SIMCLI. Iluminación Interior

 

Para el primer trimestre de 2007 estará disponible una versión mejorada del software SIMCLI

 

Ganador del Primer Lugar Nivel Licenciatura en Uso Eficiente de la Energía Eléctrica en los XXIII Certámenes Nacionales de Tesis 2005-2006

 

contacto: hgarflo@gmail.com

 

 

APUNTES DE ILUMINACIÓN

1. Principios básicos de cálculos de iluminación

    1.1 Transferencia de Flujo Luminoso por Modelo Punto a punto

2. La fotometría

    2.1 Magnitudes derivadas de la fotometría

       2.1.1 Eficiencia

       2.1.2 Eficacia

       2.1.3 Flujo luminoso total emitido

       2.1.4 Clasificación de la luminaria por su distribución luminosa

       2.1.5 Altura de montaje recomendada

       2.1.6 Criterio de espaciamiento

    2.2 Regla de las cinco veces

3. Interreflexión de la luz

    3.1 Ecuación de Transferencia de Radiación luminosa

4. Determinación de la iluminancia media: Método del Lumen

    4.1 Coeficiente de Utilización

    4.2 Método de Cavidades Zonales

        4.2.1 Reflectancia efectiva en cavidades

        4.2.2 Método del lumen para Coeficiente de Utilización

           4.2.2.1 Componente directa al plano de trabajo

        4.2.2.2 parámetros de la relación de reflectancias de cuarto y reflectancias de cavidades

5. Algoritmo general para cálculos de iluminación

6. Evaluación de sistemas de iluminación. Calidad y cantidad de luz

Referencias bibliográficas

 

1. Principios básicos de cálculos de iluminación

 

Para la determinación de componentes de iluminación (transferencia de flujo luminoso) de una fuente luminosa a un punto o una superficie la IESNA propone el uso de modelos matemáticos de transferencia de flujo categorizados en seis tipos distintos de acuerdo a la geometría y emisión de la lámpara o luminaria:

 

  1. Fuente luminosa puntual a punto o área diferencial receptora. (Punto a punto).

  2. Fuente luminosa puntual a superficie receptora.

  3. Fuente luminosa superficial a punto o área diferencial receptora. (Área a punto).

  4. Fuente luminosa superficial a superficie receptora.

  5. Fuente luminosa lineal a punto o área receptora diferencial. (Línea a punto).

  6. Fuente luminosa lineal a superficie receptora.

 

Estos seis métodos, combinados con la información de reflectancias de cuarto, permiten simular la iluminancia, la exitancia y la luminancia a un punto o superficie.

     El modelo 1 es el más sencillo de simular, los modelos 2, 3 y 4 dependen de la ecuación fundamental del modelo 1. Los modelos 5 y 6 son los más complicados pero la mayoría de las características de los sistemas de iluminación se acoplan con ellos.  En este apartado sólo se describe el primer modelo.

1.1 Transferencia de Flujo Luminoso por Modelo Punto a punto

La iluminancia E producida sobre un área A centrada en un punto P es directamente proporcional a la intensidad luminosa de la fuente de luz, I(θ, Ψ). Dada la distribución de intensidad luminosa de la fuente de luz en coordenadas esféricas, la disposición geométrica del modelo se muestra en la figura siguiente:

La Iluminancia E está definida en términos del flujo luminoso incidente Ф sobre un área A:

 

                                                                                                                               ...(2.1)

 

El flujo puede ser analizado direccionalmente en términos del ángulo w. Si el origen del sistema de coordenadas esféricas está localizado en la fuente y el área A es pequeña en comparación de la distancia D, entonces:

                                                                                                                       ...(2.2)

 

Donde:

D = distancia entre la fuente y el punto P

* = ángulo entre la normal  a la superficie A y en dirección de la distancia D

 

La definición de la intensidad luminosa resulta de la combinación de las ecuaciones 2.1 y 2.2 y permite determinar también el flujo luminoso:

                                                                                                                     ...(2.3)

 

Sustituyendo en la ecuación 2.1 se obtiene:

y sustituyendo en la ecuación 2.2 se tiene:

                                                                                                                ...(2.4)

 

La ecuación 2.4 es la ecuación fundamental de transferencia de flujo luminoso, también llamada Ley coseno de la inversa cuadrada (Inverse square cosine law).

 

2. La Fotometría (Regresar)

 

La fotometría es la medida de la intensidad luminosa de una fuente de luz. Aplicada en Ingeniería de la Iluminación, su objetivo es determinar las características de la distribución espacial de la intensidad luminosa de las fuentes de luz artificial.

