El paradigma de la medición de la luz (segunda parte)

Este artículo es el segundo de una serie de cinco donde se utilizan para fines prácticos los conceptos teóricos que fueron revisados en el primer artículo

RESUMEN.- Este artículo es el segundo de una serie de cinco donde se utilizan, para fines prácticos, los conceptos teóricos que fueron revisados en el primer artículo. Partiendo de un Área Tipo que encontramos frecuentemente en edificios antiguos dentro y fuera de México se hace un análisis técnico económico de las diferentes alternativas. Tomando como “Caso Base” un sistema de 4 lámparas fluorescentes T12 luz de día en cada luminario, 2 balastros electromagnéticos de calidad media y un luminario con refractor prismático de tipo empotrable en plafón continuo se hace un análisis de las diferentes alternativas para mejorar el sistema de iluminación tanto en la cantidad y calidad de la iluminación como en los costos asociados a la operación del sistema. En el ejercicio se hace énfasis en la aplicación de los exponentes de Berman para la determinación de la luz que realmente percibimos en la tarea visual. A partir de un diálogo continuo con un supuesto cliente se establecen conjuntamente las premisas y son éstas la base de la evaluación de las alternativas y de los resultados. Finalmente se elabora una matriz de ponderación en la que se obtiene una calificación objetiva para tomar la decisión final. Como en todos los ejemplos teóricos y prácticos nunca hay una alternativa de solución perfecta que presente sólo cualidades ni tampoco alguna con sólo deficiencias por lo que la mejor solución es un “traje a la medida”.

 

area-tipo
Fig 1.- Simulación del Área Tipo, Color Real y Pseudocolor

INTRODUCCIÓN.- Las alternativas para iluminar espacios interiores son infinitas. Con el objetivo de ilustrar una metodología de análisis, para este artículo tomaremos como ejemplo una sala de juntas que por sus características bien podría ser una oficina privada o un área de caballerizas como las miles que existen en México. En un área de 7x4x2.3 metros, con reflectancias típicas 80/50/20 para techo, paredes y piso respectivamente, y plano de trabajo a 75 cm se hace una simulación tridimensional en color tomando como punto de partida un sistema fluorescente convencional con 4 luminarios que alojan cada uno 4 lámparas de encendido instantáneo de 39w, luz de día. Estas lámparas son de corta vida, alta depreciación de flujo luminoso y como cualquier sistema fluorescente se ve afectado por la temperatura evaluada al centro del bulbo. Este tipo de lámparas está prohibido actualmente por la norma NOM-028-ENER-2010 pero los equipos que hoy todavía estén funcionando podrán seguirlo haciendo hasta el final de su vida aunque en algún momento tendrán que ser reemplazados por opciones más modernas debido a que ya no hay mercado nacional de reposición. Cada luminario trabaja con 2 balastros electromagnéticos de calidad media que cumplen con las normas de seguridad, tienen un factor de balastro nominal de 0.925 y factor de potencia mayor de 90% pero tienen pérdidas altas que no les permiten cumplir con requisitos de eficiencia como el factor de eficacia de balastro (o BEF por sus siglas en inglés). Los luminarios son de tipo empotrar de 61×122 cm de lámina rolada en frío con pintura blanca electrostática, cubrebalastro central y refractor de material ligero degradado por el tiempo.

Las alternativas para la sustitución del “Caso Base” son innumerables. Por ejemplo, podríamos sustituirlo por lámparas fluorescentes más delgadas y modernas, por campanas empotradas con lámparas fluorescentes compactas, por un sinnúmero de alternativas con LEDs o por una combinación de tecnologías. Para acotar el menú de opciones haremos lo que se conoce como “retrofit”, es decir una modificación menor en la instalación general para que con una inversión moderada se alcance el ahorro económico suficiente para darle rentabilidad al proyecto sin sacrificar las condiciones de seguridad y confort. Manteniendo entonces el falso plafón, las superficies en techo, paredes y piso y el seccionamiento actual de los circuitos eléctricos se procede a evaluar la temperatura ambiente promedio, los hábitos de consumo del usuario y variables eléctricas como el consumo de energía, el factor de potencia, la distorsión armónica total, etc.. Por supuesto que también podría evaluarse la aportación de luz natural y el factor de ocupación para proponer un sistema atenuable de compensación automática combinada con sensores crepusculares y sensores de presencia pero para simplificar este ejercicio, en este artículo queda descartada esta opción la cual será analizada hasta el cuarto artículo de la serie.

