El Sistema de Fotometría Mesópica en Alumbrado Público

Ing. Alex Ramírez Rivero*, Ing. Benjamín Marín Fuentes, Ing. Juan Carlos Marcelo Rocha Universidad Nacional Autónoma de México / Genertek SA de CV
*Ex Presidente de la Sección México de IESNA, Titular de la Asignatura de Iluminación en la Facultad de Ingeniería de la UNAM y Director General de Genertek, SA de CV

Resumen

Este artículo es el cuarto de una serie de cinco donde se utilizan los conceptos que fueron revisados en los tres primeros artículos de la serie, pero esta vez aplicados a la iluminación de vialidades. Se presenta una nueva metodología para evaluar el alumbrado público en México de acuerdo con el sistema de fotometría mesópica de la CIE. Se proponen nuevos valores de DPEA considerando la aplicación del criterio mesópico acorde a las tecnologías modernas en iluminación para promover el ahorro de energía en alumbrado público mediante la ejecución de proyectos de alumbrado más eficientes, contribuyendo a la mitigación de gases de efecto invernadero y manteniendo la calidad de la iluminación que les permita a los usuarios tener un desempeño visual adecuado. Se propone integrar estos criterios modernos a la norma nacional NOM-013-ENER-2013 para estar a la vanguardia como país, coadyuvando a mejorar las finanzas de los gobiernos municipales mediante la reducción de su facturación eléctrica e impulsando a los desarrolladores de tecnología eficiente y a los inversionistas públicos y privados.

Introducción

Desde hace muchos años, los especialistas en iluminación sabemos que los resultados de las mediciones de iluminación en instalaciones reales no siempre coinciden con la opinión de los usuarios. La historia es antigua y data desde 1888 cuando S. Langley descubrió que el desempeño del ojo estaba relacionado con la longitud de onda de la luz así como con el nivel de iluminación. En 1907 P. Nutting concibió por primera ocasión a la luz como un fenómeno físico en función del ojo humano definiendo por primera vez al lumen como la suma de la energía radiante visualmente percibida por el ojo humano en cada longitud de onda. En 1908 se creó el método “flicker” sometiendo a los usuarios a una fuente de luz monocromática alternando con una fuente patrón y 2 años después, en 1910, E. Hyde desarrolló el método “step-by-tep” alternando fuentes monocromáticas con longitudes de onda cercanas entre sí. En 1923 K. S. Gybson y E. P. Tyndall presentaron un trabajo en el que resumían 8 experimentos y sus resultados. Finalmente, buscando consenso internacional, la Comisión Internacional de Iluminación (CIE, por sus siglas en francés) aprobó en Génova en 1924 la curva de sensibilidad fotópica, universalmente aceptada como única para la ingeniería de iluminación en el mundo. La “fé foveal” estaba en marcha y todos los fotómetros en el mundo se ajustaron a la llamada “curva fotópica” o curva diurna. Este acuerdo favoreció el comercio internacional y la concordancia entre las normas de diferentes países. Sin embargo, la curva de 1924 es una curva de distribución gaussiana mesocúrtica que sólo considera a la fóvea, esa pequeña parte central de la retina que contiene a los conos. Los conos son células fotosensibles situadas en la retina de los vertebrados y que son los responsables de la visión en colores y de la agudeza visual. Hay de 6 a 7 millones y se caracterizan por tener baja sensibilidad a la luz pero permiten tener alta identificación de los detalles y los colores. Los conos son, por lo tanto, indispensables para el fenómeno de la visión. El problema es que no son los únicos fotorreceptores importantes. En la retina hay otros fotorreceptores responsables de la visión en condiciones de baja luminosidad que se conocen como bastones. Los bastones tienen elevada sensibilidad a la luz, sensibilidad conocida como escotópica aunque se saturan en condiciones de sobrexposición y no detectan los colores. Hay hasta 130 millones ubicados en casi toda la retina, exceptuando la fóvea. Contienen rodopsina, que es una proteína sensible a longitudes de onda cercanas a 500nm (luz verde azulada) siendo virtualmente ciegos a los rojos. Una de las funciones más importantes de los bastones es ser responsables de la visión periférica, indispensable para prácticamente todas las actividades humanas hoy en día. Por lo tanto, un luxómetro fotópico certificado registra sólo una parte de la luz que el ojo realmente percibe.