     La intensidad luminosa de una fuente de luz o luminaria es calculada a partir de mediciones de iluminancia. Las iluminancias son obtenidas con un fotómetro a una distancia conveniente que define una esfera imaginaria con un radio igual a la medida de la misma. El centro de la esfera virtual coincide con un punto ficticio donde se encuentra la luminaria; este punto se conoce como centro fotométrico y a menudo es utilizado como el centro de coordenadas usado para los cálculos.

     Si la fuente de luz bajo prueba se considera como un punto, entonces la intensidad y la iluminancia a un punto dentro de la esfera imaginaria está relacionada con la ecuación 2.4. Si la medida de iluminancia se hace normal a la superficie de la celda receptora (cabezal de iluminancia) del fotómetro, y orientada hacia el centro fotométrico, entonces el ángulo de incidencia es cero y la ecuación 2.4 se puede expresar como:

 

 

o bien

                                                                                                                       …(2.11)

 

donde:

 

I = Intensidad luminosa.

E = Medida de iluminancia.

D = Distancia de prueba.

 

     La ecuación 2.11 se aplica generalmente para determinar la curva de distribución luminosa (resultado gráfico en coordenadas polares que muestra el comportamiento de la luminaria en el espacio).

    La IESNA recomienda el uso de un goniómetro (fotómetro de celda móvil) dentro de un cuarto oscuro, realizando las mediciones de iluminancia en al menos 37 ángulos verticales (de 5° en 5° desde la parte  inferior de la luminaria, 0°, hasta completar 180°) y tres ángulos horizontales: 0°, 45° y 90° en función de la luminaria, esta disposición angular se  muestra  en la figura siguiente.

 

De esta manera se logra simular, en forma meticulosa, el comportamiento espacial de la intensidad luminosa. En la figura siguiente se muestra la curva de distribución luminosa de una lámpara incandescente de 100 watts, prueba realizada en febrero de 2004 en el Laboratorio de Iluminación del Instituto Tecnológico de Puebla. Generalmente se presenta una curva media, es decir, el promedio de las intensidades en los tres planos estudiados (0°, 45° y 90°, ángulo horizontal de prueba) tal como lo describe la ecuación 2.12.

 

                                                                                              …(2.12)

 

 

Con la finalidad de unificar criterios respecto a la forma de presentar la curva, la IESNA recomienda expresar el valor de las intensidades luminosas de la curva de distribución en Candelas por cada 1000 lúmenes, esto se conoce como la forma estandarizada de la curva de distribución luminosa. La intensidad estandarizada se define algebraicamente como:

                                                                                                                                                                                                                                                       …(2.13)

donde:

Intensidad estandarizada

Intensidad inicial

Flujo luminoso inicial de la lámpara o luminaria

 

 

2.1  Magnitudes derivadas de la fotometría

 

La curva de distribución luminosa, obtenida de una prueba fotométrica, permite determinar magnitudes como la eficiencia, eficacia, flujo luminoso total emitido, altura de montaje recomendada y criterio de espaciamiento de una fuente de luz artificial o luminaria, con lo cual se pueden desarrollar proyectos de instalación de iluminación y simulaciones con un alto grado de confiabilidad.

 

 

                        2.1.1 Eficiencia

 

 Se define como la relación entre la energía consumida por la fuente o luminaria y la cantidad de radiación electromagnética visible al ojo que se desprende de ésta mientras funciona, esto es, la fracción de energía eléctrica consumida que se convierte realmente en luz, tal como lo describe la ecuación 2.14.

                                                                                                                   …(2.14)

donde:

Flujo luminoso inicial de la lámpara o luminaria

W = Potencia o consumo de energía eléctrica del equipo.

El factor 683 se refiere a la equivalencia: 683 lm = 1 watt

 

 

 

                        2.1.2 Eficacia

 

Se refiere a la relación entre la energía lumínica emitida y la energía eléctrica consumida, está dada en lúmenes por watt (lm/w); la eficacia se calcula con la ecuación 2.15.

                                                                                                                            …(2.15)

 

 

                        2.1.3 Flujo luminoso total emitido

 

Se conoce también como emisión luminosa de la fuente o de la luminaria y se define como la luz emitida por unidad de tiempo. Su unidad es el lumen. Un lumen es el flujo luminoso de la radiación monocromática que se caracteriza por una frecuencia de 540 E12 Hz y por un flujo de energía radiante de 1/683 watts.

     Para determinar el flujo luminoso total emitido se utiliza la información obtenida para el trazado de la curva de distribución luminosa y se aplica el método conocido como Flujos Zonales o Método de flujo luminoso por zonas. El procedimiento más usado consiste en dividir en 18 zonas de igual amplitud (de 10° verticales cada una) la curva de distribución luminosa, este procedimiento considera la intensidad luminosa en el ángulo medio que multiplicado por una constante zonal Kz nos permite definir el flujo acumulado para dicha zona, tal como lo muestra la ecuación 2.16. La constante zonal varía en función de la amplitud de la zona. La Tabla 2.7 muestra valores de constantes zonales para ángulos de 10°. 

