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Bases para la Aplicación de Medidas de Eficiencia Energética Introducción a la Eficiencia Energética

Dirección de Eficiencia Energética

Abril - 23

2015 Guatemala

Introducción

Introducción a la Eficiencia Energética

A medida que los recursos energéticos

tradicionales se han ido reduciendo y su impacto

en el medio ambiente se vuelve mas evidente,

surge un concepto que poco a poco ha ido

ganando terreno: la eficiencia energética.

Tuvo sus orígenes en la crisis del petróleo de los

años 70’s pero actualmente tiene otras

motivaciones: competitividad empresarial

mediante la reducción de los costos de

operación.

Concepto


Eficiencia Energética:

Es el conjunto de cambios

que se traducen en la

disminución de la cantidad

de energía utilizada para

producir la misma actividad

económica o para satisfacer

las mismas necesidades

energéticas.

Concepto


“Si la eficiencia es alta, el consumo se asemeja a la

demanda, por el contrario si la eficiencia es baja, el consumo

crece para satisfacer la misma demanda”.

Ecuación General de Eficiencia Energética

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑆𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝐸𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎

“Cuanto obtenemos por una cantidad

de energía invertida”.

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 = 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝐷𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎𝑑𝑎

𝐸𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎

Si la energía de salida es la energía demandada de nuestro

proceso y la energía de entrada lo facturado:

Concepto


Balance de Energía

Pregunta: ¿Por qué no toda la energía invertida (entrada)

puede transformarse a energía útil (salida)?

Estrategias para la Aplicación


La aplicación de técnicas de eficiencia energética debe suponer la utilización de una metodología sistemática para lograr la máxima efectividad.

La experiencia nos ha permitido proponer la siguiente metodología

Medidas de

Conservación

de la Energía

Optimización

de los

Sistemas

Cambio de

Tecnología

Estrategias para la Aplicación


Medidas de

Conservación

de la Energía

Optimización

de los

Sistemas

Cambio de

Tecnología

conservación son todos aquellos ejercicios de

identificación de equipos o procesos que

consumen de energía sin un uso efectivo la

misma

Mejorar las variables operativas que influyen en la

eficiencia de los sistemas de forma cambiarlas

para incrementarla.

Ultimo paso en la implementación y deberá

consistir en buscar la mejor relación de eficiencia

de equipos.


Tecnologías a Estudiar

Durante la presente jornada se

estudiará la forma de como

aplicar eficiencia energética

en:

− Sistemas de Iluminación.

− Sistemas de Climatización y

Aire Acondicionado.


Concepto de Energía y Potencia

Podemos definir el concepto de

energía como: “la capacidad

de realizar un trabajo”

Energía?



Unidades de Medida de la Energía

– kWh [kWh]

– BTU [ BTU ]

– Calorías [ cal ]

– Julios [ J ]



Potencia? Es un concepto que

generalmente se confunde con

el de energía…

“Es la velocidad o taza del

consumo o de generación de

energía”.

Sus unidades: Watts, kW, HP,

BTU/h, etc.


Energía y Potencia

Relación entre Energía y Potencia:

La potencia es la velocidad con la que se consume energía.

Por supuesto que la cantidad energía puede obtenerse a partir de la potencia y su relación con el tiempo en el cual se mantiene dicha potencia.

Potencia=dE

dt

Energia=∫0

T

P dt



Ejemplo Ilustrativo.

Un bombillo incandescente de

100W en funcionamiento durante

dos horas consume.

100W x 2h = 200 Wh

¿Cuánta energía consumen 4 bombillos incandescentes de 25W

funcionando dos horas?

Bases para la Aplicación de Medidas de Eficiencia Energética Ahorros en Sistemas de Iluminación

Dirección de Eficiencia Energética

Abril - 23

2015 Guatemala

Ahorro en Sistemas de Iluminación

Introducción

Los sistemas de iluminación son los segundos

equipos consumidores de energía después de la

climatización en edificios públicos.

Se presenta a continuación un vistazo a las

diferentes tecnologías, su funcionamiento y uso.

Se aprenderá a formular e

implementar medidas de

conservación de la

energía, evaluaciones y

cambios de tecnología.


Principios Básicos sobre Iluminación

Antes de comenzar a estudiar

las diferentes tecnologías de uso

para iluminación, es importante

conocer los principios básicos

sobre iluminación.



Es una parte del espectro electromagnético que

puede ser percibida por el ojo humano.

¿Qué es la luz?.



Propiedades de la Luz:

1. Reflexión

Esta depende de la naturaleza microscópica de

los materiales donde incide.




