OPTIMIZACIÓN DE LOS NIVELES DE ILUMINACIÓN EN LOS TÚNELES DE
COLOMBIA MEDIANTE EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
CON EL FIN DE DISMINUIR LOS CONSUMOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ANDRÉS ZAHIR CAMPO VARGAS
ANGIE GINETH GÓMEZ HERNÁNDEZ
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS PROPEDÉUTICOS
BOGOTA D.C.
OPTIMIZACIÓN DE LOS NIVELES DE ILUMINACIÓN EN LOS TÚNELES DE
COLOMBIA MEDIANTE EL DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL AUTOMÁTICO
CON EL FIN DE DISMINUIR LOS CONSUMOS DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ANDRÉS ZAHIR CAMPO VARGAS
ANGIE GINETH GÓMEZ HERNÁNDEZ
TRABAJO DE GRADO PRESENTADO PARA OPTAR AL TÍTULO DE:
INGENIERO ELÉCTRICO
DIRECTOR:
ING. FREDY MARTINEZ
DOCENTE PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERÍA ELÉCTRICA POR CICLOS
BOGOTÁ D.C.
Nota de aceptación
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Nombre Director del proyecto
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Jurado 1
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AGRADECIMIENTO
El presente trabajo de tesis inicialmente nos gustaría agradecer a la Universidad Distrital Francisco José de Caladas Facultad Tecnológica por darnos la oportunidad de estudiar y llegar a ser buenos profesionales. A nuestro director de tesis, profesor Fredy H. Martínez S. por su esfuerzo y dedicación, quien con sus conocimientos, su experiencia, y su motivación han logrado que podamos terminar los estudios con éxito. Así mismo agradecer a nuestras familias quienes con su apoyo incondicional hicieron posible la culminación de este trabajo.
Finalmente agradecemos a todos los profesores durante toda la carrera de ciclo tecnológico y profesional porque todos han aportado con un granito de arena a nuestra formación.
I
ÍNDICE GENERAL
Resumen ... 1
Abstract ... 1
Introducción ... 2
1. Antecedentes teóricos ... 3
1.1 Motivación ... 3
1.2 Iluminación en túneles ... 6
1.2.1 Generalidades ... 8
1.3 Avances tecnológicos ... 11
1.3.1 Luminarias usadas para sistemas de iluminación en túneles ... 11
1.3.2 Tecnologías de iluminación eficientes ... 14
1.3.3 Generalidades para el uso de luminarias LED´s ... 15
1.4 Problema de investigación ... 17
1.4.1 Objetivo general... 18
1.4.2 Objetivos específicos ... 18
1.5 Organización de la monografía ... 18
2 Diseño del sistema ... 19
2.1 Normatividad vigente ... 19
2.2 Perfil del diseño de iluminación ... 19
2.2.1 Caracterización de los túneles viales en Colombia ... 20
2.2.2 Consideraciones para la vista en perfil ... 26
2.2.3 Requerimientos de iluminación ... 28
2.2.4 Planificación de la iluminación de un túnel... 30
2.3 Perfil del diseño de control ... 31
2.3.1 Lógica Difusa ... 33
2.3.2 Control Difuso ... 35
2.4 Diseño de iluminación ... 36
2.4.1 Geometría del túnel de Occidente fase II ... 37
2.5 Diseño de control... 61
2.5.1 Software ... 62
2.5.2 Hardware ... 66
3. Evaluación de desempeño ... 71
3.1 Metodología ... 71
II
4. Conclusiones y trabajo futuro ... 78
4.1 Conclusiones ... 78
4.2 Trabajo futuro... 79
5. Bibliografía ... 80
Anexo B. Códigos control de iluminación. ... 83
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas. ... 7Figura 1.2 Tipo de visión del ojo humano. ... 7
Figura 1.3 Zonas de Alumbrado en Túneles... 8
Figura 1.4 Luminancia. ... 10
Figura 1.5 Contraste. ... 11
Figura 1.6 Lámpara de sodio de alta presión. ... 12
Figura 1.7 Lámpara Haluro metálico. ... 13
Figura 1.8 Lámpara fluorescente. ... 14
Figura 1.9 Organización de la monografía ... 19
Figura 2.1 Porcentaje de Clasificación de los Túneles Viales en Colombia ... 25
Figura 2.2 Porcentaje de tipo de revestimiento túneles viales en Colombia ... 26
Figura 2.3 Diagrama típico del coeficiente de fricción como una función de la velocidad para pavimento húmedo y seco. ... 28
Figura 2.4 Planeación diseño iluminación de un túnel. ... 31
Figura 2.5 Superficie en 3D, sistema de control mediante lógica difusa. ... 33
Figura 2.6 Esquema general de lógica difusa. ... 34
Figura 2.7 Función de membresía. ... 35
Figura 2.8 Entrada túnel de Occidente ... 39
Figura 2.9 Entrada túnel de Occidente ... 39
III Figura 2.11 Gráfico escalonamiento de luminancia en la zona de transición para el túnel de
occidente fase II ... 42
Figura 2.12 Árbol del proyecto software Tunnel V3.0 ... 44
Figura 2.13 Vista en planta sistema a contra flujo. ... 45
Figura 2.14 Vista lateral sistema a contra flujo ... 46
Figura 2.15 Esquema general sistema a contra flujo ... 46
Figura 2.16 Geometría del túnel. ... 47
Figura 2.17 Definición de parámetros sección transversal del túnel ... 48
Figura 2.18 Sección transversal del túnel ... 49
Figura 2.19 Distribución de luminarias zona de umbral 1 ... 49
Figura 2.20 Luminaria OMNISTAR, SCHRÉDER ... 50
Figura 2.21 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 1000MA WW 347322 ... 51
Figura 2.22 Distribución de luminarias zona de umbral 2 ... 51
Figura 2.23 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 700mA CW 347322 ... 52
Figura 2.24 Fotometría luminaria OMNISTAR 2260 144 LEDS 500mA WW 347322 ... 53
Figura 2.25 Fotometría luminaria OMNISTAR 5118 128 LEDS 500mA CW 348632 ... 54
Figura 2.26 Fotometría luminaria OMNISTAR 5068 144 LEDS 350mA WW 348572 ... 55
Figura 2.27 Luminaria CONTILED, SCHRÉDER ... 55
Figura 2.28 Fotometría luminaria CONTILED 2 5118 32 LEDS 700mA NW 337532 ... 56
Figura 2.29 Fotometría luminaria CONTILED 1 5068 32 LEDS 700mA CW 337442 ... 57
Figura 2.30 Información de la distribución de luminarias en la zona de transición ... 57
Figura 2.31 Simulación de la distribución de luminarias en la zona de transición. ... 58
Figura 2.32 Curva CIE, % de luminancia vs longitud de las zonas en el túnel. ... 59
Figura 2.33 Curva CIE, Luminancia vs longitud de las zonas en el túnel. ... 59
Figura 2.34 Curva CIE, % Uniformidad vs longitud de las zonas en el túnel. ... 60
Figura 2.35 Vista general 3D del túnel en software Tunnel V3.0 ... 60
IV
Figura 2.37 Entrada tipo puente túnel de occidente, Colombia. ... 66
Figura 2.38 Montaje túnel prototipo. ... 67
Figura 2.39 Sección transversal túnel prototipo. ... 68
Figura 2.40 Diagrama de conexión foto-resistencias. ... 69
Figura 2.41 Bloque de LED de 4.5 cm. ... 69
Figura 2.42 Bloque de LED de 7.5 cm. ... 69
Figura 2.43 Montaje tarjetas Arduino uno. ... 70
Figura 2.44 Esquema de conexión tarjeta Arduino con sistema de iluminación. ... 71
Figura 3.1 Metodología evaluación del desempeño ... 72
Figura 3.2 Resultado interfaz de la curva de iluminación en el túnel. ... 73
Figura 3.3 Valor mínimo de dimerización con línea de tendencia polinómica obtenida a partir de la interfaz. ... 73
Figura 3.4 Valor mínimo de dimerización. ... 74
Figura 3.5 Valor intermedio de dimerización ... 75
Figura 3.6 Valor máximo de dimerización. ... 76
Figura 4.1 Comparación sistema de iluminación SAP Vs sistema dimerizable LED. ... 79
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Comparación en tecnologías de luminarias más usadas en túneles. ... 14Tabla 2.1 Niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación. ... 20