                                                                                                             …(2.16)

 

Tabla 2.7. Constantes zonales para 18 ángulos

Zona

Ángulo

Kz

1

5

0.095

2

15

0.283

3

25

0.463

4

35

0.628

5

45

0.774

6

55

0.897

7

65

0.993

8

75

1.058

9

85

1.091

10

95

1.091

11

105

1.058

12

115

0.993

13

125

0.897

14

135

0.774

15

145

0.628

16

155

0.463

17

165

0.283

18

175

0.095

 

El flujo total resulta de la sumatoria de los 18 flujos zonales:

 

                                                                                                             …(2.17)

donde:

Flujo zonal correspondiente a la zona n

 

 

                        2.1.4 Clasificación de la luminaria por su distribución luminosa

 

El Método de Flujos Zonales también resulta de utilidad para clasificar a la luminaria por su tipo de distribución luminosa. Para ello se requiere conocer la cantidad de flujo emitido hacia arriba y hacia abajo, tal como lo definen las ecuaciones 2.18 y 2.19 respectivamente.

 

                                                                                                                 …(2.18)

                                                                                                                 …(2.19)

 

La tabla 2.8 muestra los nombres y criterios para elegir el tipo de fuente de luz artificial.

 

Tabla 2.8. Clasificación IESNA de las fuentes de luz artificial por su distribución luminosa

Tipo

%(90° - 180°)

%(0° - 90°)

Indirecta

90 – 100

0 – 10

Semi-Indirecta

60 – 90

10 – 40

Directa – Indirecta ó General Difusa

40 – 60

40 – 60

Semi - Directa

10 – 40

60 – 90

Directa

0 - 10

90 - 100

 

 

                        2.1.5 Altura de montaje recomendada

 

 Para uso de luminarias en interiores la IESNA propone tres intervalos de alturas de montaje recomendadas en función de la amplitud angular a la que se presenta el 50% de flujo luminoso total emitido (se considera que al menos el 50% del flujo llega al plano de trabajo), tal como lo muestra la tabla 2.9.

 

Tabla 2.9. Alturas de montaje recomendadas al 50% de flujo acumulado

Amplitud

Descripción

Altura de montaje

0° - 60°

Montajes bajos

< 4.5 m

0° - 45°

Montajes medios

4.5 m – 7.5 m

0° - 30°

Montajes altos

> 7.5 m

 

 

                        2.1.6 Criterio de espaciamiento

 

Al diseñar un sistema de iluminación se requiere mantener una uniformidad luminosa que evite la fatiga visual, por ello se establece un modelo matemático que permita equilibrar la luz que ofrece la luminaria seleccionada con su ubicación en el espacio iluminado. La IESNA propone relacionar el espaciamiento con la altura de montaje obteniendo el parámetro que se conoce como criterio de espaciamiento definido por:

                                                                                                                   …(2.20)

donde:

SC = Criterio de espaciamiento

S = Espaciamiento o espacio entre luminarias

HM = Altura de montaje

 

El criterio de espaciamiento óptimo se presenta en el ángulo vertical de la curva de distribución luminosa donde el flujo luminoso acumulado es exactamente la mitad, el criterio de espaciamiento se obtiene dividiendo el ángulo entre 34, esto es:

                                                                                                                 …(2.21)

2.2  Regla de las cinco veces (Regresar)

 

La IESNA, a través de estudios estadísticos, determinó que las mediciones a equipos de iluminación tienden a ser erróneas cuando las pruebas se hacen a una longitud menor a cinco veces la dimensión más grande de la luminaria, por lo que al elegir el tipo de geometría de la misma esto debe tenerse presente. Esta regla aplica a mediciones para la obtención de la curva de distribución luminosa; también para la elección del tipo de luminaria (puntual, lineal ó superficial) respecto a las dimensiones de cuarto; y para calcular el número mínimo de puntos necesarios para una buena simulación o evaluación de cantidad y calidad de luz.  La figura 2.7 muestra la curva de error derivada de la regla de las cinco veces de la IESNA.

3.  Interreflexión de la luz (Regresar)

Como se sabe, una parte de la luz que incide sobre una superficie es absorbida por ésta y otro tanto reflejada. La porción de luz reflejada radia  a otras superficies donde es  absorbida y reflejada también durante un número infinito de veces. Este fenómeno, de repetidos intercambios, es llamado interreflexión. En espacios interiores las superficies iluminadas por interreflexiones llegan a ser fuentes adicionales de luz que deben considerarse cuando se calcula la iluminancia, esta contribución se conoce como Componente Interreflejada.

