Introduction

Tras la emisión de luz de la lámpara, ¿cuánta luz puede alcanzar la superficie de trabajo? En el caso de las luminarias de interior, una parte de la luz emitida por una lámpara industrial llega directamente a la superficie de trabajo, mientras que otra parte incide en la pared y el techo, reflejándose en ella. El resto no alcanza la superficie de trabajo (por ejemplo, la luz sobre una estantería). El coeficiente de utilización es el flujo luminoso (¿qué es el flujo luminoso?) que llega a la superficie de trabajo dividido entre el flujo luminoso de la fuente de luz. En el alumbrado público, también se conoce como coeficiente de utilización, pero generalmente se presenta como una curva de coeficiente de utilización. En el alumbrado público, es necesario considerar la distribución de la luz emitida por la lámpara en ambas direcciones: la calle y la vivienda. Este artículo analiza principalmente el coeficiente de utilización, la curva del coeficiente de utilización, los parámetros que lo afectan, su importancia como guía y cómo podemos usar la curva del coeficiente de utilización para seleccionar mejor la distribución de la luz y la disposición de las lámparas en aplicaciones prácticas para obtener mejores resultados de iluminación. Analicemos el texto para obtener más información.

¿Qué es el coeficiente de utilización?

El coeficiente de utilización, también llamado factor de utilización, determina la eficiencia lumínica de una luminaria en una aplicación específica. Su fórmula de cálculo es la siguiente: Coeficiente de utilización = flujo luminoso proyectado sobre la superficie de trabajo / flujo luminoso total de la lámpara. Mide la eficiencia de la lámpara al transferir la energía luminosa a la superficie de trabajo en un área específica. En la iluminación interior, el factor de utilización se ve afectado por factores como la distribución espectral, el tamaño del espacio (índice de la sala) y la reflectividad de diversas superficies interiores (paredes, techos y suelos). Idealmente, el factor de utilización de las lámparas industriales y mineras para iluminación interior puede alcanzar 1 o incluso superarlo ligeramente; en la iluminación vial, el factor de utilización se relaciona con factores como las características espectrales, el ángulo de inclinación de la lámpara y la longitud del brazo, y suele presentarse como una curva de coeficiente de utilización. En la iluminación interior, se utiliza el método del lúmen para estimar aproximadamente el efecto luminoso (iluminancia) tras la instalación de la lámpara. Este método también se denomina método del factor de utilización, ya que utiliza dicho parámetro. Su fórmula de cálculo es: Eav (iluminancia media) = Φ (flujo luminoso de una lámpara) x N (número de lámparas) x CU (factor de utilización) x K (factor de mantenimiento) ÷ A (área). Para obtener más información, puede consultar el blog correspondiente de ZGSM: “Método de cálculo de lúmenes y sus beneficios“.

¿Qué afecta al coeficiente de utilización?

En cuanto al valor del coeficiente de utilización, podemos obtener información general del texto mencionado en la sección anterior. Tomando como ejemplo las luces industriales de interior, cuando la distribución de la luz es diferente, el tamaño del espacio es diferente y la reflectividad de la superficie de la habitación es diferente, el valor de CU también cambiará. La siguiente es la tabla del factor de utilización (también llamado coeficiente de utilización) de las luces de gran altura ZGSM Helios (Más sobre las luces de gran altura ZGSM Helios). Cuando la lente es diferente, el UF del ángulo de haz de 60 grados es 0.82 en k (índice de habitación) = 0.6 y ρc = 0.8, ρw = 0.8 y ρf = 0.2, mientras que el UF del ángulo de haz de 120 grados es solo 0.54. Porque cuanto mayor sea el ángulo de haz, más luz necesita pasar a través de la pared y el techo hasta el suelo (área objetivo). Cuando la lente es la misma (120 grados), la diferente reflectividad de la pared, el techo y el piso también afectará el valor del UF. Las diferencias se muestran en la tabla. Cuando la reflectividad y la habitación son iguales, cuanto menor sea el índice de la habitación (¿Qué es el índice de la habitación?), menor será el valor UF. Esto se debe a que cuanto menor sea el índice de la habitación, más pequeña será la habitación (o la habitación es larga y estrecha). En este momento, puede imaginar que una gran parte de la luz emitida por la lámpara brillará en las paredes circundantes, lo que conducirá a un valor UF menor. Entonces, en las farolas, ¿qué factores están relacionados con el UF (coeficiente de utilización)? ZGSM cree que está relacionado principalmente con la distribución de la luz, el ángulo de inclinación de la lámpara y la longitud del brazo. Vamos a explicarlos uno por uno a continuación.

