Edición N° 446 - Junio 2020

ESTRATEGIAS DE ILUMINACIÓN - LUZ NATURAL

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  El salón de la Casa Esherick en Filadelfia (Louis Kahn, 1961) dispone de ventanas altas que utilizan el techo y las paredes para difundir la luz natural mientras que una ventana estrecha proporciona vistas al jardín delantero.

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  Kahn resumió su interés por incluir el proyecto de iluminación natural desde los estudios iniciales del proyecto arquitectónico en este esquema donde dejó escrito “All spaces need natural light”.

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  El Museo Guggenheim de Nueva York (Wright, 1959) utiliza un atrio cubierto por una cúpula acristalada para conseguir luz natural difusa.

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  1- Lucernario 2- Linterna 3- Diente de sierra 4- Lucernario horizontal

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  El buen comportamiento del lucernario inclinado se incrementa en este caso con los planos inclinados que lo enmarcan y actúan como difusores de luz. Restaurante en Neukirch/Lausitz, Alemania. Barkow Leibinger, 2005.

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  Las claraboyas inclinadas hacia el norte o sur funcionan mejor que las horizontales porque recogen más luz en invierno y menos en verano.

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  Piscina en Villanueva de la Cañada (Madrid). Josemaría de Churtichaga y Cayetana de la Quadra-Salcedo, 2006.

La iluminación natural ha sido parte integrante de la arquitectura hasta la aparición de la luz artificial, que provocó en cierta medida que fuera relegada como elemento del proyecto. Sin embargo, la riqueza que aporta la luz natural a la arquitectura, unida a la necesidad de racionalizar el gasto energético de los edificios, la ha situado de nuevo en un lugar preferente a la hora de concebir el proyecto arquitectónico.

La iluminación natural se convirtió en un aspecto secundario de la arquitectura a partir de la segunda mitad del siglo XX, debido a la disponibilidad de fuentes de luz eléctrica eficientes, electricidad barata y abundante, y una supuesta superioridad de la iluminación eléctrica. Tal vez la ventaja más importante de la iluminación eléctrica fue, y todavía lo es, la facilidad y flexibilidad que proporciona para diseñar las plantas, y que permite a los arquitectos ignorar la situación de las ventanas. El suministro de luz natural adecuada en las zonas de trabajo puede ser todo un desafío dada su variabilidad. La luz artificial es mucho más simple. Ofrece luz constante que se puede cuantificar de forma sencilla. Pero también tiene desventajas.

La crisis energética obligó a reexaminar el potencial de la luz natural. Inicialmente se destacaron las implicaciones energéticas, aunque hoy la luz natural también se valora por sus posibilidades estéticas y su capacidad de satisfacer necesidades biológicas. Cerca de la mitad de la energía destinada a la iluminación de los edificios podría ahorrarse utilizando luz natural. Para algunos edificios, como oficinas, escuelas, bibliotecas y museos, el ahorro puede ser todavía mayor. Como en estos edificios la iluminación es el principal consumidor de energía, la luz natural reducirá significativamente la energía total consumida. Además la luz natural puede reducir la energía necesaria para calefacción y refrigeración porque puede ser más fría que la iluminación eléctrica en verano y permite el calentamiento pasivo del edificio en invierno.

Existe otro factor relacionado con la energía en el empleo de la iluminación natural que es generalmente el más importante en términos económicos. El mayor consumo de electricidad se produce habitualmente durante las tardes de verano soleadas, cuando el aire acondicionado trabaja a plena capacidad. El sol provoca el máximo consumo de refrigeración y al tiempo suministra un máximo de luz natural. En consecuencia, parte de la iluminación artificial, que consume alrededor del 40% de la energía total, es innecesaria. La demanda máxima de energía eléctrica puede, por tanto, reducirse hasta un 40% con un empleo adecuado de la iluminación natural. Gran parte del coste añadido originado por el proyecto de iluminación natural puede amortizarse con estas reducciones. Hoy la naturaleza dinámica de la iluminación natural es vista como una virtud en vez de un inconveniente. Los cambios, generalmente lentos y ocasionalmente drásticos, en la calidad e intensidad de la luz natural, pueden resultar estimulantes. Es una paradoja que los muros cortina completamente acristalados alcanzaran su mayor difusión en los años sesenta, época en la que no se empleaba la luz natural. Por tanto, el proyecto de iluminación natural no consiste en añadir ventanas a edificios carentes de ellas; en la mayor parte de los casos, no se requiere siquiera aumentar el área acristalada. Lo que un proyecto de iluminación natural exige es el diseño cuidadoso de los huecos para distribuir adecuadamente y con calidad la luz natural.

