La iluminacin

FAU-UNSA-2012-II

Arq. Roxana Pacheco Chambi

La tendencia actual es incrementar el uso de la luz natural para mejorar la calidad de la iluminacin y disminuir los consumos energticos en los edificios. Estudios realizados para edificios de oficinas (3) en la latitud 30N, en zonas calientes y hmedas de Estados Unidos arrojan que, con un diseo cuidadoso, durante el da puede iluminarse de forma natural la mayor parte de los espacios, lo cual permite disear sistemas integrados atenuando la luz artificial mediante sistemas de control y compensar ambas fuentes de luz para alcanzar los niveles necesarios. Las mediciones de los niveles de iluminacin, las simulaciones en modelos computarizados y el comportamiento de los sistemas de control indican que la iluminacin natural puede ahorrar anualmente alrededor del 70% de la energa requerida para la iluminacin general en las zonas perimetrales del edificio y que puede ahorrarse un 25% de la energa elctrica necesaria para el aire acondicionado.

En nuestro pas no se valora en toda su magnitud las ventajas de aprovechar la luminosidad de la bveda celeste que en nuestra latitud es, para cielo cubierto alrededor de 10 a 13 mil luxes que es la peor condicin y con cielos parcialmente cubierto y despejado se alcanzan niveles entre 20 mil y 50 mil luxes.

En general, en el diseo de la iluminacin de interiores no se tiene en cuenta el aporte de la luz natural, raras veces se disean las fachadas con el fin de aprovechar este valioso recurso natural, ni se imparten estos conocimientos en la formacin de los ingenieros elctricos.

Por otra parte se toman decisiones sin tener en cuenta la valoracin econmica y no siempre las soluciones de diseo y de monto de inversin inicial que parecen convenientes, son las ms efectivas cuando se considera la etapa de explotacin de la inversin.

El Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley de la Universidad de California desarroll una herramienta para el diseo de la iluminacin natural para edificios no residenciales titulada Tips for Daylighting with Windows (1) que es un conjunto de ideas fciles y rpidas de aplicar e incluye una gua para realizar Anlisis de Costo-Beneficio la cual fue utilizada en este trabajo para evaluar el impacto potencial de la iluminacin natural en el uso de la energa en un edificio.

El diseo de los edificios no puede verse como suma de partes sino como un todo. Cada vez es ms necesario que los equipos de diseo hagan anlisis integrales y compartan apropiadamente la informacin y las decisiones entre las especialidades con una concepcin global del proyecto hasta la etapa de ocupacin para alcanzar confort con efectividad de costos.

La emisin a la atmsfera de importantes cantidades de dixido de carbono debido a la quema de combustibles fsiles ha provocado el calentamiento global de la Tierra.

El impacto del cambio climtico en los sistemas de ventilacin y aire acondicionado podra traducirse, para un aumento de la temperatura de 2C , en un 8%, incremento de las cargas pico de fro, en un 5% de reduccin de la eficiencia de los sistemas de aire acondicionado y en la necesidad de variar el diseo de los edificios ventilados y enfriados de forma pasiva, o sea por medios naturales. (2).

Por lo cual el diseo bioclimtico que hace uso de los recursos naturales para satisfacer las exigencias del usuario y reemplazar los sistemas artificiales de acondicionamiento ambiental de los edificios es una estrategia beneficiosa y de primera prioridad por varias razones:

Los espacios acondicionados naturalmente pueden conducir a niveles de confort mejores que los acondicionados artificialmente, incrementar la satisfaccin de los ocupantes y por tanto lograr trabajadores ms productivos, incrementando el valor del capital del negocio de que se trate.

La estrategia de diseo con el mnimo equipamiento artificial es la ms efectiva desde el punto de vista de los costos por disminuir la inversin inicial, los consumos energticos, proveer ms altos retornos de la inversin y producir ms altos rendimientos.

El diseo bioclimtico reduce los impactos al medio ambiente al reducir las necesidades de plantas generadoras de energa y de sus subproductos contaminantes y contribuye al desarrollo sostenible.

La prctica comn, frecuentemente, no considera la estrecha relacin entre la fachada del edificio y los sistemas artificiales lumnico y de climatizacin dando como resultado edificios inconfortables e ineficientes funcional y econmicamente, durante su perodo de ocupacin.