          3.1 Ecuación de Transferencia de Radiación Luminosa

Para obtener las ecuaciones para calcular la interreflexión en un espacio se define una expresión o modelo de balance de flujo de los elementos característicos que contribuyen al sistema con luz reflejada. El modelo más simple es el de dos superficies reflejantes, sin embargo en interiores deben considerarse el efecto de al menos tres superficies principales que contribuyen con luz reflejada, se consideran entonces tres elementos o zonas: techo, paredes y piso. Las superficies tienen exitancias iniciales  ,  y  respectivamente. Estas exitancias iniciales son debidas al flujo dado por las luminarias sobre las superficies en el interior del cuarto. Considerando esto, las exitancias finales ,  y  son expresadas como sigue:

                                                                       …(2.27)

                                                   …(2.28)

                                                                      …(2.29

donde:

exitancia final en techo.

exitancia final en muros.

exitancia final en piso.

exitancia inicial en techo.

exitancia inicial en muros.

exitancia inicial en piso.

reflectancia en techo.

 reflectancia en muros.

 reflectancia en piso.

 factor de forma de piso a techo.

 factor de forma de piso a muros.

 factor de forma de muros a techo.

 factor de forma de muros a muros.

 factor de forma de muros a piso.

 factor de forma de techo a muros.

 factor de forma de techo a piso.

Con estas tres ecuaciones y los factores de forma, cualquier iluminancia o exitancia interior puede ser determinada.

     La simple geometría rectangular considerada permite determinar seis factores de forma a partir del factor de forma, , entre piso a techo, usando para ello reciprocidad y requerimientos del balance de flujo de radiación luminosa (la suma de todos los factores de forma sobre una sola superficie debe ser 1.0 para un sistema cerrado).

                                                                                                                …(2.30)

                                                                                               …(2.31)

                                                                                    …(2.32)

                                                                                                        …(2.33

En estas ecuaciones Ac y Aw son las áreas de las superficies de techo y piso respectivamente. El modelo de tres superficies es el más simple de todos los modelos de transferencia de flujo para cálculos de iluminación interior.

4. Determinación de la iluminancia media: Método del Lumen (Regresar)

El Método del Lumen es utilizado para determinar la iluminancia media al plano de trabajo en espacios interiores, se define como:

                                                            …(2.3)

                4.1 Coeficiente de Utilización

El Coeficiente de Utilización (CU) es el porcentaje de flujo luminoso proveniente de una lámpara o luminaria que efectivamente llega hasta al plano de trabajo. La intensidad luminosa se distribuye en todo el espacio iluminado y buena parte del flujo o energía luminosa que proviene de las fuentes de luz se distribuye en el techo, en los muros, en el piso y otras superficies y objetos sin ser aprovechada en el plano de trabajo.

En base a lo anterior, el número de lúmenes totales producidos por la lámpara o luminaria multiplicado por el coeficiente de utilización nos permite determinar los lúmenes incidentes en el plano de trabajo, así la ecuación 2.34 se puede expresar como:

                                                                      …(2.35)

La ecuación 2.35 determina la iluminancia media de un sistema de iluminación interior nuevo, para calcular iluminancia a largo plazo deben considerarse factores de depreciación de la luz que multiplican al coeficiente de utilización.

4.2    Método de Cavidades Zonales

Este método, desarrollado por la IESNA, permite calcular magnitudes con las que se determina el coeficiente de utilización de una luminaria, ya sea a través de tablas de fabricantes o por cálculo directo.

     Los datos iniciales requeridos para la determinación del CU, a partir de este método, son las dimensiones del espacio interior iluminado, la altura de montaje, la altura del plano de trabajo, las reflectancias en piso, techo y muros, y la distribución luminosa de la luminaria, que a su vez nos permitirán calcular las cavidades de cuarto y sus reflectancias. La figura siguiente muestra el esquema de  las cavidades de cuarto y sus reflectancias.

4.2.1           Reflectancia efectiva en cavidades

Para determinar la reflectancia efectiva en las cavidades es necesario conocer las reflectancias medias de piso, techo y muros, así como las dimensiones del local iluminado y las alturas de cada una de las cavidades, tal como se mostró en la figura 2.11.

Para determinar la reflectancia efectiva en cavidades es posible recurrir al uso de tablas para diferentes combinaciones de reflectancias de cuarto (tal como las tablas que se muestran en la figura 9.27, capítulo 9, del Manual de Iluminación de la IESNA, Novena Edición), o bien, emplear las expresiones que dan origen a dichas tablas.