2. Absorción

La luz que incide en los

objetos es absorbida en

parte y reflejan solo un

pequeño rango de

frecuencias dando lugar a

lo que conocemos como

colores.




3. Transmisión Ocurre cuando la luz atraviesa una

superficie u objeto. Se generan tres

tipos de transmisión: directa, difusa

o selectiva.



Tipos de Iluminación

Existen dos tipos principales de iluminación, la luz

natural procedente del sol y la luz artificial que se genera mediante electricidad

La luz natural es la de mejor calidad, sin embargo,

su aprovechamiento está sujeto a factores como horas de luz solar efectivas, época del año, estado

del tiempo, construcción de las instalaciones y

climatización.



Principios de Fotometría

La luz es una forma de energía y como tal, debería medirse en Joules (J).

No obstante no toda la luz emitida por una fuente produce sensación luminosa ni toda la energía que consume una fuente se convierte en luz.

Para cuantificar la radiación a la que es sensible el ojo humano es necesario definir nuevas magnitudes y sus unidades de medida.



Magnitudes Fundamentales

Flujo luminoso (F), unidades [lm]

Iluminancia (E), unidad [lx]

Intensidad Luminosa (I), unidades [cd]

Rendimiento Luminoso (n), unidad [lm/W]



Flujo Luminoso (F)

Potencia emitida en forma de radiación luminosa a la que el ojo humano es sensible.

Unidad de medida: Lumen(lm)

Símbolo: Φ

Ejemplo: un bombillo incandescente

de 60W

tiene un flujo luminoso de 760 lumens



Iluminancia (E)

Consiste en el flujo luminoso recibido en un área determinada

Unidad de medida: Lux (lumen/m2)

Símbolo: E

E = Φ / S



Intensidad Luminosa (L)

Cantidad de flujo luminoso emitido por cada uno de los rayos que la fuente emite en una determinada dirección por unidad de ángulo sólido.

Unidad de medida: Candela (cd) Símbolo: I

I = Φ / ω



Rendimiento Luminoso (η)

Es el cociente entre el flujo luminoso producido por la lámpara y la potencia eléctrica consumida, que viene definida con las características de las lámparas.

Unidad de medida: lumen/watt

Símbolo: η

η = Φ / W



Otras Propiedades:

Ley inversa de los cuadrados:

La iluminación es inversamente

proporcional al cuadrado de

la distancia existente entre la

fuente de luz y la superficie

iluminada.



Otras Propiedades:

Temperatura de Color:

hace referencia al color de la fuente luminosa.

Su valor coincide con la temperatura a la que un cuerpo negro tiene

una apariencia de color similar a la de la fuente considerada. Esto se

debe a que sus espectros electromagnéticos respectivos tienen una

distribución espectral similar.

Conviene aclarar que los conceptos temperatura de color y

temperatura de filamento son diferentes y no tienen porque coincidir sus

valores.



Otras Propiedades:

Índice de Rendimiento de Color:

El rendimiento en color de las fuentes es un medida de la

“calidad” de reproducción de los colores, se caracteriza

por la capacidad de reproducción de los objetos

iluminados con una fuente de luz.

El IRC nos indica la capacidad de la fuente de luz para

reproducir colores en comparación con la reproducción

proporcionada por una luz de referencia.

Se usa como referencia la luz del día con un CRI de 100%.



Otras Propiedades:

Medición de la luz: La iluminancia puede ser

medida utilizando un instrumento

denominado Luxómetro.

El luxómetro es un instrumento de medición

dotado de una célula fotoeléctrica que

capta la luz y la convierte en impulsos

eléctricos que posteriormente son

interpretados y/o comparados contra un

patrón de medida.

Luego de interpretados, estos impulsos

eléctricos son mostrados en un display digital

o en el movimiento de una aguja sobre una

escala calibrada en luxes.



Otras Propiedades:

Partes de un luxómetro



Otras Propiedades:

Calibración de un luxómetro.

Los luxómetros se calibran por método

directo usando lámparas patrones

calibradas de intensidad luminosa y

aplicando la ley del inverso del

cuadrado de la distancia.

Verificar que entregue el valor de 0

Lux.



Otras Propiedades:

Consideraciones para el uso de un

luxómetro.

‐ No superar los valores de entrada

permitidos.

‐ El aparato sólo debe ser usado en las

condiciones de temperatura permitidas.

‐ Evitar movimientos bruscos.

‐ El sensor debe ser protegido con su

funda protectora cuando no se utiliza.

‐ No usar el luxómetro cerca de campos

eléctricos (altas tensiones, motores).



Ejercicio Práctico:

Realizar una medición de la

Iluminancia (E) del salón

calculando el promedio de

mediciones generales.

