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Conceptos básicos Diseño de iluminación exterior
Elaboración: ISR - Universidad de Coimbra - Julio 2017 Traducción: Ecoserveis - Noviembre 2017
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Sobre Ecoserveis
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• Investigación e innovación
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• Dinamización comunitaria
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Nuestras líneas de actuación ¿Quiénes somos?
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Objectivos: - Proporcionar conocimiento sobre los términos técnicos, técnicas y
requisitos para lograr la mejor solución de diseño de iluminación posible;
- Explicar las características técnicas a considerar en el diseño de iluminación.
Iluminación Exterior - Módulo 8 Diseño de iluminación - Conceptos básicos
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Temas: a) Importancia de una buena iluminación exterior b) Requisitos del nivel de iluminación c) Fotometría d) Parpadeo / deslumbramiento e) Depreciación del lumen f) Método Lumen g) Herramientas Software
Iluminación Exterior - Módulo 8 Diseño de iluminación - Conceptos básicos
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Importancia de una buena iluminación exterior
Source: www.truelite.com
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• Existen razones económicas y ambientales por las cuales algunas organizaciones pueden desear reducir la cantidad de iluminación. Sin embargo, existen razones de seguridad por las cuales debe haber unos niveles mínimos de iluminación.
• Seguridad – la iluminación exterior ayuda a mantener seguras las calles, senderos, caminos, monumentos y los espacios al aire libre:
• En las carreteras, puede detectar más fácilmente otros automóviles, objetos o animales y evitar accidentes o colisiones;
• Al caminar por las calles, debe haber un buen reconocimiento facial, evitar irregularidades en las vías, etc.
• Si las entradas, garajes y pasillos oscuros están bien iluminados, se puede fácilmente ver a potenciales intrusos y otras anomalías.
Importancia de una buena iluminación exterior
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• Belleza: tener la iluminación exterior adecuada crea un ambiente agradable en terrazas, patios, edificios y monumentos:
• Ayuda a hacer que el exterior de una casa o monumento histórico sea más atractivo desde la acera;
• Se puede usar para resaltar un cierto detalle en un monumento o calle.
• Un buen diseño de proyecto de iluminación tiene en cuenta la seguridad y proporciona un ambiente más agradable, pero también es relevante considerar otros aspectos importantes como:
• Contaminación lumínica; • Eficiencia energética del sistema; • Coste del Ciclo de Vida (CCV)
Importancia de una buena iluminación exterior
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Requisitos del nivel de iluminación
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- Las instalaciones de alumbrado exterior proporcionan iluminación vial para vehículos de motor en múltiples carriles de tráfico y en aceras y carriles;
- La iluminación exterior también incluye monumentos y las áreas justo al lado de la carretera con paseos peatonales, carriles para bicicletas, carriles de emergencia o solo áreas planas al lado del carril de tránsito;
- La geometría de las áreas de las carreteras a veces puede ser simple (es decir, carril de tráfico único) o en otros casos, puede ser necesario tener en cuenta la curva de una carretera o las áreas de caminos con formas complejas.
Requisitos de nivel de iluminación
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- En cuanto al nivel de iluminación exterior, hay unos requisitos mínimos para especificar la cantidad mínima de luz que puede proporcionar seguridad y buena visibilidad a los peatones y conductores;
- La iluminancia natural puede variar desde unos pocos lux a la luz de la luna hasta 100.000 lux proporcionados por la luz solar en el medio del verano al aire libre;
- Los niveles de iluminación que se consideran satisfactorios con fuentes de luz artificiales son comparativamente bajos:
- 8 a 50 lux en iluminación vial; - 300 a 1000 lux para leer y trabajar; - 1500 a 2000 lux para precisión y trabajo detallado.
Requisitos de nivel de iluminación
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- El nivel de iluminación determina el estado de adaptación de nuestros ojos;
- Además, el nivel de atención necesario y la duración del trabajo a desarrollar tiene un papel importante en la determinación del nivel de iluminación requerido;
- Por lo tanto, cuanto más difícil es el trabajo a nivel visual, más nivel de iluminación se necesita;
- La iluminancia promedio en el plano más relevante suele ser la horizontal, que se utiliza para medir el nivel de iluminación;
- En interiores generalmente se mide en las áreas de trabajo (escritorios, etc.), pero si no es posible, se usa un nivel imaginario (a 75 cm del suelo).
