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CONDUCCIÓN DE LUZ NATURAL EN AULAS DE LA BIBLIOTECA MUNICIPAL DEL MASNOU INSTALACIÓN PILOTO DEMOSTRATIVA COMBINANDO EL EMPLEO DE LUZ NATURAL Y ARTIFICIAL Don Ramón SAN MARTIN Don Rafael SERRA FLORENSA UNIVERSDAD POLITECNICA DE CATALUÑA

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entro de las estrategias de sostenibilidad, la utilización de Luz Natural - fuente energética renovable y gratuita - para la iluminación de espacios interiores presenta un indudable interés, ya sea como elemento único para crear las condiciones visuales adecuadas, o bien en combinación con el alumbrado artificial, cuando los horarios de uso o las condiciones constructivas lo hacen necesario.

La instalación realizada en la Biblioteca Municipal de el Masnou ha respondido a una EXPERIENCIA PILOTO, planteada por la DIPUTACIÓN DE BARCELONA, con el fin de explorar la viabilidad e interés de aplicación de este tipo de sistemas a edificios e instalaciones de carácter municipal. Se trataba en este caso de la iluminación de dos Aulas que, debido a su ubicación en la zona central de la planta de la biblioteca resultaban espacios total-

mente cerrados y carentes de cualquier aportaciónde luz exterior. Aunque sus dimensiones totales son relativamente reducidas) su utilización es intensa por lo que se estimo que resultaba un caso adecuado para la experimentación. El estudio y diseño del sistema, así como la posterior ejecución de la instalación, fue encargado a un equipo de la UNIVERSIDAD POLITECNICA DE CATALUÑA, dirigido por los profesores que firman este articulo, y en su desarrollo han colaborado las empresas OSRAM S.A. equipos de iluminación, regulación y control- y ESPACIO CONSTRUCTIVO, INGENIEROS - fabricación e instalación los sistemas de captación de luz natural El sistema utilizado para el aprovechamiento de la luz natural han sido los CONDUCTOS SOLARES que, a partir de un elemento captor de luz, situado en la azotea del edificio, transmiten por reflexión la luz solar hasta el interior de las Aulas.

Figura 3

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PROYECTOS En horas o días de insolación reducida, la iluminación se complementa con la aportación de luz artificial, pero solamente en la proporción necesaria para cubrir el déficit de luz natural. El sistema se autorregula automáticamente a nivel de iluminación constante en periodos de iluminación natural exclusiva, compartida con una proporción variable de luz artificial, o, lógicamente, iluminación artificial exclusiva en los periodos de uso nocturno.

PROCESO DE DISEÑO Ha seguido tres fases diferenciadas: a) Planteamiento de alternativas y simulación informática de funcionamiento

- Disminuir las pérdidas de transformación Iimitando el número de reflexiones necesarias a lo largo del conducto. Los diferentes diseños resultantes han sido objeto de un estudio informático a través de un programa de simulación que permite reproducir el recorrido de la radiación y analizar en diversas condiciones el total de luz captada y el número de reflexiones necesarias para su transmisión. Un ejemplo puede apreciarse en la figura 1. De esta forma, se han podido conocer las limitaciones de las soluciones planteadas y estudiar correcciones que mejorasen sus prestaciones.

A partir de consideraciones geométricas se han establecido diversas alternativas basadas en los siguientes condicionantes: - Maximizar la captación de radiación solar tomando en consideración las diferentes posibilidades en cuanto a ángulos de incidencia y composición relativa entre radiación directa y difusa.

ALTURA DEL SOL 25º AZIMUT: 180º

b) Construcción de maquetas a escala, ensayos y medición de resultados. Los diseños resultantes del proceso ante-

ALTURA DEL SOL 48º AZIMUT: 180º

ALTURA DEL SOL 72º AZIMUT: 180º

rior dieron lugar a la construcción de maquetas a escala, alguna de las cuales puede verse en la figura 2. Las maquetas fueron ensayadas en diferentes condiciones de iluminación, comprobando así su funcionamiento y pudiendo efectuarse mediciones comparativas que permitieron establecer respectivos grados de adecuación. b) Construcción de prototipo a escala, natural, medición y correcciones.

A partir del diseño juzgado más adecuado en la fase anterior, se procedió a la construcción de una maqueta a escala natural, la cual fue ensayada en condiciones similares a la implantación real, tal como puede verse en la figura 3. Estos ensayos efectuados en diferentes

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Figura 4

condiciones de inclinación y difusión de luz solar, permitían ya una medición luxométrica representativa de la transmisión total y distribución de iluminación. Los resultados iniciales fueron objeto de diferentes correcciones, tanto en la geometría del elemento captor, como en las características del recubrimiento reflectante interior al conducto, optimizando así su funcionamiento.

minimiza por la direccionalidad de la radiación y la absorción por las características del revestimiento interior.

Difusor Elemento o distribuidor de luz en el interior a iluminar. Su configuración es variable en función de las características del espacio a iluminar. La figura 4 define esquemáticamente el sistema y su implantación.

DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA

ALUMBRADO ARTIFICIAL

La solución definitivamente adoptada se basa en un elemento cilíndrico de diámetro 350 mm. y longitud variable en función de las necesidades concretas de cada implantación. El sistema está compuesto de tres elementos principales:

Para atender las necesidades de uso nocturno o las deficiencias de nivel lumínico en horas de baja insolación, se ha diseñado la aplicación de un sistema de alumbrado artificial con regulación contínua compuesto de los siguientes elementos: lluminación mediante lámparas fluorescentes alimentadas a alta frecuencia (OSRAM-LUMINLUX PLUS). Equipos auxiliares de tecnología electrónica con posibilidad de regulación entre el 1 y el 100%. (QUICKTRONIC DIM)

Captor Cúpula con geometría prismática en su exterior y dotada en el interior de elementos reflectantes. La superficie captora es de 0,066 m2 y su diseño permite reflejar la radiación proveniente de diversas orientaciones en dirección al eje del conducto. El diseño se ha optimizado para las condiciones de invierno con el fin de compensar la menor radiación propia de esta época.

