia estadística. 9 Para mayor detalle ver Davis et al., 1994.

12

La última consideración es acerca del factor de potencia (fdp). Las lámparas incandescentes son cargas resistivas con fdp igual a uno. La iluminación eficiente generalmente depende de lámparas de descarga, que requiere de circuitos auxiliares los cuales pueden bajar el factor de potencia. Por ejemplo, los balastos electromagnéticos para tubos fluorescentes implican una reducción del cos ϕ . Por otro lado, tubos fluorescentes operados con balastos electrónicos distorsionan la corriente, también bajando el factor de potencia.

Muchos modelos de LFCs tienen un bajo fdp —alrededor de 0,510— lo que puede llegar a ser un inconveniente, cuando las distribuidoras de energía eléctrica lo controlan multando a los consumidores con bajos valores. Para una evaluación del fdp deben realizarse mediciones en la entrada de los hogares y verificar la influencia de este tipo de cargas en la corriente total. Para esta tarea deben utilizarse medidores especiales con capacidad para calcular la composición armónica de la tensión y corriente alternas.

Consideraciones generales para realizar mediciones

La selección de las lámparas a monitorear se realiza a partir de la identificación de aquellas que resulten más importantes a la hora de establecer la demanda y/o en donde exista incertidumbre acerca de cuál es su horario de utilización. En ciertos casos, el horario de utilización es suficientemente conocido, como lo es en el caso de lámparas que se utilicen para iluminación de exteriores con un patrón de uso muy regular.

El período de análisis deberá considerar un tiempo suficiente para poder representar en términos medios la característica del consumo. Cuando los períodos de medición sean cortos (1 ó 2 semanas) deberá considerarse la eventualidad de algún día feriado. Además deberá tenerse en cuenta que a lo largo del año la duración de los días es variable.

A continuación se muestra un ejemplo en donde se desarrollan los puntos mencionados.

Ejemplo de mediciones

Sobre una muestra de diez viviendas se realizó un monitoreo intensivo del funcionamiento de algunas lámparas incandescentes y luego de sus reemplazos por LFCs, en bocas luminosas previamente identificadas. El objetivo principal de las mediciones fue determinar el ahorro energético producido y la variación de la curva de carga por la substitución de las lámparas. Para estos fines, se reemplazó el medidor de facturación con registradores de la demanda de energía y potencia en la entrada de las 10 casas.

Simultáneamente en 5 de las mismas casas, se midieron la actividad de las lámparas seleccionadas utilizando “lighting loggers” o registradores de luz, colocados cerca de las lámparas a monitorear. Dichos aparatos registran el momento de encendido y apagado de las lámparas. Se ajustó el umbral de luz de cada medidor para que capte únicamente el funcionamiento de la lámpara en cuestión y se verificó en cada caso, que el aparato no fuera sensible al encendido de otras lámparas o a la luz natural. Con este fin, se colocó el logger cerca de la lámpara monitoreada, creando sombras para bloquear otras lámparas y la luz natural cuando fue necesario.

En general, se instalaron dos lighting loggers por casa en correspondencia con las bocas de luz de mayor intensidad de uso (ver abajo: Selección de las lámparas a reemplazar).

13

Finalmente, se realizaron mediciones adicionales con otros objetivos: determinar la variación en la iluminancia y cambio en el fdp de las casas como consecuencia del reemplazo de las lámparas. Selección de las lámparas a reemplazar

La substitución de lámparas incandescentes por fluorescentes compactas es más rentable para las incandescentes de mayor potencia y mayor uso en términos de horas por día. En cada casa se realizó un relevamiento del patrón de uso de las lámparas para elegir las dos bocas luminosas donde el reemplazo sería más rentable. Se utilizó en este caso un factor de 5 a 1 en la potencia de la lámpara para la substitución entre incandescente y fluorescente compacta obedeciendo la sugerencia de los fabricantes. Específicamente, se reemplazaron incandescentes (INC) de 100 W por LFC de 20 W, INC de 75 W por LFC de 15 W e INC de 60 W por LFC de 12 W. Períodos de análisis

Se definieron dos períodos de medición controlados, de dos semanas cada uno: el primero llamado “Incandescente” o “INC” duró desde el 9 hasta el 22 de diciembre de 1999 y el otro período llamado “LFC” se prolongó desde el 30 de diciembre de 1999 hasta el 12 de enero de 2000.

A continuación se presentan los resultados de las mediciones y las conclusiones correspondientes. Ahorro de energía y cambio en la curva de carga para toda la vivienda

En las diez casas, se comparó el patrón del consumo total de electricidad —medido por el registrador en la entrada de la casa— durante los dos períodos “INC” y “LFC”, de dos semanas cada uno.

Estos datos muestran cierta dificultad en medir el ahorro energético a partir de la substitución de dos lámparas tomando la demanda total de energía y potencia para viviendas individuales. Esto se debe a la magnitud y variación de los otros usos de electricidad en cada vivienda, incluyendo a otras lámparas. Si consideramos el promedio de la demanda de las 10 casas, el ahorro es más visible tal como se visualiza en la Figura 4.

10 Existen modelos de LFCs que tienen buen fdp (> 0,9).

14

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00

Hora

Pote

ncia

[kW

]

Período LFC

Período incandescente

Figura 4. Comparación entre el consumo total en 10 casas durante dos períodos de medición (con incandescentes y LFC).

La Tabla 5 presenta el consumo promedio diario (kWh/día) total y separado para los períodos Valle (23 a 5 horas), Resto (5 a 18 h) y Pico (18 a 23 h) para las 10 viviendas. El ahorro es la diferencia entre el consumo en los períodos incandescentes y LFC (Ahorro = Consumo INC – Consumo LFC).

Tabla 5. Valor promedio de consumo energético y ahorro en las 10 casas

con incandescentes y LFCs en bocas luminosas seleccionadas Período Consumo promedio, kWh/día y ahorro (%)

Valle 23 a 05 horas

(kWh/día)

Resto 05 a 18 horas

(kWh/día)

Pico 18 a 23 horas

(kWh/día)

Total

INC 2,330 4,165 2,604 9,098

LFC 2,109 3,976 2,162 8,247

Ahorro 0,221 9,5%

0,189 4,5%

0,442 17,0%

0,851 9,4%

El ahorro promedio de las 10 casas es 9,4% del consumo total eléctrico. Para las casas individuales, el ahorro va desde 0,5% hasta 25,7%. Debe observarse que los dos períodos de medición abarcan desde el 9 de diciembre del 1999 hasta el 12 de enero del 2000, cerca del solsticio del verano austral, cuando el día es más largo, por lo cual el consumo de energía para la iluminación y las posibilidades de ahorro en el mismo son mínimos.

Se observan mayores ahorros en las horas pico (18 a 23 h) donde existe mayor uso de lámparas. El ahorro promedio es de 17,0% en este horario con ahorros individuales que van desde menos 9,2% (es decir un aumento en el consumo) hasta ahorros de 29,5%.

15

En las horas Valle (23 a 5 h) el ahorro promedio de las 10 casas fue de 9,5% con valores que mostraron un aumento en el consumo del 9,2% a un ahorro máximo de 19,0%. Este nivel de ahorro en el Valle implica que hubo un uso significativo de las lámparas reemplazadas en este horario, en los dos períodos.

En las horas Resto (5 a 18 h) la mayor parte de la banda horaria dispone de luz natural. Por otro lado, incluyen las horas laborales en las cuales algunas personas no están en sus casas. Sin embargo, cabe recordar que los períodos de medición no corresponden al período escolar e incluyen dos fines de semana cada uno. Además, el período LFC incluye el 31 de diciembre y el 1 de enero. Todo esto implica la posibilidad de una mayor presencia de personas en casa que durante un período plenamente laboral y escolar. El promedio de ahorro para las 10 casas fue del 4,5%. Estos ahorros van desde un mínimo de 2,2% a un máximo de 29,3%.

El análisis hasta ahora se realizó utilizando los datos del medidor y registrador de la demanda total de energía eléctrica en la entrada de las casas. A continuación se analizarán datos provenientes de los registradores de luz. Ahorro de energía para las lámparas substituidas

En las cinco casas en donde se instalaron registradores de luz en las bocas de luz donde se realizó la substitución de lámparas se comparó la variación horaria en el uso de las lámparas para los períodos de medición.

Como ejemplo de los resultados obtenidos, se presenta en la Figura 5 los datos correspondientes a la potencia promedio demandada a lo largo del día por un artefacto de 3 lámparas ubicado en el comedor de una de las residencias. En cada caso, se observa una notable reducción en la demanda de las lámparas entre el período incandescente y el LFC.

��

��

Flia. XX - Comedor

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

00:00

Hora

Pote

ncia

[kW

]

�� Incandescente (3x60 W)��

LFC (3x12 W)

Figura 5. Potencia promedio demandada a lo largo del día por un artefacto de

3 lámparas ubicado en el comedor de una de las residencias.

16

En la Figura 6 se muestra la variación horaria de la demanda total de todas las bocas de luz monitoreadas, para los dos períodos de medición. Se observa una notable reducción en la demanda total en la substitución de lámparas incandescentes por fluorescentes compactas, acorde a la diferencia en potencia de las mismas.

Promedio total - 5 viviendas

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0:00 4:00 8:00 12:00 16:00 20:00 0:00

Hora

Pote

ncia

[kW

]

Incandescentes [845 W]

LFC (169 W)

Figura 6. Variación horaria de la demanda total de todas las bocas de luz

monitoreadas, para los dos períodos de medición.

Es importante destacar tanto en este caso como en el anterior que no existe una correspondencia exacta entre la demanda de las incandescentes y de las LFCs debido a que se trata de diferentes períodos de tiempo.

En la Tabla 6 se sintetizan los resultados cuantitativos, en donde se reporta en las columnas correspondientes a Energía ahorrada la cantidad de energía promedio diaria que hubiese podido ser ahorrada en el período INC de haber habido lámparas fluorescente compactas y la que efectivamente se ahorró durante el período en donde se instalaron las LFCs. Adicionalmente se agrega la demanda promedio máxima dentro de cada banda horaria.

17

Tabla 6. Ahorros potenciales (INC) y efectivos (LFC) en las cinco casas con registradores de luz.

Período Potencia lámparas

[W]

Energía ahorrada [kWh] Demanda promedio máxima [kW]

Valle Resto Pico Total Valle Resto Pico INC 845 11,16 8,06 21,89 41,04 0,40 0,12 0,61 LFC 169 9,70 8,37 16,06 34,08 0,07 0,03 0,10

Analizando estos resultados podemos llegar a algunas conclusiones. Como es de esperar la potencia instalada de las lámparas se reduce en un factor de cinco (80%), de 845 W a 169 W entre los dos períodos.

Las incandescentes en su conjunto consumieron 3,734 kWh por día mientras que las LFC sólo 0,711 kWh, una reducción de 81%. Esto es idéntico a la reducción de potencia (80%).

A partir de esta información fue posible obtener el valor del Factor de Coincidencia con la Punta (FCP)11 de la demanda definido como la relación entre la demanda máxima ejercida por las lámparas monitoreadas y su potencia instalada en el horario pico. En el período INC este valor alcanzó el 72% y en el LFC el 59%. La diferencia puede deberse a la existencia de algunos feriados en el segundo período.

El promedio de encendidos diarios resultó ser de 5, con un máximo de 15 y un mínimo de 1.

El promedio de uso de las lámparas fue de 4,4 horas por día en el período incandescente y 4,2 h/día en el LFC12. No se observó una ampliación en las horas de uso de las LFC respecto a las incandescentes, hecho que es factible debido a que la mayor economía de las LFC podría inducir a un mayor encendido de las lámparas.

Aunque se seleccionaron las bocas de luz de mayor intensidad para estas mediciones, se observó que solamente 4 de las 9 bocas registraron un encendido promedio de más de 2 horas por día. Es importante tomar esto en cuenta para programas de promoción de lámparas fluorescentes compactas. La rentabilidad del cambio es menor cuanto menor es el uso diario de la lámpara incandescente en cuestión. Por otro lado el menor uso horario por día puede significar mayor cantidad de encendidos y apagados.

La vida útil de la mayoría de las lámparas fluorescentes compactas13 depende de la cantidad de encendidos. Algunas normas definen la vida nominal de éstas con ciclos de encendido de 3 horas.

11 La obtención de este valor difícilmente pueda hacerse mediante encuestas debido a su carácter de aleatorio, ya que

dentro de un lapso de tiempo a veces se apagan las luces cuando no se están utilizando, a salidas no programadas, etc., hechos que reducen la simultaneidad del encendido y que difícilmente puedan surgir en las encuestas.

12 Un consumo de 3.734 Wh con una potencia de 845 W implica un uso de 3.734/845 = 4,4 horas/día. 13 Un fabricante de lámparas declara que su línea larga vida de LFC resisten cientos de miles de encendidos.

18

Variación en los niveles de luz

En la substitución de las lámparas incandescentes por fluorescentes compactas se utilizó una relación de potencia de 5 a 1, es decir una LFC de 20 W reemplaza a una incandescente de 100 W. Esta relación de 5 coincide con las indicaciones de los fabricantes en cuanto al flujo luminoso total (lúmenes) de las lámparas. Para verificar esta suposición se midió la iluminancia (lux) provista por las lámparas sobre el plano que supuestamente debían iluminar, y se observó una disminución del nivel de la lámpara fluorescente compacta con relación a la incandescente. La reducción en los niveles de luz también fue observada y comentada por varios usuarios. En el boxplot14 de la Figura 7 se comparan las iluminancias entre las lámparas incandescentes y las LFCs.

5010

015

0

INC LFCINC LFC

[lux] 109 lux

80 lux

Figura 7. Boxplot de comparación de la iluminancia producida por lámparas incandescentes

(INC) y LFCs sobre planos típicos de trabajo en condiciones reales de funcionamiento.

El factor de potencia

Una de las características técnicas a considerar en la promoción de las lámparas de bajo consumo es si la reducción del factor de potencia (fdp) con el reemplazo de lámparas incandescentes por lámparas fluorescentes compactas influye en el fdp del consumo total domiciliario de manera apreciable.

Una manera empírica es a partir de la medición del fdp de toda la casa, con y sin el uso de LFCs, en distintas horas del día ya que durante su transcurso, quedan energizados distintos aparatos, por lo cual el factor de potencia varía según la hora.

Debido a que la iluminación residencial se utiliza con mayor frecuencia en las horas de la noche, en 6 casas se midió el fdp en la entrada de la casa, simulando las condiciones correspondientes al patrón de encendido de las lámparas y demás equipos eléctricos a las 21 horas.

14 La barra blanca en el boxplot dentro de la caja central representa mediana, no el promedio.

19

El factor de potencia de la casa depende no sólo de los aparatos conectados sino también si aquellos controlados por termostatos están encendidos en el momento de las mediciones. Por ello, para evitar ambigüedad en los resultados se controló el encendido de las heladeras y freezers. Es decir se realizaron mediciones por separado con las heladeras y freezers funcionando y para los casos en que estos están apagados.

Las mediciones reportadas a continuación comprenden seis de las casas con substitución de dos o tres incandescentes por LFC con balastos electrónicos. Las LFC no incorporaban filtros de armónicos para mejorar el factor de potencia.

Los resultados de las mediciones se sintetizan en la Tabla 7. Se observa que el factor de potencia baja cuando la casa operaba con las LFCs respecto a la situación con las incandescentes aunque puede considerarse que el impacto de las casas fue insignificante15.

Tabla 7. Factor de potencia de las residencias con lámparas incandescentes y LFCs, y con heladeras encendidas y apagadas.

# de lámparas Heladera(s) apagadas

Heladera(s) encendidas

INC LFC INC+HELA LFC+HELA Z1 3 0,98 0,88 0,86 0,80 Z3 2 0,94 0,92 0,91 0,92 Z4 3 0,99 0,98 0,94 0,92 Z5 2 0,83 0,76 0,85 0,81 Z6 2 0,90 0,80 0,79 0,63 Z7 2 0,93 0,90 0,82 0,76

En Buenos aires y en otras partes de Argentina, la factura eléctrica residencial está sujeta a un recargo del 10% si el fdp es menor a 0,85. Con un factor de potencia menor a 0,75, el recargo sube al 20%. Cabe observar que en algunas de las casas, el factor de potencia registrado fue menor a 0,85 con lo cual estaría sujeto a un recargo del 10% en la factura eléctrica.

Esta muestra es muy chica para sacar conclusiones definitivas. Sin embargo, se observa que la heladera contribuye a reducir el factor de potencia, y la combinación de heladera y LFC empeoró la situación del fdp a los efectos de las multas en 3 de las 6 casas medidas. (ver Tabla 7 celdas en rojo)

2.5. Análisis de facturación

Por último, a partir del análisis de una serie consecutiva de facturas que comprendan un año completo, podrá establecerse la variación estacional de la carga. Dicha variación permite la

15 Dicho resultado concuerda con el de la experiencia internacional, aunque no se tienen registros de mediciones

hechas sobre casas individuales.

20

cuantificación de consumo con fuerte estacionalidad (por ejemplo calefacción y aire acondicionado) y por diferencia con el total, acotar el valor máximo que representa la iluminación.

Fundamentalmente este análisis resulta más provechoso cuando se intenta determinar el consumo energético de todos (o los más importantes) los usos finales del sector.

En el caso especial de la iluminación no son muchas las conclusiones que pueden extraerse. Una de las más importantes es la verificación de que en la estimación del consumo de iluminación respecto al total no se esté cometiendo algún error grosero. También es una forma rápida de establecer la participación de la iluminación en el total del consumo energético a partir del consumo promedio anual (usualmente, este dato se halla en la factura de electricidad).

3. Aparatos de medición

Como se observó en el apartado anterior existen diferentes maneras de obtener el consumo por iluminación en el sector residencial, y distintos tipos de aparatos utilizados para lograrlo.

Los atributos deseables en estos aparatos son la simplicidad de instalación y uso, su autonomía (poca o nula asistencia una vez instalados), mínima intromisión en el desenvolvimiento normal del hogar y, por supuesto, bajo costo.

A continuación se describen algunos de los instrumentos que posibilitan realizar la estimación.

3.1. Medidores de tiempo

Los medidores de tiempo, conocidos también como horómetros, son aparatos que acumulan mediante un contador mecánico o una memoria electrónica el tiempo total de actividad de un determinado artefacto.

Existen horómetros diseñados específicamente para contabilizar la cantidad de horas que funciona un artefacto luminoso o también la cantidad de horas de luz natural en un ambiente. El contador es accionado cuando el nivel lumínico que llega a su sensor supera un umbral mínimo de iluminancia el cual puede ser ajustado por el usuario.

Al igual que en la mayoría de los sensores lumínicos, en algunos casos resulta difícil discriminar la luz proveniente de una lámpara de la luz natural —que en general es de mayor intensidad que la luz artificial—, o de alguna otra lámpara. Para lograrlo se debe ajustar el umbral de accionamiento adecuadamente, colocar el medidor cerca de la lámpara en cuestión, y/o crear sombras para bloquear otras lámparas y la luz natural cuando fuera necesario.

A partir de este tipo de medidor no se puede obtener la curva de utilización a lo largo del día en forma automática. Esto sólo es posible haciendo un relevamiento frecuente de su lectura.

En la Figura 8, se observa un horómetro que registra electrónicamente la cantidad de horas de luz acumulada. Se destacan el display con una resolución de décima de hora, el sensor luminoso, y el ajuste de la sensibilidad. Además se muestra un sitio de instalación típico para estos aparatos.

21

Figura 8. a) Detalle de horómetro lumínico y b) ejemplo de instalación.

Dado los actuales precios de mercado de estos aparatos16, no parecen ser la mejor alternativa para realizar este tipo de mediciones ya que por un precio similar o inclusive inferior, es posible conseguir otro modelo de aparato que además brinden la información necesaria para relevar la curva de carga en forma automática. Una descripción de estos aparatos se realiza a continuación.

3.2. Registradores de datos o Data Loggers

Un Registrador de Datos o Data Logger es un aparato que tiene la capacidad de almacenar información en una memoria. La información se adquiere con un sensor adecuado (generalmente en forma analógica) a la variable física que intenta medirse y luego es convertida por un conversor A/D guardando su magnitud en la memoria del aparato.

Existen abundantes modelos de registradores de datos, con distinto número de canales de entrada y diferentes funciones. Los hay también de diversos tamaños, algunos tan compactos como una caja de fósforos.

Muestreo a intervalos regulares

En este tipo de muestreo la variable se mide periódicamente a intervalos regulares (definidos por el usuario) y se almacena en forma de promedio (del intervalo especificado) o en su defecto, el valor instantáneo en el momento en que se toma el dato.

Dada la limitación en la cantidad de memoria que tienen los data loggers, deberá evaluarse con atención la frecuencia del muestreo, ya que a mayor frecuencia tendremos mayor información pero menor cantidad de tiempo de medición. La solución de compromiso adoptada deberá considerar la precisión con que desea hacerse la estimación, la memoria disponible, las características de funcionamiento del aparato, y la periodicidad con que podrá bajarse la información del logger (cuando no esté conectado permanentemente a una computadora). Los intervalos no podrán ser más grandes que el ciclo de operación del aparato a medir, debiéndose tener en cuenta además si el consumo sigue un ciclo de funcionamiento fijo o variable. Cuando

16 El costo de este tipo de horómetros en Argentina fue de alrededor de $100 en 1998.

22

la memoria se completa con información pueden ocurrir dos cosas: a) el aparato deja de hacer el muestreo o b) borra la información más vieja para dar lugar a la nueva (modo wrap around).

Existen innumerables tipos de sensores para estos registradores: temperatura (sensores internos y externos); humedad; intensidad luminosa; tensión, corriente; etc.

La Tabla 8 muestra la información obtenida por un registrador de este tipo con dos canales de entrada de temperatura.

Tabla 8. Datos de salida de un registrador de intervalo de muestreo fijo con dos canales de temperatura.

Date Time Temperature (oC)

Temperature (oC)

10/20/98 21:00:00,0 24,4 5,8 10/20/98 21:02:30,0 24,4 5,8 10/20/98 21:05:00,0 24,4 5,4 10/20/98 21:07:30,0 24,4 5,4 10/20/98 21:10:00,0 24,4 5,4 10/20/98 21:12:30,0 24,4 5,4 10/20/98 21:15:00,0 24,4 5,4 10/20/98 21:17:30,0 24,4 5 10/20/98 21:20:00,0 24,4 5,4 10/20/98 21:22:30,0 24,4 6,6

En el caso del consumo de energía eléctrica en iluminación estos aparatos con el sensor adecuado permiten hacer una estimación en forma aproximada del consumo y de la curva de demanda. Pero a pesar de ser un paso adelante con respecto a los contadores de horas de luz vistos en el punto anterior, tienen la desventaja de tener baja precisión cuando los intervalos de muestreo son grandes, cosa que se corrige aumentando la frecuencia de muestreo en detrimento de la autonomía.

Una mejora a esta situación se consigue con los registradores de cambio de estado.

Registro del Cambio de Estado

En algunos casos no interesa medir la magnitud de una variable en particular sino conocer cuándo se activa y cuándo se desactiva un determinado aparato. A partir de este dato si el aparato toma una potencia constante (p.e. lámparas, bombas de agua, etc.) se puede, calculando el tiempo de funcionamiento, conocer la cantidad de energía consumida y su curva de carga. Para el caso en que el aparato monitoreado no consuma una potencia constante, pero tenga un ciclo de funcionamiento fijo y conocido podrá también calcularse su consumo a partir del número de encendidos por la energía por ciclo, y su curva de carga. Para estas situaciones la medición a intervalos regulares, implica un desperdicio de espacio de memoria.

Los registradores de cambio de estado sólo almacenan la información cuando detectan un cambio en el estado de una variable (encendido - apagado; ON – OFF, etc.) minimizando la

23

cantidad de información almacenada a aquella imprescindible (más es redundante) y extendiendo el tiempo de autonomía de la memoria.

También en este caso, existen distintos tipos de sensores que activan a los registradores: luz, vibración, flujo magnético disperso, etc.

Por todos estos motivos en la actualidad estos loggers son los óptimos para la determinación del funcionamiento de las lámparas (caso en el que el consumo es constante) ya que nos entregan simultáneamente, energía consumida, la curva de carga y suplementariamente la cantidad de encendidos. En la Tabla 9 puede apreciarse una salida de información obtenida a partir de uno de estos registradores, mientras que la Figura 9 (la Figura 3 también muestra una salida similar) ejemplifica el resultado de procesar una de estas salidas con una planilla de cálculo.

Tabla 9. Salida de un registrador de cambio de estado.

Date Time State 12/15/99 18:57:58.0 ON 12/15/99 19:09:09.0 OFF 12/15/99 19:23:11.5 ON 12/15/99 19:35:52.0 OFF 12/15/99 19:39:34.5 ON 12/15/99 20:12:30.0 OFF 12/15/99 20:14:29.5 ON 12/15/99 20:14:43.5 OFF 12/15/99 20:26:00.0 ON 12/15/99 20:29:56.5 OFF 12/15/99 20:48:45.5 ON 12/15/99 22:34:05.5 OFF

��

��

0.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

00:00

01:00

02:00

03:00

04:00

05:00

06:00

07:00

08:00

09:00

10:00

11:00

12:00

13:00

14:00

15:00

16:00

17:00

18:00

19:00

20:00

21:00

22:00

23:00

00:00

Hora

Pote

ncia

[kW

]

��Incandescente (100 W)��LFC (20 W)

Figura 9. Curva de carga promedio de una lámpara obtenida a partir de un registrador de cambio de estado.

La Figura 10a. ilustra un modelo compacto de lighting logger mientras que en la b) se aprecia un ejemplo de su instalación.

24

a) b) Figura 10. a) Detalle de lighting logger; b) instalación en un artefacto de cocina.

Por último, cabe mencionar la existencia de registradores que además de detectar el cambio de estado de una fuente luminosa señalan la presencia o no de seres humanos en el ambiente mediante sensores infrarrojos de movimiento o ultrasonido. Estos registradores permiten establecer cuando la luz es necesaria y cuando no lo es. Generalmente tienen aplicación en instalaciones luminosas de envergadura tales como la de los edificios comerciales y públicos aunque también podrían utilizarse en un monitoreo en el sector residencial.

3.3. Sistemas de monitoreo de carga domiciliarias no invasivo (NIALMS - Non-intrusive Appliance Load Monitoring System)

Como su nombre lo indica estos aparatos son utilizados para la identificación del consumo por usos finales en el sector residencial sin perturbar el normal desenvolvimiento de los hogares. Su principal característica es que se coloca fuera del hogar junto al medidor general de energía y desde allí registra el funcionamiento del domicilio. Luego, a partir de los datos recogidos y procesados convenientemente mediante un software desarrollado para este fin, es capaz de identificar cuáles han sido los aparatos que han estado funcionando en cada momento y por la tanto el consumo energético y la curva de carga debida a cada uno de los usos finales.

La Figura 11 muestra un detalle de uno de estos aparatos y un ejemplo de instalación.

Figura 11. Sistemas de Monitoreo de Carga Domiciliarias No Invasivo

(NIALMS): detalle e instalación.

25

Si bien este aparato parece ser el ideal, debido a su alto costo comparado con los registradores anteriormente mencionados resulta una opción cara para realizar un monitoreo de iluminación. Ahora bien, como la información que brinda es mucho más completa pues está analizando el comportamiento de toda la casa y de todos sus usos finales, en una campaña en donde interese esta información, su utilización puede justificarse mejor.

Otro problema que tiene es que existe un margen de error en la identificación de cargas muy similares o lámparas de la misma magnitud y si bien es capaz de determinar su correspondencia con la iluminación no puede identificar ubicación, o encendidos simultáneos.

Bibliografía

Davis, R., Y. Ji, y X. Luan, 1994. “Performance Evaluations of Compact Fluorescent Lamps: What Does “Equivalent” Really Mean?”, Proceedings of the American Council for an Energy Efficient Economy 1994 Summer Study, vol.3, pp. 3.45 - 3.56.

Mazzeo, L., F. Bertolotti, y E. Wada, 1997. “Estimación del Consumo de Energía en la Iluminación Residencial”, monografía correspondiente a la materia Uso Eficiente de la Energía Eléctrica (65.40), Departamento de Electrotecnia, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires.

Tanides, C., 1998. “El Uso Eficiente de la Energía Eléctrica en la Iluminación Residencial”, Revista de la Asociación Argentina de Energía Solar, Vol. 2, Nro. 2, pp. 6.5-6.8, Salta, Argentina.

26

Anexo A. Planilla de encuesta de consumo por iluminación

No Ambiente Tipo Pot. Cant. 0- 1- 2- 3- 4- 6- 7- 8- 9- 10- 11- 12- 13- 14- 15- 16- 17- 18- 19- 20- 21- 22- 23-

Ambiente: tipificación del tipo de ambiente

Tipo: tipo de lámpara (v.g. incandescente, LFC, tubo circular, etc.)

Pot.: potencia de la lámpara en vatios [W]

Cant.: cantidad de lámparas por boca

27

Anexo B. Modelo de encuesta de satisfacción

PROYECTO …

ILUMINACION RESIDENCIAL

La empresa XXX quiere comprobar el grado de satisfacción de los clientes. Estamos haciendo esta encuesta con Ud.

¿Dónde se pusieron? Patio

Cocina

Salón

Otro

¿En que artefacto?................................................................

¿Hubo algún problema de instalación?

Tamaño

Otros

¿Cómo se ve en el artefacto?

Mejor que antes

Bien

Regular

Peor

Mal

¿Cómo le parece la luz?

En cuanto al Color Mejor que antes

Bueno

Normal

Peor

Tiempo de arranque

No hay problemas

29

Si hay

Cantidad de luz que da

Mejor que antes

Bueno

Normal

Peor

Generalmente esta

Muy satisfecho

Satisfecho

No satisfecho

Comentario libre......................................................................................................

¿Tiene la intención de comprar más lámparas ahora? Si No

Cuando se quemen Si No

¿Número de personas en el hogar?

¿Número de personas que trabajan?

¿La casa es suya?

Muchas gracias por su ayuda.

30

Capítulo 15

Potencial de ahorro en el Sector Residencial

Carlos Tanides 1. Estimación del consumo de energía por iluminación en la República Argentina

1.1. Análisis del consumo sectorial 1.2. Análisis del mercado de lámparas

2. Potencial de ahorro

2.1. Escenarios futuros

3. Potencial de ahorro de energía en iluminación en el sector residencial

3.1. Cantidad de residencias (T) 3.2. Demanda del servicio de iluminación (SILUM) 3.3. Intensidad energética de la iluminación (IILUM) 3.3. Intensidad energética de la iluminación (IILUM) 3.4. Ejemplo de cálculo del potencial de ahorro de la iluminación en el sector residencial

4. Potencial de ahorro en la demanda de potencia

4.1. Ejemplo de cálculo de la disminución de la demanda de punta 5. Potencial de reducción de las emisiones de dióxido de carbono

5.1. Ejemplo de cálculo de la reducción de las emisiones de co2 Bibliografía

1

1. Estimación del consumo de energía por iluminación en la República Argentina Para el cálculo del potencial de ahorro, que es el objeto central de este capítulo es menester conocer la cantidad de energía eléctrica consumida en la iluminación. En ausencia de estudios detallados —que involucran encuestas y mediciones en muestras de usuarios ver Capítulo 14 Auditorías Energéticas de la Iluminación Residencial— que permitan determinar en forma precisa el consumo energético en iluminación para la Argentina, éste puede ser estimado de dos maneras: (1.1) análisis del consumo energético por sector y (1.2) análisis del mercado de lámparas. Cada uno de los métodos se explican a continuación.

1.1. Análisis del consumo sectorial En el primer método, se considera el consumo de energía eléctrica total por sector y se establece una porción de ese total para la iluminación. Dicha asignación, en este caso, está basada en relevamientos limitados y en datos de otros países. En la Tabla 1 se presentan los resultados que surgen de considerar las proporciones mínimas y máximas de cada sector que podrían adjudicarse a la iluminación, sobre la base del perfil de consumo nacional en 1994. Estimaciones más recientes fueron realizadas para el año 2000. [Assaf, Dutt y Tanides, 2002]

Tabla 1. Consumo de energía eléctrica por sector, total e iluminación, Argentina 1994.

Subsector Consumo

Total, TWh [1]

% iluminación Consumo iluminación

TWh

Mín. Prom. Máx. Mín. Prom. máx.

Comercial y público 8,15 45 50 55 3,67 4,08 4,48

Residencial 15,55 25 30 35 3,89 4,67 5,44

Industrial 20,14 5 7 9 1,01 1,41 1,81

Alumbrado público 2,08 100 100 100 2,08 2,08 2,08

Electricidad. Rural 0,36 40 50 60 0,14 0,18 0,22

Otros [2] 1,73 5 7 9 0,09 0,12 0,16

Total 48,02 23% 26% 30% 10,87 12,53 14,19 Notas: 1. Fuente: “Informe Quinquenal del Sector Eléctrico 1991-1995”, Subsecretaría de Energía,

Secretaría de Energía de la Nación, 1996. 2. Servicio sanitario, riego agrícola, tracción y otros.

Estimando valores mínimos y máximos del consumo para cada sector dedicado a la iluminación, se calcula un consumo total para este uso final en 1994 entre 10,87 y 14,19 TWh, un rango amplio de valores. Sin embargo, aplicando las reglas de Estadística1, podemos reducir la incertidumbre en la estimación del consumo total para la iluminación a 12,53 ± 0,96 TWh, es decir, entre 11,57 y 13,49 TWh. 1 La varianza de la suma de una serie de variables independientes es la suma de la varianzas de las variables. (Ver,

por ej., John Mandel, The Statistical Analysis of Experimental Data, New York: Dover Publications, 1984, p. 72.)

2

1.2. Análisis del mercado de lámparas

Este método se basa en la estimación del consumo energético en lámparas a partir de su vida útil y potencia. El reemplazo de cada lámpara (al fin de su vida útil) implica un consumo energéticamente equivalente al que ha tenido la lámpara quemada durante su vida útil. Por lo tanto, a través de datos de la venta anual puede estimarse el consumo anual de cada tipo de lámpara. En síntesis:

1) Cada lámpara que se compra en un año para reemplazar a una quemada representa un

consumo anual de energía en esa luminaria de:

CA = PL x VU donde: CA, consumo anual de la lámpara; PL, potencia de la lámpara [W] y VU es la vida útil de la lámpara en cuestión [h].

2) Sumando esta relación para todas las lámparas vendidas en el año se logra el dato buscado, el consumo total de energía en la iluminación. Ya que no todas las lámparas son de reposición, se tiene que introducir un coeficiente adicional que representa la fracción de las compras que fueron utilizadas para el reemplazo, y no para una nueva luminaria. Esta fracción se denomina Factor de Reposición, FR.

Entonces para cada tipo de lámpara, el consumo anual total es:

iiiii FRPMLVUVLACA ×××= donde: i, tipo de lámpara; VLA son las ventas de lámparas por año y PML, es la potencia media de las lámparas (incluyendo los circuitos auxiliares). Como ejemplo se aplica este método con:

datos de venta de lámparas por año, VLA, provistos por los principales fabricantes e importadores,

datos del fabricante acerca de la vida útil, VU, modificados en algunos casos por datos experimentales2,

evaluaciones propias de la potencia media de cada tipo de lámpara, PML, incluyendo el consumo de los equipos auxiliares3 y

estimaciones propias de valores de FR que depende de la vida útil de la lámpara, las horas típicas de uso anual por tipo de lámpara, y de la tasa de crecimiento del sector.

Los datos, suposiciones y resultados para los principales tipos de lámpara se sintetizan en la Tabla 2, que también incluye datos de la eficacia de las lámparas.

2 Ensayos de vida de lámparas, según Normas IRAM, fueron realizados para la Liga Acción del Consumidor,

ADELCO, por el Instituto de Luminotecnia, Luz y Visión, Universidad Nacional de Tucumán 3 Para las lámparas incandescentes se toman el promedio de potencia, ponderado por ventas, según datos provistos

por General Electric Argentina.

3

Tabla 2. Consumo de energía por tipo de lámpara, Argentina 1994. Tipo de Lámpara

Eficacia lm/W

Venta VLA

106/año

Vida útil VU

horas

Potencia media,

PML, W

Factor de reposición

FR

Consumo CA, TWh

Incandescente 12 115,0 0- 65 0,95 6,68 Fluoresc. Comp 55 0,2 4.500 14 0,80 0,01 Fluoresc. T8 64 4,2 6.500 46 0,85 1,07 Fluoresc. T12 58 7,8 6.500 50 0,85 2,15 Vapor de mercurio 50 0,35 12.000 300 0,95 1,20 Vapor de sodio 90 0,25 15.000 220 0,85 0,70 Mezcladoras 20 0,7 1.800 250 0,95 0,30 Otro 22 0,4 1.500 100 0,85 0,05 TOTAL -- -- -- -- -- 12,16

El consumo total estimado para 1994 por este segundo método es 12,2 TWh. No se ha determinado la incertidumbre de esta estimación, que dependería de los errores en la estimación de los valores de las columnas anteriores. Se esperaría un error de 10% o más. Sin embargo, el valor medio de la estimación (12,2 TWh) es comparable con la estimación de entre 11,5 y 13,5 TWh obtenida por el primer método. La convergencia de los dos procedimientos de cálculo expuestos nos indica que es posible estimar con una precisión aceptable el consumo de energía en iluminación a partir de la venta anual de lámparas. La Fig. 1 representa la distribución del consumo energético por tipo de lámpara en la Argentina.

Incandescente56%

Fluorescente T1218%

Fluorescente T88%

Vapor de mercurio

10%

Mezcladoras2%

Vapor de sodio6% Otros

0,4%

Figura 1. Estimación del consumo energético por tipo de la lámpara en la Argentina

para el año 1994. Consumo total en iluminación (12,2 TWh)

4

Considerando ambos métodos de estimación, se puede afirmar que el consumo de energía eléctrica para la iluminación en Argentina durante 1994 estuvo entre 11,5 y 13,5 TWh. Un consumo medio de 12,5 TWh constituye el 26% del consumo nacional de energía eléctrica de 48 TWh en 1994. Este porcentaje es alto respecto a otros países —donde la iluminación generalmente representa menos del 20% del consumo total de energía eléctrica— debido principalmente al mayor uso del gas natural como substituto de la energía eléctrica en la República Argentina, y la baja eficiencia de los sistemas de iluminación. Como consecuencia, el potencial de ahorro de energía eléctrica en los sistemas de iluminación es mayor en este país.

