El Departamento de Energía de los EE.UU (DOE) ha publicado recientemente un nuevo informe en el cual documenta los resultados obtenidos al implementar una instalación de prueba realizada con una solución de iluminación LED de espectro ajustable en 3 aulas de una escuela primaria en Folsom, California.
Debido a que estos sistemas tienen un potencial de ahorro de energía considerable, el DOE evaluó su rendimiento fotométrico y de energía como parte de su programa de ensayo y evaluación tecnológico GATEWAY. Además, pese a no ser el objetivo principal de este informe, se exploró el potencial para mejorar la salud de los estudiantes y su rendimiento académico, obteniendo así una experiencia de primera mano sobre los efectos reales de estos sistemas de iluminación LED ajustable. Gracias a la colaboración entre el Distrito Escolar Unificado de Folsom Cordova (FCUSD) y el Distrito de Servicios Públicos Municipales de Sacramento (SMUD) se realizó el diseño e instalación de los sistemas LED y coordinaron la recopilación de los datos obtenidos de los maestros, estudiantes y padres.
Los sistemas de iluminación LED ajustable (Tunable Led Lighting Systems) brindan la posibilidad tanto de variar la intensidad como el espectro de luz para conseguir ahorros energéticos significativos en relación con sistemas tradicionales de fluorescencia y sistemas LED no regulables. El creciente uso de estos sistemas se debe a sus beneficios tanto energéticos como no energéticos. Estos últimos están relacionados con los efectos que los diferentes espectros de luz tienen sobre las respuestas circadianas y de comportamiento humano. Además estos sistemas proporcionan a los maestros una señal visual adicional para promover el aprendizaje y la participación de los estudiantes.
Solución LED y sistema de regulación implementado
El sistema de iluminación con el que contaban las aulas inicialmente consistía en luminarias empotradas con dos fluorescente T8 y balastro electrónico, resultando en una potencia nominal de 56 W por luminaria. El aula típica usaba 24 luminarias, con 22 dispuestas en un cuadrado alrededor del perímetro exterior de la sala y dos ubicadas en el centro de la misma. El sistema de iluminación LED se instaló en agosto de 2017, antes del comienzo del año escolar 2017-18. De las tres aulas que recibieron en el sistema de iluminación LED, una era una clase de educación general de quinto grado y dos son utilizadas para educar a estudiantes diagnosticados con Trastorno del Espectro Autista (TEA).
Para estas 3 aulas, se reemplazaron las 24 luminarias fluorescente por 11-12 luminarias LED de “blanco” ajustable de la marca Finelite. Además, en cada aula se instaló una luminaria LED “blanco-ajustable” de bañado de pared encima de la pizarra. Los valores máximos de potencia de las luminarias es de 40-43W, este último para el bañador de pared. La implementación de los controles de atenuación redujo aún más los requisitos de potencia de las luminarias LED.
En cuanto al sistema de regulación y control, se instaló un controlador Finelite sensible al tacto y montado en pared de Finelite, al lado de la pizarra. El controlador utiliza un protocolo DMX512 para comunicarse con el controlador LED equipado en cada luminaria. Este panel de control ofrece cinco botones con las respectivas escenas o condiciones de iluminación predeterminadas y 3 barras deslizantes. Dependiendo de la actividad en cada aula específica, los maestros pueden seleccionar entre tres escenas predefinidas que ofrecen diferentes niveles de intensidad de luz a diferentes partes del aula. De manera similar, los dos ajustes preestablecidos adicionales ajustan la intensidad de la luminaria así como la distribución de potencia espectral (SPD) para ofrecer un rango más amplio de calidez aparente o frialdad de luz. En cualquier momento, los profesores pueden apartarse de las escenas preestablecidas y ajustar el color claro y la intensidad del aula a través de las tres barras deslizantes.Dos barras deslizantes están dedicadas a la atenuación continua de 0-100%, una para las luminarias generales y otra para la luminaria de pizarra. La tercera barra deslizante permite un ajuste de color de 2.700 a 6.500 K en todas las luminarias.
Resultados energéticos
Solo por realizar el cambio a tecnología LED, sin regular la intensidad, se estimó que el ahorro potencial de la solución era del 46% en relación con el sistema de iluminación de fluorescencia tradicional. La capacidad de ajustar la intensidad dio como resultado importantes reducciones de energía adicionales. Utilizando la configuración predeterminada de la mañana y la tarde para el sistema LED, todas las luminarias funcionaron al 52%, lo que dio como resultando un ahorro potencial del 72% en relación con el sistema de fluorescencia tradicional.
