El cada vez mayor interés por la salud, junto con los avances de la tecnología de iluminación LED, ha hecho que conceptos como el Human Centric Lighting o la Iluminación Circadiana se están convirtiendo en toda una tendencia en el diseño de iluminación de espacios, y aunque todavía queda mucho que aprender en cuanto a la relación entre la luz y la fisiología humanas, un aspecto que puede estar dejándose de lado son las implicaciones energéticas de estos diseños. La ciencia emergente parece indicar que abordar una visión holística de las necesidades humanas en la mayoría de aplicaciones puede significar la necesidad de aumentar la luz y el uso de energía asociada con la iluminación eléctrica.
Para abordar este asunto, una nueva investigación realizada por el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE, pretende arrojar luz sobre los posibles impactos energéticos de las recomendaciones de diseño de iluminación circadiana. En el mismo se simularon dos aplicaciones, una oficina abierta y un aula, donde se variaron las salidas de lúmenes, las características espectrales, la distribución de la reflectancia de la superficie y la orientación de los escritorios para explorar los posibles efectos de estos parámetros.
Los resultados muestran como el cumplimiento con las recomendaciones actuales de la IES (Illuminating Engineering Society) en materia de iluminación no satisfizo los requerimientos sobre el Lux Melanópico Equivalente y el Estímulo Circadiano en ninguna de las simulaciones. En algunos casos, el cumplimiento con las recomendaciones de las métricas circadianas requería de una iluminancia media que era más del doble de las recomendaciones de la IES, lo que puede tener un impacto negativo en la calidad de la iluminación. Utilizando los resultados de 45 condiciones de simulación únicas, se estimó que el uso de energía de iluminación puede aumentar entre el 10% y el 100% debido al aumento de los niveles de luz de las luminarias utilizadas para cumplir con las recomendaciones de diseño de iluminación circadiana que figuran en las normas de construcción actuales como WELL v2 Q2 2019, la directriz de diseño de UL 24480 y los criterios CHPS Core Criteria 3.0.
Más allá de los valores tradicionales de diseño de iluminación: nuevas métricas circadianas
El dimensionado y diseño tradicional de las aplicaciones de iluminación interior y exterior se ha expresado tradicionalmente en términos términos de flujo luminoso, lo que explica la relativa sensibilidad de la visión humana al brillo a las longitudes de onda del espectro electromagnético, definida por la función de eficiencia visual V(λ). Sin embargo, la investigación reciente vincula la iluminación a respuestas fisiológicas que van más allá del rendimiento visual, como la sincronización circadiana o el efecto en el estado de alerta, y cómo estas respuestas tienen sensibilidades espectrales que difieren de las utilizadas para definir el flujo luminoso. Así por tanto, mientras que el flujo luminoso y las métricas derivadas del mismo pueden ser útiles para especificar la cantidad de luz necesaria para las tareas visuales, no son suficientes para la ingeniería y diseño de aplicaciones de iluminación que pretenden conseguir respuestas humanas no formadoras de imágenes.
En los últimos años se han propuesto nuevas métricas circadianas, incluyendo el Lux Melanópico Equivalente y el Estímulo Circadiano, para cuantificar el efecto potencial de la luz en el sistema circadiano humano. El Lux Melanópico Equivalente se basa en la respuesta melanópica de las células ganglionares de la retina intrínsecamente fotosensibles (IpRGC), con una respuesta máxima los 480 nm. Por su lado, el Estímulo Circadiano, representa la efectividad calculada de la luz en la supresión de melatonina, usando un modelo más complejo de fototransducción humana, incluyendo datos de experimentos de supresión de melatonina humana combinados con estimaciones de respuestas de fotorreceptores del los conos y bastones. La Comisión Internacional de Iluminación (CIE) ha adoptado el Lux Melanópico Equivalente en una forma ligeramente modificada para alinearla con los requisitos de una unidad del sistema internacional, mientras que el Estímulo Circadiano todavía no ha sido adoptada por la CIE o por el IES.
La práctica común para el cálculo de estas métricas incluye el cálculo o la medición de la iluminancia en el ojo y luego el uso de la distribución de la potencia espectral proporcionado por el fabricante, pero no tiene en cuenta información valiosa relativa a la dirección de la vista, la superficies arquitectónicas y los objetos, así como por la posible mezcla de luz natural y múltiples fuentes de luz eléctrica. Recientes investigaciones han mostrado como el campo de visión considerado influye considerablemente en los valores calculados del Lux Melanópico Equivalente y el Estímulo Circadiano. La reflectancia de la superficie de la habitación es también una consideración de diseño importante, ya que pueden influir significativamente en los valores de ambas métricas con una consecuencia energética mínima en comparación con otras posibles estrategias de diseño. Es por ello necesario que para la predicción y cálculo de estas nuevas métricas en el entorno construido se realicen simulaciones de iluminación dependientes de la vista que tengan en cuenta la distribución de la reflectancia espectral de las superficies de la sala y la distribución de la potencia espectral de todas las fuentes de luz.
