• Integración: Sistemas de iluminación y de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC, por sus siglas en inglés)

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Se renovó un espacio para juntas existente en Ohio State University Schottenstein Center para crear una atmósfera lounge de lujo con el fin de alojar a huéspedes VIP para conciertos y eventos deportivos. La iluminación opera desde un 30% (máxima potencia) hasta un 90% (completamente atenuada) por debajo del voltaje total permisible por el código de energía, dependiendo del escenario de iluminación que se utilice para cada evento. El diseño de iluminación de energía eficiente permitido para una reducción en la cantidad de enfriamiento requerido. Metro CD Engineering llevó a cabo el diseño mecánico, eléctrico y de plomería, y además, proporcionó los servicios de administración de la construcción para su renovación. Atención: Bob Winner"

Objetivos de aprendizaje:

  1. 1. Aprenda sobre la interacción entre cargas de iluminación y de enfriamiento.
  2. 2. Aprenda a utilizar un programa modelador de energía en edificios para incorporar el diseño del sistema de iluminación, así como medir apropiadamente los sistemas HVAC.

El uso de un diseño de iluminación de energía eficiente no sólo ofrece un significante ahorro en iluminación sino también puede reducir los requisitos de enfriamiento para un edificio. Los ingenieros deberían utilizar un programa modelador de energía en edificios para incorporar el diseño del sistema de iluminación, así como medir apropiadamente los sistemas HVAC.

Figura 1: Se renovó un espacio para juntas existente en Ohio State University Schottenstein Center para crear una atmósfera lounge de lujo con el fin de alojar a huéspedes VIP para conciertos y eventos deportivos. La iluminación opera de un 30% (máxima potencia) hasta un 90% (
El programa modelador de energía en edificios se utilizó ampliamente en la industria con un sin fin de propósitos, incluido el determinar el ahorro de energía, el diseño de HVAC o como una opción de cumplimiento con la certificación LEED del Consejo de Construcciones Sustentables de los EE.UU. Existen miles de aplicaciones modeladoras de energía en edificios diferentes, y cada una tiene sus pros y contras. El Depto. de Energía de EE.UU. (DOE, por sus siglas en inglés) publica una lista que comprende las herramientas del programa de energía en edificios en su página web.

A pesar de que existen muchos factores importantes al momento de crear un modelo de energía apropiado para un edificio (área de construcción, orientación, cantidad de vidrio, etc.), las ganancias de calor interno por parte de la gente, las luces y el equipo en el espacio contribuyen a la mayor parte de la carga de enfriamiento en muchos edificios. Si los ingenieros pueden desarrollar modelos de energía más apropiados , los sistemas HVAC pueden medirse de manera óptima, lo que resulta en sistemas de energía eficientes con un confort térmico mejorado para los habitantes del edificio y propietarios satisfechos.

Según el Manual de Actualización de Edificios del programa Energy Star de la Agencia de Protección del Medio Ambiente (EPA) de los EE.UU., la iluminación suele ser la mayor fuente de calor residual, que también se conoce como ganancia de calor en edificios comerciales. Aproximadamente el 18% de la electricidad generada en los Estados Unidos es consumida por las cargas de iluminación, junto con otro 5% que se utiliza para enfriar el calor residual generado por la iluminación. Tal como se muestra en la Figura 2, la iluminación constituye el 35% del uso de electricidad en un edificio. Como la iluminación representa la porción más grande del consumo de electricidad en un edificio comercial, también ofrece una gran oportunidad para ahorrar energía, al utilizar sistemas de iluminación energéticamente eficientes y controles de iluminación. Esto aplica tanto para edificios existentes como para edificios nuevos.

Efectos interactivos de iluminación en la calefacción o el sistema de enfriamiento

El tipo de sistemas de iluminación instalados pueden tener un gran impacto sobre los requisitos de HVAC. Reducir la energía que se utiliza para la iluminación afecta a la calefacción y al enfriamiento que se requerirá. A medida que se instalan sistemas de iluminación más eficientes en los edificios, las cargas de enfriamiento se verán reducidas, mientras que las cargas de calefacción puede presentar un aumento. En un edificio nuevo diseñado con los sistemas de iluminación eficiente, las cargas de enfriamiento más pequeñas, a su vez, permiten que el sistema de enfriamiento del edificio sea mucho más pequeño (y por lo tanto, sea más económico de adquirir y de operar). En un edificio existente donde se han remodelado los sistemas de iluminación para que estos sean más eficientes energéticamente, las cargas de enfriamiento más pequeñas pueden permitir que los sistemas de enfriamiento existentes proporcionen cargas adicionales futuras o que pueden reemplazarse más adelante con unidades más pequeñas.

