La eficiencia energética en el proceso de la iluminación

1.Introducción

El concepto de la Eficiencia Energética se lleva analizando desde el inicio del diseño de artefactos. Cuando el proceso sobre el que se realizaba el artificio necesitaba una alta cantidad de energía para funcionar, se intentaba minimizar sus necesidades.

El alumbrado, concebido como un artificio, se ha convertido en una condición más en el discurrir de la vida en las zonas desarrolladas. Esto se ha conseguido con la generalización del uso de la energía eléctrica, y la mejora de las tecnologías utilizadas.

La función del alumbrado es la de producir una energía lumínica que proporcione una información para que el ser humano pueda realizar una actividad determinada, en garantías de rendimiento, calidad, seguridad y satisfacción.

Diagrama de funciones generales del alumbrado.

En todo caso, la mejora de la eficiencia energética de las fuentes de luz, y la optimización de los sistemas ópticos y de gestión, ha ocasionado una elevada mejora en las eficiencias de procesos técnicos y tecnológicos, tal como la generación de luz artificial, diseño y gestión de las instalaciones…

Eficacias asociadas a diferentes fuentes luminosas.

Estas mejoras han permitido conseguir un mayor paquete luminoso a menor energía consumida. Ha llegado hasta el nivel de que la energía disponible no era un problema para la generación de luz y el servicio necesario generaba un excedente de luz necesaria. Esto generó una ruptura en la relación [oferta luminosa] – [demanda de función]:

Caracterización de la ruptura entre oferta y demanda.
Evolución de generación de flujo lumínico por milla en comparación al consumo energético en Gran Bretaña

De forma que la oferta ha comenzado a marcar la evolución de las necesidades lumínicas, y cuando mayor es el PIB, superior acostumbra a ser el gasto energético por población:

Consumo eléctrico en iluminación per cápita .

Y existen diferencias marcadísimas entre territorios de similar tipología y características de desarrollo. Así, se concentran los mayores recursos en mejoras tecnológicas, para conseguir aumentar la eficiencia energética de los procesos. De forma que un incremento en la población mundial marca asociado un incremento SUPERIOR del consumo energético. Por lo tanto la tasa de necesidad energética crece de forma mayor a la del incremento de población, por el incremento de necesidades asociadas así como la industrialización de mayor territorio y porcentaje de personas involucradas.

Fuente: World Cimate Report

Sin embargo, se aprecian diferencias notables entre territorios, en territorios muy tecnificados (donde se percibe una uso muy inferior de energía/habitante), versus a los que hace poco que han llegado a un nivel de industrialización elevada hace pocos años.

En el presente artículo se va a estudiar el proceso de Eficiencia Energética asociado a la actividad del alumbrado en general, pero separando claramente la parte tecnológica y la parte relacionada con la información que percibe el actor – usuario del servicio del alumbrado.

Se van a plantear esquemas de funcionamiento y herramientas para poder analizar diferente etapas en el proceso informativo de la iluminación en el ser humano, con el objetivo de analizar las carencias y posibles mejoras en el proceso global.

2. Descripción de rendimientos asociados al proceso energía-información


El servicio de alumbrado se nutre de energía, en su mayoría eléctrica. Esta energía eléctrica (catalogada como “final” desde el punto de vista del ciclo de generación energética), es la que será utilizada por los sistemas lumínicos para funcionar, y requiere de una energía primara para ser producida.

El proceso energético-funcional-informativo del alumbrado se puede resumir en las siguientes etapas energéticas:

  • Energía primaria: Energía contenida en la naturaleza antes de ser convertida. Puede ser combustible fósil, isótopos radiactivos, fuerza del viento o el agua…
  • Energía eléctrica: Energía final para ser utilizada, previa transformación. Es la fuente de alimentación que será utilizada por los sistemas eléctricos.
  • Energía lumínica: O luz, es la energía radiada a la que el ojo humano es sensible. Está comprendida entre 380 y 780nm en diferente grado de eficiencia en función de la longitud de onda.
  • Luz útil: Luz que es aprovechada por el espacio y el uso para el que se ha proyectado. El concepto de luz útil tiene en cuenta la luz usada en las superficies a las que se desea iluminar y en el momento e intensidad especificadas.
  • Percepción visual ocular: Energía que llega a la retina o sistema nervioso del cuerpo humano, tras pasar por la pupila y antes de ser procesada por el cerebro.
  • Información procesada: Conocimiento, valoración e interpretación de las señales

