Ahorro de Energía y Agua

TIPOS DE ILUMINACIóN Y SU CONSUMO

1. Conceptos básicos de iluminación

Unidades de iluminación

Lumen: Un lumen(lm) es el equivalente a una candela por estereoradián.

Es la unidad que se utiliza para indicar la cantidad de luz que produce una bombilla, también conocido como flujo luminoso.

La medida de este parámetro es un muy compleja y requiere equipamiento especializado como la esfera de Ulbricht.

Candela: Se define como una sexagésima parte de la luz emitida por un centímetro cuadrado de platino puro a la temperatura de su punto de fusión (2046 K). La iluminación equivalente a una candela se puede ver en la luz producida por una bombilla incandescente de 1W.

Lux: Un lux(lx) equivale a un lumen por metro cuadrado. Esta unidad se utiliza para medir la cantidad de luz que recibe una superficie determinada. Se puede medir con un luxómetro.

Nota: No se deben confundir los lumen con los lux. Los lumen son la cantidad de luz que produce una fuente de luz, mientras que los lux indican la cantidad de luz que recibe una superficie determinada. Para entenderlo mejor se puede hacer la siguiente suposición: Si partimos de una bombilla que produce 1000 lumen y medimos la luz a 1 metro de distancia podemos obtener una medida de 500 lux, mientras que a 2 metros se puede medir 100 lux. Es decir que como la misma luz se tiene que repartir sobre más superficie, el resultado obtenido es una iluminación menor. Es decir los lux disminuyen con la distancia con respecto a la fuente luminosa.

En los siguientes puntos se indican ejemplos de iluminaciones recomendadas para distintos usos:

  • LED Residencial
      • Cocina: 300 lux y 500-600 en la encimera
      • Baño: 200 lux y 300-500 para maquillaje
      • Dormitorio: 100-200 lux
      • Cuarto de estudio: 200-300 lux y 500-750 en zona de trabajo
      • Sala de estar: 100 lux y 500 lux para leer
      • Escaleras: 100 lux mínimo
  • Zonas comunes:
      • Ascensor: 300-500 lux
      • Rellanos: 50-250 lux
      • Escaleras: 100-300 lux
  • Zonas comerciales:
      • Alumbrado General: de 300 a 600 lux
      • Escaparates: 1000 a 3000 lux exteriores y 1000 lux interiores
      • Estanterías: de 200 a 400 lux
      • Cajas registradoras: entre 500 y 900 lux.
  • Colegios:
      • Aulas: de 350 a 1000 lux
      • Aulas técnicas y laboratorios: de 500 a 1000 lux
      • Gimnasio: de 250 a 500 lux
      • Pizarra: de 300 a 700 lux
      • Salas de reuniones: de 200 a 1000 lux
      • Pasillos: entre 150 y 700 lux
      • Baños: entre 50 y 300 lux
  • Hospitales:
      • Salas de espera: de 300 a 600 lux
      • Consultas: de 400 a 1000 lux
      • Quirófanos: de 300 a 1000 lux y de 3000 a 8000 lux en la mesa de operaciones
      • Laboratorios: de 400 a 1000 lux
      • Habitaciones: entre 50 y 300 lux
      • Alumbrado nocturno: entre 10 y 50 lux
  • Oficinas:
      • Mesas de administrativos: 400 a 700 lux
      • Mesas de dibujo: de 600 a 1500 lux
      • Salas de reuniones: de 200 a 350 lux y 400 a 700 lux en la mesa
      • Zonas de paso: de 150 a 500 lux

Temperatura de color

Se define como el color que emite una fuente luminosa en comparación con la que emitiría un cuerpo negro calentado a una temperatura determinada.

En la parte de la izquierda se emite prácticamente en infrarrojo, mientras que en la derecha se emite casi en los ultravioleta. Cuando el cuerpo negro está a unos 6000ºK emite todos los colores del arco-iris a la vez y se produce el color blanco puro. Es la temperatura de la superficie del sol.

Es por lo tanto otro factor a tener en cuenta a la hora de comprar una bombilla, ya que indica el color de la luz producida. Así una bombilla que emite luz cálida tiene una temperatura de color inferior a una que produce luz fría.

Es importante éste factor para adaptar la luz al gusto del consumidor y más importante es aún elegir el tipo de color para algunos tipos de industrias, como por ejemplo los mostradores de las carnicerías, en los que el aspecto de la carne dependerá del tipo de iluminación. También es un factor muy importante en la realización de fotografías.