Para un escenario de operación en el que el sistema LED se configuró con botones de diferentes escenas predeterminadas basada en un día escolar “activo” de 24 horas con diferentes actividades posibles en el aula (trabajo en grupo, conferencias, viendo películas, etc), el sistema de iluminación LED ofrece aproximadamente un ahorro del 70% frente al sistema de fluorescentes tradicional.
El sistema de control, basado en DMX, produjo más de 3 W de carga eléctrica por luminaria, incluso cuando las luminarias estaban apagadas, lo que representa más del 25% del consumo anual de energía del sistema. El consumo de energía de referencia en los sistemas de controles activos como DMX, DALI o PoE, entre otros es un factor importante que debe abordarse para maximizar el potencial de ahorro de energía de estos sistemas de iluminación LED ajustables.
Con respecto a la consistencia del color, todas las condiciones de iluminación medidas del sistema LED se encontraron dentro de las tolerancias especificadas en ANSI C78.377 para la temperatura de color correlacionada (TCC) y Duv.
Resultados no energéticos obtenidos
Pese a que no es el objetivo principal de este informe, el DOE señala que se esta realizando el análisis de los datos sobre el uso de los maestros de los sistemas, las respuestas de los maestros y los estudiantes a la iluminación y la potencia medida en diferentes momentos del día y podría incluirse en una futura actualización de este informe. De todas formas en el documento se da alguna pincelada sobre estos resultados no energéticos.
Los beneficios no energéticos a menudo atribuidos a la iluminación de espectro ajustable se relacionan con los posibles efectos de diferentes espectros de iluminación en el sistema circadiano humano y las respuestas de comportamiento. En las aulas, diferentes estudios han demostrado posibles efectos agudos del comportamiento, como el aumento de alerta y la concentración de los estudiantes. Las consideraciones de la respuesta circadiana incluyen proporcionar la iluminación que pueda apoyar la supresión de melatonina durante las horas de la mañana, lo que en última instancia puede mejorar los ciclos de sueño de lo alumnos. Más allá de estos fisiológicos, un sistema de iluminación ajustable también proporciona a los maestros una herramienta adicional para promover el aprendizaje y la participación de los estudiantes al permitir que las señales visuales refuercen las conductos deseadas en los estudiantes.
En este caso, los objetivos de diseño preliminar en cuanto al valor de estímulo circadiano (Circadian Stimulus – CS) se fijaron en 0,3 para las tres aulas y se basaron en investigaciones anteriores. El objetivo con este valor es garantizar una iluminación adecuada en la mañana para apoyar la supresión de melatonina que pueda influir en la alineación de la fase circadiana. Como todavía no se han establecidos estándares o normas para el CS, o las métricas relacionadas, y como es probable que los alumnos recibieran una exposición matutina a la luz del sol fuera del aula, para el estudio se permitió a los maestros establecer los iluminancias que desearan en las aulas, cumpliendo los valores fijados en la normativa. Para evaluar las métricas relacionadas con los efectos no visuales de la luz, se midió la iluminancia vertical y el SPD (Distribución de Potencia Espectral) a la altura de los ojos de los alumnos en posición sentada, tanto para el caso base con iluminación fluorescente como para la nueva solución LED.
Las métricas calculadas relacionadas con las respuestas no visuales, basada en estas mediciones del SPD, demuestran que existen diferencias importantes entre las métricas del Lux Equivalentes Melanópicos (Equivalent Melanopic Lux – EML) y el estímulo circadiano (CS) que se han propuesto para uso en aplicaciones de iluminación. Los datos de este proyecto también demuestran que las iluminancias fotópicas que generalmente se proporcionan en las aulas no son suficientes para cumplir con los niveles comunes recomendados de CS o EML, aunque ninguna de esas métricas ha sido adoptada por organizaciones de estándares reconocidos. Si bien el sistema de iluminación ajustabñe en este proyecto podría proporcionar una amplia gama de niveles de CS o EML, las iluminancias y el uso de energía asociado deberían incrementarse para satisfacer las recomendaciones existentes para estas métricas no visuales.
Puede consultar el informe completa en el siguiente enlace:
https://www.energy.gov/eere/ssl/downloads/evaluating-tunable-lighting-classrooms