Presentar el resultado de

mediciones como una

cuadrícula.

¿Cual es e flujo luminoso total

de las lámparas?



Otras Propiedades:

Factor de corrección del

luxómetro.

El sensor está calibrado de

fábrica con una luz de

Tungsteno de 2856°K, por lo

tanto cualquier medición de

una fuente luminosa distinta

deberá corregirse con la

siguiente tabla.


Tipos de Tecnologías de Iluminación

Sistemas de Iluminación:

Por sistemas de iluminación se

entiende: todo el conjunto de

partes que hacen posible la

acción de activar, contener,

alimentar y dirigir un haz de luz

bajo las condiciones deseadas.



Sistemas de Iluminación:

Están compuestos por

cuatro partes:

1) La lámpara.

2) El balastro.

3) La luminaria.

4) El controlador.



1. La Lámpara:

es la fuente de luz, puede ser un

bombillo incandescente, un

fluorescente lineal o una

lámpara fluorescente

compacta (CFL), entre otros.



2. El Balastro:

Es el dispositivo

electromagnético o electrónico

que suministra las necesidades

de corriente y tensión eléctrica

de la lámpara.

Pueden ser de 3 tipos:

1. Electromagnético

2. Electrónico

3. Híbrido



3. La Luminaria:

Es el equipo que cumple

funciones estructurales,

estéticas y de control óptico de

la luz.



4. El Control:

Es el dispositivo que controla el

encendido y apagado de las

lámparas en forma manual o

automática.



Tecnologías de Iluminación:

Se estudiarán:

‐ Incandescentes.

‐ Halógenas.

‐ Fluorescentes.

‐ De descarga (HID).

‐ LED.

‐ Inducción.



Lámpara Incandescente

Su principio de funcionamiento

es simple, se hace pasar una

corriente eléctrica por un

filamento hasta que este

alcanza una temperatura tan

alta que emite radiaciones

visibles por el ojo humano.



Lámparas Halógenas

Es una variante de la lámpara

incandescente con un

filamento de tungsteno dentro

de un gas inerte y una pequeña

cantidad de halógeno (como

yodo o bromo).



Lámparas Fluorescentes

Está formada por un tubo o

bulbo fino de vidrio revestido

interiormente con diversas

sustancias químicas compuestas

llamadas fósforos que emiten luz

visible al recibir una radiación

ultravioleta.



Lámparas de Descarga

Son el segundo gran grupo de

soluciones para iluminación,

constituyen una alternativa mucho

mas eficiente que las

incandescentes, su uso está

extendido en aplicaciones

comerciales e industriales.

Carecen de filamento, y la luz

emitida se consigue por la

excitación de un gas tras ser

sometido a descargas eléctricas,

dicho gas es contenido en un tubo

con electrodos en sus extremos.



Lámparas LED

Son dispositivos electrónicos que al

ser excitados con una corriente

eléctrica producen luz a través de

un efecto llamado

Electroluminiscencia



Lámparas LED

‐ Tienen elevada vida útil (hasta

40000 horas con el 75% de los

lúmenes iniciales)

‐ Mayor eficiencia energética

‐ Encendido instantáneo

‐ Mayor resistencia a las

vibraciones

‐ Menor disipación de energía en

forma de calor*

‐ Pueden operar

intermitentemente

‐ No emite luz ultravioleta



Lámparas de Inducción

Son una evolución de las lámparas

fluorescentes, pero con la diferencia

de que no usan un electrodo para

inducir una corriente en el interior.

La rotura del electrodo o desgaste

del electrodo son las principales

causas de fallo de las lámparas de

descarga, ya sean de halogenuros,

vapor de sodio o fluorescentes.

Las lámparas de inducción

electromagnética tienen una

eficiencia intermedia.



Comparación de Algunas

Tecnologías de Iluminación


Técnicas de Eficiencia Energética en Sistemas de Iluminación

Antes de la implementación de

cualquier cambio tecnológico es

importante pensar en implementar

medidas de conservación de la

energía.



“Acciones de conservación son todos aquellos ejercicios de

identificación de equipos que consumen de energía sin un uso

efectivo la misma”

En algunos casos, los periodos de

consumo son tan grandes que es

posible disminuirlos consiguiendo

ahorros significativos, en otros casos

dichos períodos son tan cortos que no

vale la pena dedicar esfuerzo en

relación a los ahorros a obtener.



Supongamos que en un edificio de

servicios hay una oficina ocupada por

una sola persona, esta oficina tiene

una luminaria fluorescente 4x32W.

El horario de trabajo es de 8:00 a 16:00,

con una hora de almuerzo.

