08 Proyecto de Alumbrado y Contaminaci%F3n Lum%EDnica

A AD L

Asociación Argentina de LuminotecniaCENTRO REGIONAL CUYO

Organizado por:

Departamento de Luminotecnia Luz y Visión (DLLyV), Universidad Nacional de

Tucumán – AADL Regional Cuyo – Instituto Regional de Estudio Sobre Energía FRM UTN.

I SEMINARIO ALUMBRADO URBANO SUSTENTABLE Y ENERGÉTICAMENTE EFICIENTE

Proyecto de alumbrado urbano y contaminación lumínica.

PROYECTO DE LA ILUMINACIÓN VIAL

El alumbrado público tiene por objeto la creación de un ambiente visual nocturno que permite una visibilidad clara e identificación precisa de las personas y objetos en las vías transitadas, lo que trae consigo una reducción del riesgo de accidentes de vehículos y peatones durante las horas nocturnas y permite la supervisión y seguridad de las vías, permitiendo además una mayor y más fácil utilización de los servicios y usos existentes.

PROYECTO DE LA ILUMINACIÓN VIAL

Criterios de calidad

Los usuarios de las carreteras deben ser capaces de ver el trazado de la calzada, localizar y reconocer las señales y obstáculos especiales con certeza y a tiempo.

Los criterios de calidad que se aplican en la iluminación de calzadas para el tráfico rodado son:

- Luminancia e iluminancia media

- uniformidad de luminancia e iluminancia

- limitación de deslumbramiento

- iluminación de los alrededores (factor de borde)

- guiado óptico y orientación visual

DISEÑO DE LA ILUMINACIÓN VIAL

El diseño en general de una instalación de iluminación consiste en seleccionar luminarias y disponerlas convenientemente con el objeto de satisfacer adecuadamente las necesidades visuales a un costo razonable.

Tarea Visual del Conductor:consiste en detectar obstáculos, reconocer objetos, leer señales, etc., provenientes del alrededor con la suficiente precisión y rapidez de modo que le permitan reaccionar en forma adecuada y oportuna.

La exigencia visual dependerá del tipo y características de la vía de

circulación. Existen Normas donde se clasifican las vías de circulación. En Argentina se encuentra vigente la Normativa IRAM-AADL J2022-1-2-4.

Principales geometrías de instalaciones de iluminación vial

Suspensión Unilateral Tresbolillo Enfrentadas Central Bilateral


SUSPENDIDAS (Axial)

Configuración favorable cuando existe edificación lateral (facilidad para anclaje de tensores), cuando el arbolado es bajo o inexistente y cuando las veredas son angostas.

Unilaterales

En esta configuración, los mayores valores de iluminancia están bajo la luminaria, mientras que los menores valores de E, o están en el lado opuesto o en zonas entre luminarias.

Se consiguen buenas uniformidades (Uo, G1, G2) si H ≥ A


Tresbolillo

Los mayores valores de E están bajo la luminaria, mientras que los menores valores están en el lado opuesto a la luminaria.

Se consiguen buenas uniformidades si 1 ≤ A/H ≤ 2

Es recomendable para arbolado bajo en ambas veredas.

No se recomienda en autopistas y calles principales, debido a la mala guía visual.


Bilaterales enfrentadas

Se puede lograr buena uniformidad si la altura H de luminarias se elige tal que 2 ≤ A/H ≤ 2,5

La luminancias y las iluminancias máximas se hallan en los carriles por debajo de la línea de luminarias,

En calles de tránsito rápido, las columnas están mas expuestas a ser embestidas.


Central Bilateral

La luminancia y la iluminancia son menores sobre los carriles externos;

Se logra una buena guía visual debido a la ubicación de las luminarias en una sola línea.


