Iluminación híbrida de espacios arquitectónicos con fibra óptica solar e iluminación LED: análisis costo beneficio Luis Córdova1, José Villacís1, Jorge Luis Jaramillo2 1
Profesionales en formación, Universidad Técnica Particular de Loja 2 Docente, Universidad Técnica Particular de Loja Loja, Ecuador 1
[email protected],
[email protected] 2
[email protected]
Resumen—En este trabajo se realiza una comparación técnicofinanciera de la instalación de un sistema de iluminación híbrido con fibra óptica solar y tecnología LED vs la instalación de un sistema convencional de iluminación. Para ello, se tomó en cuenta dos criterios de evaluación: el costo de implementación, y, el costo de explotación del sistema en el tiempo.
En la fig. No. 1, se muestra los elementos constructivos relevantes de una lámpara incandescente.
Palabras claves— análisis costo - beneficio, iluminación FOBLUX – LED vs iluminación convencional.
I. INTRODUCCIÓN Luego de haber especificado los requerimientos técnicos, establecido la arquitectura de diseño, y, calculado los elementos de un sistema de iluminación híbrida con fibra óptica solar y tecnología LED (FOBLUX – LED), es necesario determinar el beneficio económico potencial con respecto al uso de un sistema convencional de iluminación, implementado con bombillas incandescentes o con lámparas fluorescentes.
II. BOMBILLAS INCANDESCENTES Y LÁMPARAS FLUORESCENTES A. Bombillas incandescentes Se denomina lámpara incandescente o bombilla incandescente, a la fuente o dispositivo de iluminación en la que la luz se produce por un filamento calentado a incandescencia por paso de una corriente eléctrica. Los materiales típicos utilizados en la fabricación del filamento son el wolframio y el tungsteno, que soportan elevadas temperaturas de fusión (3.410 °C). En ellos, la proporción entre energía luminosa y energía térmica, aumenta a medida que se incrementa la temperatura, obteniéndose una fuente luminosa más eficaz a la temperatura máxima del filamento [1], aunque la eficiencia es muy baja (ver Fig.1)
Fig. 1. Lámpara incandescente. Tomada de “Clasificación de fuentes luminosas eléctricas”, Disponible en: http://www.aproi.net/index.php?option=com_content&view=article&id=39: clasificacion-de-las-fuentes-luminosas-electricas-&catid=19:sistemaelectrico-inductrial&Itemid=24
Las características más importantes de una lámpara incandescente, se resumen en la tabla No. 1. Tabla No.1 Características de las incandescentes[1]
Parámetro Temperatura del color Índice de reproducción del color Potencias típicas Flujo luminoso Rendimiento luminoso Vida útil Influencia del voltaje
Características eléctricas
Aplicaciones
lámparas
Característica Entre 1.100 y 3.200 K Entre 85 y 100 (muy bueno excelente) 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200 W 228, 386, 622, 688, 1.292, 1.950, 2.900 lúmenes 9,1 - 9,6 - 10,4 - 9,2 - 12,9 - 13 - 15,5 lúmenes/vatio En promedio 1.000 h Debe ser lo más cercano posible el valor nominal de la lámpara (+ ó - 5% del nominal). Se puede alimentar tanto en CC como en CA. No produce efecto estroboscópico. Alumbrado doméstico y señalización. No son rentables para alumbrado de grandes espacios con alto nivel de iluminación, ni para naves industriales o locales comerciales con alturas superiores a 4 m.
B. Lámparas fluorescentes Una lámpara fluorescente es una lámpara de baja intensidad de descarga en forma de tubo, rellena de vapor de mercurio de baja presión. A través de la descarga, se emite radiación UV invisible que, se convierte en luz gracias a que el tubo esta revestimiento interiormente con un material fluorescente, conocido como fósforo [1].
Fig. 2. Lámpara fluorescente. Tomada de “Clasificación de fuentes luminosas eléctricas”, Disponible en: http://www.aproi.net/index.php?option=com_content&view=article&id=39: clasificacion-de-las-fuentes-luminosas-electricas-&catid=19:sistemaelectrico-inductrial&Itemid=24
Las características más importantes de la lámpara fluorescente, se resumen en la tabla No. 2. Al comparar una lámpara fluorescente con un bombillo incandescente, se puede afirmar que: •
Una variedad importante de lámparas fluorescentes son las denominadas compactas, ahorradoras, o, electrónicas, las misma que han tenido un gran impacto en cuanto a reducción de espacio, mejoramiento del rendimiento luminoso, y, ahorro de energía.
