INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

“DISEÑO DE ILUMINACIÓN INTELIGENTE

PARA UN INMUEBLE DE OFICINAS”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TITULO

DE INGENIERO ELECTRICISTA

P R E S E N T A:

OYAMEL MAGDIEL CASTRO SILVA 

MEXICO, D. F. AGOSTO DE 2009

A S E S O R:

M.C. RUBÉN ORTIZ YÁÑEZ

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERiA MECANICA Y ELECTRICA

UNlOAD PROFESIONAL "ADOLFO LOPEZ MATEOS"

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO ELECTRICISTA

POR LA OPCION DE TITU LAC ION TESIS Y EXAMEN ORAL INDIVIDUAL

DEBERA(N) DESARROLLAR C. OYAMEL MAGDIEL CASTRO SILVA

"DISENO DE ILUMINACION INTELIGENTE PARA UN INMUEBLE DE OFICINAS"

SE DISENARA LA ILUMINACI6N INTELIGENTE APLICANDO LUMINARIOS EFICACES, LAMp ARAS AHORRADO RAS DE ENERGIA Y DISPOSITIVOS DE CONTROL ELECTR6NICO, PARA PROPORCIONAR LUZ ARTIFICIAL EN LA CANTIDAD ADEC UADA, DONDE Y CUANDO SE NECESITE, ADMIN ISTRADO Y AHORRANDO ENERGiA ELECTRICA EN UN INMUEBLE DE OFICINAS DENOMI NADO "TECNOLOGiA DE LUCES", UBICADO EN LA CIUDAD DE MEXICO DF; CALLE 4 N. 1159, COL. SAN PEDRO DE LOS PINOS, DEL. MIGUEL HIDALGO, EL CUAL COMPRENDERA LOS Ts tvfAS SIGUIENTES:

.:. OBJETIVO. •:. ALCANCE. •:. GENERALIDADES. •:. CONSIDERACIONES PARA EL DISENO DE LA ILUMINACION. •:. DISENO DE LA ILUMINACION. •:. ELABORACION DEL CONTROL PARA ADMINISTRACION DE ENERGiA. •:. EVALUACION DE COSTOS. •:. CONCLUSIONES.

MEXICO D. F., A 15 DE JUNIO DE 2009.

ASESOR

2 

ÍNDICE Pág.

Objetivo 6

Alcance del Diseño 7

Nomenclatura 8

Introducción 9

Contenido

Capitulo 1: Generalidades 12

1.1. Principios de Luminotecnia 12

1.1.1. Importancia de la Iluminación 13

1.1.2. Características de la Percepción Visual del Ojo Humano 13

1.1.3. El Color 14

1.1.4. Tonos, Tintes y Matices 15

1.1.5. Magnitudes Empleadas para el Calculo de Iluminación 15

1.2. Sistemas de Iluminación 20

1.2.1. Alumbrado General 22

1.2.2. Alumbrado General Localizado 23

1.2.3. Alumbrado Suplementario 23

1.3. Leyes Fundamentales 24

1.3.1. Ley Inversa del Cuadrado de la Distancia 27

1.3.2. Ley del Coseno 29

3 

1.3.3. Método de Luminancia de un Punto 29

1.3.4. Iluminancia en un Plano Determinado 31

1.3.5. Ley de Lambert 32

1.4. Alimentación del Sistema de Iluminación 33

Capitulo 2: Consideraciones para el Diseño de la Iluminación 34

2.1. Iluminación Inteligente 34

2.2. Tipos de Lámparas Ahorradoras 35

2.3. Luminarios Eficaces 38

2.3.1. Características Fotométricas 38

2.3.2. Clasificación Fotométrica 41

2.4. Factores a Considerar para el Control y Diseño de Iluminación 43

Capitulo 3: Diseño de la Iluminación 46

3.1. El Método de Lumen 46

3.2. Niveles de Iluminación 49

3.2.1. Ventajas de la Iluminación Natural 49

3.2.2. Consideraciones Acerca de la Iluminación 50

3.2.3. Iluminación Artificial 50

3.3. Cálculo y Diseño de la Iluminación 52

3.3.1. Dimensiones del Local 52

3.3.2. Niveles de Iluminación 55

3.3.3. Elección de la Fuente Luminosa 55

3.3.4. Selección del Sistema de Iluminación 56

4 

3.3.5. Elección del Luminario 56

3.3.6. Altura del Montaje 57

3.3.7. Índice de Cuarto 58

3.3.8. Coeficiente de Utilización 59

3.3.9. Factor de Mantenimiento 60

3.3.10. Luminarios Requeridos 60

3.3.11. Distribución Adecuada de Luminarios 62

Capitulo 4: Elaboración del Control para Administración de Energía 63

4.1. Dispositivos y Equipos para el Control de la Iluminación 63

4.1.1. Sensores de Presencia 63

4.1.2. Atenuadores 64

4.1.3. Controles de Escenarios 65

4.1.4. Microcontroladores 66

4.2. Diseño del Control para Iluminación 68

4.2.1. Programación del Control con Microcontroladores 71

Capitulo 5: Evaluación de Costos 74

5.1. Costos por Disminución de Energía en el Sistema de Iluminación 74

5.1.1. Costo de Energía por Aplicación de Tarifa OM 74

5.1.2. Calculo del Consumo de Energía en la Iluminación Con Equipo Convencional 75

5.1.3. Calculo del Consumo de Energía en la Iluminación con Lámparas Ahorradoras en Operación Convencional

76

5.2. Disminución de Costos por Administración de Energía en Iluminación 76

5.3. Análisis de Resultados 77

5 

5.4. Costo y Recuperación de la Inversión Inicial 78

5.4.1. Inversión Inicial del Equipo 78

5.4.2. Retorno de la Inversión 79

Conclusiones 81

Glosario de Términos Técnicos 82

Bibliografía 83

Anexos 85

 

   

6 

 

 

 

 

OBJETIVO

Se diseñara la iluminación inteligente aplicando luminarios eficaces, lámparas ahorradoras de energía y dispositivos de control electrónico; automatizándola para la administración del consumo de energía eléctrica y obtener ahorro de energía en la iluminación de un inmueble de oficinas.

 

   

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ALCANCE

Lograr la reducción del consumo de energía eléctrica en la iluminación de un edificio; proporcionada por luz artificial la cual deberá suministrarse en la cantidad adecuada, donde y cuando se necesite, con la aplicación de tecnologías de vanguardia en iluminación y dispositivos de control, por lo tanto, se efectuara:

⎯ Selección de lámparas ahorradoras de energía. ⎯ Selección de luminarias eficaces. ⎯ El calculo de la iluminación requerida en cada área de trabajo. ⎯ El diseño del control de la iluminación para lograr la

administración de energía eléctrica. ⎯ La comprobación del ahorro de energía eléctrica.

Con lo cual se tendrá el diseño de iluminación inteligente para el edificio de oficinas denominado “Tecnology Luxes” ubicado en la Ciudad de México DF; Calle 4 No. 1159, Col. San Pedro de los Pinos, Del. Miguel Hidalgo.

   

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NOMENCLATURA

Magnitud Símbolo UnidadAncho del local A m Ángulo entre la superficie y la dirección de observación α ° Ángulo solido ϖ ° Área de la superficie o Área de la superficie a iluminar S m2 Ahorro anual ∆ $ M. N. Altura del montaje sobre el plano de trabajo h m Automatización A - Coeficiente de utilización CU - Constante C - Costo de energía CE $ M. N. Distancia desde el techo al plano útil de trabajo d m Distancia horizontal entre luminarios e m Factor de espaciamiento K - Factor de mantenimiento FM - Factor de reflexión del material π - Flujo luminoso Φ(LUZ), Φ lm Flujo luminoso absorbido Φ lm Flujo energético radiado en longitud de onda Φ (λ) lm Flujo luminoso incidente Φ lm Flujo luminoso reflejado Φ lm Flujo luminoso transmitido Φ lm Flujo luminoso total del luminario F lm Horas de operación HO hr Iluminancia, Intensidad de iluminación ó Nivel de iluminación E lx Iluminación inteligente - Intensidad lumínica I cd Inversión requerida $ M. N. Lámpara ahorradora de energía - Longitud de onda λ nm Longitud de onda de la radiación dλ nm Longitud del local L m Luminancia o Luminancia de la superficie L cd/m2 Luminancia del objeto L0 cd/m2 Luminancia del fondo LF cd/m2 Luminario eficaz - Luminarios requeridos, Numero de lámparas W - Potencia P W Relación del local - Retorno de la inversión Años Sensibilidad espectral del ojo humano a cierta longitud de onda V (λ) Hz Tarifa T $ M.N.

9 

Introducción

1. Impacto del Ahorro de Energía en la Iluminación

Normalmente la iluminación representa solo una parte del total de la electricidad utilizada en una instalación típica; pero siempre es el primer objetivo que se busca cuando se requieren tomar medidas para ahorrar energía eléctrica., es entonces cuando surgen criterios equivocados como:

Reducir los niveles de iluminación de los mínimos requeridos a efecto de tener menos luminarias en operación.

Otro es optar por luminarios convencionales considerando únicamente la inversión inicial., en lugar de invertir en equipos de iluminación ahorradores de energía eléctrica.

Lo anterior resulta totalmente contraproducente., pues estos supuestos beneficios se contrarrestan por una baja productividad de los empleados y por un incremento en los costos de operación y mantenimiento.

2. Costo Inicial vs Costo de Operación + Costo de Mantenimiento

Al diseñar un sistema de iluminación para un edificio con el concepto de ahorro de energía se debe de considerar:

Primero: Teniendo en cuenta que el costo inicial, incluye costo del equipo, colocación e instalación contra el costo de operación producido por el consumo de energía eléctrica y el costo de mantenimiento donde incide principalmente la vida de la fuente luminosa y del balastro.

Segundo: Actualmente es posible ahorrar hasta un 75% en el consumo de energía con la aplicación de lámparas ahorradoras de energía eléctrica y la automatización de la iluminación; en comparación con equipos convencionales, sin que ello signifique sacrificar los niveles de iluminación establecidos para desarrollar cada tarea deseada o especificada. A continuación este concepto se ilustra con la grafica productividad y niveles de iluminación siguiente.

La grafica 1 muestra la consideración y el conocimiento de fuentes luminosas ahorradoras de energía con la aplicación adecuada de la automatización en la iluminación, siempre impactaran positivamente en la decisión del diseño de la iluminación en un edificio inteligente o bien en cualquier otro inmueble; sin menoscabo del nivel de iluminación.

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Grafica 1 Productividad y Niveles de Iluminación

3. Impacto Ambiental

Además, con sistemas de iluminación eficientes se obtiene un beneficio en el medio ambiente; que se manifiesta al disminuir el consumo de energía; pues consecuentemente se disminuye la generación de energía eléctrica del país; de tal forma, si todas las empresas y negocios aplicaran productos más eficientes; se lograría ahorrar energía aproximadamente hasta un 50%.

Las cuales para su operación utilizan combustibles pesados y contaminantes por el tipo de emisión que producen. Por lo anterior se podría obtener una reducción estimada en los niveles de "Bióxido de azufre (SO2) de 7 a 5 % y en el bióxido de carbono (CO2), que son la principal causa de la lluvia ácida; todo esto según "LA AGENCIA DE PROTECCIÓN AMBIENTAL (EPA)", por lo cual gradualmente se esta cambiando el clima global; esto es conocido como: EFECTO INVERNADERO.

Sin profundizar más con la explicación del párrafo anterior, inmediatamente se acota que el ahorro de energía eléctrica también genera un impacto positivo en el medio ambiente y en consecuencia no se puede soslayar.

4. Descripción del Diseño de la Iluminación Inteligente

En este proyecto la problemática de ahorro de energía plantea resolverse con los avances tecnológicos en fuentes de iluminación artificial, luminarios eficaces, dispositivos de control electrónicos y microcontroladores, además con la aplicación del concepto denominado iluminación inteligente para lograr la administración de la energía en un inmueble de oficinas, considerando lo siguiente:

El calculo de la iluminación requerida en cada área de trabajo. Selección de luminarias eficaces y lámparas ahorradoras de energías. El diseño del control de la iluminación para obtener su administración.

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En la iluminación inteligente aplicada a un inmueble de oficinas además de pretender una reducción en el consumo de energía; también se busca obtener el confort e incremento de productividad en el usuario. Con esto el empresario tendrá en la operación del sistema de iluminación del inmueble un menor costo por el consumo de energía eléctrica y además obtendrá una rentabilidad en el alquiler de oficinas superior comparado con un inmueble convencional.

El capitulo uno comprende los conceptos básicos de iluminación para interiores y la adopción de nuevos conceptos que se han incorporado en los sistemas actuales de iluminación (confort, ambiente, índice de rendimiento de color, etc.). También se muestran los niveles recomendados para las áreas de este tipo de inmueble según la Sociedad Mexicana de Ingenieros, sin dejar de considerar los niveles de iluminación de la NOM-025-STPS-2005.

En el capitulo dos se establecen las definiciones de iluminación inteligente, así como los factores a considerar para el control y diseño de una iluminación inteligente.

El capitulo tres se integra por el cálculo y diseño de iluminación; y el conocimiento del equipo de control que existe en el mercado los cuales se aplican para resolver la administración de energía en el sistema de iluminación.

En el capitulo cuatro se realiza una evaluación de costos por disminución de energía, donde se realiza un análisis entre iluminación convencional y una iluminación con lámparas ahorradoras de energía; también se realiza una comparación de iluminación convencional e iluminación con lámparas ahorradoras de energía y equipo de control (automatización). Teniendo como resultado un mayor ahorro de energía en el sistema de iluminación con su consecuente impacto en el costo de la operación.

