Simuladores Didácticos para Arquitectura y

Construcción

EDITOR / COMPILADOR

José Fernando Madrigal Guzmán

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Universidad Autónoma de San Luis Potosí.

Rector de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí:

Manuel Fermín Villar Rubio.

Secretario General de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí:

David Vega Niño.

Director de la Facultad del Hábitat:

Anuar Abraham Kasis Ariceaga.

Simuladores Didácticos para Arquitectura y Construcción

Compilador / Editor:

José Fernando Madrigal Guzmán, Cuerpo Académico Hábitat Sustentable.

Colaboradores:

Josué Sáenz Zubieta, Guillermo Tirado, Juan Carlos Gámez, Jean Fritche Tamiset,

José Fernando Madrigal Guzmán, Oscar Núñez Olvera.

Prólogo:

Gerardo Javier Arista González

Diseño de portada:

Agustín Martínez Anguiano.

Revisión de estilo:

María Azucena Ramos Larios

Primera Edición, 2013.

ISBN:

© Universidad Autónoma de San Luis Potosí.

Álvaro Obregón 64.

San Luis Potosí, S. L. P., México.

Esta Libro fue apoyado por el Programa Integral de Fortalecimiento de la UASLP, PIFI

2011, Proyecto PIFI

Prohibida la reproducción parcial y total sin autorización de los autores.

PRÓLOGO

ulla nisi lorem , et de rebus humanis curam de industria , qui defecerunt in ædibus in quibus pars ista excolit hendrerit convallis .

Et ne quod requirit usum afficiens asoleamientos spatia conveniens gradu consolationem pendebit facultatem consilium, electionem et intentionem inpensas spatia.

In his rebus agere , et optimize industria con-summatio et consolationem gradus erit congruum operationes in loco spatia sunt users satisfactum . Ad hunc finem assequendum vos postulo intellego , et conputat simulare semitas virtutis solaris geometrica in architecturae consilium spatia.

Nam qui architectorum et elit numerant asole-amientos expositae sunt aedificiorum solaris graphs bonum tool sunt , vel aeque distantes stereographic aut orthogonalibus , quia notitia ut accipiant potes consilia iuxta criterium solaris geometria fundatur . Ad complent didascalicum et practica opus , quod est capax cogitationis lucem solis simulans arte aedificia in tali quodam die et tempore .

Adiunctum hoc est maximus tool pro Heliodon vo-catur studiosus evolvere ipsum architecturae related inceptis solaris geometria criteria adhibita , ita ut congruas attingant campester of levamentum quod industria peculi hodie est responsabilis praestat , ut proxime ad salutem elit.I . Coegi , est praecipue , quod fans vel extractum injiciunt a’ris in circuitu . Fans ut magis aut unum dependet , et consilium requisita cuniculum contractio coni diffuser .

Dr. Gerardo Javier Arista González

N

6 7

ÍNDICE

Prólogo 5

Índice 7

Capítulo 1 9TUNEL DE VIENTOMETODOLOGÍA .................................................................................................10

INTRODUCCIÓN. ..............................................................................................10

DESCRIPCIÓN. .................................................................................................12

CLASIFICACIÓN DE TÚNELES DE VIENTO. ............................................................13

COMPONENTES DE UN TÚNEL DE VIENTO. ...........................................................17

APLICACIONES ACTUALES .................................................................................19

Capítulo 2 23HELIODÓNA) CONCEPTO FUNCIONAL .............................................................................23

INTRODUCCION ...............................................................................................23

Conclusión. ......................................................................................................27

Propuesta de un heliodón que funciona con exposición solar directa. .......................27

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................29

B) CARACTERÍSTICAS DE LA ILUMINACIÓN ...................................................29

INTRODUCCIÓN ...............................................................................................29

METODOLOGÍA. ................................................................................................30

DETECCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA .....................................................................30

DESARROLLO ...................................................................................................30

EXPERIMENTO. .................................................................................................32

RESULTADOS ...................................................................................................34

CONCLUSIONES FINALES ..................................................................................35

BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................35

C) CARACTERÍSTICAS FORMALES Y TÉCNICAS. ..............................................36

INTRODUCCIÓN ...............................................................................................37

Capítulo 3 43SIMULADORES DE FUENTES DE LUZ NATURAL Y ARTIFICIALINTRODUCCIÓN ...............................................................................................45

Laboratorio de cielo artificial (LCA). ....................................................................46

Laboratorio de análisis de fuentes de luz artificial para interiores (LAFAI) ..................49

Herramientas para determinar la iluminancia de un espacio. ...................................52

Luxómetro para modelos a escala .......................................................................52

Megatron AML/DFM ...........................................................................................53

Proyecto de luxómetro de múltiple entrada de la Facultad del Hábitat / IICO. ...........54

Diseño y gestión de producto. ............................................................................54

8 9

CAPÍTULO 1

JOSUÉ SÁENZ ZUBIETA 1 JOSÉ FERNANDO MADRIGAL GUZMÁN 2

1 Estudiante en la Lic. de Diseño Industrial Nivel X, Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P..

TUNEL DE VIENTO.

El túnel de viento es un dispositivo creado para la realización de pruebas aerodinámi-cas; es un simulador que permite conocer el comportamiento de diversos fluidos en tiempo real, partiendo del uso del aire y permitiendo extrapolar resultados a otros fluidos como el agua, así como experimentar y estudiar los fenómenos de sustentación1 y arrastre, para aplicarse al diseño de perfiles aerodinámicos. Se le relaciona comúnmente con el desarrollo de productos en el sector automotriz, sin embargo las aplicaciones son muy variadas; desde medir la aerodinámica de los automóviles de fórmula uno, hasta la realización de pruebas de artículos usados en la vida cotidiana como las pelotas de golf. Hoy en día se considera una herramienta muy útil para el estudio y la investigación de fenómenos originados por los flujos principal-mente de viento, sobre objetos, edificaciones o estructuras. En esta era, los campos de estudio que más consideran el uso del túnel de viento son la ingeniería y el diseño. Históricamente fue creado con la intención de diseñar adecua-damente los primeros aeroplanos y forta-lecer a la aviación comercial. La industria aeronáutica ha logrado, a través de años de estudio, realizar vuelos intercontinentales con cargas extremadamente grandes, mientras que la industria automotriz ha conferido más importancia a la realización de pruebas de viento a sus diversos modelos de automóviles, buscando se reduzca y se eficiente el uso de la energía necesaria para impulsarlos. Según el propósito de estudio y su aplicación se definen las características de cada uno, por

1 Sustentación: fuerza generada sobre un cuerpo que se desplaza a través de un fluido, perpendi-cular a la de la velocidad de corriente incidente.

RESUMEN

ABSTRACTThe wind tunnel is a device created for aero-dynamic testing , is a simulator that allows to know the behavior of various fluids in real time, based on the use of air and allowing extrapolate results to other fluids such as water, as well as experience and study the phenomena of lift and drag , to be applied to

PALABRAS CLAVEDidáctica, tecnología, simulación,

viento, vivienda, 2D, 3D

2 Profesor Investigador del Cuerpo Académico Hábitat Sustentable, Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P..

ejemplo: el tamaño de su cámara de pruebas, tipo de impulsor de aire empleado (ventilador) y las velocidades que se requieren alcanzar.

En México, las universidades paulatinamente han ido implementando el uso del túnel de viento en las facultades de diseño, buscando que los alumnos comprendan la relevancia que tiene someter los prototipos y maquetas –con las cuales experimentan sus estudios- a pruebas de viento, de manera que en su ejercicio profesional consideren las variables ambientales como el viento, humedad, pre-sión atmosférica, salinidad y asoleamiento, para mejorar y optimizar sus propuestas, y por ende procurar el mejoramiento de la calidad de vida de los usuarios de productos.

En el presente escrito se presentará un bre-ve resumen de un trabajo que consistió en el diseño y la construcción de un túnel de viento subsónico de circuito abierto con fines académicos, destinado a la enseñanza de la arquitectura y construcción en la Facultad del Hábitat, UASLP. Para el diseño se siguió una metodología que fue modificándose constantemente para adecuar el producto al caso específico.

Principio tecnológico y aplicación al luxómetro de múltiple entrada .........................55

Conclusiones generales. ....................................................................................56

Bibliografía. .....................................................................................................56

Trabajos citados ...............................................................................................56

10 11

the design of airfoils . He commonly associated with product development in the automotive sector, however applications are varied, from measuring the aerodynamics of Formula One cars, to testing items used in daily life such as golf balls .Today it is considered a very useful tool for the study and investigation of phenomena caused by wind flows primarily on objects, buildings or structures.In this era, the fields of study that most consi-der the use of the wind tunnel are engineering and design. Historically it was created to pro-perly design the first airplanes and strengthen commercial aviation. The aviation industry has achieved through years of study, intercontinen-tal flights carry loads extremely large, while the automotive industry has given more importance to the wind testing their various car models, searching is reduced and efficient using the energy required to propel them . Depending on the purpose of study and application defining the characteristics of each one, for example: the size of the test chamber, impeller type of air used ( fan) and reach speeds required .In Mexico, the universities have gradually implementing the use of wind tunnel design schools , looking for students to understand the relevance submit prototypes and models, with which they experience their studies - wind tests, so that in practice consider environmental variables such as wind, humidity, atmospheric pressure, salinity and sunlight, to improve and optimize their proposals, and therefore seek to improve the quality of life of users of products.In this paper will present a brief summary of work that included the design and construc-tion of a subsonic wind tunnel open circuit for academic purposes, for the teaching of architecture and construction at the Facultad del Hábitat, UASLP .To design a methodology that was followed was constantly modified to adapt the product to the specific case.

METODOLOGÍA

KEYWORDSTeaching, technology, simulation, wind, hou-sing , 2D, 3D

La investigación consistió en dos partes, bibliográfica y de campo. La primera se basó en documentos científicos de donde se ob-tuvieron los principios físicos y tecnológicos básicos que fueron utilizados en el diseño del túnel de viento, así como el conocimiento fundamental sobre el comportamiento de los fluidos, la funcionalidad de los túneles existentes, sus componentes esenciales, los tipos de experimentos ya realizados y las aplicaciones. También los métodos numéricos para el diseño de la geometría del aparato y los programas de cómputo que son utilizados para la realización de simulaciones digitales. La segunda parte de este estudio consistió en la experimentación con aire y en recopilar información mediante visitas a centros académicos con labora-torios de experimentación para detectar aciertos y deficiencias en sus propuestas.

Una vez recopilada la información se procedió a sistematizarla, para mediante un análisis de las partes y sistemas, se gene-raran propuestas conceptuales pro-pias aplicables al caso específico de la Facultad del Hábitat (FH), las cuales se confrontaron con las opiniones recabadas en encuestas a profesores y alumnos de las facultades de Ingeniería y del Hábitat.

Se inició una comprobación del funcio-namiento fabricando un modelo en el que se incorporaron los elementos diseñados que conformaron el dispositivo. Mediante éste se realizó un diagnóstico y se obtuvi-eron conclusiones que permitieron mejorar el diseño y facilitar la construcción de un prototipo a escala con el cual se demostró su funcionalidad en el ambiente académico y la precisión y calidad necesarias para el óptimo funcionamiento del artefacto.

El proyecto fue realizado por un diseñador industrial de manera que todas las variables de un producto fueron consideradas para la rea-lización de la propuesta construida. (Esquema 1)

INTRODUCCIÓN.A través de la historia, el hombre ha evo-

lucionado y con él los objetos que le rodean, desde los más básicos utensilios usados por el homo habilis, hasta los más complejos sistemas de producción de nanotecnología empleados en la actualidad. Todo producto de un desarrollo continuo que considera cada

Investigación

Diagnóstico

Análisis

Síntesis

Propuesta

Administraciónde Proyecto

Búsqueda de Información en Campo

Requisitos, Parámetros y Requerimientos

Problemática

Necesidades

Dimensionamiento InicialConcepto de Diseño

BrainstormingAlternativasValoraciónRediseño

Producto Existente

Análisis de Actividades

Análisis Ergonómico

Contextualización

Comprobación de PrincipioTecnológico

Principio Tecnológico

Prototipo

Validación porusuario

Rediseño

Fabricación en Serie

Mercado o Cliente

Pruebas

Oportunidad deDiseño

MaterialesCapacidad Productiva Limitantes de Diseño

Planteamiento Objetivos

Alcances

Modelo Matemático

Descripción General

TransportaciónAlmacenaje

Instrumentación

Diagramas de UsoDiseño de Detalle

Planos de Producción

Layout

Subsistemas

Costos

Ruta Crítica

Selección de Materiales y Procesos

Diagrama de FlujoSecuencia de Producción

Esquema 1

vez mayor cantidad de variables que afectan al medio artificial y natural que nos rodea.

Para el desarrollo y mejoramiento de nuestro medio ambiente y sus componentes, la ciencia ha intentado simular condiciones específicas para cada tipo de entorno y objetos, con el fin de mejorar el diseño del producto antes de realizar su producción o de comenzar la construcción de un proyecto arquitectónico.

La tecnología hace su aportación al mo-mento de llevar a cabo por medio de com-putadoras, sensores y principios matemáti-cos, diversos cálculos y simulaciones sobre modelos o maquetas a escala antes de poner en marcha la implementación de un proyecto.

El primer túnel de viento fue construido en

el año de 1884 por Horatio Frederick Phillips (1845-1912). Fue creado con la intención de hacer mediciones y experimentos para perfiles aerodinámicos midiendo la sustent-ación y el arrastre de perfiles con concavidad.

Esta herramienta fue desarrollada para satisfacer una necesidad de experimentación tras el vuelo del primer aeroplano en el mundo en el año de 1881, por el ingeniero alemán Otto Lilienthal (1848-1896) y su hermano Gustav, quienes comenzaron ex-perimentando con placas planas y cóncavas sujetas sobre un brazo. Su contribución más grande fue la realización del primer vuelo con alas rígidas en lugar de alas articuladas con movimiento; esto colocó la base para el primer vuelo en América realizado por los hermanos Wright. (Figura 1)

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DESCRIPCIÓN.

Figura 5: Principio de gasto aplicado en el túnel de viento.Fuente: http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/flujodegases/tuneldeviento/tuneldeviento.html

El túnel de viento que diseñaron y cons truyeron ellos en 1901 (Figura 2) genera-

ba velocidades de 25-30 m/s, suficiente para realizar pruebas de sustentación de modelos

de aeroplanos y perfiles cóncavos. Las prue-bas que se realizaron en este túnel de viento fueron de vital importancia para lograr con éxito la construcción y elevación del primer aeroplano en América en el año de 1903.

