Iluminación natural (arquitectura)

La iluminación natural es la práctica de colocar ventanas , tragaluces , otras aberturas y superficies reflectantes de modo que la luz solar directa o indirecta pueda proporcionar una iluminación interna eficaz. Se presta especial atención a la iluminación natural al diseñar un edificio cuando el objetivo es maximizar el confort visual o reducir el uso de energía. Se pueden lograr ahorros de energía mediante el uso reducido de iluminación artificial (eléctrica) o de calefacción solar pasiva . El uso de energía de la iluminación artificial se puede reducir simplemente instalando menos luces eléctricas donde hay luz natural o atenuando o apagando automáticamente las luces eléctricas en respuesta a la presencia de luz natural, un proceso conocido como aprovechamiento de la luz natural .

La cantidad de luz natural que recibe un espacio interior se puede analizar midiendo la iluminancia en una cuadrícula o realizando un cálculo del factor de luz natural . Los programas informáticos como Radiance permiten a un arquitecto o ingeniero calcular rápidamente los beneficios de un diseño en particular. La respuesta del ojo humano a la luz no es lineal , por lo que una distribución más uniforme de la misma cantidad de luz hace que una habitación parezca más luminosa.

La fuente de toda la luz del día es el Sol. La proporción de luz directa y difusa afecta la cantidad y calidad de la luz del día. ^[1] La "luz solar directa" llega a un sitio sin dispersarse dentro de la atmósfera de la Tierra . La luz solar que se dispersa en la atmósfera es " luz diurna difusa ". La luz solar reflejada en las paredes y el suelo también contribuye a la iluminación natural. Cada clima tiene una composición diferente de estas luces diurnas y una cobertura de nubes diferente , por lo que las estrategias de iluminación natural varían según la ubicación del sitio y el clima. En latitudes al norte del Trópico de Cáncer y al sur del Trópico de Capricornio , no hay luz solar directa en la pared del lado polar de un edificio entre el equinoccio de otoño y el equinoccio de primavera (es decir, desde el equinoccio de septiembre hasta el equinoccio de marzo en el hemisferio norte, y desde el equinoccio de marzo hasta el equinoccio de septiembre en el hemisferio sur ). En el hemisferio norte , la pared orientada al norte es el "lado polar" y en el hemisferio sur, es la pared orientada al sur. ^[2]

Tradicionalmente, las casas se diseñaban con ventanas mínimas en el lado polar, pero más ventanas y más grandes en el lado ecuatorial (pared orientada al sur en el hemisferio norte y pared orientada al norte en el hemisferio sur). ^[3] Las ventanas del lado ecuatorial reciben al menos algo de luz solar directa en cualquier día soleado del año (excepto en los trópicos en verano ), por lo que son efectivas para iluminar las áreas de la casa adyacentes a las ventanas. En latitudes más altas durante el pleno invierno , la incidencia de la luz es altamente direccional y proyecta sombras largas. Esto se puede mejorar parcialmente a través de la difusión de la luz , tubos o conductos de luz y superficies internas algo reflectantes. En latitudes bastante bajas en verano, las ventanas que miran al este y al oeste y, a veces, las que miran hacia el polo más cercano reciben más luz solar que las ventanas que miran hacia el ecuador. ^[2]

La iluminación natural pasiva es un sistema que recoge la luz solar mediante sistemas estáticos, inmóviles y sin seguimiento (como ventanas, puertas corredizas de vidrio , la mayoría de los tragaluces , tubos de luz ) y refleja la luz natural recogida en el interior con elementos como estantes de luz . Los sistemas de iluminación natural pasiva se diferencian de los sistemas de iluminación natural activa en que los sistemas activos siguen y/o rastrean el sol y dependen de mecanismos mecánicos para hacerlo.

