INTRODUCCIÓN

La ciudad de Maracaibo, por su ubicación: 10º40.5ˈ, latitud Norte, en los límites entre la zona ecuatorial y tropical, es la ciudad de Venezuela con mayor consumo de energía eléctrica; esto debido, entre otros aspectos, a la utilización de sistemas de acondicionamiento artificial como es el caso de los aires acondicionados e iluminación durante el período diurno, para lograr el confort en las edificaciones.

El sol, constituye la fuente principal de iluminación natural;   al   respecto,  resulta   relevante  señalar   que en  la  ciudad  de  Maracaibo, se  cuenta  con  una  gran disponibilidad de horas de sol durante los 365 días del año, lo que ha llegado a representar hasta 98,77%  de las horas al año (entre 2.000 y 3.000 horas promedio anuales); esto, según estudios realizados considerando los datos registrados en la Estación Meteorológica  de la Base Aérea General Rafael Urdaneta, Aeropuerto de Caujarito, por un periodo de 10 años (Quirós 1989); y lo cual, sigue evidenciándose  en  registros  más  recientes,  donde  se  ha alcanzado hasta un promedio anual aproximado de 3.284 horas de sol, según cifras del Instituto Nacional de Meteorología e Hidrología (INAMEH 2011).

La luz natural, entra a los espacios por medio de las aberturas; ya sean estas, verticales (laterales) u horizontales (cenitales). Según Peinado (2006), para cualquier abertura, cuanto mayor sea la ganancia de luz natural menor será el consumo de energía eléctrica por sistema de iluminación  artificial;  por otro lado, cuanto mayor es la abertura, mayor será el consumo de energía eléctrica para acondicionamiento artificial del ambiente.

Es por ello, que para lograr las condiciones adecuadas para la realización de actividades, el diseñador deberá considerar,  tanto  la  componente  lumínica,  como  la componente térmica de la radiación solar; ya que, al estar asociada la luz natural, con la ganancia de calor al interior de los espacios, se hace poco probable el aprovechamiento de la iluminación natural por parte de los usuarios; puesto que, estos implementan la utilización de medios de protección, como toldos, persianas, cortinas, quiebrasoles, que disminuyen el nivel lumínico necesario para  desarrollar  las  actividades,  incrementándose  de igual manera el consumo de energía por el uso de la iluminación artificial durante el periodo diurno.

En el 2003, el Estado Venezolano evaluó el grado de inversiones que debía realizar a nivel de generación de energía para la demanda en el 2015 (de acuerdo a la proyección del requerimiento adicional de electricidad); resultando  en  la  realidad,  una  mayor  demanda,  que unida, a problemas de inversión y a la disminución del potencial  hidroeléctrico  producto del fenómeno de El  Niño, llevó en el año 2009 a la crisis eléctrica nacional. Situación, que dio inicio, a las resoluciones publicadas en el Decreto 6.992 de la Gaceta Oficial 39.298 de fecha  03/11/2009; con que el Estado impuso a los diferentes tipos de usuarios, tanto públicos como privados, medidas  necesarias para la reducción del consumo, entre las que aplican, regulaciones en iluminación, transporte, aire acondicionado y refrigeración (González  2013). En el caso de la iluminación, en el artículo 4, aparte H, de la resolución n° 77. 201° y 152 (de junio 2011); se expresa  que: se deben   “Ajustar los niveles de iluminación o  apagarlas en aquellas oficinas, instalaciones o áreas con suficiente iluminación natural, de acuerdo a las tareas realizadas en cada área, según la Norma COVENIN 2249:93  (1993)”, “Iluminación  en Tareas  y  áreas  de Trabajo” (MPPEE 2011).

Con respecto a esta medida, se puede decir, que lleva implícito dos aspectos: el primero, la utilización de la iluminación artificial solo como complemento de la natural; y el segundo, cuando los niveles de iluminación resulten suficientes, la utilización de la luz natural como fuente única de iluminación a través de las aberturas. Esto conlleva, a promover la realización de investigaciones que permitan conocer la disponibilidad de este recurso en las distintas localidades (registro de iluminación horizontal exterior); así como, evaluar y/o plantear alternativas de diseño de tipo pasivas que garanticen su uso; desde un punto de vista sustentable en las edificaciones, hacia la búsqueda de la “Eficiencia   energética”; donde, aparte de conseguir un ahorro de energía no se disminuyan las  condiciones de confort y calidad de vida de los usuarios.

