7.5.12

ILUMINACION NATURAL

La iluminación natural constituye una alternativa válida para la iluminación de interiores y su aporte es valioso no sólo en relación a la cantidad sino también a la calidad de la iluminación.
En relación a la iluminación artificial, la iluminación natural presenta las siguientes ventajas:
* Es provista por una fuente de energía renovable. La iluminación natural es proporcionada por la energía radiante del sol, en forma directa o a través de la bóveda celeste.
* Puede implicar ahorro de energía. Una iluminación natural bien diseñada puede cumplir con los requerimientos de iluminancia de un local interior donde se realicen tareas visuales de complejidad media entre un 60-90% del total de horas de luz natural, lo que tiene un potencial de ahorro en energía eléctrica de hasta el 90% en edificios de uso diurno, como por ejemplo escuelas, oficinas, industrias y edificios residenciales.
* Puede proporcionar niveles de iluminancia más elevados en las horas diurnas, para una considerable parte del año, que los obtenidos con luz eléctrica mediante instalaciones económicamente sustentables. Se puede, mediante la iluminación natural, obtener una iluminancia homogénea interior de alrededor de 1000 lux.
* La luz solar directa introduce menos calor por lumen que la mayoría de las fuentes de iluminación eléctrica.
La luz directa del sol, iluminando superficies perpendiculares a ella, alcanza valores de entre 60.000 a 100.000 lux, muy intensa, en general, para ser utilizada directamente pues puede ocasionar deslumbramiento y aumentos de temperatura. Por estas razones, generalmente se prefiere excluir completamente la luz solar de los interiores, lo que constituye un error, pues si bien prácticamente toda la energía proveniente de las fuentes de luz se convierte finalmente en calor, la proporción de calor introducida por lúmenes de luz solar directa es menor que en la mayoría de las fuentes de iluminación eléctrica, como surge de la tabla I. Puede contribuir favorablemente en la necesidad de calefacción en invierno si las aberturas se diseñan de manera que las ganancias solares excedan a las perdidas de calor, por ejemplo, vidrios verticales en la fachada norte para el hemisferio sur. En los meses de verano, las mismas aberturas pueden ser usadas para evitar el ingreso de la radiación directa, por ejemplo estas mismas superficies vidriadas pueden ser sombreadas para evitar el ingreso de la radiación directa, iluminando el interior por reflexión y difusión de la luz del sol.

* Tiene la particularidad de ser dinámica: esta continuamente cambiando a lo largo del día y de los meses del año. En este sentido es importante destacar que la visión humana está desarrollada de manera que evidencia cierta adaptación a las características de la luz natural y de sus cambios. Además, sus continuos cambios son favorables como efecto estimulante.
* Integra otros elementos que favorecen la satisfacción de las necesidades biológicas y psicológicas de ritmos naturales. Por ejemplo, haciendo visible el entorno asegura una conexión con el ambiente exterior, las radiaciones externas y las condiciones de cielo, efecto que en general es muy bien recibido por el usuario de la iluminación.
* La adecuada provisión de luz natural a una vivienda o local puede incrementar el valor comercial de ellos.
1. Fuentes de luz natural
Así como las lámparas de distinto tipo constituyen las fuentes de luz en la iluminación eléctrica, el sol y el cielo son las fuentes de las que se dispone para la iluminación natural. La luz natural llega al interior de un local directa o indirectamente, dispersada por la atmósfera y reflejada por las superficies del ambiente natural o artificial.
De la misma manera que una luminaria filtra y distribuye la luz emitida por la lámpara eléctrica que ésta contiene, la luminaria de la luz natural es la envolvente edilicia que admite la luz del sol en el interior de un espacio por transmisión, dispersión o reflexión de la misma.
Esto incluye el cielo (bóveda celeste), así como al ambiente externo natural o construido por el hombre. Por lo tanto, el tipo de cielo, las superficies de la tierra, plantas y otros edificios son parte de la "luminaria natural". Estos elementos pueden hacer variar la iluminación interior de un momento a otro y de un caso a otro. Un caso extremo se da cuando no hay obstrucción sobre la abertura (ventana) y la luz natural proviene directamente desde el sol o el cielo. Otra situación extrema se da cuando la abertura de un local en altura está enfrentada a un edificio, de modo que no puedan ser vistos desde el interior el cielo y el suelo, en este caso la luz natural resulta de la luz reflejada desde el edificio que se ve desde la ventana.
En consecuencia, el sol, el cielo, las obstrucciones naturales (plantas, el terreno, montañas) y las obstrucciones artificiales (edificios, construcciones) contribuyen al grado de variación de iluminación natural de los interiores (Figura 1). Esta variación puede cambiar parcialmente debido al movimiento del sol y los cambios en las nubes y en parte porque el follaje de las plantas y la reflexión del piso cambian con las estaciones del año.

El sol determina las características esenciales de la luz natural disponible, el largo de los días y sus cambios estacionales, así como los cambios de carácter que ocurren durante el día. Estas características dependen de los movimientos de la tierra (Figura 2), del ángulo de sus ejes (influencia de la localización geográfica) y del ángulo de la superficie iluminada respecto al ángulo de incidencia del rayo de luz, denominado efecto coseno.