A modo de ilustracin, a continuacin se tratan algunas de las decisiones de diseo que pueden afectar a las otras disciplinas. (1)

Las decisiones sobre la forma, emplazamiento y la envoltura del edificio influencian el comportamiento del clima interior trmico y visual y el confort de sus ocupantes por tanto las fachadas deben disearse atendiendo a las necesidades de los espacios interiores y a su apariencia exterior.

El diseo de las terminaciones interiores, divisiones y muebles debe tener en cuenta el papel modificador que estos elementos pueden jugar en el clima interior, obstruyendo el paso de la luz y las brisas y reduciendo las reflexiones de luz necesarias.

La seleccin del tipo de ventana y su posicin en la fachada es una decisin de suma importancia; las ventanas deben permitir la penetracin de la luz y a la vez controlar el deslumbramiento y la penetracin de los rayos del sol. Adems, permitir la penetracin de las brisas y proteger de la lluvia y de fuertes vientos, as como garantizar la estanqueidad cuando el espacio funcione con clima artificial. El diseo y la estrategia de control son decisivos para un buen funcionamiento.

Una relacin alta entre envolvente/volumen del edificio es buena para la iluminacin y la ventilacin natural pero adversa para el balance trmico, as como que puede reducir el espacio rentable y resultar una construccin ms costosa.

La propia arquitectura mediante la forma del edificio y elementos de sombra exteriores puede reducir las cargas de climatizacin y facilitar el aporte de la luz natural.

Una envolvente con tratamiento apropiado para la disminucin de las cargas trmicas puede resultar ms cara que otra desprovista de estos cuidados pero ofrece beneficios a largo plazo al disminuir la carga de climatizacin y su consumo energtico. Tambin puede sacrsele ventaja para la proteccin del sol y del deslumbramiento.

La seleccin de los vidrios requiere especial atencin; un buen vidrio para iluminacin natural con relativa alta transmitancia visible, puede tener una alta ganancia de calor por radiacin, un vidrio con baja transmitancia visible o reflectante puede resultar desventajoso para la iluminacin natural. Un buen comportamiento de los vidrios generalmente reduce el uso anual de energa, cargas pico, el costo inicial de equipos mecnicos, etc.

Los mejores sistemas mecnicos y de iluminacin aunque sean tecnologas sofisticadas y costosas no pueden resolver los errores de la arquitectura. El diseo de los locales tiene que brindar confort trmico y visual a sus ocupantes lo cual est en dependencia del ajuste entre las necesidades funcionales y el ambiente.

Para el Estudio de Caso se emplea la gua de Anlisis de Costo-Beneficio (1) compuesto bsicamente de 7 Nomogramas, que permite tomar decisiones, en las primeras etapas del diseo del edificio, sobre la conveniencia energtica y econmica de utilizar la iluminacin integrada (natural + artificial). Toma en cuenta slo las reducciones de energa debido a la iluminacin natural y no considera las reducciones de equipamiento de clima por la reduccin de la ganancia trmica por la iluminacin artificial.

Los Anlisis de Costo-Beneficio para el diseo eficientemente energtico requieren complejos modelos computarizados para predecir el comportamiento energtico de los edificios. Estos Nomogramas ofrecen una alternativa simple y fcil ya que tiene incluidos esos complejos anlisis computarizados. Pueden utilizarse para evaluar una solucin de diseo o para comparar alternativas.

Tomemos como caso de estudio un edificio de oficinas de 10 niveles, con planta tpica de 18 x 30 m, y 14 oficinas de planta abierta de 6 x 6 m. por nivel. Las ventanas estn convenientemente protegidas de la incidencia del sol de forma que constituyen una fuente de iluminacin natural todo el ao y durante todo el perodo diario de ocupacin de las oficinas complementadas con la iluminacin artificial necesaria en tiempo y espacio.

Atendiendo a que el mtodo empleado es aproximado se consider innecesario diferenciar el horario de verano en los clculos.

Consideraciones asumidas y resultados obtenidos.

1. Determinar el % de horas de ocupacin que dispondr de iluminacin natural: El horario de oficinas es de 9 a.m. a 6 p.m. y para la Latitud 23 09, se obtiene un 95% del horario hay disponibilidad de iluminacin natural.

