Iluminación natural en edificios de vivienda. Simulación automatizada

 

 

Prof. Dra. Arq. Dania González Couret, Arq. Héctor Gómez y Arq. Anielsys Zorrilla
Facultad de Arquitectura, Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría,
La Habana, Cuba.
e-mail: dania@arquitectura.cujae.edu.cu

 

Resumen
El aprovechamiento del suelo y la conservación de los centros urbanos son principios esenciales de sustentabilidad. La Dirección Provincial de Planificación Física de la Ciudad de La Habana ha propuesto la rehabilitación integral de la ciudad, conservando el actual coeficiente de ocupación del suelo. El presente trabajo muestra los resultados de una investigación encaminada a evaluar cómo podrían ser los nuevos edificios multifamiliares a construir en los lotes largos y estrechos disponibles en zonas urbanas como Centro Habana, para garantizar los niveles mínimos de iluminación natural interior requeridos.

Para ello, se simuló el comportamiento de la iluminación natural en esquemas volumétrico – espaciales propuestos, a partir del programa ADELINE (Advanced Daylighting & Electric Lighting Integrated New Environment). Los valores de iluminación difusa sobre un plano horizontal exterior obtenidos  en la simulación sobrepasan ampliamente la luminancia de 10 000 lux normada hasta hoy en Cuba, razón por la cual se trabajó con el factor de día.  Los resultados simulados fueron validados mediante su comparación con mediciones en un edificio existente. De acuerdo con los resultados obtenidos, los coeficientes de ocupación del suelo podrían variar entre 0.44% y 0.67%, en dependencia del ancho del lote y la altura de los edificios. Estos valores resultan inferiores a los actuales, que se pretende mantener.
Palabras clave: Iluminación natural en edificios.

Antecedentes y fundamentación del problema
El aprovechamiento del suelo y la conservación de los centros urbanos son principios esenciales de sustentabilidad. El proceso de rehabilitación integral de las áreas centrales de la ciudad de La Habana propuesto por la Dirección Provincial de Planificación Física comienza con la inserción de nuevos edificios de vivienda en lotes disponibles, para trasladar a éstos las familias que habitan en edificios que deben ser rehabilitados.

Investigaciones sobre el microclima urbano en áreas compactas de la ciudad, como La Habana Vieja, desarrolladas hace aproximadamente veinte años [Alfonso, et al., 1989], demostraron que a pesar de no responder al modelo tradicionalmente recomendado en todos los manuales de diseño bioclimático para climas cálido-húmedos como el de Cuba, estas morfologías generan un microclima más favorable que el de las urbanizaciones abiertas al estilo del Movimiento Moderno, como Alamar.

Esto, unido al reconocimiento de los valores de la ciudad tradicional que se produjo en el mundo desde finales de los años setenta, ha condicionado la voluntad de conservar ese valioso patrimonio en La Habana. Es por ello que la Dirección Provincial de Planificación Física de la ciudad se ha propuesto preservar el tejido urbano existente y para ello exige que los nuevos edificios que se deben construir mantengan los actuales coeficientes de ocupación del suelo, que resultan bastante elevados (aproximadamente 0,8).

A partir de aquí se planteó una interrogante: ¿Cómo deberán ser los nuevos edificios multifamiliares que se deben construir en los lotes largos y estrechos disponibles en zonas urbanas como Centro Habana, manteniendo los altos coeficientes de ocupación del suelo existentes hoy? Y otra pregunta: ¿Podrían los edificios multifamiliares existentes servir de referencia para proyectar los nuevos que deberán ser construidos?

Para responder a esa pregunta se desarrolló una investigación exploratoria sobre las condiciones ambientales interiores en una muestra representativa de las tipologías de edificios multifamiliares existentes en Centro Habana [Chiong y Luaces, 2005]. Del procesamiento de los resultados de las mediciones y las entrevistas a la población desarrolladas durante el trabajo de campo se concluyó que, de manera general, en los espacios interiores de estos edificios no se satisfacen los requerimientos de iluminación natural, lo cual genera consumo innecesario de energía en iluminación artificial diurna, falta de confort y posibles afectaciones a la salud de los habitantes [Pérez, 2005].

