EVALUACIÓN DEL DESLUMBRAMIENTO EN ESPACIOS CON SISTEMAS DE ILUMINACIÓN NATURAL

SNES2010-ABC-052

EVALUACIÓN DEL DESLUMBRAMIENTO EN ESPACIOS CON SISTEMAS DE ILUMINACIÓN NATURAL María Guadalupe Alpuche, Irene Marincic, José Manuel Ochoa, Luis A. Vargas Programa de Arquitectura, Universidad de Sonora, Av. Rosales y Av. Colosio, Hermosillo, Sonora, C.P. 83000, México. Tel. Fax. (662)2592180, [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

RESUMEN Algunos de los principales factores que influyen en el confort visual y la calidad de iluminación natural dentro de un espacio arquitectónico son el deslumbramiento, las luminancias en los vanos y la proporción de luminancias dentro del campo de visión de los usuarios. En los últimos tiempos se han implementado con mayor frecuencia sistemas de iluminación natural para el desarrollo arquitectónico de los nuevos edificios buscando generar un menor consumo de energía eléctrica destinado al acondicionamiento lumínico. Sin embargo, el diseño de los sistemas de iluminación natural no es simple, ya que la iluminación natural varía en intensidad, temperatura de color y dirección a través del tiempo, y esta variación es una de las principales dificultades que se presentan para los diseñadores sobre todo en regiones donde se tienen altos niveles de iluminación natural durante la mayor parte del año. En el presente estudio se realiza un estudio de la distribución de luminancias dentro del campo de visión de una persona utilizando una cámara digital calibrada para mediciones de luminancias y la utilización del programa Radiance para simular las condiciones lumínicas de dos sistemas de iluminación natural implementados dentro de las instalaciones del Programa de Arquitectura de la Universidad de Sonora. Palabras claves: Iluminación natural, Confort visual, Clima cálido-seco, monitoreo de luminancias.

ABSTRACT Some of the main factors that have influence on the visual comfort and the natural illumination quality inside of an architectonic space are glare, the luminance in the openings, and the luminance proportions in the visual field of the users. Recently it has been implemented with more frequency natural illumination systems for the architectonic development of new buildings looking to generate minor electric energy consumption destined to light conditioning. However, natural illumination systems design it isn’t simple, because natural illumination varies its intensity, color temperature and its direction through time, and this variation it’s one of the principal difficulties presented to designers, especially in regions with high natural illumination levels the most part of the year. In this paper it is presented a study of the luminance distribution in to a person’s visual field using a digital camera calibrated for luminance measuring and the use of the “Radiance” software for lighting conditions simulations of two natural illumination systems implemented in the Sonora University Architecture program facilities.

Key words: Natural illumination, visual comfort, hot-dry weather, luminance monitoring.

INTRODUCCIÓN En la última década, la concientización de las condiciones climáticas mundiales y el inevitable agotamiento de algunos combustibles fósiles han influenciado profundamente en una diversidad de actividades humanas. Una de las actividades que ha sido impactada de manera notable por estos factores, es el diseño de los espacios habitables. La actividad de la proyección arquitectónica ha comenzado a reconsiderar dentro del proceso de diseño un mejor uso de la energía. Así dentro de esta nueva visión, se considera que uno de los principales objetivos al proyectar es generar espacios eficientemente confortables para que el usuario realice sus actividades de manera eficaz. Para lograr dicho objetivo, un factor trascendental es tomar en consideración las condiciones climáticas de la región donde se establecerá la propuesta arquitectónica. Las variables de diseño como la luz necesaria en función de la actividad, el sonido adecuado tanto interior como proveniente del exterior, la ventilación suficiente, el asoleamiento cuando se requiera, se pueden lograr mediante mecanismos de regulación y control que pueden ser parte de la arquitectura misma del edificio o bien instalaciones auxiliares. Es necesario establecer las opciones generales y particulares arquitectónicas óptimas para crear un hábitat interior confortable, con un mínimo aporte de energía auxiliar y evitando el dimensionamiento inapropiado (Ochoa, et. al., 2010). En las regiones de clima cálido-seco donde se presentan largas temporadas cálidas y una disponibilidad de luz exterior muy alta, representa un mayor desafío para la proyección de edificaciones eficientes como ocurre en la ciudad de Hermosillo, Sonora, México. En este tipo de climas, la gran disponibilidad de luz del exterior obliga comúnmente a los usuarios a cerrar los dispositivos de generación de luz natural ya que el mal diseño de ellos, les provoca una fuente de luz que por lo general les provoca deslumbramiento. El diseño de los sistemas de iluminación natural no es simple, ya que la iluminación natural varía en intensidad, temperatura de color y dirección a través del tiempo, y esta variación es una de las principales dificultades que se presentan para los diseñadores sobre todo en las regiones donde se tienen altos niveles de iluminación natural durante la mayor parte del año. La iluminación natural es una estrategia de diseño sumamente importante para lograr disminuir el consumo de energía en las edificaciones, así mismo es una variable que impacta