Tabla 2.2 Descripción de los Túneles en Colombia (Gil, 2010). ... 25
Tabla 2.3 Métodos usados para el control de sistemas de iluminación y sus principales características. ... 33
Tabla 2.4 Valores de luminancia en la zona interior (túneles largos). ... 42
Tabla 2.5 Valores de luminancia en la segunda parte de la zona interior (túneles muy largos). ... 42
Tabla 2.6 Clasificación del caudal de tráfico. ... 43
V
Tabla 2.8 Características generales luminarias Contiled. ... 55
Tabla 2.9 Funciones de membresía para conjuntos difusos de entrada. ... 63
Tabla 2.10 Reglas de lógica difusa ... 65
Tabla 2.11 Rangos funciones de inferencia del conjunto difuso Potencia ... 66
Tabla 2.12 Distribución bandas de LED a lo largo del túnel prototipo. ... 70
Tabla 3.1 Comparación entre el consumo de energía al año entre tecnologías SAP y LED ... 76
Tabla 3.2 Cantidad luminarias diseño Sodio de alta presión SAP. ... 76
Tabla 3.3 Potencia luminarias diseño Sodio de alta presión. ... 76
Tabla 3.4 Potencia luminarias diseño LED. ... 76
Tabla 3.5 Consumo de energía por día (durante 8h diarias para cada escenario) diseño SAP. ... 77
Tabla 3.6Consumo de energía por día (durante 8h diarias para cada escenario) diseño LED... 77
ÍNDICE DE ECUACIONES
Ecuación 1.1 Fórmula para el cálculo de luminancia. ... 9Ecuación 2.1 Distancia de parada ... 27
Ecuación 2.2 Deslumbramiento Perturbador ... 30
Ecuación 2.3 Representación matemática conjuntos difusos ... 34
Ecuación 2.4 Área del centroide. ... 36
Ecuación 2.5 Calculo de la media para la defusificación con el método Sugeno ... 36
Ecuación 2.6 Cálculo L20 ... 38
Ecuación 2.7 Radio de visión desde la distancia de parada... 39
Ecuación 2.8 Constante de relación entre Lth y L20 ... 41
Ecuación 2.9 Ecuación luminancia zona de transición ... 41
1
Resumen
Este trabajo de grado tiene como finalidad desarrollar un sistema de control automático para la optimización de los niveles de iluminación en los túneles de Colombia con el fin de disminuir los consumos de energía eléctrica, con base en una amplia investigación del estado del arte de los últimos años, donde se evidencie la investigación y desarrollo en el área hasta el día de hoy. De este modo, conocer los avances tecnológicos que se han venido presentando en los últimos años en cuanto a esquemas de control para sistemas de iluminación, de acuerdo a esto se establecen los parámetros y requisitos de diseño que se deben aplicar a un sistema de iluminación de túneles. Mediante el uso del software Tunnel V3.0 de libre uso de Schréder, se realizará el diseño de un sistema de iluminación de túneles que cumpla con los requerimientos establecidos en la normatividad vigente -RETILAP- ; el cual a su vez, permite establecer las variables de entrada que deben considerarse para el desarrollo de un esquema de control inteligente mediante lógica difusa para la iluminación de túneles que permita contribuir al PRO-URE.
Abstract
This thesis aims to develop an automatic control system to optimize light levels in the tunnels of Colombia in order to reduce consumption of electricity, based on extensive research of the state of art in recent years, where research and development in the area become evident until today. Thus meet the technological advances that have been occurring in recent years in terms of control schemes for lighting systems, according to these parameters and design requirements to be applied to, a tunnel lighting system will be established. Using the Tunnel V3.0 software for free use of Schreder, the design of a tunnel lighting system that meets the requirements set forth in current regulations -RETILAP- be held; which in turn, will establish the input variables to be considered in the development of an intelligent control scheme using fuzzy logic for the lighting of tunnels that could contribute to PRO-URE.
Palabras Claves: Luminancia, iluminancia, nivel de iluminación, diseño de iluminación, diseño de
control y lógica difusa.
2
Introducción
La historia de la construcción de túneles en Colombia se divide principalmente en dos periodos. El primer periodo comprende desde la década de los 50's hasta el año 2000, tiempo en donde la construcción de túneles se establecía mediante el plan vial, el cual entró en vigencia el año 1950. En la década de los 80's e inicios del siglo XXI el Departamento de Planeación Nacional da a conocer mediante el informe de economía social, la necesidad que tiene el país de implementar infraestructura vial de calidad. Esta infraestructura vial permitió garantizar la gran expansión energética que en su momento experimentó el país, para dar cobertura a poblaciones aisladas. De esta forma, y con el fin de contribuir al plan de desarrollo de la época, se inició la construcción en gran medida de túneles viales. Para el periodo comprendido entre 1970 a 1980 se obtuvo una longitud construida de 10,5 km, los cuales representan un 46,3% de la longitud construida en túneles antes del año 2003.
A partir del año 1995 se han construido túneles de más de mil metros de longitud en Colombia, utilizando varios métodos de construcción, debido a las diferentes épocas en que se ejecutaron los proyectos. En ese año se inicia la construcción del túnel Misael Pastrana Borrero (Buenavista) en la vía Bogotá - Villavicencio mediante el método convencional o NATM (Nuevo Método Austriaco de Construcción de Túneles). El túnel cuenta con una longitud 4520 m, y se habilitó el tráfico vehicular en Agosto del 2002. En el año 1997 se dio inicio a la construcción de los túneles Argelino Duran Quintero (Boqueron) y el túnel de Occidente. El túnel Boquerón que cruza el Alto de Boquerón hasta descender a Villavicencio, cuenta con una longitud de 2400 m, incluyendo un túnel falso de 80 m en la entrada. Para la construcción de este túnel se utilizó el método convencional (Coviandes, 2015).
El túnel de occidente inició obras en noviembre de 1997, y se inauguró en el año 2006. Fue construido usando el método convencional, y está dividido en tres etapas: La sección Occidental, sección Oriental y el Túnel Fernando Gómez Martínez. Este último posee una longitud total de 4603 m y se encuentra ubicado entre Medellín y Santafé de Antioquia (Invias, 2013). Por otro lado, con una longitud de 1710 m, el Túnel Daza conecta la vía Panamericana, ubicado en la variante Rumichaca-Pasto-Aeropuerto en el municipio de Daza-Nariño. Su geometría comprende dos carriles de 3,85 m cada uno. Las obras de excavación dieron inicio en el año 2009 y se construyó mediante el método de perforación y voladura; así mismo, el Túnel de Daza fue impermeabilizado para impedir la filtración de agua y cuenta con un revestimiento de concreto lanzado (Blog 360° en Concreto, 2014).
Ubicado en el municipio de Icononzo-Tolima, el Túnel Guillermo León Valencia-Sumapaz tiene una longitud de 4,2 km, cuenta con dos carriles cada uno de 3,65 m de ancho y en sentido unidireccional con flujo vehicular desde Girardot a Bogotá. En Agosto de 2006 inició su construcción y entró en operación en Marzo de 2011. El túnel cuenta con revestimiento en concreto convencional (Camara Colombiana de la Infraestructura, 2011).