Distribución de la luz de las lámparas

La curva de distribución de luz de una lámpara describe las características de distribución de luz del flujo luminoso en el espacio, lo cual afecta directamente el coeficiente de utilización (CU) de las farolas. Al verificar la distribución de luz, podemos conocer aproximadamente la distribución de la luz emitida por la lámpara en la carretera después de la instalación real. El valor CU es un indicador cuantitativo que mide el flujo luminoso emitido por la lámpara para alcanzar efectivamente el lado de la calle, el lado de la casa y el cielo (las lámparas LED generalmente no tienen esta parte de luz). Por ejemplo, en el espectro del tipo VS, la proporción de luz en el lado de la calle y el lado de la casa es básicamente la misma; mientras que en el espectro del tipo IIM (Más sobre la clasificación de distribución de iluminación IESNA), la luz del lado de la calle representa aproximadamente el 65%, mientras que la luz del lado de la casa representa solo el 30%. Por favor, vea los detalles en la imagen a continuación.

Ángulo de inclinación y altura de instalación

El ángulo de inclinación de la lámpara se refiere al ángulo entre su superficie luminosa y la línea horizontal (el suelo), lo que afecta directamente la dirección de proyección de la luz y, por lo tanto, la curva del coeficiente de utilización. Un ángulo de inclinación amplio genera mayor luz dirigida hacia la calle y el cielo (resplandor celeste, un tipo de contaminación lumínica), mientras que la proporción de luz hacia el lado de la casa disminuye, como se muestra en la figura siguiente. Al cambiar la altura de instalación, la distribución de la luz en el suelo cambia, iluminando las esquinas más alejadas de la lámpara. Si bien esto no afecta la curva del coeficiente de utilización, en aplicaciones prácticas es importante considerar su impacto cuando varía la relación entre la altura de instalación y el ancho de la calle. Por ejemplo, para una misma calle de 7 metros, si la altura es de 6 o 5 metros, la distribución de la luz debe ajustarse según la situación. La primera suele requerir una distribución lateral de la luz más amplia, lo cual explicaremos en detalle en la sección de aplicaciones prácticas.

Longitud de la pluma y retroceso del poste

La longitud del brazo y el retranqueo del poste de luz afectarán el efecto de iluminación de la farola después de su instalación. Esto se debe a que la distribución de la luz de la farola dentro y alrededor de la vía cambia. Podemos imaginar que, al usar un brazo largo, la farola suele estar más cerca del centro de la vía. De igual manera, cuanto menor sea el retranqueo, más cerca estará el punto central de la superficie luminosa de la farola del centro de la vía. Para más información sobre la disposición de las luminarias, consulte el blog de ZGSM: Disposición de luminarias de farolas LED. Al observar la curva del coeficiente de utilización de la farola, con un retranqueo de 2 metros, sin brazo vs. retranqueo = 0 y brazo = 2 metros, podemos estimar preliminarmente que el 10% de la luz dirigida originalmente a la parte trasera de la farola (lado de la casa) se dirigirá a la superficie de la vía (lado de la calle). Por supuesto, también debemos prestar atención al problema de que la luz emitida por la farola con un brazo largo sobrepase el límite del otro lado de la vía.

¿Por qué es importante el coeficiente de utilización?

