proyecto: diseÑo y dimencionamiento de sistemas de
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Universidad Politécnica de Sinaloa
Ingeniería en Energía
PROYECTO: DISEÑO Y DIMENCIONAMIENTO DE SISTEMAS
DE ILUMINACION NATURAL PARA LA PLANTA
EMPACADORA (MAZAZUL ORGANIC’S, VILLA UNION)
ARMANDO MEDINA RODRÍGUEZ
Departamento: mantenimiento
Tesina presentada como requisito parcial para optar el título de:
Licenciado en Ingeniería en Energía
Asesores:
Ing. Miguel Ángel Valle Ontiveros
M.C. Carlos Mellado Osuna
Mazatlán- Sin. 23/10/15
1
Resumen
En este documento se muestra la metodología que se siguió para lograr adaptar la
cantidad y el sistema de iluminación adecuados para áreas de la planta
empacadora Mazazul Organic´s, Villa Unión; donde es más conveniente la
aplicación de esta tecnología. Además, la realización del diseño del sistema de
iluminación natural a utilizar con la ayuda de la herramienta Sketchup y el diseño
de la planta con el objetivo de conocer las áreas de sombra en las diferentes
estaciones del año y horarios, logrando el mejor lugar para la instalación.
También se muestran los resultados obtenidos en la simulación del programa
Dialux que sirven para obtener la información necesaria al momento del
dimensionamiento del área estudiada.
Este proyecto se justifica por los ahorros energéticos que se obtendrán una vez el
sistema sea puesto en funcionamiento, ya que aprovecharan la luz natural
sustituyendo parte de la luz artificial sin comprometer los niveles de iluminación
establecidos por la Norma Oficial Mexicana ya que se contara con iluminación de
emergencia que garantiza los niveles de iluminación constantes. Al final del
documento se presenta el tiempo de amortización de la inversión.
Palabras clave
Ahorro energético, luz natural, diseño, mejorar
Abstract
This document shows steps followed to adapt the necessary amount and adequate
lighting system natural in different areas of Mazazul Organic's, Villa Union. Also to
design a lighting system natural using Sketchup, in these steps is carried out
Dialux simulation to get the information about the plant´s areas to provide
lighting demand established by Mexican Official Standard. This project will have
2
significant energy savings and it will prevent carbon dioxide emissions into the
atmosphere. At the end of the document the payback time is displayed as inversion
made.
Key words
Energy saving, natural light, design, improve
3
Contenido Lista de tablas ................................................................................................................................... 7
Introducción ....................................................................................................................................... 8
Capítulo 1 marco conceptual ........................................................................................................ 10
1.1 La empresa ...................................................................................................................... 10
1.1.1. antecedentes históricos de la empresa............................................................... 10
1.1.2. Descripción del espacio geográfico y físico de la empresa. ............................ 10
1.1.3. Actores involucrados en la empresa ................................................................... 11
1.2 planteamiento del problema .............................................................................................. 12
1.2.1. Desarrollo de la tecnología ........................................................................................ 13
1.2.2. Áreas de oportunidad para el implemento de la tecnología ................................. 14
1.2.3. Normativa ..................................................................................................................... 15
1.2. Justificación ..................................................................................................................... 17
1.2.1. Evidencias del problema a solucionar ................................................................. 17
1.2.2. Razón de la estrategia a implementar ................................................................. 17
1.2.3. Beneficios en el futuro de la estrategia a implementar ..................................... 18
1.3. objetivos ........................................................................................................................... 18
1.3.1. objetivo general ....................................................................................................... 18
1.3.2. Objetivos específicos ............................................................................................. 18
Capítulo 2. Marco teórico .............................................................................................................. 19
2.1. Iluminación natural ............................................................................................................. 19
2.2. Criterios a considerar ......................................................................................................... 22
2.3. Sistema de iluminación ...................................................................................................... 23
2.4. Sistema de control .............................................................................................................. 25
2.5. Herramientas de simulación.............................................................................................. 26
Capítulo 3: Metodología ................................................................................................................ 27
3.1 Diseño 3D de la plata .......................................................................................................... 27
3.1.1. Toma de datos ............................................................................................................. 27
3.1.2. Levantamiento de la planta ........................................................................................ 27
3.2. Diseño del sistema de iluminación natural ..................................................................... 31
3.2.1. Ducto reflejante ............................................................................................................ 31
3.2.2. Cúpula ........................................................................................................................... 34
4
3.2.3. Reflector ........................................................................................................................ 36
3.2.4. Difusor de luz ............................................................................................................... 37
3.2.5. Diseño 3D del producto .............................................................................................. 38
3.3. Simulación ........................................................................................................................... 44
3.3.1. Área de proceso .......................................................................................................... 45
3.3.3. Recepción ..................................................................................................................... 51
3.4. Control de iluminación........................................................................................................ 52
3.4.1. Tipo de lámparas ......................................................................................................... 53
3.4.2. Conexión ....................................................................................................................... 53
3.5. Energía aprovechada y precio ......................................................................................... 55
3.5.1. Costo total (comedor) ................................................................................................. 55
3.5.2. Energía aprovechada (comedor) .............................................................................. 56
3.5.3. Costo total (proceso) ................................................................................................... 58
3.5.4. Energía aprovechada (proceso) ................................................................................ 60
3.5.5. Costo total (recepción) ................................................................................................ 62
3.5.6. Energía aprovechada (recepción) ............................................................................ 63
Capítulo 4: resultados y discusiones ........................................................................................... 65
4.1. Comedor ............................................................................................................................... 65
4.2. Proceso ................................................................................................................................ 69
4.3. Recepción ............................................................................................................................ 71
4.4. Ahorros ................................................................................................................................. 74
4.5. Gastos .................................................................................................................................. 74
4.6. Tiempo de amortización .................................................................................................... 75
4.5. Sistema instalado ............................................................................................................... 75
Capítulo 5: conclusiones y recomendaciones ............................................................................ 79
5.1. Conclusiones ....................................................................................................................... 79
5.2. Recomendaciones .............................................................................................................. 79
Referencias ..................................................................................................................................... 80
5
Lista de imágenes
Imagen 1.1. ubicación de la planta .............................................................................................. 11
Imagen 1.2. Vista satelital la planta. ........................................................................................... 11
Imagen 1. 3. Organigrama Mazazul Organic´s Villa Unión ......... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 2.1. Espectro electromagnético. .................................................................................... 19
Imagen 2.2. Dispersión de la luz en todas direcciones. ........................................................... 20
Imagen 2.3. Ley del cuadrado inverso aplicado a la luz. ......................................................... 21
Imagen 2.4. Sistema de tubo solar. ................................................ ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 2.5. Laminas traslucidas instaladas. ................................ ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 2.6. Dispersión de la luz ..................................................... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.1. Vista con techo descubierto del comedor. ............................................................ 28
Imagen 3.2. Área de proceso. ...................................................................................................... 28
Imagen 3.3. Recepción. ................................................................................................................. 29
Imagen 3.4. Vista frontal de la planta. ......................................................................................... 29
Imagen 3.5. Vista lateral derecha de la planta. ......................................................................... 30
Imagen 3.6. Vista lateral izquierda de la planta. ........................................................................ 30
Imagen 3.7. Variación del ángulo del rayo incidente hacia el tubo. .......... ¡Error! Marcador no
definido.
Imagen 3.8. Tecnología usada por algunos proveedores. .......... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.9. Cúpula de acrílico simple. .......................................... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.10. Reflector empleado por Solatube. .......................... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.11. Refractor prismático de luz tipo panal de abeja ... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.12. Diseño del difusor de luz. ...................................................................................... 38
Imagen 3.13. Reflector ubicado en el tubo. ................................... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.14. Sombras de invierno, mañana y tarde. ............................................................... 39
Imagen 3.15. Sombras de otoño, mañana y tarde. ................................................................... 40
Imagen 3.16. Sombras de verano, mañana y tarde. ................................................................. 40
Imagen 3.17. Sombras de primavera, mañana y tarde. ........................................................... 41
Imagen 3.18. Trazo de rayos en el reflector. .............................................................................. 42
Imagen 3.19. Superficie aprovechable de radiación solar. ......... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.20. Sistema completo. .................................................................................................. 44
Imagen 3.21. Lámparas fluorescentes ........................................................................................ 53
Imagen 3.22. Diagrama eléctrico de sistema de control. ......................................................... 54
Imagen 3.23. Diagrama simplificado del sistema de control. .................................................. 54
Imagen 3.24. Irradiacia solar diaria. ............................................... ¡Error! Marcador no definido.
