Cálculo De Sistemas De Iluminación Con Luz Natural

CÁLCULO DE SISTEMAS DE ILUMINACIÓN CON LUZ NATURAL

Resumen

Si bien es cierto que los sistemas de iluminación con lámparas convencionales como fuentes de emisión de luz, son una solución para apoyar de manera conveniente el desarrollo de actividades productivas y de esparcimiento, también es una realidad que implican altos costos de inversión, mantenimiento y operación, al mismo tiempo que impactan de manera importante en la demanda de energía eléctrica. Ello obliga a utilizar durante los horarios diurnos, sistemas híbridos de iluminación apoyados con luz natural. En este artículo se presenta una metodología de cálculo basada en el IES Lighting Handbook que puede resultar útil en el diseño de dichos sistemas.

Palabras clave: luz natural, sistemas híbridos, luz solar directa, luz de cielo, lucernario.

I. Introducción

Los programas orientados al ahorro y uso eficiente de la energía promovidos por la sociedad en su conjunto, han obligado a la identificación de oportunidades para el logro de tal fin. Está confirmado por diversos estudios, que un porcentaje importante de la demanda de energía eléctrica se destina para el servicio de alumbrado en actividades diversas. En ese sentido, se han alcanzado logros significativos derivados del desarrollo tecnológico en equipos de iluminación convencionales (lámparas y balastros). A pesar de ello, se estima que los sistemas híbridos, integrados con equipos convencionales de iluminación que consumen energía eléctrica, con sistemas que aprovechan la luz natural y con sensores que permiten programar el encendido y apagado de lámparas, representan una magnífica alternativa para obtener un ahorro importante en el uso de la energía. A ello se pueden agregar otros beneficios, como es la calidad de la luz que se puede obtener en términos de temperatura de color, lo que representa altos índices de discriminación de color, indispensable en algunas actividades industriales y de servicios. Esto ha hecho necesario el desarrollo de métodos de cálculo que permitan estimar la contribución posible de la luz natural en dichos sistemas híbridos. Este trabajo presenta una propuesta metodológica basada en el IES Lighting Handbook, la cual se describe y se ilustra con un ejemplo numérico.

II. La luz solar [1]

El Sol es una inmensa esfera de gases a alta temperatura, con un diámetro de 1.39x109 m, a distancia media a la Tierra de 1.5x1011 m. Su estructura es enormemente compleja, a pesar de ello, en aplicaciones de ingeniería de iluminación se considera que se comporta como un cuerpo negro a una temperatura efectiva de 5762° K.

La energía del Sol se genera mediante reacciones nucleares de fusión en su núcleo y proviene de la pérdida de su masa, que según Albert Einstein, se convierte en energía: E = m c2 (1)

Siendo el Sol una fuente abundante de energía radiante que contiene todas las longitudes de onda del espectro electromagnético, desde los rayos gamma hasta las ondas de radio, sólo una mitad de ella llega a la superficie de la Tierra como luz o radiación visible (380 a 760 nm), la otra contiene las radiaciones invisibles (ultravioleta menos de 380 nm e infrarrojo más de 760 nm).

A pesar de que México es un país con alta incidencia de energía solar en la gran mayoría de su territorio (su zona norte es reconocida como una de las más soleadas del mundo), hay que señalar que la cantidad de energía visible utilizable en el espectro solar, varía según la profundidad de la atmósfera que la luz atraviesa, y depende de la elevación del Sol sobre el horizonte y de algunos factores tales como la humedad y el polvo, que están determinadas por las condiciones atmosféricas.

Los factores que definen el flujo luminoso del Sol en la superficie terrestre son tres: el diámetro y la temperatura solar, y la distancia entre la Tierra y el Sol.

Las formas actuales de aprovechamiento de la energía solar, básicamente son tres: térmica, fotovoltaica y directa. En el caso de los sistemas de iluminación a partir de luz natural, la forma directa es la que resulta de mayor interés. En este sentido, se puede decir que cualquier ventana es un colector solar o lucernario.

La mecánica de la Tierra con respecto al Sol, está definida por los dos movimientos que realiza la Tierra: de rotación alrededor de su eje, con un giro completo cada 24 horas; y de traslación alrededor del Sol, que se completa en 365 días y cuarto. Este último, combinado con la inclinación del eje terrestre sobre el plano orbital, determina los ciclos conocidos como estaciones, las cuales están delimitadas por las estaciones de la Tierra con respecto al Sol, a las que se conoce como solsticios y equinoccios.

Las relaciones geométricas establecen que todo punto sobre la superficie de la Tierra puede ser localizado mediante las tres coordenadas: latitud, longitud y altura sobre el nivel del mar. Se sabe que la forma de la Tierra es casi esférica y la incidencia de los rayos solares sobre su superficie, varía según la latitud para la misma hora del día. Un esquema geocéntrico pre-copernicano resulta de gran utilidad para el análisis del asoleamiento, en donde el modelo asume los siguientes supuestos:

1. La Tierra es plana.

2. El Sol describe una trayectoria curva que va de Este a Oeste.

A la superficie circunscrita por el plano terrestre y la trayectoria aparente del Sol, se le llama plano de la elíptica.

La posición del sol en un instante dado a lo largo de su trayectoria aparente (figura 1), está dada por las coordenadas de ángulo de azimut (AZI) medido sobre el plano horizontal que forma la dirección del Sol respecto del Norte; y el ángulo de altitud (ALT), el cual se mide verticalmente entre la dirección del Sol y el plano horizontal.

Figura 1 Ángulos de azimut y altitud referenciados a 42º latitud norte.

Los factores a considerar cuando se pretende usar la luz del Sol son las siguientes:

 Su cambio continuo de dirección;

 La probabilidad de ocurrencia (cantidad de días despejados, medio nublados y nublados al año);

 La iluminancia (Es) sobre una superficie horizontal no obstruida que puede alcanzar valores entre 0 y 120,000 luxes, dependiendo de la altitud del Sol, de la cantidad de nubes y de la contaminación ambiental;

 Su temperatura de color correlacionada con el Sol directo (suele estar de cerca de 3000° K cuando el Sol está próximo al horizonte y 5800° K cuando está próximo al cenit);

 Su eficacia luminosa (K), que depende de la altitud solar. Su valor inicia en cero en el horizonte, y su uniformidad se incrementa a partir de un ángulo de

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