Los nuevos edificios a concluir no podrían, por tanto, reproducir estos modelos existentes, donde predominan las relaciones interior-exterior a través de pequeños patinejos que, además de no satisfacer los requerimientos de iluminación natural, también generan otros problemas de privacidad y convivencia entre vecinos [Gómez, 2001].

Ante esta situación se optó por proponer nuevas soluciones volumétrico-espaciales para edificios multifamiliares en Centro Habana, que pudieran garantizar condiciones ambientales interiores apropiadas con el máximo aprovechamiento posible del suelo urbano [Zorrilla y Wells, 2004]. Entre los principios de diseño que dieron origen a estas propuestas se destacan la profundidad de dos crujías de los volúmenes edificados para propiciar la relación interior-exterior y, con ello, la iluminación natural, además del empleo de patios que garanticen una mayor calidad ambiental que la que ofrecen los actuales patinejos.

El comportamiento de la iluminación natural interior en las soluciones volumétrico-espaciales propuestas fue simulado automáticamente con vistas a determinar la amplitud necesaria de los patios para satisfacer los requerimientos de iluminación [Gómez, 2005]. Exponer el proceso de simulación y sus resultados constituye el objetivo del presente trabajo.

El programa
El programa ADELINE (Advanced Daylighting & Electric Lighting Integrated New Environment), es un software desarrollado por la Agencia Internacional de Energía en colaboración con Fraunhofer Institute of Building Physics (FhG-IBP), Daylighting Research Center y Lawrence Berkeley Laboratory (LBNL). Las primeras versiones datan de 1989, desarrolladas en la Universidad de Berkeley, Estados Unidos. La versión utilizada data de 1998 y emplea el servicepack 9c disponible en la página Web oficial del programa.

Constituye una herramienta de diseño que provee a arquitectos e ingenieros información precisa sobre el comportamiento de la iluminación natural y artificial en un modelo 3D de cierta complejidad. Además, posibilita el cálculo del consumo de energía eléctrica y la ganancia térmica por concepto de iluminación artificial, así como la energía requerida en calefacción o enfriamiento al enlazarse con otros programas de simulación térmica.

Los niveles de iluminación exterior
Se realizó una primera simulación de los niveles de iluminación exterior sobre un plano horizontal sin obstrucciones correspondientes a un punto con las coordenadas geográficas de la ciudad de La Habana para el 21 de de marzo, junio, septiembre y diciembre (equinoccios y solsticios) en el horario comprendido entre las 8:00 a.m. y las 6:00 p.m., con un intervalo de dos horas desde el momento de inicio. Los resultados se compararon con los modelos obtenidos por cálculo, por De la Peña [1992] a partir de mediciones de radiación solar realizadas en la ciudad (sobre una superficie horizontal exterior sin obstrucciones).

De la Peña [1992] define el cielo de Cuba como parcialmente nublado con tendencia al cubierto, con impermeabilidad a los rayos solares, intermitencia luminosa y luminancia constante, como modelo isótropo entre la alternancia de la presencia o no del sol debido al frecuente desplazamiento de nubes sobre el disco solar. El cielo uniforme usado en el presente trabajo, como modelo teórico, presenta igual luminancia en todas sus direcciones, y según la propia De la Peña, que actuó como asesora en este trabajo, es un modelo que se ajusta al cielo definido para La Habana en estudios previos, aunque no considera la incidencia directa del sol.

Los valores de iluminación difusa sobre un plano horizontal exterior obtenidos sobrepasan ampliamente la luminancia de 10 000 lux normada hasta hoy en Cuba como cielo de diseño (RC 1075:88), excepto en diciembre, después de las 4:00 p.m. (Tabla 1 y figura 1).

Tabla 1. Resultados de la simulación de los niveles de iluminación en un
plano horizontal exterior sin obstáculos, en diferentes momentos del año
Iluminación difusa plano horizontal exterior (klux)
Meses
Hora solar
8 10 12 14 16 18
Marzo 8,9 19,4 24,8 23,6 16,2 4,6
Junio 13 22,5 27,1 25,8 18,8 8
Septiembre 10,5 20,5 25,5 23,2 15,2 3,3
Diciembre 4,8 14,1 18,6 17,1 9,9 -









 




Fig. 1.
Resultados de la simulación de los niveles de iluminación en un
plano horizontal exterior sin obstáculos, en diferentes momentos del año
.

