ES2275244T3 - Dispositivo de medicion con varios sensores para la captacion de la luz exterior. - Google Patents

Abstract

Dispositivo (11) de medición de la luz exterior, con varios sensores (16, 191 - 193) de luminosidad para captar la luz exterior, caracterizado porque el dispositivo (11) de medición de la luz exterior presenta un primer sensor (16) de luminosidad, situado en una superficie dispuesta de forma horizontal, para determinar la luminosidad global total de la luz exterior, así como sólo otros tres sensores (191 - 193) de luminosidad orientados horizontalmente y dispuestos en una configuración triangular para determinar la dependencia de la luz exterior en función de la dirección.

Description

Dispositivo de medición con varios sensores para la captación de la luz exterior.

La presente invención se refiere a un dispositivo de medición que comprende varios sensores de luminosidad previstos para captar la luz exterior.

Un componente esencial de los modernos sistemas de gestión de edificios lo forma una regulación de la iluminación adaptada al uso de las salas, así como una optimización del consumo de energía originado por la iluminación. A fin de reducir el consumo de energía para la iluminación de edificios es imprescindible incorporar y aprovechar la luz diurna existente. Esto se logra por ejemplo mediante sistemas de regulación que presentan un sensor de luminosidad, dispuesto en la sala a iluminar, donde un circuito de control, conectado con el sensor, genera en función de la señal del sensor señales de atenuación para las lámparas dispuestas en esta sala. De este modo existe la posibilidad de mantener en la sala una luminosidad constante e independiente de la luz exterior momentánea.

Una desventaja de un sistema de este tipo, con sensores de luminosidad dispuestos en cada sala, consiste en que el control de la luminosidad puede verse afectado de forma no deseada a través de objetos que se encuentran en esta sala. Si por ejemplo en una oficina hay un escritorio en la zona de detección del sensor de luminosidad, puede darse el caso de que el sensor de luminosidad detecte una alta luminosidad a causa de papeles que se encuentran en el escritorio y reflejan la luz. Como consecuencia, se atenúa en mayor medida la luz interior, por lo que la luminosidad total en la sala resulta demasiado baja.

Para evitar estos problemas se conocen sistemas que miden exclusivamente la luz exterior existente, o luz diurna, y presentan para este fin un solo dispositivo de medición de la luz exterior, situado fuera del edificio, mediante el cual se determina tanto la intensidad de la luz exterior como su dependencia de la dirección. Además, la orientación de cada sala y la disposición de las ventanas son conocidas, ya que la luz exterior ilumina de forma distinta cada sala en función de la altura variable del sol. Teniendo en cuenta estas informaciones se calcula para cada sala en función de la luz exterior variable, que depende de la dirección, una señal de ajuste individual para las lámparas. Una ventaja adicional de este procedimiento consiste en que no es necesario montar en cada sala un propio sensor de luminosidad.

Para determinar la intensidad de la luz exterior y su dependencia de la dirección, el solicitante comercializa por ejemplo un cabezal de medición de la luz diurna con la denominación LM-TLM. Este cabezal de medición conocido comprende ocho fotosensores individuales, de los cuales cada vez dos están asignados a cada punto cardinal. Los fotosensores están dispuestos de tal manera que pueden determinar exhaustivamente los componentes horizontales y verticales de la luminosidad de la luz exterior. De esta manera se facilita una determinación directa de la luz exterior en función de la dirección, no obstante, la disposición de ocho sensores requiere un tipo de construcción mecánico y eléctrico complicado y conlleva los gastos correspondientes.

De la publicación "Measurements of the luminous efficacy of daylight" de P. J. Littlefair en Lighting Research and Technology, 1988, UK, tomo 20, nº 4, pp. 177 - 188 se conoce otro dispositivo para la medición de la luz exterior. Este dispositivo conocido se compone en total de cinco sensores de luminosidad, estando dispuesto uno de los sensores en una superficie horizontal y estando dispuestos los otros cuatro sensores horizontalmente orientados y dirigidos a los cuatro puntos cardinales, a fin de determinar la dependencia de la luz exterior en función de la dirección.

También este dispositivo de medición conocido está configurado de forma relativamente compleja y resulta caro, por lo que el objetivo de la presente invención consiste en especificar una posibilidad nuevamente simplificada para determinar la luz exterior.