La naturaleza de la luz solar

La luz natural que atraviesa una ventana puede provenir de diversas fuentes: luz solar directa, cielo claro, nubes, o reflejos en el suelo y edificios cercanos. La luz de cada fuente varía no sólo en cantidad y carga térmica, sino también en cualidades como color, difusión y eficacia. Aunque las condiciones del cielo pueden ser infinitamente variables, es útil entender la luz natural desde las dos condiciones extremas: cielo cubierto y cielo despejado con luz solar. En la mayor parte de los climas hay suficientes días con estas dos condiciones de cielo como para que resulte necesario proyectar para ambas. Por otra parte, un proyecto de iluminación natural que funcione en ambas condiciones, funcionará también en las condiciones atmosféricas restantes. La claridad de un cielo cubierto es generalmente tres veces mayor en el cénit que en el horizonte. Aunque la iluminación en un día cubierto es relativamente baja (5.000-20.000 luxes), es de diez a quince veces superior a lo que se necesita en el interior. En un día despejado, la parte más luminosa del cielo, que está en la dirección del sol, tiene una claridad alrededor de diez veces más que la parte más oscura del cielo, que se encuentra a unos 90 grados del sol. Con cielo despejado, el nivel de iluminación es muy alto (60.000 a 100.000 luxes) o 100 a 200 veces por encima de los requerimientos para una buena iluminación interior. En tales circunstancias, las ventanas y lucernarios pueden ser muy pequeños. Además, el nivel de iluminación permanece elevado buena parte del día. Mientras la posición del sol cae desde su punto más alto al mediodía, la iluminación cambia muy poco al principio.

Así que durante bastantes horas en torno al mediodía, el nivel de iluminación natural permanece muy  elevado y bastante constante. La mayor dificultad con cielos despejados es la luz solar directa, al ser extremadamente brillante y cambiar continuamente de dirección. En consecuencia, para entender la iluminación con cielo despejado, es necesario entender también los movimientos diarios y estacionales del sol. Con cielos cubiertos, el reto principal para el diseñador es la cantidad, mientras que con cielos despejados el reto es la calidad. La luz natural de cielos despejados posee dos componentes: luz de cielo y luz solar directa. La primera es difusa y de baja claridad, mientras la segunda es muy direccional y de claridad extremadamente alta. Debido al potencial de deslumbramiento, al contraste excesivo entre niveles de claridad y al recalentamiento, en ocasiones se considera que la luz solar directa debería ser excluida del edificio. Es erróneo creer que la luz solar directa es apropiada únicamente como fuente de energía solar térmica. Aunque su eficacia luminosa es inferior a la luz de cielo, es comparable a la de las mejores fuentes eléctricas, y su reproducción de color es superior. Como la luz solar directa es una fuente de luz muy abundante y gratuita, debería emplearse en todo proyecto de iluminación natural. Con un proyecto adecuado, puede suministrar gran cantidad de luz natural de calidad.