     En el primer caso es necesario calcular las relaciones de cavidad de piso, de techo y de cuarto y relacionarlas con las tablas mencionadas. Las expresiones están dadas por:

                                                                                                     …(2.36)

                                                                                                      …(2.37)

                                                                             …(2.38)

 

donde:

CCR = Relación de cavidad de techo

RCR = Relación de cavidad de cuarto

FCR = Relación de cavidad de piso

hcc = Altura de cavidad de techo

hrc = Altura de cavidad de cuarto

hfc = Altura de cavidad de piso

L = Largo del cuarto

W = Ancho del cuarto

 

    Para calcular las reflectancias efectivas en cavidades de manera directa debe considerarse que una cavidad consiste en cuatro paredes con un factor de reflexión  y una reflectancia base  (reflectancia de techo o de piso). La reflectancia efectiva, , de esta cavidad es la relación del flujo reflejado hacia fuera y el total del flujo de la cavidad actual. Si se asume que las reflectancias y el flujo de toda la cavidad son perfectamente difusos, es posible calcular la reflectancia efectiva de esta cavidad usando teoría de transferencia de  flujo. El resultado está dado por la ecuación 2.39.

                                         …(2.39 

donde:

 Áreas de la base y las paredes de la cavidad, respectivamente

 Reflectancias de la base y las paredes de la cavidad, respectivamente

= Factor de forma entre la apertura y la base de la cavidad (cavidad: techo o cavidad: piso).

   El factor de forma  en la ecuación 2.39 está dado por la ecuación 2.40.

                           …(2.40)

donde x y y toman los siguientes valores:

                                                                           …(2.41a)

                                                                           …(2.41b)

4.2.2           Método del Lumen para Coeficientes de Utilización (Regresar)

Con propósitos computacionales el coeficiente de utilización se calcula definiendo, en primer lugar,  las ecuaciones 2.37 y 2.39, así como las ecuaciones 2.18 y 2.19. La ecuación 2.42 describe el cálculo del coeficiente de utilización:

…(2.42)

donde:

CU = Coeficiente de Utilización

Reflectancia de muros o paredes

Reflectancia efectiva en cavidad de techo y en cavidad de piso, respectivamente

RCR = Relación de cavidad de cuarto

Flujo luminoso emitido por la luminaria hacia arriba y hacia abajo respectivamente (en p.u., respecto al flujo inicial de la luminaria proporcionado por el fabricante).

 Componente directa al plano de trabajo

 Parámetros de relación de reflectancias de cuarto y reflectancias de cavidades.

 

4.2.2.1      Componente directa al plano de trabajo

La componente directa  se refiere a la fracción de flujo hacia abajo de luminaria que incide directamente sobre el plano de trabajo y se define por la ecuación 2.43: 

                                                                                                       …(2.43)

 

donde:

 Flujo luminoso (lm) emitido hacia abajo por la luminaria

 Flujo zonal (lm) para cada una de las primeras 9 zonas del método de Flujos Zonales

G = Relación de cavidad de cuarto

 Multiplicadores zonales

      El multiplicador zonal es la fracción de flujo hacia abajo directamente incidente sobre el plano de trabajo (por debajo de la superficie virtual de cavidad de cuarto) para cada zona N. Los multiplicadores zonales están en función de la relación de cavidad de cuarto y son descritos por  la ecuación 2.44. 

                                                                                                                …(2.44)

donde A y B son constantes definidas por la IESNA y se muestran en la tabla 2.10.

Tabla 2.10. Constantes para la ecuación de Multiplicador Zonal

Zona (N)

A

B

1

0

0

2

0.041

0.98

3

0.070

1.05

4

0.100

1.12

5

0.136

1.16

6

0.190

1.25

7

0.315

1.25

8

0.640

1.25

9

2.10

0.80

                                     

4.2.2.2      Parámetros de relación de reflectancias de cuarto y reflectancias de cavidades

Los parámetros se definen según las ecuaciones 2.45 a 2.49.

                                                                   …(2.45)

                                                                                                 …(2.46)

                                                                                                 …(2.47)

                                                                                                            …(2.48)

donde:

 Reflectancia de muros

Reflectancia efectiva en cavidad de techo

 = Reflectancia efectiva en cavidad de piso

 Factor de forma entre la cavidad de techo y la cavidad de piso.

     El factor de forma entre cavidad de techo y cavidad de piso se define en la ecuación 2.49.

