11
Febrero
2020

Métodos de análisis estáticos

Los métodos estáticos de análisis de la iluminación natural en edificios son aquellos que se basan en cálculos para momentos puntuales, casi siempre considerando condiciones de cielo estándar. Los indicadores de este tipo más comunes son la iluminancia, que mide directamente el nivel de iluminación interior, y el Factor de Luz Diurna (FLD) que establece el nivel de iluminación interior respecto al nivel de iluminación exterior. Veamos la definición de estos dos indicadores con mayor detalle.

Iluminancia

La iluminancia representa una forma de medir el nivel de iluminación en un lugar determinado. Expresa básicamente la densidad del flujo luminoso (Φ) recibido por una superficie (S). Se representa con el símbolo E y su unidad básica es el lux (lx), que equivale a 1 lumen por metro cuadrado (1 lm/m2):

Ecuacion Iluminancia

Notas:
1. En los países de habla inglesa se suele emplear como unidad de la iluminancia el pie-candela (foot-candle, fc), que equivale a 10.763910417 lux.
2. Es importante no confundir la iluminancia con la luminancia, que se refiere a la luz que llega al ojo humano, ya sea en forma directa desde la fuente luminosa o reflejada por un cuerpo. En términos más específicos, la luminancia se define como la relación entre la intensidad lumínica y la superficie aparente vista por el ojo humano en una dirección determinada.

En el campo de la iluminación artificial, la iluminancia suele depender mucho de la distancia entre las luminarias, es decir, las fuentes de luz puntuales, y la superficie en cuestión. Esto se debe a que mientras mayor es la distancia más se dispersan los rayos luminosos, aumentando la superficie iluminada pero al mismo tiempo disminuyendo la densidad de iluminación. En el campo de la iluminación natural este fenómeno no es tan evidente, pues generalmente se trata de luz solar directa o difusa que ingresa por las ventanas e incide sobre la superficie en cuestión, o luz que llega a ésta última reflejada por otras superficies.

La iluminancia se puede emplear para establecer el nivel de iluminación en puntos específicos, pero al evaluar la iluminación en espacios arquitectónicos se suele calcular su distribución en un plano que abarca toda el área de suelo, generalmente a la altura de superficies de trabajo como mesas y escritorios. El plano de análisis se divide mediante una malla, calculando la iluminancia en cada una de sus celdas. De esa manera, para cada espacio es posible establecer la iluminancia mínima y máxima, e incluso el porcentaje del área que cuentan con unos determinados valores de iluminancia. La Figura 1 muestra un ejemplo de análisis de la iluminación natural en un espacio, indicando tanto el valor de iluminancia en cada celda (valores numéricos y escala de colores), como los principales indicadores generales.

Metodos Estaticos Iluminancia 270 lux

Figura 1. Análisis de distribución de la iluminación natural mediante valores de iluminancia.

Nota: El estándar EN-12464-1 establece recomendaciones para definir la malla de análisis, incluyendo la relación de aspecto de las celdas, así como su tamaño máximo dependiendo de las dimensiones del espacio.

El nivel mínimo de iluminancia que se considera adecuado para cada tipo de espacio depende del tipo de actividad que se desarrolla en él. Por ejemplo, para espacios con bajos requerimientos de luz, como espacios de circulación, se suele especificar valores mínimos en torno a los 150 lux; en espacios de estudio y trabajo regulares, como aulas y oficinas, se suele recomendar valores mínimos entre 300 y 500 lux; y en espacios que implican un trabajo visual demandante, como algunos laboratorios y talleres de montaje, se puede llegar a requerir más de 1,000 lux.

