• Cómo ahorrar energía integrando los controles de iluminación en el sistema de automatización de edificios

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Objetivos de aprendizaje

  1. 1. Conocer las ventajas que supone integrar la iluminación, la luz natural y los sistemas de automatización de edificios.
  2. 2. Conocer los códigos y normas que rigen la iluminación y la luz natural.
  3. 3. Aprender a recopilar y analizar los datos del sistema de automatización.

 

Integrar los controles de luz natural e iluminación en un sistema de automatización de edificios (BAS) puede suponer un importante ahorro de energía. También ofrece otras ventajas, como el cumplimiento de los códigos energéticos y obtener créditos del programa LEED del U.S. Green Building Council (USGBC) y de Energy Star.

Propietarios de edificios, arquitectos e ingenieros se han sumado al uso de la luz natural con la aparición de la norma LEED y ANSI/ASHRAE/IES 90.1-2010 y las ventajas demostradas de la luz natural para los ocupantes de los edificios, así como por el ahorro de energía que representa. El sitio web de Energy Star señala que algunos estudios demuestran que la luz natural no solo ahorra dinero, sino que también mejora la productividad de los empleados y la venta de productos.

Según AEP (American Electrical Power) Energy, la integración del aprovechamiento de la luz natural con los controles de iluminación puede reducir el uso de energía destinada a la iluminación del edificio entre un 20% y un 90%. AEP expone varios estudios de casos en su sitio web que demuestran este ahorro energético.

El aprovechamiento de la luz natural consiste en regular la iluminación artificial en función de la luz diurna disponible para mantener un nivel de iluminación constante. Cuando la luz natural entra en un espacio, unos sensores fotoeléctricos calibran el nivel de iluminación y atenúan la luz artificial a través del sistema de control de iluminación. Si, por el contrario, se pone el sol o el cielo está nublado, el sensor mide el nivel de iluminación e intensifica la luz artificial. Los controles de iluminación deben programarse con una demora en el encendido o apagado para evitar fluctuaciones molestas en días nubosos en los que el movimiento de las nubes causa variaciones en la luz ambiente.

Estrategias y ventajas de la integración

La mayoría de los proveedores de sistemas de automatización de edificios no ofrecen grandes paquetes de controles de iluminación. Esta es una tarea de la que, por norma general, se ocupa un controlador independiente. El sistema de automatización es una herramienta útil para supervisar de manera pasiva el uso de energía y ofrecer una base para las estrategias de control de iluminación. Debido a la naturaleza sumamente personalizable de un BAS, el diseñador necesitará crear secuencias de operaciones detalladas para los controles de iluminación. Los paquetes específicos para el control de iluminación ya incluyen toda la secuenciación predefinida con contactos secos para supervisión mediante el BAS. Numerosos fabricantes de controladores de iluminación disponen de capacidad para conectarse en red a un sistema de automatización. De hecho, algunos sistemas de automatización ya incorporan controles de iluminación.

¿Qué estrategias y ventajas conlleva la integración de controles de luz natural e iluminación en un BAS, ya sea de forma directa o indirecta?

El BAS normalmente controla y supervisa otros sistemas, como la climatización y los sistemas de supervisión de la energía. La integración de los sistemas de control de iluminación proporciona al responsable de las instalaciones y a los técnicos la posibilidad de controlar y supervisar los sistemas de iluminación.

La mayoría de los BAS y de los fabricantes de controladores de iluminación permiten controlar y supervisar sus sistemas a distancia por medio de un software específico o una interfaz web. La mayoría de los sistemas incluyen un controlador de iluminación y un sistema de automatización de edificios que no están integrados. En este caso, el acceso remoto implica dos sistemas separados: uno para el controlador de iluminación y otro para el BAS. Ambos se conectarían a través de una red.

Un BAS con controles de iluminación integrados simplifica la formación, el mantenimiento y las operaciones al emplear una sola interfaz. Sin embargo, hoy en día existen pocos sistemas integrados disponibles y es posible que no tengan unos controles de iluminación tan adecuados como los de los controladores independientes. Es preciso considerar los pros y los contras de utilizar sistemas separados para el controlador de iluminación y el BAS en comparación con un sistema integrado.