Imagen 3.25. Sombra formada en el techo del comedor. ........................................................ 58
Imagen 3.26. Sombras formadas en el techo de la nave industria, para el lado A .............. 61
Imagen 3.27. Sombras formadas en el techo de la nave industria, para el lado B. ............. 62
Imagen 3.28. Sombras formadas en el techo de la nave industrial en el lado B. ................ 64
Imagen 3.29. Sombras formadas en el techo de la nave industrial en el lado A ................. 65
Imagen 4.1. Simulación de iluminación en el comedor para invierno. ................................... 67
6
Imagen 4.2. Simulación de iluminación en el comedor para verano. ..................................... 67
Imagen 4.3. Simulación de iluminación para el área de proceso, vista frontal. .................... 70
Imagen 4.4. Simulación de iluminación para el área de proceso. .......................................... 71
Imagen 4.5. Simulación en el área de recepción con las 3 láminas traslucidas. ................. 73
Imagen 4.6. Tubos solares con los reflectores en colocados en el lado A de la planta. ..... 75
Imagen 4.7. Tubos solares con los reflectores en colocados en el lado B de la planta. ..... 76
Imagen 4.8. Tubos solares ubicados en el techo de proceso. ................................................ 77
Imagen 4.9. Tubos solares sin reflectores ubicados en el techo del comedor. .................... 78
Imagen 4.10. Laminas traslucidas ubicadas en el techo de la planta. ................................... 78
Imagen 4.11. Planta con los sistemas de iluminación natural instalados. ............................. 79
7
Lista de tablas Tabla 1. 1. Precios de proveedores el sistema de ductos para iluminación natural ............ 13
Tabla 1. 2. Niveles e iluminación adecuados para determinadas áreas de trabajo. ............ 16
Tabla 1. 3. Energía consumida diariamente en las áreas de oportunidad. ........................... 17
Tabla 3.1. Relación el ángulo de incidencia y los rebotes en el tubo. .................................. 33
Tabla 3.2. Relación entre la longitud del tubo y su pérdida de energía. ................................ 34
Tabla 3.3. Eficiencia de los difusores. ......................................................................................... 37
Tabla 3.4. Área total de cada lámina de aluminio y área de radiación solar aprovechable.
........................................................................................................................................................... 43
Tabla 3.5. Ubicación de la planta ................................................................................................. 44
Tabla 3.6. Orientación de la planta. ............................................................................................. 45
Tabla 3.7. Eficiencia del tubo solar del área de proceso.......................................................... 46
Tabla 3.8. Dimensión y posición. ................................................................................................. 47
Tabla 3.9. Efectos diurnos............................................................................................................. 48
Tabla 3.10. Eficiencia del tubo solar del comedor. .................................................................... 49
Tabla 3.11. Dimensión y posicionamiento. ................................................................................. 50
Tabla 3.12. Efecto diurno .............................................................................................................. 50
Tabla 3.13. Eficiencia de la lámina traslucida. ........................................................................... 51
Tabla 3.14. Dimensión y localización. ......................................................................................... 52
Tabla 3.15. Efecto diurna. ............................................................................................................. 52
Tabla 3.16. Costo del tubo solar del comedor. .......................................................................... 55
Tabla 3.17. Intensidad luminosa para el comedor. ................................................................... 57
Tabla 3.18. Costo de tubo solar de proceso. ............................................................................. 58
Tabla 3.19. Intensidad luminosa para área de proceso. .......................................................... 60
Tabla 3.20. Costo de la lámina traslucida con el filtro solar. ................................................... 62
Tabla 3.21. Intensidad de radiación aprovechada por las dos áreas de proceso............... 63
Tabla 4.1. Distribución de los tubos solares en el comedor. ................................................... 66
Tabla 4.2. Intensidad luminosa en el comedor en invierno. ..................................................... 68
Tabla 4.3. Intensidad luminosa en el comedor en verano. ...................................................... 68
Tabla 4.4. Distribución de los tubos solares en el área de proceso. ...................................... 69
Tabla 4.5. Intensidad luminosa en el área de proceso.. ........................................................... 70
Tabla 4.6. Distribución de las láminas traslucidas en el área de recepción. ......................... 72
Tabla 4.7. Intensidad luminosa obtenida por las láminas traslucidas en el área de
recepción. ........................................................................................................................................ 73
Tabla 4.8. Suma de la energía ahorrada por cada área. ......................................................... 74
8
Introducción Se ha visto como con el paso del tiempo mejora la tecnología y como va quedando
un historial del fruto de la ciencia, que en su tiempo fue utilizado pero una vez
aparece el sucesor que logra hacer esa misma función por el que fue construido,
de una manera más eficiente, cambia; ahora el producto que fue remplazado es
llamado obsoleto.
Existen diferentes tipos de energía que el hombre ha logrado controlar mediante
los medios con los que cuenta, no se puede decir que el desarrollo de la
tecnología cambia la fuente energética hablando en este ámbito, pues se ha
hecho uso de una fuente y vuelve a repetirse la historia, en realidad lo que cambia
es el principio del sistema desarrollado.
Desde que se inicia el día hasta que se termina, en todos los momentos el uso de
energía está presente, en el transporte, industria, hogares, etc. el ser humano
siempre ha buscado tener el control de los fenómenos que acontecen a su
alrededor para usarlos con el fin de saciar las necesidades, se está llevando en
estilo de vida moderno gracias a la tecnología, la construcción de los
electrodomésticos son ejemplo de ello, ya que logra la conversión de un tipo de
energía a otra y esto a su vez para hacer funcionar un mecanismo y realizar el tipo
de trabajo requerido en ese momento, con un mínimo de tiempo y esfuerzo.
El desarrollo de la economía de una nación está basado principalmente en la
energía, las partes del sistema que mejora el nivel económico se enlazan de
manera directa o indirecta y si uno de ellos falla acarrea caos a nuestra sociedad,
como las guerras que se han estado presentando a lo largo de la historia, esto por
la incertidumbre sobre las posibles crisis energéticas que conforme pasa el tiempo
se ven más cercanas al estar dependiendo del petróleo, una fuente no renovable
y contaminante.
9
Aunque el descubrimiento del oro negro contribuyó al progreso, trajo
consecuencias que se están empezando a sentir. Pues ha surgido una gran
dependencia y a su vez el abandono en el desarrollo de tecnología que aproveche
las fuentes de energía sostenibles que existen. El gran descubrimiento vino a
satisfacer una necesidad dejando a la mayoría en una zona de confort dejando la
investigación para el aprovechamiento de la energía renovable a un lado.
Otra razón por la que se debe ir cambiando a fuentes renovables son los costos
elevados de combustibles; oferta y demanda es el sistema que rige en el mercado,
a mayor demanda mayor es el precio, aumento en la población significa que
existirá amento en la demanda energética, hecho que se presenta.
Cuidar los recursos es de suma importancia, no quiere decir que se deje de hacer
consumo de los mismos, pues de nada sirve estar a oscuras por apagar la luz
para ahorrar. Sin duda alguna, la administración y uso eficiente de la energía hace
mucho más fácil que se lleve a cabo el desarrollo sostenible.
Sumado a eso la escasez de un producto también aumenta de precio; sensación
de estabilidad momentánea da el hecho de que existan reservas de combustible
para algunos años y de yacimientos no explotados, en estos momentos la
problemática no afecta tanto como lo será cuando las reservas de petróleo
escaseen y solo quedarían los no explotados y es aquí donde se sentirá la
afectación porque no existe tecnología para extraer el recurso y si existiera
tecnología para extraer el petróleo de altas profundidades el costo de extracción
haría que el precio final suba hasta que deje de ser rentable extraerlo.
La industria quien tiene alta demanda energética buscara maneras para reducirla
sin comprometer el funcionamiento correcto en los procesos que se realicen. Un
pequeño porcentaje en el ahorro será considerable, pues los altos consumos
hacen que ese porcentaje sea traducido en menos dinero que se dejara de
desperdiciar obteniendo así lo que todas las empresas buscan, las ganancias. Son
muchas las maneras de reducir el consumo para conocerlas solo se debe analizar
la rentabilidad del acto o ajuste a realizar.
10
Capítulo 1 marco conceptual 1.1 La empresa
La principal actividad de Mazazul Organic’s es el procesamiento y el empaque de
frutas tropicales, tales como: mango, banana y piña. El producto tiene destino de
venta a los Estados Unidos.
1.1.1. antecedentes históricos de la empresa
Esta empresa fue establecida en 1998 y en la actualidad ya son cuatro las plantas
en diferentes lugares de la república mexicana. Rosario Sinaloa es la planta más
grande con la que cuenta la empresa y fue la primera en ser construida. Las otras
dos plantas más recientes se encuentran en Arriaga Chiapas y Zihuatanejo
Guerrero. Las tres plantas mencionadas se encargan al procesamiento del
producto, el deshidratado llevado a cabo por sistemas de inocuidad alimentaria.
En Villa Unión esta la planta donde todo el producto procesa y es empacado para
su posterior exportación. Entre los proyectos de Mazazul Organic’s está la adición
de un nuevo producto: manzana deshidratada.