Un tiempo después en el año 1941 se desarrolló un túnel de viento en Langley, Vir-gina. Contaba con una sección elíptica de 18 metros de ancho por 9 metros de altura, su-ficiente para hacer pruebas sobre prototipos de aviones en escala real. Las velocidades máximas que se alcanzaron fueron de 180 km/h generados por el sistema impulsor que tenía una potencia de 8000 hp. (Figura 3)

Básicamente el funcionamiento del túnel de viento se funda en el principio de Ber-noulli (Figura 4) y en la ecuación de Gasto (Figura 5) y consiste en hacer que un flujo

entre por una sección de tubería y a través de la variación de los diámetros conseguir los efectos requeridos como el control de velocidad, presión o de área para la experi-mentación con el aire utilizado como fluido.

Dependiendo del tipo de túnel de viento pueden variar los componentes pero siempre podrá observarse la cámara de pruebas que es en donde al estrecharse la sec-ción de circulación, el aire se comprime resultando en un aumento de velocidad.

El método usado en el túnel de viento para la realización de pruebas consiste en generar un flujo uniforme en forma de láminas, a las que se agrega un tinte de humo para que pu-edan visualizarse las líneas de corriente1 del aire sobre el modelo que se esté probando.

Algunas de las cualidades que describen a un túnel de viento pueden ser dadas por los números de Reynolds2 o velocidades Mach3 que alcanzan, además de la continui-dad del flujo y los niveles de turbulencia que presentan.

El hecho de poder emular variables climáticas proveen de cierta ventaja para quienes diseñan objetos o estructuras que serán usados o colocados en la intemperie, ya que sistemas artificiales nos permiten controlar las variables como temperatura o variación de velocidad del viento sobre modelos o prototipos a escala. Esto nos permite un análisis y cuantificación de las

1 Línea de Corriente: líneas imaginarias que corresponden a una trayectoria de un fluido tangente a un cuerpo.2 Números de Reynolds: número adimensional usado en mecánica de fluidos para caracterizar el movi-miento de un fluido.3 Velocidad Mach: valor de velocidad equi-valente a la velocidad del sonido.( aprox. 1225km/h ó 340.3 m/s)

CLASIFICACIÓN DE TÚNELES DE VIENTO.

fuerzas dinámicas causadas por el flujo del aire.

Existen varios tipos de túneles de viento. Dependiendo de diversos factores, pueden clasificarse según el tipo de circuito funcional del aire, por el tipo de prueba realizable en la cámara, según la velocidad alcanzada en la sección de pruebas y de acuerdo a la presión atmosférica.

Obviando el tiempo como cuarta di-mensión, la primera clasificación se basa en el tipo de modelo que se puede co-locar en su cámara de pruebas para la realización de las mismas (Esquema 2).

La segunda clasificación es en base al modo de circulación del flujo (Esquema 3).

La ventaja de los túneles de circuito abierto es que debido a su menor número de componentes resulta más económico, y bien diseñado puede arrojar resultados bastante aceptables para fines académicos. Una de las desventajas es que el aire que usa para su funcionamiento está sujeto a las mismas variaciones de propiedades que el aire del exterior, por lo que cuestiones de humedad, presión y temperatura deben ser considerados durante y después de la simu-lación para realizar el ajuste de las variables mencionadas de acuerdo a las necesidades de dicha simulación. Otra cuestión que debe ser tomada en cuenta es que el gasto ener-gético es menor que en un túnel de circuito cerrado, ya que estos generalmente tienen dos ventiladores y las pérdidas de energía en un túnel de circuito abierto se generan por una salida del viento precipitada, por lo que el diseño del difusor de salida es de suma importancia.

Figura 3: Sección de pruebas del túnel de viento de Langley, Virginia.

Fuente: http://history.nasa.gov/naca/gallery.html

Figura 1: Primer vuelo con alas rígidas de los hermanos Wright.

Fuente: http://misrerspuestas.blogspot.mx/p/leyenda-del-ajedres.html

(Figura 2): Réplica del túnel de viento de los hermanos Wright que se encuentra en el National museum of the

United Stated aAir Force Fuente: http://www.libraries.wright.edu

Figura 4: Ilustración del trinomio de Bernoulli. Donde:A= Área, P= Presión, V= Velocidad, h= Altura. Este principio también incluye densidad de fluido y velocidad gravitato-

ria para la realización del cálculo. Fuente: http://oskrsf.wordpress.com/hidrodinamica/el-principio-de-bernoulli/

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Figura 7.1. Túnel de Viento de Circuito Abierto. Fuente: Dimensionado y construcción de un túnel de

viento de baja velocidad de M.I.M. Monge Gapper, Costa Rica.

Figura 7.2 Túnel de Viento de Circuito Cerrado. Fuente: http://www.safety-car.es.

Esquema 3

Figura 6.1. Maqueta bidimensional básica para el estudio de modelos bioclimáticos en relación al viento.

Fuente: Cuerpo Académico Hábitat Sustentable.

Figura 6.2. Maqueta tridimensional de complejo arquitec-tónico y urbano colocada para ser sometida a mediciones

de cargas por vientos. Fuente: http://urbanity.blogsome.com.

Esquema 2

Una de las desventajas del túnel de circuito cerrado es su costo, debido a que éste se incrementa dada la construcción de pasillos y otros dispositivos que sirven para corregir el flujo, como difusores y rejillas de panal. Suele albergar dos motores, uno de extracción y otro de inyección. Este tipo de túneles se usan para investigación que requiere poca fluctuación de resultados.

La tercera clasificación es con base en su velocidad. Tomando en cuenta que ésta es registrada en la cámara de pruebas (Es-quema 4).

Los túneles de viento subsónicos pueden ser de circuito abierto o cerrado; la diferencia radica en que en el túnel de circuito abierto el ventilador axial es el que realiza el trabajo de propulsión del aire, incrementando la presión que compensa la pérdida de viscosidad del fluido. En el de circuito cerrado los ductos de retorno deben ser diseñados para mantener la presión o reducir las pérdidas de la misma.

Los túneles de viento transónicos al-canzan velocidades en las que se desen-vuelve la mayor parte de la industria de la aviación comercial. Algunos de los problemas en este tipo de túneles consisten en que

al usar ventiladores de alta potencia gen-eran vibraciones, además de las ondas de choque generadas por la presión ejercida por parte del viento hacia las paredes del túnel.

Para considerar un túnel de viento su-persónico las velocidades alcanzadas deben superar la del sonido 1225 km/h y man-tenerse inferior a los 5 Mach. La industria aeronáutica usa este tipo de túneles para pruebas de motores de aviones militares.

El diseño de túneles de viento hiper-sónicos enfrenta varios problemas. Uno consiste en suministrar la presión suficiente y la temperatura adecuada en el viento por períodos de tiempo considerables necesarios para evitar daño estructural en el túnel y para reunir la información que se requiere. Otro problema es el gasto energético, así como

el desarrollo de instrumentación que pueda captar información a esas velocidades. Un problema usual en este tipo de túneles es el control de temperatura. Como se explicó previamente, el túnel acelera el viento por medio del control de diámetros en los ductos que lo componen, sin embargo para generar velocidades hipersónicas es necesario el uso de tanques de presurización adicionalmente al principio de gasto. Por ley de gases el aire al descomprimirse se enfría. Un problema adyacente es que al mantener presiones altas dentro del túnel, el aire podría entrar en condensación e incluso licuefacción. Estos túneles son utilizados exclusivamente en el diseño y prueba de vehículos espaciales.

La cuarta clasificación se rige de acuerdo a la presión atmosférica alcanzada en la cámara de pruebas, podemos encontrar

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Figura 8.2. Complejo de Aerodinámica Nacional a Escala Real en el NASA Ames Research Center, Houston, Texas.

Fuente: www.vonkarman.stanford.edu.Figura 8.1. Túnel de viento supersónico. Estos túneles se usan en el diseño de aviones militares.

Fuente: www.gizmodo.es.

Esquema 4

Esquema 5

dos tipos (Esquema 5).

Los túneles de viento de densidad vari-able son usados para investigación y estu-dios de efectos de elasticidad en puentes y rascacielos, así como para el análisis de dispersión de contaminantes. Generalmente sus cabinas de prueba son muy largas.

También son utilizados para el estudio de diversos efectos en los límites de los estratos atmosféricos.

Los túneles de viento presurizados, así como los de densidad variable tienen pro-

blemas operacionales muy particulares, sin embargo ambos requieren que la presión en su interior pueda ser controlada. Por lo tanto un alto nivel de precisión durante la construc-ción es vital ya que cualquier desperfecto sería causa de variabilidad en las pruebas.

Para los túneles de viento de densidad variable, los modelos deben ser construidos con materiales que son preparados de acuer-do a su densidad o resistencia equivalentes a las características de las edificaciones reales, de manera que la simulación en ellos provea de datos fiables y apegados a los reales.

Los componentes de un túnel de viento pueden variar dependiendo del tipo de cir-cuito, de su velocidad o presión. Se hablará de túneles subsónicos, tanto de circuito abierto como de circuito cerrado que es el tema que nos atañe. La mayoría de los túneles subsónicos tienen partes principales que se resumen a continuación.

Para un túnel de viento de circuito abierto los componentes son los siguientes:

1. Mecanismo impulsor: son prin-cipalmente ventiladores que extraen o inyectan aire hacia el circuito. Pueden ser varios ventiladores o uno solo, depende de los requisitos del túnel y del diseño del cono de contracción y del difusor.

Los ventiladores axiales generan velo-cidades considerables de aire, sin embargo al colocarse en la entrada o salida del túnel( dependiendo si se trata de un túnel de inyección o de sustracción) provoca una obstrucción en el sistema, que para com-pensarse debe calcularse y diseñarse una hélice en especial para evitar interferencias y vórtices que afecten la calidad del flujo de aire en el túnel. Otro tipo de ventilador muy usado en el diseño de túneles de viento es el centrífugo, que funciona con álabes que generan el flujo de aire (Figura 9). Este tipo de ventiladores son los mas usados para túneles pequeños ya que generan un flujo mas uniforme, además por ser un

elemento comercial estandarizado son fáciles de adquirir por lo tanto es mas práctico que diseñar y fabricar una hélice propia.

La longitud de la sección para colocar el ventilador puede determinarse de modo que proteja el motor mismo y a la hélice. Es importante considerar rejas de protección.

2. Rejas para Laminación de Aire: tienen la función de uniformizar el flujo del aire antes de su paso por la cámara de contracción. El tipo de reja mas usado es el hexagonal conocidas también como rejas de panal (Figura 10); un túnel puede contener varias rejas sin embargo su longitud es un factor importante para garantizar una buena

COMPONENTES DE UN TÚNEL DE VIENTO.

Figura 9. Simulación de funcionamiento de un ventilador centrífugo.

Fuente: http://coriolisblog.wordpress.com/

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calidad de flujo, suelen tener una profun-didad de 6 veces el diámetro de una célula hexagonal. También se usan mallas metálicas entretejidas que se pueden colocar antes o después de las rejas de panal dependiendo del tamaño de la célula, las rejas con células de tamaño mayor a la de las rejas de panal se colocan antes y las de células con tamaño menor se colocan después de las rejas de panal para mantener la calidad del flujo.

3. Difusor: geométricamente hablan-do el difusor es la zona de transición entre dos sectores de geometría distinta, esto ayuda a su funcionalidad en cuanto a que reduce las pérdidas de energía por efecto de fricción . Una de sus funciones principales es reducir la velocidad del viento antes de llegar al ventilador.

Se pueden encontrar de dos tipos, el difusor de salida y el difusor de gran ángulo. El primero se caracteriza por equilibrar la presión del flujo gracias a su cambio de dimensión, generalmente se ubican en la salida. Los difusores de gran ángulo se encuentran antes de la cámara de con-tracción como sección extra para equili-brar presiones y velocidades antes de lle-

gar a la cámara de prueba (Figura 11).

Aunque la calidad del flujo en esta zona no es muy importante, existe una relación entre el ángulo de difusión máximo permis-ible de ensanchamiento y la velocidad de flujo en este elemento. Generalmente a mayor ángulo mas posibilidad de generar flujo inestable en la cámara de pruebas.

Su longitud se calcula de acuerdo a las di-mensiones de la entrada a los extractores, un error frecuente se presenta al momento de querer imponer un difusor de longitud corta, sin embargo esto genera un ángulo de ensan-chamiento mayor y por lo tanto la posibilidad de reducir la calidad del flujo en la cámara de pruebas en túneles de viento por extracción.

4. Cámara de Asentamiento: es la zona que se sitúa antes de la contracción, es una sección constante donde son colocadas las rejas de homogenización que reducen la escala de la turbulencia en la cámara de prueba. Sirve también para alojar los sistemas de inyección de gas.

5. Cámara de Contracción: su fun-ción es la de acelerar el flujo del aire y reducir la intensidad de las turbulencias en el área de pruebas. El diseño de su geometría es de vital importancia ya que de esto depende el correcto acomodo y aceleración de las capas de viento. Para el desarrollo de su geometría es indispensable conocer la velocidad que se pretende alcanzar en la cámara de pruebas para de esta forma plantear las dimensiones de entrada y salida. También deben tomarse en cuenta las aristas para ser biseladas en forma proporcional en relación al área de cada sección (Figura 12).

6. Cámara de Prueba: la sección

de presión por cambio de geometría. Indica-dos en la figura 5.6 con el numero seis (6).

Las aplicaciones del túnel de viento se remontan a la primera era de la aviación, de ahí la popularidad de estos elementos que constantemente se relacionan con el campo de la aeronáutica. Posteriormente

sus aplicaciones se ampliaron a la industria armamentista para la creación de proyectiles. Una vez terminada la época de guerra, el uso del túnel de viento empezó a tener nuevas perspectivas.

A continuación se presentan algunas de las áreas en las cuales el túnel de viento ha sido considerado una herramienta de importancia.

1. Aeronáutica.

Dado que el túnel de viento fue creado con la intención de investigación en temas concernientes a la aerodinámica como lo son la sustentación y arrastre, la industria de la aviación ha sido donde se ha enfocado mas el desarrollo de túneles de viento, así como en el campo de la aeronáutica para la realización de pruebas en transbordadores y satélites. La NASA es la institución con mas historia de túneles de viento, diversos estudios y avanc-es tecnológicos han hecho posible el diseño de aeronaves tripulables por humanos que pueden alcanzar alturas en los límites de la estratósfera. Por otro lado la NACA es la insti-tución con mas historia y estudios en desar-rollo de perfiles aerodinámicos (Figura 15).

2. Ingeniería civil.

El campo que la ingeniería civil abarca desde la mecánica de fluidos hasta cargas es-táticas complejas (Figura 16). Se menciona-rán solo algunas de las aplicaciones debido a

Figura 10 Reja de panal. Fuente: http://www.kemtron.co.uk/

Figura 11. Se observa la sección del difusor y al fondo el ventilador del túnel de viento de McLaren.