Por esta razón, ya De la Peña había propuesto en 1992 que en las condiciones de Cuba podría considerarse un cielo de diseño de 13 000 lux, lo cual permitiría reducir las áreas de ventanas requeridas para satisfacer los niveles de iluminación mínimos normados. No obstante, los valores obtenidos por De la Peña [1992] para los solsticios de invierno y verano en la ciudad de La Habana bajo condiciones de cielo uniforme son incluso superiores a los que se obtienen con SUPERLITE (Módulo de Adelina empleado en el trabajo) para la latitud de Cuba. (Fig. 2)

 



Fig. 2. Niveles de iluminación en un plano horizontal exterior sin obstáculos,
simulados para diciembre y junio, en comparación con los valores
calculados por De la Peña (1992) para los mismos meses.

La marcada diferencia entre los valores obtenidos por ambas fuentes hacen recomendable el desarrollo de futuras investigaciones que permitan comparar estos resultados con datos reales de iluminación difusa medidos bajo el mismo tipo de cielo que ofrece el programa, con vistas a precisar su validez para las condiciones de Cuba. Por esta razón, la simulación de la iluminación natural interior en los modelos arquitectónicos estudiados, se hizo a partir del factor de día y no de los niveles absolutos de iluminación natural interior, que pueden obtenerse no obstante a partir de éste, en el momento que se desee.

Comparación entre la simulación y los resultados de mediciones reales
Se compararon los resultados del factor de día obtenidos mediante mediciones realizadas en un edificio ubicado en la calle Reina 412, entre Gervasio y Escobar, como parte de otra investigación experimental [Chiong y Luaces, 2005], con los obtenidos mediante la simulación automatizada de un modelo virtual construido del propio edificio, considerando un coeficiente de transmisión para las ventanas de 36% (ventana miami) y una reflectancia de 35% (madera clara). Los coeficientes de reflexión asumidos para el techo, las paredes y el piso fueron 0,7, 0,5 y 0,25, respectivamente (Figs. 3, 4, 5 y 6)) [De la Peña, 1991].


Fig. 3. Fachada del edificio ubicado en Reina 412, entre
Gervasio y Escobar, Centro Habana. (Tomado de Luaces y Chiong, 2005).


Fig. 4. Modelo tridimencional
del edificio ubicado en Reina 412, entre
Gervasio y Escobar, Centro Habana. (Tomado de Luaces y Chiong, 2005).


Fig. 5. Modelo geométrico elaborado en ADELINE del edificio
ubicado en Reina 412, entre Gervasio y Escobar,
Centro Habana. (Tomado de Gómez, 2005).


Fig. 6. Resultados de la simulación: Factor de día
(en planta y 3D) para el espacio interior simulado.

Existe correlación entre los valores del factor máximo, mínimo y promedio medidos (4,69, 0,19 y 0,94) con los simulados, lo cual permite validar el posible uso del programa para estimar el factor de día bajo condiciones de cielo uniforme. La exactitud en los resultados se incrementa a medida que el modelo geométrico simulado y las propiedades fotométricas de los materiales se ajusten a lo que acontece en el modelo real.

Definición de variables
Las variables que determinan el comportamiento de la iluminación natural se han clasificado en tres grupos: el ambiente, la geometría y las propiedades fotométricas de los materiales. Las variables ambientales incluyen el tipo de cielo (cielo de diseño), así como los niveles de iluminación o factores de día normados para la vivienda. Las variables geométricas se refieren al modelo desde el punto de vista dimensional e incluyen tanto el ancho de los lotes como la altura de cada uno de los edificios insertados en el contexto de estudio, así como la geometría del modelo a diseñar. Las propiedades fotométricas determinan cómo varía el comportamiento de la luz al interactuar con los materiales empleados.

Para definir las variables geométricas se tuvo en cuenta el inventario de lotes disponibles en Centro Habana realizado por Zorrilla y Wells [2004], de acuerdo con el cual 85,8% del total se encuentran entre 5 y 14,6 m de ancho. Se Trabajó para tres intervalos, tomando el menor valor en cada caso, de manera que se asumieron anchos de lote de 5, 7,2 y 11 m. (Fig. 7).





