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    • Incorporación de controles de iluminación con BAS para ahorrar energía

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    Objetivos del aprendizaje

    1. 1. Comprender los beneficios de incluir sistemas de iluminación, de luz natural y automatización de edificios.
    2. 2. Conocer los códigos y normas que rigen a los sistemas de iluminación y luz natural.
    3. 3. Aprender a recopilar y analizar los datos en un sistema de automatización.

     

    Si se incluyen controles de luz natural e iluminación con un sistema de automatización de edificios (BAS, por sus siglas en inglés) puede producir ahorros energéticos significativos. También existen otros beneficios, incluido el cumplimiento con los códigos de energía, el Consejo de Edificios Ecológicos de los EE. UU. (USGBC, por sus siglas en inglés), LEED, créditos y Energy Star.

    Los propietarios de edificios, arquitectos e ingenieros han aceptado el uso de luz natural con la llegada de la norma LEED, ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2010 y los beneficios documentados de la luz natural para los arrendatarios de los edificios, así como ahorros energéticos. La investigación del sitio web de Energy Star muestra que el uso de luz natural no sólo ahorra dinero, sino que también mejora la productividad de los empleados y las ventas de productos.

    De acuerdo con AEP (American Electrical Power) Energy, al integrar un sistema de aprovechamiento de la luz natural con controles de iluminación puede reducir el uso total de la energía para la iluminación de un edificio entre un 20% y 90%. AEP ha publicado varios estudios de casos en su sitio web donde se demuestran dichos ahorros.

    El aprovechamiento de la luz natural implica controlar la iluminación artificial como respuesta a la disponibilidad de la luz para mantener un nivel constante de luz. Cuando entra la luz natural en un espacio, los sensores de fotocontrol miden el nivel de luz y mediante el sistema de control de iluminación se reducen los niveles de luz artificial. Por el contrario, cuando se mete el sol o en un día nublado, el sensor medirá el nivel de luz y con los controles se elevan los niveles e luz artificial. Se deberán programar los controles de iluminación con configuraciones demoradas de encendido/apagado para evitar fluctuaciones molestas en días con viento cuando se desplazan las nubes y se producen variaciones en la iluminación ambiental.

    Estrategias, beneficios de la integración

    La mayoría de los proveedores BAS no ofrecen controles de iluminación en paquetes amplios. En general, se requiere de un control de iluminación por separado para ello. El BAS es una herramienta útil para monitorear el uso de energía de manera pasiva para sentar las bases de las estrategias de los controles. Debido a que los BAS tiene una naturaleza personalizable, el diseñador deberá desarrollar secuencias detalladas de la operación de los controles de iluminación con el BAS. Los paquetes con controles de iluminación dedicados cuentan con toda la secuenciación que, en general, viene pre empacada con contactos secos de monitoreo del BAS. Muchos fabricantes de controladores de iluminación tienen la capacidad de conectarse en red a un BAS. Algunos BAS ya incluyen controles de iluminación directamente en el BAS.

    ¿Cuáles son algunas de las estrategias y beneficios para integrar los controles de iluminación natural y artificial con un BAS, ya sea de manera directa o indirecta?

    Normalmente el BAS controla y monitorea otros sistemas, tales como los de climatización y monitoreo de energía. La inclusión de los sistemas de control de iluminación le permite al gerente de las instalaciones y a los técnicos que controlen y monitoreen los sistemas de iluminación.

    La mayoría de los fabricantes de BAS y controles de iluminación permiten el control y monitoreo remoto de sus sistemas mediante un software especializado y/o una interfaz web. La mayoría de los sistemas incluyen un controlador de iluminación y un BAS que no está integrado. Con estos sistemas, el acceso remoto incluye a dos sistemas separados: uno para el controlador de iluminación y otro para BAS. Los dos se conectarían mediante una red.

    Un BAS con controles integrados de iluminación simplifica la capacitación, mantenimiento y operaciones utilizando una interfaz. No obstante, pocos sistemas integrados están disponibles y estos sistemas podrían no contar con controles robustos de iluminación a diferencia de los controladores de iluminación independientes. Se deberá dar consideración a la revisión de pros y contras de sistemas individuales para el controlador de iluminación y el BAS en comparación con un sistema integrado.

