Aumento de la prestación energética de los edificios con el uso de sistemas de iluminación de alta eficiencia

Abstract

La iluminación juega un papel fundamental en el desarrollo de las actuales actividades sociales, comerciales e industriales. El sistema de iluminación representa dentro del consumo energético de los servicios generales de un edificio, un porcentaje significativo. En consecuencia, hacerla más eficiente representa ya, una prioridad. La tecnología ha evolucionado a sistemas de iluminación que cada vez, son más eficientes energéticamente. Por tanto, existe un gran potencial de ahorro, energético y económico, alcanzable mediante el empleo de equipos eficientes, unido al uso de sistemas de regulación y control adecuados a las necesidades del local a iluminar. El presente trabajo se obtiene a partir de la integración de las normas (UNI 15193 y UNI EN 12464 y UNI EN 15217) con artículos de investigación científica sobre el tema, y tiene como objetivo la reducción del consumo energético relativo a la iluminación en una institución universitaria, específicamente, en la escuela de Ingeniería Eléctrica de la universidad de Roma “La Sapienza”. El área de estudio consta de un total de 1800m2, distribuidos en dos plantas. Es desarrollado en colaboración con la empresa F.C. Automazioni S.R.L., una sociedad muy bien situada en el campo de la automatización de edificios y del ahorro de energía. Se espera la realización con la participación de ABB que proporciona materiales y tecnologías de última generación en lo que respecta a los sistemas de control y ITAWAN que ofrece los equipos de iluminación de alta eficiencia y ajustables. Con la finalidad de convertir el sistema de iluminación actual en uno más eficiente en términos energéticos, se plantea como alternativa: 1) Sustitución de luminarias existentes con LED, el cual constituye un modelo más eficiente Hay que tener en cuenta el rendimiento de la luminaria, de forma que refleje y distribuya mejor la luz, ya que, cuánto mayor rendimiento menor potencia será necesario instalar. 2) Adopción de sistemas de automatización, de regulación y control En función del aporte de luz natural, bien apagando o encendiendo la iluminación cuando el nivel está por debajo o por encima de un valor, o bien regulando la iluminación artificial de forma progresiva. El aprovechamiento de la luz natural permite una considerable reducción del consumo de energía eléctrica y, por tanto, un ahorro sustancial de energía, ya que en determinados momentos, y con un buen diseño, permite reducir el uso de iluminación artificial. Existen interruptores temporizados que apagan la iluminación tras un tiempo programado y que son más convenientes en lugares dónde las personas permanecen un tiempo limitado. Estos permiten establecer un control horario, que resulta útil en los edificios del sector terciario, por ejemplo edificios de oficinas o edificios comerciales, en los que existe un horario definido, y resulta posible encender y apagar la iluminación automáticamente. Los detectores de presencia o movimiento encienden la iluminación cuando o detectan movimiento y lo mantienen durante un tiempo programado. La metodología adoptada consiste en realizar un estudio de la situación actual para pasar al diseño del sistema de iluminación a alta eficiencia. Para cuantificar los resultados obtenidos es utilizado el LENI, un Indicador numérico de consumo de energía para la iluminación total anual requerida en el edificio y dado en [kWh/m2.anno] que, confrontando el valor del LENI obtenido con el resultante del estado actual y multiplicando por el área considerada, es posible individuar el ahorro energético obtenido. Así mismo, vienen calculados los índices parciales que permiten cuantificar la prestación energética de los sistemas de iluminación para interiores. 𝐸𝑃𝐿:𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑡𝑜 𝑖𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒 [𝑊𝑙𝑚⁄] 𝐸𝑃𝑆:𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑎𝑟𝑡𝑜𝑠 𝑖𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑛𝑡𝑒𝑠 [𝑊𝑙𝑚⁄] 𝐸𝑃𝐶:𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 [𝑝.𝑢.] 𝐸𝑃𝐺:𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔é𝑡𝑖𝑐𝑜 𝑔𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑖𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛𝑎𝑐𝑖ó𝑛 [𝑊𝑙𝑚⁄] Es posible clasificar energéticamente un sistema de iluminación en un contexto global a través del índice 𝐸𝑃𝐺, o evaluando separadamente el rendimiento de los aparatos (𝐸𝑃𝐿), de todo el sistema de aparatos iluminantes (𝐸𝑃𝑆) y el rendimiento del sistema de control (𝐸𝑃𝐶). Cada indicador, viene luego contextualizado en una escala, en manera tal, que el valor resultante sea posicionado en un intervalo que corresponde a una clase energética, que va desde la más óptima (𝐴) a la menos adecuada (𝐺). Posteriormente con la finalidad de presentar las soluciones en términos económicos, se consideran para cada una: - Costo de instalación. - Costo compresivo de todos los dispositivos utilizados. - Ahorro de energía anual. Se