En 1951 la CIE caracterizó la curva de sensibilidad del ojo humano llamada escotópica (visión nocturna) y en 1962 el científico H. Bouma encontró que el cambio en el tamaño de su propia pupíla lo causaban las radiaciones azulosas de 490nm y no la de 555nm como afirmó la CIE en 1924. En 1978 la CIE aceptó una segunda función de eficiencia luminosa fotópica -la Corrección de Judd-Vos- pero fue hasta finales de los 80s cuando el científico americano S. Berman y su equipo del LBNL retomaron los trabajos de Bouma y usando pupilometría infrarroja demostraron que la respuesta espectral del tamaño de la pupila es 3.4 veces mayor en la sensibilidad escotópica (S) que en la fotópica (P) y que los sujetos experimentaban una mayor percepción visual con luz blanca azulada que con luz cálida. El uso generalizado de la función fotópica en todas las aplicaciones de iluminación se ha constituido en un paradigma, sin embargo, entre los intervalos fotópico y escotópico existe una zona de transición que corresponde a la visión mesópica (mezzo o intermedia), en la que participan tanto los conos como los bastones. El intervalo de la visión mesópica se considera entre 0.001 cd/m² hasta poco menos de 10 cd/m², en donde se encuentran los niveles de iluminación recomendados para muchas aplicaciones, entre ellas el alumbrado de vialidades. En 1992 S. Berman y M. Rea publicaron los primeros valores de una relación hoy conocida como S/P para diferentes fuentes de luz, es decir, calcularon el cociente entre la sensibilidad nocturna y la sensibilidad diurna del ojo. Mientras más altas sean la TCC y el CRI, mayor será la S/P. Por ejemplo, el vapor de sodio alta presión tiene una S/P entre 0.56 y 0.65 mientras que los LED tienen S/P de 1.5 a 2.1. Poco tiempo después, Berman y su equipo desarrollaron un método a base de ciertos exponentes aplicados a la S/P para convertir de lúmenes fotópicos (teóricos) a lúmens verdaderos (reales), conocidos también como lumens pupila o “visual effective”. En los 90´s durante una Conferencia Anual de la IES, Berman adaptó un camión para invitar a los asistentes a conocer su teoría. Muchos de los mejores proyectistas en el mundo agradecieron que por fin, “alguien les hubiera explicado lo que ellos ya sabían, pero no entendían el por qué”. Fue a partir del año 2004 y en vista de las numerosas peticiones, que el Departamento de Energía en EEUU realizó tres importantes trabajos: a) Ahorro de Energía mediante Iluminación Espectralmente Mejorada: Evaluación en Campo, b) Ahorro de Energía en Oficinas mediante Lámparas Fluorescentes Escotópicamente Mejoradas y c) Ahorro de Energía mediante Iluminación Espectralmente Mejorada: Justificación Económica. Con estos trabajos se aclaró el panorama sobre las discrepancias entre la iluminación medida y la realmente percibida en los espacios interiores, pero ¿Qué hay de la iluminación en exteriores, especialmente en alumbrado público?

El criterio mesópico para Alumbrado Público

Los sistemas de alumbrado público tienen una especial participación en el consumo de energía eléctrica en México, dado que hay 6.45 millones de luminarios instalados, prestan servicio en todas las entidades del país y permanecen encendidos 12 horas al día los 365 días del año, demandando 1,209 GW. De acuerdo con el Sistema de Información Energética de la Secretaría de Energía, las ventas de energía eléctrica de tarifas de alumbrado público en México, ascendieron a 5,295 GWh en el 2015, lo que representó un gasto de 15,615 MDP para los gobiernos municipales del país. Usualmente el alumbrado público demanda entre 25 y 40% de los recursos de los municipios mexicanos.

Este trabajo tiene como objetivo principal presentar una metodología para medir y evaluar de forma directa y comprensible los niveles de iluminación del alumbrado de vialidades en México de acuerdo con el sistema de fotometría mesópica de la CIE. Se proponen nuevos valores de densidad de potencia eléctrica por alumbrado (DPEA) considerando las modernas tecnologías disponibles en iluminación y se busca promover el ahorro de energía mediante la ejecución de proyectos de alumbrado más eficientes, manteniendo los niveles de iluminación apropiados que les permitan a los ciudadanos tener un desempeño visual que les genere confianza al transitar por la vía pública. Otros objetivos son contribuir a la mitigación de gases de efecto invernadero ocasionados por la generación de energía eléctrica por medio de combustibles fósiles y ayudar a mejorar las finanzas de los gobiernos municipales mediante la reducción de su facturación eléctrica por concepto de alumbrado público.

