Estrategias para administrar estímulo circadiano en un espacio de oficina mientras se minimiza el uso de energía

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A continuación se muestra un artículo escrito por Charles Jarboe del Centro de Investigación de Iluminación del Instituto Politécnico Rensselaer. En el artículo, el Sr. Jarboe analiza por qué la luz circadiana es una ventaja en un entorno de oficina junto con los desafíos de cumplir con la eficiencia energética y la calidad de la luz circadiana. Identifica el estímulo circadiano la mejor métrica para medir la iluminación adecuada necesaria en un entorno de oficina. Con la iluminación adecuada, un ocupante puede estar más alerta y la luz promueve una oficina más saludable.

Tradicionalmente, la iluminación arquitectónica se ha diseñado para proporcionar iluminación horizontal al plano de trabajo con el fin de proporcionar una iluminación adecuada para las tareas visuales. Gradualmente, los diseñadores y fabricantes de iluminación comenzaron a considerar los efectos estéticos y psicológicos de la luz, como el brillo percibido de un espacio, y desarrollaron técnicas para distribuir la luz no solo en las superficies horizontales de una habitación, sino también en las verticales. bien. Más recientemente, el alcance de la iluminación arquitectónica se ha ampliado aún más para incluir los efectos fisiológicos de la luz, específicamente cómo la luz afecta el sistema circadiano humano y el estado de alerta.

La luz es la señal exógena principal para sincronizar las funciones endógenas del cuerpo con el ciclo claro-oscuro de 24 horas en la posición local de uno en la Tierra. Hay varias características de la luz que son centrales en este proceso: la cantidad (o nivel) de luz recibida en la córnea, las propiedades espectrales de esa luz y el momento y la duración de la exposición a la luz. Para inducir una respuesta del sistema circadiano, el estímulo de luz debe alcanzar la retina y, por lo tanto, la iluminación vertical (EV) es crucial para este proceso. Además de estimular el sistema circadiano, la luz ejerce un agudo efecto de alerta similar al de una taza de café. Investigaciones recientes sugieren que las características de un estímulo de luz, como su cantidad y propiedades espectrales, afectan el estado de alerta y el arrastre circadiano de manera diferente. Mientras que la luz "azul" de longitud de onda corta puede provocar el estado de alerta y suprimir la hormona melatonina (un biomarcador establecido para el sistema circadiano), la luz "roja" de longitud de onda larga puede mantener o aumentar el estado de alerta sin suprimir la melatonina. Dada la mayor comprensión de los mecanismos involucrados en la traducción de un estímulo de luz a una señal que influye en el sistema circadiano, los avances en la tecnología de iluminación y la amplitud de la investigación que indica que la interrupción circadiana puede conducir a muchos resultados negativos para la salud, como enfermedades metabólicas y cardiovasculares, algunos formas de cáncer, interrupción del sueño y varios problemas relacionados con el estado de ánimo y la salud en general, se está convirtiendo en parte del proceso de diseño de iluminación para considerar los impactos no visuales de la iluminación y para ayudar a garantizar que se eviten tales resultados de salud negativos siempre que sea posible. Sin embargo, debido a que el sistema circadiano tiene un umbral absoluto de activación más alto que el sistema visual, y porque se requiere luz en el ojo para la fototransducción circadiana, iluminación circadiana o "centrada en el ser humano"

los diseños a menudo requieren niveles de luz más altos que los necesarios solo para el rendimiento visual, y esto tiene el potencial no deseado de aumentar el uso de energía, lo que representa un paso atrás en términos de sostenibilidad y eficiencia del diseño.