La mayoría de los edificios están formados por diversos sistemas, incluidos los sistemas de iluminación, HVAC y control. Con el fin de diseñar para obtener el desempeño óptimo de un sistema, todos los sistemas del edificio deben considerarse como uno solo. Cuando se diseña un nuevo edificio o una renovación mayor del mismo, las interacciones entre los sistemas de iluminación y HVAC deben considerarse para asegurar que el equipo sirva de manera apropiada para las condiciones del mundo real. De manera similar, para las actualizaciones para la eficiencia de la iluminación, los ingenieros y los propietarios deben entender y ser capaces de justificar el impacto neto de las cargas de calefacción y enfriamiento potenciales que pueden crear las diferentes renovaciones.

Figura 2: Edificios comerciales nuevos: Esta gráfica muestra el cambio en las cargas de calefacción y enfriamiento por un declive de 1kWh en las cargas de iluminación. Atención: Interacciones entre el uso de energía para el acondicionamiento del espacio y la iluminación en los edificios comerciales, Lawrence Berk Figura 3: Edificios comerciales existentes: Esta gráfica muestra el cambio en las cargas de calefacción y enfriamiento por un declive de 1kWh en las cargas de iluminación. Atención: Interacciones entre el uso de energía para el acondicionamiento del espacio y la iluminación en los edificios comerciales, Lawrence

Las figuras 2 y 3, adaptadas del informe de Lawrence Berkeley National Laboratory, interacciones entre el uso de energía para el acondicionamiento del espacio y la iluminación en los edificios comerciales, escrito para el DOW, ilustran las interacciones entre el uso de energía energía para el acondicionamiento del espacio y la iluminación en los edificios comerciales en los Estados Unidos. Para la reducción de una unidad (kWh) en la energía de la iluminación, se muestran los cambios de carga de calefacción y enfriamiento correspondientes. Note que en los grandes edificios de oficinas, hoteles y hospitales, el incremento promedio en la carga de calefacción se compensa con 4 o más veces de la reducción en la carga de enfriamiento. Para los edificios pequeños como comercios o escuelas, el incremento de energía por carga de calefacción es similar, en tamaño, a la reducción de energía por carga de enfriamiento.

Las figuras 2 y 3 representan las figuras promedio para cada tipo de edificio a lo largo de todas las áreas geográficas de los Estados Unidos. Los cambios reales en el uso de energía para un edificio particular se verán influenciados por otros factores, incluido el clima, las condiciones de operación, las características de la construcción y la eficiencia de los sistemas HVAC. Cuantificar el impacto neto puede ser difícil, existen algunas herramientas del programa para ayudar con estos cálculos. Un modelo de energía en edificios (simulación computarizada) puede ayudar a los ingenieros a determinar el impacto de energía general de los sistemas de iluminación, incluidos los efectos interactivos con sistemas HVAC, para un edificio en particular.

Una de las entradas para un cálculo de la carga de HVAC o el modelo de energía en edificios son los watts (W) de potencia de entrada de la iluminación o la densidad de la potencia (W/sq ft). La Tabla 1 representa un ejemplo de cuánto puede reducirse esta potencia de entrada al mejorar los sistemas de iluminación T12 en un edificio con varias opciones de sistema de iluminación eficiente T8. Usar sistemas T8 estándar da como resultado en un 26% de ahorro de energía en comparación con el caso de referencia, mientras que el uso de sistema T8 de alto rendimiento da como resultado un 42% de ahorro. Mejorar los accesorios de iluminación T12 con lámparas y lastres T8 de alto rendimiento, lentes nuevos y reflectores espectaculares puede permitir que se retire la mitad de las lámparas, lo que resulta en un 71% de ahorro de energía, manteniendo los mismos niveles de iluminación. Además, incorporar sensores de movimiento y controles de atenuación de la luz del día permitirá un ahorro de energía adicional. Note que esta tabla no compensa el ahorro de energía adicional que puede darse mediante la disminución de las cargas de enfriamiento.