Alturas de montaje

La altura de montaje h tiene una gran influencia sobre la calidad de la iluminación y sobre los costos,

Por ejemplo, si h ≥ 9 m,

Ventajas:

mejores uniformidades de L y E,menor deslumbramiento, posibilitando

emplear lámparas de mayor flujo,mayor separación entre luminarias, con

reducción de la cantidad de luminarias por Kmy del costo inicial de la instalación.

Desventajas:

mantenimiento más difícil y caro,mayor cantidad de flujo luminoso fuera del

área útil a iluminar,columnas más caras.

Alturas de montaje de luminarias y flujo luminoso

Altura de la luminaria recomendable en función del flujo luminoso de la lámpara:

Alturas de montaje y separación

•Esta relación depende de la distribución de intensidades (fotometría) de las luminarias y afecta directamente a las uniformidades y a los valores iniciales de L y E (distribución Longitudinal Larga, Media y Corta -IRAM-AADL J2022-1-),

•Si se cumplen los niveles de iluminación (Norma IRAM-AADL J2022-2), la relación óptima será aquella para la que se obtiene menor altura de montaje y mayor separación de luminarias.

CRITERIOS DE CALIDAD

Se recomiendan en las Normas valores de parámetros luminotécnicos. Estos actúan influenciando las condiciones visuales en dos niveles:

* Perfomancia Visual

* Confort Visual

Perfomancia Visual : En general se entiende por perfomancia a una forma de medir el rendimiento o los resultados obtenidos en la realización de una tarea, en términos de velocidad y/o precisión.

Confort Visual : El concepto de confort visual engloba en sí los elementos sicofísicos de la relación entre el observador y su entorno.

Perfomancia visual Confort visualNivel luminancia media

sobre calzada Lmed

luminancia media sobre calzada Lmed

Uniformidad en cualquier punto sobre la calzadaUo=Lmín/Lmed

A lo largo del carril centralUl=(Lmín/Lmáx)longitudinal

Deslumbramiento Incremento del umbralTI%

Indice de deslumbramientoG

Clase Tipo detransito

Descripcion Ejem plos

A*M uy rapidovel.>100Km /h

Calzadas de m anos separadas,dos o m as carriles por m ano, librede cruces a n ive l, contro l deaccesos y sa lidas.

Autop istas

B*Rapidovel.<100Km /h

Calzadas para transito rap ido,im portante, sin separadores detransito .

Tram os de ru tasnacionales,provincia les

C**Sem i-rap idovel.≤60 Km /h

ca lzadas de una o dos d ireccionesde desp lazam iento, con carriles deestacionam iento o sin e llos; conintensa presencia de peatones yobstáculos.

Avenidasprincipa les, vías deenlace entresectoresim portantes

D**Lentovel. ≤ 40km /h

Calzadas con desplazam ientolento o trabado , con carriles deestacionam iento o sin e llos conintensa presencia de peatones yobstáculos.

Arteriascom ercia les, centrosde com pras.

E**M oderadovel. ≤ 50km /h

Acum ulan y conducen e l transitodesde un barrio hacia vías detransito de orden superior (clasesA,B ,C,D)

Avenidassecundarias, ca llescolectoras detransito .

F**Lentovel. ≤ 40km /h

Calles residencia les de una o dosm anos , con transitoexclusivam ente local. P resencia depeatones y obstácu los.

Calles residencia les

Clasificación de vías de tránsito según IRAM-AADL J2022-2 (1995)

* Sin presencia de peatones. ** Con presencia de peatones.

Parámetros mínimos recomendados por la norma IRAM-AADL J2022-2 para las Clases A, B y C.

Parámetros mínimos recomendados por la norma IRAM-AADL J2022-2 para las Clases C, D, E y F.

Existen dos técnicas o métodos de cálculo tendientes a determinar los parámetros luminotécnicos de diseño para instalaciones de alumbrado

público:

• técnica de la iluminancia

• técnica de la luminancia.

El empleo de una u otra técnica dependerá de la clasificación de la vía de tránsito. Para las clases A, B1, B2 y C (esta última es optativa) la norma

IRAM AADL J 2022-2 recomienda aplicar la técnica de la luminancia; para las restantes clases recomienda la técnica de la iluminancia.