   

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CAPITULO I. GENERALIDADES

1.1. Principios de Luminotecnia

En la instalación eléctrica de oficinas y viviendas podemos encontrar la implementación de varios sistemas cuya fuente de uso es la energía eléctrica. Estos sistemas pueden ser:

Iluminación artificial de la oficina y/o vivienda Seguridad Aire Acondicionado Informática Comunicación

De los sistemas antes mencionados, el primero es el que mas nos interesa y se refiere a los distintos recursos utilizados para suplir la luz natural, la cual comenzó utilizando lámparas de fuego (velas) hasta que a finales del siglo XIX se creo e implementó la lámpara de filamento, el cual provoco un gran salto evolutivo en la iluminación.[1]

La iluminación natural debe ser aprovechada por el diseñador desde el inicio del proyecto. Es por eso que la correcta orientación de los locales en relación a su función es primordial para el logro del confort en este sentido. Habiendo diseñado el sistema de iluminación de oficina, debemos de tomar en cuenta que el costo de uso y mantenimiento del mismo deberá ser óptimo. [1]

Para el diseño ideal de la oficina, se comenzara por utilizar al máximo la luz natural, luego se deberá tener en cuenta la cantidad y proximidad de las fuentes luminosas necesarias para realizar el diseño del sistema eléctrico, que ha su vez va emplear el sistema de iluminación, previendo que la cantidad de equipos de iluminación a colocar no sea excesivo. Para ello se deberá elegir las lámparas y luminarias más adecuadas y convenientes para cada tipo de trabajo a realizar. [1]

Se deberá hacer el cálculo de la cantidad de luz deseada para cada zona, tomando en cuenta la eficacia de cada lámpara la cual dependerá de la luz que brinda con respecto a lo que consume, para así decidir cual es la mas conveniente en su costo. [1]

Por esto debemos tener el conocimiento básico de las distintas características de las lámparas y luminarias, en el primer caso se deben tomar en cuenta: el consumo, rendimiento, color de la luz, reproducción del color, mantenimiento, uso recomendado y ver si es de uso intemperie o interior. [1]

Luminotecnia: “Es la técnica de la iluminación con luz artificial de volúmenes agrupados bajo la luz, para fines industriales o artísticos”. [1]

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La luz natural es una manifestación de la energía en forma de radiaciones electromagnéticas capaces de afectar el órgano visual, se denomina radiación a la transformación de energía a través del espacio y se transmite a distancia por medio de ondas similares a las que se forman en el agua de un estanque cuando se arroja una piedra. Estas ondas concentradas se propagan a lo largo y a lo ancho formando crestas y valles, amortiguándose en su recorrido hasta desaparecer. Estas ondas del agua y las ondas luminosas tienen en común que se transmiten a distancia y difieren en que las últimas no precisan de ningún medio material para propagarse, mientras que las otras lo hacen en el líquido; otra diferencia es que las ondas luminosas se propagan en todas direcciones del espacio, mientras que las del agua solo en la superficie. [1]

1.1.1. Importancia de la iluminación

Gracias a la luz captamos las impresiones de claridad, relieve, forma, color y movimiento de los objetos que forman nuestro mundo exterior. La correcta iluminación de la obra y de todo lugar de trabajo tiene una extraordinaria importancia debido a que previene al empleado contra el cansancio ocular e impide o limita los trastornos de su aparato visual (miopía, astigmatismo), aumenta su rendimiento laboral al favorecer la rápida visión de los materiales y maquinaria, y contribuye a evitar accidentes personales al identificar claramente los elementos de riesgo tales como: cables eléctricos, instrumentos cortantes, sustancias corrosivas, etc. [1]

Los trastornos visuales más comunes ocasionados por la escasa iluminación son: enrojecimiento de la conjuntiva, dolores periorbitarios, incoordinación de los movimientos del globo ocular, conjuntivitis, miopía, etc. [1]

El parpadeo es un fenómeno defensivo que favorece el reposo y la lubricación del globo ocular. En condiciones normales se producen entre 4 y 5 parpadeos por minuto. La mala iluminación eleva su número a 10 o más, produciendo fatiga visual y aumento de accidentes. [1]

También el exceso de iluminación provoca trastornos oculares, como el operario expuesto al resplandor de una fuente luminosa, por ejemplo: La soldadura autógena. Otras causas de trastornos son el contraste de luz y sombra movedizas, la inestabilidad de las fuentes luminosas (las luces que titilan obligan al ojo a un continuo acomodamiento) y la naturaleza de la luz (radiaciones ultravioletas e infrarrojas sobretodo). [1]

Las radiaciones nocivas deben evitarse interponiendo dispositivos de control, como son pantallas o anteojos especiales.

1.1.2. Características de la percepción visual del ojo humano

Acomodación: Para enfocar los objetos próximos aumenta la convexidad de la lente mediante la contracción de los músculos ciliares. Cuando mas cerca esta el objeto la lente debe hacerse mas convexa. Esto es parte del proceso conocido bajo el nombre de acomodación; incluye cambios en

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el diámetro de la pupila. Cuando el ojo esta enfocado sobre objetos distantes la pupila es relativamente grande. Cuando la atención se traslada a una tarea visual próxima, la pupila se contrae algo, realizando una apreciación mas penetrante pero admitiendo menos luz para entrar en el ojo. [1]

Adaptación: El ojo es capaz de funcionar bajo un campo amplio de niveles de iluminación, a través de un proceso llamado adaptación. Este comprende un cambio en las dimensiones de la pupila, al mismo tiempo que cambios fotoquímicos en la retina. El tamaño de la abertura de la pupila es una consecuencia de la cantidad de luz recibida en el ojo fundamentalmente. La pupila se dilata mucho en un medio muy oscuro, pero si esta mas iluminado la dilatación se hace menor. Esto es perceptible, cuando se pasa de un área bien iluminada a otra mucho mas oscura, o cuando una fuente de luz brillante penetra en el diámetro de la visión. [1]

El tiempo requerido para el proceso de adaptación depende del previo estado de ésta y de la magnitud del cambio. En general la adaptación a un nivel más alto de iluminación se verifica más rápidamente que en caso contrario. La adaptación a mayor luz ordinariamente se verifica durante el primer minuto, mientras que la adaptación a la oscuridad avanza muy rápidamente durante los primeros treinta minutos y puede requerir una hora para la adaptación a la completa oscuridad. Estos son hechos que se deben tomarse en cuenta en el diseño de la iluminación de salas de lectura, salas de proyecciones o cualquier otro caso en el que la vista tenga que pasar de manera rápida de un nivel de iluminación a otro. [1]

1.1.3. El Color

El color afecta nuestra vida, es físico, lo vemos; el color comunica, recibimos información del lenguaje del color, y es emocional, despierta nuestros sentimientos. [1]

Se pueden comunicar las ideas por medio del color sin el uso del lenguaje oral o escrito, y la respuesta emocional a los colores individuales, solos o combinados es predecible. Por ejemplo, una prestigiosa firma de abogados envía un mensaje de confianza a los clientes potenciales al usar colores distintos y profundos en la decoración de su bufete o en su papelería comercial. A la inversa, la utilización de naranja o rojo brillante daría a los pacientes, en la sala de espera de un hospital, un mensaje tensionante, en lugar del sentimiento de calma que es de suponer que éste desea transmitirles. [1]

Los colores despiertan respuestas emocionales específicas. Por ejemplo, el rojo puede ser poderoso, excitante, apasionado y atrevido. Dentro de cada color, hay innumerables tonos, tintes y matices que en consecuencia generan una gama de respuestas aún mas variada. El rojo va del rosado romántico más pálido, al profundo y sofisticado borgoña. [1]

Crear poderosas combinaciones de colores a partir de numerosos tonos, tintes y matices es el objetivo final de quienes trabajan con colores. Para formular con precisión el lenguaje del color,

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es preciso comprender primero la armonía del color. Esto significa saber qué colores usar, en que orden y proporciones, para poder crear el estado de ánimo deseado y poder comunicar una idea o producir una reacción. [1]

1.1.4. Tonos, Tintes y Matices

Los doce segmentos del círculo cromático incluyen tonos primarios, secundarios y terciarios, con sus tintes y matices específicos. Con el rojo arriba, la rueda de colores identifica los tres tonos primarios del rojo, amarillo y azul. Estos tres colores primarios forman un triangulo equilátero dentro del circulo. Los tres tonos secundarios del naranja, violeta y verde están ubicados entre los tonos primarios y forman otro triangulo. El naranja rojizo, naranja amarillento, verde amarillento verde azulado, violeta azulado y violeta rojizo son los seis tonos terciarios. Estos resultan de la combinación de un tono primario y uno secundario. [1]

Cada tono primario, secundario o terciario está a un nivel de saturación total, o de brillo, lo que significa que no se le ha agregado negro, blanco o gris. El color se describe en términos de valor, que es la claridad u oscuridad de un color, o la cantidad relativa de blanco o negro en un tono. Si el blanco es agregado como incremento a cualquiera de los doce colores, obtenemos valores más claros del tono, llamados tintes. Por ejemplo, el rosa es un tinte del color rojo primario. El incremento de negro o gris en un tono da por resultado valores más oscuros del tono, conocidos como matices. Un matiz del rojo es el borgoña o rojo oscuro. [1]

El efecto de un color esta determinado por muchos factores: la luz que se refleja de el, los colores que lo rodean, o la perspectiva de la persona que mira el color. [1]

1.1.5. Magnitudes Empleadas para el Cálculo de Iluminación

Para valorar, medir, comparar, calcular… los efectos de la luz se utilizan diferentes magnitudes, algunas de las cuales hacen referencia a la luz emitida por una fuente, y otras relativas a la incidencia de esta luz sobre los objetos. [1]

A continuación se describirán las magnitudes básicas empleadas en iluminación:

Flujo Luminoso: Es la cantidad de energía radiante que afecta a la sensibilidad visual de cada persona emitida por unidad de tiempo. Este flujo no se distribuye de manera uniforme en todas las direcciones del espacio, que depende del dispositivo empleado para dicha iluminación. Un emisor de radiación electromagnética emite un flujo energético que puede incluir en su composición diferentes longitudes de onda. Si se desea conocer los efectos visibles que puede generar dicha radiación, tendremos que afectar el flujo energético por la sensibilidad del ojo humano a las distintas longitudes de onda que componen la emisión. [1]

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Flujo Luminoso = Flujo Energético · Sensibilidad el ojo humano

La sensibilidad el ojo humano a radiaciones electromagnéticas fuera del espectro visible es nula, y dentro de él, adopta valores distintos para cada radiación monocromática, según la curva de sensibilidad que se muestra en la fig. 1.1. [1]

Fig. 1.1 Curva de sensibilidad fotópica. [1]

Donde:

Por tanto, el flujo energético, expresado en su capacidad de activar la visión humana, será: Φ Φ λ λ λ (1)

donde: Φ(LUZ): Flujo luminoso [lm]

Φ (λ): Flujo energético radiado en longitud de onda [lm] dλ: Longitud de onda de la radiación [nm]

La unidad de flujo lumínico es el lumen, el cual se define como 1/680 W emitidos en la longitud de onda de 555 nm, que corresponde a la máxima sensibilidad el ojo. El flujo lumínico expresa la “potencia” de un determinado emisor, siendo su unidad el lumen hora. [1]

Intensidad Lumínica: Es el flujo emitido en una determinada dirección del espacio. Para determinarlo, es necesario acudir al concepto de ángulo solido, entendido como el ángulo estéreo que corresponde a un cono cuyo eje es la dirección en que se considera la intensidad (ver fig. 1.2). [1]

Fig. 1.2 Ángulo sólido. [1]

V (λ) = Sensibilidad espectral del ojo humano a cierta longitud de onda [Hz] λ = Longitud de onda [nm]

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La unidad medida de un ángulo solido es el estereorradián que corresponde a un cono cuyo casquete tenga un área igual al cuadrado del radio de la esfera. Dado que el área de la esfera es: 4 , el ángulo solido total en todas las direcciones del espacio, tiene un valor de 4π estereorradianes. [1] En definitiva, para una determinada dirección del espacio, la intensidad lumínica será:

Φϖ

(2)

siendo: I = Intensidad lumínica [cd]

Φ = Flujo luminoso [lm]

ϖ = Ángulo solido [º]

La unidad de intensidad lumínica, adoptada como unidad fundamental en el sistema internacional, la candela. Este nombre se deriva de la fracción de tres magnitudes fundamentales diferentes empleadas en Alemania, Francia, Inglaterra y EE. UU; ya que inicialmente cada de uno de estos países tenían su propia unidad de intensidad luminosa, que después se definió en relación a la intensidad emitida por una “vela” de características determinadas. La definición moderna corresponde a la intensidad emitida por 1/60 de centímetro cuadrado del cuerpo negro a la temperatura de fusión del platino. [1]

Iluminancia. Nivel de Iluminación: Es la cantidad de flujo luminoso que recibe una superficie por unidad de área como se muestra en la fig. 1.3. [1]

Fig. 1.3 Cantidad de flujo luminoso sobre un área determinada. [1]

Φ

(3)

siendo:

E: Iluminancia o Intensidad de iluminación [lx]

S: Área de la superficie a iluminar [m2]

Φ: Flujo luminoso [lm]

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La unidad de iluminancia es el lux, definido por una superficie de un metro cuadrado que recibe un flujo luminoso de un lumen. La iluminancia es habitualmente denominada nivel de iluminación o iluminación. A veces resulta confuso con la magnitud luminancia que se definirá mas adelante. [1] El concepto de nivel de iluminación o iluminancia, es de amplio uso en Luminotecnia para definir y calcular las condiciones lumínicas de una zona, lo que comúnmente se llama: “tener mas o menos luz”. Sin embargo, no es la iluminación, sino la luminancia, la magnitud determinante del estimulo visual. En la tabla 1.1 se enuncian los valores de iluminancia dependiendo la situación que se establece. [1]

Tabla 1.1 Valores de Iluminancia. Situación Valor de la iluminancia (lux)

Mediodía de verano al aire libre, con cielo despejado 100.000 Mediodía de verano al aire libre, con cielo cubierto 20.000 Puesto de trabajo bien iluminado en un recinto interior 1.000 Buen alumbrado público 20 – 40 Noche de luna llena 0,25 Noche de luna nueva (luz de estrellas) 0,01

Luminancia: Corresponde, en cuanto a magnitud física, al brillo o densidad luminosa que percibimos de una fuente lumínica o un objeto iluminado. Indica la relación entre la intensidad luminosa que emite una superficie “en una dirección determinada” y el área de la superficie vista por un observador situado en la misma dirección. En la fig. 1.4 se muestra la relación de la perspectiva de vista con respecto a una superficie. [1]

Fig. 1.4 Relación entre la intensidad luminosa. [1]

De lo anterior se remarca la expresión en una dirección determinada, ya que la luminancia, al igual que la intensidad, es una magnitud direccional. [1] Se llama luminancia directa a la producida por una fuente de luz, e indirecta o reflejada a la que procede por reflexión de los cuerpos iluminados. [1]

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(4)

siendo: L: Luminancia [cd/m2] I: Intensidad Lumínica [cd] S: Área de la superficie [m2] α: Ángulo entre la superficie y la dirección de observación [°]

Su unidad es la candela por metro cuadrado (cd/m2), también llamada nit (nt), aunque esta última denominación es de uso poco frecuente. Para fuentes con elevada luminancia es común utilizar la unidad de candela por centímetro cuadrado (cd/cm2), también llamada stilb. [1] La luminancia es, por tanto, la magnitud que nos indica si en una situación determinada vemos más o menos luz. Lo que habitualmente llamamos brillo, es en realidad la apreciación subjetiva de la luminancia. [1]

Contraste: Las diferencias de luminancia son las que nos permiten distinguir visualmente unos objetos de otros (ver fig. 1.5). [1]

Fig. 1.5 Libro sobre una mesa blanca. [1]

El factor de reflexión de la tinta que compone el libro, aunque el nivel de iluminación sobre la mesa de la figura es uniforme, las luminancias varían en uno u otro objeto y el ojo es capaz de diferenciarlos. La expresión [1]:

(5)

donde: L0 = luminancia del objeto [cd/m2] LF = luminancia del fondo [cd/m2] C = Contraste

Indica el contraste de un objeto respecto a su alrededor inmediato, es decir, el fondo sobre el que destaca visualmente y es factor de primera importancia en la visibilidad de los objetos. [1]

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Distribución Espectral: Esta es otra característica física fundamental de la luz es la longitud de onda en que transmite la radiación. Normalmente, una emisión luminosa está compuesta por ondas de distintas longitudes entremezcladas entre si, como puede verse en la fig. 1.6 respecto a la radiación solar. [1]

Fig. 1.6 Diagrama espectral de una lámpara de vapor de sodio y una fluorescente compacta. [1]

La distribución espectral indica las diferentes longitudes de onda y sus proporciones respectivas. En el espectro visual afecta principalmente las cualidades cromáticas. [1]

1.2. Sistemas de Iluminación

Cualquiera de los siguientes tipos de sistemas de iluminación puede emplearse para iluminar oficinas. Una elección entre ellos y los tipos de color de la fuente de luz requiere una evaluación de cada uno de ellos para una situación dada, con el fin de lograr los objetivos de confort, eficiencia, viabilidad arquitectónica y costo. En edificios de construcción convencional, donde los techos son bajos y existe aire acondicionado, hay tres factores a saber: altura de los techos, construcción modular y las técnicas de conducción del aire, que favorecen el empleo de alumbrado empotrado. [1]