calcula el valor del VAN (Valor Actual Neto), procedimiento que permite calcular el valor presente de un determinado número de flujos de caja futuros, originados por una inversión, así como el Payback (tiempo de retorno de la inversión), es decir, cuánto tiempo se tardará en recuperar la inversión inicial mediante los flujos de caja, para poder así evaluar la conveniencia económica del costo inicial. Para concluir el presente trabajo de grado, se propone un instrumento de tipo cualitativo para la evaluación de la prestación energética de cualquier edificio respecto al sistema de iluminación. EVALUACIÓN DEL ESTADO ACTUAL Constituye la primera etapa del proyecto y corresponde al análisis del sistema de iluminación existente. Está constituida en seis (6) fases de investigación que se describen a continuación: 1) Recopilación de información dimensional de los locales: Viene particularizada cada planta del edificio en áreas, y estas a su vez en locales. Con la planimetría, vienen especificadas las dimensiones de cada uno. 2) Reconocimiento de la destinación de uso de cada locales: Entre los ambientes que conforman el edificio se encuentran: laboratorios, oficinas de profesores a dedicación exclusiva, dos aulas educativas, baños para uso de los estudiantes y para uso privado, sala de reuniones, sala de computación y pasillos.3) Potencia instalada: Se calculó multiplicando el número de lámparas por su potencia unitaria, teniendo en cuenta que en la potencia de la lámpara es necesario incluir la potencia del equipo auxiliar (en caso de que la lámpara lo requiera). Adicionalmente se tomó nota del tipo de lámpara instalada, donde casi en su totalidad correspondían al tipo fluorescente tubular.4) Identificación de grupos de control de las lámparas: Se verificó la existencia o no de grupos de control presentes en el local, así como el número en caso de existir. 5) Individuación de la modalidad de gestión de la iluminación: Se identificó si la modalidad de gestión de la iluminación es de tipo manual o automático. Resultó que toda la edificación corresponde a un encendido y apagado de tipo manual, por lo que, se individuó, una vez posicionadas las luminarias en la planimetría, el grupo de lámparas encendidas correspondiente con cada interruptor. 6) Medición de la iluminancia media mantenida: A través del cálculo del índice del local fue posible determinar el número de mediciones de la luminancia a realizar, para posteriormente realizar una media de los resultados. El instrumento utilizado para la medición fue el luxómetro, descansando el instrumento sobre la superficie a ser evaluada con el sensor de luz hacia arriba. Se tomó en general, la superficie de trabajo horizontal a la altura de 0,85 m sobre el suelo, para las zonas de tránsito en cambio, una altura de 0,2 m por encima del suelo. DISEÑO DEL SISTEMA DE ILUMINACIÓN A ALTA EFICIENCIA: La metodología planteada para el diseño se describe a continuación en siete (7) fases.1) Investigación de las prestaciones luminotécnicas requeridas en los edificios escolares Los niveles de luminancia que deben ser garantizados en los lugares de trabajo de interiores se especifican en la norma EN 12464-1 [1], que define los requisitos esenciales para la iluminación en un entorno (interno) de trabajo con cierta destinación de uso de las tareas visuales, previstos siempre en relación a la actividad que se realice, se llevan a cabo en cumplimiento de la salud y seguridad del trabajador, con especial atención al nivel de confort visual y requisitos de prestación visual.2) Selección de la tecnología de las lámparas que se utilizará para la sustitución de las lámparas actuales con otras a alta eficiencia La elección de las lámparas está motivada por las exigencias funcionales, proyectivas, estéticas y de coste. En el diseño se adoptarán las fuentes de iluminación con tecnología LED, ya que representan una alternativa viable a los sistemas tradicionales de iluminación tanto por el bajo consumo de energía que por las propiedades funcionales: una solución eficiente y moderna para iluminar y decorar cualquier ambiente de interior o al aire libre, tanto residencial como industrial. En particular, se tienen en cuenta los paneles LED, ya que permiten una iluminación innovadora, son sutiles y luminosos, se puede instalar en techos con facilidad. Específicamente se considera utilizar un panel a LED de potencia 40W, dimensiones 60cm*60cm, de la industria OKT.3) Diseño profesional de la iluminación Donde se realiza la simulación de las luminarias nuevas adoptas, controlando que la iluminación resultante sea coherente con lo establecido en la normativa UNI EN 12464-1. Teniendo especial cuidado con los valores de los coeficientes de reflexión. Con el objetivo de acercarse lo más posible en una situación real, donde los colores son en su gran mayoría claros, se definen:- Pisos: 64% (Grillo)- Techo: 83% (Blanco)- Paredes: 83% (Blanco)4) Razonamiento de la forma de gestionar la iluminación en función del local. Se realizó un estudio individualizado para cada habitación de acuerdo a la frecuencia de ocupación, uso previsto, disponibilidad de luz natural y dimensiones natural. Quedando las siguientes tipologías de ambientes: Habitaciones con alta disponibilidad de luz natural y operativas: Se propone la adopción de un sensor de presencia y luminosidad, capaz de controlar automáticamente el encendido y apagado al detectar la presencia y continuamente regular el flujo luminoso de las lámparas en función de la luz natural, manteniendo la iluminancia constante al umbral predeterminado.