sustancialmente en la adaptación de los usuarios con su entorno, ya que el confort visual es un aspecto fundamental para llevar a cabo de manera adecuada las actividades dentro del espacio. El uso de la iluminación natural influye además en los aspectos fisiológicos y psicológicos, por tal motivo debe diseñarse teniendo en cuenta estos aspectos. Los objetivos principales de una buena iluminación son primero proporcionar la suficiente luz para el desarrollo de una adecuada visión y segundo crear un entorno seguro y placentero para los propósitos de los usuarios, ante lo cual una adecuada iluminación debe considerar el problema del deslumbramiento, (Wienold y Christoffersen, 2006). Numerosas investigaciones han concluido que una adecuada iluminación es parte fundamental en un espacio educativo, ya que en un aula se desarrollan una amplia gama de actividades de enseñanza y aprendizaje, que van desde el uso de pizarrones, mesas de trabajo, pupitres hasta el uso de equipo audiovisual de alta tecnología. Ante la diversidad de actividades, la iluminación del aula debe de estar diseñada para permitir a los profesores cumplir con los diferentes tipos de actividades programadas en proceso de enseñanza-aprendizaje. El uso de iluminación natural en combinación con la iluminación eléctrica disminuye considerablemente el consumo de energía eléctrica en los edificios, (García-Hansen, et al., 2002), (Alpuche, et al., 2006), sin embargo altos índices de iluminación en un espacio de trabajo puede llegar a ser perjudicial ya que pueden provocar deslumbramientos y afectar al confort visual de los usuarios (Tokura, et al., 1993), (Alpuche, et al., 2009). El deslumbramiento se produce cuando existen altos índices de contraste en las luminancias entre el lugar de trabajo o donde se realiza una actividad y su entorno. En las regiones de clima cálido-seco, es muy factible que se produzcan grandes contrastes entre las luminancias al interior y las luminancias provenientes de las ventanas de los edificios, provocando con ello un deslumbramiento inconfortable para el usuario. Existen diversos índices para la evaluación del deslumbramiento en función de las luminancias de las diferentes superficies que se encuentran dentro del espacio y las fuentes de iluminación, entre los más citados se encuentran, la ecuación de deslumbramiento BGI, el límite de luminancias, el índice de deslumbramiento unificado UGR y el índice de probabilidad de confort visual americano, (Wienold y Christoffersen, 2006). Sin embargo, la respuesta del usuario a la evaluación del deslumbramiento es sumamente compleja, ya que depende además de las sensaciones visuales experimentadas influyen diversas variables psicológicas, como la edad, las actividades y de la metodología en que se esté analizando. Los índices antes mencionados, en primer término fueron utilizados para la evaluación del deslumbramiento producto de una iluminación artificial y no para una iluminación natural. Sólo uno de estos índices reconocido internacionalmente ha sido utilizado para la evaluación del deslumbramiento producto de la iluminación natural llamado índice de deslumbramiento de luz de día, DGI (Hopkinson, et. al., 1966), así mismo se ha realizado una adaptación de éste índice independientemente de la forma de las ventanas diseñadas como estrategias de iluminación natural (Nazzal, 2004), la cual se define como sigue: DGIN=8Log10(0.25((∑Lexterior2ΩpN)/(Ladaptación + 0.7(∑ (Lventana2ωNLw))0.5))) donde: Lexterior es la luminancia promedio del exterior (cd/m2)

