Artículo Académico / Academic Paper
Recibido: 03-05-2018, Aprobado tras revisión: 25-07-2018
Forma sugerida de citación: Ríos, A.; Taipe, D.; Otorongo, M. (2018). “Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de
Iluminación en Espacios Interiores de la Universidad Técnica de Ambato”. Revista Técnica “energía”. No. 15, Issue I, Pp. 70-79
ISSN On-line: 2602-8492 - ISSN Impreso: 1390-5074
© 2018 Operador Nacional de Electricidad, CENACE
Optimization of the Electric Consumption of Lighting Systems in Interior
Spaces of the Technical University of Ambato
Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de Iluminación en
Espacios Interiores de la Universidad Técnica de Ambato
Alberto Rios
1
Diego Taipe
1
Manuel Otorongo
1
1
Universidad Técnica de Ambato, Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial, Ambato, Ecuador
E-mail: a.rios@uta.edu.ec; dtaipe6595@uta.edu.ec; mr.otorongo@uta.edu.ec
Abstract
In this article a study of optimization of the electrical
consumption of the system of illumination in interior
spaces of the room of investigation of the main
building of the Faculty of Engineering in Systems,
Electronics and Industrial of the Technical
University of Ambato is presented. The study of
optimization of electrical consumption is based on
the comparative analysis of the design and
simulation of two different lighting systems: the
currently existing one, made up of fluorescent
luminaires, and the one proposed to be installed,
made up of LED luminaires. The design of the
evaluated lighting systems must comply with the
indoor lighting regulations UNE-EN 12464-1,
guaranteeing the minimum levels of illuminance. For
the design and simulation of the aforementioned
lighting systems, the DIALux software was used,
which allows to simulate the lighting systems and
verify that the specifications and recommendations
established in current regulations are met. Finally, is
presented a comparative analysis of the electricity
consumption and the economic cost of the lighting
systems evaluated, scaled to the lighting system of
the Faculty of Systems, Electronics and Industrial
Engineering, FISEI, of the Technical University of
Ambato, UTA.
Index terms DIALux, LED lighting, maintenance
lighting, SSL.
Resumen
En este artículo se presenta un estudio de
optimización del consumo eléctrico del sistema de
iluminación en espacios interiores de la sala de
investigación del edificio principal de la Facultad de
Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial de la
Universidad Técnica de Ambato. El estudio de
optimización del consumo eléctrico se basa en el
análisis comparativo del diseño y simulación de dos
diferentes sistemas de iluminación: el actualmente
existente, conformado por luminarias fluorescentes,
y el propuesto a instalar, conformado por luminarias
LED. El diseño de los sistemas de iluminación
evaluados debe cumplir la normativa de iluminación
en espacios interiores UNE-EN 12464-1,
garantizando los niveles mínimos de iluminancia.
Para el diseño y simulación de los sistemas de
iluminación, anteriormente mencionados, se empleó
el software DIALux, que permite simular los
sistemas de iluminación y verificar que se cumplan
las especificaciones y recomendaciones, establecidos
en la normativa vigente. Finalmente, se presenta un
análisis comparativo del consumo eléctrico y del
coste económico de los sistemas de iluminación
evaluados, escalados al sistema de iluminación de la
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial, FISEI, de la Universidad Técnica de
Ambato, UTA.
Palabras clave DIALux, iluminación LED, iluminación
mantenida, SSL.
70
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue I, Julio 2018
1. INTRODUCCIÓN
En los últimos años, la sustitución de luminarias
convencionales y poco eficientes como las lámparas
incandescentes, lámparas halógenas, lámparas
fluorescentes compactas y lámparas fluorescentes
lineales, por dispositivos de iluminación de estado
sólido, entre los que destacan los diodos emisores de
luz, más comúnmente conocidos como LEDs, ha
experimentado un importante crecimiento, debido a que
proporcionan a los sistemas de iluminación un
significativo aumento en la eficiencia energética,
reducción de costes económicos y menor impacto de
emisiones de CO
2
[1].
Los sistemas de iluminación basados en luminarias LED
son hasta un 80% más eficientes que las fuentes de
iluminación tradicionales, como las lámparas
fluorescentes e incandescentes. La tecnología LED ha
demostrado una elevada eficacia energética en relación
a las fuentes de iluminación convencionales. Asimismo,
la constante reducción de los precios de adquisición de
las luminarias LED permite una recuperación de la
inversión inicial en períodos de tiempo razonables. Se
proyecta que los sistemas de iluminación LED reducirán
el consumo de energía eléctrica en un 15% hacia el año
2020 y hasta en un 40% en el año 2030 [2].