    La integración de los controles de iluminación natural y artificial con un BAS requiere coordinar al ingeniero de iluminación y al de diseño BAS. Los protocolos abiertos, tales como BACnet, LonWorks y Modbus permite que los productos de los distintos fabricantes trabajen en conjunto. Los ingenieros deberían considerar especificar productos de control de iluminación natural y artificial que incorporen protocolos abiertos para expansiones y modernizaciones futuras.

    La programación coordinada de iluminación y cargas de climatización es una manera de ahorrar una gran cantidad de energía. Las sinergias en los ahorros de energía pueden existir entre los sistema de iluminación y climatización con BAS. Por ejemplo, un BAS mediante un sensor de ocupación que monitorea un espacio puede abrir o cerrar la compuerta de una unidad terminal de volumen variable de aire (VAV, por sus siglas en inglés). Una situación común es que un sensor de ocupación encienda la iluminación de un espacio ocupado. El cual se comunica con el BAS, en general, mediante un controlador de iluminación o monitoreando contactos. Después, el BAS abre la compuerta de la terminal VAV para permitir el ingreso de calor o frío requerido para brindar una comodidad térmica al ocupante. Por el contrario, el BAS puede ahorrar energía cerrando la compuerta del VAV cuando un sensor de ocupación detecta la desocupación de un espacio y procede a apagar la luz. El diseñador deberá dar una secuencia detallada de las operaciones al contratista encargado de los controles al coordinar los sistemas de iluminación y climatización.

    La mayoría del hardware de los fabricantes de controles de iluminación permiten que los sensores de fotocontrol interactúen de manera directa con los dispositivos de iluminación. Esto permite que el sensor controle directamente los niveles de iluminación artificial sin tener que pasar por un BAS. No obstante, el BAS puede monitorear el consumo energético para estos circuitos de iluminación y usar esta información para determinar el ahorro de energía.

    El protocolo DALI (Interfaz de Iluminación con Direccionamiento Digital) (IEC 60929 e IEC 62386) consta de un controlador con balastos de iluminación, sensores de ocupación, etc. El controlador DALI puede monitorear y controlar todos los dispositivos de iluminación con cableado entre el controlador y los dispositivos o entre dispositivos. Dependiendo del tipo de sistema DALI, el controlador DALI podría trabajar en red con un BAS. Una herramienta portencial de administración y mantenimiento de energía puede existir si el controlador DALI especificado está programado para rastrear el número de horas de operación para cada dispositivo de iluminación, así como el número de ciclos de encendido/apagado por dispositivo. El personal de mantenimiento puede usar estos datos para realizar cambios de focos, puesto que se correlaciona con la reducción de lúmenes y vida media de las lámparas de cada dispositivo de iluminación. El ahorro de energía también se puede calcular de acuerdo con el tiempo que permanecen apagados los dispositivos de iluminación.

    Controles y sensores

    La selección y calibración adecuada del sensor de fotocontrol es crítica para elevar al máximo los ahorros de energía con aprovechamiento de la luz natural. Algunos fabricantes cuentan con varios sensores para distintas funciones espaciales. Por ejemplo, un sensor de fotocontrol de interiores es un sensor diseñado y calibrado específicamente para espacios interiores con ventanas. Un sensor de fotocontrol de atrio es para atrios con niveles mayores de luz natural. Un sensor de fotocontrol de tragaluz es para las áreas con exposición directa al sol.

    Figura 2: La vista suroeste de la recepción de Dicke Hall desde el segundo piso muestra el aprovechamiento de la luz natural mediante los ventanales. Cortesía de: Metro CD Engineering

    Un controlador de iluminación puede automatizar la apertura o cierre de las persianas para optimizar la luz natural y reducir el brillo al mínimo de acuerdo con la posición del sol. El aprovechamiento de la luz natural también se debe incluir con esta estrategia de control de persianas. El BAS puede determinar el ahorro energético monitoreando el uso de energía para los circuitos de iluminación afectados por los dispositivos de sombra.