En el alumbrado público, el coeficiente de utilización desempeña un papel fundamental en el diseño de la iluminación, el ahorro energético y el control del coste de las soluciones de alumbrado público. A continuación, se detallan estos aspectos uno por uno.

Ahorro de energía

En la curva de coeficiente de utilización del alumbrado público, la luz emitida se divide en dos partes: una se dirige hacia el lado de la vivienda y otra hacia la calle. Generalmente, se considera que la parte dirigida hacia la calle constituye luz útil, y su proporción suele estar entre 0,5 y 1,0. Idealmente, cuanto mayor sea el valor de CU, mejor, pero por razones técnicas y de coste, suele estar entre 0,6 y 0,8. Para lograr la misma iluminancia, cuanto mayor sea el CU, menor será la potencia de la lámpara necesaria, consiguiendo así el objetivo de ahorro energético.

Guía de diseño de iluminación

El coeficiente de utilización (CU) de una calle se calcula dividiendo el ancho de la calle entre la altura de instalación de la farola. Además, cuando el ángulo de inclinación es diferente, el coeficiente de utilización en el lado de la casa y el lado de la calle también cambia. Si no se considera el impacto de la distribución vertical de la luz en los resultados de la simulación de iluminación, podemos optimizar el diseño de la iluminación mediante la curva del coeficiente de utilización. Por ejemplo, para calles más anchas, podemos elegir farolas con una mayor distribución de la luz en el coeficiente de utilización en el lado de la calle; por ejemplo, cuando el coeficiente de utilización y el ancho de la calle son constantes, podemos optimizar el diseño de la iluminación (servicio de diseño de iluminación ZGSM) ajustando adecuadamente la longitud del brazo (si está permitido), la altura del poste de la farola (si está permitido) y el ángulo de elevación.

Control de costes

Conociendo la información relevante sobre la CU, podemos optimizar el diseño de iluminación para lograr el efecto deseado con menor potencia o menos farolas. Esto es muy útil para ahorrar en la inversión inicial y reducir los costos de operación y mantenimiento. Por ejemplo, el uso de farolas de bajo consumo puede ahorrar en las facturas de electricidad a largo plazo y satisfacer las necesidades del desarrollo sostenible. Además, las farolas de bajo consumo suelen generar menos calor, lo que ayuda a prolongar la vida útil de las fuentes de alimentación LED y los LED (más información sobre la vida útil de las luces LED), y también es muy beneficioso para reducir el mantenimiento posterior. Si se trata de un proyecto nuevo, puede analizar la curva de la CU para ajustar con flexibilidad la altura del poste de la lámpara, la longitud del brazo o el ángulo de inclinación para optimizar el diseño de iluminación y evitar un diseño de iluminación irrazonable y ahorrar costos.

¿Ejemplo de cómo utilizar el coeficiente de utilización para elegir la lente para tu proyecto?

En la sección anterior, sabemos que el coeficiente de utilización puede utilizarse para guiar el diseño de iluminación. ¿Qué ejemplos podemos usar para ilustrar específicamente este proceso? ZGSM lo explicará a través de un proyecto que realizamos. El cliente especificó los parámetros de la carretera, y a continuación se presentan dos diseños de carretera típicos. Uno tiene 10,5 metros, una longitud de pluma de 1,5 metros, un poste de luz a 0,5 metros del arcén, sin acera, una altura de poste de luz de 8 metros y una disposición de lámparas de un solo lado con clase de iluminación M4. Una vez confirmada la disposición de las luminarias y el estado de la carretera, las variantes restantes son la distribución de la luz y el ángulo de inclinación de las lámparas. El equipo técnico de ZGSM analizó tres tipos de distribución de la luz (tipo I, II y III), y el coeficiente de utilización es el mismo que el descrito anteriormente. A través de la observación, encontramos que cuando el ancho de la carretera es 1,5 veces la altura de instalación (el valor requerido es un poco mayor que el ancho/alto), la luz del lado de la calle representa el 53%, 59% y 58%, mientras que la luz del lado de la calle total representa el 57%, 63% y 66%, respectivamente. Por lo tanto, el tipo II debería ser la opción más ideal y también puede evitar que demasiada luz brille en el lado opuesto de la carretera. Verificamos el análisis anterior en la simulación Dialux y los resultados son los siguientes: Podemos ver que el tipo I no puede iluminar el tercer carril (ilumina principalmente los carriles 1 y 2, lo que causó una menor uniformidad de la luz), el tipo III puede iluminar tres carriles, pero la luminancia disminuirá un poco (no aparece en la lista) y el tipo II ha cumplido con la clase de iluminación M4 (Más sobre la selección de la clase de iluminación).