Ejemplos de temperatura de color se pueden ver a continuación:

  • 1700K: Luz de una cerilla
  • 1850K: Luz de una vela
  • 2700–3300K: Luz incandescente (Iluminación doméstica convencional)
  • 3000K: Tungsteno (con lámpara halógena)
  • 4000–4500K: Lámpara de vapor de mercurio
  • 5,000K: Luz Fluorescente
  • 5500–6000K: Luz de día, flash electrónico
  • 5780K: Temperatura de color de la luz del sol pura
  • 6200K: Lámpara de xenón
  • 6500K: Luz de día, nublado
  • 6500–10500K: Pantalla de televisión
  • 28000–30000K: Relámpago

NOTAS:

  • Para que nuestro cerebro no se incómodo con la luz que se pone en una estancia es importante tener en cuenta que para iluminación con una potencia menor de 500lux es recomendable instalar luces con temperatura de color baja. El condiciones de luz de más de 500lux es recomendable poner luz fria.
  • No se puede iluminar cualquier superficie con cualquier color, basándonos en el hecho de que todas las superficies, excepto las superficies negras, reflejan el color que vemos. El negro absorbe todas las longitudes de onda. Así no se puede iluminar un ladrillo de color rojo con un led verde, ya que el color obtenido sería posiblemente el negro.

Índice de reproducción cromática (IRC, Ra)

Es otro de los factores importantes a evaluar cuando se adquiere una bombilla, pues de ello dependerá el como se van a ver los colores de los objetos iluminados por el tipo de luz producida por la bombilla.

Indica la variación de color que experimentan los objetos que son iluminados con una fuente de luz en comparación con una luz de referencia, que suele ser la radiación de un cuerpo negro a una temperatura inferior a 5000ºK.

2. Tipos de bombillas

En la actualidad existe en el mercado una gran variedad de bombillas de distintos modelos y tecnologías cada una de las cuales presenta distintos perfiles de rendimiento de cara al consumidor, cada una con sus ventajas e inconvenientes particulares.

Introducción

En gran medida lo que se trata de analizar en este punto es la tecnología de iluminación que más interesa para cada aplicación, atendiendo principalmente al consumo eléctrico, la iluminación producida y el tiempo de vida de cada tipo de lámpara. Al final se realizará un estudio de iluminación de un local, analizar la energía que se ahorra al año y el periodo de amortización de la adaptación al nuevo tipo de bombillas.

Hay que tener en cuenta que la energía consumida por las bombillas se transforma en dos componentes, luz y calor. Es deseable que el término de calor sea nulo, con lo que toda la energía consumida se traduciría en energía luminosa. En la actualidad ninguna bombilla es capaz de esta última afirmación.

Los principales tipos de bombillas que hay en el mercado son (De mayor a menor consumo):

  • Incandescentes (Ya no se comercializan)
  • Halógenas
  • Fluorescentes con reactancia eléctrica.
  • De Bajo consumo (Fluorescente con reactancia electrónica)
  • LED
  • De gases nobles y alto rendimiento, como la de vapor de sodio a alta presión.

Para saber la relación que hay entre consumo/iluminación, es decir, "rendimiento", hay que mirar siempre las características del fabricante, ya que los datos pueden variar entre los mismos tipos de bombilla. En todo caso lo mejor es hacer una medición práctica de la potencia consumida real en la instalación para ver cual es la realidad de cada instalación.

Las siguientes imágenes son una aproximación al consumo eléctrico para cada tipo de bombilla, indicando también la iluminación que producen en lumen. Es conveniente comparar los distintos resultados mostrados. Se ve rápidamente que no siempre coinciden, con lo que lo mejor es siempre que sea posible se consultará al fabricante de la bombilla.

https://sites.google.com/site/webdejrojas/ahorro-energetico/promocion-del-uso-eficiente-de-la-energia-y-del-agua/01%20Equivalencia%20bombillas%202.jpg?attredirects=0

Equivalencia entre distintas tecnologías

En la imagen de al lado se puede ver la equivalencia aproximada entre los distintos tipos de bombillas que hay en el mercado. Lo relamente importante y en lo que hay que fijarse es en la iluminación conseguida con cada bombilla y buscar la bombilla que da esa iluminación con el menor consumo eléctrico posible.

https://sites.google.com/site/webdejrojas/ahorro-energetico/promocion-del-uso-eficiente-de-la-energia-y-del-agua/01%20Equivalencia%20bombillas%201.png?attredirects=0

En esta imagen se puede ver la iluminación que producen las bombillas de vapor sodio y de halogenuros metálicos en comparación con las tecnologías domésticas, su rendimiento es similar a la de las bombillas LED.

Las bombillas de vapor sodio y de halogenuros metálicos tienen el inconveniente de que tienen un periodo de arranque demasiado elevado, comparado con el resto.