2. Potencial de ahorro El consumo de energía eléctrica varía en el tiempo debido a diversos factores: cambio de la población, en los niveles de confort, nuevas prestaciones brindadas por artefactos eléctricos, etc. Estas variaciones normalmente determinan que el consumo vaya creciendo paulatinamente. Las suposiciones que se hagan sobre cada uno de estos factores conducirán a distintos escenarios con diferentes consumos energéticos. La existencia de estos escenarios alternativos permite entonces introducir el concepto de Potencial de Ahorro: Se define potencial de ahorro como la “diferencia entre la evolución del consumo de energía sin la introducción de medidas de ahorro y el caso en que todas las medidas del uso eficiente de la energía y gestión de la demanda (UEGD)4 estén incluidas en el patrón del consumo”. El potencial de ahorro, brinda una medida de cuánta energía podría ahorrarse de llevar adelante una política de uso eficiente. Los potenciales de ahorro se calculan en base a ciertos supuestos:

a) en ningún caso contemplan una disminución del servicio brindado por la electricidad o sea no implican «sacrificio» alguno;

b) se basan en tecnologías actualmente disponibles en el mercado (aunque en algunos casos no necesariamente en el nacional) y;

c) sólo incorpora los ahorros producidos en aquellas aplicaciones donde éstas son económicamente rentables. (ver Capítulo 13. Análisis Económico de la Iluminación Eficiente.).

El potencial de ahorro varía con el tiempo, fundamentalmente por tres razones:

1. Pues crece la demanda de servicios energéticos (por ejemplo por el crecimiento de la población) creciendo también la demanda con eficiencia congelada—y proporcionalmente— el potencial del ahorro.

2. Debido al paulatino reemplazo de los artefactos actualmente en uso—al fin de su vida útil—por nuevo equipamiento más eficiente.

3. Ya que se desarrollan nuevas tecnologías de uso eficiente de la energía (esta razón no está considerada en nuestros cálculos).

Por eso, para el cálculo del potencial de ahorro se parte de un año “base”, O (año base) y se

llega hasta un determinado año límite, N (año horizonte). Este lapso debe ser comparable con —o mayor a— la vida útil de la mayoría de los artefactos permitiendo una introducción substancial

4 Ver definición en Introducción.

5

de los artefactos eficientes. Más allá de ese horizonte, las estimaciones se complicarían por varios factores: la introducción de nuevas tecnologías con capacidad de ampliar el potencial de ahorro, cambios estructurales en la economía que afectan la participación de distintas actividades en el producto nacional y la introducción de nuevos usos energéticos para los consumidores. El potencial de ahorro implica, en primer término, un menor consumo energético debido a la utilización de una tecnología más eficiente o a la modificación en la forma de utilización de un uso final estipulado. Pero la disminución del consumo energético produce además, una menor demanda de potencia (instalaciones eléctricas) y también una disminución en las emisiones de dióxido de carbono (CO2) a la atmósfera por menor utilización de combustibles en la generación de electricidad5. La puesta en marcha de un plan de eficiencia energética puede tener como objetivos la reducción de cualquiera de los ítems mencionados en forma aislada o en cualquiera de las combinaciones posibles.

Para poder proceder con el cálculo se deberá primeramente construir los dos escenarios alternativos como se desarrolla a continuación.

2.1. Escenarios futuros

El potencial de ahorro de energía —la diferencia entre los dos escenarios— depende entonces de la evolución futura de éstos, y permite conocer con aproximación la magnitud de los ahorros así como el beneficio económico o rentabilidad de la aplicación de las medidas. Se describirán entonces las presunciones básicas sobre las cuales se construyen cada uno de los escenarios.

Eficiencia congelada (EC)

La suposición fundamental de este escenario es que el crecimiento de la demanda energética sólo responde al crecimiento de la demanda por servicios energéticos. Este incremento puede depender de distintos factores tales como el aumento poblacional, cambios en la demanda del servicio, etc. La intensidad energética de los usos finales se mantiene constante en este escenario.

Futuro eficiente (FE)

La evolución de la demanda por servicios energéticos en este escenario es la misma que en el escenario de eficiencia congelada, pero a diferencia del anterior incorpora las alternativas tecnológicas de mayor eficiencia siempre y cuando éstas sean rentables. O sea en este escenario la intensidad energética es menor que en el de eficiencia congelada.

El status quo y la evolución de la demanda con programas del UEGD

En realidad, la evolución futura de la demanda de energía eléctrica estará entre el límite superior de la eficiencia congelada y el límite inferior definido por el futuro eficiente. En ausencia de programas para fomentar el uso eficiente y gestión de la demanda, este tercer escenario que se puede llamar el “status quo”6, se aproxima más al de "eficiencia congelada". Con programas para promover el UEGD, el consumo de energía bajaría según la eficacia o no de éstos. Cuanto mejor sean los programas, más cerca se estará del escenario de “futuro eficiente”. Esta cuarta

5 Además de otros beneficios ambientales descriptos en el capítulo … Impacto Ambiental de los Sistemas de

Iluminación. 6 En inglés se lo conoce como el escenario “Business-as-usual”.

6

alternativa para la evolución de la demanda se conoce como el escenario en base a un programa de UEGD7. En la Figura 2 se esquematiza la evolución de los cuatro escenarios planteados. En este manual se trabajará sólo con los dos primeros escenarios—eficiencia congelada y futuro eficiente—, los dos límites para la evolución de la demanda. El desarrollo de los escenarios se basa en el análisis de los datos existentes y en una serie de suposiciones que se detallarán en ejemplos venideros.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

1 5 10 15 20Años

Con

sum

o en

ergé

tico

Eficiencia congeladaBAUPrograma UEGDFuturo eficiente

Potencial de ahorro 15 años

Potencial de ahorro 20 años

Figura 2. Proyección de la evolución del consumo energético según distintos escenarios.

3. Potencial de ahorro de energía en iluminación en el sector residencial En el sector residencial, la principal medida de iluminación eficiente es la substitución de lámparas incandescentes de uso intensivo por fluorescentes compactas. La iluminación es uno de los usos finales con mayor potencial de ahorro dentro del sector residencial. Además, por sus características propias, resulta una alternativa ideal respecto a otros usos finales, destacándose las siguientes ventajas:

1) El potencial de ahorro demuestra ser muy elevado.

2) El uso eficiente de la energía eléctrica en la iluminación es una medida muy rentable.

3) Pocos puntos luminosos de la residencia concentran la mayor parte del consumo, lo que permite un gran ahorro cambiando pocas lámparas.

4) Debido a la corta vida útil de las lámparas a reemplazar (incandescentes) y a que la tecnología para efectuar el cambio se halla disponible en el mercado, el ahorro podrá obtenerse en plazos relativamente breves.

7 Puede haber distintos escenarios correspondientes a diferentes programas.

7

5) Debido a su alta coincidencia con la demanda pico vespertina de electricidad, una reducción en el consumo energético se refleja también en una disminución de la demanda de punta, permitiendo importantes ahorros en las inversiones necesarias para suministrar dichos picos.

El consumo de energía para la iluminación residencial en una determinada región8 puede expresarse como el producto entre la cantidad de residencias en la región (T), la demanda del servicio de iluminación (Silum) (en adelante demanda de iluminación), y la intensidad energética en iluminación (Iilum,) que representa la eficiencia con que se está convirtiendo la energía eléctrica en luz. La fórmula (1) resume este concepto:

ilumilumilum ISTE ××= (1)

El potencial de ahorro en iluminación para el año horizonte (N) quedará establecido por la diferencia entre el consumo para el escenario con eficiencia congelada, EC, y el correspondiente al escenario futuro eficiente, FE.

)()( ilumFEN

ilumECN

ilumN EEPA −= (2)

NPAilum: potencial de ahorro energético en iluminación, para el año horizonte, N, NEEC(ilum): consumo de energía en iluminación para el año horizonte, N, escenario eficiencia

congelada, NEFE(ilum): consumo de energía en iluminación para el año horizonte, N, escenario futuro

eficiente.

A continuación se desarrollan cada uno de los factores empleados en la expresión (1) y cómo puede estimarse la variación de cada uno de ellos entre el año base (0) y el año horizonte9 (N).

3.1. Cantidad de residencias (T)

La cantidad de residencias quedará determinada por la extensión de la zona analizada. Su modificación, entre el año base y el horizonte, dependerá de a) la variación poblacional en el lapso considerado y, si se quiere estimar con mayor detalle, por el cambio en la relación entre la población y la cantidad de habitantes por vivienda —que obedece a pautas económico-culturales.

8 El estudio del potencial de ahorro puede estar restringido al análisis puntual de las posibilidades de ahorro dentro

de una instalación de un edificio —existente o nueva— o puede contemplar la realización de un programa que pretenda promocionar, en toda una región, la utilización de tecnologías de iluminación más eficientes.

9 Recordar que el potencial de ahorro deberá referirse siempre a un determinado año, N, en el futuro y respecto a un año base especificado.

8

En el primer caso, el más simple, la variación del número de residencias tendrá la misma tasa de crecimiento de la población, tP, como lo muestra la fórmula (3):

( ) 01 −+×= Np

0N tTT (3) NT: cantidad de residencias en el año N. 0T: cantidad de residencias en el año 0. En un análisis más fino en donde se consideren tanto la variación de la población como la cantidad de habitantes promedio por vivienda, el cálculo se hará utilizando la siguiente expresión (4):

0

)1()1( −

++

==N

H

p0

0

N

NN

tt

HP

HPT (4)

donde NT es la cantidad de residencias en el año N (años en el futuro); NP es la cantidad de habitantes en el año horizonte; NH es el número de habitantes por vivienda en el año horizonte, 0P es la cantidad de habitantes en el año base; 0H es el número de habitantes por vivienda en el año base, tP la tasa anual de crecimiento (o decrecimiento) de la población; y tH la tasa anual de crecimiento (o decrecimiento) de la cantidad de habitantes por vivienda.

En la práctica, de acuerdo a la profundidad del análisis que quiera realizarse, podrán utilizarse las expresiones (3) ó (4), o podrá estudiarse directamente la evolución de la cantidad de residencias de este sector evaluando su comportamiento histórico y/o futuros planes urbanísticos.

Esta variable no depende del escenario que se esté considerando y, por lo tanto, su valor será el mismo tanto para el caso de eficiencia congelada, como para el de futuro eficiente.

3.2. Demanda del servicio de iluminación (SILUM)

Es posible expresar la demanda de iluminación (Silum), en términos medios como la cantidad de luz requerida en promedio por residencia y por año, por ejemplo expresada en miles de lumen-horas por residencia por año [klm-h/residencia/año]. La demanda del servicio de iluminación, es un valor que da idea de la cantidad de luz empleada en los hogares. En principio, se puede decir que esta cantidad de luz varía por diversos factores, cambio en el tamaño promedio de las residencias —superficie a iluminar—, cantidad de habitantes, incorporación gradual de lámparas más potentes o de nuevos artefactos en sitios en donde antes no existía una fuente luminosa, etc. En términos generales, y de acuerdo a estudios realizados en numerosos países, la demanda de iluminación se halla en crecimiento. De no contarse con datos específicos puede aproximarse en primera instancia a valores entre un 0 y 2% anual. La expresión (5) muestra la dependencia de la demanda del servicio de iluminación con el tiempo:

( ) 01 −+×= N

silum0

ilumN tSS (5)

NSilum : demanda de iluminación para el año horizonte N. 0Silum : demanda de iluminación para el año base, 0.

9

ts: tasa de crecimiento anual del servicio de iluminación.

En principio, recordando que en ambos escenarios se trabaja con la premisa de igualdad de servicio entregado, no habrá diferencia entre el Silum para el escenario EC respecto del FE (al igual que en el caso de la cantidad de residencias, T). Sólo habrá variación entre el año base y el horizonte por las razones ya expuestas.

3.3. Intensidad energética de la iluminación (IILUM) La intensidad energética en iluminación, Iilum, dependerá de la tecnología empleada y sus valores serán diferentes en cada uno de los escenarios, teniendo un valor promedio IEC.en el escenario de eficiencia congelada, e IFE en el futuro eficiente. La intensidad energética en iluminación se expresa como la cantidad de energía eléctrica consumida en relación al flujo luminoso entregado. La unidad correspondiente es [kWh / klm-h]. Los valores correspondientes a IEC se pueden determinar aplicando alguna de las metodologías explicitadas en el capítulo de auditorías o en su defecto utilizando valores obtenidos en otros estudios. Para el caso del futuro eficiente, se determinará un posible valor de IFE en función del objetivo del programa bajo estudio.

3.4. Ejemplo de cálculo del potencial de ahorro de la iluminación en el sector residencial Se desarrollará a continuación un modelo de cálculo del potencial de ahorro en iluminación en el sector residencial de Capital Federal y Gran Buenos Aires utilizando algunos de los datos que fueron obtenidos a manera de ejemplo en secciones anteriores. El año base del estudio es 1996 y la proyección del potencial de ahorro se realiza hasta el año 2010 (año horizonte). Como datos de partida se tienen para el año base el consumo de energía eléctrica: 8,43 TWh; la cantidad de hogares abastecidos: 4,2 millones; y la población de 11,1 millones de personas. Para sintetizar los datos, se resumen en la Tabla 3 los datos de partida.

Tabla 3. Datos de partida para el ejemplo de cálculo del potencial de ahorro.

Año base (0) 1996

Año horizonte (N) 2010

Consumo energía (base) [TWh] 8,43

Cantidad de hogares (base) (0T) 4,2 x 106

Población (base) 11,1 x 106

Demanda del servicio de iluminación en el año base (Silum) ó (0S) [klm-h/resid/día]

51(*)

Intensidad energética en iluminación (Iilum) ó (IEC) [kWh / klm-h]

0,056(*)

(*) Valores obtenidos a partir de Tabla 4, 1.1.2 Ejemplo de auditoría del Capítulo …

10

Cálculo de los escenarios

Para este ejemplo, como supuestos comunes a ambos escenarios se han tomado:

a) el crecimiento del número de residencias (T) estimado para el período 1996-2010 en una tasa anual (tP) del 0,96 % (equivalente a un incremento acumulado del 10 % en 10 años) habiéndose considerado nula la variación en la cantidad de habitantes por hogar durante el lapso analizado. Por lo tanto aplicando la expresión (3):

( ) 01 −+×= Np

0N tTT = 4,2 x 106 x (1 + 0,0096)14 = 4,8 x 106 residencias

b) una tasa de incremento de la demanda de luz por vivienda (Silum) del 2% anual, por lo que aplicando la expresión (5):

( ) 01 −+×= N

silum0

ilumN tSS = 51 [klm-h/residencia . día] x (1 + 0,02)14 = 67,29 [klm-h/residencia . día]

A partir de estas suposiciones la diferencia entre ambos escenarios quedará establecida sólo por el valor que tendrá la intensidad energética de la iluminación en cada caso que depende directamente de la eficiencia de la tecnología empleada. La demanda final de energía para iluminación con eficiencia congelada en el año horizonte (2010) será de:

2010EEC(ilum) = 2010T x 2010Silum x IEC =

= 4,8 106 [residencias] x 67,29 [klm-h/residencia . día] x 0,056 [kWh/klm-h] x 365 [días/año]

= 6,6 TWh

En el escenario de futuro eficiente el potencial técnico-económico de ahorro —hipótesis de máxima— se obtiene a partir del reemplazo de las lámparas comunes (incandescentes) por lámparas fluorescentes compactas (LFCs), de flujo luminoso equivalente, en todos aquellos casos en donde esto se justifique económicamente. Según el relevamiento hecho en el año 1997 descripto en Ejemplo de auditoría del Capítulo 14, el potencial de ahorro contenido en esta acción alcanzaría el 54% del total del consumo para iluminación, que se establecerá entonces como límite máximo de ahorro. Simplificando el cálculo:

2010EFE(ilum) = (1 – 0,54) x 2010EEC(ilum) = 0,46 x 6,6 [TWh] = 3,04 TWh y aplicando (2):

)()( ilumFEN

ilumECN

ilumN EEPA −= = 6,6 TWh - 3,04 TWh = 3,56 TWh

2010PAilum = 3,56 TWh

11

Esto equivale a una intensidad energética promedio en iluminación de:

IFE = 0,056 [kWh / klm-h] x (1 – 0,54) = 0,026 kWh/klm-h

En la práctica no se proponen programas de reemplazo de todas las lámparas posibles dentro de los términos de rentabilidad. Una programa más realista puede ser un plan de promoción que tenga como objetivo sólo la sustitución en los dos puntos de mayor consumo de electricidad para iluminación que, según lo visto en Ejemplo de auditoría del Capítulo 14, representaban el 70% del total del potencial de ahorro posible. A este escenario se lo identificará como FE 2 puntos y la expresión a la que se arribará será la siguiente:

2010EFE 2 puntos (ilum) = (1 – 0,7 x 0,54) x 2010EEC(ilum) = 0,622 x 6,59 [TWh] = 4,1 TWh y aplicando (2):

)()( ilumFEN

ilumECN

ilumN EEPA −= = 6,6 TWh – 4,1 TWh = 2,5 TWh

2010PAilum 2 puntos = 2,5 TWh

Esta situación equivale a una eficacia luminosa promedio de:

IFE 2 puntos = 0,056 [kWh / klm-h] x (1 – 0,7 x 0,54) = 0,035 kWh/klm-h

Se supone que dadas las características del uso final, el reemplazo total de las lámparas es posible en un lapso de 5 años por lo que, durante estos primeros años, habrá una marcada disminución del consumo en este uso final, que luego proseguirá su crecimiento según lo determinan las tasas de población y de servicio. Estos resultados se grafican en la Figura 3.

0

1

2

3

4

5

6

7

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Cons

umo

en T

Wh

EC FE FE 2 puntos

12

Figura 3. Evolución del consumo de energía eléctrica para iluminación según los escenarios de eficiencia congelada (EC), futuro eficiente con reemplazo de todas las lámparas (FE), y futuro eficiente con reemplazo en sólo 2 puntos (FE 2 puntos), en el período 1996-2010.

De las estimaciones realizadas podemos observar que el consumo destinado a iluminación en la región especificada en el año base es de 4,3 TWh. Dicho consumo evoluciona según el escenario de eficiencia congelada a 6,6 TWh para el año 2010 mientras que, considerando el escenario de futuro eficiente, el consumo para este uso final alcanza los 3,04 TWh —valor aún menor que el del año base— y 4,1 TWh en el caso de FE 2 puntos. El potencial de ahorro en el año horizonte será entonces de 3,56 TWh (54 %) y 2,5 TWh (38%) respectivamente. Es de notar el apreciable ahorro que puede obtenerse a partir de el reemplazo de tan sólo 2 puntos en las residencias.

4. Potencial de ahorro en la demanda de potencia Como se ha mencionado, la reducción del consumo energético en iluminación residencial, tiene una fuerte relación con la disminución de la potencia máxima del sistema eléctrico ya que es un uso final con un alto factor de coincidencia con la punta (FCP)10 de la demanda. Este factor definido en 1.1.4 Ejemplo de mediciones del Capítulo … para la iluminación contempla la ‘simultaneidad’ en el encendido que será siempre menor o igual al 100%. En Argentina, las tarifas residenciales no incluyen un componente para la demanda de potencia. Sin embargo su reducción disminuye las inversiones necesarias para construir líneas de transmisión y distribución y para la generación en punta. La postergación de este tipo de emprendimientos también implica un beneficio ambiental. El cálculo del potencial de ahorro en la demanda de potencia puede expresarse como lo indica (6):

( )

[ ]( )

.##

.

23,18 arttotalartmaxFCP

FCPPPP

ON=

−=∆ ΕΙ

(6)

∆P : potencial de ahorro en la demanda de potencia, PI : potencia instalada de los artefactos ineficientes, PE : potencia instalada de los artefactos eficientes, FCP : Factor de Coincidencia con la Punta, # artON: suma de potencias de lámparas encendidas simultáneamente; # total art.: potencia total de lámparas instaladas [18,23): intervalo horario que define las horas de punta.

10 Su determinación no resulta sencilla pues requiere conocer el patrón de consumo diario (la curva de carga) de las

lámparas a reemplazar. La estimación del FCP en iluminación surge de estudios estadísticos, auditorías y/o mediciones realizadas en la zona en cuestión.

13

4.1. Ejemplo de cálculo de la disminución de la demanda de punta Según lo visto en la expresión (6) los datos necesarios para el cálculo de la reducción de la demanda son pocos, aunque difíciles de obtener. En primer término, la potencia instalada en lámparas ineficientes y en eficientes, será un valor que dependerá de la actual conformación del parque y de las características del plan de eficiencia, y en segundo término el FCP, se deberá obtener según lo desarrollado en Ejemplo de mediciones del Capítulo 14. Auditorías Energéticas de la Iluminción Residencial. Si se quiere, continuando con el 3.4. Ejemplo de cálculo del potencial de ahorro de la iluminación en el sector residencial de este capítulo, calcular la reducción de la demanda de potencia entre los escenarios de EC y de FE 2 puntos, se deberán emplear los datos que surgen de ese estudio: potencia instalada promedio en las bocas más luminosas, PI = 84,5 [W/residencia] en el escenario EC; idem pero en el escenario FE 2 puntos, PE = 16,9 [W / residencia] y un FCP de alrededor del 65%. PI = 2010T x 84,5 W = 4,8 106 [residencias] x 84,5 [W/residencia] = 405,6 MW PE = 2010T x 16,9 W = 4,8 106 [residencias] x 16,9 [W/residencia] = 81,1 MW

FCP = 0,65 Por lo tanto, aplicando (6):

∆P = (PI – PE) x FCP = (405,6 MW – 81,1 MW) x 0,65 = 211 MW

∆P = 211 MW

5. Potencial de reducción de las emisiones de dióxido de carbono La disminución en las emisiones de dióxido de carbono (CO2) es uno de los objetivos ambientales más importantes y más comúnmente buscados en todo el mundo debido a la relación entre éstas y el problema del Cambio Climático (ver Capítulo 17. Impacto Ambiental de los Sistemas de Iluminación). La determinación de la reducción de emisiones requiere de los siguientes elementos:

1. Línea de base o referencia sobre la cual los ahorros y los costos son medidos.

2. Contabilización del CO2 y reducción del mismo con el proyecto respecto de la referencia. La línea base o referencia para determinar las emisiones de CO2 se establece a partir del consumo energético en iluminación hallado para el escenario de eficiencia congelada en el año horizonte, NEEC. El consumo energético del proyecto queda determinado por el consumo en el escenario eficiente, NEFE. Finalmente, para el análisis de las emisiones las aproximaciones más simples son para el año N en cuestión: 1) utilizar la tasa media de emisión de todo el sistema ó 2) usar la tasa de emisión de la planta de generación marginal, multiplicada por la energía ahorrada, para cada hora del año11. Las reducciones en las emisiones de CO2 se establecen a partir de la diferencia entre las emisiones en el caso de referencia y las emisiones que surgen luego de la

11 En programas de eficiencia energética de envergadura suficiente como para modificar el futuro plan de expansión

del sistema habrá que realizar simulaciones de despacho de carga cuyo análisis excede el objetivo de este libro.

14

implantación del proyecto. Los ahorros netos de emisión, Rnet, deben ser estipulados en la base del contenido de carbono del combustible reemplazado o evitado.

pprrnet CCR Ε−Ε= (7)

donde: EEC : Energía consumida en el caso de referencia o base (eficiencia congelada) [TWh] Cr : Factor de emisión de CO2 en el caso de referencia o base (eficiencia congelada)

[Tg CO2 / TWh] EFE : Energía consumida en el caso proyectado (futuro eficiente) [TWh] Cp : Factor de emisión de CO2 en el caso proyectado (futuro eficiente) [Tg CO2 / TWh]

En el caso de los factores de emisión de CO2 (Cr y Cp) dependerán de la composición del parque generador que en general es una variable que no dependerá del proyecto alternativo. En la práctica, estos factores pueden variar con el tiempo, incluso disminuir, debido por ejemplo, a un plan de sustitución de combustibles por una variante más limpia (p.e. fuel oil por gas natural).

5.1. Ejemplo de cálculo de la reducción de las emisiones de co2 Continuando con el ejemplo comenzado en 3.4. Ejemplo de cálculo del potencial de ahorro de la iluminación en el sector residencial de este capítulo, se hará una estimación de la reducción de las emisiones de CO2 entre los escenarios de EC y FE 2 puntos.

Aplicando la expresión (7) tendremos que la energía consumida en el caso de referencia, Er, corresponderá a la del escenario de eficiencia congelada para el año 2010, o sea: EEC = 2010EEC = 6,6 TWh;

la energía en el caso proyectado, Ep, será la obtenida para el escenario de futuro eficiente para el reemplazo de 2 puntos:

EFE = 2010EFE 2 puntos (ilum) = 4,1 TWh El factor de emisión estimado para un escenario de evolución del consumo medio para el año 2010, establece para el promedio del parque de generación un valor C de 0,368 Tg CO2 / TWh [Secretaría de Energía, 1998]. Notar que en este caso las intensidades de carbono del caso de referencia y el proyectado son iguales pues la comparación se realiza dentro del mismo año. Reemplazando en (7):

pprrnet CCR Ε−Ε= = (6,6 TWh – 4,1 TWh) x 0,368 Tg CO2 / TWh = = 0,916 Tg CO2

Rnet = 0,916 Tg CO2

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Bibliografía Assaf, L., G.S. Dutt y C.G. Tanides, 2002. “Lighting efficiency and envioronmental issues in Argentina. Current status and perspectives”, presentado en Right Light 5 (5th European Conference on Energy-Efficient Lighting), Niza, Francia, mayo. Secretaría de Energía, 1998, Informe de Prospectiva, Secretaría de Energía de la República Argentina, Capítulo 12.

16

Capítulo 16

Procedimientos de Auditorías para la Evaluación de Instalaciones de Iluminación de Edificios No Residenciales

Leonardo Assaf

I. INTRODUCCION

I.1. Importancia de la evaluación de sistemas de alumbrado de edificios no-residenciales

I.2. Auditorías de instalaciones de alumbrado II. MÉTODOLOGÍA PARA LA EVALUACIÓN

II.1. Relevamiento o monitoreo II.2 Diagramas de carga. Registros automáticos y manuales. Técnicas de monitoreo.

III. EVALUACIÓN DE LAS CONDICIONES DE SERVICIO III.1 Eficiencia y Condiciones de Servicio en los sistemas de iluminación

IV. EVALUACIÓN DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA

IV.1. El alumbrado como sistema conversor de energía IV.2. Eficiencia energética de un sistema de iluminación IV.3. Eficiencia energética de la instalación IV.4. Cálculo de la potencia específica de iluminación

V - RECURSOS Y ORGANIZACION DEL MANTENIMIENTO

V.1 Recursos humanos V.2 Recursos materiales V.3 Planificación del mantenimiento V.4 Pérdidas de condiciones de servicio y energéticas V.5 Conclusiones: Procedimiento de evaluación

Glosario Auditoría de una instalación de alumbrado: Procedimiento de evaluación, clasificación e inventario de una instalación, basado en información de diversos parámetros de la misma. Auditor: Persona física o jurídica encargada o responsable de la auditoría. Rentabilidad: Cualidad de una inversión amortizable con los beneficios que genera, dentro de un plazo conveniente para el inversor. ESCO: Acrónimo de origen inglés (Energy Service Company) con el cual se designa a una empresa especializada en servicios de sistemas de energía, mantenimiento y trabajos relacionados. Relevamiento: Recopilación de información in-situ de la instalación de un edificio, mediante procedimientos manuales o automáticos.

1

I. Introduccion I.1. Importancia de la evaluación de sistemas de alumbrado de edificios no-residenciales El sistema de iluminación da cuenta de una importante proporción en la energía consumida en un edificio. Según datos de países desarrollados, la iluminación representa el 40% de toda la energía eléctrica consumida (1)(2), siendo a la vez el mayor contribuyente de carga térmica en edificios no residenciales. Por otro lado, es el grupo de consumo que mayor beneficio ofrece para la introducción de eficiencia ya que en los sistemas de alumbrado es donde más se desperdicia (3), y es allí donde deberían apuntar las estrategias de reconversión. En lo que respecta a la situación en la República Argentina, puede estimarse que la iluminación no está a la zaga de los términos expuestos: los sistemas de alumbrado absorben casi un cuarto de toda la generación de energía eléctrica (4), y generalmente representa el mayor use final de energía eléctroca en edificios no residenciales. No obstante esta indudable importancia, la Administración —o sea el uso y el mantenimiento— de los sistemas de alumbrado no se ha desarrollado en nuestro medio como la práctica y la metodología que las necesidades imponen, con los previsibles resultados: baja eficiencia y deficientes condiciones de servicio. Tal es la conclusión arribada luego de la evaluación de un número importante de edificios (5) mediante el procedimiento de auditoría que se expone en el presente capítulo. Esta situación —por otro lado— ofrece como contrapartida las máximas posibilidades para el desarrollo de proyectos de reconversión de instalaciones para disminuir los gastos de energía y de mantenimiento. Los edificios no-residenciales constituyen un grupo de gran interés. Se trata de sistemas de alumbrado, por lo general de escala considerable, con altos factores de simultaneidad y densidad de carga, que ofrecen excelentes posibilidades para la aplicación de medidas de eficiencia. Dentro de esta tipología, el usuario y la administración del sistema constituyen dos aspectos importantes. El usuario, por lo general, carece de mayor preocupación en las cuentas del consumo energético del edificio (6), y la administración del sistema, frecuentemente asumida por personal sin la capacitación necesaria, no destina directamente ningún responsable en especial. Diversos procedimientos pueden aplicarse para revertir la ineficiencia de una instalación de alumbrado. La Auditoría de la instalación es una herramienta recomendable para evaluar las posibilidades de generar beneficios para el comitente, mediante la introducción de medidas de eficiencia energética o mejoras del servicio para los usuarios. El interés de las auditorías no se agota allí. Desde una perspectiva más amplia, brindarían la posibilidad para el desarrollo en el mercado de una oferta de servicio técnico que demanda mano de obra especializada. Este mercado puede llegar a materializarse en la medida que la situación expuesta y las perspectivas de mejoras sean de conocimiento de los responsables de las instalaciones de alumbrado. I.2 - Auditorías de instalaciones de alumbrado Una auditoría puede tener diversos objetivos: analizar la eficiencia de la instalación, las condiciones y calidad del servicio y el mantenimiento; todo ello con miras a la introducción de los cambios que se consideren necesarios sustentados en la relación costo-beneficio y/o en la mejora en las condiciones de servicio. Los tres aspectos básicos para evaluar una instalación son:

2

1. Condiciones de servicio 2. Eficiencia energética 3. Administración y mantenimiento

Las auditorías se basan en el análisis de datos de la instalación. Esta información puede obtenerse por diferentes procedimientos, el más simple, práctico y económico es la utilización de los documentos técnicos de la instalación. En cada caso particular se deberá considerar si la información disponible es suficiente para los fines de la auditoría o, llegado el caso, si es necesario encarar procedimientos más laboriosos de obtención de información como el relevamiento o monitoreo del edificio. La información de carácter documental es suministrada por el comitente del servicio a pedido del auditor, o —en ciertos casos— obtenida por éste de fuentes catastrales o registros de diversa índole, para lo cual es necesario contar con la debida autorización. Esta documentación es la siguiente:

Planos conforme a Obra Administración y su organización: personal propio, jerarquía, personal

contratado, etc. Tercerizaciones, ESCO´s: Tipos de Contratos, certificaciones de obra Manuales de procedimiento de administración del edificio Facturas del servicio eléctrico Informes y registros de operaciones de mantenimiento Registros de insumos de material de reposición y mantenimiento: remitos y

facturas, especificaciones de materiales, pedidos de cotización.

II. Métodología para la evaluación La metodología propuesta consiste en analizar datos relacionados con la instalación, evaluando los siguientes rubros:

o Condiciones de servicio Iluminancia horizontal de servicio Confort Visual Atmósfera visual

o Eficiencia Eficiencia energética de componentes Eficiencia de uso Pérdidas de energía asociada Costos operativos

o Administración y mantenimiento Organización y recursos humanos Planificación del mantenimiento Prácticas de Reposición de equipos Calidad de la instalación existente y de los materiales de reposición

3

II.1. Relevamiento o monitoreo El relevamiento de una instalación es un procedimiento de obtención de los datos de interés directamente del edificio, en forma manual o mediante dispositivos de registro automático para lo cual debe contarse con los medios adecuados. El monitoreo es el registro continuo de ciertas variables, cuya finalidad es determinar la variación de los parámetros de la instalación durante un período de tiempo. Por tratarse de operaciones atípicas del edifico, y por implicar costos, ambos procedimientos deben ser concisos y efectivos, y estar basados en una cuidadosa planificación, a fin de minimizar las posibles interferencias con el medioambiente laboral y obtener datos fidedignos. II.2. Diagramas de carga. Registros automáticos y manuales. Técnicas de monitoreo. Una de las variables más importante para la evaluación de una instalación, como se verá más adelante, es la energía absorbida; determinada sobre la base de la variación de la potencia activa. Para la estimación de la potencia promedio de un sistema de iluminación es necesario el monitoreo de la carga de iluminación, para conocer su variación temporal ya sea en forma tabulada o gráfica, lo que es conocido técnicamente como “diagrama de carga”. Un diagrama de carga es un registro continuo, diario, mensual o anual, de la carga conectada de iluminación (kW), que indica la variación de la potencia instantánea del sistema de iluminación. Puede obtenerse mediante dispositivos de registro automático que interceptan las canalizaciones de alimentación del sistema de iluminación. Estos dispositivos son capaces de medir potencia para lo cual es necesario disponer de una conexión en paralelo, para la señal de tensión, y otra en serie, para la señal de corriente. La necesidad de una conexión en serie (para corriente) excluye de la posibilidad de registro aquellas instalaciones cuyas canalizaciones eléctricas alimentan indistintamente cargas de iluminación y otras, al no poder discriminarse las corrientes que fluyen por un mismo conductor. El Reglamento para Instalaciones Eléctricas en Inmuebles de la Asociación Electrotécnica Argentina (7), la norma técnica de mayor consenso en la República Argentina, establece desde 1987 la disposición de ejecutar las canalizaciones para iluminación y otras cargas por circuitos separados. Esto posibilita —en instalaciones realizadas bajo esa norma— la conexión de registros automáticos pero sólo a partir de los tableros seccionales, permitiendo el registro de carga de iluminación de locales —no del edificio en general— debido a que la exigencia no comprende las canalizaciones desde tablero general a los seccionales. En este caso el diagrama de carga del edificio se obtiene realizando los diagramas de carga de cada uno de los locales que lo componen, lo que es engorroso. Un procedimiento menos “invasivo” para la instalación puede realizarse mediante colectores de datos (data loggers) con sensores de iluminación. Se trata de elementos fotosensibles conectados a un registrador que va midiendo —con una frecuencia de tiempo que puede ser preestablecida— la señal de entrada, permitiendo conocer el momento preciso en que una luminaria se enciende o se apaga, de allí se puede deducir la potencia de iluminación conectada. La disponibilidad en el mercado de colectores de este tipo, de dimensiones reducidas (50x30x8mm) y de bajo costo, ofrece la posibilidad de realizar el monitoreo automático de un edificio sin mayores complicaciones, siempre y cuando se disponga de un número importante de equipos. En este caso las necesidades son aún mayores que cuando se monitorea potencia, debido a que es necesario disponer un equipo por cada circuito de iluminación que el local tenga, por lo general, mas de uno.

4

Relevamiento manual: La obtención de un diagrama de carga de iluminación mediante relevamiento manual es un procedimiento alternativo para aquellos casos en que no sea posible utilizar registradores automáticos, sea por los inconvenientes expuestos precedentemente o bien por que no se disponga de ellos. Este procedimiento supone contar con personal de la capacidad suficiente para reconocer los diferentes tipos y potencias de lámpara con sólo una inspección visual. Las figuras 1 y 2 muestran el diagrama de carga de una oficina individual y de un edificio respectivamente. En el primer caso la instalación posee solamente un efecto, es decir que todas las luces (100% de la carga) se conectan o desconectan con un único interruptor resultando el diagrama de figura 1. El diagrama de cargas del edificio (figura 2) refleja un elevado fraccionamiento de la carga, resultado del accionamiento de los numerosos interruptores que posee el edificio. Con esa información es sencillo estimar la potencia promedio, Pp, necesaria para los cálculos de energía y eficiencia de la instalación.

Cronograma de carga (local)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

07:00

07:40

08:20

09:00

09:40

10:20

11:00

11:40

12:20

13:00

13:40

14:20

15:00

15:40

16:20

17:00

17:40

18:20

19:00

19:40

20:20Horario

Car

ga (k

W)

Figura 1.- Diagrama de carga de iluminación de un local (la potencia conectada promedio es de 0,1 kW en 24 horas)

Cronograma de carga (edificio)

0

2

4

6

8

05:0007:0009:0011:0013:0015:0017:0019:0021:0023:0001:0003:00Horario

Carga(kW)

Figura 2.- Diagrama de carga de iluminación de un edificio (la potencia conectada promedio es de 4 kW en 24 horas)

5

III. Evaluación de las condiciones de servicio III.1. Eficiencia y Condiciones de Servicio en los sistemas de iluminación Las condiciones de servicio de una instalación de iluminación se relacionan con las necesidades visuales de los ocupantes de los ambientes iluminados. Si bien es cierto que el sistema visual humano posee una notable capacidad de adaptación, pudiendo desarrollar tareas bajo condiciones de iluminación muy distintas, hay un vínculo perfectamente demostrado entre bienestar y productividad con condiciones de iluminación. Esta es la principal razón por la cual la instalación de un local debe proveer a sus ocupantes la calidad de iluminación necesaria para el tipo de actividad que allí se realice, preocupación propia de quien controle el sistema o Administrador. Estas son las denominadas Condiciones de Servicio que deben caracterizar a toda instalación de iluminación. Las condiciones de visión, confort y atmósfera visual (8), que en adelante se mencionarán simplemente como “Condiciones Visuales y de Diseño” (CVD), son el objetivo primordial de todo sistema de iluminación y nunca deberían situarse por debajo de los valores mínimos recomendables, bajo riesgo de deteriorar la seguridad laboral, la higiene visual o la productividad. El análisis de la eficiencia de un sistema de iluminación requiere como punto de partida la definición de cada uno de los componentes de las CVD:

Condiciones de visión: aquellas necesarias para el desarrollo normal de las actividades visuales del local; están satisfechas por la mínima cantidad de luz necesaria sobre el plano de trabajo.