Es por ello,  que en aras de contribuir  al área  de investigación de la iluminación natural, se planteó la evaluación  de  Componentes  de  Conducción  de  Luz  Natural como una alternativa que permita garantizar la iluminación necesaria para el desarrollo de las actividades con una menor ganancia de calor hacia el interior de los espacios; esto, al contar con una menor área de abertura expuesta a la radiación solar, durante el periodo diurno. Es importante señalar, que la información presentada en este trabajo, forma parte de una investigación titulada “La iluminación natural como recurso sustentable en clima cálido-húmedo”, cuyo objetivo es evaluar el rendimiento lumínico de componentes de conducción de luz natural con el propósito de determinar si la iluminación natural obtenida a través de los mismos, es suficiente para su utilización como fuente única de luz durante el periodo diurno o solo puede ser utilizada como complemento; sin que esto involucre la eliminación de las aberturas laterales con sus correspondientes funciones de ventilación y relación con el exterior, como es el caso de las visuales.

MATERIALES Y MÉTODOS Condiciones climáticas de referencia

La ciudad de Maracaibo, estado Zulia, Venezuela, que se ubica a los 10º40,5’ latitud norte y 71º37,3’ longitud oeste, posee clima cálido-húmedo; caracterizándose por temperaturas y humedades relativas que varían muy poco durante el año, siendo sus valores medios entre 27,9ºC a 31,2ºC (temperatura media: 29,6ºC) y de 71% a 83% (humedad relativa  media: 78%) respectivamente; con amplitudes de 5,2ºC a 7ºC. Durante el año, se observan dos períodos de viento bien definidos; el primero, con régimen de vientos alisios, en los meses de diciembre a abril, con velocidades medias de 3 a 5 m/s y el segundo, de mayo a noviembre, con vientos muy débiles, variables en dirección y velocidad, con predominio de tiempo de calma, especialmente entre 08:00 a.m. y 03:00 p.m.; siendo la precipitación anual promedio variable entre 450 y 550 mm y la radiación global media diaria de 4,2  KWh/m2  (González y González 2013).

Evaluación bajo condiciones de cielo real

La evaluación  se llevó  a cabo en el Sector  18 de Octubre, de la ciudad de Maracaibo,  estado Zulia, entre el 22 y el 29 de septiembre de 2014. Para  el mismo, se utilizaron en el interior de los modelos a escala, registradores de datos del tipo HOBO datalogger, que   permitieron   el   registro   simultáneo   de   temperatura interior (rango: -20°C a 70°C),  humedad relativa (rango:0 a 95%) y nivel lumínico (rango: 1 a 3000 lumen/ft2),así como también, el registro de la temperatura exterior con la utilización de un sensor adicional externo; para el registro de la iluminancia horizontal exterior, se utilizó un luxómetro digital T-10 Minolta  (rango: 0,01 - 299.000  lux), el cual se ubicó a 1,60 m sobre el nivel del piso para vitar las eventuales sombras.

Para la evaluación de los Componentes de Conducción de Luz Natural en relación al nivel de iluminación; se consideraron tres situaciones:

1.     Contribución lumínica a través del dispositivo, sin considerar la componente de reflexión interna en el espacio (superficies internas negro mate).

2.     Contribución  de la Componente de Reflexión Interna (C.R.I.) a través de los modelos con superficies internas blanco mate.

3.     Desempeño lumínico - térmico de los modelos con dispositivos de conducción de luz natural con respecto al modelo con abertura lateral.

Estimación del ahorro de energía

Para estimar el ahorro de energía por la utilización de Componentes de Conducción de Luz Natural, se estableció una comparación, entre el rendimiento lumínico obtenido a través del mismo, y el rendimiento lumínico   de  componentes  de  iluminación   artificial  (bombillos incandescentes y fluorescentes), con similar flujo lumínico (equivalentes entre sí); es decir, se utilizó como referencia el bombillo incandescente común de 60 vatios, con flujo lumínico promedio de 820 lúmenes y el bombillo fluorescente ahorrador de energía de 15 vatios, con flujo lumínico promedio de 810 lúmenes (Philips Lighting 2010-2011).

La metodología empleada, se basa en lo expresado por Ferrón et al. (2010). En la misma, se presentan tres partes:  A)  Determinación  del  rendimiento  lumínico del Componente de Conducción de Luz Natural; B) Determinación de la cantidad de energía eléctrica ahorrada y C) Comparación del rendimiento lumínico de los componentes (Fig. 4).

