Sobre la Eficiencia Energética en Iluminación Pública

Desde que la sociedad ha comenzado a sentir las dificultades para proveerse de energía por efecto de sequías ó de agotamiento de los recursos naturales, expresiones como utilización eficiente de la energía y uso racional de la energía, se escuchan y escriben a menudo. La utilización eficiente implica que se usa la menor cantidad posible de energía para lograr el fin deseado, por ejemplo al calentar una cierta porción de agua, al enfriar alimentos en un refrigerador, al trasladar personas de un piso a otro mediante un ascensor o escala mecánica o al iluminar un recinto acorde a los requerimientos visuales, etc. El concepto de Eficiencia para un sistema puede ser definido como la relación entre la energía que éste entrega como resultado de su funcionamiento dividida por la energía de entrada al sistema, siendo las pérdidas en el proceso la diferencia entre ambas; en la medida que se reduzcan estas pérdidas la Eficiencia del sistema mejorará:

Sistema Entrada

Salida Pérdidas

Eficiencia =

Salida × 100[%] Entrada

La dificultad para aplicar esta sencilla relación es que ella asume que tanto la Entrada como la Salida estén en las mismas unidades, lo que normalmente no ocurre: - Una plancha eléctrica puede tener una Entrada de 1,0 Kw-Hora pero su Salida es un calentamiento de su base en una cierta cantidad de grados Celsius - Un automóvil consume energía en forma de litros de combustible y su resultado es el poder recorrer una cierta distancia en kilómetros Por lo anterior es que se ha diseñado un Índice de Eficiencia que permite soslayar el problema planteado y ello consiste en reconocer para la Salida una unidad propia del resultado ó función para la cual fue hecho el sistema o aparato, que para la plancha daría en Kw-Hora sobre grado Celsius y que para el automóvil sería en Litros sobre Kilómetro ó, como se acostumbra en el país en Kilómetros sobre Litro

Para el caso de un sistema de alumbrado público, al ser su función proveer la iluminación que los usuarios necesitan cuando la iluminación natural desaparece, su Índice de Eficiencia estaría dado entre la potencia eléctrica instalada en el sistema y la potencia lumínica suministrada por él. Habitualmente se mide la potencia eléctrica en watts, representando la cantidad de energía eléctrica suministrada ó disponible por cada segundo transcurrido. La potencia lumínica se mide en lúmenes e indica la cantidad de energía lumínica producida por cada segundo. Hecho estos alcances podemos entrar a analizar cómo se va configurando el Índice de Eficiencia de un sistema de Alumbrado Público. Lo primero es señalar que el comportamiento final dependerá del comportamiento de los diversos elementos y componentes que lo constituyen y por ende es de importancia que identifiquemos a cada uno de ellos. Lo segundo es determinar identificar el Índice de Eficiencia de cada elemento y componente para poder establecer los grados de mejoramiento posibles.

Componentes de un Sistema de Alumbrado Público Usuarios Visibilidad Contraste

Luminarias Sistema Óptico Lámpara Sistema Eléctrico

Calle Superficie Calzada Geometría Instalación

Sistema de Alumbrado Público Eficiente Características Relevantes Intervenibles Deslumbramiento Reflector –Difusor Reflexión Pavimento Rendimiento Factor de Utilización Eficacia Lámpara Pérdida en Balasto Intervenciones para mejorar el Índice de Eficiencia

Según el cuadro superior y el desglose allí indicado, se puede ir analizando cómo tender a un sistema de alumbrado público eficiente al intervenir en las Características Relevantes de los componentes: 1) Usuario: El usuario puede aprovechar mejor la energía lumínica del sistema si se evita que sufra deslumbramiento por efecto de las luminarias. Ello se fundamenta en que, al estar deslumbrado, necesita mayor contraste para distinguir los objetos y por lo tanto el sistema le debe suministrar una cantidad de energía lumínica mayor que si no estuviera sufriendo deslumbramiento. Técnicamente las recomendaciones internacionales evalúan el grado de deslumbramiento de un sistema mediante el índice TI ó Threshold