Las fases entre las etapas son:

Producción de energía eléctrica:

Esta etapa no está dentro del alcance de este artículo, y supone el rendimiento de Energía primaria a útil, hasta su lugar de consumo. A menudo se consiguen rendimientos inferiores al 25% en el caso de fuentes primarias convencionales (como petróleo, carbón, uranio…), rendimientos que mejoran en el caso de gas (para centrales de ciclo combinado) o empeoran como en el caso de la captación por energía fotovoltaica entre otros.

Fase de producción de la luz:
Comprende desde la conexión de la luminaria a la red eléctrica hasta la generación de la luz por parte de la lámpara. Se consideran normalmente 2 pérdidas principales asociadas a esta fase:

• Pérdidas en los equipos auxiliares: Reactancias, arrancadores... Son equipos necesarios para el funcionamiento de las lámparas.

• Pérdidas en radiaciones o energías no visibles: Son las más importantes, y van desde energía calorífica por conducción en el caso de los LED’s, radiaciones no visibles en
lámparas de filamento incandescente,…. Pueden suponer más del 90% del total de la energía eléctrica subministrada en el caso de lámparas poco eficientes.

Un rendimiento típico para esta fase puede estar en el orden del 9-12%. Es una fase muy poco eficaz debido a la sensibilidad del ojo humano y a la poca eficacia en el cambio físico de las dos tipologías de energía.

La magnitud luminotécnica que mide esta fase es la Eficacia lumínica (con los equipos auxiliares incluidos) y se mide en lm/W. Valores típicos son del orden de 90-120 lm/W para lámparas eficaces de luz blanca y hasta 180 lm/W para lámparas de Vapor de Sodio a Baja Presión (todo y que ya se están obteniendo en laboratorio valores de 200 lm/W para luz blanca cálida).

• Diseño y gestión lumínica: Tiene en cuenta la componente de utilidad de la luz que sale de la lámpara. Esto es, la luz aprovechada realmente. Tiene en cuenta dos componentes:

• Espacial: Disposición de la luz en las superficies que se desea iluminar (mesa de trabajo, paredes, suelo…). Las pérdidas más importantes asignadas a esta componente son el rendimiento de luminaria y el diseño lumínico. La magnitud luminotécnica que la mide es el Factor de Utilización.

Consideraciones y uso de superficies lumínicas en un recinto comercial. Fuente: 9th Handbook IESNA 2001

• Temporal: Uso del nivel de iluminación para el uso necesario en cada momento, así como las políticas de mantenimiento necesarias para garantizar las necesidades en cada momento.

Las magnitudes que pueden medir este componente son el Factor de Mantenimiento, el VEEI del Código Técnico de Edificación parcialmente o Épsilon del REEIAE…. Todo y que estas variables no tienen en cuenta el factor de uso temporal de la instalación.

Uso a las 2:00 de una plaza urbana como centro de lectura. Niveles lumínicos muy superiores a los recomendados para este tipo de espacios.

• Escena visual: Sin embargo la visión del ojo humano no es puramente plana o puntual, sino que tiene consideraciones espaciales y temporales, y como todo estímulo sensorial, se comporta de forma logarítmica y por contrastes. Es decir, para la excitación neuronal de la retina, se tiene en cuenta una visión de escena visual, y por lo tanto de todas las superficies de dentro del campo de visión del ojo humano:

Esquema básico de proceso de visión.

En ocasiones, todo y tener sistemas tecnológicos eficientes, coexisten estos con la consideración de diseños lumínicos sin parámetros de calidad lumínicos esenciales:

Instalación eficiente tecnológicamente sin consideraciones básicas de calidad de la luz (uniformidad).