Las ventanas son la forma más común de dejar entrar la luz natural a un espacio. Su orientación vertical significa que dejan entrar selectivamente la luz solar y la difunden en diferentes momentos del día y del año. Por lo tanto, las ventanas con múltiples orientaciones generalmente deben combinarse para producir la mezcla adecuada de luz para el edificio, según el clima y la latitud. Hay tres formas de mejorar la cantidad de luz disponible desde una ventana: ^[4] (a) colocar la ventana cerca de una pared de color claro, (b) inclinar los lados de las aberturas de las ventanas para que la abertura interior sea más grande que la abertura exterior, o (c) usar un alféizar grande de color claro para proyectar la luz en la habitación. Además de permitir la entrada de luz natural al edificio, las ventanas cumplen otra función en la práctica de la iluminación natural, proporcionar vistas hacia el exterior. ^[5] Para mejorar la calidad de la vista que se ve desde una ventana, se deben garantizar tres variables principales: contenido de la vista (qué se puede ver en la vista), acceso a la vista (qué parte de la vista de la ventana se puede ver) y claridad de la vista (con qué claridad se puede ver la vista). ^[6] La claridad de la vista a menudo se ve influenciada por la cantidad de sombreado proporcionado por las persianas o los dispositivos utilizados para proteger a los ocupantes de la luz natural intensa (por ejemplo, el deslumbramiento ) o por razones de privacidad visual . Los criterios ambientales sirven como criterios importantes para medir la calidad del contenido de la vista de la ventana. ^[7] Estos criterios se pueden resumir en cinco factores importantes, a saber: ubicación, hora, clima, personas y naturaleza. En particular, las vistas que pueden proporcionar a los habitantes del edificio contenido de la naturaleza superan con creces los otros cuatro criterios de información ambiental.

Los distintos tipos y grados de vidrio y los distintos tratamientos de las ventanas también pueden afectar la cantidad de transmisión de luz a través de las ventanas. El tipo de acristalamiento es un tema importante, expresado por su coeficiente VT (transmitancia visual), ^[8] también conocido como transmitancia de luz visual (VLT). Como sugiere el nombre, este coeficiente mide la cantidad de luz visible que admite la ventana. Un VT bajo (por debajo de 0,4) puede reducir a la mitad o más la luz que entra en una habitación. Pero también tenga cuidado con los vidrios con un VT alto: los números VT altos (por ejemplo, superiores a 0,60) pueden ser una causa de deslumbramiento. Por otro lado, también debe tener en cuenta los efectos indeseables de las ventanas grandes.

Las ventanas se integran en paredes translúcidas (abajo).

Otro elemento importante para crear iluminación natural es el uso de claraboyas . Se trata de ventanas altas y colocadas verticalmente. Se pueden utilizar para aumentar la ganancia solar directa cuando están orientadas hacia el ecuador. Cuando están orientadas hacia el sol, las claraboyas y otras ventanas pueden admitir un deslumbramiento inaceptable . En el caso de una casa solar pasiva , las claraboyas pueden proporcionar una trayectoria de luz directa a las habitaciones del lado polar (norte en el hemisferio norte; sur en el hemisferio sur) que de otro modo no estarían iluminadas. Alternativamente, las claraboyas se pueden utilizar para admitir la luz natural difusa (del norte en el hemisferio norte) que ilumina uniformemente un espacio como un aula o una oficina.

A menudo, las ventanas del triforio también inciden sobre las superficies de las paredes interiores pintadas de blanco u otro color claro. Estas paredes se colocan de manera que reflejen la luz indirecta hacia las áreas interiores donde se necesita. Este método tiene la ventaja de reducir la direccionalidad de la luz para hacerla más suave y difusa, reduciendo las sombras.

Otra alternativa de techo de vidrio en ángulo es un techo dentado (que se encuentra en fábricas antiguas). Los techos dentados tienen vidrio vertical que mira hacia el lado opuesto al ecuador del edificio para capturar la luz difusa (no la fuerte ganancia solar directa del lado ecuador). ^[9] La parte en ángulo de la estructura de soporte de vidrio es opaca y está bien aislada con un techo frío y una barrera radiante . El concepto de iluminación del techo dentado reduce parcialmente el problema del tragaluz del "horno solar" del verano, pero aún permite que el aire interior cálido se eleve y toque el vidrio del techo exterior en el frío invierno, con una importante transferencia de calor no deseada. ^[10]

Los tragaluces son fenestraciones que transmiten luz (productos que rellenan las aberturas en la envoltura de un edificio, que también incluyen ventanas, puertas, etc. ^{[ ¿según quién? ]} ) y que forman todo o parte del techo de un espacio construido. Los tragaluces se utilizan ampliamente en el diseño de iluminación natural en edificios residenciales y comerciales, principalmente porque son la fuente más eficaz de luz natural por unidad de superficie.