Integrar los controles de iluminación y luz natural en un BAS requiere que el ingeniero de iluminación y el ingeniero a cargo del diseño del BAS se coordinen entre sí. Los protocolos abiertos, como BACnet, LonWorks y Modbus, hacen posible que productos de distintos fabricantes puedan funcionar juntos. Los ingenieros deberían considerar la posibilidad de especificar productos para el control de iluminación y de luz natural que dispongan de protocolos abiertos para futuras ampliaciones y reformas.

La programación coordinada de las cargas de iluminación y climatización representa un modo de ahorrar una cantidad considerable de energía. Es posible que surjan sinergias en torno al ahorro de energía entre los sistemas de iluminación y climatización y el BAS. Por citar un ejemplo, un BAS puede abrir o cerrar la compuerta de una unidad de volumen de aire variable (VAV) mediante la supervisión de un espacio a través de un sensor de ocupación. Un caso típico en este sentido sería el encendido de la iluminación en un espacio ocupado mediante el sensor de ocupación. Esto se comunica al BAS, normalmente por medio del controlador de iluminación o de la supervisión de los contactos. El BAS abre entonces la compuerta de la unidad VAV para proporcionar la cantidad de calor o de frío necesaria para la comodidad térmica de los ocupantes. Del mismo modo, el BAS puede ahorrar energía cerrando la compuerta de la unidad VAV cuando el sensor de ocupación detecta que no hay nadie y apaga las luces. El diseñador debería facilitar una secuencia detallada de operaciones al contratista de controles a la hora de coordinar los sistemas de iluminación y climatización.

Los equipos de la mayoría de los fabricantes de controles de iluminación permiten que los sensores de control fotoeléctricos interactúen directamente con los dispositivos de iluminación. De este modo el sensor puede controlar directamente los niveles de luz artificial sin tener que pasar por el BAS. Sin embargo, el BAS puede supervisar el consumo de energía de estos circuitos de iluminación y utilizar esta información para determinar el ahorro energético.

Digital Addressable Lighting Interface (DALI) es un protocolo estándar (conforme a IEC 60929 e IEC 62386) compuesto por un controlador con balastos de iluminación, sensores de ocupación, etc. El controlador DALI puede supervisar y controlar cada dispositivo de iluminación sin necesidad de cableado entre el controlador y los dispositivos o entre los dispositivos. Dependiendo del tipo de sistema DALI, el controlador DALI puede conectarse en red con un sistema de automatización de edificios. Esto puede dar lugar a una posible herramienta de gestión de la energía y el mantenimiento si el controlador DALI especificado está programado para registrar el número de horas de funcionamiento de cada dispositivo de iluminación junto con el número de ciclos de encendido y apagado del dispositivo. El personal de mantenimiento puede usar estos datos para reponer las lámparas en función de la disminución de los lúmenes y la vida media de las lámparas de cada dispositivo de iluminación. También es posible calcular el ahorro energético basándose en el tiempo que los dispositivos de iluminación pasan apagados.

Controles y sensores

La correcta elección y calibración del sensor de control fotoeléctrico es vital para maximizar el ahorro de energía mediante el aprovechamiento de la luz natural. Algunos fabricantes disponen de distintos sensores para las diferentes funciones de los espacios. Por ejemplo, un sensor fotoeléctrico de interior está diseñado y calibrado específicamente para espacios interiores y ventanas. Un sensor fotoeléctrico de atrio está destinado a atrios con mayor grado de iluminación natural. Un sensor fotoeléctrico para tragaluces es típico de áreas expuestas directamente a la luz solar.

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

Un controlador de iluminación puede automatizar el cierre y apertura de persianas para maximizar la luz natural y minimizar el deslumbramiento en función de la posición del sol. El aprovechamiento de la luz natural debe formar parte de esta estrategia de control de persianas. El BAS puede determinar el ahorro de energía supervisando el uso de energía de los circuitos de iluminación afectados por las persianas.

