08. cálculo de iluminación exterior

Debido a la gran cantidad de factores que intervienen en la iluminación de vías públicas(deslumbramiento, características de los pavimentos, condiciones meteorológicas, etc.) y en lapercepción de estas, el cálculo del alumbrado público ha sido siempre una tarea muy compleja.

Por ello, en un principio los cálculos se enfocaron a determinar unas condiciones de iluminancia sobrela calzada que proporcionaran una buena visibilidad dentro de los márgenes establecidos por losorganismos competentes.

A medida que se fue desarrollando la informática y aumentaron las capacidades de procesamiento dedatos, los cálculos se fueron orientando hacia la determinación de luminancias. Esto no hubiera sidoposible sin la existencia de ordenadores que permiten ejecutar y aplicar los métodos de cálculonumérico en un tiempo razonable.

Así pues, podemos agrupar los métodos en:Cálculo de iluminancias

Método de los lúmenes o del factor de utilización❍

Métodos numéricos. El método de los nueve puntos❍

●

Cálculo de luminancias●

Método de los lúmenes o del factor de utilizaciónLa finalidad de este método es calcular la distancia de separación adecuada entre las luminarias quegarantice un nivel de iluminancia medio determinado. Mediante un proceso iterativo, sencillo ypráctico, se consiguen unos valores que aunque no son muy precisos, sí sirven de referencia paraempezar a aplicar otros métodos.

El proceso a seguir se puede explicar mediante el siguiente diagrama de bloques:

Cálculo de instalaciones de alumbrado

http://edison.upc.es/curs/llum/exterior/calculos.html (1 de 9) [29/03/2001 21:02:24]

Datos de entradaDeterminar el nivel de iluminancia media (Em). Este valor depende de las características yclase de pavimento , clase de vía, intensidad del tráfico, etc. Como valores orientativospodemos usar:

●

Tipo de vía Iluminancia media (lx) Luminancia media (cd/m2)A 35 2B 35 2C 30 1.9D 28 1.7E 25 1.4

Escoger el tipo de lámpara (vapor de mercurio, sodio...) y la altura de montaje necesarias sinexceder el flujo máximo recomendado en cada intervalo.

●

Flujo de la lámpara (lm) Altura (m)3000 < 10000 6 H < 8

10000 < 20000 8 H < 10

20000 < 40000 10 H <12 40000 12

Elegir la disposición de luminarias más adecuada según la relación entre la anchura de lacalzada y la altura de las luminarias

●

Disposición Relación anchura/alturaUnilateral 1Tresbolillo 1 < A/H 1.5Pareada > 1.5

Determinar el factor de mantenimiento (fm) dependiendo de las características de la zona(contaminación, tráfico, mantenimiento...). Normalmente esto es difícil de evaluar y serecomienda tomar un valor no superior a 0.8 (habitualmente 0.7).

●

Características de la vía Luminaria abierta Luminaria cerradaLimpia 0.75 0.80Media 0.68 0.70Sucia 0.65 0.68

Calcular el factor de utilización ( )El factor de utilización es una medida del rendimiento del conjunto lámpara-luminaria y sedefine como el cociente entre el flujo útil, el que llega a la calzada, y el emitido por la lámpara.

●



Normalmente se representa mediante curvas que suministran los fabricantes con las luminarias.Estas curvas podemos encontrarlas en función del cociente anchura de la calle/altura (A/H), lamás habitual, o de los ángulos 1, 2 en el lado calzada y acera respectivamente.

Curvas del factor de utilizaciónDe los gráficos se puede observar que hay dos valores posibles, uno para el lado acera y otropara el lado calzada, que se obtienen de las curvas.

A = A1+ A2= 1+ 2

Por tanto, para obtener el factor de utilización total de la sección transversal de la calle habráque sumar los coeficientes del lado acera y del lado calzada, aunque en otros casos la cosapuede ser diferente.

Cálculo de la separación entre luminarias

Una vez fijados los datos de entrada, podemos proceder al cálculo de la separación (d) entre lasluminarias utilizando la expresión de la iluminancia media.

donde:Em es la iluminancia media sobre la calzada que queremos conseguir.●

es el factor de utilización de la instalación.●

fm es el factor de mantenimiento.●



es el flujo luminoso de la lámpara.●

A es la anchura a iluminar de la calzada que en disposición bilateral pareada es la mitad (A/2) y toda (A) en disposiciones unilateral y tresbolillo.

●

Unilateral o tresbolillo ABilateral A/2

son datos conocidos yd es la separación entre las luminarias.●

y la incógnita a resolver.