Los arreglos se clasifican según su distribución vertical de luz:

Iluminación directa: Entre el 90% y 100% de la intensidad de luz de la luminaria se dirige hacia el área a iluminar. Un sistema de alumbrado directo es un eficaz productor de luz en la zona usual de trabajo. Sin embargo, produce sombras duras y profundas, también existe el peligro de deslumbramiento directos o reflejados. Las sombras, pueden causar molestias a no ser que las luminarias sean de gran área o estén muy cerca unas de otras. [2] El brillo directo y el reflejado pueden ser satisfactorios a causa de la alta diferencia de luminancia entre la fuente, techo y partes altas de las paredes más oscuras. Un techo iluminado de pared a pared es una forma de luminaria de alumbrado directo. La luz procedente de las lámparas montadas en las cavidades del techo se dirige hacia abajo por las rejillas o materiales refractantes. [2]

21 

Iluminación semidirecta: En este tipo de iluminación se tiene del 60% al 90% del flujo luminoso que se dirige directamente hacia la superficie a iluminar y una pequeña parte del 10% al 40% se hace llegar a dicha superficie mediante reflexión en techos y paredes, el nivel de iluminación eficaz que este sistema proporciona es el plano de trabajo normal, es el resultado de la luz que viene directamente de la luminaria. [2] En el caso de las sombras, éstas no son tan duras como en el arreglo anterior y además, se reduce considerablemente el peligro de deslumbramiento, porque la porción de la luz dirigida hacia el techo produce una pequeña componente indirecta, y su mayor valor se debe a que hace mas brillante a la zona del techo que rodea a la luminaria, resultado de ella una disminución del contraste de brillo. [2] Del sistema de iluminación mencionado anteriormente se puede obtener este otro sistema semidirecto añadiendo un vidrio o mica difusor adecuado. Con ello se reduce el rendimiento luminoso de la instalación, pero el efecto conseguido resulta más agradable a la vista. [2]

Iluminación difusa: Se puede llamar también iluminación mixta o directa – indirecta. Aproximadamente la mitad del flujo luminoso se dirige hacia abajo y la otra mitad hacia el techo, por tanto, llega a la superficie iluminada directamente después de reflejarse varias veces por techos y paredes. [2] Con este sistema de iluminación se consigue por completo la eliminación de sombras y al hacer más extensa la superficie luminosa, se reduce aun más el peligro de deslumbramiento. [2] La diferencia entre las clasificaciones difusa y directa – indirecta es la cantidad de luz producida en dirección horizontal, como ejemplo del tipo difusa tenemos que la lámpara distribuye luz casi de manera uniforme en todas las direcciones, mientras que las luminarias directa – indirecta produce muy poca luz en dirección horizontal, debido a la mayor opacidad de sus paneles laterales. Este tipo de luminarias suelen utilizar en la parte inferior vidrios, plásticos o rejillas para proteger a las lámparas. [2]

Iluminación semiindirecta: También denominada iluminación semidifusa, donde una pequeña parte del flujo luminoso del 10% al 40% se recibe directamente por la superficie iluminada; la mayor parte de dicho flujo luminoso se envía hacia el techo, donde se refleja para llegar finalmente a la superficie que ha de iluminar. [2] El rendimiento luminoso es bajo porque en las sucesivas reflexiones que sufre la luz antes de llegar a la superficie que se trata de iluminar, parte del flujo luminoso es absorbido por techos y paredes. Para conseguir resultados efectivos, las paredes y techos deben estar pintados con colores claros; así se consigue una iluminación de buena calidad, casi totalmente exenta de deslumbramientos y sombras suaves. [2]

22 

Iluminación indirecta: El 90% del flujo luminoso se dirige hacia el techo, la fuente luminosa queda totalmente oculta a los ojos del observador y este no percibe ninguna zona luminosa, solamente aprecia zonas iluminadas. Como en el caso anterior no hay flujo luminoso directo, las paredes y el techo del local que han de iluminar deben de estar pintadas de colores claros o blanco puesto que el rendimiento luminoso de estos sistemas de iluminación es poco, habría que instalarse más potencia luminosa desmesuradamente para corregir niveles de iluminación medianamente aceptables. [2]

1.2.1. Alumbrado General

Se llama así a una distribución de las luminarias que proporcionan un nivel razonablemente uniforme de iluminación en un área inferior (fig. 1.7). Las distancias físicas de la habitación, las características de distribución de la luminaria, el nivel previsto de iluminación y el espacio de la instalación son factores que determinan el emplazamiento de los equipos. [3]

Figura 1.7 Alumbrado General.

La distribución mas uniforme se obtiene mediante la colocación simétrica de las luminarias necesarias para producir la luz deseada, se deberá estudiar una colocación aproximada de las lámparas, ajustándolas de forma que el número total de ellas sea divisible por el número de filas. La distancia exacta entre lámparas se determina dividiendo la longitud de la habitación por el numero de luminarias de una fila, dando una tolerancia alrededor de un tercio de dicha distancia entre la pared y la primera unidad. De manera similar, la distancia entre filas es la anchura entre la pared y la primera fila. [3]

Para una distribución uniforme de la iluminación con la mayor parte de los tipos de luminarias esas dos dimensiones deberán ser aproximadamente iguales. [3]

La relación entre la separación y la altura de montaje debe estar dentro de los límites establecidos por las características de distribución de la luminaria. Especialmente, en el uso de fuentes de potencia elevada hay que tener gran cuidado en la selección de la capacidad luminosa, ya que las

23 

relaciones entre separación y altura de montaje imponen con frecuencia el uso de luminarias mas pequeñas de las que a primera vista podrían parecer adecuadas. [3]

Las características constructivas de una zona influyen frecuentemente sobre la colocación de las luminarias. En los casos en que los techos estén divididos en zonas por vigas o cercas, se requiere generalmente la instalación simétrica de las luminarias en cada zona o par de zonas. [3]

1.2.2. Alumbrado General Localizado

Este tipo de alumbrado consiste en colocar los equipos de alumbrado general en zonas especiales de trabajo donde se necesitan altas intensidades, bastando con la luz emitida por dichas luminarias para iluminar las áreas contiguas (fig. 1.8). Las luminarias del tipo directo, semidirecto y directo – indirecto son las que mas se utilizan, por ser absolutamente necesario disponer de una notable componente directa siempre que se trata de concentrar la mayor parte de luz sobre una zona restringida debajo de la luminaria. Este método de colocar las luces puede ser una gran ventaja en la iluminación de los puntos de trabajo de las grandes maquinas, los mostradores comerciales y los bancos de trabajo de las fabricas. [3]

Figura 1.8 Alumbrado General Localizado.

1.2.3. Alumbrado Suplementario

Proporciona una intensidad relativamente alta en puntos específicos de trabajo, mediante un equipo de alumbrado directo combinado con la iluminación general o localizada (fig. 1.9). Con frecuencia es necesario cuando se trate tareas visuales especiales y cuando no se puede proporcionar mayor intensidad por ninguno de los otros métodos, como asimismo, cuando se requiere luz de calidad direccional para ciertas operaciones de inspección. [3]

24 

Figura 1.9 Alumbrado Suplementario.

El equipo utilizado para esta finalidad varia en la curva de distribución según el área a cubrir, las distancia del equipo al punto de trabajo y el nivel luminoso requerido. Se debe tener siempre gran cuidado de mantener una relación razonable entre las intensidades del alumbrado general y del suplementario, ya que una excesiva relación de brillos entre el punto de trabajo y los alrededores crea unas condiciones desagradables para la visión. [3]

1.3. Leyes Fundamentales

Cuando la luz incide sobre la materia puede ocurrir uno de los tres fenómenos siguientes (ver también la fig. 1.10), los cuales se deben tomar en consideración:

Transmisión: la luz se propaga a través de la materia. Reflexión: la luz es rechazada por la materia. Absorción: la luz se detiene en la materia.

Fig. 1.10 Demostración de los fenómenos.

Reflexión: En casos de superficies lisas el rayo de luz incidente es direccionado de tal forma que el ángulo de incidencia y reflexión son iguales ver fig. 1.11. [1]

25 

Fig. 1.11 Rayo de luz incidente en una superficie. [1]

La reflexión especular (fig. 1.11a), en la imagen que forman los rayos de luz incidentes se conserva. En las superficies rugosas, la reflexión se descompone en direcciones distintas (fig. 1.11b), esto también es llamado reflexión difusa, donde la luz reflejada desaparece la imagen. [1]

Transmisión: La luz puede propagarse sin variar su dirección (fig. 1.12a) y hablamos entonces de transparencia que permite contemplar las imágenes a través de la materia, o bien, puede descomponerse en diversas direcciones y hablamos entonces de cuerpos traslucidos que transmiten luz pero no las imágenes (fig. 1.12b). [1]

Fig. 1.12 Efecto de la transparencia. [1]

Absorción:

La energía de la luz absorbida por la materia incrementa su nivel energético, lo cual puede dar lugar a muy diversos fenómenos: activar reacciones químicas – como ocurren en la retina humana o en las películas fotográficas –, producir energía eléctrica – células fotovoltaicas –, elevar su temperatura, etc. [1]

Fenómenos mixtos: En la realidad no existen espejos perfectos, ni transparencia total, ni cuerpos negros de absorción total. En todos los casos, existe una proporción determinada de los tres fenómenos (fig. 1.13) actuando conjuntamente. Cuando uno de ellos predomina claramente hablamos de transmisión, reflexión o absorción. [1]

26 

Fig. 1.13 Fenómenos mixtos. [1]

La forma determinante del comportamiento de la luz incidente en un determinado material depende de cual sea su longitud de onda: pueden ser absorbidas determinadas longitudes de onda y transmitidas o reflejadas otras. Este fenómeno es fundamental para determinar el color de la materia. [1]

Factores de reflexión, transmisión y absorción: Por la ley de conservación de la energía podemos establecer la igualdad siguiente:

Φ Φ Φ Φ (6) siendo:

Φ = flujo luminoso incidente [lm] Φ = flujo luminoso reflejado [lm] Φ = flujo luminoso transmitido [lm] Φ = flujo luminoso absorbido [lm]

A partir de esta expresión pueden determinarse los siguientes factores:

Factor de reflexión: ΦΦ

(7)

Factor de transmisión: ΦΦ

(8)

Factor de absorción: ΦΦ

(9)

En la tabla 1.2 se pueden ver los valores típicos de factores para determinados materiales iluminados por la luz blanca. [1]

27 

Tabla 1.2 Valores de factores para materiales iluminados con luz blanca.

Material Factor de reflexión

P Factor de

transmisión τ Factor de absorción

α Efecto resultante

Superficies pintadas. Colores medios.

Amarillo 0.50

0

0.50

Reflexión difusa

Beige 4.05 0.55

Marrón 0.25 0.75

Rojo 0.20 0.80

Verde 0.30 0.70

Azul 0.20 0.80

Gris 0.35 0.65

Blanco 0.70 0.30

Negro 0.04 0 0.96 Reflexión semirígida

Vidrios

Opaco negro 0.05 0

0.95 Reflexión difusa

Opaco blanco 0.75 … 0.80 0.25 … 0.20

Transparente claro (de 2 – 4 mm)

0.08 0.9 0.02 Transmisión dirigida

Mate al exterior 0.07 … 0.20 0.87 … 0.63 0.06 …0.17 Transmisión semidirigida Mate al interior 0.06 …0.16 0.89 …0.16 0.89 … 0.77

Opal blanco 0.30 … 0.55 0.66 … 0.36 0.04 … 0.08

Transmisión difusa

Opal rojo 0.04 … 0.05 0.04 … 0.02 0.92 … 0.93

Opal naranja 0.05 … 0.08 0.10 … 0.06 0.85 … 0.86

Opal amarillo 0.25 … 0.30 0.20 … 0.12 0.55 … 0.58

Opal verde 0.08 … 0.10 0.09 … 0.03 0.82 … 0.87

Opal azul 0.08 … 0.10 0.10 … 0.03 0.82 …0.87

Otros materiales

Papel blanco 0.60 … 0.80 0.10 … 0.20 0.30 … 0.10 Reflexión y

transmisión difusa Papel apergaminado 0.50 0.30 0.20

Pergamino 0.48 0.42 0.10

Seda blanca 0.28 … 0.038 0.61 … 0.71 0.01 Reflexión

semidirigida

Seda de color 0.20 … 0.10 0.54 … 0.13 0.44 … 0.86 Transmisión difusa

1.3.1. Ley inversa del cuadrado de la distancia

Imaginemos una fuente de luz emitiendo un flujo luminoso determinado en un ángulo sólido que delimita una pirámide de base cuadrangular (ver fig. 1.14). [1]

28 

Fig. 1.14 Flujo luminoso en un ángulo solido. [1]

La definición de iluminancia (ecuación 3): Φ

(3)

y, dado que el flujo existente en el ángulo sólido es constante, para distintas superficies situadas a distancias crecientes de la fuente de luz, se cumplirá:

Φ

; Φ

(10)

y por lo tanto:

(11)

al igual que el Teorema de Tales, las áreas de las superficies S1, S2 se incrementan en función del cuadrado de su distancia a la fuente de luz (ver fig. 1.15). [1]

Fig. 1.15 Demostración del Teorema de Tales. [1]

De lo anterior podemos decir que la ley inversa del cuadrado de la distancia establece que: Dada una fuente de luz, las luminancias producidas en diferentes superficies situadas perpendicularmente a la dirección de radiación, varían en forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente de luz y la superficie. [1]

29 

1.3.2. Ley del coseno

Imaginemos ahora, que la superficie iluminada, no es perpendicular a la radiación, sino inclinada en un ángulo (fig. 1.16). [1]

Fig. 1.16 Superficie inclinada. [1]

La luminancia resultante es:

Φ

(12)

para una superficie S’1 perpendicular a la dirección de radiación, será:

Φ

(13)

por lo tanto:

(14 )

pero si tenemos que cos , resulta:

cos (15)

De manera que: Dada una fuente de luz, la luminancia producida en una superficie inclinada en un ángulo respecto a la perpendicular de la dirección de radiación, varía proporcionalmente al coseno de dicho ángulo. [1]

1.3.3. Método de luminancia de un punto

De una superficie podemos considerar un punto como un elemento infinitesimal de una superficie, y lo mismo podemos hacer del ángulo del cuadrado sólido que contiene al flujo luminoso incidente su luminancia (fig. 1.17). [1]

30 

Fig. 1.17 Punto como elemento infinitesimal. [1]

será:

Φ

(16)

siendo:

(17)

Teniendo en cuenta las condiciones descritas al establecer las Leyes anteriores:

cos (18)

resulta en definitiva que el flujo varia en cierta forma cuando la superficie esta inclinada en cierto ángulo (ver fig. 1.18) [1]:

Fig. 1.18 Iluminancia de un punto. [1]

Ω .

Φ

.

(19) y (20)

cos (21)

si tenemos en cuenta que cos también puede expresarse como[1]:

(22)

31 

formulación que habitualmente es más útil en los cálculos lumínicos, dado que la altura suele ser un parámetro invariable para distintos puntos de cálculo. [1]

1.3.4. Iluminancia en un plano determinado

Hasta ahorita las consideraciones relativas a la iluminación sean referido siempre a planos que podríamos denominar “horizontales”. Pero en muchos casos prácticos, la luminotecnia debe afrontar el estudio sobre planos distintos: [1]

Nivel de iluminación en la entrada de un edificio. Nivel de iluminación en una figura sobre un plano iluminado.