Observando la evolución en la construcción de los túneles de Colombia y los proyectos que se plantean para el futuro como lo son el Túnel Santa Elena (8200 m, vía Medellín - Rionegro) y los Túneles laterales al río Medellín (5300 m, Autopista urbana de Medellín), se evidencia que el desarrollo en infraestructura vial en el país está en crecimiento. Es por esto que este tipo de instalaciones deben estar diseñadas con los más altos estándares de calidad.
3 comunicación, control y supervisión y sistemas eléctricos en general representan gran consumo de energía eléctrica. Con base en lo anterior, las últimas tendencias en diseños están enfocadas en garantizar el uso eficiente de los recursos mediante la aplicación de tecnologías que permitan el control y tele-gestión de los diferentes sistemas.
De esta forma, al revisar el estado del arte de la tecnología actual para sistemas de iluminación en túneles, se encontró que en Colombia no se está implementando controles automáticos que permitan disminuir el consumo de energía dentro de la instalación. Este trabajo de investigación tiene como finalidad proporcionar una alternativa para el ahorro de energía mediante el uso de luminarias de bajo consumo y el control de iluminación. Actualmente los sistemas de iluminación en túneles se caracterizan por hacer uso de control ON/OFF con luminarias no convencionales como lo son luminarias de sodio de alta presión, obteniendo como resultado altos consumos de energía.
El control de iluminación inteligente permite adaptar la iluminación del túnel a los diferentes escenarios que se presentan a lo largo del día, debido a que en la noche se requieren menores niveles de iluminación. Así mismo el uso de luminarias de bajo consumo junto con controles de iluminación inteligentes permiten obtener mayor eficiencia en el sistema y alarga la vida útil de la instalación. Ya que al realizar dimerización de los niveles de iluminación. En este documento se mostrará el desarrollo de diseños de iluminación utilizando luminarias tipo LED y un sistema de control inteligente basado en lógica difusa, resaltando las ventajas que brinda en ahorro energético.
1
Antecedentes teóricos
1.1
Motivación
Con el fin de esclarecer los temas de investigación referentes a los sistemas de iluminación en túneles, a continuación se presentan algunos proyectos de investigación que han contribuido al desarrollo de dichos sistemas.
El avance tecnológico de los sistemas de iluminación en túneles en la actualidad va desde la implementación de sensores hasta sistemas de control avanzados. En este sentido los autores Stefano Cattini y Luigi Rovati en el 2012, con el siguiente artículo:
“Low-Cost Imaging Photometer and Calibration Method for Road Tunnel Lighting”, presentan el desarrollo y la calibración de un medidor de iluminancia de velo para aplicaciones en sistemas de iluminación en túneles. Allí se propone un instrumento de medición basado en cámaras de iluminación en los túneles de carretera. Este sistema permite apreciar la luminancia de velo que sería percibida por un conductor que se aproxima a un túnel, permitiendo así la estimación de la luminancia óptima en el nivel de entrada de los túneles, por lo tanto, aumentar la seguridad del conductor (págs. 1181-1191)”.
4 “Un despliegue en el que las redes de sensores inalámbricos (WSN) son un componente clave de un sistema de control de bucle cerrado para la iluminación adaptativa en los túneles de carretera operacionales. Los nodos WSN a lo largo de las paredes del túnel reportan lecturas de la luz a una estación de control, que cierra el bucle mediante el establecimiento de la intensidad de las lámparas para que coincida con los niveles de iluminación preestablecidos (págs. 187-198)”.
Por otro lado Giuseppe Parise, Luigi Martirano y Simone Pierdomenico en 2007, con el artículo titulado “An Adaptive Criterion To Design The Lighting System In The Road Tunnels”, sugieren un criterio adaptativo para diseñar el sistema de iluminación de apoyo con el fin de mitigar el costo y el impacto energético (págs. 1244-1248). Dentro de este contexto también se cuenta con controles de lógica difusa, en el 2011 Hong Zeng y Jian Qiu, mediante el artículo “Fuzzy Control of LED Tunnel Lighting and Energy Conservation”, afirman que los sistemas actuales de control de iluminación del túnel de carretera suelen estar controlados de forma manual, lo que resulta un desperdicio de energía significativo. En este artículo se diseña un algoritmo de control difuso para los sistemas de control de energía de iluminación de túneles:
“El sistema utiliza LED (Light Emitting Diode) de iluminación, por lo que el algoritmo de control difuso está diseñado para luminarias tipo LED. El tráfico y el nivel de iluminación natural, se utilizan como parámetros en el algoritmo de control de iluminación inteligente. Este sistema se ha implementado en el túnel Lengshui en la carretera provincial 49 ª de la provincia de Zhejiang y operado por más de seis meses. Los resultados de rendimiento muestran que el sistema de conservación de la energía proporciona los niveles de iluminación suficientes para la seguridad del tráfico, con el ahorro de energía significativo (págs. 576-582) ”.
De la misma forma Tianshu Huang, Fan Luo y Kui Zhang en el 2006, con el artículo titulado “Application of Fuzzy Control to A Road Tunnel Lighting System”, se ocupan de los graves problemas del sistema de iluminación en un túnel de carretera.
“De esta forma se desarrolla el diseño del modelo de un control difuso, un diseño de la configuración del sistema de iluminación incluyendo nodo de detección de luminancia, el nodo de detección de tráfico y se construye nodo de control de lámpara. Todo esto basado en la disposición que ofrece la asignación de nodos de sensores, nodos de control y un modelo de control de lógica difusa. Las funciones de pertenencia de la cantidad de vehículos que transitan por hora y la velocidad del flujo de tráfico en el túnel se presentan físicamente con el fin de configurar las reglas de lógica (págs. 136-139)”.
Actualmente se están desarrollando controles inteligentes, como lo expone Domenico Luca Carnì y Domenico Grimaldi en 2013 con el artículo “A Smart Control to Operate the Lighting System in the Road Tunnels”, en el documento se propone:
5 Por otro lado se han creado algoritmos genéticos, un ejemplo de esto se expone con Sérgio Leitão, E. J. Solteiro Pires y P. B. de Moura Oliveira en 2009, mediante el artículo “Road Tunnels Lighting Using Genetic Algorithm”, donde:
“Se presenta una herramienta para automatizar el diseño de sistemas de iluminación de los túneles de carretera. Los autores señalan que un sistema de iluminación del túnel debe garantizar unos valores mínimos de luminancia con el fin de garantizar una conducción fácil y percepción visual. La distribución de las luces, en diferentes zonas del túnel, se obtiene en la técnica propuesta por el uso de un algoritmo genético. La plataforma de software desarrollada selecciona automáticamente el mejor tipo de luz y su localización, de acuerdo con un objetivo de diseño específico, a lo largo del túnel, independientemente del fabricante de las luminarias (págs. 16-32)”.
Así mismo Dingyuan Wang y Haifeng Jiang en 2012, mediante el artículo “Dynamic Dimming Control Method Research on Tunnel LED Lighting based on LED Controllability”, desarrollaron:
“Un método de control de regulación dinámica de la iluminación LED en un túnel de carretera, basado en la controlabilidad de la luz LED, emprendiendo un análisis exhaustivo de método de control dinámico y principio. A través del análisis de la manifestación del LED en el sistema de iluminación del proyecto y mediante demostración, se indicó que los resultados de la investigación pueden ahorrar de manera significativa el coste de la energía del sistema de iluminación del túnel con las condiciones de una iluminación adecuadas. Con base en esto se proporcionará un ahorro de energía por medio del control dinámico de regulación de túnel en las autopistas que cuenten con un sistema de iluminación LED (págs. 1176-1198)”. Igualmente He Yi, Li Changbin y WuAiguo en 2012, desarrollaron un control basado en iluminación LED, en el artículo “LED Lighting Control System in Tunnel Based on Intelligent Illumination curve”. En este documento se describe
“Un sistema de iluminación LED para túneles con base en el bus RS485. Un sistema experto se utiliza para calcular la curva de demanda de iluminación del túnel, basándose en la iluminación fuera del túnel, el flujo vehicular y la velocidad de los carros. La iluminación del túnel es controlada por la curva de iluminación dado. Esto hace que el proceso de adaptación de los ojos del conductor de brillante a oscuro al ingresar al túnel sea más natural y suave. Para convertir la curva de la iluminación de acuerdo a las instrucciones del control a todas las luminarias LED, se presenta una estrategia de alimentación directa y el control de retroalimentación basado en la relación entre el flujo de luz y el brillo en el túnel. Así mismo como se ahorra energía con el sistema de iluminación del túnel (págs. 698-701)”.