•
En la fig. No. 2,se muestra los elementos constructivos relevantes de una lámpara fluorescente de baja intensidad de descarga.
•
•
• •
Una lámpara fluorescente compacta puede brindar los mismos lúmenes que una bombilla incandescente, a casi un cuarto de la demanda de potencia. El consumo de energía de una lámpara compacta es hasta tres veces menor que el de una bombilla incandescente. La emisión de luz de una lámpara compacta es de 4 a 6 veces mayor que la de una bombilla incandescente de la misma potencia [2]. La vida útil promedio de una lámpara compacta es de 7500 h en condiciones normales, mientras que para una bombilla es de 1000 h. La lámpara compacta provee una luz más uniforme y menos deslumbrante, y, los colores son más fieles al color real. Una lámpara compacta disipa menos energía en forma de calor [3].
Tabla No.2 Características de las lámparas fluorescentes de baja intensidad de descarga [1]
Parámetro Temperatura color
Característica del
Índice de reproducción del color Flujo luminoso
Rendimiento luminoso
Luz blanca día: Tc > 5.000 K Blanco neutro: 3.000 K < Tc < 5.000 K Blanco cálido: Tc < 3.000 K. Luz blanca día: 85 a 100 Blanco neutro: 70 a 84 Blanco cálido: 40 a 69 7 veces mayor comparado con el que producen las lámparas incandescentes de igual potencia. El rendimiento luminoso inicial (nominal) en este tipo de lámpara tiende a disminuir por depreciación luminosa.
Las lámparas de descarga no poseen inercia luminosa, como sucede con las incandescentes, por ello, cuando la corriente pasa por cero, la lámpara no emite radiaciones. La vida promedio suele ser de 7.000 horas para un encendido cada 3 horas. Para Vida útil encendidos cada 10 horas, la vida útil aumenta en un 40% Este tipo de lámpara ofrece el mayor flujo Temperatura luminoso cuando la temperatura ambiente es cercana a los 77 ºF (25 ºC). Debe ser lo más cercano posible el valor nominal de la lámpara (+ ó - 5% del Influencia del nominal). En estas lámparas, al contrario de voltaje lo que sucede con las incandescentes, la vida y el rendimiento luminoso disminuyen al disminuir el voltaje. Puesto que las lámparas de descarga no se conectan directamente a la red, como sucede Características con las incandescentes, requieren al inicio eléctricas de su operación de un equipo auxiliar eléctrico que consta de reactancia, cebador y condensador. La gran diversidad de tonos, su alto rendimiento y la buena calidad de luz (Tc > 5.000 K), hacen que sean de aplicación general para fines generales de alumbrado. Aplicaciones Y, particularmente, en oficinas, almacenes, comercio, escuela, hospitales, gimnasios,, industrias, etc.; donde la altura del montaje no supere los 5 m. Efecto estroboscópico
III. EQUIPARACION DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACION Para poder realizar una comparación real entre los sistemas de iluminación, es imperiosa la necesidad de colocarlos en iguales condiciones, considerando dos aspectos fundamentales: -
El consumo de energía eléctrica. Compensación de las lámparas solares en los sistemas de iluminación convencionales.
Consumo de energía eléctrica Un primer análisis de desempeño comparativo de las bombillas incandescentes, las lámparas fluorescentes, y, las lámparas LED, se basa en el consumo de energía. Este análisis se lo ha realizado considerando los siguientes parámetros: Consumo real de energía con idéntica eficiencia energética. Este valor permite determinar el consumo de potencia de cada lámpara, al generar la misma cantidad de intensidad luminosa. En este aspecto, una lámpara LED de 21W es equivalente a una bombilla incandescente de 100W, y, a una lámpara fluorescente de 40W. Consumo de energía por hora. Este valor expresa la cantidad de KWh consumidos por cada lámpara, en una hora de trabajo. Consumo de energía por mes. Este valor indica el consumo de KWh de energía en un mes de trabajo, considerando que cada lámpara funciona 8 horas diarias. Valor del consumo eléctrico por mes. Es el valor en unidades monetarias, que se debe cancelar por consumo eléctrico en un mes. Para el caso de Loja, este valor se calcula considerando que la Empresa Eléctrica Regional del Sur S.A, EERSSA, realiza una tarifación escalonada (ver tabla No. 3). Al valor calculado, se añade USD 1.41 por concepto de comercialización, y, el 16.5% por concepto de alumbrado público. Tabla No.3 Tarifación escalonada de la EERSSA.