Requisitos de nivel de iluminación
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- En el alumbrado vial, el plano a considerar es la superficie de la carretera;
- En iluminación de áreas donde se realiza deporte, es el área de juego horizontal;
- En muchas situaciones, la iluminación de los objetos verticales es importante: por ejemplo, en la iluminación áreas deportivas, la iluminación de los planos verticales se utiliza como criterio adicional para garantizar una visión adecuada de los jugadores;
- Y en áreas urbanas, donde la delincuencia puede ser un problema, la iluminancia semicilíndrica se utiliza como criterio de iluminación para facilitar el reconocimiento facial.
Requisitos de nivel de iluminación
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- Los requisitos de iluminación de un área pública determinada dependen en gran medida de la clase de iluminación específica;
- Una clase de iluminación se define mediante un conjunto de requisitos fotométricos que apuntan a la visibilidad necesaria para los usuarios de los distintos tipos de calles, carreteras y otras áreas públicas;
- Dado que las necesidades de los peatones difieren mucho de los conductores en muchos aspectos, como la velocidad de movimiento, la proximidad de los objetos, el patrón de superficie, el reconocimiento facial, etc., se utilizan diferentes parámetros (luminancia, iluminancia, etc.) para caracterizar las condiciones mínimas de iluminación de una cierta clase.
Requisitos de nivel de iluminación
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- Las definiciones más ampliamente aceptadas en términos de clases de iluminación, criterios de rendimiento y métodos de medición se pueden encontrar en la serie estándar EN 13201:
• CEN / TR 13201-1: 2014 - Selección de clases de iluminación • EN 13201-2: 2015 - Requisitos de rendimiento • EN 13201-3: 2015 - Cálculo del rendimiento • EN 13201-4: 2015 - Métodos para medir el rendimiento de iluminación • EN 13201-5: 2015 - Indicadores de rendimiento energético
- "CIE * 115-2010 - Recomendaciones para el alumbrado de carreteras para tráfico de vehículos y peatones" incluye recomendaciones sobre los criterios y clases de calidad de iluminación, requisitos para el tráfico, regulación de flujo, etc., para todas las categorías de vías y áreas que se van a iluminar.
*CIE - Commission Internationale d’Eclairage
Requisitos de nivel de iluminación
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Fotometría
Luminancia
Iluminancia
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• La radiación electromagnética cubre una gran diversidad de tipos de radiación que van desde ondas de radio hasta rayos gamma. La luz es una radiación cuyo rango de longitudes de onda (λ) del espectro de radiación electromagnética puede ser detectado por el ojo humano. Este rango es entre ultravioleta (380 nm) e infrarrojo (760 nm).
Fotometría – Luz Visible
La imagen viene de la English Wikipedia (Autor Original: Philip Ronan)
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• La radiometría y la fotometría han desarrollado una serie de métodos y procesos para medir cantidades luminosas;
• Mientras que la radiometría se ocupa de toda la radiación del espectro electromagnético emitido por una fuente, la fotometría solo se inclina sobre la radiación visible (comúnmente conocida como luz);
• La fotometría es la ciencia de medir la luz visible en unidades ponderadas según la sensibilidad del ojo humano;
• Es una ciencia cuantitativa basada en un modelo estadístico de la respuesta visual humana a la luz, es decir, nuestra percepción de la luz, bajo condiciones cuidadosamente controladas.
Fotometría
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• El equivalente fotométrico a la radiancia se llama Iluminancia y se mide en lúmenes por metro cuadrado (Lux);
• La sensibilidad del ojo humano a la luz varía con la longitud de onda. Vemos la luz de diferentes longitudes de onda como un continuo de colores que van del espectro visible: 650nm rojo, 540nm verde, 450nm azul, y así sucesivamente;
• Una fuente de luz con una irradiancia de un Watt/m² de luz verde, por ejemplo, parece mucho más brillante que la misma fuente con una irradiancia de un Watt/m² de luz roja o azul;
• La fotometría no mide Watts/m² de energía radiante. Intenta medir la impresión subjetiva producida por la estimulación del sistema visual ojo-cerebro humano con energía radiante.