Fuente: http://motordigital.com.

de prueba es el alma del túnel de viento, ya que en ella se realizan las mediciones y experimentación. Su sección suele ser de forma cuadrada y su longitud es variable pero se aconseja que sea los suficientemente larga de manera que los modelos no queden cercanos a la sección de estabilización adya-cente, sino lo mas centrados posible. El flujo en esta sección del túnel debe presentar altos niveles de uniformidad tanto en sus capas como en su velocidad. De manera que la capa limite no aumente su medida mientras el aire atraviesa la sección de pruebas y au-mentando el área real de pruebas que tiende a ser menor que el área real (Figura 13).

Este efecto se debe a que mientras mas se separe el flujo de las rejas la capa límite tiende a crecer y por lo tanto puede crear turbulencias.

En la cámara de prueba es donde se coloca toda la instrumentación, soportes para los modelos, equipo para medición de esfuerzos, etc. Una forma de probar la unifor-midad del viento es desarrollando un perfil de velocidades dentro de la cámara de pruebas.

El túnel de circuito cerrado presenta las siguientes piezas extra además de las mencionadas en el túnel de circuito abierto:

7. Esquinas: su función es el desvío del flujo dentro del circuito, una de las car-acterísticas deseables es que la interferencia entre el flujo y la esquina sea la menor posible. Indicadas en la Figura 14 con el numero cinco (5).

8. Transiciones: son partes que sirven como conectores entre secciones del túnel de viento. Su geometría es variable dependien-do de las zonas que deseen conectarse pero deben mantener bajos los niveles de perdida

Figura 12 Cámara de contracción del túnel de viento de la NASA.

Fuente: http://history.nasa.gov/naca

Figura 14 Túnel de viento de circuito cerrado, proyecto en Costa Rica.

Fuente: Dimensionado y construcción de un túnel de viento de baja velocidad de M.I.M. Monge Gapper, Costa

Figura 13. Túnel de viento de AUDI, pruebas realizadas en un modelo a escala 1:1.

Fuente: http://www.audi.es/es

APLICACIONES ACTUALES

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la gran variedad de experimentos que ayudan al ingeniero a determinar cantidades, dimen-sionamiento y materiales. Los puentes son uno de los principales usos, es importante ya que el estudio de la reacción del puente y de los vehículos en relación a ráfagas de viento o turbulencias de grandes magnitudes puede ayudar a reducir accidentes vehiculares.

Otro efecto similar es el creado por el viento en los muelles, debido a la mala ubicación de un puerto, los vientos pueden afectar la estabilidad de las estructuras que mantienen el muelle fijo y por consecuencia las embarcaciones ancladas en el lugar.

La propagación de agentes contami-nantes es otro tema que atañe a la ingeni-ería civil, la ubicación de zonas industriales puede afectar a largo plazo sobre la salud pública sino se hacen pruebas de viento para patrones de dispersión.

En los aeropuertos, la mala ubicación de naves y hangares puede resultar en un accidente masivo debido al despren-dimiento de cubiertas generado por vien-tos dominantes que no fueron estudiados.

Un uso poco común es el de pruebas para patrones de viento en relación a la erosión, lo cual puede ser útil para la creación de barreras cortavientos en zo-

nas de conflicto con vientos dominantes.

3. Arquitectura.

Una de las ventajas de usar un simulador aerodinámico como un túnel de viento sobre proyectos arquitectónicos, es que permite analizar las cargas por viento y acústica, creadas por las corrientes de viento alrededor de la edificación en su totalidad así como en elementos como cubiertas o velarias. Hoy en día es necesario tener conocimiento cada vez mas profundo en esta área debido a que la arquitectura moderna hace uso de estructuras complicadas en las que el mismo peso del edificio puede representar un problema, así como estructuras minimalistas y ligeras que deben soportar grandes cargas o corrientes de viento de altas velocidades. Sin duda en ambos casos el conocimiento del flujo creado por el viento alrededor y a través de las edificaciones puede ser una ventaja para quien diseña el espacio (Figura 17).

En lugares de vientos dominantes, el con-ocimiento de la influencia del viento puede prevenir problemas como sonidos generados en complejos arquitectónicos así como des-prendimiento de acabados debido a la torsión o vibración que se genera al moverse la edi-ficación o parte de ella por acción del viento.

Otra de las vertientes en que la simu-lación de viento puede ser útil, es en el desarrollo de modelos bioclimáticos. Por ejemplo al realizar estudios de corrientes de viento naturales y tomando en cuenta la orientación del edificio, se puede reducir costo para el mantenimiento de la vivienda por ahorro de energía, además de ahorro por posibles remodelaciones en un futuro. El conocimiento del flujo de viento en una vivienda puede determinar también la sus-ceptibilidad de propagación de incendios en la misma o en un complejo de edificios.

4. Industria automotriz.

En la industria del automóvil las pruebas de aerodinamismo son realizadas princi-palmente sobre automóviles formula uno, en donde los ingenieros buscan reducir la resistencia al aire pero también buscan la estabilidad del vehículo, de forma que la estética del automóvil no se vea tan afectada así como que el viento sea guiado para enfriar el motor sin mermar su rendimiento.

Variables climáticas como la temperatura pueden ser simuladas en un túnel de viento destinado especialmente para pruebas en automóviles, se realizan también ajustes en la base donde se coloca el modelo, fabricando una banda móvil con textura de grano similar al asfalto, de manera que pueda simularse la pista de carreras. La calibración del tú-nel y el desarrollo de equipos de medición es muy minuciosa y lleva mucho tiempo.

No obstante las compañías dedicadas a la creación de automóviles han considerado la ventaja del ahorro de combustible exigiendo a sus diseñadores e ingenieros mejores propuestas en cuanto a resistencia del aire se refiere.

Actualmente encontramos en las calles automóviles de uso doméstico que han sido probados en diversos túneles de viento bajo distintas variables, aumentando el rendimiento energético, disminuyendo niveles acústicos generados por el choque del viento con la carrocería y mejorando el comportamiento del automóvil frente a climas extremos como calor extremo, ráfagas de viento, lluvias y nevadas (Figura 18).

5. Diseño industrial.

Las aplicaciones dentro de la disciplina del diseño industrial aún no son tan variadas ya que los objetos que tienen interacción directa con corrientes de viento son un número redu-cido, sin embargo destacan algunos ejemplos con distintos enfoques como el desarrollo de balones de futbol soccer sin costuras para evitar turbulencias y efectos no deseados.

Otro ejemplo es el paraguas con el centro desfasado a un ángulo específico, lo que permite el uso del mismo aún con ráfagas de viento.

En un ramo mas específico se encuentra el desarrollo de paracaídas y trajes de vuelo que se encuentran en desarrollo por la NASA.

Otra enfoque es el de aprovechar el viento en lugar de desviarlo, por ejem-plo los sistemas de captación de aire para enfriamiento de aparatos electróni-cos como computadoras, o el diseño de fascias de los automóviles para dirigir el viento al sistema de frenos (Figura 19).

6. Desarrollo energético.

Hoy en día el túnel de viento toma su papel como herramienta de prueba para el desarrollo de energías verdes. Un ejemplo, las granjas de energía eólica son una de las tecnologías beneficiadas por la experimentación para el desarrollo de aerogeneradores, así como en el estu-dio de la orografía de los terrenos para su colocación y orientación para así apr-ovechar los vientos dominantes (Figura 20).

Otra forma de aprovechar el túnel de viento es para el estudio de afluentes de agua, para este tipo de estudios se usa el viento como fluido y los resultados son ex-trapolados y calculados con las propiedades del agua.

7. Túnel de viento y CFD

Computational Flluid Dynamics (CFD), por sus siglas en inglés son paquetes de software desarrollados para simular el viento en modelos tridimensionales computarizados que permiten observar líneas de corriente, puntos es esfuerzo críticos, turbulencias, etc. que se presentan en el modelo al ser expuestos a esfuerzos de diferentes fluidos.

Figura 16. Se muestra una secuencia de simulación de cargas por viento realizadas por medio de software,

comparadas después con el túnel de viento. Fuente: www.windtech.com.au

Figura 17. A la izquierda se observa un proyecto realizado primero en su etapa de diseño siendo colocado en el túnel de viento y después una fotografía del edificio ya construido. A

la derecha se observa un estudio de ventilación natural sobre una maqueta a escala.

Fuente: www.windtech.com.au

Figura 18. Trailer de Mercedes Benz siendo sometido a pruebas de viento, actualmente se realiza prueba en el túnel de viento al mismo tiempo que se realiza simula-ción computarizada permitiéndose así un acercamiento

mas certero en el análisis para la mejora del diseño aerodinámico.

Fuente: http://www.mercedes-benz.es

Figura 15. Túnel de Viento escala 1:1 para pruebas en aviones militares.

Fuente: http://ingaeronautica.wordpress.

22 23

A diferencia de un túnel de viento el software CFD es menos costoso aunque las computadoras necesarias para correr las simulaciones son de precio medio; sin em-bargo las graficas observadas en este tipo de simulaciones son aproximaciones matemáti-cas basadas en el método del elemento finito (FEM), que a final de cuenta son solo eso, aproximaciones. Estos programas se basan en ecuaciones matemáticas que son inter-pretadas para mostrarse en una imagen ren-derizada como las que se ven a continuación.

El túnel de viento a diferencia de los CFD pueden mostrar en tiempo real el flujo sobre un modelo físico, y con el equipo adecuado también es posible captar los esfuerzos para determinar si es que se deben hacer cambios en el diseño.

Los CFD pueden ser muy útiles como her-ramienta comparativa para la investigación en relación con las prácticas realizadas en un túnel de viento.

Existen diversas compañías que propor-cionan el software necesario para realizar las simulaciones. Algunos de estos programas pueden operarse de manera añadida (plug-in) a programas enfocados en CAD/CAM/CAE como la gama de programas de las com-

Figura 21. En la gráfica se observan los vectores velo-cidad y las líneas de flujo sobre un vehículo de fórmula

uno.

Figura 22. Se observa una imagen obtenida por CFD y en ella el perfil de un automóvil de carreras y las cargas

generadas por las capas de viento y sus direcciones.Fuente: www.aeriusphoto.com.

Figura 20. Simulación computarizada de estudio orográfi-co para posicionamiento de generadores eólicos.

Fuente: www.greenward-technologies.com.pañías Autodesk, Dassault Systemes y Sie-mens. Otra forma de operar las simulaciones es a partir de un programa dedicado como

Figura 19. De izquierda a derecha: Simulación de sistema de enfriamiento de frenos, prueba en túnel de viento a balón

Jabulani, prueba de túnel de viento a paraguas. Fuente: www.google.com

CAPÍTULO 2

3 Estudiante en la Lic. de Diseño Industrial Nivel X, Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P.

HELIODÓNJEAN FRITCHE TAMISET 1

LUIS GUILLERMO TIRADO PRUNEDA 3

JUAN CARLOS GÁMEZ 2

A) CONCEPTO FUNCIONALJean Fritche Tamiset

1 Profesor Investigador

2 Lic. en Diseño Industrial, egresado de la Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P.

RESUMEN

El control del asoleamiento de edificios requie-re de un instrumento que resulta eficiente y práctico para la formación de los estudiantes y para labores de investigación. Se trata de un simulador físico elaborado a partir de una consideración geométrica que permite una representación física del posicionamiento del sol en la bóveda celeste local y como consecuencia, el análisis de la iluminación de edificios frente a las posiciones cambian-tes del sol. El modelo fue construido con elementos de recuperación y las imágenes presentadas son las correspondiendtes a una construcción pro-visional. Diseñadores Industriales aportarán propuestas de diseño que harán factible una construcción en serie, de mayor facilidad de uso y de mejor aspecto. Este proyecto nace a partir de la preocupación del Cuerpo académico de tecnología y materiales para la construcción (CATMC) de contar con un laboratorio experimental para el diseño bioclimático.

PALABRAS CLAVE

Heliodón, homotecia, declinación solar, Fresnel

ABSTRACT

Insulation control of buildings requires a powerful and practical instrument for student training and research. Developed physical simulator is presented from a geometric consideration that allows a physical repre-sentation of the sun’s position in the local sky and therefore the analysis of behavior on

illumination of buildings facing the changing positions of the sun.The model presented was constructed using recovery and images presented are of a tem-porary building. Industrial designers brought some design proposals that will make possible a standard construction and ease of use and better looking. This project stems from the concern of faculty of technology and cons-truction materials (CATMC) to acquire an experimental laboratory for bioclimatic design.

KEYWORDS.Heliodon, Homotecia, solar declination, Fresnel.

INTRODUCCIONLa resolución de un espacio habitado,

sano y amable, obliga a tener control sobre las manifestaciones del ambiente natural inmediato. La envolvente funcionando como filtro y captador, lo cual implica Control de asoleamiento, de la humedad, de selec-ción de materiales de construcción y de la ventilación natural interior. El control de asoleamiento se planea a partir del registro de la evolución de la posición del sol con-forme va iluminando las construcciones. Se dispone de varias herramientas para determinar proyectualmente esta relación sol-edificio: Los trazos, los simuladores físi-cos y los softwares. Los simuladores físicos son útiles para permitir una visualización, reducida en escala, con configuración real y eficaz que facilita el entendimiento del fenómeno por parte de los estudiantes.

Presentar un heliodón como propuesta alternativa a diseños observados en otras instituciones universitarias que se visitar-on, obedece a la necesidad de diseñar uno propio. Pretende ser una respuesta a las exigencias formuladas por los maestros de Arquitectura y Diseño Industrial. Los mod-elos que fueron observados se encuentran

24 25

en las universidades de Cristóbal Colón de Veracruz, Escuela Gestalt de Jalapa, Universidad de Colima, Universidades de Hermosillo y Baja California de Mexicali y UAM Azcapozalco. Las fotografías que vienen a continuación ilustran tales equipos.

En el heliodón que nos mostraron en la UAS de Hermosillo, las trayectorias son materializadas por aros que giran alrededor de un eje Norte-Sur perpendicular al plano de las trayectorias y que basculan acorde a la latitud, de manera que la inclinación de las trayectorias sea igual al complemento de la latitud del lugar considerado. Cada aro representa la trayectoria del día 21 de cada mes. Son siete aros que consideran

Modelo Universidad de Sonora

Modelo UAM Atzcaporzalco

Modelo Escuel Gestalt

la simetría que existe entre los meses de enero y noviembre, febrero y octubre, marzo y septiembre, abril y agosto, mayo y julio, más los dos aros que Corresponden a las trayectorias de diciembre y junio, meses de solsticios. En el de la UAM sólo se pueden analizar asoleamientos de 4 fechas: las dos de los solsticios y las conjuntas de los equinoccios con ajuste a las diferentes latitudes. El sistema de iluminación está compuesto por múltiples lámparas. En todos

los casos con un halo de luz muy reducido.