De la radiación total que llega a la superficie de la tierra después de atravesar la atmósfera, sólo la radiación visible -380 a 780nm- es relevante desde el punto de vista de la iluminación natural.
1.1. Fuentes de luz natural directa, indirecta y difusa
Se llama luz solar directa a la porción de luz natural que incide en un lugar específico proveniente directamente desde el sol.
La luz solar directa se caracteriza por:
Su continuo cambio de dirección.
Su probabilidad de ocurrencia.
La iluminacia que produce en una superficie horizontal no obstruida.
Su temperatura de color.
La luz solar indirecta es la que llega a un espacio determinado por reflexión generalmente en muros, pisos o cielorrasos. En los climas soleados, la luz natural indirecta constituye un verdadero aporte a los sistemas de iluminación natural, mediante uso de superficies reflectoras que dirigen la luz solar directa por ejemplo al cielorraso aumentando la cantidad de luz natural disponible y mejorando su distribución.
La luz natural difusa es aquella que tiene aproximadamente la misma intensidad en diferentes direcciones (la luz proveniente de la bóveda celeste sin considerar el sol).
Para aplicaciones de iluminación natural de edificios, lo que caracteriza la cantidad de luz natural disponible es la iluminancia en una superficie horizontal exterior no obstruida.
1.2. Tipos de cielo
Si bien la fuente primaria de luz natural es el sol, desde el punto de vista de la iluminación diurna de edificios, la fuente de luz considerada para el cálculo es la bóveda celeste, excluyendo siempre la luz solar directa sobre los planos de trabajo por su gran capacidad lumínica, que genera contrastes excesivos y causa deslumbramiento. Es muy importante evitar, desde el diseño mismo, el ingreso de luz directa del sol, mediante la difusión y reflexión de los rayos solares hacia los interiores, pues de lo contrario los ocupantes de los edificios tienden a eliminar totalmente el ingreso de luz natural y a reemplazarla por iluminación artificial, cambiando las condiciones ambientales interiores y perdiendo la oportunidad de ahorrar energía eléctrica durante las horas de sol.
Desde el punto de vista de sus características distintivas, el cielo puede ser descrito por su distribución de luminancias, lo que permite su utilización en los cálculos y en el análisis de sus efectos en el interior de un local.
Según las características locales de la bóveda celeste y las estrategias de diseño, se emplea la siguiente clasificación:
Cielo cubierto: definido para climas fríos por la CIBSE -Estandarización Británica- como un cielo cubierto en un 90% por nubes con sol no visible. Otras clasificaciones incluyen en este tipo de cielo cuando la proporción de nubes va desde un 70 a 100%. La ecuación para la distribución de luminancias para cielo cubierto es:

donde, LZ es la luminancia en el cenit, fi es el ángulo de altitud del punto considerado, como se muestra en la figura 3a. Un cielo cubierto es de 2.5 a 3 veces más luminoso en el cenit que en el horizonte (Figura 3a), lo que hace que sea favorable la iluminación cenital (ventanas altas o de techo), aprovechando así la parte más luminosa de la bóveda celeste, sin los riesgos de excesivos contrastes debidos a la luz solar directa. Sus valores y distribuciones varían con la localización, las características climáticas, densidad y uniformidad de las nubes y condiciones atmosféricas como la turbidez. El valor medio anual de iluminancia exterior sobre una superficie horizontal que se considera para los cálculos es de 5000 lux.
Una simplificación de este tipo de cielo es conocida como cielo de luminancias uniformemente distribuidas o cielo uniforme (Figura 3b), que supone una capa de nubes blancas de espesor constante y una atmósfera de turbidez constante, por lo tanto su distribución de luminancias es:

Cielo parcialmente despejado: con presencia estacional del sol alternada por períodos de nubosidad variable (climas templado húmedo y cálido húmedo), la iluminancia en una superficie horizontal exterior no obstruida bajo este tipo de cielos, puede variar entre 100.000 lux (sin nubes) y 10.000 lux (con nubes interceptando el sol). Este tipo de cielo es el más difícil de predecir por la enorme variabilidad que puede presentar y por lo tanto no se dispone de un modelo especifico simple.
Un cielo claro: definido por la CIBSE -Estandarización Británica- como un cielo no obstruido por nubes y por la IESNA -Estandarización Norteamericana- como un cielo obstruido en un porcentaje menor al 30%. En todos los casos se trata de una bóveda celeste donde el sol no está obstruido por las nubes. Su relación de luminancias es de 1 en el horizonte a 0,5 en el cenit (Figura 4)

La ecuación de la distribución de luminancias del cielo claro es:

donde LZ es la luminancia del cenit, fi es el ángulo de altitud del punto considerado, k es la distancia angular de este punto desde el sol y ZEN es el ángulo cenital del sol.
Hay dos problemas al caracterizar de esta manera las distribuciones de luminancias de los cielos. Por una parte, hay innumerables distribuciones de cielos posibles y solo tres de ellas pueden ser descriptas por una fórmula matemática; por otra parte los valores de luminancia son determinados estadísticamente, con valores obtenidos como resultado de mediciones de varios años. A pesar de lo mencionado anteriormente, esta manera de caracterización es muy útil, ya que permite definir las condiciones de cielo ilustradas en las figuras 3 y 4. Las funciones sólo dan valores relativos, no absolutos, y muestran que:
Cuando el cielo está nublado, el cenit es tres veces más luminoso que el horizonte.
Si se considera un cielo uniforme a modo de simplificación para los cálculos, en este caso las luminancias provenientes del cielo “uniformemente nublado” son asumidas como isotrópicas (iguales independientemente de la dirección de donde provienen).
En un cielo claro la parte del cielo más brillante es la que se encuentra en el sol y en anillo que lo circula (circunsolar) y la más oscura (azul intenso) es la que se encuentra a 90° del sol; de esta manera, el horizonte puede ser más luminoso que el cenit en condiciones de cielo claro.
El tipo de cielo, y su correspondiente distribución de luminancias –claridad-, característico del lugar donde se emplazará una construcción, puede ser establecido con precisión mediante el análisis de la frecuencia de ocurrencia de cielo claro o con nubes a partir de los datos meteorológicos locales, pudiéndose completar la información respecto a la distribución de luminancias con mediciones locales de cielo (Pattini y otros, 1994).

Andrea Pattini