En los últimos años, la evolución de los niveles de
iluminación y de los costes de las lámparas LED ha sido
muy significativo. El nivel de iluminación se ha
incrementado de 50 a 100 lumens/watt en tanto que los
costes por lámpara han experimentado una significativa
reducción de 70 a 10 dólares entre los años 2010 y
2014. Asimismo, se espera que la tasa de penetración de
las luminarias LED en el mercado mundial de los
sistemas de iluminación alcance una cuota del 60% en
el año 2020 [3]. Así, al año 2030, la tecnología LED
permitiría ahorrar 261 TWh/año, una reducción del 40%
del consumo de electricidad, comparado con un
escenario sin empleo de los sistemas de iluminación
LED. Asimismo, si se mantienen los niveles de
investigación y desarrollo en la tecnología LED, una
penetración optimista de los sistemas LED podría
incrementar el ahorro anual a 395 TWh, en el año 2030.
Una reducción del 60% del consumo de electricidad en
comparación con un escenario sin un masivo empleo de
las luminarias LED en los sistemas de iluminación [1].
En Estados Unidos, el programa de eficacia lumínica
pretende superar el rendimiento lumínico de 200 lm/W
para el año 2025, reduciendo los costos de fabricación
de LED y proporcionando importantes ahorros de
energía. En [1], se demostró que las tecnologías LED
pueden reducir significativamente el uso de energía en
la iluminación y mantener los elevados niveles de
rendimiento sin usar grandes cantidades de materiales
tóxicos o escasos.
Existen en la literatura científica especializada varios
estudios relacionados con experiencias de optimización
en sistemas de iluminación interior para
establecimientos de educación superior [4, 5, 6].
La implementación de luminarias LED en el edificio
ESIME Zacatenco de la ciudad de México permitió
obtener un considerable ahorro en el consumo de
energía eléctrica, alrededor de 66%, en comparación al
sistema de iluminación con luminarias fluorescentes
anteriormente existente [4]. Asimismo, en el laboratorio
de iluminación de la Universidad Técnica de Riga, se
realizó un estudio de integración de luminarias LED,
con ayuda del software DIALux. Los resultados de la
simulación realizada demostraron que el uso de la
tecnología LED permite reducir significativamente el
consumo de energía en los sistemas de iluminación, en
un 67% en el caso descrito. Además, se determinó que
los niveles de iluminación artificial con mediciones
manuales y los valores obtenidos por simulación en
DIALux fueron muy similares. Esto indica que las
simulaciones con ayuda de software especializado
asistidas por computadora se emplean como una
herramienta efectiva en el diseño de sistemas de
iluminación interior [5].
En diferentes investigaciones previas se ha demostrado
que el tipo y nivel de iluminación influye en la
productividad y el estado de ánimo de las personas en el
entorno de trabajo. Así, en un estudio realizado, en los
Estados Unidos, en varias escuelas de niños de nivel
inicial se demostró que los niños presentan
comportamientos más animados y alegres bajo
condiciones de iluminación LED en comparación con
las luminarias fluorescentes [6].
En Ecuador, la inclusión de un programa de sustitución
de luminarias por luminarias LED en el sector
residencial, comercial e industrial representaría una
significativa reducción del consumo eléctrico y un
menor costo económico tanto para consumidores como
para el Estado. Los sistemas de iluminación LED
presentan consumos de energía reducidos y una vida útil
superior a las luminarias convencionales [7]. En
comparación con la iluminación fluorescente, las
lámparas LED tienen un consumo de energía
aproximadamente 50% inferior y una vida útil más
prolongada [8].
En el presente trabajo se pretende optimizar el consumo
eléctrico de los sistemas de iluminación, planteando
varios diseños en espacios interiores de la Universidad
Técnica de Ambato, con la finalidad de analizar los
resultados de los niveles de iluminación del sistema
fluorescente existente, que no cumple con las
especificaciones técnicas de la normativa vigente de
iluminación, frente a un sistema de iluminación LED.
71
Ríos et al. / Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de Iluminación en Espacios Interiores de la UTA
En el presente artículo, las simulaciones realizadas
cumplen los requerimientos de iluminación en espacios
interiores, especificados en la Norma de iluminación en
espacios interiores UNE-EN 12464-1, que establece los
niveles máximos y mínimos de iluminancia y el índice
de deslumbramiento unificado, UGR, entendido como la
condición de visión, asociada a la incomodidad o
disminución en la capacidad para distinguir objetos, que
deben garantizar los sistemas de iluminación en
espacios interiores de establecimientos educativos [9].
El diseño y la simulación de las luminarias se realizó
con ayuda del software DIALux, que permite simular
las características del espacio interior y calcular los
niveles de iluminación de los espacios interiores
evaluados. DIALux es un software gratuito que se
utiliza para el diseño, cálculo y visualización de la luz
de forma profesional, orientado a iluminación en
espacios interiores, espacios exteriores, iluminación de
la calzada, espacios simples, luz natural e iluminación
de emergencia [10].
En este artículo se presenta el diseño y simulación del
sistema de iluminación interior de un establecimiento de
educación superior, basado en luminarias fluorescentes
y en luminarias LED, con ayuda del software DIALux.