El concepto geométrico que sustenta la pro-puesta nuestra es el de la homotecia (Figura 1).

La aplicación consiste en establecer una relación de homotecia entre las trayectorias del sol y un arco de círculo construido dentro de un plano paralelo a estas trayectorias.

Desde el centro se relaciona cada punto del arco con una posición del sol sobre su trayectoria aparente. La trayectoria solar se divide en fracciones de 1/24 del largo de la circunferencia completa, correspondiendo a una variación angular de 15 grados. El arco construido tendrá la misma división

Modelo Universidad de Colima

Figura 1

a su respectiva escala. Las trayectorias solares varían según la época del año man-teniendo la relación de paralelismo entre sí. Si conservamos el mismo arco construido lo que va a variar es el centro de homotecia.

Analizando un ejemplo de trayectorias solares.

En un lugar de latitud conocida todas las trayectorias aparentes del sol están inscritas en planos, paralelos entre sí, perpendiculares al eje de los polos del globo terráqueo e inclinado sobre el plano horizontal de un ángulo igual al complemento de la latitud del lugar considerado.

En la figura siguiente (Figura 2) consi-deramos las incidencias solares de los meses cuya trayectoria solar está representada. AO, BO, DO y CO (incidencia solar en los equinoccios al medio día).

Desde el punto cenital de la trayectoria que corresponde a losequinoccios, traza-mos líneas integradas al plano meridiano, paralelas a AO, BO, CO tales como son DA’, DB’, DC’. Podemos construir un solo aro (arco) que corresponde a la trayectoria de los equinoccios y desplazar el pie “o”, a lo largo del eje norte sur, hasta encontrar las posiciones A’, B’, C’ etc.…correspondiendo a las fechas para las cuales se quiere verificar el asoleamiento. Permitiría evitar la cons-strucción de tantos arcos como trayectorias consideradas.

Para determinar los ángulos de incidencia solar al medio día en cualquier época del año, se utilizan unas fórmulas que son de conocimiento común.

Ángulo de altura “x”

Seno (x) = seno (A) *seno (L)

+ coseno (A) * coseno (L) *coseno (W) (1)

Figura 2

X = ángulo de incidencia

L = latitud del lugar

A = declinación solar = 23.44*seno (360*(z-81)/365) (2)

Z = número del año (de 1 a 365)

W = 15 * (hs +/- 12) hs = hora solar.

A las 12 del día = 0 el coseno =(0) La relación queda así: Seno (x) = seno (A) *seno (L) + coseno (A) * coseno (L)

Seguido se obtiene el ángulo arcseno (x) = x (3)

H es la proyección ortogonal de la posición cenital del sol en el equinoccio sobre el eje norte sur trazado sobre el plano del horizonte.

Cada incidencia solar forma con H un triángulo rectángulo en H cuya hipotenusa es la línea de incidencia intersectada con el eje norte sur en nuestro caso de figura tenemos así HDA’, HDB’, HDC’.

Para determinar la posición de los puntos A’, B’, C’ utilizaremos el valor conocido de DH y los distintos valores de los ángulos de incidencia de sol.

Ejemplos HA’ = DH / tan (áng. DA’H), HB’ = DH / tan (áng. DB’H), HC’ = DH / tan (áng. DC’H) (5)

La declinación solar fue calculada con la expresión (2), la altura al medio día según la expresión (3)

DH = R * seno (90 – L) en este caso DH = R * seno 68ª para la maqueta propuesta R =45 cms.

Finalmente HX = DH / tan (ang. DXH)

X cualquier punto del tipo A’ o B’

Habiendo determinado mediante Excel las ubicación de los puntos del tipo AH’ para las latitudes comprendidas entre los 15º y los 32º, se elaboró la gráfica presentada a continuación, cuyo uso se mostrará más adelante.

Los puntos de intersección entre latitud y fechas son indicativos para el ajuste del heliodón. (Figura 3)

El HELIODÓN está compuesto de una mesa soporte sobre la cual están instalados:

- Un aro semicircular que materializa

2726

Figura 3

la trayectoria solar en posición homotética con la trayectoria solar real. Su recorrido permite controlar la variación diurna en horas.

Un brazo telescópico AB (Figura 4) que gira alrededor de la rótula “A”, centro de homotecia. “A” se desplaza, accionado con un tornillo sin fin, sobre una línea de dirección norte-sur. El brazo representa la dirección de los rayos solares.

- En un extremo de la línea diametral del aro está dispuesto un disco “L” (Figura 4) que controla la inclinación del aro en función

Figura 4del plano base “Soporte de maqueta” que materializa el plano horizontal local. El án-gulo, que forma el plano que contiene el arco de trayectoria solar con el plano horizontal de referencia, es igual al complemento del ángulo de la latitud local. Se puede variar este ángulo de acuerdo a todas las latitudes de cada hemisferio con la precisión que se desea.

- La plataforma “soporte de maqu-eta”, como plano horizontal local, se des-plaza unida con el punto “A” con el fin de presentar una exposición solar acorde a la fecha. La línea diametral del aro, el soporte de maqueta y el punto “A” están situados en un mismo plano.

- Una vez seleccionada la latitud,

con la correspondiente inclinación del aro, se desplazan en primer lugar la base “A” del brazo hasta encontrar la posicion del indicador telescopico “L” con la posicion, leida en la gráfica, que define: fecha con latitud seleccionada. (Fig. 5). La gráfica se deter-minó por procesos combinados de cálculo y de grafitación. Posteriormente desplazando el punto “B”, otro extremo del brazo, se ob-tiene la variacion en horas. La graduacion del aro puede ser definida con la precisión de-seada. El extremo “B” del brazo termina con una polea que da una vuelta completa por cada variación angular de 15° sobre el aro.

Los rayos lumínicos emitidos por la lám-para deben ser paralelos entre sí (semejanza

Figura 5

con iluminación solar) y paralelo al brazo que soporta la lámpara. El conjunto de inciden-cias solares en un día no se encuentran en un mismo plano, a excepción del caso de los equinoccios. El brazo por sus articulaciones toma en cuenta estas variaciones.

Las siguientes fotografías muestran las partes que componen el heliodón, así como el sistema de iluminación y la base de la maqueta (Figura 6).

Figura 6

Figura 7

Ajuste de latitud

La inclinacion del arco de trayectoria solar permite ajuste según la latitud del lugar. El plano que contiene el arco de trayectoria se inclina de un ángulo igual al complemento de la latitud. (Figura 7)

Ajuste de fecha

El desplazamiento de la base rotulada del bastón (telescópico), sobre el eje norte sur, busca la coincidencia con el punto de la gráfica que corresponde a la latitud y la fecha del caso estudiado. (Figura 8)

Figura 8

Ajuste de la hora

En el desplazamiento del brazo, cada ángulo de 15ª de girocorresponde a una hora. La polea que gira en contacto con el arco da una revolución completa en recor-rido de los 15 grados. Una ventana sobre el soporte de la polea permite dar una lectura de variación de la hora cada 5 minutos.

El sistema de iluminación mantiene un paralelismo con el brazo, ya sea girando alrededor, o alejando la fuente de luz, cu-briendo una más amplia área de iluminación. (Figura 9).

La propuesta presentada responde al interés de desarrollar un producto nuevo tal como era el objetivo. Cumple con su función didáctica. El componente que rep-resenta la trayectoria de los equinoccios, el bastón que se apoya sobre ella da imagen de la manifestación solar en un lugar de-terminado, enel momento que se elija. Se puede construir el heliodón a la escala que se desea. Su capacidad de respuesta es de 72 posiciones horarias registrables por 52 fechas distintas y eso en relación a las latitudes, consideradas de grados en grados que se aplican a la totalidad de la República Mexicana. El sistema de iluminación que habrá que escogerse buscará ampliar la superficie iluminada.

Figura 9

Conclusión.

Para comprobación expuesta a una ilumi-nación rápida del asoleamiento de un edificio o de una instalación solar se propone este instrumento.

Está compuesto de una base en forma circular que simula el plano horizontal en su asociación con una maqueta. Se puede realizar ya sea en cartón o en material más durable como contrachapado o cualquier tipo de aglomerado. Se pega sobre esta base una gráfica que se describe a continuación:

El trazo comprende: un círculo dividido en grados dobles. Permite su orientación con base en un norte geográfico o mag-nético, para hacer posible la lectura de ángulos acimutales. La diferencia entre estos nortes aparece en la gráfica de isógonas publicada en el Atlas solar de la República Mexicana (Figuras 10 y 11).

Propuesta de un heliodón que funciona con exposición solar directa.

2928

Aparecen unos círculos concéntricos que registrarán los ángulos de altura del sol a partir de la proyección en sombra de un gnomo ubicado en el centro del círculo, per-pendicular al plano de la gráfica (Figura 11).

Luego un trazo de líneas horarias y men-suales. Se determinó con las fórmulas (1) y (3) ya citadas. La sombra del gnomo se desplazará sobre la gráfica.

Para tomar en cuenta la diferencia que existe entre la hora solar y la hora legal a partir de la longitud y de la ecuación del tiem-po, se especifica para cada 21 de mes cuál es la corrección que se debe aplicar a la lectura que da la sombra del gnomo (Figura 13).

La gráfica siguiente nos da los valores de corrección impuestos por la ecuación del tiempo (Gráfica 1).

La Figura 14 muestra el funciona-miento del heliodón.

La imagen (Figura 15) muestra un ejem-plo de evaluación de sombreado.

Sobre una base plana se colocan la ma-queta y el heliodón asegurando un para-lelismo entre los nortes (sea magnético sea geográfico) de ambos. Frente al sol se inclina la base hasta llevar la extremidad de la sombra del gnomo en coincidencia con punto de la gráfica que define fecha y hora para las cuales queremos visualizar

Figura 10

Figura 11

Figura 12

Figura 13

Gráfica 1

Figura 14

Figura 15

la iluminación solar de la maqueta con sus efectos de sombra. De las fechas tenemos un solo día de cada mes los 21; y de las horas una variación de hora en hora. Como resultado podemos simular la variación de la posición del sol 9 horas de un día, el 21 de cada mes. Son así 9 x 7 = 63 posiciones. Se puede calcular los datos correspondiendo a una fecha y una hora determinada y trazar la posición correspondiente en la gráfica.

Cada lugar de latitud diferente requiere la elaboración de la gráfica correspondiente.

Este heliodón, de fabricación muy económica, permite obtener una información de asoleamiento suficientemente precisa para la toma de decisión en el diseño arqui-tectónico e instalaciones solares. Además de permitir la visualización tridimensional de los efectos de sombras lee simultáneamente las coordenadas solares del momento es-cogido. Colocando la gráfica sobre un plano horizontal y orientándola hacia el norte (con brújula hasta el norte magnético) se transforma en un reloj solar. Conociendo la hora desde un reloj, instalada la gráfica

sobre un plano horizontal, orientándola, para que el extremo de la sombra del gnomo coincida con la fecha y hora del momento, se convierte en un indicador de norte, tanto geográfico como magnético.

La ventaja de este simulador es que el sistema de iluminación es el mismo sol, que nos da una resolución de iluminación “solar”. Los heliodones de laboratorio tienen siempre dificultades para resolver la ilu-minación, que sea de luz solar de rayos paralelos y para cubrir un área extendida.

BIBLIOGRAFÍA

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Fritche Tamiset Jean, Simulador de iluminación solar. Rev. Hábitat sustentable págs. 68-75 U.A.S.L.P México 2011.

http://w3.puertos.es/es/ayudas_naveg-acion/introduccion.html Asociación Inter-nacional de Señalización Marítima (AISM/IALA)

www.heliodon.com.mx

B) CARACTERÍSTICAS DE LA ILUMINACIÓN.Luis Guillermo Tirado Pruneda

Cuando hablamos de un sistema de iluminación hacemos referencia a todos los agentes físicos que intervienen en el proceso y a la acción de iluminar un área con un objetivo específico.

El objetivo del sistema de iluminación del proyecto del Heliodón de la UASLP es simular los efectos de la trayectoria del sol respecto a una edificación en un punto específico. Dentro de los efectos de iluminación se busca producir una simulación que represente de la manera más real el comportamiento que tiene el Sol.

Cabe mencionar que este proyecto

INTRODUCCIÓN

3130

METODOLOGÍA.

DESARROLLO

tiene su fundamento en la apreciación y en el análisis del comportamiento entre la trayectoria del Sol durante el año y un cierto diseño arquitectónico. Se hace la referencia hacia la apreciación porque es un proyecto destinado al área académica y docencia.

La simulación es una técnica para realizar un proceso de experimentación. Esta se basa en representar de la forma más objetiva y real un fenómeno, teniendo previamente una total compresión del fenómeno a simular.

La metodología para la determinar las características ideales para la configura-ción apropiada del sistema de iluminación del Heliodón de UASLP se demuestra en el siguiente esquema.

Los sistemas de iluminación emplea-dos en todos los heliodones no simulan fielmente las características que tienen los rayos del Sol. Estos presentan la siguiente problemática:

El haz de luz emitido por la fuente de luz presenta una forma cónica, es decir, que los rayos de luz se proyectan diagonalmente cuando los rayos de luz del Sol son paralelos. Esto representa un problema porque las sombras se proyectan de una manera irreal y no se aprecia el comportamiento natural que tendrían las mismas.

Otra situación que es muy notoria es que

las fuentes de luz seleccionadas no presentan los requerimientos técnicos necesarios para tener un buen ejercicio de experimentación. Las características de las fuentes de ilumi-nación no son suficientes para proyectar un haz de luz consistente, amplio y de una intensidad que permita una apreciación adecuada de los contrastes entre las áreas iluminadas y las áreas con sombra.

En la siguiente ilustración se observa y se expresa la problemática. En el det-alle “A” apreciamos que la luz se proyecta de una forma cónica y no paralela. En el detalle “B” se demuestra que el área de iluminación no cubre las dimensiones de la maqueta y por lo tanto la iluminación se presenta en dos intensidades que son muy notorias. En el detalle “C” se puede percibir que existe un contraste pobre de entre las áreas de sombra y las áreas que deberían estar iluminadas.

Propuestas de solución.

Para resolver las tres problemáticas presentes anteriormente descritas se pro-pone la siguiente hipótesis:

Consiste en desarrollar y configurar un sistema de iluminación que simule fielmente las características naturales que presenta el sol, a través de productos y sistemas existentes que se encuentren en el mercado. El sistema de iluminación configurado debe de presentar los siguientes requisitos:

A. Los rayos de luz deben de ser proyectados de una manera cilíndrica, para que se simule el paralelismo de los rayos

del sol.