                                                             …(2.49)

 

5. Algoritmo general para cálculos de iluminación (Regresar)

La IESNA en su “HandBook”, propone un algoritmo general para el cálculo de sistemas de iluminación que consiste en los siguientes seis pasos:

1.        Determinar las cantidades a ser calculadas.

2.        Identificar luminarias y la información que las describe.

3.        Determinar la exactitud, complejidad y detalles de los cálculos.

4.        Identificar los requerimientos geométricos, reflectancias y otros datos auxiliares.

5.        Determinar las ecuaciones apropiadas o los procedimientos computacionales.

6.        Resolver las ecuaciones y completar los procedimientos.

 

1. Determinar las cantidades a ser calculadas. Es el primer paso en el proceso de cálculo. Se requiere determinar lo que necesita ser calculado y los requerimientos de exactitud de cálculo. Algunas cantidades que se consideran para ser calculadas son:

·          Iluminancia promedio a una superficie

·          Iluminancia a un punto

·          Exitancia promedio y luminancia promedio a una superficie

·          Exitancia y luminancia a un punto

 

2. Identificar la geometría de la luminaria y la curva o datos de distribución de la intensidad luminosa. Para propósitos computacionales la fuente de luz artificial puede ser categorizada por su tamaño y dimensiones respecto a las distancias en un plano que se computan para ser calculadas. Esto resulta común cuando se usa la regla de las cinco veces para hacer la determinación de la geometría de la luminaria. Esta regla establece que si la distancia entre la luminaria y el punto computado es más grande que cinco veces la dimensión a lo largo de la luminaria, entonces ésta puede ser considerada como una fuente puntual. Para categorizar el tamaño de luminarias se plantean los siguientes criterios:

 

·          Si las dos dimensiones de la luminaria son más pequeñas que un quinto de la distancia computada a un punto que será calculado (generalmente se considera la altura de montaje), la luminaria es considerada como una fuente puntual.

·          Si sólo una de las dimensiones de la luminaria es más grande que un quinto de la distancia a ser computada, la luminaria es considerada como una fuente lineal.

·          Si las dos dimensiones de la luminaria son más grande que un quinto de la distancia computada a un punto que será calculado (altura de montaje), la luminaria es considerada como una fuente superficial.

 

Con propósitos computacionales la distribución de la intensidad luminosa es considerada difusa o no difusa. Una distribución difusa de intensidad luminosa se define como:

 

I(θ, Ψ)=In cos θ

Donde:

In = Intensidad luminosa normal (n) a la superficie luminosa.

θ = Ángulo de inclinación medido desde la normal.

Ψ = Ángulo azimutal

 

Una distribución difusa de intensidad luminosa no depende del ángulo azimutal Ψ y es axialmente simétrica a la normal de la superficie luminosa. La distribución difusa muestra una intensidad que sólo varía con el coseno del ángulo de inclinación θ.

     Si la luminaria tiene una distribución de intensidad luminosa dada por I(θ, Ψ), y si la relación

difiere de 1.0 por más del 10% para cualquiera de las intensidades, entonces la distribución es considerada como no difusa. La mayoría de las fuentes eléctricas de luz artificial son no difusas y es posible que se presenten errores significativos si su distribución es tratada como difusa.

3. Determinar la exactitud y la complejidad. La exactitud en el proceso de cálculo determina la complejidad del mismo. Para diseño de iluminancia para visión y visibilidad general en un sistema de iluminación es suficiente con una exactitud de ± 25%. Para determinar el contraste de materiales sobre los cuales se lee se requieren cálculos con una exactitud de ± 10%. Con propósitos legales, de especificación o comparación la exactitud en los cálculos debe ser de ±5%. Una exactitud de este tipo es lo máximo que puede ser esperado por instrumentos de medición y simuladores computacionales. La Tabla 2.11 muestra la exactitud esperada en diferentes tipos de cálculo.

 

Tabla 2.11. Exactitud esperada en cálculos según datos de considerados

Información disponible de la lámpara o luminaria

 

Información supuesta para los cálculos

 

Tipos de cálculos posibles

 

Exactitud

Potencia y eficacia

Eficiencia de la luminaria

Iluminancia media

± 100%

Intensidad luminosa

Flujo luminoso de  0° a 45°

Iluminancia media

± 25%

Intensidad luminosa y  Coeficiente de utilización

 

Ninguna

Iluminancia media y Exitancia media

 

± 10%

Distribución luminosa

 

Ninguna

Iluminancia, Exitancia y luminancia a cualquier punto.

 

± 5%

     La complejidad está determinada por la geometría del cuarto o espacio a ser iluminado y la geometría de la luminaria; mientras más complejo es el cálculo más exacto resulta.

 

4. Identificar requerimientos geométricos, reflectancias y datos auxiliares.

Datos geométricos. Dimensiones de cuarto, tamaño de particiones orientación de la superficie, inclinación del techo.

Reflectancias. Se requieren los valores medios de las reflectancias de todas las superficies del cuarto (muros, piso y techo).

