El punto de partida para el aprovechamiento de luz natural en un diseño de iluminación es el conocimiento de la disponibilidad de luz exterior, tanto en sus niveles como en sus períodos de duración, de acuerdo a las horas del día y a las estaciones, sin embargo, lamentablemente, son muy pocos los países en el mundo en donde se toman registros de luz natural en forma regular.
La forma en que se trabaja para los cálculos es utilizando modelos de predicción que han sido desarrollados para cuatro aplicaciones diferentes:
1- Para establecer condiciones de diseño, que se utilizan en el desarrollo de herramientas simples de diseño, o bien para establecer un cielo de diseño.
2- Para establecer una evaluación hora-hora del recurso que luego sea introducido en herramientas complejas de simulación de consumos de energía en edificios tales como el RADIANCE, Energy-10, etc.
3- Para establecer promedios horarios de disponibilidad del dato en forma tabulada para el uso de arquitectos, ingenieros y diseñadores de sistemas de iluminación.
4- Como una herramienta de investigación que ayude a comprender el recurso de luz natural y el desarrollo de nuevas maneras de evaluar los sistemas de iluminación solar.
Los modelos de predicción se pueden dividir en los de validez local o regional y los generales.
2.1. Modelos de validez local de iluminancia exterior
El procedimiento de cálculo utilizado a partir de datos locales o regionales tabulados para evaluar el recurso y determinar las condiciones de cielo sólo puede realizarse en las localidades donde se ha medido y está disponible (Robbins, 1986), obteniendo un modelo de probabilidad de luz solar diferenciado para condiciones de cielo claro y cubierto especificando horas del día, mes y año.
Sin embargo, debido a que muy pocas estaciones meteorológicas en el mundo proveen los datos climáticos locales o regionales en forma tabulada, esta solución no es factible.
2.2. Programa internacional de mediciones de iluminación natural
La Comisión Internacional de Iluminación –del inglés Commission Internationale de L'Éclairage, CIE-, designó el año 1991 como el año internacional de la medición de la luz natural, estableciendo tres categorías de estaciones de medición Básica, General y de Investigación. En las dos primeras categorías las principales cantidades medidas son iluminancia y radiación, mientras que en la de Investigación, se realiza una recolección continua de la distribución de luminancia de cielo, así como de iluminancia, radiación y otros datos meteorológicos (Tregenza 1987, Dumortier 1998).
En Mendoza, Argentina, se desarrolló en 1993, un equipo de adquisición de datos que colecta datos exteriores de radiación solar e Iluminancia exterior directa, global y difusa, sobre superficie horizontal. Con los primeros datos obtenidos, se formuló un modelo de predicción de validez local (Pattini y otros 1996). Desde fines de 1999 esta estación de clase general (figura 5), que arroja datos minuto a minuto, forma parte de la red de estaciones de la CIE (figura 6). En la figura 7 se ha graficado la distribución de los valores registrados en la mencionada estación, de iluminancia global exterior sobre superficie horizontal, desde el amanecer hasta el anochecer, correspondientes a tres días del mes de Junio, en donde se pueden apreciar las importantes diferencias de niveles y su distribución según se trate de un día nublado (gráfico izquierdo), parcialmente nublado (gráfico central) o con cielo claro (gráfico derecho)
2.3. Modelos de predicción generales
Una aproximación que no requiere colectar datos de iluminancia exterior por un período de tiempo extenso es la formulación de modelos de predicción. Un modelo de predicción de iluminancia es aquel que puede otorgar información acerca de la cantidad de iluminancia exterior que llega a una superficie de determinada orientación, en un intervalo de tiempo (generalmente horario), basándose en las mediciones y cálculos de aquellas condiciones climáticas que afectan la disponibilidad de la Luz Natural.
En este sentido, el modelo podría aplicarse a cualquier localidad, simplemente introduciendo los datos climáticos necesarios.
En muchos de estos modelos, la iluminancia global (EG) que llega a una determinada superficie está compuesta por la Iluminancia directa (ED), la Iluminancia difusa (ed) y la Iluminancia reflejada por el suelo o albedo (eg):
EG = ED + ed + eg
Si la superficie sobre la que se realiza el cálculo es horizontal, no se incluye la correspondiente componente reflejada por el suelo.
La mayor distinción entre los modelos se encuentra en si han sido formulados para cielos claros, parcialmente nublados o cubiertos.
3. Iluminación natural de los interiores
En el desarrollo preliminar del diseño de un edificio, así como en el diseño de los elementos que han de captar, dirigir y distribuir la luz natural, el criterio visual interior y los requerimientos básicos de iluminación deben ser prioritariamente conocidos y definidos. Esto nos remite a las normas y recomendaciones efectuadas a escala regional y/o internacional para los distintos tipos de locales (Gonzalo y otros, 2000; Pattini, 2000). A continuación, los diseñadores deben determinar los parámetros de disponibilidad de luz natural para la localidad donde se emplazará el edificio y la selección de los datos apropiados de luz natural que se usarán como base para la propuesta de diseño, para poder predecir entonces la contribución de iluminación natural para varios esquemas.