B. El diámetro del área iluminada de-berá de ser de aproximadamente 60 cm2, área máxima necesaria para poder colocar una maqueta en el Heliodón de la UASLP. Esto con el fin de que se ilumine toda el área que abarque la maqueta y se puedan apreciar todos los efectos de la simulación.

C. La intensidad de la luz deberá de ser suficiente para que a un nivel de apre-ciación visual humano, se pueda diferenciar notablemente entre los contrastes de las áreas iluminadas y las áreas con sombra.

Para resolver el problema (A) del paralel-ismo de los rayos, el Ing. Jean FritcheTamiset propuso el uso de un lente Fresnel. Dicho lente Fresnel está diseñado para focalizar rayos de luz de una manera paralela a gran distancia. Una de sus características más relevantes es que sus dimensiones le permiten reducir su ancho en relación a otros sistemas de focalización paralela.

Este tipo de lente lo encontramos en muchas aplicaciones como proyectores, pan-tallas de televisión, lámparas de teatro y en los faros marítimos, entre otras aplicaciones.

Para efecto de este proyecto se utilizó un lente Frensel de un área de 30 cm2 . Se obtuvo de un retroproyector de cuerpos opacos.

En las siguientes ilustraciones ( 3,4,5,) se demuestra el comportamiento de los rayos de luz según el caso.

En relación a las problemáticas B y C, se pueden resolver implementando otras fuentes de iluminación que sean de mayor potencia luminosa (lúmenes) y mayor in-tensidad lumínica (candela). Dentro del

Esquema 1. Metodología. Fuente: Propia.

DETECCIÓN DE LA PROBLEMÁTICA

Ilustración 1. Problemática del Heliodón de la Universidad de Hermosillo

Ilustración 2 Corte transversal, (1) Fresnel,

Ilustración 3

Efecto natural del sol.

Ilustración 4Sistema de simulación Heliodón convencional

3332

Ilustración 7 Lente Fresnel y fuente de luz.

Ilustración 8 Circunferencias para medición del diámetro del área iluminada.

Ilustración 9, Objetivo para lageneración de sombra

mercado comercial se detectaron sectores comerciales que presentan productos y sistemas que teóricamente pueden ser funcionales para el proyecto. En la tabla 2 se demuestra los sectores analizados, con sus ventajas y desventajas.

Se decidió empezar la experimentación con el sector comercial/hogar, ya que existen un gran variedad de productos en cuanto a sus dimensiones, fuentes de luz y coste accesible.

Objetivo

A través de la experimentación con dis-tintas fuentes luminosas, poder determinar cuál de las opciones presentes cumple mejor con los siguientes requerimientos

• Mayor área de iluminación.

• Mejor intensidad de la luz para una mejor definición de las sombras.

• Mayor rango de perpendicularidad de los rayos de luz entre distintas distancias.

Estos aspectos se determinarán a través de la apreciación visual y medición de los efectos presentados.

Descripción.

Se colocó sobre la pared una hoja de rota folio que contiene un gráfico con circunfer-encias impresas a manera de objetivos que van desde los 5 cm hasta 60 cm de diámetro.

Sobre una mesa móvil se colocó una gráfica, donde se colocó una plataforma donde se empotra el lente Fresnel y una

“L” de madera donde se coloca una base de plástico con la instalación para colocar un foco. El centro del lente Fresnel se encuentra dirigido al centro de las circunferencias en la pared, por lo que dicho lente Fresnel no se debe de mover, siendo que la instalación del foco es la que se recorre hacia el frente

o hacia atrás para encontrar la distancia focal adecuada.

La mesa donde se encuentra toda la instalación fue montada sobre una superficie móvil para poder alejar y acercar el haz de luz hacia los objetivos y demostrar los efectos de éste. Se tomaron mediciones a distintas distancias 30, 60 ,90 y 120 cm.

Sobre los objetivos en la pared se colocó un cuadrado regular con un área de 10 cm2 . Éste se instaló al centro de los objetivos, alejado 5 cm de la pared, con la justificación de que de esta manera se generaría sombra y ésta podría ser medida para demostrar la perpendicularidad de los rayos, si la sombra se mantiene con un área de 10 cm2.

La disposición de los elementos del ex-perimento simula la posición del sol a las 12:00 hrs. del día, cuando se encuentra en su zenit, formando un ángulo de 90° respecto al suelo.

Descripción de la ilustración 6.

A. Demuestra la trayectoria de la fuente de iluminación para determinar la distancia focal de cada foco respecto al lente Fresnel.

B. Son las distintas distancias (30,60,90,120 cm) en las que se captu-raron los datos.

C. Superficie con circunferencias mar-cadas cada 5 cm para apreciar el diámetro del área iluminada.

D. Objetivo con un área de 10cm2 que es iluminado y proyecta una sombra para determinar el paralelismo de los rayos de luz.

Ilustración 5Sistema experimental de simulación del Heliodón de la

Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P.

Tabla 2 Análisis de los sectores comerciales.

EXPERIMENTO.

Ilustración 6 Diagrama del experimento.

3534

Tabla 3, Tipos de focos utilizados.

Tabla 3 Tipos de focos utilizados.

Tabla de resultados (ejemplos):

Tabla 5 Resultados.

Evaluación

A continuación se presentan los criterios de evaluación para definir cuál de las fuentes de iluminación es la más apropiada. Se

RESULTADOS

Tabla 4 Formato de captura de datos.

Tabla 5, Resultados.toman en cuenta tres parámetros con sus respectivos valores: malo (1), regular (2) y bueno (3).

A. Proyección paralela de la sombra en relación al objetivo iluminado.

B. Homogeneidad del haz de luz sobre la superficie.

C. Mayor definición de contraste entre la proyección de la sombra del objetivo y la zona iluminada.

El foco que mejores resultados obtuvo fue el número dos, de 50 watts de cabeza esmer-ilada. Mostró siempre una uniformidad entre el paralelismo de las sombras, en relación al distanciamiento de la fuente de luz. Se pueden buscar más opciones de fuentes de luz, según los resultados las características deseables de los posibles focos, que requerirían tener una potencia mayor a 50 w y menor a 250 w; el cuello del bulbo tendría que ser cónico con un acabado metálico en los costados para dirigir la luz; la cabeza del bulbo podría ser difusa para evitar la proyección del filamento sobre el objetivo que va a ser iluminado y el diámetro de la cabeza del bulbo tendría que ser mayor a los 6 cm presentados, alrededor de 12 ó 16 cm.

Sin el uso del lente Fresnel, después de los 50 cm de distancia entre la fuente de luz y el objetivo, la proyección de la sombra siempre fue paralela. Antes de los 50 cm (49 a 0 cm), la sombra se proyectó de manera errónea.

El uso del lente Fresnel resulta por tanto adecuado para mantener los rayos de luz perpendiculares, sin embargo dado que el lente utilizado en este experimento formaba parte de un retroproyector (no específico para la aplicación en un heliodón de esta naturaleza) es importante mencionar que se podría seguir experimentando con otro tipo de lente Fresnel que presente otra configuración, ya que el utilizado está diseñado para un funcionamiento eficaz en una distancia distinta a 50 cm.

Sol y diseño. Ernesto Puppo, Giorgio Alberto Puppo.

Sol luz y viento. G.Z. Brown.

Tabla 6 Tabla de resultados.

CONCLUSIONES FINALES

Ilustración 10 Foco General Electric 50 Watts, haz con-centrado, Halógeno.

BIBLIOGRAFÍA

3736

C) CARACTERÍSTICAS FORMALES Y TÉCNICAS.Juan Carlos Gámez Nieto

RESUMEN

En la actualidad una de las preocupaciones de la sociedad es el ahorro de energía y es importante mencionar que parte importante de esta energía, es la que se consume en las edificaciones donde el hombre desarrolla múltiples actividades.El buen aprovechamiento, así como evitar los asoleamientos que afecten los espacios que requieran de un nivel de confort adecuado, va a depender de la habilidad en el diseño, la elección de materiales de construcción y la orientación de los espacios.Al atender dichos aspectos, se optimizará el consumo de energía y los niveles de confort serán los apropiados para que las actividades que se desarrollen en estos espacios sean satisfactorias para los usuarios. Para conseguir esto es necesario comprender, calcular y poder simular las trayectorias geométricas solares en el diseño de los espacios arquitectónicos.Para que arquitectos y profesionistas puedan calcular los asoleamientos a los que están ex-puestas sus edificaciones, las gráficas solares constituyen una buena herramienta, ya sean ortogonales, estereográficas o equidistantes, pues con la información que de ellas se obtie-ne, se pueden realizar diseños siguiendo un criterio basado en la geometría solar. Como complemento didáctico y práctico, es nece-sario un artefacto que sea capaz de simular el asoleamiento de forma artificial en dichas edificaciones, en un día y hora en particular.Esta herramienta llamada Heliodón es un auxiliar importante para que el estudiante de arquitectura y carreras afines pueda desarro-llar sus proyectos aplicando los criterios de la geometría solar, logrando niveles adecuados de confort y por ende, garantizar el ahorro de energía que hoy en día es una responsabilidad primordial, ya que va íntimamente relaciona-da con la preservación del medio ambiente.De esta manera se planteó como objetivo el configurar un dispositivo de simulación solar,

con el principio tecnológico desarrollada por el Ing. Jean Fritche Tamiset, que cumpla con las características técnicas y funcionales ne-cesarias para llevar a cabo una simulación de la trayectoria solar correcta, logrando obtener una herramienta didáctica para un laboratorio ambiental y conocer de manera práctica los asoleamientos en las maquetas y modelos a escala de futuras edificaciones.

PALABRAS CLAVE.Heliodón, simulación solar, herramienta di-dáctica, laboratorio ambiental, diseño, con-figuración.

ABSTRACT

Currently one of the concerns of society is saving energy and important part of this is consumed in buildings where man develops his multiple activities.The good use of solar energy and excess sunlight affecting areas to increase comfort esoteric affecting living spaces , depends on the skill of the architect who must choo-se of together properly orient building and construction according to solar position at all times.To achieve this use of solar energy , it must be possible to understand , calculate and simulate power solar geometric paths in the design of the spaces.Solar graphs are a good tool -whether or-thogonal representations , or equidistant , stereographic , to make building designs . In addition , practical training in architectural education , we need a device which is capable of simulating the sunlight artificially in such buildings , on a particular day and time .This artifact is an important aid for the stu-dent of architecture and related careers to develop their projects using the criteria of solar geometry , it can be achieved with adequate levels of comfort and thus ensu-re energy savings today is a responsibility critical because it is closely related to the preservation of the environment .Thus arose the objective of setting up a solar simulation device , with technological principle developed by Mr. Jean Fritche Ta-

miset , which comply with the technical and functional characteristics necessary to carry out a simulation of the solar path correct , achieving and obtain a teaching tool for an environmental laboratory and practical know the asoleamientos in models and scale models of future buildings .KEY WORDSHeliodon, solar simulation, teaching tool, en-vironmental laboratory, design, configuration.

INTRODUCCIÓNUn heliodón o simulador de trayectoria solar

es un dispositivo mecánico que permite la simu-lación de la posición del sol o de su trayectoria para una determinada condición espacial o tem-poral. El dispositivo sirve para evaluar el efecto de esta trayectoria en modelos físicos arquitec-tónicos o urbanísticos de un proyecto en estudio.

El simulador solar permite una visión tridi-mensional del comportamiento del sol frente a los edificios, aunque implica la construcción de modelos ó maquetas.

Cualquier modelo de heliodón implica la construcción de una fuente de luz artificial que simula la acción del sol. Esta fuente, fija o móvil, se relaciona con el resto de la insta-lación destinada a ubicar las tres variables de la geometría solar: La latitud

(Determina los ángulos de posición solar en relación al lugar); el día del año (deter-mina el ángulo de declinación solar en ese día) y la hora del día (determina los ángu-los de posición solar para cada hora del día).

“Es un instrumento capaz de simular la trayectoria del sol en distintos momentos del año, a distintas horas y en distintas latitudes. configuraciónSu utilización principal reside en el estudio del asoleamiento1 de un edificio o

área urbana por medio de modelos o maquetas.”“Sirve de manera práctica para ensayar distintas orienta-

ciones y disposiciones durante la etapa de proyecto.”

Heliodón de la Universidad De Sonora

“Es posible simular el comportamiento del proyecto con variaciones horarias en los días más comprometidos de invierno y verano (22 de junio, 22 de diciembre) y du-

rante los equinoccios (21 de marzo, 23 de setiembre).”3

Heliodón de Colima, aceptado en más de 30 Universidades de México.

Existen una gran diversidad de tipos, proto-tipos y modelos de simuladores de trayectoria solar, los cuales se suelen clasificar de manera siguiente:

a) De fuente luminosa movil y modelo fijo.b) De fuente luminosa y modelo móviles.c) De fuente luminosa fija y modelo movil.

TIPOS DE HELIODÓN

Después de un estudio en relación al Heliodón se lograron detectar los problemas que presenta al ser utilizado como her-ramienta de aprendizaje didáctico en las Universidades y Centros de Investigación.

A continuación se presenta una gráfica que explica de manera clara los problemas de diseño a los cuales se les deberá dar una solución adecuada, para que la necesidad que desde un inicio se marcó, sea cubierta al 100%.

3938

Los problemas detectados para la con-figuración de un dispositivo de simulación solar y que sirva de herramienta didáctica de a-prendizaje, al ser dispositivos tecnológicos, se descuida el aspecto del usuario y su función, lo que provoca que el alumno no pueda manipularlo adecuadamente, ya que no identifica para que se utilice cada me-canismo y por consecuencia el entendimiento sobre la geometría solar en el alumno es mínima, ya que resulta confuso visualmente.

El sistema de luz que se usa en la may-oría de los Heliodones es muy deficiente en potencia y en diámetro de zona ilumi-nada, lo que limita el estudio a la construc-ción de modelos a una escala especifica.

El posicionamiento de las maquetas resulta complejo, ya que a pesar de que tiene una zona específica destinada para

colocarlas, se omite señales indicativas que señalen en qué posición y en qué área de toda la base se colocan los modelos.

Su construcción generalmente es de manera genérica, es decir se adaptan partes de otros equipos, o materiales no adecuados, lo que provoca que los Heliodones sean de una calidad deficiente y por consecuencia no cumplan su función adecuadamente, que es la de simular la trayectoria solar y explicar la misma de manera visual para que el alumno comprenda la importancia de este estudio.

