Eficiencia energética en las instalaciones de iluminación interior y alumbrado exterior. ENAC0108

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Eficiencia energética en las instalaciones de iluminación interior y alumbrado exterior. ENAC0108

Autores: Víctor García Márquez Robledillo

Juan González Jiménez

Joaquín González Pérez

1ª Edición

© IC Editorial, 2014

Editado por: IC Editorial

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ISBN: 978-84-16271-45-0

Nota de la editorial: IC Editorial pertenece a Innovación y Cualificación S. L.

Presentación del manual

El Certificado de Profesionalidad es el instrumento de acreditación, en el ámbito de la Administración laboral, de las cualificaciones profesionales del Catálogo Nacional de Cualificaciones Profesionales adquiridas a través de procesos formativos o del proceso de reconocimiento de la experiencia laboral y de vías no formales de formación.

El elemento mínimo acreditable es la Unidad de Competencia. La suma de las acreditaciones de las unidades de competencia conforma la acreditación de la competencia general.

Una Unidad de Competencia se define como una agrupación de tareas productivas específica que realiza el profesional. Las diferentes unidades de competencia de un certificado de profesionalidad conforman la Competencia General, definiendo el conjunto de conocimientos y capacidades que permiten el ejercicio de una actividad profesional determinada.

Cada Unidad de Competencia lleva asociado un Módulo Formativo, donde se describe la formación necesaria para adquirir esa Unidad de Competencia, pudiendo dividirse en Unidades Formativas.

El presente manual desarrolla la Unidad Formativa UF0567: Eficiencia energética en las instalaciones de iluminación interior y alumbrado exterior,

perteneciente al Módulo Formativo MF1194_3: Evaluación de la eficiencia energética de las instalaciones en edificios,

asociado a la unidad de competencia UC1194_3: Evaluar la eficiencia energética de las instalaciones de edificios,

del Certificado de Profesionalidad Eficiencia energética de edificios.

Índice

Portada

Título

Copyright

Presentación del manual

Índice

Capítulo 1 Instalaciones de iluminación interior

1. Introducción

2. Conceptos básicos de iluminación interior. Unidades

3. Partes y elementos constituyentes

4. Análisis funcional

5. Temperatura de color

6. Deslumbramiento

7. Sistemas y métodos de alumbrado

8. Niveles de iluminación

9. Control de instalaciones de alumbrado

10. Telegestión

11. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 2 Instalaciones de alumbrado exterior

1. Introducción

2. Parámetros y unidades de iluminación

3. Tipos de alumbrado exterior

4. Calificación energética de las instalaciones

5. Niveles de iluminación

6. Régimen de funcionamiento

7. Partes y elementos constituyentes de alumbrado exterior

8. Proyecto o memoria técnica de un proyecto de alumbrado exterior

9. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 3 Eficiencia energética de instalaciones de iluminación interior

1. Introducción

2. Aparatos de medida

3. Mediciones de iluminación

4. Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación interior

5. Sistemas de aprovechamiento de la luz natural

6. Factor de potencia

7. Simultaneidad

8. Eficiencia de los sistemas de automatización

9. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Capítulo 4 Eficiencia energética de instalaciones de iluminación exterior

1. Introducción

2. Aparatos de medida

3. Mediciones de iluminación

4. Eficiencia energética de las instalaciones de iluminación exterior

5. Calificación energética de las instalaciones

6. Factor de potencia

7. Simultaneidad

8. Eficiencia de los sistemas de automatización

9. Mantenimiento de la eficiencia energética de las instalaciones

10. Resumen

Ejercicios de repaso y autoevaluación

Bibliografía

Capítulo 1

Instalaciones de iluminación interior

1. Introducción

La iluminación eléctrica fue en su día uno de los avances que revolucionó la sociedad. Gracias a ella, el ser humano pudo ampliar sus actividades en horas donde la iluminación solar no era suficiente.

Pero dicho invento no se quedó ahí, sino que ha ido evolucionando a lo largo de los años, y hoy la iluminación constituye uno de los elementos fundamentales para la buena realización de cualquier actividad en el interior de los hogares, oficinas, etc.

Nunca hay que obviar el principio general de la iluminación, es decir, el carácter ondular de la luz, así como el mecanismo humano que nos permite describir los colores y ver la realidad, el ojo.

También se hace preciso conocer las magnitudes y unidades de la iluminación, pues las mismas nos ayudarán a realizar una iluminación adecuada al uso o función de la habitación, y nos permitirán hacer un uso eficiente de la energía empleada en la iluminación.