Los sensores de ocupación y de control fotoeléctrico pueden contrarrestarse entre sí. Por ejemplo, un sensor de ocupación puede detectar la entrada de una persona en un despacho con ventanas en un día soleado. Si el sensor de control fotoeléctrico detecta que la luz natural es adecuada, el controlador de iluminación puede asegurar que la luz artificial de la estancia permanezca apagada.

Si la sala no dispusiera de sensor fotoeléctrico, el controlador de iluminación habría encendido la luz artificial pese a haber luz natural suficiente. Este es un buen ejemplo del modo en el que una estrategia de control de luz natural e iluminación integrada puede ahorrar energía.

 

Otra ventaja de la integración de los controles de iluminación con un BAS es el uso del espacio. Un BAS que incorpore sensores de ocupación puede utilizarse, por ejemplo, para determinar la frecuencia con la que se ocupan determinados espacios y salas. Contar con acceso a estos datos permite a los responsables de la instalación determinar si es necesario realizar ajustes para optimizar el uso. Un ejemplo del uso de estos datos consiste en ajustar la hora de apagado de la iluminación de un piso o espacio determinados en función del uso real.

 

El diseñador debe considerar en qué circunstancias debería incrementar la complejidad de la estrategia de iluminación. El análisis debería incluir las capacidades de gestión y mantenimiento de la instalación y el coste asociado al mantenimiento del sistema.

Desconexión de cargas

El BAS también puede ahorrar energía y dinero mediante la desconexión de cargas. Puede utilizar el controlador de iluminación para atenuar o apagar las luces con el fin de reducir la carga del edificio durante los periodos de demanda pico del suministro eléctrico. La desconexión de cargas ayuda a las compañías eléctricas a evitar apagones y caídas de tensión y dar lugar a créditos o descuentos para el consumidor.

El diseñador debe procurar especificar e instalar balastos regulables si se ha programado un controlador de iluminación para atenuar las luces. Si se utilizan balastos no regulables en estos casos, pueden sufrir graves daños. Debería, asimismo, sopesar la posibilidad de atenuar o apagar las luces de ciertas zonas mediante la desconexión de cargas o con un porcentaje determinado de dispositivos de iluminación. La comunicación con el personal de operaciones de la instalación es fundamental para asegurar el mantenimiento de un nivel de iluminación reducido en ciertas zonas clave.

La red y los sistemas de medida inteligentes ayudan a automatizar la desconexión de cargas. Un ejemplo típico consistiría en que la compañía eléctrica local enviara al contador inteligente de la instalación una señal automática con antelación a un periodo de alta demanda previsto. El contador inteligente envía un comando al sistema de automatización de edificios del recinto. El sistema de automatización esta programado para reducir a continuación los niveles de iluminación y el uso de energía en las instalaciones.

La disminución de la carga eléctrica tiene por lo general un impacto mínimo para los ocupantes del edificio si se utilizan estrategias de aprovechamiento de la luz natural efectivas. Es en verano, cuando hay suficiente luz natural y la disminución de la carga es mayor, puesto que se minimiza el impacto asociado a las cargas de iluminación artificial. Es particularmente efectivo si una instalación no tiene sensores fotoeléctricos de control.

Muchas eléctricas ofrecen también incentivos a la eficiencia energética si se incorporan controles de iluminación o sistemas de aprovechamiento de la luz natural en un recinto de nueva construcción o reformado. Asimismo, puede haber otros incentivos de ámbito municipal o estatal.

Eficiencia energética y certificación LEED

La certificación LEED 2009 New Construction (NC) incentiva el uso y los controles de luz natural. La incorporación de estas dos estrategias contribuye al ahorro de energía y puede ayudar a lograr bonificaciones y créditos con el LEED NC 2009:

  • Crédito 8, Entornos Sostenibles (ES): Reducción de la contaminación lumínica. Un controlador de iluminación puede apagar la iluminación del edificio entre las 23.00 h y las 5.00 h del día siguiente. Además, puede lograrse también un mejor aprovechamiento de la iluminación interior mediante el uso de persianas automáticas entre las 23.00 h y las 5.00 h del día siguiente.
  • Requisito 1 de Energía y Atmósfera (EA): Puesta en marcha de los sistemas de energía del edificio. La condición para cumplir este requisito es la puesta en marcha de controles de iluminación y de aprovechamiento de la luz natural.
  • Requisito 2 de EA: Rendimiento energético mínimo. Los controles de iluminación y los sistemas de aprovechamiento de la luz natural pueden reducir la cantidad de energía utilizada en un edificio en comparación con un sistema básico que solo cumpla el código energético.
  • Crédito 1 de EA: Optimización del rendimiento energético. Este crédito está relacionado con el requisito 2 de EA y puede dar derecho a entre 1 y 19 créditos según la reducción de la energía prevista.
  • Crédito 3 de EA: Mejora de la puesta en marcha. Requiere la evaluación de las operaciones del edificio que incluyan controles de iluminación y aprovechamiento de la luz natural diez meses después de la finalización del proyecto de construcción.
  • Crédito 6.1 de Calidad Ambiental Interior (CAI): Controlabilidad de los sistemas - Iluminación. Este crédito implica proporcionar controles de iluminación individuales a un mínimo del 90 % de los ocupantes o grupos de ocupantes del edificio en espacios compartidos.
  • Crédito 8.1 de CAI: Luz natural y vistas. También existe un crédito de Mejora del Rendimiento para esta categoría. La guía de referencia LEED 2009 BD+C ofrece más detalles.

La siguiente versión de LEED será la 4. El Green Building Council de los Estados Unidos (USGBC) anunció que se exigirá la versión 4 de LEED en todos los proyectos registrados después del 1 de junio de 2015 en los Estados Unidos. Los proyectos registrados antes del 1 de junio de 2015 podrán hacerlo tanto con LEED v4 como con LEED 2009.

Figura 3: La fachada sureste del Dicke Hall de la Ohio Northern University, en Ada, Ohio, es de cristal, lo que permite aprovechar la luz natural. El sistema de automatización de edificios ayuda a controlar el uso de iluminación artificial. Cortesía de: Metro CD Engineering

La versión actual de LEED (2009) utiliza la norma ASHRAE 90.1-2007 como línea base para el rendimiento energético de los edificios. LEED v4 utilizará la norma 90.1-2010 como línea base.

La norma 90.1-2010 cambia algunas densidades de potencia de iluminación (LPD) y se ha puesto especial énfasis en los controles de iluminación. El objetivo es diseñar edificios un 30 % más eficientes que los diseñados según la norma 90.1-2004. Los controles de iluminación representan una gran oportunidad de ahorrar energía.

El crédito 1 de EA, Mejora de la puesta en servicio, propone 3 créditos con LEED v4 (en comparación con los 2 créditos de LEED 2009) para mejorar la puesta en marcha. Una oportunidad de lograr un crédito adicional consiste en desarrollar un plan de acción para identificar y corregir errores y deficiencias operacionales, proporcionar formación para evitar errores, y planificar las reparaciones necesarias para mantener el rendimiento.

LEED v4 incluye el crédito 3 de EA, Medición de Energía Avanzada. Incluye la instalación de contadores avanzados que pueden recoger datos del uso de la energía por horas, días, meses y años utilizando un sistema de automatización de edificios o un sistema equivalente.

LEED v4 incluye también el crédito 4 de EA, Respuesta a la Demanda. Esto proporciona de 1 a 2 créditos por la instalación de un sistema de desconexión de cargas en caso de que exista un programa de respuesta a la demanda. El objetivo de este crédito es crear sistemas de generación y distribución de energía más eficientes y aumentar la fiabilidad de la red, así como reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.

El crédito 6 de EA, Iluminación Interior para LEED v4 propone modificar el crédito de LEED 2009, estableciendo al menos tres niveles o escenas de iluminación (encendido, apagado o un nivel intermedio). El nivel intermedio representa entre el 30 % y el 70 % del nivel máximo de iluminación, sin incluir la luz natural.