Se dejan de lado aspectos como el man-tenimiento, armado y transporte, gene-rando siempre dispositivos de dimensiones enormes y que ya instalados difícilmente se pueden cambiar de espacio y darles un buen mantenimiento.

Dispositivo de simulación de trayectoria solar que sirve de herramienta didáctica de aprendizaje en la formación de arquitectos.

La configuración de este elemento se conseguirá mediante un trabajo en conjunto con investigadores especializados, especí-ficamente con el Ing. Jean Fritche Tamise que colabora como proveedor de un principio tecnológico para desarrollar este producto.

La totalidad del proyecto se logrará

al unificar los conocimientos tecnológicos y las aportaciones que el diseño indus-trial tiene en un dispositivo de este tipo.

Concepto formal expresivo

• Deberá expresar profesionalismo.

• Tendrá que reflejar modernidad.

• Formas sobrias .

• Se utilizaran texturas en zonas indicativas.

• Colores neutros y tonos contrastan-tes.

• Deberá identificarse como he-rramienta de aprendizaje.

Concepto funcional y de uso

• Tendrá una fuente de luz móvil.

• Contará con un área amplia para modelos a escala.

• Contará con señales indicativas para su uso.

• Se utilizaran gráficas para indicar latitud, fecha y hora.

• Tendrá un desarme sencillo, para su transportación.

Concepto tecnológico

El concepto tecnológico es muy impor-tante de señalar, puesto que es la parte en la que el Ing. Jean Fritche Tamise proporciono un principio tecnológico único para simular la trayectoria solar.10

• Deberá corresponder a las carac-terísticas tecnológicas ya establecidas en conjunto con el Ing. Jean Fritche Tamiset

• Tendrá que contar con materiales comercializados en SLP

• Los mecanismos utilizados serán elegidos serán de la máxima calidad posible

• Los procesos constructivos y siste-mas de manufactura deberán estar en SLP.

Simulación de proyección de rayos del sol sobre maqueta en heliodón.

Imágenes extraídas de la página del American Institute of Architects

4140

REQUISITOS PARÁMETROS REQUERIMIENTOS

ASPECTOS FORMALES ASPECTOS FUNCIONALES

REQUISITOS PARÁMETROS REQUERIMIENTOS

42 43

ASPECTOS TÉCNICOS.

REQUISITOS PARÁMETROS REQUERIMIENTOS

CAPÍTULO 3

SIMULADORES DE FUENTES DE LUZ NATURAL Y ARTIFICIAL.

LUIS GUILLERMO TIRADO PRUNEDA 1

DR. OSCAR NÚÑEZ OLVERA 2

La luz en su definición científica es la forma de energía radiante electromagnética que se propaga por el espacio como un movimiento ondulatorio transversal (Weigel, 1989).La iluminación juega un papel vital en el progreso del ser humano, así como en el desarrollo de la infraestructura que el hombre construye para mejorar su calidad de vida.El concepto de iluminación consiste en pre-sentar luz en un espacio en donde esta misma está ausente o es muy débil para realizar una actividad específica.Existen dos tipos de fuentes de iluminación.• La fuente de luz natural que proviene

del Sol.• Las fuentes de luz artificiales que son

producto de procesos físicos y químicos manipulados por el ser humano.

El objetivo de la iluminación artificial es complementar o suplir a la iluminación na-tural en el caso de que ésta no cumpla con los niveles de iluminación requeridos. Otras funciones básicas importantes de la ilumi-nación artificial consisten en propiciar las condiciones adecuadas para trabajar o realizar cierta actividad, proveer seguridad y con-fort, además de atender cuestiones estéticas ornamentales. El buen aprovechamiento de la luz natural permite que disminuya el uso de las fuentes artificiales durante las horas del día. Esta premisa le permite al arquitecto diseñar un espacio aprovechando las mejores condicio-nes de acuerdo a las características de los dos tipos de iluminación.Como estrategia para la transmisión y ad-quisición de conocimientos en el área acadé-mica, se han desarrollado herramientas de simulación de ciertos fenómenos físicos con

RESUMEN

2 Profesor investigador del Instituto de Investigación en Comunicaciones Ópticas, U.A.S.L.P.

el objetivo de hacer más dinámica y objetiva la impartición de estos conocimientos dentro del área académica. Una de las herramientas de simulación física para explicar demostrar los efectos de la luz natural hacia el interior de una edificación es el laboratorio de cielo artificial; y para expe-rimentar con las fuentes de luz artificial hacia el interior, se utiliza un laboratorio de análisis fuentes de luz artificial para interiores.Un cielo artificial o LCA (Laboratorio de cielo artificial) es una instalación didáctica dise-ñada para simular los efectos de la ilumina-ción del Sol y su comportamiento hacia el interior de una edificación. Esta instalación está enfocada al área académica y de ex-perimentación (Vashon Baker).Esta instalación tiene como objetivo analizar el comportamiento de la luz natural en los espacios interiores de una maqueta arqui-tectónica a escala, y al mismo tiempo poder medir cantidad de lux que entra hacia el interior para poder determinar la iluminan-cia del espacio. De esta manera se pueden tomar acciones y decisiones que mejoren las condiciones de iluminación presentes en el diseño de la edificación. Las actividades que se contemplen a realizar en un espacio son las que determinan el tipo de iluminación que deberá de emplearse.El laboratorio de análisis fuentes de luz artifi-ciales para interiores o LAFAI es un espacio didáctico multiusos con un techo de altura regulable con instalaciones de distintas luminarias para la experimentación y aná-lisis del comportamiento de las fuentes de luz artificial al interior de un área específica dentro de la edificación. Está enfocado para ser utilizado en el área académica, especial-

1 Estudiante en la Lic. de Diseño Industrial Nivel X, Facultad del Hábitat, U.A.S.L.P.

44 45

ABSTRACT

mente para Arquitectura. Este laboratorio consiste en un área diseñada para simular distintos ambientes que representan activi-dades cotidianas en estancias normales de las personas, como una sala de estar, una recámara, un estudio, un aula, oficina, cocina etc. (SVG Technology)La herramienta de medición para determinar la iluminancia de un espacio es el luxómetro. El uso de esta herramienta en fundamental dentro de un LCA y un LAFAI. El luxómetro es un dispositivo electrónico que permite medir la cantidad de lux que se presenta sobre una superficie o espacio.Dentro de los luxómetros especiales encon-tramos uno diseñado específicamente para determinar la iluminancia hacia el interior de modelos arquitectónicos a escala. A este tipo luxómetro se le conoce como luxómetro para modelos de arquitectura o luxómetro de múltiple entrada (LXM). Este LXM es el complemento específico para un LCA.

The light in your scientific definition is the form of electromagnetic radiant energy that propagates through space as a transverse wave motion (Weigel , 1989) .Lighting plays a vital role in human progress and development of man builds infrastructure to improve their quality of life.The lighting concept is to introduce light into a space where the same is absent or too weak to perform a specific activity.There are two types of light sources.• The source of natural light from the Sun• Artificial light sources that are the product of physical and chemical processes manipu-lated by humans.The goal of artificial lighting to complement or supplement natural lighting in the event that it does not meet the required lighting levels. Other important basic functions are to foster artificial lighting conditions suitable

PALABRAS CLAVEIluminación natural, iluminación artificial, fuente de iluminación, cielo artificial, didác-tica, luxómetro, lux, sensores.

for work or perform some activity, providing security and comfort in addressing aesthetic issues ornamental.The good use of natural light allowed to decrease the use of artificial sources during daylight hours. This premise allows the ar-chitect to design a space leveraging best conditions according to the characteristics of the two types of lighting.As a strategy for the transmission and acqui-sition of knowledge in the academic area, have developed simulation tools physical phenomena in order to make it more dyna-mic and objective imparting this knowledge within the academic area.One of the physical simulation tools to explain demonstrate the effects of natural light to the interior of a building is the laboratory of artificial sky, and to experiment with artifi-cial light sources inwards using a laboratory sources indoor artificial light .An artificial sky or LCA (Laboratory of artifi-cial sky) is an educational facility designed to simulate the effects of illumination of the Sun and its behavior towards the interior of a building. This facility is focused on acade-mics and experimentation (Vashon Baker).This facility is to analyze the behavior of the natural light in the interior spaces of an architectural model to scale, and at the same time to measure the amount of lux entering inward to determine the illuminance of the space. This way you can take actions and decisions that improve the lighting condi-tions present in the design of the building. The activities envisaged to be performed in a space are what determine the type of lighting to be employed.The analytical laboratory artificial light sources for indoor or LAFAI is a multipurpose edu-cational space with a roof height adjustable different lighting facilities for experimenta-tion and analysis of the behavior of artificial light sources into a specific area within the building. It is aimed to be used in the aca-demic area, especially for architecture. This lab is an area designed to simulate different environments that represent normal daily

KEY WORDS

INTRODUCCIÓN

activities of people stays as a living room, a bedroom, a study, a classroom, office, kitchen etc. . (SVG Technology)The measuring tool to determine the illumi-nance of a space is the light meter. The use of this tool in a key and LAFAI LCA. The light meter is an electronic device that measures the amount of lux that occurs on a surface or space.Within the special luxometers find one speci-fically designed to determine the illuminance into scale architectural models. This type is called a light meter lux meter for light me-ter architectural models or multiple entry ( LXM ). This LXM is the specific supplement to the ACL.

Natural lighting, artificial lighting, light source, artificial sky, didactics, lux meter, lux sensors.

La iluminación juega un papel vital en el progreso del ser humano, así como en el desarrollo y la infraestructura que el hombre construye para mejorar su calidad de vida.

La luz es fundamental en la vida en el planeta. Los seres humanos la necesitamos para realizar nuestras actividades cotidianas, ya que somos una especie diurna, es decir, que realizamos nuestras actividades más importantes durante el día y por la noche descansamos.

El concepto de iluminación consiste en presentar luz en un espacio en donde esta misma está ausente o es muy débil para realizar una actividad específica. Existen dos tipos de fuentes de iluminación: la fuente natural que es el Sol y las fuentes de iluminación artificial, que son producto de procesos físicos y químicos manipulados por el ser humano.

El objetivo de la iluminación artificial es complementar o suplir a la iluminación natural en el caso de que ésta no cumpla con los niveles de iluminación requeridos. Otras funciones básicas importantes de la iluminación artificial consisten en propiciar las condiciones adecuadas para trabajar o realizar cierta actividad, proveer seguridad y confort, además de atender cuestiones estéticas ornamentales.

La iluminación debe satisfacer los re-querimientos reales de la vista dentro de un marco de referencia de maximización de recursos energéticos. Aparte de mostrar de manera óptima el exterior de un edificio, debe poder verse lo mejor posible dentro de los edificios, de acuerdo a los requerimien-tos visuales de cada actividad, aparte de las demás consideraciones estéticas, y de diversas funciones que puede cumplir la iluminación. (Mehl de Weatherbee, 1990)

La luz es un aliado indispensable del arquitecto. El contacto fundamental que tienen los usuarios con la obra arquitectónica es por medio de la vista y ésta requiere de la iluminación. El control luminoso se esta-blece a través del manejo de la intensidad, la ubicación, el color y el tipo de fuente de luz, que junto con las superficies en las que incide, determina en gran medida el efecto que se produce. Los resultados que se persiguen, ya sean decorativos, dramáticos o fundamentalmente utilitar-ios, deben satisfacer los requerimientos del usuario. (Mehl de Weatherbee, 1990)

El buen aprovechamiento de la luz natural permite que disminuya el uso de las fuentes artificiales durante las horas del día. Esta premisa le permite al arquitecto diseñar un espacio con las condiciones de iluminación adecuadas para cada actividad a realizar, aprovechando al máximo la iluminación natural y utilizando las fuentes artificiales sólo cuando las condiciones naturales no sean suficientes para los requerimientos que la actividad demanda.

Para la buena práctica de estos con-ceptos de iluminación, es necesario tener fundamentos para la apropiada gestión y ejercicio de las disciplinas del Hábitat. Esta es responsabilidad de las institucio-nes que forman a los futuros profesionales que estarán en contacto con el medio y recaerá en ellos la toma de decisiones. Es por esta razón que hay herramientas que ayudan en la transmisión y generación de conocimientos a futuras generaciones de profesionistas. Éstas se presentan gra-cias al ejercicio y experimentación que of-rece el realizar un proceso de simulación.

La simulación es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real y llevar a término experiencias con él, con la finali-dad de comprender su comportamiento o evaluar nuevas estrategias -dentro de

46 47

los límites impuestos por un cierto crite-rio o un conjunto de ellos- para el func-ionamiento del sistema (Shannon, 2007).

Dichos simuladores recrean fenómenos relacionados con la iluminación natural y artificial, enfocados a lograr el confort óptimo para las personas dentro de los espacios, aprovechar al máximo los re-cursos naturales y alcanzar el rendimiento deseable de los sistemas implementados.

El Cuerpo Académico Hábitat Sustent-able (CAHS) de la Facultad del Hábitat de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (UASLP) detecta esta necesidad y reconoce la importancia del uso de estos simuladores que asistirán en el proceso de formación de los alumnos. La Facultad del Hábitat busca desarrollar e implementar este tipo de simu-ladores didácticos para la impartición de cát-edra. Esta iniciativa surge a través del CAHS y se involucran otras facultades de la UASLP, así como alumnos entusiastas en la inves-tigación, diseño y desarrollo de tecnología.

Una de las herramientas de simulación física para explicar los efectos de la luz natu-ral hacia el interior de una edificación, es el laboratorio de cielo artificial1 y para experi-mentar con las fuentes de luz artificial hacia el interior se utiliza un laboratorio de análisis de fuentes de luz artificial para interiores2.

“Lo que no se percibe, o lo que no se hace, no se concibe” (Municio, 2009).

Adquirir conocimiento no implica sus-tituir unas representaciones u objetos de conocimiento por otras, sino multiplicar las perspectivas o actitudes epistémicas con respecto a esos objetos, y finalmente inte-grarlas en una única teoría (Municio, 2009).

1 Cielo artificial. Instalación didáctica para simular los efectos de la luz natural hacia el interior de una edificación (Vashon Baker).2 Laboratorio de análisis fuentes de luz arti-ficial para interiores. Espacio didáctico multiusos con techo de altura regulable con instalaciones de luminaria distinta para la experimentación del comportamiento de la luz artificial.

Laboratorio de cielo artificial (LCA).

¿Qué es un LCA?

Un cielo artificial es una instalación didác-tica diseñada para simular los efectos de la iluminación del Sol y su comportamiento hacia el interior de una edificación. Esta instalación está enfocada al área académica

y de experimentación (Vashon Baker).