El objetivo del presente estudio es realizar un análisis
comparativo de los niveles de iluminación, que
proporcionan las luminarias fluorescentes existentes y
luminarias LED, en una sala de investigación de la
Facultad de Ingeniería en Sistemas Electrónica e
Industrial, FISEI, de la Universidad Técnica de Ambato,
UTA. El software DIALux permite calcular si la
iluminancia mantenida, E
m
, en los planos útiles de
trabajo, y el índice de deslumbramiento unificado,
UGR, Unified Glare Rating, se encuentran dentro del
rango establecido en la Norma de iluminación en
espacios interiores UNE-EN 12464-1 [3].
Inicialmente, se adquirió la información del espacio
interior evaluado, considerando características físicas
como la altura, dimensiones del lugar, posición de las
luminarias, posición de los planos de trabajo, tipo de
luminaria y los rangos de reflectancia útil para las
principales superficies interiores, permitiendo introducir
todas las características del diseño para su respectiva
simulación en el software DIALux.
Posteriormente, se procedió a la selección de luminarias
LED para el diseño y simulación del sistema de
iluminación, considerando la eficiencia lumínica,
potencia eléctrica y precio de las luminarias. Asimismo,
se realizaron diferentes simulaciones del sistema de
iluminación fluorescente existente, adaptando sus
características técnicas para que garanticen los niveles
de iluminación dentro del rango establecido en la
Norma UNE-EN 12464-1. Por ejemplo, incrementando
la potencia instalada de las luminarias fluorescentes.
Finalmente, los resultados obtenidos de las simulaciones
permitieron realizar un análisis comparativo de los dos
tipos de luminarias empleados. El análisis propuesto
permite comparar el consumo eléctrico y el coste
económico de la instalación, reposición de luminaria y
factura de consumo eléctrico de los dos sistemas de
iluminación evaluados, escalados a un edificio de la
Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial, en un horizonte temporal de 15 años.
En la Fig. 1, se muestra el diagrama de flujo de la
metodología de investigación empleada en el estudio. El
diagrama describe el proceso general de las actividades
realizadas en la elaboración de la presente investigación.
Inicialmente, se adquiere la información previa
necesaria, normativas y datos iniciales de los sistemas
de iluminación. La información es introducida en el
software DIALux para proceder al diseño y simulación
de los sistemas de iluminación evaluados. Finalmente, a
partir de los resultados obtenidos se realiza el análisis
comparativo de los parámetros eléctricos y económicos.
Figura 1: Diagrama de flujo de la metodología de investigación
2. DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE
ILUMINACIÓN FLUORESCENTE
2.1. Descripción del Espacio Interior Analizado
Los parámetros geométricos del espacio interior de la
Información
Previa
Experiencias
y Normas
-Investiga-
ciones
previas
-Normativa
UNE-EN
12464-1
-
Característi
cas físicas
Sistema de
Iluminación
-Luminarias
Fluorescentes
-Luminarias
LED
-Luminarias
LED
Uso de
Herramientas
Informáticas
-Criterios de
iluminación
-Parámetros
eléctricos
Diseño y
Simulación
Análisis
Comparativo
Análisis
Resultados
-Consumo de
energía
-Coste consumo
eléctrico
Cumplimiento de
los Requerimientos
-Parámetros de
iluminación
-Coste de
operación y
mantenimiento
72
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue I, Julio 2018
sala de investigación de la FISEI a considerar en el
diseño se presentan en la Fig. 2, las características
geométricas consideradas son:
- Altura de la oficina: 2.8 metros
- Plano útil: 0,8 metros
- Superficies de trabajo. 0,8 metros
- Área: 41 m²
La norma UNE-EN 12464-1 establece los rangos de
reflectancia útil para las principales superficies
interiores, Tabla 1, es decir, paredes, piso y techo en
espacios de trabajo interiores. Asimismo, establece los
requerimientos de iluminación en edificios educativos,
entre los que destacan, la iluminancia mantenida, E
m
, y
la iluminancia en áreas circundantes inmediatas, así
como, el índice de deslumbramiento unificado, UGR, y
el índice de rendimiento de colores general, Ra, Tabla 2.
Tabla 1: Márgenes de reflexión de superficies interiores
Tabla 2: Requerimientos de iluminación en establecimientos
educativos [3]
Frecuentemente, los sistemas de iluminación de centros
educativos son antiguos y no han sido adaptadas a las
nuevas tecnologías y, además, no cumplen con los
niveles de iluminación requeridos y establecidos en las
normas de iluminación vigentes en espacios interiores.
Figura 2: Parámetros geométricos del espacio interior evaluado
2.2. Mediciones de Iluminancia
Para determinar los niveles de iluminación del sistema
de iluminación fluorescente existente se realizaron
mediciones, con ayuda del luxómetro DIGI-SENSE
modelo 20250-00 [11]. Se registraron las mediciones de
luz en luxes en diferentes puntos del espacio interior
evaluado, Fig. 3. El número de puntos de medición se
determinó con ayuda del método de la cuadrícula.
