Simulación fotométrica de luminarias y sustitución de componentes

Introducción

En la actualidad contamos con múltiples y diferentes sistemas para conocer el comportamiento de una luminaria, se dispone de software de diseño y simulación cada vez más utilizados, especialmente en el proceso de diseño de un nuevo producto, y equipos de medida que nos proporcionan el resultado fotométrico del producto.

Pero, ¿qué pasa cuando se realiza alguna modificación sobre el diseño realizado?, cada vez es más habitual (especialmente con la irrupción en el mercado de la tecnología LED), cambiar el chip de un producto inicialmente diseñado para otro tipo de LED o utilizar una lámpara de menor potencia o de diferente tecnología, con el tiempo estas prácticas están más extendidas buscando principalmente una disminución en el consumo energético con un gasto mínimo. Efectivamente, y en la mayoría de los casos, el consumo se ve disminuido, pero ¿qué ocurre con la calidad de la iluminación? ¿Se mantiene la uniformidad? ¿Se mantienen las prestaciones lumínicas? ¿Es un cambio adecuado?.

En muchos casos el cambio supone una pérdida de las prestaciones lumínicas, disminuyendo niveles y uniformidades de las instalaciones o incluso en luminarias viales diseñadas para iluminar hacia la calzada, nos encontramos que ahora lo que iluminan son las aceras o arcenes.

¿Qué podemos hacer para conocer el resultado del cambio antes de hacer la inversión?

Por un lado, podemos hacer ensayos fotométricos con cada una de las opciones, aunque realizar diferentes adaptaciones para ver qué ocurre puede resultar caro y poco eficiente, sin embargo realizar simulaciones partiendo de un producto nos puede dar una idea muy aproximada de cuál será el resultado final y de que cambios pueden realizarse en la luminaria para obtener un producto cuyas prestaciones lumínicas sean las adecuadas.

Por otra parte, cualquier cambio o sustitución que se realice en una luminaria homologada (marcado CE) y este cambio no haya sido tenido en cuenta inicialmente en la homologación realizada en el producto, éste deberá ser sometido a ensayo para ser homologado con el cambio realizado, en caso contrario el producto pierde su marcado CE y el fabricante queda eximido de cualquier responsabilidad sobre el producto, siendo asumida a partir de entonces por quien haya realizado el cambio.

En este artículo se explica en detalle en qué consiste un proceso de simulación de luminarias y cómo este sistema nos puede ayudar a conocer cuál será el resultado final después de hacer cambios en luminarias ya existentes o como mejorar estos productos, aportando diferentes ejemplos de cómo se comportan diferentes luminarias con pequeños o grandes cambios.

Esta herramienta puede ser muy útil para valorar la conveniencia de realizar inversiones en sustitución directa de lámpara, analizando no sólo el ahorro energético sino la calidad final de la instalación.

Proceso de simulación fotométrica

El proceso de simulación consiste en analizar la trayectoria que sigue cada uno de los rayos que parten de una fuente luminosa y se propagan, reflejan o dispersan en diferentes medios, obteniendo como resultado final el comportamiento fotométrico de un producto.

Para ello necesitamos conocer:

  • Modelo de lámpara a emplear.
  • Modelo 3D de los componentes ópticos de la luminaria diseñado (reflector y/o refractor) en un programa CAD.
  • Materiales de cada una de las partes de la luminaria.

Proceso de simulación fotométrica para una luminaria vial:

En el mercado se dispone de luminarias para alumbrado público de gran calidad, en la mayoría de los casos estas luminarias están preparadas para funcionar con varios tipos de lámparas y con diferentes potencias, para ello los fabricantes diseñan sus productos de forma que puedan ser utilizados, por ejemplo, con lámparas de VSAP desde 70W hasta 250W, aunque para que en todos los casos el resultado sea el más adecuado, disponen de portalámparas con diferentes posiciones en función de la lámpara a utilizar o en función de la potencia. Veamos un ejemplo.

