Resumen de Iluminación natural a través de protecciones solares perforadas en fachadas acristaladas: Criterios de diseño
- español
Nuevos sistemas de protección solar han sido ampliamente implementados en las fachadas de los edificios actuales como una segunda piel externa que cubre la envolvente y que busca generar una apariencia distintiva, renovar el diseño arquitectónico, mejorar la eficiencia energética, filtrar la luz y reducir las ganancias solares.
Las pantallas solares perforadas o celosías (PSS) son ejemplos de esta tendencia de diseño de los edificios modernos. La iluminación natural que proveen y su efectividad como sistemas de protección solar dependen de diversas variables como la orientación, la superficie total de huecos y la superficie unitaria, el número, la matriz y la forma de los huecos. Cambios en estas variables de diseño pueden mejorar la iluminación natural pero también pueden afectar el consumo de energía, por lo que es necesario encontrar el balance entre ambos.
El objetivo de este trabajo es contribuir con criterios para el diseño adecuado y eficiente de las celosías, principalmente desde la perspectiva luminotécnica pero también considerando su influencia en ganancia de calor producida por la transmisión de la radiación solar. Para ello, se propone estudiar diferentes variables de diseño y cuantificar el impacto que tienen en la iluminación natural interior y en la radiación solar transmitida. La revisión de la literatura sugiere que existe un amplio estudio sobre cómo las protecciones solares más usuales (volados, venecianas y lamas) afectan las ganancias térmicas a través de las ventanas. Por el contrario, señala que pocos son los estudios que se enfocan en los aspectos luminotécnicos y muchos menos los que contemplan las protecciones solares perforadas que cubren las fachadas acristaladas de los edificios. Por tanto, es pertinente abordar el estudio de las celosías, examinando cómo su diseño interviene en las condiciones de iluminación natural interior.
El diseño de las PSS conlleva la consideración de multitud de variables. Un estudio completo de las posibles combinaciones de variables implica una gran cantidad de modelos diferentes, resultando difícilmente abarcable. Esto provoca que los trabajos estudien una sola variable de diseño independientemente de su relación con otras. No obstante, existen herramientas estadísticas del Diseño de Experimentos (DOE) que pueden simplificar el estudio interrelacionado de una mayor cantidad de variables, reduciendo el número de experimentos y obteniendo la máxima información que pueda ser de utilidad en los procesos de diseño. Entre estas herramientas, el Diseño mediante Arreglos Ortogonales (DOA) selecciona una fracción representativa de todas las posibles combinaciones de los factores en una forma que los experimentos son distribuidos uniformemente dentro del rango testeado por lo que puede representar la situación general. Este método es altamente eficiente para reducir el número de experimentos requeridos y para predecir la óptima combinación de los valores de las variables. Además, ha sido utilizado eficientemente en diferentes áreas científicas, aportando conclusiones válidas y optimizando los procesos.
Aunado a esto, el Método de Lista es otra herramienta estadística que puede ser utilizada para analizar con mayor detenimiento los niveles óptimos de las variables de diseño, pero en una forma comparativa y descriptiva. Este método estudia una variable de diseño mientras mantiene las otras variables fijadas en determinado nivel estándar, y posteriormente, determina la combinación óptima de los niveles.
Con base en lo anterior, en esta tesis se desarrolla una nueva metodología que integra el método DOA y el método de lista para la optimización del diseño de las PSS. El objetivo es el estudio interrelacionado del impacto que diferentes variables de diseño de las PSS tienen sobre las condiciones anuales de iluminación natural interior.
Asimismo, encontrar las combinaciones óptimas de las variables que permitan potenciar la disponibilidad de luz natural en el espacio, es decir, maximizar las iluminancias útiles para realizar tareas visuales y minimizar las iluminancias excesivas asociadas al disconfort térmico y visual. La metodología propuesta es aplicada a un caso de estudio que consiste en un espacio de oficina de planta libre, ubicado en el clima mediterráneo de la ciudad de Sevilla. Entre las variables de diseño de PSS que han sido elegidas para este estudio figuran el porcentaje de perforación, la matriz, la forma y la orientación. Los criterios y guías de diseño derivadas de esta metodología deben ser adquiridas con un mínimo de simulaciones, lo que se traduciría en un ahorro considerable del tiempo invertido en la búsqueda de las soluciones óptimas, principalmente durante las etapas iniciales de los proyectos de edificios.
Por otro lado, es importante considerar que la demanda de energía en un edificio está altamente influenciada por los niveles de iluminación natural y radiación solar que ingresan a través de las aberturas al espacio interior. Por tanto, en el diseño de las PSS es relevante evaluar no sólo la mejora de las condiciones de iluminación natural sino también la reducción de las ganancias solares, ya que ambas cuestiones son determinantes para optimizar su eficiencia. Entonces, una vez que la metodología propuesta ha sido validada, se procede a extender su aplicación para estudiar simultáneamente la luz natural y el rendimiento energético de las PSS con el fin de encontrar una solución equilibrada global anual. Actualmente, los programas de simulación de la luz natural, tales como Radiance, Daysim y Diva, han sido ampliamente validados para realizar este tipo de análisis en espacios con geometrías complejas en sus fachadas y para caracterizar diferentes propiedades de los materiales, como su reflexión y transmisividad. Sin embargo, las herramientas y programas de cálculo energético actuales, por ejemplo EnergyPlus, no pueden lidiar con este tipo de geometrías haciendo que la evaluación térmica de las PSS sea una tarea inasequible.