Iluminación natural fría

En los edificios de climas templados que no requieren calefacción, es necesario acumular la luz natural más fría. La cantidad de calor que se introduce en un edificio depende de la cantidad de luz natural y de la fuente de la que proviene. Aproximadamente el 50% de la radiación solar se encuentra en la zona infrarroja del espectro electromagnético. Esta radiación penetra en un edificio a través del acristalamiento igual que la luz visible, pero no contribuye en absoluto a la iluminación natural. La luz proveniente de las nubes o el cielo azul tiene una proporción más pequeña de esta radiación infrarroja y, por consiguiente, tiene una eficacia más alta (lúmenes/vatio). La mayor parte de los materiales tiene la misma reflectancia para la luz infrarroja de onda corta que para la luz visible. Por ejemplo, la luz que llega a un lucernario reflejada por un tejado blanco, tiene la misma proporción de luz infrarroja de onda corta que tenía la luz solar original. Los vidrios tintados no son una buena elección para aprovechar la luz natural, ya que obstruyen tanto el paso de la luz como de las radiaciones infrarrojas, distorsionan el color de la luz (y las vistas) y se recalientan, provocando un aumento innecesario de la temperatura del edificio. Los vidrios reflectantes son sólo algo mejores: aunque no distorsionan el color ni recalientan el vidrio, reflejan tanto la luz como los rayos infrarrojos.

El vidrio absorbente de calor se desarrolló para filtrar más radiación infrarroja que luz. Sin embargo, el vidrio alcanza una temperatura excesivamente alta y gran parte de la radiación absorbida vuelve a emitirse hacia el interior. Su color verde también afecta a la visión del exterior. Lo que en realidad se necesita para conseguir una iluminación natural fría es un vidrio selectivo que refleje los infrarrojos pero no la parte visible de la luz natural.

El tipo de vidrio ideal filtra también la radiación ultravioleta (UV), responsable de la decoloración de alfombras, tejidos, material gráfico, pinturas o madera. Revestimientos especiales y películas aplicadas al vidrio pueden filtrar el 100% de la radiación ultravioleta. Por otra parte, es importante destacar que la luz visible (especialmente la azul) tiene un poder de decoloración equiparable a un tercio del de la radiación UV.

Los objetos delicados necesitan protegerse tanto de la radiación ultravioleta como de niveles altos de iluminación (por encima de los 150 luxes).

La transmisión visible (VT) es el factor que cuantifica la cantidad de luz visible que pasa a través del acristalamiento. Varía de 0,9 en un vidrio muy claro a menos de 0,1 en uno muy reflectante o tintado. Para conseguir luz natural fría, la VT debería ser elevada, mientras que la transmisión de la radiación infrarroja debería ser baja.

El coeficiente de ganancia térmica solar (SHGC) es un factor que cuantifica la radiación solar total (la visible y la infrarroja) que atraviesa el vidrio. Cuando se compara la VT con el SHGC, se puede predecir el gradode frialdad de la luz transmitida. La proporción entre ellas se denomina relación luz/ganancia solar (LSG). Cuanto más alta sea ésta, más fría resultará la luz. El vidrio tintado tiene una baja relación LSG porque filtra de forma similar la luz visible y el calor solar. Por otra parte, el cristal selectivo tiene una elevada LSG porque el calor solar es filtrado en mucha mayor medida que la luz.

Como regla general, para conseguir una iluminación natural fría, el factor de transmisión visible (VT) del vidrio debería ser mucho mayor que su coeficiente de ganancia térmica solar (SHGC).

Objetivos de la iluminación natural

Los objetivos relativos a la cantidad de la iluminación natural son conseguir la iluminación estrictamente necesaria en verano, que permita apagar la iluminación eléctrica, y captar en invierno el máximo de luz solar para ayudar a la demanda de calefacción. Con respecto a la calidad de la iluminación, los objetivos son: minimizar el deslumbramiento y los reflejos molestos, evitar los contrastes de claridad excesivos y lograr la iluminación más adecuada para el espacio considerado. Normalmente las ventanas tienen dificultades para alcanzar estos objetivos. Habitualmente el nivel de iluminación es insuficiente en la parte posterior de la habitación y más que suficiente junto a la ventana.

Por tanto, el primer objetivo es lograr llevar la luz a la zona más profunda del edificio, tanto para aumentar el nivel de iluminación en esa zona como para reducir las diferencias de nivel entre las distintas zonas de un espacio.

El segundo objetivo es reducir o evitar el deslumbramiento excesivo en ventanas sin protección y lucernarios.