Fig. 7. Esquema de la solución arquitectónica propuesta.
a) Volumetria. b) Vista superior. c) Corte.


La solución volumétrico-espacial del modelo simulado asume el esquema propuesto a partir de los principios antes expuestos, que generan volúmenes medianeros de dos crujías de profundidad, separados entre sí por patios interiores y de los edificios circundantes por un patio de fondo.

La medianería determina en cada caso límites espaciales que conforman obstrucciones externas que afectan la entrada de luz. El frente se ve afectado por la sección de la calle y la altura del edificio al cual enfrenta. El patio interior y el patio fondo quedan limitados por la altura de los edificios laterales, añadiendo a este último la altura del edificio del fondo.

Cada una de las variables descritas se agruparon según su dimensionamiento horizontal y vertical.

A: Amplitud o ancho del lote, m.
L: Longitud o largo del lote, m.       
Ap: Amplitud del patio interior, m.
Apf: Amplitud del patio fondo, m.
h1: Altura del bloque 1, m.
h2: Altura del bloque 2, m.
hf: Altura del edificio del fondo, m.
hl1: Altura del edificio lateral izquierdo, m.
hl2: Altura del edificio lateral derecho, m.

Se tomó una sección de calle de 9 m característica de la zona en estudio (acera-calle-acera) [Chiong y Luaces, 2005], una altura máxima de 11 m (dos niveles de 5,5 m) para el edificio del frente. Los valores de h1, h2, hf, hl1 y hl2 varían indistintamente entre 5,4 y 10,8 m, tomando 2,4 m como el puntal mínimo interior. Al asumir una altura máxima de 10,8 m se trabaja para el número de pisos promedio de Centro Habana (dos niveles de 5,4 m) [Zorrilla y Wells, 2004], aunque, por supuesto, existen edificaciones de mayor altura. Sobre la base de las dimensiones asumidas para las variables, se determinó el número de combinaciones posibles para la simulación.

Proceso de simulación
Como las soluciones espaciales propuestas permiten la iluminación bilateral en los espacios sociales de la vivienda (estar, comedor y cocina), se ha considerado el factor de día en el punto central más alejado de las entradas de luz lateral como una sumatoria equivalente en la cual cada abertura aporta la mitad del valor normado. Por tanto, la simulación tuvo como objetivo determinar la amplitud de los patios para que permitan obtener valores de factor de día de 0,7% a 3,6 m desde la ventana (se considera 0,7% la mitad del valor normado y 3,6 m la mitad del módulo espacial de dos crujías de profundidad). Esto permite simplificar al modelo.

La luz que penetra en la planta baja de los apartamentos es en esencia luz reflejada, por lo que a medida que se desciende en altura hacia el interior de los patios aumenta el área de ventanas, disminuyendo, por tanto, la reflexión de las superficies exteriores. Por ello fue necesario calcular para cada uno de los patios interiores y de fondo, superficies con un coeficiente de reflexión equivalente en función del área y tipo de vanos empleados.
Las restricciones en el número de superficies empleadas en el modelo geométrico que admite SUPERLITE condujeron al cálculo por niveles de cada una de las superficies en contacto con los patios, con el fin de obtener resultados más precisos. Para ello se empleó una suma ponderada de los coeficientes de reflexión asumidos. Tanto los coeficientes de reflexión de las superficies exteriores como los factores de reducción y coeficientes de reflexión de las ventanas, se asumieron a partir de lo recomendado por De la Peña [1991].

La tabla de la figura 8 recoge los datos utilizados y la descripción de cada uno de ellos. Los materiales asumidos fueron vidrio, madera clara y una pintura de color amarillo claro. Estos materiales conformaron en todos los casos las soluciones de cierre, asumiendo para el vidrio una reflectancia de 5% (lucetas y aberturas), la madera 35% (ventanas) y la pintura 75% (terminación de los muros de cierre). Se calculó el área que ocupaba cada uno de ellos en la solución de cierre, determinando un coeficiente de proporcionalidad con el cual se ponderó cada uno de los respectivos coeficientes de reflexión. La sumatoria de los coeficientes ponderados dio como resultado la reflectancia equivalente que se empleó en SUPERLITE, otorgando a cada una de las superficies un identificador tipológico.



