Capitulo 3.- Desarrollo Del Proyecto
3.2 Áreas a Controlar
3.2.1 Sistema de Iluminación
Los sistemas de iluminación son los principales consumidores de energía eléctrica ya que en la mayoría de las ocasiones en los edificios grandes, principalmente los que son empleados para oficinas, dichos sistemas permanecen activos durante largos periodos de tiempo aunque los espacios de trabajo se encuentren desocupados o que el nivel de iluminación natural sea adecuado para realizar actividades, por lo cual se tiene un gran desperdicio de energía eléctrica. Como también se sabe la energía luminosa produce además de iluminación, calor el cual es proporcional al tipo de luminaria empleada, dicho calor emitido por las lámparas produce también que los sistemas de acondicionamiento de aire se activen sin que realmente sea necesario.
Como se explica anteriormente la iluminación es un sistema importante a controlar para poder proporcionar un ahorro de energía eléctrica, actualmente en el edificio de oficinas mostrado gráficamente en el ( Plano Electrico y Alambrado) A-002 del (Apéndice), no se cuenta con ningún tipo de control para el ahorro de energía por medio de la iluminación, lo que significa que el sistema de iluminación permanece encendido por largos periodos de tiempo o que depende del ser humano el que las luces permanezcan encendidas o apagadas.
Actualmente se encuentran en el mercado varias soluciones a dicho problema, en la mayoría de los casos se proponen sistemas de detección de presencia y/o movimiento, la conjugación de la detección de movimiento y presencia hace una mejora de los sistemas ya que la detección única de movimiento nos da conmutaciones muy seguidas y es muy inestable, porque provoca encendidos y apagados de las lámparas de forma continua, lo cual daña al equipo de alumbrado reduciendo su vida útil, pero también se afecta el consumo de energía ya que las lámparas en donde consumen mas energía eléctrica es en el proceso de encendido.
Para el ahorro de la energía también se tiene que realizar un calculo adecuado de luminarias y una buena distribución de estas para lo cual se emplean normas de niveles de iluminación dependiendo de la tarea a realizar en el local.
La NOM-025-STPS-1999 propone en la siguiente tabla los niveles de iluminación requeridos de acuerdo al área de trabajo.
Tabla 9. Niveles de iluminación por área de trabajo
TAREA VISUAL DEL PUESTO
DE TRABAJO ÁREA DE TRABAJO
NIVELES MÍNIMOS DE ILUMINACIÓN
(LUX) En exteriores: distinguir el área
de transito, desplazarse caminando, vigilancia, movimiento de vehículos.
Áreas generales exteriores: patios y
estacionamientos 20 En interiores: distinguir el área
de transito, desplazarse caminando, vigilancia, movimiento de vehículos
Áreas generales interiores: almacenes de poco movimiento, pasillos, escaleras estacionamientos
cubiertos, labores en minas, iluminación de emergencia
50 Requerimiento visual simple:
inspección visual, recuento de piezas, trabajo en banco y maquina
Áreas de servicios al personal: almacenaje rudo, recepción y despacho, casetas de vigilancia, cuartos de compresores y papelería
200 Distinción moderada de
detalles: ensamble simple, trabajo medio en banco y maquina, inspección simple, empaque y trabajos de oficina.
Talleres: Área de empaque y
ensamble, aulas y oficinas 300 Distinción clara de detalles:
maquinado y acabados delicados, ensamble e inspección moderadamente difícil, captura y procesamiento de información, manejo de instrumentos y equipos de laboratorio
Talleres de precisión: salas de computo, áreas de dibujo,
laboratorios 500
Distinción fina de detalles: maquinado de precisión, ensamble e inspección de trabajos delicados, manejo de instrumentos y equipo de precisión, manejo de piezas pequeñas.
Talleres de alta precisión: de pintura y acabado de superficies, y laboratorios de control de calidad.
750
Alta exactitud en la distinción de detalles: ensamble, proceso e inspección de piezas pequeñas y complejas y acabado con pulidos finos
Áreas de proceso: ensamble e inspección de piezas complejas y
acabados con pulido fino.