Finalmente Daza Antonio, 2010, con la tesis titulada “Optimización del Algoritmo de Control del Sistema de Iluminación del Túnel Buenavista de La Carretera Bogotá – Villavicencio”, presenta:
6 iluminación del túnel Buenavista conforme a la resolución 180540 del 30 de marzo de 2010 “RETILAP” la cual a su vez llama al cumplimiento de la norma europea CIE 88:2004 en su SECCIÓN 570 que indica “El objetivo de la iluminación de túneles es suministrar una apropiada visibilidad a los conductores tanto en el día como en la noche” (págs. 5-60)”.
Con base en la investigación de los artículos relacionados anteriormente, se observan diferentes métodos para el control de la iluminación en túneles, dentro de los cuales están:
• Control adaptativo.
• Control de lógica difusa.
• Control dinámico.
• Control inteligente.
Utilizados en diferentes países, como ejemplo el control de lógica difusa implementado en un túnel de China en la provincia de Zhejiang. A demás de los tipos de control, se puede observar un común denominador de las variables mencionadas en los diferentes artículos los cuales son factores predominantes al momento de realizar el diseño:
• La luminancia exterior.
• El flujo de tráfico.
• Velocidad de los vehículos.
• Condiciones climáticas.
Por otro lado el principal objetivo en el diseño del control es el ahorro energético en los sistemas de iluminación, de esta forma controlando el flujo luminoso del sistema por medio de dimerización se logra un consumo eficiente de energía, así mismo los artículos hacen mención al uso de tecnologías LED las cuales han demostrado ser más eficientes en el consumo energético que los otros tipos como sodio de alta y baja presión, halogenuros metálicos, mercurio y fluorescentes.
1.2
Iluminación en túneles
Disponer de un adecuado sistema de iluminación implica estudiar con detenimiento las necesidades de los usuarios, adoptar estrategias de iluminación que permita generar ambientes confortables y seguros, los cuales deben ser empleados en cualquier tipo de proyecto. El uso de túneles viales en Colombia ha permitido mejorar el flujo de tráfico y la conexión entre regiones aisladas, debido a las condiciones montañosas propias de la geografía en el país. De igual manera este tipo de infraestructura debe contar con diseños de alta calidad que permita a los usuarios un tránsito seguro. Las necesidades de iluminación en un túnel vial, van enmarcadas al comportamiento visual del conductor, es decir, la forma en que percibe los objetos en la vía. Cuando se discute acerca de la percepción visual de una persona, se debe estudiar el fenómeno de la visión humana y la teoría de la luz. Contar con un sistema de iluminación optimo ayuda al ojo humano a desempeñarse de manera adecuada sin causar fatiga ni esfuerzo en las tareas visuales diarias.
7 aproximadamente, el cual corresponde al color amarillo. En esta zona se produce en el ojo un fenómeno llamado visión fotópica que permite la percepción visual con niveles de iluminación diurnos, gracias a este fenómeno se puede distinguir y captar con claridad los colores, la visión de la luz en el día es adoptada por los conos, células fotorreceptoras muy sensibles que llevan señales al cerebro y están ubicados en la retina principalmente en la fóvea. De acuerdo a lo anterior, la luz emitida por las fuentes de iluminación artificiales son fabricadas dentro de estos límites de radiación. Por otro lado se tiene la visión escotópica y se presenta con niveles de iluminación bajos, generando el Efecto Purkinje, es así como la sensibilidad se desplaza a niveles de longitudes de ondas menores, en los rangos del color violeta y azul. Para este tipo de visión las células que actúan son los bastoncillos y están ubicados en la periferia de la retina lo que permite una percepción visual periférica, para esta zona se tiene un máximo de sensibilidad a una longitud de onda de 510 nm. En este tipo de visión no se puede discriminar el color, por ende es un tipo de visión monocromática y se detectan los movimientos pero no se distinguen los objetos, además tiene menor velocidad de percepción que la visión fotópica.
Finalmente la combinación de trabajo entre conos y bastoncillos se le llama visión mesópica, esta visión es empleada principalmente en condiciones de luz artificial, donde se ajustan a un escenario de iluminación exterior como el alumbrado público. En la Figura 1.2, se muestra los tres tipos de visiones y los niveles de luminancia a los cuales pertenecen.
Figura 1.1 Curva de sensibilidad del ojo a las radiaciones monocromáticas.1
Figura 1.2 Tipo de visión del ojo humano.2
8
1.2.1
Generalidades
La iluminación en túneles es de gran importancia para la seguridad vial, debido a que los conductores experimentan diferentes condiciones de iluminación en el recorrido, las condiciones climáticas en las cercanías del túnel es un factor fundamental que incide en los conductores al momento de ingresar al túnel, por lo que se debe tener en cuenta para evitar efectos como el denominado “efecto agujero negro”, donde al no contar con una adecuada iluminación en la entrada del túnel los conductores no podrán observar ningún elemento dentro del túnel. Por otro lado al haber demasiada luz en el interior del túnel en las noches, al ingresar los conductores experimentarían deslumbramiento. La norma CIE 88 del 2004 define tres etapas de luminancia: la luminancia externa, luminancia de transición y luminancia interior, de acuerdo a estas tres etapas los sistemas de control de iluminación tienen como objetivo regular el flujo luminoso de las lámparas, para ofrecer un confort visual a los conductores en el momento de ingreso, recorrido en el interior y la salida del túnel. En la Figura 1.3 se observa la curva de luminancia característica de los túneles unidireccionales, para túneles bidireccionales el diseño de la curva características de luminancia en la zona de adaptación y en la zona de transición debe ser la misma tanto al ingreso, como a la salida del túnel.
Figura 1.3 Zonas de Alumbrado en Túneles.3
Luminancia Exterior (zona de aproximación)
http://www.editores-
9 El conductor que se acerca a la entrada de un túnel durante el día, ha de adaptar sus ojos para pasar de un alto nivel de luminancia que prevalece en el exterior, a la luminancia del interior. Por con siguiente, si el túnel es largo y el nivel de luminancia dentro de él es mucho más bajo que el de fuera, el túnel se presenta como un "hueco negro", por lo que no será visible ningún detalle de su interior. Esto se conoce como deslumbramiento por ausencia de luz y su duración fisiológica es mayor que cuando se hace la transición contraria (Ministerio de Minas y Energía, 2010).
Luminancia de la zona de transición
Al entrar a un túnel el conductor necesita cierto tiempo para que sus ojos se adapten a un nivel inferior de luminancia. La zona de transición debe proporcionar un nivel de luminancia el cual permita que dicho efecto sea de menor impacto al momento del ingreso al túnel (Ministerio de Minas y Energía, 2010).
Luminancia de la zona de salida
La luminancia al interior del túnel no necesariamente es un valor alto como al ingreso del túnel. En el interior la luminancia debe estar dispuesta de modo que el conductor no experimente el denominado efecto estroboscópico (Ministerio de Minas y Energía, 2010).
Fenómeno Estroboscópico
En el interior del túnel los conductores pueden experimentar el fenómeno estroboscópico el cual consiste en el centelleo causado por las fuentes luminosas en el túnel, donde el conductor puede presenciar frecuencias hipnóticas (entre 4 Hz y 11 Hz), frecuencias que dependen del distanciamiento de las fuentes luminosas y la velocidad de los vehículos.