Por lo anterior, la metodología propuesta en esta tesis se completa con un nuevo esquema de simulación que integra el uso de paquetes de simulación de luz natural y energía, aprovechando las ventajas de los primeros y limitando los inconvenientes de los segundos. El objetivo es la optimización del diseño de las PSS, respecto a dos de sus funciones principales: proveer adecuados niveles de iluminación natural y prevenir las ganancias solares transmitidas; ambos aspectos son trasladados a consumos de energía en iluminación, calefacción y refrigeración. La nueva metodología junto con el esquema de simulación se aplican al caso de la ciudad de Sevilla, abordando el estudio de tres variables de diseño de PSS: porcentaje de perforación, matriz y forma. En esta fase, la optimización del rendimiento lumínico y térmico de las PSS se realiza de manera particular para cuatro orientaciones: sur, este, oeste y norte. La finalidad es concluir con criterios y guía de diseño por cada punto cardinal para la localidad de estudio.
- English
New solar shading devices have been widely implemented on contemporary building façades as an external second skin covering the outer shell to add a distinctive appearance, renew architectural design, improve energy efficiency, filter daylight and reduce solar gains. Perforated solar screens (PSS) are an example of this design trend in modern buildings. They provide daylight and their effectiveness as solar protections depend on some variables such as orientation, total and single area of holes and number, matrix and shape of holes. Changes in these variables can improve daylight but also affect energy consumption, so the right balance must be found.
The aim of this work is to contribute with criteria for the adequate and efficient design of perforated solar screens, mainly since the lighting viewpoint but also considering its influence on solar heat gains. Therefore, this thesis studies different design variables and quantifies the impact that these have in daylighting and solar radiation. The literature review shows that there is a wide study on how the most common solar protection devices (overhangs, venetian blinds and louvres) affect solar heat gains through windows. However, it detects a scarce study focused on daylight aspects and much less focused on perforated solar screens covering building glazed façades. Seeing that, it is pertinent to approach to their analysis and examine how their design can improve indoor daylight conditions.
PSS design requires the consideration of a wide variety of variables. A comprehensive study of possible variable combinations requires a large amount of different models, which is difficult to manage. As a result, most research concentrates on a single design variable regardless of its relationship with others. Nevertheless, statistic Design of Experiments (DOE) tools can simplify the interrelated study of a large number of variables, reducing the number of experiments and obtaining maximum information which may be of use in the design processes. These tools include Design using Orthogonal Arrays (DOA) which selects a representative fraction of all possible combinations of factors with the aim of distributing the experiments uniformly within the test range, accurately representing the overall situation.
The DOA method is highly efficient in reducing the number of experiments required and in achieving optimal combination levels. Besides, it has been used efficiently in different fields of science, contributing valid conclusions and optimizing processes. Added to this, the Listing Method is another statistical tool that could be used to further analyse the optimal level for each design variable in a comparative and descriptive way. The Listing Method studies one design variable at a time while keeps other design variables fixed as the one standard level, and then, determines the optimal combination of levels.
In view of the above, this thesis develops a new methodology in which the orthogonal and listing method are integrated to optimize PSS design. It aims to study the interrelation of the impact of different PSS design variables on annual indoor daylighting conditions, as well as the optimal combinations of them to improve the daylight availability in the space (that is to say, to maximize useful illuminances for visual tasks and to minimize excessive illuminances associated with thermal and visual discomfort). A case study is conducted from the perspective of DOA, which involves a typical office space in the Mediterranean Climate of Seville, Spain. The following PSS design variables are selected for the DOA evaluation:
perforation percentage, matrix, shape and orientation. The criteria and design guidelines derived from this methodology are achieved with a minimum of simulations, so it could save time considerably when looking for the optimal solutions, especially during the initial stages of building projects.
On the other hand, it is important to consider that the energy demand of a building is highly influenced by the daylighting levels and solar radiation entering through the openings into space. Therefore, in the PSS design, it is necessary to evaluate not only the improvement of daylighting conditions but also the reduction of solar gains, since both conditions are decisive for the PSS efficiency. Hence, the DOA methodology is extended to study the simultaneously taking into account of both daylighting and thermal performance of PSS to achieve the annual overall balanced solution.
Currently, daylighting simulation software, such as Radiance, Daysim and Diva, enables us to perform efficient daylight analysis of spaces with complex facade geometries with flexible reflection and transmittance material properties. Notwithstanding, current energy simulation software such as EnergyPlus cannot deal well with such geometry directly, making the thermal evaluation of PSS an infeasible task. Accordingly, the aforementioned methodology is complemented with a new simulation scheme that integrates the use of different daylighting and energy simulation packages, taking advantage of their advantages and limiting their drawbacks.
The objective is to optimize the design of the PSS, achieving the simultaneous study of two of its main functions: to provide adequate levels of daylight and to prevent transmitted solar gains. At the end, both aspects are transferred to annual energy consumption for lighting, heating and cooling. The new methodology, jointly with the simulation scheme, is applied to the case study of the city of Seville. The study of the following PSS design variables is addressed: perforation percentage, matrix and shape. Then, the optimization of the daylighting and thermal performance of PSS is carried out in a particular way for every cardinal point. The purpose is to conclude with criteria and design guidelines for the South, East, West and North orientations for the locality studied.