1.1.2. Descripción del espacio geográfico y físico de la empresa.
La planta empacadora se encuentra en la carretera internacional a 14 kilómetros
de Mazatlán a Villa Unión. El área total de la planta es aproximadamente 9200m2.
A continuación se muestra la ubicación detallada.
11
Imagen 1.1 ubicación de la planta
Imagen 1..2. Vista satelital la planta.
1.1.3. Actores involucrados en la empresa
12
En la imagen 1.3 se muestra el organigrama de Mazazul Organic´s, el cual no
contiene datos del personal por políticas de la empresa.
1.2 planteamiento del problema La gran demanda energética que tienen las industrias se traducen en costos y
para los empresarios un problema que estará presente durante el funcionamiento
de la misma. No hay una solución que erradique por completo el problema pero
con un uso y ahorro eficiente de la energía se pueden obtener grandes resultados.
Aunque la planta empacadora cuenta con instalaciones acordes a sus
necesidades, no existe el aprovechamiento de la energía renovable para satisfacer
Imagen 1.3. Organigrama Mazazul Organic´s Villa Unión
13
sus demandas o parte de ellas. Dando como resultado un cargo total en los
recibos de los consumo obtenidos durante los periodos de uso.
1.2.1. Desarrollo de la tecnología
En este caso, el ahorro que se pretende obtener es por el aprovechamiento de la
luz natural. Se aprovecha por medio del sistema de iluminación por tubos
reflectores que conducen la radiación solar hacia lugares donde difícilmente podría
llegar. El problema de este sistema es el costo elevado, los precios altos hacen
que el tiempo de amortización se vea muy lejano lo cual evita la posible inversión
que el usuario podría realizar. Para tener noción del precio que manejan los
proveedores del sistema de iluminación por tubos reflectores, en la tabla 1.4.Se
muestran algunos precios, que además no incluyen el IVA y el costo de envió.
Tabla 1. 1. Precios de proveedores el sistema de ductos para iluminación natural
proveedor modelo/código diámetro incluye precio
solatube solatube 160 SD 24 pulgadas
base, difusor,
aro blanco y
lente $360 usd
solatube solatube 290 SD 14 pulgadas
base, difusor,
aro blanco y
lente $497 usd
ecovita EZ10SCMNH 10 pulgadas
domo, base
de aluminio,
tubo de
extensión,
difusor y
sellador $5,490
ecovita EZ14SCMNH 14 pulgadas
domo, base
de aluminio,
tubo de $7,890
14
extensión,
difusor y
sellador
[1,2]
Así que, se realiza la investigación de los materiales necesarios y la elaboración
del prototipo del sistema para que pueda llevarse a cabo la construcción con el
propósito de reducir costos y hacer la inversión lo más rentable posible.
1.2.2. Áreas de oportunidad para el implemento de la tecnología
La fuente de iluminación natural que ingresa a la planta está en la parte superior.
La luz del sol pasa por ventanas de vidrio ubicadas perpendicularmente al suelo,
mucha energía es transmitida hacia el interior, pero no es suficiente, debido a que
se encuentran a aproximadamente 12 metros de altura, por este hecho gran parte
de la intensidad luminosa es dispersa a hacia otras áreas.
- Proceso: es el área que exige más demanda de iluminación por el tipo de tarea
que se realiza, aquí el producto es clasificado, triturado y empaquetado, los
trabajadores deben de estar en busca de defectos en el producto que llega
para garantizar la calidad del producto final. Dentro de la planta se encuentra
el espacio más grande, es la zona de proceso, se encuentra aislada para
evitar el ingreso de cualquier objeto o agente contaminante. Esta característica
la convierte en un problema, debido a que la iluminación solar será más difícil
de llegar a lugar de trabajo.
- Comedor: aunque esta área no exija niveles de iluminación muy controlados,
es un lugar en donde la oportunidad está muy a la vista, debido a que se en
cuenta en una zona en donde la distancia entre el exterior superior y el interior
del comedor son muy reducidos. Esto hace que la energía natural llegue al
lugar deseado sin las pérdidas que se dan por los rebotes de la luz en el tubo
reflector. Además que las horas de demanda son las mismas a las horas de
máxima potencia de luz diurna durante el día.
15
- Recepción: grandes cantidades de producto salen y llegan a diario, los
trabajadores son operarios de equipo de trabajo pesado. Tales como
montacargas, patín hidráulico y estibadores eléctricos. En ocasiones el
producto es almacenado en cuartos fríos donde también hay grandes torres
del contenido. Un área de mucho riesgo, las condiciones óptimas de
iluminación deben ser estrictamente aplicadas, pues un error podría acabar
con un accidente.
1.2.3. Normativa
La NOM 025-STPS-2008 de la Secretaria de Trabajo y Previsión Social (tabla 1.5.)
señala la correcta iluminación para cada área de trabajo, para realizar de la mejor
manea las tareas de los trabajadores sin poner en riesgo procesos o la integridad
física, dado que pudiesen presentarse descuidos dados por la falta de iluminación.
Es obligación de la empresa o patrón cumplir con estas normas.
En la tabla siguiente están estipuladas las cantidades de iluminación que depende
del lugar donde se lleven a cabo las tareas.
16
[3]
Tabla 1.5. Niveles e iluminación adecuados para determinadas áreas de trabajo.
Tabla 1. 2. Niveles e iluminación adecuados para determinadas áreas de trabajo.
17
La empresa tiene el compromiso de garantizar estas condiciones para sus
trabajadores, de no ser así podrían recibir una multa en caso de que llegase
personal a hacer una auditoria de iluminación.
Debido a que la luz natural no es contante durante el día se tiene que recurrir a un
equipo de control el cual controlara los niveles de iluminación de las lámparas que
darán soporte a la iluminación natural, garantizando la intensidad luminosa
requerida. Balastros atenuadores son el sistema de control que reducirá la
corriente a las lámparas fluorescentes ya instaladas.
1.2. Justificación
1.2.1. Evidencias del problema a solucionar
El problema a solucionar es reducir el consumo de la planta, en la tabla 1.3. Se ve
la energía consumida durante un día solo en tres áreas diferentes por luminarias.
Tabla 1. 3. Energía consumida diariamente en las áreas de oportunidad.
área nombre potencia (watts) cantidad
voltaje (volts)
tiempo de trabajo (horas)
energía consumida(WH)
recepción lámparas 30 20 110 24 14400
proceso lámparas 52 56 110 24 69888
proceso lámparas 30 6 110 24 4320
comedor lámparas 28 20 110 9 5040
93648
total KWH= 93.64
Este consumo se da aunque las luminarias utilizadas sean tubos fluorescentes,
sistema de iluminación con buena eficacia.
1.2.2. Razón de la estrategia a implementar
El alto consumo que se da en industrias de estas dimensiones hace que el
implemento de sistemas para el uso de energías renovables tenga un rápido
18
retorno de la inversión, llegando a ver los resultados de ahorro económico muy
cercanos además de contribuir a mejorar el medio ambiente por la disminución en
la emisión de dióxido de carbono.
1.2.3. Beneficios en el futuro de la estrategia a implementar
Como ya se mencionó, el consumo solo de luminarias es de 93.64 KWH, con el
proyecto se espera obtener un ahorro cerca del 50 por ciento en potencia
consumida por la iluminación, con el aprovechamiento de la luz natural durante el
día.
1.3. objetivos
1.3.1. objetivo general
Dimensionar y diseñar un sistema de iluminación natural para reducir costos por
iluminación artificial en ciertas áreas de la planta empacadora de Mazazul SA de
CV mediante la utilización de herramientas de simulación, como: Dialux y
Sketchup.
1.3.2. Objetivos específicos
1. Recopilar información sobre las características de la planta
2. Realizar un diseño 3D de la planta
3. Investigar las característica y precios óptimos del material necesario para la
construcción del sistema de iluminación natural
4. Establecer la cantidad y dimensiones del material a usar
5. Calcular el costo individual del sistema
6. Realizar el diseño en 3D del sistema de iluminación
7. Investigar los niveles de iluminación ya establecidos para cada tipo de
actividad
8. introducir los datos recopilados a la herramienta de simulación Dialux
9. Correr la simulación para conocer la cantidad adecuada del sistema a utilizar
19
10. Determinar las áreas de sombra en el techo de la planta mediante el previo
recorrido solar sobre la construcción con Sketchup.
11. Colocar el sistema a utilizar en la construcción 3D, evitando las áreas de
sombra determinadas
12. Calcular el costo de la inversión
13. Determinar el tiempo de amortización de la inversión propuesta.
14. Redactar la información que muestre la viabilidad del proyecto mediante la
información obtenida.
Capítulo 2. Marco teórico
2.1. Iluminación natural El sol es la principal fuente de energía, es transferida a la tierra mediante el
recorrido por el espacio en forma de radiación electromagnética, imagen 2.1. En
un rango de onda muy amplio, cuando llega la atmosfera las ondas cortas que son
as de mayor energía son desviadas hacia el espacio exterior. Además de ser
desviadas parte del total de radiación es reflejada, sumado a eso, las partículas de
la atmosfera absorben la radiación, pasando de esa forma de energía a calor.
