Acondicionamiento lumínico de espacios: impacto de los sistemas de control solar en la temperatura de color.

Villalba, Ayelén

Laboratorio de Ambiente Humano y Vivienda (LAHV) / INCIHUSA CONICET CCT Mendoza / Av. Ruiz Leal s/n, Parque Gral. San Martín /

(5500) Mendoza, Argentina

+54 261 5244334 / avillalba@mendoza-conicet.gob.ar

Monteoliva, Juan Manuel

Laboratorio de Ambiente Humano y Vivienda (LAHV) / INCIHUSA CONICET CCT Mendoza / Av. Ruiz Leal s/n, Parque Gral. San Martín /

(5500) Mendoza, Argentina

+54 261 5244334 / jmonteoliva@mendoza-conicet.gob.ar

Pattini, Andrea

Laboratorio de Ambiente Humano y Vivienda (LAHV) / INCIHUSA CONICET CCT Mendoza / Av. Ruiz Leal s/n, Parque Gral. San Martín / (5500) Mendoza, Argentina

+54 261 5244220 / apattini@mendoza-conicet.gob.ar

ABSTRACT

La temperatura de color es un aspecto de habitual preocupación en el estudio de situaciones de fuentes de iluminación artificial, debido a que éstas presentan bajos índices de reproducción del color (IRC) en relación a la radiación solar. Sin embargo, cuando anteponemos un sistema de control solar a una ventana (ej. filtro solar), se generan diferencias de color en el espacio. Éstas son causadas por la modificación que estos elementos producen al absorber o reflejar gran parte de la radiación incidente, modificando la respuesta espectral de la radiación solar. Este trabajo estudia los cambios generados en la temperatura de color correlacionada (TCC), a partir del empleo de distintos sistemas de control solar: cortinas textiles interiores con variaciones en el material de confección y filtros de control solar de distintas características ópticas. La metodología empleada es mediciones de TCC - colorímetro KONICA-MINOLTA CS100-, a diferentes horarios en modelo a escala con ventana unilateral, para diferentes orientaciones. Asimismo analiza el impacto de los sistemas de control solar en la TCC en función de las orientaciones. Los resultados mostraron diferencias de temperatura de color de hasta 6267°K para distintos sistemas de control en una misma hora y orientación; como así también de hasta 4211°K para un mismo sistema en diferentes orientaciones. Estos resultados ponen en manifiesto que, al momento de proyectar un espacio, deben tenerse en cuenta las modificaciones que generan los sistemas de control solar en relación a la TCC, contemplando la sensibilidad espectral del ojo humano y las preferencias de los usuarios.

Palabras clave

Temperatura de color correlacionada, sistemas de control solar, iluminación natural.

INTRODUCCIÓN

Boyce (2003) afirma que la luz en un espacio se puede considerar en tres dimensiones: la cantidad, el espectro y la distribución. Asimismo sostiene que la iluminación natural tiene un elevado índice de reproducción del color (IRC) por lo que no distorsiona la percepción del color de los objetos. Sin embargo cuando esta se refleja a partir de una superficie interior o cuando es transmitida a través de un vidrio altamente saturado en su croma se distorsiona el espectro (Boyce, 2003). Koster (2004) y Baker (1993) coinciden en que cuando la radiación solar atraviesa un aventamiento esta se ve afectada en su composición espectral por la interferencia del vidrio, en particular si se trata de vidrios con tratamientos de color. Sin embargo, la impresión visual de la iluminación en un interior no solo depende de los elementos traslucidos o transparentes sino también del color de las superficies interiores (Koster, 2004).

Las modificaciones en la TCC[1] de un espacio usualmente no generan beneficios significantes en relación al rendimiento visual en tareas acromáticas o visualmente sencillas. Sin embargo en aquellas labores que involucran discriminación del color con elevada precisión o que se encuentran cercanas al umbral visual el espectro de la luz es de fundamental importancia (Boyce, 2003; Thron, 2010). No obstante la iluminación natural tiene mayor posibilidad de maximizar el desempeño visual, en relación a las fuentes de iluminación artificial, ya que generalmente se entrega en grandes cantidades con un espectro que asegura la correcta reproducción del color (Boyce, 2003).

