Indoor light comfort and energy performance for non-residential
building in extreme hot dry climate
Santibáñez-Halphen
Ana-Sofía
Facultad de Arquitectura y Diseño, Universidad Autónoma de
Baja California, Bulevar Benito Juárez S/N, Unidad Universitaria, 21280
Mexicali, Baja California, México
Autor de correspondencia: Santibáñez Halphen Ana
Sofía, Maestría en Arquitectura Urbanismo y Diseño, Universidad Autónoma de
Baja California, Bulevar Benito Juárez S/N, Unidad Universitaria, 21280
Mexicali, Baja California, México. E-mail:
ssantibanez@uabc.edu.mx.
ORCID: 0000-0002-3321-1774.
Recibido: 13 de Febrero del 2021 Aceptado:
17 de Julio del 2021 Publicado: 27 de Agosto del 2021
Palabras
clave: Confort lumínico interior; Factor Luz Día; Desempeño termo-energético;
Clima cálido seco extremoso; Edificio no residencial.
Abstract. - The effects of
daylight in interior spaces have a significant influence on the environment of
the building, but even more, on the well-being of the user. The objective of
this study was to analyze natural lighting and compliance with the range of 300
lux that NOM-025-STPS-2008 establishes as optimal, the same as international
standards consider as a minimum. An environmental and energy diagnosis was carried
out using the Design Builder simulator, a private sector office located in an
extreme dry hot climate was analyzed, five different sky scenarios were
studied: one day with cloudy sky and four representative days with clear skies.
The analysis to identify natural lighting was determined from the Daylight
Factor expressed in lux. Lighting quality deficiencies or excesses were
established from the results of the base case, in addition, another nine
scenarios were simulated with different glazing systems to analyze the effects
on heat gains. The properties of the material that allow a better thermal and
light behavior are those with the lowest coefficient for solar heat gains and
the highest coefficient for visible thermal light. The best glazing system is
found with a double ultra-clear glass, by keeping the lighting only 5% lower
than the base case and decreasing the heat gains per glazing by 18%. The best
thermo-energetic condition was with a simple turquoise-blue tinted glass, since
despite reducing the lighting by 25%, it allowed to comply with the Mexican
standard and reduce heat gains by 55%. It is necessary to continue the study
and modify the window-floor and window-wall ratio, as well as the shape and
location of the opening to establish whether single tinted glass is better than
double glazing systems.
Keywords: Indoor light quality;
Daylight Factor; Energy performance; Extreme hot dry climate; Non-residential
building.
La iluminación natural en la
edificación tiene un efecto positivo a la salud física y mental del usuario [1],
[2]; en el
ámbito laboral, estos beneficios pueden mejorar la productividad del trabajador
al disminuir tensión, ansiedad, síntomas de claustrofobia y mejorar su estado
de ánimo [2], [3], [4].
Distintos estudios [5], [6], [7] destacan el impacto
significativo que el diseño de envolventes tiene en el ambiente interior; sin
embargo, muchos edificios no incorporan medidas que propician un ambiente
iluminado naturalmente [8], por lo que es
necesario considerar sistemas artificiales para lograr una buena calidad de
iluminación.
Actualmente el diseño y
construcción de edificios sustentables [9], tiene entre sus
prioridades disminuir el consumo energético de la edificación [10] por lo que optimizar
las condiciones del espacio al implementar medidas que propicien la iluminación
natural, permitirá un mejor ambiente interior [10],
[11] y, a
su vez, mejorar el desempeño energético del mismo[12].
La literatura enfatiza que los
aspectos que afectan principalmente la calidad de iluminación natural interior
son: el diseño de envolventes y su distribución espacial [5],
[6],
también especifica que se deben de tomar en cuenta factores como la geometría
del espacio[13], reflectancia de muros
y techos[14], tamaño y ubicación de
vanos[15], tipo de
acristalamiento y marcos para ventanas[16],
[17],
sistemas pasivos y activos de sombreado[18], [19], [20], entre otros [21]; destaca que el
adecuado manejo de estos factores resultará en una conexión entre el usuario y
naturaleza [3]. Sin embargo, las
ventanas pueden afectar significativamente el comportamiento térmico del
espacio [22], ya que para algunos
edificios puede representar el 50% del calor a retirar por sistemas de
climatización [23].
Los fundamentos de la Sociedad Americana de Ingenieros de
Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE, por sus siglas en inglés),
detallan tres relaciones principales para la optimización de elementos
traslucidos y opacos en la envolvente, el primero por las propiedades de los
sistemas de acristalamiento, a través de la diferencia de calor causada por la
diferencia de temperatura entre el aire exterior e interior, el intercambio de
radiación solar y la fuga de aire; el segundo, por la relación ventana-muro (V-M),
definido como la relación entre el área de acristalamiento y el área de muro; y
por último, por la relación de área de acristalamiento y el área de suelo (V-S)
[24].
Algunos investigadores
consideran esta relación (V-S) como la clave para la correcta iluminación [2], [25] y la eficiencia
energética[26], [27], ya que si la
iluminación natural es deficiente, se requerirá de iluminación artificial lo
que generará un consumo eléctrico mayor [12], sin embargo, cada
espacio debe analizarse para determinar la mejor posición, configuración y
tamaño de la ventana; los vanos ubicados en la parte superior del muro
incrementan los niveles de iluminación natural, mientras que la forma
rectangular horizontal permiten vistas al exterior, pero, aquellas de forma
rectangular vertical permiten una distribución más uniforme de iluminación
natural en espacios donde el área de suelo es pequeña[28].
Para climas cálido secos,
Shaeri et al., [23] aseveran que en fachadas
norte y sur una relación V-M de 20%-40% permite una buena calidad de
iluminación y mantiene ganancias internas bajas, ya que, si es mayor, el
consumo eléctrico por climatización incrementa exponencialmente. En el caso de
fachadas este y oeste, se recomienda un V-M del 50%; sin embargo, en general, con
una relación V-S mayor al 10% se podrá aprovechar de forma eficiente la luz
natural dentro del espacio, por lo que una relación V-M de 20% será lo ideal para reducir
el consumo energético por ganancias de calor y obtener iluminación natural eficiente,
principalmente en fachada oeste, debido a sus altas ganancias por radiación
solar durante la tarde.
Una de las principales herramientas regulatorias que se
utiliza en México para impulsar la eficiencia energética son las Normas
Oficiales Mexicanas (NOM), ya que son obligatorias y establecen características
técnicas para equipos, materiales y especificaciones para espacios interiores [29], así pues la NOM-024-ENER-2012
establece características térmicas y óptimas para sistemas de acristalamiento
en edificaciones[30]; NOM-030-ENER-2016, para la
eficiencia energética mediante lámparas led [31]; NOM-035-STPS-2018, establece factores
de riesgo psicosocial para propiciar el bienestar del trabajador [32]; y la NOM-025-STPS-2008, establece
requerimientos de iluminación que propician un ambiente saludable para los
trabajadores[33].
Además, hay otras normas para edificación encaminadas a la
sustentabilidad, pero se usan como sistema de evaluación y no de aplicación obligatoria
para diseñar y construir. No obstante se basan en normatividad internacional, principalmente
aquellas emitidas por la Organización Internacional para la Estandarización
(ISO) [34] y la ASHRAE [35], además, el Consejo de la Construcción
Sostenible de los Estados Unidos (USGBC, por sus siglas en inglés) y el IWB,
también juegan un rol importante al definir características que propician la
eficiencia energética, bienestar al usuario y reducción de emisiones de CO2
mediante la Certificación en Energía y Diseño Ambiental (LEED) [36] y la Certificación para el Bienestar
(WELL) [1].
En
espacios interiores, la disponibilidad de luz natural depende de la cantidad de
radiación solar incidente en una superficie dada según su orientación, para
poder determinarla se le atribuyen aspectos como luz directa del sol, luz
directa del cielo y luz reflejada en las superficies aledañas; así pues diversos
autores [37], [38] hacen referencia al Factor Luz Diurna (FLD) cómo un
método eficiente para definir este parámetro ya que describe la iluminación
natural medida en un punto situado normalmente al centro de un plano
determinado.
La
simulación térmica, energética y de iluminación se lleva a cabo por medio de
programas computacionales cada vez más avanzados[39]. El programa Design Builder utiliza el motor de
cálculo de EnergyPlus para evaluar con precisión diversos aspectos que
afectan el desempeño ambiental y termo-energético de los edificios[40]; permite dos tipos de informe de simulación para
iluminación natural, el primero mediante un mapa de luz diurna que expresa los
niveles de luz natural en lux (lx) y FLD. El segundo informe, permite analizar
los datos en una tabla con valores numéricos.
El adecuado uso de iluminación
natural en oficinas es favorable[12] ya que se produce un efecto positivo en la
productividad y bienestar de los empleados[6],
[19], además,
al reducir el uso de iluminación artificial, se logra una eficiencia energética
en las edificaciones [41], [42], [43] lo que puede aumentar
la plusvalía del mismo [8]; sin embargo, tras
revisar la literatura, se encontró que en la mayoría de los casos, se analiza
en términos de iluminación natural sin tomar en cuenta las ganancias térmicas
por acristalamiento. Por otro lado, aquellos estudios que correlacionan las variables
están situados en climas templados o fríos, más no en cálido seco extremosos.
El presente estudio tiene como
objetivo analizar la relación entre la adecuada iluminación natural en el
espacio interior y las repercusiones hacia el desempeño termo-energético de un
edificio no-residencial, situado en un clima cálido seco extremoso, para
establecer así, sistemas de acristalamiento que permitan ganancias de
iluminación natural sin aumentar las ganancias de calor por ventanas.
El análisis de iluminación por
simulación para identificar la calidad de iluminación natural se determina a
partir del FLD y su equivalente en lx. Se busca cumplir el rango de iluminación
que la NOM-025 establece como mínimo de 300 lx, mismo que el USGBC y IWB establecen
como mínimo a cumplir en al menos 55% del área de suelo del espacio. Para el
estudio se simularon nueve escenarios con diferentes sistemas de
acristalamiento, con el fin de analizar los efectos sobre ganancias de calor y poder establecer el escenario óptimo que logre un mejor
desempeño termo-energético y adecuada iluminación natural en el edificio.
Para el estudio se analizó la
correlación entre iluminación natural y consumo energético de la edificación al
cambiar el tipo de acristalamiento, a partir de un caso de estudio ubicado en
Mexicali, Baja California, México en el que se analizó el cumplimiento de
índices de iluminación de acuerdo con las normas mexicanas NOM-024-ENER-2012, NOM-025-STPS-2008, NOM-030-ENER-2016 y
NOM-035-STPS-2018, así como de estándares internacionales WELL, LEED y ASHRAE.
En el
sector no-residencial, existe una gran demanda por modernizar edificios para
reducir su consumo energético, y a su vez, maximizar el uso de luz natural, sobre
todo para aquellos edificios limitados espacialmente en sus remodelaciones (Koh
et al). En
México, es común que edificios de vivienda se transformen en oficinas, lo que
genera espacios de trabajo sin las condiciones necesarias para un ambiente de
calidad, por lo que, una de las soluciones para mejorar la iluminación del
edificio, con el menor costo de inversión es a través de las ventanas del
edificio.
En
climas cálido seco extremoso, las propiedades del vidrio como tipo, color,
espesor y su impacto al ambiente interior del edificio ha sido poco explorada
(Mohamed y Fikryb), por lo que, para el diagnóstico de calidad
de iluminación, se utilizó la herramienta de análisis Design Builder
v.5.4.0 para evaluar diferentes propuestas de sistemas de acristalamiento
(espesor, tono y materiales del vidrio, así como capas del sistema).
Los resultados obtenidos del
simulador se compararon con la normatividad nacional e internacional y se
establecieron deficiencias o excesos de calidad de iluminación en cada uno de
los espacios interiores del caso de estudio. Finalmente, se determinó la
propuesta óptima, que permitió mantener niveles de iluminación adecuados y
disminuir el consumo energético de la edificación.
El
caso de estudio fue un edificio no-residencial usado como oficina del sector
privado. El edificio está emplazado sobre de un terreno de forma rectangular de
284.8 m2, con un área construida de 266.7 m2 y un volumen
de 746.7 m3 dividido en dos niveles. La planta alta (PA) de 135.9 m2
con un volumen de 380.7 m3 y planta baja (PB) de 130.8 m2
con un volumen de 366.3 m3. La fachada principal del edificio está
orientada al norte, mientras que las fachadas este y oeste se encuentra
colindantes a otros edificios como se puede observar en la figura 1.
Figura 1. Fachada principal edificio estudio.
Para el estudio de iluminación
natural y termo-energético, se tomó como base el análisis de espacios con
acristalamiento en fachadas norte y sur, es decir, siete de los 20 espacios. No
se estudió la zona oeste de planta alta, ya que forma parte de otra empresa.
Los espacios analizados en PB se
ubican en fachada norte. Dos de ellos son zonas usadas como oficinas y están
afectadas con aleros que provocan sombreado; la ubicación de estas se muestra
en la figura 2. La zona O1, con 13 m2
y 36m3 de volumen, cuenta con una ventana orientada al oeste;
mientras que la zona O2, con 4 m2 y 11 m3, tiene una
ventana orientada al este. Por último, la zona C1, con 9 m2, volumen
de 25 m3, es utilizada como cafetería y cuenta con una ventana
orientada al norte.
Figura 2. Planta arquitectónica baja.
Los espacios analizados en PA se
encuentran en la fachada norte y sur. Cuenta con vanos que iluminan tres zonas
de oficina y el vestíbulo principal: O3 y O4 con 15 m2 y volumen de
41 m3 ubicados con ventanas orientación sur; O5 con 8 m2 y
volumen de 22 m3 y V1 con 5 m2 y volumen de 13.9 m3
con ventanas en orientación norte; su distribución se muestra en la figura 3.
Figura 3.
Planta arquitectónica alta.
La programación de parámetros
de simulación fue obtenida a partir del proyecto arquitectónico, por
levantamiento físico del caso de estudio y monitoreo ambiental, los cuales se muestran en la tabla 1. Dicha tabla, describe
los sistemas constructivos de la envolvente y su interior, la configuración del
sistema de aire acondicionado necesario para el periodo de verano, las
ganancias térmicas por ocupación, equipos electrónicos e iluminación artificial
y, por último, se establece el rango iluminación óptimo recomendado para el
tipo de edificio analizado.
Para el estudio se realizó la programación de las condiciones
climáticas en el simulador, mediante el archivo tipo EPW (Energy Plus Weather) de
la estación climática No.747185, ubicada a una latitud 32.8N y longitud 115.66O
al ser la más cercana al caso de estudio, obtenida a partir de Climate Consultant 6.0,
la cual registra una temperatura de bulbo seco (TBS) promedio de 22.95°C,
máxima de 47.1°C y mínima de -1.1°C. La radiación global horizontal máxima
promedio anual de 751 W/m2.
Después, se programaron las características de la envolvente,
cargas internas, de climatización e iluminación natural descritos en la tabla
1.
Para la simulación
base, se estableció el caso real de acristalamiento con vidrio claro de 6 mm, además, se realizaron
nueve simulaciones con diferentes tipos de vidrio con características distintas
de transmitancia solar, transmitancia de luz visible y valor U, variables que
afectan de manera directa en los resultados del simulador, ya que los efectos
derivadas de las ganancias solares por el tipo de acristalamiento, afectan la
calidad de iluminación y su respectivo incremento o decremento de iluminación artificial.
Por otro lado, se evaluaron las ganancias térmicas del espacio y su incremento
o reducción de capacidad de climatización artificial.
Finalmente, con los
resultados de simulación se determinó el acristalamiento con el mejor desempeño
energético en la edificación que permitió cumplir con las normas mexicanas e
internacionales; en la figura 4 se muestra el esquema metodológico seguido para
la simulación para estimar el confort lumínico sin comprometer el desempeño
energético del edificio.
Figura 4. Esquema metodológico general para el estudio.
Tabla 1. Sistemas constructivos, cargas internas, sistemas de climatización y parámetros de iluminación del edificio.
|
Parámetro |
Descripción |
Unidad |
|
|
Sistema
constructivo |
Piso |
Concreto armado de 0.10m, loseta cerámica rectificada |
198.8 m² |
|
Emisividad:
0.90 ⁽¹⁾ |
|||
|
Absortancia:
0.60 ⁽¹⁾ |
|||
|
Valor U:
2.68 W/m²-K |
|||
|
Cubierta |
0.003m pintura elastomérica exterior, vigueta y bovedilla de 0.17m |
198.8 m² |
|
|
Emisividad:
0.90 ⁽¹⁾ |
|||
|
Absortancia:
0.30 ⁽¹⁾ |
|||
|
Valor U:
0.84 W/m²-K |
|||
|
Plafón |
Rígido, tablaroca y yeso de 0.015 m |
174.0 m² |
|
|
Emisividad:
0.77 ⁽²⁾ |
|||
|
Absortancia:
0.23 ⁽²⁾ |
|||
|
Valor U:
0.43 W/m²-K |
|||
|
Muros perimetrales |
Mortero cemento arena 0.015, bloque de concreto de 0.20m x 0.40m x
0.15m y yeso de 0.015 |
223.2 m² |
|
|
Emisividad:
0.82 ⁽¹⁾ |
|||
|
Absortancia:
0.18 ⁽¹⁾ |
|||
|
Valor U:
2.3 W/m²-K |
|||
|
Muros interiores |
Yeso 0.015m, cartón de yeso de 0.013m, fibra en rollo de 0.12m, Yeso
0.015m |
266.8 m² |
|
|
Emisividad:
0.82 ⁽¹⁾ |
|||
|
Absortancia:
0.18 ⁽¹⁾ |
|||
|
Valor U:
0.63 W/m²-K |
|||
|
Ventanas perimetrales |
Marquetería de aluminio, vidrio claro 6 mm |
10.9 m² |
|
|
Transmisión
solar: 0.82 |
|||
|
Transmisión
de luz: 0.85 |
|||
|
Valor U:
5.8 W/m²-K |
|||
|
Porcentaje de apertura |
0.50 |
||
|
Ventanas interiores |
Marquetería de aluminio, vidrio claro 6 mm |
17.2 m² |
|
|
Transmisión
solar: 0.82 |
|||
|
Transmisión
de luz: 0.85 |
|||
|
Valor U:
5.8 W/m²-K |
|||
|
Puertas exteriores |
Madera |
6.5 m² |
|
|
Puertas interiores |
Tipo tambor |
29 m² |
|
|
Cargas
internas |
Ocupación |
Densidad |
0.17
persona/m² |
|
Tasa metabólica |
119
W/persona |
||
|
Factor metabólico |
0.93 met |
||
|
Vestimenta |
Verano
(0.50 clo) |
||
|
Invierno
(1.00 clo) |
|||
|
Equipo electrónico |
Potencia absoluta de zona |
66.99
W/m² |
|
|
Fracción radiante |
0.2 |
||
|
Iluminación artificial |
Potencia absoluta |
2.26 W/m² |
|
|
Fracción radiante |
0.37 |
||
|
Fracción visible |
0.18 |
||
|
Fracción convección |
0.45 |
||
|
Sistema
de climatización |
Equipo de aire acondicionado de paquete |
SEER |
Planta baja: 15
Planta alta:15 |
|
Toneladas |
Planta
baja: 5 ton (6,000 btu)
Planta alta: 3 ton (3,600 btu) |
||
|
Consigna de temperatura |
9am-9pm:24°C, < 9am:28°C, > 9pm:28°C |
||
|
Equipo de aire acondicionado tipo mini-split |
SEER |
Oficina A
Planta baja: 16 |
|
|
Toneladas |
2 (2400
btu) |
||
|
Consigna de temperatura |
2pm-4pm:
24°C |
||
|
Iluminación
natural |
Programación |
Límite inferior áreas de trabajo |
300 lux |
|
Límite inferior áreas de servicio |
200 lux |
||
|
Deslumbramiento |
900 lux |
||
|
Altura de plano de trabajo |
0.75 m |
||
|
Anotaciones:
⁽¹⁾ Valor para superficie exterior. ⁽²⁾Valor para superficie interiores. |
|||
Para el
estudio del FLD, se buscó que la calidad de iluminación de los espacios
estuviera entre los 300 lx y 900 lx en un plano de trabajo a 0.75m.
Con la
intención de conocer el comportamiento lumínico de la edificación en distintos
escenarios, se evaluaron cuatro condiciones de cielo claro (CIE claro), a las
12 horas del día. El estudio se realizó para el 21 de marzo con una altitud solar
de 57° y una iluminancia global de cielo de 91,169 lx, 21 de junio con una altitud
solar de 81° e iluminancia global de 10,737 lx, el 21 de septiembre a una altitud
solar de 58° e iluminancia global de 88,917 lx y el 21 de diciembre con altitud
solar de 34° con una iluminancia global de cielo de 34,070 lx.
Finalmente, se evaluó un día de
cielo nublado (CIE nublado) con iluminancia global horizontal de cielo de
34,324 lx, que representa el día promedio mínimo de iluminancia de cielo para
día nublado para el clima analizado.
El análisis de acristalamiento
se realizó con 10 sistemas distintos. El caso base, corresponde a las
condiciones reales del edificio: vidrio claro de 6 mm (S-SC) en todos los vanos
acristalados. Se continuó con el análisis de cuatro casos de vidrios sencillos,
de los cuales tres cuentan con un espesor de 6 mm y uno de 9.5mm; por último,
se analizaron cinco sistemas con doble acristalamiento de 25 mm de espesor, cuatro
de ellos cuentan con dos vidrios de 6 mm separados por espacio de aire y uno
más, también con dos vidrios de 6 mm, pero separado por espacio con gas argón.
La
selección de tinte, recubrimiento, propiedades de transmisividad y valor U de
los sistemas de acristalamiento, se basó en la literatura revisada y fichas
técnicas de vidrios [44] comercializados en la industria mexicana.
Entre las muestras de vidrio
sencillo se encuentran: vidrio de tinte azul turquesa (S-AZ), tinte gris medio
(S-FS), tinte azul ligero y tenue (S-OB) y vidrio tinte azul cielo brillante
(S-SB). De la misma manera, la muestra de sistemas doble acristalamiento se
compone de: D-SP con doble vidrio ultra claro, D-SBSC con un vidrio S-SB y uno S-SC,
D-AZSC que incluye un vidrio S-AZ y uno S-SC, D-S7 conformado por dos vidrios
Low-E claro con recubrimiento de triple plata pulverizado y, por último, D-AC
de doble vidrio Low-E claro con bajo contenido en hierro.
Las propiedades de cada sistema
mostradas en la tabla 2, se obtuvieron de la ficha técnica del fabricante del
vidrio, información importante para el simulador como: transmitancia, para
establecer el porcentaje de radiación incidente transmitida en el material;
reflectancia para el porcentaje de radiación incidente reflejada; el
coeficiente global de transferencia de calor (U), para establecer la densidad
de transferencia de calor por diferencia de temperatura entre ambientes; el
coeficiente visible térmico (LSG), que estableció la razón entre la
transmitancia visible y U del sistema de acristalamiento; y por último, el coeficiente
de ganancia de calor solar (CGCS), para establecer la ganancia de calor que
entra a través de un sistema por radiación solar incidente [30].
Tabla 2. Propiedades de sistemas de acristalamiento simulados.
|
CÓDI-GO |
TIPO |
TRANSMI- |
REFLEC-TANCIA
(%) |
U (W/m²K) |
CGCS |
LSG |
|
S-SC |
Vidrio claro 6 mm |
85% |
8% |
5.82 |
0.82 |
1.08 |
|
S-SB |
Vidrio azul cielo brillante 9.5 mm |
41% |
5% |
5.69 |
0.51 |
0.8 |
|
S-OB |
Vidrio tinte azul tenue y neutral 6 mm |
64% |
6% |
5.47 |
0.74 |
0.87 |
|
S-FS |
Vidrio gris medio 6 mm |
45% |
5% |
5.82 |
0.59 |
0.76 |
|
S-AZ |
Vidrio azul turquesa 6 mm |
68% |
7% |
5.82 |
0.52 |
1.31 |
|
D-SP |
Low-E: Vidrio claro 6mm + aire 13 mm + claro 6mm |
80% |
14% |
1.82 |
0.73 |
1.1 |
|
D-SBSC |
Vidrio tinte azul cielo brillante 6mm + aire 13 mm + claro 6mm |
50% |
9% |
0.66 |
0.49 |
1.02 |
|
D-S7 |
Low-E con recubrimiento triple plata: Vidrio ultra claro 6mm + argón 13
mm + ultra claro 6mm |
64% |
13% |
1.58 |
0.27 |
2.37 |
|
D-AZSC |
Vidrio tinte azul turquesa 6mm + aire 13 mm + claro 6mm |
61% |
11% |
2.66 |
0.39 |
1.56 |
|
D-AC |
Vidrio bajo contenido en hierro: Claro 6mm + aire 13 mm + claro 6mm |
53% |
12% |
1.34 |
0.23 |
2.22 |
|
Fuente: Vitro Vidrio Arquitectónico [44]. Transmitancia
y reflectancia, referente a luz visible. |
||||||
|
U: Coeficiente
global de transferencia de calor. |
||||||
|
CGCS:
Coeficiente de ganancia de calor solar. |
||||||
|
LSG:
Coeficiente visible térmico. |
||||||
La iluminación natural en un
edificio está condicionada por el diseño de elementos traslucidos presentes en
la envolvente. Cuando la iluminación natural es el principal método de
iluminación interior, se debe prestar especial atención en la ubicación y diseño
de ventanas, aunque el valor óptimo para equilibrar la iluminancia y ganancia
de calor solar, se logrará al analizar el caso específico mediante las
propiedades térmicas del material, así como la correcta selección de elementos
de sombreado [24].
En términos generales, se
encontró que el edificio tiene problemas de iluminación mayores en fachada sur
que en fachada norte ya que al comparar la relación V-S y V-M con la
investigación de Shaeri, et al., se encontró que las zonas O3 y O4 tienen una
relación V-S menor al 10% recomendado, como se puede observar en la tabla 3; sin
embargo, a pesar de que fachada norte tiene mejor iluminación natural, solo dos
zonas están cercanas al 20% de relación V-M que Shaeri, et al. recomiendan para
iluminación óptima.
Así pues, se encuentra iluminación
óptima en V1 con V-M de 26% y V-S de 24%, y O2 con un V-M de 18% y V-S de 24%,
lo que representa que la relación V-M no es el único factor para obtener
condiciones de confort lumínico natural en espacios, sino que, la relación V-S
también es un factor importante al analizar la situación particular de cada zona.
Tabla 3. relación vano-suelo, vano-muro e iluminación
promedio por zona analizada.
|
ZONA |
ÁREA (m²) |
RELACIÓN DE ÁREAS (%) |
ILUMINACIÓN PROMEDIO (lux 12:00pm) |
FLD PROMEDIO (%) |
ÁREA DE
SUELO DENTRO DE LÍMITES (%) |
||||||||||||
|
Sa |
Mb |
Vc |
V-Md |
V-Se |
21-mar |
21-jun |
21-dic |
Nubf |
21-mar |
21-jun |
21-dic |
Nubf |
21-mar |
21-jun |
21-dic |
Nubf |
|
|
C1 (Norte) |
10.5 |
10.7 |
1.0 |
9% |
10% |
300 |
458 |
221 |
435 |
2.6 |
2.6 |
2.3 |
2.2 |
17% |
41% |
5% |
25% |
|
O1 (Oeste) |
15 |
13.7 |
1.6 |
12% |
11% |
373 |
475 |
250 |
189 |
2.7 |
2.5 |
2.2 |
1.0 |
26% |
41% |
12% |
2% |
|
O2 (Este) |
5.5 |
7.5 |
1.3 |
18% |
24% |
424 |
577 |
312 |
155 |
4.8 |
4.5 |
4.0 |
1.1 |
99% |
100% |
49% |
0% |
|
O3 (Sur) |
17.3 |
10.6 |
1.0 |
9% |
6% |
643 |
643 |
824 |
337 |
1.2 |
1.2 |
1.8 |
0.6 |
5% |
5% |
9% |
2% |
|
O4 (Sur) |
16.4 |
11.2 |
1.0 |
9% |
6% |
482 |
482 |
765 |
258 |
1.0 |
1.0 |
1.7 |
0.5 |
5% |
5% |
10% |
1% |
|
O5 (Norte) |
10 |
14.6 |
1.7 |
11% |
17% |
607 |
607 |
472 |
321 |
5.4 |
5.4 |
4.5 |
2.2 |
52% |
52% |
43% |
32% |
|
V1 (Norte) |
5.9 |
5.5 |
1.4 |
26% |
24% |
532 |
532 |
415 |
288 |
5.7 |
5.7 |
4.5 |
2.2 |
89% |
89% |
66% |
27% |
|
PROMEDIO
DE TODAS LAS ZONAS |
480 |
539 |
466 |
283 |
3.3 |
3.3 |
3.0 |
1.4 |
42% |
48% |
28% |
13% |
|||||
|
Anotaciones:
⁽a⁾ S: Suelo (b) M: Muro (c) V: Ventana.
⁽d⁾ V-M: Ventana -Muro ⁽e⁾ V-S: Ventana-Suelo. ⁽f⁾ Nub: Cielo nublado |
|||||||||||||||||
En los días analizados, todas
las zonas superan los 300 lx, a excepción del día nublado, en el que O1, O2 y
O4 no cumplen con la NOM-025, ya que sus valores promedio
por zona son menores; sin embargo, para el resto de las zonas, superar el
límite establecido por la norma mexicana, no representa que la iluminación
natural es óptima para el área de trabajo, ya que el porcentaje de área de
suelo iluminado es menor al 55% que establece el estándar internacional de la
USGBC, para el diseño de luz natural en espacios interiores.
Al comparar la relación V-M y
V-S de cada zona, se encontró que la mayor afectación está en O3 y O4, ya que
el porcentaje de área iluminada es menor al 10%, como se aprecia en la tabla 3.
Sin embargo, se encontraron otras dos zonas con valores cercanos en su
relación: O1, con V-M de 12% y V-S de 11% que permite iluminación óptima entre
el 2% y 41% de suelo en el peor y mejor escenario de cielo; y por último, la
zona C1 con un V-M de 9% y V-S de 10% permite el 5% de área iluminada de suelo en
el día crítico y 41% para el mejor caso de cielo, ligeramente más área de suelo
iluminada que en O1 a pesar de que los valores de V-M y V-S de C1 son menores.
Esto indica que además de la proporción de la ventana en el espacio, otros
factores como orientación y elementos de sombreado son importantes para
analizar la iluminancia natural en el espacio.
Las zonas mejor iluminadas son
O2 y C1, que además de tener mayor V-M, comparten la característica de un vano
centrado al muro. V1 con V-M de 26% logra iluminar entre 27% y 89% de área de
suelo durante los casos analizados y O2, con una relación V-M de 18% logró
iluminar 49% del área de suelo, en el caso del 21 de diciembre y 99% y 100%
para los casos de 21 de marzo y 21 de junio.
Para el resto de las zonas con
V-S mayor a 10%, la iluminación natural se aprovecha, pero no es suficiente
para cumplir con el estándar internacional. Además, la iluminación es peor en
aquellas en que el vano está situado a un extremo del muro, como en el caso de O1,
O3 y O4; en la figura 5 se observa las variaciones del porcentaje de área
iluminada de cada zona, según las distintas simulaciones de cielo.
Figura 5. Porcentaje de área por zona, con iluminación natural mayor 300 lux.
La
selección del mejor y peor comportamiento corresponde con el promedio de
iluminancia global exterior, pues este se reflejó en la iluminación de las zonas
analizadas; tal fue el caso del 21 de junio con 539 lx promedio, después el 21 de
marzo con 480 lx promedio, que representa 12% menos que el solsticio de verano,
posteriormente el 21 de septiembre con 11% menos iluminación, y en el último
lugar de análisis de cielo claro, se encontró el 21 de diciembre con un
promedio de 465 lx que representa una pérdida de 16% de iluminación conforme al
mejor caso.
Finalmente, el peor escenario
de diseño fue del cielo nublado, ya que se encontró con 63% menos iluminación
contra la simulación del 21 de junio.
Cabe
destacar que el caso del 21 de septiembre quedó fuera del análisis específico
ya que la diferencia de resultados por zona fue menor a 1% en comparación al
cielo del 21 de marzo. Además, aunque el mejor caso de estudio se encontró el
21 de junio, se eligió como caso promedio para comparar los distintos sistemas
de acristalamiento, a aquel más cercano al promedio anual de la iluminancia
global otorgada por la estación climática No.747185, que corresponde al 21 de marzo.
A continuación, se discuten los
resultados para cada uno de los cielos de diseño para la evaluación del caso de
estudio.
Los resultados de simulación de
cielo nublado representan las condiciones críticas de iluminación natural en el
edificio analizado, ya que solo en el 8% del área total de las zonas superan la
calidad de iluminación establecida en la NOM-025-STPS-2008, pero no logran cumplir con el
estándar internacional de la USGBC.
En general, las ventanas con
orientación norte permiten mejor iluminación natural, ya que a pesar de tener
diferencias en su relación V-M, tienen un V-S igual o mayor al 10% en
comparación a aquellas en orientación sur, en donde su relación V-S es de 6%;
menor a lo establecido por Shaeri et al. (2019) como suficiente para aprovechar
la iluminación natural.
En la fachada principal, las
zonas con mejor iluminación son, O5 con 27% de área de suelo iluminada con un
V-M de 17%; V1, 27% de área de suelo iluminada con un V-M de 24%; y C1, 25% de
iluminación de suelo con un V-M de 10%; cabe recalcar que la iluminación es
deficiente para áreas de trabajo pues es menor al 55% del estándar
internacional; el porcentaje específico por zona se puede observar en la figura
5.
Las dos últimas zonas ubicadas
en fachada principal, O1 y O2 están remetidas en la edificación, lo que resulta
en iluminación deficiente debido a elementos que sombrean los vanos de cada
zona. La que mayor afectación tiene es la O2 al lograr un promedio de
iluminación 155 lx; cabe destacar que su relación V-M es de 18%, ligeramente
por debajo del 20% recomendado por Shaeri et al. (2019), sin embargo, el entrepiso
es un elemento de sombreado amplio y no permite una mejor condición de
iluminación a pesar de tener un vano centrado a muro. En la figura 6, se puede
visualizar la distribución de iluminación natural en las zonas analizadas de
planta baja.
Figura 6. Distribución de iluminación natural para día nublado en planta baja.
Finalmente, para la fachada
sur, la zona O3 se podría beneficiar de iluminación natural en un día nublado
si el V-M fuera mayor al 9% que tiene actualmente, pues permitiría un mayor
porcentaje de suelo iluminado, ya que esta zona generó un promedio de 337 lx,
ligeramente por arriba de lo que la norma mexicana establece. En la figura 7 se
puede observar la distribución de iluminación natural en las diferentes zonas
de caso de estudio en planta alta.
Figura 7. Distribución de iluminación natural para día nublado en planta alta.
A partir del estudio de cielo
claro para los solsticios y equinoccios se conocen condiciones de iluminación
natural bajo diferentes periodos estacionales. A continuación, se describen los
resultados de iluminación natural para cielo claro en los días 21 de marzo, 21
de junio y 21 de diciembre.
Los resultados de simulación
para el 21 de marzo muestran que las zonas con mayor beneficio son aquellas con
relación V-M mayor; de las cuales la zona con mejor iluminación fue la O2 con
un promedio de 424 lx en 99% de área. Cabe destacar que el espacio no recibe
radiación solar directa debido al entrepiso que sombrea la ventana, pero la
forma rectangular vertical de vano y un V-M de 24%, permitió aprovechar la
altura del espacio para distribuir la iluminación de manera uniforme y alcanza
a iluminar a mayores profundidades el espacio.
La zona O1 cuenta un promedio
de 373 lx, esto es 13% menos iluminación que el espacio O2 a pesar de compartir
características similares respecto a su ubicación en la distribución del
edificio; mientras el vano de O2 se sitúa en el muro este y O1 en el muro oeste,
su diferencia más importante se encuentra en la relación V-S, así como la
ubicación y forma de la ventana, ya que O1 tiene un vano rectangular horizontal
situada en un extremo del muro con 13% menos V-S que O2.
La calidad de iluminación en
los espacios de la planta alta es mejor debido a que tienen mayor V-S que en
planta baja. Así pues, el 89% del área de suelo iluminada en V1 tiene un
promedio de 532 lx y el 52% del área del suelo de O5, se ilumina con 607 lx. Cabe
destacar que la zona V1 cuenta con el techo del cubo de escaleras que genera un
área de sombreado mayor que evita el deslumbramiento, a diferencia de la
ventana en la zona O5, en donde el volado de cubierta es más corto y la
iluminación máxima de este espacio sobrepasa el límite de iluminación.
Finalmente, en los casos O3 y
O4 se encuentran los promedios de iluminación más altos de todas las zonas, sin
embargo, con los porcentajes de área de suelo iluminado más bajos; ya que con
482 lx y 607 lx respectivamente, solo el 5% del área de suelo se ilumina, esto
debido a una baja relación V-M.
El mejor escenario para
iluminación natural es el 21 de junio al tener mayor iluminancia global. Los
siete espacios reciben un total de 3,773 lx, lo que incrementó la iluminación
natural en un 63% respecto al cielo nublado (caso crítico).
En el solsticio de verano todas
las zonas superan los 300 lx, con los niveles más altos en la O3 con 646 lx y,
O5 con 607 lx, sin embargo, a pesar de tener los niveles más altos de
iluminación, no genera una condición favorable para la calidad de ambiente
lumínico al tener V-M con valores bajos.
En el caso de O4 (fachada sur),
la ventana cuenta con un elemento que sombrea al vano y obstruye el paso
directo de los rayos del sol, sin embargo, permite una iluminación de 482 lx en
el espacio. Los espacios O1 y C1, tienen iluminación natural dentro del rango
establecido en el 41% del área de suelo de acuerdo.
En el solsticio de invierno se
disminuye la iluminación natural en los espacios a 28% del total de área
analizado. Se encuentran dos zonas que no cumplen con la norma mexicana: C1 con
calidad de iluminación promedio de 221 lx y la zona O1, con 250 lx promedio.
Las zonas con mejor iluminación
se ubican en planta alta con orientación norte. El único espacio que logra
cumplir con la especificación nacional e internacional fue V1 con 66% del área
iluminada por 415 lx promedio. Después se encuentra el espacio O5 que cumple
con la norma nacional al iluminarse con 472 lx, pero no con la recomendación de
la USGBC pues solo el 43% del área de suelo tiene iluminación óptima.
Las zonas con peor iluminación
se encuentran en O3 y O4 ya que a pesar de tener una iluminancia promedio por
zona de 824 lx, esta solo se presenta en 9% para O3 y 10% para O4, lo que
validaría el estudio de Shaeri et al. (2019) para el solsticio de invierno.
La calidad y cantidad de luz
natural en ambientes interiores está condicionada por las características de la
envolvente del edificio, pero principalmente por las propiedades ópticas de la
superficie del material de las ventanas. Existen en el mercado una gran
cantidad de sistemas de acristalamiento que varían en su espesor y color, e incluso
recubren el material por metales con el fin de aumentar el valor U o disminuir
el CGCS.
En
términos generales, el sistema de acristalamiento S-SC, tiene un total promedio
de 481 lx, posicionándolo como el mejor sistema de acristalamiento para
iluminación natural en el caso de cielo claro del 21 de marzo.
A
partir del análisis por simulación se encontró que al comparar los nueve
sistemas de acristalamientos con el caso base, la iluminación natural
disminuye; además, solo seis permiten buena iluminación natural al sobrepasar
los 300 lx en las zonas. Esto establece que la calidad de iluminación natural
en el espacio no se puede mejorar al cambiar las propiedades físicas del
material, sino que es necesario realizar cambios en la envolvente del edificio
para mejorar la relación V-M y V-S de cada espacio.
La
mejor iluminación en los nueve sistemas de acristalamiento comparados fue con
el vidrio ultra claro S-AZ, ya que permitió un promedio total de 373 lx, lo que
representa solo 22% menos que caso base.
En
segundo lugar, está al vidrio D-AC al permitir 361 lx promedio, que representa
una pérdida de 25% de iluminación en las zonas; después, el vidrio S-OB y
D-SBSC pues ambos iluminaron en promedio 26% menos que el caso base, al
resultar en 357 lx cada uno. Por último, el sistema de acristalamiento con
vidrio de 9 mm de espesor, S-SB permitió un promedio de 307 lx en las zonas
analizadas (40% menos que caso base).
Una vez
comparados los diferentes sistemas de acristalamiento por zona, se encontró que
el color de vidrio con menos perdidas de iluminación fue con tinte azul (S-AZ y
S-OB). De esta manera se comprueba que la combinación de propiedades térmicas
como transmitancia solar y mayor CGCS brindarán una mejor iluminación natural al
espacio.
Además,
los sistemas de acristalamiento de vidrio sencillo permiten mejor iluminación
contra los dobles tal como se puede observar en la figura 8, así pues, los
únicos sistemas de acristalamiento que quedaron con zonas por debajo de los 300
lx establecidos, son D-S7SC que permitió en O5 un promedio de iluminación de
297 lx (61% menos que el caso base), D-AZSC con las zonas V1 y O5 con 275 lx y
296 lx cada espacio (60% menos que S-SC), y por último, S-FS con las zonas V1
en 282 lx (69% menos que S-SC), O4 con 258 lx promedio (71 % menos) y O5 con
285 lx (74% menos).
En
síntesis, el cambio de sistema de acristalamiento de vidrio doble a vidrio
sencillo ayuda a evitar el deslumbramiento en espacios ya que disminuye las
ganancias solares, pero es importante seleccionar el vidrio adecuado para permitir
mejores condiciones de iluminación en zonas con vanos pequeños.
Figura 8. Iluminancia por zona, con diferentes tipos de vidrios.
La relación entre elementos
traslucidos y opacos de la envolvente es la característica que más afecta en la
eficiencia energética de ventanas. Un valor alto de LSG puede maximizar la
iluminancia en el espacio y reducir las ganancias de calor solar; sin embargo,
el mejor rendimiento se encontrará en aquel sistema de acristalamiento que
reduzca las ganancias de calor por acristalamiento, pero no comprometa la
iluminación natural del espacio por debajo de lo estipulado en la NOM-025. Una
regla general propuesta por la ASHRAE [24] para el diseño de
iluminación natural, es seleccionar acristalamientos con menores ganancias por
radiación solar, sin embargo para minimizar las ganancias de calor y aprovechar
la luz natural, se recomienda usar aquellos productos con transmitancia al
menos 3 veces mayor que el CGCS.
Al analizar las ganancias
mensuales por sistemas de acristalamiento para el caso de estudio, se obtiene
que el peor comportamiento térmico lo tiene el vidrio base S-SC, ya que anualmente
aporta al consumo energético 2,181 kWh.
Tras comparar los resultados
por ganancias de los diferentes sistemas de acristalamiento los cuales se
pueden observar en la figura 9, se observó que las propiedades del material que
tienen el mejor comportamiento térmico son aquellos con menor CGCS y mayor LSG.
Dicho así, los vidrios con mejor comportamiento térmico comparados en el caso
base son los vidrios claros Low-E, ya que D-S7SC disminuye ganancias en 84% y
D-AC en 79%, después aquellos con tinte azul turquesa, pues D-AZSC disminuye en
64% y S-AZ, 55% menos ganancias de calor. Por último, el tinte azul cielo
brillante D-SBSC, reduce a 50% las ganancias térmicas.
Después, aquellos sistemas de
acristalamiento sencillo con vidrio tintado, S-FS de tinte gris, reduce 49% de
ganancias de calor; S-SB con tinte azul cielo brillante, reducen 40%, D-SP con
vidrio ultra claro, reducen a 18% a pesar de ser un vidrio Low-E; y, por
último, el vidrio con peor comportamiento, fue el sencillo tinte azul ligero
S-OB al reducir solo en 14% la aportación de calor por ventanas.
Figura 9. Ganancia térmica mensual, con diferentes tipos de vidrio en la envolvente.
No obstante, la propiedad U del
material fue de apoyo para los sistemas de acristalamiento con menor CGCS, pero
no suficiente para contrarrestar un alto LSG; tal fue el caso del sistema de
acristalamiento D-SBSC que disminuyó en 50% la aportación de calor a pesar de
tener el coeficiente U de valor más bajo (0.66), pero con valores de CGCS de
0.49 y LSG con valor de 1.02 que los posicionan a la media de la lista del resto
de los valores.
Así pues, los sistemas de
acristalamiento con minerales en su composición tienen mayores beneficios
térmicos. Los resultados de la simulación arrojan un beneficio de hasta 6.4
veces menos ganancias térmicas con un vidrio recubrimiento triple plata (S7SC),
respecto al caso base con vidrio claro. Otro de los vidrios con ventajas
térmicas es el vidrio con bajo contenido de hierro (D-AC), el cual disminuye
las ganancias térmicas, respecto al caso base en 4.7 veces.
Cabe recalcar, que las
propiedades de transmitancia sobre CGCS de D-S7SC, es 2.4 veces mayor y las de
D-AC 2.3 veces mayor, lo que representa que la recomendación de ASHRAE sobre
propiedades de vidrio que funcionan para este tipo de clima, ya que a mayor
transmitancia sobre CGCS, disminuye la ganancia de calor.
Por último, aquellos sistemas
de acristalamiento que permitieron buena calidad de iluminación y menor
aportación de calor fueron: S-AZ con 1.3 veces mayor
transmitancia solar que CGSC, al aportar 373 lx anual y ganancia total anual de 980 kWh (55% menos
que el caso base) y D-AC con 2.3 veces mayor transmitancia solar sobre CGCS,
aporta 361 lx y disminuye 79% las aportaciones de calor en el espacio (a 457
kWh anual); los resultados específicos de cada sistema de
acristalamiento y su correlación de iluminación natural y consumo energético,
se puede observar en la figura 10.
Figura
10.
Relación de desempeño lumínico y térmico del edificio.
Además, se comparó el consumo de una semana de
simulación contra los datos reales de cada espacio para determinar el
porcentaje de diferencia entre conjunto de datos, y obtener así, un modelo
energético que cumpla con los criterios propuestos por ASHRAE, (2017), mostrados
en la
Tabla 1.
El resumen de la calibración
entre los datos alimentados al simulador de iluminación, equipos y usuarios arrojó
una diferencia de 1.8% más de carga por iluminación, es decir 0.30 kW; 0.2% más
carga eléctrica por equipamiento (0.21 kW) y 0.6% menos aportación de calor por
ocupación (0.1 kW), estos datos se pueden observar en la ¡Error!
No se encuentra el origen de la referencia..
De esta manera se valida el
estudio respecto al desempeño termo-energético del edificio, así como los
distintos tipos de acristalamiento.
Tabla
4.
Calibración cargas internas mediante técnica de validación empírica
|
POTENCIA |
Iluminación General |
Equipo eléctrico |
Ocupación |
|||||||
|
SIM |
LEV.
FIS. |
DIF. |
SIM |
LEV.
FIS. |
DIF. |
SIM |
LEV.
FIS. |
DIF. |
||
|
PLANTA
BAJA |
kW |
8.5 |
8.2 |
0.3 |
54.3 |
54.1 |
0.2 |
7.7 |
7.7 |
- 0.1 |
|
% |
104% |
100% |
3.8% |
100% |
100% |
0.3% |
99% |
100% |
-0.8% |
|
|
PLANTA
ALTA |
kW |
2.6 |
2.6 |
0.0 |
34.1 |
34.1 |
0.0 |
3.9 |
3.9 |
0.0 |
|
% |
100% |
100% |
-0.1% |
100% |
100% |
0.1% |
100% |
100% |
-0.3% |
|
|
EDIFICIO
COMPLETO |
kW |
11.11 |
10.81 |
0.3 |
88.41 |
88.20 |
0.2 |
11.51 |
11.59 |
- 0.1 |
|
% |
102% |
100% |
1.8% |
100% |
100% |
0.2% |
99% |
100% |
-0.6% |
|
|
SIM:
Datos por simulación, LEV.FIS: Datos por levantamiento físico, DIF:
Diferencia entre datos simulados y LEV.FIS |
||||||||||
Los cambios de la posición del
sol en los días analizados tienen un efecto positivo mayor sobre la fachada
norte ya que a mayor altitud y radiación solar, la iluminación de los espacios
es mayor, sin embargo, una menor altitud beneficia a las ventanas en la fachada
sur.
Las zonas más afectadas se
encuentran situadas en la fachada sur, ya que son los espacios con menor
relación de V-M y V-S, estos solo iluminan entre el 5% y 10% de área de suelo
para las 3 posiciones solares analizadas; lo que concuerda que para esta
orientación el estudio de Shaeri et al. (2019) se puede aplicar en esta
ubicación geográfica.
Las zonas ubicadas en fachada
norte tienen mayores beneficios principalmente por la radiación solar
indirecta, sin embargo, la relación de V-M de las zonas mejor iluminada es
complementada por la relación V-S de dichos espacios, esto representa que el
20% de V-M establecido por Shaeri et al. (2019), es solo un factor que
proporciona iluminación óptima, y que la forma y posición de la ventana tiene
un efecto directo para que la relación V-S, sea otro factor que influye al
analizar el espacio.
La zona V1 es la mejor
iluminada al cumplir con la norma mexicana y los estándares internacionales
durante los días de cielo claro, su relación V-M y V-S es mayor al 20%, lo que
establece una relación con el estudio de Shaeri, et al. (2019), sin embargo, hay
otras zonas con iluminación óptima que tienen su vano posicionado al centro del
muro sin importar la relación V-M.
Las zonas O2, O3, O4, O5
cumplen con la norma mexicana, al tener un promedio entre el rango de 300 lx a
900 lx, sin embargo, su relación V-M y V-S no permiten que cumpla con los
estándares internacionales en todos los casos.
La forma rectangular vertical
es mejor para aquellas zonas en las que el área de suelo tiene más profundidad,
aquellas con rectangular horizontal son mejores para espacios más anchos que
profundos, sin embargo, para vanos con dimensiones pequeñas (con relación V-M
menor) la posición centrada a muro permite una iluminación del espacio más
uniforme, independientemente de la forma del vano.
Los elementos de sombreado
juegan un papel importante para el deslumbramiento en los espacios, ya que, si
la proporción es adecuada al tamaño de la ventana, evita que la zona evaluada
tenga un exceso de ganancias de calor.
El vidrio con mayor iluminación
es el S-SC con transmitancia de 85%, ya que se obtienen 550 lx en el mejor
escenario analizado del 21 de junio y de 498 lx en el caso promedio de 21 de
marzo.
El vidrio con transmitancia de
41% S-FS (tinte gris), proporciona menor iluminación natural, ya que solo
permite 255 lx para el caso del 21 de marzo.
El vidrio S-SB de espesor de
vidrio sencillo de 9.5 mm y transmitancia de 41%, tiene un tinte azul cielo
brillante y comparado con el mejor y peor escenario de iluminación, disminuye
la iluminación natural a 318 lx 80% más que el peor caso.
El vidrio base S-SC con CGCS
0.82, tiene las mayores ganancias de calor y se requiere de un consumo
energético anual de 2,181 kWh, mientras que el vidrio D-AC
con CGCS de 0.23, disminuye las ganancias de calor por acristalamiento en 79%,
ya que el consumo de energía por climatización se reduce a 457 kWh anuales.
El mejor sistema de
acristalamiento para iluminación natural es el vidrio S-AC (vidrio sencillo
tinte azul turquesa), ya que mantiene la iluminación 22% debajo del caso base y
disminuye en 55% las ganancias de calor por acristalamiento.
El mejor sistema de
acristalamiento para disminuir ganancias de calor es el vidrio D-S7SC (vidrio
Low-E ultra claro), ya que disminuye estas ganancias en 84%, pero disminuye la
iluminación natural en 41%, esto es un promedio de 286 lx, ligeramente por
debajo de la norma mexicana.
Aquel sistema de
acristalamiento sencillo que permite una mejor condición termo-energética es el
S-AZ (tinte azul turquesa) ya que disminuye las ganancias de calor en 55% y
permite cumplir con la norma mexicana con un promedio de 373 lx.
El sistema de acristalamiento
doble con mejor condición termo-energética es el D-AC (vidrio con bajo
contenido en hierro), ya que mantiene una iluminación promedio de 361 lx y
disminuye en 79% las ganancias de calor.
Se requiere continuar el
estudio para modificar la relación V-S, V-M y forma del vano para establecer si
realmente el vidrio tintado azul turquesa permite mejor iluminación que los
sistemas de acristalamiento doble. Asimismo, si el espesor del vidrio tiene un
efecto significativo para reducir las ganancias de calor en vidrios sencillos.
Finalmente, analizar el tamaño
óptimo de los elementos de sombreado permitirá evitar deslumbramiento en los
espacios.
Para concluir, este estudio
permitió entender que es posible lograr iluminación natural óptima para climas
cálido seco extremosos, y reducir las ganancias de calor en el espacio si se
usa el sistema de acristalamiento ideal al espacio.
Agradecimientos al Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología, por el apoyo financiero para la realización
del programa de posgrado en investigación; al programa de Maestría y Doctorado
en Arquitectura, Urbanismo y Diseño por la formación, por último, más no menos
importante, a la empresa IBRS Consultores por permitir el acceso a sus
instalaciones como caso de estudio.
[1] Instituto Well del Bienestar [IWB], "WELL Building Standard v2".
Well Building Institute, 2019. https://doi.org/10.1192/bjp.111.479.1009-a
[2] M. Canazei,
W. Pohl, H. R. Bliem, M. Martini, y E. M. Weiss,
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