1000 Alto grado de especialización
en la distinción de detalles. Áreas de procesos de gran exactitud 2000
Los datos mostrados en la tabla anterior sirven para determinar el número de luminarias requeridas en un área de acuerdo al método de los lúmenes, además también se requiere conocer las dimensiones del local, la selección de lámparas, luminarias y balastros, la reflectancia de piso, techo y paredes, el factor de utilización, el factor de depreciación.
Las etapas del método de los lúmenes se dividen en dos grupos: Identificar las variables.
Dimensiones del local. Nivel de iluminación. Reflactancia.
Factor de utilización.
Factor de depreciación.Hacer lo cálculos: Del flujo luminoso de un área.
Del flujo total por luminaria. De la cantidad de luminarias.
Como se menciona anteriormente se necesita saber las dimensiones del área de trabajo como son:
L= Largo A= Ancho
d= Altura hasta el techo ht= Plano de trabajo H= Plano útil
En la figura 11. se muestra un ejemplo de cómo se obtienen las dimensiones de un local, para proceder a realizar los cálculos.
Figura 11. Ejemplo para obtener las dimensiones de un local.
d= Hlum= 0.20
H=
ht=
A=
Los datos obtenidos anteriormente ayudan a determinar la variable Factor de Área (K) como se observa en la ecuación 3.1
(3.1)
De la ecuación 3.1 se obtienenlos valores requeridos para obtener el valor numérico de la variable K (Ecuacion 3.2).
(3.2)
El siguiente paso es determinar el nivel de iluminación requerido en el área de trabajo, de acuerdo con la tabla 11 el nivel de iluminación requerido en un área de oficinas es de 300 LUX.
E= nivel de iluminación E= 300 LUX
En un proyecto de iluminación es muy importante evaluar la reflactancia, es decir la reflexión de la luz en el techo, en las paredes y en el piso. La reflectancia se representa mediante los números que indican el porcentaje de reflexión en las superficies oscuras, medias, claras y blancas.
7 ó 70 - blanca 5 ó 50 - clara 3 ó 30 - media 1 ó 10 - oscura
Citando un ejemplo se escoge una relación de porcentajes 70 – 50 – 20.
Con los datos de Factor de Área y las reflactancias es posible determinar el Factor de Utilización (η) el cual representa el porcentaje del flujo luminoso por la luminaria.
Para encontrar ese valor, es necesario cruzar los valores encontrados para el factor K y la reflactancia del ambiente.
Dichos valores se encuentran en una tabla proporcionada por el distribuidor de la marca de las luminarias dicha tabla se presenta a continuación.
Tabla 10. Valoración de deslumbramiento (Unified Glare Rating).
El valor del flujo luminoso útil permitirá conocer la eficiencia del conjunto: luminaria, lámpara y ambiente. En el caso de la luminaria elegida, el Factor de Utilización fue de 20.4, en la tabla anterior el valor se representa en porcentaje por lo cual para efectos de calculo se toma como valor 0.204.
Con el tiempo, las paredes y el techo se ensuciarán. Los equipamientos de iluminación acumularán polvo. Las lámparas proporcionarán menor cantidad de luz. Algunos de esos factores pueden ser eliminados por medio de un mantenimiento periódico.
Con el cálculo del Método de los Lúmenes es posible suavizar el efecto de esos factores, adoptando valores ya determinados con anticipación que prevén esa depreciación. Ese valor es denominado Factor de Depreciación por lo general se considera un valor de 0.85 para un ambiente normal.
Después de haber considerado los puntos anteriores se procede a elegir el tipo de luminaria, lámpara y balastro adecuado a la aplicación que se desee proyectar en este caso particular se cuenta con el siguiente equipo de iluminación:
Philips Fugato Power FBS280 C + L 2xPLT/4P42W/830
El Flujo Total por Luminaria es otro punto importante para realizar cálculos de luminarias, el flujo total por luminaria es el flujo luminoso emitido por la luminaria, teniendo en cuenta el tipo de lámpara y el balastro.
El cálculo del flujo total por luminaria se determina por la ecuación 3.3.