2. Encontrar el % de ahorros debido a los controles de iluminacin natural: Se utiliza el sistema de control de atenuacin (dimmer) para optimizar al mximo la ventaja de la iluminacin natural y minimizar el consumo de energa. Se selecciona tambin por causar menos molestias a los ocupantes que el sistema de control de apagado y encendido (on/off). Se asume 50 fc (550 lux) como nivel de iluminacin apropiado para oficinas. La proporcin til de la ventana es del 33% y la transmisin visible del vidrio es 0.89. Con estas condicionales se obtiene un 60% de efectividad con el sistema de control seleccionado.

3. Encontrar el % total de rea que puede ser iluminada de forma natural: La profundidad de la zona de trabajo con iluminacin natural es de 20 ft (6.0 m). atendiendo a la altura de la ventana 9 ft (2.70 m) y por ser una oficina de planta abierta sin divisiones interiores. El 80% de la superficie total del piso puede ser iluminado de forma natural.

4. Encontrar el % de potencial de ahorros de carga y energa por la iluminacin natural (% de reduccin en comparacin con un edificio sin iluminacin natural): Se asume que el factor de atenuacin en zonas con iluminacin natural es igual a 80% en comparacin con un edificio sin iluminacin natural. Como en el 95% de las horas de ocupacin hay disponibilidad de iluminacin natural y el 80% del rea de piso puede ser iluminado naturalmente la efectividad del sistema de control es igual a 60% da como resultados que se puede ahorrar anualmente el 55% del consumo de energa por el uso de la iluminacin natural en comparacin con un edificio sin iluminacin natural. El factor de atenuacin igual a 80% permite ahorrar el 76% de la carga pico por uso de la iluminacin natural en comparacin con un edificio sin iluminacin natural.

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5. Encontrar los ahorros de energa para iluminar y costos debido a la iluminacin natural: La carga de iluminacin, ambiental y puntual es de 1.5W/ft2 (16W/m2). y se consideran 2 592 horas de ocupacin al ao por lo tanto se requieren 4.0kWh/ft2 (43kWh/m2) al ao para iluminar el edificio artificialmente. La tarifa elctrica actual es de 0.09$/kWh. El costo de la electricidad para la iluminacin artificial resulta ser 0.36 $/ft2 ao (3.8 $/m2).

6. Encontrar la reduccin en la demanda elctrica pico y los ahorros de costos asociados con la iluminacin natural : Se asume que la carga elctrica por otras actividades ajenas a la iluminacin artificial como son aire acondicionado, equipos de oficinas, etc. es de 3.5W/ft2. (38W/m2). La tarifa de demanda pico mensual contratada es de 3.0$/kW-mes. La demanda pico en kW por iluminacin artificial es igual a 280 kW y su costo mensual y anual son respectivamente 0.003 y 0.04$/ft2 ( 0.03 y 0.4$/m2). La reduccin de la demanda pico por uso de la iluminacin natural es 80kW. Los ahorros de demanda mensual y anual son 0.002 y 0.03$/ft2. ( 0.02 y 0.3$/m2) Los ahorros totales anuales son 0.19$/ft2 (2$/m2).

Evaluacin de la conveniencia de invertir en estrategias de iluminacin natural: El comportamiento energtico del edificio calculado mediante los Nomogramas es aproximado por lo cual los anlisis econmicos que se obtienen a partir de su consideracin son igualmente aproximados. Existen incgnitas en el horizonte financiero como son por ejemplo; costo de la energa, inflacin, ganancias futuras de la inversin, etc. Adems el impacto econmico total de una decisin de diseo eficientemente energtica es difcil de anticipar, debido a que hay muchas imprevisiones en la etapa constructiva y de explotacin del edificio. En el caso de Cuba son an mayores por las caractersticas actuales de nuestra economa.

Este Paso 7 da varias opciones de anlisis econmico.

Opcin 1. Clculo simple de recuperacin. Este procedimiento de anlisis rpido y aproximado se utiliza cuando la inversin requiere un perodo corto de recuperacin. Se multiplican los ahorros totales anuales por el perodo de recuperacin y resulta la inversin mxima justificable para la iluminacin natural. Considerando un perodo de recuperacin de 4 aos y siendo el ahorro total anual por empleo de la iluminacin natural de 0.19 $/ ft2 (2.0 $/m2)., la mxima inversin que podra hacerse es de 0.75 $/ ft2 (8.0 $/m2). En el caso de 8 aos dara 1.5 $/ ft2 (16.0 $/m2).