(1)

Ladaptación es la luminancia promedio del entorno (cd/m2) Lventana es la luminancia promedio de la ventana (cd/m2) ω es el ángulo sólido de la fuente hacia el ojo del observador (sr) Ω es el ángulo sólido corregido por la posición de la fuente (sr) El uso de la cámara fotográfica para producir mapas de distribución de luminancias primeramente fue utilizado a mitad de los 60’s (Hopkinson et al., 1966), posteriormente fue desarrollada una cámara con dispositivo de carga acoplado (CCD camera), la cual tiene integrado un circuito con celdas fotosensibles (Coutelier & Dumortier, 2004). Otros métodos para la evaluación del deslumbramiento es el desarrollo de programas de simulación para generar mapas de distribución de luminancias a partir de imágenes fotográficas, entre ellos se encuentran Photolux system, y Radiance, , entre otros, que han sido utilizados para realizar diversos estudios sobre confort visual (Martins, 2005; Wienold y Christoffersen, 2006). En la presente investigación se evaluaron los índices de deslumbramiento utilizando la ecuación propuesta por Nazzal, 2004, en combinación con la distribución de luminancias utilizando una cámara LMK Mobile CCD Marca Nikon, con un lente sigma de 18-50mm F2.8 EX DC (calibrado para mediciones de luminancias). El caso de estudio evaluado es la ampliación de las instalaciones del Programa de Arquitectura de la Universidad de Sonora, el cual fue proyectado con las estrategias de adaptación a la región, a las actividades que ahí se realizaran, el uso eficiente de la energía y la generación de espacios confortables.

CASO DE ESTUDIO El Programa de Arquitectura de la Universidad de Sonora, se encuentra ubicada en la Ciudad de Hermosillo, Sonora, con 29º06’ de Latitud Norte y 110º58’ de Longitud Oeste, al Noroeste de la República Mexicana. Por el crecimiento de la población estudiantil hubo necesidad de proyectar una ampliación del edificio del Programa, el cual fue proyectado teniendo en consideración las siguientes estrategias de diseño: las condiciones climáticas de la región, espacios adecuados a las actividades a realizarse, lograr las condiciones de confort térmico y lumínico de los usuarios así como el uso eficiente de la energía. En la figura 1, se aprecia la fachada actual del Programa de Arquitectura, quedando la ampliación en el tercer piso, del lado izquierdo y en la figura 2, un croquis de la planta.

Figura 1. Programa de Arquitectura, Universidad de Sonora. Para el diseño de las estrategias de sombreado y de iluminación natural, se utilizó un programa de simulación para evaluar las diferentes propuestas a generar. En la figura 3, se muestra una imagen del comportamiento de las protecciones solares mediante el programa Ecotect ® donde se evaluaron diferentes períodos del año permitiendo así proponer el dimensionamiento eficiente de los mismos.

Tabla 1. Valores DGI utilizados para evaluar la percepción. Criterios Rangos  Intolerable Muy intolerable Zona de Intolerable Deslumbramiento Molesto Molesto Aceptable Muy aceptable Zona de Aceptable Confort visual Perceptible Medio Apenas  perceptible

Figura 2. Croquis de la planta, tercer piso del Programa de Arquitectura.

DGI > 28 28 26 24 22 20 18 16

Posteriormente se procedió a la evaluación de luminancias de la propuesta construida y la propuesta original mediante la simulación en Radiance para el día 14 de marzo del presente año.