Se plantean 2 escenarios, primero, el

empleado enciende los equipos a su

hora de ingreso y los apaga hasta su

hora de retiro, sin descansos durante el

día.

Caso Práctico



Caso Base:



Medida de EE:, el empleado apaga los equipos durante su hora de almuerzo.



¿Que pasaría si Ud. deseara

automatizar la función de

apagado, previendo que las

personas no realizarían

eficazmente el trabajo de apagado?



Calcule los ahorros anuales y el

período de retorno de la inversión si

se instalan 2 sensores de presencia

($50 c/u mano de obra incluida)

para controlar un arreglo de 10

luminarias de 4x32W en una oficina

de cubículos cuyos empleados salen

a comer al medio día.

Considere 0.22$/kWh y 8 horas de operación al día.

Ejercicio Práctico



Evaluar es utilizar un indicador adecuado que nos permita

comparar contra un caso optimo o deseable, el desempeño

de un sistema.

Para el caso de los sistemas de iluminación utilizaremos el

indicador: factor de utilización de la luminaria.

Método de Evaluación



Donde:

N = Factor de Utilización.

E = Iluminancia media en área de trabajo.

S = Superficie de trabajo.

Qt = Flujo luminoso total (flujo luminoso individual por el

numero de lámparas)

Fm = factor de mantenimiento.

𝜂 = 𝐸𝑆

∅𝑇𝐹𝑚



Primer paso: se realizará una medición del nivel de Iluminancia

promedio a la altura de trabajo, para lo cual se hace uso de

un luxómetro.

El nivel de luminancia promedio fue de 280 lux.

Segundo paso: se calcula el factor de utilización, este es un

valor que indica que tan eficientemente se está

aprovechando el flujo luminoso generado por las luminarias,

para dicho cálculo se hace uso de la ecuación anterior.

Pasos:



Hemos asumido un valor de factor de mantenimiento, por lo

general se utiliza entre 0.8 y 0.6 dependiendo de qué tan limpia se

mantiene la luminaria (mas limpia 0.8).

Analizando el resultado, nos damos cuenta que solamente

alrededor del 32% de los lúmenes generados por las luminarias

llegan hasta el área de trabajo.

Al evaluar la ecuación con los datos

anteriormente proporcionados se

tiene:

𝜂 =(280)(75)

(2900)(2)(14)(0.8)= 0.32



Calcular el factor de utilización del salón

considerando lámparas fluorescentes lineales de

2500 lm

Ejercicio Práctico:



Luego de haber evaluado el nivel de eficiencia

energética de los sistemas de iluminación, el siguiente

paso es la búsqueda de parámetros optimización de

partes del sistema o de la totalidad del mismo.



Tercer paso: buscar alternativas para mejorar el aprovechamiento

del flujo luminoso emitido por las lámparas a fin de mejorar el nivel

promedio de luminancia en el área de trabajo y poder superar los

280 lux actuales.



Dónde:

a = ancho del local

b = largo del local

h = altura entre las luminarias y el plano de trabajo

Evaluando la ecuación para el índice K se tiene:

K = (5 m)(15 m) / [(2.4 m - 0.8 m)(5m + 15m)] = 2.34

Este valor del índice del local k, es bastante bajo y es en parte la razón

por la que el factor de utilización de las luminarias también sea bajo.

En el mercado existes muchos tipos de luminarias y habría que evaluar

más de algún tipo especial que se adapte a las dimensiones del local

y de esta forma mejorar la eficiencia del sistema.

𝑘 =𝑎. 𝑏

ℎ(𝑎 + 𝑏)



En muchos casos, las dimensiones del local no son sujeto de

modificación, aquí entran en juego los criterios de diseño con los que

se construyó el local, y es posible que no se haya tomado en cuenta

la altura del local en relación al área. Esta situación demandaría

muchas más luminarias para cubrirla.

Para confirmar que efectivamente las dimensiones del local no

permiten hacer un uso más eficiente de las luminarias, se calcula un

índice del local (k) que relaciona la altura, ancho y largo del local y

nos da una idea de lo óptimo que fue su diseño, valores para el índice

k van desde 1 hasta 10, siendo los cercanos a 10 los más óptimos.



Como se vio anteriormente, cuando en un local se tiene un

factor de utilización muy bajo, se busca mejorar las

condiciones de reflectancia de las paredes, techo y pisos,

pero esta mejora no siempre es posible.

La optimización comprende desde la mejora en la reflexión

de la luminaria hasta la sustitución de lámparas menos

eficientes por modernas lámparas con mayor flujo luminoso y

menor consumo de energía.