Fotometría
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• El ojo tiene una respuesta no lineal a la luz. • Varía no solo con la longitud de onda sino también con la cantidad
de flujo radiante;
• La impresión subjetiva de ver se puede cuantificar para condiciones de visión calificadas como "normales";
• La Commission Internationale d’Eclairage (CIE) pidió a más de un centenar de observadores que igualaran visualmente el "brillo" de las fuentes de luz monocromáticas con diferentes longitudes de onda en condiciones controladas. Tomaron un promedio de diferentes mediciones y como resultado obtuvieron la llamada "respuesta fotópica" percibida por un observador humano "promedio".
Fotometría
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• Hay tres tipos de visión:
• Fotópica - visión en colores (en humanos) bajo condiciones normales de luz diurna (>3 cd/m2). Los conos del ojo están activos;
• Escotópica - visión humana en la oscuridad (<0.001 cd/m2).
Solo las barras de ojo están activadas; • Mesópica - una combinación de visión fotópica y escotópica
en situaciones con poca luz, pero no totalmente oscura. Estas son las condiciones en el alumbrado público, donde tanto conos como los bastones (células fotoreceptoras) del ojo están activos.
Fotometría
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• Rango dinámico del ojo humano
Fotometría
• Los bastones responden a luz de baja luminancia, los conos a alta
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• Respuesta de visión humana escópica y fotópica (curvas de sensibilidad)
Fotometría
Escotópica
Fotópica
Longitud de onda (nm)
Efic
acia
lum
inos
a (lm
/W)
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• La curva de la derecha muestra la respuesta del ojo bajo condiciones normales de iluminación y esto se llama respuesta fotópica;
• Los conos responden a la luz en estas condiciones y también son responsables de la percepción del color humano.
• La curva de la izquierda muestra la respuesta de los ojos a niveles
bajos de luz y se denomina respuesta escotópica. • A un nivel bajo de luz, los bastones son más activos y el ojo
humano es más sensible a cualquier cantidad de luz que esté presente, pero es menos sensible al rango de color;
• Los bastones son muy sensibles a la luz, pero están compuestos por un único pigmento, lo que explica la pérdida de capacidad para discriminar el color.
Fotometría
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• Visión Mesópica
Fotometría
Efic
acia
lum
inos
a (lm
/W)
Longitud de onda (nm)
Mesópica
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• En áreas de intensidad de luz media, la sensibilidad espectral del ojo se encuentra en algún lugar del área entre la visión nocturna y la visión diurna;
• Esto es a menudo cierto al anochecer y al amanecer o bajo las luces de la calle y en nuestros hogares;
• El ojo responde no solo al brillo, sino a la distribución espectral de la luz entrante al decidir cuándo cambiar entre los estados Fotópico y Escotópico;
• Esta visión se llama visión Mesópica y se debe a que tanto los bastones como los conos son necesarios para la visión.
Fotometría
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• Los métodos tradicionales de uso de "Lúmenes Fotópicos" para describir la intensidad de la luz en un área de este tipo subestiman la intensidad de la luz, ya que ignora por completo la contribución de los bastones a la visión o los "Lúmenes Escópicos";
• Los científicos del Laboratorio Lawrence Berkley-EE.UU. Desarrollaron un factor denominado relación Escópica/Fotópica (en inglés Scotopic/Photopic ratio [S/P ratio]). Esta relación ayuda a convertir los lúmenes tradicionales en lúmenes reales percibidos por el ojo en condiciones de luz Mesópica y proporciona una estimación más precisa de la cantidad de luz:
Lúmenes fotópicos * [S/P ratio] = Lúmenes de la pupila
Fotometría
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• Esta relación determina el brillo visual aparente de una fuente de luz;
• Esta es la razón por la cual una lámpara de LED o Inducción de menor vatio, que produce una relación S / P alta, aparece como más brillante o más brillante para el ojo humano que una lámpara de Sodio de Alta Presión (HPS) con el doble de potencia;
• Las lámparas HPS no tienen el espectro de luz necesario para iluminar adecuadamente los objetos y obtener la respuesta óptima de la retina humana en condiciones de iluminación Mesópica.