Otros autores como Sareedeelert (2008) sostienen en sus estudios, que los sujetos prefieren bajos niveles de iluminancia (150-200lux) con luz cálida, sin embargo con iguales niveles de iluminancia, la iluminación fría tienden a dar la impresión de que es más brillante que la luz cálida. Además, en estudios previos de percepción en iluminación natural los autores detectan que las modificaciones provocadas por sistemas de control solar, tales como tratamientos superficiales del vidriado o films, son claramente percibidas por los sujetos en relación a lo “natural” o “artificial” que luce la coloración de los objetos y el ambiente donde se colocan (Villalba et al, 2011).

Es de fundamental importancia tener en cuenta que la percepción de la TCC de un ambiente puede estar influenciada por otros factores ambientales tales como la temperatura ambiente. Nakamura (2003) en sus estudios de TCC establece que para temperaturas ambientales inferiores a la temperatura de confort térmico, existe una marcada preferencia hacia los ambientes con TCC más bajas, es decir ambientes de color cálido, situación que se invierte para el caso de condiciones térmicas elevadas.

En la actualidad los espacios de trabajo son pensados usualmente como una representación simbólica de la imagen de una institución y la manera de reflejar un significado en una sociedad moderna. El vidrio es un material que tiene esta noción de simbolización porque posee cualidades que se ajustan a los pensamientos de la sociedad moderna (Al-Sallal, 2006). A este concepto no escapa la ciudad de Mendoza, en la cual desde su reconstrucción en la década del 1860, luego del terremoto, las nuevas construcciones han respondido en el área metropolitana a la imagen de internacionalidad, con fachadas que en el tiempo han aumentado progresivamente la superficie de vidrio de sus envolventes. Lo anterior, sumado al clima luminoso de Mendoza, ha llevado a los proyectistas a sombrear estas

[1] La temperatura de color correlacionada (TCC) es una especificación de la apariencia del color de la luz emitida por una fuente, relacionando su color al color de la luz de una fuente de referencia cuando se calienta a una temperatura particular, medida en grados Kelvin (K). Cabe aclarar que frente a la escala de temperatura se denominan cálidas aquellas fuentes que presentan una calificación por debajo de los 3200K y frías a aquellas que presentan una temperatura de color correlacionada por encima de los 4000K (CCT, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, 2013).

importantes fachadas vidriadas (Villalba, 2010). El tratamiento de las fachadas, que como resultado de la traza urbana de damero se disponen hacia orientaciones diferentes, es de fundamental importancia en lo que a TCC se refiere; debido a que la misma está asociada a la orientación, es decir a la posición del sol (altitud, azimut).

Si tenemos en cuenta que el modo en que ingresa la iluminación en un espacio interior tiene una significante influencia sobre el estado de la mente y la psicología de las personas (Koster, 2004). Y que el potencial de ahorro energético que puede ofrecer un aventanamiento, por disminución de electricidad para iluminar el interior de un espacio, se basa en la correcta elección del mismo (Villalba et al, 2012). Siendo uno de los aspectos fundamentales de esta elección la temperatura de color, que como resultado de la conjunción de la fuente y los sistemas de control solar[2] permitirán o no la adecuada reproducción del color del ambiente y sus elementos. El presente trabajo estudia los cambios generados en la temperatura de color correlacionada (TCC)  de un  espacio interior, a partir del empleo de distintos sistemas de control solar: cortinas textiles interiores con variaciones en el material de confección y filtros de control solar de distintas características ópticas.

Los sistemas de control solar (SCS) analizados en este estudio se seleccionaron basándose en trabajos previos de los autores, donde se determina cuales aparecen con mayor frecuencia en edificios no residenciales de la ciudad de Mendoza. Dicho estudio arrojó como resultado que los SCS que se presentan con mayor periodicidad en las fachadas de la planta baja de los edificios son los aleros (31%), las cortinas textiles interiores (11%), los filtros de control solar (23%) y los ploters (12%). Mientras que en los niveles superiores son más frecuentes las cortinas textiles interiores (23%), venecianas horizontales interiores (8%) y los filtros de control solar (23%) (Villalba et al, 2012). Para este estudio se seleccionaron los filtros de control solar y las cortinas textiles interiores, debido a que estos elementos se presentan con elevada frecuencia en los dos escenarios y provocan significantes modificaciones en la temperatura de color de los espacios interiores.