Confort visual implica la ausencia de deslumbramiento y el correcto balance de luminancias.

Atmósfera Visual: (o Ambientación) puede definirse como la impresión que el espacio iluminado causa en las personas, producida por una conjunción de aspectos del local como color de paredes, tipo y disposición de mobiliario, etc. La iluminación juega un papel preponderante en la ambientación.

Las condiciones de visión y confort están especificadas, según el tipo de tareas, en las normas de diseño adoptadas para la instalación. En la República Argentina las normas elaboradas por la Asociación Argentina de Luminotecnia y el Instituto IRAM, IRAM AADL J2005 (10) e IRAM AADL J2006 (11) dan una aceptable orientación al respecto mediante parámetros físicos, susceptibles de ser mensurados o calculados. El más sencillo de estos, y por ende el más usado, es la Iluminancia Horizontal mínima sobre el plano de Trabajo, Ehmin, que es un parámetro de diseño de la instalación. La Iluminancia Horizontal Eh puede determinarse por medición o por cálculo. Este último caso se emplea en instalaciones proyectadas. En la medición de instalaciones hay que desechar cualquier aporte de luz natural, haciendo las verificaciones preferentemente en horarios nocturnos. A diferencia de las condiciones de visión y confort visual, mencionados anteriormente, la Atmósfera Visual no puede ser reducida a parámetros mensurables, quedando liberada al criterio y gusto del diseñador del espacio.

6

La preservación de las CVD es un punto primordial para el correcto abordaje de la eficiencia energética, lo contrario puede conducir a un detrimento de las condiciones de visión o de valorización del espacio. Si un local no reúne los valores mínimos de iluminancia (Eh < Ehmín), debe presuponerse que no está proveyendo a los usuarios las condiciones mínimas de visión, lo cual podría involucrar disconfort y baja productividad, además de configurar un incumplimiento de la Ley de Higiene y Seguridad en el Trabajo (11). Un sistema así no puede ser considerado eficiente aunque la cantidad de energía consumida fuera menor a cualquier otro.

IV. Evaluación de la eficiencia energética IV.1. El alumbrado como sistema conversor de energía El alumbrado puede ser considerado como un sistema conversor en donde la energía, de origen eléctrico, es transformada en “condiciones de visión, confort y de atmósfera visual” (CVD).

Sistema Conversor ENERGÍA

La conversión debe realizarse con la menor cantidad de energímínimas estén aseguradas. Esto —y no otra cosa— es la Eficie Si las Condiciones Visuales y de Diseño del espacio de unevaluarse la eficiencia de su alumbrado, mediante la cantidadUn sistema será más eficiente cuanto menos energía consuenergía? En cualquier período de tiempo, la energía del alumbrado es ig

[1] dE P dt= . donde:

E= Energía disipada por el sistema de iluminación (kWh),P= Potencia conectada de iluminación (kW) T= Período de tiempo considerado (horas), dt, su derivada

Debido a que la cantidad de luces en servicio de un sistemdurante el periodo T según las necesidades y uso de los localconstante, para lo cual es preciso realizar una integración parharía un medidor de energía:

[2] ∫=T

dttPE0

)(

siendo: E = Energía disipada por el sistema de alumbrado (kWh) en unP(t) = Potencia instantánea del sistema de alumbrado (kW).

Condiciones de Visión, Confort

y Atmósfera

a posible, siempre que las CVD ncia Energética.

local están satisfechas, puede de energía que está disipando. ma. ¿Cómo se determina esta

ual a:

dE, su derivada

a de alumbrado va cambiando es, la potencia P no permanece a calcular la energía, tal cuál lo

período entre 0 y T (horas)

7

Si se conoce el valor medio de la potencia P(t), (con un diagrama de cargas, por ejemplo) la ecuación [2] puede resolverse de la siguiente manera,

E = Pp T [3] con Pp = Valor medio de P(t) Los procedimientos para la obtención de los diagramas de carga han sido desarrollados en las secciones precedentes. Cuando no se disponen medios técnicos para realizar el monitoreo del edificio, pueden utilizarse otros procedimientos para la auditoría de eficiencia. Ellos se exponen en los puntos siguientes. IV.2 - Eficiencia energética de un sistema de iluminación Tal como ha sido mencionado en I.2, la eficiencia de un sistema de iluminación es la minimización del consumo de energía. De la ecuación [3] se infiere que esto puede lograrse minimizando la potencia (P) o el período de tiempo (T). Se involucran allí dos aspectos fundamentales en el tratamiento de la eficiencia, por un lado aquel intrínseco a la instalación, relacionada con la potencia (P), y por el otro, el tiempo de encendido (T) o uso que se haga de ella. De ello resulta que la eficiencia energética esta compuesta, por un lado, por la eficiencia energética de la instalación, y por el otro, por la eficiencia en el uso. Para tener una mejor percepción de esto último imagínese las luces que permanecen encendidas cuando los ocupantes abandonan los locales o el desaprovechamiento de la luz natural, dos situaciones de ineficiencia energética originadas en la falta de actitudes conservacionistas de los usuarios, antes que con la instalación en sí.

Eficiencia del Sistema = Eficiencia de la instalación + Eficiencia de uso

en donde: Eficiencia de la instalación es el mínimo requerimiento de potencia de la instalación

para lograr las condiciones de visión necesarias. Eficiencia de uso es el mínimo uso que puede hacerse de la instalación sin menoscabo

de las condiciones de visión. La razón de expresar la eficiencia del sistema como la suma de las eficiencias de la instalación y de uso es conceptual, para expresar el hecho de que cada una de ellas contribuye en definitiva al ahorro de la energía consumida (kWh). No se trata de una suma numérica. Ambas eficiencias serán abordadas separadamente a continuación. IV.3. Eficiencia energética de la instalación En la mayoría de los casos en que se trata la eficiencia, sólo se toma en cuenta la instalación, sin considerar el carácter de uso. La eficiencia de una instalación está definida por la potencia que se necesita para lograr las condiciones de visión, siendo el resultado de la eficiencia individual de sus componentes, lámparas, equipo auxiliar y artefactos.

8

Eficiencia de la instalación = Eficiencia de (lámpara + equipo auxiliar + artefacto) Al considerar la potencia en lugar de la energía, involucrada en la ecuación [3]; no es necesario la integración con el tiempo, lo que simplifica bastante los cálculos. ¿Cómo se determina la potencia?. En una instalación en estadio de proyecto, puede ser calculada, tal como se verá mas adelante en el punto IV.4. Cuando se trate de edificios existentes, además de los cálculos, puede recurrirse al relevamiento de la instalación, contabilizando, local por local la potencia de las luminarias. El conocimiento de la potencia de una instalación de iluminación de un determinado local es útil si puede ser comparado con el de otras instalaciones de referencia o bien con los estándares o recomendaciones en la materia. Para ello es apropiado utilizar una misma escala, convirtiendo valores absolutos en específicos o relativos. Éstos pueden estar referidos a la superficie de los locales (W/m2), al número de usuarios de la instalación (W per capita), a las condiciones visuales del local (W/lux), etc. De entre todos los índices el mas orientativo es la potencia específica de iluminación (Pei) expresada por los watt disipados por el sistema por unidad de superficie por cada 100 lux de iluminación horizontal (W/m2 por 100lx). De ello resulta que una instalación será más eficiente cuanto menor sea su potencia específica, Pei. Este índice facilita la comparación de diferentes tipos de locales, independientemente de su superficie y de su nivel de iluminancia. La modulación en 100 lux facilita la conversión entre diferentes tipos de locales ya que es coincidente con la modulación típica del alumbrado de interiores. A los efectos de facilitar la evaluación de la eficiencia, algunos valores típicos de potencia específica se muestran en la Tabla Nº I. Los mismos han sido obtenidos de referencias internacionales, de la auditoría de un número considerable de edificios de la República Argentina y sobre la base de modelos. Como puede observarse las instalaciones de alumbrado de nuestro país tienen un gran potencial de remisión energética respecto de las instalaciones Europeas (un 50%) lo que demuestra que son poco eficientes. De la misma manera es posible, de acuerdo a la CVD de cada tipo de local y a la tecnología disponible, desarrollar modelos de eficiencia, caracterizados con un índice de potencia específica de iluminación. Esos valores, calculados para equipos de industria nacional con balastos magnéticos de buena calidad, se muestran en Tabla Nº II. Esos valores pueden resultar orientativos para la evaluación de instalaciones. Los procedimientos para la estimación de esa potencia por cálculo o por medición están expuestos en el punto IV.4.

9

Tabla I - Valores característicos de potencia específica en instalaciones

Tipo de instalación Potencia específica [W/m2 100 lx]

Estado del arte 1,0 Promedio instalaciones Europeas (1996) 3,1

Máxima tecnología disponible en la Argentina (1998) 3,5 Promedio de instalaciones Argentinas (1996) 6,7

Instalación con lámparas fluorescentes T8, balasto y artefactos convencionales sin louver 5,5 – 5

Instalación con lámparas fluorescentes compactas y artefactos de luz directa/indirecta

6,0 – 5,5

Instalación con lámparas incandescentes 10 – 8

Tabla II - Valores recomendados de Potencia específica según tipo de local, válido para la República Argentina.

Tipo de local Potencia específica

[W/m2 x 100 lx] Locales comerciales

Vidrieras y escaparates Salones de venta

4,5 4

Edificios administrativos y Oficinas 3 a 4,5 Clínicas y Sanatorios

Pasillos y salas de espera Servicios

Lugares de atención y consultorios Salas de internación y reposo Sala de cuidados intensivos

3,5 3,5 4 5

5,5 Escuelas y Edificos Escolares

Aulas Pasillos y servicios

Patios y Salones de ceremonias Oficinas y salas de reuniones

Laboratorios

4

3,5 3,5 3,5 4,5

Industrias Naves con requerimiento cromático alto

Naves con requerimiento cromático medio Depósitos y salas de acopio

Áreas externas

4,5 3,5 3,5 3,5

10

IV.4. Cálculo de la potencia específica de iluminación Se verá a continuación de qué manera la potencia de la instalación está ligada con la iluminancia. La iluminancia horizontal puede ser calculada mediante la siguiente relación:

]4[S

NuE φ×=

siendo:

E : Iluminancia horizontal sobre el plano de trabajo (lux) N : Número de lámparas del local S : Superficie del local (m2) φ : Flujo luminoso de cada lámpara (lúmenes) u : Factor de utilización = flujo sobre el plano de trabajo / flujo de lámparas.

El factor de utilización es un índice que toma en cuenta el rendimiento conjunto integrando el artefacto y el local (12). A su vez,

]5[PbPl +

=φε

]6[)( PbPlNP +=donde:

ε = Eficacia luminosa de lámpara y equipo auxiliar (lm/W) -dato que se obtiene de la información técnica de lámparas y equipos auxiliares-

Pl = Potencia de lámpara (W) Pb= Potencia del equipo auxiliar (si lo hubiera) P = Potencia instalada

de [4], [5] y [6] resulta:

]7[ε⋅⋅

=u

SEP

o sea:

]8[1ε×

=× uSEP

Por definición, la potencia específica de iluminación, Pei, es:

]9[100SEPPei

×=

es decir:

11

]10[100ε×

=u

Pei

El índice Pei puede calcularse de distintas maneras ya sea que se trate de instalaciones existentes o en etapa de diseño. 1er. caso: para instalaciones proyectadas. La eficiencia de una instalación proyectada, que podríamos denominar “inicial”, puede calcularse con las ecuaciones [9] o [10]. La utilización de una u otra ecuación, depende de la información disponible. Si se utiliza la ecuación [9], debe efectuarse el cálculo de la Iluminancia E, para lo cual es imprescindible contar con la información fotométrica de la luminaria y de la lámpara a utilizar, provista por el fabricante. Si se utiliza la ecuación [10], la información fotométrica de la luminaria debería incluir el factor de utilización (u). 2do. caso: para instalaciones existentes. Para el cálculo se utiliza la ecuación [9] basada en la obtención de la iluminancia, la superficie y potencia por medición.

SEPPei

×=

100

siendo:

E : Iluminancia horizontal medida sobre el plano de trabajo (lux) Al utilizar valores medidos de iluminancia se involucra la pérdida de eficiencia por depreciación. Una comparación con los valores iniciales permitirá conocer qué parte de la potencia Pei es atribuible a este fenómeno. Ejemplo I Sea un local de 4 x 3 metros, iluminado con dos artefactos con 2 lámparas fluorescentes de 36W cada uno. La iluminancia media —medida- sobre el plano de trabajo es de 250 lx ¿Cuál es la potencia específica de iluminación de dicha instalación? Solución:

Superficie del local: S = 3 x 4 = 12 m2 Número de lámparas: N = 2 x 2 = 4 Potencia de lámpara: Pl = 36 W Potencia del equipo auxiliar: Pb = 9 W (dato de catálogo)

luxmWPei 100//612100

250)936(4 2=×

+=

12

Ejemplo II ¿Cuánto mejora la eficiencia si en el local del ejemplo I se reemplazan los balastos convencionales por electrónicos, sabiendo qué, según datos de catálogo, cada balasto disipa 3 W? Solución:

P = N (Pl + Pb) = 4 (36 + 3) = 156 W Pe = (156 x 100) / (12 x 250) = 5,2 Pe = 5,2 W/m2 /100lx

La eficiencia mejora un 13% Ejemplo III Se proyecta remodelar la instalación del ejemplo anterior, a fin de lograr una mejor eficiencia energética. Se ha elegido para ello un artefacto fluorescente doble parabólico de 2x36 W. ¿Cuánto mejora la eficiencia? Solución: El problema se encuadra en lo que se denominó instalaciones proyectadas (1er caso). Mediante el Método de las cavidades Zonales (12) u otro procedimiento de cálculo, con los datos fotométricos del artefacto, resulta para el local considerado una iluminancia horizontal de 390 lx. Utilizando la ec. [9]

]9[100SEPPei

×=

donde:

E : Iluminancia horizontal, medida sobre el plano de trabajo (lux)

E = 390 lx Pl = 36 W (dato) Pb= 9 W (dato de catálogo de equipo auxiliar) P = N (Pl + Pb) = 4 (36 + 9) = 156 W

Pei = (100 x 180) / (390 x 12) = 3,85

Si se utiliza la ec.[10], se obtienen los mismos resultados: u (dato obtenido de la información propia del artefacto de iluminación) = 0,45 ε : Eficiencia de lámpara (incluida equipo auxiliar) que se calcula así:

ε = φ / Pl+Pb [5]

φ = 2600/(36+9) = 57,78 lm/W

13

Pei = 100 / (0,45 x 57,78) = 3,85

Pei = 3,85 W/m2 / 100lx

El índice Pei mejora un 26% respecto del caso II y 36% respecto del caso I. Los ejemplos precedentes ilustran sobre los procedimientos de eficiencia. En el caso del Ejemplo II la disminución de la Pei se produce por una disminución de la potencia del sistema, lo que conduce a un aumento de eficiencia energética. En el Ejemplo III hay una disminución de la Pei, empero no significa necesariamente una disminución en la energía consumida en la iluminación, en razón de que se produjo por un aumento en el nivel de iluminación de 250 a 352 lux. Para que ello ocurra es necesario que disminuya la potencia del sistema, lo que puede lograrse eliminando una lámpara fluorescente o instalando un atenuador de iluminación. La primer solución es práctica y económica, sin embargo es preciso determinar si la uniformidad no es afectada. La segunda solución representa una inversión e introduce un elemento pasible de fallas. Un análisis más profundo, en atención a los requerimientos de servicio del sistema (CVD), y un análisis de costos, puede orientar sobre la decisión más conveniente a adoptarse para este caso.

IV. Pérdidas de energía y eficiencia Se considera dentro del rubro Pérdidas de Energía aquella parte de la energía disipada por el sistema que no es convertida en luz por causas que pueden ser revertidas por mantenimiento y que deteriora la eficiencia del sistema. Este ítem esta constituido por:

Pérdidas por Factor de Mantenimiento Circuitos en fallas energéticas

Las pérdidas por factor de mantenimiento están compuestas por pérdidas de eficiencia por depreciación luminosa, debido a envejecimiento de lámpara y artefactos, y por depreciación debido a la suciedad de lámparas y artefactos. Las pérdidas por fallas energéticas se producen por fallas en equipos que disipan energía y que, por su condición, no producen luz o la producen ineficientemente. Puede tratarse de equipos —fluorescentes- con arrancador “pegado” o con lámparas agotadas, reconocibles por simple inspección visual, los primeros se manifiestan en aquellas lámparas que tienen únicamente los extremos encendidos, y los segundos en las que permanecen contínuamente parpadeantes como en la fase de arranque. Dado que la depreciación de una instalación tiene un carácter dinámico, la evaluación debe tomar en consideración todos los aspectos que permitan determinar cuál es la eficiencia inicial previsible de la misma, independientemente del estado de mantenimiento de la misma.

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V. Recursos y organizacion del mantenimiento [Resultados obtenidos de un relevamiento de edificios realizado por el Departamento de Luminotecnia, Luz y Visión, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología de la Universidad Nacional de Tucumán.] Es apropiado, para quién va a realizar la evaluación de un sistema de iluminación, tener un conocimiento previo de las situaciones que es posible encontrar. A los efectos de una mayor ilustración sobre las instalaciones nacionales, se incluye resultados del relevamiento de un grupo de edificios realizado en la ciudad de San Miguel de Tucumán. La muestra estudiada comprendió 12 edificios no-residenciales, 11 de ellos públicos, abarcando 28.000 equipos de lámparas fluorescentes. En el relevamiento, se recopilaron datos sobre el tipo de instalación, carácter de uso de los locales, derroche, condiciones de servicio y mantenimiento de los mismos, local por local. Los datos recopilados muestran que, en la mayoría de los edificios considerados, las funciones de mantenimiento están descategorizadas, a juzgar tanto por los recursos materiales que se destinan a dicha función, como por el nivel técnico de los encargados en realizarla. Como resultado, se destacan ineficiencia energética y malas condiciones de servicio, afectando la relación costo/beneficio de los sistemas de alumbrado. Es frecuente que el mantenimiento de una instalación no sea realizado aunque ésta se haya depreciado por debajo de los límites admisibles de servicio o, peor aun, hasta que ha alcanzado valores ostensiblemente menores a los iniciales. Cuando ello ocurre se presenta una situación de sub-mantenimiento. V.1. Recursos humanos ¿Quién administra el sistema? Un aspecto a considerar en la evaluación del mantenimiento es la administración del sistema. Del relevamiento de edificios se desprende que, por lo general, está ejercido por personal de categoría intermedia, con funciones administrativas. En el 66% de los casos esta tarea es relegada a personal de menor rango quién, entre otras tareas, ejecuta las acciones de mantenimiento (Figura 3). En la mayoría de los casos, la fuerza laboral para las tareas de mantenimiento tiene una capacitación deficiente y se cubre con personal propia. Sólo se contrata personal especializado cuando se requiere realizar alguna tarea especial (Figura 4).

Categoría del Administrador

16%

48%36%

JERARQUICO INTERMEDIO MAESTRANZA

Figura 3: Distribución de la categoría del personal

15 destinado a administrar el sistema de iluminación

Categoría del Administrador

16%

48%36%

JERARQUICO INTERMEDIO MAESTRANZA

Figura 4: Distribución de la idoneidad de la mano de obra destinada al mantenimiento de los sistemas de iluminación

V.2. Recursos materiales En el relevamiento realizado se consideró la calidad de la instalación existente y la calidad de los materiales de reposición. La calidad de los artefactos existentes (pintura, hermeticidad, pulido de espejos, etc.) y de los equipos auxiliares (conexionado, sello de conformidad con normas, etc.) es buena en términos generales (figura 5). Ello puede explicarse por las especificaciones adecuadas utilizadas en la construcción de los edificios, especialmente en los de reciente data. Se analizó la calidad de los materiales incorporados a la instalación como reemplazo de los que se deterioran, observando las especificaciones de compra. Éstas se consideraron adecuadas cuando se basaban en especificaciones técnicas que conduzcan inequívocamente a la compra de productos de buena calidad, sea esta verificable con sello de conformidad, marca probada y reconocida, etc. Los resultados indican que las especificaciones técnicas y, consecuentemente, la calidad de los materiales adquiridos es escasa (figura 6). Un dato con importantes implicancias energéticas es que, por efecto de la baja calidad de los arrancadores, las instalaciones están impedidas de usar lámparas fluorescentes tubulares T8 de 36 W, que consumen 10% menos energía que las T12 de 40W y tienen idéntico flujo luminoso. Solo 1.878 lámparas (menos del 7%) de las 28.000 censadas son de bajo consumo. Esto podría deberse a las dificultades de encendido que tienen las lámparas eficientes con los arrancadores de mala calidad, lo cual lejos de ser atribuido a la calidad de los arrancadores es achacado erróneamente a las lámparas T8 y por lo tanto desechadas en el momento de la reposición.

calidad de componentes de la instalación existente56%

35%

9%

BUENA ACEPTABLE DEFICIENTE

Figura 5. Distribución de la calidad de los componentes de la instalación existente.

16

Especificaciones de compra de materiales de reposición

8%

32%

60%

ADECUADA INTERM EDIA DEFICIENTE

Figura 6. Distribución de las especificaciones de compra de materiales de reposición.

V.3. Planificación del mantenimiento En el 100% de los edificios relevados no se hace sino mantenimiento correctivo o eventual (Figura 7). Muchos administradores de sistemas importantes preguntaron si era necesario planificar algún tipo del mantenimiento. Las acciones de corrección obedecen a estímulos que parten de los usuarios que reaccionan ante situaciones que les causan molestias. Ello explica por qué el porcentaje de mantenimiento puntual es tan alto (Figura 8) y las oficinas y locales de uso privado tienen mejores condiciones de servicio que los lugares de circulación, halls y pasillos. (Figura 9). También, y en importante medida, las tareas de mantenimiento obedecen a razones ajenas a la finalidad de los propios sistemas de alumbrado, tales como remodelación del edificio, cambio de funciones, etc. que agrupamos en el ítem “eventuales” en la encuesta realizada.

caracter del mantenimiento

-

40,00

60,00

P R EVEN TIVO C O R R EC TIVO EVEN TUA L

0%

Figura 7. Distribución del carácter del mantenimiento: preventivo, correctivo o eventual.

Tipo de mantenimiento practicado

24%

76%

En Bloque Puntual

Figura 8. Distribución del tipo de mantenimiento aplicado: puntual o en bloque.

17

Depreciación por tipo de uso del local

38%

61% 68%

PRIVADO PUBLICO CIRCULACION

Figura 9. Distribución de depreciación según el tipo de local: privado, público y de

circulación. V.4. Pérdidas de condiciones de servicio y energéticas Se contabilizó la disminución del nivel de iluminación local por local, respecto de los valores iniciales, producida por la combinación de los siguientes factores: depreciación de lámpara por envejecimiento, depreciación de lámparas y artefactos por suciedad, lámparas faltantes (o que no encienden) y circuitos en falla (no producen luz). Se ha constatado que alrededor de 2,7 % de los equipos instalados observa falla de arrancador y 0,6% falla de lámpara, cantidades nada despreciables. Ya que lo que interesa es el impacto económico del fenómeno, hay que destacar que, además del consumo energético propio, los circuitos en falla conducen al desgaste acelerado de componentes. Consecuentemente, el impacto en los costos operativos de los circuitos en falla energética tiene mayor peso que los circuitos normales. La depreciación encontrada en este estudio es en promedio de casi el 40%, tal como se muestran en la figura 10.

Pérdida de condiciones de servicio (%)(promedio: 38%)

3542

5848

31 33

48

3528 31

4138

DCU DGRP ETPA FAAZ FAU FCE FCEyT FDM HDNJ HP IUNT BPT

EDIFICIO

DEP

REC

IAC

ION

LUM

INO

SA (%

)

Figura 10. Porcentaje de las pérdidas de condiciones de servicio en términos de la disminución de los niveles de iluminación para cada una de las oficinas relevadas que se indican con siglas en el eje horizontal.

Los resultados de las pérdidas de energía, es decir la disipación de energía que no produce luz (ver punto IV) es, en promedio, del 27%, según se muestra en la figura 11.

18

Pérdidas de energía(promedio: 27%)

26

39

19 16 1814

2834

21

3226

43

FAAZ FCEyT FDM FAU DCU FCE IUNT HDNJ HP ETPA DGRP BPT

EDIFICIO

Pote

ncia

de

pérd

ida

(%)

Figura 11. Porcentajes de Pérdidas de Energía debido a los diversos factores para cada una de

las oficinas relevadas que se indican con siglas en el eje horizontal. V.5. Conclusiones: Procedimiento de evaluación La descategorización de las funciones de administración y mantenimiento de los sistemas de iluminación y baja eficiencia en los edificios estudiados es una consecuencia de la práctica adoptada para reducir costos y de la ignorancia de los procedimientos más apropiados para encarar tales funciones. También influye el desconocimiento de la importancia de la iluminación sobre el confort y rendimiento de los usuarios (9). Las encuestas realizadas en Tucumán permitieron ajustar un método de evaluación (8) que incorpora también recientes referencias internacionales sobre mantenimiento (5), (6), (7). El procedimiento RELEVA (Relevamiento y Evaluación), que se adjunta en el Anexo, ha sido diseñado para sistematizar el relevamiento de instalaciones de iluminación de edificios de una manera rápida y sencilla. Se apoya en una ficha donde se detalla la información obtenida por los procedimientos de relevamiento, otra ficha permite la evaluación posterior, orientada por una cartilla de instrucciones. Se requiere en términos de instrumentos solamente un luxímetro y el personal que participe conviene que tenga ciertas nociones de circuitos con lámparas de iluminación, junto con las instrucciones sobre el llenado de la ficha. Completa el procedimiento una planilla que permite la inmediata evaluación de la instalación ya que contiene las operaciones necesarias para ello.

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Bibliografia (1) Slater A. et al., 1993. “Realising the potential for energy efficiency in office lighting”

Right Light 2 Conference, Ahrnem. (2) EPA, 1987. Green Lights Program: A Bright Investment in the Environment, U.S.

Environmental Protection Agency. (3) Ibíd. (4) Assaf L., C. Cisint, 1994. “Costos ocultos de la Instalación de luz sub-mantenida” -

Revista Megavatios, Nº163, Junio. (5) Assaf L., C. Cisint, 1993. “Uso y mantenimiento de instalaciones de alumbrado de

edificios no-residenciales desde una nueva optica: la administracion energetica” Revista Electrotecnia, órgano de la Asociación Electrotecnica Argentina.

(6) Assaf L., C. Cisint, V. Arreyes, 1995. “Descategorización del mantenimiento y su impacto

en los costos operativos de instalaciones de alumbrado de edificios no-residenciales de la República Argentina”, VIIIº Congreso Iberoamenricano sobre Mantenimiento. Federación Iberoamericana sobre Mantenimiento, Buenos Aires Noviembre.

(7) AEA, 1984. “Reglamento para la ejecución de instlaciones eléctricas en inmuebles”,

Asociación Electrotécnica Argentina, Edición aprobada el 8/8/84,ISBN 950-659-0001. (8) Narisada, K., 1999. “Balance between energy, environment and visual performance”.

Proceedings of the CIE. Publication Nº 133. Vol. 1 Part 1, pp. 17- 22 ISBN 3 900 734 93 3. Varsovia, Junio.

(9) IRAM, 1973. IRAM AADL J2005 Iluminación artificial en interiores. Características.

Instituto Argentino de Normalización. (10) IRAM, 1972. IRAM AADL J2006 Iluminación artificial en interiores. Niveles de

iluminación. Instituto Argentino de Normalización. (11) Ley Nacional Nº 19587 de Higiene y Seguridad en el Trabajo (12) Bühler C, C. Hamakers, 1971. Interpretación y uso de información fotométrica de

luminarias para el alumbrado de interiores. Laboratorio de Luminotecnia, Instituto de Ingeniería Eléctrica, Fac de Ciencias Exactas y Tecnología, Universidad Nacional de Tucumán, UNT.

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ANEXO

formulario RELEVA

EVALUACION DE SISTEMAS DE ALUMBRADO DE EDIFICIOS 1 – DATOS GENERALES

Ficha Nº: Fecha: hs:

Edificio:

1.I – Identificación del edificio

Dirección Dependencia Función Antigüedad

Climatización:

Central Individual Mixta Ninguna

2 - EVALUACION DEL MANTENIMIENTO

2.I – Planificación del mantenimiento

Carácter Ns/Nc Tipo Ns/Nc Preventivo Correctivo Eventual En bloque Puntual

2.II – Frecuencia entre servicios

Meses Instalación abarcada por el servicio (%) 2.III – Recursos Materiales

Calidad de Equipos

Buena Aceptable Deficiente Reposición de equipos (especificación de compra)

Adecuada Intermedia Deficiente 2.IV – Recursos Humanos

Administrador o responsable

Jerárquico Intermedio Maestranza Fuerza laboral (mantenimiento) Especialización del personal Contratada Mixta Propia Adecuada Intermedia Deficiente

3 - EVALUACION DE LA INSTALACIÓN EN LOCALES

3.I General Local Nº Cantidad de locales

similares Uso

Cat.ambiental Limpio Intermedio Sucio

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3.II – Datos del local Puestos de Trabajo: Uni o bi personal Multipersonal: Dimensiones

local Ventanas Obstrucciones de ventana (promedio)

u x v Altura Sup. u x h Orient. Dispositivo

de sombra Poca <20%

Media 20-60%

Alta >60%

N S E O 1 2 3 4 5 6

N S E O 1 2 3 4 5 6

1-Celosías plegables, 2-Persianas, 3-Venecianas (tipo vainilla), 4-Parasoles de movimiento vertical y basculante, 5-Vainillas verticales u horizontales regulables, 6-Parasoles externos fijos. 3.III – Uso de la Instalación Hs. Encend/día Días/semana Semanas/año

3.IV- Condiciones de servicio Iluminancia horizontal promedio sobre el plano de trabajo: Hora: claro nublado semi-nublado

[Croquis del local] 3.V – La instalación

LUMINARIAS Tipo 1 2 3 4 Otro

Cantidad Nº lámp/ T.lámpara Potencia Enciend Apagad Parpade Encextre

LUMINARIA: Fijación: Aplique Plafond Suspendida Proyector Localizada A – Luminaria para lámparas lineales fluorescentes Cuerpo o reflector: Chapa Pint. Aluminio Aluminio AP Forma: Listón Pantalla Canaleta Louver: Chapa pintada Aluminio Aluminio AP Forma: Parabólico Dobleparaból. Persiana Casetón Reticulado Difusor: Cristal Opal

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B - Luminaria para lámparas circular fluorescentes C - Luminaria para lámparas Fluoresc.Compacta modular Cuerpo o reflector: Chapa Pint. Aluminio Aluminio AP Forma: Cajón Tacho Combinado Louver: Chapa pintada Aluminio Aluminio AP Forma: Parabólico Dobleparaból. Casetón Reticulado Difusor: Cristal Opal Chapa perforada D - Luminaria para lámparas incandescentes Artefactos simétricos y decorativos E – Luminaria para lámparas fluorescentes compactas (integrales) Artefactos simétricos y decorativos F - Luminaria para lámparas halógena Baja Tensión Reflectoras Los artefactos de estas lámparas no cumplen función óptica alguna. G - Luminaria para lámparas halógena de Baja Tensión, bipines Sólo a los efectos decorativos H - Luminaria para lámp.de halogenuros metálicos de baja potencia, terminal doble I - Luminaria para lámparas de cuarzo-iodo Proyectores Campana Tacho J - Luminaria para lámpara de halogenuros AP a rosca Proyectores Campana Naval

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AUDITORÍA EN ILUMINACIÓN DE EDIFICIOS

Instructivo para el llenado de la ficha RELEVA El encuestador deberá tomar en consideración las siguientes instrucciones y recomendaciones antes de iniciar su tarea. AUTORIZACIÓN: El relevamiento parte de la obtención de autorización del (los) que tiene (n) la máxima responsabilidad en la seguridad y administración del edificio, quien (es) deberá (n) estar perfectamente en conocimiento de cuáles son los alcances y objetivos de la misma, del tipo de información a recabar y del procedimiento para conseguirla. PROCEDIMIENTO: La autorización es por lo general comunicada a los niveles de logística o maestranza con quienes, durante la fase de Procedimientos, el encuestador deberá mantener estrecha comunicación a los efectos de solucionar cualquier inconveniente que surgiera o para obtener la información que fuera necesaria. Antes iniciar el procedimiento de relevamiento el encuestador deberá realizar un análisis del edificio, horarios de funcionamiento, los locales que lo componen, las circulaciones, niveles, áreas de servicio, accesos, etc.

Llenado del formulario El éxito de la presente encuesta depende de la confiabilidad de los datos recabados y de la correcta interpretación que tenga el encuestador de los rubros que la componen. Se ha incluido las presentes notas explicativas de algunos ítems a los efectos de su mejor interpretación. 1.I - Identificación del edificio Deberá consignarse los datos que permitan la identificación del edificio, su ubicación, función y dependencia o institución a la que pertenece. Función: Consignar la función principal del edificio. Antigüedad: se considera la antigüedad de la instalación si esta fuera distinta a la del edificio, caso de edificios acondicionados o remodelados. Climatización: Central: está servido por un equipo único, siendo característica de reconocimiento los conductos de distribución y difusión de aire. Individual: Algunos o todos los ambientes cuentan con su propio sistema de climatización.

2 - EVALUACION DEL MANTENIMIENTO La información sobre este rubro es suministrada por los responsables del mantenimiento del edificio. 2.I – Planificación del Mantenimiento Carácter: Preventivo: cuando las acciones tienden a contrarrestar problemas que se prevee van a ocurrir -o sea antes de que ocurran- tal como la reposición de lámparas antes de que alcancen un cierto grado de deterioro, o limpieza de la instalación antes de que la depreciación luminosa afecte las condiciones de servicio, etc.

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Correctivo: cuando la acción está precedida por el deterioro de la instalación: lámparas quemadas o excesivamente depreciadas, niveles de ensuciamiento de la instalación por encima de los admisibles, etc., Eventual: cuando la acción obedece a factores ajenos a las propias causales de la instalación: Remodelación general, quejas de los usuarios, necesidad de recuperar el buen aspecto y apariencia del edificio, etc.NS/Nc: No sabe/ No contesta. Tipo: Puntual: que la acción (preventiva o correctiva) se ejecuta con los artefactos o locales en los cuales se detectaron deficiencias. En bloque: cuando la acción involucra partes considerables o toda la instalación en conjunto, reemplazando lámparas que han alcanzado su vida útil, sin contemplación de que enciendan o no. NS/Nc: No sabe/ No contesta. 2.II - Frecuencia entre servicios Meses entre dos servicios de mantenimiento consecutivos. Instalación abarcada por el servicio: Si el servicio se realiza por Bloque, es la parte (medida en número de luminarias, superficie, locales o ítem similar), respecto de toda la instalación, que se somete al servicio. Si fuera toda la instalación es entonces 100%. 2.III - Recursos Materiales Calidad de luminarias: Se evalúa la calidad de los artefactos ( pintura, hermeticidad, pulido de espejos, etc.) y de los equipos auxiliares (conexionado, sello de conformidad con normas, etc.). Requiere la observación de, al menos, un artefacto representativo de la instalación (deberá disponerse de medios técnicos adecuados a ese fin) Especificación de compra: Tiende a recopilar información sobre la calidad de los materiales que son incorporados a la instalación como reemplazo de los que se deterioran. Es para ello necesario evaluar las especificaciones de compra. ¿Garantiza las especificaciones de compra, que los materiales sean de buena calidad, o únicamente se atiende al costo de los mismos o a la simplicidad de la compra , sin mayor preocupación en cuanto a la calidad de los materiales? Se considerará que esta es: Adecuada: Cuando la reposición de los materiales sea basada en especificaciones técnicas que conduzcan inequívocamente a la incorporación de productos de buena calidad, sea esta verificable con sello de conformidad, marca probada y reconocida, etc. Intermedia: Cuando la reposición de equipos incluya parcialmente o incompletos ítems de calidad. Deficiente: Cuando la reposición de equipos se efectúe sin ninguna, o muy escasa especificación de calidad. 2.IV - Recursos humanos Administrador o responsable: Categoría de quién es el encargado de tomar la decisión sobre el mantenimiento de la instalación (no quien ejecuta el mantenimiento) . Fuerza laboral: Quien ejecuta el mantenimiento, por cuenta y orden del administrador o responsable. ¿Es personal propio o es alguien ajeno a la empresa a quién se suele contratar con un fin específico? ¿Cuenta con suficientes conocimientos sobre instalaciones de alumbrado para solucionar de la mejor forma los problemas que el mantenimiento racional de una instalación demanda, o bien es personal no especializado, que normalmente desempeña otras funciones dentro de la organización y a quién eventualmente se recurre para solucionar los problemas en el alumbrado? Contratada: se trata de personal ajeno a la organización al que se le encarga una limitada tarea de mantenimiento. Propia: cuando el mantenimiento es realizado por el propio personal en relación de dependencia con la organización que administra el edificio. Mixta: es el caso en que ciertas tareas son contratadas con personal ajeno (generalmente las tareas que requieren mayor especialización) quedando otras para ser realizadas con personal propio.