Imagen 2. 1. Espectro electromagnético.
[4]
20
Al finalizar ese proceso al nivel del mar llega aproximadamente la radiación con
diferentes cantidades:
Infrarroja: 49%
Luz visible: 42%
Radiación ultravioleta: 9%
Esto quiere decir que la luz natural es una combinación de longitudes de onda no
solo es luz visible.
Un cielo despejado permitirá un mayor paso de luz, pero cuando es cubierto por
nubes la parte de la energía será absorbida y reflejada. También sufrirá el cambio
en su dirección, entonces se estaría recibiendo luz difusa, en el caso contrario la
radiación recibida seria directa. Ósea que con menos choques en la materia
menor se reduce la intensidad de la radiación.
Sin importar la intervención de la materia, la distancia es un factor que reduce la
intensidad luminosa, puesto que la luz tiene propiedades de onda.
Imagen 2.2. Dispersión de la luz en todas direcciones.
[5]
La intensidad se ve afectada, ya que la energía se propaga por todo el espacio.
21
Hay un formula que puede explicar este fenómeno, imagen 2.3. La energía al
doble de distancia se esparce sobre el cuádruplo del área de ahí el cuarto de
intensidad.
Imagen 2.3. Ley del cuadrado inverso aplicado a la luz.
[6]
El color de un objeto es la reflexión de la luz que causa, lo que significa que
absorbe todas las longitudes de onda excepto la onda que se percibe. En otras
palabras, su color. Los objetos claros tienen un índice de reflexión mayor que los
oscuros, pero cuando la fuente de iluminación no reproduce un rango suficiente
del espectro por más intensidad emita, no se podrá observar con de una manera
correcta el cuerpo.
Hay un término llamado IRC: índice de producción cromática usado para
cuantificar la capacidad de reproducir colores de los cuerpos por una fuente
luminosa. La tecnología de iluminación artificial cuenta con diversos dispositivos
que ofrecen un IRC muy elevado, pero la iluminación natural ofrece el 100% de
este índice, dando como resultado un ambiente con mayor confort.
22
2.2. Criterios a considerar Ya sea por decoración o simplemente para sentir un ambiente especial en el
interior del lugar, se debe de tomar en cuenta los factores que influyen y no tener
resultados diferentes a los esperados una vez el trabajo sea realizado, a
continuación se mencionaran los parámetros más importantes:
- Dimensiones del espacio a analizar: tomar las dimensiones tales como, altura
anchura y largo del lugar para dispersar la luz con homogeneidad a cada
espacio que sea necesario.
- Índice de reflexión: importante para evitar el deslumbramiento.
- Nivel de iluminación requerido: básicamente el punto más importante a
considerar, estos niveles dependen del tipo de trabajo que se realice en el
lugar, poniendo en balanza el lados de demanda de iluminación y el
energético.
- tipo de fuente de iluminación: puede ser iluminación artificial o natural, la
iluminación artificial ofrece características de iluminación constantes en
comparación a la natural, punto que se aprovecha para un estudio más
detallado.
- Color de temperatura: las fuentes de iluminación tienen un color de
temperatura, que se utiliza para los ambientes del lugar. Es llamado así
porque los cuerpos empiezan a emitir radiación cuando se encuentran a altas
temperaturas, entre más calientes menor serán las longitudes de onda
emitidas, esto quiere decir que un color de temperatura alto dará como
resultado un color más cercano al blanco.
- Factor de mantenimiento: es un factor aplicable por que los sistemas de
iluminación sufren una baja de eficiencia por cuestiones de mantenimiento.
- Fuentes de iluminación exterior: se toma en cuenta para restar potencia en
luminosidad instalable.
- Plano útil: normalmente se encuentra a .85 metros de distancia del suelo hacia
arriba.
- Objetos en el interior: afectaría considerablemente si contasen con factores de
reflexión muy altos o bajos, ahí se tomarían en cuenta con mayor razón.
23
- Orientación de la construcción: con este dato es posible conocer la radiación
natural con la que se contara.
- Lúmenes entregados: de suma importancia pues será la fuente por la que el
espacio estará iluminado.
2.3. Sistema de iluminación Al realizar un diseño de un nuevo proyecto arquitectónico que busque la mayor
autosuficiencia posible o simplemente buscar el diseño que más cuide los
recursos, es necesario tomar en consideración los factores ambientales, tales
como: temperatura, viento, radiación solar humedad etc. y de ahí empezar a
moldear las ideas a aplicar. Pero cuando el proyecto fue construido sin tomar en
cuenta los factores mencionados y se busca hacer modificaciones para cuidar
más los recursos, es de mucha importancia que los ajustes a realizar en la
construcción no sean contraproducentes.
Cada área de la planta tiene características diferentes, por tal motivo no se puede
aplicar la misma tecnología para la iluminación natural, por eso se buscara el más
apropiado para cada caso.
Hay diversos sistemas que aprovechan la luz del sol, el uso de algún sistema en
específico depende de las necesidades que existan. La mejor selección dará la
mayor amortización de la inversión. Además de un adecuado funcionamiento.
En este caso lo más el sistema de iluminación de tubo solar para suplir parte de
talla luz consumida el interior de la planta. Además del uso de láminas traslucidas
en parte de la nave industrial.
Tubo solar:
La iluminación natural en espacios interiores donde la luz difícilmente puede llegar
se logra con algunos de los sistemas en los que se encentra la iluminación con
fibra óptica, el vidrio óptico es el material con el que es construida la tecnología y
su funcionamiento está basado por el principio de refracción, el índice de
refracción del material es suficiente para que la luz no salga del medio. El sistema
24
de tubo se basa en el fenómeno de reflexión principalmente. La luz entra por la
burbuja de un material transparente, normalmente acrílico, y viaja hacia el interior
del tubo reflejante, las perdidas energéticas están relacionadas con el índice
reflexión, a mayor índice menor perdidas. La radiación que logra llegar al difusor
de luz es repartida por todo el espacio, como se muestra en la imagen 2.4.
Laminas traslucidas:
Es un tipo de iluminación natural simple, con beneficios tales como:
- Protección de la intemperie
- No es corrosiva
- Ligera
- Fácil instalación
- Ilumina
A diferencia del tubo solar, las láminas traslucidas
imagen 2.5. Pueden proveer de luz natural los
espacios donde la parte superior solo cuenta con una
superficie, la luz solo pasara un medio diferente, la lámina traslucida funciona
Imagen 2.4. Sistema de tubo solar.
25
como difusor, cuando la luz incide en ella. Parte de la luz es reflejada, absorbida y
transmitida a deferentes direcciones.
[7, 8,9]
2.4. Sistema de control
El balastro en las lámparas fluorescentes tiene la función de:
- Entregar el volteje requerido para hacer el arco eléctrico entre los electrodos
de la lámpara fluorescentes.
- Controlar la corriente que establece el nivel de iluminación entregada por la
lámpara.
- Calentar los electrodos a cierta temperatura para que realicen su función.
Imagen 2.6. Dispersión de la luz
Imagen 2.5. Laminas traslucidas instaladas.
26
Existen varios tipos de balastros, el de interés para este caso es el atenuable, que
regula la corriente entregada a la lámpara, función que no puede conseguirse con
otros balastros. Con esta función se consigue:
- Atenuación completa
- Reducir el consumo de energía
- Confort visual
- Enciende la lámpara en cualquier nivel de iluminación
Una combinación entre la iluminación artificial y la natural que garantiza los
lúmenes demandados por el área da como resultado la aplicación de esta
tecnología. El (dimmer) o regulador será ajustado según a las necesidades, una
fotocelda dará la señal de la intensidad luminosa entregada por el tubo solar.
2.5. Herramientas de simulación
Dialux:
Es un software de simulación 3D para la iluminación, permite exportar e importar
modelos creados en otros programas o descargados directamente de internet,
cuenta con un catálogo de marcas de luminarias, donde se puede tomar el tipo de
lámpara y marcas específicas, con lo que se consigue calcular el número de
lámparas a instalar para cubrir las demandas de luxes necesarios. Junto al
dimensionamiento lanza los valores del consumo energético de las luminarias
instaladas. Además se pueden hacer simulaciones de luz diurna, se tiene la
información sobre la iluminación en el espacio que se da por las ventanas y
tragaluces. A estos se le ajustan los parámetros y simplemente se introducen al
programa. Toda la información producto de la simulación es redactada
automáticamente por el programa en un archivo PDF listo para ser entregado al
cliente.
[10]
Sketchup
Permite el diseño arquitectónico de modelos 3D por medio de su sencilla interfaz.