Fig. 8. Cálculo del área de ventana equivalente
en cada cierre del patio interior o de fondo.

El módulo SUPERLITE del programa considera las ventanas como superficies de área equivalente con un coeficiente de transmisión (36% para la ventana miami); sin embargo, el efecto específico de las lamas en la distribución interior de la luz pudo apreciarse mediante el módulo RADIANCE del propio programa. (Fig. 9).


Fig. 9. Efectos de las persianas en la distribución
interior de la luz, simulado con RADIANCE.

La amplitud de los patios se obtiene por un proceso de aproximaciones sucesivas. Una vez realizada la simulación se chequea el gráfico de factor de día comprobando el valor de 0,7% a 3,6 m desde la ventana.
En caso de no alcanzarse este valor se aumenta la amplitud y se repite el proceso descrito.

Finalmente, se comprobó la validez del modelo simplificado de iluminación unilateral. En la figura 10 se muestra un ambiente 3D del modelo considerado en SUPERLITE, después de realizado el ajuste en la amplitud de los patios. Se pudo comprobar que los valores de factor de día se comportan según lo esperado. El área en blanco muestra los valores superiores a 1,5%; en naranja, los valores de 1,4%.

Los niveles de iluminación máximos se alcanzan hacia las esquinas, mientras tanto los valores mínimos se registran a la mitad del espacio, próximo a los muros de cierre. Si se toma el factor de día separado a un metro desde la fuente de luz (4,2%), se alcanza una uniformidad de 0,33.

Posteriormente se realizaron nuevas simulaciones para validar la efectividad de las soluciones de ventanas inicialmente asumidas. (Fig. 10).

Fig. 10. Resultados de la simulación con SUPERLITE
para uno de los modelos estudiados


Resultados
Los resultados de la simulación realizada para la planta baja con un área de vanos y transmitancia máxima se tabularon en función del ancho de los lotes. La amplitud necesaria de los patios se determinó para un cielo de diseño de 10 000 lux, según lo normado y para una opción de 15 000 lux, ya que como ha sido demostrado, la mayor parte del tiempo la luminancia de la bóveda celeste en Cuba es muy superior a 10 000 lux y, en todo caso, podría aceptarse que las soluciones propuestas requieran de iluminación artificial en las primeras horas de la mañana y últimas de la tarde, sobre todo en los meses de invierno. De todos modos, esto sería una opción que requeriría de un estudio de factibilidad económica que valore el uso del suelo y el consumo energético.

El recuadro amarillo de la figura 11 recoge la amplitud en metros requerida en el patio para garantizar la iluminación natural interior en las condiciones del modelo (ancho del lote y altura de los edificios), considerando una luminancia de la bóveda celeste de 10 000 lux. El recuadro violeta refleja el mismo valor, pero para un cielo de diseño de 15 000 lux, por lo cual es un valor menos conservador, es decir, una menor amplitud del patio.


Fig. 11. Amplitud del patio requerida (en metros) en función de la altura
de los edificios y la luminancia asumida en la bóveda celeste.

De manera general, a medida que se aumenta el ancho de la parcela la amplitud requerida de los patios disminuye. La influencia de las obstrucciones exteriores se reduce igualmente mientras el ancho del lote crece. El comportamiento en el patio fondo es menos variable.

Se calculó la ocupación de suelo (SC/ST) para cada uno de los anchos de lotes estudiados considerando fija la altura del módulo del frente y variando sólo la altura del módulo del fondo de 4-2 niveles. De acuerdo con las amplitudes de los patios interiores y de fondo necesarios para garantizar los niveles mínimos de iluminación interior normados, obtenidos en la simulación de los esquemas volumétrico-espaciales propuestos, los coeficientes de ocupación del suelo requeridos varían entre 0,44 y 0,67%, valores inferiores a los actuales, que se pretende mantener. Estos valores, que coinciden con resultados de investigaciones precedentes [González, 2003] se ofrecen en gráficos similares a los que se presentan a continuación, tanto para el patio interior como para el de fondo, en dependencia del ancho del lote y la altura de las edificaciones. (fig. 12).


Fig.12. Amplitud del patio requerida, de acuerdo con la altura
de los edificios y el ancho del lote. a) Fondo. b) Interior.