Una alternativa a un tragaluz es una claraboya . Una claraboya es una cúpula que permite la entrada de luz natural y que se encuentra sobre un techo, a diferencia de una claraboya que se instala en la estructura de un techo. Las claraboyas sirven como elemento arquitectónico y como método para introducir luz natural en un espacio, y suelen ser estructuras de madera o metal con varios paneles de vidrio esmaltado.

Como elemento arquitectónico , un tragaluz es un panel vidriado que normalmente se coloca al ras del techo con el fin de admitir luz natural o artificial. ^[11] Los tragaluces suelen utilizar vidrieras o lentes en su acristalamiento, pero también pueden utilizar materiales alternativos. ^{[12] [13]} Por ejemplo, la Galería de la Asociación de Arte de Lyme utiliza tragaluces de muselina blanca translúcida debajo de sus tragaluces. ^{[14] Un tragaluz se diferencia de un} tragaluz vidriado (o cerrado) en que un tragaluz funciona como una ventana o abertura de techo, mientras que un tragaluz está al ras del techo de un espacio interior. ^{[15] [16]} Cuando se combina con una claraboya o tragaluz en un techo inclinado, un tragaluz funciona como un difusor de luz interior. ^[17] Antes de la llegada de la iluminación eléctrica, los tragaluces permitían la transmisión de luz entre pisos en edificios más grandes y no siempre se combinaban con tragaluces. ^[18]

Un atrio es un gran espacio abierto ubicado dentro de un edificio. A menudo se utiliza para iluminar una circulación central o un área pública mediante la luz natural que entra a través de un techo o pared de vidrio. Los atrios proporcionan algo de luz natural a las áreas de trabajo adyacentes, pero la cantidad suele ser pequeña y no penetra muy lejos. ^[19] La función principal de un atrio es proporcionar una experiencia visual y un grado de contacto con el exterior para las personas en las áreas de trabajo. La iluminación natural de los pisos sucesivos de las habitaciones adyacentes a un atrio es interdependiente y requiere un enfoque equilibrado. ^[20] La luz del cielo puede penetrar fácilmente en los pisos superiores, pero no en los inferiores, que dependen principalmente de la luz reflejada desde las superficies internas del atrio, como la luz reflejada en el piso. ^[21] Los pisos superiores necesitan menos área de ventanas que los inferiores, y si las paredes del atrio son de color claro, las paredes superiores reflejarán la luz hacia los pisos inferiores. ^[9]

Las paredes de ladrillo de vidrio son translúcidas o transparentes. Tradicionalmente, son huecas y se rejuntan con una lechada fina de hormigón, pero algunas paredes de ladrillo de vidrio modernas son de vidrio fundido macizo ^[22] rejuntado con un pegamento transparente. ^{[23] [24]} Si el pegamento coincide con el índice de refracción del vidrio, la pared puede ser bastante transparente.

Al aumentar la cantidad de hormigón, las paredes de las botellas incorporan botellas que atraviesan la pared y transmiten la luz. También se han construido paredes de hormigón con prismas de vidrio que las atraviesan. Con la llegada de fibras ópticas más baratas y paredes de hormigón de fibra óptica , la luz del día (y las imágenes de sombras) pueden pasar directamente a través de una pared de hormigón sólida, volviéndola translúcida; la fibra óptica conducirá la luz por las curvas y a lo largo de decenas de metros. ^[25] Por lo general, solo se transmite un pequeño porcentaje de la luz (el porcentaje de transmitancia es aproximadamente la mitad del porcentaje de la superficie que son fibras, y normalmente solo se utilizan fibras aproximadamente el 5%). ^{[26] [27]}

Tanto el vidrio como el hormigón conducen bastante bien el calor cuando están sólidos, por lo que ninguno de estos muros aísla bien . Por ello, se suelen utilizar en exteriores, como separador entre dos espacios calefactados (ver imágenes), o en climas muy templados .

Las paredes (y los techos) de los invernaderos están diseñados para transmitir la mayor cantidad de luz y el menor calor posible. Se utilizan distintos materiales y pueden ser transparentes o translúcidos.