El Centro de Investigación de Iluminación (LRC) en el Instituto Politécnico Rensselaer realizó recientemente un estudio para evaluar la efectividad de varias estrategias de iluminación LED para entregar estímulo circadiano (CS) a los ocupantes de un espacio de oficina típico mientras minimiza o previene un mayor uso de energía. El estudio empleó simulaciones fotométricas de estas estrategias en un espacio típico de oficina abierta, entregando un criterio CS de 0.3 a puntos de cálculo modelados a nivel del ojo del ocupante simulado. La métrica CS utilizada en el estudio se deriva de la luz circadiana (CLA) que es la irradiancia en

la córnea ponderada para reflejar la sensibilidad espectral del sistema circadiano humano. CS se define como el porcentaje de supresión nocturna de melatonina lograda después de una exposición a la luz de una hora desde el umbral (CS = 0.1) hasta la saturación (CS = 0.7). Aunque la melatonina se produce solo por la noche, se usa como un indicador sustituto de cómo la luz afecta un resultado del sistema circadiano. De hecho, estudios recientes realizados por el LRC tanto en entornos de laboratorio como en aplicaciones de campo han demostrado que un nivel de CS de 0.3 o mayor durante al menos dos horas por día, especialmente en la mañana, fue efectivo para mejorar la calidad del sueño y el estado de ánimo. y estado de alerta, y reducir el estrés en los trabajadores de oficina, así como reducir la depresión en personas con enfermedad de Alzheimer y demencias relacionadas que viven en centros de atención a largo plazo. Las simulaciones fotométricas realizadas para el estudio investigaron el rendimiento de seis tipos de luminarias aéreas a seis temperaturas de color correlacionadas (CCT) que van desde 2700K a 6500K, dos niveles de iluminancia horizontal (EH) objetivo (300 lx y 500 lx) y dos distribuciones de intensidad ( típico y ancho), para un total de 144 combinaciones. Además, el estudio evaluó

el rendimiento de una luminaria de escritorio personal que ofrece luz "azul" de banda estrecha y longitud de onda corta en combinación con la iluminación cenital típica. La Figura 1 muestra el rendimiento de CS a la densidad de potencia de iluminación (LPD) de las diversas configuraciones de iluminación que cubren los extremos del rango de CCT típicamente especificados para entornos de oficina (3000K y 5000K). Como se indica en la Figura 1, las luminarias de escritorio junto con la iluminación cenital típica (troffers de 2 pies por 2 pies que entregan 300 lx horizontal a 3000K) fueron la solución más efectiva en

proporcionando el objetivo de diseño CS recomendado de 0.4 mientras se usa la menor energía posible. Las soluciones de iluminación superior que funcionaron mejor fueron los troffers con amplias distribuciones de intensidad de "murciélago", así como las luminarias colgantes con algún componente de iluminación directa. En general, la mayoría de las luminarias aéreas que alcanzaron el objetivo CS de 0.3 tenían una relación de iluminancia vertical a horizontal superior a 0.65: 1. Además, aumentar el objetivo de iluminancia horizontal de 300 lx a 500 lx tuvo un mayor impacto relativo en la relación CS: LPD que aumentar

Figura 1. El rendimiento de CS a la densidad de potencia de iluminación (LPD) de varias configuraciones de iluminación.

CCT de 3000K a 5000K. Para que los diseñadores y especificadores traduzcan los resultados de investigaciones anteriores y el presente estudio a la práctica, el LRC ha desarrollado las siguientes pautas de diseño de iluminación destinadas a ayudar a los diseñadores a desarrollar soluciones de iluminación efectivas circadianas, al tiempo que mantiene la eficiencia energética y cumple con el código de energía local requisitos

Especificaciones

Para un entorno de oficina típico, el LRC recomienda proporcionar un CS ≥ 0.3 durante el día, seguido de CS ≤ 0.2 en la noche y CS ≤ 0.1 en la noche (Figura 2). Sin embargo, a diferencia de un medidor de iluminancia típico o virtual utilizado en AGi32, el ojo humano no tiene una respuesta espacial del coseno debido al sombreado de la luz por rasgos faciales como la nariz y la frente, y dado que puede no haber objetos o materiales que no se tengan en cuenta. puede bloquear o absorber la luz en el entorno del mundo real, el LRC recomienda un valor objetivo de diseño CS durante el día de 0.4 a