Datos auxiliares. Se requieren para aplicaciones particulares como en  carreteras y áreas deportivas.

5. Determinación de ecuaciones apropiadas. Las ecuaciones apropiadas para cálculos de iluminancias medias (Emed) al plano de trabajo con exactitud ± 100% son:

para componente directa

…(2.50)

para luz indirecta

…(2.51)

 

El factor 0.80 es un valor promedio razonable del factor de forma entre el techo y el piso, para cuartos típicos este factor es la fracción de flujo luminoso emitido por el techo y que recibe el piso.

 

Para componente directa con exactitud de ±25%,  la iluminancia media (Emed)  se calcula como sigue:

…(2.52)

 

La cantidad entre 0° y 45° es un valor razonable para los lúmenes de la luminaria (flujo luminoso) que recibe el piso directamente en cuartos de proporciones típicas.

Para iluminación directa e indirecta con exactitud de ± 10% se usa:

 

…(2.53)

Par exactitud del ±5% se debe conocer la distribución de intensidad luminosa de la luminaria. Las ecuaciones apropiadas para cálculo de la componente directa se muestran en la Tabla 2.12.

 

Tabla 2.12. Ecuaciones para el cálculo de componente directa con exactitud ±5%

Geometría de la fuente de luz artificial

Ecuación

 

Distribución Difusa

 

Distribución No Difusa

Punto

Ley de la inversa del coseno cuadrado

Ley de la inversa del coseno cuadrado

 

Línea

Factor de configuración para una fuente línea a un punto.

Ley de la inversa del coseno cuadrado, la línea es discretizada en piezas tratadas como fuentes puntuales.

 

Área

Factor de configuración para una fuente área a un punto

Ley de la inversa del coseno cuadrado, el área es discretizada en piezas tratadas como fuentes puntuales.

 

6. Resolver ecuaciones. Cuando el problema es pequeño las ecuaciones se pueden resolver a mano con calculadora o con alguna hoja electrónica de cálculo. Cuando la complejidad aumenta es recomendable usar aplicaciones computacionales personales o comerciales.

 

6. Evaluación de sistemas de iluminación. Calidad y cantidad de luz (Regresar)

Calidad y cantidad de luz  se refieren a las magnitudes de iluminación necesarias y su distribución en el espacio que garanticen el confort visual. La IESNA, máxima autoridad en Iluminación de nuestro continente (América) ha proporcionado los procedimientos para evaluar la calidad y cantidad de luz en los sistemas de iluminación interior y exterior a través de tres métodos: El método completo o de punto por punto; el método de los catorce puntos para interiores y el método de los 21 puntos para exteriores. Para los fines que convienen a este trabajo sólo se hace referencia al primer método.

 

                6.1 Método Completo o de Punto por punto

Éste es el método más exacto para evaluar un Sistema de Iluminación ya que nos permite evaluar un gran número de puntos en el espacio y así obtener el mayor número de indicadores de calidad. La evaluación se realiza directamente sobre el plano de trabajo; en este método también se incluye la toma de datos para evaluar reflectancias de los muros, techo y piso, así como de sus objetos adyacentes.

     Para su desarrollo se requiere conocer las dimensiones del local a evaluar como son:

·               Largo del local en metros (l)

·               Ancho del local en metros (a)

·               Altura de montaje en metros (HM)

·               Plano de trabajo en metros

     El plano de trabajo es la longitud en metros del suelo a una superficie virtual donde generalmente se realizan las actividades para las cuales fue destinada la iluminación. Por lo regular es de 0.85 m, sin embargo es conveniente referirse a la altura real del espacio evaluado.

     La altura de montaje es la longitud en metros del plano de trabajo a la superficie virtual formada por el punto de emisión de luz de las lámparas o luminarias según sea el caso.

     El local se debe dividir en celdas donde se realizará la medición con el luxómetro. La IESNA recomienda que el tamaño máximo de la celda no deba ser mayor a la longitud obtenida de dividir la altura de montaje entre 5 (Regla de las cinco veces), esto es:

HM / 5 > celda

Con la longitud máxima de la celda es posible obtener un número exacto de celdas a lo ancho y a lo largo del local. Al centro de estas celdas se toman las distintas mediciones con el luxómetro, esto permite construir una matriz de resultados.

                6.2  Indicadores de Calidad (Regresar)

Los Indicadores de Calidad obtenidos de la aplicación del Método Punto por punto son ocho: iluminancia media, iluminancia máxima, iluminancia mínima, factor de uniformidad, relación de uniformidad, “rating” de iluminancia, factor de eficacia y factor de reflexión.