(3.3)
Dado que se cuenta con información detallada del equipo de iluminación la cual se muestra en el apéndice B se obtiene que el flujo total por luminaria es de 6400 lm.
Al determinar el flujo luminoso total por luminaria se procede a determinar el Flujo luminoso total para un área su formula se muestra en la ecuación 3.4.
(3.4)
Sustituyendo los datos obtenidos a lo largo del desarrollo en la ecuación 3.4 se tiene la ecuación 3.5:
(3.5)
Para determinar el numero necesario de luminarias aplicamos la ecuación 3.6.
Donde N es el número total de luminarias, substituyendo los valores en la ecuación 3.6 obtenemos la ecuación 3.7:
(3.7)
Como no se pueden poner 44 luminarias enteras y .66 de otra, se considera un número mayor a 15, en este caso seria 16
N= 16 Luminarias
Al obtener el número total de luminarias se continúa con el cálculo de la distribución de las luminarias para que podamos obtener una iluminación distribuida correctamente en el área de trabajo.
Las formulas para la distribución de luminarias son las descritas en las ecuaciones 3.8 y 3.9.
(3.8)
(3.9)
Sustituyendo los datos necesarios obtenemos las ecuaciones 3.10 y 3.11.
(3.10)
(3.11)
Redondeando las cantidades se tiene que a lo largo existirán 6 luminarias y a lo ancho 3, resulta que con esta disposición se sobrepasa el número de luminarias calculadas anteriormente, pero se pueden ajustar estos resultados y obtener una distribución un poco mas simetrica colocando 4 hileras de luminarias a lo largo y 4 luminarias a lo ancho, la separación de centro a centro entre las luminarias esta determinado por la altura útil (H) esta distancia se puede considerar etre 1 y 1.5 veces H.
Y el espaciamiento entre la pared y la primer luminaria es un medio del valor de a y de b como se muestra en la figura 12.
Figura 12. Ejemplo del esquema de distribución de luminarias.
En el caso del ejemplo citado se tiene que para la distancia de máxima y minima entre luminarias, eso se observa en las ecuaciones 3.12 y 3.13:
dmaxa= 2 *1.5=3m (3.12)
dmaxb= 1 * 2= 2m (3.13)
Para la distribución propuesta anterior mente se divide tanto la dimensión de largo como ancho entre la distribución deseada como se muestra en las ecuaciones 3.14 y 3.15.
(3.14)
Como se puede observar el valor máximo de separación se rebasa, pero al buscar una mejor distribución se sobrepasaría el nivel de iluminación requerido en el área por lo cual se considera en la mayoría de los casos tener una distribución adecuada de las luminarias por lo cual tendremos la distribución como se muestra en la figura 13.
Figura 13. Ejemplo de distribucion de luminarias.
En el caso del proyecto del complejo de oficinas se cuenta con instalación eléctrica existente la cual nos define la ubicación de cada una de las luminarias, es decir que no se realizaron los cálculos de iluminación, la distribución y ubicación se encuentra mostrada en el
(Plano Electrico y Alambrado) A-002 del (Apéndice), y según la instalación eléctrica existente el
control de la iluminación es manual por lo cual la mayor parte del tiempo se encuentran encendidas las luminarias y se hace un gasto de energía eléctrica considerable.
Dichas luminarias se alojan en circuitos derivados los cuales se encuentran en centros de cargas que están dispuestos en lugares estratégicos a lo largo de todo el edificio
Por lo cual se propone un sistema de control que nos permita que las luces estén encendidas por ciertos horarios y por ocupación de los lugares de trabajo.
La iluminación se encuentra distribuida en todo el edificio como se muestra a continuación:
Tabla 11. Distribución de luminarias en el edificio.
