luz arquitectura

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1 Introducción

1.1 La luz en la arquitectura

En la arquitectura actual existe un uso exagerado de sistemas artificiales y la conceptualización de una arquitectura de geometría vítrea, con paradójicos muros cortina que, en lugar de comunicar con el exterior, crean barreras no practicables. Se llega así hasta el punto en que el ambiente interior, teóricamente controlado, resulta frecuentemente más inhabitable que el exterior. Arquitectura entonces que funciona "peor que el clima".

Iluminar naturalmente un edificio es algo más que la solución a un problema de consumo energético o incluso que un recurso estético de fácil incorporación a la arquitectura. La luz natural en la arquitectura debe ser un componente más de una filosofía que refleja una actitud más respetuosa y sensible del ser humano frente al medio ambiente en donde vive.

2 Principios físicos básicos

2.1 Radiación electromagnética

La radiación electromagnética es una forma de transporte de energía que se caracteriza por variaciones periódicas del estado electromagnético del espacio, interpretable también como el movimiento de particulas inmateriales: los fotones.

La radiación electromagnética se caracteriza por su frecuencia (f en Hertz), su longitud de onda (λ en metros) o su frecuencia en distintas zonas de lo que llamamos espectro radiante, lo que equivale a hacerlo según sus efectos perceptibles tecnológicamente. En este espectro la luz visible ocupa una pequeña franja de muy poca anchura.

Recordemos que la longitud de onda y la frecuencia de una propagación de movimiento vibratorio están relacionadas con la velocidad de propagación (c) en la forma: λ = c/f.

Las radiaciones electromágnéticas tienen su origen en variaciones de la estructura atómica de los cuerpos, al producirse alteraciones en la situación orbital de los electrones, que comportan emisión de fotones al regresar aquellos a su posición de equilibrio, eliminándose así la energía sobrante en forma de radiación.

Se distingen dos tipos principales de fuentes de radiación visible, las de descarga y las térmicas, aunque para el caso de la luz natural nos bastará considerar estas últimas.

Capítulo 4 Energía Confort y Edificios

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Figura 4.1- Espectro radiante

Las fuentes térmicas emiten radiaciones a causa de la agitación térmica de la materia, caracterizándose por ser continuo el espectro en el campo de longitudes de onda que cubren.

En condiciones normales las fuentes térmicas emiten sobre todo radiación infraroja, pero al aumentar la temperatura del emisor, no solo aumenta la cantidad de energía sinó que además, el valor máximo de emisión de la misma se desplaza a longitudes de onda más cortas. De esta forma, a medida que aumenta la temperatura de radiación penetra cada vez más en la franja visible del espectro, hasta que, a una temperatura de unos 6500 K, el máximo queda centrado en esta zona. No es casual que esta temperatura sea aproximadamente la de la superficie del sol y que de esta forma la visión humana tenga su campo de acción adaptado a los valores más altos de radiación de su entorno planetario.

2.2 Unidades y ecuaciones fundamentales de la luz como energía

En iluminación se utilizan básicamente cuatro unidades para describir la luz y sus efectos.

Flujo luminoso

El flujo luminoso mos mide la cantidad de luz por unidad de tiempo, designado por Φ , tiene como unidad el lúmen (lm).

Intensidad luminosa

La intensidad luminosa mide el flujo en una dirección determinada, se designa por I y tiene como unidad la candela (cd = lm/estr) (estr: unidad de ángulo sólido en el que la superficie abarcada en una esfera es igual al cuadrado del radio).

Luminación


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La luminación nos indica la claridad de una superficie emisora para un observador, designado por L tiene como unidad la candela/m (cd/m 2).

La iluminancia

Por último, la iluminancia mide el flujo que llega a una superficie determinada, se designa por E y tiene como unidad el lux (lx = lm/m 2)

Figura 4.2.- Las cuatro unidades

En cualquier fenómeno lumínico se verifica que, la luz procedente de una fuente emisora puntual, se expande por el espacio y al alejarse del origen la iluminancia que produce sobre una superficie decrece en razón al cuadrado de la distancia. Igualmente, si la superficie no es ortogonal al rayo incidente, la iluminancia decrece según el coseno del ángulo de desviación, de esta forma resulta:

E= l/d2cos

En el caso de la radiación solar directa, dada la gran distancia del foco emisor, la variación de distancia a nivel terrestre resulta despreciable y los rayos se consideran paralelos, lo que significa que E = I cos α

2.3 El espectro visible

La luz no transporta únicamente energía sinó que también tiene color, que es consecuencia del reparto de energía en las diferentes longitudes de onda del espectro visible, correspondiendo un color específico a cada longitud de onda,


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según los colores del arco iris. La luz solar cubre todas las zonas del espectro y muchas veces nos referimos a ella como “luz blanca”.

En el campo de la luminotecnia se utilizan unidades específicas para indicar las características cromáticas de la luz, así:

La temperatura de color

(Tc) expresa el color de una fuente de luz por comparación con el de la luz

emitido por el cuerpo negro a una temperatura abosoluta determinada, su unidad es el Kelvin (K). Como el cuerpo negro canvia de espectro según la temperatura, hacia los 3000 K la luz es rojiza, hacia los 5.000 se compensa la distribución y a mayor temperatura es azulada. Se define la Tc como la

temperatura a la que se debe calentar el cuerpo negro para que la luz que emite sea de color similar a la luz que se pretende valorar. En el caso de la luz natural vemos que sus temperaturas de color son del orden de 6000 - 6500 K, coherentes con las reales de la superficie que emite esta luz (corona solar).

El índice de rendimiento de color

El índice de rendimiento de color expresa la capacidad reproductora de una luz sobre el color de los objetos que ilumina se denomina IRC y se expresa en %. Como para tener una buena reproducción cromática la luz ha de tener energía en todas las longitudes de onda, este es el caso de la luz solar, por otro lado aquella a la que estamos más acostumbrados, en la práctica el IRC de la luz natural es del 100%.

2.4 La luz y los límites del espacio

Reflexión- Transmisión- Absorción

La luz se propaga por el espacio a una velocidad que a efectos arquitectónicos, podemos considerar instantánea, pero al encontrar un obstáculo material se refleja en parte, otra parte es absorbida por la superficie (transformandose en calor) y puede ocurrir que una parte se transmita al otro lado del obstáculo. Los coeficientes de reflexión (r), de absorción (a) y de transmisión (t) nos informan, respectivamente, del tanto por uno de la luz incidente que es reflejada, absorbida y transmitida por una superficie dada. La suma de los tres coeficientes siempre valdrá la unidad: r + a + t = 1.

Como la energía puede reflejarse cualitativamente de forma distinta según el tipo de superficie, consideramos desde el punto de vista espectral y desde el punto geométrico los diferentes tipos posibles.

a)desde el punto de vista espectral las superficies pueden tener comportamientos distintos para las distintas longitudes de onda dentro del espacio visible. De esta forma la luz natural puede adquirir coloraciones diversas al reflejarse ó ser transmitidas por superficies de color.


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Hablamos de reflectancia o transmitancia específicas (rl ó t l) a las que se refiere

el comportamiento de una superficie determinada para la luz de una longitud de onda (con su color asociado) dada. El valor medio ponderado de las r l ó t l

para una radiación determinada (en nuestro caso la luz solar), nos dará el valor del coeficiente de reflexión de la superficie. En general la radiación reflejada o transmitida por una superficie reproduce el espectro de la incidente, afectado por los valores de las distintas reflexiones ó transmitancias específicas (rλ or

tλ).

Figura 4.3.- Tansmisión espectral a través de vidrio coloreado

b)desde el punto de vista geométrico, el acabado y la estructura interna de los cuerpos puede variar la geometría de la transmisión o reflexión. Siempre que las irregularidades materiales sean de un orden de magnitud similar a la longitud de onda de la luz se producirá una difusión de la luz, y si estas irregularidades son mucho menores se producirá una reflexión o transmisión regular, sin modificación de la geometría de la luz incidente. En la práctica se pueden distinguir tres tipos básicos de comportamiento geométrico.


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Figura 4.4.- Refexión y transmisión. Comportamento geométrico

Como la longitud de onda de las radiaciones lumínicas es muy pequeña, la mayor parte de las superficies con las que trabajamos en arquitectura presentan reflexiones de tipo difuso y no son atravesadas por la luz. Unicamente las superficies muy pulidas y las de estructura interna molecular ordenada (cristales), tienen un comportamiento regular a la reflexión y transmisión.

En el caso de la reflexión o transmisión difusas, la distribución resultante de la luz es tal que la luminancia L de la superficie, observada desde cualquier dirección, es constante y tiene el valor:

L=Er / or L=Et /

En la arquitectura, donde la mayor parte de las superficies tienen reflexión difusa, este comportamiento tiende a que la luz natural se reparta más uniformemente por los espacios interiores. Las superficies con reflexión regular (ó especular) pueden ser útiles para reflejar la luz y especialmente la radiación directa del sol, hacia direcciones específicas que resulten más convenientes. Igualmente, las superficies transmisoras son normalmente regulares o transparentes, por lo que permiten la entrada de los rayos directos del sol sin variar su geometría y a la vez la visión a su través, efecto normalmente favorable.

3 Fisiología de la visión

3.1 el ojo y la visión (percepción visual)

El sentido de la vista se basa en el funcionamiento de un órgano tan especializado como es el ojo. Este órgano tiene la pupila, que regula la cantidad de luz que penetra en el ojo mediante una abertura regulable en proporción superficial de 1 a 16. Cuanto más cerrada está la pupila menos cantidad de energía penetra pero la visión es más nítida y con mayor profundidad de campo. El cristalino es la lente que regula el enfoque con la deformación hasta la visión próxima con deformación máxima. Desde el


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cristalino, la luz atraviesa el cuerpo vítreo que rellena el globo ocular, hasta incidir en la retina, donde se forman las imágenes enfocadas por el cristalino. Esta retina es una partícula, sensible a la cantidad de luz mediante unas células llamadas "bastoncillos" y a la cantidad y el color (longitud de onda) de la luz mediante otras células denominadas "conos". En el centro de la misma, una pequeña concavidad llamada fóvea contiene solo conos de pequeño tamaño y muy apretados, que proporcionan la zona de visión nítida.

Figura 4.5.- Estructura del ojo humano

El ojo humano responde a la cantidad de energía que recibe con sensaciones que no responden linealmente al estímulo. Como sucede con los restantes sentidos humanos la visión sigue una ley aproximadamente logarítmica según la cual incrementos iguales del estímulo no suponen incrementos de sensación iguales, sinó que estos últimos son menores cuando los niveles de energía son altos que cuando son bajos. De esta forma:

S=K logE+B

donde:

S

sensación

E

estímulo

B y K

constantes

Este tipo de reacción permite a los sentidos humanos abarcar campos más amplios de niveles de energía, pero supone que al evaluar los efectos de la luz


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un incremento determinado tiene distinto valor según el nivel de que se parte. De esta forma un incremento de una abertura de iluminación en un espacio de 1 m2, si previamente existía 1 m2 de abertura se acusa mucho, en cambio un incremento de 1 m2 en un local con 10 m2 de abertura se nota muy poco como sensación de aumento de luz en el espacio.

Además de este mecanismo sensorial básico, la vista tiene capacidad para adaptarse a distintos niveles energéticos con otros sistemas. Ya hemos visto como la pupila variaba la superficie de entrada de la luz en una relación de 1 a 16 con un mecanismo de tipo retroactivo. Por otro lado las células de la retina trabajan en campos diversos, los bastoncillos son los únicos con luminancias inferiores a 10 cd/m 2, como los conos lo son por encima de las 300 cd/m 2 y entre ambos límites trabajan conjuntamente los dos tipos de células.

Con los conos existe visión del color y la máxima sensibilidad corresponde al color amarillo- verdoso, reduciéndose esta sensibilidad hacia los dos límites del espectro hasta anularse. Esta visión con los conos se denomina fotópica. En la visión con los bastoncillos, denominada escotópica, no existe apreciación del color y el máximo de sensibilidad se situa en una zona de menor longitud de onda.

Figura 4.6.- Curva de sensibilidad del ojo humano

La curva de sensibilidad del ojo con visión fotópica sirve de base para definir las unidades que veíamos en el apartado 2.2. El flujo luminoso resulta de afectar el flujo total radiante por el coeficiente de sensibilidad del ojo para cada longitud de onda.


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1=rV 680

donde:

Φ1

flujo luminoso en lm

Fr

flujo radiante en W

V(λ)

coeficiente de sensibilidad

3.2 Sensibilidad temporal de la visión

En general los sentidos humanos tienden a adaptarse a los estímulos constantes y a sensibilizarse de acuerdo con los valores energéticos medios de su campo de percepción. Para adaptarse a un cambio de las condiciones de luminancia media del campo visual el ojo necesita un período de tiempo, variable según se trate del paso de la luz a oscuridad o del caso inverso. en general se consideran necesarios más de 30 minutos para una buena adaptación de la luz a la oscuridad y únicamente unos 30 segundos para el paso de la oscuridad a la luz. En realidad se debería considerar que son curvas de adaptación de tipo logarítmico, con respuesta rápida al principio y más lenta a medida que pasa el tiempo. Para una perfecta adaptación de la luz a la oscuridad deben pasar horas, pero los primeros instantes son los más importantes.

En el diseño arquitectónico es importante este fenómeno, teniendo sobre todo en cuenta que la percepción correcta depende más del equilibrio de luminancias en el campo visual que del nivel absoluto, ya que la visión tiene capacidad de adaptación en un campo amplísimo de energías, con rendimiento correcto desde luminancias medias del orden de 50 cd/m 2 hasta 25.000 cd/m 2. Por este motivo muchas veces es más importante que en los espacios arquitectónicos el usuario en movimiento puede adaptarse paulatinamente a los niveles que va encontrando, que el valor absoluto de estos niveles.

3.3 La percepción espacial del ojo humano

El ojo humano tiene un campo visual aproximadamente semiesférico ( 2π estereoradianes), con un ángulo sólido central de pequeña amplitud de visión precisa, correspondiente a la situación de la córnea en la retina. Hacia los


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bordes del campo visual la visión se hace borrosa, perdièndose rápidamente la percepción de las formas y conservándose mejor la de los movimientos.

Normalmente nuestros ojos están en constante movimiento, saltando la visión precisa de una a otra zona del campo visual que se controla globalmente con la periferia de la retina. El movimiento de la cabeza complementa las posibilidades de percepción visual de nuestro entorno, pero siempre queda una zona posterior en sombra, que no percibimos ni controlamos con la vista, requiriendo el auxilio del oido para sentirnos dominadores del ambiente que nos rodea. Por este motivo y especialmente en locales con dificultades acústicas, puede ser importante la posición relativa de las personas en relación al espacio que ocupan.

Figura 4.7.- Alzado y planta del campo visual

Con la vista también se localiza la dirección de los objetos que nos rodean, básicamente dirigiendo la cabeza y los ojos hacia aquello que observamos. La acción de los músculos informa al cerebro de la dirección relativa a nuestro cuerpo, basándose para ello en gran parte en la experiencia.


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La apreciación de la distancia resulta más compleja y en ella intervienen diversos mecanismos. Por un lado existe la deformación del cristalino en el enfoque de la imagen que permite evaluar distancias muy cortas. Por otro lado la visión binocular permite, con el cambio de la imagen de un ojo respecto a la del otro, reconocer la situación relativa de los objetos en el campo visual, a la vez que la convergencia de los ojos nos ayuda a evaluar las distancias próximas. Finalmente, es el aprendizaje el que en mayor medida nos informa sobre la distancia a la que están situados los objetos, simplemente considerando el tamaño aparente de los mismos en relación a experiencias previas. El único inconveniente es que resulta un sistema poco fiable en entornos novedosos o de escala distinta a la normal, efecto que ha sido utilizado a menudo como recurso arquitectónico para producir sensaciones especiales en el espectador.

3.4 El confort visual

Nos referimos al hablar de confort a la comodidad o falta de molestia en un ambiente determinado, intervienen en este concepto posibles causas ya que influyen simultaneamente los estímulos de todos los sentidos, además de otros factores dificilmente reconocibles. A pesar de ello clasicamente se analiza,de forma independiente el confort para cada uno de los sentidos principales, como es el caso de la vista.

Distinguimos al hablar de confort entre los parámetros, valores evaluables de las características energéticas del ambiente y los factores de confort, que dependen del usuario e influyen sobre la apreciación de los parámetros. El confort dependerá de la relación entre ambos y aunque el diseño arquitectónico influye sobre los parámetros esencialmente, se deberán tener en cuenta los factores del usuario (edad, tipo de actividad, etc.) para adecuar el diseño a su objetivo.

Iluminancia

La comodidad visual depende, como es lógico en un sentido básicamente informativo, de la facilidad de nuestra visión para percibir aquello que le interesa. En este sentido, el primer requerimiento será que la cantidad de luz (iluminancia)sea la necesaria para que nuestra agudeza visual nos permita distinguir los detalles de aquello que miramos. De acuerdo con esto, el primer "parámetro " es la iluminancia (lx), con valores recomendables que varían según las circunstancias y las condiciones de deslumbramiento (que será el segundo parámetro que se deberá considerar en el confort visual).

Deslumbramiento

El deslumbramiento, considerado como "parámetro de confort ", es el efecto molesto para la visión debido a un excesivo contraste de luminancias en el campo visual. En general, este efecto se debe a que existe una pequeña superficie de mucha claridad (luminancia) en un campo visual con un valor medio bastante más bajo, normalmente a causa de la presencia de una luminaria o de una ventana.


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El deslumbramiento “por adaptación”, es el más importante en el diseño arquitectónico, se produce al adaptarse el ojo a la luminancia media de un campo visual donde hay valores muy variables de ésta, con extremos que quedan fuera de la capacidad de adaptación visual y que, por lo tanto, no se ven.

Otra distinción de los tipos de deslumbramiento se puede hacer al considerar la incidencia en el ojo del rayo de luz excesivo. Se considera deslumbramiento directo el que incide en la fóvea, que también se llama "incapacitante", ya que no permite ver prácticamente nada. Si la incidencia se da en el resto de la retina, se considera deslumbramiento indirecto, que puede perturbar la visión sin impedirla, y se llama también "molesto o perturbador ". También es necesario considerar que, en muchos casos, esta misma denominación (directo/indirecto) se utiliza para definir y distinguir los deslumbramientos producidos por una fuente de luz directamente de los que se producen reflexión en una superficie brillante (como puede ser una mesa recubierta con un cristal).

El deslumbramiento es un fenómeno de difícil valoración, aunque se puede evaluar mediante el análisis de las diferentes luminancias presentes en el campo visual. En primera aproximación se recomiendan como valores "adecuados" para un entorno de trabajo, los contrastes de 1 a 3 entre el objeto observado y su fondo próximo, de 1 a 5 con la superficie de trabajo en general, y de 1 a 10 con otras superficies del campo de visión. En un análisis más exacto se usan los conceptos siguientes:

g=La

sb f

LB

donde:

Ls

luminancia de la fuente luminosa

ω

ángulo sólido de la fuente desde el ojo

f(θ)

función de la dirección en que llega la luz (valor 1 si llega perpendicularmente al ojo y valor 0 si llega lateralmente)

LB

luminancia del fondo de la fuente de luz

a y b


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coeficientes con valores típicos 1.8 y 0.8

La sensación de deslumbramiento crece con el incremento del valor de esta constante de deslumbramiento g. Como subjetivamente los incrementos de molestia por deslumbramiento siguen aproximadamente la ley logarítmica de la sensación, se define el índice de deslumbramiento (G):

G=10log10g

A partir de un valor 10 del índice G, el deslumbramiento es perceptible, de 16 a 22 es soportable, de 22 a 28 inconfortable y para valores superiores, intolerable.

Color de la luz

Un tercer parámetro de confort visual es el color de la luz; mediante los conceptos de "temperatura de color " y de "índice de rendimiento en color En este sentido, la gráfica de Kruithof relaciona la temperatura de color de la luz con la iluminancia, y define un campo de compatibilidad entre ambos valores. En el caso de la luz natural, siendo sus características cromáticas las teóricamente ideales, poca influencia sobre el confort tendrá el color de la luz.

Con todo ello y teniendo siempre presente el valor relativo de estos datos, podemos enunciar valores típicos de los parámetros lumínicos en su relación con los factores del usuario (Tablas 2- 6)

Tabla 1

Definidores limínicos Iluminancia (valores generales)

Actividades con esfuerzo muy alto: dibujo de precisión, joyería 1000 lux

Actividades con esfuerzo visual alto o muy alto de poca duración, lectura, dibujo, etc . 750 lux

Actividades con esfuerzo visual medio o alto de poca duración: trabajos generales, reuniones, etc. 500 lux

Actividades de esfuerzo visual bajo o medio de poca duración: almacenaje, circulación, reunión, etc . 250 lux

Tabla 2

Factores modificadores de los valores generales de iluminancia

x 0.8 x I x 1.2

Edad < 35años Edad de 35- 55 años Edad > 55 years

Actividad poco importante Actividad importante Actividad crítica y poco usual

Actividad fácill dificultad regular Alta dificultad


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Tabla 3

Valores de luminancias(con su correspondencia con iluminancias)

Código visual Luminancia (cd m - 2) Iluminancia horizontal (lux)

Rostro humano muy poco visible 1 20

Visión correcta del rostro 10- 20 200

Óptimo con trabajos normales 100- 400 2000

Superficies con reflexión >0,2 muy iluminadas > 1000 20,000

Tabla 4

Índices de deslumbramiento(G)

Condiciones muy críticas, con trabajos difíciles, situaciones peligrosas, etc. Inapreciable< 13

Condiciones de trabajo largo con dificultad normal, espacios de reposo, etc. Bajo: 13-16

Condiciones de trabajo ligero o de duración corta, espacios de relación, etc. Medio: 16- 19

Condiciones poco críticas, espacios de corta ocupación, circulaciones, etc. Alto: 19-22

Condiciones sin requerimientos visules, donde el deslumbramiento no es problema Muy alto > 22

Tabla 5

Color de la luz( características recomendadas según el uso)

Tipos de espacio Condiciones I RC (%) Tc (K)

Espacios donde el color es muy importante de trabajo >85 4500- 6000 de

reposo 2500- 4000

Espacios donde el color no es crítico pero importa de trabajo 70- 85 > 4000

de reposo < 4000

Espacios donde importa poco el reconocimiento cromático de trabajo <70 > 4500

de reposo > 4500

Espacio sin visión cromática 40 Indiferente _____________________________________________________________________________________

3.5 Efectos biológicos

Hoy en dia los requerimientos lumínicos dependen de dos aspectos, la percepción visual y los efectos biológicos. Cuanto más alta es la iluminación más fácil resulta llevar a cabo actividades ópticas y la gente mayor necesita


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niveles más altos que los jóvenes. Según Lange la iluminancia máxima aceptada por un usario oscila entre 2000 Lux(lx) i 4000 lx. Los valores mínimos así como requerimientos adicionales, estan dadas en los correspondientes estándares (EN 12464).

Desde el descubrimiento de un tercer receptor de la luz en la retina (adicional a los conos y bastoncillos los cuales son responsables de la visión) en el año 2002, los efectos biológicos de la luz en el cuerpo humano, de los cuales ya se sospechaba desde hace tiempo, podrian ser evaluados. Comparando la sensibilidad al deslumbramiento del ojo para funciones ópticas, la sensibilidad de este sensor está en la zona azul. Así pues largos estudios demuestran que iluminaciones superiores a 1000 lx influenciaran en el reloj biológico del cuerpo humano en su fase despierta o de sueño,para ciclos diurnos y anuales, afectando la actividad del cerebro, a la salud y al bienestar. Estas reflexiones requieren un nuevo punto de referencia para “una buena iluminación”.

Los requerimientos mínimos para dispositivos de protección solar a la radiación del verano, se consiguen si se anulan las altas temperaturas de los locales ( o respectivamente, las altas cargas debido a los sistemas de refrigeración) y deben ser logrados sin efectos adversos en la iluminación natural de estos. En vista de las nuevas y destacables observaciones sobre las propiedades biológicas de la iluminación natural, esto es un desafío para el diseño de ventanas: mínimas ganancias solares térmicas para interiores de estancias mientras que al mismo tiempo deben permitir altos niveles de iluminación (> 1000 lx).

4 La iluminación natural en arquitectura

4.1 La luz interior y exterior

La arquitectura es básicamente una contraposición entre interior y exterior, entre espacio protegido y ambiente expuesto, entre dominio e inseguridad, entre privacidad y sociedad. Durante el día la luz natural expone totalmente el espacio exterior, rellena todos los rincones y muestra crudamente la piel de los edificios con toda su dimensión, forma y detalles.

Por esto muchas veces la arquitectura donde la luz es sabia tiene las entradas de luz fuera del campo visual del espectador, con aberturas altas y a menudo situadas encima de la entrada al espacio. Esta recuperación de una luz interior propia resulta hasta cierto punto mágica, al no identificarse su procedencia. Se niega el paisaje exterior a cambio de la reorganización de un espacio interior que deja de ser secundario.

Todo este discurso cambia radicalmente de noche, cuando se invierten los papeles entre interior y exterior, pero este no es el objeto de este escrito, aunque nos permita dos rápidos comentarios sobre la creación entre luz natural y artificial en la arquitectura.


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1. En primer lugar, la arquitectura y los seres que la habitamos son diferentes de día y de noche, por ello no tiene sentido intentar imitar con la luz artificial los efectos de la luz natural, los resultados siempre serán mediocres.

2. En segundo lugar, es siempre difícil combinar ambos tipos de luz, ello es debido al cromatismo diferente y al hecho de que el ojo, habituado a los niveles de luz natural, encuentra pobre y triste la luz artificial que de noche le parecerá perfecta.

Volviendo a considerar la luz natural en su acción donde el exterior hacia el interior del edificio, se debe tener en cuenta que su penetración viene condicionada por su procedencia, que puede ser triple :

Figura 4.8.- Tres incidencias: sol directo, bóveda celeste y albedo

La luz solar directa frecuente en climas mediterraneos, incide con rayos paralelos de densidad energética alta, (llegando a unos 100.000 lux) generando en los espacios interiores manchas de luz de contornos precisos, que van cambiando con el movimiento del sol en la bóveda celeste. Se trata de una luz por lo tanto, que crea condiciones visuales interiores poco confortables por excesos de contraste y que facilmente genera sobrecalentamiento en los espacios interiores. Su acción térmica y su especial reparto de luminancias que transmite sensación de alegría, son favorables en invierno y en climas fríos y al contrario en verano en el caso de climas cálidos.

La luz de la bóveda celeste es la más usual en climas atlánticos y nórdicos, correspondiendo a la presencia de cielo cubierto, aunque también se debe tener en cuenta en cielos claros para direcciones opuestas al sol. Se trata de una iluminación de menor intensidad (del 5 al 10%) que la del sol directo y que además presenta una distribución de caracter difuso, por no provenir de una sola dirección. Esta luz es la que se utiliza muchas veces como condición de mínimo, pero también hay que considerar que, en los climas más cálidos, su penetración en el edificio una vez suprimida la radiación directa puede generar problemas de sobrecalentamiento.

La luz reflejada en las superficies exteriores, llamada también de albedo, cobra importancia en los casos en que no son intensos los otros dos tipos, bien


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porque se anulan para evitar sobrecalentamiento o bien porqué las condiciones del local o edificio no permiten el acceso directo de la luz del cielo. En estas circunstancias y en el caso de que las superficies exteriores, suelos y edificaciones próximas, tengan reflectancias relativamente altas, la luz del albedo puede generar iluminaciones interiores útiles, teniendo siempre en cuenta que la procedencia de la luz, al no ser desde arriba, puede dar lugar a deslumbramiento con mayor facilidad.

4.2 La percepción de la luz en la arquitectura

Cuando un arquitecto imagina la arquitectura que está comenzando a proyectar, representa en su cerebro las formas del edificio que idea, incluyendo desde visiones generales del edificio hasta detalles concretos de sus fachadas.

Conociendo la obra de los grandes maestros de la arquitectura, antigua o moderna, podemos comprender como, en la mayoría de los casos, la luz natural estaba presente desde las primeras imagenes del proyecto que estaban concibiendo.

Resulta interesante observar las distintas percepciones que de la misma tienen estos proyectistas. Dejando aparte el mayor o menos conocimiento que tengan de los principios básicos de iluminación e incluso sin valorar la eficacia de los resultados obtenidos, lo que si puede apreciarse es como, cada uno de ellos, concibe el fenómeno de la luz intuitivamente de manera distinta y como esto se refleja en la forma en que la luz define y modela los espacios de su arquitectura.

En muchos casos la luz se imagina como un fluido, como un líquido o como un gas que ocupa todo el espacio exterior y a través las aberturas de iluminación, se derrama o se expande, según los casos, en el espacio interior.

En otros casos la luz se entiende como rayos, en una casi mitológica imagen de fuerza celeste que atraviesa el espacio, penetra en el interior y rebota en las superfícies, confiriéndoles con su acción realidad.

Otras veces la luz natural escribe un juego impresionista en el interior, las manchas de luz independientes solo se funden en el cerebro al percibir globalmente el espacio. En estos casos el color resulta decisorio y los paramentos cambian la tonalidad de la luz que reciben.

4.3 La iluminación en zonas interiores y perimetrales

Al plantear el aprovechamiento de la luz natural en la arquitectura, el primer punto a considerar es la problemática de su penetración hacia interiores que en principio, al estar separados del exterior por una fachada, serán oscuros. Solo la creación de aberturas en la envolvente del edificio permitirá la entrada de la luz natural, de forma siempre limitada y esto si, controlable.


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En cualquier edificio podemos distinguir dos problemas distintos. La iluminación de las zonas o locales periféricos, que tienen contacto con la piel del edificio y por lo tanto posibilidad de acceso directo a la luz del exterior y las zonas o locales interiores, sin contacto con la envolvente, donde solo se accederá a la luz natural si se transporta esta luz por algún sistema hasta la zona interior.

Pero antes de tratar sistemas concretos de aplicación a la periferia o al nucleo, consideramos algunos aspectos generales del proyecto que repercuten sobre su comportamiento lumínico.

Compacidad

Un primer aspecto a considerar es la compacidad del edificio, que establece la relación entre la superficie envolvente del edificio y su volumen, o sea, el grado de concentración de los espacios interiores. Lógicamente los edificios menos compactos tendran mayores posibilidades de iluminación natural, al reducirse consecuentemente la zona del nucleo, donde es más difícil la penetración de luz.

Porosidad

Otro aspecto a considerar es la porosidad del edificio, que se refiere a la existencia dentro de su volumen global de espacios vacíos y comunicados con el exterior, como es el caso de los patios. Un grado de porosidad alto representa la posibilidad de crear un acceso de luz (y también de ventilación) en las zonas del nucleo del edificio.

Transparencia

Otro aspecto general a considerar es la transparencia de la piel del edificio a la luz, variable de los edificios totalmente opacos hasta los totalmente acristalados. Aunque la mayor transparencia aumenta la luz en la zona periférica,una buena iluminación depende más de la adecuada distribución de la luz que de su cantidad. A menudo los efectos del deslumbramiento hacen inadecuadas las iluminaciones con grandes aberturas.

Características geométricas

Otros aspectos a tener en cuenta son las características geométricas de los espacios interiores. Los locales pueden así analizarse según su tamaño, su forma, sus proporciones y los posibles desniveles de su piso.

Tamaño de un local

El tamaño de un local no tiene en principio influencia sobre el reparto de la luz en su interior, espacios idénticos en su forma pero de tamaño distinto y con las aberturas a escala con su tamaño, tendrán la misma distribución de su luz interior. Como los fenómenos radiantes en general y los lumínicos en particular no cambian con el tamaño, esto permite el estudio a escala de los fenómenos con exactitud. Unicamente hay que recordar que los espacios de gran superficie, sinó conservan sus proporciones elevando el techo, tendrán una zona central oscura.


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Figura 4.9.- Zona central con espacios perimetrales grandes

Forma y proporciones

La forma y proporciones de un local es importante para su iluminación natural según sea la situación de la abertura. En general los espacios irregulares o alargados con entrada de luz por su extremo, tienen el reparto de luz poco homogéneo.

Figura 4.10.- Relación entre forma y distribución de la luz

Se debe tener en cuenta que la penetración lateral de luz en un espacio produce un rápido decrecimiento de la luz (iluminancia) al alejarnos de la abertura, debido a que rapidamente se pierde ángulo de visión del cielo que és la principal fuente de luz. Este hecho hace que las zonas y locales periféricos falcilmente resulten mal iluminados, aunque la cantidad de luz existente en total sea suficiente. En comparación con este caso las entradas de luz cenital resultan en general más adecuadas.

5 Mejora de la iluminación natural en locales

5.1 Elementos de transmisión

Son espacios que están situados a partir de un primer componente de paso, que es el que capta la luz natural del exterior. Recogen la luz captada por el componente de paso, la conducen hasta el componente de paso siguiente y así sucesivamente. La forma propia tiene mucha importancia a la hora de caracterizarlos, ya que la capacidad para conducir la luz recibida depende en gran medida de esta característica geométrica del espacio conductor.

Por otro lado son importantes también las características de los acabados superficiales de sus paramentos, porqué es donde incide la luz natural y son


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los que harán que el componente actúe de manera diferente, según sean superficies reflectoras, especulares, difusas, absorbentes, etc.

Figura 4.11.- Elementos de iluminación natural: elementos de conducción y transmisión

5.1.1 Espacio de luz intermedios

Son los situados en la zona perimetral del edificio, entre el ambiente exterior y los espacios habitables. Pueden actuar como filtro regulador entre las características ambientales exteriores e interiores; conducen y distribuyen la luz que les llega de un exterior con luz natural hasta el interior. Se cierran con materiales transparentes o translúcidos y pueden incorporar elementos de control para regular el paso de la luz a su través. Los más característicos son las galerías, los porches y los invernaderos.

5.1.2 Espacios de luz interiores

Forman parte de la zona interna de un edificio y conducen la luz natural que les llega hasta espacios habitables interiores que están alejados de la periferia. Consideramos dentro de este grupo los patios, los atrios y todo tipo de conductos de luz, así como los conductos de sol.

5.2 Elementos interiores y periféricos

Son dispositivos o conjuntos de elementos que conectan dos ambientes lumínicos diferentes que separados por un cerramiento donde se sitúa el componente. Se definen por sus características geométricas, como son: su tamaño, relativo al del cerramiento donde se sitúen, su ubicación en este cerramiento, según sea central o lateral, alta o baja y la forma geométrica de la abertura. Su composición depende de los elementos que incorpore para controlar y regular las acciones lumínicas, visuales y de paso de aire.

5.2.1 Componentes de paso laterales

Se sitúan en cerramientos verticales, tanto en la piel del edificio como en paramentos interiores y separan dos ambientes con características lumínicas


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diferentes, permitiendo la penetración lateral de luz al local receptor. Los más característicos son las ventanas, los balcones, los muros translúcidos y los muros cortina.

5.2.2 Componentes de paso cenitales

Situados en cerramientos horizontales de la cubierta o del interior de un edificio, separan dos ambientes de luz diferentes y procuran la penetración de luz cenital al ambiente receptor inferior. Los más característicos en la arquitectura son los lucernarios, las cubiertas monitor o en diente de sierra, los forjados translúcidos y las claraboyas, las cúpulas y las linternas.

5.2.3 Componentes de paso globales

El componente más característico de este tipo es la membrana, con superficies translúcidas o transparentes, que rodean globalmente un ambiente interior. Permiten la entrada generalizada de la luz y crean un alto nivel interior uniforme, parecido a las condiciones exteriores.

5.3 Elementos de control

5.3.1 Superficies separadoras

Son elementos superficiales de material transparente o translúcido, que se incorporan a un componente de paso que separa dos ambientes distintos. Permiten el paso de la radiación a su través y a veces la visión exterior, pero impiden el paso del aire. Entre los numerosos tipos de superficies separadoras existentes en el campo de la arquitectura, existen las convencionales transparentes, las superficies tratadas química o mecánicamente, las que siguen una determinada pauta geométrica y las que conforman cerramientos activos.

5.3.2 Pantallas flexibles

Son elementos que detienen parcial o totalmente el paso de la radiación solar y convierten en difusa la luz que los atraviesa. Según su colocación pueden permitir la ventilación y pueden servir para obtener privacidad visual. Pueden recogerse, enrollados o doblados para suprimir su acción cuando interesa. Los tipos más comunes de pantallas flexibles son los toldos y las cortinas exteriores.

Los toldos y cortinas son de materiales opacos al paso de la luz o que tienen un comportamiento difusor de la misma. Pueden estar situados en la cara exterior de un componente de paso, para detener selectivamente el paso de la radiación antes de que atraviese dicho componente o situados en la cara interior de las superficies separadoras, para controlar la parte que ya ha atravesado el componente de paso y que ilumina el interior.


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5.3.3 Pantallas rígidas

Son elementos opacos que redirigen y/o detienen la radiación solar directa que incide sobre un componente de paso. Normalmente son fijos y no regulables, aunque pueden haber excepciones. Su característica principal será la situación respecto a la abertura que protegen. De entre los diferentes tipos posibles destacaremos los aleros, las repisas de luz, los antepechos, las aletas y los reflectores.

5.3.4 Filtros solares

Son elementos superficiales que cubren exteriormente toda, o casi toda el área de un componente de paso, lo protegen de la radiación solar y permiten la ventilación. Pueden ser fijos o practicables (que pueden retirarse y dejar libre la abertura) y regulables si se puede cambiar la orientación de las lamas que los forman. Los tipos más utilizados en arquitectura son las persianas de todo tipo y las celosías.

5.3.5 Obstructores solares

Son elementos superficiales construidos con materiales opacos a la luz y que pueden acoplarse sobre la abertura de un componente de paso para cerrarlo totalmente. Normalmente se llaman postigos o contraventanas y pueden estar situados tanto al exterior como al interior de cerramiento separador de cristal.

6 Condiciones del cielo

6.1 Luminancia del cielo

Las condiciones del luminancia del cielo son una característica básica a considerar en el estudio de las preexistencias de un lugar. En este caso es decisivo el clima local, con la nebulosidad que pueda predecirse en él.

Existen diversos modelos posibles de luminancia del cielo a tener en cuenta como preexistencia ambiental en un lugar determinado. En general se toma el cielo cubierto como caso más desfavorable y sólo se estudia éste. Esto es lógico en climas nórdicos, pero no en climas templados, donde se debe plantear también el caso del cielo nublado o despejado y considerar la posición del sol directo, controlando tanto la protección como el aprovechamiento de su radiación.

Se debe tener en cuenta que los climas mediterráneos tienen condiciones de sol directo mucho más frecuentes (70% del tiempo) que los climas más nórdicos (30% del tiempo), algo que se olvida a menudo al estudiar la iluminación natural de los edificios.

6.1.1 Cielo cubierto uniforme

Es el primer modelo utilizado en estudios de iluminación natural, con luminancia constante en todas las orientaciones y alturas. En él la relación


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entre la luminancia media del cielo y la de un plano horizontal sin ninguna obstrucción será:

Eh=L

donde:

Eh

iluminancia sobre plano horizontal (lux)

L

luminancia media del cielo (cd / m2)

Tabla 6

Los valores de luminancia media de la bóveda celeste para la latitud de 40°, con distintas condiciones climáticas y época del año, son:

Solsticio de invierno Equinoccios Solsticio de verano

Horas 08:00 10:00 12:00 08:00 10:00 12:00 08:00 1:00 12:00

16:00 14:00 16:00 14:00 16:00 14:00

Lumin. 1,750 3,200 4,700 3,200 4,600 6,200 6,000 7,600 8,600

4,600 21,000 24,000 22,000 28,000 30,000 27,000 31,000 32,000

Los valores de la fila superior corresponden a luminancias medias con cielo cubierto, mientras que la inferior es para cielo claro. En general se toma como caso mínimo en nuestras latitudes el cielo cubierto con 3.200 cd/m 2, equivalente a unos 10.000 lux sobre un plano horizontal sin obstrucciones.

6.1.2 Cielo cubierto C.I.E

Es el modelo de cielo cubierto estándar, que resulta más ajustado a la realidad ya que la luminancia cambia con la altura, hasta el punto de que en el zénit el cielo se considera tres veces más claro que en el horizonte. Esta relación se define con la fórmula de Moon- Spencer:

L=Lz

12sin3

donde:

Lα

luminancia a una altura de ángulo α sobre el horizonte

Lz

luminancia en el zénit


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En este caso se puede considerar la Lz como a 9/7 de la la luminancia media

del cielo (uniforme).

Otra condición correctora, que se debería tener presente en este análisis, es la variación de la luminancia del cielo según la orientación, que se presenta no solamente con el cielo claro o nublado sinó también con el cielo cubierto. Esta variación de la luminancia se puede concretar, para la luminancia del horizonte, en un incremento del 20% en la orientación hacia el Ecuador y un decremento de también un 20% en la orientación hacia el polo, según el hemisferio donde estemos situados. Estas variaciones decrecen al aumentar la altura hasta anularse en el zénit. La expresión de Moon- Spencer corregida para tener presente esta variación sería:

L ,=Lz

12sin3

10,2cos

donde:

Lα,β

luminancia del cielo para una altura β respecto de la dirección del ecuador

Lz

luminancia en el zénit

6.1.3 Cielo claro

Para el caso de cielo claro la mejor estrategia será considerar sólo la incidencia directa del sol, con intensidad del orden de 100.000 cd/m 2 y la posición que corresponda según la época del año y la hora Por otra parte consideraremos también como fuentes indirectas, el resto de la bóveda celeste y las reflexiones en otras superficies del suelo o de otros elementos exteriores (albedo).

Para el caso de la bóveda celeste con cielo claro la luminancia decrece al alejarnos de la posición del sol con valores variables entre 2000 y 9000 cd/m 2.

Para el caso del albedo se toma como valor típico de luminancia el resultado de aplicar la expresión:

La=Ehr


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donde:

La

luminancia de albedo

Eh

iluminancia que reciben las superficies, (que puede considerarse de 100.000 lux con el cielo claro)

r

coeficiente de reflexión de las superficies, (valor típico de 0.2, que puede subir hasta 0.7 en superficies claras)

6.1.4 Cielo nublado

En el caso de cielo nublado, entre cielo claro y cielo cubierto, deberemos hacer las hipótesis correspondientes a una situación entre las consideradas en los casos anteriores. En todo caso, si se conocen las dos situaciones límites, no es necesario estudiar este tipo de cielo más allá de conocer su frecuencia para cada época del año.

7 Evaluación de la luz natural en arquitectura

El objetivo de un método de dimensionado del alumbrado natural de un proyecto o edificio, es conocer la cantidad de luz existente en el ambiente interior, así como su distribución.

En el alumbrado natural existe tanta variabilidad en los factores que generan el ambiente, que los sistemas de evaluación son poco exactos. El cálculo permite conocer las condiciones interiores en relación con unas exteriores que sabemos cambiantes. Por ello se presentan los resultados en porcentajes respecto al nivel exterior: "Daylighting Factors" (DL):

DL=100xEiinterior

Eeexterior

Los sistemas de representación de luz natutral pueden proceder de un cálculo punto por punto o por ordenador. El sistema de representación de la luz resultante, que se podrá hacer a partir de cualquier método que nos dé los valores "punto por punto" . Teniendo la malla de puntos del local se pueden dibujar las curvas "isolux" o "isoDL", que unen los puntos del mismo valor de iluminancia, para valores fijos cada 50 o 100 lx o cada 2, 5 o 10 DL . Estas curvas, parecidas a las de un plano topográfico, dan una información visual muy buena sobre el reparto de luz en el espacio.


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Figura 4.12.- Software. Rough analysis for ilumination

En general, los sistemas de cálculo de luz natural se pueden clasificar en: métodos de predimensionado, métodos punto por punto y cálculo exacto con la ayuda del ordenador. Aademás existen los sistemas de evaluación mediante modelos a escala.

7.1 Método de predimensionado

El resultado que da es el valor medio de la iluminancia sobre un plano de trabajo situado a poca altura del suelo de un espacio interior. La formulación es la siguiente:

Ei=EeSpas t

Si

u

donde:

Ei

iluminancia interior, en lux

Ee

iluminancia media exterior en un plano horizontal, en lux (Normalmente en los cálculos se toma 10.000 lx por día cubierto de invierno y 100.000 lx por día claro de verano.)

Spas

superficie bruta de paso de la luz para las aberturas, en m2


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v

factor de abertura, o ángulo sólido de cielo visto desde la abertura respecto del ángulo sólido total del cielo (2 ), en tanto por uno (en un plano vertical valdráπ 0.5)

t

factor de transmisión del cerramiento globalmente considerado en tanto por uno (normalmente valdrá por debajo de 0.7)

u

coeficiente de utilización, o relación entre el flujo que llega al plano iluminado y el flujo entrante al local por la abertura, en tanto por uno (valores de 0.2 a 0.65)

Sl

superficie del local, en m2

7.2 Método de cálculo punto por punto

Este método calcula la iluminancia resultante para cada uno de los puntos escogidos, que están formando una malla de metro por metro y para cada una de las aberturas, consideradas como superficies emisoras difusas. Las fórmulas básicas que se aplican son:

E=Icosd2

donde:

E

iluminancia resultante, en lux

I

intensidad que llega al punto, en candelas

α

ángulo con el que llega la luz desde la abertura

d

distancia del centro de la abertura al punto, en m


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I=LSO

donde:

L

iluminancia de la abertura, en cd / m2

SO

superficie de la abertura, en m2

L=

EO

donde:

EO

iluminancia que emerge de la abertura

EO=Ee t

donde:

Ee

iluminancia media exterior en un plano horizontal, en lux

v

factor de abertura, o ángulo sólido celeste visto desde la abertura respecto del ángulo sólido total celeste (2 ), en tanto por unoπ

t

factor global de transmisión del cerramiento en tanto por uno

Existen tablas y ábacos gráficos que permiten el cálculo del factor de abertura y de la iluminancia media exterior en un plano horizontal E,

7.3 Métodos de cálculo con ordenador

Son los que utilizan las potencialidades del cálculo informático para integrar los resultados de la luz que llega a cada punto, procedente, tanto de las aberturas como de las reflexiones interiores. En realidad aplican el sistema del


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punto por punto con todas las reiteraciones necesarias para obtener una gran exactitud.

7.4 Métodos de evaluación con modelos a escala

Otro sistema de evaluación de la luz natural en la arquitectura, con una larga tradición en su utilización es el uso de modelos a escala (maquetas). Son modelos físicos que reproducen en pequeñas dimensiones el edificio que se pretende construir, resultando su utilidad del hecho ya comentado de que los fenómenos radiantes mantienen un comportamiento estable com los cambios de escala del espacio, debido básicamente a la corta longitud de onda de la luz en relación al tamaño de los espacios.

Los modelos a escala permiten evaluar complejas configuraciones y formas espaciales, difíciles de reproducir en modelos informáticos y tienen además la ventaja de que se puede visualizar facilmente el resultado lumínico del espacio que se proyecta. Se utilizan para comprobar su comportamiento lumínico de distintas forma utilizando el cielo real o el artificial

En cualquier caso debemos tener en cuenta que, cualquier sistema de evaluación, sea manual, informática o con modelos a escala, nunca substituirá el correcto planteamiento de un proyecto, que depende sobre todo del enfoque aportado por el diseñador, apoyado en una buena comprensión de los principios físicos y fisiológicos de la luz y de la visión.

REFERENCIAS

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Isalgué Buxeda A. (1995) Física de la llum i el so. Barcelona Edicions UPC

Coch H; Serra R; San Martin R. Arquitectura y control de los elementos (1996) Barcelona Ed. Balmes

Yáñez G; R. Arquitectura solar, aspectos pasivos, bioclimatismo e iluminación natural (1988) Madrid MOPU

W.J. M. van Bommel, G.J. van den Beld: Lighting for Work: Visual and Biological Effects, Philips Lighting, The Netherlands, April 2003.

Lange, H.: Handbuch für Beleuchtung, SLG, LiTG, LTG, NSVV, 5. Auflage (1999).

Berson, D.M., Dunn, F.A., Motoharu, Takao: Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadion clock, Science, February 8, (2002).

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luz arquitectura

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