Este objetivo se consigue conforme a la invención por un dispositivo de medición según la reivindicación 1 para la captación de la luz exterior, que comprende un primer sensor de luminosidad dispuesto en una superficie horizontalmente orientada, así como sólo otros tres sensores de luminosidad horizontalmente orientados y dispuestos en una configuración triangular.

Se ha demostrado que con la configuración según la invención de los sensores de luminosidad es posible captar de forma efectiva la luz exterior respecto a su intensidad y dependencia de la dirección. En comparación con los dispositivos conocidos de medición de la luz exterior, esto se consigue mediante el empleo de en total sólo cuatro sensores de luminosidad, por lo que respecto al estado de la técnica puede conseguirse nuevamente una simplificación del tipo de construcción del dispositivo de medición y, de esta manera, una reducción de los gastos.

Variantes de la invención son el objeto de las reivindicaciones dependientes. Los sensores de luminosidad están dispuestos preferentemente debajo de una cubierta difusa que presenta una superficie semiesférica, estando dispuesto el primer sensor de luminosidad en el centro de la semiesfera. Asimismo, el primer sensor de luminosidad está dispuesto en el centro del triángulo formado por los tres sensores de luminosidad horizontalmente orientados, pudiendo presentar cada uno de estos tres sensores un diafragma.

Con ayuda del dispositivo de medición de la luz exterior es posible determinar de forma efectiva la luz exterior disponible, pudiendo emplearse estas informaciones para el control de la luminosidad de una sala o de un edificio.

La invención se explica a continuación más detalladamente con referencia al dibujo adjunto. En las figuras se muestran:

Fig. 1 Ejemplo de un cabezal sencillo de medición de la luz diurna para poner en práctica un procedimiento para el control de la luminosidad en función de la luz diurna.

Fig. 2 Otro ejemplo de realización de un cabezal de medición de la luz diurna conforme a la invención en vista lateral.

Fig. 3 Representación de la disposición de los sensores de luminosidad horizontalmente orientados del cabezal conforme a la invención para la medición de la luz diurna según la figura 2.

Fig. 4 a 6 Representaciones de un sistema para el control de la luminosidad en función de diferentes estados del cielo, en el cual se emplea el dispositivo de medición de la luz diurna según la invención.

En la figura 1 se muestra un primer cabezal 1 sencillo de medición de la luz diurna que presenta un solo sensor 6 de luminosidad, dispuesto sobre el lado superior 3 horizontalmente orientado de una carcasa 2 cilíndrica del sensor. Como protector contra influencias exteriores está previsto un recubrimiento semiesférico 4, preferentemente de un material que dispersa la luz de forma difusa. El sensor 6 de luminosidad está dispuesto en el centro del recubrimiento semiesférico 4, como soporte del sensor 1 sirve un tubo de montaje 5, dispuesto verticalmente, en cuyo lado superior está fijada la carcasa 2 del sensor.

El sensor 6 está montado de manera no sombreada en el lado superior 3 de la carcasa 2, a fin de registrar en la medida de lo posible toda la luz exterior que incide desde todas las direcciones en el recubrimiento 4 en forma de cúpula. La señal de este sensor 6 es por lo tanto una medida de la luminosidad global total de la luz exterior, pero no informa acerca de su dependencia de la dirección.

En las figuras 2 y 3 se muestra un cabezal 1 de medición conforme a la invención que presenta en total sólo cuatro sensores 16 y 19_{1} a 19_{3}. El primer sensor 16 está nuevamente dispuesto en la placa de cubrición 13 horizontalmente orientada de una carcasa 17 de sensores y sirve para registrar la luminosidad global de la luz exterior. En el interior de la carcasa 17 de sensores están colocados otros tres sensores 19_{1} a 19_{3}, dispuestos de forma desplazada en 120º y sombreados uno frente a otro. La carcasa 17 de sensores tiene, como se representa en la figura 3, una forma exterior que corresponde a un triángulo equilátero, estando previsto en el centro de cada pared lateral un orificio 18_{1} a 18_{3} para los sensores 19_{1} a 19_{3} dispuestos detrás de estos orificios. Mediante esta disposición se garantiza que siempre por lo menos uno de los sensores 19_{1} a 19_{3} esté sombreado frente a una radiación solar directa.