Figura 3: Medición de iluminación del sistema de iluminación
fluorescente
2.3. Descripción y Simulación del Sistema de
Iluminación Fluorescente
La posición de las superficies de cálculo de la
iluminancia y la orientación de los puntos de cálculo del
índice UGR se ubicarán en el mismo lugar para todas
Datos del espacio interior a simular
Norma EN
12464-1
Superficies
Grado de
reflexión
Márgenes de
reflexión
Techo
80%
0,6 – 0,9
Paredes
50%
0,3 – 0,8
Suelo
20%
0,1 – 0,5
Planos de trabajo
--
0,2 – 0,6
Establecimientos Educativos
Tipo de
interior,
tarea y
actividad
Iluminancia
de áreas
circundantes
inmediatas
Lux
Iluminancia
de tarea, E
m
Lux
U
G
R
R
a
Aulas, aulas
de tutoría
200
300
19
80
Aulas para
clases
nocturnas y
educación de
adultos
300
500
19
80
Pizarra
300
500
19
80
Aulas de
prácticas y
laboratorios
300
500
19
80
Salas de
conferencia y
reuniones
300
500
19
80
Oficinas de
personal
300
500
19
80
73
Ríos et al. / Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de Iluminación en Espacios Interiores de la UTA
las simulaciones, tanto para las luminarias fluorescentes
como para las luminarias LED, Fig. 4, garantizando una
comparación en igualdad de condiciones respecto al
espacio interior.
a b
Figura 4: a) Superficies de cálculo, b) Puntos de cálculo UGR
Los datos técnicos y la distribución de las luminarias del
sistema de iluminación fluorescente, actualmente
existente, se introdujeron en el software DIALux para
simular su comportamiento, Fig. 5.
Figura 5: Diseño y distribución del sistema fluorescente.
En la Fig. 6, se muestra una fotografía del espacio
interior a evaluar en este estudio. Las luminarias del
sistema de iluminación fluorescente son de la marca
Osram del tipo Modular 3x18W. Las características
técnicas de las luminarias fluorescentes están
disponibles en el catálogo de luminarias Osram. En la
Fig. 7, se presenta el diseño en 3D del sistema de
iluminación fluorescente existente proporcionado por el
software DIALux.
Figura 6: Fotografía del espacio interior evaluado
Figura 7: Imagen 3D en DIALux del espacio interior evaluado
De acuerdo a los resultados presentados en DIALux, la
iluminancia, E
m
, obtenida en el entorno de trabajo es de
207 lux. En las 9 superficies de cálculo evaluadas no se
cumple con el rango establecido en la Norma UNE-EN
12464-1. El índice de deslumbramiento unificado,
UGR, se encuentra por debajo del valor de 19,
cumpliendo lo establecido en la Norma UNE-EN
12464-1.
2.4. Sistema de Iluminación Fluorescente
Repotenciado
En la Fig. 8, se presenta el diseño del sistema
iluminación fluorescentes repotenciado. Se incrementa
la potencia instalada de las luminarias Osram del tipo
Modular a 4x18W. El aumento de la potencia de las
luminarias fluorescentes permite garantizar un nivel de
iluminancia, E
m
, dentro del rango establecido en la
Norma UNE-EN 12464-1.
Figura 8: Diseño y distribución repotenciado de la iluminación
existente
74
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue I, Julio 2018
Para cumplir con el rango de iluminancia mantenida de
acuerdo a la Norma de iluminación en espacios
interiores se aumentó de 7 a 11 luminarias Osram del
tipo Modular 4X18W T8 Fluorescente, Fig. 9.
Figura 9: Imagen 3D en DIALux del sistema de iluminación
repotenciado
El aumento del número de luminarias fluorescentes
garantiza que el nivel de iluminancia, E
m
, y el índice de
deslumbramiento unificado, UGR, cumplan las
especificaciones establecidas en las superficies de
trabajo. Las características técnicas de las luminarias y
los resultados obtenidos en DIALux para el sistema de
iluminación fluorescente existente y repotenciado, se
presentan en la Tabla 3 y 4. En la Tabla 4 y 5, la barra
inclinada “/” indica la inexistencia de deslumbramiento.
3. DISEÑO Y SIMULACIÓN DEL SISTEMA DE
ILUMINACIÓN LED
3.1. Criterios de Selección de las Luminarias LED
La selección de las luminarias LED se basó en los
siguientes criterios técnicos: voltaje de entrada, flujo
luminoso, potencia, temperatura de color, eficacia
lumínica y vida útil. Las luminarias LED seleccionadas,
pertenecen a las marcas Sylvania, Osram, Microplus
Germany y Lithonia.
Las características de las luminarias LED se presentan
en la Tabla 5. Las características y precios de cada tipo
de luminaria se han obtenido de los catálogos
disponibles en internet.