También es posible importar y exportar archivos para facilitar el trabajo por los
27
proyectistas en caso de que utilice más de un programa, se pueden crear modelos
con múltiples texturas y acabados lo que da realismo al producto final, para la
orientación del diseño Sketchup introducir directamente el plano de la posición
geográfica facilitada por Google Maps en donde el proyecto se llevara a cabo, con
la orientación establecida, las sombras provocadas por el modelo 3D se calculan
con mayor precisión.
Capítulo 3: Metodología
3.1 Diseño 3D de la plata El tipo de estudio de este proyecto requiere de información sobre las dimensiones
de cada lugar en el que se aplique, para facilitar el trabajo al momento de juntar la
información, se recurre a un 3D que permitirá el fácil acceso a datos sin la
necesidad de ir personalmente a medir cuantas veces sea necesario. El programa
utilizado para la realización del modelo 3D es Sketchup; herramienta de diseño
usado principalmente por arquitectos, a pesar de esto, también es utilizado para
hacer diseños de objetos, como lo son: muebles, herramientas etc.
3.1.1. Toma de datos
Google ofrece la herramienta para visualizar áreas desde tomas satelitales, así
que se usó para facilitar la toma de medida y ahorrando tiempo y esfuerzo tomado
medidas de la planta. Cada área del interior de la planta fue medida manualmente
para tener un margen de error mínimo, de no ser así las distancias erróneas
tomadas significarían un considerable erro al unir todos los departamentos.
3.1.2. Levantamiento de la planta
Con la información recabada se procedió a levantar toda la planta, aunque no se
aplicase el estudio en su totalidad, las áreas de importancia son: comedor, imagen
3.1, proceso imagen 3.2 y recepción imagen 3.3. Más adelante algunas imágenes
de lo que es la planta exterior.
28
Imagen 3.1. Vista con techo descubierto del comedor.
Imagen 3.2. Área de proceso.
29
Imagen 3.3. Recepción.
Imagen 3.4. Vista frontal de la planta.
30
Imagen 3.5. Vista lateral derecha de la planta.
Imagen 3.6. Vista lateral izquierda de la planta.
Además de tener la información rápidamente cuando sea necesaria, el modelo 3D
servirá cuando el sistema de iluminación natural sea colocado virtualmente y
conocer la sombra que se tendrá en el techo de la planta durante el día y las
estaciones del año.
31
3.2. Diseño del sistema de iluminación natural Con el objetivo de reducir los cosos de la inversión a realizar y adaptar el sistema
de iluminación natural a las necesidades de la planta, se realiza el diseño con los
materiales más adecuaos que cumplan la mejor función.
3.2.1. Ducto reflejante
Se encuentran en el mercado productos con índices de reflexión en sus ductos de
hasta el 99.7%. El material sigue siendo aluminio. Pero con un tratamiento
especial que no es mencionado en las especificaciones.
Determinación de eficiencia:
El aluminio anodizado cuenta con un índice de reflexión entre el 85 y 90%. El cual
será seleccionado por sus características para la construcción del ducto
reflectante.
[11]
Un metro será la distancia a usar para determinar las pérdidas de energía el ducto,
esto facilita la relación entre la longitud y la energía restante a la hora de sacar
eficiencia total del sistema.
Por cada choque de la luz dentro del ducto de aluminio anodizado se restara 10%
de energía. Ahí la importancia de conocer cuántos rebotes se obtendrá. En la
imagen 3.7 se muestra como el número de rebotes varia conforme el ángulo de
incidencia de los rayos aumenta.
32
Para determinar el cálculo de los rebotes se realizado el trazado de rayos dentro
del tubo con distancia de 1 metro. Con variaciones de 15 grados de diferencia,
empezando con 30 grados ya que a esa inclinación del domo con respecto a la
posición del sol la radiación que entra al sistema comienza a ser considerable.
Imagen 3.7. Variación del ángulo del rayo incidente hacia el tubo.
33
Tabla 3.1. Relación el ángulo de incidencia y los rebotes en el tubo.
Obtener el promedio de rebotes es lo más adecuado en este caso, debido a que
durante el día la luz varía el ángulo de incidencia.
En la tabla 3.1 se muestran los números de rebotes que se dan a un determinado
ángulo de incidencia, donde a menor ángulo mayor serán los choques de la luz
dentro del tubo. Las características del tubo son: longitud= 1 metro, diámetro=
50.8 centímetros.
Cada área tiene diferentes requerimientos, es por ello que se determina la
eficiencia de sistema por separado
Proceso:
Es aquí donde los tubos necesitan mayor extensión. el techo de la nave industrial
de material metálico, dentro de la nave industrial el segundo techo, construida con
material aislante para aislarla del calor. Su principal función es formar un ambiente
con la menor contaminación posible. Pues es ahí donde la selección y empacado
del producto se lleva a cabo.
En la siguiente se muestra el porcentaje de la diferencia de la luz que entra y la
que sale.
ángulo de
incidencia
(grados)
numero de
rebotes
30 3.4
45 1.96
60 1.13
75 0.52
rebotes
promedio 1.75
34
Tabla 3.2. Relación entre la longitud del tubo y su pérdida de energía.
tubo longitud (metros)
factor de reflexión
del material
rebotes promedio/
metro rebotes
% de energía restante
proceso 2.92 0.9 1.75 5.11 48.9
comedor 0.3 0.9 1.75 0.525 94.75
3.2.2. Cúpula
Diversos diseños de cúpulas existen disponibles, las cuales cubren necesidades
específicas de los usuarios, ya sea por estética o por brindar protección, pero la
principal razón por las que son construidas es por la propiedad óptica de
transmisión de luz. La cúpula ideal para el sistema de iluminación natural seria
aquella que transmitiera el total de luz que incide. Esto no es posible con ningún
tipo de material que sea construida, ya que, así como cuentan con un índice de
transmisión de luz, también cuentan con el índice de reflexión y absorción que
reduce dicha capacidad.
Imagen 3.8. Tecnología usada por algunos proveedores.
35
Vidrio y acrílico son materiales comunes para la construcción de las cúpulas, con
propiedades ópticas similares, el peso entre los dos materiales varia pues un
domo construido en vidrio con el mismo espesor comparado con uno de acrílico
será mayor. Como el eso no es necesario en el sistema, se selecciona el acrílico.
Existe acrílico en diferentes colores y texturas, entre más transparente y liso sea,
mejor, porque permitirá mayor paso de luz con la mínima cantidad de difusión que
se da por la rugosidad de los materiales.
Solatube cuenta con su tecnología en los domos; Ray Bender, imagen 1.17,
funciona como el lente fresnel, pero en forma en la que los rayos son desviados
hacia el interior del tubo. Aunque esta tecnología aumente la entrada de luz no es
tan indispensable, pues no tendría efectos considerables la luz difusa del lugar al
total de energía captada. También es ideal para aprovechar los rayos de sol
cuando estos llegan muy inclinados. Por ejemplo, al amanecer o al anochecer.
En teoría la energía aprovechada de la tecnología Ray Bender y el domo simple
de acrílico imagen 3.9. Es muy similar por las horas donde el ángulo de incidencia
de la luz es perpendicular al domo.
[12,13]
La transparencia del acrílico lo hace el más apto para esta aplicación por dejar
Imagen 3.9. Cúpula de acrílico simple.
36
pasar por arriba del 90% de la radiación natural. El problema con la radiación
natural es que cuenta con ondas ultravioleta e infrarrojas, las cuales generan calor
al incidir en los objetos. Además descoloramiento de los objetos y daños a la salud
de las persona por la radiación ultravioleta. La solución a este problema es la
aplicación de un filtro que bloquea los dos tipos de radiación, se conoce en el
mercado como película inteligente, permite una transmisión visible del 72%,
bloquea el 99% de los rayos ultravioleta y arriba del 70% de los infrarrojos.
3.2.3. Reflector
Como su nombre lo dice, el reflector reflejara la luz hacia el domo gracias a su
forma esférica, funciona como un concentrador parabólico ya que tiene un punto
focal que direcciona los rayos del sol hacia el domo que a su vez permitirá la
entrada al interior del tubo hasta llegar al difusor. En comparación a otros
sistemas, el reflector diseñado tiene mayores dimensiones y se encuentra fuera
del domo debido a que no sería posible posicionarlo dentro. Solatube cuenta con
un reflector pequeño dentro del domo, imagen 3.10.
Debido a la posición geográfica de la planta, la mejor orientación del relector es
con la cara cóncava hacia el sur.
Imagen 3.10. Reflector empleado por Solatube.
37
[14]
3.2.4. Difusor de luz
Es el componte que se encarga de hacer que la luz viaje con diferentes
trayectorias, para lograr una mayor homogeneidad en el espacio a iluminar.
La luz dejaría de ser molesta a la vista porque la luz que es concentrada en un
punto seria repartida por más área. Los mejores tipos de difusores en este
proyecto son: refractores y difusores, ambos funcionan por el mismo principio de
refracción, pero quien logra una mayor eficiencia son los refractores prismáticos
imagen 1.20. Pues absorben poca radiación. Tabla 3.3.