Este deslumbramiento se agrava si las paredes adyacentes a las ventanas no están iluminadas, resultando, por tanto, bastante oscuras.

Si un haz de luz solar incide en un área de trabajo, se producirán unos contrastes de claridad excesivos e inaceptables. En consecuencia, el tercer objetivo es evitar este problema en torno a las áreas de tarea visual.

Aunque la luz que entra por las ventanas normalmente no ocasiona reflejos, debido a que el ángulo de entrada es bajo, la luz cenital sí puede producirlos. Por tanto, el cuarto objetivo es evitar o minimizar los reflejos, cuidando especialmente la iluminación proveniente de los lucernarios.

En la mayoría de los casos, la iluminación no debería ser demasiado directa porque produce sombras oscuras. Así pues, el quinto objetivo es difundir la luz mediante reflexiones múltiples en techo y paredes.

En zonas donde no es necesario cuidar la calidad visual, el efectismo que genera la luz solar directa puede ser un elemento valioso del proyecto.

Por consiguiente, el sexto objetivo, limitado a aquellos espacios sin necesidades visuales críticas, es utilizar todo el potencial estético de la luz solar directa. En general, en todos los espacios, la naturaleza dinámica de la luz natural debería verse más como un valor que como una desventaja.

Al contrario de lo que ocurre con la iluminación artificial, la iluminación natural no se puede añadir simplemente al edificio. Es parte fundamental del proyecto arquitectónico y debe estar presente desde la primera línea. La forma y la orientación son los dos aspectos más importantes en un proyecto de iluminación natural.

A continuación están las dimensiones de las ventanas y su localización.

Y finalmente, las particiones interiores, relevantes porque detienen la difusión de la luz, a menos que sean de vidrio.

Orientación. Debido a la utilidad de la luz solar directa, normalmente la orientación norte es la mejor en iluminación natural. La fachada norte de un edificio recibe luz solar con bastante regularidad a lo largo del día y del año. Esta luz solar adicional es especialmente bien recibida en invierno, cuando se agradece el calor que aporta.

Los mecanismos de control solar son también más efectivos en esta orientación.

La siguiente orientación más adecuada es la sur, por la constancia de la luz. Aunque la cantidad de la luz del sur es bastante baja, su calidad es alta, siempre que la luz blanca y fría resulte aceptable. Además no origina muchos problemas de deslumbramiento por luz solar directa.

En climas muy calurosos, la orientación sur es incluso preferible a la norte.

Las peores orientaciones son la este y la oeste. Reciben luz solar sólo durante la mitad del día, y además la luz es máxima durante el verano en vez de en invierno. Sin embargo, el peor inconveniente es la baja altura del sol de levante y poniente, que crea problemas de deslumbramiento y dificultades para protegerse de él.

Iluminación por cubierta. Excepto cuando se abre un patio de luz, solamente pueden disfrutar de huecos en cubierta los edificios de una planta y los pisos superiores en los edificios con más plantas. Los lucernarios horizontales ofrecen dos ventajas importantes: primero, proporcionan una iluminación muy uniforme en grandes áreas del interior, mientras que la iluminación natural obtenida con ventanas se limita a unos cuatro metros de profundi-dad. En segundo lugar, los huecos en un plano horizontal reciben mucha más luz que los situados en uno vertical. Sin embargo, las claraboyas presentan dos inconvenientes importantes: la intensidad de la luz es mayor en verano que en invierno, justo lo contrario de lo que se requiere, además, es difícil proteger de la luz solar los huecos en el plano horizontal. Por ello, en cubiertas suele resultar más adecuado abrir huecos en el plano vertical, en forma de lucernarios verticales o linternas.

Forma. La forma del edificio no sólo determina la existencia de huecos horizontales y verticales, sino también cuánta superficie en planta disfrutará de iluminación natural.

Generalmente, en los edificios en altura, una zona perimetral de 4,5 metros puede disponer de buena luz natural, y los 4,5 metros siguientes, de iluminación natural parcial.