Fotometría
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Fotometría
60 Vatios LED 140 lm/w – 8,400 [Photópicos] * 1.96 [S/P]= 16,464 [Lumenes de la pupila] 150 Vatios HPS 90 lm/w– 13,500 [Photópicos] * 0.62 [S/P]= 8,370 [Lumenes de la pupila]
S/C Ratios para varios tipos de fuentes de luz
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• Cambios rápidos y repetidos en la intensidad de la luz;
• Luz que parece aletear y ser inestable;
• Se produce cuando cambia el voltaje suministrado a una fuente de luz o cuando el voltaje de la línea de alimentación fluctúa;
• También puede ser causado por defectos o cuando empieza el final de la vida útil de componentes eléctricos y electrónicos de la fuente de luz.
Parpadeo / destello
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• Sensación visual causada por un brillo excesivo e incontrolado. • Puede causar incomodidad, distracción o reducir la capacidad para
observar información esencial. Está directamente relacionado con la seguridad vial.
Deslumbramiento
Ejemplo de iluminación que puede deslumbramiento y molestias
Ejemplo de cómo la reducción del deslumbramiento mejora las condiciones de iluminación
Fuente: lighting research center (www.lrc.rpi.edu)
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• Es causado por la presencia de fuentes brillantes (por ejemplo, luminarias) en el campo de visión del observador. Se consideran dos tipos de brillo:
• Discomfort glare (incomodidad debida al deslumbramiento) • El deslumbramiento causa una desagradable sensación de
incomodidad cuando está en el campo de visión. Se considera un criterio subjetivo ya que la sensibilidad de los observadores varía de persona a persona.
• Disability glare (discapacidad debida al deslumbramiento) • Este tipo de deslumbramiento reduce efectivamente la visibilidad.
Las fuentes de luz hacen que el brillo se superponga en la imagen capturada en la retina, lo que da como resultado una reducción del contraste de la imagen, reduciendo la capacidad de distinguir pequeños contrastes y / u objetos pequeños.
Deslumbramiento
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Depreciación del lumen con el tiempo
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• La depreciación del lumen es el proceso por el cual la producción total de lúmenes que la fuente de luz produce inicialmente, disminuye durante su vida útil;
• La velocidad a la que se deprecia puede depender de una multitud
de factores que incluyen (pero no están limitados a): • tipo de tecnología de iluminación utilizada; • número de ciclos de encendido / apagado y horas totales
utilizadas; • problemas de instalación; • temperatura, humedad, presión…
Depreciación del lumen
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• La planificación de la depreciación del lumen y otros factores de pérdida de luz es crucial para una luminancia adecuada a lo largo de la vida de los aparatos de iluminación;
• El factor de mantenimiento es una estimación de cuánto se reduce el nivel inicial de lux dentro de un esquema de iluminación;
• El factor de mantenimiento es importante porque nos dice cuánta luz habrá en un espacio después de unos años de operación;
• Esto permite planear e instalar apropiadamente la cantidad adecuada y correcta de accesorios de iluminación en el edificio en el presente, a fin de tener los lúmenes correctos al final de la vida útil del sistema.
Depreciación del lumen
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• Estos cálculos conducen a aumentos obvios en los costes de capital y el consumo de energía extra de los accesorios adicionales que deben instalarse para compensar la depreciación del lumen durante la vida útil del sistema;
• La producción de lúmenes puede descender a niveles tales que las instalaciones ya no cumplan con los niveles requeridos como se detalla en la legislación;
• Para no tener este tipo de problemas, los dispositivos que ofrezcan una "salida de luz constante" deben garantizar que los niveles de salida del flujo luminoso sean constantes a lo largo de la vida útil de un dispositivo;
Depreciación del lumen
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• Esta estrategia se logra aumentando el porcentaje de salida des del controlador de la lámpara, calculado de acuerdo con el número de horas de uso de la fuente de luz;
• Mientras que factores como la acumulación de tierra todavía son problemas que deben abordarse incluso con un accesorio de este tipo, esta estrategia reduce los costes de mantenimiento para lidiar con el problema de la depreciación de la luz;
• Además de eso, al implementar este tipo de tecnología en lugar de simplemente instalar más luces, puede reducir enormemente los costes tanto de los accesorios como del consumo de energía, que pueden sumarse rápidamente al lidiar con la depreciación del lumen.