METODOS DE CALCULO

TÉCNICA DE LA ILUMINANCIA

Permite evaluar el flujo luminoso que llega a la superficie a iluminar pero no brinda información de cómo el observador percibe el espacio iluminado.Se basa en la aplicación de la ley de la inversa del cuadrado de la distancia para el cálculo en un punto sobre un plano, en general horizontal .

Eph = I.cos γ / d² [Lux]

Eph [lux]: iluminancia en el punto P sobre la calzada .I [cd] : intensidad del haz luminoso de la luminaria en la dirección al punto considerado.d [m] : distancia entre la luminaria y el punto P .

γ : ángulo de la proyección de la intensidad luminosa sobre la vertical al punto P. h : altura de montaje

pero d = h/cos γ , por lo tanto Eph = (I / h²).cos3 γ

Zona de cálculo de principales geometrías de instalaciones de iluminación vial

Los parámetros a calcular y/o evaluar son:

a) Iluminancia media sobre la zona sombreada que representa la iluminancia media sobre la calzada, Emed [lux].

b) Regularidades: G1 = Epmín/Emed y G2 = Epmín/Epmáx

Determinación de Emed , G1 y G2 punto por punto

nEmed= ( Σ Epj ) / n

j=1

Emed = [(1/4). Σ Valores esquineros + (1/2). Σ Valores de borde +Σ Valores internos)] / Números de Cuadros

Rejilla para el calculo y/o evaluación de la iluminancia según IRAM-AADL 2022-2 :

Datos fotométricos para la aplicación de la técnica de la iluminancia

Definición de ángulos en el sistema CIE

Emed = øu / (área sobre la calzada)

rendimiento o factor de utilización: η = øLum / øL

Iluminancia media en base al rendimiento o factor de utilización

Fu = øu / øLum

Cu = η.Fu = øu / øL

Flujo útil sobre el área de interés

Emed sobre una calzada de ancho b = b1+b2 y separación entre luminarias sucesivas "s" se calcula como:

Emed = øu / (b.s)

de acuerdo a la figura surge: øu = ø1 + ø2 + ø3 + ø4 +...+ øj +....

øu es equivalente al flujo que emite una luminaria a lo largo de la calzada:

øu = Cu . øL

reemplazando resulta: Emed = ( Cu. øL) / (s.b)

Para b1 /h lado camino se obtiene cuLc

Para b2 /h lado vereda se obtiene cuLv

Cu = cuLc + cuLv

a) Determine la Clase de la vía de circulación según la clasificación establecida por la norma IRAM J 2022-2.

b) En base a la clasificación establecida, determine el tipo de parámetro luminotécnico a emplear y los niveles mínimos recomendados por la norma para esa clasificación.

c) Suponiendo que se ha optado por la utilización de lámparas de vapor de sodio de alta presión para iluminar la calle, determinar mediante las curvas de rendimiento el espaciamiento necesario para obtener sobre la calzada un nivel de iluminancia inicial acorde con el nivel obtenido en el punto 2.

d) Sugerencias: utilizar geometría unilateral izquierda, alturas de montaje entre 7 y 11 metros, y decidir por alguna de las luminarias cuyas curvas se adjuntan.

EJEMPLO DE APLICACIÓN

Sea una calle secundaria de 10 metros de ancho, cercana a una avenida principal. La velocidad máxima permitida es de 40 km/h y hay presencia de peatones y vehículos estacionados:

Instalación Central - Bilateral

Instalación Bilateral

Luminancia de un punto P (Lp) visto desde 0, iluminado por una luminaria:

Lp = f (α; ß;γ )α varía aproximadamente entre 1.5° y 0.5° respectivamente para 60 y 160m de

distancia desde la posición del observador. Entonces se considera α = cte = 1°

Con lo cual : Lp = f ( ß, γ )

TÉCNICA DE LUMINANCIA

====> Es la distribución de luminancias en todo el campo visual, la que cumple con los requisitos ideales para expresar lo que el conductor de un automotor observa desde su posición de observación.