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Uso: horas por día en las que la instalación está en uso. Días por semana y semanas al año de uso. En caso de días de uso parcial, deberá prorratearse entre los restantes días de la semana, lo mismo para períodos mensuales, vacaciones, receso, etc. Calidad de luminarias: Se evalúa la calidad de los artefactos (pintura, hermeticidad, pulido de espejos, etc.) y de los equipos auxiliares (conexionado, sello de conformidad con normas, etc.). Requiere la observación de al menos un artefacto representativo de la instalación (deberá disponerse de medios técnicos adecuados a ese fin) 3 - EVALUACION DE LA INSTALACIÓN DE ALUMBRADO DE LOCALES 3.I - General Local Nº: Esta identificación debe permitir la diferenciación de los diferentes locales del edificio sin riesgos de equivocaciones. Uso: Consignar el tipo de tarea que se desarrolla en el local, sea administrativo, control, sanitario, atención a clientes, etc.. Utilizar preferentemente la información suministrada por los administradores del edificio o los responsables del local. Categoría ambiental del local: Está determinada por el la cantidad de polvo o material particulado proveniente del exterior o generado dentro del local o edificio. El polvo suele depositarse por gravedad principalmente en superficies horizontales o electrostáticamente en dispositivos con campos electromagnéticos, tales como lámparas y luminarias. 3.II - Datos del local Puestos de trabajo: Uni o bipersonal: Local celular con uno o dos puestos de trabajo Multipersonal: Local con tres o mas puestos de trabajo, deberá consignarse la cantidad de ocupantes que pueden desarrollar sus tareas allí, en la máxima capacidad de ocupación. Dimensiones: Consignar las dos dimensiones de la planta, u x v, siendo u la dimensión de la pared que contare con ventanas. En el caso de ventanas en mas de una pared, se deberá usar el siguiente renglón. Altura: consignar la altura del local, si se tratare de un techo con doble altura, por ejemplo 3 y 5m, consignar 3/5. En aquellos casos en que las alturas sea una diferenciación virtual de un mismo local, deberá tratarse como dos locales separados, utilizando el renglón seguido. Es el caso de áreas de atención al público y circulación en los accesos de edificios importantes. Ventanas: Consignar: Superficie (Sup.), Orientación (Norte Sur Este Oeste), El tipo de dispositivo de sombra: se incluyen las opciones más corrientes:1-Celosías plegables, 2-Persianas, 3-Venecianas (tipo vainilla), 4-Parasoles de movimiento vertical y basculante, 5-Vainillas verticales u horizontales regulables, 6-Parasoles externos fijos Obstrucciones de vetana: Es una estmación sobre los elementos que impiden el ingreso de la luz natural. Las obstrucciones son producidas por los propios dispositivos de sombra que poseen las ventanas. No se toma en consideración las obstrucciones EXTERNAS, proveniente de edificios, construcciones adyacentes, vegetación, etc.

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3.III – Uso de la Instalación Uso: horas por día en las que la instalación está en uso. Días por semana y semanas al año de uso. En caso de días de uso parcial, deberá prorratearse entre los restantes días de la semana, lo mismo para períodos mensuales, vacaciones, receso, etc. 3.IV- Condiciones de servicio Es la iluminancia horizontal medida a una altura sobre el piso definido por el plano de trabajo mas importante del local. A los efectos de facilitar su evaluación se ha dispuesto un espacio para que el encuestador realice un croquis a mano alzada del local. Allí puede consignarse la ubicación de las luminarias, puestos de trabajo, etc. en lápiz. Los puntos de medición de iluminancia estarán demarcados en el croquis con una equis, y el valor de iluminancia consignado sobre de ella. La cantidad de puntos a medirse depende de las dimensiones del local y de la regularidad de distribución de luminarias. Se sugiere una retícula de no mas de 1.5 x 1.5 metros. Nota: No es necesario efectuar el cálculo del promedio de iluminancia 3.V – La instalación La planilla está diseñada de manera de permitir en forma sucinta la inclusión de diferentes tipos (hasta 5) de luminarias que pueda encontrarse en un mismo local, las que se individualizará con un número. A los efectos la descripción de cada tipo se deberá seleccionar marcando con un círculo las características mas similares a las opciones que se incluyen y colocando el número del tipo al que hace referencia sobre de cada círculo. Ejemplo: en un local a con 6 artefactos para tubos fluorescentes tipo canaleta de chapa pintada con louver persiana de aluminio de 2 tubos de 36 W a los que se ha designado como “tipo 1”. En este caso la planilla de la instalción correspondería llenarse de la siguiente manera: 3.V – La instalación

LUMINARIAS Tipo 1 2 3 4 Otro

Cantidad 6 Nº lámp/ 2 T.lámpara A Potencia 36 Enciend 10 Apagad 1 Parpade 1 Encextre --

LUMINARIA: Fijación: Aplique Plafond Suspendida Proyector Localizada A – Luminaria para lámparas lineales fluorescentes Cuerpo o reflector: Chapa Pint. Aluminio Aluminio AP Forma: Listón Pantalla Canaleta Louver: Chapa pintada Aluminio Aluminio AP Forma: Parabólico Dobleparaból. Persiana Casetón Reticulado Difusor: Cristal Opal 27

B - Luminaria para lámparas circular fluorescentes C - Luminaria para lámparas Fluoresc.Compacta modular Cuerpo o reflector: Chapa Pint. Aluminio Aluminio AP Forma: Cajón Tacho Combinado Louver: Chapa pintada Aluminio Aluminio AP Forma: Parabólico Dobleparaból. Casetón Reticulado Difusor: Cristal Opal Chapa perforada ... Selección de tipo de luminaria La luminaria tiene un amplio rango de clasificaciones, según sea su fijación, tipo de lámpára, características ópticas, etc. Clasificación según su Fijación Aplique: está directamente en contacto con la pared o embutida en él Plafond: está directamente en contacto con el cieloraso o embutida en él. Suspendida: Está separada por una distancia importante del cieloraso, posee elementos de suspensión, tales como cadenas, barrales o tensores. Proyector: Es una luminaria orientable de haz estrecho. Por lo general está separado de paredes o cieloraso, a fin de poder ser orientado. Aplique Plafond Suspendida Proyector

Fig. 1 - Diferentes tipos de fijaciones Artefacto para lámparas fluorescentes lineales Las lámparas fluorescentes lineales son las mas empleadas en edificios no-residenciales. Los artefactos cubren una amplia gama de modelos, siendo muy difícil establecer una clasificación que los abarque en su totalidad. En un artefacto puede reconocerse las siguientes partes ópticas: (1) el cuerpo reflector, o sea la parte de la superficie del artefacto enfrentado a la lámpara y (2) louvers o difusores, interpuesto entre lámparas y plano de trabajo. Los louvers y difusores no siempre están presentes en un artefacto. Materiales empleados en Reflectores y Louvers Pueden ser de chapa pintada, reconocibles por su color blanco mate, de aluminio (pulido, anodizado o abrillantado) caracterizado por su color metálico y textura semi-brillante y aluminios de alta pureza (AP), reconocibles por su alto factor de reflexión especular.

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Listón Pantalla Canaleta

Fig. 2 - Tipos de cuerpos reflectores

Louvers: Son superficies reflectoras, interpuestas entre lámpara y plano de trabajo para direccionar o apantallar haces de luz emergentes. Parabólico: Chapas de forma parabólica, dispuestas longitudinalmente a la lámpara,exclusivamente de aluminio de alta pureza (AP). Duoparabólico: Idem anterior, dispuestos tanto longitudinal como transversalmente a la lámpara. Cantidad: Número de luminarias de igual tipo Nº lámp/ Cantidad de lámparas de 1 solo artefacto de igual tipo T.lámpara: Seleccionar el tipo de lámpara correspondiente. Se incluyen los tipos mas comunes en los ambientes a auditar. Enciend. : cantidad de lámparas con capacidad de encender Apagad.: cantidad de lámparas que no encienden (se presume en falla) o que falta en los artefactos relevados. (Los siguientes ítems son aplicables a lámparas tubulares fluorescentes) Parpade: cantidad de lámparas que están parpadeantes (Tubos agotados). A los fines del cálculo de la potencia disipada estos equipos consumen el 90% de un circuito normal. Encextre: cantidad de lámparas encendidas en los extremos (falla en arrancador). A los fines del cálculo de la potencia disipada estos equipos consumen el 100% de un circuito normal. Otro: Este espacio es para agregar una breve descripción de artefactos que no pudieren ser clasificados con las opciones del formulario. Tipos de lámparas: Deberá seleccionarse el tipo de lámpara colocando la letra identificatoria en el casillero correspondiente, marcado como T.lámpara. A - Lámparas lineales fluorescentes La lámpara mas usual en el alumbrado no residencial. Entre ellas las potencias mas común es de 40 y 36W, de una longitud de 1200 mm. Luego le siguen las de 65W (1500mm) y 110W (105W), las que por su gran longitud (2400mm) solo son usadas en la iluminación de grandes espacios. Las lámparas fluorescentes de 20 y 30W, son cada menos frecuentes debido a que están siendo reemplazadas por las fluorescentes compactas. B - Lámparas circular fluorescentes Los artefactos son circulares, por lo general, para una sola lámpara y pueden poseer o nó difusores de vidrio o acrílico. 29

C - Lámpara Fluoresc.Compacta modular Es una lámpara alternativa de las incandescentes y –en ciertos casos– de las fluorescentes tubulares, debido a sus dimensiones mas reducidas. El aspecto que ofrecen los artefacto de lámparas compactas fluorescentes es similar al los que se utiliza para las tubulares, con louvers y difusores de idénticas características y materiales, aunque mas compactos. Los artefactos deben contar con un espacio para el alojamiento de los equipos auxiliares. Puede reconocerse las siguientes formas: Cajón: de forma cuadrada, con capacidad de varias lámparas Tacho: forma cilíndrica, que puede poseer reflector elipsoidal de aluminio Combinado: Posee louver (o difusor) que no cubre toda la boca del artefacto, sólo la lámpara. D – Incandescentes Artefactos simétricos y decorativos E - LFC integrales Los artefactos son similares a los utilizados en lámparas incandescentes, o sea simétricos y decorativos. F - Halógena Baja Tensión Reflectoras Los artefactos de estas lámparas no cumplen función óptica alguna, ya que éstas poseen su propio reflector. G - Halógena Baja Tensión bipines Generalmente usadas a los efectos decorativos. H - De halogenuros metálicos de baja potencia, terminal doble Proyectores Campana Tacho I - Lámparas de cuarzo-yodo Este tipo de lámparas están siendo reemplazadas por otras alternativas más ventajosas. Los artefactos comunes a las mismas son: Proyectores Campana Tacho J - Lámpara de halogenuros AP a rosca Proyectores Campana Naval Por su alta potencia estas lámparas sólo se usan para iluminación de grandes espacios.

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Capítulo 17

Impacto Ambiental de los Sistemas de Iluminación

Leonardo Assaf, Gautam Dutt y Carlos Tanides

1. Efectos asociados a la generacion de energía electrica 1.1. Cambio climático

1.2. Efectos de la contaminacion por SOX, NOX

1.3. Generación hidroeléctrica

1.4. Generación nuclear

2. La contaminación asociada a la generación eléctrica debido al consumo energético en la iluminación en Argentina

3. Desechos contaminantes de los sistemas de iluminación

4. Efectos biológicos nocivos

5. Polución luminosa o contaminación de luz 5.1. Distracción visual

5.2. Disconfort visual (deslumbramiento psicológico y fisiológico)

5.3. Velo astronómico

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Se ha visto en el Capítulo 1: Introducción la clara relación existente entre medio ambiente y energía y los muy diversos impactos producidos—que varían en importancia y en el alcance geográfico.

En particular, la iluminación constituye un importante consumo de electricidad, siendo de esta manera responsable, en la proporción de su consumo, de la degradación ambiental originada por la generación eléctrica. La contaminación atmosférica por la generación eléctrica cuando ésta se realiza en centrales termoeléctricas (que queman combustibles) representa uno de los mayores aportes de contaminación.

Por otro lado, los componentes de los sistemas de iluminación generan una diversidad de desechos contaminantes al fin de su vida útil, que en algunos casos son tóxicos a lo que habría que agregar los efectos biológicos nocivos, producto de las radiaciones asociadas a la iluminación. Por último, se puede mencionar la “Polución Luminosa” o contaminación de luz.

Se analizan en este capítulo cada una de estas manifestaciones ambientales asociadas a los sistemas de iluminación.

1. Efectos asociados a la generacion de energía electrica

1.1. Cambio climático Dada la estructura de fuentes que sustentan nuestras necesidades energéticas en donde el 86 % de la energía primaria utilizada por la humanidad proviene de la utilización de combustibles fósiles, emerge rápidamente que los problemas asociados a su extracción, transporte y consumo ocupan uno de los sitios más destacados dentro del conjunto de preocupaciones relacionadas con esta temática.

Las centrales termoeléctricas generan energía eléctrica a partir del empleo de combustibles (fósiles o no).

Realizando un análisis en forma teórica (ideal) considerando los componentes fundamentales de todo combustible fósil (y la biomasa) —carbono (C) e hidrógeno (H2)— tendremos que la combustión (oxidación) de estos elementos libera calor (efecto buscado) y produce principalmente CO2 y vapor de agua según lo muestran las siguientes ecuaciones:

calorOHOH

calorCOOC

+→+

+→+

2221

2

22

Las proporciones de CO2 y H2O emitidas dependerán, respectivamente, de las proporciones de C y H2 que se encuentren en el combustible quemado. El CO2 en la atmósfera contribuye al llamado Efecto Invernadero que se describe a continuación.

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Balance radiativo de la tierra y efecto invernadero1

La temperatura media de la Tierra queda determinada por la cantidad de energía entrante y saliente del planeta. Ahora bien, como la Tierra está suspendida en el vacío la única posibilidad de intercambiar energía con el exterior es a partir de los ingresos y egresos de radiación electromagnética, quedando excluidos los fenómenos de conducción y convección del calor. Por este motivo a la sumatoria de entradas y salidas de energía radiante se la conoce como Balance Radiativo de la Tierra.

Dentro de los ingresos de energía el único relevante es el constituido por la fracción de la radiación solar que llega a la Tierra2.

Las salidas de energía pueden ser clasificadas en dos grandes grupos: a) energía reflejada y b) radiación de onda larga.

La primera está constituida por la radiación solar reflejada directamente por la atmósfera, las nubes, los aerosoles en suspensión y por la superficie terrestre (albedo), mientras que la radiación de onda larga está determinada por la temperatura de la atmósfera, las nubes y la superficie terrestre y se produce, enteramente, dentro de la zona infrarroja lejana (con longitud de onda alrededor de 10 micrómetros, es decir diez veces mas largas que la radiación infrarroja cercana emitida por el Sol). La Figura 1 ilustra los ingresos y egresos de energía a la Tierra y algunos intercambios dentro de la atmósfera.

Figura 1. Radiación y balance energético terrestre. [IPCC, 1996, p.58]

1 El término invernadero proviene de la comparación con los invernaderos utilizados para aplicaciones agrícolas o

botánicas que basan su funcionamiento en el mismo principio. 2 La forma de la distribución espectral y la cantidad de energía de esta radiación quedan determinadas por leyes

físicas: la ley de la radiación de Planck y la ley de Stefan y Boltzmann respectivamente.

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Ahora bien, ciertos elementos (o materiales) se comportan selectivamente frente a las distintas longitudes de onda de la luz. Esto significa que la cantidad de radiación que dejan pasar (transmisividad) varía en función de la longitud de onda. En el caso particular del CO2 éste presenta una alta transmisividad para las longitudes de onda más cortas (como son las que llegan del Sol) y una baja transmisividad para las longitudes de onda pertenecientes a la zona de las infrarrojas lejanas (como lo es la radiación terrestre que corresponde a la de un cuerpo a temperatura de alrededor de 15 oC). La presencia de CO2 y otros gases con similares características implica que la energía se acumula en la atmósfera —mientras incide la radiación solar— elevándose la temperatura en su interior pues la cantidad de energía entrante es mayor que la saliente (emitida). En estas condiciones, la temperatura media de la Tierra aumenta hasta que se alcance un nuevo equilibrio entre la energía entrante y saliente. En síntesis, la atmósfera terrestre actúa como un gigantesco invernadero evitando la pérdida de calor por radiación al espacio exterior y manteniendo los valores medios de temperatura planetaria dentro de los rangos que hacen posible la vida tal cual la conocemos en la actualidad. Se estima que de no existir este Efecto Invernadero la temperatura media del planeta descendería alrededor de 30 C respecto de la temperatura media actual (15 oC).

Gases de efecto invernadero (GEI) y cambio climático

A los gases que tienen la propiedad, descripta en el punto anterior, de retener radiación de onda larga se los conoce como Gases de Efecto Invernadero (GEI).

El CO2 no es el único GEI, y ni siquiera es el más poderoso, aunque es considerado uno de los más preocupantes por las enormes cantidades que se emiten. Entre los GEI más importantes se pueden mencionar, el vapor de agua (H2O), el metano (CH4), el óxido nitroso (N2O), y los clorofluorcarbonos (CFC).

El aumento de la concentración de GEI y, por ende, incremento del efecto invernadero, es uno de los factores que interviene en la generación de un problema “global” conocido como Cambio Climático que se manifiesta como una variación en las magnitudes, y/o en los patrones de distribución espacial y temporal de las variables climáticas (temperatura, régimen de vientos, humedad, régimen de lluvias, etc.).

Entre las diversas causas que pueden provocar cambio climático se encuentran las externas y las internas (al planeta) y entre estas últimas las naturales y las origen humano.

Dentro de las causas externas se pueden mencionar las variaciones en la órbita terrestre alrededor del Sol (conocidas como Ciclos de Milankovitch), la variabilidad de la fuente solar debido a los ciclos de manchas solares sobre su superficie que alteran los niveles de radiación, la variación en el nivel de irradiancia total y el impacto de meteoritos o cometas.

Una de las causas internas de origen natural es la causada por las erupciones volcánicas que inyectan en la atmósfera enormes cantidades de polvo y aerosoles que reflejan los rayos solares3.

Finalmente, dentro de las diversas perturbaciones de origen humano introducidas en el sistema climático terrestre, está aquella asociada con la emisión de crecientes cantidades de GEI que es el tema que ocupa nuestra atención. En la Figura 2 se detalla la evolución en la concentración de CO2 en la atmósfera. Además de la estacionalidad, se observa un crecimiento continuo desde 1958.

3 La erupción del Monte Pinatubo (Filipinas) en 1991, determinó una disminución de la temperatura media de la

Tierra de 0,3 oC durante 2 años.

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Figura 2. Elevación de la cantidad de CO2 en la atmósfera. El trazo continuo oscuro representa mediciones efectuadas en la cima de una montaña en Hawai (Mauna Loa), mientras que la línea clara mediciones que comenzaron a realizarse a partir de 1980 en la Isla de Amsterdan (en la Antártida).

Datos y conjeturas acerca del Cambio Climático

Existe un gran debate científico acerca de las posibles consecuencias de un incremento del efecto invernadero debido a la intervención humana en el sistema climático terrestre, fundamentalmente debido a la enorme cantidad de incertezas y a la falta de conocimientos en muchas de las áreas involucradas. En principio para comprender cuáles son las consecuencias de la actividad humana en el sistema climático terrestre es necesario poder discernir entre la variación climática “natural” que resulta de causas externas o internas, ya enumeradas, y la originada por el hombre, tarea que no resulta simple.

Más específicamente, las dudas crecen al intentar:

a) estimar las emisiones futuras y el comportamiento de los ciclos biogeoquímicos de los GEI, aerosoles y precursores de los aerosoles y sus propiedades radiativas y;

b) modelar los procesos climáticos (las incertezas son mayores en los modelos hidrológicos que en los de temperatura), y especialmente cómo actúan las realimentaciones asociadas con las nubes, océanos, hielo marino y vegetación.

Por último, y no menos importante, existe un gran desconocimiento en el área de procesos no lineales —como lo es el sistema climático— que tienen un comportamiento impredecible ante variaciones forzadas.

Esta indeterminación conspira contra la adopción de políticas concretas para la reducción de las emisiones de CO2, contraponiéndose al Principio Precautorio que establece que: “ante la duda acerca de las consecuencias derivadas de una determinada acción y en ausencia de certeza científica en un determinado tema, deberán evitarse tomar las acciones”.

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Dentro del campo de lo que ya se ha comprobado científicamente, se puede realizar el siguiente resumen:

Las concentraciones atmosféricas de los GEI, dióxido de carbono, metano y óxido nitroso, han aumentado en forma significativa desde tiempos preindustriales (1750): aproximadamente 30%, 145% y 15% respectivamente (valores de 1992). Estas tendencias se pueden atribuir a la actividad humana, principalmente al uso de los combustibles fósiles, a cambios en el uso de la tierra y a la agricultura.

La temperatura media mundial del aire superficial se ha incrementado entre 0,3 y 0,6 oC desde fines del siglo XIX siendo los últimos años los más calurosos desde que existen mediciones, en 1860.

El nivel de los océanos se ha elevado entre 10 y 25 cm durante los últimos 100 años y gran parte de este incremento es debido al incremento de la temperatura media mundial.

Figura 3. Variación de la temperatura media de la Tierra, 1880-2000, respecto a su valor medio de largo plazo. Valores en grados Fahrenheit (F). 1 F = 0,55 C. La temperatura media ha aumentado alrededor de 0,5 C desde 1950.

A partir de estos datos los modelos acerca de la futura variación del clima terrestre se basan en evaluar las futuras emisiones de GEI y aerosoles teniendo en cuenta estimaciones acerca del crecimiento de la población y la actividad económica, patrones de uso de la tierra, los cambios tecnológicos, la disponibilidad y los tipos de fuentes energética, y de modelizaciones de la atmósfera y el océano efectuadas para el periodo el período 1990-2100. El escenario medio proyecta en términos generales:

Un calentamiento global que redundará en una mayor cantidad de días extremadamente calientes y en un descenso en la cantidad de días extremadamente fríos. El ciclo hidrológico se verá incrementado con mayores precipitaciones y humedad del suelo, sobre todo en el hemisferio norte. Habrá un incremento en el nivel de los océanos. Habrá mayor actividad fotosintética debido al aumento en la cantidad de CO2.

Y en forma más específica:

Un incremento de la temperatura media del aire de 2 C para el 2100 respecto de 1990. (Como dato comparativo tenemos que la variación de la temperatura media del planeta entre glaciaciones ha oscilado entre 3 y 5 C).

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Una elevación del nivel de los océanos de 50 cm, debido a su expansión térmica y el derretimiento de las masas de hielo polares.

Existen numerosos mecanismos internacionales que promueven de diferentes maneras —financiera, educativa, etc.— la reducción en las emisiones de los gases de efecto invernadero y principalmente del CO2. La reducción de estas emisiones es posible en muchas áreas, pero las medidas de eficiencia energética han demostrado ser las que tienen mejor efectividad entre todas las opciones.

1.2. Efectos de la contaminacion por SOX, NOX En el proceso de combustión, además de CO2 y vapor de agua se emiten otros gases. Uno de ellos es el dióxido de azufre (SO2), que proviene de la combustión del azufre contenido en el carbón mineral y en el petróleo. El SO2 a su vez se oxida formando el trióxido de azufre (SO3). El conjunto de óxidos SO2 y SO3 suele llamarse SOX. Otros a considerar son los óxidos de nitrógeno que surgen debido a que en la práctica no se utiliza oxígeno puro como comburente sino aire, compuesto principalmente por nitrógeno y a que, a su vez, los combustibles contienen una proporción de este elemento. A altas temperaturas en los procesos de combustión el oxígeno reacciona con el nitrógeno formando monóxido de nitrógeno (NO) que también oxida parcialmente, formando el dióxido de nitrógeno (NO2). La combinación de estos dos óxidos de nitrógeno se denomina NOX.

El SO3 y el NO2 combinan con el agua en la atmósfera transformándose en ácido sulfúrico (H2SO4) y ácido nítrico (HNO3), respectivamente.

Precipitación seca y lluvia ácida

En algunos casos las partículas de ácidos sulfúrico y nítrico originadas a partir de las emisiones de óxidos de azufre y de nitrógeno generados en los procesos de combustión desaparecen del aire por gravedad o por impacto contra los edificios, las plantas, el suelo, etc. produciendo la llamada «precipitación seca». En las cercanías de las fuentes de emisión, la precipitación suele ser "seca".

El resto de las partículas ácidas se disuelven en las gotas de lluvia y abandonan la atmósfera con las tormentas produciendo una precipitación más ácida de lo normal conocida como Lluvia ácida. Una lluvia “normal” tiene un grado de acidez (pH) de 5,6 aproximadamente. Técnicamente la lluvia se considera ácida si su grado de acidez es menor de 5,6. Desde la Revolución Industrial, la acidez de la lluvia ha aumentado en todo el mundo entre cinco y treinta veces. En algunos lugares, la lluvia es mil veces más ácida que antes. Este fenómeno comienza a evidenciarse desde 1930, pero toma importancia a partir de 1970. Uno de los casos de mayor acidez en la lluvia de los que se tiene noticia, tuvo lugar al principio de una tormenta en Pitlochry (Escocia), en 1974. El grado de acidez era de 2,4 lo que hizo a la lluvia tan ácida como el vinagre.

Los efectos sobre el ser humano y el ambiente dependen del tipo de sistema en cuestión, por lo que se tratarán por separado.

Efectos sobre la salud humana

Los efectos tóxicos de estos compuestos de azufre sobre los seres humanos y los animales, se deben a la presencia de partículas de polvo y aerosoles de ácido sulfúrico. La lluvia ácida en si misma no parece representar un peligro directo para la salud humana. Sin embargo, las partículas de sulfato que caracterizan la precipitación seca no son lo suficientemente grandes como para ser repelidas por la defensas del pulmón y suelen provocar trastornos respiratorios. La respuesta fisiológica a la acción irritante de estos compuestos es la broncoconstricción, con el consecuente desmejoramiento de la función pulmonar.

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Efectos sobre los vegetales

Los ácidos no sólo erosionan la superficie de las hojas, sino que también penetran obstruyendo la fotosíntesis.

La lluvia ácida perjudica la flora y fauna microbiana responsables en gran medida de la fertilidad de los suelos, y moviliza a los metales pesados que se encuentran en los suelos los cuales penetran en las plantas, intoxicándolas.

Se cree que la lluvia ácida puede reducir la producción de bosques de algunas zonas en un 10 %, pero resulta difícil distinguir los efectos de los distintos mecanismos causales que entran en juego. Experimentos controlados que simulaban lluvia ácida sobre cultivos agrícolas han demostrado que ésta también puede afectar su rendimiento.

El tema es de gran preocupación en el hemisferio norte (Europa Central, Escandinavia, América del Norte) en donde los bosques presentan distintos (a veces muy importantes) grados de daño.

Efectos sobre los suelos

Los óxidos de azufre y el ácido sulfúrico provocan, si su concentración es elevada, la destrucción de la vegetación. De esta forma los suelos se ven privados de la materia orgánica y aumentan su acidez, disminuyendo su capacidad de absorber agua y modificando por tal causa su estructura y textura. La ausencia de vegetación favorece la acción hídrica y eólica transformando el suelo en un desierto.

Los suelos poseen una capacidad de regulación que depende de la concentración de calcio. Muchos suelos, principalmente los de las regiones secas, son ricos en estos iones. Por el contrario, los de las regiones húmedas, entre ellos muchos del norte de Europa, noreste de Norteamérica y gran parte de los tropicales, están muy lixiviados y tienen concentraciones menores. Tales suelos son muy ácidos, con un pH medio en sus horizontes superiores de 4,0 - 4,5. La filtración de agua de lluvia con un bajo pH incrementa la tasa de lixiviación de los nutrientes.

Lagos y lagunas

La lluvia ácida sobre lagos y lagunas trae consigo dos modificaciones inmediatas: la primera y obvia es el descenso del pH en el cuerpo de agua, lo que determina una reducción de la cantidad de calcio en la misma. El plancton no soporta la acidificación, el zooplancton tampoco se desarrolla sucediendo lo mismo con las algas, destruyéndose asi la base de la cadena trófica.

La posibilidad de reproducción de los peces también se ve afectada pues sus huevos no resisten un pH bajo. Otras especies de peces mueren directamente a causa de la elevada acidez.

La segunda modificación, no tan evidente, es el aumento de la cantidad de metales provenientes de las tierras y rocas que rodean al lago y que son lixiviados por la lluvia ácida.

La lluvia ácida moviliza a los metales pesados de las rocas y de los sedimentos, yendo a parar a las aguas superficiales. Es por este motivo que los lagos con acidez en sus aguas contienen altos niveles de cadmio, mercurio, plomo, aluminio, magnesio, zinc, cobre y níquel. Todos estos metales pueden matar a los organismos vivos si su proporción es elevada: su muerte se debe más a la presencia de ellos que a la propia acidez de las aguas.

Efectos sobre construcciones y monumentos

El SO2 en presencia de partículas y humedad corroe diversos materiales como metales y mampostería. Estos ataques químicos pueden observarse en las instalaciones internas de las

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centrales termoeléctricas, que se encuentran ubicadas en las proximidades de las chimeneas de baja altura.

El efecto más visible de la lluvia ácida es el deterioro de edificios y monumentos, principalmente de los construidos de piedra caliza y mármol. Estas rocas, compuestas de carbonato cálcico, tienen excelentes propiedades como materiales de construcción, pero son extremadamente sensibles a los ácidos (muchas construcciones de mármol y piedra caliza de la Antigüedad han sufrido mucho más daño en los últimos 20 años que en sus primeros 20 siglos de existencia). Los efectos se hacen sentir también en estructuras modernas tales como puentes, vías de ferrocarril, etc.

1.3. Generación hidroeléctrica La construcción de represas hidroeléctricas, representa —en algunos casos— uno de los impactos ambientales del tipo local y/o regional más importantes producidos por el hombre. En particular aquellas que se ubican sobre los ríos de llanura y climas subtropicales y tropicales, resultan ser las más conflictivas por las enormes áreas que inundan y por la complejidad de los ecosistemas que afectan.

Toda central hidroeléctrica necesita de una presa que es una obra civil que interrumpe el curso normal de un río, acumulando agua «aguas arriba» de la misma formando un «embalse», y liberando o no agua en función de su destino dentro del sistema eléctrico.

Debido a la gran variedad de modificaciones producidas, se describirán someramente los distintos fenómenos por separado, aún cuando éstos se interrelacionan.

Modificación del caudal del régimen hidrológico. Debido a que las centrales hidroeléctricas tienen como función principal la generación de energía eléctrica la periodicidad de los caudales aguas abajo de la presa se pierde, en general, afectando a los ecosistemas como se verá más adelante4.

Características del agua del río. Es sabido que algunos ríos —como el Paraná—, arrastran gran cantidad de sedimentos confiriéndole al agua su característica turbiedad. El aquietamiento del agua en el embalse, permite que parte de estos sedimentos se depositen gradualmente en el fondo produciendo el fenómeno conocido como «colmatación», que va restando paulatinamente capacidad de almacenamiento al embalse hasta inutilizarlo5.

Aguas abajo de la presa, la disminución de la cantidad de partículas sedimentables —captadas en el embalse— afecta principalmente al delta del río en cuestión que son formaciones debidas a un delicado balance entre procesos de sedimentación y erosión.

La calidad del agua embalsada, por otro lado, también debe ser objeto de cuidado. La existencia de poblaciones debería obligar al tratamiento de los vertidos de cloacas y efluentes industriales para no deteriorar la calidad del agua.

Finalmente, la creación del lago eleva el nivel de la napa freática, y puede en algunos casos invertir el flujo de la misma, modificando las características del agua de las mismas.

Problemas sobre la fauna y flora. La destrucción del hábitat ocupado por el área inundada no requiere explicación, y afecta a todas las formas de vida. En el caso de ríos en climas

4 Para contrarrestar este efecto, en algunas oportunidades, se hace necesario construir un dique compensador que

regule el caudal enviado por la presa principal. 5 Este proceso puede verse acelerado por mal manejo de las cuencas: por ejemplo, la tala indiscriminada de selvas y

bosques para la utilización de las tierras en la producción agrícola y ganadera que aumentan la cantidad de sedimentos que transporta el río.

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subtropicales y tropicales los ecosistemas afectados son generalmente muy complejos y en vías de extinción.

Aguas abajo y en las orillas del embalse la vegetación se ve afectada ante la pérdida de regularidad entre los ritmos de crecientes y bajantes, quedando estas márgenes al descubierto y erosionándose.

Los peces son uno de los organismos más afectados por las represas. En los ríos Paraná y Uruguay existen muchas especies de peces que realizan migraciones reproductivas y tróficas: sábalo, dorado, etc. que ven interrumpido su viaje por una barrera infranqueable6.

La destrucción del área de desove y cría de los alevinos, por el área de inundación, agudiza la problemática que se les genera a los peces.

Problemas sobre el ser humano. Los problemas más directos generados sobre el ser humano están relacionados con la destrucción de los patrimonios históricos—tener en cuenta que los valles de los ríos han sido tradicionalmente los sitios donde han proliferado las civilizaciones—, caminos, poblaciones etc., y con los reasentamientos de población que conlleva la modificación de las pautas culturales7.

Además ciertas enfermedades se ven favorecidas por las condiciones que generan estos cuerpos de agua. Enfermedades como la esquistosomiasis y el paludismo son algunas de las más conocidas, y potencialmente peligrosas para la región de nuestro noreste. La primera es conocida en Brasil como la «enfermedad de las represas», y es producida por unos gusanos (platelmintos), que parasitan el sistema venoso del hombre produciendo disentería, cirrosis, etc.

1.4. Generación nuclear Las centrales nucleares utilizan elementos radioactivos para la realización del proceso de fisión nuclear responsable de la liberación de enormes cantidades de calor que, ciclo térmico mediante, es transformado en energía eléctrica. La generación de electricidad en centrales nucleares implica una variedad de riesgos ambientales. Entre ellos destacan las siguientes consideraciones:

Almacenamiento a largo plazo de desechos radiactivos. Algunos de los desechos de las centrales nucleares mantienen su radiactividad durante miles de años, por lo cual el almacenamiento a largo plazo de los mismos desechos es un problema que no ha sido resuelto satisfactoriamente en ningún país. En Argentina, hasta la fecha, no ha sido confirmado algún repositorio para dicho propósito.

Seguridad contra robo de material radiactivo. Se requiere de una pequeña cantidad de material radiactivo concentrado (menos de 10 kg de Uranio o Plutonio) para fabricar un explosivo atómico. Una substracción de los materiales, por parte de algún grupo terrorista, puede ayudar a la fabricación de tal explosivo e implica un gran peligro para grandes poblaciones humanas y ecosistemas. Por ello, el transporte y manejo de los materiales radiactivos concentrados —entre ellos ciertos desechos de centrales nucleares— requiere gran cuidado en cuestiones de seguridad.

Seguridad en la operación de los reactores existentes. Una central nuclear, en operación normal, no libera cantidades apreciables de material radiactivo, por lo cual su impacto ambiental es menor que muchas alternativas. Por otro lado, es posible diseñar y operar reactores nucleares minimizando la posibilidad de un accidente con la liberación de material radiactivo al ambiente.

6 Para solucionar este problema se construyen los «sistemas de transferencia de peces» que son dispositivos que

buscan subsanar este inconveniente aunque sin mucho éxito. 7 En Salto Grande fue necesaria la relocalización de 13.000 personas y alrededor de 40.000 habrá que reubicar

debido a Yacyretá.

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Sin embargo, se ha habido accidentes en el transporte de material radiactivo y un accidente notorio (en Chernobyl, Ukrania, en 1986) cuya consecuencia fue la muerte de decenas de miles de personas, hasta ahora.

Efectos sobre la salud. Los efectos de la radiación han sido estudiados con profundidad durante todo el siglo XX y han demostrado una mayor sensibilidad ante la radiación durante la etapa de la división celular, ya que entonces el ADN se está duplicando. La exposición constante a niveles bajos de radiación puede provocar anemia, leucemia, y/o cáncer. Los efectos del tipo genético podrían manifestarse en enfermedades como el síndrome de Down o la acondroplasia (una forma de enanismo). La exposición a niveles de radiación elevados como los debidos a accidentes o explosiones nucleares puede provocar náuseas, diarreas, úlceras, hemorragias y la muerte.

El cuestionamiento más importante a este tipo de generación se relaciona con la utilización de elementos radioactivos ya que los procesos relacionados con su extracción, utilización dentro de las centrales y finalmente su disposición final —una vez que alcanzan el fin de su vida útil— conllevan un peligro potencial de emisiones ya sea por mal manejo, fugas, accidentes. negligencia, mala intención, etc.

2. La contaminación asociada a la generación eléctrica debido al consumo energético en la iluminación en Argentina

La quema de combustibles fósiles utilizadas para la generación eléctrica libera los óxidos de azufre y nitrógeno, material particulado y el dióxido de carbono. Las emisiones de los distintos gases contaminantes se determinan a través de muestreos en las chimeneas de las plantas generadoras y la de CO2 a partir del contenido de carbono en los combustibles utilizados y la eficiencia de la generación eléctrica. La magnitud de las emisiones normalizadas por la energía generada se llama factor de emisión para el contaminante en cuestión. El Cuadro 1 muestra los factores de emisión de los gases mencionados para centrales a partir de combustibles fósiles en Argentina.

Cuadro 1. Factores de emisión (g/kWh) para los principales contaminantes producidos en centrales de combustibles fósiles en Argentina, 1994-1997. (Fuente: Massei, 1999) Factor de emisión en el año Contaminante 1994 1995 1996 1997 Dióxido de carbono (CO2) 586 576 563 606 Dioxide de azufre (SO2) 0.52 0.41 0.35 0.29 Óxidos de nitrógeno (NOx) 1.03 1.09 1.15 1.12 Material particulado 0.06 0.05 0.04 0.04

El gas natural es el principal combustible utilizado en centrales térmicas en Argentina. La creciente presencia de centrales de ciclo combinado, que son más eficientes que las centrales tradicionales ha implicado que el factor de emisión de CO2 ha caido de 727 g/kWh en 1990 a los valores indicados en el Cuadro 1. La predominancia del gas natural y la virtual ausencia de carbón mineral como combustible para la generación eléctrica en Argentina explican los factores muy bajos de emisiones para los contaminantes de aire locales (dióxido de azufre, óxidos de nitrógeno y material particulado).

El Cuadro 1 no incluye la contaminación de aire de otros tipos de centrales, ni contaminación de agua, degradación de suelos, polución térmica de ríos y lagos, etc.

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La electricidad utilizada para la iluminación se relaciona con la electricidad generada de la siguiente manera. Para cada kWh disipada en la instalación de luz, unos 1,15 a 1,20 debe ser generada, si uno toma en cuenta las pérdidas por transmisión y distribución.

Para analizar el impacto de la iluminación en Argentina, el primer paso es cuantificar el consumo de energía para la iluminación. Dicho impacto puede ser reducida mediante el uso eficiente de la energía en la iluminación. Para cuantificar este beneficio, se debe establecer el potencial de ahorro de energía y luego determinar la reducción en la generación de distintos tipos de centrales como consecuencia del ahorro. Un ejercicio de este tipo fue presentado por Assaf, Dutt y Tanides [2002]. La reducción en la emisión de los contaminantes mediante la iluminación eficiente en Argentina, estimado en aquel estudio, se muestra en el Cuadro 2.