Conducto Cilindro del diámetro indicado recubierto en su interior de una película altamente reflectante. El número de reflexiones se

Sensor de luz ambiente con medición por célula fotoeléctrica (HF DIM MICO), Circuito de control a bajo voltaje. El nivel de iluminación deseado puede fijarse inicialmente, en la fase de dimensionado del sistema, aunque también puede variarse posteriormente siempre que entre dentro de las posibilidades técnicas del diseño.

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En el funcionamiento, mientras la iluminación natural proporcionada por los conductos supere el nivel establecido, la iluminación eléctrica permanece inactiva. Si el uso de los espacios se prolonga hasta el momento en que la iluminación natural resulta insuficiente, el sensor activa el funcionamiento del alumbrado artificial, pero únicamente con la potencia necesaria para cubrir la carencia de nivel. Este proceso de regulación continúa hasta el momento en que la luz natural se anula, confiando entonces enteramente la iluminación del espacio al alumbrado artificial.

En los ensayos realizados, se comprobó que la eficacia del nuevo sistema, dotado de balastos de alta frecuencia, resultaba un 30% superior a la de la instalación existente. Ello permitió reducir al 50% la potencia instalada manteniendo un nivel de iluminación adecuado al uso de las aulas. Figura 6 Figura 5

EJECUCIÓN DE LA OBRA La construcción de los elementos captores y su implantación en obra, se llevó a cabo durante el último trimestre de 1999. Aunque en un principio se habían previsto doce elementos, las necesidades de adaptación a la estructura constructiva del edificio obligaron a reducir su número a cinco en cada Aula. En las fotografías de 5 a 10 puede observarse el aspecto final de la instalación, tanto en la terraza del edificio como las luminarias y difusores interiores. Los resultados lumínicos, tanto en la apreciación de los observadores como en las mediciones efectuadas, han demostrado su adecuación y han satisfecho las expectativas planteadas.

CONCLUSIONES De todo el desarrollo del estudio y los trabajos de instalación, así como del seguimiento y mediciones efectuados, pueden derivarse las siguientes CONCLUSIONES.

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Figura 7

FACTIBILIDAD DE APLICACIÓN

APORTACIÓN DE LUZ NATURAL

Ni la producción de los elementos del sistema, ni su puesta en obra, han presentado dificultades especiales. La instalación es claramente replicable en condiciones similares, y puede pensarse para futuras aplicaciones en el desarrollo de sistemas estandarizados y la utilización de materiales más económicos.

A pesar de haberse realizado las pruebas durante el mes de Febrero) de insolación natural reducida, y en un dia con intervalos nubosos, las fotografias y mediciones demuestran una aportación abundante que permite el uso de los espacios sin necesidad de luz natural en las horas y días de elevada insolación exterior, y reduce apreciablemente su necesidad cuando esta disminuye.

SISTEMA DE REGULALIZACIÓN DE LUZ ARTIFICIAL

Figura 8

Se han utilizado sistemas de mercado, concretamente de la marca OSRAM. Su instalación y manejo no presenta dificultades y el funcionamiento es correcto. Puede señalarse además, que los sistemas de alta frecuencia utilizados incrementan la eficacia lumínica, lo cual ha permitido reducir al 50% la potencia eléctrica instalada.

AMBIENTE LUMÍNICO Las condiciones de iluminación tanto cuando se utiliza exclusivamente la luz exterior, como cuando se combina con la luz artificial, son muy adecuadas y aparte de ello crean un ambiente de luz natural más agradable que el existente anteriormente, calificado por algunos usuarios como "claustrofóbico".

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Figura 9

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Los datos disponibles no permiten establecer una cuantificación, la cual puede depender en gran parte del régimen horario de uso y de los niveles básicos de prestación que establezca el usuario. Como mínimo debe señalarse una primera disminución del consumo energético al 50%, basada en la mayor eficiencia del nuevo sistema de alumbrado artificial.

En lo que se refiere al ahorro por aportación de luz natural, puede observarse, como ejemplo orientativo, el GRÁFICO adjunto correspondiente a la jornada de mediciones. A pesar de que las condiciones resultaron relativamente desfavorable, el consumo de energía entre periodos con aportación exclusivamente de luz natural, y períodos con aportación reducida de luz artificial se redujo al 50%. Sumando ambos componentes, se alcanza por lo tanto, una reducción total del 75% de la demanda energética de la instalación. Puede concluirse, en definitiva, que LA EXPERIENCIA PILOTO HA DEMOSTRADO LA VIABILIDAD, ADECUACIÓN E INTERÉS DEL SISTEMA DE APORTACIÓN DE LUZ NATURAL, ASÍ COMO SU POTENCIALIDAD PARA GENERAR AHORROS ENERGÉTICOS SIGNIFICATIVOS. Figura 10

ILUMINACIÓN NATURAL EN LAS AULAS

Nivel de Iluminación recomendado Nivel de Iluminación

0,4 0,3

Consumo de luz artificial

0,2 0,1

La natural aprovechable

0 10h

11h

12h

13h

14h

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15h

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Horas del día