Nivel Número de luminarias existentes Modelo de luminarias existentes Potencia consumida por cada luminaria (W) Potencia total calculada (W) Estacionamiento 43 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 3956 Recepción 83 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 7636 Piso 3 de oficinas 80 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 7360 Piso 4 de oficinas 80 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 7360 Piso 5 de oficinas 80 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 7360 Piso 6 de oficinas 80 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 7360 Piso 7 de oficinas 117 Philips Fugato Power FBS280 C+L 2*PL-T 4P 42 W/ 830 92 10764
Para realizar el control por medio de ocupación se emplean sensores de rayos infrarrojos pasivos por sus siglas en inglés PIR, sensores con tecnología ultrasónica y sensores con tecnología dual que es una combinación de las tecnologías anteriores y patentados por la empresa BTcino.
Los detectores PIR reaccionan sólo ante determinadas fuentes de energía tales como el cuerpo humano. Estos captan la presencia detectando la diferencia entre el calor emitido por el cuerpo humano y el espacio alrededor. En la figura 14 se muestra visualmente como funciona este tipo de detectores.
Figura 14. Funcionamiento de los detectores PIR.
Tecnología PIR
Los sensores PIR utilizan un lente de Fresnel que distribuye los rayos infrarrojos en diferentes radios (o zonas), los cuales tienen diferentes longitudes e inclinaciones, obteniendo así una mejor cobertura del área a controlar. Cuando se da un cambio de temperatura en alguno de estos radios o zonas, se detecta la presencia y se acciona la carga.
Con objeto de lograr total confiabilidad, esta tecnología integra además, un filtro especial de luz que elimina toda posibilidad de falsas detecciones causadas por la luz visible (rayos solares), así como circuitos especiales que dan mayor inmunidad a ondas de radio frecuencia.
La tecnología PIR permite definir con precisión al 100% el área de cobertura requerida. En la figura 15 se detalla la cobertura de este tipo de sensores.
Figura 15 A y B. Cobertura de los sensores PIR.
En la figura 16 se observa el diagrama de sensibilidad del detector de tecnología PIR.
Figura 16. Sensibilidad del detector PIR.
Se tiene una mejor sensibilidad cuando alguien se mueve perpendicularmente al patrón de cobertura, que cuando se mueve paralelamente.
Tecnología Ultrasónica
Los detectores ultrasónicos son sensores de movimiento volumétricos que utilizan el principio Doppler. Los sensores emiten ondas de sonido ultrasónico hacia el área a controlar, las cuales rebotan en los objetos presentes y regresan al receptor del detector como se muestra en la figura17.
Los sensores ultrasónicos contienen un transmisor y uno o varios receptores. Estos transmiten las ondas sonoras a una alta frecuencia generada por un oscilador de cristal de cuarzo. Dicha frecuencia es tan alta que no alcanza a ser percibida por el hombre.
Dado a que la cobertura ultrasónica puede “ver” a través de puertas y divisiones, es necesario darle una ubicación adecuada al sensor para evitar así, posibles detecciones fuera de la zona deseada.
Las áreas con alfombra gruesa y materiales anti acústicos absorben el sonido ultrasónico y pueden reducir la cobertura. La eficiencia del sensor también puede verse alterada por flujo excesivo de aire (provocado por aires acondicionados, ventiladores, calefacción, etc.
Figura 17. Funcionamiento del detector ultrasónico.
El movimiento de una persona en el área provoca que las ondas de sonido regresen con una frecuencia diferente a la cual fue emitida, lo cual es interpretado como detección de presencia como se muestra en la figura 18.
Figura 18. Diagrama de detección del sensor ultrasónico.
Tecnología Dual
La tecnología Dual combina las tecnologías PIR y Ultrasónica, proporcionando así el control de iluminación en áreas donde sensores de una sola tecnología pudieran presentar deficiencias en la detección.
La combinación de PIR y Ultrasónica permite que el sensor aproveche las mejores características de ambas tecnologías, ofreciendo así mayor sensibilidad y exactitud de operación.
Esta tecnología presenta diferentes configuraciones de operación. La configuración estándar enciende la iluminación cuando las dos tecnologías detectan ocupación de forma simultánea, la mantiene encendida mientras una de las dos siga detectando presencia y la apaga cuando el área se desocupa. Según las condiciones específicas de la zona a controlar, es posible cambiar dicha configuración.