Cuadro 2. Reducción en la emisión de los contaminantes en

Argentina, mediante la iluminación eficiente. Año base 2000. (Fuente: Assaf, Dutt y Tanides, 2002)

Contaminante Toneladas/año Dióxido de carbono CO2 5,09 x 106 Dióxido de azufre SO2 2.436 Óxidos de nitrógeno NOx 9.408 Material particulado 336

3. Desechos contaminantes de los sistemas de iluminación

Los sistemas de iluminación producen diversos tipos de desechos, siendo los más perjudiciales los correspondientes a lámparas de descarga agotadas. Año a año millones de lámparas son arrojadas a los basurales, muchas de ellas conteniendo residuos altamente contaminantes como el mercurio. Estos residuos son potenciados si la ampolla es destruida, cosa que lamentablemente ocurre en la mayoría de los casos, cuando la basura es comprimida para facilitar su traslado a los repositorios.

Cada lámpara de descarga, es decir casi todas menos las incandescentes, contiene mercurio, un metal pesado y tóxico que es liberado al ambiente cuando se descarta la lámpara. La cantidad de mercurio en una lámpara varia desde 3 a 50 mg (miligramos).

Las lámparas de mercurio de alta presión utilizadas en el alumbrado público y las mezcladores llevan la mayor cantidad de mercurio. Las lámparas de sodio de alta presión, utilizadas en el alumbrado público eficiente, también contiene mercurio pero de menor magnitud. La substitución de lámparas de mercurio de alta presión y de mezcladoras en el alumbrado público por las más eficientes lámparas de sodio de alta presión, también reduce la liberación futura de mercurio al atmósfera. Sin embargo, en dicha substitución, se liberaría todo el contenido de mercurio de las lámparas desechadas, a menos que se tomen las precauciones adecuadas.

Las lámparas de mercurio de alta presión y las mezcladoras deberán ser sometidas a rotura a fin de rescatar las bases (los mecheros), que posteriormente serán incluidos en bloques de hormigón. Debido al contenido de mercurio, la manipulación, el almacenamiento, el transporte y disposición final de estos elementos están sujetos a las disposiciones de la Ley Nacional 24.051 (Categorías sometidas a control: Y29 Mercurio, compuestos de mercurio) sobre residuos peligrosos8.

8 También existen leyes provinciales sobre residuos peligrosos, por ejemplo, la Ley Provincial de Buenos Aires

11.720.

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La industria ha realizado un esfuerzo para reducir el contenido de mercurio en las lámparas de sodio de alta presión, con lo cual mejoraría la situación aún más en el futuro.

Los tubos fluorescentes sostienen la descarga con el vapor de mercurio. Los tubos tradicionales T12 de 40 W llevaban alrededor de 30 mg de mercurio. Según información provista por Osram, las lámparas T10 de 40 W, fabricadas en Brasil contienen sólo 8 mg de mercurio, mientras existen modelos T8 36 W (Lumilux Plus Eco) con tan sólo 4,5 mg del metal en cuestión.

Mientras que para el año 1994, habíamos estimado emisiones totales de mercurio de 440 kg, este valor ha subido muy poco para el año 2000 (ver Cuadro 3), a pesar de un gran aumento en la cantidad de lámparas vendidas y descartadas, debido a la reducción en el contenido de mercurio de las lámparas y el mayor uso de lámparas de sodio de alta presión en lugar de mercurio.

Cuadro 3. Lámparas descartadas y emisiones de mercurio en Argentina,

por tipo de lámpara. Estimaciones para el 2000. Tipo de lámpara Cantidad

descartadas millones/año

Emisiones directas de mercurio kg/año

Incandescente 140 0 Fluorescente 13.7 386 Mezcladora 0.95 48 Vapor de mercurio 0.37 19 Vapor de sodio alta presión 0,41 8 TOTAL 461 Notas: Suponemos 5 mg de mercurio por lámpara fluorescente compacta, 20 mg por T8 fluorescente, 35 mg por T12 fluorescente, 50 mg por lámpara de vapor de mercurio (incl. mezcladoras) y 20 mg por lámpara de vapor de sodio. Las emisiones de mercurio de los combustibles fosiles utilizadas para la generación eléctrica no fueron consideradas aquí.

Las emisiones están dominadas por lámparas fluorescentes. En la medida que las instalaciones de iluminación se hace más eficiente con lámparas T8 trifósforo, de mayor duración que las T12 tradicionales y con menor contenido de mercurio por lámpara, se espera una importante reducción de la cantidad de mercurio liberado al ambiente, aún sin considerar ningún tratamiento. Las emisiones de mercurio a partir de las lámparas fluorescentes pueden bajar a 150 kg al año, considerando 15 millones de lámparas descartadas con 10 mg de mercurio cada una.

La substitución de lámparas incandescentes por fluorescentes compactas implica un aumento en la cantidad de mercurio en las lámparas y su eventual liberación al medio ambiente. El contenido de las LFC típicamente varia desde 3 a 5 mg por lámpara. Con un programa muy exitoso de promoción de LFC, se puede lograr una venta anual de 10 millones de LFC y el descarte de una cantidad similar. Considerando el valor alto (5 mg) del contenido de mercurio, significa una liberación de 50 kg de mercurio al año, suponiendo ningún tratamiento de las lámparas descartadas.

Sumando los tubos fluorescentes y las lámparas compactas, estimamos la liberación de 200 kg de mercurio al año. Esta cantidad debe compararse con otras fuentes de mercurio, por ejemplo la rotura de termómetros, cuyo contenido de mercurio es mucho mayor. Un programa integral para el control de mercurio comprendería la substitución de estos termómetros por otros electrónicos.

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4. Efectos biológicos nocivos Las radiaciones asociadas a la iluminación pueden provocar efectos biológicos nocivos sobre las personas y sobre el ecosistema.

Sobre las personas. Los efectos nocivos de las radiaciones sobre personas son [CIE, 1997a]: fotoqueratoconjuntivitis, cataratas por radiación U.V., efectos retardados sobre la piel por radiación U.V., queratitis por radiación U.V., catarata térmica por radiación I.R., daño térmico de retina por radiación I.R., daño térmico sobre la piel, eritema y queratitis por radiación I.R. (termoqueratitis), fotoretinitis por luz azul,.

Esas dolencias son provocadas por radiaciones ultravioleta o infrarroja, salvo el caso de la fotoretinitis por luz azul, que es una radiación comprendida dentro del espectro visible.

Por lo general los niveles de intensidad luminosa de las instalaciones de iluminación comunes, cualquiera sea el tiempo de exposición, están lejos de la dosis umbral de las enfermedades arriba mencionadas, no siendo éste un tema que preocupe; salvo casos puntuales como mesas de cirugía, lugares de internación, trabajos de soldadura, etc. Sin embargo no es desatinado que el diseñador realice la verificación de las instalaciones proyectadas.

Para la comprobación de una instalación debe considerarse el valor de dosis umbral (intensidad de la radiación por el tiempo de exposición) es decir, aquella dosis a partir de la cual se puede producir daño sobre el organismo.

Sobre ecosistemas. En esta categoría, la atracción de insectos voladores es un fenómeno a tener en cuenta. Se presenta especialmente en las zonas rurales o en espacios con vegetación abundante, extendiéndose la acción sobre muchos kilómetros a la redonda en entornos poco iluminados. Esto ocasiona no sólo molestias a las personas e inconvenientes en el mantenimiento de las luminarias, sino también alteraciones ecológicas en la zona de influencia [Schmid, 1993]. La característica espectral de la atracción de insectos no ha sido aún debidamente establecida, aunque se conoce que el fenómeno tiene su máxima sensibilidad en las longitudes de onda de los 400 nm.

5. Polución luminosa o contaminación de luz

Al margen de los residuos indeseables asociados a los sistemas de alumbrado y los efectos biológicos nocivos, la luz en sí misma puede constitutirse en una contaminación del medio ambiente. En primer lugar toda radiación luminosa, cualquiera sea su magnitud, orientada a espacios en donde no sea requerida (luz dispersa) o en cantidad mayor que la necesaria debería ser considerada como una polución ya que de una u otra manera altera el medio ambiente y la calidad de vida. Paralelamente es un índice de ineficiencia energética resultado de un inadecuado diseño de la instalación.

Se pueden mencionar tres efectos de la polución luminosa: distracción visual, disconfort visual y velo astronómico, cada uno de ellos se analiza a continuación.

5.1. Distracción visual La distracción visual provocada por luz dispersa de origen diverso constituye un problema creciente. Se trata de luces sobre los cuales los damnificados no pueden ejercer ningún tipo de control, por ejemplo haces de luz provenientes del alumbrado público que se filtran por ventanas de dormitorios, letreros de propaganda que pugnan por acaparar la atención o potentes reflectores con los que se pretende exorcizar toda amenaza nocturna de propiedades vecinas.

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Las consecuencias son variadas y difíciles de evaluar: desorientación visual de conductores de automóviles y peatones, personas que no pueden descansar, pérdida de intimidad, o simplemente deterioro del paisaje nocturno [Bleasby, 1997].

Aún no se ha realizado una correcta formulación de las consecuencias, no existiendo por el momento ningún tipo de recomendación al respecto. El tema se encuentra actualmente en discusión en la Comisión Internacional de Alumbrado, CIE [CIE, 1997b].

5.2. Disconfort visual (deslumbramiento psicológico y fisiológico) Brillos intensos o altos contrastes de luminancia en el campo visual pueden producir fatiga. En casos agudos pueden provocar, más que una pérdida de confort, una real disminución del desempeño de personas en sus tareas visuales.

El fenómeno del deslumbramiento ha sido debidamente estudiado, tanto para iluminación de interiores como de espacios abiertos, existiendo recomendaciones sobre como limitarlo [IRAM, 1972].

5.3. Velo astronómico La creciente iluminación de vías de tránsito y espacios verdes, la mayor propensión al uso del alumbrado ornamental y de seguridad conlleva el incremento de la emisión de luz hacia arriba. Esta radiación puede originarse de dos maneras distintas: en forma directa por radiación de artefactos en el hemisferio superior e indirecta por reflexión de la luz de los sistemas de alumbrado en las superficies iluminadas (albedo). El scattering o dispersión producido en las partículas atmosféricas por esa radiación es responsable de la progresiva mutilación visual del cielo nocturno, interponiendo un velo entre nosotros y el cielo. En el afán por iluminar los espacios abiertos para sentirnos seguros, hemos perdido las estrellas y nos aislamos del universo.

Aunque el albedo es un fenómeno incontrolable, la radiación de los artefactos en el hemisferio superior es índice de ineficiencia energética y deslumbramiento. En el Seminario Lux Europea/CIE en 1993, se propuso la calificación de luminarias exteriores en términos de “Upward Light Output Ratio” (la proporción de la luz que se emite hacia arriba) y de “Upward Waste Light Ratio” (la proporción de la luz derrochada hacia arriba). El último índice toma en cuenta el rendimiento lumínico de las luminarias.

Figura 4. Globo en una avenida de Buenos Aires

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ilumina hacia arriba.

Figura 5. Globo en un pasaje en Buenos Aires tiene reflector interno para que no haya iluminación hacia arriba

El problema es particularmente grave para la observación astronómica. Ya en 1980, la Comisión Internacional de Alumbrado emitió una guía para reducir el resplandor nocturno cerca de observatorios astronómicos. [CIE, 1990] En 1999, el Comité Español de Iluminación elaboró una Guía para la Reducción del Resplandor Luminoso Nocturno. Dicha Guía incluye recomendaciones respecto al diseño de equipamiento e instalaciones para el alumbrado público y la iluminación decorativa de exteriores. Por otro lado, la International Dark-Sky Association ha desarrollado una normativa para la iluminación de exteriores, que puede ser adoptada por municipios. [IDA, 2000]

Hoy en día, existen excelentes guías de diseño para reducir el resplandor nocturno y otras formas de polución luminosa. [CIE, 1997; LTG, 1996; IDA, varios]

Cabe destacar que se pueden diseñar sistemas de alumbrado público de alta eficiencia limitando el resplandor luminoso a la luz reflejada por el pavimento. En un proyecto de alumbrado público en las municipalidades de Vicuña y La Serena, V Región, Chile, se pudo aumentar el flujo luminoso total en un 14%, reduciendo la potencia eléctrica en 48% con una disminución en el 95% en la potencia luminosa emitida hacia arriba. Nuevamente, los objetivos de la eficiencia energética y los ambientales no están contrapuestos.

También existen normas para reducir la polución luminosa en varios países europeos y en Chile. En Argentina, la ciudad de Rosario emitió la ordenanza con los mismos fines.

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Figura 6. Una avenida en la ciudad de Rosario. La luminaria a la derecha (noncut-off) tiene substancial emisión luminosa en el hemisferio superior; no así la luminaria cut-off a la izquierda. (Cortesía: Fernando Paukste, Axxon Electric.)

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Bibliografía Assaf, L., G. Dutt y C. Tanides, 2002. “Lighting efficiency and environmental issues in Argentina: current status and perspectives”. Right Light 5, Niza, Francia, mayo.

Bleasby, P., 1997. “Energy and environmental aspects of lighting”, Technical Report to CIE Div. 7.

CIE, 1980. “Guidelines for minimizing urban sky glow near astronomical observatories”, Joint Publication Intern. Astron. Union IAU/ CIE, Commissión International d’Eclairage (CIE) Publication 1.

CIE, 1997. “Guidelines for minimizing sky glow”, CIE (Commissión International d’Eclairage) Publication 126.

CIE, 1997a. Commissión International d’Eclairage (CIE) News No. 41, Marzo.

CIE, 1997b. “General Aspect of Light”, Commissión International d’Eclairage (CIE) Div. 7 Report.

Fulkerson W., R.R. Judkins y M.K. Sanghvi, 1990. “Energy from Fossil Fuels”, Scientific American, septiembre.

IDA, 2000. Outdoor Lighting Code Handbook. Disponible en el sitio web de la International Dark-Sky Association: www.darksky.org.

IPCC, 2001. Climate Change 2001: The Scientific Basis. Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC). J.T. Houghton, Y. Ding, D.J. Griggs, M. Noguer, P.J. van der Linden y D. Xiaosu (Eds.), Cambridge University Press, UK. pp 944.

IRAM, 1972, “IRAM/AADL J 2006. Iluminación Artificial de Interiores. Niveles de Iluminación”, Instituto Argentino de Normalización (IRAM), Buenos Aires.

LTG, 1996. “Limitación de la luz fuera de control en zonas habitadas”, publicación de la Lichttechnische Gesellschaft (Asociación Luminotecnica Alemana), no. 12.2.96.

Margalef, R., 1986, Ecología, Ediciones Omega S.A., Barcelona.

Massei, M.C., 1999. “Propuesta de gestión ambiental del Ente Nacional Regulador de la Electricidad”, Revista Electrotecnia, July-Aug. 1999, pp. 131-135.

Schmid, L.A.P., 1993. “Impacto económico y ecológico de las lámparas innovativas”, Osram Argentina, Buenos Aires.

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CAPÍTULO 18.

Estrategias de diseño eficiente aplicado a diferentes usos: oficinas y comercial

Patricia Camporeale

1. La oficina en la era del hombre flexible

1.1 Análisis de una estación de trabajo independiente 1.2. Ejemplos de organización espacial de oficinas. Criterios de diseño de iluminación

2. Iluminación en locales comerciales

2.1 Selección de la lámpara

1. La oficina en la era del hombre flexible La introducción del planeamiento de oficinas (landscape office) en los ’70s marcó el fin del diseño de oficinas acorde al modelo de habitación-pasillo. De allí en adelante, el advenimiento de la automatización puso el énfasis sobre la interdependencia de los elementos presentes en el espacio de trabajo e interdependencia comenzó a significar participación. En definitiva, se trata de entender cómo las interrelaciones entre las personas, como individuos y como grupo, se desarrollarían y qué aspecto habría de tener la nueva organización. Por lo tanto, se estudiaron en profundidad las relaciones entre ambiente y comportamiento a través de un modelo basado en territorialidad, un concepto influenciado por el estudio de la dinámica espacial del comportamiento animal. El estudio demostró que aún cuando se refiera a animales salvajes, no puede hablarse de “territorio libre”, sino más bien una densa trama de signos y premisas entre animales de una misma especie y de diferentes especies, interactuando con su comportamiento. Mediante el establecimiento de normas, la territorialidad delimita el “espacio de libre movimiento”.

La reinterpretación de estas teorías, desde el mundo animal a la sociedad humana, fue objeto de muchos estudios que revelaron las estructuras antropológicas y culturales mediante las cuales, una sociedad utiliza su espacio. Finalmente, al romperse las barreras tradicionales, para la organización de la nueva oficina, se necesitaron análisis específicos del microambiente de trabajo y para relevar el mapa del nuevo espacio abierto, se utilizaron los principios de la psicología del espacio, la cual distingue tres campos de referencia en la nueva planta abierta: unidad territorial (individual), grupo territorial (grupal), y complejo territorial (de la totalidad). Ver Fig. 1.

2

Fig. 1

Un ejemplo paradigmático del modelo de planta libre (figs. 2 a 4) aparece como una especie de archipiélago que consiste en:

• áreas privadas: con cerramientos fijos • áreas semi-privadas: rodeadas en un 75% por muro de media altura • área semi-abiertas: 50 % de área cerrada y 50% expuesto a flujos circulatorios • áreas abiertas: menos de un 50 % del área cerrada

Fig. 2, 3 y 4. Ejemplo paradigmático de oficina de planta libre con forma de archipiélago. Disposición del mobiliario, áreas de trabajo y circulaciones (Fuente: Stea, 1965)

Un ejemplo típico de este modelo se encontraba en las oficinas de la fábrica IBM en Hudson Valley, en el estado de Nueva York, pero esto no impedía que IBM tuviese un esquema corporativo piramidal, que proveía un modelo de empleo de por vida , donde todas las diferentes etapas de la carrera eran obvias para los empleados. Podía ser así porque era una clase de monopolio en el mercado hasta que gruesos errores en el cálculo del crecimiento de la industria de la tecnología de la información dieron como resultado que IBM perdiese su dominancia en el mercado de las computadoras personales, y para comienzos de los ´90, la

3

compañía estuviera cayendo a pique. Como consecuencia, IBM inició un programa de reestructuración corporativa motivada por la búsqueda de flexibilidad.

Hoy, la expresión “capitalismo flexible” se usa de modo creciente para indicar un sistema que representa algo más que la mera variación de un viejo modelo. Como escribió Richard Sennet (Sennet, 1999): “El énfasis está puesto en la flexibilidad. Las formas rígidas de la burocracia están siendo atacadas, como los demonios de la rutina ciega. Se les pide a los trabajadores que sean versátiles, que estén abiertos al cambio al menor indicio, que asuman riesgos continuamente, que sean menos dependientes de las regulaciones y los procedimientos formales. Las grandes compañías han intentado remover las jerarquías burocráticas excedentes, transformándose en organizaciones “planas” y flexibles. Los ejecutivos conciben las organizaciones como redes más que como pirámides (fig. 5). El sociólogo Walter Powe ha dicho que las organizaciones en red son más flexibles que la relaciones fijas de las jerarquías, es mucho más sencillo romperlas y redefinirlas. Un ejecutivo de IBM hoy, cuando han recuperado su liderazgo en tecnología de la información, cree que la “compañía flexible debe convertirse en un archipiélago de actividades interconectadas”. Este nuevo escenario ha tenido dos consecuencias decisivas en el planeamiento del nuevo espacio de trabajo: la desestructuración del tiempo y una diferenciación de íconos espaciales basados en la relación entre integración y autonomía..

Fig. 5. De la organización jerárquica a la red. Las antiguas divisiones jerárquicas han sido reemplazadas por nuevas organizaciones horizontales, que consisten en grupos de trabajo unidos por objetivos comunes y a

no en el status personal

El nuevo tiempo flexible significa que el empleado usa su tiempo de manera fragmentaria y discontinua, similar a un collage de experiencias diferenciadas. La estructura de tiempo continua del anterior sistema jerárquico y burocrático, con su seguridad y promesa de continuidad, nos permitía organizar nuestras vidas con un sistema repetitivo, ambos a largo plazo, — estudio, trabajo, jubilación, etc.— y en la rutina diaria, por fijar rígidamente el horario de trabajo y tiempo libre (fig. 6).

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Fig. 6. El uso del espacio durante el día. Algunos trabajadores utilizan su oficina un50 % del tiempo y hasta trabajan fuera de ella (fuente DEG)

En contraste, la fragmentación del tiempo actual rompe el sentido previo de continuidad en lo que concierne al tiempo de vida y el día o la semana. Requiere que el individuo tome la iniciativa de organizar su propio tiempo. La oficina contemporánea tiene comúnmente puestos de trabajo vacíos, escritorios que usan diferentes empleados, áreas sociales informales, así como también los usuales cubículos cerrados o un área de planta libre con grupos de puestos de trabajo. Esta última está comenzando a ser organizada en unidades diferenciadas o “íconos espaciales”.

Por ejemplo, un modelo de planeamiento espacial sugerido por el grupo DEGW (fig. 7), considera cuatro configuraciones en un diagrama cuyos ejes son la “tendencia a la interacción” y la “tendencia a la autonomía” desde el punto de vista de un trabajo que acentúa los aspectos de un área como lugar donde juntarse y producir ideas:

• Colmena: para procesos de trabajo individual

• Celda: para trabajo grupal que quiere concentración

• Madriguera: para procesos basados en actividades grupales

• Club (el grupo pensante): para actividades basadas en el conocimiento

Fig. 7. Los nuevos íconos espaciales basados en interacción y autonomía (fuente DEGW)

5

Los ejemplos de entorno de trabajo multifuncional se ven como el mapa de un pueblo (fig.8).

Fig. 8

De la misma manera, el uso el espacio durante el día no se considera ya como una estructura de tiempo continuo, ya que algunos trabajadores utilizan la oficina por un promedio del 50 % del tiempo de horas de trabajo o hasta trabajan fuera de la oficina (fig. 9). Por esta razón, el esquema ha sufrido un reordenamiento radical (fig. 10).

Fig. 9. El espacio de la oficina está raras veces completamente ocupado. (Fuente DEWG)

Fig. 10. Variación en el tiempo del uso de los espacios. Áreas dedicadas a actividades específicas dan como resultado un uso más simple, dinámico y productivo. (Fuente DEWG)

La reubicación de las oficinas de Anderson Worldwide de Chicago muestra los resultados de la introducción de nuevos conceptos de flexibilidad en el armado de diferentes estaciones de trabajo en relación a las variadas jerarquías internas y el énfasis puesto sobre las áreas destinadas a la colaboración interactiva más que sobre las áreas de trabajo individual, así como también la disposición diferente de las áreas cerradas y la reducción en número de sectores “privados” (figs. 11 y 12)

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Fig. 11 y 12 1.1 Análisis de una estación de trabajo independiente 1.1.1. La tarea visual En el entorno de la oficina, la mayor parte del trabajo es realizada frente a una pantalla de video. El principal componente de la tarea visual del trabajador es la pantalla. Este tipo de entorno genera tensión en la actividad visual. En el diseño de iluminación de oficinas, una serie de factores críticos que conlleva el uso del monitor, deben ser considerados para reducir la fatiga visual y mejorar la eficiencia en el desempeño de la tarea. El primero y, quizás el más importante, sea el deslumbramiento.

Fig. 1 La tarea visual

Fig.1 la tarea visual

1.Deslumbramiento directo desde la luminaria y reflejado en el papel 2.Reflejo de velo de la luminaria en la pantalla 3. Reflejo de velo desde áreas de alta luminancia (ventanas, paredes muy iluminadas) sobre la pantalla 4.Deslumbramiento reflejado desde el teclado (iluminado a su vez por la luminaria) sobre la pantalla

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1.1.2. Deslumbramiento El uso de luz difusa previene el deslumbramiento directo. Para resolver el problema de reflexiones de velo, las luminarias deben ubicarse fuera del área crítica descripta en la fig. 2. En una estación de trabajo con pantallas de video, el área horizontal de trabajo es bastante amplia: un rectángulo de 90 cm x 45 cm, que incluyen el teclado y 2 documentos tamaño A4 junto al mismo. Como consecuencia, el área crítica es también muy amplia. La ubicación ideal de la luminaria es fuera de este volumen crítico.

Fig. 2 : Deslumbramiento

1.1.3. Balance de luminancias Para conseguir una disminución en la tensión visual tanto como sea posible, es muy importante crear una equilibrio de luminancias en el área de trabajo. La primera consideración al elegir la luminaria es cuánta luz entregará y dónde debe ser dirigida. Las normas (UNI 10380: 1994/A1) indican relaciones, que en este caso, deben considerar el monitor como el campo visual central. La mínima luminancia alrededor del monitor no deberá ser inferior a 30 cd/m2 y la máxima luminancia no deberá exceder las 300 cd/m2. En el entorno, la mínima luminancia no deberá ser inferior a 10 cd/m2.

Fig. 3: Balance de luminancias

1. Luminancia típica de pantalla de video: 100 cd/m2 2. Campos visuales 1/3 área de trabajo/ entorno inmediato más luminoso 100 cd/m2/300 cd/m2 3/1 área de trabajo/ entorno inmediato menos luminoso 100 cd/m2/30 cd/m2 3. Campo visual periférico 10/1 área de trabajo/ entorno mediato más oscuro 100 cd/m2/10 dcd/m2

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1.1.4. Distribución de la iluminancia La norma (UNI 10380 1994/A1) especifica el promedio de luz que debería alcanzar el área de trabajo. Desde la experiencia sabemos que, el promedio de la iluminación no debería exceder los 500 lx, de otro modo, esto resultaría en un difícil balance de luminancias y una reducción de contraste en la pantalla. Se requiere un nivel de uniformidad alto en el campo visual (Emin/ Emed= 0.8); mientras que la uniformidad en el campo visual periférico es inferior (Emin/ Emed = 0.5).

Fig. 4: Distribución de iluminancias 1.2. Ejemplos de organización espacial de oficinas. Criterios de diseño de iluminación Si consideramos los cuatro íconos espaciales enunciados más arriba que simbolizan una serie de situaciones basadas en la interacción y la autonomía, observamos la tendencia a organizar el espacio de la oficina, —ya no de acuerdo al modelo de espacio homotópico abierto basado en la territorialidad—, sino según espacios diferenciados caracterizados por distintas condiciones ambientales al grupo Madriguera/ Club/ Colmena/ Célula. Acorde a esto, se puede hacer un ejercicio , más que un juego, y asignar ciertos rasgos ambientales y de iluminación Los matices de iluminación de un espacio dado pueden ser descriptos como los grados de intensidad en una escala de valores subjetivos que van desde “claro” a “oscuro” pasando por “brillante”, “opaco”, “grisáceo” manteniendo una referencia absoluta a la total ausencia de luz. El segundo rasgo es la impresión de temperatura. Podría usarse una escala que represente los matices “frío”, “ fresco”, “neutral”, “tibio” y “caliente”. El tercer rasgo es la distribución de las sombras y la sombra proyectada. Las sombras pueden ser densas, irregulares o discontinuas. Es más, existe un caso especial de iluminación difusa general que puede crear un efecto “plano”, específicamente la desaparición de las sombras.

Niveles de iluminancia recomendados Norma: 300 lx< Emed<750 lx recomendado: <500 lx 1. Campo visual recomendado: 0.8 2. Campo periférico recomendado: 0.5

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Finalmente, existe una característica muy importante que considera “la atmósfera”, creada por la calidad de la luz que resume todas las impresiones subjetivas previas de intensidad, temperatura y distribución de sombras. Refiriéndose a esta escala de valores, podemos imaginar la Madriguera, con sus actividades grupales, caracterizada por una iluminación tibia y efecto plano; mientras que la Colmena, con sus procesos de trabajo individual, tendrá un fondo oscuro y una temperatura fresca de iluminación; la Célula, donde se requiere concentración, se caracterizará por sombras proyectadas y una intensa luz brillante; el Club, donde prevalecen las actividades inteligentes, tendrá una suave atmósfera y una difusión irregular de la luz. Finalmente, se puede observar que todo esto es arbitrario desde el momento que depende de evaluaciones difíciles de objetivar, aún mas, podríamos decir que habla de una necesidad de diferenciación que muestra que no son válidas las generalizaciones alentadas en la creación de entornos homogéneos.

2. Iluminación en locales comerciales

Podemos observar que el problema de la resolución de la iluminación en un local comercial posee dos instancias diferenciadas:

• iluminación de la vidriera • iluminación del local propiamente dicho

A su vez, varios factores inciden en la toma de decisiones respecto al proyecto luminotécnico, a saber:

• situación geográfica del local : vía pública o shopping/ galería • incidencia de la iluminación natural, orientación • flujo peatonal, vehicular • entorno lumínico (locales comerciales vecinos)

En lo que se refiere al diseño de la vidriera, dependerá del producto a exhibir, las dimensiones de la misma y el sistema de montaje de las luminarias. Asimismo, diferirá si la vidriera es de fondo abierto o cerrado. En el caso de un fondo cerrado, la resolución será más sencilla porque se podrá obtener un brillo suficientemente alto que supere el reflejo de las imágenes del exterior. Si el local da a la calle, también deberá resolverse la competencia lumínica que genera la luz solar. La iluminancia de la vidriera oscilará entre los 2.000 y los 10.000 lux. Para contrarrestar el reflejo en el cristal de la vidriera deberá inclinarse el mismo y proveer un toldo, preferentemente de un solo color y con una superficie interior de baja reflectancia, Asimismo el piso de la vidriera y la vereda pueden colaborar en la reducción de los reflejos si son de iguales características. El volumen y el flujo peatonal o vehicular influyen en el mínimo de iluminación necesario para que la vidriera cumpla su función. Si el tránsito es vehicular, deberá preverse algún recaudo de los mencionados más arriba, para evitar los reflejos de los autos estacionados en la vereda sobre el cristal. El sol reflejado sobre las carrocerías genera brillos anormales sobre los artículos expuestos que son más molestos aún que los brillos uniformes.

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El entorno lumínico determinará la intensidad necesaria para conseguir atraer la atención de los posibles clientes que no podrá ser inferior los 2.000 lux recomendados más arriba. El interior del local se iluminará de acuerdo a los criterios válidos enunciados a continuación. Para conseguir una atmósfera apropiada y confort visual deberán proveerse tres tipos de fuentes lumínicas:

• general

• destaque

• perimetral El nivel recomendado de iluminación general dependiendo del tiempo de compra será el siguiente:

SECTOR Rápido

(supermercados) Medio

(boutiques, bazar) Lento

(zapatos, joyas) Contraste

Circulación 300 200 100 1 Mercadería 1000 700 300 3:1 Destaque 5000 3000 1500 5:1

La iluminación de destaque se conseguirá mediante lámparas proyectoras con un ángulo de incidencia controlado. La iluminación perimetral permite la integración de los paramentos verticales y lo que allí se exhibe al conjunto del local. Asimismo, sirve para disimular cualquier error de diseño de la iluminación general. 2.1 Selección de la lámpara. El criterio a emplear a la hora de decidir la lámpara a utilizar para los diferentes tipos de iluminación, se basará siguiendo las pautas que se enumeran más abajo:

• vida útil

• eficiencia luminosa

• rendimiento cromático

• tono de luz

• luminancia Se buscará la lámpara adecuada con la mayor vida útil ya que debe estar encendida muchas horas (12 a 14 h diarias para una vidriera). La eficiencia luminosa equivale a obtener el máximo flujo luminoso con la mínima potencia:

Wlm

PotencialuminosoFlujo

==η

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Para lo cual, se deberá elegir la lámpara más eficiente dentro de las alternativas para el uso propuesto. El rendimiento cromático deberá ser acorde al grado de fidelidad con el que se necesite exhibir el producto. Los catálogos de los fabricantes de lámparas los enuncian como.

CRI: color rendering index Rc: reproducción cromática Números: 1; 1ª; 1b; 2; 2ª; 3 y 4

El tono de luz o temperatura de color también será considerado junto con el brillo en función del producto a exhibir. Se pueden agrupar en tres niveles:

• Tonos cálido (2.700- 3.000 K): espectro rico en rojo y pobre en azul

• Tono medio (4.000- 4.500 K): balance entre rojos y azules

• Tono frío(5.000- 6.500 K): espectro rico en azul y pobre en rojo Existen también lámparas más desarrolladas tecnológicamente que emiten rojos y azules por igual. La luminancia o brillo será otro de los parámetros considerados en la elección de la lámpara. Ahí van las siguientes recomendaciones al respecto:

• A1: alto brillo y tono cálido, adecuadas para objetos metálicos, cristal, porcelana y superficies pulidas

• A2: alto brillo y tono cálido, adecuadas para cristal de color, muebles, joyas, bijouterie, libros,etc.

• B1: bajo brillo y tono medio o frío, adecuadas para ropa informal, pieles, blanco, mercería, etc.

• B2: bajo brillo y tono cálido, adecuadas para artículos de cuero, ropa fina, etc. Se pueden complementar con luces de destaque para lo cual se elegirán lámparas microrreflectoras de haces de 8/12 grados. No se debe olvidar al elegir la iluminación de un local, la incidencia que tienen las lámparas por las ganancias térmicas que provocan, sobre todo en el caso de las incandescentes (comunes y halógenas). En locales de shopping, donde sólo se cuenta con aire acondicionado todo el año y no existe la ventilación natural, la iluminación tiene una incidencia muy alta en los costos de refrigeración. Se deberá tratar de resolver el proyecto luminotécnico con lámparas más eficientes que emitan la menor cantidad de calor. Bibliografía Eclipse Project, 2004, Lighting Fields 1 Working, , Artemide-Editoriale Lotus, Milán, Italia. Iluminación, Luz, Visión, Comunicación, 2001- Tomo 1, Asociación Argentina de Luminotecnia- Buenos Aires

12

Stea, David, 1965. Landscape Office. Sennet, Richard, 1999. The Corrosion of Character: The Personal Consequences of Work in the New Capitalism. W.W. Norton & Co, New York and London. Virilio, Paul, 2000. “Un habitat exorbitant”, L’Architecture d’aujourd’hui, no. 328.

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL ELI ARGENTINA

SEMINARIO DE ILUMINACIÓN EFICIENTE

GUÍA PARA EL DOCENTE

Cuestionarios con respuestas y Trabajos Prácticos

1

CUESTIONARIO CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN AL USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA ILUMINACIÓN

1. Indique la distribución porcentual del uso de recursos energéticos de acuerdo a la población mundial, comprendiendo aquéllos que no tienen acceso a la

Deenren

EsArcirtércoel

1000 millones (PD) consumen 75% energía 3000 millones (PVD) consumen 25% 2000 millones

sin acceso
electricidad.
Población mundial: 6000 millones

acuerdo a la información proporcionada en el capítulo 1, el consumo de los recursos ergéticos mundiales, de los cuales el 86% corresponde a fuentes fósiles (no ovables), se distribuyen de la manera expresada en la gráfica arriba.

2. Indique la distribución de las distintas fuentes de energía primaria nivel mundial y nacional.

Tot

notable que,gentina es incunstancia elminos de la cnsumo de petmundo en ge

H

Nu

ales mundiales (19

a diferencia de la ssignificante, mientr sector energético ontaminación de aróleo sigue siendo neral.

idro. 7%clear 6%

Petróleo 40%

98) Argentin

ituación mundial, el consumo de as que el de gas natural es muy im

argentino tiene mucho menos impire y las emisiones de dióxido de cimportante y merece atención en

Petróleo 42%

Carbón 23%

Gas nat. 46%

Gas nat. 23%

Hidro 5%
Nuclear 3% Renovables 4%
Renovables 1%

a (1997)

carbón mineral en la portante. Por esa

acto ambiental en arbono. El

Argentina como en

3. Enumere las diversas formas de impacto ambiental que provoca la generación eléctrica.

Algunas formas de impacto ambiental se enumeran a continuación.: Contaminación del aire por centrales térmicas que utilizan combustibles fósiles: carbón mineral, petróleo, gas natural, y emiten gases y partículas a la atmósfera Cambio climático por emisiones de CO2 Alteración de ecosistemas (hidroeléctrica) Contaminación del agua y térmica por centrales que refrigeran con cuerpos de agua Contaminación radiactiva, accidentes, residuos de la generación nuclear

4. ¿Qué servicios energéticos podrían ser provistos con poca o nulo consumo de

energía? Podríamos consignar los siguientes:

• Climatización e iluminación ambiental • Secado y destilación solar • Tratamiento de efluentes, etc. 5. Identifique los principales usos finales de la energía eléctrica y cómo se

distribuyen en Argentina

Trans. 1% Agrop. 1%

Com. y púb 22%

Resid. 29%

Industria 47%

6. ¿Cómo se pudo revertir la relación entre consumo energético y crecimiento económico en los países industrializados?

Instrumentando medidas que involucraban la sustitución de combustibles y el uso eficiente de la energía.

7. ¿Cómo implementaría una “estrategia energética orientada a los usos finales”? Se deberían estudiar en detalle, los usos finales de la energía, incorporando el concepto de uso eficiente de la energía y la gestión de la demanda. Además existen otras posibilidades de ahorro como cambiar la fuente energética, cambios estructurales de la economía y los patrones sociales de uso, la urbanización, el uso de la informática en reemplazo al transporte de objetos y personas, etc.

8. Si tuviera qué elegir en qué sector aplicar medidas de iluminación eficiente, ¿en cuál lo haría y por qué?

Lo haría en el sector comercial y público que demanda un 53% de su gasto total de energía para iluminación.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 2 LUZ, COLOR Y VISIÓN

1. ¿Cuál será la intensidad luminosa de una luminaria que emite 600 lm en un ángulo de 270°?

270 = 3p sr I = 600 lm / 3psr = 200 cd La intensidad luminosa = 200 cd

2. Calcule la iluminancia que incide sobre un plano inclinado 30° respecto de la

horizontal y situado a una distancia de 2 m de una fuente luminosa de 400 lm. E= (I/ d2) cos Θ

E= (400 lm/ 4 m2 ) cos 30° E= (100 lm/m2 ) 0,866= 86,6 lux La iluminancia = 86,6 lux

3. Si tengo un difusor de vidrio esmerilado, ¿qué sucede con la dirección de observación?

Como el vidrio esmerilado es un buen difusor, la iluminancia es bastante independiente de la dirección de observación.

4. ¿Cuál o cuáles de todos los parámetros fotométricos permite evaluar la calidad de la iluminación? ¿Por qué?

La luminancia es el parámetro que mejor evalúa la calidad de la iluminación desde el punto de vista del usuario, junto con la iluminancia son los usados por los diseñadores para cuantificar fotométricamente el ambiente visual.