Aunque desde 1998 y hasta el año 2002 la Unión Europea desarrolló una intensa investigación que llamó MOVE (Mesopic Optimization of Visual Efficiency) no fue hasta el año 2010 cuando la CIE publicó el reporte CIE 191:2010 Recommended System for Mesopic Photometry based on Visual Performance, el cual presenta un nuevo sistema de fotometría para evaluar los niveles de iluminación en aplicaciones con luminancias menores de 5 cd/m², como es el caso del alumbrado de vialidades. Todavía hoy, hay discusiones entre los diferentes organismos de iluminación sobre la conveniencia de usar nits o luxes en alumbrado público. Para obtener la luminancia en nits (cd/m²) a partir de la iluminancia en luxes (lm/m²), sólo hay que multiplicar a la iluminancia por la reflectancia efectiva del pavimento (en por unidad) y luego dividir entre π (3.1416).

Nuestra metodología propone el uso de tablas para obtener la iluminancia mesópica equivalente para un nivel de iluminancia fotópica dado, en función del tipo de pavimento y la relación S/P de la fuente de luz. El uso de tablas permite realizar fácilmente la conversión, sin necesidad de emplear el modelo matemático establecido en el reporte CIE 191:2010, que implica una serie de iteraciones, así como conversiones de luminancia (nit) a iluminancia (lx), que es el parámetro de mayor uso en México. Propone considerar que los niveles de iluminación especificados en la NOM-013-ENER-2013 se tomen como niveles de iluminancia fotópica referidos a los sistemas de vapor de sodio alta presión (S/P=0.65) de tal manera que las fuentes de luz blanca con una relación S/P mayor de 1.0, proporcionen un desempeño mesópico visual equivalente, a pesar de tener una iluminancia fotópica menor. Estas metodologías son fáciles de adaptar e implementar en la normatividad nacional dado que no requieren equipos de medición y/o pruebas de laboratorio especiales, sino únicamente de un luxómetro convencional debidamente calibrado que cumpla con las especificaciones recomendadas para este tipo de aplicación.

Entre otros puntos se hace un análisis detallado de los criterios fotópico, escotópico y mesópico así como de los métodos de medición en campo, la luminancia, la iluminancia, las relaciones de uniformidad y la observancia de las normas aplicables. Finalmente se hace un análisis técnico/económico sobre la base del «costo de ciclo de vida» y la determinación de índices modernos como la “eficacia mesópica mínima mantenida”, que considera muchos otros factores importantes.

En realidad, existen dos opciones a escoger: i) Obtener un mejor desempeño visual real con la luz blanca (p. ej. 16 lx) que con luz amarilla (12 lx) a pesar de que los luxómetros ordinarios marquen 14 lx para ambos casos, y ii) Que el desempeño visual real sea el mismo aunque los luxómetros marquen hasta 4 lx de diferencia (16 lx luz amarilla vs 12 lx luz blanca).

Esta segunda opción es la que ofrece la gran oportunidad de ahorro de energía ya que los nuevos sistemas de luz blanca como los LEDs podrían subdimensionarse, aumentando la rentabilidad de las inversiones al bajar la inversión inicial, minimizar la potencia instalada y aumentar el ahorro de energía. El ahorro de energía se obtiene automáticamente con la reducción de la carga conectada y por ende a partir de la nueva Densidad de Potencia Eléctrica por Alumbrado (DPEA). Al asumir 12 horas de uso al día durante 365 días del año, el consumo de energía y la facturación eléctrica pueden bajar y beneficiar a municipios, desarrolladores de tecnología e inversionistas. El proyecto plantea una metodología para aplicar el sistema de fotometría mesópica de la CIE para el cálculo y la medición de los niveles de iluminación de vialidades proponiendo nuevos valores de DPEA, tomando como base los resultados que se obtienen con este nuevo sistema de fotometría y la aplicación de las nuevas tecnologías de iluminación disponibles.