El atrio de los edificios contemporáneos es por lo general un espacio cerrado con temperatura próxima a la del interior. Por tanto, los edificios con atrio son homogéneos desde el punto de vista térmico y tienen mucha exposición a la luz natural. La cantidad de luz disponible en la base del atrio depende de diversos factores: la traslucidez de la cubierta del atrio, la reflectancia de sus paramentos y la geometría del espacio (proporción profundi-dad/anchura). Cuando el atrio es demasiado pequeño para considerarse espacio útil, se denomina patio de luces. Los atrios pueden iluminarse mediante fachadas acristaladas y lucernarios horizontales y verticales.

Planificación del espacio. La planta libre es muy útil para hacer llegar la luz al interior. Las mamparas de cristal pueden proporcionar privacidad acústica sin bloquear la luz. Cuando se requiere también privacidad visual, pueden emplearse persianas venecianas o materiales traslúcidos, así como divisiones internas de vidrio por encima de la altura de los ojos.

En ocasiones las particiones deben ser resistentes al fuego, como las que limitan una vía de escape. En la actualidad están disponibles sistemas acristalados con una resistencia al fuego de dos horas.

Color. Se debe utilizar colores claros tanto en el interior como en el exterior para reflejar más luz hacia el interior del edificio y hacerla llegar lo más lejos posible. Las cubiertas de colores claros ayudan a incrementar la luz que captan los lucernarios.

Las ventanas adyacentes u opuestas a cerramientos de fachada de colores claros reciben mayor iluminación natural. Las fachadas claras son especialmente importantes en los núcleos urbanos para incrementar la disponibilidad de iluminación natural en los pisos inferiores y en las aceras.

Los interiores recubiertos con colores claros no sólo reflejarán la luz a mayor profundidad en el interior del edificio, sino que también la difundirán, reduciendo las sombras oscuras, el deslumbramiento y los contrastes de claridad excesivos. Las superficies reflectantes son, por orden de importancia, el techo, la pared del fondo, las paredes laterales, el suelo y el mobiliario. El techo debería tener el factor de reflexión más alto posible.

El suelo y el mobiliario, como reflectores secundarios, pueden tener factores de reflexión bajos (acabados oscuros).

Huecos separados para vistas e iluminación natural. Deben utilizarse ventanas altas, lucernarios verticales o claraboyas para conseguir una iluminación natural óptima, y ventanas a la altura de los ojos para disfrutar de las vistas. En el primer caso, el acristalamiento debe ser claro o espectralmente selectivo para aprovechar al máximo la iluminación natural. El acristalamiento para vistas es más flexible, pudiendo utilizarse vidrios tintados o reflectantes para controlar la ganancia térmica y el deslumbramiento.

Estrategias para una ventana básica

Para comprender las estrategias de la iluminación natural a través de la ventana, examinaremos primero la iluminación a través una ventana convencional. Como ya se ha mencionado, la iluminación es máxima justamente en el interior de la ventana, y desciende rápidamente hasta niveles inadecuados para la mayoría de las tareas visuales a medida que nos alejamos de ella. La visión del cielo es, con frecuencia, fuente de deslumbramiento, y la luz solar que entra por la ventana produce contrastes de claridad excesivos (manchas de sol), y recalentamiento en verano. Para eliminar estos inconvenientes de las ventanas convencionales, los proyectistas deberían tener en cuenta las siguientes estrategias:

Situar las ventanas elevadas, distribuidas con generosidad, tanto en número como en tamaño. La penetración de la luz natural en un espacio aumentará con la altura a la que se sitúe la ventana. La profundidad útil de un espacio con iluminación natural se limita a aproximadamente 1,5 veces la altura de la parte superior de la ventana.

Siempre que sea posible, la altura del techo debería aumentarse para que las ventanas puedan colocarse en zonas más altas.

La iluminación natural estará más uniformemente distribuida en un espacio si las ventanas son horizontales en vez de verticales, y si están separadas en vez de agrupadas. Por este motivo, arquitectos como Le Corbusier usaban muchas veces los ventanales corridos.