Si partimos de una luminaria vial con lámpara de VSAP de 250W

Figura 1: Reflector con lámpara de VSAP de 250W
Figura 2: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara VSAP 250W
Figura 3: Curvas isolux en un plano frontal a la luminaria y situado a 6m de altura

Si partiendo de esta luminaria queremos disminuir el consumo y cambiamos la lámpara de 250W por una lámpara de VSAP de 150W ¿qué resultado se obtendría?

Figura 4: Reflector con lámpara de VSAP de 150W, sin modificar la posición del casquillo
Figura 5: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara VSAP 150W
Figura 6: Curvas isolux en un plano frontal a la luminaria y situado a 6m de altura

Si partiendo de esta luminaria queremos disminuir el consumo y cambiamos la lámpara de 250W por una lámpara de VSAP de 70W ¿qué resultado se obtendría?

Figura 7: Reflector con lámpara de VSAP de 70W, sin modificar la posición del casquillo
Figura 8: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara VSAP 70W
Figura 9: Curvas isolux en un plano frontal a la luminaria y situado a 6m de altura

Como se puede apreciar en las curvas fotométricas y en las curvas isolux de las figuras 2, 3, 5, 6, 8 y 9, el comportamiento de la luminaria cambia cuando se cambia la lámpara, esto es debido a que la posición del quemador y por tanto de la zona emisora de luz no se encuentra en el mismo punto (ver figura 10), sin embargo si lo que cambiamos es una lámpara de 150W a una 100W o viceversa el comportamiento fotométrico a penas si se verá afectado.

Figura 10: Imagen de 3 lámparas de VSAP de diferentes potencias

Para mantener la distribución fotométrica inicial deberíamos cambiar de posición la lámpara dentro de la luminaria.

Figura 11: Imagen del reflector con lámparas de VSAP de 70W y 150W situadas en posiciones diferentes a la original
Figura 12: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara VSAP 150W en posición diferente a la original
Figura 13: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara VSAP 70W en posición diferente a la original

Como conclusión principal podemos decir que para mantener el mismo comportamiento fotométrico de una luminaria cuando cambiamos la potencia de lámpara instalada, debemos tener en cuenta que no sólo vamos a cambiar el consumo y disminuir los niveles de iluminación, sino que también vamos a cambiar la distribución lumínica que la luminaria produce, y con ello podemos perder la calidad de la instalación inicial, sin embargo si además de cambiar la potencia, la lámpara se sitúa en el lugar adecuado lo único que perderemos en la instalación será nivel lumínico y potencia consumida, que en muchos casos será una solución adecuada.

¿Cómo afecta a una luminaria vial el cambio de una lámpara convencional a una lámpara de LEDs? Supongamos que en la luminaria vial de 250W, incorporamos una lámpara de LEDs de 70W situada en la misma posición que la lámpara de 250W.

Figura 14: Reflector con lámpara de LED de 70 W, sin modificar la posición del casquillo
Figura 15: Distribución fotométrica (cd) de la luminaria con lámpara LED 70W
Figura 16: Curvas isolux en un plano frontal a la luminaria y situado a 6m de altura

Al colocar una lámpara de LEDs, en una luminaria con reflector diseñado para funcionar con lámpara convencional, donde la zona emisora de la lámpara está situada en el quemador, y colocar dentro de éste, una lámpara de LEDs donde las zonas emisoras de luz están situadas alrededor de un cilindro, se produce un gran cambio, perdiendo mucha luz en la dirección longitudinal a la calzada lo que dará lugar a una pérdida considerable de uniformidad y puede que también aparezcan zonas de claro / oscuro sobre la calzada.

Proceso de simulación fotométrica para una luminaria exterior ornamental – tipo VILLA:

En el caso de las luminarias ornamentales tipo Villa, podemos encontrarnos con diferentes configuraciones.
Caso 1: Luminaria ornamental con reflector incorporado, este caso es muy similar a lo que ocurre con una luminaria vial con reflector visto anteriormente.
Caso 2: Luminaria con lámpara en posición vertical, este caso es desfavorable en sí mismo, ya que existe un porcentaje alto de luz emitida hacia el hemisferio superior.



