Modelado de la luz natural basado en el clima

Este estudio tiene como fin evaluar las condiciones de iluminación natural resultantes de la variabilidad climática local. Por tanto, se utiliza el cbdm para la predicción de las iluminancias que ingresan al espacio. El cbdm considera, entre otros factores, la variabilidad de la radiación solar según la localización geográfica y la trayectoria solar a través de las horas y las estaciones. De esta manera, puede predecir hasta 8,760 valores horarios cuando los cálculos se realizan para un año entero. Esta gran cantidad de valores debe ser analizada estadísticamente para generar las métridas dinámicas o DDMs. Es importante considerar que el cbdm sólo puede ser realizado mediante simulaciones computacionales y que requiere la especificación de un modelo tridimensional, plano de cálculo donde se estimarán las iluminancias de luz natural, archivo climático, rango de tiempo de estudio y las métricas para sintetizar los 8,760 valores horarios. A continuación, se especifica la información requerida para el análisis lumínico.

Modelo lumínico y plano de cálculo

Para el cálculo y simulación de la iluminación natural, es necesario considerar diversos aspectos. Primero, especificar los materiales de los modelos, en cuanto a sus propiedades de reflexión y transmisión de la luz visible, tal como se resume en la tabla 5.5. Los muros, plafón y piso, al ser superficies opacas se caracterizan por su reflectividad, la cual se establece en 50%, 70% y 20%, respectivamente. La ventana, como elemento transparente, se establece como un vidrio simple claro de 6 milímetros de grosor cuya transmitancia visible es del 88%.

Otro aspecto a determinar es la superficie donde se cuantificarán los niveles de iluminación. Para esto, se establecen 121 sensores para el modelo A y 133 sensores para el modelo B, en ambos casos distribuidos equidistantemente en el plano de trabajo y a 0.80 m sobre el nivel del piso (figura 5.9). Estos sensores se separan 0.25 m entre sí, y 0.50 m de los muros de la envolvente [71]. Además, se establece un sensor en el

Tabla 5.5. Características de las superficies interiores de los modelos base A y B.

Superficie Muros Plafón

Piso

Ventana

Reflectividad

50

70

20

Transmitancia

88

centro de la segunda mitad más profunda del espacio interior (representado con un punto en la figura 5.9). Este sensor se define como un sistema de control con un interruptor atenuable que apaga las luces eléctricas cuando los niveles de luz natural alcanzan los 250 lux aproximadamente. De este modo, el sensor mide la cantidad de iluminancia incidente, según la proporción y profundidad del espacio (1:1 o 1:2), y controla el encendido y apagado de la iluminación artificial.

Figura 5.9. Modelos A y B en planta, sección y perspectiva, construidos con Rhinoceros. Los planos de cálculo se delimitan con una banda perimetral de 0.50 metros, con sensores espaciados 0.25 metros. El sensor para controlar la iluminación artificial se señala con un punto rojo en la segunda mitad más profunda del espacio.

Archivos climáticos

En la sección anterior se delimitó el estudio a tres ciudades mexicanas, por tanto, se utilizan los siguientes tres archivos climáticos:

• Región cálida seca MEX_NLE_Monterrey-Escobedo.Intl.

AP.763943_TMYx.2003-2017 • Región cálida subhúmeda MEX_YUC_Merida-Rejon.Intl.

AP.766440_TMYx.2003-2017 • Región templada MEX_PUE_Puebla-Serdan.Intl.

Ap.766850_TMYx-2003-2017

Rango de tiempo de estudio

Con la finalidad de conocer el potencial de iluminación natural, como consecuencia de la proporción espacial, se considera todo el tiempo en que existe disponibilidad de luz natural [61]. Es decir, se utilizan todas las horas diurnas del año, que son aquéllas en las cuales la iluminancia difusa horizontal exterior es mayor a cero [34]. Por tanto, los tres archivos climáticos son formulados de tal manera que se consideren exclusivamente las horas diurnas en el cálculo de las métricas dinámicas, según la localidad de estudio.

Métricas de iluminación natural

El criterio para evaluar la disponibilidad de luz natural se fundamenta en la métrica DAv (daylight availability). Sin embargo, en este libro se plantea un «esquema modificado» de DAv, de manera que se contemplen 4 zonas de evaluación del espacio iluminado. Éstas se resumen en la figura 5.10 y se describen a continuación:

• No iluminado. Área interior que consigue iluminancias <150 lux durante al menos el 50% de las horas de ocupación, entre las 8:00 y 18:00 horas [138].

• Parcialmente iluminado. Área interior que consigue iluminancias de luz natural en el rango de 150-300 lux, durante periodos que no alcanzan los porcentajes de tiempo establecidos para el área completamente iluminada o para el área no iluminada [138]. Esta área permite mostrar una transición entre el área completamente iluminada y la no iluminada, lo cual es un acercamiento a la cuantificación de la naturaleza subjetiva de la luz en la evaluación de los espacios [66]. • Completamente iluminado. Área interior que se considera iluminada naturalmente cuando recibe suficiente iluminación (300-3,000 lux) durante al menos la mitad del tiempo de ocupación entre las 8:00 y 18:00 horas; en resumen, udi 3003000, 50% [66]. Además, se consideran las iluminancias mayores de 3000 lux cuando no sobrepasan un tiempo de ocupación del 5%; es decir, udi >3000, <5% [138]. • Sobreiluminado. Área interior que consigue iluminancias que exceden el límite máximo de iluminancias naturales (3000 lux) durante al menos el 5% de las horas de ocupación; en resumen, udi >3,000, 5% [66]. El criterio del 5% fue seleccionado como un método análogo de los análisis térmicos de acuerdo al estándar BS EN 15251 [67]. Este estándar define un nivel límite para diversas categorías del confort térmico, las cuales no deben ser excedidas el 3-5% de las horas de ocupación anual. Por tanto, el área sobreiluminada significa un potencial para el sobrecalentamiento por radiación. Además, representa un riesgo de deslumbramiento, pues ha mostrado estar correlacionada con la probabilidad del deslumbramiento por luz natural [69].