Para mantener lo más pequeño posible el ángulo de abertura para la luz reflejada en el entorno, que entraría desde el lado inferior, los tres sensores 19_{1} a 19_{3} horizontalmente orientados están dispuestos en el borde inferior de la carcasa 17 y están sombreados por la placa de fondo 12 circular. Por lo tanto, el semiespacio de abertura de estos sensores 19_{1} a 19_{3} está dirigido a la semiesfera celeste, es decir, hacia arriba.

Los cuatro sensores 16 y 19_{1} a 19_{3} están protegidos mediante un recubrimiento 14, configurado en su parte superior nuevamente con una forma semiesférica, estando dispuesto el sensor 16, que registra la luminosidad total, en el centro de la semiesfera. En la zona inferior de la carcasa 17 de sensores, el recubrimiento 14, de nuevo preferentemente de un material que dispersa la luz de manera difusa, está configurado de forma cilíndrica y el conjunto completo está dispuesto también en este caso sobre un tubo 15 de montaje verticalmente orientado.

En la figura 4 se muestra un sistema completo para controlar o regular la luminosidad en las diferentes salas de un edificio, estando iluminadas las salas tanto con luz interior como con luz exterior. En el ejemplo representado se muestran en una casa 20 dos salas 21 y 25, cada una con una ventana 22 ó 26, respectivamente, donde las dos ventanas 22 y 26 se encuentran en lados opuestos del edificio 20.

En las dos salas 21 y 25 están dispuestos sistemas de iluminación o lámparas 23, 27, previstos para una iluminación artificial de las salas 21, 25. La luminosidad de las lámparas 23 y 27 debe controlarse en función de la luz exterior que entra a través de las ventanas 22 y 26. Para este fin, en el techo del edificio 20 está previsto un dispositivo de medición de la luz exterior en forma de un cabezal 1 u 11 de medición de la luz diurna, tal como se representa en las figuras 1 ó 2 y 3. Las señales del cabezal 1, 11 de medición se suministran a un dispositivo 29 de control o regulación que genera en función de la luz exterior señales de atenuación que se transmiten a los equipos de servicio 24 y 28 de las lámparas 23 y 27.

El dispositivo 29 de control o regulación está dividido, en el ejemplo de realización representado, en dos subconjuntos 30 y 31, donde la primera unidad 30 evalúa los datos proporcionados por el cabezal 1 u 11 de medición y, tal como se describe más adelante, determina la intensidad de la luz exterior y su dependencia de la dirección. Basándose en estos datos, el segundo subconjunto 31 genera las señales de atenuación para las lámparas 23 y 27 y las transmite a los equipos de servicio 24 y 28 de las lámparas. Esta división del dispositivo 29 de control o regulación en los dos subconjuntos 30 y 31 no es imprescindible y se utiliza aquí en primer lugar para una mejor comprensión del procedimiento según la invención que se explica a continuación. Por ejemplo, el dispositivo 29 de control o regulación puede estar constituido por un solo ordenador, de modo que ya no es posible diferenciar entre las dos unidades 30 y 31. Por otro lado existe también la posibilidad de asignar a los equipos de servicio 24 y 28 de las lámparas la función de la unidad 31, es decir, el cálculo de los valores nominales para las lámparas 23 y 27 en función de las informaciones acerca de la luz exterior.

La generación de las señales de atenuación en función de la luz exterior se lleva a cabo en base a un algoritmo con determinadas curvas características. Estas curvas características tienen en cuenta la disposición de la sala y de sus ventanas, así como los requisitos del control de la luminosidad y consideran por ejemplo si la sala debe utilizarse para trabajar o para presentaciones (de diapositivas, etc.). Por ejemplo, de este modo podrían realizarse distintos ambientes de iluminación. Son conocidos algoritmos de este tipo que generan señales de atenuación para lámparas en función de la intensidad y de la luz exterior dependiente de la dirección, por lo que no se explican a continuación. El objetivo de la presente invención consiste en primer lugar en conseguir de la manera más sencilla posible las informaciones sobre la luz exterior requeridas para la generación de las señales de atenuación deseadas. Esto se explica a continuación.

En la determinación de la luz exterior, dependiente de la dirección, debe tenerse en cuenta que la intensidad momentánea y la dependencia de la dirección en un determinado punto de la superficie de la tierra están determinadas en lo esencial por magnitudes astronómicas y meteorológicas, tal como lo muestran los ejemplos representados en las figuras 4 a 6.

