Comunicación presentada al II Congreso Edificios Inteligentes:
Autor
- Albert López Crespo, Arquitecto, SOMFY
Resumen
La luz juega un papel vital en nuestra vida. Ilumina nuestro entorno, levanta nuestro ánimo, aporta energía adicional e incluso equilibra nuestro organismo biológico. La luz natural es fundamental en nuestro hogar y lugar de trabajo. La tendencia en el diseño de Edificios de Consumo Casi Nulo (EECN) o Nearly Zero Energy Buildings (NZEB) es crear espacios sostenibles que aportan calidad de vida sin desperdiciar recursos. Las personas prefieren trabajar en espacios iluminados con luz natural con vistas al exterior para mantenerse en contacto con el entorno. La luz natural es una fuente de iluminación totalmente gratuita, pero también tiene sus desventajas debido a que la radicación solar puede hacer que los reflejos no deseados en las pantallas de ordenador además de incrementar el deslumbramiento por excesiva iluminación, y también aumentar las temperaturas que reducen los niveles de confort.
Más luz natural
Control de la luz natural
En verano, la oficina está inundada de luz y de calor generados por la incidencia excesiva de la radiación solar en el interior del edificio. La consecuencia es el notable aumento de la temperatura ambiental de hasta 9ºC respecto de una estancia en sombra. No sólo durante los meses de verano hay un aumento de las temperaturas, también empieza ya en primavera y se alarga durante parte del otoño. Para mantener el edificio en unas condiciones óptimas de luz natural y temperatura pero evitando la radiación necesitamos un control solar mediante protecciones solares (lamas, persianas, toldos, cortinas, etc.) que actúen como un filtro dinámico para conseguir la luz natural óptima y reducir la radiación para bajar la temperatura interior. Controlando y gestionando las lamas o persianas se controla la radiación solar dejando sólo pasar la luz natural que necesitamos. La iluminación artificial sólo será necesaria cuando la luz natural ya no sea suficiente y se irá incrementando de forma automática. También el sistema de climatización se regulará en función de la temperatura, manteniendo los niveles de luz y temperatura en equilibrio.
Las Fachadas Dinámicas aprovechan la luz natural tanto como sea posible para incrementar las vistas al exterior pero preservando la intimidad de los espacios interiores. Esta relación exterior-interior ha de ser flexible en función de las necesidades del usuario. Las condiciones fuera de la oficina son completamente variables ya que dependen del tiempo meteorológico con diferentes niveles de luz y temperaturas exterior, época del año y el ángulo del sol. Por ese motivo la Fachada Dinámica se comunica continuamente con el exterior mediante sensores y controles que mejoran el confort visual y térmico de los ocupantes, de esta forma se optimiza y se mejora el rendimiento global de la energía, incluso la del edificio y reduce notablemente las emisiones de CO2 respetando el medioambiente. Véase figura 1.
Proponemos incorporar el concepto «Fachada Dinámica» en los proyectos de arquitectura e ingeniería. La fachada es el primer control energético del edificio que mejora el confort lumínico y térmico de los usuarios al incrementar la iluminación natural reduciendo el consumo de luz artificial y climatización. Con el control solar reducimos el consumo de energía en el edificio y respeto por el medio ambiente contribuyendo a la reducción de las emisiones de CO2 para conseguir edificios de Consumo Casi Nulo.
La Fachada Dinámica también respeta la arquitectura de la fachada ya que es invisible cuando no es necesaria y además de ser flexible a los posibles cambios de uso del edificio en el futuro. El diseño de los edificios de energía casi nula o también denominados NZEB (Nearly Zero Energy Building) deberán incluir que las fachadas optimicen la luz natural tanto como sea posible para aumentar el confort interior además de preservar las vistas al exterior que la gente encuentra tan atractivo. Aunque al mismo tiempo la solución de la fachada también debe proporcionar un control de la radiación solar y el deslumbramiento para mejorar los niveles de confort para utilizar dichos espacios. Proyectar espacios optimizando la luz natural además reduce al mínimo la demanda y el consumo de energía.
¿Hasta dónde llega la luz natural?
Existe una relación directa entre la altura de la ventana y la profundidad que llega la luz natural dentro de los edificios o viviendas. Aproximadamente es 3 veces la altura. Por lo tanto, con ventanas estándares en viviendas de 2,1 metros de altura, la profundidad de luz natural que puede iluminar hasta 6 metros dentro de la estancia. A partir de dicha distancia respecto de la fachada habrá que encender la luz artificial. En los edificios que hay huecos de 3 metros de altura, la distancia puede llegar a los 9 metros dentro del espacio interior. Para poder disponer de luz natural siempre en los edificios la profundidad máxima no debería sobrepasar los 9 metros para que gran parte del día podamos utilizar el edificio sólo con luz natural. Véase figura 2.