- Habitaciones sin disponibilidad de luz natural y operativas: Se propone la adopción de un sensor de presencia (control sólo en función de la ocupación). El encendido se lleva a cabo de forma automática en cuanto el sensor detecta la presencia de una persona o actividad. El apagado siempre se lleva a cabo de forma automática, después de un cierto tiempo programado adecuadamente para evitar inútiles encendidos y apagados.- Habitaciones no operativas: Pertenecen a esta categoría todos aquellos depósitos y almacenes. El encendido se realiza en modo manual a través de un botón con un relé temporizado que permite apagar automáticamente después de un tiempo de retardo programado.- Pasillos: El apagado viene de manera automática, está previsto mantener un escenario con poca luz de cortesía, con un tiempo de retraso de apagado no demasiado largo, ya que son entornos caracterizados por una ausencia intermitente.- Baños: El encendido/apagado están vinculados al encendido/apagado de ambientes circunstantes, es decir, de forma automática y que, considerando que la mayoría del tiempo se mantienen ocupados, se mantendrá constantemente encendido. Excepción especial se hace para el caso de los baños para uso privado, ya que no están ocupados todo el tiempo, es inútil para mantener las luces encendidas, por lo que se coloca un botón con relé temporizado.5) Componentes Konnex De entre los dispositivos utilizados para el sistema de automatización (todos pertenecientes a la empresa ABB), se encuentran:- Sensores de presencia y de movimiento dual, (modelo 6131/11), que constituye un dispositivo de ingreso en el sistema Konnex, capaz de relevar la iluminación así como la presencia de personas, enviando mensajes a la red KNX, destinados a los actuadores. Regulan automáticamente el alumbrado artificial en función del aporte de luz natural, bien apagando o encendiendo la iluminación cuando el nivel está por debajo o por encima de un valor, o bien regulando la iluminación artificial de forma progresiva.- Actuadores Universales Dimmer (US/S 2.300.1), constituye un dispositivo de salida en el sistema Konnex, que permite comandar directamente los aparatos iluminantes.- Interfaz universal, (modelo US/U4.2 de 4 canales), se utiliza para establecer una comunicación entre la red KNX y dispositivos de comando tradicional. Cada uno de los canales considerados como entrada, viene a ser programado para una función en específico, según como corresponda, de entre las cuales se encuentran: Sensor de conmutación; Sensor de conmutación / Dimmer; Operación forzada; Control de escenarios; Control LED. - Gateway DALI, (modelo DG/S 8.1 de 8 canales), representa un módulo de interfaz que permite la integración de la tecnología DALI en el sistema de gestión de los edificios Konnex. Las lámparas a LED requieren, para su funcionamiento, de balastos de control que funcionan con protocolo DALI. 6) Programación con el software ETS4Software que permite el diseño y creación de edificios inteligentes basados en el sistema KNX. La programación del dispositivo permite la configuración, puesta en marcha, diagnóstico y control del sistema. Fue realizada siguiendo una serie de pasos:- Disposición de los Cuadros: En primer lugar, se identifican las posiciones de los cuadros eléctricos, donde se instalan los actuadores y gateway DALI. Como resultado, cuatro (4) Cuadros en la planta baja y cinco (5) Cuadros en la primera planta.- Construcción del edificio: Se recrea la estructura del edificio con sus dos pisos, cada uno compuesto de diferentes entornos- Topología: Se halló principalmente el número de dispositivos por piso, y se encontró más de 64 dispositivos, ya que la fuente de alimentación seleccionada no es capaz de alimentar a más de 64 equipos, se ha diseñado todo el edificio con una sola área y cuatro (4) líneas, dos (2) dedicadas a la planta baja y dos (2) a la primera planta.- Direcciones de grupo: Las direcciones de los grupos se estructuran en una jerarquía de 3 niveles: 1) Grupo principal: Aquellas direcciones que coinciden con la iluminación y el comando de tipo general. 2) Grupo central: para el Grupo principal "iluminación", fueron creados como grupos centrales Dimmer y On / Off, así como, estado ON / OFF. Para los comandos generales en cambio se ha creado un grupo central llamado Automatización. 