RESULTADOS Los valores de luminancias obtenidos mediante la cámara CCD se muestran en la Tabla 2, donde podemos observar los valores promedios, mínimos y máximos del área dentro de los recuadros interiores, apreciándose que existen grandes contrastes entre los valores mínimos y máximos. Se presentan los valores para el día 14 de marzo a las 9:00 y 16:00 h. La ventana hacia la que se tomó como fuente de iluminación natural se encuentra orientada hacia el sur. Tabla 2. Valores promedios, mínimos y máximos, de luminancias dentro del espacio evaluado. Figura 3. Análisis de sombras 14 de marzo 16:00 h, tercer piso del Programa de Arquitectura. Sin embargo, por cuestiones fuera del control de los proyectistas, la construcción del proyecto no correspondió completamente a las especificaciones diseñadas. Dentro de los cambios más importantes fue que los parteluces se habían propuesto de un material sólido y fueron construidos en forma reticular, permitiendo el paso de la radiación solar directa al interior durante algunos periodos del año. Por tal motivo, se analiza de manera directa, el índice de deslumbramiento del espacio construido y mediante la simulación en Radiance, se evalúan y comparan la propuesta construida y la diseñada.

ANÁLISIS DE LUMINANCIAS Para el análisis de la propuesta construida se utilizó una imagen resultante de la cámara LMK Mobile (TechnoTeam, 2006), la cual contiene 1728 (horizontal) x 1152 (vertical) pixeles, correspondientes a valores de luminancias. Igualmente se utiliza un programa que permite la evaluación de luminancias de las imágenes obtenidas. Con la distribución de luminancias obtenida a través de la cámara, se procedió al análisis del índice de deslumbramiento (DGIN) utilizando la ecuación propuesta por Nazzal, 2004 y descrita anteriormente. El índice de deslumbramiento nos da una magnitud subjetiva del grado de deslumbramiento provocado por las diferentes fuentes de luz dentro del campo de visión. Los rangos bajo los que se evaluaron los resultados obtenidos son los propuestos por Hopkinson, 1972 y utilizados por otros investigadores y se muestran en la tabla 1.

Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7

Promedio Min Max cd/m² cd/m² cd/m² 321.4 ‐0.4454 146.3 0.6678 236 0 215.3 ‐0.5864

5635 2786 4432 4593

Los valores de las figuras 4 y 6 corresponden para las 9:00 h y los de las figuras 5 y 7 para las 16:00 h. Estos varían de acuerdo a la posición del observador hacia la fuente de luz. En las figuras 4 y 7, se buscó mirar hacia el centro de la ventana, y son las que presentan los valores más altos para las horas de la mañana y de la tarde. Así mismo son las que presentan un mayor contraste entre los valores extremos y los cuales corresponden al valor resultante de índice de deslumbramiento por iluminación natural. La tabla 3, muestra los resultados obtenidos del DGIN para las diferentes imágenes evaluadas. En ella se puede observar que tanto en las horas de la mañana como en las horas de la tarde, si los usuarios observan directamente hacia el centro de la ventana, presentarían un deslumbramiento ubicado en el rango de molesto. Sólo los valores presentados para el campo visual de la figura 5 que mira hacia la ventana de forma oblicua obtienen un índice dentro del rango aceptable. Tabla 3. Índices de deslumbramiento por iluminación natural (DGIN) obtenidos. L ext cd/m² Figura 4 Figura 5 Figura 6 Figura 7

L adap cd/m² 4734 2786 4432 4593

L ventana w n cd/m² 2817 2305 1393 1426 2216 2179 2296 2300

Omega pN 2.65 2.65 2.65 2.65

0.97 0.97 0.97 0.97

DGIN 27 24 26 26

2

Figura 7. Luminancias del espacio evaluado a las 16 h (cd/m2).

