Interacción de la luz con las texturas y su efecto en el confort lumínico de los espacios arquitectónicos

Abstract

La arquitectura forma parte del avance de la sociedad, es el reflejo de la misma y enfoca todos sus elementos y técnicas al mejoramiento de la vida cotidiana del individuo. La luz por su parte, es un fenómeno primordial para la vida del hombre y su desarrollo integral, por tanto este fenómeno resulta trascendental para la arquitectura, es por ello que la optimización y el aprovechamiento de la luz en materia de arquitectura es un tema fundamental que se relaciona en gran medida con tópicos de sustentabilidad de las edificaciones. Partiendo del fenómeno de la luz en su carácter de longitud de onda y sus efectos en los espacios arquitectónicos, se inició esta investigación, citando algunos precedentes prehispánicos en Mesoamérica y el antiguo Egipto, al tenor de la importancia que la luz poseía para estas civilizaciones; tal como puede apreciarse en el interior del Observatorio de Xochicalco, construcción ubicada en el actual Estado de Morelos en México, edificación cuyas características constructivas fueron analizadas durante el desarrollo del presente trabajo de investigación; donde se observó y analizó la forma mediante la cual a través de una chimenea se captan los rayos del sol y se consigue iluminar el interior del mencionado complejo. Así que basados en el singular fenómeno que ahí ocurre y en el que se consigue la captación de los rayos del sol, aunado al estudio y aplicación de geometría solar, se desarrolló un modelo de análisis que permite captar los rayos del sol hacia una textura clasificada previamente, logrando obtener los coeficientes de reflexión de dicha superficie. La importancia de obtener los coeficientes de reflexión exactos para las texturas de los acabados, es comprobar de manera cuantitativa que la textura de los materiales afecta de manera directa la iluminación interna de un espacio arquitectónico y por ende, su respuesta de confort lumínico, esto significa que las texturas resultan ser un factor que incide en las necesidades óptimas de iluminación de los espacios arquitectónicos. Por lo anterior, y derivado de la presente investigación, se observa que dependerá de las diversas texturas de los materiales que se utilizan dentro de los espacios arquitectónicos, que se obtenga o no la respuesta de iluminación optima que se busca brindar al confort visual humano, terreno de investigación que se encuentra poco explorado como se observó durante la búsqueda en fuentes de información sobre el tema y que consecuentemente incide de forma indiscutible en la normatividad de construcción vigente, ya que la misma al día de hoy no toma en consideración estos valores de manera precisa, debido a que no existen tablas específicas con resultados fehacientes de coeficientes de reflexión de las texturas de materiales que se utilizan más frecuentemente dentro de los espacios arquitectónicos. Lo anterior puede constatarse si se pretende localizar información sobre dicho tópico de referencia en sitios de internet, revistas especializadas de arquitectura, artículos diverso, bibliotecas especializadas entre otros. De lo antepuesto, se deduce que los resultados obtenidos bien pudieran integrarse a un marco normativo de construcción, a fin de nutrir su contenido a través de la implementación de elementos que permitan el adecuado y armónico desarrollo de las actividades consuetudinarias del ser humano dentro de los espacios arquitectónicos en que se encuentra; mismas que podrían integrarse al RCDF (Reglamento de Construcciones para el Distrito Federal) y las correspondientes de las entidades federativas de la República Mexicana, así como las recomendaciones de otras guías de diseño arquitectónico con enfoque sustentable, ya que el modelo de análisis permite generar los resultados que funcionan de forma general por su naturaleza, tal y como se apreciará a lo largo de este trabajo de investigación. Además de que su implementación podría generar ahorros significativos de energía eléctrica, lo que se traduce en una evidente disminución de CO2 a la atmósfera. La fabricación del modelo de análisis con el que se realizó la experimentación (mismo que se describe y esquematiza en el tercer capítulo de la presente tesis), consistió en la construcción de un cubo de madera que posee un conducto a modo de chimenea obscura a través de la cual se elimina la luz del ambiente, por lo que el mencionado conducto recibe únicamente la longitud de onda proveniente del espectro luminiscente de las diversas fuentes lumínicas que se utilizan, canalizando dicha longitud de onda hacia una textura, para reflejarla hacia un sensor que medirá la cantidad de luz reflejada por cada textura. Ahora bien, para el momento en que el método de experimentación se enfocó en la captación de las