2. Si no se pueden utilizar luminarias de escritorio, modele su espacio.

Use un modelo de simulación fotométrica del espacio para calcular la iluminancia horizontal en una cuadrícula en el plano de trabajo, y la iluminancia vertical al nivel de los ojos de los ocupantes en el espacio (figura 3) Los puntos de iluminación vertical deben colocarse a lo largo de una línea de 4 pies por encima del piso terminado y apuntar en la dirección de los ojos del ocupante sentado en esa ubicación. Usando la distribución de potencia espectral (SPD) de la (s) fuente (s) de luz, calcule CS usando la calculadora CS basada en web desarrollada por el LRC: lrc.rpi. edu / cscalculator /

3. Diseñe iluminación cenital para proporcionar CS adecuada y maximizar CS: LPD.

Evalúe la distribución de intensidad de los productos de iluminación y favorezca los productos que ofrecen una alta relación de iluminancia vertical a horizontal de al menos 0.65: 1. Troffers

adaptarse a estos factores y garantizar que la mayoría de los ocupantes del espacio recibirán la cantidad de luz necesaria. Para garantizar que se entregue CS mientras se minimiza el uso de energía en la mayor medida posible, el LRC recomienda maximizar la relación CS: LPD. Si bien se pueden utilizar numerosos productos y configuraciones de iluminación para cumplir con estas especificaciones de rendimiento, uno de los objetivos del estudio y las pautas resultantes es determinar las cualidades de nivel de luminaria que deben considerarse y optimizarse para aumentar la probabilidad de que se cumplan las especificaciones de manera eficiente energéticamente, teniendo en cuenta también la estética y los factores humanos.

Proceso de diseño

1. Decidir si se pueden utilizar luminarias de escritorio. Dada la abrumadora ventaja CS: LPD de la luminaria de escritorio que proporciona luz azul en el ojo (solo se necesitaban 24 lx de luz azul en el ojo además del troffer de 2 pies por 2 pies)

Estímulo circadiano
Hora del díaLogrado Diseño
Tiempo de día0.30.4
Noche0.20.2
Noche0.10.1

Con amplias distribuciones de "murciélago" o luminarias colgantes con algún componente de iluminación directa y un componente indirecto ancho, es más probable que tenga una alta relación EV: EH y proporcione relativamente más CS a los ojos para una cantidad igual de energía (Figura 4).

CS Tips

  • Apunte un CS entregado de 0.3 durante el día y un objetivo de diseño de 0.4 para compensar el sombreado natural de los rasgos faciales y los objetos y superficies que pueden bloquear o absorber la luz.
  • Si es posible, tenga en cuenta las luminarias de escritorio u otras soluciones de iluminación a nivel de los ojos cuando el nivel de luz, CCT o las restricciones de energía dificultan la entrega del CS deseado solo con iluminación cenital.
  • Busque sistemas de iluminación aérea con una relación EV: EH relativamente alta (0.65 o superior) pero también tenga en cuenta la posibilidad de deslumbramiento y mire las luminarias de muestra siempre que sea posible.
  • La “iluminación centrada en el ser humano” no tiene que ser de espectro sintonizable: el aumento del nivel de luz de 300 a 500 lx en el plano de trabajo tuvo un mayor impacto relativo en CS que el aumento de CCT de 3000 a 5000K.