Comprobación

Finalmente, tras las fases anteriores, entrada de datos y cálculo, solo queda comprobar si el resultadoestá dentro de los límites. Si es así habremos acabado y si no variaremos los datos de entrada yvolveremos a empezar. Si la divergencia es grande es recomendable cambiar el flujo de la lámpara.

A modo orientativo podemos usar la siguiente tabla que da la relación entre la separación y la altura para algunos valores de la iluminancia media.

Em (lux) separación / altura2 Em<7 5 d/h <4

7 Em <15 4 d/h <3.515 Em 30 3.5 d/h <2

Métodos numéricosLos métodos numéricos se basan en la idea de que no es preciso calcular la iluminancia en todos lospuntos de la calzada para tener una idea exacta de la distribución luminosa, sino que basta con hacerloen unos cuantos puntos representativos llamados nodos. Para ello, dividiremos la zona a estudiar enpequeñas parcelas llamadas dominios, cada una con su correspondiente nodo, en las cualessupondremos la iluminancia uniforme. La iluminancia total de la calzada se calculará como una mediaponderada de las iluminancias de cada dominio

El número de particiones que hagamos dependerá de la precisión que queramos obtener. En nuestrocaso trabajaremos con el criterio de los nueve puntos que es el más sencillo, aunque la mecánica detrabajo es la misma siempre independientemente del número de dominios que tengamos.

Los métodos numéricos son herramientas de cálculo muy potentes pero que requieren mucho tiempopara su ejecución. Por ello es imprescindible el concurso de ordenadores para aplicarlos.

Método de los nueve puntosSupongamos un tramo de vía recta con disposición unilateral de las luminarias y separadas unadistancia d.



Debido a las simetrías existentes en la figura, bastará con calcular las iluminancias en la zonaseñalada. En el resto de la calzada estos valores se irán repitiendo periódicamente.

Para hacer los cálculos, la zona se divide en nueve dominios con otros tantos puntos.

El valor medio de las iluminancias será para este caso:

con:



Se puede demostrar fácilmente que la expresión anterior de Em es también válida para lasdisposiciones tresbolillo y bilateral pareada.

Para calcular las iluminancias sobre cada nodo sólo consideraremos la contribución de las luminariasmás próximas despreciándose el resto por tener una influencia pequeña.

La iluminancia en cada punto vale entonces:

Ei = EiA + EiB + EiC



Ei = EiA + EiB + EiC + EiD + EiE + EiF

Además de Em podemos calcular los coeficientes de uniformidad media y extrema de las iluminancias



Uniformidad media = Emin / EmUniformidad extrema = Emin / Emax

Para calcular las iluminancias podemos proceder de dos maneras:

En primer lugar podemos calcularlas usando la fórmula:

donde I se puede obtener de los gráficos polares o de la matriz de intensidades.

La otra posibilidad es recurrir a un método gráfico. En él, los valores de las iluminancias se obtienenpor lectura directa de las curvas isolux. Para ello necesitaremos:

Las curvas isolux de la luminaria (fotocopiadas sobre papel vegetal o transparencias)1.La planta de la calle dibujada en la misma escala que la curva isolux.2.Una tabla para apuntar los valores leídos.3.

El procedimiento de cálculo es el siguiente. Sobre el plano de la planta situamos los nueve puntos ylas proyecciones de los centros fotométricos de las luminarias sobre la calzada.

A continuación se superpone sucesivamente la curva isolux sobre el plano de manera que su orígenquede situado sobre la luminaria y los ejes estén correctamente orientados (0-180º paralelo al eje de lacalzada y 90º-270º perpendicular al mismo). Se leen los valores de la luminancia en cada punto y seapuntan en la tabla. a continuación se suman los valores relativos para cada punto y se calculan losvalores reales.Finalmente calculamos la iluminancia media y los factores de uniformidad media yextrema.

Veámoslo mejor con un ejemplo sencillo. Supongamos una calle con luminarias de 20000 lm situadasa una altura de 8 m.



Los valores reales de las iluminancias en cada punto se calculan a partir de los relativos aplicando lafórmula:

Finalmente, calculamos la iluminancia media y los factores de uniformidad:

Existen otros métodos de cálculo más potentes y fiables orientados a su empleo en aplicacionesinformáticas, pero los principios en que se basa su funcionamiento son los que acabamos de exponer.