A)  Determinación  del  Rendimiento  Lumínico  del CCLN

Para  estimar  el  ahorro  producto de  la  utilización del Componente de Conducción de Luz Natural, fue necesario determinar el flujo lumínico de entrada a través del mismo; mediante la expresión:

φe = I _ext x S [1]

Donde:
φe = Flujo lumínico de entrada (lm)
I _ext= Iluminación horizontal exterior (Lux)
S = superficie de la boca de salida del componente (m2)

Una vez determinado el flujo de entrada se procedió a determinar el rendimiento lumínico; el cual, se expresa  como la relación entre el flujo emitido por el artefacto  respecto del flujo de la lámpara. Según Raitelli et al.  (2004), este parámetro se define para el caso de los  dispositivos en estudio, como el cociente entre el flujo luminoso emitido por el difusor y el flujo luminoso que ingresa al dispositivo [2].

η= φe / φe x 100 [2]

Donde:
η: Rendimiento lumínico (%).
φs: Flujo lumínico de salida (lm).
φe: Flujo lumínico de entrada (lm).

B) Determinación de la cantidad de energía eléctrica ahorrada
Para determinar la cantidad de energía eléctrica ahorrada, se realizó:

a) Determinación del consumo (KWh) de cada bombillo (incandescente y fluorescente) para un promedio de 10 horas diarias encendidos, durante el período de un año, partiendo de la expresión:

Para el 26 septiembre, el tipo de cielo presente en la localidad al momento de las mediciones, correspondió en un 75%, a cielo nublado (5 - 7 octas de nubosidad). Los valores obtenidos del Factor de Luz Diurna (F.L.D.) en el período de estudio se ubicaron entre 1,66%  y 3,21%, pudiéndose desarrollar tareas de reducida dificultad, siendo posible en un 75% del periodo, la realización de tareas de mediana dificultad. Con relación a los niveles de iluminación obtenidos sobre el plano de trabajo, en el período estudiado, los valores se situaron entre 863 lux y 3.583 lux (promedio: 2.274 lux), siendo posible las tareas y áreas de trabajo establecidas en la Norma COVENIN, en los puntos y de acuerdo a los niveles de iluminación indicados en: 1(A,B,C,), 2(A,B,C), 3(A,B,C), 4(A,B,C); 5(A,B); alcanzándose los niveles para lo indicado en 5(C), 6(A,B,C)  y  7(A,B),  cuando la  iluminación horizontal exterior se encontró entre 65.000 lux y 111.700 lux.

Para el 27 septiembre, el tipo de cielo presente en la localidad al momento de las mediciones, correspondió en un 80%,  a un cielo con nubosidad parcial (3 - 4 octas de nubosidad). Los valores obtenidos del Factor de Luz Diurna (F.L.D.) en el período de estudio se ubicaron entre 0,50%  y 8,27%,  pudiéndose desarrollar tareas de reducida y alta dificultad. Con relación a los niveles de iluminación obtenidos sobre el plano de trabajo, en el período estudiado, los valores se hallaron entre 509 lux y  10.079 lux (promedio: 4.025 lux), siendo posible las tareas y áreas de trabajo establecidas en la Norma COVENIN, en los puntos y de acuerdo a los niveles de iluminación indicados en: 1(A,B,C),  2(A,B,C),  3(A,B,C),  4(A,B,C);  5(A,B,C); 6(A,B,C) y 7(A,B,C); 8(A,B,C), cuando  la iluminación  horizontal exterior se encontró entre 116.700 lux y 121.900 lux.

Contribución de la Componente de Reflexión Interna (C.R.I.) a través de los modelos con superficies internas blanco mate

La experiencia se llevó  a cabo el 24 de septiembre. Para determinar la contribución de la Componente de Reflexión Interna (C.R.I.)  a la iluminación en el interior del espacio, se procedió a establecer la diferencia entre los valores obtenidos en el modelo con superficies negro mate (C.R.I. = 0) con respecto a los valores obtenidos en el modelo con superficies blanco mate (reflectancia = 85%);  observándose una contribución entre un 14% y 80% (Tabla 3).