Peligro del mercurio

El mercurio está presente en muchas de las bombillas que se utilizan en los hogares, sobre todo en los fluorescentes y en las bombillas de bajo consumo.

Hay que tener especial cuidado si una de estas bombillas se rompe, pues se liberará el mercurio que tiene en su interior. El problema es más grave si la bombilla está caliente, pues el mercurio se libera con mayor rapidez.

El mercurio es tan peligroso que hay un protocolo establecido para como actuar en el caso de la rotura de una de estas bombillas. Hay que ventilar la estancia afectada durante al menos 40 minutos, no puede haber nadie en la habitación mientras, recoger los trozos con guantes, film adhesivo y si se utilizan fregonas o cepillo en la limpieza estos utensilios hay que descharlos en un punto limpio, puesto que querarán contaminados por mercurio.

En los siguientes vídeos se puede ver un documental en donde explican estos peligros y un vídeo añadido relacionado con el tema.

En cuanto a las bombillas de vapor de sodio de alta presión hay que decir que están pensadas para lugares en donde hay necesidad de largos periodos de iluminación, ya que tardan unos 5 minutos en alcanzar su iluminación máxima y una vez apagadas hay que esperar un largo periodo de tiempo para poder volver a encenderlas.

En todos los casos es conveniente calcular la relación entre iluminación y consumo (lumen/vatio) para calcular la eficiencia de cada bombilla.

Tipos de bombillas

Bombilla incandescente

Son bombillas compuestas por un filamento metálico, de wolframio, que se calienta a una temperatura muy alta cuando circula por él una corriente eléctrica. El filamento no se quema ya que en el interior de la bombilla no hay oxígeno y ésto no permite su combustión. Esta bombilla la inventó Joseph Wilson Swan.

El 85% de la energía se consume en forma de calor y solo un 15% se transforma en energía luminosa. Desde el 1/9/2009 hasta el 1/9/2012 se ha ido retirando la fabricación de este tipo de lámparas y ya no se encuentran en los comercios.

El rendimiento luminoso varía entre 12 y 18lm/W y tienen una durabilidad limitada a unas 1000 horas. Su temperatura de color ronda los 3000ºK.

Hay que tener cuidado ya que el casquillo puede alcanzar temperaturas de 200ºC y el bulbo puede llegar a calentarse a 370ºC.

Bombilla Halógena

Es la evolución de la bombilla incandescente. En esta bombilla el filamento es de tungsteno y el interior de la ampolla de cuarzo, en lugar de vidrio, contiene un gas halógeno que mejora el rendimiento de la lámpara. Este gas suele ser bromo o yodo.

En esta bombilla se consigue un rendimiento de 10-30lm/W y su temperatura de color es un poco mayor. En las bombillas halógenas la temperatura del bulbo puede llegar en algunos casos a 900ºC.

En este tipo de bombillas no se puede tocar el cuarzo con la mano ya que la grasa que tienen lo dedos puede destruir el cuarzo cuando alcanza altas temperaturas y por lo tanto fundir el filamento.

Tubo fluorescente

Es una lámpara que produce luz al hacer circular electricidad a través de un tubo que contiene gases ionizantes, utiliza vapor de mercurio. La luz que producen este tipo de lámparas es ultravioleta y casi no se aprecia por el ojo humano. Todos estos tubos tienen un recubrimiento fluorescente que convierte la luz ultravioleta en luz visible, ésto le da el aspecto blanquecino que se aprecia desde el exterior.

La vida útil del tubo está entre las 5000 - 75000 horas, aunque el rendimiento luminoso disminuye con el uso y a veces hay que sustituirlos cuando emiten poca luz.

El rendimiento luminoso es este tipo de lámparas es de entre 50 y 90lm/W. La temperatura de color puede variar entre 3000 y 6500 ºK, depende del código de color que ponga en el tubo.

Este tipo de lámparas producen cierto parpadeo, frecuencia de la red eléctrica, que puede producir dolores de cabeza en algunos casos. También hay que decir que si se rompe la lámpara se evapora el mercurio que contiene y puede provocar enfermedades graves a las personas que están alrededor. En este caso hay que seguir un protocolo de seguridad para eliminar los residuos y eliminar posibles problemas de salud. Se consideran residuos peligrosos y hay que desecharlos en un punto limpio para su reciclaje.