Los espacios que enfrentan la calle presentan mejores condiciones de iluminación natural que aquellos que dan al patio interior o de fondo, debido a la amplitud de la sección de la vía que minimiza la acción de las obstrucciones exteriores, lo cual permite una incidencia de la componente directa de la bóveda celeste hasta 1,8 m de profundidad. El área de vidrio debe ocupar 23% del área de vanos en planta baja, decreciendo hasta 20% en el segundo nivel. En las plantas superiores no es necesario el uso de vidrio y los cierres permeables con elevada trasmitancia deben estar protegidos de la radiación solar directa [Aguilera, 2005].

El patio interior no favorece la iluminación natural tanto como la calle, no solo por su confinamiento lateral, sino también debido al mayor porcentaje de aberturas y la consecuente disminución del coeficiente de reflexión de sus superficies. El uso de un área de vanos máxima en planta baja condiciona una ocupación más eficiente del suelo una vez resueltos los problemas de privacidad que ella produce. En el segundo nivel se puede emplear un cierre con una trasmitancia de 72%, manteniendo una luceta superior de vidrio transparente. No es apropiado el uso de la ventana miami opaca, pues el área de vanos necesaria ocuparía más de 80% del área de pared.

Los espacios que dan al patio de fondo requieren un área de vanos inferior a los que se vinculan con el patio interior, pues el muro de fondo puede ser tratado en su totalidad como elemento de elevado coeficiente de reflexión, siempre que se tomen precauciones para evitar el deslumbramiento. En consecuencia, se puede emplear la ventana miami opaca a partir del segundo nivel, manteniendo en este caso la luceta superior.

Conclusiones

  • Es posible utilizar el módulo SUPERLITE del programa ADELINE para determinar los niveles de iluminación interior, empleando para ello el cálculo de factor de día que brinda el programa y tomando como referencia los valores reales de luminancia de la bóveda celeste, ya que los resultados que SUPERLITE ofrece a partir del modelo de cielo uniforme resultan conservadores.

  • El cielo de diseño de 10 000 lux provee una amplia cobertura durante todo el año, siendo su punto crítico el mes de diciembre a las 4:00 p.m. Esta condición provee un entorno de luz natural de 7-9 horas durante todo el año, cumpliendo el nivel de iluminación normado en viviendas bajo las condiciones de cielo asumidas.

  • Si se aceptara una luminancia de la bóveda celeste de 15 000 lux, podrían admitirse mayores ocupaciones del suelo, a partir de usar la iluminación artificial en determinados momentos del día y del año. Esto requiere de un estudio de factibilidad económica.

  • Se valida el método simplificado de iluminación unilateral en el cual, partiendo de una retícula fija, cada lado aporta la mitad del valor normado al considerar un espacio con iluminación bilateral.

  • Las dimensiones de los vanos deben disminuir a medida que se crece en altura, ya que aumenta la componente de luz directa por la menor obstrucción del contexto; así se favorece una mayor reflexión en las paredes hacia las plantas bajas.

  • En las plantas altas, cuando se reduce la protección del contexto, debe garantizarse la protección solar complementaria de la ventana.

  • Aprovechando la iluminación proveniente desde la calle (área más favorecida) se puede reducir la abertura de los cierres hacia el patio para obtener mayor luz reflejada hacia la planta baja.

  • De acuerdo con los resultados obtenidos, el COS actual de Centro Habana, de aproximadamente 0,8, resulta muy alto para garantizar condiciones ambientales apropiadas en los espacios interiores de las nuevas viviendas a construir, atendiendo particularmente a los requerimientos de iluminación natural interior.

  • Para garantizar los niveles de iluminación normados en el interior de la vivienda en la zona de estudio, los nuevos edificios multifamiliares que se proyectan insertar no deben sobrepasar una ocupación de la parcela de 67%.

  • A medida que crece el ancho del lote se aprovecha mejor la iluminación natural, por tanto resulta conveniente en caso de existir dos parcelas continuas disponibles conformar un lote único siempre que se respete la parcelación característica de la zona.

  • Según el esquema volumétrico espacial propuesto, las amplitudes requeridas de los patios interiores varían, en dependencia del ancho del lote y la altura de los edificios, entre un mínimo de 3,5 m y un máximo de 11 m, y la de los patios interiores oscila entre 2 y 7 m.

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