Los patios de luces interiores son una óptima opción de incrementar la luz natural ya usados en la arquitectura tradicional para iluminar las zonas interiores de los edificios y viviendas. Con los patios interiores podemos construir espacios sólo iluminados con luz natural además de ayudar en la ventilación natural que reduce las temperaturas interiores de los espacios. La mejor solución para conseguir Edificios de Consumo Casi Nulo (EECN) o Nearly Zero Energy Buildings (NZEB) es la que la iluminación y climatización están apagados aprovechando los recursos naturales que son gratuitos.
Otro factor que puede ayudar es la reflexión de la luz a través de las lamas de control solar que incrementa la distancia al reflejar con el falso techo y podemos llegar a distancias superiores. El Arquitecto alemán Alfred Schelenz en la revista Ray arquitectura de 2010 ya explicaba un diseño de lama horizontal en forma de “ala de gaviota” que podía incrementar la distancia según el grado de inclinación de la radiación solar. Este tipo de innovación en las lamas permite conseguir iluminar hasta 10-11 metros de profundidad siempre y cuando el techo sea blanco y liso. Véase figura 3.
Control del deslumbramiento
Conseguir un buen confort lumínico con una luminosidad óptima para el uso de la estancia es fundamental para poder trabajar, descansar o realizar otro tipo de tareas. Cada uso requiere diferente luminosidad en el plano o mesa de trabajo de trabajo siendo 200 luxes el mínimo y 2.000 luxes el máximo para un quirófano. Entre estos 2 valores estará el valor óptimo en función del uso y necesidades del usuario. Consideramos que también en cada hora del día pueden variar las necesidades y por lo tanto el usuario debería poder ajustarlo o bien que de forma automática se ajuste a unas necesidades ya programadas previamente por el usuario.
En realidad los ojos del observador no perciben la luz que incide sobre una superficie sino la luz que está reflejada en su dirección, cuya medida es conocida con el nombre de luminancia. Las diferencias de luminancias de diferentes superficies u objetos, son las que nos permiten distinguir visualmente unos de otros. El nivel de iluminación no es suficiente para asegurar el confort visual de una tarea. Es preciso además mantener un equilibrio entre la luminancia del objeto y las correspondientes a las diferentes superficies incluidas dentro del campo visual. Debería evitarse las Luminancias demasiadas elevadas ya que producen deslumbramientos, los contrastes de luminancia demasiado altos causarán fatiga debido a la readaptación constante de los ojos y evitar las luminancias demasiado bajas producen amiente de trabajo monótono y no estimulante.
Se consideran aceptables las relaciones entre el plano de trabajo y los alrededores inmediatos en 1-3-10. (UNE-EN 12462 – 1:2003. El confort lumínico está relacionado con el control del deslumbramiento o excesiva entrada de radiación solar dentro de la estancia. Es tan importante tener luz natural como no tener radiación solar en el lugar de trabajo. Para poder evaluar este factor es importante conocer la regla de distribución confort visual 1-3-10. Es la proporción de luz que hay que tener en las 3 partes fundamentales de una estancia. Véase figura 4.
- Plano de trabajo. Proporción 1
- Ambiental Proporción 3
- Plano de Fachada Proporción 10
Es decir si tenemos 500 luxes en el plano de trabajo, en el ambiente no debería haber más de 1.500 luxes y en el plano de ventana 5.000 luxes. La iluminancia del sol sobre un plano de trabajo es de 100.000 luxes. La iluminación se puede medir en varias unidades pero hemos de saber qué dato queremos conocer para poder dimensionar la iluminación de la estancia. Hay diferentes unidades y cada una de ellas tiene una función para saber el grado de intensidad de la luz que recibimos si es en los ojos o plano de trabajo. Véase figura 5A.
También la regla de control de deslumbramiento la empresa Hunter Douglas realizó un estudio dónde se puede comprobar la Luminancia que reciben nuestros ojos en cd/m2. Los lugares de trabajo o en viviendas con ventanas cerca deberíamos controlar la distribución de la luminancia para evitar deslumbramientos y fatigas visuales. Hunter Douglas publicó esta termografía visual donde se puede comprobar la diferencia entre instalar control solar o no instalarlo en las ventanas. Sin control solar podemos llegar hasta las 10.000 cd/m2 y con control solar estamos en 500 cd/m2. De ahí la importancia cuando tengamos datos saber en qué unidades estamos comparando. Véase figura 5B.
Control Dinámico
Dar una respuesta eficiente a las necesidades antes planteadas requiere innovar a la hora de proyectar la fachada. La fachada tradicional pasiva no puede ofrecer esas prestaciones y proponemos innovar con una fachada dinámica para conseguir ese equilibrio entre luz natural necesaria sin radicación solar, equilibrio entre las vistas hacia el exterior respetando la intimidad pero sin deslumbramientos además de incluir el ahorro energía. La presencia o no en el edificio de las personas captada por los sensores que actúan para optimizar el confort lumínico y térmico en el caso de ocupación y optimizar el ahorro en el caso de no presencia.