En realidad, la luminancia es una magnitud vectorial que puede definirse como horizontal, vertical, inclinada… en función de la perspectiva de observación, lo que es lo mismo, de la inclinación del plano de estudio. [1]

Siguiendo las leyes antes establecidas es fácil llegar a las siguientes ecuaciones y en la fig. 1.19 se ilustran los planos de iluminación:

Iluminación horizontal: cos (23)

Iluminación vertical: sin (24)

Iluminación normal: (25)

Fig. 1.19 Iluminación de los diferentes planos. [1]

Las mismas formulaciones podrían establecerse mediante consideraciones trigonométricas para un plano cualquiera que contuviese al punto P. [1]

32 

1.3.5. Ley de Lambert

La reflexión de tipo espectacular corresponde a materiales de superficie lisa en los cuales la dirección de reflexión es igual para todos los rayos incidentes en el mismo ángulo. En las superficies rugosas las direcciones de reflexión pueden diferir, en función de la inclinación de la superficie reflectora (Fig. 1.20). Hablamos entonces de reflexión difusa. [1]

Fig. 1.20 Superficie difusa. [1]

Una superficie “perfectamente difusa” dará lugar a una reflexión omnidireccional, cuya curva característica adoptará la forma esférica cuya sección se muestra en la fig. 1.21. [1]

Fig. 1.21 Representación grafica de la Ley de Lambert.

La intensidad en una dirección será, por tanto:

cos (26)

Pero la superficie aparente del elemento reflector también se ve afectada por el ángulo de observación [1]:

cos (27)

y por tanto la luminancia:

(28)

33 

La expresión de la ecuación (29) resume la Ley de Lambert: La luminancia de una superficie difusora perfecta es constante sea cual sea la dirección de observación. [1]

Puede demostrarse que, en estas condiciones:

(29)

siendo: L = Luminancia de la superficie [cd/m2] E = Nivel de iluminación [lx] π = Factor de reflexión del material

Esta formula permite el cálculo sencillo de la luminancia en aquellos casos en que el material reflectante puede ser considerado con suficiente aproximación, perfectamente difusor. [1]

1.4 Alimentación del Sistema de Iluminación

El tema de este trabajo en su alcance no incluye el sistema de distribución de energía en el edificio pero es conveniente señalar algunas características que tendrá este diseño como se muestra en la figura 1.22.

Figura 1.22 Esquema de alimentación del sistema de iluminación.

El servicio de energía será contratado en mediana tensión de 23KV y se instalará un transformador trifásico de 23 KV / 220 V – 120V, 60 Hz, tipo OA / FA. De tal manera que el sistema de iluminación en el edificio será alimentado con una tensión de 220 / 120 V, 3F, 60 Hz, 4 hilos y todo el equipo de iluminación será adquirido para operar en una tensión de 120 V; el tablero general de distribución operará a una tensión de 220 V, 3F, 4H, así mismo, los equipos de control como sensores e interruptores operaran a 120 V, 3F, 4H y los microcontroladores operaran a una tensión de 220 V, 3F, 4H. Además todos los equipos mencionados anteriormente serán conectados a la red de tierra física.

34 

CAPITULO II. CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN

2.1 Iluminación Inteligente

La iluminación inteligente es un concepto de alumbrado el cual vincula, coordina y unifica los luminarios eficaces, lámparas ahorradoras de energía y el control electrónico para la automatización del sistema de iluminación para poder ahorrar energía, con ello reducir los costos de operación y mantenimiento del mismo sistema de iluminación. Además emplea nuevos parámetros en el diseño de la iluminación de oficinas con alto desempeño, confort, ambiente e índice de rendimiento de color (CRI) que contribuye a una reacción positiva en las personas, teniendo como resultado una mayor productividad en los empleados.

En la actualidad las empresas están adoptando este nuevo concepto de iluminación inteligente porque han descubierto que una mejor iluminación produce mejoras a largo plazo en el desempeño y la moral de los empleados, reduce errores y abstencionismo; aumenta la calidad en los productos y servicios, y logra ahorros en el consumo de energía eléctrica reflejándose en un menor costo por la operación.

Para que un sistema de iluminación sea inteligente, en general debe reunir y cumplir los parámetros y condiciones siguientes:

Incrementar la productividad de los usuarios. Reducir los costos de operación y mantenimiento. Ahorro de energía.

También debe cumplir:

Un alto desempeño en la actividad de la oficina. Producir un confort y ambiente en los empleados o usuarios.

Lo anterior ratifica que la iluminación inteligente tiene como principio fundamental incrementar la productividad y confort de los usuarios, y el ahorro de energía. Por ello al diseñar e instalar un sistema de estas aspiraciones debe tomarse en cuenta la cantidad de luz, ya que esta comprobado que mejorando la visibilidad del área de trabajo se incrementa de gran manera la productividad de los empleados y se reduce la fatiga y los errores visuales. El concepto anterior se puede representar en forma de ecuación de la manera siguiente [4]:

(30)

35 

donde: = Iluminación inteligente = Luminario eficaz = Lámpara ahorradora de energía A = Automatización

De la ecuación anterior se interpreta que hay que proporcionar luz artificial en la cantidad adecuada donde y cuando se necesite para lograr el confort y ambiente adecuado para producir un alto desempeño en los usuarios; asimismo, eliminarla cuando no se desea con el propósito de ahorrar energía eléctrica y con ello disminuir el costo en la operación. Lo anterior significa el concepto de iluminación inteligente. [4]

La ecuación anterior implica la elección adecuada de lámparas ahorradoras y luminarios eficaces, en función de la cantidad de luz artificial necesaria para cada área de trabajo, asimismo el encendido y apagado en forma automática. Esto último requiere de una selección adecuada de los equipos para el control de la iluminación. [4]

2.2 Tipos de Lámparas Ahorradoras

La principal finalidad de una fuente luminosa es la producción de luz, para lograrlo existen dos métodos principales que son: incandescencia y descargas eléctricas. También hay un tercer método para la producción de luz, este es la electroluminiscencia, donde se genera en un material solido por aplicación directa de un campo eléctrico alterno; no se usa filamento, vapor gaseoso, o bombilla alguna y la luz se produce en una película de un espesor de unas pocas milésimas de pulgada. Una fuente electroluminiscente típica es una fina capa de fósforo situada entre dos placas conductoras, una de las cuales es transparente. La luminancia depende de la tensión y frecuencia del servicio, así como de la composición química del fósforo. [4]

El primer método de generación de energía luminosa se logra mediante un hilo llamado filamento, calentando hasta la incandescencia, mediante el paso de una corriente eléctrica a través de él. El segundo método para generar energía luminosa se produce por el paso de una corriente eléctrica a través de un vapor de gas. [4]

A continuación se analizaran los dos tipos de lámparas incandescentes y fluorescentes, pues se considera que cualquiera de estas se puede aplicar en la solución de la iluminación en oficinas, casas, centros comerciales, etc. [4]

Incandescentes: Su funcionamiento está basado en el fenómeno que se produce al llevar a la incandescencia un filamento mediante el paso de una corriente eléctrica a través de éste; el filamento incandescente radía energía, parte de la cual es en forma de luz visible. [4]

36 

En la actualidad el filamento está construido por Wolframio o alguna aleación del mismo, está situado en el interior de una ampolla de vidrio, donde se tiene al vacio y después se rellena con un gas inerte para evitar la combustión del filamento. [4]

Fluorescentes: Su funcionamiento es del tipo de descarga eléctrica, en la cual la luz se produce al aplicarse una alta tensión (entre 2000 – 9000 V) y por la fluorescencia o fosforescencia activada por la energía ultravioleta de un arco de mercurio; consiste en un bulbo tubular que está sellado por los extremos con unos electrodos y en el interior vapor de mercurio a baja presión como soporte del arco con una pequeña cantidad de gas inerte (Argón) para su arranque. [4]

La continua investigación sobre nuevas fuentes de luz artificial tiene dos objetivos fundamentales:

Incrementar el rendimiento luminoso. Igualar el color de la luz artificial a la luz natural.

Las lámparas ahorradoras de energía son el resultado de los desarrollos tecnológicos en la iluminación. Dentro del concepto de ahorro de energía en el alumbrado existe una actualizada y nueva gama de lámparas, como las siguientes:

Lámparas de Bajo Voltaje: Descripción: es una lámpara reflectora de vidrio prensado y bulbo con halógeno encapsulado de alta eficiencia y gran flujo luminoso que ahorra energía y a la vez suministra un haz de luz de alta calidad y gran precisión. Sus principales presentaciones son tres: par – 38, par – 16 y par – 20/30.

Fig. 2.1 Lámpara de Bajo Voltaje.

Lámparas Fluorescentes Compactas: Descripción: es una lámpara fluorescente compacta ahorradora de energía de alta eficiencia, formada por tubos compactos, recubiertos internamente por fósforos tricromáticos que proporcionan un mayor flujo luminoso con mejor rendimiento de color y una apariencia similar a las lámparas incandescentes.

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38 

2.3 Luminarios Eficaces

El flujo luminoso emitido por una fuente de luz artificial (lámpara), se distribuye en el espacio en direcciones e intensidades que dependen de las características constructivas del aparato de iluminación (Luminario). En las aplicaciones luminotécnicas esta distribución no resulta siempre adecuada; por ejemplo, emitir excesiva luz en zonas que no interesa iluminar o enviar intensidades elevadas en direcciones pueden originar deslumbramientos en el observador.[1]

La luminaria es el equipo del sistema que adapta la distribución lumínica original de la fuente de luz a las necesidades propias de la aplicación, contiene un reflector, gabinete, balastro y difusor. La fig. 2.4 muestra un ejemplo a partir de un elemento de amplio uso como es una lámpara de escritorio, con una luminaria básica. [1]

Figura 2.4 Esquema de una lámpara de escritorio con una luminaria básica. [1]

La función fundamental de la luminaria es distribuir el flujo lumínico de manera uniforme hacia un área determinada (escritorio), que produce la fuente de luz artificial (lámpara), aparte de ello, cumple otras funciones de condiciones distintas: eléctrica, mecánica, decorativa, etc. [1]

2.3.1. Características fotométricas:

Para conseguir una distribución fotométrica deseada pueden utilizarse distintas propiedades físicas de la luz [1]:

Reflexión: Mediante espejos posteriores o anteriores (reflectores o lamas). Refracción: Variando la direccionalidad de la luz mediante cierres transparentes,

de estructura prismática. Absorción: Mediante substancias traslúcidas, que atenúan y difunden la luz u

opacas que impiden su emisión de determinadas direcciones.

39 

Las características de emisión lumínica se definen a partir de los siguientes conceptos:

Distribución Fotométrica: Indica la intensidad de flujo emitida en cada una de las direcciones del espacio (fig. 2.5). Originalmente, la distribución fotométrica se indica mediante gráficos, generalmente de tipo vectorial, en los cuales la longitud del vector indica la intensidad emitida en esa dirección. [1] En la actualidad es común indicar mediante matrices de intensidad (tablas) en las cuales la entrada se realiza a partir de coordenadas geométricas que indican en su intersección la intensidad emitida en dicha dirección. [1]

Figura 2.5 Distribución Fotometría de luminarias fluorescentes y un proyector. [1]

Rendimiento: Los fenómenos de reflexión, refracción, etc., que tienen lugar en la luminaria, implican perdidas de flujo lumínico por lo que el flujo final emitido será inferior al producido por la fuente de luz. El rendimiento de la luminaria es la relación entre ambos flujos [1]:

Rendimiento F F á

(31)

Se consideran únicamente las pérdidas debidas al funcionamiento de la luminaria, sin tomar en consideración las posibles perdidas por envejecimiento, deterioro, acción de agentes externos, etc. [1]

40 

Factor de Utilización: Es la relación del flujo necesario para realizar una tarea sobre el flujo emitido por una lámpara que incide sobre un área que se desea iluminar (fig. 2.6). La relación del factor de utilización esta dada por [1]:

Factor de utilización F á

F á (32)

Figura 2.6 Factor de Utilización.

El método del flujo es el elemento esencial para el cálculo lumínico. No depende únicamente de la luminaria sino también de las condiciones geométricas de implantación, en el caso de alumbrados interiores del coeficiente de reflexión de los cerramientos. [1]

Factor de Conservación: Toma en consideración las perdidas en emisión de flujo a lo largo del tiempo por depreciación, suciedad, envejecimiento, etc. El factor de conservación considera en su conjunto las influencias de depreciación de la fuente de luz, contaminación ambiental, periodicidad de mantenimiento, etc. (ver fig. 2.7). Pero las características de la luminaria son un elemento esencial en su determinación. [1]

41 

Figura 2.7 Factor de Conservación. [1]

2.3.2. Clasificación Fotométrica:

Las características principales de la distribución lumínica permiten establecer una clasificación de distintas luminarias en grupos cuyas propiedades fotométricas presentan condiciones afines en función del sistema de diseño para cada una. Los sistemas de clasificación más usuales son las siguientes [1]:

Luminarias para iluminación general de interiores: Como se muestran en la tabla 2.2 las clases de luminarias según el sistema de iluminación y su porcentaje de distribución de flujo. En la figura 2.8 se ejemplifican las luminarias de cada sistema de iluminación. [1]

Tabla 2.2 Clasificación de luminarias para interiores.