Es posible proporcionar algo de luz natural a espacios que tienen pocas posibilidades de tener ventanas o tragaluces a través de dispositivos de distribución remota como espejos, prismas o tubos de luz . Esto se llama iluminación anidólica , de óptica anidólica (no formadora de imágenes) . La respuesta no lineal del ojo humano a la luz significa que difundir la luz a un área más amplia de una habitación hace que la habitación parezca más brillante y que una mayor parte de ella esté iluminada de manera útil.

Los sistemas de distribución de luz natural a distancia tienen pérdidas y cuanto más lejos tengan que transmitir la luz natural y más intrincado sea el camino, mayor será la ineficiencia. ^[28] La eficiencia de muchos sistemas de distribución a distancia también puede variar drásticamente de cielos despejados a nublados. No obstante, cuando no hay otra posibilidad de proporcionar luz natural a un espacio, se pueden valorar los sistemas de distribución a distancia. ^[19]

El reflector de luz ajustable manualmente, que en el pasado se utilizaba ampliamente en los edificios de oficinas, ya casi no se utiliza hoy en día, ya que ha sido reemplazado por una combinación de otros métodos junto con la iluminación artificial. El reflector había encontrado aceptación allí donde las opciones de luz artificial proporcionaban una iluminación deficiente en comparación con la iluminación eléctrica moderna.

Los estantes de luz son una forma eficaz de mejorar la iluminación de las ventanas del lado de una estructura que mira hacia el ecuador. Este efecto se obtiene colocando un estante de luz de metal blanco o reflectante fuera de la ventana. ^[19] Por lo general, la ventana estará protegida del sol directo de la temporada de verano mediante un alero saliente. El estante de luz se proyecta más allá de la sombra creada por el alero y refleja la luz solar hacia arriba para iluminar el techo. Esta luz reflejada puede contener poco contenido de calor y la iluminación reflejada del techo generalmente reducirá las sombras profundas, lo que reducirá la necesidad de iluminación general. ^[29]

En el frío invierno, se crea una plataforma de luz natural cuando hay nieve en el suelo, lo que la hace reflectante. El sol invernal bajo (ver Trayectoria del sol ) se refleja en la nieve y aumenta la ganancia solar a través del vidrio orientado al ecuador en uno o dos tercios, lo que ilumina intensamente el techo de estas habitaciones. Puede ser necesario controlar el deslumbramiento (cortinas).

El uso más antiguo de los prismas para la iluminación natural puede ser el de los prismas de cubierta , que se colocaban en las cubiertas de los barcos para transmitir luz hacia abajo. Más tarde, se utilizaron luces de pavimento o luces de bóveda para iluminar las áreas del sótano debajo de las aceras. ^[30]

Los prismas que utilizaban la reflexión interna total para proyectar la luz lateralmente, iluminando las partes más profundas de una habitación, se hicieron populares más tarde. Las primeras baldosas de prismas de vidrio fundido, gruesas y de enfriamiento lento, se conocían a menudo como "baldosas luxfer", en honor a un importante fabricante. ^[30] Se utilizaban y se utilizan en las partes superiores de las ventanas, y algunos creen que contribuyeron a la tendencia de los interiores victorianos oscuros y subdivididos a los interiores abiertos y de colores claros. ^{[ cita requerida ]}

La película para ventanas que redirige la luz natural (DRF) es una versión delgada de plástico de las antiguas placas de prismas de vidrio. Se puede utilizar como sustituto de las persianas opacas. ^[31]

Otro tipo de dispositivo utilizado es el tubo de luz, también llamado dispositivo de iluminación natural tubular (TDD), que se coloca en un techo y permite que la luz llegue a un área específica del interior. Estos se parecen un poco a las luminarias empotradas en el techo. No permiten tanta transferencia de calor como los tragaluces porque tienen menos área de superficie.

Los TDD utilizan tecnología moderna para transmitir luz visible a través de paredes y techos opacos. El tubo en sí es un componente pasivo que consiste en un simple revestimiento interior reflectante o un haz de fibra óptica conductora de luz. Con frecuencia está cubierto con un "colector de luz" en forma de cúpula transparente montado en el techo y terminado con un conjunto difusor que permite que la luz natural ingrese a los espacios interiores y distribuye la energía luminosa disponible de manera uniforme (o de manera eficiente si el uso del espacio iluminado es razonablemente fijo y el usuario desea uno o más "puntos brillantes").