Actualmente hay tres organizaciones principales con recomendaciones específicas para diseñar la iluminación de manera que tenga en cuenta el sistema circadiano humano: certificación WELL, UL 24480, y el Collaborative for High Performance Schools (CHPS). Aunque los parámetros y las cantidades prescritas varían según los documentos, todos requieren que se cumplan los parámetros circadianos en un número determinado de lugares de visualización, altura de visualización y duración diaria en el entorno construido. El cumplimiento de las recomendaciones de WELL y CHPS gana puntos para una puntuación numérica global, mientras que la Guía de Diseño de UL 24480 no incluye un sistema de clasificación numérica.
Simulaciones realizadas
Para realizar la investigación, el equipo de PNNL, utilizó modelos informáticos tridimensionales para dos tipos de espacios: un espacio de oficina abierta (192 m2) y un aula (70 m2). Además, se realizaron simulaciones que utilizan la herramienta “Adaptativa Lighting for Alertness” (ALFA) (Solemma LLC), la cual considera la distribución de la reflectancia espectral para las superficies y la distribución de la potencia espectral de las fuentes de luz.
Ambos modelos utilizan la misma luminaria LED de 0,61×0,61 m en una rejilla diseñada para iluminar uniformemente la superficie de la tarea horizontal. Se seleccionaron tres distribuciones de potencia espectral, del conjunto de datos de prueba para representar el rango real de ajuste de color disponibles para la luminaria. En el informe, las diferencias en estas tres distribuciones espectrales se describieron utilizando los valores nominales de temperatura de color correlacionada (TCC) de cada una. El máximo consumo de la luminaria se midió en 40,5 W, independientemente de su espectro de emisión.
Las simulaciones se compararon utilizando la iluminancia horizontal media en el plano de trabajo de escritorio, la iluminancia vertical a nivel de los ojos, los Lux Melanópicos Equivalentes a nivel de los ojos (calculada dentro de ALFA), el Estímulo Circadiano a nivel de los ojos (calculada manualmente utilizando el método detallado en la Guía de Diseño de UL 24480) y el uso de energía anual estimado.
Impactos energéticos de los diseños de iluminación circadiana
Los resultados de las simulaciones de la oficina estiman un aumento de entre el 15% al 100% en el uso de energía anual dependiendo de la duración de las horas ocupadas que se cumplen con los criterios de iluminación circadiana. En algunos casos, satisfacer las recomendaciones de las métricas circadianas requería una iluminancia media que era más del doble de las recomendaciones del IES para estos espacios de trabajo, junto con temperaturas de color que eran más altas que las típicamente usadas para entornos de oficinas y educación.
Las estimaciones de consumo de energía más conservadoras, más cercanas al 15%, asumen que las luminarias instaladas son capaces de cambiar los ajustes espectrales y de salida de flujo luminoso usando un sistema de control avanzado. Para los sistemas de iluminación que utilizan luminarias con TTC de entre los 3.000 a los 4.000 K, son necesarios incrementos de los niveles de iluminación para alcanzar las métricas circadianas, y por tanto un mayor consumo de energía por uso estimado.
Pese a que estos resultados pueden indicar una tendencia de lo que supone el desarrollo de diseños de iluminación circadiana en cuanto a sus impactos energéticos, todavía se necesita mayor investigación para comprender en toda su profundidad la efectividad de los mismos y sus gastos energéticos asociados. Actualmente se está trabajando para comprender la relación entre los niveles de exposición diurnos y nocturnos y el efecto relativos, ya que el ahorro de energía podría lograrse reduciendo los niveles de luz nocturna en lugar de aumentar de forma sustancial los niveles de luz diurna.
“Hasta que no se hayan comprendido a fondo las métricas de diseño circadiano y la entrega efectiva de estímulos luminosos en entornos realistas con beneficios reconocibles para la salud y el bienestar, no podrán expresarse plenamente las compensaciones entre el cumplimiento de las recomendaciones de diseño aquí mencionadas y la satisfacción de los objetivos de eficiencia energética”, concluyen los investigadores en el estudio.
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Puede consultarse el informe completo en el siguiente enlace (pdf):