Clase de luminaria Distribución del flujo con respecto al plano horizontal [%]

Por encima Por debajo

Directa 0 – 10 90 – 100

Semidirecta 10 – 40 60 – 90

General difusa 40 – 60 40 – 60

Semiindirecta 60 – 90 10 – 40

Indirecta 90 – 100 0 – 10

42 

Figura 2.8 Clasificación de luminarias según la tabla 2.2. [1]

Luminarias para alumbrado vial: Se define la clasificación en función a tres características básicas: Alcance (extensión de la distribución fotométrica en sentido longitudinal de la vía), Apertura (extensión de la distribución fotométrica en sentido transversal a la vía) y Control (grado de limitación del deslumbramiento). Tal como se muestra en la tabla 2.3 y la fig. 2.9. [1]

Tabla 2.3 Sistema de clasificación de las Propiedades Fotométricas de las Luminarias. Alcance Apertura Control

Corta Ymax < 60° Estrecha Y90 < 45° Limitado SLI < 2 Intermedio 60° < Ymax < 70° Media 45° < Y90 < 55° Moderado 2 < SLI < 4

Larga Ymax > 70° Ancha Y90 > 55° Estricto SLI > 4

Figura 2.9 Apertura y alcance de una luminaria de alumbrado público. [1]

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Proyectores: Su clasificación se define en función de la apertura, es decir: el ángulo en que la intensidad luminosa alcanza un valor del 50% del valor máximo. Según la tabla 2.4. [1]

Tabla 2.4 Clasificación de la Apertura del Haz. Descripción Apertura del Haz (al 50% I Max) Haz estrecho > 20° Haz medio 20° – 40° Haz ancho < 40°

2.4 Factores a Considerar para el Control y Diseño de Iluminación

Al considerar el diseño y selección de los sistemas que se tienen para oficinas modernas y nuevos parámetros para determinar los distintos efectos y combinaciones para cada una de las áreas especificas que se desea diseñar, incluyendo lo siguiente [4]:

Alto Desempeño: En la actualidad la iluminación se considera tan importante como cada uno de los elementos que interactúan dentro del espacio de una oficina, por ejemplo, equipo de cómputo, sistema de comunicación, mobiliario, etc., ya que afecta directamente el comportamiento y la calidad del trabajo de los empleados. Con una adecuada y correcta iluminación la gente trabaja mejor, con mas rapidez y menos errores, esto implica en una mejor moral, menor ausentismo, productos y servicios de mejor calidad contribuyendo sustancialmente a mejores resultados de la empresa. [4] El primer punto a considerar en el diseño es la cantidad de luz que se requiera para cada caso, la cual estará en función también del tamaño del material con que se esta trabajando, el contraste entre las tareas por desarrollar y el contorno del lugar, la luminaria del objeto, la velocidad con que tiene que ejecutar la tarea y la edad del individuo, principalmente para obtener una garantía de alto desempeño. [4]

Confort: Un empleado desempeña mejor sus tareas cuando se siente en un lugar agradable y confortable; para esto la iluminación juega un papel importante de la misma manera que lo hace la temperatura. Una buena iluminación propicia el sentido del bienestar, y la seguridad provoca que la gente este alerta y atenta a sus actividades. Para tener un efecto confortante y productivo que evite la fatiga visual provocada por la adaptación del ojo humano al espacio ocupado; se debe considerar el CRI (Índice de Rendimiento de Color) de las lámparas y la relación de iluminación del área de trabajo con respecto al de las áreas circundantes, esto implica que una adecuada iluminación deberá ser aquella que representa con fidelidad los colores del espacio ocupado y de la tarea en la cual no hay mucha diferencia en los niveles de luz de dos áreas adyacentes. [4]

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Índice de Rendimiento de Color (CRI): Es la capacidad que tiene una lámpara para reproducir fácilmente los colores de los objetos y es un factor importante por considerar en cualquier aplicación de iluminación. El CRI se mide en una escala de 0 – 100. La luz natural producida por el sol y la luz de una lámpara incandescente tienen el CRI de cien de forma ideal (Tabla 2.5a). [4]

Tablas 2.5 Rendimiento del color (a) y Temperatura del color (b). [5]

Es importante señalar que los objetos y personas iluminados con un alto CRI se ven más naturales, y además presenta la sensación de un nivel de iluminación superior por el hecho de que disminuye el forzamiento de la percepción visual del ojo humano. [2] Las fuentes de luz blancas y brillantes o azuladas tienen una temperatura de calor superior a los 3600°K, se les conoce como luz fría y se utiliza en áreas industriales, oficinas, hospitales, etc. [2]

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Las fuentes de luz rojizas o amarillas tienen una temperatura de calor inferior a los 3400°K, se denomina luz cálida y se aplica en ambientes de hospitalidad y confort; por ejemplo tiendas de ropa, hogar, restaurantes (Tablas 2.5b y 2.6). [4]

Tabla 2.6 Influencia de la temperatura del color. [5]

Por ultimo las fuentes de luz con temperatura de 3500°K se consideran neutras y se usan en lugares de trabajo como oficinas, salas, bibliotecas, escuelas. [4]

Ambiente: Los diferentes tipos de iluminación pueden modificar la ambientación del lugar donde se trabaja, logrando una respuesta emocional del individuo que ocupa dicho lugar. Para esto es necesario seleccionar adecuadamente la temperatura de color de las diferentes lámparas que se instalarán para evitar diferencias notables entre éstas. [4] Asimismo, una adecuada acentuación en ciertos espacios escogidos ayuda a concentrar la atención en objetos decorativos dando un estilo personalizado al lugar. [4] Se debe poner mucha atención, particularmente cuando se comienza a remplazar las lámparas que han llagado al termino de su vida, no se deben variar las especificaciones originales del diseño, porque si ello ocurre, se tendrá como resultado una falta de uniformidad que demeritará la buena ambientación del lugar o local en cuestión. [4]

Independientemente de las consideraciones mencionadas anteriormente para realizar el diseño y selección de un sistema de iluminación, se deben tomar en cuenta para los dispositivos de control, algunos parámetros para obtener una instalación adecuada son:

Tipo de tarea a desempeñar. Cantidad de luz natural que se percibe. Trafico de personas. Tareas múltiples.

La importancia de cada uno de estos parámetros mencionados variara en cada caso a analizar, ya que no es lo mismo el control que se aplica en un área general de trabajo, que un pasillo o

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vestíbulo; o en una sala de juntas; o en un privado ejecutivo; por esto lo importante es que se instalen dispositivos de control apropiados evitando una sofisticación innecesaria e inflado de los costos.

CAPITULO III. DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN

3.1 Método de Lumen

Teniendo como referencia los métodos de calculo del capitulo 1, en particular la Ley inversa del cuadrado de la distancia donde tomamos la ecuación (3) mencionada en el punto 1.3 para aplicar como solución al alumbrado en locales interiores tomando en cuenta varios factores, se aplica el Método de Lumen. [6]

Φ (3)

Sin embargo el flujo es afectado por los factores que a continuación se describirán:

· · · (33)

Donde: E = Nivel de iluminación [lx]

Φ F = Flujo luminoso total del luminario [lm] W = Numero de Lámparas

CU = Coeficiente de Utilización FM = Factor de Mantenimiento

S = Área por iluminar [m2] En la solución de un problema de alumbrado general en interiores, contemplándose para ello lo siguiente:

A. Nivel requerido de iluminación: El nivel de iluminación necesario para obtener una visión eficiente, activa y confortable para realizar los trabajos encomendados, esto se vera en el siguiente apartado. [6]

B. Elección de la fuente luminosa: Siguiendo con los parámetros considerados por el método de Lumen, para la elección del tipo de fuente luminosa (lámpara), se retomara el punto 2.2 del capitulo 2 donde la elección fue del tipo fluorescente. [6]

C. Selección del sistema de iluminación: para la selección del sistema de iluminación, es necesario retomar el punto 1.2 del capitulo uno donde se detallo cada tipo de iluminación.

D. Elección de luminarios: La importancia del luminario es modificar la distribución luminosa de la lámpara, según las características deseadas y ocultar la fuente de la visión directa del observador, con el fin de evitar el deslumbramiento. [6]

E. Altura del montaje: Es una característica fundamental y es donde se colocara el luminario; en los locales de altura normal como oficinas, salas de clase, habitaciones, etc.,

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la característica es colocar los luminarios lo mas alto posible, para reducir el riesgo de deslumbramiento. [6] La siguiente ecuación nos permite determinar adecuadamente la altura del montaje [6]:

(34)

donde: h = Altura vertical del luminario al plano útil de trabajo [m] d = Distancia desde el techo al plano útil de trabajo [m]

F. Índice del local o de cuarto: Este parámetro es la relación de las dimensiones ancho,

largo y altura del montaje del luminario; del local por iluminar. Estos locales se clasifican en función a la forma, en diez grupos, cada uno de los cuales es identificado por la letra conocida precisamente como “Índice del Local” o “Índice de cuarto”. [6] Para los sistemas de iluminación mencionados en el punto 1.2 del capitulo 1, este parámetro se calcula por medio de la ecuación [6]:

(35)

donde: Relación del local

A = Ancho del local [m] L = Longitud del local [m] H = Altura del montaje sobre el plano de trabajo [m]

La tabla 3.1 muestra la clasificación de los diez grupos de índice de local y para mayor

parte de los cálculos, será suficiente con la selección de una letra. [6]

Tabla 3.1 Clasificación de los Índices de Cuarto. [6]

Índice del Local Relación del Local Valor

A Menos de 0.7 B 0.7 – 0.9 C 0.9 – 1.12 D 1.12 – 1.38 E 1.38 – 1.75 F 1.75 – 2.25 G 2.25 – 2.75 H 2.75 – 3.50 I 3.50 – 4.50 J 4.50 – 5.50

G. Coeficiente de Utilización (CU): El coeficiente de utilización se define como la relación del flujo luminoso que llega al plano de trabajo al total del flujo generado por los luminarios. Este en un parámetro que toma en cuenta la eficacia y distribución de los luminarios, su altura, índice de cuarto, reflexión de paredes, techos y piso. [6]

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Se determina por el índice de cuarto y por las reflectancias en piso, techo y pared; los coeficientes aplicables a cada luminario en particular las proporciona el fabricante de los equipos de iluminación y esta será la que se aplique al problema. [6]

H. Factor de Mantenimiento (FM): Este es el último parámetro que considera el método de Lumen y en función de cualquier sistema de alumbrado existen tres elementos importantes que afectan la luz obtenida por el sistema de iluminación [6]:

⎯ Pérdidas en la emisión luminosa de la lámpara. ⎯ Pérdidas por acumulación de suciedad en el luminario. ⎯ Pérdidas de luz reflejada por la suciedad en paredes y techos.

Los factores de conservación que se dan para las lámparas y luminarios comúnmente son [6]:

⎯ Factor de Mantenimiento Bueno: Cuando las condiciones de limpieza son frecuentes y las lámparas se sustituyen en grupos, en este caso el valor es de 0.75.

⎯ Factor de Mantenimiento Medio: Cuando existen condiciones de limpieza no son frecuentes y solo se sustituyen las lámparas que se funden o fallan, el valor es de 0.70.

⎯ Factor de Mantenimiento Malo: Cuando las condiciones de limpieza son nulas y la instalación que se tiene es deficiente, el valor será 0.60.

I. Número de luminarios requeridos: El número de luminarios requeridos se calcula con la ecuación (36) mencionada a continuación [6]:

·· ·

(36)

donde: W = Luminarios requeridos

S = Área por iluminar [m2] E = Nivel de iluminación [lx]

CU = Coeficiente de iluminación FM = Factor de mantenimiento

F = Lujo luminoso total del luminario [lm]

J. Distribución adecuada de los luminarios: Para la distribución de luminarias tenemos que comúnmente las superficies por iluminar son rectangulares por lo que se forman hileras paralelas al lado mayor o menor del local; es decir, la posición de los equipos de iluminación depende de la forma que tenga la superficie de trabajo. [6] La uniformidad esta en función de los haces luminosos que tengan los luminarios, los cuales dependes de las curvas fotométricas y la separación de estas. Tomando un mismo luminario, tenemos que no cambia el corte de los haces luminosos, aun modificando proporcionalmente la distancia horizontal y la altura, esta uniformidad implica la ecuación siguiente [6]:

H (37)

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donde: e = Distancia horizontal entre luminarios [m]

H = Altura del montaje sobre el plano útil de trabajo [m] K = Factor de espaciamiento

Para la ecuación anterior cada fabricante indica el valor máximo que pueden darse para cada luminario y por lo general varia entre 0.5 – 1.6, dependiendo el tipo de luminaria. Si la relación anterior es rebasada habrá que realizar un reajuste en los parámetros antes mencionados, de lo contrario se obtendrá una iluminación poco uniforme y zonas de penumbra. [6]

3.2 Niveles de Iluminación

3.2.1. Ventajas de la Iluminación natural:

La iluminación natural depende de la luz solar directa, de la reflejada por el cielo y de la reflejada por los objetos después de recibir la luz de otras fuentes. Tanto la luz solar directa como la difusa son muy importantes para la actividad del organismo: la luz directa tiene acción bactericida y la luz difusa es la más conveniente para el trabajo, ya que no hiere ni fatiga los ojos.

Para captar la mayor cantidad de luz natural y distribuirla de la mejor manera en los locales estos deben estar bien orientados.

La luz difusa es obtenida por la orientación Sur, con intensidad uniforme, no da sombras marcadas, no fatiga la vista pero su propiedad bactericida es casi nula. Es indicada para lugares de trabajo. La orientación Norte, proporciona la mayor cantidad de luz con efecto bactericida. Seria indicada para aquellos sitios en donde convenga una fuerte penetración solar. Para que la luz se distribuya en cantidad suficiente entre los distintos cuerpos de un edificio es necesario que exista una separación de una vez y media la altura del edificio.

La entrada de luz se efectúa a través del techo y de las ventanas. La posición, forma y dimensiones de éstas favorecen la penetración de la luz natural y le permiten expandirse sobre la mayor superficie del local.

Los rayos luminosos deben ingresar de tal manera que los ojos de los empleados no estén sometidos a los efectos del deslumbramiento. Se deben evitar pérdidas de luz mediante la correcta disposición de las maquinas y los puestos de trabajo en el local. La mercadería y el equipamiento en general deberán ser ubicados de forma tal que no provoquen sombras demasiado acentuadas.

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La conservación y limpieza de los vidrios, muros, cielorrasos permiten recoger al máximo la luz reflejada. Observando las reglas, se comprueba que el rendimiento de los empleados que trabajan con luz natural es un 15% mayor al de los mismos ocupados con luz artificial.

3.2.2. Consideraciones acerca de la iluminación

Por ejemplo, en las habitaciones con altura normal la iluminación necesaria para leer y hacer trabajos finos, solo se pueden realizar a pocos metros de las ventanas, correspondiendo muros con ventanales. Para tener una gran iluminación en habitaciones profundas, hace falta que estas sean mas altas de lo normal o que la iluminación sea cenital, con luminarios.

La iluminación necesaria para vestíbulos, lugares de deposito y pasillos es relativamente pequeña y se puede obtener con ventanas situadas a varios metros de distancia, si es que no quedan relegados al interior de la construcción.

La iluminación natural interviene en la forma de los edificios. Por las ventanas, además de la luz, penetran los rayos solares, con su carga de calor. En las habitaciones con grandes ventanales la cantidad de calor transportada en verano es muy importante, por lo tanto, hay que diseñar la forma y dispositivos de oscurecimiento de las ventanas. Para ello existen elementos como persianas, toldos, celosías, viseras, etc.

3.2.3. Iluminación artificial

La iluminación artificial tiene por objeto reemplazar a la luz natural cuando ésta falta o es escasa, ésta también debe parecerse lo más posible a la iluminación natural y para ésto se tienen tres clasificaciones según la distribución del flujo luminoso:

Para los trabajos en relieve se debe utilizar la luz directa, que es la más indicada para determinar las sombras y penumbras necesarias para el relieve.

Para realizar trabajos planos se recomienda la luz indirecta, llamada así por que proyecta la luz hacia el techo y las paredes para que luego llegue a los lugares de trabajo sin producir relieves.

Cuando se precisan ambas se utiliza la luz mixta.

A cada uno de los lugares en que se desarrollan distintas funciones conviene una intensidad de iluminación determinada. Por la NOM-025-STPS-2005 (ver tabla 3.2), que establece las Condiciones mínimas de Iluminación en los Centros de Trabajo. Sin embargo, la tabla 3.3 muestra los valores recomendados para la iluminación de centros de trabajo marcados por la Sociedad Mexicana de Ingenieros (SMI).

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Tabla 3.2 Niveles mínimos de iluminación según NOM-025-STPS-2005

Tarea Visual del Puesto de Trabajo Área de Trabajo Niveles Mínimos de Iluminación

(lux) En exteriores: distinguir el área de tránsito, desplazarse caminando, vigilancia, movimiento de vehículos.

Exteriores Generales: patios y estacionamientos. 20

En interiores: distinguir el área de tránsito, desplazarse caminando, vigilancia, movimiento de vehículos.

Interiores Generales: almacenes de poco movimiento, pasillos, escaleras, estacionamientos cubiertos, labores en minas subterráneas, iluminación de emergencia.

50

Requerimiento visual simple: inspección visual, recuento de piezas, trabajo en banco y máquina.

Servicios al personal: almacenaje rudo, recepción y despacho, casetas de vigilancia, cuartos de compresores.