Tabla 3.3. Eficiencia de los difusores.
tipo de
difusores de
luz material
Transmisión de
luz (%)
refractor
prismático acrílico 92
difusor
opaco acrílico <40
[15, 16,17]
Imagen 3.11. Refractor prismático de luz tipo panal de abeja
38
3.2.5. Diseño 3D del producto
Una vez conociendo los materiales a usar se procede a la realización del prototipo.
Skechup es un software de diseño que facilita esta tarea. Además que cuenta con
una simulación sobre el recorrido solar a diferentes horas del día y los diferentes
meses del año, que permite conocer las áreas de sombra en un determinado
momento.
A continuación se muestran las partes del sistema de iluminación en 3D.
Difusor: imagen 3.12. Es la parte inferior, tiene sus caras laterales ya que la poca
luz que sea reflejada por el difusor se dispersara hacia a fuera del mismo
completamente, diseño sencillo, pero en teoría con un buen desempeño.
Imagen 3.12. Diseño del difusor de luz.
Reflector: imagen 3.13. Para diseñar el reflector se pensó en la función que tienen
los espejos cóncavos, este tipo de espejo concentra los rayos a un punto focal, el
cual está situado a ½ de su radio. Primeramente se secciono una esfera en cuatro
partes iguales, y se secciono parte de la cara con el fin de que el tubo junto con la
cúpula hiciera sombra a los reflectores.
39
Sketchp permite hacer el recorrido solar, sirve principalmente para conocer donde
la sombra se posicionara en un determinado momento.
Se corre el la simulación para diferentes horas y estaciones del año con
orientación del reflector hacia el sur.
En las siguientes imágenes se ve como la forma del refractor no afecta con
sombra a la cúpula, que fue pintado de blanco para diferenciar con más claridad
las sobras.
Imagen 3.14. Sombras de invierno, mañana y tarde.
Imagen 3.13. Reflector ubicado en el tubo.
40
Imagen 3.15. Sombras de otoño, mañana y tarde.
Imagen 3.16. Sombras de verano, mañana y tarde.
41
Imagen 3.17. Sombras de primavera, mañana y tarde.
El reflector tiene un punto focal, debido a que fue parte de una esfera y no todos
los rayos no entraran al domo con esa posición porque la trayectoria solar no hace
recorridos por abajo el plano. Para determinar solo el área necesaria del reflector
se requiere el trazado e rayos.
En la imagen 3.18 se muestra solo el área a utilizar por el sistema, quitando así
material dando como resultado un menor costo.
El punto focal del reflector esta donde las líneas punteadas interceptaron, la parte
superior del rectángulo representan el radio de lo que alguna vez fue una esfera.
El área color de amarillo es formada por la distancia que separan los rayos que
alcanzan a entrar al tubo.
Un segundo reflector de menor tamaño y con una diferencia de orientación de
aproximadamente 8 grados, es colocado en la parte inferior, evitando dar sombra
al otro reflector.
Para aumentar la radiación que entra aún más, se coloca un tercer reflector de
menor tamaño y con diferencia de orientación de aproximadamente 8 grados con
respecto al anterior. Imagen 3.18.
42
Imagen 3.18. Trazo de rayos en el reflector.
El diseño del reflector tiene forma curva, con el propósito de capturar los rayos del
sol durante su recorrido. Para conocer la cantidad de energía que es aprovechada
por el reflector es necesario conocer su área total, las tres caras tienen la forma
rectangular pero con diferente tamaño, para conocer las dimensiones de la lámina
de aluminio se requiere saber la anchura y el perímetro de largo de la curva de
cada lámina. La superficie total de las láminas de aluminio no es el área de
energía con el que se contara, esa área es una de menor tamaño, para calcularla
solo se miden las distancias entre cada esquina del reflector, formando un
Imagen 3.19. Superficie aprovechable de radiación solar.
43
rectángulo, como el que se ve en la imagen 3.19. Ese rectángulo de color amarillo
es el área con el que se contara la cantidad de energía aprovechada y solo se
considera cuando los reflectores no se creen sombra a sí mismos, hecho que se
da en las primeras horas del día y en ocasiones al finalizar, así que no se
consideran. En la tabla 3.4. Se aprecian las medidas requeridas al igual que las
áreas de la lámina de aluminio y de la energía aprovechable.
Tabla 3.4. Área total de cada lámina de aluminio y área de radiación solar aprovechable.
reflector ancho
(metros) largo
(metros)
perímetro largo
(metros)
área de la lámina de aluminio (metros
cuadrados)
área de radiación
solar aprovechable
(metros cuadrados)
1 0.239 1.2 1.37 0.32743 0.2868
2 0.211 1.05 1.21 0.25531 0.22155
3 0.18 0.855 1 0.18 0.1539
0.76274 0.66225
Después de conocer la superficie de entrega de radiación se sigue con cuantificar
de energía el porcentaje del reflector con respecto a la superficie de entrega de
radiación de la cúpula del tubo solar.
Una simple regla de tres nos entrega la información necesaria, si:
Área de radiación aprovechable del domo = 0.2026m2
Área de radiación aprovechable del domo = 0.6622m2
Porcentaje área de radiación aprovechable con respecto al área del domo
= (0.6622m2 *100%)/0.2026m2 = 326.85%
Lo que significa que el reflector incrementara más de tres veces la radiación que
pudiese aportar solo el domo.
44
Unidad completa: Con todos los componentes listos ahora es posible la
construcción total del sistema de iluminación natural. Imagen 3.20.
Imagen 3.20. Sistema completo.
3.3. Simulación Dialux no cuenta con la simulación de sistemas de iluminación como el que se
diseñó, su plataforma solo tiene ventanas y tragaluces para ser aplicadas dentro
de la simulación, un tragaluz es lo más parecido a lo que será aplicado. Así que
los datos de eficiencia de las tablas ya mencionadas se introducen a las variables
que permite usar.
Es necesario indicar la orientación tabla 3.5. Y ubicación tabla 3.6. De la planta
antes de comenzar con la simulación de luz diurna.
Tabla 3.5. Ubicación de la planta
45
Tabla 3.6. Orientación de la planta.
3.3.1. Área de proceso
La capacidad de iluminación instalada es ajustada de tal modo que se aproveche
al máximo las horas del día que proporcionan más radiación, ya que se contara
con el sistema de control auxiliar.
Para conocer la cantidad de lúmenes que entregara el sistema de iluminación, se
debe de conocer el porcentaje de energía que logra transmitir
En la tabla 3.7. Se muestra el factor eficiencia del sistema de iluminación natural.
46
Tabla 3.7. Eficiencia del tubo solar del área de proceso.
partes material cantidad características factor eficiencia
reflector aluminio 0.77 m2
aluminio anodizado acabado espejo 0.9
filtro película
inteligente 0.2026
m2
transmisión de luz visible:
72%
0.72
rechazo de rayos
infrarrojos: 80%
rechazo de rayos
ultravioleta: 99%
domo acrílico 1
forma: circular
0.92
diámetro: 20 pulgadas
color: transparente
espesor: 3 milímetros
tubo aluminio 4.67 m2
aluminio anodizado acabado espejo 0.51
difusor acrílico 0.258
m2
forma: cuadrado
0.92
lados: 0.508 m
tipo: refractor panal de abeja
color: cristal
0.28
- Dimensión y ubicación:
47
El área a utilizar es la suma del área del domo y la de los reflectores.
Suma de áreas = área domo + área de radiación solar aprovechable (reflectores)
= .2026 m2+ 0.66225 m2 = 0.86 m2
Debido a que Dialux no cuenta con tragaluces circulares obtendremos las
dimensiones de los lados para un cuadrado, formando el área equivalente a 0.86
m2 con forma de cuadrado.
Lado de cuadrado = √ 0.86 m2 = 0.92 m.
Tabla 3.8. Dimensión y posición.
En el grado de transmisión se aplica el valor de la eficiencia del tubo solar de
proceso obtenido, o sea, 0.28.
Entorno de contaminación con 90% dado por el polvo que pudiese alcanzar a
cubrir la cúpula equivalente a un resta de eficiencia.
Debido a que la cúpula no cuenta con travesaños su factor por esta reducción a
considerar es nulo.
La trayectoria del sol hace que la incidencia de radiación con respecto al plano sea
variable, por lo que se aplicara una disminución a la energía total del 15% en el
factor de reducción por luz de incidencia no vertical. Tabla 3.9.
48
Tabla 3.9. Efectos diurnos.
Para ayudar a evaluar el grado de reflexión de las superficies del modelo, Dialux
da como referencia el color blanco que equivale al 100%, además de varios
colores que cuentan con su respectivo valor. Para ello se determinó el color a las
siguientes superficies:
Techo = 70%
Paredes = 60%
Piso = 47%
3.3.2. Comedor
Es el área que menor uso recibe, las horas de uso son de 12pm a 1:30pm, tiempo
que se tomara para realizar la simulación de luz diurna.