    Los sensores de ocupación y de fotocontrol se pueden compensar. Por ejemplo, un sensor de ocupación puede detectar cuando una persona entra a una oficina privada con ventanas durante un día soleado. Si el sensor de fotocontrol detecta que existe una luz natural adecuada, el controlador de iluminación puede garantizar que la luz artificial de la habitación permanezca apagada.

    Si la habitación no tiene un sensor de fotocontrol, el controlador de iluminación podría encender la luz artificial inclusive con luz natural adecuada. Este es un buen ejemplo de la manera en que una estrategia integrada de control de luz natural y artificial puede ahorrar energía.

     

    Otro beneficio de los controles integrados de luz con un BAS es el espacio que ocupa. Por ejemplo, se puede utilizar un BAS que incluye sensores de ocupación para determinar la frecuencia de ocupación de determinadas habitaciones y áreas. Tener acceso a estos datos permite que los gerentes de las instalaciones determinen si se requiere un ajuste para optimizar su uso. Un ejemplo del uso de estos datos es ajustando la suspensión de la iluminación en una determinada hora del día para un cierto piso o área, de acuerdo al uso que se le dé.

     

    El diseñador deberá considerar esto al incorporar mayor complejidad en la estrategia de iluminación. Las funciones de mantenimiento y administración de las instalaciones, así como el costo relativo al mantenimiento del sistema se deberá incluir en el análisis.

    Reducción de carga

    Un BAS también puede ahorrar energía y dinero reduciendo la carga. El BAS, mediante el controlador de iluminación puede atenuar la iluminación para reducir la carga del edificio durante los periodos de alta demanda de servicios eléctricos. La reducción de carga ayuda a las empresas de servicios a evitar apagones y caídas de tensión, los cuales conllevan a ofrecer créditos de servicio o descuentos al cliente.

    El diseñador deberá asegurarse de especificar e instalar balastos de atenuación para controladores de iluminación programados para atenuar la iluminación. Se pueden producir daños graves a los balastos en caso de que no sean para atenuación para este tipo de uso. El diseñador también deberá considerar atenuar o apagar la iluminación con reducción de carga en algunas áreas o con un determinado porcentaje de dispositivos de iluminación. La comunicación con el personal de operaciones de las instalaciones es crítico para garantizar que las operaciones se mantengan con los niveles más bajos de iluminación en algunas áreas clave.

    La red eléctrica inteligente y los sistemas inteligentes de medición ayudan a automatizar la reducción de carga. Una situación común es que la empresa local de servicios envíe una señal automatizada anticipando un periodo de alta demanda al medidor inteligente de las instalaciones. Después, el medidor inteligente envía un comando al BAS de las instalaciones. El BAS, mediante su programación puede reducir los niveles de iluminación y reducir el uso de energía en las instalaciones.

    En general, la reducción de carga tiene un impacto mínimo en los ocupantes de edificios cuando se utilizan estrategias eficaces de aprovechamiento de la luz natural. La mayoría de la reducción de la carga se hace en el verano cuando hay suficiente luz natural y, por ende, se reduce el impacto de las cargas menores de iluminación artificial. Esto resulta especialmente eficaz cuando las instalaciones no tienen sensores de fotocontrol.

    Muchas empresas de servicios también ofrecen incentivos por ahorros energéticos cuando los controles de iluminación y/o aprovechamiento de iluminación se incorpora a una instalación nueva o remodelada. También pueden existir otros incentivos locales y estatales.

    Eficiencia energética LEED

    LEED 2009 de Nuevas Construcciones (NC) ofrece recompensas por utilizar sistemas de aprovechamiento de la luz natural y controles. Si se incluyen ambas estrategias, ello contribuye a los ahorros energéticos y puede ayudar a cumplir con varios prerrequisitos y créditos de LEED 2009 NC:

    • Sitios Sostenibles (SS), 8 créditos: Reducción de la contaminación lumínica. Un controlador de iluminación puede apagar la iluminación de un edificio entre las 11 PM y las 5 AM. De igual manera, un controlador puede proteger la iluminación interior utilizando persianas automáticas entre las 11 PM y 5 AM.
    • Prerrequisito 1 de energía y atmósfera (EA): Puesta en servicio fundamental de los sistemas de energía para edificios. La puesta en servicio de los controles de iluminación natural y artificial es un requisito para cumplir con este prerrequisito.
    • Prerrequisito 2 de EA: Desempeño mínimo de la energía. Los controles de iluminación y el aprovechamiento de la luz del día puede reducir la cantidad de energía utilizada en un edificio, en comparación con un sistema de base que sólo cumple con el código de energía.
    • Crédito 1 de EA: Optimización del desempeño de la energía. Este crédito se relaciona con el prerrequisito 2 de EA y otorga 1 a 19 créditos de acuerdo con la reducción de energía proyectada.
    • Crédito 3 de EA: Puesta en servicio mejorada. Esto requiere revisar las operaciones de los edificios, incluidos los controles de luz natural y artificial 10 meses después de la conclusión del proyecto de construcción principal.
    • Calidad ambiental en interiores (IEQ, por sus siglas en inglés) Crédito 6.1: Controlabilidad de los sistemas - iluminación. Este crédito se relaciona con los controles de iluminación mínimos para, por lo menos, el 90% de los ocupantes del edificios o grupos en espacios ocupados al mismo tiempo.
    • IEQ Crédito 8.1: Luz natural y vistas. También existe un crédito de desempeño mejorado para este crédito. Consulte la guía de referencia LEED 2009 BD+C para conocer detalles adicionales.

    La versión 4 es la siguiente repetición de LEED. USGBC anunció que se requiere de LEED v4 para todos los proyectos registrados después del 01 de junio de 2015. Los proyectos registrados antes del 1 de junio de 2015 podrán hacerlo ya sea conforme a LEED v4 o LEED 2009.

    Figura 3: Todo el costado exterior del sudoeste de Dicke Hall en la Universidad del Norte de Ohio en Ada, Ohio es de cristal, por lo que permite aprovechar la luz natural. El sistema de automatización del sistema ayuda a controlar el uso de luz artificial. Cortesía de: Metro CD Engineering

    La versión actual de LEED (2009) usa la norma ASHRAE 90.1-2007 como la línea de base para crear el desempeño energético. LEED v4 utilizará 90.1-2010 como línea de base.

    Algunas densidades de la energía de iluminación (LPD, por sus siglas en inglés) ha cambiado y los controles de iluminación son un punto importante de la norma 90.1-2010. El objetivo es diseñar edificios que sean 30% más eficientes que los diseñados de acuerdo con la norma 90.1-2004. Los controles de iluminación nos otorgan una gran oportunidad para ahorrar energía.

    Puesta en servicio mejorada, Crédito 1 de EA con LEED v4 propone 3 créditos (en comparación con dos créditos con LEED 200) para una puesta en servicio mejorada. Una oportunidad para obtener un crédito adicional incluye la elaboración de un plan de acciones para identificar y corregir errores y deficiencias operativas, capacitación para evitar errores y planear las reparaciones que se requieren para mantener el desempeño.

    LEED v4 propone una medición de energía avanzada con el Crédito 3 de EA. Esto incluye la instalación de los medidores avanzados que pueden recopilar y almacenar los datos sobre el uso anual de la energía por hora, día, mes y año mediante un sistema BAS u otro similar.

    Se incluye una respuesta a la demanda del Crédito 4 de EA con LEED v4. Ello ofrece de 1 a 2 créditos potenciales para la instalación de un sistema de reducción de carga basado en la disponibilidad de un programa de respuesta a la demanda. El objetivo de este crédito es brindar una generación energética y sistemas de distribución más eficientes, así como elevar la confiabilidad de la red eléctrica, así como la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero.

    El Crédito 6 de EA, Iluminación interior, para LEED v4 propone la modificación del crédito LEED 2009 estableciendo, por lo menos, tres niveles o escenarios de iluminación (encendido, apagado, intermedio). El nivel intermedio se encuentra entre el 30% y 70% del nivel máximo de iluminación, sin incluir a la luz natural.

    Se propone que los dispositivos manuales o automáticos de brillo para todos los espacios con ocupación frecuente sean un requisito para EQ Crédito 7, Crédito de luz natural en LEED v4. Se propone un potencial de 3 puntos con LEED v4 sobre Construcciones Nuevas.