Depreciación del lumen
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• Algunos fabricantes incluyen en sus luminarias, componentes electrónicos especiales (comunicación, microprocesadores), para compensar la depreciación del lumen durante su vida útil (es decir, dispositivos LED inteligentes con comunicaciones);
• A diferencia de las luminarias convencionales que reducen la
producción y finalmente fallan, los productos LED normalmente no fallan repentinamente. En cambio, la salida de luz se reduce suavemente con el tiempo;
• La regla normal es medir la vida desde cuando la salida se ha reducido en un 30% (es decir, cuando queda un 70% de salida de luz). Esto se cita a menudo como la vida L70 y se mide en horas.
Depreciación del lumen
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• En el diseño de iluminación, el método de cálculo del lumen proporciona una forma simplificada para calcular el nivel de luz para un espacio específico (camino, habitación, etc.);
• Dicho método consiste en una serie de cálculos que utiliza criterios de iluminancia horizontal para establecer un diseño de luminaria uniforme;
• En su forma más simple, el método lumen es simplemente el número total de lúmenes disponibles en una habitación dividida por el área de la habitación;
• Para realizar este cálculo, se deben recopilar muchos factores, coeficientes, datos de la luz de la lámpara y otras cantidades;
• Por lo general, se usa una herramienta de software para realizar los cálculos (es decir el programa Dialux).
Método lumen
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Instalación de la iluminación: cálculo de la luminancia
Source: Indalux
La luminancia en un punto de la carretera se calcula con la siguiente fórmula:
Donde la suma (Σ) comprende, en teoría, todas las luminarias en la instalación. Los valores de intensidad luminosa (I (c, γ)) y el coeficiente de luminancia reducido (r (β, tg γ)) se obtienen mediante la interpolación cuadrada de la matriz de intensidad del alumbrado y la tabla de reflexión del pavimento (table reflection chart) La variable "h" es la altura máxima de la luminaria (ver figura).
𝐿𝐿 = �[𝐼𝐼 𝑐𝑐, 𝛾𝛾 ∗𝑟𝑟 𝛽𝛽, tg 𝛾𝛾
ℎ2 ] (𝑐𝑐𝑐𝑐/𝑐𝑐2)
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Cálculo de iluminancias horizontales
Source: Indalux
La iluminancia horizontal en un punto de la carretera se calcula con la siguiente fórmula: E = �[𝐼𝐼 𝑐𝑐, 𝛾𝛾 ∗ cos
3 𝛾𝛾ℎ2
] (𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙𝑙)
𝛾𝛾 es el ángulo formado por la dirección de incidencia en el punto con la vertical (ver figura). La suma (Σ) comprende, en teoría, todas las luminarias en la instalación. Los cálculos de iluminancia se verán afectados por un factor de mantenimiento.
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• Factor de Mantenimiento (FM) importante en la fase de planificación de instalaciones de iluminación;
• FM expresa la reducción habitual de la luminosidad durante la vida
útil de un sistema de iluminación; • FM es el producto de otros cuatro factores:
• FM = FMLL x FSL x FML x FMH • FMLL = factor de mantenimiento de la luz de la lámpara; • FSL = factor de supervivencia de la lámpara; • FML = factor de mantenimiento de la luminaria; • FMH = factor de mantenimiento en una habitación
Método de diseño del lumen
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• El factor de mantenimiento de la luz de la lámpara (FMLL) es la proporción de la salida de luz inicial de una lámpara producida después de un tiempo establecido, en relación con la luz producida cuando es nueva;
• Hace que pueda haber una disminución de la salida del lumen de
una lámpara con el tiempo. Su valor se puede determinar de dos maneras:
• (a) consultando el catálogo de un fabricante de lámparas para una tabla de depreciación del lumen, y (b) en una instalación en funcionamiento, dividiendo los lúmenes en el momento por las lámparas en él momento de instalación.