Luminancia
En un punto de una superficie, en una dirección, se interpreta como la relación entre la intensidad luminosa en la dirección dada producida por un elemento de la superficie que rodea el punto, con el área de la proyección ortogonal del elemento de superficie sobre un plano perpendicular en la dirección dada (ver Figura 1.4). La unidad de luminancia es candela por metro cuadrado (Cd /m2). Bajo el concepto de intensidad luminosa, la luminancia puede expresarse como:
= ∗
Ecuación 1.1 Fórmula para el cálculo de luminancia.
10
Figura 1.4 Luminancia.4
Dimerización del flujo luminoso
La dimerización consiste en la atenuación del flujo luminoso de las fuentes luminosas para evitar cambios bruscos de iluminación. La dimerización manual está limitada por la necesidad de ajustar continuamente el nivel de iluminación con fuentes que lo permitan.
Contraste
El conductor tiene que poder observar los obstáculos en cualquier zona al interior del túnel, para ello hay que crear un contraste entre el obstáculo y el fondo sobre el cual destaca (carretera o pared), si el obstáculo destaca porque es más claro que el fondo, es un contraste positivo y si destaca sobre el fondo por ser más oscuro, entonces es un contraste negativo (ver Figura 1.5). Múltiples sistemas de alumbrado sirven para acentuar los contrastes, tanto positivos como negativos:
• Alumbrado simétrico: la luz se dirige simétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación.
• Alumbrado asimétrico a contraflujo (counterbeam): la luz se distribuye asimétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación y la intensidad luminosa máxima se dirige en sentido contrario al tráfico. Este sistema realza los contrastes negativos y refuerza el nivel de luminancia de la calzada que se puede ver desde la posición del conductor.
• Alumbrado asimétrico a favor del flujo (pro-beam): la luz se distribuye asimétricamente con relación al plano paralelo al sentido de la circulación y la intensidad luminosa máxima se dirige en el sentido del tráfico. Este sistema realza los contrastes positivos y refuerza el nivel de luminancia del obstáculo que se puede ver desde la posición del conductor (Schréder, 2012).
11
Figura 1.5 Contraste.5
1.3
Avances tecnológicos
A continuación se muestra una descripción de cada uno de los tipos de luminarias convencionales existentes en el mercado y que en la actualidad son usadas en los proyectos de iluminación de túneles en Colombia, estas son: VSAP-Vapor de sodio de alta presión, FL-Fluorescentes y MH-Halogenuros metálicos. Adicionalmente en cuanto a avances tecnológicos se tienen las luminarias tipo LED, su uso se está extendiendo alrededor del mundo debido a sus múltiples ventajas permitiendo sistemas más eficientes como se verá más adelante.
Los criterios principales a tener en cuenta en el momento de seleccionar una luminaria son los siguientes:
• Eficacia luminosa
• Duración de la vida útil
• Temperatura de color
• Reproducción cromática de colores
1.3.1
Luminarias usadas para sistemas de iluminación en túneles
Luego de tomar en consideración las características que debe poseer una luminaria, se consultan las características de las lámparas de vapor de sodio de alta presión enunciadas a continuación.
Vapor de sodio de alta presión- VSAP
La radiación emitida, de color amarillo, está muy próxima al máximo de sensibilidad del ojo humano (555 nm). Por ello, la eficacia de estas lámparas es muy elevada (entre 160 y 180 lm/W). Otra ventaja que ofrecen es que permite una gran comodidad y agudeza visual, además de una buena percepción de contrastes. Por contra, su mono cromatismo hace que la reproducción de colores y el rendimiento en color sean muy malos haciendo imposible distinguir los colores de los objetos.
12 La vida útil de estas lámparas es muy elevada, alrededor de 15000 horas, debido a la depreciación que sufren a lo largo de su vida este tiempo se reduce a una vida útil entre 6000 y 8000 horas. Esto junto a su alta eficiencia y las ventajas visuales que ofrece la hacen muy adecuada para usos de alumbrado público, aunque también se utiliza con finalidades decorativas (ver Figura 1.6). En cuanto al final de su vida útil, este se produce por agotamiento de la sustancia emisora de electrones como ocurre en otras lámparas de descarga, aunque también se puede producir por deterioro del tubo de descarga o de la ampolla exterior (Javier García Fernández, 2004).
Figura 1.6 Lámpara de sodio de alta presión.6
Halogenuros metálicos-MH
Si se añade en el tubo de descarga yoduros metálicos (sodio, talio, indio, entre otros) se consigue mejorar considerablemente la capacidad de reproducir el color de la lámpara de vapor de mercurio. Cada una de estas sustancias aporta nuevas líneas al espectro (por ejemplo amarillo el sodio, verde el talio y rojo y azul el indio).
El resultado de estos aportes es una temperatura de color de 3000 a 6000 K dependiendo de los yoduros añadidos y un rendimiento del color de entre 65 y 85. La eficiencia de estas lámparas ronda entre los 60 y 96 lm/W y su vida media es de 10000 horas aproximadamente. Tienen un periodo de encendido de unos diez minutos, que es el tiempo necesario hasta que se estabiliza la descarga (ver Figura 1.7). Para su funcionamiento es necesario un dispositivo especial de encendido, puesto que las tensiones de arranque son muy elevadas (1500-5000 V) (Javier García Fernández, 2004).
13
Figura 1.7 Lámpara Haluro metálico.7
Fluorescentes-Fl
Las lámparas fluorescentes son lámparas de vapor de mercurio a baja presión (0.8 Pa). En estas condiciones, en el espectro de emisión del mercurio predominan las radiaciones ultravioletas en la banda de 253.7 nm. Para que estas radiaciones sean útiles, se recubren las paredes interiores del tubo con polvos fluorescentes que convierten los rayos ultravioletas en radiaciones visibles. De la composición de estas sustancias dependerá la cantidad y calidad de la luz, y las cualidades cromáticas de la lámpara. En la actualidad se usan dos tipos de polvos; los que producen un espectro continuo y los trifósforos que emiten un espectro de tres bandas con los colores primarios. De la combinación estos tres colores se obtienen una luz blanca que ofrece un buen rendimiento de color sin penalizar la eficiencia, como ocurre en el caso del espectro continuo, la cual da las siguientes cualidades de las lámparas fluorescentes (ver Figura 1.8) (Javier García Fernández, 2004):
• Muy buena reproducción de colores
• Alta eficiencia luminosa
• Colores disponibles 82 (2.700K), 83 (3.000K) y 84 (4.000K)
• Formatos compactos
• Larga vida
• Bajo consumo de energía
14
Figura 1.8 Lámpara fluorescente.8
1.3.2
Tecnologías de iluminación eficientes
Desde el año 2010 aproximadamente se han venido adoptando la instalación de luminarias tipo LED en los sistemas de iluminación de túneles en el mundo. Debido al gran avance tecnológico en el campo de la luminotecnia, la eficacia de estas luminarias se ha venido incrementado año tras año, alcanzando actualmente una eficiencia de 100 lm/W. Las luminarias LED tienen gran reproducción del color, siendo el más usado el color blanco para alumbrado público y mejorando el confort visual del conductor, ya que permite percibir mejor las formas y los colores dentro de la vía. En comparación con la luz solar la cual permite percibir los colores de forma real, las luminarias LED reproducen de forma real los colores, evita cansancio visual, reduce el tiempo de reacción, garantizando una visión más saludable y segura.
Comparación de Tecnologías
Luminaria Eficacia [Lm/W] Vida Útil [hr]
VSAP 70-150 18000
MH 36-120 14000
Fl 50-93 7500-10000
VSBP 200 16000
LED 100 50000
Tabla 1.1 Comparación en tecnologías de luminarias más usadas en túneles.9
Con respecto a las luminarias convencionales mencionadas anteriormente en la Tabla 1.1, se puede observar el comportamiento de la eficacia del led con respecto a las otras luminarias. Pese a que las luminarias de sodio de alta presión presentan mayor eficacia, el led presenta mayor vida útil. De
8 Fuente http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Luz_fluorescente-LMB.png 9
15 esta forma al realizar un análisis en el tiempo en horas de servicio las luminarias led ofrecen mayor vida útil, evitando que se generen costos por reemplazo de luminarias.