    Lineamientos para la iluminación natural

    ASHRAE 90.1-2010 incluye varios requisitos de iluminación. Se requiere aprovechar la luz natural cuando esté disponible. Existen criterios para la luz natural que requieren de controles basados en si el espacio en cuestión (no en una tienda de ventas al detalle) cuenta con un área de luz piloto de 23 m2 o más.

    El sensor de fotocontrol con luz piloto deberá ser capaz de, por lo menos, un paso de control del 50% al 70% de energía luminicente, así como otro paso de control del 0% al 35% de energía luminicente. Los ajustes para calibrar el sensor de luz deberán ser accesibles fácilmente y de manera remota desde la ubicación del sensor de luz.

    Estas son excepciones a los controles de la luz piloto. Consulte la norma 90.1-2010 para conocer más información.

    La norma 90.1-2010 incluye un nuevo requisito para la instalación de tragaluces en edificios. Un área mínima de cerramiento para tragaluces se estableció para ciertos tipos de espacios cerrados en edificios con cuatro pisos o menos y, al menos, 465 m2. Se requieren controles de iluminación para áreas altas.

    Si la suma del área con luz natural bajo el tragaluz y el área de luz natural bajo los monitores de azotea es de 84 m2 o más, entonces la iluminación general en esa área se podrá controlar con el fotocontrol multinivel. Los requisitos de pasos de control de la luz lateral para la luz superior son los mismos.

    La norma 90.1-2010 también requiere apagado automático de la iluminación en edificios. Se puede usar un temporizador para controlar la iluminación para apagarla de acuerdo a la hora del día. Por ejemplo, entre semana, a las 6 pm, se puede programar un controlador de iluminación para apagar la iluminación de un edificio.

    Otro requisito de la norma 90.1-2010 es la instalación de, por lo menos, un dispositivo de control (v.gr. interruptor de luz, atenuador o sensor de ocupación) para cada espacio cerrado por particiones de techo alto para controlar la iluminación general del espacio. Por lo menos, se requiere de un paso del control de 30% al 70% de toda la energía lumínica.

    La puesta en servicio de los controles de iluminación es un requisito de acuerdo con ASHRAE 90.1-2010, debido a que es crítico que los controles de iluminación trabajen de manera adecuada para cumplir con las metas de ahorro energético.

    La Sociedad de Ingenieros de Iluminación (IES, por sus siglas en inglés) cuenta con una publicación, DG-29-11 El proceso de puesta en servicio aplicado a los sistemas de iluminación y control que establece los requisitos técnicos para la puesta en servicio. Incluye procedimientos, métodos y requisitos de la documentación para la puesta en servicio de los sistemas de iluminación y control.

    Para más información sobre la norma 90.1-2010, consulte las definiciones de la misma y el artículo "Know the latest lighting code" [Conozca el último código de iluminación] publicado en la edición de agosto de 2011 de la revista Consulting-Specifying Engineer.

    Un diseño BAS exitoso que incluye controles de iluminación y luz natural ayudará a cumplir con los códigos de energía, así como los prerrequisitos y créditos de LEED, ahorrar energía y, al mismo tiempo, mantener los niveles adecuados de iluminación para los ocupantes de edificios y brindar un sistema para recopilar y analizar los datos sobre el uso de la energía lumínica al gerente de las instalaciones. El diseñador deberá informar sobre los costos adicionales de diseño e implementación del sistema en comparación con el ahorro de energía y el rendimiento sobre la inversión al propietario de las instalaciones.


    Michael Chow es el fundador y propietario de Metro CD Engineering. Se tituló como Licenciado en Ingeniería Eléctrica de la Universidad del Norte de y es miembro del consejo consultivo editorial de la revista Consulting-Specifying Engineer, así como ganador del premio de menores de 40 de 2009. Julia Noschang es ingeniero mecánico de Metro CD Engineering. Es Licenciada en Ingeniería Mecánica de la Universidad del Norte de Ohio. Noschang participa en el Comité de Programas y Educación, así como el Grupo de Profesionales Emergentes dentro del Capítulo Central de Ohio de Consejo de la Construcción Ecológica de los EE. UU. (USGBC, por sus siglas en inglés), así como en el de Ingenieros Jóvenes de ASHRAE en Columbus, Ohio.

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