Rango de consumo
Valor de KWh
0-50
0,081
51-100
0,083
101-150
0,085
151-200
0,087
201-250
0,089
251-300
0,091
301-350
0,093
351-superior
0,095
Tabla No.5 Costos de implementación del sistema de iluminación con bombillas incandescentes.
Los resultados obtenidos al comparar los tres tipos de lámparas de acuerdo a los criterios técnicos establecidos, se resumen en la tabla No. 4. Tabla No.4 Resultados del análisis comparativo de los distintos tipos de lámparas. Parámetro
Incandescente
Consumo real con idéntica eficiencia energética Consumo por hora (KWh) Consumo por mes (KWh)
Valor del consumo eléctrico por mes, USD
Fluorescente
LED
100 W
40 W
21 W
0,10
0,04
0,02
24
9,6
4,8
3,90
2,55
2,09
Los resultados muestran que al comparar los tres tipos de lámparas, la lámpara LED consume un 16% menos que una lámpara fluorescente, y, un 46% menos que una bombilla incandescente. Compensación convencionales
de
lámparas
solares
en
los
Sistema de iluminación convencional con bombillas incandescentes Ítem
Cantidad
PU
Total
Bombillas incandescentes de 100W
82
0,80
65,6
Metro cable 14 AWG
400
0,3214
128,56
Metro de tubería FLEX ¾’’
400
0,90
360
Brakers 15ª
7
3,75
26,25
Interruptores unipolares
20
1,3393
26,79
Interruptores unipolares misma base
2
2,0089
4,02
Conmutador
2
1,5179
3,04
Subtotal
614,26
Mano de obra (12%)
73,71
Gestión de diseño (10%)
61,42
Imprevistos (5%)
30,71 Total
sistemas
El sistema de iluminación híbrida FOBLUX - LED diseñado, cuenta con 5 lámparas solares que funcionan durante las horas de Sol (12 horas diarias aproximadamente), sin que esto represente ningún gasto por concepto de consumo de energía eléctrica. Para que la comparación entre los sistemas sea justa, es necesario añadir en los sistemas de iluminación convencionales, 5 lámparas que simulen el trabajo de las lámparas solares, es decir que trabajen durante 12 horas diarias.
IV. COSTOS DE IMPLEMENTACION Y EXPLOTACION DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACION
A. Costos de implementación Los costos de implementación incluyen gastos en materiales, mano de obra, y, dirección técnica. Las tablas 5, 6, y, 7, resumen los costos de implementación para un sistema de diseño único, que utiliza los tres tipos distintos de lámparas.
780,1
Tabla No.6 Costos de implementación del sistema de iluminación con lámparas fluorescentes compactas. Sistema de iluminación convencional con lámparas fluorescentes Ítem
Cantidad
PU
Total
Luminarias fluorescentes 40W
82
3,00
231,00
Metro cable 14 AWG
400
0,3214
128,56
Metro de tubería FLEX ¾’’
400
0,90
360
Brakers 15ª
7
3,75
26,25
Interruptores unipolares
20
1,3393
26,79
Interruptores unipolares misma base
2
2,0089
4,02
Conmutador
2
1,5179
3,04
Subtotal
794,66
Mano de obra (12%)
95,36
Gestión de diseño (10%)
79,47
Imprevistos (5%)
39,73 Total
1009,22
Tabla No.7 Costos de implementación del sistema de iluminación híbrido FOBLUX – LED.
Tabla No.8 Costos de explotación debido al consumo de energía eléctrica.