200

Distinción moderada de detalles: ensamble simple, trabajo medio en banco y máquina, inspección simple, empaque y trabajos de oficina.

Talleres: áreas de empaque y ensamble, aulas y oficinas. 300

Distinción clara de detalles: maquinado y acabados delicados, ensamble de inspección moderadamente difícil, captura y procesamiento de información, manejo de instrumentos y equipo de laboratorio.

Talleres de precisión: salas de cómputo, áreas de dibujo, laboratorios. 500

Distinción fina de detalles: maquinado de precisión, ensamble e inspección de trabajos delicados, manejo de instrumentos y equipo de precisión, manejo de piezas pequeñas.

Talleres de alta precisión: de pintura y acabado de superficies y laboratorios de control de calidad.

750

Alta exactitud en la distinción de detalles: ensamble, proceso e inspección de piezas pequeñas y complejas y acabado con pulidos finos.

Proceso: ensamble e inspección de piezas complejas y acabados con pulido fino. 1,000

Alto grado de especialización en la distinción de detalles. Proceso de gran exactitud. 2,000

Tabla 3.3 Niveles recomendados para la iluminación de centros de trabajo según SMI.

Recinto según actividad Iluminación recomendada (lux)

Auditorios de asambleas o exposiciones: 150 – 300 Salas de espera, de descanso y de fumadores: 300 Lectura de texto con mucho contraste y bien impresos, tareas y zonas que de poca atención: 300

Lectura o transcripción de manuscritos a tinta, sobre un buen papel, archivos usados con frecuencia: 700

Lectura o transcripciones de escritura a mano con lápiz duro o sobre mal papel, archivos de uso continuo, correspondencia, índice se asuntos: 1000

Contabilidad, intersección, distribución de tablas, teneduría de libros, maquinas calculadoras, dibujo a mano alzada: 1500

Cartografía, estudios, dibujo detallado: 2000 Corredores, ascensores, escaleras y escaleras mecánicas: 200 Comedores de tipo general: 150 – 300 Almacenes y bodegas con poca actividad y embalaje basto: 50 – 100 Almacenes y bodegas activos con embalaje medio 200 Lavabos y WC 300

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3.3 Cálculo y Diseño de la Iluminación

El cálculo de la iluminación, es prácticamente conocer el número de unidades de alumbrado para un área de trabajo determinada en función de un nivel de iluminación, considerando la actividad a desarrollar en dicha área atendiendo factores de reflexión, distancia de los objetos al órgano visual del observador, rapidez de movimiento en los objetos observados, cantidad de luz emitida por la fuente luminosa, etc.

3.3.1. Dimensiones del Local

El problema que se desarrolla trata del cálculo de la iluminación en interiores y en las áreas de trabajo de un edificio como: baños, bodegas, cuarto de maquinas, estacionamiento, espacio para oficinas, jardín/patio, sala de control, terraza y vestíbulo.

Para esto tenemos las siguientes dimensiones de los sótanos como de la planta baja y los niveles superiores, como se muestra en la tabla 3.4 y cuyas dimensiones se muestran en las figuras 3.1 Sótanos 1,2,3 y 4; la figura 3.2 Planta Baja y Nivel 1; la figura 3.3 Nivel 2; la figura 3.4 Niveles 3,4 y 5.

Tabla 3.4 Dimensiones del local.

Área Largo Ancho Alto Sótano 1 31.05 29.25 5.1 Sótano 2 31.05 29.25 5.1 Sótano 3 31.05 29.25 5.1 Sótano 4 31.05 29.25 5.1

Planta Baja 26.25 29.25 5.1 Nivel 1 26.25 29.25 5.1 Nivel 2 21.46 29.25 5.1 Nivel 3 17.06 29.25 5.1 Nivel 4 17.06 29.25 5.1 Nivel 5 17.06 29.25 5.1

Para el cálculo de la iluminación general aplicaremos la Ley de la Inversa del Cuadrado de la Distancia como ya se había mencionado en el Capitulo 1. Considerando que las plantas de los sótanos 1, 2, 3, 4 tienen las mismas dimensiones, así como en la planta baja y nivel 1 y también los niveles 3, 4, 5; solo se empleara de forma generalizada un nivel en común para el calculo de lámparas ya que es aplicable en los de mas casos por ser de iguales dimensiones.

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Figura 3.1 Dimensiones de los Sótanos 1, 2, 3 y 4.

Figura 3.2 Dimensiones de la Planta Baja y Nivel 1

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Figura 3.3 Dimensiones del Nivel 2

Figura 3.4 Dimensiones de los Niveles 3, 4 y 5.

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3.3.2. Nivel de Iluminación (NI)

Se considerará el nivel de iluminación correspondiente según plantea la NOM-025-STPS-2005 que establece las Condiciones mínimas de Iluminación en los Centros de Trabajo, que se mostraron anteriormente en la tabla 3.2 así mismo la tabla 3.3 que mostro los valores recomendados para iluminación de centros de trabajo marcados por la Sociedad Mexicana de Ingenieros (SMI).

Comparando las tablas antes mencionadas (3.2 y 3.3), se determina que los valores en lux son considerablemente más altos para cada área de trabajo según SMI, puesto que en la NOM-025-STPS-2005 se mencionan las condiciones mínimas de iluminación en centros de trabajo, por lo cual da a entender que esos niveles son los que se emplearían como base para plantear los niveles deseados para iluminar cada área de trabajo, sin embargo nos apegaremos lo mas posible a estos valores, como se muestra en la tabla 3.5.

Tabla 3.5 Niveles empleados para el proyecto. Local Nivel de Iluminación (NI)

Baños 300 Bodega 100 Cuarto de Control 100 Cuarto de Maquinas 200 Elevadores y Escaleras 200 Estacionamiento 150 Oficinas P11 1000 Oficinas P12 1000 Oficinas P21 1500 Oficinas P22 1500 Oficinas P23 1500 Oficinas P24 1500 Oficinas P31 Y P41 1500 Oficinas P32 Y P42 1500 Oficinas P33 Y P43 1500 Oficinas P51 1500 Oficinas P52 1500 Oficinas PB1 1000 Oficinas PB2 1000 Pasillos 150 Vestíbulo 300

3.3.3. Elección de la Fuente Luminosa

Considerando los tipos de lámparas ahorradoras vistas en el Capitulo 2 de ésta tesis y las características del área de trabajo, como:

Dimensiones Función del área de trabajo Tareas a desarrollar dentro del área de trabajo

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También considerando la altura del montaje y la posibilidad de algún alumbrado relocalizado, se optará por la lámpara fluorescente y lámpara fluorescente compacta con las siguientes características:

G13: F32T8/ADV850 ALTO 25PK 32W, 5000°K, IRC 85%, 3100 – 2950 lm E27: LV-E Saber 20W WW, 2700°K, IRC 82%, 1170 lm, 110 – 127 V

3.3.4. Selección del Sistema de Iluminación

Considerando que el área de trabajo de baños, bodegas, cuarto de maquinas, estacionamiento, espacio para oficinas, jardín/patio, sala de control, terraza y vestíbulo, en las cuales se desea la iluminación antes mencionada y en función a cada nivel de iluminación esto puede ser posible con: un Sistema Directo.

3.3.5. Elección del Luminario

Considerando la fuente luminosa elegida, el sistema de iluminación y atendiendo los criterios del catalogo del fabricante, se optaron por los luminarios CIVIC II y ZEUS, con reactor integrado correspondientes a la línea del fabricante ARTELUM. Estos luminarios se recomiendan para aplicaciones en baños, pasillos y oficinas respectivamente de alumbrado general sistema directo. Los coeficientes de utilización para estos tipos de luminarios son los que se muestran en la Tabla 3.6 (a) y 3.6 (b); y cuyas curvas de distribución se muestran en la figura 3.5 (a) y 3.5 (b).

Tabla 3.6 Coeficientes de utilización. (a) Modelo CIVIC II (b) Modelo ZEUS

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Figura 3.5 Curvas de Distribución. [7]

3.3.6. Altura de Montaje

La altura de montaje es una característica propia de todo proyecto de iluminación de interiores. En los cuales la altura normal de las áreas de trabajo como baños, bodegas, estacionamiento, espacio para oficinas, sala de control y vestíbulos. Su característica actual es situar los luminarios tan alto como sea posible, para disminuir considerablemente el riesgo de deslumbramiento.

La forma de determinar la altura de montaje esta dada a través de la ecuación (34) del punto 3.1 inciso E. Si la altura del local en cuestión es 5.1 m; y si consideramos un plano útil de trabajo 2.2 m de altura sobre el piso correspondiente al plano del sótano 1, tenemos que por ecuación:

45 5.1 4.08

donde: 2.9 m = Altura de trabajo

1.18 m = Altura sobre el piso dando el total de 4.08 m de altura total del plano, como se muestra en la figura 3.6.

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Figura 3.6 Esquema de altura de montaje.

3.3.7. Índice de cuarto

La clasificación de estos, esta basada en las relaciones entre las dimensiones de las habitaciones, que se calculan mediante la ecuación (35) del punto 3.1 inciso F y con la ayuda de la tabla 3.1 asignamos la clasificación del índice de cuarto. Sustituyendo en la ecuación (35) los valores:

Ancho = 3.75 mLargo = 7.35 m

Alto = 4.08 m estas dimensiones pertenecen a los baños por lo que se tiene:

Ñ7.35 3.75

4.08 7.35 3.75 0.62

una vez obtenido el valor anterior para cada área de trabajo, se anotarán los resultados en la Tabla 3.7 se muestra el índice de cuarto para cada área de trabajo como se muestra a continuación.

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Tabla 3.7 Relación de cuarto para cada local. LOCAL A (m) L (m) H (m) RL LETRA

Baños 7.35 3.75 4.08 0.62 A Elevadores y Escaleras 7.35 3.75 4.08 0.62 A Estacionamiento 29.25 31.05 4.08 3.77 I Pasillos 16.15 15 4.08 1.94 F Oficinas PB1 15 8.45 4.08 1.35 D Oficinas PB2 6.9 17.6 4.08 1.24 D Oficinas P11 6.9 22.6 4.08 1.32 D Oficinas P12 15 6.9 4.08 1.18 D Oficinas P21 7.35 8.35 4.08 0.98 C Oficinas P22 5.95 8.7 4.08 0.88 A Oficinas P23 6.9 17.05 4.08 1.23 D Oficinas P24 15 6 4.08 1.07 C Oficinas P31 y P41 6.9 17.6 4.08 1.24 C Oficinas P32 y P42 15 6.9 4.08 1.18 D Oficinas P33 y P43 7.35 17.6 4.08 1.30 D Oficinas P51 10 6.9 4.08 1.02 C Oficinas P52 9.4 17.6 4.08 1.53 E Cuarto de Maquinas 7.35 11.9 4.08 1.14 D Vestíbulo 6.9 7.5 4.08 0.90 C Bodega 3.67 7.35 4.08 0.61 A Cuarto de Control 3.67 7.35 4.08 0.61 A

Con ésto obtuvimos los índices de cuarto para cada área de trabajo.

3.3.8. Coeficiente de Utilización (CU)

Se determina por el índice de cuarto y por la reflectancia en piso, techo y paredes; siendo esta la existente en el momento de la instalación del luminario. Las tablas de los coeficientes de utilización son proporcionadas por los fabricantes del equipo de iluminación y será esta la que aplique en cuestión al problema.

Una vez determinado el índice de cuarto y con ayuda de las tablas que proporcionan los manuales de fabricantes (OSRAM, PHILIPS) se obtiene al coeficiente de utilización, como podemos ver en la Tabla 3.8.

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Tabla 3.8 Coeficientes de Utilización para cada área de trabajo. Local Índice de Cuarto (RL) Letra CU

Baños 0.62 A 0.68 Elevadores y Escaleras 0.62 A 0.68 Estacionamiento 3.77 I 0.49 Pasillos 1.94 F 0.56 Oficinas PB1 1.35 E 0.62 Oficinas PB2 1.24 D 0.66 Oficinas P11 1.32 D 0.66 Oficinas P12 1.18 D 0.66 Oficinas P21 0.98 D 0.66 Oficinas P22 0.88 A 0.74 Oficinas P23 1.23 D 0.66 Oficinas P24 1.07 D 0.66 Oficinas P31 y P41 1.24 C 0.68 Oficinas P32 y P42 1.18 D 0.66 Oficinas P33 y P43 1.30 E 0.62 Oficinas P51 1.02 C 0.68 Oficinas P52 1.53 E 0.62 Cuarto de Maquinas 1.14 D 0.66 Vestíbulo 0.90 C 0.68 Bodega 0.61 A 0.74 Cuarto de Control 0.61 A 0.74

3.3.9. Factor de Mantenimiento (FM)

En el presente trabajo, se considera un factor de mantenimiento medio, en función a las medidas antes mencionadas de las instalaciones, cuyo valor es 0.7 visto en el punto 3.1 inciso H.

3.3.10. Número de Luminarios Requeridos

El número de luminarios se calculan con la ecuación (36) mencionada en el punto 3.1, inciso I. Donde se sustituyen los siguientes valores:

A = 853.09 m2 E = 150 lx

CU = 0.49 FM = 0.7

F = 3050 lm Para la ecuación anterior se representa un ejemplo típico como el siguiente, en la Tabla 3.9 se muestran los resultados para cada área de trabajo:

W853.09 150

0.49 0.7 3050 122.318

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Tabla 3.9 Resultados de las lámparas para cada local trabajo. Local NI Área [m2] FM CU Lumens Lámparas

Baños 300 27.56 0.7 0.81 1170 12.46 Elevadores y Escaleras 200 27.56 0.7 0.81 3050 3.19 Estacionamiento 150 853.09 0.7 0.49 3050 122.32 Pasillos 150 187.13 0.7 0.64 3050 20.54 Oficinas PB1 1000 126.75 0.7 0.73 3050 81.33 Oficinas PB2 1000 121.44 0.7 0.73 3050 77.92 Oficinas P11 1000 155.94 0.7 0.73 3050 100.05 Oficinas P12 1000 103.50 0.7 0.73 3050 66.41 Oficinas P21 1500 61.37 0.7 0.75 3050 57.49 Oficinas P22 1500 51.77 0.7 0.81 3050 44.90 Oficinas P23 1500 117.65 0.7 0.73 3050 113.23 Oficinas P24 1500 90.00 0.7 0.75 3050 84.31 Oficinas P31 y P41 1500 121.44 0.7 0.75 3050 113.76 Oficinas P32 y P42 1500 103.50 0.7 0.73 3050 99.61 Oficinas P33 y P43 1500 129.36 0.7 0.73 3050 124.50 Oficinas P51 1500 69.00 0.7 0.75 3050 64.64 Oficinas P52 1500 165.44 0.7 0.7 3050 166.05 Cuarto de Máquinas 200 87.47 0.7 0.73 3050 11.22 Vestíbulo 300 51.75 0.7 0.75 3050 9.70 Bodega 100 26.97 0.7 0.81 3050 1.56 Cuarto de Control 100 26.97 0.7 0.81 3050 1.56

Cuando el número de luminarios calculados resulta fraccionario se tiene que ajustar a un número entero y si se utilizan en pares se deben agregar o quitar las luminarias que nos convenga para cada caso, lo cual depende de al distribución de los equipos de iluminación, esto se muestra en la Tabla 3.10 se muestran las lámparas y luminarios para cada área de trabajo.

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Tabla 3.10 Lámparas, Luminarios y Nivel de Iluminación Proyectado (NIP) con el flujo de las lámparas empleada en los locales de trabajo.