El dispositivo tubular de iluminación natural fue inventado por Solatube International en 1986 y comercializado por primera vez en Australia en 1991. ^{[ dudoso – discutir ]}

La iluminación natural activa es un sistema de recolección de luz solar mediante un dispositivo mecánico para aumentar la eficiencia de la recolección de luz para un propósito de iluminación determinado. Los sistemas de iluminación natural activa se diferencian de los sistemas de iluminación natural pasiva en que los sistemas pasivos son estacionarios y no siguen ni rastrean activamente al sol. ^[32] Hay dos tipos de sistemas de control de iluminación natural activa: seguimiento solar de bucle cerrado y sistemas de seguimiento solar de bucle abierto .

• Los sistemas de circuito cerrado rastrean el sol mediante un conjunto de lentes o sensores con un campo de visión limitado, dirigidos hacia el sol, y están completamente iluminados por la luz solar en todo momento. A medida que el sol se mueve, comienza a hacer sombra a uno o más sensores, que el sistema detecta y activa motores o actuadores para mover el dispositivo nuevamente a una posición donde todos los sensores estén nuevamente igualmente iluminados. ^[33]
• Los sistemas de circuito abierto rastrean al sol sin seguirlo físicamente a través de sensores (aunque se pueden usar sensores para la calibración). Estos sistemas suelen emplear una lógica electrónica que controla los motores o actuadores de los dispositivos para que sigan al sol según una fórmula matemática. Esta fórmula suele ser un gráfico de la trayectoria solar preprogramado, que detalla dónde estará el sol en una latitud determinada y en una fecha y hora determinadas para cada día.

El vidrio inteligente es el nombre que se le da a una clase de materiales y dispositivos que pueden cambiar entre un estado transparente y un estado opaco, translúcido, reflectante o retrorreflectivo. ^[34] La conmutación se realiza aplicando un voltaje al material o realizando alguna operación mecánica simple. Las ventanas, tragaluces, etc., que están hechos de vidrio inteligente se pueden utilizar para ajustar la iluminación interior, compensando los cambios de brillo de la luz exterior y del brillo requerido en el interior. ^[35]

El uso de helióstatos , espejos que se mueven automáticamente para reflejar la luz solar en una dirección constante a medida que el sol se mueve por el cielo, está ganando popularidad como un método de iluminación energéticamente eficiente. Un helióstato se puede utilizar para hacer brillar la luz solar directamente a través de una ventana o tragaluz, o en cualquier disposición de elementos ópticos, como tubos de luz, que distribuyan la luz donde se necesita. La imagen muestra un espejo que gira sobre un soporte altazimutal controlado por computadora y accionado por motor .

Las farolas solares son fuentes de luz elevadas que se alimentan mediante paneles fotovoltaicos generalmente montados en la estructura de iluminación. El panel solar de este sistema fotovoltaico fuera de la red carga una batería recargable , que alimenta una lámpara fluorescente o LED durante la noche. Las farolas solares son sistemas de energía autónomos y tienen la ventaja de ahorrar en zanjas, paisajismo y costos de mantenimiento, así como en las facturas de electricidad, a pesar de su mayor costo inicial en comparación con el alumbrado público convencional. Están diseñadas con baterías lo suficientemente grandes para garantizar el funcionamiento durante al menos una semana e incluso en la peor situación, se espera que se atenúen solo ligeramente.

El Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) ha desarrollado una nueva alternativa a los tragaluces llamada iluminación solar híbrida. Este diseño utiliza un colector de luz montado en el techo, fibra óptica de gran diámetro y luminarias fluorescentes modificadas y eficientes que tienen varillas transparentes conectadas a los cables de fibra óptica. Básicamente, no se necesita electricidad para la iluminación natural interior durante el día.

Las pruebas de campo realizadas en 2006 y 2007 de la nueva tecnología HSL fueron prometedoras, pero la producción de equipos en pequeñas cantidades sigue siendo costosa. La tecnología HSL debería resultar más rentable en un futuro próximo. Una versión que pueda soportar tormentas de viento podría comenzar a reemplazar los sistemas de iluminación fluorescentes comerciales convencionales con implementaciones mejoradas en 2008 y más adelante. La Ley de Energía de 2007 de los EE. UU. proporciona fondos para la investigación y el desarrollo de HSL, y varios edificios comerciales de gran tamaño están listos para financiar el desarrollo y la implementación de aplicaciones HSL.