Increment y establecen que éste no debe superar el 10% para que el usuario no se vea afectado mayormente. La forma de actuar sobre este TI es en la distribución de luz de las luminarias de la instalación, por lo que se verá también en ese ítem. Un nuevo concepto se ha introducido últimamente para caracterizar a un observador en la carretera. Este es el de Visibilidad, que reemplaza al objeto estándar de reflexión cero, usado en el método del contraste, por otro objeto de reflexión 20%. Este concepto, al aplicarse, determina luminancias menores que en el otro método, por la razón que se esquematiza en la figura, en donde se puede apreciar que este nuevo concepto de objeto sí se puede ver en zonas oscuras de la calzada y, por tanto, disminuye notablemente las exigencias de diseño del alumbrado, bajando la inversión inicial y operacional de estos sistemas.

2) Luminarias: En ellas podemos encontrar el mayor número de componentes que se pueden mejorar para contribuir a un sistema más eficiente. a) Reflector Este es un componente del sistema óptico cuya función es redirigir el flujo luminoso de la ampolleta hacia el difusor ó salida de la luminaria. Mientras mayor sea la absorción de luz en él, mayor será la pérdida de luz. b) Difusor El difusor tiene por objetivo proteger el sistema óptico del ingreso de contaminación y de agua, pero también puede en algunos casos ayudar a la mejor distribución de la luz hacia la calle (en este caso tiene por lo general prismas). También permite la protección de la ampolleta de acciones vandálicas. El difusor juega un rol importante en las pérdidas de luz en el interior de la luminaria puesto que a través de él debe pasar toda la luz directa de la lámpara y la reflejada en el reflector. Por tanto es un componente muy influyente en la eficiencia del sistema de alumbrado público.

El conjunto difusor-reflector-lámpara definen en parte el TI mencionado en (1) Usuario y también el sistema óptico de la luminaria. El sistema óptico de la luminaria da origen al llamado Rendimiento lumínico de la luminaria, que en Chile se encuentra regulado por la Norma NSEG 15. E.n 78 de la SEC en donde se establecen valores de Eficiencia lumínica mínima para éstas según las potencias de lámpara que se trate. Esta normativa data del año 1978 y ya en ese año los ingenieros chilenos establecieron criterios de eficiencia para las, luminarias que se instalaban en nuestras calles. En general las Eficiencias mínimas aceptadas parten en 60% para potencias bajas y suben a 70% para las potencias mayores. c) Eficacia de la Lámpara Para efectos del sistema de alumbrado público la lámpara es un componente que consume energía eléctrica y emite energía lumínica. El Índice de Eficiencia se mide en lúmenes sobre watt y representa la potencia lumínica que es capaz de producir la lámpara por cada watt de entrada. En el lenguaje de especialistas se habla de la Eficacia de la lámpara. La Eficacia de las lámparas usadas en alumbrado público es del orden de los 100 a 140 lúmenes sobre watt que es el caso de las lámparas de sodio de alta presión. No se visualiza en el mercado que en el mediano plazo (5 años) vaya a comercializarse una lámpara de mayor Eficacia que la mencionada. Teniendo eso en cuenta se podría afirmar que este componente no ofrece mayores expectativas de mejora por el momento. Sin embargo, es necesario tener presente que las fuentes de luz existentes en el mercado son, desde el punto de vista de la Eficiencia, bastante críticas. Baste saber que la lámpara ideal teórica (emitiendo su energía en la longitud de onda de los 555 nanometros) tendría una