Local Luminarios Lámparas NIR[8] NIP[9]

Baños 6 12 300 255 Elevadores y Escaleras 2 4 200 221 Estacionamiento 50 100 150 168 Pasillos 12 24 150 151 Oficinas PB1 41 82 1000 987 Oficinas PB2 39 78 1000 979 Oficinas P11 51 102 1000 997 Oficinas P12 34 68 1000 1,002 Oficinas P21 29 58 1500 1,441 Oficinas P22 25 50 1500 1,473 Oficinas P23 57 114 1500 1,478 Oficinas P24 43 86 1500 1,457 Oficinas P31 y P41 57 114 1500 1,432 Oficinas P32 y P42 50 100 1500 1,473 Oficinas P33 y P43 63 126 1500 1,485 Oficinas P51 33 66 1500 1,459 Oficinas P52 84 168 1500 1,549 Cuarto de Máquinas 6 12 200 209 Vestíbulo 5 10 300 295 Bodega 1 2 100 113 Cuarto De Control 1 2 100 113

3.3.11. Distribución Adecuada de Luminarios

Po lo general, la forma de las superficies por iluminar en interiores es rectangular y los quipos de alumbrado se distribuyen en hileras de forma paralela al eje mayor o menor del área de trabajo.

Para un luminario no cambia la forma en que se cortan los haces luminosos, aun modificando proporcionalmente la distancia horizontal y la altura, esto implica que la uniformidad esta en función a la ecuación (38) del punto 3.1 inciso J. Si k = 1.144, según el fabricante y h = 4.08 m; despejando y sustituyendo obtenemos:

e = 1.144 (4.08) = 4.67 m.

Con este valor el número de luminarios y considerando las dimensiones ancho y largo, se determina la distribución adecuada.

De manera análoga todo lo anterior se llevara acabo para cada piso del edificio, ya que solo variaran las longitudes de las oficinas o los niveles de iluminación requeridos para el área de trabajo.

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CAPITULO IV. ELABORACIÓN DEL CONTROL PARA LA ADMINISTRACIÓN DE LA ENERGIA

4.1 Dispositivos y Equipos para el Control de la Iluminación

Los dispositivos más empleados para el control de la iluminación son atenuadores, controles de escenarios, fotoceldas, microcontroladores y sensores de presencia. [10]

4.1.1. Sensores de Presencia

Los sensores de ocupación montados en muros y techos utilizan tecnología de detección ultrasónica o pasiva infrarroja a fin de ofrecer un control de iluminación rentable. Los sensores de ocupación pueden utilizarse en cualquier lugar, ya que encienden las luces al detectar movimiento y se apagan en caso contrario. [10]

Actualmente existen tres tecnologías [10]:

Pasiva Infrarroja (PIR): Son dispositivos diseñados para detectar el movimiento de cuerpos emisores de calor (figura 4.1 a).

Ultrasónica (US): Estos controles emiten continuamente ondas de sonido los cuales supervisan si hay algún cambio en el tiempo de retorno de las ondas de sonido reflejadas (figura 4.1 b).

Múltiples Tecnologías (MT): Combinan las tecnologías antes mencionadas para evitar activaciones en falso provenientes de corrientes de aire acondicionado y de actividades en corredores (figura 4.1 c).

Figura 4.1 Tipos de sensores de presencia. [10]

Los sensores de presencia tienen dos tareas: mantener las luces encendidas mientras la habitación está ocupada y mantenerlas apagadas cuando la habitación se encuentra vacía. La detección de movimiento por ultrasonido que posee una máxima sensibilidad, aún es vulnerable a los falsos disparos debido a los flujos de corriente de aire acondicionado, actividad del corredor y

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movimientos de objetos inanimados. La detección de movimiento por infrarrojo posee inmunidad a los falsos disparos pero carece de sensibilidad a grandes distancias. El sensor de multi-tecnología marca LEVITON combina los beneficios de ambas tecnologías, ultrasonido e infrarrojo, en un desarrollo totalmente confiable que nos permite efectuar el control de encendido y apagado de la iluminación en forma automática. [10]

Por conveniencia el sensor empleado es el sensor de ocupación de múltiples tecnologías para montaje de techo con No. CAT. OSC20-M0W, marca LEVITON. 4.1.2. Atenuadores

La posibilidad de ajustar el nivel de iluminación en forma manual o automática (ver figura 4.2) ofrece varios beneficios como [10]:

La reducción en el consumo de energía disminuye el monto de los recibos de electricidad. La ampliación de la vida de las lámparas significa menor frecuencia de reemplazo y

compra a intervalos más espaciados. Ajuste de la iluminación dependiendo de la hora del día. Acentuación de obras de arte, panoramas de ventanas y mucho más. Brinda a los usuarios el control individual de la iluminación reduciendo la probabilidad de

fatiga visual y produce un ahorro de energía en su operación. Creación del ambiente adecuado para cada ocasión. Disminuye el brillo de computadoras en estaciones de trabajo. Permite que la iluminación se adapte a una gama completa de actividades dentro de

aplicaciones comerciales.

La suma de los cuatro primeros factor–beneficio son los que producen la denominada “administración de la energía” en un sistema de iluminación y se considera en el siguiente capitulo en el punto 5.2 para lograr un ahorro de energía adicional al producido por la aplicación de las lámparas ahorradoras de energía, con la consecuencia de un menor costo en la operación del sistema de iluminación; si éste opera en forma convencional. [10]

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Figura 4.2 Tipos de Atenuadores. [10]

El modelo empleado de este tipo de atenuadores para pasillos y vestíbulo es el controlador escénico de 7 botones de escenario mas uno de apagado, además de atenuación y brillo de grupos; No. CAT. MN00C-1LW, marca LEVITON.

4.1.3. Controles de Escenarios

El sistema Dimensions D4200 (ver figura 4.3) combina la operación sencilla con una amplia gama de estaciones de ingreso y accesorios a fin de ofrecer soluciones de control flexibles. En la pantalla de cristal líquido iluminada se despliegan funciones e información de escenarios en inglés no técnico que lo guían en cada paso de la configuración y la operación. Los ocho botones de invocación de escenario de un solo toque simplifican el control de iluminación, permiten seleccionar la combinación óptima de iluminación – adaptable al estado de ánimo perfecto. [10]

Figura 4.3 Control de Escenarios Dimensions D4200. [10]

El modelo D4200 ofrece una atenuación y control escénico para aplicaciones comerciales. La unidad puede usarse como estación de ingreso de gabinetes de atenuación y complementarse con estaciones D4200 remotas y de habitaciones combinadas, así como con concentradores e

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interfaces Luma–Net. El modelo D4200 presenta una interfaz por medio de menús que permite programar y controlar la iluminación de manera sencilla, receptor infrarrojo para usarse con control remoto portátil, además de un conjunto integral de funcionalidades que incluyen programación de eventos, partición y capacidad de conexión en red. [10]

El modelo a usar para salas de juntas es el controlador de múltiples zonas que es controlador y estación de ingreso con No. CAT. D4200-00W, marca LEVITON.

4.1.4. Microcontroladores

Con las tecnologías más recientes disponibles a fin de ofrecer los controles de iluminación para manejo de energía más avanzados en la industria. La marca LEVITON ofrece dos productos Z-MAX y EZ-MAX constituyen una parte de las múltiples ofertas de control para el manejo de energía propuestas. [11]

El panel de control autónomo de relevadores con interruptores EZ-MAX (ver figura 4.4 a)ofrece programación de luces en un área única, mientras que los múltiples paneles de control de relevadores con interruptores Z-MAX (ver figura 4.4 b) listos para conectarse en red para espacios ideales donde se requiere control centralizado, programado y supervisado de iluminación las 24 horas, con el fin de administrar la energía eléctrica que el sistema de iluminación consume en horarios de trabajo y nocturnos, con el fin de optimizarlo. [11]

Figura 4.4 Paneles de control autónomos EZ-MAX y Z-MAX. [11]

Los paneles de control de relevadores para conexión en red Z-MAX habilitan aplicaciones de iluminación de todos los tamaños de tal manera que se controlen fácilmente como un sistema completo, que integren controles D4200 o que operen en forma independiente. [11]

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Los paneles remotos de relevadores (RRP) ofrecen control remoto de iluminación en red con interrupción local por medio de sensores de ocupación, fotoceldas e interruptores manuales. Pueden conectarse en red hasta 24 RRP a un panel maestro de control de relevadores Z-MAX para suministrar hasta 96 circuitos de relevadores, con lo que se ofrece una poderosa y rentable solución de conmutación distribuida con supervisión y control centrales. En la figura 4.5 se muestra la composición interna de un panel Z-MAX. [11]

Figura 4.5 Composición interna de un panel Z-MAX. [11]

Los paneles de control de relevadores Z-MAX se encuentran integrados con un sistema de distribución eléctrica estándar y protección contra sobrecorriente a fin de ofrecer la conveniencia de una alimentación sencilla con la flexibilidad de un sistema de control de relevadores Z-MAX.

Los dispositivos empleados para cada piso son tres paneles de control de 8 relevadores con 8 relevadores estándar No. CAT. R08ND-108 y un panel de control de 24 relevadores con 24 relevadores estándar maestro No. CAT. R24MD-124 ambos de la marca LEVITON.

68 

4.2 Diseño del Control para Iluminación

Una vez calculado el número de lámparas para cada área (ver figura 4.6) se procede a implementar los dispositivos y equipos de control para la automatización de la iluminación y para esto se eligió el dispositivo de presencia de múltiples tecnologías y el equipo panel de control autónomo Z-MAX, el cual permite añadir los sensores y las foto celdas al panel los cuales le ayudaran al monitoreo continuo de cada área de trabajo, así como de ir regulando los niveles de iluminación conforme pasa el día con las foto celdas como se puede mostrar en la figura 4.7.

Figura 4.6 Arreglo típico de una oficina. [10]

Figura 4.7 Implementación del control para la iluminación de una oficina [10]

Tomando como modelo la figura anterior; también podemos hacer el arreglo para un área donde se divide en dos zonas, una de pasillos y la otra de las oficinas generales, como se muestra en la figura 4.8.

69 

Figura 4.8 Integración del control en un nivel del edificio. [11]

Con esto tenemos que la distribución de los luminarios las podemos hacer por zonas como

mencionamos anteriormente, esto de manera simplificada es lo que se llevara acabo en cada nivel

del edificio Tecnology Luxes.

La distribución se hará por local, es decir, por área de trabajo con sus respectivos controles como

se muestra detalladamente en el anexo B1 (Sótanos 1, 2, 3 y 4), el anexo P1 (Planta baja) y el

anexo P2 (Nivel 1); los Niveles 2, 3, 4 y 5 se distribuirán de manera similar al nivel 1 y la planta

baja.

En la figura 4.12 se muestra un esquema de conexión generalizada de los sensores de ocupación,

estaciones de control, concentradores y microcontroladores; también en la figura 4.13 se muestra

el diagrama típico de conexión y programación de Z-Max.

70 

 

Figura 4.12 Esquema generalizado de conexión de microcontroladores Z - MAX.

 

Figura 4.13 Diagrama típico de conexión de Microcontrolador Z-MAX, Sensor de Ocupación (MT) y carga (lámpara).

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4.2.1. Programación de los Paneles Z-MAX

Una vez distribuidas los luminarios y sensores de presencia, podemos proceder a pre programar los tableros Z-MAX por medio del software Diseñador de Control de Alumbrado (Lighting Control Designer) como se muestra en la figura 4.14.

Por cuestiones de privacidad con la empresa LEVITON solo se muestran las ventanas de modo supervisor, ya que los técnicos de LEVITON son los que se encargan de programar a detalle los dispositivos de control, para mayores informes se tendría que consultar con la empresa LEVITON.

Figura 4.14 Ventana de selección de uso.

En la ventana anterior seleccionamos el modo en que deseamos usar el programa, tenemos el

modo programador o el modo supervisor, el primero nos permite asignar valores a los eventos

(horarios), estaciones de trabajo, prioridades, reloj astronómico, configuración de entradas,

parámetros BACNet y el segundo solo nos permite asignar valores a las acciones (dispositivos

empleados) y eventos (horarios); la diferencia mas notable es en el numero de pestañas activadas

en la parte superior de la ventana como se muestra en la figura 4.15.

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Figura 4.15 Diferencia entre la ventana de modo programador y modo supervisor del Software para Z-MAX.

En la figura 4.16 proseguimos a introducir el número de acciones (dispositivos) de cada área y después programamos los eventos (horarios) de cada acción; en los eventos (figura 4.17) podemos también programar los días festivos que se desee cambiar o modificar para los horarios ya preestablecidos, como se muestra en la figura 4.18 una vez programado todo esto solo queda conectar la computadora portátil que fue empleada con el puerto que tiene el tablero Z-MAX, para pasar la información al dispositivo controlador (ver figura 4.13).

Figura 4.16 Introducción de acciones (dispositivos).

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Figura 4.17 Programación de eventos (horarios).

Figura 4.18 Programación de días festivos.

74 

CAPITULO V. EVALUACION DE COSTOS

5.1 Costos por Disminución de Energía en el Sistema de Iluminación

La determinación del consumo de energía eléctrica de los equipos de iluminación de este proyecto, se efectúa de la manera siguiente:

5.1.1. Costo de energía por aplicación de Tarifa OM

Considerando el empleo de lámparas ahorradoras fluorescentes compactas integradas (con balastro propio) de 20 W y lámparas ahorradoras fluorescentes (tubo) de arranque rápido de 32 W, con balastro electrónico y con equipo de control para la administración de la energía en la iluminación.

Considerando la “Tarifa OM” a emplear para la facturación del suministro de energía eléctrica (Tarifa Ordinaria para Servicio General en Mediana Tensión menor a 100 kW), como se muestra en la tabla siguiente.

Tabla 5.1 Tarifa OM (Ordinaria para Servicio General en Media Tensión menor a 100kW) TARIFA OM MARZO 2009

Cargo por Demanda $ 142.47 Cargo por kWh $ 0.962

El costo del consumo de energía eléctrica se efectúa con la ecuación siguiente:

Pesos M. N. (38)

donde:

CE = Costo de Energía [$ M. N.]HO = Horas de Operación [H] T = Tarifa [$ M. N.] P = Potencia [W]

De acuerdo a lo anterior, para obtener el costo de energía consumida durante un año por los equipos mencionados para el área de baños con un horario de operación (HO) de 5.5 Hrs y 96 lámparas de 20 W de potencia (P) cada una, se aplicará la ecuación (39) teniendo como ejemplo típico lo siguiente:

5.5 0.962 20 961000 $ 10.16 M. N.

75 

Todos los resultados del consumo de energía y su costo anual calculados con la ecuación (39) se muestran en la tabla 5.3 con la aplicación de lámparas fluorescentes convencionales tipo T12 de 40W y balastro electromagnético de 87 W; así mismo los resultados del consumo de energía y costo anual calculados con la misma ecuación aplicando lámparas ahorradoras fluorescentes tipo T8 de 32W y balastro electrónico de 55 W se muestra en la tabla 5.5 y análogamente para el caso de lámparas ahorradoras con equipo de control para su operación se muestra en la tabla 5.7.