Las alternativas más evidentes pueden ser:

  1. Lámparas T8 y T5 en temperaturas de color desde 3000 hasta 12000K, CRI desde 62 hasta 95, eficacias de 75 a 110 lm/w, vida nominal de 12000 hasta 40000 horas, etc.

  2. Balastros de salida constante que podrían ser electromagnéticos en los tipos baja energía, convencional y ahorrador, híbridos o electrónicos tipo discreto o circuito integrado. El factor de balastro puede seleccionarse entre 0.7 y 1.28, el factor de potencia entre 90 y 99%, la distorsión armónica total en corriente en valores menores de 30, 20 o 10%; La regulación de tensión está intrínsecamente ligada con el circuito pero puede variar entre +/-8% y +/-20%. Los hay para operar 1, 2, 3 ó 4 lámparas por lo que el BEF es sumamente variable ya que depende del número y potencia de lámparas además del propio diseño del balastro; por ejemplo en 2 lámparas T8 de 32w varía entre 1.25 y 1.52. El encendido de las lámparas puede darse en modo rápido, rápido modificado, instantáneo, rápido programado y precalentado. Los factores de cresta tienen impacto directo en la vida de las lámparas y por lo tanto en el mantenimiento y varía entre 1.4 y 1.85. El flicker puede variar entre 0.2 y 3.0%. La protección puede ser desde un simple fusible hasta protección térmica inherente. Otras funciones adicionales serían protección EOL, operación multilámparas, voltaje universal, clasificación de sonido “A” y certificados EMC y MTBF.

  3. La parte de los luminarios es también amplísima. La curva de distribución puede ser directa o indirecta con todas sus combinaciones intermedias y relaciones separación/altura de montaje desde 0.5 hasta 2.0; la instalación puede ser en piso, pared o techo, además de empotrados, sobrepuestos o suspendidos, fijos o ajustables. Los reflectores pueden ser de pintura blanca electrostática con reflectancia total inicial desde 82 hasta 96% con diversa dureza, doblez, espesor, adherencia y resistencia al impacto; en los 90´s tuvieron auge los reflectores de aluminio con sustratos de plata y especialmente los de óxido de aluminio anodizado. En los reflectores especulares hay muchas variables importantes a considerar como el calibre, las reflectancias total y especular, la claridad de imagen, la iridiscencia, la lavabilidad, la resistencia a la UV y a los ambientes salinos, entre otras. La parte de los refractores es también muy diversa, desde refractores prismáticos de múltiples diseños, calibres y materiales hasta louvers parabólicos, biparabólicos, de escalera, omnidireccionales y volumétricos en acabados especulares, semiespeculares y difusos.

  4. Un componente frecuentemente descuidado es el portalámparas pero la vida de los equipos y la incertidumbre en el encendido pueden depender de ellas. Los hay de base Fa8 para encendido instantáneo y G13 o G5 para encendido rápido en lámparas T12, T8 y T5; También hay opciones de media vuelta, de presión, de chupón y de candado con opción telescópica para operar con o sin shunt para calentamiento de cátodos y de bajo o medio perfil para no afectar la “ayuda de arranque” en el modo de encendido rápido. Desde luego que deben cubrir sobradamente los requisitos eléctricos como tensión y potencia máxima permisible.

fig-2-fluorescentes
Fig 2.- Algunos arreglos en luminarios de 61×122 cm para lámparas fluorescentes:
4 T12 Luz de Día IS, 3 T12 Blanco Frío IS, 2 T8 Blanco Frío RS, 2 T5 Blanco Frío PS, 2 T5 HO Azul IS

PREMISAS.- Dado que las alternativas son múltiples y pueden con facilidad confundir a los usuarios, lo ideal para un Consultor sería conocer desde el principio los Términos de Referencia pero rara vez existen; entonces una práctica muy efectiva es hacer cuestionarios de diferente nivel para conocer las expectativas de cada proyecto. Una vez conociendo las necesidades es factible establecer las premisas básicas (técnicas, estéticas, financieras, etc.) y a partir de ellas proponer una tormenta de ideas. Para los fines de este artículo se asume que conjuntamente con el usuario se llegó a las siguientes premisas:

  1. Certificados NOM (obligatorios) y licencia Sello FIDE (cuando aplique).
  2. TCC: 4000 – 5500K
  3. CRI mínimo: 80
  4. Eficacia Fotópica Mínima de Lámpara: 65 lm/w
  5. Eficacia Fotópica Mínima del Conjunto Interface-Lámpara: 60 lmP/w
  6. DPEA máxima: 14 w/m2
  7. IEAS máxima: 40 kWh/m2-año
  8. Iluminancia Fotópica Horizontal en la Aplicación: 300 – 500 Lx
  9. Indice Energolumínico Fotópico Máximo: 0.25
  10. Efecto de Caverna: Entre 2.5 y 3.5
  11. S/P mínima: 1.2
  12. Eficacia Verdadera Mínima en la Aplicación: 45 tlm/w
  13. Iluminancia Verdadera Horizontal en la Aplicación: 500 – 800 Lx
  14. Indice Energolumínico Verdadero Máximo: 0.20
  15. Costo Máximo Unitario Inicial de cada Sistema: $1,500.00 + impuestos
  16. Relación Máxima Costo Operación Anual/Costo Inicial: 1.0
  17. Ahorro Porcentual de Energía Mínimo: 50%
  18. Costo Unitario Anual Máximo Iluminancia Fotópica: 2.0 $/Año/LxP
  19. Costo Unitario Anual Máximo Iluminancia Verdadera: 1.0 $/Año/tLx
  20. Periodo Simple de Recuperación de la Inversión: 3 años máximo

Esta es una lista enunciativa pero no limitativa porque un estudio profesional involucra cerca de 150 variables. Por ejemplo, la lista no considera variables modernas complementarias al CRI como el GAI (Gamut Area Index) recientemente propuesta por el Lighting Research Center (LRC) en EEUU; tampoco están aquí consideradas otras variables importantes en la práctica como la relación de uniformidad, la probabilidad de confort visual, el efecto de caverna y el ruido audible. Otras variables involucran al sistema de iluminación con el resto de los equipos eléctricos como el aire acondicionado, la carga de contactos, los tableros, la planta de emergencia, el transformador de potencia y la propia subestación. Los equipos de iluminación tampoco son ajenos a la calidad de energía ni a la compatibilidad electromagnética.

ALTERNATIVAS.- Las alternativas propuestas en la Tabla Final se hicieron a manera de resumen. El autor ha realizado cerca de 1000 proyectos en iluminación interior en edificios, comercios y plantas industriales y las fotografías corresponden a proyectos realizados entre 1993 y 2013. En todas las propuestas analizadas se juega con diferentes opciones; por ejemplo, pasando de lámparas T12 a T8, T5 y después a LEDs, TCC desde 4100 hasta 12000K, balastros con Factor de Balastro estándar y Bajo Factor (0.72), una interesante propuesta para darle rentabilidad a proyectos que se encuentran en el límite de la incertidumbre financiera, similar al concepto de adicionalidad de los beneficios ambientales al generar RCEs. También se tienen balastros con distintos modos de arranque desde el simple y económico modo instantáneo hasta el avanzado y conveniente arranque rápido programado (PS), cada uno con sus pros y contras en inversión inicial, consumo de energía y mantenimiento. En la parte de luminarios hay refractores prismáticos y de gota, louvers parabólicos y ominidirecionales, reflectores con pintura blanca y reflectores especulares de aluminio facetados y rolados que fueron diseñados y fabricados con software y máquinas de control numérico. En la propuesta de LEDs tubulares se usaron intencionalmente versiones avanzadas de muy alta eficacia, con diferente TCC y CRI en acabado clear, aprovechando el buen control óptico de un refractor K23 de acrílico puro de los luminarios existentes; el driver y la protección contra transitorios están integrados en el cuerpo de policarbonato con alma de aluminio desnudo y un haz con apertura de 120º.

luz-dia
Fig 2.- Lámpara T12 Luz de Día (6110K, CRI 71), Lámpara T8 Blanco Frío (3732K, CRI 83), Lámpara T5 Luz azulada (10627K, CRI 77), LED tubular bulbo claro (5360K, CRI 81)