Ventajas de la iluminación con LED
Hoy en día los fabricantes ofrecen características como (Consejería de Economía y Hacienda. Comunidad de Madrid, 2015) :
• Larga vida últil: Depende de la calidad de la lámpara y de sus LED. Tienen una duración entre 20.000 y 80.000 horas.
• Tiempo de energización corto con respecto de las otras luminarias de alta potencia.
• Elevada reproducción cromática
• Permiten control y regulación del flujo luminoso
• Flujo luminoso con luz blanca el cual eleva el confort visual
• No emite UV ni infrarrojos; muy ecológica no contienen mercurio ni materiales contaminantes.
• No contienen mercurio.
Desventajas de la Iluminación con LED
Esta tecnología tiene algunas limitaciones que los fabricantes pretenden corregir como (ALROMAR, 2014):
• El ángulo de luminosidad es limitado (focalizado), hay bombillas con ángulos entre 30° y 240º. Los fabricantes buscan diseños donde varios LED apunten hacia diferentes partes lo que puede ser un problema de espacio y encarecimiento de las bombillas.
• Todavía son relativamente caros comparados con las demás tecnologías en iluminación cuando se trata de sistemas de alta potencia.
• Funciona mejor cuanto más blanca es su luz que emite (temperatura de color 6000 K), ya que para obtener luz amarilla y cálida (temperatura de color 3000 K) se tienen que mezclar con otro color lo que hace que se disminuya su rendimiento ligeramente.
• Necesitan disipadores de calor eficientes lo que aumenta su costo, ya que requieren temperaturas menores de 70ºC para mantener su vida útil.
1.3.3
Generalidades para el uso de luminarias LED´s
Actualmente el reglamento de iluminación en Colombia –Retilap- establece lo siguiente; “Toda
información relativa al producto que haya sido establecida como requisito en el presente reglamento, incluyendo la relacionada con marcaciones, rotulados, catálogos o guías técnicas debe ser verificada dentro del proceso de certificación del producto…10”. Ya que esta es una tecnología
reciente, hoy por hoy en el país la gran mayoría de las luminarias que se comercializan no cuentan con certificación del producto. De esta forma es fundamental que en el momento de realizar cualquier tipo de diseño con este tipo de luminarias se exija dichos certificados y promover las
10
16 buenas prácticas de la ingeniería con el fin de garantizar instalaciones con todos los estándares de calidad del mercado.
Con base en lo anterior se ha realizado una investigación de los principales comercializadores de luminarias led para túneles en Colombia:
OSRAM: Luminarias túnel LED
Las luminarias LED están destinadas para el uso en túneles y pasajes debido a que cuentan con una alta eficiencia luminosa y son extremadamente eficientes desde el punto de vista energético, requieren un mantenimiento bajo, y son duraderas y fiables, por lo que pueden resistir muy bien las condiciones ambientales excepcionales de los túneles particularmente. A fin de seguir siendo vanguardistas, las luminarias LED deben diseñarse para explotar completamente el potencial futuro de las fuentes de iluminación LED ofreciendo simultáneamente una calidad de luz máxima y confort visual. Las luminarias LED para túneles de OSRAM son soluciones de sistema: Los LEDs, componentes ópticos, gestión térmica, balastos, tecnología de control al igual que el diseño y materiales de las carcasas se combinan para formar un paquete perfectamente adaptado que permite que la potencia de la luminaria LED se desarrolle por completo y satisfaga los exigentes requisitos de este área de aplicación (OSRAM GmbH, 2015).
GENERAL ELECTRIC: Luminaria túnel LED
La luminaria del Túnel LED de GE ayuda a crear un ambiente seguro para el tráfico con luz blanca para mejorar la visibilidad y el confort-, así como un destacado seis años / 24 horas al día de operación con la misma fuente de luz (General Electric Company, 2013).
• Sistema de calificación es de 50.000 horas (Mantención del 80% del lumen)
• Diseño óptico optimizado basado en túneles de carretera internacional y regulaciones de iluminación paso inferior (JTJ 026.1-1999, CIE 88:2004)
• Utiliza LED’s de alto brillo, 70CRI 6000K (4300K estará disponible el 2012)
• 200-240V Voltaje de entrada disponible con controlador electrónico, PF>0.9, Clase I
• Calificado IP66, adecuado para locaciones húmedas
• Cumple con las normas ANSI 2G vibración
• Altura de montaje ideal 4m-8m
• Temperatura optima de operación: -25℃~40℃
SCHRÉDER: Luminarias túnel LED
Las soluciones LED de Schréder para alumbrado de túneles, equipadas con su tecnología única, ofrecen la mejor solución gracias a su:
• eficiencia energética
• confort visual
• excelente reproducción cromática
17 Preservar la seguridad reduciendo la necesidad de mantenimiento es un gran beneficio para los usuarios. Schréder lo ha comprendido bien y demuestra a diario lo adecuadas que son sus aportaciones técnicas en sus soluciones LED para túneles. (Schréder, 2013)
1.4
Problema de investigación
Desde el 30 de marzo de 2010 en Colombia y bajo la resolución 180540 del Ministerio de Minas y Energía, está rigiendo el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público -RETILAP-. De acuerdo con el reglamento, los sistemas de iluminación que sean nuevos, remodelados o ampliados están en la obligación de cumplir en su totalidad con los parámetros allí establecidos. Un tema de gran importancia en los sistemas de iluminación de Colombia es el mencionado en la Sección 570-Iluminación de Túneles, con base en lo estipulado en esta sección, estos sistemas de iluminación deben diseñarse para que los conductores de vehículos tengan una percepción segura, oportuna y una seguridad en los niveles de movilidad. Parámetros que en la actualidad no se han implementado en la mayoría de túneles existentes en el país.
La iluminación de un túnel presenta como problema fundamental la adecuación del ojo del conductor desde los cuantiosos niveles de iluminación en la zona exterior, a los bajos o nulos en la zona de entrada del túnel; de esta forma los sistemas de iluminación que no cumplen con los requisitos y medidas establecidos en la normatividad respectiva, están siendo inapropiados para la circulación de los conductores a través del túnel. Esto se ve evidenciado en los bajos niveles de iluminación en la zona inicial del túnel impidiendo al conductor visibilidad para distinguir los obstáculos y el trazado de la carretera con el tiempo preciso para garantizar un ingreso seguro al túnel.
Por otro lado en Colombia no se cuenta con un sistema de control adecuado que proporcione un ahorro energético y que garantice a los conductores tanto en el día como en la noche el confort visual necesario para transitar en los túneles, el no contar con un sistema óptimo da lugar al denominado “efecto agujero negro” que impide durante el día, que los conductores vean el interior del túnel cuando se encuentran a cierta distancia de la boca del mismo. A demás cuando se sale del túnel y no se refuerza el nivel de iluminación se produce el efecto de deslumbramiento. Igualmente cuando un automóvil circula por el túnel, se debe evitar molestias causadas por el efecto flicker (Efecto Estroboscópico) el cual se presenta por la velocidad que llevan los vehículos y el espaciamiento de las luminarias lo que conlleva a la fatiga visual, evitando que se garantice una seguridad óptima para los conductores.
18 vida útil de un sistema de iluminación, todo esto para obtener un mejor resultado lumínico luego de optimizar los recursos de energía.
Cabe resaltar que mediante la utilización de un control automático en la iluminación de túneles se proporcionará un sistema eficiente con un significativo ahorro energético.
1.4.1
Objetivo general
Diseñar un sistema de control automático para la optimización de los niveles de iluminación en los túneles de Colombia con el fin de disminuir los consumos de energía eléctrica.
