Dynamic daylight simulation: New technics and metrics to study strategies to reduce lighting energy consumption

Abstract

After the energy crisis of 1973, the control of the thermal conditions in buildings has exponentially increased and new technologies have been developed forward greater energy efficiency in buildings, including artificial lighting between them. As a proper thermal conditioning reduces energy consumption by reducing energy demand, an adequate daylighting will reduce the lighting energy consumption, increasing thereby the energy efficiency by taking advantage of a natural and free CO2 emissions source. However, while there is a long history to predict the temperature and humidity conditions, the prediction of daylighting conditions is based, for more than 50 years ago, in the calculation of Daylight Factor. This factor, despite its great international expansion and recognition, for example in LEED or BREEAM accreditation systems, is not considering the light from the Sun, so the only possible real sky conditions where there is no presence of the Sun is under a completely overcast sky, but considering this sky condition, Daylight Factor is insensitive to orientation. In addition, due to the low frequency of cloudy skies in the sunnier climates in southern Europe, daylighting studies have fallen into disuse, considering the Daylight Factor distribution, at best, as representing the worst daylighting conditions. So, artificial lighting is usually designed independently to daylighting. However, the recent emergence of Dynamic Daylight Simulation makes possible to obtain daylighting levels throughout the year due to local climatic conditions, considering, therefore, the presence and action of the Sun. The statistical analysis of these results has led to the birth of new Daylighting Metrics that predict, for example, the amount of hours in which daylight is sufficient or the amount of hours when the use of electric lighting is really needed for visual comfort. The analysis of these new metrics allows us to obtain a better comprehension of daylighting performance of a space, letting us making certain decisions that directly affect to comfort and energy consumption. In this paper, the importance of these new daylight metrics is highlighted but also their relationship with lighting energy use. Considering these new metrics, a better lighting system design and a better adequacy of its regulation and control devices can be reached, giving energy savings up to approximately 30%.

Tras la crisis energética de 1973 se ha incrementado exponencialmente el control de las condiciones higrotérmicas de la edificación, desarrollándose nuevas tecnologías para obtener una mayor eficiencia energética en los edificios, incluyendo la iluminación artificial. Así como un adecuado acondicionamiento térmico permite reducir el consumo energético, disminuyendo la demanda térmica, una adecuada iluminación natural permite reducir el consumo de la iluminación eléctrica y evitar el sobrecalentamiento de los espacios, aumentando la eficiencia energética mediante el aprovechamiento de una fuente natural, limpia y gratuita. Pero, mientras existe una larga trayectoria en la predicción de las condiciones de higrotérmicas, el análisis de la iluminación natural se basa, desde hace más de 50 años, en el cálculo del Factor de Iluminación Natural. Este factor, pese a su gran expansión internacional y reconocimiento, por ejemplo en los sistemas LEED o BREEAM, no considera la acción directa del Sol. Esta situación sólo corresponde en la realidad a condiciones de cielo nublado, dando lugar a que dicho factor no varíe con la orientación. Además, debido a la baja frecuencia de días nublados en los climas más soleados del Sur de Europa, el estudio la iluminación natural ha caído en desuso, considerando este factor, en el mejor de los casos, como las peores condiciones de iluminación natural de dicho espacio, por lo que habitualmente la iluminación artificial se diseña sin considerar la luz natural. Sin embargo, la reciente aparición de la simulación dinámica de luz natural permite obtener los niveles de iluminación natural que se obtienen a lo largo del año debido a las condiciones climáticas locales, considerando la presencia y acción del Sol. Con esta nueva técnica se han creado nuevos indicadores que permiten predecir, por ejemplo, durante cuánto tiempo la luz natural es suficiente o debe complementarse con la iluminación eléctrica para obtener confort visual. En este trabajo se muestra cómo el análisis de las métricas dinámicas permite obtener una mejor comprensión de las condiciones de iluminación natural, permitiendo la toma de ciertas decisiones que afectan al confort y al consumo de energía. Para ello se muestra no sólo la importancia de estas nuevas métricas sino también su integración con la iluminación artificial, permitiendo un mejor diseño de la misma y una mejor adaptación de los sistemas de regulación, obteniendo ahorros energéticos de hasta aproximadamente el 30%.