Análisis porcentual de la eficiencia en iluminancia del ducto vertical de luz solar de tipo artesanal

300 Pages·2014·6.36 MB·Spanish

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura
Unidad Tecamachalco

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

Eficiencia en iluminancia del ducto vertical de luz solar con colector
plano y semiesférico.

Tesis que para obtener el grado de
Maestro en Ciencias en la
Especialidad de Arquitectura
Presenta:

Alfonso Ortega Aguilera.

Director de tesis:
M. en C. Marcos González Matías.
Asesores.
Dr. Juan Raymundo Mayorga Cervantes.
M. en C. Federico Alonso Morales García.
M. en C. J. Arturo Ángeles Valencia.
M. en R. Ricardo Lozano Gálvez.
M. en A. A. Ezequiel Colmenero Búzali.

Tecamachalco, Estado de México a Abril del 2014.
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, El creador, quien siempre presente en todo lo que existe y me rodea, me enseña.

Al Instituto Politécnico Nacional y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, quienes me
apoyaron durante toda mi formación.
A los Maestros que me dirigieron y asesoraron en la Maestría con su gran conocimiento,
agradezco sus consejos, pero aún más sus regaños tan puntuales y precisos, porque ambos
sirvieron para mi formación:
Director de tesis: MC. Marcos González Matías.
Asesores
Dr. Juan Raymundo Mayorga Cervantes.
M. en C. Federico Alonso Morales García.
M. en C. J. Arturo Ángeles Valencia.
M. en R. Ricardo Lozano Gálvez.
M. en A. A. Ezequiel Colmenero Búzali.
Dr. Tarsicio Pastrana Salcedo.
Dr. Milton Montejano Castillo.

A mis padres que me dieron fuerza y apoyo con su amor y confianza:
María de los Ángeles Aguilera Blanco.
Alfonso Ortega Juárez.

A mis hermanos que me han sabido auxiliar incondicionalmente:
Nutriólogo Ricardo Ortega Aguilera.
Lic. Oscar Ortega Aguilera.

A mis compañeros de maestría por su ayuda y ánimos:
Ing. Arq. Leopoldo M. Quintana Alfaro.
Ing. Arq. Gabriel Fuentes Gallardo.

A las personas que en su momento me brindaron su apoyo:
Al Ing. Arq. Genaro Corona Guerrero
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ÍNDICE
Resumen y palabras clave 11
Abstract and key words 12
Introducción 13

1 CAPÍTULO 1. La arquitectura y los sistemas solares pasivos de iluminación como
estrategias para lograr el confort lumínico. ............................................................................. 24
1.1 Confort en la arquitectura ............................................................................................... 25
1.1.1 La crisis energética y su impacto en la arquitectura ............................................... 31
1.1.2 La arquitectura en búsqueda de la sostenibilidad y el confort ................................ 35
1.2 Confort lumínico ............................................................................................................ 36
1.2.1 Características de luz referentes al confort lumínico .............................................. 39
1.3 Características de la luz natural (solar) frente a la luz artificial (eléctrica) .................... 42
1.3.1 Influencias fisiológicas y psicológicas de la luz solar. ........................................... 46
1.3.2 Influencias ambientales ........................................................................................... 51
1.3.3 Influencias económicas ........................................................................................... 53
1.4 Las ecotécnicas con sistemas solares pasivos de iluminación empleados para generar
confort lumínico en la arquitectura ........................................................................................... 55
2 CAPÍTULO 2. Teorías de la luz y geometría solar ........................................................ 70
2.1 El Sol y su radiación....................................................................................................... 71
2.2 Espectro de radiación electromagnética. ........................................................................ 74
2.2.1 Radiación solar incidente dentro del planeta Tierra ............................................... 75
2.2.2 Espectro de luz: definición y características físicas generales. ............................... 77
2.3 Teorías de la luz. ............................................................................................................ 79
2.4 Fenómenos de la luz ....................................................................................................... 81
2.4.1 Medición de la luz, unidades fotométricas en el SI ................................................ 90
2.5 Aprovechamiento de la luz solar .................................................................................... 93
7
2.5.1 Geometría Solar y la Teoría Geocéntrica................................................................ 93
2.5.2 Métodos de la geometría solar ................................................................................ 96
2.5.3 Método gráfico de la geometría solar para gráficas estereográficas ....................... 98
2.6 Calculo de la radiación solar ........................................................................................ 105
2.7 Normatividad de iluminación natural (solar). .............................................................. 122
2.8 Lo más reciente de los ductos verticales de luz solar en la ciencia. ............................. 125
2.8.1 Uso del ducto vertical de luz solar en México ...................................................... 127
2.9 Posición teórica ............................................................................................................ 134
3 CAPÍTULO 3. Modelos de ducto vertical de luz solar con colector plano y semiesférico
para medir la iluminancia. ....................................................................................................... 137
3.1 Pre-configuración para la prueba de los ductos verticales de luz solar ........................ 139
3.2 El luxómetro ................................................................................................................. 141
3.3 Cálculo del número de mediciones .............................................................................. 142
3.4 Proceso de medición de los ductos verticales de luz solar ........................................... 145
3.5 Lugar de la medición. ................................................................................................... 146
3.6 Registro de las mediciones ........................................................................................... 151
3.7 Primeras mediciones .................................................................................................... 154
3.8 Adecuaciones en la medición ....................................................................................... 158
3.9 Modelos de ductos de luz solar .................................................................................... 162
4 CAPÍTULO 4. Eficiencia en iluminancia de los colectores planos y semiesféricos ..... 166
4.1 Comparativo de eficiencia en iluminancia promedio y variación porcentual de
iluminancia: por hora. ............................................................................................................. 171
4.1.1 Análisis de luxes promedio por hora en el punto de medición 1. ........................ 172
4.1.2 Análisis de luxes promedio por hora en el punto de medición 2. ........................ 173
4.1.3 Análisis de eficiencia porcentual por hora en el punto de medición 2. ................ 174
4.1.4 Análisis de luxes promedio por hora en el punto de medición 3. ........................ 175
8
4.1.5 Análisis de eficiencia porcentual por hora en el punto de medición 3. ............... 177
4.1.6 Análisis de luxes promedio por hora en el punto de medición 4. ........................ 178
4.1.7 Análisis de variación porcentual por hora en el punto de medición 4. ................ 179
4.2 Comparativo de iluminancia promedio y variación porcentual de la iluminancia
recibida, captada, transmitida y alcanzada con base al exterior, por punto de medición. ....... 181
4.2.1 Colectores plano y semiesférico de 0.40 m. ......................................................... 181
4.2.2 Colectores plano y semiesférico de 0.30 m. ......................................................... 184
4.2.3 Colectores plano y semiesféricos de 0.20 m. ........................................................ 187
4.3 Comparativo entre iluminancia captada y la iluminancia transmitida y alcanzada al
interior, entre colectores planos y semiesféricos del mismo diámetro. ................................... 190
4.4 Comparativo general entre colectores planos y semiesféricos del mismo diámetro con
base en la iluminancia del exterior. ......................................................................................... 199
5 Conclusiones ....................................................................................................................... 205
6 Importancia y futuras líneas de investigación. .................................................................... 217
7 Siglas ................................................................................................................................... 219
8 Glosario de términos ............................................................................................................ 220
9 Bibliografía ......................................................................................................................... 221
10 Índice de Tablas. .................................................................................................................. 233
11 Índice de Gráficas. ............................................................................................................... 236
12 Índice de Ilustraciones. ........................................................................................................ 239
13 Índice de Fotografías. .......................................................................................................... 241
14 Anexo .................................................................................................................................. 242
14.1 Registro de las mediciones de iluminancia de los colectores plano y semiesférico. ... 243
14.1.1 Registro de las mediciones del luxómetro 1 de cada modelo del colector plano y
semiesférico. ........................................................................................................................ 243
14.1.2 Registro de las mediciones del luxómetro 2 de cada modelo del colector plano y
semiesférico. ........................................................................................................................ 256
9
14.1.3 Registro de las mediciones del luxómetro 3 de cada modelo del colector plano y
semiesférico. ........................................................................................................................ 269
14.1.4 Registro de las mediciones del luxómetro 4 de cada modelo del colector plano y
semiesférico. ........................................................................................................................ 282
14.2 Análisis de iluminancia promedio por hora de colectores semiesféricos planos. ........ 295

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RESUMEN
Los edificios con falta de iluminación solar son un problema que afecta la salud del ser humano,
desde individuos hasta sociedades enteras, efectos conocidos como Síndrome del Edificio
Enfermo. Otro efecto es el impacto económico, pues con frecuencia se intenta disminuir o
sustituir la falta de luz natural introduciendo luz eléctrica, aumentando los costos de operación
en edificios de uso diurno, sin mencionar la disminución en el rendimiento productivo del
trabajador. Este es un problema con causas político-económico-sociales externas al quehacer
arquitectónico, escapando incluso al Reglamento de Construcción, pero también internas en los
procesos de remodelación, mantenimiento y conservación de los edificios (debido
principalmente a irregularidades de emplazamiento y cambios en el entorno urbano causando
obstrucciones externas, pero también por obstrucciones internas de las áreas de iluminación).
Por ello, aprovechar la luz solar significa dar un paso hacia la sustentabilidad en el quehacer
arquitectónico; para lograrlo, hoy en día la arquitectura, en especial la bioclimática, cuenta con
medios y herramientas como las ecotécnicas con sistemas solares pasivos y activos que intentan
solucionar la falta de luz natural, sin embargo, comúnmente no se emplean o se emplean
inadecuadamente al desconocer como las características de los diversos sistemas pueden
integrarse armoniosamente con las necesidades y condiciones del espacio arquitectónico para
lograr la mayor eficiencia en términos de confort lumínico. Un ejemplo son los ductos verticales
de luz solar que en esencia funcionan al captar y transmitir la luz solar hacia el interior del
espacio arquitectónico, sin embargo, considerando que la cantidad de radiación reflejada
depende principalmente de 2 factores, que son: la reflectancia del material (considerando la
opacidad, color y textura), y el ángulo de incidencia, tenemos que dado a que los ductos
verticales de luz solar pueden tener un colector plano o semiesférico: el ángulo de incidencia se
altera en el proceso de captación de la luz solar, influyendo así en la eficiencia en iluminancia
aportada y el decremento de la intensidad de la luz en función a la distancia alcanzada al interior
del espacio arquitectónico; por lo tanto, la pregunta es: ¿En qué porcentaje aumenta la eficiencia
en la iluminancia captada y transmitida al interior de los espacios arquitectónicos con falta de
iluminación solar, a través del ducto vertical de luz solar de tipo artesanal al cambiar el tipo de
colector de semiesférico a plano?
PALABRAS CLAVE: Porcentaje de variación en la eficiencia, Iluminancia, Ducto Vertical de Luz Solar
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