3.1. Objetivos de diseño
El diseño debe procurar optimizar la orientación de las plantas de los edificios para permitir, dentro de las posibilidades de los terrenos, el acceso de la luz natural a la mayoría de los locales. En la figura 8 se muestran locales, con distintas formas y orientaciones, y se indica en cuáles casos la situación es más favorable.
En cuanto a las ventanas utilizadas para el mejor aprovechamiento de luz natural en la iluminación de interiores, los objetivos de diseño son:
Maximizar la transmisión de luz por unidad de área vidriada (marcos y hojas de ventanas esbeltas).
Controlar la penetración de luz solar directa sobre el plano de trabajo.
Controlar el contraste de claridad dentro del campo visual de los ocupantes, especialmente entre las ventanas y las superficies circundantes del local.
Minimizar el efecto de reducción de ingreso de radiación debido al ángulo de incidencia de la luz -efecto reducción por coseno-. Esto significa que aventanamientos ubicados en la parte alta de los muros producen más iluminancia que una ventana más baja de la misma área.
Minimizar el deslumbramiento de velo sobre los planos de trabajo, resultante de la visión directa de la fuente de luz en las ventanas superiores.
Minimizar las ganancias de calor diurno durante el período de verano.
Maximizar las ganancias térmicas diurnas en invierno para permitir la calefacción natural los espacios.
Proveer sombra sobre las áreas vidriadas para evitar sobrecalentamientos estacionales o deslumbramientos según la orientación de la fachada donde está ubicada la ventana (Figura 9).
3.2. Sistemas de iluminación natural
Llamamos sistema de iluminación natural al conjunto de componentes que en un edificio o construcción se utilizan para iluminar con luz natural. La cantidad, calidad y distribución de la luz interior depende del funcionamiento conjunto de los sistemas de iluminación, de la ubicación de las aberturas y de la superficie de las envolventes.
Básicamente son tres los sistemas de iluminación natural utilizados:
Iluminación lateral
Iluminación cenital
Iluminación combinada
Iluminación lateral
La luz llega desde una abertura ubicada en un muro lateral, y es por eso que la iluminancia del plano de trabajo cercano a la ventana tiene un nivel alto y aporta en forma importante a la iluminación general. Si nos movemos, alejándonos de la ventana, el valor de la iluminación directa decrece rápidamente y la proporción relativa de la componente indirecta (reflejada y difusa) se incrementa. Sin embargo, como se muestra en la figura 10, la cantidad y distribución de la luz que ingresa lateralmente a través de una abertura en un muro depende fundamentalmente de la orientación del muro donde la misma esta emplazada, debido a que en general, las ventanas orientadas al Norte reciben sol (iluminación directa) desde el amanecer hasta el atardecer, las orientadas al Este solo permiten el ingreso de la radiación directa desde el amanecer hasta el mediodía, La ubicadas hacia el Oeste desde el mediodía hasta el atardecer y las emplazadas hacia el Sur no reciben aporte de iluminación directa, solo reciben iluminación difusa y reflejada.
Iluminación lateral y el muro norte
En diseños de edificios que utilizan energía solar pasiva para su acondicionamiento térmico, la misma superficie vidriada (ganancia directa solar) puede ser utilizada para calefaccionar durante los meses de invierno, y enfriar por ventilación cruzada natural y para materializar el sistema de iluminación natural.
La ganancia térmica solar directa en fachadas verticales orientadas al norte, potencial causa de deslumbramiento, se puede controlar con un alero fijo o con sombra vegetal, bloqueando la radiación directa sobre las áreas vidriadas en los meses de verano, ingresando por lo tanto sólo iluminación difusa a los interiores. En la situación de invierno, lo que se desea es el ingreso del sol en el local para ganancia térmica, cosa que ocurre naturalmente, ya que el sol tiene ángulos bajos y el alero que sombreaba en verano (ángulo solar alto) permite el total asoleamiento de la superficie vidriada. Para evitar también el deslumbramiento y en consecuencia las molestias visuales, que produce el ingreso del sol directo en invierno a través de la ventana ubicada en la fachada norte, se puede difundir el rayo solar mediante estantes de luz interiores o difusores que redirijan o difundan la luz solar directa para iluminar (figura 11), una vez que ya ingreso al local para calefaccionar, acumulándose en los elementos constructivos con masa (muros y pisos).
Iluminación cenital
Se utiliza generalmente en las localidades con predominio de cielos nublados. El plano de trabajo es iluminado directamente desde la parte más luminosa de estos tipos de cielos, el cenit. La proporción de iluminación indirecta generalmente no excede el 25%. En la figura 12a se indica la distribución de las aberturas según su relación con la altura del local.
Iluminación combinada
En la iluminación combinada hay aperturas en muros y en techos. En un interior donde la envolvente no está claramente dividida en muros y techos, por ejemplo en cerramientos abovedados, se la considera como iluminación lateral si la abertura es más baja que 2.5 m; por encima de esta altura se considera iluminación cenital o superior. En la figura 12b se indica la mejor distribución en el espacio de las aberturas combinadas. En una iluminación combinada, la relación de la componente directa e indirecta de la iluminación puede ubicarse entre los dos extremos mencionados anteriormente.
Andrea Pattini
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