Cuando sea posible, proporcione niveles de luz más altos (500 lx horizontal) durante las horas diurnas y / o considere aumentar el CCT de 3000K a 5000K. El aumento del nivel de luz de 300 lx horizontal a 500 lx tuvo un impacto relativamente mayor que el aumento de CCT de 3000K a 5000K. Aún así, el LPD promedio de los dispositivos que proporcionan un CS de al menos 0.3 a 5000K fue 5% menor que el LPD de los dispositivos que proporcionan el mismo CS a 3000K. También es importante conocer el SPD real de la fuente de luz, no solo el CCT al diseñar para CS. Por ejemplo, ocho fuentes de luz diferentes, todas con un CCT de 3000K, tenían un rango de CS de 0.22 a 0.26 para una iluminancia horizontal igual. También es posible, utilizando sistemas de iluminación LED blancos estáticos ajustables o regulables, modular la entrega de CS a lo largo del día y potencialmente reducir el uso de energía al disminuir los niveles de luz en las horas de la tarde. Sin embargo, si bien la luz de la mañana es más importante para el arrastre, los niveles de luz de la tarde son importantes para promover el estado de alerta y no deben reducirse también

dramáticamente sin la adición de luz roja suplementaria de luminarias de escritorio u otras fuentes personales. El presente estudio encontró que proporcionar un valor de CS de 0.3 para todo el día de trabajo era la opción de horario más eficiente en energía que proporcionaba luz de mañana adecuada para el arrastre y luz de tarde para estar alerta.

El objetivo general del estudio y estas pautas es ayudar a los diseñadores y especificadores de iluminación en el proceso de identificar las características de los productos de iluminación que deben considerarse y optimizarse al diseñar la iluminación para efectos no visuales, como el arrastre circadiano y el estado de alerta agudo. Además, instamos a la comunidad de iluminación, diseñadores y fabricantes por igual, a que piensen más allá del plano horizontal y consideren utilizar una capa adicional de luz en el plano vertical, más personal en escala, que pueda brindar luz para promover la incorporación y / o alertar efectos mientras minimizando el uso de energía y aliviando la carga del sistema de iluminación cenital

de hacer una tarea a menudo no está diseñada para realizarla. También es importante tener en cuenta que las consideraciones de factores estéticos y humanos no deben descuidarse al diseñar iluminación con impactos no visuales como criterio de rendimiento. El deslumbramiento, la percepción del brillo y los efectos psicológicos de la luz deben abordarse con cuidado, y cuando se considera en combinación con efectos visuales y no visuales, el diseño de iluminación puede volverse "holístico" en el sentido más verdadero de la palabra. El estudio fue financiado por Natural Resources Canada, Light and Health Alliance y Lighting Energy Alliance. Los miembros de Light and Health Alliance son Armstrong Ceiling & Wall Solutions; Eje de iluminación; Cree; GE Current, una compañía Daintree; Ketra; LEDVANCE; OSRAM; y USAI Lighting. Los miembros de Lighting Energy Alliance son Efficiency Vermont, Energize Connecticut, National Grid, Natural Resources Canada, NEEA y ConEd.

model for calculatinghorizontal-point-vertical-point

Figura 3. Modelo de simulación fotométrica para calcular la iluminancia horizontal en una cuadrícula en el plano de trabajo y la iluminancia vertical a nivel de los ojos de los ocupantes.

Figura 4. Distribución de intensidad para la evaluación de la relación de iluminancia vertical a horizontal de un producto.

EL AUTOR | Charles Jarboe, MS, es especialista principal en investigación en el Lighting Research Center (LRC) del Rensselaer Polytechnic Institute.

Resumen
Nombre del artículo
ESTRATEGIAS PARA ENTREGAR EL ESTÍMULO CIRCADIANO EN UN ESPACIO DE OFICINA MIENTRAS MINIMIZA EL USO DE ENERGÍA
Descripción
A continuación se muestra un artículo escrito por Charles Jarboe del Centro de Investigación de Iluminación del Instituto Politécnico Rensselaer. En el artículo, el Sr. Jarboe analiza por qué la luz circadiana es una ventaja en un entorno de oficina junto con los desafíos de cumplir con la eficiencia energética y la calidad de la luz circadiana. Identifica el estímulo circadiano la mejor métrica para medir la iluminación adecuada necesaria en un entorno de oficina. Con la iluminación adecuada, un ocupante puede estar más alerta y la luz promueve una oficina más saludable.
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