2. Conceptos básicos de iluminación interior. Unidades

Actualmente y desde hace bastantes años, la iluminación interior se basa casi completamente en fuentes de luz eléctricas. Con estas fuentes pretendemos iluminar el interior de los edificios con niveles de luz parecidos a los de la luz del día.

Los objetos principales que perseguimos con la iluminación interior son dos: permitir la visibilidad en la oscuridad natural y crear efectos visibles: es decir, hacer visible aquello que sin luz natural no seríamos capaces de ver.

Teniendo en cuenta estos objetivos, se ha desarrollado a lo largo de los años la “luminotecnia” o ciencia aplicada que concierne a la luz, a su control y manipulación, siendo dicha ciencia la responsable de la invención de fuentes de luz con mayor flujo luminoso y eficiencia.

Previamente al estudio de los conceptos básicos de iluminación, introduciremos este punto explicando de manera breve el concepto de luz y el concepto de percepción del ojo humano que nos ayudarán a entender mejor los conceptos y unidades de iluminación.

2.1. Introducción: la luz y el ojo humano

La luz es en sí una onda electromagnética. La principal característica que tienen dichas ondas es que no necesitan un medio para propagarse, sino que son capaces de propagarse en el vacío.

Como toda onda, la luz tiene lo que se llama la longitud de onda, asociada. Esta característica se define como la distancia entre dos máximos consecutivos de dos puntos cualquiera de la onda tal y como se refleja en el dibujo.

El ojo humano es sensible a aquellas radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda comprendías entre 380 y 780 nm. A esta franja la denominamos luz visible. Las longitudes de onda más cortas del espectro de la luz o visible, corresponden a la luz violeta y las longitudes más largas a la luz roja. Entre estos extremos se encuentran todos los colores del arco iris. Los fabricantes suelen producir lámparas que produzcan una radiación comprendida entre los 380 y 780 nm.

Nota

El nm o nanómetro es la unidad de longitud para hablar de longitudes de ondas. El nanómetro equivale a 10^-9 metros.

Curva de sensibilidad del ojo o curva de sensibilidad fotópica

Tal y como hemos visto, las radiaciones con longitudes de onda entre los 380 y 780 nm son transformadas por el ojo y dan lugar a lo que normalmente llamamos luz. Fuera de esta gama el ojo no ve, no percibe nada.

La luz blanca del mediodía soleado es la suma de todas las longitudes de onda del espectro visible. Si se hace llegar al ojo de manera independiente y con igual energía todas las longitudes de onda del espectro visible, obtenemos una curva como la que se indica a continuación. La misma ha sido elaborada por el Comité Internacional de la Iluminación (CIE).

En la curva observamos que para la luz blanca del día, también llamada fotópica, el ojo tiene su máxima sensibilidad en una longitud de onda de 555 nm y al color amarillo, y la mínima sensibilidad corresponde a los colores rojo y violeta. Debido a ello, las fuentes luminosas con longitudes de onda cercanas al amarillo son las más eficaces, aunque son de peor calidad porque tal luz no es apropiada para nuestro ojo acostumbrado a la luz blanca del sol.

En el caso de luz nocturna, también llamada escotópica, el ojo tiene su máxima sensibilidad con longitudes de onda menores. Por tanto, en lugares con bajo nivel de iluminación se ve mejor con colores azul y violeta.

Aplicación práctica

A la empresa “ILUMÍNALO” a la que pertenece, se le ha encargado el diseño de la iluminación de unas instalaciones deportivas al aire libre pero que puede cubrirse en caso de ser necesario para eventos nocturnos. Dada la situación se hace necesaria la utilización de un solo tipo de fuentes de luz tanto para la pista al aire libre como cubierta. ¿Por qué color de iluminación optaría desde el punto de vista de la sensibilidad del ojo? ¿Qué longitud de onda tendrá?

SOLUCIÓN

Dado que la iluminación servirá para alumbrar tanto en niveles de noche, de día y en cubierto, se deberá escoger una fuente de luz que sea eficaz y con la que se vea bien tanto en niveles de iluminación bajos y altos. Por tanto el color de longitud de onda asociado será amarillo-verdoso, ya que con este logramos una sensibilidad del ojo del 90% tal y como se refleja en la curva de día y de noche. La longitud de onda sería de aproximadamente de 540 nm.