                                6.2.1 Iluminancia media

Es el único indicador de Calidad previsto por la NOM-025-STPS-1999 respecto a iluminación en el plano de trabajo. La iluminancia media resulta de la media aritmética de todo el conjunto de datos que forman la matriz de iluminancias punto por punto.

                                6.2.2 Iluminancia máxima

 La IESNA recomienda que no deba ser mayor a 1.25 de la Iluminancia Media.

                                6.2.3 Iluminancia mínima

La IESNA recomienda que no deba ser menor a 0.85 de la Iluminancia Media.

                                6.2.4 Factor de uniformidad

Es la relación que existe entre el valor más bajo de iluminancia al plano de trabajo y el valor más alto al mismo. La IESNA recomienda que sea mayor a 0.6, ya que de lo contrario se pueden presentar espacios obscuros combinados con espacios altamente iluminados, fenómeno que se conoce como Efecto Cebra.

                                6.2.5 Relación de uniformidad

 Resulta de dividir la iluminancia mínima al plano de trabajo entre la iluminancia media del mismo. La IESNA recomienda que el cociente sea mayor a 0.8.

                                 6.2.6 Rating de iluminancia

 Como se sabe el “rating” es un criterio probabilístico en la ocurrencia de un evento medido. Para el caso particular esto significa la probabilidad que se tiene para que al medir cualquier punto de un lugar iluminado tenga al menos la iluminancia mínima señalada por la NOM-025-STPS-1999.. En nuestro caso es importante determinar el “rating“de la iluminación considerando un valor objetivo (valor mínimo indicado por la NOM según las características del lugar evaluado), para ellos deberá dividirse el número de puntos que cumplan con el valor propuesto, ya sea mayor o igual, sobre el número de puntos evaluados multiplicando finalmente por 100, esto es:

 

En el caso de sistemas de iluminación el “rating” se considera como aceptable cuando es de al menos el 50%.

                                6.2.7 Factor de eficacia

 Resulta del cociente entre el producto de la Iluminancia Media con el área total del Sistema evaluado y la potencia total instalada en iluminación. La IESNA considera como un valor aceptable el de 16  lm/watt.

                                6.2.8 Factor de reflexión 

Se refiere a la cantidad de luz, expresado en p.u. o en %, que se refleja de las superficies principales del espacio interior. El procedimiento recomendado por la IESNA para casos de evaluación consiste en dividir el total del área de muros, piso y techo en otras áreas, que por su tamaño y color, resultan significativas. En cada una de estás áreas deberán tomarse diez mediciones en lugares aleatorios o predefinidos por el evaluador. Las mediciones se realizan colocando la cabeza de iluminancia del luxómetro sobre el punto, ésta se conoce como luz incidente; luego sobre el mismo punto se realiza otra medición a una distancia de 15 a 20 cm del punto a evaluar obteniendo como medida la luz reflejada.     El factor de reflexión para cada punto se obtiene de la siguiente manera:

 

 

También se debe obtener el factor de reflectancia del objeto total evaluado, lo cual se logra obteniendo el promedio. Así mismo deben obtenerse las reflectancias promedio de todos los muros, piso y techo. Para obtener estos tres últimos factores resultantes es necesario ponderan el promedio según el tamaño que ocupe cada objeto evaluado respecto al área total de muros, piso y techo respectivamente.

Las mediciones de Iluminancias punto por punto, reflectancias de muros y piso deben realizarse durante la noche, cuando el sistema de iluminación está activado. Las mediciones de reflectancias del techo deben realizarse durante el día con la finalidad de no obtener mediciones incorrectas o valores falsos debidos a la luminosidad generada por las fuentes de luz artificial que penden del techo.

Los resultados de la Iluminancia media y de las reflectancias en techo, muros y cuarto (reflectancia de cuarto, refllectancia total o reflectancia al plano de trabajo) deben compararse con lo indicado en las tablas 1 y 2 del capítulo 7 y 9 de la NOM-025-STPS-1999 respectivamente.

 

Referencias bibliográficas (Regresar)

Chapa Carreón, Jorge. (1994). Manual de Instalaciones de Alumbrado y Fotometría. Primera Edición. Limusa. D.F., México.

IESNA. (1993). [Manual de Iluminación. Referencia y Aplicación]. Lighting Handbook. Reference & Application. Illuminating Engineering Society of North America. 8th. Ed. Marks Rea (Editor en Jefe). New York.

IESNA. (2000). [Manual de Iluminación. Referencia y Aplicación]. Lighting Handbook. Reference & Application. Illuminating Engineering Society of North America. 9th. Ed. Marks Rea (Editor en Jefe). New York.

Martínez Vargas, Felipe. (2004) Apuntes de Proyectos de Iluminación. Instituto Tecnológico de Puebla. Puebla, México. No Publicado.

 

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