1.4.2
Objetivos específicos
• Realizar una revisión del estado del arte de los últimos años, donde se evidencie la investigación y desarrollo en el área hasta el día de hoy, identificando los avances tecnológicos que permitan definir el perfil del diseño de un esquema de control automático para sistemas de iluminación en túneles.
• Diseñar un sistema de iluminación de túneles que cumpla con los requerimientos establecidos en la normatividad vigente, que a su vez permita establecer las variables de entrada para desarrollar el respectivo esquema de control automático y así contribuir con el PRO-URE.
• Proponer un método de evaluación de desempeño que permita comprobar el correcto funcionamiento del esquema de control.
1.5
Organización de la monografía
Como se observa en la figura 1.9, con el fin de obtener la solución al objetivo general, se llevará a cabo la siguiente metodología, la cual permitirá incluir cada una de las actividades propuestas en el ante proyecto:
Capítulo 2. Diseño del sistema: En éste capítulo se presentan las normas que rigen los diseños de
iluminación en los túneles tales como el RETILAP y la norma CIE88 del 2004; así mismo se detallan los componentes a tener en cuenta al momento de diseñar el sistema de iluminación de un túnel. Por otro lado se explica los sistemas de control con los que se han trabajado en los túneles alrededor del mundo. Por último se muestra el diseño de iluminación y de control, secciones en las que se detalla la metodología con la que se desarrolló este proyecto.
Capítulo 3. Evaluación de desempeño: Se muestran los resultados obtenidos mediante el sistema
de control desarrollado para un túnel característico en Colombia.
Capítulo 4. Conclusiones y trabajos futuros: En este último capítulo se recopila el análisis de los
19
Figura 1.9 Organización de la monografía11
2
Diseño del sistema
2.1
Normatividad vigente
En el ámbito normativo de la iluminación de túneles viales en Colombia, actualmente mediante la resolución 181331 del 6 de Agosto de 2009, el Ministerio de Minas y Energía expidió el Reglamento Técnico de Iluminación y Alumbrado Público –RETILAP-. El cual fue modificado a través de la resolución 180540 de 2010 dándose así a conocer su última actualización. Allí en el capítulo 570. Iluminación de Túneles, se presenta los parámetros que se deben cumplir para realizar un diseño de iluminación en este tipo de espacios.
Así mismo el reglamento toma como normativa de referencia la CIE 88-2004: “Guía para
alumbrado de túneles de carretera y pasos inferiores”, de la Comisión Internacional de
Iluminación.
2.2
Perfil del diseño de iluminación
En la actualidad la infraestructura vial en Colombia se caracteriza por tener un alto costo de inversión; sin embargo, estas presentan deficiencias en diseños, planificación, supervisión y control, sin mencionar deficiencias constructivas. De esta forma no se presenta racionalidad en los recursos invertidos y no se cuenta con tecnología de punta que permita a los sistemas viales ser más eficientes, estos y otros factores no garantizan un tránsito seguro y eficiente a los usuarios del sistema.
En el desarrollo y avance de la tecnología en cuanto a infraestructura vial, una de las aplicaciones conocidas en la ingeniería son las obras subterráneas, dentro de éstas se encuentran los túneles. Y de acuerdo a la actividad que se pretenda desarrollar los túneles pueden ser de tipo vial, hidráulico, comunal, minero y especial. Dentro del desarrollo del presente capítulo, se establecerá las características constructivas y geométricas que debe contar un túnel tipo vial y así obtener información como elemento de entrada para el diseño de un propicio sistema de iluminación para este tipo de infraestructura.
11
20 En la elaboración de un diseño de iluminación como bien se indica en el Retilap, se deben reconocer los espacios a iluminar, teniendo en cuenta las características físicas y arquitectónicas, ya que esto permite desarrollar diseños que se adapten de forma real al entorno donde se pretendan instalar. De igual manera se tiene que determinar los niveles de iluminación para las actividades a desarrollar garantizando un confort visual.
La selección de fuentes luminosas eficientes y acordes al sistema son un factor fundamental para el diseño, ya que al seleccionarlas de forma adecuada se puede garantizar la vida útil de la instalación y la disminución de costos de acuerdo al plan de mantenimiento establecido. Con base en lo anterior es necesario discriminar las características físicas de los túneles en Colombia, tales como la orientación, trazado longitudinal, tipo de revestimiento, tipo de tráfico, distancia de parada, entre otras características que sirven de base para realizar un diseño eficiente. A continuación se presenta la descripción de estas características.
2.2.1
Caracterización de los túneles viales en Colombia
Ubicación Geográfica
El estudio de diseño geométrico determina entre otras cosas la orientación que tendrá el túnel, factor que afecta el diseño de iluminación debido a que los niveles de luminancia en los portales es mayor si éste se encuentra ubicado sentido Este-Oeste. Es así como los conductores experimentan deslumbramiento a la salida del túnel o efecto de agujero negro a la entrada, debido a la incidencia del sol en los portales. Para garantizar el confort visual del conductor es necesario adecuar los niveles de iluminación en los portales. La norma CIE:88 del 2004 muestra un ejemplo de los niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación en el hemisferio sur (Ver Tabla 2.1)
Tabla 2.1 Niveles de luminancia exterior en la entrada del túnel según su orientación.12
(V) País montañoso con superficies principalmente empinadas de frente a los conductores (H) Piso más o menos horizontales.
Geometría Básica
La construcción de los túneles en Colombia se basa principalmente en el diseño geométrico y las características geológicas del terreno donde se vaya a construir, de esta forma el túnel se define en secciones transversales, perfil o planta. Con base en lo anterior es necesario identificar la
21 geometría del túnel para poder establecer el sistema de iluminación a aplicar, ya sea un túnel con flujo vehicular unidireccional o bidireccional. A continuación se determina las principales características que se debe contemplar en la geometría básica:
Planta - Perfil (Rueda, 2010):
• Velocidad de Diseño
• Radio Mínimo
• Distancia de Parada
• Distancia de Visibilidad frente al portal
• Distancia de Visibilidad dentro del túnel
• Pendiente Longitudinal
• Peralte Máximo
Sección transversal (Rueda, 2010):
• Carril
• Sobre-ancho
• Anden
• Galibo Vertical
Trazado del Túnel
El diseño de iluminación debe iniciarse con la determinación de la longitud del túnel, ya que los requerimientos de iluminación cambian de acuerdo a su longitud. Con base en la clasificación dada en la sección 570.2 del Retilap, los túneles se dividen en dos grupos: túneles cortos y túneles largos. La clasificación del túnel depende principalmente de la capacidad que tiene un conductor de ver la salida mientras está ubicado en un punto fuera de la entrada de éste. En tal sentido sí el conductor puede observar la salida el túnel será clasificado como corto, adicionalmente existen otros parámetros que definen la longitud del túnel tales como: el ancho, alto, curvaturas horizontales y/o verticales del túnel, etc.
En relación con la longitud, los túneles pueden clasificarse como:
• Cortos. Si la longitud no supera 500 m.
• Medianos. Si la longitud se encuentra en el rango de 500 a 2000 m.
• Largos. Cuando la longitud tiene entre 2 y 5 km.
• Muy largos. Si la longitud supera 5 km
Con base en lo anterior en la Tabla 2.2, se muestra un resumen de los proyectos de túneles viales construidos en el país. De esta forma se clasifican de acuerdo a su longitud y tipo de revestimiento.
TÚNEL UBICACIÓN LONGITUD
22
Buenaventura IV Dagua-Valle
del cauca 89
Totalmente revestido
en concreto CORTO
El trapiche
Macanal-Boyacá 91
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Buenaventura III Dagua-Valle
del cauca 100
Totalmente revestido
en concreto CORTO
Falso a los Llanos
Guayabetal-Cundinamarca 118 Soporte estructural CORTO
Helicoidal
Dosquebradas-Risaralda 125 Concreto Lanzado CORTO
Peña San Pablo-Túnel falso
Girón-Santander 127 Pórticos de Acero CORTO
Buenaventura II Dagua-Valle
del cauca 130
Revestimiento en concreto convencional en los primeros 22,5 m y 15,5 m finales. 98 m no revestidos (Roca natural).