Figura 17: Luminaria Villa con diferentes lámparas
Figuras 18 y 19: Curvas isolux de luminaria Villa con VSAP 70W y VSAP 150W a 3m de altura
Figura 20: Curvas isolux de luminaria Villa con lámpara LED 70W a 3m de altura

En este caso, el cambio de un tipo de lámpara por otra o el cambio a una lámpara de menor potencia no es tan crítico en cuanto la distribución lumínica, aunque este tipo de luminaria emite una gran cantidad de luz hacía el hemisferio superior (superior al 45%), por lo que lo más recomendable en estos casos es incluir un bloque óptico o un módulo de LED, este nos permite disminuir la potencia para conseguir la misma cantidad de luz en el suelo y evitar la emisión luminosa hacía el hemisferio superior.

Figuras 21 y 22: Luminaria Villa con módulo LED (sin óptica) 120W y curvas isolux a 3m

Si analizamos estos ejemplos vemos que con una lámpara de 150W en posición vertical dentro de una luminaria Villa, la luminaria proporciona como máximo en el suelo una iluminación de 54lx, sin embargo si lo que tenemos es un módulo de 120W podemos conseguir hasta 230lx en el suelo y no se emite luz hacia el hemisferio superior, por lo que podríamos incluir un módulo de menor potencia.

Proceso de simulación fotométrica para una luminaria cambiando materiales:

Además de cambiar el tipo de lámpara o su potencia, también se puede mejorar un producto cambiando las propiedades ópticas de los materiales. Veamos el ejemplo anterior de una luminaria vial con un reflector al que le cambiamos la reflectancia.

Partimos de un reflector con reflectancia combinada:
Reflector: material especular 95% de reflectancia
Tapa superior: aluminio mate 70% reflectancia
Cierre lateral: aluminio mate 70% reflectancia

Figura 23: Distribución fotométrica (cd) y rendimiento reflector con reflectancias combinadas

Si ahora cambiamos las reflectancias del reflector y todas sus partes tiene una reflectancia del 70%
Reflector: aluminio mate 70% reflectancia
Tapa superior: aluminio mate 70% reflectancia
Cierre lateral: aluminio mate 70% reflectancia

Figura 24: Distribución fotométrica (cd) y rendimiento reflector con reflectancia del 70%

Si ahora cambiamos las reflectancias del reflector y todas sus partes tiene una reflectancia del 95%
Reflector: material especular 95% de reflectancia
Tapa superior: material especular 95% de reflectancia
Cierre lateral: material especular 95% de reflectancia

Figura 25: Distribución fotométrica (cd) y rendimiento reflector con reflectancia del 95%

Conclusiones

Tras ver diferentes ejemplos y casos es evidente el cambio que se produce en la emisión luminosa de una luminaria cuando se produce algún cambio en ella, ya sea tipo de lámpara, potencia o material. Realizar cambios en una luminaria puede suponer desde abaratar costes de fabricación, disminuir consumos manteniendo sus prestaciones lumínicas hasta convertir una instalación con una alumbrado correcto en una instalación con un alumbrado deficiente, en cualquier caso, utilizar una herramienta como la simulación fotométrica puede ahorrar mucho tiempo y en algún caso problemas tanto para fabricantes, como para el personal encargado de la gestión del alumbrado, especialmente si este alumbrado tiene requisitos especiales como es el caso del alumbrado vial o las luminarias para alumbrado interior destinadas a iluminar oficinas o colegios donde; el buen diseño del producto, la capacidad que tenga de limitar el deslumbramiento y las uniformidades dentro del área de trabajo son muy importantes. Además de esto es necesario recordar que cualquier cambio realizado en una luminaria que provoque que ésta pierda su marcado CE, debe ser debidamente ensayado y homologado, no hay que olvidar que dicho marcado responde a una directiva europea, por la que no se pueden instalar en toda la UE luminarias que no estén debidamente homologadas.

Elena San Juan
AIDO

 
Comité Español de Iluminación