Cálculo de luminanciasLa luminancia de un punto de la calzada que percibe un observador depende básicamente de lailuminancia recibida en dicho punto proveniente de las luminarias de la calle, de las característicasreflectantes del pavimento y de la posición del observador. Visto esto, y en especial teniendo encuenta que los observadores, los usuarios de la vía, van variando su posición, resulta fácil comprender



la dificultad de determinar las luminancias. Por ello, en la actualidad, el cálculo de luminancias estáorientado al empleo de métodos numéricos ejecutados por ordenador.

Como ya sabemos, la luminancia de un punto de la calzada vista por un observador e iluminado pormás de una luminaria se puede expresar como:

Donde r( , ) es un factor que depende delas características reflectivas del pavimento.

Luminancia de un punto de la calzada

Para efectuar los cálculos, el observador se sitúa 60 metros, en el sentido de la marcha, por delante dela primera fila de puntos que forman la partición que se ha realizado en la vía y a una altura de 1.5 msobre el suelo.

Los métodos consisten en determinar las luminancias de los puntos de la calzada previamenteescogidos. Una vez determinadas podremos calcular la luminancia media y los factores deuniformidad de la calzada. Así comprobaremos si se cumplen los criterios especificados en lasrecomendaciones.

Existen métodos manuales para el cálculo de la iluminancia por el método del punto por puntoaplicando gráficos (con diagramas iso-r e isocandela o con diagramas iso-q e isolux) pero están endesuso por ser métodos lentos, tediosos y poco fiables debido a que es fácil equivocarse durante suempleo.



Problemas resueltos

1. Para la calle de la figura, calcular el factor de utilización de:Datos: altura de las luminarias 10 m

La vía.a. La calzada.b. La acera opuesta a la fila de luminarias.c. La acera más próxima a las luminarias.d.

Curva del factor de utilización

SoluciónEn este problema se nos pide que calculemos el factor de utilización para diferentes partes de la vía. Para ellotendremos en cuenta la geometría de la vía. Una vez determinados los coeficientes A/h y con ayuda de losgráficos suministrados por el fabricante obtendremos los valores del factor de utilización que usaremos en loscálculos.

a.- Factor de utilización de la vía:

La vía comprende la calzada y las dos aceras. Por tanto:

Los gráficos del factor de utilización no dan valores puntuales de dicho factor, sino que dan el valor de estepara el tramo comprendido entre la perpendicular del eje óptico de la luminaria y el punto situado a una

Ejercicios sobre alumbrado de vías públicas

http://edison.upc.es/curs/llum/exterior/ejvias.html (1 de 12) [29/03/2001 21:02:56]

distancia A. Por eso, para calcular el factor de toda la vía hemos tenido que sumar los valores parciales a unlado y a otro de la línea rosa. Las cosas pueden variar según la geometría del problema y podemos tener casosen que hay que restar como veremos después.

b.- Factor de utilización de la calzada:

Ahora nos piden el factor de utilización de la calzada. Es decir de la vía sin las aceras.

c.- Factor de utilización de la acera opuesta a las luminarias:

d.- Factor de utilización de la acera más próxima a las luminarias:

Así pues, los resultados finales son:

a 0.32b 0.20c 0.36d 0.08

Una vez determinados los factores de utilización de cada zona (calzadas, aceras, etc.) es posible determinar suiluminancia media aplicando la fórmula:



2. Queremos iluminar una calzada de 9 metros de anchura con una iluminancia media de 30 luxutilizando lámparas de vapor de sodio de alta presión de 200 W de potencia y un flujo de luminoso de30000 lm. Las luminarias se instalarán a una altura de 8 m en disposición tresbolillo y la distancia de lavertical del centro óptico de la luminaria al borde de la acera es de 1 m. Hallar la distancia entreluminarias.

Se considera que el factor de mantenimiento de la instalación es de 0.7 y se suministran las curvas delfactor de utilización de la luminaria.

SoluciónEste problema se resuelve aplicando el método del factor de utilización del que conocemos todos los datosmenos el factor de utilización y la interdistancia que es la incógnita.

Cálculo del factor de utilización:

Conocidos todos los datos sólo queda sustituirlos en la fórmula y calcular el valor de d.



3. Queremos dimensionar una instalación de alumbrado público de para una calle de una zona ruralpoco transitada. Cada acera mide 1.5 m y la calzada cinco metros midiendo la calle en total 8 m deanchura. Se ha pensado instalar luminarias abiertas con lámparas de vapor de sodio a alta presión de250 W y flujo luminoso de 15000 lm. Disponemos asimismo de las curvas isolux de la luminaria y lasgráficas del factor de utilización suministradas por el fabricante.