METODOLOGÍA

La metodología empleada para este estudio se basó en la medición de la TCC en un modelo a escala (1:20) de un espacio de 5mts x 9mts x 2.80mts (45m2) con aventanamiento unilateral de 1,5mts x 7,5mts (11,25m2) (figura 1). La fuente iluminante empleada fue la radiación solar del mes de mayo. Los registros de las coordenadas cromáticas x, y, Y se efectuaron con un colorímetro KONICA-MINOLTA CS100. Dichos registros se consumaron a la 9:00, 11:00, 13:00 y 15:00 horas para cada una de las diferentes orientaciones (norte, sur, este y oeste).

(Fig. 1) Esquema del modelo a escala en el cual se efectuaron las mediciones de TCC. (Fig. 2) Muestras de los textiles analizados: wall blanco, jackard beige, tropical beige, tropical gris.

Sobre la ventana se posicionaron cada una de las muestras (distintos sistemas de control solar) para cada una de las orientaciones y horarios indicados anteriormente. Los valores de coordenadas cromáticas (x, y, Y) correspondientes al triángulo de la CIE (Espacio Cromático CIE, 1931) (figura 4) se transformaron a

[2] Dispositivos especialmente diseñados para admitir y/o controlar el paso de luz solar a través de un aventanamiento (Baker, 1993).

valores de temperatura de color correlacionada (K) (figura 3) mediante el Algoritmo de Mc Camy (Hernández-Andrés, 1999):

TCC [K]=a.n3 + b.n2 - c.n+d

Donde n=(x-xe) / (y-ye), xe=0,332, ye=0,1858. a=-449, b=3525, c=6823.3 y d=5520.33 son constantes. La ecuación de Mc Camy ajusta correctamente para valores de TCC comprendidos entre 2000 – 12500K (Hernández-Andrés, 1999).

(Fig. 3) Escala de temperatura de color correlacionada.

(Fig. 4) Espacio Cromático de la CIE.

En la siguiente tabla (tabla 1) se detallan el vidrio, los filtros (Optics. Versión 5.1 ) y los textiles seleccionados para su estudio, con sus respectivas propiedades ópticas: transmitancia (T), reflectancia anterior (Ra) y reflectancia posterior (Rp).

Corporation

Tropical

Desconocido

RESULTADOS

Los resultados de la medición indican que a las 9:00 horas en la orientación este (tabla 2) se registran las TCC más bajas de la jornada, en promedio 5426K, valorsimilar a luz natural emitida por el sol en cielo abierto a medio día. Asimismo seobserva que las TCC más elevadas se detectaron entre las 11:00 y las 15:00 horas para la orientación sur (tabla 2). Los registros de TCC más elevadas (14205K) se manifiestan en el escenario que no presenta ningún tipo de sistema de control solar en el aventanamiento a las 11:00 y 15:00 horas orientación sur, seguido por el espacio que presenta filtro p18ar a las 13:00 horas para la misma orientación. Mientras que las más bajas (4535K) se detectaron a las 9:00 horas en el escenario de tropical gris orientación este. Los resultados muestran diferencias de TCC de valores incluso superiores a los 6000°K para distintos sistemas de control en una misma hora y orientación (ejemplo, tropical gris y filtro p18ar a las 13:00 horas en orientación sur); como así también diferencias superiores a los 4000°K para un mismo sistema en diferentes orientaciones, ej. p18ar a las 13:00 hs. al sur y el mismo SCS a las 9:00 hs. en el este.

(Tabla 2)TCC de cada uno de los sistemas de control solar por hora y orientación.