3.2. Descripción del Diseño con Luminarias LED
La distribución de las luminarias LED Sylvania, Osram
y Microplus Germany en el espacio interior evaluado
son similares. En la Fig. 10a se muestra el diseño de
distribución de las luminarias LED en DIALux con las
diferentes marcas seleccionadas: Sylvania 40W, Osram
40W, Microplus Germany 30W. Por otro lado, la
distribución de las luminarias Lithonia 36W, Fig. 10b,
difiere sustancialmente de la distribución de las
luminarias de la Fig. 10a. Las características de la
distribución de las luminarias se presentan en la Tabla 6.
a b
Figura 10: Diseño y distribución de las luminarias LED con
DIALux
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS
Sistema de Iluminación
Tipo
Luminaria
Potencia
Luminarias
W
Lm
lm/W
Horas
útiles
Luminarias
Cantidad
Potencia Total
W
Existente
Modular 3X18W T8
54
3150
58
5000
7
378
Repotenciado
Modular 4X18W T8
72
4200
58
5000
11
792
Sistema de Iluminación
E
m
(lux)
UGR
max
Lista de superficies de cálculo
E
m
[lux]
Lista de Puntos de cálculo UGR
Observador UGR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Existente
207
12
229
222
162
199
154
199
164
219
227
12
/
/
/
/
/
/
/
/
Repotenciado
404
17
474
421
468
431
439
432
471
419
500
17
<10
<10
11
<10
11
<10
<10
<10
Tabla 3: Características técnicas de las luminarias fluorescentes
Tabla 4: Resultados de la simulación en DIALux del sistema de iluminación fluorescente
75
Ríos et al. / Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de Iluminación en Espacios Interiores de la UTA
3.3. Simulaciones de los Sistemas de Iluminación
LED
El software DIALux permite obtener la imagen en 3D
de la distribución de las luminarias. Así, en la Fig. 11a y
11b se presenta la imagen procesada en 3D de la
distribución de las luminarias de las Fig. 10a y 10b,
respectivamente. Las simulaciones realizadas de los
cuatro sistemas de distribución de luminarias propuestas
corroboran que los niveles de iluminancia se encuentran
dentro del rango establecido en la Norma UNE-EN
12464-1, Tabla 7.
a b
Figura 11: Imagen procesada en 3D en el software DIALux
El uso de luminarias LED Osram proporciona el mayor
nivel de iluminancia, E
m
, de las simulaciones realizadas,
451 lux. Por otra parte, Sylvania es la luminaria LED
que ofrece menor nivel de iluminancia, E
m
, 397 lux. Las
luminarias LED de Microplus Germany y Lithonia,
proporcionan niveles de iluminación de 419 lux y 430
lux, respectivamente.
En comparación con el sistema de iluminación
fluorescente repotenciado, que cumple con los niveles
de iluminación de la normativa, la sustitución por
tecnología LED permite reducir la cantidad de
luminarias necesarias. Los diferentes valores de
iluminación de cada superficie de cálculo para las
diferentes propuestas de distribución LED se presentan
en la Tabla 7. Asimismo, en la Fig. 12, se observa el
nivel de iluminación por colores de las superficies de
cálculo dentro del espacio interior evaluado para las
diferentes configuraciones de luminarias LED, Sylvania
40W, Fig. 12a; Osram 40W, Fig. 12b; Microplus 30W,
Fig. 12c; y Lithonia 36 W, Fig. 12d.
a b c d
Figura 12: Nivel de iluminación por colores de las superficies de
cálculo de las simulaciones del sistema de iluminación LED
3.4. Diseño y Simulación con Niveles Mínimos de
Iluminación
Se realizó una simulación adicional, garantizando que el
sistema de iluminación LED cumpla con los niveles
mínimos, Tabla 7. Se empleó la luminaria LED Lithonia
por su mayor eficacia lumínica, precio y vida útil. En la
Fig. 13a se presenta la distribución de las luminarias,
mientras que la imagen procesada en 3D en DIALux se
presenta en la Fig. 13b.
Panel LED
Voltaje de
entrada
50/60Hz
Flujo
Luminoso
Lm
Potencia
W
Temperatura
de Color
K
lm/W
Vida útil
Horas
Protección/
Certificación
Dimensiones
LxWxH cm
Sylvania
MYL741
100-277V~
3200
40
6000
80
35000
IP20
60x60x1
LEDvance
Osram
120-240V~
4000
40
6500
100
30000
IP20
60x60x1.05
Microplus
Germany
PN-060060
90-265V~
3450
30
5500
125
50000
IP65
59.5x59.5x3.2
Lithonia
2GTL4
120 V~
4222
36
4000
117.3
60000
CSA, LM79
122x61x8.2
Tipo
Luminaria
Potencia
Luminarias
W
Marca
Comercial
Lm
lm/W
Horas
útiles
Luminarias
Cantidad
Potencia
total
W
Panel LED
MYL741
40
Sylvania
3200
80
35000
7
280
LEDvance Panel
40
Osram
4000
100
30000
7
280
Panel LED
PN-060060
30
Microplus
Germany
3450
115
50000
7
210
Panel LED
2GTL4
36
Lithonia
4222
117.3
60000
6
216
Lithonia E
m
min
36
Lithonia
4222
117.3
60000
5
180
Tabla 5: Características técnicas de las luminarias LED
empleadas
Tabla 6: Datos de entrada para el Software especializado DIALux
76
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue I, Julio 2018
a b
Figura 13: Distribución e imagen 3D procesada en DIALux con
niveles mínimos de iluminación
4. ANÁLISIS COMPARATIVO DE LOS
SISTEMAS DE ILUMINACIÓN SIMULADOS
En este apartado se presenta el análisis comparativo del
consumo eléctrico y coste económico de los sistemas de
iluminación fluorescente y LED simulados.