Si la superficie es perfectamente difusora, la luminancia resulta independiente de los ángulos ß y γ :

Lp = (ρ / π). Ep

Siendo ρ el factor de reflexión del pavimento y Ep la iluminancia en el punto P.

qp = (ρ / π) es el coeficiente de luminancia de una superficie difusora.

Para superficies no perfectamente difusoras: Lp = qp . Ep (*)

qp varía con los ángulos ß y γ:

Lq E

PP=

×( , )γ βπ

La iluminancia Ep en el punto P es:

Se reemplaza en (*):

El producto se llama “coeficiente reducido de luminancia”.

Finalmente:

Los valores de r necesarios para la aplicación de la técnica pueden ser obtenidos mediante mediciones de laboratorio sobre una muestra representativa de la superficie de la calzada.

2

3

P hγcos)I(C,

E×

=γ

2

3

P hγcos),q()I(C,

L××

=βγγ

γβγβγ 3cos x ),q(),r( =

),r(h

)I(C,L 2P βγγ

×=

DISPOSITIVO DE MEDICIÓN

Información fotometrica de pavimentos:

CLASIFICACIÓN DE PAVIMENTOS

Para simplificar el calculo, partiendo de un gran número de mediciones se han clasificado las características reflectivas de pavimentos en cuatro grupos, R1,R2,R3 y R4, de acuerdo a su especularidad.

Los parámetros empleados por la CIE para cuantificar estas cualidades son:

Qo : (coeficiente de luminancia medio) para la claridad yS1, S2 : (factores especulares) para la especularidad.

Factor especular S1: Es un factor que representa el grado de reflexión especular de la superficie de una calzada. Ω

Qo = (1/Ωo). ∫0 q .dΩ S1 = r(0,2) / r(0,0) S2 = Qo / r(0,0)

q : coeficiente de luminancia,

Ωo : ángulo sólido, medido desde un punto sobre la superficie, conteniendo todas aquellas direcciones de la luz incidente consideradas.

r(γ, β ) : coeficiente reducido de luminancia

EJEMPLO: Caracterización de 4 muestras en la clasificación estándard

Muestras

A: clara y lisa

B: clara y rugosa

C: oscura y lisa

D: oscura y rugosa

Recomendación práctica:

Para los cálculos luminotécnicos se recomienda utilizar la matriz de reflexión clase R3 para conglomerados asfálticos, y la clase R2 para firmes de hormigón.

GRILLA DE CALCULO PROPUESTA POR NORMA IRAM J2022-2

Evaluación y mitigación de la polución lumínica urbana

Expositor: Mag.Ing. Alberto J. Cabello – Profesor Adjunto – DLLyV-UNT

Polución Lumínica UrbanaPodemos definirla como la luz que se emite al cielo desde lossistemas de alumbrado artificial (alumbrado público, residencial y comercial) y se difunde en la atmósfera, generando una iluminación deficiente y un gasto energético inútil.

Afecta la visibilidad de vías de circulación, la apreciación de espacios exteriores y la observación de estrellas. El Halo o Aureola Luminosa se introduce en dormitorios y salas de estar, alterando y agrediendo a sus habitantes.

Causas• Luminarias con deficiente control de la

distribución luminosa,

• Exceso de iluminación de espacios exteriores,

• Diseño inadecuado de instalaciones de alumbrado,

• Ausencia de regulaciones,

• Luz proveniente del interior de edificios a través de las ventanas,

• Luz reflejada en las fachadas de los edificios.