Factor de luz diurna

El Factor de Luz Diurna (FLD) es un indicador usado para establecer el impacto que la geometría del espacio y la cantidad de acristalamiento tienen en los niveles de iluminación natural. Por lo general se expresa como un porcentaje, y se define como la relación entre la iluminancia en un punto de un plano horizontal interior, producida por la luz recibida directa o indirectamente desde un cielo cuya distribución lumínica es conocida, y la iluminancia en un plano horizontal exterior producida por un hemisferio no obstruido del mismo cielo:

Ecuacion Factor Luz Diurna

Donde:
Eint = Iluminancia producida en un punto del plano de trabajo interior.
Eext = Iluminancia producida por un cielo no obstruido en un punto de un plano exterior.

Por ejemplo, si en el punto exterior se asume una iluminancia de 10,000 lux, y en el interior se calcula una iluminancia de 20 lux, tendremos un FLD de 0.2%. A diferencia de la iluminancia, este valor no define un nivel de iluminación absoluto sino relativo. Eso significa, teóricamente, que mientras no cambien las características arquitectónicas del espacio el FLD será un valor constante, independiente de las condiciones exteriores: si cambia el nivel de iluminación exterior el nivel de iluminación interior cambiará en igual proporción.

En su concepción básica, el cálculo del FLD suele basarse en los siguientes criterios:

  • Se emplean modelos de cielo nublado con una distribución de luminancia estándar, o bien de cielo con luminancia uniforme, como los modelos CIE 1 al 5.
  • En estrecha relación con el punto anterior, solo se considera el flujo luminoso del cielo, no la luz directa del sol.
  • El FLD se considera producido por tres componentes lumínicos: el Componente de Cielo (CC), el Componente Reflejado Externo (CRE) y el Componente Reflejado Interno (CRI).

Como sucede con la iluminancia, el FLD se puede emplear para evaluar el nivel de iluminación en puntos específicos, pero lo más común es establecer una distribución de valores en un plano interior, generalmente a la altura del plano de trabajo, el cual ha sido dividido previamente mediante una malla de análisis. A partir de dichos valores es posible establecer indicadores asociados al FLD como los siguientes:

Factor de Luz Diurna mínimo. Es el FLD en la celda con el menor nivel de iluminación.

Factor de Luz Diurna máximo. Es el FLD en la celda con el mayor nivel de iluminación.

Factor de Luz Diurna promedio. Es el promedio de todos los valores de FLD calculados.

Factor de Luz Diurno mediano. Es el valor de FLD que se ubica en la posición central cuando todos los valores calculados se ordenan de menor a mayor (cuando el número de valores es par, entonces se usa el promedio de los dos valores centrales).

Uniformidad FLDmin/FLDprom. Es un indicador que trata de establecer que tan uniforme es la iluminación en el espacio, en este caso dividiendo el FLD mínimo por el FLD promedio.

Uniformidad FLDmin/FLDmax. Es un indicador similar al anterior, pero establecido dividiendo el FLD mínimo por el FLD máximo.

Porcentaje de área con un FLD mínimo. Es el porcentaje del área analizada que tiene valores de FLD por arriba de un mínimo predeterminado, por ejemplo el porcentaje del área con valores iguales o superiores al 2%.

La Figura 2 muestra un ejemplo de análisis de la iluminación natural en un espacio, indicando tanto los valores de FLD en cada celda (valores numéricos y escala de colores) como los principales indicadores generales.

Metodos Estaticos Factor Luz Diurna 2

Figura 2. Análisis de distribución de la iluminación natural mediante valores de FLD.

Nota: Los criterios para definir la malla de análisis son los mismos que en el caso de la iluminancia, que se basan en el estándar EN-12464-1.

Los métodos de cálculo y aplicación del FLD han evolucionado relativamente poco a lo largo del tiempo, aunque los valores recomendados han variado drásticamente (desde 0.1% hasta 10%) dependiendo del tipo de edificio, las expectativas regionales y el periodo histórico. En todo caso, como veremos más adelante, una de las críticas a este indicador es que, al ser un valor relativo, puede ser ineficaz para indicar si el nivel de iluminación es el adecuado.