Con respecto a los valores del Factor de Luz Diurna y nivel lumínico según normativa; se observó, que en el modelo con superficies blanco mate, los valores obtenidos de F.L.D. se ubicaron entre 0,6%  y 4,36%, alcanzándose el nivel  promedio para tareas de dificultad  reducida  y mediana en el período de 09:00 a.m. a 01:00 p.m.; con relación a los niveles de iluminación obtenidos sobre el plano de trabajo, en el período de 08:00 a.m. a 04:00 p.m., los valores se encontraron entre 99 lux y 4.971 lux (promedio: 1.573 lux); siendo posible las tareas y áreas de trabajo establecidas en la Norma COVENIN, en los puntos y de acuerdo a los niveles lumínicos indicados en: 1(A,B,C), 2(A,B,C), 3(A,B,C), 4(A,B); entre 08:00 a.m. y 02:00 p.m. 4(C), 5(A,B); entre 09:00 a.m. y 01:00 p.m. 5(C), 6(A) y entre 10:00 a.m. y 12:00 m. 6(B,C), y 7(A,B).

Desempeño lumínico - térmico de Componentes de Conducción de Luz Natural con respecto a la abertura lateral

El período de medición estuvo comprendido entre las  12:00 m. y la 01:37 p.m.; observándose, una diferencia entre  1  y 3  veces,  los  valores  de  iluminación  (Lux) obtenidos en el interior del espacio con abertura lateral, con respecto al modelo con Componente de Conducción de Luz Natural (Fig. 5).

En el modelo  con  la abertura lateral,  los  valores obtenidos del Factor de Luz Diurna (F.L.D.) en el período de estudio se ubicaron entre 1,07%  y 2,37%, pudiéndose desarrollar tareas de reducida dificultad, el nivel para la realización de tareas de mediana dificultad se obtuvo con los valores más bajos de iluminación horizontal exterior: 52.100 lux y 65.000 lux. Con relación a los niveles de iluminación obtenidos sobre el plano de trabajo, en el período estudiado, los valores se localizaron  entre 1.210 lux y 1.321 lux (promedio:  1.264 lux),  siendo posible las tareas y áreas de trabajo establecidas en la Norma COVENIN, en los  puntos y de acuerdo  a los  niveles de  iluminación   indicados   en:   1(A,B,C,); 2(A,B,C); 3(A,B,C); 4(A,B,C); 5(A,B,C) y 6(A).

Los valores obtenidos en el modelo con Componente de Conducción de Luz Natural, fueron referidos en el aparte correspondiente a la fecha: 26 de septiembre.

En lo que corresponde al desempeño térmico, en esta experiencia, la temperatura media del ambiente exterior (Tm (e)) y su amplitud (∆Te) resultaron de 35,7°C y 7,4°C respectivamente; observándose una temperatura media que supera el valor estadístico de referencia en la ciudad y una amplitud dentro del rango de referencia. Con estos valores, el  modelo con abertura lateral, presenta una diferencia sobre la temperatura media exterior de 1,9°C y una diferencia en la amplitud de 2,20°C;  el modelo con CCLN, presenta una diferencia sobre la temperatura  media exterior de 0,5°C,  y con respecto a la amplitud 1,00°C.  Con relación  a  las  temperaturas máximas  y  mínimas, el valor máximo en el modelo con abertura lateral superó el valor máximo exterior en 3,1°C  y el modelo con CCLN, lo superó en 0,9°C.  Con relación a los valores mínimos, el primer modelo se encuentra por encima del valor mínimo exterior 0,9°C  y el segundo modelo 0,2°C por debajo del valor mínimo exterior (Fig. 6).

En la Tabla  4, se presenta un resumen de las experiencias llevadas a cabo con dispositivos de conducción de luz natural.

Estimación del ahorro de energía

Con base en los niveles de flujo alcanzados por el dispositivo (CCLN), se puede establecer, a través de una comparación de consumos energéticos, cuál fue el ahorro de energía eléctrica destinada a iluminación que puede generar la utilización del dispositivo (Ferrón et al. 2010). En este caso, en la Tabla 5, se presentan los valores de flujo luminoso  de entrada obtenidos, para las distintas fechas de medición  (22, 24, 26 y 27 de septiembre), de acuerdo con los periodos horarios establecidos; y los cuales, fueron determinados a partir de los valores de Iluminación horizontal exterior (lux).

En la Tabla 6, se presentan valores de rendimiento lumínico obtenidos por la utilización de CCLN para dos de las fechas de estudio en un momento determinado; los cuales se tomaron como referencia para establecer a posterior la comparación con los componentes de iluminación artificial.

 Figura 6. Evolución  de la temperatura exterior y de los modelos con Abertura Lateral (Modelo 1) y con CCLN (Modelo2).

Tabla 4. Resumen de las experiencias llevadas a cabo con dispositivos de conducción de luz natural.