Focalizando el análisis por orientación, detectamos que en la disposición norte no existen grandes diferencias entre las TCC de los distintos SCS para un mismo horario, siendo máxima esta diferencia a la 15:00 horas (2867 K) entre el espacio que presenta filtro p18ar y el que exhibe el textil tropical gris. Los valores de TCC que se registraron se encuentran entre los 4000K (fluorescente fría) y 8000K (iluminación solar en un día con neblina) (figura 5). Existe una marcada tendencia de los filtros de control solar, en la orientación norte, a presentar valores ligeramente más elevados (más fríos) que los detectados cuando no se emplea ningún sistema de control solar. Por el contrario los ambientes con textiles tienden a presentar valores levemente menores (neutros) al escenario sin sistema de control solar. Asimismo vemos que las variaciones que producen los sistemas de control solar analizados para la orientación norte a lo largo de la jornada son mínimas, en promedio de un 5%. Siendo máximas para el tropical gris (7%) y mínimas para el filtro fxst20 (2%) (tabla 3).

16000

TCC para orientación Norte

14000

12000

10000

8000

6000

4000

2000

sin SCS vidrio tropical gris

tropical beige w all

jackard t18 met t35

t20

0n9 n11 n13 n15(Fig. 5) Gráfico de línea: TCC para la orientación norte a las 9, 11, 13 y 15 horas.

(Tabla 3) Estadísticos para los valores de TCC orientación norte: σ (desviación estándar), mediaaritmética, CV (coeficiente de variación).

En la orientación sur se detectaron importantes diferencias entre las TCC de cada uno de los sistemas de control solar (figura 6). Se observa que la diferencia más significativa (7011K), al igual que en la orientación norte, se produce a las 13:00 horas entre el escenario de textil tropical gris y de filtro de control solar p18ar. Los ambientes con textiles, a excepción del wall, se mantienen en valores de TCC que van aproximadamente de los 5000K a los 6000K, cercanos a los que presentaban los SCS para la orientación norte. Sin embargo el espacio con textil wall –textil de mayor transmitancia- aumenta su TCC en esta orientación para todos los horarios registrados, en aproximadamente 2000K. El panorama para los escenarios con filtros de control solar es notoriamente distinto al que se registró para la orientación norte, toman valores de TCC de entre 8000 (iluminación solar en un día con neblina) y 12000K (temperatura de color del cielo despejado) a partir de las 11 horas, siendo cercanos a los 5000K a las 9:00 horas. Resulta particularmente significante la modificación de 3290K (promedio) que se genera en los escenarios con filtro entre las 9:00 y las 11:00 horas. Si bien los escenarios con filtro presentan TCC elevadas (frías), es la ambiente sin ningún tipo de SCS la que, para esta orientación, presenta valores más elevados de TCC (entre los 10000 y los 14000K).

Asimismo observamos que los textiles siguen sosteniendo una variación en su TCC a lo largo del día en promedio de 0.05, mientras que los filtros aumentaron su coeficiente de variación a un promedio de 0.18 (tabla 4).

16000

14000

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

TCC para orientación Sur

s9 s11 s13 s15

sin SCS vidrio tropical gris

tropical beige w all

jackard t18 met t35

t20(Fig. 6) Gráfico de línea: TCC para la orientación sur a las 9, 11, 13 y 15 horas.

(Tabla 4) Estadísticos para los valores de TCC orientación sur: σ (desviación estándar), mediaaritmética, CV (coeficiente de variación).

Resulta pertinente aclarar que los registros fueron recopilados de acuerdo a la hora estándar, es por esto que las orientaciones este-oeste se presentan como simétricas con el eje a las 13:30 horas (correspondiente al medio día solar). Esto se debe a que en la ubicación geográfica (-32.890278°, -68.847222°) donde seefectuaron las mediciones existe un defasaje de una hora treinta minutos entre la hora estándar y la hora solar.

Se observa que para la orientación este, y simétricamente para el oeste, se genera un aumento gradual de la TCC a lo largo de la jornada hasta el mediodía solar (figura 7). A partir de esta hora la fachada este presenta como fuentes de iluminación natural la luz difusa de la bóveda celeste y la reflejada del entorno, presentado por esto un comportamiento muy similar al de la orientación sur. Esto se repite pero de manera opuesta para la orientación oeste. Los valores de TCC de los distintos escenarios para esta orientación oscilan entre los 4700 y los 8700K, se advierte que los SCS atenúan el aumento en la temperatura de color que se produce hacia las horas del medio día en las que el aporte de la radiación solar directa disminuye de manera significativa por la posición del sol (azimut, altitud). De manera más puntual observamos que los ambientes con filtros de control solar presenta TCC más elevadas (más frías) que los textiles.