La luz diurna disponible está influida en primer lugar por la altura actual del sol 32. La altura del sol depende de la fecha, la hora y la situación geográfica y puede calcularse teóricamente mediante un llamado modelo celeste cuando se conocen estos tres parámetros. Esta altura del sol está definida en lo esencial por el ángulo de altura del sol, que corresponde al ángulo entre el horizonte y el centro del sol, así como por el ángulo acimutal del sol que corresponde al ángulo entre la dirección norte geográfica y el círculo vertical a través del centro del sol. Asimismo, la intensidad de la luz diurna depende de la distancia entre el sol y la tierra, esta distancia también es conocida cuando se conoce la fecha.

La radiación solar que alcanza la tierra, y de esta manera también el cabezal de medición de la luz diurna, o la luz diurna en un determinado lugar, se compone de la radiación solar directa S_{d}, atenuada por la atmósfera, y de una radiación difusa S_{str}, dispersada de forma difusa en la atmósfera. La dispersión y atenuación de la luz solar se debe generalmente a las moléculas del aire o a las partículas de vapor existentes en la atmósfera, pero también a las nubes o a la niebla.

En la figura 4 se muestran primero las condiciones de luz con cielo descubierto. La luz exterior, que incide en el cabezal 1, 11 de medición, se compone mayoritariamente de la radiación directa S_{d} procedente del sol 32 que, debido al cielo despejado, está sólo ligeramente atenuada con respecto a la radiación directa S_{0} emitida originalmente por el sol, y de una pequeña proporción de radiación difusa S_{str} que incide desde todas las direcciones. Por lo tanto, la sala 21 se ilumina primero de forma relativamente fuerte a través de la radiación solar directa S_{d} que incide por la ventana 22 dirigida hacia el sol 32. Debido a que la ventana 26 de la sala 25 se encuentra en un lado del edificio 20 opuesto al sol 32, el sol 32 no ilumina directamente esta sala 25, a diferencia de la sala 21. No obstante, la sala 25 se ilumina por lo menos a través de la radiación difusa S_{str}, que incide desde todas las direcciones y, con el cielo descubierto, es claramente menos intensa en comparación con la radiación directa S_{d}. La radiación difusa S_{str} independiente de la dirección ilumina también la primera sala 21 adicionalmente a la radiación directa S_{d}.

En el segundo ejemplo, representado en la figura 5, la altura del sol ha variado frente a la figura 4 de tal manera que la radiación directa S_{d} del sol incide ahora desde otra dirección, de modo que la ventana 22 de la primera sala 21 se encuentra en la sombra mientras que la ventana 26 de la segunda sala 25 recibe directamente la radiación del sol 32. Por lo tanto, la sala 21 se ilumina ahora sólo a través de la radiación difusa S_{str}, mientras que la luz exterior para la sala 25 se compone de la radiación directa S_{d} y la radiación difusa S_{str}. La radiación total, que incide en el cabezal 1, 11 de medición de la luz diurna, compuesta de la radiación directa S_{d} y la radiación difusa S_{str}, tiene en lo esencial la misma magnitud que en el ejemplo representado en la figura 4.

La altura del sol corresponde en el tercer ejemplo, representado en la figura 6, en lo esencial a la altura del sol en la figura 4. Pero el sol 32 está oculto detrás de una capa de nubes 33 que reduce la radiación directa S_{0}, emitida originalmente por el sol 32, a un valor inferior S_{d} que incide en el cabezal 1, 11 de medición de la luz diurna. Además de una atenuación de la radiación directa, la capa de nubes 33 provoca una fuerte dispersión de la luz solar, de modo que aumenta la intensidad de la radiación difusa S_{str}. Debido a que esta radiación difusa es independiente de la dirección, ambas salas 21 y 25 se iluminan en lo esencial con la misma intensidad. La radiación global, que incide en el cabezal 1, 11 de medición de la luz diurna, es ahora claramente inferior a la del ejemplo representado en la figura 4.

Para poder generar señales de atenuación apropiadas para las lámparas 23 y 27 en las salas 21 y 25 se requiere el conocimiento de la intensidad y dirección de incidencia de la radiación directa S_{d}, así como la intensidad de la radiación difusa S_{str} independiente de la dirección. Si se conocen estas informaciones, es posible generar una magnitud de ajuste apropiada para las lámparas, teniendo en cuenta la disposición de las salas y de sus ventanas. Las informaciones sobre la luz exterior en función de la dirección pueden obtenerse por ejemplo mediante sensores de luminosidad orientados a los distintos puntos cardinales, es decir, mediante medición directa. Según la presente invención también es posible obtener informaciones aproximadas sobre la composición (intensidad y dependencia de la dirección) de la luz exterior con ayuda de una medición de la luminosidad total y, eventualmente, una medición adicional. Esto se explica a continuación.