Figura 4. Luminancias del espacio evaluado a las 9 h (cd/m ). En la figura 4, se obtiene un DGIN ubicado dentro del rango de molesto y se observan contrastes muy altos entre la ventana y la posición del observador.

Las figuras 6 y 7 obtienen un índice que se ubica dentro del rango de molesto y así mismo presentan zonas demasiado iluminadas contra zonas demasiado oscuras. Independientemente de las horas del día.

SIMULACIÓN DE LUMINANCIAS Como segunda etapa se procedio a la simulación del espacio con parteluces reticulares, como se encuentra actualmente contruido, y con parteluces sólidos como era la propuesta inicial. El análisis de luminancias fue realizado mediante el programa Radiance. En las figuras 8 y 9 se observan los resultados para el caso construido y en las figuras 10 y 11 para el caso diseñado. Únicamente se muestran los resultados para las 16:00 h.

750

Figura 5. Luminancias del espacio evaluado a las 16 h (cd/m2). El índice que se obtiene para los valores de la figura 5, se encuentra dentro del rango aceptable, así mismo es la que observa menos contrastes entre las diferentes superficies.

3750

4750

3250

250

Figura 8. Luminancias del espacio construido a las 16 h (cd/m2). En la figura 8 se puede apreciar que en la ventana se alcanzan desde 3250 hasta 4750 cd/m2 y en las superficies más cercanas a la ventana se tienen 750 cd/m2. En la figura 9 se alcanzan los mismos valores de luminancias pero se aprecia más superficie con luminancias de 250 cd/m2.

Figura 6. Luminancias del espacio evaluado a las 9 h (cd/m2).

750 3750 4750 3250

250

Figura 9. Luminancias del espacio construido a las 16 h (cd/m2).

Mientras que en la simulación utilizando los parteluces sólidos los valores de luminancia en la ventana disminuyen un 10%, alcanzando valores máximos de 4250 cd/m2 y existen menos contrastes en las superficies del interior del espacio, como se puede apreciar en las figuras 10 y 11.

adecuado diseño lumínico pero que al ser construidos se respeten las especificaciones sugeridas.

AGRADECIMIENTOS Al Fondo Sectorial de Investigación para la Educación y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo financiero al proyecto CB-2006/59386.

REFERENCIAS 250

3250

4250

< 250

Figura 10. Luminancias del espacio proyectado a las 16 h (cd/m2).

250

3250

4250

< 250

Figura 11. Luminancias del espacio proyectado a las 16 h (cd/m2). Las zonas de grandes contrastes deben evitarse, ya que dificulta la percepción correcta de los objetos y la diferenciación adecuada entre unos y otros, vital para una óptima ejecución de las actividades a realizar. Habrá que considerar que los usuarios para realizar las actividades dentro del espacio evaluado, no miran de manera directa hacia la ventana sino hacia una de las paredes perpendicular a ella, sin embargo el índice de deslumbramiento en el espacio existente es superior al especificado dentro de la zona de confort.

CONCLUSIÓN Al evaluar las condiciones actuales del estudio de caso, se encontró que existen campos visuales hacia los cuales si un usuario observa directamente puede sufrir de deslumbramiento debido a que la iluminación natural exterior es demasiado alta, lo que provoca zonas de grandes contrastes. Así mismo se comprobó que la propuesta original disminuiría la luminancia proveniente del exterior y funcionaría de manera más adecuada a la que fue construida. Sin embargo, hubiese sido necesario que los parteluces fuesen giratorios para encontrar un equilibrio entre los niveles de iluminación necesarios y evitar el deslumbramiento. El análisis del índice de deslumbramiento así como la simulación en Radiance nos permitió observar, que es indispensable controlar la cantidad de luz que entra por las ventanas, ya que pueden llegar a causar niveles altos de deslumbramiento a los usuarios, y afectar las actividades a desarrollarse. Es indispensable que los proyectos donde se realicen actividades relacionadas con la concentración y aprendizaje tengan un

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