CORTO
Muros I Santa
María-Boyacá 132
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Caquetá IV
Florencia-Caquetá 175 Concreto Convencional CORTO
El Espejo
Riosucio-Caldas 180
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Bijagual
Villavicencio-Bogotá 185
Revestimiento en
Concreto convencional CORTO
La Llana
Taminango-Nariño 204
Concreto Lanzado. Revestimiento en concreto hacia los portales en longitud de 67,4 m
CORTO
Peñaliza
Chachagui-Nariño 205
Concreto Lanzado. Revestimiento en concreto hacia los portales en longitud de
23 103 m
Las Juntas
Sutatenza-Bogotá 206
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Caquetá III Florencia 208 Concreto Convencional CORTO
Buenaventura I
Buenaventura-Buga 220
Revestimiento en concreto convencional en los primeros 11,5 m y 15,5 me finales. 193 m no revestidos (Roca natural)
CORTO
Túnel Guarne-Ascenso
Túnel
Guarne-Ascenso 235
Concreto Convencional y Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
El volador Bogotá-Santa
María 236
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Caquetá I Florencia 240 Concreto Convencional CORTO
Pozo azul
Garagoa-Boyacá 290
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Túnel Guarne-Descenso
Copacabana-Antioquia 295
Concreto Convencional y Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Buenaventura VIII
Dagua-Valle
del Cauca 300
Concreto Lanzado y
Concreto Convencional CORTO
Moyas Santa
María-Boyacá 350
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Muros II Santa
María-Boyacá 350
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
La esmeralda Santa
24 revestido
Caquetá II Florencia 412 Concreto Convencional CORTO
La Cascada Santa
María-Boyacá 420
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
La Llorona
Dabeiba-Antioquia 435
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
La presa Santa
María-Boyacá 475
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
Buenaventura V Dagua-Valle
del cauca 480
Concreto Convencional y Sostenimiento
esporádico. No
revestido
CORTO
El Infierno
Garagoa-Boyacá 488
Sostenimiento continuo con arcos de acero, malla y concreto
lanzado. Sin
revestimiento
adicional. Este túnel fue destruido en 1997 debido a la socavación producida por la descarga de aguas del Túnel de Tunjira al embalse de Chivor. El túnel se reconstruyó
CORTO
El ventarrón
Macanal-Boyacá 612
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
MEDIANO
EL Salitre
Macanal-Boyacá 634
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
MEDIANO
Quebrada Blanca
Guayabetal-Cundinamarca 726
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
MEDIANO
Pluma de Agua Santa María- 770 Sostenimiento
esporádico. No
25
Boyacá revestido
El Polvorín Santa
María-Boyacá 1640
Sostenimiento
esporádico. No
revestido
LARGO
Daza Pasto-Nariño 1735 Concreto Lanzado LARGO
Boquerón-Argelino Duran Quintero
Villavicencio-Bogotá 2405 Concreto Convencional LARGO
Guillermo León
Valencia-Sumapáz
Villavicencio-Bogotá 4206 Concreto Convencional LARGO
Buenavista-Misael Pastrana Borrero
Villavicencio-Meta 4520 Concreto Convencional LARGO
Fernando Gómez
Martínez-Occidente
Medellín-Antioquia 4603 Concreto Convencional LARGO
Tabla 2.2 Descripción de los Túneles en Colombia (Gil, 2010).
Figura 2.1 Porcentaje de Clasificación de los Túneles Viales en Colombia13
13 Fuente: Autores
75% 10%
15%
% Clasificación Túneles Viales en
Colombia
CORTO
MEDIANO
26
Figura 2.2 Porcentaje de tipo de revestimiento túneles viales en Colombia(Gil, 2010).
Como se puede observar en la Figura 2.1, la mayoría de túneles en Colombia se caracteriza por presentar un alto porcentaje de túneles de corta longitud, seguido de túneles de gran longitud. En la actualidad los proyectos que se están ejecutando abarcan túneles de gran longitud como lo es el túnel Centenario II- La Línea, su construcción se está realizando entre el departamento del Tolima y Quindío y al ser finalizado contará con una longitud de 8763 m siendo éste el más largo de Latinoamérica.
Para establecer si un túnel corto requiere de un sistema de iluminación se determinará si éste no es recto y la cantidad de tráfico que circula por el mismo. De esta forma se deberá dotar de un sistema de iluminación como a un túnel largo y considerando de igual manera un alumbrado diurno, crepuscular y nocturno.
En cuanto al tipo de revestimiento usado para la construcción de los túneles, se observa en el Figura 2.2 que prevalece el concreto convencional, seguido del concreto lanzado. Ya que en la actualidad se hace indispensable el concreto lanzado como tipo de revestimiento, debido a su continuo desarrollo tecnológico; para fines de este proyecto de grado se usará como referencia el concreto lanzado para determinar las características físicas de los túneles en Colombia.
2.2.2
Consideraciones para la vista en perfil
Velocidad de Diseño
Según lo estipulado en el Manual de Diseño Geométrico de Carreteras INVIAS 2008, que define los criterios modernos para el diseño geométrico de carreteras en Colombia. En la sección 7.2
“DISEÑO GEOMÉTRICO DE TÚNELES”, se muestran los parámetros que deben ser aplicados en
27 En primera medida para definir la velocidad de diseño, se tiene como criterio fundamental proporcionar la máxima seguridad de los usuarios para que puedan realizar de forma segura el recorrido y a lo largo del trazado los conductores no sean sorprendidos por cambios bruscos. Así evitar situaciones de riesgo en el interior y las cercanías a los portales. De esta forma se estipula que el diseño geométrico del túnel debe ser realizado contemplando una velocidad de diseño para todos sus elementos de cien kilómetros por hora (100 km/h). Cabe resaltar que el código de tránsito colombiano establece una velocidad máxima de circulación al interior de los túneles de 60 km/h.
Distancia de Parada
Parámetro fundamental en la elaboración del diseño de iluminación del túnel, de esta variable dependen las distancias en las cuales deben ser divididas las diferentes zonas a iluminar.
De acuerdo a la normatividad, la distancia de visibilidad de un conductor es aquella longitud que puede percibir en su ángulo de visión cónico hacia delante. Dentro del diseño se cuenta con tres tipos de distancias de visibilidad, Distancia de visibilidad de parada (DP), Distancia de visibilidad de adelantamiento (Da) y Distancia de visibilidad de cruce (DC) según se muestra en el Manual de
diseño geométrico de INVIAS. Para la metodología aplicada en el diseño de iluminación la
distancia de visibilidad a utilizar es la distancia de parada (DP), ya que esta longitud ofrece al conductor la distancia necesaria para detener el vehículo dada la velocidad específica, si en la vía se encuentra un obstáculo.
Para obtener la distancia de parada se debe sumar la distancia recorrida durante un tiempo de percepción y reacción y la distancia recorrida durante el frenado. La distancia de parada (SD), se mide desde la aplicación de los frenos hasta el momento en que el vehículo se detiene totalmente. Esta distancia contempla variables como lo son: la velocidad de viaje del vehículo, tiempo de reacción, el coeficiente de fricción que se da entre en pavimento y el neumático del vehículo y la pendiente de la vía, según la norma CIE88-2004 la ecuación para calcular la distancia de parada SD es:
= + 2 + ( ± )
Ecuación 2.1 Distancia de parada En donde:
SD: Distancia de parada u= Velocidad de diseño
f= Coeficiente de fricción longitudinal s= pendiente de la vía
t0 = Tiempo de reacción
