Sistemas ópticos avanzados para iluminación natural en entornos arquitectónicos

Resumen

Sistemas ópticos avanzados para iluminación natural en entornos arquitectónicos La iluminación natural debe ser considerada como la forma más ecológica para iluminar cualquier espacio y una de las oportunidades y desafíos de diseño más importantes de la arquitectura. La vida humana está fuertemente influida por la luz natural y hoy en día tenemos que añadir a este factor la importancia de la conservación de la energía y la reducción de la contaminación. Por lo tanto, el guiado de la luz es un reto importante para la industria. Las guías de luz prismáticas huecas (HPLGs) ofrecen alternativas técnicas óptimas como herramienta de transporte de la luz, ya que pueden llevar la luz natural y artificial a través del interior de los edificios de manera eficiente. En esta tesis, se proponen varios desarrollos relacionados con la iluminación mediante guías de luz huecas que incluyen estudios teóricos y experimentales, el desarrollo de modelos matemáticos que predicen el comportamiento de la luz en guías prismáticas y un método analítico para cuantificar la influencia de la deformación del principal elemento óptico que las compone y es la lámina prismática. Esta investigación facilita la predicción del flujo transportado, permitiendo optimizar su funcionamiento mejorando la eficiencia en sus aplicaciones. Entre los diseños propuestos se presenta un sistema óptico de guiado de luz de grandes dimensiones aplicado a la edificación que permite una extracción de luz de manera controlada permitiendo equilibrar el flujo en los distintos espacios de manera eficiente en un edificio de oficinas para un amplio rango de posiciones solares. También se presenta un sistema óptico basado en óptica anidólica para transferir el flujo luminoso en los giros de las guías huecas incrementando la eficiencia respecto del diseño estándar. La reproducción del color y las características colorimétricas en el guiado de la luz, son parámetros importantes a tener en cuenta dada la necesidad de obtener una elevada calidad de iluminación en construcciones y también con el objeto de conseguir las aprobaciones pertinentes en relación a la normativa vigente. Con objeto de evaluar la diferencia de calidad cromática que proporcionan las guías de luz huecas se realizan comparativas entre guías huecas prismáticas y de aluminio de diversas geometrías, obteniéndose mejoras en la capacidad de reproducción cromática de la luz a través de la guía prismática. El incremento de las guías de luz huecas instaladas en las últimas décadas, y las recientes innovaciones de los materiales que las componen, hacen necesario el desarrollo de métodos predictivos para cuantificar su eficiencia. A pesar de que los procesos de fabricación actuales hacen posible el desarrollo de unas láminas prismáticas de excelente calidad óptica, es importante analizar los fallos que limitan su comportamiento como sistema de guiado óptico. El desarrollo de un modelo matemático multiparamétrico permite determinar la eficiencia de unas guías de luz prismáticas cuantificando el impacto que tienen las imperfecciones de la lámina prismática en la eficiencia del guiado de luz. El ajuste del modelo se realiza mediante procedimientos de optimización basado en los datos de flujo obtenidos en simulaciones con software de trazado de rayos y comprobaciones de la eficiencia en la transmitancia mediante un modelo experimental. Este modelo muestra cómo los defectos en los vértices de la lámina prismática debidos a limitaciones en la fabricación son considerados como la principal fuente de pérdidas. Por último se proporciona un método de caracterización de la deformación que es producida en una lámina prismática por cambios en la curvatura a través de algoritmos de procesamiento de imagen. Este método muestra la relación entre la curvatura de la lámina, la deformación y el flujo luminoso transmitido en diversos ángulos de incidencia de la luz.