Para hacer funcionar el tubo se necesita un equipamiento eléctrico adicional, no se puede conectar directamente a la red eléctrica. Se puede hacer de dos maneras:

  • Reactancia convencional: Se utiliza una reactancia eléctrica junto con un cebador que provoca el encendido inicial del tubo. En este caso el rendimiento total disminuye ya que la reactancia consume tanto o más que el propio tubo fluorescente. El factor de potencia es muy malo y siempre se suele añadir un pequeño condensador para aumentar el rendimiento del sistema completo.
  • Reactancia electrónica: Es un circuito electrónico que sustituye al sistema tradicional anterior. El circuito electrónico consume muy poco energía, del orden de 1 o 2W, y el rendimiento final del sistema es mucho mayor, tanto como los sistemas LED. El factor de potencia en este tipo de reactancia es muy cercano a la unidad.

NOTA: A la hora de sustituir fluorescentes por lámparas LED hay que tener en cuenta las condiciones de trabajo de los fluorescentes actuales. La condición de máxima iluminación para un fluorescente es a una temperatura de 25ºC, en cualquier otra temperatura el fluorescente siempre luce menos que lo que marca el fabricante.

Esto se nota especialmente en iluminación de cámaras frigoríficas, en donde hay que tener mucho cuidado al cambiar la iluminación a LED. En estas condiciones los fluorescentes iluminan muy poco, y si se ponen LED de potencia equivalente al fluorescente actual se conseguirá muchísima más luz. Esto puede provocar la oxidación prematura de los alimentos iluminados con la correspondiente degradación prematura. Recordar que la iluminación y el contacto con el oxígeno provoca la oxidación de los alimentos y por lo tanto su degradación.

Bombilla de bajo consumo

Al igual que los fluorescentes, necesitan un tiempo de calentamiento de un par de minutos para alcanzar el 100% de su iluminación, con lo que no son recomendables para lugares en donde se están apagando y encendiendo las luces con cierta frecuencia. En este caso además de obtener una baja iluminación se acortará la vida de la lámpara considerablemente. Es mejor utilizar la incandescente de toda la vida o pasarse a LED que no se estropea con los encendidos y apagados y además da el 100% de iluminación desde el principio.

Bombilla de vapor de mercurio

Contiene un tubo de cuarzo que está relleno de un gas inerte (argón) y algo de mercurio. La luz se produce por una descarga eléctrica entre dos electrodos de tungsteno, ayudado de un electrodo auxiliar de molibdeno.

Bombilla de vapor de sodio

Tiene un rendimiento entre 80 y 150lm/W, temperatura de color de 2100K, Ra entre 23 a 65%, vida útil de unas 23000 horas

Es necesario un arrancador para poderla poner en marcha y tarda varios minutos en alcanzar su máxima iluminación.

Las hay de hasta 1000W

La bombilla LED

Estas bombillas suponen un ahorro considerable frente a casi todas las otras bombillas del mercado. Las ventajas principales son:

  • Encendido de la lámpara inmediato
  • Iluminación del 100% de la potencia de manera instantánea
  • Muy larga duración
  • Numero de encendidos y apagados muy elevado

Datos y LEDs

En un futuro no muy lejano se podrá en marcha la tecnología LIFI para que nuestros dispositivos móviles tengan acceso a Internet a través de la iluminación LED a unas 100 veces más rápido que las actuales tecnologías de WIFI. Será por lo tanto un sistema de comunicación de datos bidireccional que utilizará la iluminación para sustituir las actuales tecnologías de comunicación con nuestros dispositivos inalámbricos (Wifi a través de la Luz)

Otro uso de la iluminación LED es la transmisión de datos a través del sistema de iluminación de una sala. La tecnología actual permite mediante el parpadeo de los LED a alta frecuencia la transmisión de datos a la vez que se ilumina una sala. El ojo humano no es capaz de distinguir dicho parpadeo. Con la simple cámara de fotos de un móvil se puede recibir esta información y utilizarla para por ejemplo saber en que punto de un centro comercial nos encontramos. Si además contamos con conexión de datos para poder dar órdenes a la luminaria se podrían hacer cambios en el nivel de iluminación, color, posición GPS en interiores y muchas más cosas que se nos pueda ocurrir.

En esta imagen se pueden ver algunos de los tipos de LED que se pueden encontrar en las bombillas LED. Dependiendo del tipo de LED instalado la bombilla final tendrá unas u otras características.