Inicialmente, se analizó el sistema de iluminación
fluorescente existente y los propuestos, con luminarias
LED, en la sala de investigación de la FISEI.
Posteriormente, se escaló el análisis comparativo para
uno de los edificios de la Facultad, comparando el
sistema de iluminación fluorescente existente y
repotenciado con el sistema de iluminación LED,
compuesto por luminarias Lithonia 36W, distribuidos de
tal forma que garantizan el mínimo nivel de iluminación
dentro de lo establecido en la normativa vigente.
4.1. Análisis Eléctrico y Económico de la Sala de
Investigación en la FISEI
En la Tabla 8 se muestra el costo de instalación de los
sistemas de iluminación para las diferentes simulaciones
realizadas del espacio interior evaluado. Además, se
presentan los cálculos del consumo eléctrico, así como,
el costo económico del consumo eléctrico anual y en un
horizonte estimado de 15 años.
El uso promedio de las luminarias es de 14 horas al día
dentro de la institución, con un costo 6,3 c$/kWh, según
lo estipulado en el Pliego Tarifario para las Empresas
Eléctricas, Servicio Público de Energía Eléctrica de
Ecuador [12].
De acuerdo a los resultados obtenidos de la Tabla 8, se
deduce que, en un horizonte de 15 años, el coste
económico total – instalación, reposición de luminarias
y factura de consumo - de los sistemas de iluminación
LED, a excepción de las luminarias Osram y Microplus
Germany, se encuentran por debajo del coste económico
total de los sistemas fluorescentes, tanto existente, que
no cumple con los niveles de iluminación, como el
sistema fluorescente repotenciado. Asimismo, en el
horizonte evaluado de 15 años, el coste económico total
del funcionamiento del sistema de iluminación LED,
con el uso de luminarias Lithonia 36W, cumpliendo los
requisitos mínimos de iluminación, es inferior a los
sistemas fluorescentes evaluados. En este caso, el
ahorro obtenido sólo por la sustitución de luminarias
fluorescentes por luminarias LED Lithonia, en tan sólo
una sala de investigación, es de $2 223,22 en un
horizonte de análisis de 15 años. La reducción anual del
consumo eléctrico es de 52,38%.
4.2. Análisis Eléctrico y Económico del Edificio de
la FISEI
El edificio principal de la Facultad de Ingeniería en
Sistemas Electrónica e Industrial cuenta con un total de
256 luminarias fluorescentes con una potencia de 96W
cada una. De acuerdo a los resultados obtenidos de la
Tabla 8, se concluye que, el remplazo por luminarias
LED Lithonia con niveles mínimos de iluminación
permite reducir 64 luminarias, dejando un total de 192
luminarias. El análisis económico y eléctrico de los
sistemas de iluminación existente y propuesto para el
edificio de la FISEI se presenta en la Tabla 9.
De acuerdo a los resultados obtenidos de la Tabla 9, se
deduce que, en un horizonte de 15 años, la sustitución
de los sistemas de iluminación fluorescentes existentes
en el edificio por luminarias LED Lithonia ofrecen un
menor coste económico total, instalación y operación.
El ahorro que representa el uso de luminarias LED
Lithonia, con niveles de iluminación mínimos dentro del
rango de la normativa de iluminación vigente en
espacios interiores, es de $42 966,74 dólares. En un
horizonte de 15 años se obtendría un ahorro anual
equivalente de $35 80,56 dólares para la FISEI y una
reducción del consumo energético del 52,38%.