La fachada actúa en cada momento buscando la mejor opción. Subiendo y bajando las protecciones solares que bloquean la radiación del sol y el calor solar pero dejando entrar la luz natural para evitar encender las luminarias. La iluminación artificial se incrementa automáticamente a medida que la luz natural desaparece al llegar la noche y el sistema de refrigeración se sincroniza también, manteniendo los niveles de luz y temperatura en equilibrio de 300-500 luxes y 21 -26ºC. Refrigerar una estancia es 3 veces más caro que calentarla. Por lo tanto evitar que entre el calor en una oficina tiene un ahorro muy importante ya que no hay que enfriar la estancia. Una oficina con control solar exterior puede reducir entre 6 y 9ºC la temperatura exterior. Si modificar cada grado de temperatura es un consumo de un 5 a 7% más de energía obtenemos un notable ahorro además de evitar deslumbramientos y mejorar la productividad de los usuarios.
La Productividad
Otro caso en Danish Technical University que realiza una gráfica entre la temperatura interior y la productividad. A partir de 25ºC la productividad empieza a bajar y pasados los 32ºC baja hasta en un 50%. Por lo tanto los edificios deberían mantenerse entre los 21 y 26ºC donde está el mayor confort térmico que coincide con el RITE (Reglamento de Instalaciones Térmicas de los edificios) y con la máxima productividad de las personas. La conclusión final a este estudio refleja que las empresas deberían diseñar sus oficinas teniendo en cuenta los factores descritos, haciendo que los empleados tengan luz natural en el puesto de trabajo para de esta forma garantizar una actitud activa y positiva en el desempeño de sus funciones y, de la misma forma, mejorar su calidad de vida. Véase figura 6.
La fachada dinámica
Los nuevos edificios inteligentes en 2016 deberían dar una respuesta a las necesidades antes enumeradas. Proponemos la fachada dinámica como una solución innovadora para conseguir los requisitos lumínicos y térmicos en el interior de los edificios. Además la envolvente es el primer control energético del edificio. Las fachadas actuales o tradicionales se han adaptado al lugar y al entorno arquitectónico aunque respecto al clima del lugar son fachadas estacionales y sólo dan una respuesta correcta en verano o en invierno a las necesidades del usuario en función de las condiciones climatológicas. Los nuevos edificios de consumo casi nulo o NZEB necesitan algo más que una fachada estacional. Proponemos la Fachada Dinámica con una respuesta inmediata (minuto a minuto) y que pueda dar el máximo confort y el mínimo consumo de energía en cada momento del día, según las necesidades del clima exterior y las necesidades del usuario (interior del edificio). Véase figura 7.
Sun Tracking
Con este sistema se garantiza el aprovechamiento máximo de la luz natural, controla los reflejos molestos y evitar la entrada directa de la radiación solar. El sistema permite el Control Solar del hueco de la fachada mediante el movimiento automático de la protección solar (lama o toldo) en función de la posición del sol y la situación geográfica del edificio. La función Sun Tracking calcula la posición del sol en cada momento y con los datos recogido por el Building Controller que posiciona la protección solar en punto óptimo para conseguir de forma automática la máxima luz natural en los edificios. El sistema intenta conseguir los 300-500 luxes en caso de oficina y 21ºC en invierno y 26ºC en Verano con presencia. Cuando el edificio está sin ocupar la protección solar se ubica en la posición de ahorro energético. Todos estos movimientos se realizan de forma automática debido a que una estación meteorológica calcula temperatura interior y exterior, radiación solar, viento, etc. Véase figura 8.
Shadow Management
Garantiza que las sombras arrojadas o proyectadas por los edificios o el mismo edificio no impidan la entrada de luz natural en nuestro edificio. El sistema permite el Control Solar del hueco respecto la sombra que proyecta los edificios próximos (incluso el propio) mediante el movimiento personalizado de la protección solar (lama o toldo) de cada hueco de la fachada. Dependiendo de la hora del día, época del año y de su localización, Un edifico puede verse afectado por las sombras que se le proyectan, ya sean por las edificaciones o estructuras colindantes, el propio edificio e incluso, elementos naturales, montañas.
El sistema Shadow Management es capaz de controlar individualmente cada una de las protecciones solares instaladas en cada ventana en función de las sombras proyectadas en las fachadas del edificio. Véase figura 9. El sistema de gestión de sombras, Shadow Management, se basa en la modelización del entorno y del propio edificio en 3D, para simular la influencia del sol y sombra en cada una de las ventanas de las diferentes fachadas. La información recopilada, se traspasa a una base de datos que nos permite integrarla al sistema de gestión del Edificio BMS (Building management System).
La Fachada Dinámica con la innovación de los últimos años ha incorporado 2 nuevos sistemas se complementan: Sun Tracking y Shadow Management para conseguir una fachada con el control solar integrado, invisible, flexible a los cambios e integrado en los sistemas de gestión del edificio. Los beneficios de la fachada dinámica son, optimizar la luz natural, reducir el uso de la luz artificial, asegurar el confort visual del ocupante, control de la fachada por zonas o ventas, contribuir al ahorro energético del edificio.