Problemas que genera

• Desperdicio de Energía

• Iluminación del cielo

• Efectos en plantas y animales

• Reduce la visibilidad

El 30% de la luz artificial en el mundo es enviada a la atmósfera -----> ENERGÍA DERROCHADA

-----> CONSUMO EXTRA DE COMBUSTIBLES NO RENOVABLES -----> Mayor POLUCION AMBIENTAL

El efecto se presenta visualmente en la forma de una aureola (halo) brillante circundante sobre la ciudad.

Fuentes de origen: Alumbrado Público, Alumbrado Comercial, Alumbrado Deportivo, interior de edificios, emisión de vehículos, etc.

La Polución Lumínica afecta la salud*

• Interfiere con el ritmo circadiano

• Inhibe la producción de Melatonina

• Disturbios de sueño

• Sospechas en el incremento de leucemia infantil

• El deslumbramiento en calles crea condiciones de riesgo para conductores y peatones

• La pérdida del medioambiente natural nocturno contribuye a la desconexión con la naturaleza y con la inspiración que ofrece un cielo estrellado.

* Investigadores: Blask, Pauley, Brainard, Rea, Schernhammer, Crain

La flora y la fauna han evolucionado a lo largo de cientos de millones de años en un ciclo día brillante - noche oscura, con la fase lunar estimulando comportamientos.

La polución Lumínica altera drásticamente el comportamiento y el hábitat de:

• Aves

• Anfibios

• Peces

• Insectos

• Mamíferos

Polución Lumínica característica de San Miguel de Tucumán en hora pico.-

Polución Lumínica con los sistemas de Alumbrado Comercial y Privado desconectados.-

La contaminación ambiental incrementa los efectos de la polución lumínica

Control de la polución lumínica urbana

Existe actualmente una gran preocupación por controlar y limitar el impacto ambiental de las instalaciones de alumbrado urbano. La luz es necesaria y su aprovechamiento debe ser optimizado evitando el posible derroche por mal diseño de luminarias o uso inadecuado en instalaciones.

(A1) Apagar las luces cuando no se necesitan para la seguridad o realce de la escena nocturna. A este respecto se puede introducir el concepto de un “toque de queda” con unas limitaciones en los niveles de luz entre algunas horas, como p.e. apagar la iluminación decorativa, comercial y publicitaria en las calles entre las 23hs y el amanecer.

PROCEDIMIENTOS RECOMENDADOS POR LA CIE PARA REDUCIR LA POLUCIÓN LUMÍNICA

Apéndice 1 de la Publicación CIE Nº126, “Guidelines for Minimizing Sky-Glow”,

(A2) Utilizar luz directa hacia abajo siempre que sea posible para iluminar sus objetivos; no hacia arriba. Si no hay alternativa a la iluminación hacia arriba, entonces utilizar un apantallamientopara reducir al mínimo la luz esparcida:

(A3) Utilizar equipos especialmente diseñados de modo que una vez instalados minimicen la luz esparcida cerca o sobre el planohorizontal:

(A4) No iluminar “excesivamente”. Ello da lugar a contaminación luminosa y a malgastar el dinero. La CIE dispone de numerosas normativas recomendando niveles óptimos de iluminación según la tarea visual de que se trate.

(A5) Para mantener el deslumbramiento en un mínimo, habráque asegurarse de que el ángulo del haz principal de todas las luces dirigidas hacia cualquier observador potencial se mantenga por debajo de los 70º. Deberá tenerse en cuenta, que si se aumenta la altura del montaje, deberá disminuirse el ángulo del haz de los rayos luminosos. En los lugares con poca luz ambiente, el deslumbramiento puede ser muy molesto, por lo que se debe cuidar con esmero el posicionamiento y orientación de las luminarias:

(A6) Cuando sea posible, se recomienda utilizar luminarias con haces asimétricos que permitan mantener su cierre frontal paralelo o casi paralelo a la superficie que se quiere iluminar:

(A7) Para iluminación doméstica e iluminación de seguridad a pequeña escala existen dos soluciones:

(i) Se pueden utilizar con efectividad detectores pasivos de infrarrojo, si se instalan y alinean correctamente (ver Figura).Una lámpara incandescente halogenada de 150W (2000 lm) resulta mas que suficiente. Lámparas de 300 a 500W producen demasiada iluminación, mayor deslumbramiento y sombras más oscuras o acentuadas.