Del análisis del coeficiente de variación podemos reafirmar lo descrito anteriormente en relación a la fuerte variación (41%) en la TCC que presenta el espacio cuando no se interpone ningún sistema de control solar. Dicha variación disminuye cuando se interponen un sistema de control solar, de manera más significativa para el caso de los textiles que en promedio varían un 9% (entre 4700 y 7200K), mientras que los filtros presenta una variación de un 14% oscilando entre valores de TCC de 5700 y 8700K (tabla 5).

16000

14000

12000

10000

8000

6000

4000

2000

0

TCC para orientación Este

e9 e11 e13

sin SCS vidrio tropical gris

tropical beige w all

jackard t18 met t35

t20(Fig. 7) Gráfico de línea: TCC para la orientación este a las 9, 11 y 13 horas.

(Tabla 5) Estadísticos para los valores de TCC orientación este: σ (desviación estándar), mediaaritmética, CV (coeficiente de variación).

Para cada uno de los escenarios en los que registró TCC se tomaron fotografías. A continuación se exponen agrupadas según correspondan al valor más elevado de TCC (figuras 9) o al inferior (figuras 8). Las modificaciones en el color del espacio que se perciben con facilidad en las imágenes amplían los horizontes del estudio de TCC-sistema de control solar hacia el ámbito de la percepción. Es por esto que en futuros estudios se plantea la necesidad de registrar tomas fotográficas con balance de blanco y exposición controladas, para luego poder hacer estudios de percepción de color en el espacio a partir de imágenes fotográficas (Yun, 2011).

(Fig. 8) Fotografías de los escenarios con la mínima TCC: tropical gris, tropical beige, wall, jackard, vidrio,filtro p18ar, filtro fxst35, filtro fxst20.

(Fig. 9) Fotografías de los escenarios con la máxima TCC: tropical gris, tropical beige, wall, jackard, vidrio,filtro p18ar, filtro fxst35, filtro fxst20.

CONCLUSIONES

En los climas soleados los espacios interiores con ventanas en la envolvente edilicia siempre presentan sistemas de control de la luz natural. Los resultados de este estudio ponen de manifiesto que, al momento de proyectar un espacio, deben tenerse en cuenta las modificaciones que generan estos sistemas de control solar en relación a la TCC. Resulta evidente del análisis realizado que los sistemas de control solar tienen un fuerte impacto sobre la TCC, en general detectamos que los ambientes cuyas ventanas con textiles presentan TCC menores que los que se protegen con filtros, una diferencia promedio de 2000K. A su vez, se observa que los textiles dan mayor estabilidad en la TCC a distintas horas del día, que los filtros de control solar. Sin embargo éstos atenúan las modificaciones de la TCC que se presentan si no se coloca ningún sistema de control solar, de manera significativa, en los casos en los que la radiación recibida es la radiación difusa de la bóveda celeste, orientación sur y este en la tarde y oeste en la mañana.

Asimismo resulta de fundamental importancia contemplar las variaciones en los comportamientos, en la relación a la TCC, de los distintos SCS según la orientación de la abertura. Son los escenarios con filtros de control solar los que con mayor énfasis reflejan las modificaciones de los aporte radiactivos en el espectro visible, con una variación promedio de 2300K entre la orientación norte y la sur en un mismo horario. Siendo esta variación para el caso de los textiles de tan solo 650K.

Los resultados de análisis expuesto en este trabajo pueden ser de fundamental importancia para la ambientación natural interior de espacios de uso diurno. Dada la creciente crisis energética que enfrentan los países y teniendo en cuenta que los edificios no residenciales son grandes consumidores de energía eléctrica, lailuminación natural es un recurso disponible que puede contribuir a disminuir estos consumos. Por esto resulta de interés conocer el efecto de los sistemas de control solar sobre la TCC para generar un determinado efecto de coloración de la luz ambiental, que frecuentemente se genera con fuentes de iluminación artificial.