Por la noche, ORNL HSL utiliza balastos electrónicos de control de iluminación fluorescente de intensidad variable. A medida que la luz solar disminuye gradualmente al atardecer, la luminaria fluorescente se enciende gradualmente para brindar un nivel casi constante de iluminación interior desde el amanecer hasta que oscurece afuera.

La tecnología HSL puede convertirse pronto en una opción para la iluminación interior comercial. Puede transmitir aproximadamente la mitad de la luz solar directa que recibe. ^[36]

En un edificio bien diseñado y aislado que aprovecha la energía solar y que cuenta con solárium, terraza acristalada, invernadero, etc., suele haber una cantidad importante de vidrio en el lado del ecuador. También se puede añadir una gran superficie de vidrio entre la terraza acristalada y las estancias interiores. El vidrio de seguridad para puertas de patio, de bajo coste y de gran volumen de producción, es una forma económica de lograr este objetivo.

Las puertas que se utilizan para entrar en una habitación deben estar frente al vidrio interior de la sala de sol, de modo que el usuario pueda ver el exterior inmediatamente al entrar en la mayoría de las habitaciones. Los pasillos deben minimizarse y, en su lugar, se deben utilizar espacios abiertos. Si es necesario un pasillo para lograr privacidad o aislamiento de la habitación, se pueden colocar puertas de patio de vidrio de seguridad económicas a ambos lados del pasillo. Se pueden utilizar cortinas sobre el vidrio interior para controlar la iluminación. Las cortinas se pueden automatizar opcionalmente con controles de motor eléctrico basados ​​en sensores que detectan la ocupación de la habitación, la luz natural, la temperatura interior y la hora del día. Los edificios solares pasivos sin sistema de aire acondicionado central necesitan mecanismos de control para las variaciones horarias, diarias y estacionales de temperatura y luz natural. Si la temperatura es correcta y una habitación está desocupada, las cortinas se pueden cerrar automáticamente para reducir la transferencia de calor en cualquier dirección.

Para ayudar a distribuir la luz natural del solario hacia los lados de las habitaciones que están más alejados del ecuador, se pueden utilizar espejos económicos que cubran desde el techo hasta el piso.

Los códigos de construcción exigen un segundo medio de salida en caso de incendio. La mayoría de los diseñadores utilizan una puerta en un lado de los dormitorios y una ventana exterior, pero las ventanas del lado oeste ofrecen un rendimiento térmico muy deficiente en verano. En lugar de una ventana orientada al oeste, los diseñadores utilizan una puerta exterior sólida de bajo consumo de energía rellena de espuma R-13. Puede tener una puerta de tormenta de vidrio en el exterior para que la luz pueda pasar cuando se abre la puerta interior. Las puertas y ventanas de vidrio del este y el oeste deben estar completamente protegidas de arriba a abajo o se puede utilizar un revestimiento selectivo espectral para reducir la ganancia solar.

Los arquitectos y diseñadores de interiores suelen utilizar la iluminación natural como elemento de diseño. Una buena iluminación natural exige prestar atención tanto a los aspectos cualitativos como cuantitativos del diseño. ^[19]

El uso de la luz natural es uno de los aspectos de diseño en arquitectura; en 1929, el arquitecto francés Le Corbusier dijo que "La historia de los materiales arquitectónicos... ha sido la lucha interminable por la luz... en otras palabras, la historia de las ventanas". Como enfatizó en su arquitectura (como Notre Dame du Haut ), la iluminación natural ha sido un elemento importante del diseño arquitectónico (ver la Capilla del MIT y la Iglesia de la Luz como ejemplos). No solo los aspectos estéticos, el impacto de la iluminación natural en la salud humana y el rendimiento laboral también se considera iluminación natural cualitativa. ^[37] Los estudios actuales muestran que las condiciones de iluminación en los lugares de trabajo contribuyen a una variedad de factores relacionados con la satisfacción laboral, la productividad y el bienestar y puntajes de aceptación visual significativamente más altos con la iluminación natural que con la iluminación eléctrica. ^[38] Los estudios también han demostrado que la luz tiene un efecto directo en la salud humana debido a la forma en que influye en los ritmos circadianos . ^[39]