Un ejemplo de aplicación pudiera darse en una sala de cómputo: El flujo de aire (generado por el aire acondicionado) podría provocar falsos encendidos para un sensor ultrasónico, mientras que la falta de actividad en el área pudiera provocar falsos apagones con un PIR. Este tipo de problemas se pueden resolver con la tecnología Dual, ya que para el encendido de las luces, el detector, en su configuración estandard, necesita detección de presencia de las dos tecnologías (pudiéndose entender ésto como “confirmación” de presencia en el área), mientras que para mantener la luz encendida, sólo es necesario que alguna de las dos tecnologías detecte movimiento por mínimo que éste sea.
Los sensores propuestos pertenecen a la empresa BTicino que ofrece estos productos en su línea Watt Stopper, dentro de esta línea se presenta una gama de productos para diferentes soluciones, con diferentes características, en la tabla12 se presentan dichos productos.
Tabla 12. Sensores Watt Stopper.
En el (Apéndice) se muestra una guía de aplicación, selección, posición e instalación de cada uno de los sensores ofrecidos por la línea Watt Stopper asi como también en el mismo anexo se presenta un documento con los patrones de cobertura de cada uno de los sensores, en el plano
A-003 (Sistema de Iluminación), del apéndice, se muestra el tipo de sensor a emplear por cada
una de las áreas de trabajo, su posición física de instalación y la cobertura empleada para cada uno de los elementos.
La línea Watt Stoper nos ofrece un elemento de control propietario de BTicino llamado Power Pack el cual es un transformador de corriente alterna a directa el cual también cuenta con un contacto NA , el cual al detectar presencia cambia su estado, y activa la iluminación.
Para este proyecto se propone alimentar los sensores con una fuente independiente de 24 V c.d., la señal de control del sensor será enviada a un modulo de entradas de un PLC el cual activará una salida a relevador en dicha salida se conectará el circuito que contiene las lámparas a controlar por el sensor de presencia. En la figura 19 se muestra el diagrama de conexión de la propuesta.
Figura 19. Diagrama de conexión de un sensor al PLC.
También se propone que sea empleado un PLC con funciones especiales las cuales puedan ayudan a activar una salida del mismo PLC al cumplirse una determinada hora y se desactive al concluir la hora de trabajo en el edificio.
El PLC propuesto es de la marca WAGO el cual cuenta con una librería de programación nombrada Building Automation, está ofrece una gran variedad de funciones especiales diseñadas para el control automatico de diferentes sistemas presentes en un edificio inteligente, como por ejemplo crear escenarios con diferentes tipos de luz, controlar sistemas de aire acondicionado, etc.
Filosofía de control.
El sistema de iluminación será controlado de la siguiente forma.
La iluminación de los pasillos se encenderá de forma automática de acuerdo a horarios establecidos de oficina y de limpieza, este horario de encendido de las lámparas podrá ser modificado por el operador del cuarto de control y estará sujeto a los horarios en que se labore en la oficina, dias en que se trabaje y a las estaciones del año.
La iluminación en oficinas, comedores, salas y recepciones será controlada de forma automática con un sensor de presencia de acuerdo a las siguientes condiciones:
Cuando el sistema de iluminación se encuentre funcionando en horarios de oficina y limpieza.
Cuando el sensor de movimiento detecte presencia en el cuarto.
Se tienen que cumplir estas dos condiciones forzosamente, de otra manera las lámparas no encenderán.
Las dos propuestas anteriores nos dan como resultado un diagrama de flujo el cual se observa en la figura 20 en la cual se representan las condiciones necesarias para activar el alumbrado del edificio
Sistema de alumbrado en oficinas, pasillos,salas y comedores 17:30 a 22:00 Sensor de Presencia 07:30 a 11:30 Permitir suministro de energía a Circuitos de alumbrabo Interrumpir suministro de energía a Circuitos de Alumbrabo Fin de proceso
El sistema de iluminación estará determinado por dos horarios si se cumplen dichos horarios y existe presencia en las áreas de trabajo se encenderán las luminarias correspondientes a dicha área, gobernada por el sensor de presencia, al dejar de detectar movimiento en el área o al