Continuando con las investigaciones para abordar el potencial impacto energético de las recomendaciones de iluminación circadiana en entornos de oficinas, el Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ha publicado un nuevo estudio o que arroja nueva luz sobre los desafíos y oportunidades en el diseño de sistemas de iluminación eficientes y centrados en las personas. 

El nuevo estudio del PNNL, busca analizar y ampliar los resultados de una investigación anterior realizada por el mismo laboratorio, proporcionando estimaciones más detalladas y un enfoque más integral para lograr un equilibrio óptimo entre el diseño de iluminación, la eficiencia energética y el cumplimiento de recomendaciones circadianas.

El estudio previo, realizado por Safranek y su equipo en 2020, ya planteó inquietudes sobre la discrepancia entre las recomendaciones de iluminancia horizontal tradicionales y las nuevas recomendaciones para el equivalente de lux melanópico (EML) en el ojo. En concreto, se encontró que el cumplimiento de las recomendaciones actuales de iluminación horizontal de la Illuminating Engineering Society (IES) no satisfacía las recomendaciones existentes de lux melanópico equivalente (EML) en el ojo, y en algunos casos el cumplimiento de estas recomendaciones de EML requería una iluminancia media que era más del doble de las recomendaciones de la IES.

Además, se estimó que el uso de energía de los sistemas de iluminación circadiana podrían aumentar en al menos un 10% y, en algunos casos, en un 100% debido al aumento de la potencia de las luminarias para cumplir con las recomendaciones de diseño de iluminación circadiana en WELL v2 Q2 2019 (IWBI, 2019).

El nuevo estudio del PNLL va más allá en este análisis, considerando tanto la luz natural como la eléctrica en la ecuación, proporcionando así, una visión más precisa y realista de los desafíos de diseño de las soluciones de iluminación circadiana. 

Integración de la luz natural en sistemas de iluminación circadiano

En investigaciones anteriores sobre el uso de la luz natural para satisfacer los requisitios de iluminación circadiana (Tabla 1) se centraron principalmente en el ahorro de iluminación eléctrica, pero no en los efectos de la refrigeración y calefacción. Hay por tanto una falta de estudios que evaluen estos aspectos.

Con el objetivo de llenar este vacío, la nueva investigación del PNLL evaluó la energía de iluminación eléctrica y las cargas térmicas de diferentes combinaciones de sistemas de iluminación diurna y eléctrica diseñados para cumplir las recomendaciones de métricas de iluminación circadiana realizadas por Brown et al. (2022) en un edificios de oficinas. 

Se simularon 12 escenarios de diseño en total, considerando combinaciones de tres condiciones de iluminación eléctrica y cuatro programas de control para persianas interiores, cumpliendo cada escenario las recomendaciones actuales de lux melanópico equivalente de al menos 275 m-lx en todos los puestos de trabajo. 

Para cumplir las recomendaciones de Brown et al. (2022), todos los puestos de trabajo deberían recibir un LME de al menos 275 m-lx a la vista de los ocupantes durante las horas diurnas. Además, estos niveles de luz deben alcanzarse con luz diurna cuando sea posible y complementarse con luz eléctrica cuando sea necesario. 

Los resultados obtenidos se detallan a continuación: 

Cumplimientos de los requsitos de lux melanópico equivalente (EML)

Un hallazgo clave del estudio ha sido evidenciar como la iluminación vertical y la EML están muy influidas por la dirección de la vista y la ubicación del ocupante/punto de cálculo en relación con la luz diurana o las fuentes de luz artificiales. Las estimaciones de EML oscilaron entre los 64 y 316 m-lx en los 142 puestos de trabajo en las mismas condiciones de iluminación artificial, lo que pone de relieve el reto que supone la distribución uniforme de la luz en el plano vertical. 

Asimismo, el cumplimiento del umbral recomendado de 275 m-lx con iluminación eléctrica sólo fue posible para el 30% de los puestos de trabajo con una iluminación de 6200 K CCT, a pesar de que algunas mesas recibieron más del doble de la iluminancia horizontal recomendada por el IES.

Aunque la EML media es útil para comprender la magnitud de las contribuciones de la luz natural a lo largo del año, también es importante estimar la frecuencia con la que los puestos de trabajo individuales pueden estar cayendo por debajo del umbral de 275 m-lx. Para determinar el número de horas ocupadas en que las contribuciones EML de la luz diurna alcanzan o superan el umbral recomendado de 275 m-lx, se utilizaron valores de iluminancia vertical horaria para calcular la autonomía de la luz diurna continua ([cDAEML], Abboushi & Safranek, 2022). Siguiendo el modelo de la métrica de autonomía de luz diurna continua, cDAEML,275 cuantifica el porcentaje de horas que la luz diurna contribuye al umbral EML de 275 m-lx. P

Los resultados cDAEML,275 de este estudio sugieren que para muchos puestos de trabajo a lo largo del perímetro, la luz diurna puede proporcionar los 275 m-lx recomendados durante la mayor parte de las horas de ocupación a lo largo del año. Sin embargo, esto no es cierto para todos los puestos de trabajo del perímetro, ya que los que pueden estar relativamente cerca de una ventana (a menos de 3 metros) pero orientados hacia el interior del edificio recibieron una luz natural muy limitada en el plano de visión vertical. Mapear cDAEML,275 a través del plano de planta, como se muestra en la Figura ES1, es útil para comprender el impacto de la dirección de la vista de la estación de trabajo en los niveles EML resultantes de la luz natural.

Los resultados de este análisis sugieren, por tanto,  que alcanzar 275 m-lx en todos los puestos de trabajo en un entorno de oficina abierta puede ser difícil, incluso cuando se incluyen las contribuciones de la luz natural y los altos niveles de iluminación eléctrica. Es importante que se tenga en cuenta la dirección de la vista de los ocupantes si se va a utilizar la luz natural para alcanzar los umbrales EML recomendados. Una implementación más estratégica de la iluminación eléctrica a través del control de la iluminación zonal o de la iluminación de tareas puede ser útil para cumplir los 275 m-lx al tiempo que se equilibra el uso de energía eléctrica.

Cargas eléctricas y térmicas

Las estrategias de iluminación natural destinadas a aumentar los niveles de luz natural en el ojo deben tener en cuenta las implicaciones en la iluminación eléctrica, la refrigeración y la energía de calefacción. 

El suelo simulado consumía poca energía anual en calefacción, en comparación con la energía anual en refrigeración, en parte debido a la pequeña superficie de la envolvente expuesta al exterior; tanto el suelo como el techo eran adiabáticos. La energía de calefacción osciló entre 330 y 463 kWh, que es insignificante en comparación con la energía de refrigeración, que osciló entre 36.892 y 40.237 kWh. Por este motivo, se centró el análisis en la energía de refrigeración e iluminación.

El análisis energético sigue dos escenarios 1) sólo iluminación cenital, y 2) un escenario alternativo que considera la iluminación cenital y las luminarias de trabajo. La figura seguiente muestra el consumo energético de los dos escenarios de iluminación y la energía de refrigeración en función de los distintos controles de sombra. Los porcentajes mostrados en la parte superior de cada barra indican el cambio porcentual comparado con el uso de energía correspondiente según la estrategia IES LM-83.

Los resultados sugieren que  1) cualquier ajuste realizado en el control de las persianas para aumentar la contribución de la luz natural a la iluminación circadiana y reducir la energía de la iluminación eléctrica también debería tener en cuenta las implicaciones térmicas; 2) para el escenario que tiene en cuenta a todos los ocupantes, la carga de refrigeración es predominante y hubo un ahorro insignificante de la iluminación eléctrica, independientemente de la estrategia de control de las persianas; 3) el uso de iluminación de trabajo suplementaria para los ocupantes que reciben poca luz natural permite mayores reducciones en el uso de energía de la iluminación eléctrica y una mejor incorporación de la luz natural, en comparación con la variación de los controles de las persianas. En el escenario LM-83, el uso de iluminación superior complementada con lámparas de trabajo reduce la energía de iluminación en un 28%.

En definitiva, el  análisis mostró un equilibrio entre la energía de refrigeración y la de iluminación eléctrica. Es importante tener esto en cuenta, ya que es probable que el diseño de la iluminación circadiana se convierta en un factor que influya en el control de los sistemas de sombreado, así como en la iluminación cenital.

Puede acceder al informe completo (pdf) haciendo clic en la siguiente imagen: 

Imagen de portada: Freepik

Restos de figuras: “The Impact of Circadian Lighting Design Strategies on Lighting and Cooling Energy of an Office Space” DOE, PNLL. 2023