Opcin 2. Inversin justificable mxima dado un perodo de recuperacin deseado.

Opcin 3. Ahorros mnimos requeridos para justificar una determinada inversin.

Opcin 4. Perodo de recuperacin requerido para determinados ahorros anuales y fondos disponibles para invertir.

Opcin 5. Tasa de retorno de la inversin inicial.

Los resultados obtenidos pueden considerarse conservadores por las razones siguientes:

El modelo tomado como base para la elaboracin de la herramienta empleada utiliz una latitud alta y un cielo de baja luminancia.

No se adicionan a los ahorros totales anuales los beneficios no-energticos tales como el incremento de la renta de los espacios iluminados naturalmente, incremento de la productividad y conservacin de la salud de los ocupantes, incremento del valor de venta del edificio, entre otras ventajas econmicas.

El cambio climtico y el consecuente calentamiento global de la Tierra amenazan con variar muy desventajosamente el consumo energtico de los edificios por el incremento de sistemas de enfriamiento para contrarrestar las altas temperaturas. Esto constituye una poderosa razn para adoptar estrategias de diseo que conduzcan, en sentido general, al uso racional de la energa en los edificios con lo cual se estara contribuyendo a la disminucin de la contaminacin a escala global. En este sentido el uso racional de la energa en los edificios mediante el aprovechamiento de la luz natural cobra cada da ms importancia, ms an si tenemos en cuenta los altos niveles de luminancia del cielo en nuestra latitud. Adems est sobradamente probada, por numerosas investigaciones cientficas, la mayor calidad de la luz natural para el confort visual.

Las estimaciones realizadas en este trabajo indican que el empleo de la iluminacin natural es ventajoso ya que disminuye el consumo de energa y los costos, algunas de ellas son:

El ahorro de energa anual es de 55%. El consumo de energa por iluminacin artificial es 4.0 kWh/ft2 (43 kWh/m2) y la iluminacin natural puede ahorrar 2.2kWh/ft2 ao.(24 kWh/m2 ao).

La demanda pico por iluminacin artificial es de 280kW y con el uso de la iluminacin natural puede ahorrarse en demanda pico 80kW.

El costo de la energa para iluminacin artificial es 0.36$/ft2 (3.8$/m2) y por usar la iluminacin natural el ahorro es de 0.16$/ft2 (1.7$/m2) y el ahorro en la demanda pico anual es 0.03$/ft2 (0.3$/m2). El ahorro anual total es de 0.19$/ft2 (2$/m2).

Por las razones expuestas en el Estudio de Caso estos resultados pueden ser considerados conservadores.

No se profundiza en la evaluacin de la conveniencia de invertir en las estrategias de iluminacin natural por falta de informacin tcnica y econmica lo cual es una evidencia de la falta de tradicin de estos anlisis y la necesidad de crear una base de datos confiable sobre ndices tcnico econmico de proyectos y de obras.

1. Incorporar a la prctica de diseo nacional, en la etapa de ideas conceptuales, el empleo de ste u otros mtodos ms precisos de Anlisis de Costo-Beneficio para la evaluacin del impacto potencial de las estrategias de diseo bioclimtico en el uso de la energa de los edificios, fundamentalmente iluminacin y ventilacin natural.

2. Adquirir software modernos de simulacin y generalizar su uso para clculos tcnico y econmicos con alto grado de precisin para el diseo, tales como Adeline, Derob, Doe, Flovent, etc.

3. Disear las oficinas de planta abierta, sin divisiones interiores para optimizar la iluminacin y contribuir a la racionalidad energtica ya que est demostrado por investigaciones que la iluminacin artificial en oficinas compartimentadas se reduce en un 20% en comparacin con oficinas de planta abierta.(3).

4. Establecer incentivos econmicos para la inversin en la eficiencia energtica de los edificios, por ejemplo; exonerar de impuestos durante toda la vida til del edificio, con lo cual se puede amortizar la inversin realizada con ese fin.