15
Febrero
2020

Métodos de análisis dinámicos

En un esfuerzo por superar las limitaciones de los métodos estáticos de análisis de la iluminación natural, durante las últimas décadas se han venido desarrollando diversos enfoques alternativos. El que más impulso ha cobrado es el de los métodos conocidos como Modelado de Luz Diurna con Base en Datos Climáticos (Climate-Based Daylight Modeling, CBDM), o también como Indicadores Anuales de Desempeño de Luz Diurna. En esencia se trata de métodos que consideran las cambiantes condiciones exteriores, hora a hora durante todo el año, mediante el uso de archivos de datos climáticos horarios. Por lo tanto, son capaces de evaluar de manera dinámica el desempeño lumínico de los edificios.

Estos métodos ofrecen predicciones de indicadores absolutos, por ejemplo basados en la iluminancia, que son sensibles tanto a la ubicación del edificio (los archivos de datos climáticos horarios suelen ser representativos del sitio) como a su forma y orientación (incluyen el efecto del sol con cielos despejados). Como en el caso de los métodos estáticos, es posible usarlos para evaluar puntos específicos del espacio, pero lo común es calcular la distribución de valores en una malla ubicada a la altura del plano de trabajo.

Nota: En general, se recomienda emplear archivos de datos climáticos que sean representativos del clima en el sitio, como los TMY (Typical Meteorological Year).

En los siguientes apartados haremos una descripción general de los principales métodos de análisis dinámicos, incluyendo la Autonomía de Luz Diurna y sus variantes, la Exposición Solar Anual y la Iluminacia Útil de Luz Diurna.

Autonomía de Luz Diurna

La Autonomía de Luz Diurna (DA, Daylight Autonomy) fue el primer indicador anual basado en datos climáticos, propuesto originalmente por la Asociación Suiza de Electricistas en 1989 y mejorado por Christoph Reinhart entre 2001 y 2004. Representa básicamente la fracción o el porcentaje de horas diurnas anuales, considerando solo los periodos ocupados, en las que la iluminancia es igual o superior a un valor predeterminado, por ejemplo 300 lux.

Se trata de un indicador innovador, en comparación con los métodos estáticos, pues nos permite evaluar la penetración de la luz diurna en los espacios de los edificios, así como el potencial de ahorro energético en el uso de la iluminación artificial, considerando datos climáticos representativos del sitio durante un año completo. Además, de acuerdo con los autores, el método ofrece flexibilidad para modificar el límite inferior de iluminancia y adaptarlo a diferentes requerimientos de uso en los edificios.

La Figura 1 muestra un ejemplo de análisis de Autonomía de Luz Diurna para un pequeño edificio con dos zonas. Se observa que la zona grande tiene buenos valores de DA (de 63 a 91%), mientras que en la zona pequeña hay una parte con valores muy bajos (hasta 5%).

Metodos Dinamicos DA 300

Figura 1. Análisis de Autonomía de Luz Diurna.

Entre las limitantes de este indicador, sin embargo, está el hecho de que no define la proporción del espacio que supera el límite establecido, dificultando la valoración cuantitativa de los niveles de iluminación natural. Por otro lado, debido a que no establece un límite superior para los valores de iluminancia, no permite identificar zonas que podrían presentar problemas debido a un exceso de luz y radiación solar.

Autonomía Continua de Luz Diurna

La Autonomía Continua de Luz Diurna (cDA, Continuous Daylight Autonomy), propuesta en 2006 por Zach Rogers, constituye una modificación al concepto de Autonomía de Luz Diurna. Esa modificación consiste en ofrecer créditos parciales, de manera lineal, a niveles de iluminación que están por debajo del límite establecido.

Para comprender mejor como se calcula el cDA, hagamos una comparación simple con el indicador DA. Si el valor límite inferior es de 300 lux, y en una hora específica la iluminancia es igual o superior a ese valor, con el método DA esa hora contabiliza para el cálculo del porcentaje final con un valor de 1.0. Con el mismo método, si la iluminancia es inferior al valor límite, digamos 150 lux, su valor se considera 0.0, por lo que esa hora no contabiliza para el cálculo del porcentaje. Con el método cDA la primera condición considera de la misma manera (iluminancia igual o superior al valor límite = 1.0), pero la segunda cambia significativamente. En este caso la hora en cuestión contribuiría para el cálculo del porcentaje final con un valor de 0.5, el cual resulta de dividir 150 lux por 300 lux.

Este enfoque significa que, con excepción de los puntos con un valor de 100% (todas las horas medidas tienen un valor igual o superior al límite), con el método cDA los porcentajes siempre serán superiores respecto a los del método DA. Además, el método cDA no define un límite rígido que separa las áreas con buenos niveles de iluminación de las áreas deficientes, sino que tiende a generar un gradiente mucho más suave. Para algunos investigadores y practicantes, este patrón puede ser más realista y flexible.