Tipo Luminaria
E
m
[lx]
UGR
max
Lista de superficies de cálculo
E
m
[lx]
Lista de Puntos de cálculo UGR
Observador UGR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Sylvania
397
19
484
440
488
405
415
405
490
434
491
16
17
19
<10
/
<10
19
17
18
LEDvance Osram
451
19
490
476
495
499
484
492
499
441
484
16
16
19
<10
/
<10
19
16
19
Microplus Germany
419
19
498
496
498
451
396
427
493
497
498
11
16
19
18
/
17
19
16
19
Lithonia
430
19
498
482
473
487
419
485
461
470
500
16
18
15
<10
/
<10
15
18
19
Lithonia E
m
min
365
19
394
362
353
336
337
341
365
367
387
15
18
14
<10
/
<10
15
18
18
Tabla 7: Resultados de la simulación del sistema de iluminación LED en DIALux
77
Ríos et al. / Optimización del Consumo Eléctrico de los Sistemas de Iluminación en Espacios Interiores de la UTA
Figura 14: Comparativa del costo económico del consumo
eléctrico de los sistemas de iluminación
En la Fig. 14 se presenta una comparativa del coste
económico del consumo eléctrico en el sistema de
iluminación fluorescente existente frente al LED
propuesto para la FISEI. En el horizonte evaluado de 15
años, el consumo eléctrico del sistema fluorescente
supera los $78 033,72 dólares, en tanto que para el
sistema LED es de $21 946,98 dólares. En un horizonte
de 15 años, el ahorro económico, gracias a la reducción
del consumo eléctrico por sustitución de luminarias
fluorescentes ineficientes, en el edificio principal de la
FISEI, sería de aproximadamente $56 086,20 dólares. El
coste de inversión inicial del sistema fluorescente
existente es igual a $ 13 952, en tanto que para el
sistema de iluminación LED propuesto sería igual a $
14 688. La diferencia de la inversión inicial entre ambos
sistemas es insignificante, sin embargo, los beneficios
en la reducción de consumo energético y gasto en la
facturación eléctrica son muy significativas para la
FISEI. Si se incluye la inversión inicial y los recambios
de lámparas a realizar en el horizonte evaluado de 15
años, para el sistema de iluminación fluorescente y
LED, Tabla 9, el ahorro correspondiente sería igual a $
42 966,74.
5. CONCLUSIONES
Los sistemas de iluminación fluorescentes de la
Universidad Técnica de Ambato son tecnologías
ineficientes y con un elevado consumo eléctrico.
Asimismo, los sistemas de iluminación fluorescentes
existentes no garantizan los parámetros técnicos
mínimos que establecen las normativas vigentes de
iluminación interior.
De acuerdo al análisis comparativo realizado entre
luminarias fluorescentes y LED, con ayuda del software
de diseño y simulación DIALux, permitió determinar
que las luminarias LED ofrecen una mayor eficiencia
lumínica y energética en comparación a las luminarias
fluorescentes. Las luminarias LED permiten garantizar
el nivel de iluminancia mantenida en las diferentes
superficies de trabajo dentro de los rangos establecidos
en la normativa de iluminación para espacios interiores
UNE-EN 12464-1.
En el presente estudio se han realizado el cálculo del
consumo eléctrico asociado tanto al sistema de
iluminación fluorescente existente, así como, al sistema
Sistema de
Iluminación
Coste Instalación, $
Consumo Eléctrico, kWh
Costo Consumo
Eléctrico, $
Coste Operación y
Mantenimiento, $
Coste
Total $ 15
años
Módulo
de
Soporte
Luminaria
Total
Sistema
Recambio
Mes
Año
15 años
Mes
Año
15 años
15 años
Total
Existente
50
4,5
381,5
105,84
1270,08
19051,2
6,67
80,02
1200,23
9
283,5
1865,23
Repotenciado
50
4,5
599,5
221,76
2661,12
39916,8
13,97
167,65
2514,76
9
445,5
3559,76
LED
Sylvania
__
42,99
300,93
78,4
940,8
14112
4,94
59,27
889,06
1
300,93
1490,92
LED Osram
__
69,99
489,93
78,4
940,8
14112
4,94
59,27
889,06
2
979,86
2358,85
LED
Microplus
Germany
__
273,78
1916,46
58,8
705,6
10584
3,70
44,45
666,79
1
1916,46
4499,71
LED
Lithonia
__
76,5
459
60,48
725,76
10886,4
3,81
45,72
685,84
1
459
1603,84
LED
Lithonia
E
m min
__
76,5
382,5
50,4
604,8
9072
3,18
38,10
571,54
1
382,5
1336,54
Sistema de
Iluminación
Coste Instalación, $
Consumo Eléctrico, kWh
Costo Consumo Eléctrico,
$
Coste Operación y
Mantenimiento, $
Gasto
Total $
15 años
Módulo
de
Soporte
Luminaria
Total
Sistema
Recambio
Mes
Año
15 años
Mes
Año
15 años
15 años
Total
Fluorescente
existente
50
4,5
13952
6881,28
82575,36
1238630,4
433,52
5202,25
78033,72
2
2304
94289,72
Lithonia
E
m min
__
76,5
14688
1935,36
23224,32
348364,8
121,93
1463,13
21946,98
1
14688
51322,98
Tabla 8: Consumo de energía y coste económico de diferentes sistemas de iluminación de la sala de investigación
Tabla 9: Consumo de energía y coste económico de diferentes sistemas de iluminación del edificio principal de la FISEI
78
Revista Técnica “energía”, Edición No. 15, Issue I, Julio 2018
de iluminación LED propuesto para la sustitución de
luminarias fluorescentes. Se realiza la simulación de
luminarias LED de diferentes fabricantes en una sala de
investigación de la Facultad de Ingeniería en Sistemas,
Electrónica e Industrial, FISEI.