Tabla 1: Las opciones de mejoras fluorescente se comparan por potencia, uso de energía, costos y rendimiento. Atención: Fuente electrónica; Lighting Technology Atlas (2005)

Fundamentos de la transferencia térmica

Antes de modelar las cargas de iluminación para un edificio, es importante entender los fundamentos de la transferencia térmica y las fuentes posibles de la ganancia térmica en un espacio. Los tres tipos de transferencia térmica que pueden presentarse son la conducción, convección y radiación térmica. La conducción ocurre a partir del contacto directo o la interacción de partículas con una diferencia de temperatura. La covección ocurre entre superficies y al mover fluidos cuando existe un gradiente de temperatura. La radiación térmica es la transferencia de energía a través de ondas electromagnéticas. La energía de iluminación utiliza dos de los tres modos de la transferencia térmica—convección y radiación térmica—mientras que la conducción es insignificante. Tanto la transferencia de calor por convección como por radiación térmica transfieren calor al espacio, lo que convierte el 100% de la entrada de energía de iluminación en carga de enfriamiento. Es importante notar que ese calor que es por convección se convierte inmediatamente en carga de enfriamiento, mientras que la radiación térmica se convierta en carga de enfriamiento, en un periodo de tiempo. Esto es verdadero para cualquier tipo de accesorio de iluminación. Los diferente tipos de fuentes de iluminación (LED, fluorescente, incandescente, etc.); sin embargo, tienen diferentes cantidades de ganancia de calor que resulta de la radiación térmica y por convección.

Por ejemplo, con una lámpara incandescente de 60 W, se transfiere aproximadamente el 20% o 12 W de la potencia de entrada al espacio en la forma de convección, que se convierte inmediatamente en carga de enfriamiento. El 80% restante o 48 W se transfiere al espacio en la forma de radiación. La mayoría de esta radiación es IR con muy poca luz visible. La luz visible y la porción de energía residual que es radiación térmica serán absorbidas por las superficies en el cuarto, tales como los techos, pisos, las paredes, los muebles, etc. El calor aumenta la temperatura de la superficie y se almacena en la masa de ese elemento. Entonces, el calor volverá a ser radiado a otras superficies en el espacio, y una parte de éste es conveccionado al aire del cuarto, y se convierte en carga de enfriamiento. El proceso de radiación, almacenaje y convección dentro del espacio continúa hasta que eventualmente toda la energía de calor es transferida hacia el espacio.

En el caso de una lámpara LED de 14 W comparable, aproximadamente el 50% o 7 W de la potencia se transfiere al espacio en forma de radiación. Debido a que los LED generan poca o nada de luz infrarroja (IR) o ultravioleta (UV), los 7 W se convierten en luz visible. El 50% restante o 7 W se transfiere al espacio en la forma de convección. El calor por convección es energía residual y se convierte inmediatamente en carga de enfriamiento. Los 14 W originales de la potencia de entrada eléctrica se convertirá en carga de enfriamiento.

Modelado de energía

El programa de análisis cada hora de Carrier (HAP, por sus siglas en inglés) y el programa de análisis económico y de energía en edificios Trane TRACE 700 son dos de las aplicaciones modeladoras de energía más utilizadas en la industria de la ingeniería. Cada uno puede utilizarse para ayudar a modelar un edificio y proporcionar las cargas de calefacción y enfriamiento apropiadas con el fin de medir el equipo y determinar las cargas para cada espacio individual en el edificio. Es importante para los ingenieros y diseñadores mecánicos entender cómo ingresar correctamente las cargas de iluminación en el programa modelador de energía.

En el programa HAP de Carrier, se necesita llevar a cabo el siguiente procedimiento con el fin de justificar adecuadamente la iluminación diseñada:

  • Ingresar el W o W/sq ft para los accesorios del cuarto.
  • Elegir el tipo de accesorio correcto para el espacio. Esto determinará la división convectiva/radiante para obtener la ganancia de calor en el espacio.
  • Crear un horario para las luces que describa el porcentaje del voltaje más alto que se encuentre en uso, cada hora, durante todo el día.
  • Si es necesario, ingresar el porcentaje de la ganancia de calor por iluminación en el pleno.

Los watts o la densidad de la potencia (W/sq ft) para el espacio puede determinarse si se trabaja con el ingeniero eléctrico o al observar los planos eléctricos. En caso que se ingrese la cantidad de watts, el voltaje de entrada de todos los accesorios de iluminación deben ser totales y deben ingresarse al programa. Si el proceso de diseño se encuentra en sus primeras etapas y se conocen las densidades o watts de potencia exactos, el capítulo Nonresidential Cooling and Heating Load Calculations del Manual ASHRAE o de la norma 90,1-2007 ASHRAE proporciona los valores típicos de densidad de potencia para diferentes tipos de espacios que pueden utilizar como puntos de referencia.