Un espacio bien iluminado necesita niveles de iluminación adecuados y una luz bien distribuida. En la industria de la construcción actual, la iluminación natural se considera una medida de rendimiento del edificio en los programas de certificación de edificios ecológicos como LEED . La Illuminating Engineering Society (IES) y la Society of Light and Lighting (SLL) brindan recomendaciones de iluminancia para cada tipo de espacio. La cantidad de iluminación natural que contribuye al nivel de iluminación recomendado determina el rendimiento de la iluminación natural de un edificio. Hay dos métricas que la IES ha aprobado para evaluar el rendimiento de la iluminación natural: la autonomía espacial de la luz natural (sDA) y la exposición anual a la luz solar (ASE). La sDA es una métrica que describe la suficiencia anual de los niveles de luz natural ambiental en entornos interiores. ^[40] Consulte las secciones de autonomía de la luz natural y documentación LEED para obtener más detalles.

En los edificios existentes, se pueden realizar mediciones de campo para evaluar el rendimiento de la iluminación natural. Las mediciones de iluminancia en una cuadrícula son un nivel básico para derivar una iluminancia promedio de un espacio. El espaciamiento de los puntos de medición varía según los propósitos del proyecto. La altura de estos puntos depende de dónde se realiza la tarea principal. En la mayoría de los espacios de oficina, se medirá el nivel del escritorio (0,762 m por encima del piso). Con base en las mediciones, se calculará la iluminancia promedio, la relación de uniformidad máxima a mínima y la relación de uniformidad promedio a mínima y se comparará con el nivel de iluminación recomendado. ^[41] Se puede realizar una encuesta de diagnóstico específica para la iluminación para analizar la satisfacción de los ocupantes del edificio. ^[41]

Las simulaciones computacionales pueden predecir las condiciones de iluminación natural de un espacio mucho más rápido y con más detalle que los cálculos manuales o las pruebas con modelos a escala. Las simulaciones permiten tener en cuenta los efectos del clima con datos meteorológicos horarios de un año meteorológico típico . Hay modelos informáticos disponibles que pueden predecir variaciones en la luz reflejada internamente. La radiosidad y el trazado de rayos son métodos que pueden abordar geometrías complejas, permitir distribuciones complejas del cielo y producir potencialmente imágenes fotorrealistas. Los métodos de radiosidad suponen que todas las superficies se difunden perfectamente para reducir los tiempos de cálculo. Las técnicas de trazado de rayos tienen precisión y capacidad de reproducción de imágenes. ^[9]

La autonomía de la luz natural es el porcentaje de tiempo en que los niveles de luz natural superan una iluminancia objetivo específica dentro de un espacio físico o edificio. ^[42] El cálculo se basa en datos anuales y en los niveles de iluminación predeterminados. El objetivo del cálculo es determinar cuánto tiempo puede trabajar una persona en un espacio sin necesidad de iluminación eléctrica, al tiempo que proporciona un confort visual y físico óptimo. ^[42]

La autonomía de la luz natural es beneficiosa para determinar cómo entra la luz natural y cómo ilumina un espacio. Sin embargo, el inconveniente es que no hay un límite superior para los niveles de luminancia . Por lo tanto, un espacio con una alta ganancia de calor interna que los ocupantes consideren incómoda, aún tendría un buen desempeño en el análisis. Lograr la autonomía de la luz natural requiere un enfoque de diseño integrado que oriente la forma del edificio, la ubicación, las consideraciones climáticas, los componentes del edificio, los controles de iluminación y los criterios de diseño de iluminación.

La autonomía continua durante el día es similar a la autonomía durante el día, pero se atribuye un crédito parcial a los intervalos de tiempo en los que la iluminancia durante el día se encuentra por debajo del nivel mínimo de iluminancia. ^[43] Por ejemplo, si la iluminancia objetivo es de 400 lux y el valor calculado es de 200 lux, la autonomía durante el día no otorgaría ningún crédito, mientras que la autonomía durante el día continua otorgaría 0,5 créditos (200/400 = 0,5). El beneficio de la autonomía durante el día continua es que no otorga un umbral estricto de iluminancia aceptable. En cambio, se ocupa del área de transición, lo que permite preferencias realistas dentro de un espacio determinado. Por ejemplo, los ocupantes de oficinas generalmente prefieren trabajar con una luz natural por debajo del umbral de iluminancia, ya que este nivel evita el posible deslumbramiento y el contraste excesivo. ^[43]