Las tiras LED son otra evolución de la iluminación LED. Hay tiras LED tanto para decoración como para iluminación, dependiendo del tipo de LED instalado la tira LED será de uno u otro tipo. Los diodos más comunes se presentan a continuación:

  • 2835: 2.8mm x 3.5mm, 18-24lumen, 2.9-3.6V, 60mA, 0.2W, 90-120lumen/W, DataSheet
  • 3528: 3.5mm x 2.8mm, 6-8lumen, 2.8-3.6V, 20-30mA, 0.08W, 75-100lumen/W, DataSheet
  • 3014: 3.0mm x 1.4mm, 8-13lumen, 3.0-3.4V, 30mA, 0.1W, 80-120lumen/W, DataSheet
  • 5050: 5.0mm x 5.0mm, 12-15lumen, 3.0-3.4V, 60mA, 0.18W, 66-83lumen/W, DataSheet, DataSheetRGB
  • 5630: 5.6mm x 3.0mm, 39-58lumen, 3.0-3.5V, 150mA, 0.5W, 78-116lumen/W, DataSheet
  • 5730: 5.7mm x 3.0mm, 39-49lumen, 3.0-3.4V, 150mA, 0.5W, 78-98lumen/W, DataSheet

Conexión eléctrica de las bombillas

En la imagen inferior se pueden ver los diferentes tipos de casquillos que tienen las bombillas para su conexión a la red eléctrica

Consumo de encendido y vida útil

En el vídeo se puede ver como se analizan los consumos de encendido de distintos tipos de bombillas, así como el efecto que producen continuos encendidos y apagados en su vida útil.

3. Catálogos de iluminación

https://drive.google.com/open?id=0B0Rsv0qENhfHbzhMdm1oTUs0Qms

Pinchar en la imagen para ver el catálogo de Bricomart especial en iluminación.

Es aproximadamente del año 2017.

Lo dejo aquí para ver las características y precios aproximados de distintos tipos de bombillas LED que hay en el mercado.

https://drive.google.com/open?id=0B0Rsv0qENhfHM011UGNLYUhvQ0k


Pinchar en la imagen para ver el catálogo de Luxes.

Junto con el catálogo de al lado, en éste catálogo se pueden encontrar distintas soluciones de iluminación LED y sus características.

Te permitirá conocer las posibilidades de iluminación que ofrece la tecnología LED.

4. Prácticas

1. En una de los intentos que se han realizado en el centro para sustituir los tubos fluorescentes de 150cm por lámparas LED, se han obtenido los siguiente resultados:

  • Tubo fluorescente de 86W (150cm) ilumina 5000 lúmenes, equivalente a 86 lúmenes/W
  • Tubo LED de 25W /150cm) ilumina 2375 lúmenes, equivalente a 96 lúmenes/W
  • La conclusión es que no hay LED suficientemente potentes como para sustituir a fluorescente convencional.

2. Medición del consumo de un fluorescente de 18W con reactancia convencional.

  • Se obtienen las siguientes medidas. 39W de potencia activa, 84VA de potencia aparente y Cosφ de 0,476. Esto significa el que vector de potencia tiene un ángulo de 68º y se consume más reactiva (74VAr) que energía activa

3. Analizar bombillas que utilicen tecnologías diferentes y recoger los datos en una hoja de cálculo para comparar los resultados. Los puntos a analizar son los siguientes:

  • Potencia teórica, obtenida de multiplicar el voltaje por la intensidad de cada sistema de iluminación. Anotar V, I y P.
  • Potencia consumida, obtenida con un medidor de potencia. Se ha de anotar la potencia real, coseno φ, potencia reactiva
  • Iluminación obtenida a 1 metro de distancia. Buscar el ángulo límite de iluminación.
  • Calcular el rendimiento real para cada sistema de iluminación en lumen/W.

5. Conclusiones

La conclusión es clara, los LED obtienen más iluminación por cada vatio consumido, pero en el mercado actual no se puede sustituir un tubo por otro, ya que aún no hay "fluorescentes" LED lo suficientemente potentes para sustituir al fluorescente convencional. NOTA: El fluorescente probado utilizaba reactancia electrónica.

Tener en cuenta la temperatura de color de los tubos fluorescentes. Un código 840 significa 4000ºK o luz cálida, mientras que 860 son 6000ºK o luz fría.

Aparte de todos estos conceptos aprendidos hasta ahora hay que tener en cuenta que la potencia de la lámpara de compone de una parte activa (energía que se aprovecha de alguna manera) y otra parte reactiva (energía que no se aprovecha). Por lo tanto hay que hacer un estudio más detallado de cada instalación para saber si se está perdiendo energía en forma reactiva que hace la instalación menos eficiente.

https://sites.google.com/site/webdejrojas/ahorro-energetico/promocion-del-uso-eficiente-de-la-energia-y-del-agua/Comparativa%20bombillas.png

Estos son los resultados de las mediciones realizadas en una maqueta de iluminación con varias bombillas. La iluminación de cada lámpara se ha realizado a una distancia de un metro.

Sobre estos resultados se pueden estudiar los diferentes resultados obtenidos.