Curva isolux de la luminaria Curva del factor de utilización

Otros datos: Se considerará que la proyección del centro óptico de la luminaria sobre la calzada estará a1 m del bordillo.

Determinar:La altura de montaje.a. La disposición más adecuada de las luminarias.b. El valor de la iluminancia media.c. La distancia de separación de las luminarias.d. La iluminancia media en la calzada en el momento de puesta en marcha de la instalación y una vez seproduce la depreciación.

e.

La iluminancia media sobre la cada acera.f. Los factores de uniformidad media y extrema de la calzada.g.

SoluciónEste problema podría ser el típico planteamiento de una instalación real. Aquí la información disponible es muyescasa y debemos determinar todos los parámetros de la instalación. Para resolverlo aplicaremos el algoritmodescrito en el método de los lúmenes que nos permitirá conocer todos los datos requeridos excepto los factoresde uniformidad. Para estos últimos emplearemos el método de los nueve puntos.

Datos:

Lámpara de vapor de sodio a alta presión de 25000 lm de flujo luminoso



a.- Altura de montaje

Según la tabla que nos da la relación entre el flujo luminoso de la lámpara y la altura de la luminaria para unflujo de 15000 corresponde una altura entre 8 y 10 metros. Por motivos económicos cogeremos postes de 8 mde altura que son más baratos. Por tanto h = 8 m.

b.- Disposición de las luminarias

Para conocer la disposición debemos calcular primero el valor de la relación entre el ancho de la calzada y laaltura de las luminarias. En nuestro caso es 5/8 = 0.625 que según la correspondiente tabla aconseja unadisposición unilateral.

c.- El valor de la iluminancia media

Sabemos que la instalación está situada en una calle de tráfico escaso en una zona rural. Es lógico pensar quelas necesidades luminosas serán mínimas y la asimilaremos a una vía del tipo E. Por tanto, le corresponderá unailuminancia media de 25 lx.

d.- La distancia de separación entre las luminarias

Ya tenemos casi todos los datos necesarios para poder aplicar la fórmula de la iluminancia media excepto elfactor de mantenimiento y el de utilización.

Para conocer el valor del factor de mantenimiento sabemos que se instalará una luminaria de tipo abierto. Nosqueda por decidir si el grado de suciedad del entorno. Como la calle está en una zona rural con poco tráficopodemos pensar que la instalación no se ensuciará demasiado pero también podemos suponer que las lámparasno se limpiarán con mucha frecuencia. Por tanto y adoptando una posición conservadora le asignaremos elvalor de una luminaria abierta en un ambiente medio. Así pues, le asignaremos un valor de 0.68.

Calculo del factor de utilización:

Finalmente sólo queda calcular el valor de d.



e.- La iluminancia media en la calzada en el momento de puesta en marcha de la instalación y una vez seproduce la depreciación

En el momento de la puesta en marcha el valor del factor de mantenimiento es 1. Por tanto:

Transcurrido el tiempo el flujo luminoso de la lámpara descenderá por efecto de la suciedad y la depreciaciónde esta. El nuevo valor de la luminancia será:

f.- La iluminancia media sobre la cada acera.

Para calcular las iluminancias lo primeros que debemos determinar son los factores de utilización de cada unade las aceras.

Acera más próxima a las luminarias

de donde:

Acera opuesta a las luminarias

de donde:



g.- Los factores de uniformidad media y extrema de la calzada.

Para calcular los factores de uniformidad hemos de emplear el método de los nueve puntos.

En primer lugar tendremos que elaborar un plano de la calle a la misma escala que las curvas isolux delfabricante. Las curvas están referidas a distancias divididas por la altura de la luminaria. Por tanto hemos dedividir los parámetros de la calle por este valor. Cuando dispongamos de estos valores relativos, losmultiplicaremos por el número de pixeles (milímetros sobre el papel) que corresponden a una unidad de H en elgráfico; en nuestro caso son 42 pixel por unidad de longitud. Resumiendo:

A continuación podemos ver el dibujo de la calle a escala con los nueve puntos ya colocados sobre ella.

Una vez realizado esto podemos pasar a superponer la gráfica sobre las diferentes luminarias y leer los valoresde la curva isolux sobre los puntos tal y como hicimos al hablar del método de los nueve puntos.