La iluminancia diurna útil se centra en la luz solar directa que cae sobre un espacio. El cálculo de la iluminancia diurna útil se basa en tres factores: el porcentaje de tiempo que un punto está por debajo, entre o por encima de un valor de iluminancia. El rango para estos factores es típicamente de 100 a 2000 lux. La iluminancia diurna útil es similar a la autonomía de la luz diurna, pero tiene el beneficio adicional de abordar el deslumbramiento y la incomodidad térmica. ^[44] El umbral superior se utiliza para determinar cuándo se está produciendo deslumbramiento o incomodidad térmica y puede ser necesario resolverlo.

Además de determinar cuánta iluminancia se recibe en una superficie horizontal, se ha desarrollado un método que analiza las distribuciones anuales de iluminancia para la luz del día. ^[45] Cada distribución anual de iluminancia se compara entre sí utilizando el análisis de componentes principales . Esto compara la relación entre cada patrón. Los patrones de luz del día que son más similares entre sí debido a las características arquitectónicas y la época del año en que se produce la iluminancia se agrupan. Los grupos se utilizan para formar los patrones más representativos para ese edificio determinado. Este método se puede utilizar para interpretar fácilmente cómo se distribuye la luz del día en el espacio durante todo el año en cualquier edificio.

Las normas de iluminación natural LEED 2009 tenían como objetivo conectar a los ocupantes de los edificios con el exterior mediante el uso de técnicas y tecnologías óptimas de iluminación natural. Según estas normas, el valor máximo de 1 punto se puede lograr mediante cuatro enfoques diferentes. El primer enfoque es una simulación por computadora para demostrar, en condiciones de cielo despejado, los niveles de iluminación natural de 108 a 5400 lux el 21 de septiembre entre las 9:00 a. m. y las 3:00 p. m. Otro enfoque prescriptivo es un método que utiliza dos tipos de iluminación lateral y tres tipos de iluminación superior para determinar si se logra un mínimo del 75% de iluminación natural en los espacios ocupados. Un tercer enfoque utiliza mediciones de luz interior que muestran que se han logrado entre 108 y 5400 lux en el espacio. El último enfoque es una combinación de los otros tres métodos de cálculo para demostrar que se cumplen los requisitos de iluminación natural. ^[46]

La documentación LEED 2009 se basa en el cálculo del factor de luz diurna . El cálculo del factor de luz diurna se basa en cielos nublados uniformes. Es más aplicable en el norte de Europa y partes de América del Norte . ^[47] El factor de luz diurna es "la relación entre la iluminancia en un punto de un plano, generalmente el plano de trabajo horizontal, producida por el flujo luminoso recibido directa o indirectamente en ese punto desde un cielo cuya distribución de luminancia es conocida, y la iluminancia en un plano horizontal producida por un hemisferio sin obstrucciones de este mismo cielo". ^[47]

Los estándares de iluminación natural LEED v4 son los más actuales a partir de 2014. Los nuevos estándares son similares a los antiguos, pero también pretenden "reforzar los ritmos circadianos y reducir el uso de iluminación eléctrica mediante la introducción de luz natural en el espacio". ^[48] Existen dos opciones para lograr el valor máximo de estos dos puntos más recientes. Una opción es utilizar una simulación por computadora para demostrar que existe en el espacio una autonomía de luz natural espacial de 300 lux durante al menos el 50% del tiempo y una exposición anual a la luz solar de 1000 lux durante 250 horas de ocupación por año. Otra opción es demostrar que los niveles de iluminancia están entre 300 lux y 3000 lux entre las 9:00 a. m. y las 3:00 p. m. en un día claro en el equinoccio para el 75% o el 90% del área del piso en el espacio. ^[48] El objetivo general de las métricas de iluminación natural LEED v4 es analizar tanto la cantidad como la calidad de la luz, así como para equilibrar el uso del acristalamiento para garantizar más luz y menos carga de refrigeración.

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• Página del Departamento de Energía de EE. UU. sobre iluminación natural pasiva
• Coleccionista de luz diurna Himawari