Sistema de iluminación híbridoFOBLUX-LED Ítem
Cantidad
PU
Total
SP3 Basic Package
1
5562,46
5562,46
Herramientas de montaje
4
166,65
666,60
Metro de fibra óptica
120
64,77
7772,22
Luminarias LED 21W
77
34
2618
Metro cable 14 AWG
400
0,3214
128,56
Metro de tubería FLEX ¾’’
400
0,90
360
Brakers 15ª
7
3,75
26,25
Interruptores unipolares
20
1,3393
26,79
Interruptores unipolares misma base
2
2,0089
4,02
Conmutador
2
1,5179
3,04
Total Material
17167,9
Costo de importación de equipo FOBLUX (50%)
7000,64
Costo de importación de lámparas led(25%)
654,5 Subtotal
24823,1
Mano de obra (12%)
2978,77
Gestión de diseño (10%)
2482,31
Imprevistos (5%)
1241,54 Total
Parámetro Consumo de energía eléctrica a la hora (KWh) Consumo de 77 lámparas al mes (KWh) Valor del consumo eléctrico al mes, USD Valor del consumo eléctrico al año, USD Valor del consumo eléctrico a 5 años, USD Valor del consumo eléctrico a 10 años, USD
Parámetro
B. Costos de explotación del sistema Los costos de explotación consideran aquellos gastos en los que se incurre, una vez que el sistema ha quedado implementado y entra en funcionamiento: • •
Consumo de energía eléctrica. Costos de mantenimiento y reposición de luminarias.
Costos por concepto de consumo de energía eléctrica Las tablas No. 8 y No. 9, detallan los valores en los tres sistemas de iluminación propuestos. En la tabla No. 10 se resumen los costos totales.
Fluorescente (77 luminarias)
LED (77 luminarias)
7,70
3,08
1,44
1848
739,2
369,6
202,91
80,19
39,29
2434,90
962,30
471,43
12174,50
4811,50
2357,17
24348,97
9622,99
4714,34
Tabla No.9 Costos de explotación debido al consumo de energía eléctrica (sistema FOBLUX).
31525,7
Los resultados muestran que la diferencia de costos de implementación, entre los dos sistemas de iluminación convencional, no es significativa. El costo de implementación del sistema con bombillas incandescentes, es sólo el 2.4% de la inversión requerida para implementar un sistema híbrido FOBLUX – LED; mientras que el costo de implementación del sistema con lámparas compactas, es sólo el 3.14% de la inversión requerida para implementar un sistema híbrido FOBLUX – LED.
Incandescente (77 luminarias)
Consumo de energía eléctrica a la hora (KWh) Consumo de 5 lámparas al mes -12h/d(KWh) Valor del consumo eléctrico al mes, USD Valor del consumo eléctrico al año, USD Valor del consumo eléctrico a 5 años, USD Valor del consumo eléctrico a 10 años, USD
Incandescente (5 luminarias)
Fluorescente (5 luminarias)
Solar (5 luminarias)
7,70
3,08
-7,70
180
72
-180
19,19
8,49
-19,19
230,25
101,86
-230,25
1151,25
509,29
-1151,25
2302,51
1018,58
-2302,51
Tabla No.10 Costos de explotación debido al consumo de energía eléctrica (sistemas compensados). Parámetro Valor del consumo eléctrico al mes, USD Valor del consumo eléctrico al año, USD Valor del consumo eléctrico a 5 años, USD Valor del consumo eléctrico a 10 años, USD
Incandescente
222,10
2665,15
13325,74
26651,47
Fluorescente
Solar + LED
88,68
20,10
1064,16
5320,79
10641,58
241,18
2411,83
Costos por concepto del mantenimiento del sistema (reemplazo de lámparas) Los costos por mantenimiento del sistema, incluyen los costos por reemplazo de las luminarias considerando el tiempo de vida útil de cada tipo de lámpara. Estos costos se calculan de acuerdo a la expresión (1):
En dónde: 𝑆𝑆𝐴𝐴 , 𝐻𝐻𝐴𝐴 , 𝑁𝑁, 𝑉𝑉,
𝐻𝐻 𝐴𝐴 ×𝑁𝑁 𝑉𝑉
Tabla No.11 Costos de explotación debido al mantenimiento del sistema (reemplazo de lámparas). Parámetro
Incandescente
Fluorescente
LED
Vida de la lámpara (horas)
1000
7500
50000
Sustitucion es al año
244
33
4
Costo por sustitucion es al año, USD
195,2
99
170
Costo por sustitucion es a los 5 años, USD
Para esta fecha, habrán desaparecido
495
765
Costo por sustitucion es a los 10 años, USD
-
990
935
1205,92
Los datos de la tabla No. 10, muestran el ahorro potencial en consumo de energía eléctrica, que se puede lograr utilizando sistemas híbridos de iluminación FOBLUX – LED: el valor que se cancelaría por concepto de consumo eléctrico de 10 años de iluminación híbrida es aproximadamente el valor que se debería cancelar por 2 años de iluminación de lámparas fluorescentes, o, por 1 año de iluminación con bombillas incandescentes.