O en ocasiones sin la consideración de la visibilidad en 3 Dimensiones (Iluminancia vertical de superficies para reconocimiento facial, actividades de recreo y comerciales):

O la consideración de esta iluminación vertical cuando no es necesaria (conducción, seguridad de tránsito): Genera ineficiencias en el sistema, asociadas a la diferencia de contrastes o déficits que genera falta de Eficiencia Visual en la etapa de Escena Visual.

Hay diferentes estudios científicos, que cuesta aplicar a la práctica, pero que muestran claramente la relación entre variables de calidad de visión en Escena Visual y el Rendimiento Visual:

Fuente 9th Handbook IESNA 2001

Otras consideraciones para el cálculo y mejora de rendimiento asociado a la escena visual y visión del ojo humano pueden ser las que se consideran en el denominado Rendimiento Mesópico. Y es aquel en que la visión está entre las 0,01 cd/m2 y 5 cd/m2 aproximadamente. Según el Informe Técnico publicado por el CIE 191, se pueden conseguir mejores Rendimientos Visuales para situaciones de visión cercanas a la escotópia. Estos métodos, SOLO pueden aplicarse en condiciones estrictamente mesópicas, que difícilmente se encuentran generalmente en zona urbana nocturna y exigen también un análisis de la escena visual.

Espacio donde no es posible aplicar las consideraciones de rendimiento mesópico y donde sí

• Lenguaje de la luz: El significado a la excitación visual la proporciona nuestro cerebro, según una valoración y análisis de los estímulos recibidos. Estos estímulos, se comparan con los valores almacenados en la memoria y muy a menudo están influenciados por conceptos culturales, sociales….

En el oriente tradicional y el occidente, las consideraciones de una “buena iluminación” son diferentes.

3. Metodología de análisis y mejoras aplicables.

En la industria actual se muestra especial interés e inversión de recursos en la mejora de la eficiencia energética de los procesos técnicos. Estos, según la clasificación expuesta en el punto anterior son los de:

• Fase de Producción de la Luz: Cada vez se obtienen mejores eficiencias energéticas con fuentes de luz de reproducción cromática buena y con la minimización de las pérdidas en equipos auxiliares (mediante la inclusión de las tecnologías electrónicas), se alcanzan elevadas eficacias, hasta hace unos años impensables

• Diseño y Gestión lumínica: La concepción de nuevas fuentes de luz aplicables a diferentes espacios y con posibilidades de gestión mucho más flexibles que las tradicionales (sobre todo la actual tecnología LED), consigue que tengamos muy buenos Factores de Utilización y gestión energética de los procesos.

A continuación se presenta un índice de las consideraciones de I+D y desarrollo en fabricación de diferentes dispositivos de alumbrado:
    
1. Análisis previo de los objetivos y sus usos de la luminaria- fuente de luz a diseñar

  • Interior / exterior: Determinación de necesidades, evacuación de calor, estanqueidad…
  • Tarea visual: Valores de deslumbramiento aceptables, posibilidades de flexibilidad Necesidades de información lumínica: Óptica requerida, adaptación al espacio prediseñado
  • Usuario final: Comportamiento y uso con el sistema lumínico


2. Parámetros iniciales a tener en cuenta:

  • Económicos: costes de producción, consumo final
  • Funcionales-estéticos: Necesidades en función del lugar de implantación Necesidades lumínicas requeridas directamente al sistema lumínico:
    • Tipo fuente luz
    • Calidad luz
    • Uniformidad
    • Deslumbramiento
    • Temperatura color
    • Ópticas
  • Proceso de producción
    • Análisis durante el proceso
    • Correcciones
    • Producción
    • Ensayos finales


Sin embargo son quizás los aspectos relacionados con la persona, los menos trabajados y los que más potencial de ahorro pueden llegar a conseguir. Son los de Escena visual y los de Lenguaje de la luz. Existe la tecnología eficiente para aplicarla tal como necesitemos. Hay varias técnicas asociadas que pueden utilizarse para la mejora de la eficiencia de estas fases:

• Tratamiento digital de la imagen: Se trata del uso (ya más que aceptado) de la fotografía digital para la determinación de niveles de luminancia y percepción visual. Existen multitud de herramientas para poder utilizarlo, y hace tiempo que se aplica, sobre todo en trabajos relacionados con la ergonomía y tareas laborales relacionadas con la seguridad de personas o bienes. El tratamiento puede realizarse tanto en simulación como en situación real.