2.2. Conceptos y unidades básicas de iluminación

En el estudio de la iluminación intervienen básicamente dos elementos:

1 La fuente productora de luz (ejemplo: las bombillas).

2 El objeto o superficie que se va a iluminar (ejemplo: la habitación).

A continuación se exponen las magnitudes y unidades de medidas fundamentales de las fuentes de luz, también llamadas características fotométricas. Dichas características nos ayudarán a valorar y comparar las cualidades y efectos de cada fuente de luz.

Flujo luminoso o potencia luminosa

Llamamos flujo luminoso de una fuente de luz a la energía radiada que recibe el ojo humano según su curva de sensibilidad y que transforma en luz durante un segundo.

El flujo luminoso, nos indica la cantidad de luz emitida o radiada (detectada por el ojo), en un segundo, en todas las direcciones. A este concepto, también se le llama potencia luminosa propia de la lámpara o fuente de luz.

Nota

La energía radiada es aquella energía producida por la lámpara al transformar la energía eléctrica en energía asociada a las ondas electromagnéticas. No hay que confundir nunca la energía radiada detectada por el ojo con la energía radiada total de la lámpara. De dicha energía el ojo solo detecta el 10% mientras que el resto se transforma en calor.

La representación del flujo luminoso es la letra griega Φ (Fi mayúscula) y su unidad es el Lumen (lm).

Medida del flujo luminoso

La medida del flujo luminoso se realiza en laboratorio por medio de un “fotoelemento” ajustado según la curva de sensibilidad fotópica del ojo a las radiaciones monocromáticas, que se introduce en una esfera hueca llamada esfera de Ulbricht, y en cuyo interior se coloca la fuente a medir. Con esta medida, los fabricantes dan el flujo luminoso de las lámparas en lúmenes para la potencia nominal de cada lámpara.

Esfera de Ulbricht

Recuerde

La Unidad de Potencia de las lámparas como todo elemento eléctrico en el Sistema Internacional viene dada en Watios (W)

Rendimiento luminoso (eficacia luminosa)

El rendimiento luminoso de una fuente productora de luz indica el flujo que emite la misma en relación a la potencia eléctrica consumida para su obtención.

Se representa con la letra griega épsilon, ε, siendo su unidad el lumen/watio (lm/w).

Sabía que...

Si se lograse fabricar una lámpara que transformara sin tener pérdidas toda la energía eléctrica consumida en luz a una longitud de onda de 555 nm, su rendimiento sería el mayor posible, 683 lm/watios.

Cantidad de luz (energía luminosa)

Al igual que en la energía eléctrica se determina por la potencia eléctrica en la unidad de tiempo, la cantidad de luz o energía luminosa se determinará por la potencia luminosa o flujo luminoso emitido en la unidad de tiempo.

Dicha energía se representa por la letra Q, y su unidad es el lumen por hora (lm x h).

La fórmula que expresa la cantidad de luz es:

Intensidad luminosa

Esta magnitud solo es entendible si se refiere a una determinada dirección y contenida en un ángulo sólido ω.

Al igual que a una magnitud de superficie le corresponde la medida de un ángulo plano (α) en radianes, a una magnitud de volumen le corresponderá un ángulo sólido (ω) o estéreo cuya media se realiza en estereoradianes.

El estereorradián se define como aquel ángulo sólido que corresponde a un casquete esférico con superficie igual al cuadrado del radio de la esfera.

Así, definiremos la intensidad luminosa de una fuente de luz como el flujo emitido en una dirección por unidad de ángulo sólido en esa dirección. Se simboliza por la letra (I), y su unidad es la candela (cd). Su fórmula se expresa como sigue:

Importante

Para hallar el ángulo sólido debemos dividir el área de la superficie de esfera que intercepta el cono entre el radio de la esfera al cuadrado.

Teniendo en cuenta esto podemos deducir que el ángulo sólido total de una esfera es 4π:

S = 4 ω r²; por tanto como ω = S / r²

Entonces ω = 4 π

Iluminancia (nivel de iluminación)

La iluminancia o nivel de iluminación de una superficie, es una magnitud que nos relaciona el flujo luminoso que recibe la superficie y su área. Se simboliza por la letra E y su unidad es el lux (lx). La fórmula con la que se expresa la luminancia es:

De dicha fórmula se deduce que a medida que el flujo luminoso sobre una superficie sea mayor, también los será su iluminancia. Por otro lado, también se deduce, que para un mismo flujo luminoso incidente, la iluminancia será mayor a medida que se disminuya la superficie sobre la que el flujo incide.