La aplicación de películas reflectivas consiste en recubrir el

área de la luminaria en donde chocan el flujo luminoso de la

lámpara y se refleja hacia el área de trabajo, esta medida

funciona en las luminarias estándar de color blanco.

Uso de películas reflectivas como medida de optimización en instalaciones ya construidas:



La medida de la película reflectiva casi siempre va

acompañada de la colocación de un nuevo difusor con

propiedades microscópicas mejoradas con el objetivo de

uniformizar la distribución de flujo luminoso.

En la optimización de luminarias

fluorescentes en las que se incluye película

reflectiva, mejora de difusor y actualización

de tubos y balastos se ha obtenido mejoras

de hasta un 60% en la iluminancia promedio

y al mismo tiempo se ha logrado reducir el

consumo de energía en un 40%.



En el diseño de sistemas de iluminación se han utilizado

diferentes métodos que parten de un espacio y unas

condiciones iniciales y dan como resultado una distribución

de las luminarias, existen métodos para diseñar grupos de

luminarias y también iluminación puntual, exterior e interior.

Actualmente existe en el mercado diferentes aplicaciones

informáticas que facilitan enormemente el diseño de sistemas

de iluminación, hay aplicaciones gratuitas y también software

de pago.

Herramientas para Diseño y Optimización



Una aplicación particular para el diseño de iluminación es el

Dialux que permite diseñar el espacio, escoger las luminarias de

con características reales de diferentes fabricantes y también

permite hacer evaluaciones energéticas de los sistemas de

iluminación diseñados.

Dialux



La sustitución de tecnologías es el último recurso que se

emplea ya que requiere mucha mayor inversión y un análisis

de costos y ahorros detallado para garantizar los resultados.

Los cambios de tecnología más comunes son:

‐ Sustituir Vapor de mercurio por Fluorescente, VSAP,

Inducción o LED

‐ Sustituir tubos fluorescentes por tubos LED

‐ Sustituir halógenos por LED

‐ Sustituir HID por inducción o LED



La actualización de la tecnología consiste en dar un paso

adelante en el uso mejor tecnología, por ejemplo pasar de

utilizar lámparas T12 de 40 Watts a utilizar lámparas T8 de 32

Watts, sustituir balastos electromagnéticos por balastos

electrónicos.

.



Para estudiar un caso de

sustitución de tecnología, se

procederá a analizar un caso

de cambio lámparas t12 por

lámparas t8, el planteamiento

de ejercicio es el siguiente:

Se tiene una sala de espera de

un edificio de call center, dicha

sala opera las 24 horas los 365

días del año, en la siguiente

tabla se muestra los detalles:

Caso práctico:



Partiendo de las condiciones

iniciales, se realiza el cálculo

del consumo de energía

actual y también después del

cambio de lámparas.

Este es un ejemplo práctico real y ha sido puesto en marcha en

diferentes edificios de oficina en el país.



Para finalizar el ejercicio anterior de cambio de luminarias, se

procede a realizar una evaluación económica de los ahorros

y la inversión.



Es interesante ver como la inversión se recupera en tan solo 4

meses como máximo, esto es así debido al alto uso del

sistema de iluminación.

Repetir el ejercicio pero considerar que la sala opera

solamente 12 horas al día durante todo el año, el tiempo de

recuperación sube hasta 7 meses.



El ministerio de trabajo a través de su

“Reglamento General de Prevención de

Riesgos en los Lugares de Trabajo”, estipula

las condiciones de iluminación que deben

seguirse en diversas actividades del

quehacer nacional.

En el artículo 130 de dicho reglamento, se

encuentra la tabla de actividades y los

niveles mínimos de luminancia para dichas

actividades.



En todas estas

actividades se exige

como mínimo 80%

de reproducción

cromática.

Resumen de los

Requerimientos para

Iluminación en el país


Lecciones Aprendidas en Iluminación

Las capacitaciones sobre EE dirigidas al personal de las

instituciones permitió que los responsables de dichas instituciones

comprendieran la naturaleza de los cambios y apoyaran

decididamente.

Los proyectos pilotos demostraron la alta rentabilidad de las

medidas y apoyaron a la decidida participación de instituciones

en el tema de eficiencia energética.

Se debe de incorporar en los análisis financieros de los proyectos

todos y cada uno de los costos para evitar falsas expectativas.

Promover la participación de todo el personal a fin de que se

identifiquen con el proyecto (supervisión, seguimiento contable,

etc).

Lecciones:

Roberto Saravia

Especialista en Eficiencia Energética

CONSEJO NACIONAL DE ENERGÍA [email protected]

Tel: +503-22337932

mailto:[email protected]

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