Con el crédito 7 de EQ, Crédito de Iluminación Natural, de LEED v4 se propone que los dispositivos de control antirreflectantes manuales o automáticos sean obligatorios en todos los espacios ocupados regularmente. LEED v4 New Construction propone hasta 3 puntos potenciales.

Directrices para la iluminación natural

La norma ASHRAE 90.1-2010 incorpora una serie de requisitos para la iluminación natural. El aprovechamiento de la luz natural es obligatorio cuando existe en cantidad suficiente. Existen criterios específicos que requieren controles de iluminación natural si un espacio determinado (no minorista) tiene una superficie iluminada por ventanas laterales de 23,22 m2 o más.

El sensor de control fotoeléctrico de las ventanas laterales deberá ser capaz de controlar la potencia de iluminación en dos etapas: la primera del 50 % al 70 % y la segunda del 0 % al 35 %. Los ajustes de calibraje del sensor de luz deberán ser accesibles a distancia con facilidad.

Hay excepciones a los controles de iluminación lateral. La norma 90.1-2010 proporciona más información.

La norma 90.1-2010 incluye un nuevo requisito para la instalación de tragaluces en edificios. Se ha establecido un área de fenestración mínima para ciertos tipos de espacios cerrados en edificios de cuatro pisos o menos y al menos 465 m2. Estas fuentes de luz superior deben disponer de controles de iluminación.

Si la suma de la superficie iluminada con tragaluces es de 84 m2 o más, la iluminación general en esa zona deberá controlarse mediante un control de iluminación multinivel. En las fuentes de luz superior se aplican los mismos requisitos en cuanto a etapas de control que para las ventanas laterales.

La norma 90.1-2010 también exige sistemas de apagado automático de la iluminación en edificios. Puede utilizarse el reloj del controlador de iluminación para apagar las luces según la hora del día. Por ejemplo, el controlador puede programarse para apagar la iluminación del edificio a las 18:00 h en días hábiles.

Otro requisito de la norma 90.1-2010 es la instalación de al menos un dispositivo de control (por ejemplo, un interruptor o regulador de luz o un sensor de ocupación) en cada espacio delimitado por particiones para controlar la iluminación general de ese espacio. Se requiere que el control proporcione al menos una etapa del 30 % al 70 % de la potencia de iluminación total.

La puesta en marcha de los controles de iluminación es un requisito de la norma ASHRAE 90.1-2010, puesto que es fundamental que funcionen correctamente para lograr el ahorro de energía previsto.

La Illuminating Engineering Society (IES) estadounidense ofrece una publicación, DG-29-11 The Commissioning Process Applied to Lighting and Control Systems, que detalla los requisitos técnicos de esta puesta en marcha. Incluye procedimientos, métodos y requisitos de documentación para la puesta en marcha de sistemas de iluminación y control.

Si desea obtener más información acerca de la norma 90.1-2010, consulte las definiciones de 90.1-2010 y el artículo «Know the latest lighting code» en la edición de agosto de 2011 de la revista Consulting-Specifiying Engineer.

El diseño de un sistema de automatización funcional que incorpore controles de iluminación natural y artificial ayudará a cumplir las regulaciones energéticas y obtener los requisitos y créditos LEED, así como a ahorrar energía manteniendo los niveles de iluminación adecuados para los ocupantes del edificio y dotando al responsable de la instalación de un sistema para recopilar y analizar los datos relativos a el uso de energía para la iluminación. El diseñador debe asesorar al propietario de la instalación sobre el diseño y los costes de implementación añadidos en comparación con los ahorros energéticos calculados y el retorno de la inversión.


Michael Chow es fundador y propietario de Metro CD Engineering. Posee un diploma en ingeniería eléctrica por la Ohio Northern University, es miembro del consejo de redacción de Consulting-Specifying Engineer y ganó del premio 40 Under 40 en 2009. Julia Noschang es ingeniera mecánica en Metro CD Engineering. Posee un diploma en ingeniería eléctrica por la Ohio Northern University. Noschang forma parte del Comité de Programas y Educación y del Grupo de Profesionales Emergentes de la sección central de Ohio del USGBC, así como del grupo Young Engineers de ASHRAE en Columbus, Ohio.

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