(ii) Son igualmente aceptables iluminaciones permanentes con bajo brillo durante toda la noche. En el caso de iluminar un porche de una vivienda, lo mas adecuado es utilizar una lámpara fluorescente compacta de 9W (600 lm).

(A8) Para alumbrado de vías de tráfico rodado se debe minimizar el flujo sobre el plano horizontal y restringir la intensidad cerca de dicho plano (ver FHSs en la Tabla siguiente).

A los ingenieros en iluminación o a la autoridad de planificación involucrada en el diseño de instalaciones de iluminación, la CIE en su publicación Nº 126[12]

recomienda la adopción de las siguientes limitaciones de la luz perturbadora para las instalaciones de alumbrado exterior:

Zonas Medioambientales (deberán ser definidas en cada caso por la Autoridad de Planificación Local):

Caracterización y regulación de la polución lumínica

Con el objeto de reducir el impacto ambiental asociado al alumbrado artificial el cual produce perturbaciones a determinados sectores de la sociedad (astrónomos, ciudadanos, ambientalistas, etc.), la CIE ha establecido indicadores y limitaciones, en las publicaciones:

[1] Commission Internationale de l’Eclairage. Guidelines for Minimizing Sky-Glow. Publicación CIE nº 126, (1997).

[2] Commission Internationale de l’Eclairage. Guide of Limitation of the effects of Obtrusive Light from Outdoor Lighting Installations”CIE TC 5-12 (1995).

Indicadores:

FHS (Flujo Hemisférico Superior): Proporción del flujo de las lámparas de una luminaria que se emite sobre la horizontal cuando la luminaria está montada en su posición normal de diseño.

FHSINST (Flujo Hemisférico Superior instalado): Proporción del flujo de una luminaria que se emite sobre la horizontal cuando la luminaria se monta en su posición de instalación.

Limitaciones del Flujo Hemisférico Superior

1.- Considerando que el Flujo Hemisférico Superior Instalado (FHSinst%) de una luminaria, es el % de flujo saliente de la luminaria en posición de montaje, que se emite sobre su plano horizontal.

2.- Las luminarias que se instalen no deberán superar los siguientes valores en cada Zona (según CIE 126):

indicadores propuestos por la CIE

FHS = φDU / φLAMP (1)

φDU: flujo luminoso emitido por la luminaria sobre el plano horizontal

φLAMP: flujo total de lámparas contenidas en la luminaria

FHSINST = φ’DU / φLUM (2)

φLUM es el flujo total de la luminaria, y φLUM= η.φLAMP,

entonces:FHSINST = φ’DU / η.φLAMP (3)

η es el rendimiento total de la luminaria con respecto al flujo total de lámparas de la misma. Cabe destacar que φ’DU difiere en general de φDU

excepto para inclinación en C90 de 0º

Lamp.DU

LumDU

Donde:Ev es la iluminancia vertical en lux, I es la intensidad luminosa en Kilocandelas y L es la luminancia media en candelas por metro cuadrado.

Limitaciones de la Luz Perturbadora procedente de Instalaciones de Alumbrado Exterior (CIE TC 5-12)

Luminarias Contaminantes:

Luminarias No Contaminantes:

INSTALACION

INCORRECTA:

INSTALACION

CORRECTA:

INSTALACION

INCORRECTA:

INSTALACION

CORRECTA:

INSTALACION

INCORRECTA:

INSTALACION

CORRECTA:

EJEMPLOS A EVITAR:

Agradecimientos:El autor agradece a la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica PICT 1447, y a la Universidad Nacional de Tucumán, proyecto CIUNT 26/E430, por el apoyo económico en la realización de este trabajo.

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