Además de la Fotometría Mesópica ¿Qué otra cosa faltaría en la NOM-013-ENER?
Hay varios temas a considerar:

a. Reconsiderar la clasificación de pavimentos conforme a los materiales usados en México dado que actualmente la clasificación está dada de acuerdo a los materiales usados en EEUU.
b. Reclasificar a las vialidades de acuerdo a la diversidad de opciones que tenemos en el país.
c. Ajustar la DPEA conforme a esa nueva clasificación de vialidades. De otra manera habría ahorros energéticos en la red pero en los “servicios directos” sin medición no habría ahorros económicos en la facturación.
d. Discutir y decidir si en las revisiones de la NOM-013-ENER se deben mantener las iluminancias mesópicas o si es mejor manejar luminancias mesópicas.
e. Considerar el efecto de apoptosis retinal en el ojo humano debido a la energía fototóxica del espectro visible, tema especialmente importante en LEDs de TCC alta que en ciertas condiciones provoca pérdida acelerada de la visión.
f. Analizar la protección de “Cielos Oscuros”, una iniciativa de la International Dark Sky Association (IDA) para reducir la contaminación lumínica en la noche y sus nocivos efectos en la fauna. Por la influencia de la IDA, los nuevos luminarios deben ser “Full Cutoff” y el rango de TCC en la norma ANSI C78_377-2015 ha sido ampliado con dos nuevas TCC más bajas, quedando ahora desde 2200K hasta 6500K.

Beneficios esperados

1. Para los usuarios del servicio de alumbrado: Cuando se proporciona una iluminación adecuada en el alumbrado de vialidades, los usuarios se sienten más seguros y tienen un mejor desempeño visual, lo cual disminuye los accidentes de tráfico y los crímenes en las calles. Además, un buen alumbrado público promueve la actividad comercial nocturna, lo que tiene incidencia en el PIB nacional.

2. Para la sociedad en general: Conservación de recursos naturales, ya que una gran parte de la energía eléctrica se genera por medio de hidrocarburos (combustóleo, carbón y gas natural). De la mano va la reducción de emisiones contaminantes, considerando que la generación de energía eléctrica por medio de hidrocarburos conlleva la emisión de compuestos como el bióxido de carbono, principal causante del calentamiento global. México tiene un índice continuamente ajustable pero cercano a 0.474 TCO₂/MWh.

3. Para la compañía suministradora: Reducción de la demanda en horario punta y base. De manera general, se puede considerar que el alumbrado público opera entre las 19:00 y las 7:00 horas, es decir, en el horario de mayor demanda y en el de menor demanda del sistema eléctrico nacional. Al reducir la potencia de los equipos de alumbrado, se reduce la demanda máxima del sistema eléctrico del país. También es considerable la liberación de una parte de la capacidad del sistema eléctrico. Reducir la demanda, permite que el sistema eléctrico trabaje a un porcentaje menor de su capacidad disponible de generación, transmisión y distribución; particularmente la reducción de demanda en el horario punta tiene un gran impacto, ya que el costo de generación en ese horario es el más alto. Por otro lado, el país destina una cantidad significativa de recursos económicos para el desarrollo y mantenimiento del sistema eléctrico, a fin de abastecer la demanda de energía; al reducir la demanda, se libera parte de la capacidad del sistema eléctrico por lo que se pueden diferir algunas inversiones destinadas para su crecimiento.

4. Para los fabricantes, distribuidores, consultores e instaladores. La mayoría de los fabricantes y distribuidores manejan su línea de productos de alta eficiencia, la cual tendría mayor demanda ante el interés de implementar proyectos de ahorro de energía en el alumbrado de vialidades.

5. Aumento en la demanda de los servicios de consultoría y obra. Ante el interés de realizar proyectos de ahorro de energía, surge la necesidad de contar con la asesoría de empresas de consultoría especializadas en iluminación y ahorro de energía, así como de mano de obra calificada para implementar los proyectos.

6. Para los gobiernos municipales y estatales: Una parte importante del presupuesto de los gobiernos municipales es empleada para el pago de la facturación eléctrica por concepto de alumbrado público, la cual se reduciría al implementar proyectos de ahorro de energía. Al reducir la facturación eléctrica, se liberan recursos que pueden ser empleados para otras necesidades presupuestales, como es el caso de los proyectos de carácter social.

Reflexiones

En 1992 los referidos investigadores norteamericanos S. Berman y M. Rea escribieron en la revista de la International Association for Energy-Efficiency Lighting (IAEEL): “Esperamos que esta investigación ayude a sociedades técnicas y agencias gubernamentales para recomendar y promover fuentes de luz más eficaces para aplicaciones nocturnas tales como carreteras, estacionamientos y la iluminación de seguridad. La lámpara de vapor de sodio en alta presión sin duda ya no será la fuente de luz preferida”. Ya han pasado 25 años desde aquel importante desarrollo, ahora nos toca a nosotros llevarlo a la práctica.

Para descargar el documento, de click aquí. 

Para cualquier reproducción, total o parcial del documento, favor de contactar al ing. Alex Ramírez Rivero.