longitudes de onda de los rayos del sol, el modelo de análisis se diseñó con dos transportadores que se alinean según la altura solar y el azimut, para ser orientados hacia los rayos incidentes directos del sol; destacando que a dicha alineación se llega por medio de los resultados obtenidos por el modelo matemático presentado en este trabajo de tesis. El modelo de análisis y las texturas, fueron probados en tres tipos de experimentos diseñados en esta investigación, los cuales tuvieron su principal variante en la fuente lumínica. Ahora bien, puntualizado que ha sido el hecho de la variante lumínica durante el proceso de experimentación, misma fue desde la simplicidad de un rayo rectilíneo uniforme hasta la proyección de los rayos paralelos recibidos en el Tierra y emitida por el sol; debe mencionarse que el registro de los resultados obtenidos en cada una de las tres etapas, arrojaron que la luz que proviene de diversas fuentes lumínicas se comporta de manera similar. Así, una vez concluida la fase experimental, y registrados los valores obtenidos; se prosiguió a hacer un ordenamiento de dichos resultados, para posteriormente concluir con la óptima comprobación de lo que en un inicio se enunció como hipótesis, es decir, que la iluminación es afectada por la textura, y sus efectos dependen del valor reflectivo de cada superficie, el cual puede medirse mediante un modelo de análisis, por lo que dicha afectación provoca que existan variaciones en los cálculos de las lámparas a utilizar en un espacio y en consecuencia sobre el confort lumínico de éste; por lo que la adecuada aplicación de los resultados obtenidos de la experimentación, tendría como resultado un menor consumo de energía eléctrica, menor cantidad de CO2 arrojado a la atmosfera (Mirillón, 2012), menos costo de instalación, así como la reducción de los costos del servicio, situación que puede comprobarse mediante la aplicación del método de lumen y el software lumenlux. Mediante la comparación de la aplicación de los mencionados métodos, y a través de la aplicación de los coeficientes de reflexión que se obtuvieron de la experimentación realizada durante la presente investigación, se retoman datos de investigaciones sobre el consumo energético que dicen que al reducir 1 lámpara de una carga nominal de 80 Watts en un espacio arquitectónico, se dejan de emitir 82 Kg de Co2 al año (Iturriaga, 2009). Si lo anterior se transporta a un ejercicio numérico, en donde se establece como premisa mayor a manera de estimación, que toda vivienda de la Ciudad de México mantiene encendido un foco con una carga eléctrica de 80 Watts durante 8 horas al día; éste generará 82 Kg de Co2 al año, lo que puede traducirse en la siguiente estimación anual: Si para el año 2010 el número de viviendas en el Distrito Federal, era de 2 millones 312 mil 839 viviendas según el INEGI (Instituto Nacional de Estadística, Geografía e Informática), y este número se multiplica por los 82 Kg de Co2 que arroja anualmente un foco a la atmosfera según el estudio realizado por el Ing. Carlos Álvarez, el resultado indica que mantener encendido durante un año un foco de 80 Watts durante 8 horas en cada vivienda de la Ciudad de México, finalmente culmina despidiendo 189 millones 652 mil 798 Kg de Co2 a la atmósfera, tan sólo en el Distrito Federal, destacando que únicamente se están considerando las viviendas (Reyes, 1990) y no así otro tipo de edificaciones. Ahora bien, manteniendo la misma premisa ejemplificativa que se bien manejando, traduciendo la misma a un aspecto económico, y tomando en consideración únicamente el costo monetario que representa dejar un foco de 80 Watts encendido por 8 horas en cada vivienda de la Ciudad de México, tomando como parámetro el costo del servicio de luz eléctrica que la CFE (Comisión Federal de Electricidad) cobró durante el segundo semestre del año 2012 el ejercicio estimativo numérico arrojaría los siguientes datos: Un foco de 80 Watts encendido durante 8 horas genera 640 Whr, por lo que de multiplicar los 0.640 Kwhr por $0.743 (formula pesos/Kwhr) CFE (Comisión Federal de Electricidad) obtenemos como resultado un costo de 48 centavos por día, mismos que multiplicamos por los 365 días del año, arroja un costo anual total de $173.56 al año por cada foco de 80 Watts que se mantiene encendido durante 8 horas. Ahora bien, si el costo anual total que genera dicho foco por cada vivienda se multiplica por el número de viviendas existentes en el Distrito federal que es de 2 millones 312 mil 839 según el último censo de población del INEGI (Instituto Nacional de Estadística Geografía e Informática) el costo final anual derivado de un sólo foco de más de 80 Watts encendido durante 8 horas en cada vivienda de la Ciudad nos da un total de 401 millones 427 mil 438 pesos, mismos que pudieran invertirse en casi 900 viviendas.