Como crítica al método cDA, además de que sigue sin tener en cuenta los posibles problemas asociados a un exceso de luz natural, tenemos que los valores que ofrece son hasta cierto punto ficticios. Por ejemplo, para un determinado porcentaje, pongamos 50%, no podemos saber si se debe a que tiene elevados niveles de iluminación durante pocas horas, o bajos niveles de iluminación durante muchas horas. Eso hace que quizá la cDA sea más apropiada para verificar el cumplimiento de una determinada opción de diseño que para comparar diferentes opciones de diseño entre sí.

Autonomía Espacial de Luz Diurna y Exposición Solar Anual

Los indicadores Autonomía Espacial de Luz Diurna (sDA, spatial Daylighting Autonomy) y Exposición Solar Anual (ASE, Annual Sunlight Exposure) forman parte de la guía de ensayo y cálculo Lighting Measurement 83 (LM-83), publicada en 2013 por la Sociedad de Ingeniería de Iluminación (IES, por sus siglas en inglés). Dichos indicadores provienen de una investigación que duró cerca de seis años y que, por primera vez en la industria de la iluminación, se basó en el desempeño lumínico anual de edificios reales. La investigación comprendió el análisis de 61 espacios pertenecientes a edificios ubicados en seis áreas urbanas de California, Washington y Nueva York, en los Estados Unidos de Norteamérica. Los usos de los espacios analizados se agruparon en tres tipos básicos: oficinas abiertas, aulas (incluyendo salas de conferencias) y otros (como áreas de lectura y vestíbulos). Entre las fases de investigación más importantes se encuentran las siguientes:

  • Evaluación cualitativa del desempeño lumínico de los espacios, incluyendo respuestas tanto de los usuarios habituales como de un grupo de expertos en iluminación.
  • Desarrollo de simulaciones con intervalos horarios, para un año completo, con el objeto de predecir los patrones de distribución de la luz natural a través del tiempo, tomando en cuenta las condiciones climáticas y la operación de los edificios.
  • Comparación de las evaluaciones cualitativas con los resultados cuantitativos de los modelos de simulación, con el objeto de evaluar el potencial predictivo de diferentes indicadores del desempeño lumínico.
  • Recomendación y definición de los indicadores del desempeño lumínico más adecuados para describir los niveles de confort lumínico que se pueden esperar en espacios iluminados naturalmente.

Es importante tener en cuenta que los valores de sDA y ASE recomendados por la LM-83 se consideran adecuados cuando el uso del espacio y las características lumínicas del sitio son similares a los incluidos en la investigación, por lo que deberían aplicarse con precaución en situaciones muy diferentes. Sin embargo, se trata de dos de los indicadores más reconocidos en la actualidad para evaluar de manera integral y confiable el desempeño lumínico de los edificios. En las siguientes secciones los describimos de manera más detallada.

Autonomía espacial de luz diurna

Como su nombre lo expresa, la Autonomía Espacial de Luz Diurna (o sDA, por sus siglas en inglés: Spatial Daylighting Autonomy) se deriva del indicador Autonomía de Luz Diurna, pero considerando la fracción o porcentaje del espacio que cumple con unos límites prestablecidos. De acuerdo con la LM-83, la sDA se define como el porcentaje del área del espacio que tiene una iluminancia de al menos 300 lux durante por lo menos el 50% de las horas ocupadas durante un año, considerando una ocupación diaria de las 8:00 a.m. a las 6:00 p.m. Por ejemplo, una sDA de 75% indica que tres cuartas partes del espacio cumplen con los requerimientos de iluminancia (300 lux o más durante al menos la mitad de las horas ocupadas en un año).

La Figura 2 muestra un análisis de sDA para un pequeño edificio con dos zonas. Se observa que en la zona grande prácticamente toda el área cumple con los requerimientos, mientras que en la pequeña solo lo hace el 49.7% del área. En conjunto, el edificio lograría una sDA de 87.4%.

Metodos Dinamicos sDA 300 50

Figura 2. Análisis de Autonomía Espacial de Luz Diurna.

Los estudios de campo en los que se basó la definición de la sDA indican que un valor de 75% o superior representa un espacio en el que los ocupantes suelen preferir la iluminación natural, ya que la consideran adecuada para trabajar confortablemente sin necesidad de iluminación artificial. Un valor de entre 55% y 74% representa un espacio en el que los ocupantes pueden aceptar la iluminación natural, si bien no la consideran óptima. Así, en términos generales se asume que los diseñadores deben buscar valores de sDA de 75% o superiores para espacios regularmente ocupados durante el día, y valores de al menos 55% para espacios de uso menos intensivo. 