El área de la ventana casi nunca debería exceder el 20% de área del suelo debido al recalentamiento en verano y las pérdidas de calor en invierno. Ayudadas por reflectores, las ventanas de pequeñas dimensiones pueden captar gran cantidad de luz natural. Sin embargo, en climas muy nubosos o fríos, los sistemas de parasoles móviles y las carpinterías y acristalamientos de altas prestaciones permiten aumentar el área óptima de la ventana.

Colocar ventanas en más de una pared siempre que sea posible. Conviene evitar la iluminación unilateral (ventanas solamente en una pared), y utilizar iluminación bilateral (ventanas en dos paredes) para una mejor distribución de la luz y reducción del deslumbramiento. Las ventanas en paramentos contiguos son especialmente eficaces para reducir el deslumbramiento, ya que las ventanas de cada pared iluminan la pared adyacente, disminuyendo el contraste entre la ventana y el paño que la rodea.

Colocar ventanas en los paramentos contiguos a las paredes interiores.

De esta manera las paredes interiores perpendiculares o contiguas a las ventanas actúan como reflectores que atenúan la claridad y reducen el efecto cegador de la entrada directa de luz natural. También se reduce el deslumbramiento de la ventana al reducirse el contraste entre la claridad de la ventana y del paño que las rodea, al reflejar éste parte de la luz recibida.

Abocinar el hueco de la ventana para reducir el contraste entre ésta y el muro. La ventana deslumbra menos cuando  la pared que la rodea no queda oscurecida por contraste.

Las ventanas abocinadas crean un espacio de transición de la claridad que las hacen más confortables a la vista.

Filtrar la luz natural. La luz solar puede filtrarse y suavizarse mediante árboles u otros mecanismos, como celosías o pantallas. Sin embargo, el acristalamiento traslúcido o los estores ligeros pueden agudizar el deslumbramiento directo. Aunque difunden la luz solar directa, a menudo se convierten en fuentes de luz excesivamente brillantes.

Proteger las ventanas del exceso de luz solar en verano. Idealmente, en verano sólo debería admitirse una pequeña cantidad de luz solar a través de las ventanas, y una cantidad máxima en invierno. Y en cualquier época del año, la luz debería poder difundirse por reflexión en el techo.

Si esto no es posible, deben colocarse elementos de protección previos a la entrada de luz. Los aleros sobre ventanas orientadas al sur pueden ser un elemento efectivo de control estacional de la luz. Estos elementos también pueden eliminar la incidencia de luz solar directa, reducir el deslumbramiento e incluso suavizar el contraste entre niveles de claridad a lo largo del espacio. Si se utiliza un alero amplio, macizo y horizontal, su cara inferior debería pintarse de blanco para reflejar la luz del suelo.

Un alero de tonos claros, y sobre todo con lamas, reduciría además el contraste de claridad con el cielo. Las lamas verticales u horizontales pintadas de color claro son un elemento muy útil porque bloquean la luz solar directa y reflejan la indirecta. Un panel vertical situado delante de la ventana puede bloquear la luz solar directa y reflejar la luz difusa del cielo hacia la ventana

Utilizar parasoles móviles. Un ambiente dinámico necesita respuestas dinámicas. La variación de la iluminación natural es especialmente pronunciada en las orientaciones este y oeste, que reciben luz difusa durante la mitad del día y luz solar directa durante la otra mitad. Parasoles móviles, venecianas y cortinas pueden ser la respuesta que requieren estas condiciones tan diferentes.

Para reducir la ganancia térmica, los elementos de protección interiores deben ser muy reflectantes. Aunque la protección interior es más sencilla, la exterior es más efectiva. Las venecianas exteriores pueden resistir el viento, la nieve y el hielo. Se fabrican generalmente con aluminio reflectante para reflejar el sol hacia el exterior o hacia el techo.

Fuente:
Lechner, Norbert. “Heating, cooling, lighting; Design methods for architects”. (2001) ed. New York: John Wiley & Sons, Inc.