Método de diseño del lumen
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• El factor de supervivencia de la lámpara (FSL) tiene en cuenta la variación de la vida útil de las lámparas individuales con respecto a la vida media de las lámparas;
• El FSL depende de la vida útil de la lámpara;
• Aquí se deben tener en cuenta los últimos datos proporcionados por los fabricantes de lámparas;
• Si las lámparas defectuosas se reemplazan de inmediato, el factor de supervivencia de la lámpara que se aplica es FSL= 1;
• El plan de mantenimiento para una instalación de iluminación también debe especificar la frecuencia óptima de reemplazo de la lámpara. Esto depende del grado de uso de la lámpara y se determina analizando el período de iluminación y la vida útil media de las lámparas específicas.
Método de diseño del lumen
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• El factor de mantenimiento de la luminaria (FML) es la proporción de la salida de luz inicial de una luminaria después de un tiempo establecido, a la salida de luz inicial de una lámpara después de un tiempo establecido;
• Se debe sobre todo a la acumulación de suciedad en la luminaria. Deben considerarse tres factores en su determinación:
• (a) el tipo de luminaria, • (b) condiciones ambientales (por ejemplo, ambientes
polvorientos), y • (c) interval de mantenimiento.
Método de diseño del lumen
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• El factor de mantenimiento de la habitación (FMH) es la proporción de la iluminación que una instalación de iluminación nos da en una habitación después de un tiempo establecido en comparación con la que nos dio cuando la habitación estaba limpia;
• Hay que tener en cuenta que la suciedad se acumula en la superficie de la habitación y reduce la reflectancia de la superficie;
• Limpiar las habitaciones a intervalos regulares o pintar de manera que tengan un alto coeficiente de reflexión durante un período prolongado, es la base de un factor de mantenimiento de la superficie de la habitación elevada;
• Si una pared está sucia, no puede reflejar tanta luz como cuando estaba limpia, por lo que se reduce el nivel de luz general en el espacio.
Método de diseño del lumen
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Herramientas Software
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• Los diseñadores de iluminación utilizan el software como herramienta de diseño para complementar y contribuir al proceso de diseño, para cualquier cosa: desde cálculos complejos hasta representaciones de presentación;
• Hay disponibles potentes herramientas de software gratuitas para el diseño de iluminación, ya con bases de datos completas de varias características técnicas detalladas de fuentes de luz de diferentes fabricantes;
• Estas herramientas de software pueden realizar cálculos complejos, ayudar en el análisis del espacio o incluso proporcionar al cliente una representación fotorrealista del espacio que se iluminará.
Herramientas Software
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• El software de iluminación calcula la iluminancia (la cantidad de flujo luminoso por unidad de área) y la luminancia (la intensidad de la luz emitida desde una superficie por unidad de área en una dirección dada) de las superficies y las disposiciones para exportar los datos de cálculo de iluminación;
• Algunos de los principales paquetes de software de cálculo que más se usan en las oficinas de diseño de iluminación en todo el mundo incluyen:
• DIALux (https://www.dial.de/en/dialux/) • Relux (https://relux.com/en/) • Radiance (https://www.radiance-online.org/) • AGI32 (http://www.agi32.com/)
Herramientas Software
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• DIALux
Herramientas Software
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• Relux
Herramientas Software
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Socios de Premium Light Pro
Financiado por la Comisión de la Unión Europea (UE) en el marco del programa Horizonte 2020
Socios de la UE
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Socios de Premium Light Pro
Nombre País Organización Email Bernd Schäppi Austria Austrian Energy Agency
www.energyagency.at
Michal Stasa República Checa SEVEn
www.svn.cz
Caspar Kofod Dinamarca EnergyPiano [email protected] Anibal T. De Almeida Portugal Institute for Systems and
Robotics, University of Coimbra [email protected]
Stewart Muir Reino Unido Energy Saving Trust
www.energysavingtrust.org.uk/
Boris Demrovski Alemania CO2ONLINE
www.co2online.de
Andrea Roscetti Italia Politecnico Milano http://www.energia.polimi.it/index.php
Aniol Esquerra España Ecoserveis
www.ecoserveis.net
Łukasz Rajek Polonia FEWE The Polish Foundation for Energy Efficiency
www.fewe.pl