Para fines del análisis energético y económico se consideraron 4,000 horas anuales de uso y una tarifa HM en la región central. Para el cálculo del costo medio de la energía se asumieron perfiles de carga diarios y semanales calculando con ellos los factores de utilización y coincidencia, arrojando un precio medio de 1.94 $/kWh antes de impuestos. Para el cálculo de los costos de mantenimiento y depreciación se hizo el análisis a 8,000 horas de uso para todos los equipos por igual con el objeto de no caer en el error común de hacer cálculos sobre cierto porcentaje de vida; considerando que en la actualidad se tienen disponibles tecnologías que tienen vida nominal desde 9,000 hasta 70,000 horas hacer el cálculo sobre el 40% o el 70% para todas las alternativas es inexacto e injusto para las tecnologías de larga vida y menor depreciación. Los beneficios adicionales como la mejora en el factor de potencia y la regulación de tensión, la reducción de la carga térmica, las armónicas y las corrientes de inrush así como la reducción de pérdidas en conductores y la mayor eficiencia en los transformadores no están aquí consideradas.

OBSERVACIONES.- En la Tabla 1 se muestra una Matriz de Ponderación. Las celdas marcadas con rojo claro son las que incumplen con las premisas y las de verde claro son las que sí cumplen. Se observa que hay una zona roja dominante en las tecnologías antiguas y una zona más verde en las más modernas. Hay métodos mucho más complejos y precisos para hacer las ponderaciones fijando su respectivo factor de peso a cada parámetro -como el que usamos los consultores en concursos y licitaciones- pero para simplificar este ejercicio la calificación ponderada (CP) se calculó simplemente como la diferencia de las verdes menos las rojas, o las buenas menos las malas. Uno de los criterios más funcionales es establecer los requisitos obligatorios y los deseables. Cuando alguno de los obligatorios se incumple, la propuesta queda descartada; cuando los deseables se cumplen, se suman puntos. Algunos requisitos pueden ser técnicos, por ejemplo la iluminancia horizontal mínima mantenida pero otros pueden ser económicos como el techo de inversión o la TIR. Las iluminancias se calcularon con los factores de pérdida de luz que corresponden a cada sistema en particular.
Las mediciones eléctricas se hicieron con analizador de redes calibrado y TC de rango bajo para reducir desviaciones. Los parámetros luminotécnicos se midieron con radiómetro duplo y espectrómetro. Dado que los refractores y la pintura tienen un índice de amarillamiento mayor que los reflectores especulares las mediciones de TCC y CRI se hicieron con el luminario abierto, quedando el corrimiento de color limitado a la calidad y estado de la pintura y a la iridiscencia original del reflector especular. En este ejemplo no se midió la luminancia ni la iluminancia en plano vertical pero las correcciones a lúmens verdaderos e iluminancia verdadera medida en tLx se hicieron con el exponente de Berman considerando como tarea visual la lectura ordinaria. El Periodo Simple de Recuperación (PSR) se calculó en base a la diferencia de costos anuales de operación.

REFLEXIONES.- Es fundamental el establecimiento de premisas para cada proyecto en particular pero sin conceder en ningún momento el incumplimiento de las normas oficiales mexicanas, en especial las relativas a la seguridad de las instalaciones y las personas. Siempre es más fácil y conveniente hacer que un proyecto nazca bien en lugar de tratar de corregir después los vicios de origen. Algunas prácticas frecuentes pero equivocadas se basan en el principio del “precio más bajo” porque está demostrado que lo barato sale caro. Invertir bien es un gran negocio y un buen ejemplo es el edificio sede del FIDE en la Ciudad de México donde los sistemas fluorescentes de excelente calidad llevan operando casi 14 años con apenas 5% de fallas. El Indice de amarillamiento de reflectores y refractores de mala calidad no sólo cambia la TCC, el CRI y la S/P sino que reduce la iluminancia y la eficacia del sistema además de afectar la estética. Aunque en muchos países es difícil operar con el criterio de mantenimiento grupal, esperar a que los equipos mueran, frecuentemente es mucho menos rentable que operar bajo el concepto de vida económica. No hay duda que las tecnologías modernas como los LEDs ya tienen al día de hoy amplias ventajas tecnológicas sobre los sistemas fluorescentes pero la evaluación debe ser muy objetiva y profesional para que las inversiones sean justificables. Los exponentes de Berman son una extraordinaria herramienta para pasar de los lúmens y luxes teóricos a los lúmens y luxes realmente útiles. El concepto de “verdadero” o “true” en inglés ya debería ser un concepto ampliamente utilizado porque es el mejor método científico al día de hoy para explicar lo que desde hace años todos sabemos: las mediciones de los fotómetros en general no siempre corresponden a la percepción ni opinión de los usuarios. Estamos ante la gran oportunidad de poder pasar de los lúmens fotópicos (que bien deberían llamarse utópicos) a los lúmens reales o verdaderos, con todos los beneficios que esto implica.