El trazado de la carretera 2 es prácticamente idéntico al de la carretera 1, salvo por la acera de 1 metro a un lado. La clase de iluminación requerida es P3 y la disposición de las lámparas también es unilateral. Utilizamos una distribución luminosa de tipo III, y los resultados muestran que cumple con la clase de iluminación P3, pero su nivel de deslumbramiento es demasiado alto. ¿Qué otros métodos existen? Del artículo anterior, sabemos que al cambiar el ángulo de inclinación, la curva del coeficiente de utilización cambia en consecuencia. Observando la curva, cuando el ángulo de inclinación es de 5 grados, la proporción de lúmenes en 1,5 veces la altura en el lado de la calle disminuye, y la proporción de lúmenes entre 1,5 y 2 veces la altura en el lado de la calle aumenta. Podemos comprender que la luz en la autopista disminuye, mientras que la luz en la acera aumenta. En Dialux, utilizamos una distribución luminosa de tipo II para verificar la exactitud de este análisis. Los resultados muestran que la iluminación de la acera aumenta de 7,06 a 8,32 lux, lo que significa que cumple con los requisitos de la clase de iluminación P3. Si bien la luminosidad de la autopista se reduce, también cumple con los requisitos. Es más, el valor Ti también cumple con los requisitos de la clase de iluminación M4, lo que confirma la importancia de la curva CU. En Dialux EVO, también podemos usar software para confirmar el ángulo de inclinación y la longitud de la pluma adecuados. Para más información, consulte el blog correspondiente: Dialux EVO para el diseño de alumbrado público.

Resumen

El coeficiente de utilización (CU) es un indicador fundamental para medir la eficiencia de una lámpara (que difiere de la eficacia luminosa) a la hora de proyectar la luz eficazmente sobre el área objetivo. Se calcula como la relación entre el flujo luminoso de la superficie de trabajo efectiva y el flujo luminoso total de la lámpara. En el alumbrado público, el CU se presenta en forma de curva, y debe considerarse simultáneamente la distribución de la luz tanto en el lado de la calle como en el lado del edificio. Los factores clave que afectan al CU incluyen: la curva de distribución de la luz de la lámpara, el ángulo de inclinación y la altura de instalación (el ajuste del ángulo de inclinación modifica la dirección de proyección de la luz, y la altura afecta al alcance), la longitud del brazo y la posición del poste de la lámpara. Prestar atención al valor del CU puede ayudarle a diseñar su iluminación y a encontrar soluciones de iluminación optimizadas y de bajo consumo. En la práctica, podemos seleccionar la distribución de la luz adecuada para el proyecto actual analizando el coeficiente de utilización. Una vez definida la distribución de la luz, la disposición de la vía y la disposición de las luminarias, también podemos ajustar el ángulo de inclinación y la longitud del brazo voladizo (si es posible) para influir en la distribución de la luz tanto en el lado de la calle como en el lado de la vivienda, según los requisitos del proyecto. En resumen, comprender y aplicar con flexibilidad la CU puede mejorar significativamente la eficiencia y la rentabilidad del alumbrado público. Para más información, póngase en contacto con ZGSM.

Preguntas Frecuentes

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