5. Si buscásemos optimizar la reproducción de color ¿qué lámpara elegiríamos? Una incandescente que posee una temperatura del color más cercana al de la luz del sol.

6. ¿Cómo es posible conseguir mayor eficacia luminosa sin variar el consumo? Lo conseguimos ajustando la emisión espectral de una fuente luminosa dentro del la zona más sensible del sistema visual.

7. Si deseamos conseguir una iluminación óptima, en qué rango debe operar el sistema visual? ¿Por qué un índice alto de rendimiento de color no alcanza para conseguir dicho objetivo?

Debe operar en el rango fotópico. Porque se necesita no sólo un índice alto de rendimiento de color sino también una fuente de luz intensa.

8. ¿Cómo contrarrestaría una falta de contraste en la luminancia? Con un buen contraste cromático.

9. Indique los parámetros que inciden en la agudeza visual. Los siguientes parámetros son importante para la agudeza visual:

• Luminancia de adaptación y de contraste • Excentricidad • Tiempo de presentación • Movimiento del estímulo • Edad del observador

CUESTIONARIO CAPÍTULO 3 ILUMINACIÓN EFICAZ, CALIDAD Y FACTORES HUMANOS

1. Indique las componentes que intervienen en la definición de calidad de la iluminación

Calidadde la

iluminación

2. ¿Qué cosa evalúa el rendimiento visual El RVR es un modelo empírico que evalúa la efestímulo visual, la iluminación retinal y el cont

3. ¿Cuándo se produce el parpadeo en las lcontrarrestar? Indique sus efectos nociv

Típicamente las lámparas fluorescentes se opertrabajan en la frecuencia de línea, 50 Hz en Argcada semiciclo de corriente, es decir se enciendEl flujo luminoso de la lámpara en estas condicfrecuencia de 100 Hz. El flujo luminoso nunca modulación entre el nivel máximo y el mínimo.un “parpadeo” que no se ve a simple vista. Si ufluorescente, se puede observar la mano “fija” ecorrespondientes a las posiciones donde está mestroboscópico puede ser peligroso, por ejemplaparecer estacionario cuando esté iluminado po Aunque no se ve, estas modulaciones en el flujoalteraciones en el sistema nervioso central, excitarea visual y dolores de cabeza en los trabajadojóvenes más que a las mayores. Se puede mejorar elevando la modulación a 30-reduce a un 2% la modulación de la onda de luz

ARQUITECTURAForma Composición Estilo Valor histórico

DESEMPEÑO HUMANO Rendimiento visual Confort visualMensaje visualFotobiología

ECONOMÍA Instalaciones MantenimientoOperación Energía

relativo?

iciencia visual variando el tamaño del raste.

ámparas fluorescentes y cómo se puede os. Indique soluciones propuestas.

an con balastos electromagnéticos que entina. En efecto la descarga se crea e y apaga la luz 100 veces por segundo. iones también tiene variaciones con una llega a cero, pero existe notable Esta fluctuación en el flujo luminoso es no mueve la mano debajo de un artefacto n determinados lugares

ejor iluminada. Este efecto o un torno u otra máquina rotativa puede r lámparas fluorescentes.

luminoso de 100 Hz producen tación nerviosa, menor exactitud en la res. Curiosamente, afecta a las personas

50 kHz con balastos electrónicos que a la salida frente al 10-30% de los

electromecánicos. El uso de fósforos de mayor persistencia reduce la modulación de máximo a mínimo a la vez que mejore el índice de reproducción cromática. Para eliminar el peligro de la percepción de que máquinas giratorias estén estacionarias, hace décadas se acostumbra trabajar con sistemas trifásicos de electricidad y conectar las lámparas a distintas fases. Esto elimina el efecto estroboscópico y reduce el peligro.

4. Especifique las reflexiones de velo con ejemplos y soluciones Las reflexiones de velo aparecen cuando se refleja especularmente la radiación proveniente de una fuente de alta luminancia (luminaria o ventana) sobre la superficie de trabajo: papel satinado o pantalla de video. Generan molestias en el confort visual y posturas incómodas en el usuario par evitar ese deslumbramiento. Puede solucionarse:

• reduciendo la componente especular de la reflectancia de la superficie observada • cambiando la geometría entre el usuario, la superficie observada y la zona

afectada • disminuyendo la luminancia de las luminarias • aumentando la cantidad de interreflexiones de luz en el ambiente • aumentando la luminancia de la pantalla de video

5. ¿Por qué es insuficiente cumplir con el RVR para conseguir calidad en la

iluminación? Porque solamente asegura un buen rendimiento visual que se refiere a la iluminación del objeto que interesa en la tarea, mientras que el confort visual está determinado por todo el medio iluminado. Las normas internacionales vinculan rendimiento con confort para obtener los niveles de iluminancia recomendados.

6. Enumere algunas situaciones de disconfort visual. Una alta exigencia visual, como el caso de letras pequeñas puede resultar en fatiga al tener que acomodar los mecanismos de visión a una distancia corta.. Otro caso de disconfort es el generado por la sobreestimulación o subestimulación del entorno visual. También el parpadeo de las luminarias fluorescentes provocan disconfort. El deslumbramiento fisiológico, el psicológico y el provocado por niveles excesivos de luz generan situaciones de disconfort con consecuencia de molestias físicas. Las sombras en el entorno visual pueden, en el caso de ambientes de trabajo, provocar disconfort en el usuario al exigir un rápido acomodamiento en tiempos cortos.

7. ¿Cómo mejoraría el rendimiento nocturno de un trabajador? ¿Por qué? Se pueden mejorar el estado de alerta y cognición elevando los niveles de iluminación ya que se estaría provocando un corrimiento del ritmo circadiano, pero el control debería extenderse al resto de la jornada para no generar efectos indeseados en los trabajadores (problemas cardiovasculares, gastrointestinales, emocionales y sociales).

CUESTIONARIO CAPÍTULO 4 FUENTES LUMINOSAS

1. Clasifique las fuentes luminosas de acuerdo a la generación de luz

FUENTES

Lahacoma

Elmiútitieradcarecha

2. Indique por qué es preferible conocer la vida útil de la lámpara y no sólo la vida nominal.

LUMINOSAS ARTIFICIALES

INCANDESCENCIA LUMINISCENCIA

estándar halógenas electroluminiscenciafotoluminiscencia

descarga en gas

LEDs

baja presión

alta presión

fluoresc. lineal

LFC inducción sodio de baja

sodio de alta

mercurio halogenurometálico

vida nominal sólo mide la cantidad de horas luego de las cuales el 50% de la muestra ya fallado. En cambio, la vida útil contempla la depreciación luminosa, cambio de lor, supervivencia, costo de la lámpara, de la energía que consume y el ntenimiento.

3. Explique por qué las incandescentes halógenas generan mayor radiación UV que las comunes y especifique los riesgos

contenido de halógenos en este tipo de lámpara permite operar el filamento de las smas a mayor temperatura, obteniendo mayor eficacia a la vez que aumenta la vida l de las lámparas. Porque la temperatura del filamento es mayor, la radiación emitida ne mayor componentes en azul, violeta y ultravioleta. Normalmente, la cantidad de iación ultravioleta no implica ningún riesgo a la visión humana. Sin embargo, en

so de exponer objetos sensibles a la radiación UV(por ej. obras de arte), se omienda la utilización de filtros. Algunos fabricantes suministran lámparas

lógenas que incorporan dichos filtros.

4. Indique en qué casos utilizaría incandescentes halógenas. ¿Por qué? ¿Cuándo no

es recomendable? La mayor aplicación de incandescentes halógenas corresponde a situaciones que requiere un encendido rápido por cuestiones de seguridad. Por ello las faros de los automóviles usan este tipo de lámpara prácticamente desde su descubrimiento en los año 60. En las últimas décadas ha crecido su aplicación en los interiores: el menor del filamento permite un mejor control óptico (por ejemplo con espejos) permitiendo la iluminación de acento para iluminar objetos de arte y crear efectos de contraste, etc. No se recomienda su aplicación para la iluminación general de espacios por tiempos prolongados debido a su baja eficacia.

5. Indique por qué las lámparas fluorescentes ofrecen ventajas para una iluminación eficiente

Tienen variedad de formas y tamaño, disponibilidad en varios colores de luz (desde blanco frío a blanco cálido), buen rendimiento de color, buena conversión de la potencia eléctrica en luz, emiten luz difusa y tiene baja luminancia. Las lámparas fluorescentes dominan la iluminación eficiente de los interiores.

6. ¿Por qué la cantidad de encendidos determina la vida útil de las lámparas de cátodo caliente?

Porque en cada encendido se pierde material emisivo (material que cubre los electrodos en las puntas de los tubos fluorescentes que facilita la emisión de electrones y el encendido de la lámpara).

7. Indique las ventajas y las desventajas de las LFC respecto de las incandescentes Las ventajas son:

• Menor potencia a igual flujo luminoso (eficacia hasta 5 veces mayor) • Tamaño similar a las incandescentes, a las cuales se puede sustituir

fácilmente • Livianas, por lo cual puede aplicarse en artefactos diseñados para las

incandescentes • Buena reproducción de color • Menor producción de calor • Larga vida, significa que requiere cambios mucho menos frecuente

Desventajas:

• Mayor sensibilidad a los cambios de temperatura • Mayor costo inicial. Sin embargo, salvo luminarias de poco encendido,

este costo adicional está ampliamente compensado por una mayor eficacia (hasta 5 veces mayor) y una mayor vida útil: la norma ELI para las LFC requiere una vida útil seis veces mayor a las incandescentes, aunque existen LFC de mayor vida (hasta 15.000 horas) y menor vida (no es recomendable su uso).

8. ¿Por qué la lámpara de vapor de sodio es la más eficaz?

Este tipo de lámpara tiene mejor eficiencia de conversión de la electricidad en luz por que la descarga directamente produce la luz visible, sin pasar por la radiación ultravioleta (como en el caso de las fluorescentes). Por otro lado, la producción de luz de estas lámparas se encuentra alrededor del color amarillo donde el ojo humano tiene su máxima sensibilidad.

9. Indique las aplicaciones de las lámparas de sodio de alta presión En iluminación de grandes espacios interiores, iluminación vial, parques y cuando el ahorro y bajo mantenimiento sean prioritarios. Estas lámparas son el “caballo de batalla” para el uso eficiente de la iluminación en el alumbrado público.

10. Enumere las ventajas y desventajas de los LEDs como tecnología de iluminación Las ventajas son las siguientes:

• Bajo consumo • Baja tensión • Baja temperatura • Mayor rapidez de respuesta • Sin fallos de iluminación • Mayor duración • La única desventaja es el costo inicial

11. Enumere aplicaciones para LEDs

Algunos posibles usos son:

• Semáforos • Señales de tráfico • Paneles de información al transeúnte • Balizamiento • Señalización en pistas de aterrizaje • Cartelería en autopistas • Demarcación de caminos • Iluminación de emergencia • Paneles de video color

12. Ordene decrecientemente las opciones de lámparas en función de su eficacia

En orden decreciente de eficacia:

• Sodio de Baja Presión, sin reproducción de color • Sodio de Alta Presión • Fluorescentes lineales • Halogenuros metálicos con excelente reproducción cromática • Lámparas fluorescentes compactas con buena reproducción d color

13. Ordene las lámparas según su reproducción de color

Las lámparas con mejor reproducción de color son las incandescentes convencionales y halógenas, con un índice de reproducción de color de 100 (el valor máximo). Le siguen las fluorescentes trifosforadas y mercurio halogenado con un IRC que supera 80.

14. Clasifique las lámparas según su duración Las lámparas de mayor vida útil son las de mercurio de alta presión y sodio de alta presión, le siguen las fluorescentes y las de mercurio halogenado.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 5 LUMINARIAS PARA ILUMINACIÓN DE INTERIORES

1. Indique los sistemas de control óptico de luminarias interiores Son los siguientes: reflectores, refractores, difusores, dispositivos de apantallamiento y filtros.

2. ¿Qué determina la característica de una luminaria? Depende principalmente del reflector ya que de él depende la forma en que se distribuye la luz de la luminaria. Si la luminaria tiene un difusor, éste también puede modificar la distribución de luz.

3. ¿Cómo se distribuye la luz con un reflector esférico-parabólico asimétrico especular?

El reflector esférico intensifica los rayos luminosos antes de incidir sobre el parabólico que distribuye el haz de manera uniforme.

4. Indique qué efecto produce un reflector difuso y valores de reflectancia Dirigen la luz hacia zonas amplias del ambiente con niveles de luminancia uniformes, alcanzando una reflectancia de hasta el 90%.

5. ¿Qué función cumplen los refractores prismáticos? ¿Qué materiales se utilizan? Proveen apantallamiento e iluminación homogénea. Los materiales son policarbonato y acrílico.

6. ¿Como se indica el grado en que una lámpara permanece oculta de la visión? Mediante el ángulo de apantallamiento que es aquél formado por la horizontal y la línea donde la lámpara deja de ser visible. El ángulo de corte o “cut off” es el formado por el eje vertical de la luminaria y la línea por donde deja de hacerse visible la lámpara.

7. ¿Para qué se utilizan los louvers? Indique los tipos en los que se encuentran. Limitan la emisión de luz en determinados ángulos laterales, modificando la distribución luminosa de la luminaria. Los tipos más comunes son: persiana, casetón, reticulado parabólico y doble parabólico.

8. Enumere los diferentes tipos de distribución luminosa de una luminaria La distribución puede ser simétrica (de revolución, bisimétrica, longitudinal) o asimétrica, directa e indirecta y según el ángulo de corte.

9. Clasifique los tipos de distribución luminosa (según la CIE) de acuerdo a la

eficiencia Se clasifican así:

• Directa • Semi- directa • Difusa general • Semi-indirecta • Indirecta

10. ¿Qué características poseen los bañadores?

Son luminarias que tienen una distribución de iluminancia/ luminancia sobre una superficie en forma no uniforme sino gradual. Existen diferentes tipos: pared, techo y suelo.

11. Si el techo es muy bajo, ¿qué ocurre con el deslumbramiento cuando la luminaria es directa?

Se debe realizar mayor control del deslumbramiento, disminuyendo la luminancia en aquellos ángulos expuestos a la visión (45° a 90°)

12. ¿Cuáles son los criterios de selección según factores de eficiencia? Son el rendimiento, el factor de atenuación, el factor de utilización y de mantenimiento

CUESTIONARIO CAPÍTULO 6 EQUIPOS AUXILIARES DE FUENTES DE ILUMINACIÓN

1. ¿Qué estrategias permitirían reducir el consumo de los equipos auxiliares? Las fabricación de equipos con normas de calidad y tecnologías de eficiencia reducirían el consumo a la mitad (350 GWh/año).

2. ¿Cuáles son las nuevas funciones de los equipos auxiliares además de las convencionales?

Algunos modelos de los equipos auxiliares permiten controlar el encendido, apagado o atenuación del flujo luminoso y monitorear los parámetros de funcionamiento del sistema luminoso para programar su mantenimiento.

3. ¿Cuál es el dispositivo auxiliar que mejor se desempeña como balasto? Es el inductor-capacitor porque ofrece las mejores condiciones de estabilidad, reencendido y distorsión de corriente. El único inconveniente por el que no haya sido adoptado en nuestro país es el mayor costo debido a la necesidad de una mayor capacidad.

4. ¿Cuál es la expectativa de vida de un balasto en una instalación fluorescente? Para que un balasto operando 3000 h anuales en una oficina, tenga la misma vida útil que la instalación, es decir 30 años, es menester que se cumplan las siguientes condiciones:

• El balasto cumpla los requisitos de la norma o los supera • Se encuentre emplazado en lugares donde la disipación térmica sea suficiente

para evitar que los enrollamientos queden expuestos a mayores temperaturas que las de trabajo

• Los demás componentes del equipo sean normalizados • La tensión de alimentación no supere la nominal

5. Enumere las ventajas del balasto electrónico de alta frecuencia.

Son las siguientes:

• Mayor eficacia luminosa • Menor consumo propio • Mejor comportamiento de las lámparas con la temperatura • Factor de potencia unitario que no requiere compensación • Eliminación del parpadeo luminoso y del efecto estroboscópico

6. Enumere algunos dispositivos innovadores y su función

Son los siguientes:

• Atenuadores de iluminación: regulan el flujo luminoso de 0 a 100% en lámparas de descarga e incandescentes

• Atenuadores (“dimmers”) autorregulados por señal horaria: varían el flujo luminoso según un cronograma horario electrónicamente preestablecido mediante un temporizador (“timer”); se usa para vías de circulación

• Balastos autorregulados que controlan el flujo luminoso o la potencia de la lámpara

• Sensores de presencia infrarrojos pasivos que permiten un ahorro sustancial de la energía

• Sensores que detectan el nivel de iluminación natural y regulan la artificial consiguiendo un ahorro de energía

• Sistemas automáticos de control que integran en un solo dispositivo todas las prestaciones arriba enumeradas

CUESTIONARIO CAPÍTULO 7 SISTEMAS INNOVADORES DE ILUMINACIÓN

1. ¿Qué es un SACI? Indique la finalidad de un SACI El SACI es un sistema automático de control de iluminación. La función de un SACI es principalmente lograr el ahorro energético a través del control automático del niveles de iluminancia natural o artificial, ocupación y horario de ocupación de los locales

2. Grafique un SACI de una lámpara incandescente

3 Se hmom10 a

4 Conel ex

Control convencional

Control automático

lámpara

sensores

By pass

ocupacional

fotocélula

reloj

. ¿Cuál es la función del sobredimensionado inicial en las instalaciones?

ace para mejorar el factor de mantenimiento y que la depreciación luminosa al ento del recambio no haya afectado el nivel de iluminación. Permite un ahorro del

l 15% de la energía consumida.

. ¿Cómo puede optimizarse este sobredimensionado?

la implementación de un sistema de regulación del flujo luminoso para ahorrar en ceso de iluminación inicial

5. Indique los porcentajes de derroche energético por ocupación en los locales de

un edificio.

Tipo de local Dfo Baños-servicios 43% Oficinas individuales 27% Salas de reunión 23% laboratorios 19% talleres 3%

6. ¿Con qué dispositivo ahorraría energía en un local con buen CLD?

Mediante el empleo de un sensor foteléctrico

7. ¿En qué casos un sensor horario produce un ahorro significativo de energía? En aquellos locales con un patrón de uso horario definido como oficinas, aulas, vidrieras, carteles luminosos, naves industriales.

8. ¿Cuál es el rango de ahorro de Australia para edificios? Los datos proporcionados indican un ahorro que va de un 45% a un 64%, es decir que los SACI pueden permitir grandes ahorros en los edificios comerciales.

9. Indique qué limitaciones tienen los SACI. Son las siguientes:

• Carencia de métodos apropiados de diseño • Dificultad en la predicción de ahorro • Funcionamiento no deseado de las instalaciones • Dificultad de especificaciones y calidad de equipos • Reacción adversa de los ocupantes

CUESTIONARIO CAPÍTULO 8 DISEÑO DE ILUMINACIÓN DE INTERIORES

1. Defina un sistema de iluminación eficiente Es aquel que satisface las necesidades visuales, crea un ambiente saludable, seguro y confortable, emplea con criterio racional en el uso de la energía, los recursos tecnológicos a un costo razonable en cuanto a la inversión inicial y los costos de operación y mantenimiento.

2. Indique las etapas del proceso de diseño.

Uno de los modos posibles de abordaje del problema comprende las siguientes etapas: • Análisis del proyecto • Planificación básica • Diseño detallado • Asistencia técnica • Evaluación posterior

3. A su criterio ¿cuál resulta más equilibrado, en todos sus aspectos, de los

diferentes sistemas de alumbrado? El general y localizado porque ofrece soluciones aceptables sin perjudicar demasiado ningún aspecto.

4. Indique el porcentaje de CLD adecuado para oficinas según la norma IRAM- AADL j20-02

Es del orden del 2%.

5. ¿Cuál sería la ubicación más favorable para un puesto de trabajo con computadora respecto de una ventana? ¿Por qué?

Perpendicular a la misma ya que frente a la ventana el contraste de luminancia es muy alto y de espaldas a la misma se producen reflejos y sombras sobre la pantalla del monitor

6. ¿En qué etapa del proceso de diseño realizaría un análisis económico? En la de diseño detallado, cuando se definen con precisión equipos, lámparas y luminarias.

7. Determine cuántos tubos fluorescentes de 36 W (1200 lm) se necesitan para una iluminancia de 500 lux sabiendo que el local es de 6,32 x 7,45 m con una altura de 2,65 m, el plano de trabajo se encuentra a 0,73 m y las reflectancias del local son de 80% en cielorraso y 50% en paredes y el factor de mantenimiento es de 80%.

El índice del local = al

alh×

+×=

)(5k

45,732,6)45,732,6()73,065,2(5

×+×−×

= = 2,80

El factor de utilización = m = 0,50

aldlmNEmmed ×

×××=

µφ

508,05,0120045,732,6500

=××××

=××××

=dlmalEmN med

µφ tubos

8. ¿Cuál será la iluminancia horizontal proporcionada por una lámpara de 2000 cd

cuyo haz forma un ángulo de 30° con la vertical al plano de trabajo a una h de 2,50 m?

lux20825,6

65,02000cos2

3

=×

=×

=h

IEphλλ

9. Enumere algunos inconvenientes provocados por la introducción de armónicas

en la red. Las armónicas son productos de cargas no resistivas, es decir que la corriente no es sinusoidal aun cuando la tensión entregada por la red sí lo es. Igual que una corriente sinusoidal que esté desfasada con la tensión sinusoidal, las armónicas también reducen el factor de potencia. Esto aumenta las pérdidas óhmicas en la red. Para las categorías tarifarias donde se penalizan por reducción del factor de potencia, la presencia de muchas distorsiones de la corriente pueda generar recargos en la facturación. En sistemas trifásicos, la presencia de armónicos también significa que la corriente de neutro no es cero, aun cuando las cargas en las tres fases fueran perfectamente balanceadas. Como el neutro no está diseñado para llevar mucha corriente, suelen tener secciones de cable sustancialmente menores que los conductores de fase. Por ello, un exceso de corriente de neutro puede resultar en el sobrecalentamiento del mismo, generando un riesgo de incendio. Finalmente, un exceso de cargas con armónicos generarían distorsiones en la tensión entregada por la red, lo cual puede afectar motores y otras cargas que depende de una tensión sinusoidal.

En la cuestión de armónicas, ver también el capítulo 6.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 9 EL USO DE LAS COMPUTADORAS PARA EL DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN

1. Describa las características operativas de un programa de iluminación Esos aspectos son:

• El nivel de exactitud de los cálculos • El grado de precisión delos análisis • Las rutinas para entrada de datos

2. ¿Qué componentes de la iluminancia se consideran en los cálculos de alumbrado

exterior? Sólo la componente directa lo cual puede llevar a incurrir en errores cuando hay interreflexión por superficies reflejantes (fachadas, vegetación, etc.)

3. ¿Qué datos se necesitan ingresar? Se necesitan ingresar los parámetros geométricos del local y la información fotométrica de las luminarias

4. ¿Por qué el “renderizado” (rendering) se deja para la etapa final del proyecto? Porque demanda mucha memoria y, por ende, tiempo, para el procesamiento de los datos.

5. ¿De qué otra manera pueden presentarse los resultados además de un “render”? Puede ser:

• Numéricamente en forma de matrices • Como curvas isolux • como escala de grises

CUESTIONARIO CAPÍTULO 10 ILUMINACIÓN DE ESPACIOS EXTERIORES PRIVADOS

1. Indique las características que debe reunir un buen alumbrado de áreas exteriores de un centro comercial

Debe cumplir con lo siguiente:

• Atraer al cliente hacia el centro comercial y puntos de venta específicos • Poder identificar claramente acceso, salidas de emergencia, estacionamiento, • Garantizar circulación correcta interna de peatones y vehículos • Contribuir a la vigilancia y seguridad de personas y objetos • Conferir unidad visual al área de compra sin contaminar visualmente las

adyacencias 2. ¿Por qué la reflectancia de los elementos es tan importante en la iluminación

exterior residencial? El efecto de la iluminación sobre el observador se origina en la luz reflejada por los elementos constitutivos del paisaje. Son de suma importancia el contraste de cada objeto con el fondo y entre sí.

3. ¿Qué valores de contraste pueden alcanzar los elementos en este tipo de iluminación?

Son del orden de 1 a 10 con el fondo y 3 a 5 con otros centros secundarios de interés

4. Indique los valores mínimo y promedio recomendados por la CIE (Comisión Internacional de Alumbrado) y especifique qué otra variable incide en la elección de dichas iluminancias para una calle de uso nocturno moderado por peatones o ciclistas.

El valor promedio de iluminancia horizontal será de 7,5 lux y el valor mínimo de 1,5 lux. Estos valores podrán incrementarse si existe riego de vandalismo o delitos

5. Indique los valores de iluminancia mínimo y medio, respectivamente, para centros comerciales con actividad media para zonas de uso peatonal y estacionamiento y de uso vehicular exclusivo

Es de 6 lux para el área de estacionamiento y peatonal y de 11 lux para el área de uso vehicular exclusivo.

6. Especifique criterios de eficiencia a aplicar en iluminación exterior privada Serían los siguientes:

• Utilización de fuentes luminosas de menor potencia • Incremento de los puntos de luz • Menor altura de montaje de los puntos de luz

7. Enumere algunas ventajas de la menor altura de montaje

Algunas ventajas serían:

• Elementos de sostén más livianos, por ende más sencillos en su montaje • Menor costo de mantenimiento porque no se necesitan máquinas o herramientas

complejas ni personal tan calificado • La luminaria no ilumina la copa de los árboles, sino que está por debajo

aprovechando mejor el alumbrado

8. Indique alternativas de lámparas para iluminación de exteriores de colores neutros, según la eficiencia de las mismas

El orden sería el siguientes en forma decreciente respecto a la eficiencia:

• Lámparas fluorescentes • Halogenuros metálicos recubierta • Incandescente halogenada • Incandescente común

9. ¿Cómo se evita la polución lumínica?

Mediante la elección de una luminaria que no envíe el flujo luminoso hacia donde es innecesario (por ejemplo, hacia arriba).

CUESTIONARIO CAPÍTULO 11, ANEXOS 1 Y 2 LUZ NATURAL E ILUMINACIÓN DE INTERIORES

1. Enumere las ventajas de la iluminación natural en edificios Las ventajas de la iluminación natural incluye

• Posibilita el ahorro energético • Posibilita niveles de iluminancia superiores a los de las fuentes artificiales • Introduce menos ganancias térmicas por lumen • Es dinámica a lo largo del día y del año • Puede incrementar el valor comercial de un inmueble

2. Especifique las fuentes de luz natural

Puede ser:

• Directa: proviene directamente del sol • Indirecta: es la que llega por reflexión interna en pisos, cielorrasos y muros • Difusa: es la proveniente de la bóveda celeste

3. ¿Por qué debe evitarse la luz solar directa sobre el plano de trabajo?

Porque genera altos contrastes y deslumbramiento debido a su alta capacidad lumínica

4. ¿Por qué se recomienda el uso de iluminación cenital para cielos cubiertos? Porque no recibirán radiación directa y porque es de 2.5 a 3 veces más luminoso en el cenit que en el horizonte.

5. ¿Cuál es el sector más oscuro de un cielo claro? Es el que se encuentra a 90° respecto del sol por lo que el cenit puede resultar más oscuro que el horizonte

6. ¿Qué dispositivo de protección solar proveería para un local con orientación SO?

Se deberían colocar parasoles verticales debido a los ángulos bajos del sol en verano

7. Especifique los sistemas de iluminación natural según de dónde proviene la luz Son los siguientes:

• Iluminación lateral • Iluminación cenital • Iluminación combinada

8. ¿Qué dispositivo usaría para evitar el ingreso de radiación solar directa en una

ventana orientada al N? Se utilizaría un estante de luz que refleje la mayor cantidad de radiación directa y la dirija hacia el cielorraso o se utilizaría un parasol difusor.

9. ¿Cuál es el factor determinante en la iluminación cuando el aventamiento es lateral?

La orientación ya que varía considerablemente el ingreso de luz natural.

10. ¿El estante de luz incrementa la iluminancia posterior de un local? No, ya que el ingreso de luz solar está limitado por el propio estante.

11. ¿En qué casos es aconsejable el uso de lumiductos? Sólo para climas soleados

12. ¿Qué variables comprenden el Factor de Luz Natural? La componente de reflexión externa, la componente de reflexión interna y la componente de cielo

13. ¿En qué casos se recomienda la instalación de ductos de luz verticales? Cuando el edificio no supiere los 5 pisos y las obstrucciones laterales impidan el correcto funcionamiento de los ductos horizontales

14. ¿Cuál es la principal característica para la cual se han diseñado los colectores anidólicos?

Se han diseñado para maximizar el aprovechamiento de la radiación difusa en cielos cubiertos.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 12 EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL ALUMBRADO NATURAL EN EDIFICIOS

1. El potencial de aprovechamiento energético de la luz natural depende de dos factores. ¿Cuáles son?

La cantidad de luz disponible en el lugar donde está ubicado el edificio y la proporción de luz natural que pueda entrar al edificio. El primer factor depende de la latitud, la estación, etc. El segundo depende del diseño del edificio. Otro factor no mencionado en el texto es la relación del edificio con su entorno: otros edificios, vegetación, etc. pueda bloquear el acceso a la luz natural para un edificio.

2. Especifique factores que inciden en el potencial y el real aprovechamiento de la luz natural

En el aprovechamiento potencial, inciden la disponibilidad del recurso solar según su emplazamiento geográfico, climático, estacional y atmosférico En el real, incide la existencia de controles automáticos de ahorro de energía eléctrica o, en su defecto, la voluntad del usuario

3. Aun cuando un edificio está ubicado en un lugar con adecuados niveles de luz natural y su diseño permite un buen aprovechamiento del mismo, es posible que la luz natural contribuya a reducir el consumo energético para la iluminación. Enumere algunos factores que pueden causar esto.

El factor principal es la voluntad de los usuarios del local en aprovechar la luz natural. Varios factores puedan contribuir a esta falta de voluntad, a saber: (a) muchos usuarios de edificios comerciales y públicos no son responsables para la factura eléctrica por lo cual no percibe beneficios económicos mediante un mejor aprovechamiento de la luz natural; (b) la luz natural puede ser distribuido de manera poco uniforme, con exceso de iluminación cerca al perímetro e insuficiente en el interior. Esto es un problema cuando el sol incide en el interior del local, causando deslumbramiento. Para reducir el disconfort, usuarios suelen cerrar la entradas de luz y encender la luz artificial, que es más uniforme. (c) es posible que los usuarios (o gente de limpieza) lleguen al local temprano y encienden las luces, las cuales queden encendidas todo el día. Por ejemplo la diseñadota Andrea Patín (autora del Capítulo 11) realizó excelentes diseños para el aprovechamiento de la luz natural en varios colegios en Mendoza. Sin embargo, observó que la personal de limpieza llegaba a los edificios muy temprano, antes de que hubiera adecuada luz natural, y encendía las luces. Dichas luces quedaban encendidas todo el día, aún cuando había mucha iluminación natural. El factor humano debería ser la principal consideración para un mejor aprovechamiento de la luz natural.

4. Indique las características de un diseño de luz natural efectivo Deberá poseer: Dispositivos intermedios que cubran las necesidades de evitar deslumbramiento, asegurar el control lumínico y térmico, proveer aislamiento acústica, privacidad y seguridad. Estos dispositivos deberán ser fácilmente accionables por el usuario.

5. ¿Cuál es el argumento que más motivaría el ahorro de energía en edificios donde el usuario no paga la factura de lo que consume?

Los beneficios al medio ambiente parecen ser aquellos argumentos más efectivos.

6. ¿Por qué es más probable que el usuario encienda las luces cuando el nivel de iluminación es insuficiente y no las apague cuando excede dicho nivel?

Porque su necesidad fisiológica motivará el encendido pero sólo su voluntad de ahorro motivará el apagado

7. En el Capítulo 12, el Ing. Assaf define un parámetro para cuantificar el aprovechamiento energético de la luz natural y otro indicador del derroche cuando haya luces encendidas en locales sin personas.

a. ¿Cómo se llaman estos dos indicadores? b. Un colegio tiene 8 aulas, cada una con una potencia instalada de

iluminación de 1000 W. Luego de las clases el Inspector de Derroche visitó el colegio que en cuatro de las aulas, las luces estaban apagadas, en dos estaban todas encendidas mientras que en los dos restantes, estaban encendidas 300 W cada una. ¿Cuál es el valor del indicador de derroche en las aulas de este colegio?

a. Los dos indicadores son el Contribución Energética de la Luz Natural (CELN) y

el Derroche por factor ocupacional (Dfo). b. El Dfo se puede definir como:

PtPldDfo =

donde Pld es la potencia de luces encendidas en locales no ocupados y Pt es la potencia total de la instalación. En este caso, Pt es 8000 W; Pld = 2 x 1000 + 2 x 300 = 2600 W. Entonces, para las aulas de este colegio, Dfo = 2600/8000 = 0,325.

8. ¿En qué momento de la jornada sería más aprovechable la iluminación natural? ¿Por qué?

En el comienzo de la tarde después del período de receso del almuerzo ya que al estar las luces apagadas la tendencia es no prenderlas hasta que el nivel de iluminancia no baje hasta 320 lux, cuando la luz natural comienza a declinar.

CUSTIONARIO CAPÍTULO 13 ANALISIS ECONÓMICO DE LA ILUMINACIÓN EFICIENTE Elijan las respuestas correctas entre las cuatro posibilidades que siguen cada ítem abajo:

1. La rentabilidad de la iluminación eficiente depende principalmente de: - Costo del sistema eficiente y no eficiente, el precio de la energía, horas

de encendido y vida útil de los componentes. (CORRECTO) - Precio de la energía, consumo de la energía del sistema eficiente y no

eficiente. - Precio de la energía, costo del sistema eficiente y no eficiente, y las

horas de encendido. - Costo del sistema eficiente y no eficiente, y el precio de la energía

2. Para una comparación económica entre distintas alternativas de

iluminación, conviene - Sumar las inversiones y gastos operativos a lo largo de la vida útil de los

elementos. - Comparar la inversión con el gasto energético en el primer año - Convertir las inversiones y los gastos operativos a su valor inicial

(CORRECTO) - Comparar la tasa de descuento con el precio de la energía

3. Con una tasa de descuento de 15% ¿qué valor tendría un peso de hoy al

cabo de un año? - $0,85 - $1,15 (CORRECTO) - $1,50 - $0,15

4. Una evaluación económica con el “Costo durante la vida útil” se puede

hacer para uno de los siguientes casos. ¿Cuál? - Una lámpara incandescente de 100 W y una lámpara fluorescente

compacta de 11 W. - Dos lámparas fluorescentes de la misma potencia y vida útil, pero de

distintos valores de eficacia luminosa. (CORRECTO) - Un sistema de lámpara fluorescente de 36 W con balasto

electromagnético y otro de 36 W con balasto electrónico. - Una lámpara incandescente de 75 W y una lámpara fluorescente

compacta de 20 W. 5. Tenemos que comparar una lámpara incandescente de 75 W (vida útil 1000

horas) con una fluorescente compacta de 20 W (vida útil 6000 horas) en un punto de luz que tendría encendido de 2,74 horas por día todo el año. Si los precios de las lámparas fueron $1,20 y $13 respectivamente, la tasa de descuento fuera 0,15 y el precio de la electricidad fuera $0,10 por kWh, ¿cuál de las siguientes resultados es falso? (hay uno sólo)

- La lámpara incandescente duraría 1 año.

- El costo anualizado de la compara de la fluorescente compacta es $1,38. - El costo del consumo energético anual de la incandescente es $7,50 - El costo anualizado total de la fluorescente compacta es $3,43.

(CORRECTO, ES DECIR ESTE “RESULTADO” ES FALSO.) Preguntas y respuestas Iluminación residencial 1. Se puede comprar una lámpara fluorescente compacta alemana de 20 W o una china de 23

W para reemplazar una incandescente de 100 W. La alemana cuesta $ 23 y la china $ 13. La vida útil de la lámpara alemana es de 10.000 horas. ¿Cuál es la mínima vida útil de la lámpara china para que ésta sea más rentable. Considere 4 horas de encendido por día. Precio de la electricidad: $ 0,11/kWh.

Consideramos la opción más económica, aquélla que permite reducir los costos totales (costo de compra + costo de operación). Cuando las distintas alternativas tienen la misma vida útil, la mejor opción es aquélla que tiene el menor valor de CVU (Costo durante la vida útil). En este caso, ya que se trata de comparar alternativas con diferente vida útil, el costo anualizado total es el mejor indicador, donde se compararían los costos anuales de comprar y operar cada alternativa. Para determinar el costo anualizado debemos calcular la vida útil de las alternativas en años. Está dada por la vida útil en horas dividido por (365 * 4), considerando cuatro horas de encendido por día. El consumo energético anual (kWh) de cada alternativa está dado por el producto de la potencia (W) y las horas de uso anuales dividido por 1000 (para convertir watt horas en kWh). El costo de operación de cada alternativa está dado por el producto del consumo energético anual (kWh) y el precio por kWh. Los datos y cálculos básicos de las distintas alternativas se presentan a continuación.

Opción Vida útil horas

Vida útil años

Precio inicial $

Costo energético anual, $

Incandescente, 100 W

1000 0,685 $1,50 (suposición)

$ 16,06

LFC alemana, 20 W 10.000 6,85 $ 23 $ 3,21 LFC china, 23 W L L /(365*4) $ 13 $ 3,69

Hasta ahora tenemos el costo inicial y el costo energético anual de cada alternativa. Para poder comparar estas alternativas necesitamos los costos anualizados totales (CAT) de cada alternativa. El CAT es la suma del costo anualizado del precio inicial + el costo energético anual. La determinación del costo anualizado del precio inicial requiere la determinación del FRC (factor de recuperación de capital) que, a su vez, depende de la tasa de descuento.