Esta instalación tiene como objetivo analizar el comportamiento de la luz natural en los espacios interiores de una maqueta arquitectónica a escala, y al mismo tiempo poder medir cantidad de lux1 que entran hacia el interior para poder determinar la iluminancia2 del espacio. Al determinarla se pueden tomar acciones y decisiones que mejoren las condiciones de iluminación presentes en el diseño de la edificación. Las actividades que se contemplen a realizar en un espacio son las que determinan el tipo de iluminación que deberá de emplearse.

Tipos de LCA

El laboratorio de cielo artificial es una instalación didáctica muy útil para la ense-ñanza de la luminotecnia3 en la disciplina de la Arquitectura y en otras disciplinas afines, siendo que el apropiado manejo de la iluminación es fundamental en el diseño y construcción de los espacios. Existen varios tipos de instalaciones que funcionan como un cielo artificial; estos dependen del nivel de precisión requerido de la simulación de la luz, el presupuesto financiero dis-ponible para la instalación y el área dis-ponible para la instalación del cielo artificial.

El concepto de funcionamiento de un LCA se basa en simular los efectos de ilu-minación que presenta la bóveda celeste. Existen dos tipos de LCA: los que física-mente simulan una bóveda celesta y los que simulan los mismos efectos de la luz sin que su estructura física mantenga la forma de una cúpula o bóveda. El la ilustración no.1 se muestra un LCA tipo “domo” de la Universidad de Cardif. Este LCA es una estructura metálica en forma geodésica que soporta una luminaria de 640 unidades que iluminan en todas direcciones; este LCA también puede operar como un He-liodón4. (School of Welsch, Cardif University).

En la ilustración no.2 se muestra un LCA tipo domo. Este LCA mantiene una forma física de media esfera, su pared interior

1 Lux. Unidad de medición avalada por el SI para determinar la iluminancia de un espacio.2 Luminancia se define como la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área.3 La luminotecnia: Ciencia que estudia las distintas formas de la producción de luz, su control y las formas en la que ésta se aplica.4 Heliodón: Simulador de iluminación trayec-toria solar para determinar los asoleamientos de una edificación en relación a su posición geográfica.

Ilustración 1. Cielo artificial y Heliodon tipo domo. Fuente: (School of Welsch, Cardif University).

tiene un acabado reflejante. Para simular la luz natural utiliza una luminaria de 20 unidades colocadas sobre el filo del diá-metro de la media esfera (SVG Technology)

El LCA más común es el tipo “mirror box”. Este tipo de LCA es el más utilizado en el sector académico didáctico, ya que no requiere de mucho espacio y el costo de fabricación / instalación es menor frente a otros tipos. Su principio funcional se basa en reflejar la luz infinitamente en

Ilustración 2. LCA tipo domo. Fuente: (SVG Technology).

Ilustración 3. Maqueta debajo de un cielo artificial tipo mirror box.

Fuente: (SVG Technology).

todas direcciones en las paredes de es-pejo. En la ilustración no.3 se muestra el interior de un LCA tipo ”mirror box”.

Para realizar una simulación de luz dentro de un cielo artificial es necesario contar con la maqueta o el modelo arquitectónico a escala del proyecto diseñado y un luxómetro de múltiple entrada5 para modelos arquitectóni-cos a escala. Esta maqueta deberá presentar detalles y acabados específicos tanto hacia el interior, como hacia el exterior de la maqueta.

El objeto del análisis en un LCA se en-cuentra en poder determinar qué tanta iluminación natural se presenta dentro de cada espacio en la edificación y determinar si esta cantidad de luz es apropiada para el tipo de actividad que se desarrollará. En caso de que la iluminación natural no cumpla las expectativas y requerimientos del usuario según la actividad que real-izará, es cuando el arquitecto deberá tomar decisiones y acciones que pueden llevar a modificar el diseño de la edificación, o compensar las carencias de la luz natu-ral con fuentes artificiales de iluminación.

Funcionamiento de un LCA tipo Mirror Box.

El LCA más utilizado se conoce en inglés como “mirror box”, es decir, caja de espejo. Esta instalación tiene las características propias de un polígono rectangular, donde sobre las cuatro paredes verticales se in-stalan módulos de vidrio espejo altamente reflejante. En el techo se coloca una fuente de luz artificial que cumpla con los requi-sitos de intensidad lumínica establecidos para simular la iluminación natural. En la ilustración no.4 se muestran las paredes internas y un difusor lumínico en el techo.

Para mantener una iluminación homogé-nea, se coloca un difusor plástico llamado Barisol6 entre la fuente de luz artificial del área de experimentación. De esta manera se simula un día nublado. Es necesario calibrar la iluminancia del cielo artificial y recomendable fijarla en 3500 lux para poder obtener mediciones reales. (Vashon Baker).

Los rayos de luz se reflejan entre las paredes de espejo generando condiciones de

5 Luxómetro de múltiple entrada: Herramien-ta electrónica de medición para determinar la cantidad de lux en múltiples puntos dentro de una maqueta o modelo arquitectónico a escala.6 Barisol: Material plástico que funciona como difusor lumínico.

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Diagrama. 1 Funcionamiento de un cielo artificial. Fuente: Propia.

Ilustración 5. Día nublado. Fuente: Pública.

iluminación similares a la bóveda celeste, creando un ambiente de luz uniforme y una sensación visual de un horizonte infinito. En el diagrama no.1 se demuestra el compor-tamiento de los rayos de luz al interior de un cielo artificial.

¿Cómo se experimenta en un LCA?

El tipo de luz que se busca simular dentro de un cielo artificial es el de un día nublado. El cielo nublado es aquel en el cual la posición del Sol no puede ser determinada debido a la gran densidad de nubosidad, la luz es difusa y relativamente pareja sobre la bóveda celeste. El cielo nublado es tres veces más brillante en el cenit que en el horizonte y la iluminación es igualmente distribuida alrededor .

Por esto, lo alto de la bóveda celeste es la fuente de mayor iluminación. Las condiciones del cielo nublado se utilizan frecuentemente como la condición de diseño mínima, si bien el monto real de iluminación puede variar unos cientos a varios lux dependiendo de la altitud del Sol y la densidad de la nubosidad.

La iluminación de los rayos directos del Sol es extremadamente poderosa, compara-

Ilustración 4. Cielo artificial tipo mirror box. Fuente: (Vashon Baker).

da con la reflejada por la bóveda celeste; sin embargo, sin incluir al Sol, el cielo despejado es menos brillante que un cielo nublado. La distribución de luz del cielo despejado con la excepción del Sol o del área inmediata circundante, es opuesta a aquella de cielo nublado, tres veces más brillante el horizonte que el cenit (Mehl de Weatherbee, 1990)

Un día nublado tiene la característica de que la luz se presenta de una manera uniforme y constante, a diferencia de un día soleado en que la luz se presenta in-tensa y dispareja. Son las nubes las que actúan como un difusor natural de la luz, permitiendo su paso homogéneo. En la ilustración no.5 se muestra un cielo nublado.

El modelo arquitectónico a escala o ma-queta deberá presentar detalles y acabados específicos tanto hacia su interior, como hacia su exterior. Algunos de los detalles más importantes a considerar cuando se realiza una maqueta arquitectónica a escala con la que se va a experimentar dentro de un cielo artificial son:

• El modelo arquitectónico deberá de presentar una escala entre 1:25 y 1:100 (Dependiendo de las dimensiones del cielo artificial). Esto con la finalidad de que las áreas internas tengan las dimensiones suficientes para poder tomar una lectura adecuada con las terminales del luxómetro.

• La calidad de los detalles deben ser muy cuidados hacia el interior de la maqueta; las distintas habitaciones y áreas deberán de estar bien delimitadas y selladas entre sí; es decir, no deberán de presentar filtraciones de luz no deseadas o planeadas.

Ilustración 6. Terminales de medición dentro de una maqueta.

Fuente: (Kingston University London.)

Laboratorio de análisis de fuen-tes de luz artificial para interiores (LAFAI)

• Las ventanas deberán de presen-tarse exactamente en la ubicación y dimensión en la que han sido proyecta-das, ya que cualquier detalle incide en las magnitudes de luz al interior.

• Es recomendable utilizar materiales de color blanco en todo el modelo para obtener mediciones estándares.

• El interior debe estar libre de mo-biliario o cualquier objeto que pueda obstruir la entrada de luz natural.

• En el momento en el que se realiza la medición por medio del luxómetro, no debe de estar presente ninguna persona u objeto ajeno al diseño de la maqueta, ya que interferirán con el flujo de la luz.

En la Ilustración no.6 se muestran las ter-minales de medición dentro de una maqueta.

Para experimentar en un cielo artifi-cial se debe tomar en cuenta también la superficie en la que se va a colocar la ma-queta. Esta superficie de trabajo debe ser de un material que refleje el mínimo de luz posible para no incidir en la medición. Es recomendable simular las condiciones del suelo que estarán presentes en el área donde se construya la edificación, es decir, si la edificación se encuentra en un contexto urbano, sería adecuado simular el asfalto. En el caso de una edificación frente al mar, simular un cuerpo de agua frente a la maqueta. Esto es recomendable, ya que no solo influye la luz que viene del sol, tam-bién los rayos que son producto del reflejo contra el suelo y el contexto que le rodea.

Para trabajar dentro de un LCA es re-comendable seguir los siguientes pasos:

Asegurar que la fuente de luz del LCA se encuentre calibrada en los lux deseados.

1.- Simular las condiciones del suelo si es necesario.

2.- Colocar la maqueta sobre la superficie de trabajo.

3.- Asegurar que la maqueta no presente filtraciones de luz no deseadas.

4.- Colocar adecuadamente las terminales de medición del luxómetro de múltiple entrada dentro de las distintas habitaciones de la maqueta.

5.- Tomar las mediciones con el luxómetro.

6.- Capturar los datos y realizar el análisis.

7.- Capturar los datos y realizar el análisis.

En la ilustración no. 7 se muestra una persona colocando los sensores de un luxó-metro de múltiple entrada dentro de un modelo arquitectónico a escala.

Ilustración 7. Colocación de sensores dentro de una maqueta.

Fuente (Boora Architects).

A través el análisis de los datos ob-tenidos, el arquitecto puede modificar el diseño del edificio según su criterio. De esta manera se pueden realizar ajustes antes de llevar a cabo la construcción y así obtener las condiciones de iluminación requeridas.

¿Qué es un LAFAI?

El laboratorio de análisis fuentes de luz artificial para interiores es un espacio didáctico multiusos con un techo de altura regulable con instalaciones de distintas lumi-

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Ilustración 8. Áreas del hogar.

Ilustración 9. Luminaria. Fuente: Phillips.

Tabla 1 Niveles de lux recomendados. (Led Box , 2012)

narias7 para la experimentación y análisis del comportamiento de las fuentes de luz ar-tificial al interior de un área específica dentro edificación. Está enfocado para uso en el área académica, especialmente para Arquitectura.

Este laboratorio consiste en un área dis-eñada para simular distintos ambientes que representan actividades cotidianas en es-tancias normales de las personas, como una sala de estar, una recámara, un estudio, un aula, oficina, cocina etc. (SVG Technology).

Este laboratorio está diseñado como un espacio multiusos donde se experimenta al equipar el espacio con diversas variables como el mobiliario, los materiales de decora-ción, la luminaria, el color de las paredes, el tipo de piso y otras características que se presentan al concebir un espacio. Todas estas variables de configuración influyen en la manera como la luz se refleja y se comporta en el espacio. Pueden presentarse sistemas integrales que permitan el inter-cambio del piso, o el color de las paredes. Las posibilidades de las variantes son infinitas y dependen de los requerimientos de la experimentación. En la ilustración no. 8 se muestran diversas áreas de la vida cotidiana.

La característica más relevante del LA-FAI es que en un mismo espacio se puede experimentar con varios tipos de fuentes de iluminación artificial. La Luminaria engloba el tipo de fuente de luz, como la present-ación física de la misma. En la ilustración no.9 se muestra un ejemplo de luminaria.

7 Luminaria: Unidad completa de iluminación, compuesta de lámparas, reflectores, cubierta protectora y conexiones. (Frier., 1986)

Es importante mencionar que a nivel psicológico el usuario es afectado por las condiciones lumínicas del espacio, ya sean las adecuadas o se encuentren deficientes. Las condiciones óptimas de iluminación las dictan los requerimientos de cada tipo actividad que se realice un espacio determinado. Una iluminación apropiada potencia óptimamente las capacidades emocionales, sensoriales y habilidades de las personas, fomentando la seguridad y la salud física, mientras que una iluminación descuidada las merma.

En la tabla no. 1 se muestran los niveles de lux recomendables para algunos de los espacios más comunes en donde real-izamos nuestras actividades cotidianas.

¿Cómo funciona un LAFAI?

Un LAFAI tiene dos parámetros de ex-perimentación: cualitativos y cuantitativos. Los parámetros cualitativos se basan en la observación y en el análisis, mientras que los cuantitativos se concentran en la

Ilustración 10. LAFAI de la UAM Azcapotzalco. Fuente: propia.

Diagrama. 2. Isométrico del LAFAI. Fuente: Elaboración propia.

Diagrama. 3. Corte del LAFAI. Fuente: Elaboración propia

medición y captura de datos.

Dentro de los factores cualitativos podemos mencionar el comportamiento de las personas, entre:

• Que los niveles de iluminación sean adecuados para el usuario.

• El color de la luz.

• El comportamiento de la luz en el diseño del contexto en relación a las personas

Como parámetros cuantitativos se mide:

• La cantidad de lux en el espacio.

• El gasto eléctrico de la luminaria en uso.

• El rendimiento de las fuentes de luz.

En la ilustración no.10 se muestra un detalle del LAFAI de la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco.

El laboratorio varía en sus dimensio-nes. Puede presentar un área de entre 12 m2 y 80 m2 dependiendo del espacio y requerimientos deseados y una altura entre 3 y 3.5 metros (SVG Technology).

El techo de la habitación multiusos cam-bia de altura gracias a un mecanismo que le permite subir y bajar. Su función de elevación es poder medir, analizar y apreciar el comportamiento de la luz a diferentes alturas. Puede ir de 2.2 hasta 3.5 metros. El techo cuenta con una estructura metálica en forma de cuadrícula que soporta una serie de paneles modulares. Esto a su vez sujetan la luminaria con la que se experimenta.

En la habitación se encuentra una ven-tana que simula la entrada de luz natural du-rante el día. Puede presentar una dimensión estándar o puede estar diseñada para variar en sus dimensiones; puede ser real o simu-lada artificialmente a través de un sistema de iluminación similar al de un cielo artificial.

En el diagrama no. 2 se presenta un isométrico donde se muestra el techo en forma de cuadrícula que sube y baja. En un costado se observa la ventana artificial.