Debido a la vocación del espacio analizado, vivienda, se considera un nivel de iluminación adecuado entre los 150 lux y 300 lux para espacios como recámaras y estancias, >300 lux para estudios y cocinas. Por tanto, las «áreas parcialmente y completamente iluminadas» pueden considerarse favorables para los fines de este análisis.

Figura 5.10. Esquema modificado DAv [139].

Consultar la versión a color en anexo 4.

No iluminado

Parcialmente iluminado

Completamente iluminado Sobreiluminado

Programas de cálculo y procesamiento de los

resultados

Los cálculos y simulación de iluminación natural se realizan con el programa diva-for-Grasshopper dada su versatilidad y vinculación con el programa de modelado tridimensional, Rhinoceros. Aunado a esto, diva-for-Grasshopper emplea el motor de cálculo Radiance, que ha sido ampliamente validado por la precisión de sus resultados y por la posibilidad de caracterizar gran diversidad de materiales. Los parámetros de simulación con Radiance se definen en la tabla 5.6. diva también utiliza Daysim que permite el modelado de la luz natural con base climática y la obtención de métricas dinámicas. Asociado a Grasshopper, es posible una mayor versatilidad en el cálculo de las métricas mediante el plugin Python.

El proceso de simulación y la obtención de las métricas se resume a continuación:

Tabla 5.6. Parámetros de simulación con Radiance.

Rebotes ambientales División ambiental Muestreo ambiental Precisión ambiental Resolución ambiental Muestreo directo

-ab -ad -as -aa -ar -ds

5 2048 256 .1 128 .2

1. Se construyen digitalmente, mediante Rhinoceros, los modelos A y B. Asimismo, se modelan las ventanas, según los tamaños y orientaciones establecidas. 2. Mediante diva-for-Rhino, se establecen los materiales que servirán como input en diva-for-Grasshopper. 3. Dentro de la interfaz de diva-for-Grasshopper, se establecen el plano de cálculo, el número de sensores, el sensor de iluminancias y control de la iluminación eléctrica, los horarios de cálculo, los límites de iluminancias para las métricas, los parámetros de simulación y el archivo climático. 4. Al finalizar los cálculos lumínicos, se obtiene el «perfil de iluminancias de luz natural (*.ill)» que contiene las series temporales de las iluminancias internas en cada punto de interés del espacio, es decir, los 8,760 valores de iluminancias para todos los sensores (121 en el modelo A y 133 en el modelo B).

El formato de este archivo es el siguiente: las columnas 1-3 corresponden al mes, día y hora; las columnas 4-(4 + 121 = 125; 4 + 133 = 137) son las iluminancias en cada sensor individual. 5. Al finalizar los cálculos lumínicos, también se obtiene el

«perfil de uso de la iluminación eléctrica (*.csv)». En primera instancia, este perfil está acotado a las horas diurnas; no obstante, los patrones de ocupación de los residentes suelen comprenderse entre un horario de 6:00 a 22:00 horas.

Por tanto, los perfiles se verifican mediante hojas de cálculo para acotar el uso de la luz eléctrica en ese horario. Una vez ajustados, los perfiles se utilizan como input en los cálculos energéticos.

6. Dentro de Grasshopper, se calculan las métricas dinámicas con los siguientes objetivos de iluminación:

• da150. Autonomía de luz natural o porcentaje de horas diurnas del año, cuando un mínimo de iluminancia de 150 lux puede ser mantenido por luz natural exclusivamente. • da300. Autonomía de luz natural o porcentaje de horas diurnas del año, cuando un mínimo de iluminancia de 300 lux puede ser mantenido por luz natural exclusivamente. • udi<50. Porcentaje de horas diurnas del año cuando la iluminancia es <150 lux. Este rango representa cuando existe poca iluminación, haciendo necesaria la iluminación eléctrica. • udi150-300. Porcentaje de horas diurnas del año cuando la iluminancia es >150 lux y <300 lux. Este rango representa cuando existe iluminación útil y adecuada para actividades cotidianas de las viviendas, en espacios como estancias y recámaras. Según las preferencias de los usuarios, estos niveles de iluminancias se pueden complementar con luz artificial, por lo que comúnmente se denominan como «suplementarias». • udi300-3,000. Porcentaje de horas diurnas del año cuando la iluminancia es >300 lux y <3,000 lux. Este rango representa cuando existe iluminación adecuada para actividades cotidianas de las viviendas, en espacios como estudios y cocinas. Estos niveles de iluminación útiles suelen denominarse como «autónomos», es decir, no son necesarios de complementar con luz artificial. • udi>3000. Porcentaje de horas diurnas del año cuando la iluminancia es >3000 lux. Este rango representa cuando existe una sobreiluminación de luz natural que puede traer problemas de disconfort térmico y visual.