Tabla 1.- Comparativa de sistemas fluorescentes. Click para ampliar
Tabla 1.-Análisis de sistemas fluorescentes. Click para ampliar

 

10 comentarios en “El paradigma de la medición de la luz (segunda parte)

  1. Pingback: Bitacoras.com
  2. estimado ing. Ramírez como siempre lo mejor de lo mejor en ssus articulos. Le comento que gracias a los conoimientros adquiridos en los diplomados y a sus informes tecnicos hemos cerrado con los mejores resultados 2 proyectos que no hubieramos hecho sin usted. Enhorabuena y por favor siga compartiendo toda su ciencia.

  3. Coincido con el otro comentario porque hemos aprendido muchiciso y espermos con mucho interes los siguientes partes porque no todos comparten sus conocimientos de forma altruista. Muchas gracias y felicidades

  4. Inge Ramírez muy útiles y sobre todo aplicables en la visda diaria sus artículos aunque cada dia nos salen más y más dudas, debe ser por que estamos sabiendo más. Tengo un proyecto que podría interesarle pero le enviaré un resumen a su empresa. Y ojala que suba pronto a la red toda la serie completa de 5 documentos y el curso. Soy José Luis Calderón.

  5. Como siempre excelentes documentos Ing. Ramirez. Muchas gracias por sus aportaciones. Ing. Ramirez, existira alguan manera que me pudiera proporcionar algun correo para comunicarme con usted?. Mi nombre es Sinuhe Vazquez, Gerente de desarrollo e innovacion en sistemas de iluminacion. estamos realizando algunos estudios y quisera saber si usted me puede orientar sobre este tema fotópico – escotópico, para niveles de iluminación en el rango de mesopicos. Agradezco su atencion.

  6. Claro que sí Sinhue, por favor pídele mi correo personal a Iluminet. Y sobre el tema de escotópico, fotópico y mesópico ya di una plática corta en IESNA y el sábado próximo daré otra más extensa en el Diplomado de Havells en el Tec Milenio. La señal se podrá bajar por internet pero no sé si sea factible que la puedas accesar tomando en cuenta que el 12 de abril ya es el cierre del Diplomado. De cualquier forma estaremos hablando de este extenso, útil y apasionante tema en los próximos meses. Saludos!

  7. Muchas gracias Ing. Ramirez, ya le solicite al personal de iluminet el correo. en cuanto lo tenga me comunico con usted para platicar un poco sobre el tema. Mil gracias nuevamente y gracias Iluminet por su apoyo.

  8. Ing. Ramírez, excelente artículo, adecuado a la época en que se escribió. Sería muy interesante actualizar este artículo con Tecnología LED.

    Con relación al tema de las fallas mencionadas en el proyecto de FIDE ¿se esta refiriendo a los balastros?.

    Por otra parte, estuve buscando el resto de los artículos sin tener éxito, ¿Tendrá el link de los artículos 3,4 y 5?

    Gracias.

    • Estimado Carlos, en estos días retomaremos “El paradigma de la medición de la Luz” del ing. Ramírez. La siguiente entrega viene con un estudio de caso, no te lo pierdas.

  9. Muy buenos días Carlos Guzmán, el segundo artículo de la serie es para sistemas fluorescentes pero si revisas la Tabla verá que las tres últimas opciones son con LEDs tubulares para retrofit (mínima inversión y modificación). Las dos últimas son las que tienen el mejor desempeño (más celdas verdes y menos rojas). Hoy tenemos mejores opciones con LEDs pero sería haciendo el cambio total de luminario. No había tenido tiempo de escribir los siguientes artículos pero desde ayer está disponible la parte 3, trata de la politica de compras. Saludos!

Deja un comentario

A %d blogueros les gusta esto: