Conductos de iluminación y ventilación natural para edificios
de vivienda en zonas urbanas compactas

Natural Illumination and Ventilation Ducts for Apartment Buildings in Compact Urban Areas

Prof. Dra. Arq. Dania González Couret
Facultad de Arquitectura (Architecture Faculty), Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría /José Antonio Echeverría Polytechnic Institute (ISPJAE),
Calle 114 y 127, CUJAE, Marianao 19390, Havana, Cuba.
Tel.: 2671108. Fax: 2606997.
e-mail: dania@arquitectura.ispjae.edu.cu

 

Resumen
Las tradicionales recomendaciones de diseño bioclimático que para climas cálido-húmedos como el de Cuba se ofrecen en casi todos los manuales especializados, originan una tipología arquitectónica que puede resultar apropiada en zonas rurales
o suburbanas, pero no en áreas centrales compactas de la ciudad. Sin embargo,
la necesaria preservación de los valores culturales y ambientales de la ciudad tradicional, así como el alto costo del suelo en áreas urbanas centrales y la necesidad de optimizar su aprovechamiento como principio básico de sustentabilidad, imponen la necesidad de estudiar soluciones arquitectónicas que pueden ser desarrolladas en lotes profundos
y estrechos.

El presente artículo muestra los resultados con vistas a ofrecer recomendaciones
de diseño para conductos especializados de iluminación y ventilación natural de bajo costo y bajo consumo de energía que favorecen un mejor aprovechamiento del suelo
y garantizan, al mismo tiempo, apropiadas condiciones de iluminación y ventilación
en los espacios interiores de viviendas sociales en zonas urbanas compactas de clima cálido-húmedos.
Palabras clave: Diseño bioclimático, ventilación, iluminación natural.

Abstract
The traditional recommendations made on bioclimatic design for humid-warm climates as that of Cuba, usually found in almost all specialized manuals, give rise to an architectural typology which can be the proper one in rural and suburban areas, but not in central compact areas of the city. However, the necessary preservation of cultural and environmental values of the traditional city, as well as the high cost of soil in central urban areas and the need to optimize its use as a basic principle of sustainability, require the study of architectural solutions which can be developed in deep and narrow lots. This article deals with the results required to make design recommendations for specialized illumination ducts and low-cost natural ventilation and low-energy consumption which favor a better use of soil, thus guaranteeing, at the same time, proper illumination and ventilation conditions in interior spaces of social dwellings in compact urban areas in humid-warm climate.
Key words: Bioclimatic design, ventilation and natural illumination.

Introducción
Es internacionalmente reconocido (y afortunadamente, ya también en Cuba) que el diseño bioclimático constituye un importante recurso para el ahorro energético en las edificaciones.

Las tradicionales recomendaciones de diseño bioclimático que para climas cálido-húmedos, como el de Cuba, se ofrecen en casi todos los manuales especializados, originan una tipología arquitectónica que puede resultar apropiada en zonas rurales
o suburbanas, pero no en áreas centrales compactas de la ciudad.

La necesaria preservación de los valores culturales y ambientales de la ciudad tradicional, así como el alto costo del suelo en áreas urbanas centrales, y la necesidad de optimizar su aprovechamiento como principio básico de sustentabilidad, imponen el estudio de soluciones arquitectónicas que puedan ser desarrolladas en lotes profundos
y estrechos.

A esto se debe que la arquitectura tradicional en estas áreas haya dispuesto, históricamente, sus espacios en torno a un patio interior (central o lateral) y después
a patinejos (pequeños patios), fundamentalmente en edificios multifamiliares de vivienda.

El empleo de patinejos, si bien puede ayudar a mejorar las condiciones de iluminación
y ventilación en aquellos espacios interiores más alejados del exterior, ocasiona serias afectaciones a la privacidad acústica y visual de las viviendas.

Por todo ello, la hipótesis general que originó el presente trabajo planteaba la posibilidad de solucionar las necesidades de ventilación e iluminación natural de los espacios interiores no relacionados directamente con el exterior en zonas urbanas compactas, mediante el empleo de conductos especializados de iluminación y ventilación naturales, de bajo costo y bajo consumo de energía, que no generen a su vez las afectaciones
a la privacidad interior que ocasionan los patinejos.

Antecedentes
Los conductos de ventilación forzada o mecánica son ampliamente usados a escala internacional; sin embargo, la experiencia en conductos de ventilación natural, que corresponde con el objetivo de este trabajo, es más limitada. Algo similar sucede con
los conductos de iluminación, aunque su uso es, en general, menos difundido, pero predominan las soluciones de alta tecnología.

Conductos de ventilación natural
Tradicionalmente se han empleado tres mecanismos básicos para producir el movimiento natural del aire en los conductos de ventilación: los mecanismos naturales de movimiento del aire por fuerza de viento o diferencia de temperaturas; mecanismos eólicos capaces de crear una diferencia de presiones en el extremo de salida que provoque la extracción del aire; y la diferencia de temperaturas provocada por el calentamiento solar.

Dentro del primer grupo se encuentran las tradicionales chimeneas empleadas para
la extracción del aire caliente en cocinas y las torres de viento, muy usadas en climas cálido- secos. La extracción del aire interior mediante el calentamiento solar es un recurso muy común actualmente en los edificios de alta tecnología, y requiere de colectores que encarecen el costo de inversión.

Las soluciones eólicas incluyen el extractor tipo «cebollita» que, aunque no necesita una fuente adicional de energía para su funcionamiento, ya que se mueve por la fuerza natural del viento exterior, incluye mecanismos de rodamiento que incrementan los costos de inversión y mantenimiento. Los sistemas basados en la aspiración estática [1, 2 y 3]
y el efecto vénturi están constituidos, sin embargo, por elementos fijos de la propia construcción, que no requieren otra energía que la del viento, y los costos de mantenimiento son mínimos. Estos han sido, por tanto, los sistemas objeto de estudio en el presente trabajo.


Fig. 1. Aspirador estático tipo Shunt [3].

Conductos de iluminación natural
Los conductos de iluminación natural que se emplean actualmente en el mundo pueden clasificarse en dos grupos básicos: conductos de sol [4, 5, 6 y 7] y conductos de luz
o luminiductos [8, 9 y 10].

Los primeros, como su nombre lo indica, conducen la radiación solar directa del exterior hacia los espacios interiores. Esto significa una carga térmica adicional que se introduce en el ambiente interior, lo cual no es muy recomendable en el clima cálido de Cuba.
Por otra parte, el rayo de luz directa en el interior puede ocasionar deslumbramiento por exceso de contraste, de manera que habría que emplear además elementos difusores
de la luz en la salida del conducto hacia el interior.

Dentro de éstos se encuentran también los conductos de alta tecnología que permiten trasladar la luz a largas distancias empleando lentes especiales u otros elementos concentradores que aumentan considerablemente el costo de inversión, y más recientemente se usa para estos fines la fibra óptica.

Los conductos de luz difusa son menos eficientes, pero reducen la carga térmica conducida hacia el espacio interior y podrían funcionar adecuadamente como complemento de la iluminación natural lateral para espacios profundos en edificios
de poca altura. Estos han sido, por tanto, el objeto de estudio del presente trabajo.

Caso de estudio
Como caso de estudio para verificar la validez del uso de los conductos de iluminación
y ventilación natural propuestos, se ha tomado un proyecto de vivienda social en el centro histórico de la ciudad de Matanzas [11].

El empleo de estos conductos en el proyecto favorece un buen aprovechamiento del suelo al permitir estructurar el espacio mediante viviendas dúplex medianeras, largas y estrechas, donde se ha priorizado la relación directa con el exterior (calle o patio interior) para los espacios de función principal, mientras que el baño, ubicado hacia el interior se ventila e ilumina mediante conductos. Los conductos de iluminación permiten también complementar el nivel de iluminación en la zona más alejada del exterior del estar-comedor.

Experimentación en modelos
Partiendo de las soluciones preliminares propuestas para los conductos en el proyecto de estudio (ubicación y dimensiones), se seleccionó una torre de viviendas localizada hacia el Norte (zona de mayor obstrucción del contexto urbano), para verificar, mediante estudios experimentales en modelos a escala, la factibilidad de éstos con vistas satisfacer los requerimientos de ventilación [5, 12, 13, 14, 15, 16 y 17] e iluminación [8, 16, 18 y 19], y proponer las recomendaciones de diseño que se deben adoptar.

Conductos de ventilación
Los conductos de ventilación en el proyecto objeto de estudio están propuestos sólo para la ventilación higiénica de los baños, ubicados cada dos niveles por tratarse de viviendas dúplex y que no dan directamente al exterior. De acuerdo con las recomendaciones de diversos autores, se tomó para el cálculo un valor de tres cambios de aire por persona por hora para garantizar la ventilación higiénica en baños. Teniendo en cuenta el volumen del baño, que además es comúnmente usado por una sola persona, se estableció un caudal mínimo de aire a extraer por el conducto de 30 m3/h.

Considerando que el conducto deberá sobresalir al menos 1,50 m por encima de la cubierta, para evitar sombras de viento que afecten su funcionamiento [20], se estimó una altura máxima en este proyecto de 12 m. Para el dispositivo vénturi, para esta altura sería necesario una relación de áreas A1/A2 de 3,76 que garantice la caída de presión suficiente a fin de extraer el caudal de aire requerido.

Según las dimensiones recomendadas en la literatura internacional para conductos de ventilación, se asumió una sección de aproximadamente 180 cm2 que puede ser satisfecha con un tubo de 15 cm o 6 pulgadas de diámetro. La escala del modelo fue determinada por la disponibilidad de un tubo de 4 pulgadas (10 cm) de PVC, lo cual significa una escala de 1:1,5.

Como instrumentos de medición se contaba con dos anemómetros de copillas de fabricación soviética, por lo cual se decidió medir la relación entre las velocidades del viento exterior y las velocidades del flujo del aire en el interior del conducto, para compararlas con la velocidad de 0,28 m/s, necesaria para el caudal requerido.

Otra limitación impuesta al modelo consistió en la altura del conducto, que tuvo que ser fijada en 80 cm (1,20 cm en las dimensiones reales, de acuerdo con la escala), para ajustarse a la altura del equipo empleado e impulsar el aire que simula el viento exterior; un soplador mecánico de fabricación inglesa, que distribuye el aire de manera uniforme mediante una rejilla, con velocidades entre 1 y 5 m/s.


Fig. 2. Mediciones con el modelo de dispositivo vénturi.

Las mediciones se realizaron en veinte modelos diseñados como resultado de la combinación de las siguientes variables:
• Relación de áreas en el dispositivo vénturi.
• Ángulos de entrada del dispositivo (horizontales y verticales).
• Ángulos de salida del dispositivo (horizontales y verticales).
• Dimensiones de la sección de entrada (A1).
• Sección de salida del conducto (diámetro).
• Obstáculo a barlovento del conducto para producir un flujo de aire que incremente en él la succión.
• Protección a la salida del conducto para evitar que entre el aire; se invierte el sentido del flujo esperado.

En el experimento se incluyeron también otros dos modelos del tipo aspirador estático
o shunt, realizados de acuerdo con la información gráfica disponible en la literatura consultada [3], ya que no se han encontrado idatos respecto a modelos de cálculo,
a pesar de que su uso es extendido y su funcionamiento, aparentemente eficiente.
Aun cuando se supone que el efecto vénturi garantiza una succión en el conducto que remata, no en todos los casos medidos sucede esto. En algunos modelos, el aire,
en lugar de salir hacia arriba por el conducto, se impulsa hacia abajo a través de él.
En otros casos se produce una ligera succión no perceptible para el equipo de medición (anemómetro) empleado.

En los modelos donde se obtiene un efecto de succión medible coincide que la caída
de la sección es superior a 4 (valor calculado: 3,76) y existe un obstáculo a barlovento que incrementa el efecto de succión del viento sobre el conducto. Los mejores resultados coinciden con la presencia de un ángulo «negativo» a la salida del dispositivo para incrementar el efecto de succión, y ángulos menores de 25 grados en la sección
de entrada del viento. También se obtienen resultados en el modelo tipo aspirador estático.

Conductos de iluminación
Los conductos de iluminación propuestos en el caso de estudio se usan como única fuente de luz para los baños y como iluminación complementaria en la zona del comedor, más alejada de la entrada de luz natural al espacio continuo estar-comedor.

Se experimentó con nueve modelos que responden a la combinación de alternativas para las siguientes variables:

• Salida del conducto: Dimensiones de la abertura, forma y orientación que permita o evite la entrada de la radiación solar directa.
• Coeficiente de reflexión de las superficies interiores del conducto. (media y alta).
• Sección del conducto (50 cm x 50 cm y 50 cm x 80 cm).
• Presencia o no de aberturas de salida de luz en los pisos superiores, que reducen la cantidad de luz que llega a la planta baja.
Las mediciones se desarrollaron simultáneamente en el exterior y el interior, con dos luxómetros KOVO PU 150 de fabricación soviética, y en modelos a escala 1:10.


Fig. 3. Salida del conducto de iluminación
sobre la cubierta del modelo.

En todos los casos, los valores del factor de día obtenidos estuvieron por debajo de 1.00, lo cual indica que no es posible usar estos conductos como única fuente de iluminación natural en espacios como cocinas y comedores donde, según la norma vigente, se requiere un factor de día de 1,5. Sin embargo, logran satisfacerse los niveles de iluminación requeridos en el caso de estudio para el baño, y como complemento de la iluminación natural en el comedor (e = 0.47), en este caso con la sección de 50 x 80 cm, la reflectividad interior del conducto alta y la variante de salida con un ángulo de 60 grados.

Conclusiones
Los resultados del presente trabajo constituyen estudios preliminares que permiten demostrar la factibilidad de estos conductos para satisfacer los requerimientos de ventilación higiénica e iluminación natural diurna en baños, así como de iluminación complementaria en comedores y cocinas en viviendas, con un mínimo costo de inversión y mantenimiento y, sin embargo, ventajas significativas en el uso del suelo urbano.
A partir del estudio realizado se pudieron establecer las recomendaciones específicas para el diseño de los conductos de iluminación y ventilación en el edificio objeto de análisis. En futuras investigaciones deberá precisarse la influencia de cada una de las variables de diseño que intervienen en los resultados para arribar a recomendaciones generales. También resulta conveniente profundizar en el estudio del aspirador estático.

Referencias
1. «Aspiradores decorativos». http://www.rodri5.com/index1.htm
2. «Aspiradores estáticos». http://www.climatecnica.com/residencial/index.shtml
3. «Cúpula: construcción, arquitectura, decoración», No. 221, marzo 1968, Barcelona, p. 173.
4. Coch, Helena and Anthony Isalgue. «Sun Ducts: New Design and Applications», Renewable Energy Renewable: The energy for 21st Century) part I , Pergamon, Brighton. UK, 7 July 2000, p. 489.
5. Curso de arquitectura bioclimática y construcción sostenible. CD–R, INHEM, Ciudad de La Habana. 2001.
6. Serra, Rafael y Helena Coch. Ediciones UPB. Barcelona, 1991.
7. Urrutia, Orlando. «Proyecto de arquitectura bioclimática en Barcelona», Programa Europeo, Building 2000, www.deurrutia.com
8. De la Peña, Ana María. «Iluminación natural». Tesis en opción al grado científico de Doctor. Facultad de Arquitectura, La Habana, 1992.
9. «Lumiductos». http// www.crictyt.edu.ar/institutos/inciusa/ahv/soporte.html
10. Soler, Alfonso; Pilar Oteiza. «Métodos experimentales, utilidades informáticas y dispositivos para la iluminación natural en edificios», Revista Tecnología
y Construcción. No 12, 1996. pp. 9-18.
11. González Couret, Dania, y otros. «Diseño de viviendas urbanas bioclimáticas
y progresivas en la Ciudad de Matanzas»
, Proyecto ganador del Gran Premio en el Concurso Nacional de Diseño del Hábitat, Facultad de Arquitectura, Ciudad de La Habana, 1999.
12. AEDENAT (Documentos recopilados) «Arquitectura bioclimática”. Abril, 1993. España.Aire interior. http// www.cepis.org.pe.
13. «Caudal Higiénico Recomendado». http// www.stacas04e.gob.mx.html
14. «Factores de renovación de aire». http/ www.Lomancomexico.com/mexico/temas
15. González, Dania. «Ahorro de recursos materiales y energéticos en la vivienda». Tesis presentada en opción al grado científico de Doctor en Ciencias Técnicas, Facultad de Arquitectura, Ciudad de La Habana, 1994.
16. «Ventilación requerida». http// www.usuarios.com/prevenci/CPIChtm
17. Alemany, A. «Climatología, iluminación y acústica: aplicaciones a la arquitectura», ISPJAE, La Habana, 1986.
18. NC 53-86:83 «Elaboración de proyectos de construcción. Iluminación natural en edificios».
19. Alfonso, A. Entrevista personal, La Habana, 24 de mayo de 2001.
20. Pérez, Osley. «Estudio de conductos de iluminación y ventilación en viviendas». Tesis de Diploma. Facultad de Arquitectura, IPJAE, 2001.