El porcentaje de energía que lograra entrar por el sistema de iluminación se
muestra en la siguiente tabla.
49
Tabla 3.10. Eficiencia del tubo solar del comedor.
partes material cantidad características factor
eficiencia
filtro película
inteligente 0.2026 m2
transmisión de luz visible: 72%
0.72
rechazo de rayos infrarrojos: 80%
rechazo de ultravioleta: 99%
domo acrílico 1
forma: circular
0.92
diámetro: 20 pulgadas
color: transparente
espesor: 3 milímetros
tubo aluminio .15 m2 aluminio anodizado
acabado espejo 0.94
difusor acrílico 0.258 m2
forma: cuadrado
0.92
lados: .508 m
tipo: refractor panal de abeja
color: cristal
0.57
- Dimensión y ubicación:
Sin importar la forma, el área equivalente al círculo dado por la cúpula es
aproximadamente 0.2026 m2, por tal motivo el rectángulo que permite crear como
tragaluz Dialux tendrá las dimensiones siguientes:
50
Tabla 3.11. Dimensión y posicionamiento.
Aquí es donde se aplica el valor de la eficiencia del tubo solar del comedor
obtenido, y es introducido al programa como porcentaje en la parte de grado de
transmisión, englobando cada uno de los componentes que restan la energía.
Entorno de contaminación con valor a 90% dado por el polvo que pudiese alcanzar
a cubrir la cúpula equivalente a un resta de eficiencia.
Debido a que la cúpula no cuenta con travesaños su factor por esta reducción a
considerar es nulo.
La trayectoria del sol hace que la incidencia de radiación con respecto al plano sea
variable, por lo que se aplicara una disminución a la energía total del 15%
Tabla 3.12. Efecto diurno
Para ayudar a evaluar el grado de reflexión de las superficies del modelo, Dialux
da como referencia el color blanco que equivale al 100%, además de varios
colores que cuentan con su respectivo valor. Para ello se determinó el color a las
siguientes superficies:
51
Techo = 70%
Paredes = 60%
Piso = 47%
3.3.3. Recepción
A diferencia de las otras dos áreas, la tecnología más apropiada a aplicar es la
lámina traslucida porque solo cuenta con un techo hacia el exterior. En la tabla
siguiente se muestra la eficiencia total del sistema.
Tabla 3.13. Eficiencia de la lámina traslucida.
partes material cantidad características factor
eficiencia
filtro película
inteligente 4.32 m2
transmisión de luz visible: 72% rechazo
de rayos infrarrojos:
80% rechazo de rayos
infrarrojos: 99% 0.72
lamina acrílico opaco 4.32 m2
forma: rectangular color: opaco 0.75
0.54
Achura y altura correspondientes a las láminas traslucidas en la siguiente tabla.
52
Tabla 3.14. Dimensión y localización.
Aunque el material sugerido por Dialux sea vidrio, el dato puede ser ajustado, 54%
es equivalente a la energía que deja pasar la lámina junto con el filtro usado para
reducir la cantidad de rayos infrarrojos al interior. En la tabla 3.13 están los datos
equivalentes a todo el conjunto a instalar.
Tabla 3.15. Efecto diurna.
Los índices de reflexión para el área de recepción son los siguientes:
Techo = 70%
Paredes = 60%
Piso = 20%
3.4. Control de iluminación Es de mucha importancia mantener una iluminación constante en un área de
trabajo y aún más, tener la cantidad necesaria de iluminación. Los balastros de
atenuación ofrecen la regulación de luminosidad entregada por la lámpara
53
mediante la corriente de entrega, obteniendo así ahorros que se obtienen por la
iluminación natural adicional al lugar.
3.4.1. Tipo de lámparas
Las lámparas utilizadas en las tres distintas áreas de la planta son fluorescentes
imagen 3.20. Lineales como las que se muestran en la imagen, cuentan con el
balastro que le suministra la corriente con alta frecuencia, pero no se puede
realizar una atenuación de luminosidad por las lámparas ya que los balastros son
los que mantienen funcionando cada una de las lámparas no puede realizar esa
función.
Imagen 3.20. Lámparas fluorescentes
3.4.2. Conexión
En la imagen 3.21. Se ve el diagrama simplificado de la conexión de la lámpara
con el balastro, con el control de intensidad (dimmer)
54
Imagen 3.21. Diagrama eléctrico de sistema de control.
[18]
La siguiente imagen muestra la conexión entre los componentes del sistema de
control de iluminación. Cuando la luz natural que llega a la fotocelda alcanzando
la intensidad máxima indicara al balastro atenuable que reduzca la corriente que
entrega a la lámpara para que esta funcione a su mínima capacidad y cuando la
luz natural incidente en la fotocelda sea nula, el balastro procederá a incrementar
la corriente hasta su capacidad normal.
Imagen 3.22. Diagrama simplificado del sistema de control.
55
3.5. Energía aprovechada y precio
En la imagen 3.23. Se aprecia la cantidad de energía fuera de la atmosfera a las
diferentes horas de día, sirve para hacer una relación en porcentaje con la energía
que llega.
[18]
3.5.1. Costo total (comedor)
En la tabla 3.16 se vuestra el precio de cada uno de los componentes, para
después determinar el precio de una unidad.
Tabla 3.16. Costo del tubo solar del comedor.
partes material cantidad características precio
(pesos)
Imagen 3.23. Irradiacia solar diaria.
56
filtro película
inteligente 0.2026
m2
transmisión de luz visible: 72% rechazo de rayos infrarrojos:
80% rechazo de rayos infrarrojos: 99% $10.00
domo acrílico 1
forma: circular diámetro: 20 pulgadas
color: transparente espesor: 3 milímetros $180
tubo aluminio 0.15 m2 aluminio anodizado
acabado espejo $36
difusor acrílico 0.258 m2
forma: cuadrado lados: .508 m
tipo: refractor panal de abeja color: cristal $50
base fibra de vidrio 1 forma a lamina $70
sellador silicón 250
gramos transparente $20
difusor base aluminio 6 m
solera 6000mm*10mm*400mm $70
$436.00
3.5.2. Energía aprovechada (comedor)
Para hacer el cálculo de la amortización se realiza una regla de tres relación entre
la máxima irradiación y la irradiación obtenida en un tiempo requerida, en la tabla
se muestra la relación en porcentaje para cada hora del día.
57
Tabla 3.17. Intensidad luminosa para el comedor.
hora del día
porcentaje de radiación aprovechable
8 53.2
9 61.2
10 85.9
11 93.4
12 100
13 100
14 93.4
15 85.9
16 0
17 0
67.3
Después de las 16 horas del día la estructura de la nave industrial empiezan a
bloquear los rayos solares como se muestra en la imagen 3.24:
58
Imagen 3.24. Sombra formada en el techo del comedor.
3.5.3. Costo total (proceso)
En la tabla 3.18. Se muestra el precio de cada uno de las partes, para después
determinar el precio de una unidad.
Tabla 3.18. Costo de tubo solar de proceso.
partes material cantidad características precio
(pesos)
reflector aluminio 0.77 m2 aluminio anodizado acabado
espejo $184
59
filtro película
inteligente 0.2026 m2
transmisión de luz visible: 72% rechazo de rayos infrarrojos:
80% rechazo de rayos infrarrojos: 99% $10.00
domo acrílico 1
forma: circular diámetro: 20 pulgadas color:
transparente espesor: 3 milímetros $180
tubo aluminio 4.67 m2 aluminio anodizado acabado
espejo $1,120
difusor acrílico 0.258 m2
forma: cuadrado lados: .508 m tipo: refractor panal de abeja
color: cristal $50
base fibra de vidrio 1 forma a lamina $70
sellador silicón 250
gramos transparente $20
difusor base aluminio 6 m solera 6000mm*10mm*400mm $70
$1,704
60
3.5.4. Energía aprovechada (proceso)
Aplicando la tabla de irradiación solar se obtiene la relación siguiente relación,
donde al medio día y a la 1 pm es considerado como el 100%,
Proceso cuenta con dos distribuciones de tubos solares en líneas (lado A, lado B).
Tabla 3.19.
Tabla 3.19. Intensidad luminosa para área de proceso.
lado A lado B
hora del día
porcentaje de radiación incidente
hora del día
porcentaje de radiación incidente
8 0 8 53.2
9 0 9 61.2
10 85.9 10 85.9
11 93.4 11 93.4
12 100 12 100
13 100 13 100
14 93.4 14 93.4
15 85.9 15 85.9
16 65.4 16 0
17 23.1 17 0
64.71
67.3
66.005
Problema a considerar es la sombra que se crea por la misma estructura de la
planta, pues limitaría el paso de luz natural hacia el interior. Por eso se procede a
su estudio.