Críticas a los sistemas estáticos

Los métodos estáticos de análisis de la iluminación natural fueron durante mucho tiempo casi los únicos para evaluar el desempeño lumínico de los edificios. Esto es especialmente cierto para el FLD, que comenzó a usarse a finales del siglo XIX y que hasta principios del XXI fue el indicador más común. Además de tratarse de indicadores conceptualmente fáciles de entender, su popularidad obedeció a que, por lo menos en su versión más básica, se podían calcular de manera relativamente sencilla. Sin embargo, en las últimas décadas numerosos investigadores y practicantes han venido señalando que se trata de indicadores con serias limitantes, aduciendo aspectos como los siguientes:

1. En el caso del FLD, se trata de un valor relativo, por lo que no nos indica directamente si los niveles de iluminación interior son los adecuados para el tipo de actividad.

2. Durante mucho tiempo, tanto por razones conceptuales como por la falta de recursos computacionales, los métodos estáticos estuvieron limitados al uso de modelos de cielo nublado. Si bien esa limitante no era tan importante en el Reino Unido (donde fueron inicialmente concebidos), los hacía inviables para muchos otros lugares con cielos predominantemente soleados. Además, hacía casi imposible evaluar importantes variables de diseño, como la orientación de los edificios.

3. Actualmente, las modernas herramientas de computación permiten calcular con precisión los valores de iluminancia y FLD empleando también modelos de cielo soleado. Sin embargo, al ser análisis para momentos puntuales, los métodos estáticos siguen siendo incapaces de considerar las complejas condiciones lumínicas exteriores, que pueden cambiar drásticamente a lo largo del año e incluso del día. Tampoco pueden tener en cuenta el uso de dispositivos de sombreado en las ventanas, como cortinas o pantallas, ya sea manipulados por los usuarios o accionados mediante mecanismos automatizados.

4. Los métodos estáticos no ofrecen suficiente información respecto a otros aspectos del desempeño de los edificios, también relacionados con la radiación solar, como el disconfort visual por deslumbramiento o el potencial disconfort térmico por sobrecalentamiento. Nuevamente, aunque se ha tratado de establecer límites inferiores y superiores a los valores de iluminancia y FLD, al ser análisis para momentos puntuales resultan poco útiles para evaluar estos problemas ante condiciones de uso realistas.

Ante estas críticas, se ha venido generando un amplio consenso respecto a la necesidad de implementar indicadores que saquen provecho de las modernas tecnologías computacionales y que sean mucho más efectivos para lograr edificios que aprovechen de manera eficiente la iluminación natural, evitando al mismo tiempo los problemas asociados a su uso excesivo. En un artículo aparte describimos algunos de estos indicadores, que podemos definir como “dinámicos”.

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


Referencias

[1] I. Ashdown and P. Eng, “Daylight Factors,” Wordpress blog, Mar. 2014.

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

[3] A. iversen et al., Daylight calculations in practice: An investigation of the ability of nine daylight simulation programs to calculate the daylight factor in five typical rooms. 2013.

[4] D. Li, S. Li, W. Chen, and S. Lou, “Analysis of Point Daylight Factor (PDF) Average Daylight Factor (ADF) and Vertical Daylight Factor (VDF) under various unobstructed CIE Standard Skies,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 556, p. 012044, Aug. 2019, doi: 10.1088/1757-899X/556/1/012044.

[5] J. Mardaljevic and J. Christoffersen, “A roadmap for upgrading national/EU standards for daylight in buildings,” 2013.

[6] A.-T. Nedhal, F. Syed, and A. Adel, “Relationship between Window-to-Floor Area Ratio and Single-Point Daylight Factor in Varied Residential Rooms in Malaysia,” Indian Journal of Science and Technology, vol. 9, Sep. 2016, doi: 10.17485/ijst/2016/v9i33/86216.

[7] “Design Tools for Daylight, Research Analysis,” Hord Coplan Macht, 03-Apr-2018. [Online]. Available: https://www.hcm2.com/design-tools-daylight/. [Accessed: 15-Feb-2020].


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

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