The architecture is part of the progress of society, is a reflection of it and focuses all its elements and techniques to improve the daily life of the individual. The light on the other hand, is a phenomenon central to the life of man and his integral development, so this phenomenon is crucial for architecture, which is why the optimization and the use of light in architecture is a fundamental issue that relates largely topical sustainability of buildings. Starting from the phenomenon of light in his capacity wavelength and its impact on the architectural spaces, this research began, citing some precedents in Prehispanic Mesoamerica and ancient Egypt, the tenor of the importance of light for these civilizations possessed; as can be seen inside the Observatory of Xochicalco, construction located in the modern state of Morelos in Mexico, building construction characteristics were analyzed during the course of this research, which was observed and analyzed the way in which through a chimney capture sunlight and manages to illuminate the interior of said complex. So based on the singular phenomenon that occurs there and is achieved in capturing the sun's rays, coupled with the study and application of solar geometry, developed an analytical model that can capture the sun's rays into a texture classified previously, obtaining the coefficients of reflection of said surface. The importance of obtaining accurate reflection coefficients for the textures of the finish is to quantitatively check the texture of materials directly affects the internal lighting of an architectural space and thus their response lighting comfort, this means the textures happen to be a factor in optimal lighting needs of architectural spaces. Therefore, and based on this investigation, it is observed that depend on the different textures of the materials used in architectural spaces is obtained or not lighting response that seeks to provide optimal visual comfort human field of research that is largely unexplored as observed during the search of information sources on the subject and consequently impinges undisputed current building regulations, as the same to this day does not consider these values precisely because there are no specific tables with reliable results of reflection coefficients of the textures of materials that you use often within architectural spaces. This can be seen if we are to locate information on the topic of reference websites, architectural journals, articles, diverse, specialized libraries and others From the prefix, it follows that good results could be integrated into building a regulatory framework in order to nurture their content through the implementation of elements to the proper and harmonious development of the customary activities of human beings within architectural spaces that is, the same could be integrated RCDF (Building Code for the Federal District) and corresponding to the states of Mexico, as well as recommendations of other architectural design guides sustainable approach because the analysis model can generate results that work general in nature, as will be seen throughout this research. Besides that its implementation could generate significant savings of electricity, resulting in a clear reduction of CO2 to the atmosphere. The production model analysis was performed with the experimentation (same as described and outlined in the third chapter of this thesis), involved the construction of a wooden bucket that has a fireplace as a conduit through dark which eliminates ambient light, so that only said conduit receives from the wavelength of luminescent spectrum of different light sources are used, channeling said wavelength toward a texture, to reflect it towards a sensor measure the amount of light reflected by each texture. However, for the moment the experimental method focused on capturing wavelengths of sunlight, the analysis model was designed with two conveyors which are aligned according to the sun height and azimuth, to be oriented direct solar incident rays, stressing that such alignment is reached by means of the results obtained by the mathematical model presented in this thesis. The analysis model and textures, were tested in three experiments designed in this research, which had its main variant in the light source. But it has been pointed out the fact the light variation during the process of experimentation, it was from the simplicity of a uniform linear beam to the projection of parallel rays in the Earth received and emitted by the sun, it should be mentioned that the recording the results obtained in each of the three stages, showed that the light from different light sources behave similarly. Thus, once the pilot phase, and recorded the values obtained, it went on to make an array of these results, later concluding the optimal check what was stated initially hypothesized, namely that the lighting is affected by the texture, and their effects depend on the value of each reflective surface, which can be measured by a model of analysis, so that there is affected causes variations in lighting calculations for use in space and consequently on the lighting comfort of it, for what the proper application of the results of experimentation, would result in lower energy consumption, less CO2 released into the atmosphere (Mirillón, 2012 :), less installation cost, and reducing service costs, a situation which can be verified by applying the method and software lumenlux lumen. By comparing the application of such methods, and through the application of the reflection coefficients were obtained from the experiments conducted during this investigation, takes up research data on energy consumption by reducing that say one lamp 80 Watts nominal load in an architectural space, will stop emitting 82 Kg of CO2 per year (Iturriaga, 2009). If the above is transported to a numerical exercise, which states as major premise to estimate how that all housing in Mexico City with a focus remains on an electrical charge of 80 Watts for 8 hours a day, it will generate 82 Kg of CO2 per year, which may result in the following annual estimate: If by 2010 the number of households in the Federal District, was 2 million 312 thousand 839 houses according to the INEGI (National Institute of Statistics, Geography and Informatics), and this number is multiplied by 82 kg of Co2 annually yielding focus to the atmosphere according to research conducted by Carlos Alvarez, the result indicates that power for a year to maintain a focus of 80 Watts for 8 hours in each house of Mexico City, culminating finally dismissing 189 000 000 652 000 798 kg CO2 into the atmosphere, only in Mexico, noting that only the houses are being considered (Reyes, 1990) and other buildings as well. Now, keeping the same premise that good exemplary handling, translating it to an economic aspect, and taking into consideration only the monetary cost that represents a focus of 80 Watts leave on for 8 hours in each house of Mexico City, taking as parameter the cost of electricity service to the CFE (Federal Electricity Commission) took over the second half of 2012 the estimated numerical exercise yield the following data: A focus on for 8 hours 80 Watts generates 640 Whr, so multiply the 0.640 Kwhr for $ 0743 (formula weights / kWhr) CFE (Federal Electricity Commission) as a result we get a cost of 48 cents per day, multiplied by the same 365 days a year, resulting in a total annual cost of $ 173.56 per year for each 80 Watts bulb that stays on for 8 hours. However, if the total annual cost per bulb generates said housing is multiplied by the number of dwellings in the Federal District is 2 million 312 000 839 according to the latest census by the INEGI (National Institute of Statistics, Geography and Computing) derived annual final cost of a only 80 Watts bulb lit for more than eight hours in each house of the City gives us a total of 401 million 427 thousand 438 pesos, same that could be invested in almost 900 homes.