Los estudios comparativos realizados del ahorro en
consumo eléctrico y coste económico para las diferentes
propuestas de sustitución de luminarias de la sala de
investigación evaluada confirman el importante ahorro
económico a obtener por la sustitución de luminarias
ineficientes por luminarias LED. En la sala de
investigación evaluada, el ahorro obtenido sólo por la
sustitución de luminarias fluorescentes por luminarias
LED Lithonia, en tan sólo una sala de investigación, es
de $2 223,22 en un horizonte de análisis de 15 años.
Finalmente, se ha escalado el análisis comparativo de
consumo eléctrico y coste económico realizado al
edificio principal de la FISEI. En un horizonte de 15
años, el ahorro económico, gracias a la reducción del
consumo eléctrico por sustitución de luminarias
fluorescentes ineficientes en el edificio principal de la
FISEI, sería de aproximadamente $56 086,20 dólares.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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EERE Publication and Product Library, Jun. 2016.
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Based Lighting Facilities: An Overview on Recent
Technologies and Embedded IoT Devices to Obtain
Wireless Control, Energy Savings and Quick
Maintenance”, Journal of Engineering and Applied
Sciences, Jan. 2017.
[3] S. Kim, W. Kang, and H. Ku, “Networked smart
LED lighting system and its application using
Bluetooth beacon communication”, presented at the
IEEE Int. Conf. Consumer Electronics-Asia (ICCE-
Asia), Oct. 2016.
[4] J. L. Castillo, B. R. Muñiz, and G. R. Álvarez.,
“Propuesta de un Sistema Solar Fotovoltaico e
Iluminación tipo LED en el Edificio 2 de la ESIME
Zacatenco”, tesis, Escuela Superior de Ingeniería
Mecánica y Eléctrica, México, jun. 2016.
[5] K. Zalatis and K. Berzina., “Effective and Optimal
Simulation of Light Design in Riga Technical
University’s Lighting Laboratory from the Point of
View of Energy Efficiency”, presented at the IEEE
4th Workshop on Advances in Information,
Electronic and Electrical Engineering (AIEEE),
Nov. 2016.
[6] A. Pulay and A. Williamson, “A case study
comparing the influence of LED and fluorescent
lighting on early childhood student engagement in a
classroom setting”, Learning Environments
Research, Jan. 2018.
[7] J. Almeida, “Eficiencia energética e implementación
de focos LED en el sistema residencial
ecuatoriano”, B.S. tesis, PUCE, mar. 2016.
[8] M.-C. Dubois et al., “Retrofitting the Electric
Lighting and Daylighting Systems to Reduce
Energy Use in Buildings: A Literature Review”,
Energy Res. J., vol. 6, pp. 25-41, Jan. 2015.
[9] Norma Española: Iluminación de Espacios de
Trabajo en interiores EN 12464-1, AENOR, 2003.
[10] D. GmbH, «DIALux», DIAL GmbH.
[11] Digi-Sense Data Logging Light Meter Model
20250-00 User Manual.
[12] Agencia de Regulación y Control de Electricidad,
ARCONEL, “Pliego Tarifario para las Empresas
Eléctricas, Servicio Público de Energía Eléctrica,”
2017.
Alberto Ríos Villacorta.- Dr.
Ingeniero Eléctrico por
Universidad Carlos III de Madrid,
2007. Master en Energías
Renovables por la Universidad
Europea de Madrid, 2004.
Ingeniero Eléctrico en Sistemas y
Redes Eléctricas por el Instituto
Politécnico de Bielorrusia, 1993. Profesor Ayudante de
la Universidad Carlos III de Madrid, 1998-2001.
Profesor Adjunto de la Universidad Europea de Madrid,
2001- 2014. Actualmente es Profesor Titular Principal
de la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial de la Universidad Técnica de Ambato.
Manuel Otorongo Cornejo.- Es
Ingeniero Eléctrico en Sistemas
Eléctricos de Potencia de la
Escuela Politécnica Nacional. Fue
Jefe de Área y Jefe de Sección en
Empresa Eléctrica Ambato S.A.,
Especialista, Director y Gerente
de Distribución en Empresa
Eléctrica Quito. Ha sido Presidente del Comité técnico
nacional de normalización para transformadores de
distribución. Es Profesor Contratado en la Facultad de
Ingeniería en Sistemas, Electrónica e Industrial de la
Universidad Técnica de Ambato.
Diego Abraham Taipe.- Nació
en Pujilí, Ecuador, el 28 de abril
de 1992. Se graduó como
bachiller en el Colegio “Nacional
Experimental Provincia de
Cotopaxi” en el 2010. Egresado
de la carrera de Ingeniería
Electrónica y Comunicaciones de
la Facultad de Ingeniería en Sistemas, Electrónica e
Industrial de la Universidad Técnica de Ambato.
79