1 2 3 4 5 6 7 8 9A 150 123 75 100 97 66 64 73 42B 20 23 18 25 38 42 63 72 42C 20 23 22 13 17 15 9 10 9

Eicurva

190 169 115 138 152 123 136 155 93

Eireal

44.6 40.0 27.0 32.4 35.6 28.9 31.9 36.4 21.8

Los valores reales de las iluminancias en cada punto se calculan a partir de los relativos aplicando la fórmula:




Em = 34 lx

El valor de Em obtenido es el del momento de puesta en marcha de la instalación. Para obtener el valor una vezproducida la depreciación hemos de multiplicarlo por el factor de mantenimiento (0.68). Obtenemos entoncesun valor de 23.12 lx. La pequeña discrepancia existente con el otro método (24.29) se puede deber ainexactitudes al elaborar los gráficos y a errores de apreciación en la lectura de los mismos.

Problemas propuestos1. Queremos iluminar una calzada de 7 metros de anchura con aceras de 2 metros con una iluminanciamedia de 25 lux utilizando lámparas de halogenuros metálicos de 250 W de potencia y un flujo deluminoso de 20000 lm. Las luminarias se instalarán a una altura de 10 m en disposición tresbolillo y ladistancia de la vertical del centro óptico de la luminaria al borde de la acera es de 1 m. Se considera queel factor de mantenimiento de la instalación es de 0.7 y se suministran las curvas del factor de utilizaciónde la luminaria.

Hallar:La distancia entre las luminariasa. La iluminancia media de la calzada en el momento de puesta en servicio y después de producirse ladepreciación

b.

La iluminancia media del carril más próximo a la fila de luminariasc. La iluminancia media de la acera más alejada de las luminariasd.

Ver resultados

Em (sin depreciación) 27.5 lxEm (con depreciación) 19.25 lx

Um 0.69Uext 0.56

Ver solución



SoluciónEste problema es muy similar al segundo de los problemas resueltos en esta página. De hecho el planteamientoes el mismo; se resuelve aplicando el método de los lúmenes. Si nos piden la distancia entre luminarias hay quecalcular el factor de utilización de la calzada y luego calcular d. Mientras que para calcular la iluminanciamedia de una zona de la vía (calzada, aceras...) se calcula el factor de utilización primero y después lailuminancia media en dicha zona.

a.- La distancia entre las luminarias

Para calcular la distancia entre las luminarias primero necesitamos conocer el valor del factor de utilización dela calzada.

Finalmente sólo queda calcular el valor de d.

Tomaremos un valor de d menor o igual al calculado; por ejemplo d = 22 m

b.- La iluminancia media de la calzada en el momento de puesta en servicio y después de producirse ladepreciación

Para calcular la iluminancia en el momento de puesta en servicio hay que considerar el factor de mantenimientoigual a la unidad.



Transcurrido el tiempo el flujo luminoso de la lámpara descenderá por efecto de la suciedad y la depreciaciónde esta. El nuevo valor de la luminancia será:

c.- La iluminancia media del carril más próximo a la fila de luminarias

El procedimiento es el de siempre. en primer lugar calculamos el factor de utilización de dicho carril.

de donde:

d.- La iluminancia media de la acera más alejada de las luminarias

de donde:

2. Calcular la iluminancia media y los coeficientes de uniformidad media y extrema para la calle de lafigura usando el método de los nueve puntos.

Datos:factor de mantenimiento: 0.7●

tipo de lámpara: halogenuros metálicos de 250 W de potencia●

flujo de la lámpara: 20000 lm●

altura de las luminarias: 10 m●

disposición de las lámparas: tresbolillo●

Se proporcionan asímismo el plano a escala de la calle y el gráfico isolux de la luminaria



Escoja el gráfico que desee ver:

Ver resultados

a d = 22 m

bEm = 36.4 lx (sin depreciación)Em = 25.5 lx (con depreciación)

c Em = 29.1 lx

d Em = 19.1 lx

Ver solución

SoluciónPara resolver este problema hemos de aplicar el método de los nueve puntos. Para ello iremos superponiendolas curvas sucesivamente sobre las luminarias A, B y C y anotaremos los resultados en una tabla.

1 2 3 4 5 6 7 8 9A 150 125 70 100 100 65 75 80 50B 10 20 30 15 20 50 17 45 90C 10 20 30 5 15 20 3 10 15

Ei curva 170 165 130 120 135 135 95 135 155

Ei real 34 33 26 24 27 27 19 27 31

Los valores reales de las iluminancias en cada punto se calculan a partir de los relativos aplicando la fórmula:



Plano de la calle


Em = 27.5 lx

El valor de Em obtenido es el del momento de puesta en marcha de la instalación. Para obtener el valor una vezproducida la depreciación hemos de multiplicarlo por el factor de mantenimiento (0.7). Obtenemos entonces unvalor de 19.25 lx.



08. cálculo de iluminación exterior

Engineering