HAP de Carrier cuenta con tres tipos de accesorio que pueden seleccionarse: empotrados sin ventilación, empotrados con ventilación o colgantes. De acuerdo con HAP Carrier, los accesorios empotrados sólo radian hacia las paredes y pisos en el espacio, en cambio los accesorios colgante radian hacia el techo, las paredes y los pisos; los accesorios con ventilación tienden a tener una proporción de ganancia de calor convectiva mayor que la de los accesorios sin ventilación. Como sólo puede elegirse un tipo de accesorios, elija el el accesorio que mejor vaya con su espacio. Si se eligen lámparas fluorescentes, se incrementa el voltaje del accesorio al utilizar el multiplicador del lastre para justificar el consumo de energía del motor del lastre. En caso que se elijan lámpara incandescentes, el voltaje total del accesorio es igual al voltaje de la lámpara. HAP de Carrier utiliza valores predeterminados de ASHRAE con el fin de determinar cómo dividir la ganancia de calor entre la ganancia de calor convectiva y la ganancia de calor radiante. La división es principalmente determinada con base en el tipo de accesorio de acuerdo con la investigación de ASHRAE. Los parámetros de ganancia de calor de la iluminación em condiciones de operación normales pueden encontrarse el capítulo Nonresidential Cooling and Heating Load Calculations del Manual de ASHRAE.

Una vez que el voltaje y los tipos de accesorios se ingresan en el programa, deberá crearse un horario que represente el uso adecuado de los accesorios de iluminación. HAP de Carrier permite que el usuario defina perfiles sobre la variación del uso de iluminación, ya sea cada hora o cada día. Debe seleccionarse un horario "fraccionario", ya que éste permite que el usuario defina el porcentaje de la ganancia máxima de calor, cada hora. Una vez que se hayan creado todos los perfiles por hora, estos deben asignarse a sus respectivos días en la pestaña "asignaciones".

El último paso para justificar apropiadamente la iluminación en el edificio es el ingreso del porcentaje de ganancia de calor por la iluminación en el pleno, si es necesario. El porcentaje de la ganancia de calor que va hacia el pleno puede encontrarse si se contacta al fabricante de la iluminación. En caso que los accesorios de iluminación no se especifiquen al principio, el porcentaje de la ganancia de calor que va hacia el pleno puede calcularse por medio de la cantidad anterior. La fracción de la ganancia de calor del pleno es simplemente uno menos la fracción del espacio (por ejemplo, ganancia de calor del pleno = 1 – fracción del espacio). La fracción de la ganancia de calor del pleno puede ingresarse en el programa para los sistemas creados.

Trane TRACE 700 es similar al Programa de análisis por hora de Carrier pero existen algunas diferencias. Los pasos que se llevan a cabo para proporcionar una representación apropiada de la iluminación son los mismos que en el HAP de Carrier pero con los pasos 1 y 4 combinados en TRACES 700.

La ganancia de calor de la iluminación puede ingresar en los diferentes espacios que se han creado. Este valor puede ingresarse en Btuh, Btuh/sq ft, W, W/sq ft, o W/m2—el que el usuario prefiera. Igual que el HAP de Carrier, el TRACE 700 tiene una biblioteca predeterminada para accesorios de iluminación. Los accesorios de iluminación que pueden seleccionarse incluyen lo siguiente:

  • Fluorescente, cuelga del techo, 100% de carga al espacio
  • Incandescente, cuelga del techo, 100% de carga al espacio
  • Incandescente, cuelga del techo, 60% de carga al espacio
  • Incandescente, cuelga del techo, 75% de carga al espacio
  • Fluorescente empotrado, no ventilado, 50% de carga al espacio
  • Fluorescente empotrado, no ventilado, 80% de carga al espacio
  • Fluorescente empotrado, de recuperación ventilado, 20% de carga al espacio
  • Fluorescente empotrado, de recuperación y suministro ventilado, 80% de carga al espacio
  • Asignar la iluminación fluorescente
  • Asignar la iluminación incandescente

Figura 4: El TRACE 700 interno y la biblioteca de cargas de flujo de aire le permite a los usuarios crear accesorios personalizados. Atención: Trane

Si las bibliotecas predeterminadas no tienen exactamente lo que el usuario está buscando, el TRACE 700 tiene la capacidad para crear y definir los accesorios personalizados. Para crear un nuevo accesorio, haga clic en la pestaña desplegable "bibliotecas" al principio de TRACE 700 y seleccionar "cargas internas y flujo de aire".