5.1.2. Cálculo del Consumo de Energía en la Iluminación con Equipo Convencional (Lámpara T12 de 40 W, balastro Electromagnético de 87 W, no Ahorradora de Energía)

El cálculo del consumo de energía en la iluminación con la operación de lámparas no ahorradoras de energía se efectúa considerando el horario de trabajo de los usuarios y la operación de la iluminación en cada uno de los locales del inmueble. A continuación en la tabla 5.2 se presentan estas condiciones

Tabla 5.2 Condiciones de operación de la iluminación. LOCAL HORARIO DE TRABAJO HORAS EN OPERACIÓN OBSERVACIONES

Oficinas Generales 8:00 A 20:00 10 2 HRS. DE COMIDA Oficinas Ejecutivas 8:00 A 20:00 10 2 HRS. DE COMIDA Pasillos 7:00 A 21:00 22 Baños 8:00 A 20:00 7 Cuarto de Máquinas 0:00 A 24:00 24 Cuarto de Control 7:00 A 21:00 14 Bodega 8:00 A 20:00 10 Vestíbulo 7:00 A 21:00 14 Estacionamiento 7:00 A 21:00 14

El control del equipo de iluminación en este ejercicio se efectúa en forma manual a través de los vigilantes o guardias de seguridad, ya que todo esta controlado por medio de apagadores e interruptores.

Con estas condiciones el cálculo del consumo de energía por el equipo de iluminación en operación convencional durante un año se presenta en la tabla 5.3.

Tabla 5.3 Cálculo de consumo de energía y Costo anual de las lámparas fluorescentes convencionales. CANTIDAD EQUIPO HO[H] P [W] CE [$]

96 Lámparas Baño 12 1920 $ 22.16 162 Lámparas Pasillos 24 6480 $ 149.61 1046 Lámparas Oficinas 13 41840 $ 523.25 81 Balastros Pasillos RQM-2S40-TP 24 7047 $ 162.70

523 Balastros Oficinas RQM-2S40-TP 13 45501 $ 569.04 Watts Consumidos 102788

Costo por Día $ 1,426.76 Costo por un Mes $ 42,802.87 Costo por un Año $ 513,634.46

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5.1.3. Cálculo del Consumo de Energía en la Iluminación con Lámparas Ahorradoras en Operación Convencional

El cálculo del consumo de energía en una operación convencional se efectúa considerando el horario de trabajo de los usuarios y la operación de la iluminación en cada uno de los locales del inmueble. A continuación en la tabla 5.4 se presentan estas condiciones.

Tabla 5.4 Condiciones de operación de la iluminación. LOCAL HORARIO DE TRABAJO HORAS EN OPERACIÓN OBSERVACIONES

Oficinas Generales 8:00 A 20:00 10 2 HRS. DE COMIDA Oficinas Ejecutivas 8:00 A 20:00 10 2 HRS. DE COMIDA Pasillos 7:00 A 21:00 22 Baños 8:00 A 20:00 7 Cuarto de Máquinas 0:00 A 24:00 24 Cuarto de Control 7:00 A 21:00 14 Bodega 8:00 A 20:00 10 Vestíbulo 7:00 A 21:00 14 Estacionamiento 7:00 A 21:00 14

El control del equipo de iluminación en este ejercicio se puede efectuar en forma manual a través del vigilante o bien programarse en “uso horario”.

Con estas condiciones el cálculo del consumo de energía por el equipo de iluminación en operación convencional durante un año se presenta en la tabla 5.5.

Tabla 5.5 Cálculo de consumo de energía y Costo anual de las lámparas ahorradoras fluorescentes. CANTIDAD EQUIPO HO[H] P [W] CE [$]

96 Lámparas Baño 12 1920 $ 22.16 120 Lámparas Pasillos 24 3840 $ 88.66

1214 Lámparas Oficinas 13 38848 $ 485.83 60 Balastros Pasillos REB-2P32-SC 24 3300 $ 76.19 607 Balastros Pasillos REB-2P32-SC 13 33385 $ 417.51

Watts Consumidos 81293 Costo por Día $ 1,090.36

Costo por un Mes $ 32,710.76 Costo por un Año $ 392,529.13

La administración del consumo de energía en la iluminación se efectúa aplicando equipo de control electrónico indicado en el capitulo 4 (sensores de presencia, tablero de automatización que incluye microcontroladores).

5.2 Disminución de Costos por Administración de energía en Iluminación El cálculo del consumo de energía en la iluminación con equipo de control (automatización) para lograr la administración de esta se efectúa considerando el horario de trabajo de los usuarios,

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equipo control y las condiciones de operación en cada local del inmueble, dichas condiciones se presentan en la tabla 5.6.

Tabla 5.6 Condiciones de operación de la iluminación con equipo de control (automatizada).

Local Horario de Trabajo Equipo de Trabajo Condición de

Operación Horas en

Operación Observaciones

Oficinas Generales 8:00 a 20:00 Microcontrolador Uso horario 10 2 hrs. De

comida Oficinas Ejecutivas 8:00 a 20:00 Microcontrolador y

Sensores Por evento 6 2 hrs. De comida

Pasillos 7:00 a 21:00 Microcontrolador Uso horario 14 Baños 8:00 a 20:00 Sensores Por evento 4.5 Cuarto de Máquinas 0:00 a 24:00 Atenuación Uso horario 18 Cuarto de Control 7:00 a 21:00 Sensores Por evento 4 Bodega 8:00 a 20:00 Sensores Por evento 6 Vestíbulo 7:00 a 21:00 Atenuación Uso horario 9.5 Estacionamiento 7:00 a 21:00 Microcontrolador Uso horario 8

Con estas condiciones el cálculo del consumo de energía por el equipo de iluminación con equipo de control (automatización) durante un año se presenta en la tabla 5.7.

Tabla 5.7 Cálculo de consumo de energía y costo anual de la iluminación con lámparas ahorradoras y con equipo de control para su operación.

CANTIDAD EQUIPO HO[H] P [W] CE [$] 96 Lámparas Baño 5.5 1920 $ 10.16 120 Lámparas Pasillos 10 3840 $ 36.94

1214 Lámparas Oficinas 10 38848 $ 373.72 60 Balastros Pasillos REB-2P32-SC 10 3300 $ 31.75 607 Balastros Oficinas REB-2P32-SC 10 33385 $ 321.16 50 Sensor OSC20-M0W 120V*32 24 200 $ 4.62 7 Z-MAX R08ND-204 24 840 $ 19.39 3 Atenuador D4200-00W 10 36 $ 0.35 5 Controlador MN00C-1LW 10 20 $ 0.19

Watts Consumidos 82389 Costo por Día $ 798.28 Costo por un Mes $ 23,948.32 Costo por un Año $ 287,379.80

5.3 Análisis de Resultados

De acuerdo a los resultados anteriores y comparando cada una de las aplicaciones se tiene:

PRIMERO: Al aplicar lámparas ahorradoras de energía comparadas con la aplicación de lámparas convencionales no ahorradoras de energía en el sistema de iluminación se logra un ahorro de 21.31% (21495 W) en el consumo de energía anual, lo cual equivale a un ahorro de $121,105.33 en un año según la tarifa empleada en este estudio.

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SEGUNDO: Con la aplicación de equipo de control para la operación de la iluminación comparada únicamente con el equipo ahorrador de energía en el sistema de iluminación se logra 12.33% (9784.89 W) en el consumo de energía anual, lo que equivale un ahorro aproximadamente de $104,294.99 en un año según la tarifa empleada en este estudio.

TERCERO: Comparando el consumo de energía en el sistema de iluminación con la aplicación de lámparas convencionales no ahorradoras de energía con la aplicación de lámparas ahorradoras de energía y equipo de control para lograr la administración de la energía en el sistema de iluminación se obtiene un ahorro de hasta 31.01% (31279.89 W) lo cual representa una ahorro de $225,400.32 en el periodo de un año en un edificio de oficinas como es el caso del presente proyecto.

CUARTO: Con estos resultados se demuestra que el diseño de una iluminación inteligente (equipo de iluminación ahorrador de energía más la aplicación de equipo de control para lograr la administración de la energía) representa para el empresario un ahorro sustancial en el costo de la operación de la iluminación.

La ventaja de utilizar controles para iluminación (automatización) se ve reflejada en el ahorro de energía eléctrica y el ahorro económico; la única desventaja, si se puede llamar así es el costo de la inversión inicial para una iluminación como la que se plantea en este proyecto es mayor que la inversión inicial con equipo convencional de alumbrado.

5.4 Costo y Recuperación de la Inversión Inicial

Se comenta en el punto anterior que la inversión inicial requerida será superior para una

iluminación inteligente que la inversión requerida para una iluminación convencional, por esto se

plantea la recuperación de la inversión inicial con el ahorro producido por la aplicación de un

proyecto como el que se presenta en este trabajo.

5.4.1 Inversión Inicial del Equipo

La inversión inicial requerida para la adquisición de equipo de iluminación y de control, con fines

de evaluación de costos de consumo de energía entre una iluminación inteligente y una

iluminación convencional, se muestran en la tabla 5.8.

 

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Tabla 5.8 Cotización de equipo de iluminación y control. Concepto Cantidad Precio unitario Total [$ M. N.]

LAMPARA F40T8/ADV850 ALTO 25PK 32W,5000ºK IRC 85%,3100-2950 lm 1334 $ 33.00 $ 44,022.00

LAMPARA LV-E Saber 20W WW,2700ºK, IRC 82%,1170 lm 96 $ 11.80 $ 1,132.80

BALASTROS ELECTRÓNICOS REB-2P32-SC 667 $ 115.00 $ 76,705.00 LUMINARIAS TIPO ZEUS (Equivalente) 667 $ 378.00 $ 252,126.00 LUMINARIAS TIPO CIVIC II (Equivalente) 48 $ 189.00 $ 9,072.00 MICROCONTROLADOR Z-MAX P/8 RELEV 120V 277V C/8 RELEV STD AZUL 3

GABINETE ZMAX PARA 24 RELEVADORES ESCLAVOS C/24 STD 1 CONTROLADOR DE ESCENAS MONET 7 SENSOR MULTI TECNO DE TECHO 2000P VISION 24VDC BLANCO 50

SUPRESOR 120/208V AC 3 FASES WYE//220V AC 3 FASES DELTA 3

Total de Equipo de Automatización $ 31,888.50 DLL $ 430,494.75 Total $ 813,552.55

Por lo tanto la inversión requerida será:

Inversión inicial del equipo $ 813,552.55

La valoración del equipo de control fue cotizada por la empresa LEVITON puesto que ellos

evalúan la carga y realizan una estimación del número de equipos a emplear o bien los equipos

que son convenientes para la carga o si son compatibles, con esto ellos realizan múltiples diseños

de control para lograr un mejor desempeño de los equipos. El tipo de cambio se toma en forma

ponderada de $ 13.50 M.N. por un dólar para efectos de determinar el costo de la inversión

inicial.

5.4.2 Retorno de la Inversión

La recuperación de la inversión se va a lograr con el ahorro del consumo de energía en un

determinado tiempo (años), empleando la siguiente ecuación [12]:

∆

(39)

donde:

Retorno de la Inversión [Años] Inversión Requerida [$ M. N.]

∆ Ahorro Anual [$ M. N.]

80 

Lo cual implica:

$ , .$ , .

3.60 Años

Interpretando este resultado significa que en tres años, 7 meses aproximadamente se recuperara la

inversión inicial; con lo cual se demuestra la rentabilidad del proyecto de diseño de iluminación

inteligente en un inmueble de oficinas, porque la inversión inicial de $875,049.48 se amortizara

en tres años, 7 meses.

 

81 

CONCLUSIONES

Hablar de iluminación inteligente es hablar de administración de energía o mejor dicho una distribución de energía por medio de microcontroladores programables que hoy en día existen en el mercado, ya que con su nueva tecnología se obtiene mayor eficiencia energética que permiten a las empresas obtener grandes ahorros de energía, favoreciendo su rentabilidad y productividad en un entorno competitivo, en donde el ahorro de energía se constituye como un factor importante para sobresalir en un entorno de economías globalizadas.

Dado que la carga de mayor uso en la instalación eléctrica de un edificio es el equipo de iluminación, y con los resultados experimentales realizados con “eventos” simulados, se aprecia que:

Toda la carga del experimento se presenta un con optimo control, puesto que los tableros controladores han sido programados para dicha carga, logrando así una optima distribución de energía.

El conjunto de lámparas ahorradoras y sensores de presencia provocan una disminución de energía en el total del consumo de energía eléctrica por día.

Los microcontroladores, pueden controlar fácilmente toda la carga mediante su software especializado, pero para obtener una administración más optima, se emplean los sensores de presencia los cuales son totalmente compatibles y ayudan a incrementan el uso eficiente de la energía consumida por el sistema de iluminación.

Los microcontroladores pueden ser modificados en última instancia de manera sencilla, sin tener que volver a programar o configurar la carga.

En promedio se logro un ahorro de 30% de aprovechamiento de energía eléctrica consumida por el sistema de iluminación.

Como se ha descrito, este estudio prometió el diseño de una iluminación inteligente para un inmueble de oficinas, donde se resalta que la mayor parte del equipo es controlado por los microcontroladores que ayudan a la distribución de energía eléctrica para el funcionamiento del sistema de iluminación un inmueble de oficinas obteniendo así la administración deseada de la energía.

Con relación a la evaluación de costos y retorno de la inversión, de acuerdo a la valoración de proyectos se comenta por parte de financieros y economistas que aquella inversión de un proyecto determinado que se puede amortizar en menos de cinco años es recomendable efectuar dicho proyecto. En este caso como el retorno de la inversión es de tres años, 7 meses que equivale a la amortización de la inversión inicial, esto implica que es factible realizar este tipo de proyectos en los sistemas de iluminación para inmuebles de oficinas.

82 

Glosario de Términos Técnicos

Bactericida: Capacidad de matar microbios.

Coeficiente de Utilización: Es la relación del flujo luminoso que llega al plano de trabajo y el

total de flujo emitido por los luminarios, es una estimación de que tanto se aprovecha el flujo

luminoso de una lámpara.

Curva Fotométrica: Indica la intensidad de flujo emitida en cada una de las direcciones del

espacio o área a iluminar.

Factor de Mantenimiento: Es el factor de conservación que se asignan a las lámparas y

luminarios, evalúan las condiciones atmosféricas, la limpieza de las luminarias y la sustitución de

las lámparas.

Índice de Cuarto: Es la relación de las dimensiones (ancho, largo y altura de montaje del

luminario) del lugar a iluminar.

Luma–Net: Conectividad que permite a múltiples páneles de relevadores Z-MAX compartir

información del control de iluminación sobre una red de línea de datos con controles de

iluminación D4200 y D8000 de LEVITON, gabinetes de atenuación a-2000, racks de atenuación

de la serie i y cualquier otro rack de atenuación DMX para control centralizado mediante

software de control de iluminación Lumagraphics® de Leviton basado en computadora con

MSWindows®.

Luminario: Es el equipo del sistema que adapta la distribución lumínica original de la fuente de

luz a las necesidades propias de la aplicación y sus partes son reflector, gabinete, balastro y

difusor.

83 

BIBLIOGRAFÍA

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CONSTRULITA ILUMINACIÓN, Catalogo “El sentido de la luz”, 2007

Especificación FIDE, No. ESP4409 Sensores de Presencia, 2007

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San Martin Páramo Ramón, Manual de Luminotecnia, 2000,

Westinghouse, Manual de Alumbrado 3° Ed. 1994

85 

⎯ B1

⎯ P1

⎯ P2

86 

Anexo B1. Distribución de luminarias de los Sótanos 1, 2, 3 y 4.

87 

Anexo P1. Distribución de luminarias de la Planta baja.

88 

Anexo P2. Distribución de luminarias del Nivel 1.