Eficaciade 683 lúmenes sobre watt contra los 140 de una lámpara de sodio de alta presión. Es decir, estamos hablando de una Eficiencia de 140/683x100 = 20,5% Es decir, un sistema de alumbrado público parte con uno de sus componentes fundamentales, la lámpara, con una Eficiencia de 20% lo que obliga a hacer un uso muy responsable de ella, como por ejemplo el evitar sistemas con cantidades de luz que excedan lo que el usuario razonablemente necesita. De allí la importancia de las Normas y Recomendaciones internacionales sobre la materia donde se especifican las condiciones de iluminación para cada requerimiento. Producir LUZ es un proceso energéticamente oneroso. d) Pérdidas en los Balastos Los balastos son componentes eléctricos de la luminaria encargados de limitar las características de corriente y tensión en la lámpara. En esta labor se producen pérdidas principalmente en forma de calor, lo cual hace que la Eficiencia de ellos varíe en el rango de 10 a 20% en el rango de potencias de 400 a 70 watts respectivamente. Los balastos de naturaleza electrónica pueden ofrecer trabajar con pérdidas bastante menores e incluso mejorar la Eficacia de las lámparas al trabajar con frecuencias mayores a 50 ciclos /segundo. e) Características de Reflexión del pavimento La capacidad de ver del usuario en la noche aumenta con la luminosidad del entorno y/o fondo. En el proceso de conducción nocturna el automovilista reconoce los objetos y obstáculos por contraste contra el fondo iluminado. Este fondo iluminado es el pavimento en el alumbrado público, que recibe la luz de las luminarias y la refleja hacia el observador o conductor. De ello se desprende que el pavimento, aunque aparentemente no es parte del sistema de alumbrado público en la realidad sí lo es. Mientras menos luz refleje el pavimento más energía luminosa se deberá consumir para mantener su luminosidad en los valores adecuados al usuario de las vías. Es tal su importancia en la Eficiencia del sistema de alumbrado público que si se mejorara un 10% su reflexión se podría directamente bajar la iluminación en ese mismo 10%. f) Factor de Utilización El Factor de Utilización describe, para una instalación determinada, el porcentaje de Luz emitida por la lámpara que llega a la calle en cuestión, es decir, considera a la luminaria ya instalada en un lugar determinado alumbrando una calle de ancho conocido y con una altura de montaje dada.

Factor deUtilizac ión = Luz Util / Luz Lámpara (% )

Luz Útil: Aquella que llega a la zona que se desea iluminar Luz Lámpara: La luz total emitida por la ampolleta

La figura que sigue explica gráficamente lo anterior y permite darse cuenta de la importancia de usar luminarias que muestren un adecuado Factor de Utilización para la calle que se desea iluminar a fin de no perder luz.

Luz Lámpara

Luz Útil

Los Factores de Utilización para luminarias de potencias bajas (70w sodio) deben ser superiores al 37% y los de potencias mayores deben estar por sobre el 45%

En resumen, haciendo un seguimiento de la energía eléctrica desde que entra a la luminaria y sale de ella convertida en iluminación podemos establecer que va sufriendo pérdidas a su paso por los diferentes componentes del modo que se indica: pérdida Ingresan 100 saldo

15 balasto 85

68 lámpara 17

3,4 Sistema óptico 13,6

5,1 instalación 8,5

Eficiencias (%)

85

20

80

62,5(*)

(*) Equivale a un Factor de Utilización de 50%

De lo anterior se desprende que hay varias opciones para ir mejorando la Eficiencia de un sistema de alumbrado público siendo la lámpara la que está en notoria desventaja, pero a la vez la que está menos a nuestro alcance de manipular. El siguiente aspecto es la instalación, y allí es de responsabilidad directa de los ingenieros proyectistas de alumbrado el que traten de obtener en sus proyectos Eficiencias mayores a través de un mejor manejo de los Factores de Utilización. En relación a los balastos he mencionado que los electrónicos presentan una mejor Eficiencia al mismo tiempo que mejoran la Eficiencia de la lámpara, por lo que es una opción clara que se deberá explorar a corto plazo. En relación al sistema óptico, las mejoras se presentarán en la medida que aparezcan nuevas lámparas que permitan cambiar la tecnología actualmente vigente, lo que no se aprecia en el futuro mediato.

Enrique Piraino Davidson Profesor Titular Escuela de Ingeniería Eléctrica Pontificia Universidad Católica de Valparaíso

Valparaíso, mayo el 2008.-