Esta herramienta puede usarse tanto en espacios interiores, exteriores, de alto o bajo nivel lumínico y en cualquier aplicación.

Análisis escena visual. Feria de Abril.

De forma que es posible detectar los estímulos visuales de forma sencilla y actualmente asequible económicamente.

Las principales ventajas de esta metodología resultan ser:

  • Rapidez en la medición, ya que una sola imagen abarca toda la zona.
  • Resultados muy precisos y fiables.
  • Tratamiento informático de la imagen, que permite amplias posibilidades.
  • Visualización de la zona en estudio.


Y sobretodo acercando el valor lumínico de escena visual, a la percepción humana, buscando como objetivo final:

• Tratamiento de las necesidades informativas de la persona: Esta herramienta es conceptual y basada en la adecuación de técnicas de Proyectos de Diseño en el diseño de instalaciones. Esto es, el acercamiento a la persona, análisis de sus necesidades y requerimientos… Y debe incluir en toda fase inicial de diseño de alumbrado la pregunta: ¿Para qué alumbramos? ¿Qué necesita el usuario /ciudadano/conductor?

  • Trabajar en condiciones de seguridad e higiene
  • Conducir en condiciones de seguridad
  • Excitación, ¿conseguir condiciones de alegría, alerta?
  • Realzar la ubicación de elementos identificativos
  • Agrado, comodidad, sencillez.

Hace unos años con la figura del Diseñador de Iluminación o en ingles: Lighting Design, se ha trabajado esta faceta, no está suficientemente integrada. A continuación se presentan dos ejemplos de consideraciones básicas informativas de proyecto para proporcionar los servicios lumínicos necesarios y posteriormente el diseño de elementos técnicos necesarios SUPEDITADOS al resultado informativo solicitado por el usuario.

Ejemplos de diferente alumbrado Navideño. En todos ellos su función informativa es crear un ambiente festivo y alegre. En una solución se crea mediante un símil con un video juego, en otra con una implantación masiva de puntitos brillantes, y en otra con la creación de espacios visuales cromáticos, relacionados con juegos acústicos donde se proyectan villancicos sonoros y visuales.

La función generada puede ser la misma, los recursos consumidos muy diferentes.

Dos vías de tránsito en momentos de muy baja utilización y de velocidad reducida. La necesidad informativa es: localización de obstáculos en la calzada a v<30km/h.

4. Conclusiones.

En la actualidad se están incentivando y promoviendo las mejoras en tecnologías luminotécnicas. Se incrementan incesantemente las eficacias de las fuentes luminosas, sus vidas útiles, los factores de utilización…. El LED está llamado a hacerse un hueco importante en la mayoría de las luminarias instaladas, basando su inclusión en unas necesidades creadas de eficiencia, mayor flujo luminoso, y necesidades a veces injustificadas de luz blanca. Cada vez es más fácil satisfacer las necesidades para las que el alumbrado está diseñado. Cada vez existen más herramientas para obtener la cantidad y calidades de luz que se determinen. Pero los recursos necesarios para conseguir estas prestaciones son limitados.

Un análisis de las necesidades humanas, así como de la escena visual completa, proporcionan información para contrastar la validez de la información que la LUZ da a nuestro cerebro. Es por ello, una herramienta imprescindible para minimizar los recursos energéticos necesarios con el objeto de proporcionar el servicio lumínico solicitado. De forma que se puedan minimizar:

  • Los consumos de energía
  • Los residuos materiales generados
  • La Contaminación Lumínica
  • ...

Orientando el diseño de proyecto, al estudio de la información necesaria, no de la energía lumínica pedida exclusivamente. n

Manuel Garcia Gil
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)

 
Comité Español de Iluminación