En esta pregunta, como en la vida real, nadie nos indica qué valor de la tasa de descuento a elegir. La persona que está tomando la decisión debe decidir. Supongamos que la tasa de descuento real es 10% por año. En términos de la Ec. 6 del capítulo 13, 1,0=i . FRC está dado por la Ec. 6:

−+

+×=

1)1()1(

N

N

iiiFRC (6)

N es la vida útil de la inversión (en este caso una lámpara) en años. N = 0,685 año para la incandescente, 6,85 años para la LFC alemana y una función de L para la LFC china. En primera instancia comparamos la incandescente con la LFC alemana. FRC (incandescente) = 1,58 FRC (LFC alemana) = 0,209 En la tabla a continuación comparamos estas dos opciones, agregando los datos conocidos para la tercera opción. Costo

inicial, $ FRC Costo inicial

anualizado, $/año

Costo operativo anual, $/año

Costo anualizado total, $/año

Incandescente, 100 W

1,50 1,58 2,37 16,06 18,43

LFC, 20 W 23 0,209 4,81 3,21 8,02 LFC, 23 W 13 3,69 No debe sorprendernos que el CAT para la LFC de 20 W es muy inferior al valor de la incandescente. En este ejercicio no fuimos informado respecto al precio de la incandescente. Los resultados presentados arriba se basan en un precio supuesto de $1,50. Sin embargo, el costo anualizado total de una incandescente está dominado por el costo operativo, es decir por el consumo de energía. Aun si el precio de la incandescente fuera cero, el CAT hubiera sido $16,06, el doble del de la LFC. Moraleja: Aún regalada, una lámpara incandescente no es económica.

Para que la LFC china gane a la alemana, su CAT debe ser menor a $8,02. Conocemos su costo operativo anual, $3,69. Entonces, para ganar, su costo inicial anualizado debe ser menor a $ (8,02 – 3,69) = $ 4,33. Considerando que esta lámpara tiene un costo inicial de $13, el FRC debe ser mayor a 4,33/13 = 0,333. La Ec. 6 es no lineal por lo cual no existe una manera analítica de determinar el valor de “n” a partir del valor de “i” y FRC. En la tabla siguiente, realizada en Excel, se hizo una serie de prueba y error con distintos valores de N hasta llegar al valor que daría FRC = 0,333. Arrancamos la tabla con los dos valores ya establecidos, para la incandescente y la LFC alemana.

N i FRC 0,685 0,1 1,582231426,85 0,1 0,2085711

5 0,1 0,263797484 0,1 0,31547083 0,1 0,4021148

3,5 0,1 0,352547843,7 0,1 0,33650181

3,75 0,1 0,332760353,74 0,1 0,33350056

Según este cálculo, la LFC china tiene que durar más de 3,74 años para que resulte más económica que la alemana. Con 4 horas de uso diario, esto implica una vida útil mínima de 3,74 * 365 * 4 horas = 5460 horas. Nota. El uso de “alemana” y “china” en este ejemplo no implica que todas las LFC de Alemania tienen larga vida, ni que todas las chinas son de baja vida. De hecho, China es hoy el principal fabricante de LFC a nivel mundial y algunos modelos chinos son de muy larga vida. Para ver la lista de LFC que cumplan con la normativa ELI de calidad y eficiencia, ver el archivo “Qualified CFL 9dec04.pdf” en el material complementario de este Seminario de Iluminación Eficiente. Esta lista es de diciembre del 2004, la más actual en el momento de elaborar este curso. Para actualizaciones en la lista, consultar a //efficientlighting.net/products. 2. Don Manolo reemplazó tres lámparas incandescentes por fluorescentes compactas con

balastos electrónicos y de comparable nivel de lúmenes. Las tres lámparas que se utilizaban antes eran: una de 100 W encendida 3 horas por día, una de 60 W durante 6 h/día y una de 75 W por 5 horas diarias. El precio de las incandescentes es $0,75 cada una, las fluorescentes $25 cada una. Don Manolo ha comprobado con el programa ELI que la vida útil de los dos tipos de lámparas son 1000 h y 6000 h respectivamente. Don Manolo paga $0,12 por kWh de electricidad. ¿Es rentable la compra de las fluorescentes bajo estas circunstancias? Si lo es, ¿cuanto $/año estaría ahorrando en total? Especifique sus suposiciones adicionales.

La pregunta no especifica la potencia de las LFC. Típicamente los valores declarados por los fabricantes para LFC con balasto electrónico implican que una LFC con el mismo flujo luminoso que una incandescente tiene una potencia cinco veces menor. El flujo luminoso es la emisión de luz en todas las direcciones. Sin embargo, las lámparas no iluminan en todas las direcciones por igual. Por ello, la iluminancia producida por una lámpara depende de la posición de la lámpara respecto a las superficies a iluminar. Por otro lado, el flujo luminoso total de una LFC depende de su orientación. La norma ELI para LFC (ver la última revisión en inglés, “ELICFLSpec.pdf” o una versión anterior traducida “Norma ELI para LFC jun00.pdf”) especifica que se realicen mediciones con la base de la lámpara hacia arriba. En aplicaciones típicas, mediciones realizadas por Carlos Tanides (FI-UBA) indican que una relación de potencia de cinco a uno entre incandescente a LFC deja un déficit en la iluminancia con la LFC. Por ello, se ha recomendado una sustitución con una relación de potencia de cuatro a uno para que el usuario de la LFC este conforme. Por otro lado, es posible que los usuarios de lámparas incandescentes usan lámparas incandescentes de menor potencia (y menor flujo luminoso) que quieran por una cuestión de costo energético. El estudio de mercado residencial realizado por ELI en el 2000 mostró que las incandescentes de 60 W son las más comunes, mientras que para las LFC, las más comunes son de 20 W (ver “Estudio de Mercado Residencial ELI 2000.ppt”, láminas 9 y 10 con sus respectivas páginas de notas). Por ello, recomendamos las siguientes equivalencias para este ejercicio (y para la vida real):

Incandescente, W LFC, W 100 23 75 20 60 15 40 11

Nuevamente el indicador económico más conveniente es el Costo anualizado total (CAT). En este ejemplo, tampoco estamos informado respecto al valor correcto de la tasa de descuento. Los cálculos presentados a continuación se basan a una tasa de descuento del 10% anual.

Opción Vida útil horas

Horas por día

Vida útil

años

Precio inicial,

$

Precio inicial anualizado

$

Costo energético anual, $

Costo anualizado

total, $ Incand., 100 W 1.000 3 0,91 0,75 0,90 13,14 14,04 LFC, 23 W 6.000 3 5,48 25 6,14 3,02 9,16 Incand., 75 W 1.000 5 0,55 0,75 1,47 16,42 17,89 LFC, 20 W 6.000 5 3,29 25 9,29 4,38 13,67 Incand., 60 W 1.000 6 0,46 0,75 1,75 15,77 17,52 LFC, 15 W 6.000 6 2,74 25 10,88 3,94 14,82

Conclusión: en los tres casos, la LFC es la mejor opción, bajo nuestras suposiciones. El CAT total de la opción incandescente es $ 49,45, mientras que para la opción LFC suma $37,65.

Alumbrado público. 3. Como se comentó en la sección 13.3, una instalación de alumbrado público eficiente

comprende de usos de lámparas de sodio de alta presión, por ejemplo con potencias de 150 W y de 250 W. Considere una luminaria con lámpara de mercurio de 400 W, que se opera durante 4000 horas al año. Considere que el equipo auxiliar suma 40 W a la potencia de la lámpara. Considere que se propone reemplazar la lámpara de mercurio de 400 W por una de sodio de 250 W. Junto con el equipo auxiliar, el consumo sube a 275 W. Considere un costo de energía para el alumbrado público de $ 0,12 por kWh. El reemplazo de la lámpara de mercurio por una de sodio costaría $350 (si fuera hecho en cantidad) considerando el costo de la lámpara, el equipo auxiliar, el ignitor y la instalación. Considere la vida útil típica de cada lámpara. a. ¿Cuál es el flujo luminoso de cada una de las dos lámparas? b. ¿Cuál es el costo energético anual de operación de cada una? c. ¿Es rentable el reemplazo de la lámpara de mercurio con la de sodio? Explique sus

criterios de decisión. La tabla 3 del capítulo 4 indica que una lámpara de vapor de mercurio tiene una eficacia luminosa de 50 lm/W. Los fabricantes importantes publican las especificaciones de sus lámparas en catálogos y fichas técnicas, algunos de los cuáles están disponibles en Internet. A continuación tabulamos valores de flujo luminoso típicos de los principales fabricantes.

Vapor de mercurio alta presiónPotencia, W Flujo luminoso, lm

50 1.800 80 3.800

125 6.300 250 13.000 400 22.500 700 40.000

1000 58.000

Vapor de sodio alta presión Potencia, W Flujo luminoso, lm

50 3.500 70 5.600

150 14.000 250 25.000 400 47.000

1000 128.000 Se observa que la lámpara de sodio de 250 W genera 25.000 lm, superando los 22.500 lm de la lámpara de mercurio que estaría reemplazando. El costo energético de operación anual de la lámpara de mercurio de 400 W —encendido 4000 horas anuales— está dado por: (400 + 40) * 4000 * 0,12/1000 = $ 211.

El costo de operación anual de la lámpara de sodio de 250 W, encendido 4000 horas anuales, está dado por: (250 + 25) * 4000 * 0,12 / 1000 = $132. El costo de la sustitución es $350. La pregunta no dice nada respecto a la edad de la lámpara existente. Si fuera una cuestión de elegir entre dos lámparas nuevas para una instalación nueva, utilizaríamos el CAT de cada alternativa para determinar la rentabilidad o no de elegir la opción más eficiente. En este caso, se trata de una instalación existente. El peor caso de rentabilidad se daría cuando la lámpara de mercurio a reemplazar es relativamente nueva. En este caso, el CAT de utilizar la lámpara existente está dado por el costo operativo anual, es decir $211. El CAT del sistema de sodio está dado por el costo anualizado de la nueva instalación ($350 anualizado) más el costo energético anual ($210). Según la tabla 3 del capítulo 4, la lámpara de sodio tiene una vida útil de 16.000 horas. Con un uso de 4000 horas anuales, la lámpara duraría 4 años. Si el resto del sistema (balasto, ignitor, etc.) también tuviera una vida útil de 4 años, el FRC sería 0,315, considerando una tasa de descuento del 10% anual. En este caso, el CAT de la sustitución es 0,315 * 350 + 211 = $321. Con estas suposiciones, la sustitución no es rentable. El CAT de la opción mercurio es $211, mientras que el de la opción sodio es $321. Por supuesto, en una situación real, la lámpara existente de mercurio no será nueva. Por otro lado, si bien la lámpara de sodio dura 16.000 horas o cuatro años, el resto del sistema debe durar mucho más. Por ello, se debe computar el CAT considerando los CAT de los distintos componentes del sistema con sus respectivos costo inicial y respectivas vida útil. Por otro lado, no hemos mencionado el costo de mantenimiento del sistema de alumbrado público, que no es despreciable. Por ello, el análisis económico de la sustitución de lámparas de mercurio por las de sodio es más complejo. Es más rentable cuando el sistema existente está en mal estado, con altos costos de mantenimiento. La situación más favorable se da cuando el equipamiento existente está al final de su vida útil, por lo cual uno debe elegir entre un nuevo sistema basado en lámparas de mercurio o uno basado en lámparas de sodio. Considerando que las lámparas en sí tienen poca diferencia de precio, mientras que el sistema con lámparas de sodio consume 40% menor, la opción sodio es muy rentable.

4. La empresa argentina E ofrece un sistema de ahorrar energía en el alumbrado público.

Comprende la reducción del flujo luminoso mediante una reducción en la tensión de las lámparas durante las altas horas de la noche, donde hay menor circulación. En una serie de mediciones, se demostró que la lámpara de sodio de 250 W bajaba de 286 W en plena potencia a 179 W en la potencia reducida. El flujo luminoso bajó en 48%.

a. ¿Cuánto es el ahorro anual de energía por lámpara que se opera con potencia reducida

desde la media noche hasta las 6 AM? b. ¿Si el precio de cada equipo E fuera $ 90 con instalación, es rentable el reemplazo?

El sistema ahorraría potencia durante 6 horas por noche, es decir durante 6 * 365 = 2190 horas al año. El sistema de A.P. típicamente tiene un encendido anual del 4100 horas al año. Sin el sistema de ahorro, el consumo energético sería 286 * 4100 / 1000 kWh al año = 1172,6 kWh/año. Entonces el sistema de ahorro operaría a plena potencia (286 W) durante 1910 horas y a 179 W durante 2190 horas. El consumo energético anual sería: 286 * 1910 + 179 * 2190 = 938,3 kWh/año. Entonces el ahorro sería de 234,3 kWh/año. Una inversión de $90 lograría este ahorro. No sabemos de la vida útil del equipo ahorrador. Se trata de elementos electrónicos que debería durar muchos años. Obsérvese que el equipo duraría más que la lámpara, es decir que el mismo equipo pueda operar una sucesión de lámparas hasta llegar a terminar su propia vida útil. Suponiendo, de forma conservador, una vida útil de 8 años, y una tasa de descuento del 10% anual, el FRC = 0,187. El costo anualizado del equipo sería 0,187 * $ 90 = $ 16,83. El ahorro anual es de 234, 3 kWh al año cuyo valor depende de la tarifa eléctrica para el alumbrado público. A una tarifa del =$ 0,11 por kWh, el ahorro anual = $25,77. El equipo es rentable. Considerando que hay una gran variación en la tarifa de alumbrado público, se observa que el equipo es más rentable en aquellos lugares donde la tarifa es mayor.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 14 AUDITORÍAS ENERGÉTICAS DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL Y POTENCIAL DE AHORRO EN EL SECTOR RESIDENCIAL En una evaluación del consumo de energía eléctrica en el sector residencial, por distintos usos finales, Dutt y Tanides en 1994, obtuvieron como resultado que la iluminación representaba el 35% del consumo total del sector. En un estudio realizado por Mora y Araujo para el Programa de Iluminación Eficiente (ELI) en 2000 (ver Anexo al Capítulo 14), se encontró que la iluminación sólo representaba el 26% del total del sector residencial.

1. ¿Cuáles pueden haber sido las razones por la diferencia entre estos dos valores? Hay tres posibilidades: (a) cualquiera de las estimaciones pueden haber sido equivocadas; (b) puede haber aumentado el consumo por otros usos de la electricidad (por ejemplo: el aire acondicionado, artefactos electrónicos, etc.) sin un aumento comparable en el uso de la iluminación; (c) el consumo en la iluminación puede haber bajado entre 1994 y el 2000 por la mayor uso de lámparas de bajo consumo. 2. ¿Cómo podría usted determinar la magnitud del consumo total y el consumo por

la iluminación en el sector residencial para Argentina en el 2005?

La respuesta detallada se encuentra en el texto del Capítulo 14. En pocas palabras, esta determinación requiere de los siguientes pasos: (a) la selección de una muestra representativa de viviendas; (b) analizar la facturación de energía eléctrica durante un año para determinar el consumo total anual de la muestra de viviendas; dicho valor debe coincidir con el consumo medio nacional del sector residencial; este último valor se puede determinar de los informes anuales del sector eléctrico publicado por la Secretaría de Energía de la Nación; (c) estimar el consumo por la iluminación en la muestra de viviendas, mediante un relevamiento de lámparas instaladas y preguntando a los residentes sobre las horas de uso diario de cada lámpara; también se puede hacer una medición directa del uso de cada lámpara mediante instrumentos que registran el encendido de una lámpara; la medición directa suele ser costosa para muestras grandes. El consumo diario de cada lámpara está dado por su potencia (watts, W) y las horas de uso diario. El resultado se obtiene en unidades de watt-horas por día. Sumando el valor para todas las lámparas de una vivienda multiplicando por 365 y dividiendo por 1000 (para convertir watts en kilowatts, kW) se obtienen el consumo total por la iluminación de la vivienda en cuestión. Una vez que se tenga estimaciones del consumo por iluminación en la vivienda por este censo de lámparas y el consumo total de electricidad de la factura eléctrica, se puede determinar el porcentaje que se destina a la iluminación.

Trabajo práctico a realizarse por el profesor del curso con sus alumnos: En una hoja de cálculo, haga que los alumnos preparen formularios del tipo figura 2 del capítulo 14 para realizar un censo de lámparas en el sector residencial. (Nótese que la figura 2 ya tiene algunos valores insertados de modo de ejemplo. Estos deberían ser eliminados de la planilla.)

3. El anexo a este Capítulo 14 presenta resultados de una encuesta realizado por

Mora y Araujó para ELI. Comprende una serie de láminas (archivo PPT) con anotaciones que se encuentran en la página de notas de cada lámina.

a. La lámina 9 muestra la distribución de lámparas incandescentes por potencia. ¿Según estos datos, cuál es la potencia media de estas lámparas?

b. La lámina 10 muestra la distribución de lámparas fluorescentes compactas por potencia. ¿Según estos datos, cuál es la potencia media de estas lámparas?

c. Si uno tuviera la posibilidad de reemplazar una lámpara incandescente de potencia media por una fluorescente de potencia media, ¿cuál sería el resultado del recambio sobre el flujo luminoso? ¿Por qué?

a. La potencia media de las lámparas incandescentes se puede determinar por el

siguiente cálculo: Potencia media = 0,11 * 25 W + 0,40 * 40 W + 0,34 * 60 W + 0,16 * 75 W + 0,07 * 100 W = 58,15 W.

b. La potencia media de las lámparas fluorescentes compactas se puede determinar por el siguiente cálculo: Potencia media = 0,01 * 7W + 0,09 * 9W + 0,14 * 11W + 0,03 * 12W + 0,14 * 15W + 0,07 * 16W + 0,32 * 20W + 0,12 * 23W + 0,08 * 26W = 17,24 W.

c. Una lámpara incandescente de 58,15 W tendría una eficacia luminosa de alrededor de 13 lumen/W. (Ver Tabla 3 de Capítulo 4 donde se indica que la eficacia de una lámpara de 100 W es de 15 lm/W. Lámparas de menor potencia tienden a ser menos eficientes.) El flujo luminoso de esta lámpara sería 13 lm/W * 58,14 W = 757 lm. Una LFC de 17,24 W tendría una eficacia luminosa de 60 lm/W. (La tabla 3 del Capítulo 4 indica que la eficacia luminosa de una LFC doble de 26 W es de 70 lm/W; la caja de una LFC 15 W con el sello ELI declara un flujo luminoso de 872 lm, es decir una eficacia luminosa de 58,1 lm/W.) Entonces el flujo luminoso de la LFC con potencia media sería 17,24 W* 60 lm/W = 1034. Este flujo luminoso es sustancialmente superior al de la incandescente media. Esto se debe a que la sustitución de una lámpara incandescente por una fluorescente compacta es más rentable cuando se trata de lámparas de mayor potencia (o flujo luminoso). La gente favorece dicha sustitución y, como consecuencia, la potencia media de las LFC representa la sustitución de las incandescentes de mayor potencia que la media.

4. ¿Qué significa NIALMS? ¿Qué ventaja(s) tiene respecto a otras alternativas?

Non-Intrusive Appliance Load Monitoring System, es un sistema de monitoreo de carga domiciliaria no invasivo, para registrador el consumo de los aparatos eléctricos. La gran ventaja es que un solo instrumento instalado en la entrada de electricidad a una casa pueda determinar el encendido y apagado de las lámparas y todos los aparatos en la casa. No requiere la instalación de registradores individuales para cada aparato.

5. La tabla 1 del Capítulo 14 indica los resultados de un estudio realizado en una muestra de viviendas en Capital Federal y en el Gran Buenos Aires en 1997. Se observa que el 7,7% de las lámparas fueron del tipo “tubo fluorescente” y sólo el 3,9% fueron LFC. Por otro lado, se concluyeron que los tubos fluorescentes

representan el 11,6% del consumo total de energía para la iluminación mientras que las LFC sólo el 1,4%. ¿A que se debe las diferencias entre los porcentajes?

El 7,7% de las lámparas son tubos fluorescentes y consumen el 11,6% de la energía. Por otro lado, el 3,9% de las lámparas que fueron LFC consumían sólo el 1,4%. El consumo energético de una lámpara depende de su potencia (W) y las horas de uso por día. La diferencia puede ser consecuencia de dos factores: (a) que los tubos fluorescentes son de mayor potencia y (b) que los tubos fluorescentes tienen mayor uso. Los tubos suelen ser de potencia 18W, 20W, 36W, 40W y mayores. Según la lámina 11 del anexo al Capítulo 14, se ve que el 63% de los tubos tenían potencia del 40 W mientras que el 37% tenían 20W. La potencia media es de 0,63 * 40 + 0,37 * 20 = 32,6 W. Las LFC vienen en potencias menores y el estudio de ELI reveló una potencia media de 17,24 W (ver respuesta a pregunta 3b arriba). Por ello, creemos que la diferencia en consumo se debe principalmente a la diferencia en potencia.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 15 POTENCIAL DE AHORRO EN EL SECTOR RESIDENCIAL

1. Según la estimación realizada en la Tabla 1 del Capítulo 15), el consumo en iluminación en Argentina fue de 12,53 TWh en 1994, es decir el 26% de todo el consumo de electricidad en el país. ¿Cómo es la distribución porcentual del consumo total en iluminación para los siguientes rubros: (a) alumbrado público; (b) sector residencial; (c) sector “comercial y público”? Indique el porcentaje total de los sectores involucrados

(a) El consumo por alumbrado público fue estimado en 2,08 TWh. Esto es

16,6% del 12,53 TWh. (b) El consumo energético para la iluminación residencial fue estimado en 4,67

TWh. Esto es 37,3% del 12,53 TWh. (c) El consumo energético para la iluminación en el sector comercial y público

fue estimado en 4,08 TWh. Esto es 32,6% del 12,53 TWh. Conclusión. El consumo energético en la iluminación está concentrado en los edificios residenciales, comerciales y público, sumando el 69,9% del consumo total para la iluminación. (El sector “comercial y público” comprende la iluminación en edificios, incluyendo la iluminación exterior.)

2. El programa ELI actualizó el análisis de la Tabla 1 para el año 2000. El consumo total de cada sector en el 2000 se presenta a continuación.

Consumo total de energía eléctrica por sector,

Argentina, 2000. [1] Subsector Consumo total, TWh Comercial y público 13,878 Residencial 20,81 Industrial 27,321 Alumbrado público 2,756 Electricidad. rural 0,683 Otros [2] 2,167 Total 67,615

Notas: 1. Fuente: Secretaría de Energía de la Nación. 2. Servicio sanitario, riego agrícola, tracción y otros.

Por medio de un relevamiento y análisis de datos de 800 viviendas, ELI también pudo actualizar la estimación del consumo en iluminación, llegando a la conclusión de que la iluminación representaba sólo el 26% del consumo total residencial de la electricidad. (a) Suponiendo que este porcentaje pueda ir desde 23% hasta 29%, y con las demás

suposiciones igual que en la tabla 1 del Capítulo 15, rehaga la estimación del consumo energético por sector para la iluminación en el 2000.

(b) Especule por qué el porcentaje para la iluminación residencial puede haber bajado desde el valor del 30% en el 1994 al valor del 26% en el 2000.

Respuesta:

(a) Se realiza la estimación mediante una hoja de cálculo, la cual el/la docente debe verificar. Se presentan los resultados en la tabla a continuación.

Consumo de energía eléctrica por sector, total e iluminación, Argentina 2000

Subsector Consumo total % iluminación Consumo iluminación TWh TWh mín. prom. máx. mín. prom. máx. Comercial y público 13,878 45 50 55 6,25 6,94 7,63 Residencial 20,81 23 26 29 4,79 5,41 6,03 Industrial 27,321 5 7 9 1,37 1,91 2,46 Alumbrado público 2,756 100 100 100 2,76 2,76 2,76 Electricidad. rural 0,683 40 50 60 0,27 0,34 0,41 Otros 2,167 5 7 9 0,11 0,15 0,20 Total 67,615 23% 26% 29% 15,54 17,51 19,49 3. (Avanzado) Rehacer los cálculos con datos más recientes o datos de una

provincia. Procedimiento de respuesta: Encontrar los valores del consumo total de energía en los distintos sectores y para el país. Posible fuente de información: página web de la Secretaría de Energía de la Nación.

4. La Tabla 2 del Capítulo 15 muestra otra manera de estimar el consumo energético en la iluminación, considerando el año 1994. (La vida útil de una lámpara es 940 horas. Es posible que, por error tipográfico, el valor no se ve bien.) A continuación, presentamos los datos claves para Argentina en el año 2000. En este caso, también, en función del relevamiento realizado por ELI en el 2000, se han actualizado las estimaciones de la potencia media de las lámparas incandescentes y fluorescentes compactas.

Ventas de lámparas para el año 2000

Tipo de lámpara

Venta de lámparas por año,

VLA, millones Vida útil, VU, horas

Potencia Media

PML, W incandescente 147 940 72

fluorescente compacta 2,1 5000 17,35 fluorescente T8 3,08 6500 46

fluorescente T12 10,92 6500 50 vapor. de mercurio 0,39 12000 300

vapor de sodio 0,48 15000 220 mezcladoras 1,00 1800 250

mercurio halogenado 0,41 8000 120 otras 0,4 1500 100

Supongamos que los factores de reposición son los mismos en el 2000 que en el 1994, salvo para las fluorescentes compactas, que han subido a 0.85 en el 2000. Estime el consumo de energía por tipo de lámpara en el 2000. Estime la generación eléctrica asociada al consumo de energía en la iluminación considerando que se pierda el 15% de la electricidad generada por pérdidas de transmisión y distribución.

Respuesta.

Se realiza la estimación mediante una hoja de cálculo, la cual el/la docente debe verificar. Se presentan los resultados en la tabla a continuación.

Estimación del consumo a partir de las ventas de lámparas para el año 2000

Tipo de lámpara


VLA, millones

Vida útil, VU

horas Potencia media

PML, W

Factor de reposición

FR Consumo CA, TWh

Generación TWh

incandescent 147 940 72 0,95 9,45 11,12 fluorescente compacta 2,1 5000 17,35 0,85 0,15 0,18

fluoresc.T8 3,08 6500 46 0,85 0,78 0,92 fluoresc.T12 10,92 6500 50 0,85 3,02 3,55

vap. de mercurio 0,39 12000 300 0,95 1,33 1,57 vapor de sodio 0,48 15000 220 0,85 1,35 1,58 mezcladoras 1,00 1800 250 0,95 0,43 0,50

mercurio halogenado 0,41 8000 120 0,85 0,33 0,39 otras 0,4 1500 100 0,85 0,05 0,06

TOTAL 16,90 19,88

CUESTIONARIO CAPÍTULO 16 PROCEDIMIENTOS DE AUDITORÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE INSTALACIONES DE ILUMINACIÓN DE EDIFICIOS NO RESIDENCIALES

1. La eficiencia de un sistema de iluminación depende de dos aspectos distintos de la eficiencia. ¿Cuáles son?

Los aspectos son la eficiencia de la instalación y la eficiencia de uso (ver p. 8 del capítulo).

2. ¿Qué es una ESCO? ESCO proviene del inglés Energy Service Company, empresa especializada en servicios de sistemas de energía, mantenimiento y trabajos relacionados. Una ESCO típicamente se hace responsable de mejoras en la eficiencia energética de sus clientes, cobrando en función de los ahorros logrados.

3. La potencia específica es uno de los indicadores de la eficiencia de una instalación de iluminación. a. ¿En qué unidades se expresa la potencia específica de una instalación de

iluminación? b. ¿Cuál es el valor para una instalación típica de Argentina? c. ¿Cuál es el valor de potencia específica para el estado de arte de la

eficiencia? d. ¿Qué combinación de equipamiento es necesaria para lograr la menor

potencia específica? Respuestas

a. La potencia específica se expresa en watts por m2 para cada 100 lux de iluminancia (W/m2/100 lux).

b. Un valor típico de la potencia específica en Argentina es 6,7 W/m2/100 lux. c. Las instalaciones más eficientes pueden lograr una potencia específica del orden

de 1 W/m2/100 lux. Esto demuestra que existe un gran potencial de ahorro energético en la iluminación en la Argentina.

d. Se requiere de una combinación de lámpara de alta eficacia luminosa (lm/W), equipo auxiliar de bajas pérdidas y una luminaria de alta eficiencia. Las lámparas de mayor eficacia para la iluminación de interiores comprenden los tubos fluorescentes trifósforos y halogenuros metálicos, ambos con eficacia alrededor de o superando al 100 lm/W. Los equipos auxiliares de menores pérdidas son los balastos electrónicos. Típicamente una lámpara emite luz en muchas direcciones. Algunas lámparas ya incorporan reflectores para dirigir el haz en direcciones preferenciales. Para lograr mayor iluminancia sobre determinada superficie, por ejemplo el plano de trabajo de una oficina, es necesario que la luminaria dirija la mayor cantidad del flujo luminoso en esa dirección. Esto requiere luminarias con reflectores de alta reflectancia atrás de las lámparas y louvers también de alta reflectancia para dirigir la luz en la direcciones deseadas. En el material suplementario de este Seminario, se presenta el estudio de caso de la evolución hacia la iluminación eficiente en las

oficinas del edificio San José 140 de Edesur. Cabe mencionar que Edesur administró el programa de iluminación eficiente ELI Argentina en todo el país. Se presentan los resultados a continuación.

La potencia específica (curva inferior, violeta) se reduce desde 9,2 W/m2/100 lux a 3,0 W/m2/100 lux (Edesur 3 y Edesur 4). Dos otros factores merecen mención. (1) Obsérvense que la iluminancia media subió a más de 400 lux (Edesur 3) y luego bajó (Edesur 4). Si bien una iluminancia media de 400 lux es menor al valor indicado por la norma, este valor es excesivo en una oficina moderna donde prevalece el uso de las computadoras. Ver capítulo 18. Por ello, la última generación de oficina (Edesur 4) bajó el nivel de iluminancia. (2) La eficiencia del sistema depende tanto de la eficiencia de la instalación (W/m2/100 lux) como en la eficiencia de uso. Los diseños de Edesur 3 y 4 tienen la misma eficiencia de instalación (3 W/m2/100 lux). Sin embargo, las luminarias de “Edesur 3” comprende cuatro tubos que se encienden y apagan juntos (un solo efecto). Los artefactos de “Edesur 4” tienen tres tubos y tres efectos, permitiendo el encendido de uno, dos o tres tubos. Por ello, aún que la potencia instalada en “Edesur 4” es alrededor de 20 W/m2, la potencia en uso típico (según observaciones) es casi la mitad, ya que los usuarios rara vez tienen la necesidad de encender todos los tubos. Otro aspecto de la eficiencia de uso corresponde a las horas de encendido, que no fue estudiado en el caso de Edesur.

Otro elemento suplementario de este Seminario es el Estudio de caso de la reconversión de la biblioteca central de la Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires. Se sintetizan los resultados a continuación

INSTALACION NUEVA INSTALACION ORIGINAL

Lámparas • Alumbrado general: mercurio

halogenado con quemador cerámico. • Alumbrado localizado: innecesario

• Alumbrado general: fluorescente de 20 W

• Localizado: 2 de cuarzo iodo de 150 W por mesa

Eficacia de la lámpara

• Sin equipo auxiliar: 90 lm/w • Con equipo auxiliar: 76 lm/w

• Sin equipo auxiliar: 55 lm/w • Con equipo auxiliar: 37 lm/w

Vida 15000 h1 12000 h2

Luminaria Embutida con vidrio difusor serigrafiado para disminuir el deslumbramiento

• Embutidas con louver plástico cuadrícula transparente

• Lámpara tipo escritorio fija Potencia total instalada3 17.2 kW 35.3 kW4

Flujo luminoso instalado 1330 klm 1300 klm

Número de lámparas 98 1176

Total de accesorios instalados5

490 8284

Iluminancia media inicial sobre plano de trabajo6

1400 lx 700 lx7

Uniformidad Emin/Emax8 1:3 1:1.27

Iluminancia en planos verticales9

Planta baja: 300 lx Planta Alta: 500 lx Sin datos

Potencia específica

• Sin equipo auxiliar: 37 W/m2 • Con equipo auxiliar: 43 W/m2

• Sin equipo auxiliar: 59 W/m2 • Con equipo auxiliar: 88 W/m2

Este caso se difiere del anterior en el hecho de que el espacio tiene un cielorraso muy alto, con lo cual la lámpara es muy lejos del plano de trabajo. Por ello se utilizaron lámparas halogenuros de alta intensidad con reflector incorporado para poder iluminar bien el espacio. A pesar de estas distancias, se observa que la potencia específica de esta instalación es de 3,07 W/m2/100 lux.

1 Para 50% de mortalidad. Dato del fabricante. 2 Para una depreciación luminosa del 30% y 8 encendidos diarios. Datos del fabricante. 3 Incluye equipo auxiliar 4 No incluye iluminación localizada sobre las mesas. 5 En el cómputo se incluye lámpara, arrancador, ignitor, zócalos portalámparas, capacitor, balasto, etc. 6 Este valor fue medido luego de 50 horas de funcionamiento. Es intención realizar mediciones periódicas

de iluminancias para analizar la evolución del envejecimiento de la instalación. 7 Teniendo en cuenta el recuerdo de algunos memoriosos y un factor de utilización total de 0.2. 8 El nivel de Emin=470 lx, fue tomado bajo la circulación superior, donde no se ubican mesas para

lectores, ya que pertenecen a la circulación perimetral de la sala. Descartando esta situación, la relación es 1:1.5.

9 Medida sobre bibliotecas. En planta baja, no se tomó en cuenta la indicación pues falta completar la instalación de lámparas fluorescentes tubulares en luminarias embutidas y garganta perimetral.

Ejercicios prácticos de auditorías de la iluminación Estos ejercicios requieren el uso de ciertos instrumentos: un luxómetro y instrumentos de medición eléctrica. La regionales de la UTN con Grupos de Estudios Sobre la Energía (GESE) deberían contar con luxómetros, mientras que los instrumentos de medición eléctrica corresponden a laboratorios de ingeniería eléctrica. Considere dos o más aulas con distintos diseños de su universidad. En distintos puntos de cada aula, mida la iluminancia (lux) al nivel de los escritorios. Determine el valor medio, máximo y mínimo. Determine la potencia de las lámparas y, en primera instancia considere un valor estimativo de la potencia de los balastos de esta forma:

Tipo de balasto Potencia (W) Electrónico 3 Electromagnético ...para lámparas de 18 a 40 W 10 ...para lámparas de mayor potencia 20

Realice una primera aproximación de la potencia específica. Esta primea aproximación indica la posibilidad de ahorro. Para una determinación más rigurosa de la potencia eléctrica, prepare un espacio para medir la potencia de las lámparas junto con sus equipos auxiliares. Es conveniente el uso de una luminaria sencilla tipo “plafón” donde se colocaría una lámpara con su equipo auxiliar. Si se trata de equipos auxiliares que operan más de una lámpara, haría falta una luminaria adecuada. Midan la tensión, la corriente y la potencia de la combinación lámpara/equipo auxiliar. Nótese que la potencia no es el producto de los valores eficaces de la tensión y la corriente. Opciones de Rediseño Nivel 1 Sin cambiar el artefacto, a qué nivel se puede reducir la potencia específica,

(a) sin cambiar la iluminancia media del local y (b) modificando la iluminancia media.

Nota: La iluminancia media puede ser diferente a los requerimientos de la norma. En estos casos, el rediseño debe contemplar ajustar el nivel a la norma. Opciones de Rediseño Nivel 2 Cambiando el artefacto, hasta qué nivel se podría bajar la potencia específica,


CUESTIONARIO CAPÍTULO 17 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN Errata: En el Capítulo 17 del Libro ELI de Iluminación Eficiente es posible que no se vea bien la Figura 1. Por ello, se la reproducimos a continuación:

Figura 1. Radiación y balance energético terrestre.

Preguntas y respuestas

1. Identifiquen algunas de las maneras en que los sistemas de iluminación afectan al medio ambiente.

Entre las maneras en que la iluminación puede afectar el medio ambiente se puede mencionar los siguientes: (a) los efectos biológicos nocivos de la luz y de otras radiaciones asociadas a los sistemas de iluminación; (b) los desechos contaminantes asociados a los sistemas de iluminación; (c) la contaminación asociada a la generación de energía eléctrica que consumen los sistemas de iluminación; y (d) la polución luminosa o contaminación de luz.

2. (a) Indiquen algunas formas de la polución luminosa o la contaminación de luz. (b) ¿Cuál de estos no tienen ninguna normativa, hasta la fecha.

(a) Son la distracción visual, el disconfort visual y el velo astronómico. (b) Es la distracción visual para la cual no existe ninguna normativa vigente.

3. Algunos ambientalistas cuestionan la difusión de las LFC por el hecho de que

contienen mercurio que es un metal pesado altamente tóxico. a. ¿Qué argumentos usaría usted para promover las LFC por sus beneficios

ambientales? b. ¿En qué maneras piensa usted que se pueda reducir la contaminación de

mercurio de las LFC y otras lámparas que contienen mercurio?

(a) En el año 2000, se estima que los desechos de lámparas en Argentina sin ningún tratamiento para favorecer una disposición final de éstas hubiera liberado 461 kg/año de mercurio. Con un programa vigoroso de promoción de las LFC, siempre sin control de los desechos, se liberarían unos 50 kg por año más. Por otro lado, la reducción del consumo de energía eléctrica lograda por el uso masivo de estas lámparas reduciría la contaminación en la generación eléctrica notablemente. Dicha contaminación comprendería tanto la contaminación local como la generación del dióxido de carbono que contribuye al calentamiento global. Cabe mencionar que la cantidad de mercurio liberada a la atmósfera por la disposición inadecuada de todas las lámparas es relativamente menor comparada con otras fuentes de mercurio, por ejemplo los termómetros comunes.

(b) Se puede reducir la contaminación de mercurio de distintas maneras: (i) es posible la fabricación de lámparas de menor contenido de mercurio; sin embargo, si las lámparas de bajo contenido de mercurio son menos eficientes, se perdería beneficios ambientales mediante un aumento en el consumo de energía eléctrica. Caso extremo es el uso de las lámparas incandescentes, incluyendo las halógenas. Ya que las lámparas de vapor de mercurio y sobre todo las llamadas mezcladoras tienen mercurio y son de relativamente bajo rendimiento, su uso en nuevas instalaciones deberían limitarse al máximo. (ii) También se puede controlar la disposición final de las lámparas. Nótese que el mercurio no se libera al medio ambiente a menos que se rompe el vidrio. Existen normativas para la disposición final de los tubos fluorescentes lineales en la Argentina. Deberían verificarse el cumplimiento con dicha normativa. (iii) Ya que el mercurio no se libera hasta terminada la vida útil de las lámparas y la rotura del vidrio, la cantidad de mercurio liberada sería mucho menor con el uso de lámparas de mayor vida útil. En este caso, se podría contar con los beneficios ambientales de la eficiencia energética a la vez que se contribuye a reducir la cantidad de mercurio liberada a la atmósfera.