La Figura 4 muestra todas las entradas para crear un accesorio personalizado en el TRACE 700. Primero, debe ingresarse la descripción del accesorio para ayudarle al usuario a diferenciarlo de los accesorios de fábrica. Los accesorios de iluminación que pueden seleccionarse incluyen lo siguiente:

  • ASHRAE1 o RECFL-NV*: Fluorescente empotrado – no ventilado. Suministro y recuperación por debajo del techo con flujo de aire de suministro de menos de 0.5 cfm/ sq ft.
  • ASHRAE2 o RECFL-NV*: Fluorescente empotrado – no ventilado. Suministro y recuperación por debajo del techo o a través del la campana y del espacio del techo. Suministrar flujo de aire mayor a 0.50 cfm/ sq ft.
  • ASHRAE3 o RECFL-RA*: Fluorescente - ventilado. Suministro a través del difusor del techo y la pared con un suministro de flujo de aire mayor a 0.50 cfm/ sq ft. Recuperación alrededor de los accesorios de iluminación y a través del espacio del pleno.
  • ASHRAE4 o RECFL-RS*: Fluorescente con ventilación o colgante en la corriente de aire con posible recuperación en ducto. Con ventilación para suministrar y recuperar flujos de aire.
  • SUSFLOUR*: Fluorescente colgante por debajo del techo.
  • INCAND o SUSINCAN*: Incandescente colgante por debajo del techo.
  • Asignar iluminación: Por lo general, la iluminación se coloca al nivel de un escritorio.

*Para estos tipos de accesorios, si se elije el CLTD-CLF (ASHRAE TFM), la carga de iluminación del cuarto se basa en los coeficientes del factor peso, utilizado por el programa DOE 2.1 de la computadora. Si se utiliza un TETD (metodología del tiempo promedio de la carga de enfriamiento en el cuarto), se supone que todos los accesorios de tipo fluorescente tienen un fracción radiante del 50% y accesorios incandescentes de 80%.

Después de elegir el tipo de accesorios de iluminación, puede ingresarse una válvula en el porcentaje de carga al campo del pleno. Una vez más, se recomienda que el usuario obtenga estos valores por parte del fabricante de iluminación o contacte a un agente de producción de iluminación para que le ayude a determinar esos valores. Para las combinaciones de los diferentes accesorios de iluminación en un cuarto, el porcentaje de la carga de iluminación que recuperará aire debe pesarse con base en el número de cada tipo de accesorio. Si al momento de crear el modelo de energía no se han especificado los accesorios de iluminación, se puede seleccionar el porcentaje de la carga para el pleno desde el Manual ASHRAE. El factor del lastre es un multiplicador para accesorios, que requiere una cantidad diferente de energía de entrada que la del voltaje de la lámpara valorada, debido al uso de un lastre o del suministro de energía. El usuario puede obtener este valor el ficha técnica del lastre. Las últimas dos entradas para un accesorio definido, personalizado son la fracción radiante de onda amplia y la fracción radiante de onda corta. La fracción radiante de onda amplia + la fracción radiante de onda corta = fracción radiante total. El valor predeterminado para la fracción radiante de onda corta en TRACE 700 para todos los tipos de accesorios de iluminación es 0%. Debe ignorarse el campo de la fracción radiante de onda corta a menos que la metodología RTS (Tablas de ASHRAE) o RTS (Equilibro del calor) haya sido elegida en la pantalla "cambiar los parámetros de carga". Las otras metodologías integradas al TRACE 700 tienen un valor predeterminado para este campo.

Una vez que se ha creado el accesorio de iluminación personalizado, puede seleccionarse el accesorio de iluminación para cada cuarto que lo necesite. Por último, debe crearse un horario de iluminación con el fin de representar el uso de energía en el edificio. Trane TRACE 700 cuenta con varios horarios predeterminados que pueden seleccionarse o puede crearse un horario personalizado. Los horarios le permiten al usuario definir perfiles de 24 horas para las cargas de iluminación.

Resumen

El modelador apropiado para los sistemas de iluminación es una parte importante para programar el HVAC, ya que la iluminación puede ser una fuente significativa de ganancia de calor en los edificios comerciales. El programa modelador de energía en edificios es una herramienta valiosa que utilizan los ingenieros, y es importante entender las entradas elegidas en la aplicación. Si los ingenieros entendieran mejor cómo modelar los sistemas de iluminación, podrían determinar de manera más exacta los valores apropiados para los sistemas HVAC, que resultan en una eficiencia de la energía y rendimiento operacional óptimos.


Justin Schultz es el ingeniero eléctrico a cargo en° Metro CD Engineering  y funge como presidente de educación y miembro del consejo de su sección de la Sociedad local de ingenieros de iluminación (IES, por sus siglas en inglés). Es unIngeniero Asesor desde 2011,ganador de 40 premios y miembro activo de USGBC Central Ohio Chapter. Brian Johnson es ingeniero mecánico en°Metro CD Engineering Funge como miembro de USGBC Central Ohio Emerging Professionals Group and Advancement Commitee, así como de Young Engineers in ASHRAE, en Columbus, Ohio.

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