Exposición Solar Anual

La Exposición Solar Anual (o ASE, por sus siglas en inglés: Annual Sunlight Exposure) es un indicador concebido para reducir los riesgos de deslumbramiento y sobrecalentamiento asociados al uso intensivo de la iluminación natural en los edificios. En ese sentido se trata de una contrapartida y a la vez un complemento de la sDA. Mientras ese indicador se emplea para maximizar los niveles de iluminación natural, la ASE busca ayudar a los diseñadores a evitar que los espacios reciban una cantidad excesiva de radiación solar, lo cual puede llegar a ser contraproducente.

La guía LM-83 define la ASE como la fracción o porcentaje del espacio que tiene una iluminancia de 1000 lux o superior durante 250 horas por año o más, considerando también una ocupación diaria de las 8:00 a.m. a las 6:00 p.m. Así, una ASE de 25% indica que una cuarta parte del espacio excede las condiciones establecidas, es decir, tiene más de 1000 lux durante más de 250 horas. La misma guía establece que valores de ASE superiores al 10% pueden llevar al disconfort visual de los ocupantes, por lo que recomienda que los diseñadores busquen no superar ese límite.

La Figura 3 muestra un análisis de ASE para un pequeño edificio con dos zonas. Se observa que en la zona grande el 42.2% del área excede los valores establecidos, mientras que en la pequeña el valor es de 21.2%. En conjunto, el edificio lograría una ASE de 37.5%, valor que se encuentra bastante por arriba del recomendado.

Metodos Dinamicos ASE 1000 250

Figura 3. Análisis de Exposición Solar Anual.

Nota: La IES se encuentra actualmente afinando los criterios para establecer límites que se ajusten a distintas situaciones.

Es importante tener en cuenta que la ASE representa en realidad un enfoque limitado para medir y predecir el deslumbramiento, ya que se basa en valores de iluminancia y no de luminancia. En ese sentido, no puede ser considerado técnicamente como un indicador verdadero del nivel de deslumbramiento. De manera similar, la ASE no puede ni pretende medir el impacto final de las ganancias solares en las cargas térmicas del edificio, aspecto que requiere un análisis independiente con las herramientas de simulación adecuadas.

El método planteado por la guía LM-83 para calcular la exposición solar anual se emplea también para determinar el uso de persianas y otros dispositivos de sombreado durante las simulaciones para calcular la sDA. La suposición básica detrás de este criterio es que los ocupantes tienden a usar los dispositivos de sombreado cuando hay sobrecalentamiento y sobre todo deslumbramiento. En ese sentido, reducir los valores de ASE haciendo uso de dispositivos de sombreado también suele reducir los valores de sDA.

Criterios básicos de simulación para calcular la sDA y la ASE

Debido a que implica procesos de cómputo complejos, la sDA se calcula mediante programas informáticos especializados. El cálculo implica la definición de una malla de análisis horizontal ubicada a la altura del plano de trabajo (76 cm) y con celdas que no superen los 60 cm2. El centro de cada celda representa un punto en el que se calcula la iluminancia en intervalos horarios durante un año completo. Finalmente, los resultados se procesan para identificar los puntos que cumplen las condiciones requeridas (al menos 300 lux durante al menos el 50% del tiempo). El número de puntos que cumplen las condiciones, dividido por los puntos totales, define entonces la fracción del espacio que cumple las condiciones.

Iluminancia Útil de Luz Diurna

La Iluminancia Útil de Luz Diurna (UDI, Useful Daylight Illuminance) es un indicador propuesto inicialmente por Nabil y Mardaljevic, en 2005. Se define como la ocurrencia anual de iluminancias, sobre el plano de trabajo, que se encuentran dentro de un rango que previsiblemente los ocupantes considerarán “útil”. Este término significa, a grandes rasgos, que el nivel de iluminación natural es suficientemente alto para facilitar el desarrollo de las actividades normales, pero no tanto como para generar disconfort visual.

El método UDI, de acuerdo con sus autores, fue desarrollado con el objetivo de hacer inteligibles y significativos los resultados de las simulaciones de iluminación basadas en datos climáticos. En lugar de analizar la gran cantidad de datos producidos mediante métodos tradicionales, como histogramas de frecuencia y diagramas acumulativos, el método UDI aborda los resultados a partir de la percepción humana, para luego generar indicadores sintéticos.

El rango de iluminancias útiles fue definido inicialmente entre 100 y 2000 lux, aunque el valor superior se ajustó posteriormente a 3000 lux. Adicionalmente, dicho rango fue dividido en dos sub-rangos: UDI complementaria (o UDI-s) y UDI autónoma (o UDI-a). Así, el método UDI implica establecer en cada punto de cálculo la ocurrencia de iluminancias en los siguientes rangos:

UDI-f. La iluminancia es inferior a 100 lux. El nivel de iluminación natural es claramente insuficiente para el desarrollo de las actividades normales. La iluminación artificial será requerida casi con certeza.