En el diagrama no.3 se muestra un corte del interior del LAFAI, donde se muestra su configuración.

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Ilustración 11. Luxómetro. Fuente: STEREN.

Ilustración 12 Luxómetro Konica Minolta T-10A con accesorio multisensor. Fuente: (Konica Minolta ).

Luxómetro para modelos a escala.

Para efectos de análisis y medición se utilizan herramientas como un luxómetro y un medidor de consumo eléctrico que monitorea en tiempo real el comporta-miento de la luminaria que se encuentra encendida, además de cámaras fotográ-fica y de video para la documentación. La experimentación en un LAFAI puede estar precedida por la experimentación en un LCA del propio proyecto a escala o puede ser completamente independiente.

Luxómetro

La herramienta de medición para de-terminar la iluminancia de un espacio es el luxómetro. Su uso es fundamental dentro de un LCA y un LAFAI. El luxómetro es un dispositivo electrónico que permite medir la cantidad de lux que se presenta sobre una superficie o espacio.

Cuando se obtiene la cantidad de lux que se encuentra en un espacio, es posible determinar la iluminancia. Ésta se define como la cantidad de flujo luminoso que incide sobre una superficie por unidad de área.

Esta herramienta es utilizada por fotó-grafos, cineastas, arquitectos, meteorólo-gos, urbanistas y otros profesionistas de disciplinas, donde el buen manejo de la luz es indispensable. Un luxómetro es una herramienta muy útil cuando se diseña un espacio para una actividad específica. En el mercado se puede encontrar una gran variedad de marcas, precios y funciones especiales. En la ilustración. No.11 se mues-tra un luxómetro genérico marca STEREN.

Para poder medir la cantidad de luz, el luxómetro utiliza un sensor que reacciona en presencia de la luz, registrando las

Herramientas para determinar la iluminancia de un espacio.

variaciones que pueda presentar. El principio funcional se basa en una celda fotovoltaica de silicio que es reactiva a la luz y funciona como sensor. Éste se encuentra conectado a un procesador que interpreta la lectura y la tra-duce en un impulso eléctrico que se muestra como un valor numérico a través de la inter-face de lectura del luxómetro (Megatron).

En la ilustración no.12 se muestra un luxó-metro marca Konica Minolta T-10 A con un ac-cesorio para tener varios puntos de medición.

El sensor se encuentra dentro de una carcasa plástica, y tiene un difusor lumínico con forma de cúpula hecho de Perspex8 . Esta cúpula tiene la característica de homog-enizar flujo luminoso del exterior hacia el interior de la carcasa, permitiendo que el sensor reciba una sola cantidad de luz. Al conjunto de sensor, cúpula y carcasa se le denomina terminal de medición (Megatron).

Dentro de los luxómetros especiales encontramos uno diseñado específicamente para determinar la iluminancia hacia el inte-rior de modelos arquitectónicos a escala. A este tipo luxómetro se le conoce como luxó-metro para modelos de arquitectura o luxó-metro de múltiple entrada (LXM). Este LXM es el complemento específico para un LCA.

Este tipo de luxómetro cuenta con más de un sensor y es capaz de tomar varias mediciones a la vez. La cantidad de termi-nales de medición que posee responde a un promedio de habitaciones o áreas con las que cuenta una edificación. Si analizamos

8 Perpex: Material plástico o PMMA, es decir, un polimetilmetacrilato.

Ilustración 13. Terminales dentro de una maqueta. Fuente: (Educate Sustentability.)

Megatron AML/DFM

Ilustración 14 Megatrón AML/DFM. Fuente: (Megatron)

una casa habitación promedio, podemos encontrar 3 recámaras, sala, comedor, cocina, 2 ó 3 baños, estudio y otras áreas comunes; en promedio, de 9 a 12 áreas por casa. Es por esta razón que el luxómetro cuenta con varias terminales de medición para hacer más ágil y rápido el proceso. En la ilustración no.13 se muestran varias ter-minales de un LXM dentro de una maqueta.

Cada terminal debe ser colocada sobre la superficie al interior de cada espacio y al centro, tratando de evitar que se pu-eda mover o que se encuentre inclinado.

Las dimensiones y características técnicas de los sensores varían en relación a cualquier otro luxómetro genérico. Las terminales de un LXM cuentan con un cable más largo y del-gado entre 1800 mm y 2000 mm, teniendo la carcasa de las terminales de un diámetro más reducido de entre 25 y 20 milímetros. El diámetro se reduce porque los sensores se deben de colocar dentro de la maqueta.

El único luxómetro de múltiple en-trada que se produjo comercialmente fue el Megatron AML/DFM de la compañía inglesa Megatron que cesó operaciones en febrero de 2010. Uno de sus productos más emblemáticos y difundidos es el Megatron AML/DFM que fue diseñado y producido especialmente para ser utilizado dentro de LCA y tomar mediciones dentro de una maqueta a escala. En la Ilustración no.14 se muestra un Megatron AML/DFM (Megatron).

Actualmente encontramos este tipo de aparatos en instituciones educativas como la Universidad Autónoma Metropolitana Azcapotzalco y la Kingston University de

Londres, entre otras. El carácter de uso de esta herramienta es didáctico y al mismo tiempo puede ser utilizado en el medio de investigación y profesional. También hay em-presas e institutos que ofrecen servicios re-lacionados con este tipo de experimentación, como Vashon Baker en Inglaterra que ofrece servicios y productos como LCA y Heliodon.

La utilización de este tipo de aparatos, tanto en el ámbito profesional, como en el académico, ha disminuido gracias a la oferta de diversos software que permiten la experi-mentación virtual del comportamiento de la luz. Este tipo de programas ofrecen ventajas competitivas como el mayor volumen de uso y experimentación por persona o proyecto en un menor tiempo; sin embargo, la diferencia entre utilizar un LCA o un programa de com-putación, consiste en que el primero permite que a través de la experimentación directa y física del estudiante, exista una mejor comprensión del fenómeno en su propio diseño arquitectónico, el cual es sometido a una simulación de iluminación para poder entender los conceptos básicos del compor-tamiento de la luz y asimismo ayudarle a generar criterios para acondicionar ópti-mamente la iluminación en su edificación.

Actualmente no existe un producto en el mercado que realice las funciones que ofrecía el descontinuado Megatron AML/DFM, por lo que este luxómetro es el único diseñado especialmente para experimentar en maquetas debajo de un cielo artificial. Sin embargo la tecnología que ofrece y la propia configuración del Megatron AML/DFM lucen distantes frente a la realidad tecnológica y los parámetros de ergonomía, uso y diseño.

El Megatron AML/DFM se continúa utilizando actualmente, comprobándose así la factibilidad de su uso y necesidad por parte de instituciones académicas. La

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Ilustración 15. Modelos conceptuales de LXM, diseño de Luis Guillermo Tirado.

Fuente: Elaboraciónpropia.

Diseño y gestión de producto.

Proyecto de luxómetro de múltiple entrada de la Facultad del Hábitat / IICO.

inexistencia de un luxómetro de múltiple entrada en el mercado como el descon-tinuado Megatron AML/DML, favorece la oportunidad de diseñar un nuevo producto que reúna mejores características y ofrezca otro concepto de tecnología, uso y diseño.

El proyecto del “luxómetro de múltiple entrada” surge de la iniciativa del Cuerpo Académico Hábitat Sustentable (CAHS) por desarrollar e instalar una serie de labora-torios, donde se contemple la experimen-tación, análisis y manejo de la luz natural y artificial en espacios interiores.

El diseño, desarrollo y funcionamiento de un luxómetro, depende primero del diseño e instalación de un LCA. Como antecedente de éste, se tomó como referencia el cielo artificial instalado y desarrollado en la UAM Azcapotzalco.

Después de la realización de un análisis y de haber estudiado las condiciones y características de esa institución educa-tiva y de otras instalaciones existentes, se desarrollaron y propusieron distintas propuestas conceptuales (ilustración no.15).

El caso de atención más determinante fue la elección de la tecnología de medición para establecer la iluminancia dentro del cielo artificial.

Como se ha mencionado, las opciones de los sistemas existentes no son las adecuadas para poder realizar una experimentación

exitosa. La problemática reside en que un equipo como el de un Megatron AML/DFM no se produce más, ni se encuentra a la venta, y los luxómetros que se ofre-cen en el mercado no cubren los requisitos funcionales, técnicos y formales necesarios.

Ante esta situación se determinó que la instalación de un LCA sí es factible, sin embargo su operatividad depende de la tecnología de medición. Es por eso que se optó por el desarrollo propio de un producto que ofrezca soluciones técnicas, formales y tecnológicas adecuadas ante la problemática de la falta de un luxó-metro de múltiple entrada para realizar mediciones dentro de un cielo artificial.

El concepto LXM se proyectó para ser de-sarrollado por dos instituciones: La parte de gestión de diseño y desarrollo del producto corrió a cargo de la Facultad del Hábitat de la UASLP, y el desarrollo tecnológico del principio funcional fue aplicado por parte del Instituto de Investigación de Ciencias Ópticas (IICO).

La estrategia para la conceptualización del LXM se basa en 5 factores que representan relaciones importantes entre puntos clave del proyecto. Estas relaciones arrojarán los requerimientos técnicos, funcionales y formales para el desarrollo del concepto:

• La relación que existe entre el LXM y la instalación del cielo artificial.

• La relación del LXM y el modelo arquitectónico a escala.

• La relación que existe entre el usu-ario y el LXM.

• La relación que se genera entre la parte interna (circuitos y componentes electrónicos) y la externa (interface de uso).

• La relación de la aplicación del principio funcional al concepto de diseño.

A través de procesos de análisis y experi-mentación de estas relaciones, es posible determinar las características deseables que deberá de presentar el concepto final. A partir de este punto es posible realizar distintas propuestas conceptuales que re-spondan a las características deseables.

Mediante la conceptualización se pueden visualizar distintas hipótesis de solución al problema a resolver. Cada concepto de dis-eño responde a una visón de cómo es posible

Principio tecnológico y aplicación al luxómetro de múltiple entrada.

Ilustración 16. VISHAY - TEMT6000X01 Fotodiodo Fuente: NEWARK.

Diagrama 4 Sistema de medición de lux de múltiple entrada.

Fuente: Elaboración del Dr. Oscar Núñez.

a través de un producto resolver el problema. Los conceptos se deben enfrentar entre sí y evaluar con ciertos requisitos y parámetros, realizando simulaciones. De esta manera se pueden determinar las virtudes y defec-tos de cada concepto y tomar decisiones.

Por el maestro investigador Oscar Núñez / IICO

La función de este sistema consiste en la medición de intensidad luminosa en diferen-tes puntos, para lo cual se requiere la lectura y digitalización de las señales entregadas por un conjunto de 12 sensores de luz. El principio funcional está fundamentado en un fotodiodo, tecnología actual que utilizan la mayoría de los luxómetros. El sistema com-pleto de lectura y proceso de datos estará basado en un microcontrolador PIC18F4553 de Microchip, dado que se requiere una conexión con una computadora personal vía USB entre el sistema de medición, que entregará las lecturas digitalizadas reg-istradas por los sensores de luz, para su posterior procesamiento en una computadora personal (CP) mediante un programa desar-rollado en el lenguaje visual LabView. En la ilustración no.16 se muestra un fotodiodo de silicio con el que se desarrollará el LXM.

La función de este sistema consiste en realizar las lecturas de intensidad de luz que entregan los 12 sensores, llevar a cabo la digitalización de dichos parámetros mediante

el módulo convertidor analógico-digital (ADC) interno del microcontrolador, almacenar los datos digitalizados en la memoria conforme se van adquiriendo y una vez que concluya la prueba, dichas lecturas podrán ser enviadas a la CP para ser procesadas y hacer un análi-sis de los datos adquiridos. La comunicación de datos entre el sistema de medición y la computadora se establecerá haciendo uso del módulo de interface USB con el que cuenta también este microcontrolador.

En el diagrama no.4 se muestra el dia-grama a bloques del sistema de medición comunicado con la computadora personal a través de la interface USB.

La modalidad de tener varios sensores disponibles para realizar mediciones le per-mitirá al usuario colocar un sensor por cada espacio que se quiera medir, evitando así la problemática de contar con un solo sensor y tomar mediciones individuales por cada espacio.

Existen algunos medidores comerciales de luz multicanal que permiten obtener lec-turas de varios canales a la vez, sin embargo su costo es alto sobre todo si cuentan con alguna interface de comunicación con una computadora y no todos son compatibles con la experimentación en modelos arquitectóni-cos a escala. Es por ello que se decidió llevar a cabo el desarrollo del presente proyecto, a fin de tener la cantidad de sensores necesaria para la aplicación, a un costo accesible.

La ventaja y beneficios que se tienen al hacer el desarrollo de este instrumento, estri-ba en tener un diseño acorde a la aplicación, de tamaño reducido y fácil de integrar. Otra ventaja consiste en tener un instrumento con las funciones requeridas para su apli-cación y un programa de análisis desarrol-lado para llevar a cabo la interpretación de los datos justo en la forma requerida.

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Bibliografía.Trabajos citados

Con este tipo de experimentación del comportamiento de la luz natural en espa-cios interiores, es posible diseñar mejores espacios donde se aproveche al máximo la fuente de luz natural durante las horas del día y solamente durante la noche hacer uso de las fuentes artificiales. Gracias a esta dinámica de uso entre las dos fuentes natural y artificial, es posible reducir los consumos de energía eléctrica, al optimizar al máximo el manejo de la luz natural y proponer las mejores condiciones de confort, trabajo y estética para los usuarios como para resaltar la propuesta de diseño de la edificación.

El uso de los simuladores físicos didác-ticos aporta valores fundamentales para la enseñanza de la disciplina de la Arquitectura y otras afines. La experimentación y uso de estos estos simuladores le generan una experiencia única al alumno, gracias a esta experiencia el alumno puede comprender los conceptos de una forma más natural y apli-car el conocimiento adquirido objetivamente.

El uso de estos simuladores físicos representa un paso previo al uso de sim-uladores virtuales, ya que en el ámbito profesional son los que más se utilizan. Si se sigue esta jerarquía que comienza por los simuladores físicos, el alumno tiene mejores fundamentos al usar simula-dores virtuales, por tanto el alumno tiene un mejor nivel en su ejercicio de diseño.

Actualmente en la Facultad del Hábitat se están proyectando los laboratorios de cielo artificial y laboratorio de análisis de fuentes artificiales de luz para interiores para la carrera de arquitectura. Al mismo tiempo se está desarrollando un luxómetro de múltiple entrada con respaldo del IICO.

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Se terminó de imprimir en el mes de Noviembre de 2013 con un tiraje

de 150 ejemplares.