Aproximadamente a las 10 am empieza a desaparecer las sombras en la cúpula
en el mes de diciembre, que es el mes donde el tiempo que tarda la sombra en
desaparecer es mayor al resto, por el hecho de que su curva de trayectoria es más
inclinada, imagen 3.25.: y a las 4 pm para el otro lado de la nave industrial se deja
de recibir la luz al sistema imagen 3.26. Por eso que en la tabla anterior el lado A
61
comienza a considerar la energía hasta la hora 10 y el lado B deja de considerar
hasta la hora 16 en adelante.
Imagen 3.25. Sombras formadas en el techo de la nave industria, para el lado A
62
Imagen 3.26. Sombras formadas en el techo de la nave industria, para el lado B.
3.5.5. Costo total (recepción)
La película inteligente también será un complemento a la lámina, para que los
rayos ultravioletas e infrarrojos no la atraviesen e incremente la temperatura del
interior, esta solución evita los cargos de energía por la refrigeración del lugar. En
la tabla 3.20. Se muestran los precios de los componentes con el precio total.
Tabla 3.20. Costo de la lámina traslucida con el filtro solar.
partes material cantidad características precio
63
filtro película inteligente 4.5 m2
transmisión de luz visible: 72% rechazo de rayos infrarrojos: 80% rechazo de rayos infrarrojos: 99% $380
lamina acrílico 4.5m2 acrílico opaco $1,115
$1,495
3.5.6. Energía aprovechada (recepción)
La incidencia del sol en los dos lados de la planta no son iguales, por las tardes el
sol favorece al lado A, mientras que por los mañanas el sol solo llega al lado B. la
tabla 3.21. Muestra los porcentajes para cada lado.
Tabla 3.21. Intensidad de radiación aprovechada por las dos áreas de proceso.
intensidad luminosa para recepción
lado A lado B
hora del día
porcentaje de radiación incidente hora del día
porcentaje de radiación incidente
8 0 8 53.2
9 30 9 61.2
10 85.9 10 85.9
11 93.4 11 93.4
12 100 12 100
13 100 13 100
14 93.4 14 93.4
64
15 85.9 15 85.9
16 65.4 16 32
17 23.1 17 0
67.71
70.5
69.105
Imagen 3.27. Sombras formadas en el techo de la nave industrial en el lado B.
65
Imagen 3.28. Sombras formadas en el techo de la nave industrial en el lado A
Capítulo 4: resultados y discusiones
4.1. Comedor En la tabla 4.1. Se ve la distribución de los tubos solares a instalar representados
en cuadrados de 0.45 metros de lado, esta distribución fue adaptada a las
características del lugar, para lograr más dispersión de la luz en todo el espacio.
66
Tabla 4.1. Distribución de los tubos solares en el comedor.
En las imágenes siguientes se aprecia el resultado de la simulación en el lugar, se
seleccionaron estas dos estaciones para saber la cantidad máxima de luxes con
que se contara y con la menor cantidad.
67
Imagen 4.1. Simulación de iluminación en el comedor para invierno.
Imagen 4.2. Simulación de iluminación en el comedor para verano.
68
La concentración de luz que provoca las áreas más iluminadas serán dispersadas
por los difusores refractores logrando aumentar el factor Emin / Emax.
El rectángulo rosa que se ve en la imagen es el área de estudio ubicado a 0.85
metros de altura, se debe de garantizar una iluminación mayor o igual a 300 luxes,
aunque invierno recibe la mínima cantidad de radiación durante el año se logran
cumplir los requerimientos de Em ≥ 300 luxes.
Tabla 4.2. Intensidad luminosa en el comedor en invierno.
En la imagen se puede ver como Em supera considerablemente el valor de
diciembre siendo Em = 783 luxes
Tabla 4.3. Intensidad luminosa en el comedor en verano.
69
4.2. Proceso En el diagrama siguiente esta la distribución de cada uno de los difusores de luz
que iluminaran el espacio gracias a la luz natural.
Tabla 4.4. Distribución de los tubos solares en el área de proceso.
Como vemos en la siguiente tabla, Em supera los 300 lx así que la norma se
cumple.
70
Tabla 4.5. Intensidad luminosa en el área de proceso..
En las siguientes imágenes está el producto de la simulación en el programa
Dialux, con las condiciones ya mostradas.
Imagen 4.3. Simulación de iluminación para el área de proceso, vista frontal.
71
Imagen 4.4. Simulación de iluminación para el área de proceso.
4.3. Recepción La posición de las láminas traslucidas son vistas desde la parte de arriba de la
planta, y en el diagrama ubicado en la parte de abajo están las coordenadas para
su instalación.
72
Tabla 4.6. Distribución de las láminas traslucidas en el área de recepción.
Con un cielo parcialmente cubierto del mes de diciembre se logran alcanzar los
423 lx, si se retira una de las láminas la intensidad luminosa disminuye por debajo
de los 300 lx.
73
Tabla 4.7. Intensidad luminosa obtenida por las láminas traslucidas en el área de recepción.
Imagen 4.5. Simulación en el área de recepción con las 3 láminas traslucidas.
74
4.4. Ahorros En la tabla 4.8 se pueden ver los ahorros para cada una de las áreas y su total de
energía ahorrada del 24.7kwh.
Tabla 4.8. Suma de la energía ahorrada por cada área.
área
factor del promedio diario de radiación incidente
consumo por luz artificial de 8am-5pm (watts/hora)
energía ahorrada (watts/hora)
comedor 0.67 5040 3376.8
lado A proceso 0.64 13914 8904.96
lado B proceso 0.67 13104 8779.68
recepción 0.69 5400 3726
24787.44
El precio medio que paga la empresa por un kwh es de 1.61 pesos, lo que
significa que diariamente se estaría ahorrando:
Pesos ahorrados = precio medio* energía ahorrada =1.61 * 24.78 = $39.89
4.5. Gastos Comedor = Costo del tubo solar del comedor * número de tubos solares= 436*9=
$3924
Proceso = Costo del tubo solar de proceso* número de tubos solares = 1704*7=
$11928
Recepción = Costo del tubo solar de recepción* número de tubos solares = 1495*3
= $4485
Total materiales =$20337
75
La empresa cuenta con taller y personal para la construcción e instalación, así que
se sumara un 50%, que es lo se le pagaría al personal aproximadamente.
TOTAL = 20337*1.5 = $30505.5
4.6. Tiempo de amortización Ahorro diario = $39.89
Con una regla de tres se obtiene el dato.
Si en 1 día se ahorra 39.89, para ahorrar 30505.5 se requiere:
Tiempo de recuperación = 30505.5/39.89= 764.74 días= 2 años y 34 días
4.5. Sistema instalado
Imagen 4.6. Tubos solares con los reflectores en colocados en el lado A de la planta.
76
Imagen 4.7. Tubos solares con los reflectores en colocados en el lado B de la
planta.
77
Imagen 4.8. Tubos solares ubicados en el techo de proceso.
78
Imagen 4.9. Tubos solares sin reflectores ubicados en el techo del comedor.
Imagen 4.10. Laminas traslucidas ubicadas en el techo de la planta.
79
Imagen 4.11. Planta con los sistemas de iluminación natural instalados.
Capítulo 5: conclusiones y recomendaciones
5.1. Conclusiones La aplicación de los reflectores en los tubos solares de proceso incremento cercas
del 50% la energía solar captada, esto sin la necesidad de incrementar el diámetro
del tubo reflector o de algún otro componente.
El tiempo de amortización se es menor en comparación con los tubos solares que
están en el mercado.
5.2. Recomendaciones Sobre la construcción del tubo solar, la longitud del tubo reflejante debe ser lo más
corto posible para no reducir la energía provocadas por los rebotes, como se
observó en la metodología, la longitud del tubo significaba rebotes de la luz y por
cada rebote parte de la energía era absorbida y convertida en calor.
Para dimensionar un espacio que no cuenta con un sistema de control, o alguna
fuente de luz artificial, es necesario dimensionar con respecto los tiempos más
críticos, como lo son: días parcialmente nublados y en invierno para no tener
problemas en los casos que se llegase a presentar el momento.
80
Los colores claros ayudan considerablemente a la iluminación, procurar pintar los
lugares de blanco o por colores claros, pues los colores oscuros absorben la
radiación convirtiéndola en calor.
Los difusores de luz evitan la presencia de sombras y reparten la luz por los
espacios. Procurar usar los que tengan colores más claros, ya que transmiten
mejor la luz.
Si el espacio a iluminar con luz natural no cuenta con sistemas de refrigeración
para bajar la temperatura, no utilizar el filtro solar, ya que esto reduce arriba del
20% de la luz visible de la energía captada.
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81
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[13]proyeco imagen, Santiago. [en línea]
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http://www.ptolomeo.unam.mx:8080/xmlui/bitstream/handle/132.248.52.100/739/A
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