Como ya se mencionó anteriormente resta completar este estudio con estudios subjetivos de percepción y preferencia de los usuarios, de acuerdo a las distintas actividades que se realizan en un espacio; recreación, tareas con elevadas exigencias de rendimiento visual o con detallada diferenciación de color.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Instituto de Luz, Ambiente y Visión, CONICET- Universidad Nacional de Tucumán por el equipamiento facilitado para este trabajo.

Este trabajo fue financiado con los proyectos:

- PICTO ENARGAS 2009-0133: Desarrollo y Estudio de Comportamiento Energético de Precisión de Carpinterías Exteriores y Elementos de Control Solar de Bajo Costo.

FONCYT, Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica, Argentina; y

- PIP 0133 CONICET: Barreras que Obstaculizan el Uso De Iluminación Natural en el Hábitat Construido. Identificación y Propuestas de Superación en Climas Soleados.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

• 1. AlSallal, K. A. (2006). Easing high brightness and contrast glare problems in universal space design studios in the UAE: Real models testing. Renewable Energy 31: 617–630.
• 2. Baker N.V, Franchiotti A., Steemers K.A. (1993). Daylighting in Architecture: A European Reference Book. James and James (Science Publishers) Ltd., UK.
• 3. Boyce, P., Hunter, C., Howlett, O. (2003). The Benefits of Daylight through Windows.New York: Lighting Research Center. Rensselaer Polytechnic Institute.
• 4. Correlated Colour Temperature, Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic                                        Institute.                                        (2013)

http://www.lrc.rpi.edu/education/learning/terminology/cct.asp. Disponible en 01/03/2013.

• 5. Espacio Cromático CIE (1931).
• 6. HernandezAndres, J., Lee, R. L., Romero, J. (1999). Calculating correlated color temperatures across  the entire gamut of daylight and skylight chromaticities. Applied optics, 38(27), 57035709.

7. Köster, H. (2004). Dynamic Daylighting Architecture: Basics, Systems, Projects.

Basel: Birkhäuser.

• 8. Nakamura, H. (2003). Influence of color temperature on preference of atmosphere, and air temperature. PublicationsCommission Internationale De L Eclairage CIE, 153, 3126.
• 9. Optics. Versión 5.1 (Maintenance Pack 2). Internacional Glazing Database  Nº: 14.0. Windows & Daylighting Group Building Technologies Program Environmental Energy Technologies Department Lawrence Berkeley National Laboratory Berkeley.
• 10. Sareedeelert, W., Chuntamara, C. (2008). Preference of Light Distributions and Colour Temperature in Residential Interiors Between Two Age Groups. International conference, School of Architecture and Design, King Mongkut’s University of Technology Thonburi.
• 11. Thorn.  (2010)  Brighter  Pupils.  The  applicaction  of  lighting  in  Education http://www.thornlighting.com/holding/microsites/education_microsite_uk/l... ucation.html . Disponible en 01/03/2013.
• 12. Villalba, A., Monteoliva, J., Pattini, A., Yamín, J. (2011). Filtros de control solar sobre superficies vidriadas. Evaluación lumínica mediante métricas dinámicas y preferencia de usuarios. Energías Renovables y Medio Ambiente. ISSN 0328 932X.Vol. 28, 2736. INENCO, Salta.
• 13. Villalba, A. (2010). Control de luz solar directa en la envolvente edilicia en climas soleados. Su impacto en el consumo diurno de energía  eléctrica para iluminación en edificios no residenciales de ciudad oasis. Beca Doctoral Tipo I. CONICET. LAHVINCIHUSA, CCT CONICET Mendoza.
• 14. Villalba, A., Monteoliva, J. M., Pattini, A. (2012). Determinación de transmitancia visible de textiles utilizados en cortinas interiores. XIX Simposio Peruano de Energía Solar (XIX SPES), Asociación Peruana de Energía Solar y del Ambiente. Puno.
• 15. Villalba, A., Pattini, A., Córica, L. (2012). Diagnóstico morfológico descriptivo de las envolventes según su interacción con el clima luminoso. Ambiente Construido. ISSN 14158876. Rio Grande do Sul, Brasil.
• 16. Yun, G.Y., Shin, J.Y., Kim, J.T. (2011) Influence of window views on the subjective evaluation of discomfort glare. Indoor Built Environment, 20(1):137– 147.