3) Subgrupo: para cada grupo central se crean las direcciones de los grupos que corresponden con los dispositivos que pertenecen a la misma función. EVALUACIÓN ENERGETICA: Se hace referencia a la norma UNI EN 15193 en relación con el consumo de energía debido a la iluminación artificial de los ambientes internos de trabajo. La misma, presenta el índice de eficiencia energética del sistema de iluminación, LENI (Lighting Energy Numeric Indicator), un método de verificación del consumo energético. Con implementación de las intervenciones, se obtiene una disminución del LENI, y por lo tanto del consumo energético. Considerando solo sustituir las lámparas por aquellas con alta eficiencia (tecnología LED), se obtiene una reducción del LENI desde 38.63 hasta 17.13 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 .𝑎𝑛𝑛𝑜. Introduciendo un control automático dependiente de la ocupación y de la disponibilidad de luz natural, se pasa a disminuir a 10,27 𝑘𝑊ℎ/𝑚2 .𝑎𝑛𝑛𝑜. En términos de ahorro: 56% - Solamente con la sustitución de las lámparas 73% - Con la implementación de sistemas de control automático Eficiencia Energética Con el fin de proporcionar el nivel de eficiencia energética del edificio de una manera eficaz, la UNI EN 15217 - presenta métodos para expresar el rendimiento de energía y para la certificación energética de los edificios. Introduce los indicadores contextualizados en una escala (por lo que es visualmente evidente, donde el índice se posiciona en el intervalo de eficiencia que va de un valor mínimo a un máximo, indicando la clase energética). Es posible clasificar energéticamente un sistema de iluminación en su totalidad a través del índice 𝐸𝑃𝐺. Al comparar el valor obtenido para el estado actual y para el proyecto (teniendo en cuenta la automatización incluida), se obtiene que el rendimiento energético pasó de una clase D a una clase A. CONVENIENCIA ECONOMICA: Se calcula el tiempo de recuperación de la inversión, un parámetro que indica en cuántos años se pagará por sí mismo en una solución con un costo inicial más alto, pero más eficiente en términos de costes de funcionamiento. Sólo para la sustitución de las lámparas se tiene una inversión de € 83,953.18, una amortización en cinco años y una ganancia de aproximadamente € 123131,24. A largo plazo, por tanto, el sistema es rentable. Considerando ahora la adición de sistemas de control automático, la inversión sigue siendo conveniente, ya que, se tiene una amortización del costo en siete años y una ganancia al final de la vida del proyecto de aproximadamente € 94.526,05, pero inferior respecto al caso anterior correspondiente a la sólo sustitución de las lámparas. La UNI EN 15232, que introduce la incidencia de la automatización, resalta, sin embargo, que es posible un ahorro del 33% del consumo en energía térmica con la introducción de sistemas de control automático. Si se considera este ahorro más aquel obtenido para la iluminación, con la misma inversión, se obtiene una amortización de entre 2 y 3 años, con una ganancia al final de la vida del proyecto de € 415.436,75. Todo esto gracias a que, los dispositivos seleccionados para el diseño valen también para la automatización del sistema de climatización, además de valer para el sistema de iluminación. ESTIMA DE LA EFICIENCIA ENERGETICA DE UN SISTEMA DE ILUMINACIÓN: El análisis realizado en el sistema de iluminación actual de la Escuela de Ingeniería Eléctrica permite establecer un posible método para evaluar la eficiencia energética para cualquier tipo de edificio en lo que se refiere a la iluminación. Este se presenta en manera de cuestionario donde las primeras preguntas ofrecerán información y por lo tanto las respuestas no serán valoradas, para luego continuar con una serie de preguntas que irán evaluadas en una escala del 0 𝑎𝑙 100, donde, la mayor puntuación corresponde a la adopción, de parte del usuario, más adecuada para obtener un sistema de iluminación eficiente. Utilizando indicadores gráficos es posible apreciar el impacto inmediato, donde se utilizó como ejemplo el aula 40 obteniendo para el estado actual un valor de evaluación igual a 67% y un 96% implementando un control en función de luz natural y de la ocupación, además de una sustitución de las luminarias existentes por aquellas a tecnología LED. Uno dei principali vantaggi derivante dall’introduzione di un sistema di controllo dell’illuminazione è il risparmio energetico. Il presente progetto espone un sistema di illuminazione basato su LED, introducendo l'utilizzazione di sistemi di automazione e controllo per essere certi di consumare solo l’energia necessaria. In particolare la relazione mira a descrivere i criteri utilizzati per le scelte progettuali, le caratteristiche prestazionali e descrittive dei materiali prescelti, nonché i criteri di progettazione degli impianti per quanto riguarda la Funzionalità e l’Economia di gestione. In order to minimize energy consumption for lighting in an educational building, two changes are suggested: new and more efficient lights and automation. Analysis have been processed using Dialux, lighting simulation software. Results evaluation are described by the LENI (Lighting Energy Numeric Indicator), the energy performance indicators and the expenditures factors.