Medida de la iluminancia

Para medir el nivel de iluminación se usa un aparato especial denominado luxómetro. El mismo consiste en una célula fotoeléctrica, que al incidir la luz sobre su superficie, genera una corriente eléctrica débil que aumentará a medida que aumenta la luz incidente. Esta corriente se medirá con un miliamperaímetro, de forma analógica o digital, y el aparto lo transforma directamente a luxes.

Luxómetro

Aplicación práctica

Se desea realizar un pedido de fuentes de luz para iluminar una superficie de una habitación de 3 metros cuadrados, se nos proponen cuatro opciones de lámparas:

LÁMPARA 1:

1 Tipo 1: lámpara incandescente, de 260 lm de flujo luminoso y potencia 25 watios.

2 Tipo 2: lámpara fluorescente de 1350 lm y potencia de 17 watios.

Para cada uno de estos criterios de elección, ¿cuál sería la más adecuada?

1 La eficacia luminosa.

2 La iluminancia.

Exponga las conclusiones finales tras los resultados.

SOLUCIÓN

Criterio: EFICACIA LUMINOSA.

Para ver la eficacia luminosa de cada lámpara calculamos la misma:

TIPO 1:

1 ε = 260 lm / 25 w = 10,40 lm/w

TIPO 2:

1 ε = 1350 lm / 17 w = 79,41 lm/w

Según el criterio 1 nuestra elección debería ser la lámpara TIPO 2.

Criterio: ILUMINANCIA.

Para ver la eficacia luminosa de cada lámpara calculamos la misma, teniendo en cuenta que la superficie a iluminar en la habitación son 3 metros cuadrados.

TIPO 1:

1 E = 260 lm / 3 m2 = 86,67 lx

TIPO 2:

1 E = 1350 lm / 3 m2 = 450 lx

Según el criterio 2 nuestra elección debería ser la lámpara TIPO 2.

Conclusión:

Si nuestra elección dependiera únicamente de estos dos criterios, la elección sería clara y optaríamos por una lámpara fluorescente (tipo 2), ya que su eficacia luminosa es casi 8 veces superior y su iluminancia es también bastante mayor a la lámpara incandescente (tipo 1).

Luminancia

La luminancia es el efecto de luminosidad producido por una superficie en la retina el ojo, tanto si su origen es de una fuente primaria de luz, o procede de una superficie que refleja la luz como es el caso de un espejo.

La luminancia cuantifica el brillo de las fuentes de luz, tanto primarias así como el brillo de los objetos iluminados. Dicho concepto ha sustituido a los términos brillo y densidad de iluminación.

Sabía que...

El ojo no es capaz de ver los colores sino el brillo como atributo de la luz. Por tanto el ojo es capaz de diferenciar distintos niveles de luminancia, pero no distintos niveles de iluminación. Por tanto a igual nivel de iluminación, los objetos tendrán diferente luminancia en función del poder de reflejar la luz que le llega.

La luminancia de una superficie iluminada, se expresa matemáticamente como el cociente ente la intensidad luminosa de una fuente de luz, en una dirección, y la superficie de la fuente proyectada según la dirección anterior.

La superficie de la fuente proyectada es la vista del observador en la dirección de observación. Para calcularla deberemos multiplicar la superficie real iluminada por el coseno del ángulo que forma la normal de la superficie con la dirección de la intensidad luminosa.

Nota

La Normal de un Plano o Superficie es la línea perpendicular a dicha superficie.

Normal (N) a la Superficie (S)

Para representar la Luminancia empleamos la letra L. Su unidad es la candela/metro cuadrado, también llamada “nit” (nt). Se usa a menudo su submúltiplo la candela/centímetro cuadrado o “stilb”, que se emplea para fuentes con luminancias elevadas. La fórmula que expresa esta magnitud es la siguiente:

Medida de la luminancia

El aparato usado para medir la luminancia es el luminancímetro o nitómetro. El mismo, se basa en un sistema óptico doble, uno de dirección y otro de medición.

El sistema de dirección se orienta de forma que la imagen coincida con el punto que se quiere medir. La luz que llega, con el aparato orienteado, se convierte en corriente eléctrica y se convierte en el aparato en una lectura analógica o digital. Los valores que nos indican el aparato suelen ser medidos en cd/m².

Luminancímetro

Actividades

1. De los factores o unidades vistos anteriormente, ¿cuáles dependen de la fuente productora de luz? ¿Cuáles dependen del objeto o superficie que se va a iluminar?