𝑆𝑆𝐴𝐴 =
Siguiendo estas consideraciones, la proyección de los costos incurridos en los próximos 10 años, por concepto de reemplazo de luminarias, se detalla en la tabla no. 11.
(1)
Sustituciones al año Horas de uso al año de cada luminaria Número de luminarias Vida útil de la luminaria
Es necesario puntualizar que de acuerdo a la directiva EuP 2005/32/EC, entre el año 2009 y el año 2016, la UE (y otros países) impulsan la eliminación progresiva de la fabricación de lámparas incandescentes y otros tipos no eficientes [4], razón por la cual, se asume que el sistema de iluminación basado en lámparas incandescentes se volverá insostenible a partir del año 2016. Por otro lado, de acuerdo a la proyección de Roland Haitz [5], en 10 años la tecnología LED habrá disminuido su costo hasta alcanzar niveles comparables con los costos de otras lámparas actuales. La Ley de Haitz predice que el desempeño de los LEDs (la cantidad de luz que puede producir cada diodo) se multiplica 20 veces cada década, mientras que el costo de la luz baja diez veces.
V. RECUPERACION DE LA INVERSION DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACION, TOMANDO EN CUENTA LOS COSTOS DE IMPLEMENTACION Y EXPLOTACION Para determinar el tiempo aproximado en el que se va a recuperar la inversión realizada en el sistema de iluminación híbrido, hay que tomar en cuenta tres aspectos: • •
•
El punto inicial de las gráficas para cada sistema de iluminación está dado por el costo de implementación de los mismos (valor fijo). El costo de explotación total es el resultado de la suma del costo por concepto de consumo de energía eléctrica más el costo por concepto de mantenimiento del sistema. El costo de explotación está dado en función del tiempo.
La tabla No. 12 y la fig. No 3, muestran los resultados obtenidos. La gráfica línea azul corresponde al sistema de iluminación con bombillas incandescentes, la roja al sistema de iluminación con lámparas fluorescentes, y, la verde al sistema de iluminación híbrida FOBLUX – LED.
•
Tabla No.12 Costo total de los sistemas de iluminación proyectado
0
10
20
35
Incandescente
780,1
-
-
-
Fluorescente
1009,22
12640,8
24272,42
41719,82
LED
31525,7
34872,53
37404,3
41202
•
•
por un 1 año de iluminación con bombillas incandescentes. A partir del quinto año de implementación del sistema de iluminación, la opción en base de bombillas incandescentes se vuelve insostenible, debido a que directivas como la EuP 2005/32/EC, eliminarán esas lámparas del mercado. Igual suerte correrán los sistemas con lámparas fluorescentes, en los que se prevé una migración hacia lámparas LFC con gastos adicionales en la readecuación de las instalaciones. A los costos actuales de la energía eléctrica en el Ecuador (USD 0.04 por KWh más impuestos), la inversión en un sistema híbrido más eficiente, se recuperaría en un plazo de 35 años.
IX. R EF E RE N CI A S [1]
[2]
Fig. 3. Comparativa de la inversión económica requerida para implementar los sistemas de iluminación analizados
[3]
Aunque es evidente que el sistema hibrido es mucho más eficiente que los otros sistemas de iluminación, a los costos actuales de la energía eléctrica (USD 0.04 por KWh más impuestos), la inversión se recuperaría en un plazo de 35 años.
[4]
VI. CO NC L US IO N E S •
•
•
•
Los costos de implementación de un sistema de iluminación tipo, incluyen los gastos en materiales y equipos, la mano de obra, y, la gestión de diseño del sistema. Los costos de explotación de un sistema de iluminación, se expresan en función del tiempo e incluyen gastos como el de consumo de energía eléctrica, y, los de mantenimiento del sistema (reposición de luminarias). En términos generales, el consumo de energía eléctrica de una lámpara LED representa un ahorro del 16% en comparación a una lámpara fluorescente, y, de un 46% en comparación a una bombilla incandescente. Equiparadas las condiciones de trabajo de los tres sistemas comprados, se determinó que el valor a cancelar por concepto de consumo eléctrico en 10 años de iluminación híbrida, es aproximadamente el valor que se debería cancelar por 2 años de iluminación con lámparas fluorescentes, o, el valor
[5]
[6]
[7]
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[9]
[10]
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[12]
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