4. ¿Es cierto que el Efecto Invernadero es siempre nocivo?

El Efecto Invernadero está causado por los gases en nuestra atmósfera que bloquean la salida de la radiación infrarroja desde la superficie terrestre. De no existir ninguno de estos gases, no existiría el Efecto Invernadero y la temperatura media de la superficie del planeta sería 30 C menos de lo que es actualmente, alrededor de los 15 C. El problema es que, por actividades humanas, está aumentando la concentración de estos “gases de efecto invernadero” y está cambiando el clima a un ritmo más rápido que jamás había hecho en el pasado. Aunque significa un pequeño aumento en la temperatura, éste afecta la distribución de los vientos y las lluvias. En estos últimos años, se ha visto un gran aumento en la cantidad y severidad de los eventos extremos, como sequías, tormentas, inundaciones, olas de calor, etc.

El huracán Frances visto desde el espacio, 2004. Inundación en Europa, 2003 (Foto: Cortesía NASA) (Foto: Cortesía Munich Re)

5. ¿Es posible reducir el velo astronómico sin reducir los niveles de luz? ¿Cómo?

El velo astronómico es producto de la iluminación hacia arriba en los espacios exteriores y también desde el interior de los edificios. Por lo general, esta iluminación representa un desperdicio ya que no es necesario iluminar el cielo nocturno. Con el mejor diseño de artefactos de luz se puede conducir la luz en la dirección deseada, disminuyendo la iluminación hacia arriba.

6. A partir de un análisis realizado por el Programa ELI en 2002 con datos del

2000, se llegaron a los siguientes datos:

La participación de la iluminación en el consumo total de electricidad, Argentina 2000 Subsector Consumo total, TWh Consumo en iluminación, TWh Edificios comercial y público 13,878 6,94 Residencial 20,81 5,41 Industrial 27,321 1,91 Alumbrado público 2,756 2,76 Electricidad rural 0,683 0,34 Otros [1] 2,167 0,15 Total 67,615 17,51 Nota. (1). Servicios sanitarios, agricultura, tracción, etc.

En el relevamiento del sector residencial, ELI concluyó que el potencial de ahorro en la iluminación eficiente en el sector residencial fue del 50%. A partir de varios estudios de caso en edificios comerciales y público, ELI estimó que el potencia de ahorro en la iluminación eficiente en este sector es del 40%. Asimismo se estimó un potencial de ahorro en el alumbrado público del 25%.

(a) Considerando que se pierde el 15% de la energía generada en transmisión y distribución, estime la reducción en la generación eléctrica asociada a lograr el potencial de iluminación eficiente mencionado arriba.

(b) Estime la reducción en las emisiones de CO2 a ser logrado con esta reducción en la generación eléctrica.

Suposición para simplificar este cálculo: que se pueda lograr la eficiencia energética de forma instantánea. Respuesta:

(a) Se debe realizar los detalles del cálculo. Los resultados finales: El consumo de energía para la iluminación bajaría de 17,51 TWh a 11,34 TWh, mediante la iluminación eficiente, un ahorro de 6,17 TWh. Considerando pérdidas de transmisión y distribución del 15%, la reducción en la generación sería 6,17/0,85 = 7,26 TWh. Todos estos valores son anuales y corresponden a un cambio instantáneo en el año 2000.

(b) El Cuadro 1 del Capítulo 17 indica los factores de emisión para los distintos contaminantes en las centrales eléctricas con combustibles fósiles para la generación eléctrica en la Argentina. Ya que el agua es gratis y las centrales nucleares tienen bajo costo operativo, una reducción en la demanda eléctrica reduce principalmente la generación con combustibles fósiles, que tienen precio. Por ello, una reducción en la generación de 7,26 TWh bajaría las emisiones de CO2 de 606 g/kWh * 7,26 109 kWh al año considerando el valor más reciente para el factor de emisión de CO2 (año 1997) del cuadro 1. Es decir 4400 109 g CO2 = 4,40 millones de toneladas de CO2.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 18 ESTRATEGIAS DE DISEÑO EFICIENTE APLICADO A DIFERENTES USOS: OFICINAS Y COMERCIAL

1. ¿Cómo definiría las características del nuevo espacio de trabajo en el escenario del capitalismo flexible?

Las características más relevantes son la desestructuración del tiempo y la aparición de íconos espaciales surgidos a partir de la integración y autonomía

2. ¿Qué unidad diferenciada (o “ícono espacial”) maximiza las tendencias hacia la interacción y autonomía?

Es el “club”, donde se realizan tareas basadas en el conocimiento.

3. ¿Qué clase de espacios se priorizan actualmente? Aquéllos destinados a la actividad grupal con una marcada disminución de los espacios privados

4. ¿De qué manera se puede disminuir los efectos del deslumbramiento? Mediante el uso de iluminación difusa se previene el deslumbramiento directo. Para evitar las reflexiones de velo, la ubicación de la luminaria debería esta fuera del volumen crítico que comprende el área de trabajo y la proyección de la misma por delante del usuario. El reflejo de las luces sobre la pantalla de las computadoras suelen ser un problema en las oficinas (ver foto izq.). Las luminarias con louvers doble parabólico dirigen los haces de luz hacia abajo, evitando este problema (ver foto der.), además de reducir el deslumbramiento a otros usuarios en el mismo espacio.

5. Indique el rango óptimo en el que deben hallarse las luminancias entre pantalla y

campo visual inmediato y entre éste y el periférico. El primero es de : Emín/ Emed= 0.8. Entre el campo visual y el periférico es de Emín/ Emed= 0.5

6. ¿Por qué se necesita una alta iluminancia en una vidriera a la calle? ¿Cómo mejoraría esa cualidad además del uso de luminarias adecuadas?

Porque la competencia solar es muy alta y es necesario que la vidriera llame la atención a los posibles clientes. Por ello se recomienda un mínimo de 2000 lux. La inclinación del cristal permitiría disminuir los reflejos provenientes de la calle y un toldo de color uniforme evitaría la radiación solar directa. También el color del piso y la vereda si son de baja reflectancia ayudarán en el mismo sentido.

7. Si debiera corregir errores de iluminación en un local comercial, ¿qué clase de iluminación incorporaría?

La perimetral porque disimula dichos errores y además incorpora los objetos exhibidos al conjunto de local.

8. ¿Cuáles son los costos que se optimizan al diseñar un proyecto luminotécnico siguiendo un criterio de eficiencia

Se optimizan los costos de operación y mantenimiento de la instalación eléctrica y los del sistema de aire acondicionado, cuando existiera.

TRABAJO PRÁCTICO N° 1 Proyecto luminotécnico eficiente: oficinas 1. Diseñe el proyecto luminotécnico de la planta de oficinas que se adjunta considerando los usos diferentes en las dos áreas. 2. Indique recomendaciones de diseño que contribuyan a una mayor eficiencia energética en el sistema de iluminación.

oficinas

circulación

servicios

servicios

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

dep. dep.

s°

4,4

05,3

07,10

oficinas

10,1

0

7,70

4,80

4,50 4,50 7,40

23,9

011,20

3,8011,9

0

4,40

9,00

6,40

6,40

6,40

6,40

3,00

6,70

h cielorraso:3.00m

muro cortina perimetral

1 5 10

TRABAJO PRÁCTICO N° 2 Proyecto luminotécnico eficiente: local venta de ropa en un centro comercial Diseñe el proyecto luminotécnico de la planta del local que se adjunta considerando los usos diferentes de las áreas.

acceso

vidriera

abierta

exhib

ició

n

exhib

ició

n

exhib.

exhib.

mostrador

probador probador

0.20

exhibición

exhib

ició

n

1,50 1,50 1,501,0

06,5

01,5

0

4,50

1,8

07,2

0

9,0

0

h cielorraso: 2.80mh exhibidores laterales: 1.80mh exhibidores centrales: 1.20mh piso vidriera: 0.20m

0 1 2 3m

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL ELI ARGENTINA

SEMINARIO DE ILUMINACIÓN EFICIENTE

GUÍA PARA EL ALUMNO

Cuestionarios y Trabajos Prácticos

1

CUESTIONARIO CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN AL USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA EN LA ILUMINACIÓN

1. Indique la distribución porcentual del uso de recursos energéticos de acuerdo a la población mundial, comprendiendo aquéllos que no tienen acceso a la electricidad.

2. Indique la distribución de las distintas fuentes de energía primaria nivel mundial

y nacional.

3. Enumere las diversas formas de impacto ambiental que provoca la generación eléctrica.

4. ¿Qué servicios energéticos podrían ser provistos con poca o nulo consumo de energía?

5. Identifique los principales usos finales de la energía eléctrica y cómo se

distribuyen en Argentina

6. ¿Cómo se pudo revertir la relación entre consumo energético y crecimiento económico en los países industrializados?

7. ¿Cómo implementaría una “estrategia energética orientada a los usos finales”?

8. Si tuviera qué elegir en qué sector aplicar medidas de iluminación eficiente, ¿en

cuál lo haría y por qué?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 2 LUZ, COLOR Y VISIÓN

1. ¿Cuál será la intensidad luminosa de una luminaria que emite 600 lm en un ángulo de 270°?

2. Calcule la iluminancia que incide sobre un plano inclinado 30° respecto de la

horizontal y situado a una distancia de 2 m de una fuente luminosa de 400 lm.

3. Si tengo un difusor de vidrio esmerilado, ¿qué sucede con la dirección de observación?

4. ¿Cuál o cuáles de todos los parámetros fotométricos permite evaluar la calidad

de la iluminación? ¿Por qué?

5. Si buscásemos optimizar la reproducción de color ¿qué lámpara elegiríamos?

6. ¿Cómo es posible conseguir mayor eficacia luminosa sin variar el consumo?

7. Si deseamos conseguir una iluminación óptima, en qué rango debe operar el sistema visual? ¿Por qué un índice alto de rendimiento de color no alcanza para conseguir dicho objetivo?

8. ¿Cómo contrarrestaría una falta de contraste en la luminancia?

9. Indique los parámetros que inciden en la agudeza visual.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 3 ILUMINACIÓN EFICAZ, CALIDAD Y FACTORES HUMANOS

1. Indique las componentes que intervienen en la definición de calidad de la iluminación

2. ¿Qué cosa evalúa el rendimiento visual relativo?

3. ¿Cuándo se produce el parpadeo en las lámparas fluorescentes y cómo se puede

contrarrestar? Indique sus efectos nocivos. Indique soluciones propuestas.

4. Especifique las reflexiones de velo con ejemplos y soluciones

5. ¿Por qué es insuficiente cumplir con el RVR para conseguir calidad en la iluminación?

6. Enumere algunas situaciones de disconfort visual.

7. ¿Cómo mejoraría el rendimiento nocturno de un trabajador? ¿Por qué?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 4 FUENTES LUMINOSAS

1. Clasifique las fuentes luminosas de acuerdo a la generación de luz

2. Indique por qué es preferible conocer la vida útil de la lámpara y no sólo la vida nominal.

3. Explique por qué las incandescentes halógenas generan mayor radiación UV que

las comunes y especifique los riesgos

4. Indique en qué casos utilizaría incandescentes halógenas. ¿Por qué? ¿Cuándo no es recomendable?

5. Indique por qué las lámparas fluorescentes ofrecen ventajas para una

iluminación eficiente

6. ¿Por qué la cantidad de encendidos determina la vida útil de las lámparas de cátodo caliente?

7. Indique las ventajas y las desventajas de las LFC respecto de las incandescentes

8. ¿Por qué la lámpara de vapor de sodio es la más eficaz?

9. Indique las aplicaciones de las lámparas de sodio de alta presión

10. Enumere las ventajas y desventajas de los LEDs como tecnología de iluminación

11. Enumere aplicaciones para LEDs

12. Ordene decrecientemente las opciones de lámparas en función de su eficacia

13. Ordene las lámparas según su reproducción de color

14. Clasifique las lámparas según su duración

CUESTIONARIO CAPÍTULO 5 LUMINARIAS PARA ILUMINACIÓN DE INTERIORES

1. Indique los sistemas de control óptico de luminarias interiores

2. ¿Qué determina la característica de una luminaria?

3. ¿Cómo se distribuye la luz con un reflector esférico-parabólico asimétrico especular?

4. Indique qué efecto produce un reflector difuso y valores de reflectancia

5. ¿Qué función cumplen los refractores prismáticos? ¿Qué materiales se utilizan?

6. ¿Como se indica el grado en que una lámpara permanece oculta de la visión?

7. ¿Para qué se utilizan los louvers? Indique los tipos en los que se encuentran.

8. Enumere los diferentes tipos de distribución luminosa de una luminaria

9. Clasifique los tipos de distribución luminosa (según la CIE) de acuerdo a la

eficiencia

10. ¿Qué características poseen los bañadores?

11. Si el techo es muy bajo, ¿qué ocurre con el deslumbramiento cuando la luminaria es directa?

12. ¿Cuáles son los criterios de selección según factores de eficiencia?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 6 EQUIPOS AUXILIARES DE FUENTES DE ILUMINACIÓN

1. ¿Qué estrategias permitirían reducir el consumo de los equipos auxiliares?

2. ¿Cuáles son las nuevas funciones de los equipos auxiliares además de las convencionales?

3. ¿Cuál es el dispositivo auxiliar que mejor se desempeña como balasto?

4. ¿Cuál es la expectativa de vida de un balasto en una instalación fluorescente?

5. Enumere las ventajas del balasto electrónico de alta frecuencia.

6. Enumere algunos dispositivos innovadores y su función

CUESTIONARIO CAPÍTULO 7 SISTEMAS INNOVADORES DE ILUMINACIÓN

1. ¿Qué es un SACI? Indique la finalidad de un SACI

2. Grafique un SACI de una lámpara incandescente

3. ¿Cuál es la función del sobredimensionado inicial en las instalaciones?

4. ¿Cómo puede optimizarse este sobredimensionado?

5. Indique los porcentajes de derroche energético por ocupación en los locales de un edificio.

6. ¿Con qué dispositivo ahorraría energía en un local con buen CLD?

7. ¿En qué casos un sensor horario produce un ahorro significativo de energía?

8. ¿Cuál es el rango de ahorro de Australia para edificios?

9. Indique qué limitaciones tienen los SACI.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 8 DISEÑO DE ILUMINACIÓN DE INTERIORES 1. Defina un sistema de iluminación eficiente 2. Indique las etapas del proceso de diseño 3. A su criterio ¿cuál resulta más equilibrado, en todos sus aspectos, de los diferentes sistemas de alumbrado? 4. Indique el porcentaje de CLD adecuado para oficinas según la norma IRAM- AADL j20-02 5. ¿Cuál sería la ubicación más favorable para un puesto de trabajo con computadora respecto de una ventana? ¿Por qué? 6. ¿En qué etapa del proceso de diseño realizaría un análisis económico? 7. Determine cuántos tubos fluorescentes de 36 W (1200 lm) se necesitan para una iluminancia de 500 lux sabiendo que el local es de 6,32x 7.45m con una h de 2.65m, el plano de trabajo se encuentra a 0.73m y las reflectancias del local son de 80% en cielorraso y 50% en paredes y el factor de mantenimiento es de 80 % 8.- ¿Cuál será la iluminancia horizontal proporcionada por una lámpara de 2000 cd cuyo haz forma un ángulo de 30° con la vertical al plano de trabajo a una h de 2.50m? 9.- Enumere algunos inconvenientes provocados por la introducción de armónicas en la red

CUESTIONARIO CAPÍTULO 9 EL USO DE LAS COMPUTADORAS PARA EL DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN

1. Describa las características operativas de un programa de iluminación

2. ¿Qué componentes de la iluminancia se consideran en los cálculos de alumbrado exterior?

3. ¿Qué datos se necesitan ingresar?

4. ¿Por qué el “renderizado” (rendering) se deja para la etapa final del proyecto?

5. ¿De qué otra manera pueden presentarse los resultados además de un “render”?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 10 ILUMINACIÓN DE ESPACIOS EXTERIORES PRIVADOS

1. Indique las características que debe reunir un buen alumbrado de áreas exteriores de un centro comercial

2. ¿Por qué la reflectancia de los elementos es tan importante en la iluminación

exterior residencial?

3. ¿Qué valores de contraste pueden alcanzar los elementos en este tipo de iluminación?

4. Indique los valores mínimo y promedio recomendados por la CIE (Comisión

Internacional de Alumbrado) y especifique qué otra variable incide en la elección de dichas iluminancias para una calle de uso nocturno moderado por peatones o ciclistas.

5. Indique los valores de iluminancia mínimo y medio, respectivamente, para

centros comerciales con actividad media para zonas de uso peatonal y estacionamiento y de uso vehicular exclusivo

6. Especifique criterios de eficiencia a aplicar en iluminación exterior privada

Serían los siguientes:

• Utilización de fuentes luminosas de menor potencia • Incremento de los puntos de luz • Menor altura de montaje de los puntos de luz

7. Enumere algunas ventajas de la menor altura de montaje

8. Indique alternativas de lámparas para iluminación de exteriores de colores

neutros, según la eficiencia de las mismas

9. ¿Cómo se evita la polución lumínica?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 11, ANEXOS 1 Y 2 LUZ NATURAL E ILUMINACIÓN DE INTERIORES

1. Enumere las ventajas de la iluminación natural en edificios

2. Especifique las fuentes de luz natural

3. ¿Por qué debe evitarse la luz solar directa sobre el plano de trabajo?

4. ¿Por qué se recomienda el uso de iluminación cenital para cielos cubiertos?

5. ¿Cuál es el sector más oscuro de un cielo claro?

6. ¿Qué dispositivo de protección solar proveería para un local con orientación SO?

7. Especifique los sistemas de iluminación natural según de dónde proviene la luz

8. ¿Qué dispositivo usaría para evitar el ingreso de radiación solar directa en una

ventana orientada al N?

9. ¿Cuál es el factor determinante en la iluminación cuando el aventamiento es lateral?

10. ¿El estante de luz incrementa la iluminancia posterior de un local?

11. ¿En qué casos es aconsejable el uso de lumiductos?

12. ¿Qué variables comprenden el Factor de Luz Natural?

13. ¿En qué casos se recomienda la instalación de ductos de luz verticales?

14. ¿Cuál es la principal característica para la cual se han diseñado los colectores

anidólicos?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 12 EL APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO DEL ALUMBRADO NATURAL EN EDIFICIOS

1. El potencial de aprovechamiento energético de la luz natural depende de dos factores. ¿Cuáles son?

2. Especifique factores que inciden en el potencial y el real aprovechamiento de la

luz natural

3. Aun cuando un edificio está ubicado en un lugar con adecuados niveles de luz natural y su diseño permite un buen aprovechamiento del mismo, es posible que la luz natural contribuya a reducir el consumo energético para la iluminación. Enumere algunos factores que pueden causar esto.

4. Indique las características de un diseño de luz natural efectivo

5. ¿Cuál es el argumento que más motivaría el ahorro de energía en edificios donde

el usuario no paga la factura de lo que consume?

6. ¿Por qué es más probable que el usuario encienda las luces cuando el nivel de iluminación es insuficiente y no las apague cuando excede dicho nivel?

7. En el Capítulo 12, el Ing. Assaf define un parámetro para cuantificar el

aprovechamiento energético de la luz natural y otro indicador del derroche cuando haya luces encendidas en locales sin personas.

a. ¿Cómo se llaman estos dos indicadores? b. Un colegio tiene 8 aulas, cada una con una potencia instalada de

iluminación de 1000 W. Luego de las clases, el Inspector de Derroche visitó el colegio y comprobó que en cuatro de las aulas, las luces estaban apagadas, en dos estaban todas encendidas mientras que en los dos restantes, estaban encendidas 300 W cada una. ¿Cuál es el valor del indicador de derroche en las aulas de este colegio?

8. ¿En qué momento de la jornada sería más aprovechable la iluminación natural?

¿Por qué?

CUSTIONARIO CAPÍTULO 13 ANALISIS ECONÓMICO DE LA ILUMINACIÓN EFICIENTE Elijan las respuestas correctas entre las cuatro posibilidades que siguen cada ítem abajo:

1. La rentabilidad de la iluminación eficiente depende principalmente de: - Costo del sistema eficiente y no eficiente, el precio de la energía, horas

de encendido y vida útil de los componentes. - Precio de la energía, consumo de la energía del sistema eficiente y no

eficiente. - Precio de la energía, costo del sistema eficiente y no eficiente, y las

horas de encendido. - Costo del sistema eficiente y no eficiente, y el precio de la energía

2. Para una comparación económica entre distintas alternativas de

iluminación, conviene - Sumar las inversiones y gastos operativos a lo largo de la vida útil de los

elementos. - Comparar la inversión con el gasto energético en el primer año - Convertir las inversiones y los gastos operativos a su valor inicial - Comparar la tasa de descuento con el precio de la energía

3. Con una tasa de descuento de 15% ¿qué valor tendría un peso de hoy al

cabo de un año? - $0,85 - $1,15 - $1,50 - $0,15

4. Una evaluación económica con el “Costo durante la vida útil” se puede

hacer para uno de los siguientes casos. ¿Cuál? - Una lámpara incandescente de 100 W y una lámpara fluorescente

compacta de 11 W. - Dos lámparas fluorescentes de la misma potencia y vida útil, pero de

distintos valores de eficacia luminosa. - Un sistema de lámpara fluorescente de 36 W con balasto

electromagnético y otro de 36 W con balasto electrónico. - Una lámpara incandescente de 75 W y una lámpara fluorescente

compacta de 20 W. 5. Tenemos que comparar una lámpara incandescente de 75 W (vida útil 1000

horas) con una fluorescente compacta de 20 W (vida útil 6000 horas) en un punto de luz que tendría encendido de 2,74 horas por día todo el año. Si los precios de las lámparas fueron $1,20 y $13 respectivamente, la tasa de descuento fuera 0,15 y el precio de la electricidad fuera $0,10 por kWh, ¿cuál de las siguientes resultados es falso? (hay uno sólo)

- La lámpara incandescente duraría 1 año. - El costo anualizado de la compara de la fluorescente compacta es $1,38.

- El costo del consumo energético anual de la incandescente es $7,50 - El costo anualizado total de la fluorescente compacta es $3,43. Preguntas

y respuestas Iluminación residencial 1. Se puede comprar una lámpara fluorescente compacta alemana de 20 W o una china de 23

W para reemplazar una incandescente de 100 W. La alemana cuesta $ 23 y la china $ 13. La vida útil de la lámpara alemana es de 10.000 horas. ¿Cuál es la mínima vida útil de la lámpara china para que ésta sea más rentable. Considere 4 horas de encendido por día. Precio de la electricidad: $ 0,11/kWh.

2. Don Manolo reemplazó tres lámparas incandescentes por fluorescentes compactas con

balastos electrónicos y de comparable nivel de lúmenes. Las tres lámparas que se utilizaban antes eran: una de 100 W encendida 3 horas por día, una de 60 W durante 6 h/día y una de 75 W por 5 horas diarias. El precio de las incandescentes es $0,75 cada una, las fluorescentes $25 cada una. Don Manolo ha comprobado con el programa ELI que la vida útil de los dos tipos de lámparas son 1000 h y 6000 h respectivamente. Don Manolo paga $0,12 por kWh de electricidad. ¿Es rentable la compra de las fluorescentes bajo estas circunstancias? Si lo es, ¿cuanto $/año estaría ahorrando en total? Especifique sus suposiciones adicionales.

Alumbrado público. 3. Como se comentó en la sección 13.3, una instalación de alumbrado público eficiente

comprende de usos de lámparas de sodio de alta presión, por ejemplo con potencias de 150 W y de 250 W. Considere una luminaria con lámpara de mercurio de 400 W, que se opera durante 4000 horas al año. Considere que el equipo auxiliar suma 40 W a la potencia de la lámpara. Considere que se propone reemplazar la lámpara de mercurio de 400 W por una de sodio de 250 W. Junto con el equipo auxiliar, el consumo sube a 275 W. Considere un costo de energía para el alumbrado público de $ 0,12 por kWh. El reemplazo de la lámpara de mercurio por una de sodio costaría $350 (si fuera hecho en cantidad) considerando el costo de la lámpara, el equipo auxiliar, el ignitor y la instalación. Considere la vida útil típica de cada lámpara. a. ¿Cuál es el flujo luminoso de cada una de las dos lámparas? b. ¿Cuál es el costo energético anual de operación de cada una? c. ¿Es rentable el reemplazo de la lámpara de mercurio con la de sodio? Explique sus

criterios de decisión. 4. La empresa argentina E ofrece un sistema de ahorrar energía en el alumbrado público.

Comprende la reducción del flujo luminoso mediante una reducción en la tensión de las lámparas durante las altas horas de la noche, donde hay menor circulación. En una serie de mediciones, se demostró que la lámpara de sodio de 250 W bajaba de 286 W en plena potencia a 179 W en la potencia reducida. El flujo luminoso bajó en 48%.

a. ¿Cuánto es el ahorro anual de energía por lámpara que se opera con potencia reducida

desde la media noche hasta las 6 AM? b. ¿Si el precio de cada equipo E fuera $ 90 con instalación, es rentable el reemplazo?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 14 AUDITORÍAS ENERGÉTICAS DE LA ILUMINACIÓN RESIDENCIAL Y POTENCIAL DE AHORRO EN EL SECTOR RESIDENCIAL En una evaluación del consumo de energía eléctrica en el sector residencial, por distintos usos finales, Dutt y Tanides en 1994, obtuvieron como resultado que la iluminación representaba el 35% del consumo total del sector. En un estudio realizado por Mora y Araujo para el Programa de Iluminación Eficiente (ELI) en 2000 (ver Anexo al Capítulo 14), se encontró que la iluminación sólo representaba el 26% del total del sector residencial.

1. ¿Cuáles pueden haber sido las razones por la diferencia entre estos dos valores? 2. ¿Cómo podría usted determinar la magnitud del consumo total y el consumo por

la iluminación en el sector residencial para Argentina en el 2005? Trabajo práctico a realizarse por el profesor del curso con sus alumnos: En una hoja de cálculo, haga que los alumnos preparen formularios del tipo figura 2 del capítulo 14 para realizar un censo de lámparas en el sector residencial. (Nótese que la figura 2 ya tiene algunos valores insertados de modo de ejemplo. Estos deberían ser eliminados de la planilla.)

3. El anexo a este Capítulo 14 presenta resultados de una encuesta realizado por

Mora y Araujó para ELI. Comprende una serie de láminas (archivo PPT) con anotaciones que se encuentran en la página de notas de cada lámina.

a. La lámina 9 muestra la distribución de lámparas incandescentes por potencia. ¿Según estos datos, cuál es la potencia media de estas lámparas?

b. La lámina 10 muestra la distribución de lámparas fluorescentes compactas por potencia. ¿Según estos datos, cuál es la potencia media de estas lámparas?

c. Si uno tuviera la posibilidad de reemplazar una lámpara incandescente de potencia media por una fluorescente de potencia media, ¿cuál sería el resultado del recambio sobre el flujo luminoso? ¿Por qué?

4. ¿Qué significa NIALMS? ¿Qué ventaja(s) tiene respecto a otras alternativas?

5. La tabla 1 del Capítulo 14 indica los resultados de un estudio realizado en una

muestra de viviendas en Capital Federal y en el Gran Buenos Aires en 1997. Se observa que el 7,7% de las lámparas fueron del tipo “tubo fluorescente” y sólo el 3,9% fueron LFC. Por otro lado, se concluyeron que los tubos fluorescentes representan el 11,6% del consumo total de energía para la iluminación mientras que las LFC sólo el 1,4%. ¿A que se debe las diferencias entre los porcentajes?

CUESTIONARIO CAPÍTULO 15 POTENCIAL DE AHORRO EN EL SECTOR RESIDENCIAL

1. Según la estimación realizada en la Tabla 1 del Capítulo 15), el consumo en iluminación en Argentina fue de 12,53 TWh en 1994, es decir el 26% de todo el consumo de electricidad en el país. ¿Cómo es la distribución porcentual del consumo total en iluminación para los siguientes rubros: (a) alumbrado público; (b) sector residencial; (c) sector “comercial y público”? Indique el porcentaje total de los sectores involucrados

2. El programa ELI actualizó el análisis de la Tabla 1 para el año 2000. El consumo

total de cada sector en el 2000 se presenta a continuación.

Consumo total de energía eléctrica por sector, Argentina, 2000. [1]

Subsector Consumo total, TWh Comercial y público 13,878 Residencial 20,81 Industrial 27,321 Alumbrado público 2,756 Electricidad. rural 0,683 Otros [2] 2,167 Total 67,615

Notas: 1. Fuente: Secretaría de Energía de la Nación. 2. Servicio sanitario, riego agrícola, tracción y otros.

Por medio de un relevamiento y análisis de datos de 800 viviendas, ELI también pudo actualizar la estimación del consumo en iluminación, llegando a la conclusión de que la iluminación representaba sólo el 26% del consumo total residencial de la electricidad. (a) Suponiendo que este porcentaje pueda ir desde 23% hasta 29%, y con las demás

suposiciones igual que en la tabla 1 del Capítulo 15, rehaga la estimación del consumo energético por sector para la iluminación en el 2000.

(b) Especule por qué el porcentaje para la iluminación residencial puede haber bajado desde el valor del 30% en el 1994 al valor del 26% en el 2000.

3. (Avanzado) Rehacer los cálculos con datos más recientes o datos de una

provincia.

4. La Tabla 2 del Capítulo 15 muestra otra manera de estimar el consumo energético en la iluminación, considerando el año 1994. (La vida útil de una lámpara es 940 horas. Es posible que, por error tipográfico, el valor no se ve bien.) A continuación, presentamos los datos claves para Argentina en el año 2000. En este caso, también, en función del relevamiento realizado por ELI en el 2000, se han actualizado las estimaciones de la potencia media de las lámparas incandescentes y fluorescentes compactas.

Ventas de lámparas para el año 2000

Tipo de lámpara


VLA, millones Vida útil, VU, horas

Potencia Media

PML, W incandescente 147 940 72

fluorescente compacta 2,1 5000 17,35 fluorescente T8 3,08 6500 46

fluorescente T12 10,92 6500 50 vapor. de mercurio 0,39 12000 300

vapor de sodio 0,48 15000 220 mezcladoras 1,00 1800 250

mercurio halogenado 0,41 8000 120 otras 0,4 1500 100

Supongamos que los factores de reposición son los mismos en el 2000 que en el 1994, salvo para las fluorescentes compactas, que han subido a 0.85 en el 2000. Estime el consumo de energía por tipo de lámpara en el 2000. Estime la generación eléctrica asociada al consumo de energía en la iluminación considerando que se pierda el 15% de la electricidad generada por pérdidas de transmisión y distribución.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 16 PROCEDIMIENTOS DE AUDITORÍAS PARA LA EVALUACIÓN DE INSTALACIONES DE ILUMINACIÓN DE EDIFICIOS NO RESIDENCIALES

1. La eficiencia de un sistema de iluminación depende de dos aspectos distintos de la eficiencia. ¿Cuáles son?

2. ¿Qué es una ESCO?

3. La potencia específica es uno de los indicadores de la eficiencia de una instalación de iluminación. a. ¿En qué unidades se expresa la potencia específica de una instalación de

iluminación? b. ¿Cuál es el valor para una instalación típica de Argentina? c. ¿Cuál es el valor de potencia específica para el estado de arte de la

eficiencia? d. ¿Qué combinación de equipamiento es necesaria para lograr la menor

potencia específica?

Ejercicios prácticos de auditorías de la iluminación Estos ejercicios requieren el uso de ciertos instrumentos: un luxómetro y instrumentos de medición eléctrica. La regionales de la UTN con Grupos de Estudios Sobre la Energía (GESE) deberían contar con luxómetros, mientras que los instrumentos de medición eléctrica corresponden a laboratorios de ingeniería eléctrica. Considere dos o más aulas con distintos diseños de su universidad. En distintos puntos de cada aula, mida la iluminancia (lux) al nivel de los escritorios. Determine el valor medio, máximo y mínimo. Determine la potencia de las lámparas y, en primera instancia considere un valor estimativo de la potencia de los balastos de esta forma:

Tipo de balasto Potencia (W) Electrónico 3 Electromagnético ...para lámparas de 18 a 40 W 10 ...para lámparas de mayor potencia 20

Realice una primera aproximación de la potencia específica. Esta primea aproximación indica la posibilidad de ahorro. Para una determinación más rigurosa de la potencia eléctrica, prepare un espacio para medir la potencia de las lámparas junto con sus equipos auxiliares. Es conveniente el uso de una luminaria sencilla tipo “plafón” donde se colocaría una lámpara con su equipo auxiliar. Si se trata de equipos auxiliares que operan más de una lámpara, haría falta una luminaria adecuada. Midan la tensión, la corriente y la potencia de la combinación lámpara/equipo auxiliar. Nótese que la potencia no es el producto de los valores eficaces de la tensión y la corriente. Opciones de Rediseño Nivel 1 Sin cambiar el artefacto, a qué nivel se puede reducir la potencia específica,


Nota: La iluminancia media puede ser diferente a los requerimientos de la norma. En estos casos, el rediseño debe contemplar ajustar el nivel a la norma. Opciones de Rediseño Nivel 2 Cambiando el artefacto, hasta qué nivel se podría bajar la potencia específica,


CUESTIONARIO CAPÍTULO 17 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN Errata: En el Capítulo 17 del Libro ELI de Iluminación Eficiente es posible que no se vea bien la Figura 1. Por ello, se la reproducimos a continuación:

Figura 1. Radiación y balance energético terrestre.

Preguntas y respuestas

1. Identifiquen algunas de las maneras en que los sistemas de iluminación afectan al medio ambiente.

2. (a) Indiquen algunas formas de la polución luminosa o la contaminación de luz.

(b) ¿Cuál de estos no tienen ninguna normativa, hasta la fecha.

3. Algunos ambientalistas cuestionan la difusión de las LFC por el hecho de que contienen mercurio que es un metal pesado altamente tóxico.

a. ¿Qué argumentos usaría usted para promover las LFC por sus beneficios ambientales?

b. ¿En qué maneras piensa usted que se pueda reducir la contaminación de mercurio de las LFC y otras lámparas que contienen mercurio?

4. ¿Es cierto que el Efecto Invernadero es siempre nocivo?

El huracán Frances visto desde el espacio, 2004. Inundación en Europa, 2003 (Foto: Cortesía NASA) (Foto: Cortesía Munich Re)

5. ¿Es posible reducir el velo astronómico sin reducir los niveles de luz? ¿Cómo? 6. A partir de un análisis realizado por el Programa ELI en 2002 con datos del

2000, se llegaron a los siguientes datos:

La participación de la iluminación en el consumo total de electricidad, Argentina 2000 Subsector Consumo total, TWh Consumo en iluminación, TWh Edificios comercial y público 13,878 6,94 Residencial 20,81 5,41 Industrial 27,321 1,91 Alumbrado público 2,756 2,76 Electricidad rural 0,683 0,34 Otros [1] 2,167 0,15 Total 67,615 17,51 Nota. (1). Servicios sanitarios, agricultura, tracción, etc.

En el relevamiento del sector residencial, ELI concluyó que el potencial de ahorro en la iluminación eficiente en el sector residencial fue del 50%. A partir de varios estudios de caso en edificios comerciales y público, ELI estimó que el potencia de ahorro en la iluminación eficiente en este sector es del 40%. Asimismo se estimó un potencial de ahorro en el alumbrado público del 25%.

(a) Considerando que se pierde el 15% de la energía generada en transmisión y distribución, estime la reducción en la generación eléctrica asociada a lograr el potencial de iluminación eficiente mencionado arriba.

(b) Estime la reducción en las emisiones de CO2 a ser logrado con esta reducción en la generación eléctrica.

Suposición para simplificar este cálculo: que se pueda lograr la eficiencia energética de forma instantánea.

CUESTIONARIO CAPÍTULO 18 ESTRATEGIAS DE DISEÑO EFICIENTE APLICADO A DIFERENTES USOS: OFICINAS Y COMERCIAL

1. ¿Cómo definiría las características del nuevo espacio de trabajo en el escenario del capitalismo flexible?

2. ¿Qué unidad diferenciada (o “ícono espacial”) maximiza las tendencias hacia la

interacción y autonomía?

3. ¿Qué clase de espacios se priorizan actualmente?

4. ¿De qué manera se puede disminuir los efectos del deslumbramiento?

5. Indique el rango óptimo en el que deben hallarse las luminancias entre pantalla y

campo visual inmediato y entre éste y el periférico.

6. ¿Por qué se necesita una alta iluminancia en una vidriera a la calle? ¿Cómo mejoraría esa cualidad además del uso de luminarias adecuadas?

7. Si debiera corregir errores de iluminación en un local comercial, ¿qué clase de

iluminación incorporaría?

8. ¿Cuáles son los costos que se optimizan al diseñar un proyecto luminotécnico siguiendo un criterio de eficiencia

TRABAJO PRÁCTICO N° 1 Proyecto luminotécnico eficiente: oficinas 1. Diseñe el proyecto luminotécnico de la planta de oficinas que se adjunta considerando los usos diferentes en las dos áreas. 2. Indique recomendaciones de diseño que contribuyan a una mayor eficiencia energética en el sistema de iluminación.

oficinas

circulación

servicios

servicios

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

oficinaprivada

dep. dep.

s°

4,4

05,3

07,10

oficinas

10,1

0

7,70

4,80

4,50 4,50 7,40

23,9

011,20

3,8011,9

0

4,40

9,00

6,40

6,40

6,40

6,40

3,00

6,70

h cielorraso:3.00m

muro cortina perimetral

1 5 10

TRABAJO PRÁCTICO N° 2 Proyecto luminotécnico eficiente: local venta de ropa en un centro comercial Diseñe el proyecto luminotécnico de la planta del local que se adjunta considerando los usos diferentes de las áreas.

acceso

vidriera

abierta

exhib

ició

n

exhib

ició

n

exhib.

exhib.

mostrador

probador probador

0.20

exhibición

exhib

ició

n

1,50 1,50 1,501,0

06,5

01,5

0

4,50

1,8

07,2

0

9,0

0

h cielorraso: 2.80mh exhibidores laterales: 1.80mh exhibidores centrales: 1.20mh piso vidriera: 0.20m

0 1 2 3m

25106417 Lighting Handbook Manual de Iluminacion Eficiente ELI

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