UDI-s. La iluminancia es superior a 100 lux e inferior a 300 lux. El nivel de iluminación natural es suficiente para algunas tareas, pero para otras, como leer, es posible que se requiera iluminación artificial complementaria.

UDI-a. La iluminancia es superior a 300 lux e inferior a 3000 lux. El nivel de iluminación natural se considera adecuado, y generalmente no se requerirá la iluminación artificial.

UDI-e. La iluminancia es superior a 3000 lx. El nivel de iluminación natural puede resultar excesivo, generando disconfort visual e inclusive dificultando el desarrollo de tareas normales.

Los valores de iluminancia indicados arriba se derivaron del análisis de encuestas sobre las preferencias y el comportamiento de usuarios en edificios de oficinas con dispositivos de sombreado interiores accionados manualmente. Es importante tener en cuenta las limitantes de dichos estudios, pues la mayoría se enfoca en grandes edificios no-residenciales en los que el deslumbramiento y los reflejos sobre pantallas pueden representar un problema importante. De hecho, aun hoy en día existe un debate sobre la pertinencia de los límites establecidos. Al respecto, Mardaljevic, uno de los desarrolladores del método UDI, argumenta que los límites se pueden ajustar dependiendo del contexto de análisis, y que es más importante el concepto del método en sí que los valores específicos asignados a los rangos.

Las Figuras 4 y 5 muestran dos análisis de Iluminancia Útil de Luz Diurna, la primera considerando un rango entre 100 y 3000 lux (UDI-s y UDI-a) y la segunda un rango entre 300 y 3000 lux (sólo UDI-a). Los mapas muestran la distribución de valores de UDI, es decir el porcentaje de tiempo en que cada punto se encuentra dentro del rango establecido. Sobre los mapas se indican los valores “espaciales” de UDI, en este caso los porcentajes de las áreas que se encuentran dentro del rango establecido al menos durante el 50% del tiempo.

Metodos Dinamicos UDI 100 3000 lux

Figura 4. Análisis de Iluminancia Útil de Luz Diurna – Rango 100-3000 lux.

Metodos Dinamicos UDI 300 3000 lux

Figura 5. Análisis de Iluminancia Útil de Luz Diurna – Rango 300-3000 lux.

Una de las ventajas potenciales del método UDI es que no solo promueve adecuados niveles de iluminación natural, sino que penaliza de manera implícita los niveles excesivos. De esa manera, reduce el riesgo de disconfort visual y sobrecalentamiento que se da cuando ingresa demasiada radiación solar al interior del edificio. Sin embargo, algunos investigadores y practicantes señalan que haría falta desarrollar criterios más claros y consensados para definir los límites de los rangos.

Nota: Las imágenes de este artículo se basan en análisis llevados a cabo con el programa DesignBuilder.


Referencias

[1] I. Ashdown, “Climate-Based Daylight Modeling,” 26-Mar-2016, doi: 10.13140/RG.2.2.19325.20969.

[2] E. Brembilla, D. Chi, C. Hopfe, and J. Mardaljevic, “Evaluation of Climate-Based Daylighting Techniques for Complex Fenestration and Shading Systems,” Energy and Buildings, vol. 203, p. 109454, Sep. 2019, doi: 10.1016/j.enbuild.2019.109454.

[3] P. Esquivias, C. Munoz, I. Acosta, D. Moreno Rangel, and J. Navarro, “Climate-based daylight analysis of fixed shading devices in an open-plan office,” Lighting Research and Technology, vol. 48, pp. 205–220, Apr. 2016, doi: 10.1177/1477153514563638.

[4] L. Heschong, M. Saxena, seth wayland, and timothy perry, DAYLIGHT METRICS REPORT for the CEC PIER Daylighting Plus Research Program. 2012.

[5] J. Mardaljevic, “Examples of climate-based daylight modelling,” CIBSE National Conference 2006: Engineering the …, 2006.

[6] C. Munoz, P. Esquivias, D. Moreno Rangel, I. Acosta, and J. Navarro, “Climate-based daylighting analysis for the effects of location, orientation and obstruction,” Lighting Research and Technology, vol. 46, pp. 268–280, Jun. 2014, doi: 10.1177/1477153513487005.

[7] A. Nabil and J. Mardaljevic, “Useful daylight illuminance: A new paradigm for assessing daylight in buildings,” Lighting Research & Technology - LIGHTING RES TECHNOL, vol. 37, pp. 41–59, Mar. 2005, doi: 10.1191/1365782805li128oa.


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Última actualización Martes, 18 Febrero 2020 Categories: Tipos de análisis, Análisis de la iluminación natural

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