Básicamente hay que tener en cuenta que la altura del sol puede calcularse cuando se conocen las informaciones requeridas (fecha, hora y situación geográfica). Por lo tanto, también es conocida la dirección de incidencia de la radiación solar directa. El problema consiste por lo tanto en primer lugar en determinar la relación entre la radiación directa y la radiación difusa. Esta relación puede evaluarse por lo menos con una exactitud satisfactoria si se conoce el estado del cielo. Según los ejemplos en las figuras 4 a 6 existe una dependencia entre el estado del cielo y la relación entre la radiación directa y la radiación difusa de tal manera que, con un aumento de la nubosidad aumenta también la dispersión de la luz solar, por lo que aumenta la proporción de la radiación difusa, independiente de la dirección, en relación con la radiación directa. Por lo tanto, es preciso determinar en un primer paso si el cielo está despejado o parcial o totalmente cubierto y cuál es la magnitud de la atenuación de la luz solar originada por la nubosidad.

Se estima el estado del cielo, o la atenuación de la luz solar directa, en base a una sola medición. Para este fin puede utilizarse por ejemplo el cabezal 1 de medición representado en la figura 1 que comprende un solo sensor 6 de luminosidad. Este sensor 6 está dispuesto de tal modo que se registra, además de la radiación directa, también la radiación difusa y, por lo tanto, la luminosidad global total que incide en el cabezal 1 de medición.

Se determina mediante comparación con un valor de referencia si el cielo está cubierto o no. Como valor de referencia se utiliza preferentemente la luminosidad total con el cielo descubierto, pudiéndose calcular este valor teóricamente, o estimarlo por lo menos, basándose en las informaciones relativas al tiempo y al lugar anteriormente mencionadas (los cálculos correspondientes los comprende por ejemplo DIN 5034) y en las características del sensor 6 y del recubrimiento 4, o se puede determinar de forma empírica mediante mediciones. Si la luminosidad detectada mediante el sensor de luminosidad es aproximadamente igual al valor de referencia, puede suponerse que el cielo está despejado o no nublado. Si el valor de medición es claramente inferior al valor de referencia, se puede suponer que el cielo está cubierto. La diferencia entre el valor de referencia y el valor de medición puede utilizarse como medida de la atenuación o de la densidad de las nubes.

La atenuación, determinada de la manera descrita, se utiliza para evaluar en qué proporción contribuyen la radiación difusa y la radiación directa a la luminosidad total, la relación más general consiste en que la proporción de la radiación difusa crece con el aumento de la densidad de las nubes o el aumento de la atenuación. Asimismo, debe tenerse en cuenta que, a causa de la dispersión de la luz solar en la atmósfera, la radiación difusa representa siempre una cierta proporción mínima de la luminosidad total. Por lo tanto, a causa de la diferencia entre la luminosidad total teórica, o determinada de forma empírica, y la luminosidad total medida se puede estimar entre un valor mínimo y un valor máximo la proporción de la radiación difusa en la luminosidad total. Debido a que se ha medido la intensidad de la luminosidad real total, ahora es posible determinar la intensidad de la radiación difusa independiente de la dirección y de la radiación directa dependiente de la dirección (que es conocida).

La evaluación anteriormente descrita se lleva a cabo en la unidad de evaluación 30 del dispositivo 29 de control o regulación. La unidad de regulación 31 convierte las informaciones acerca de la luz exterior, obtenidas de la manera descrita, en las señales de atenuación correspondientes. Así es posible conseguir con medios sencillos una regulación de las lámparas 23 y 27 que tiene en cuenta la luz exterior. En especial, se requieren extremadamente pocos medios materiales para este fin, ya que el tipo de construcción del cabezal 1 de medición es muy sencillo. El procedimiento descrito sólo permite una estimación de la composición de la luz exterior, pero la exactitud lograda es suficiente para gran parte de las aplicaciones.

Con el fin de aumentar la fiabilidad de esta estimación se emplea el segundo cabezal de medición que presenta en total cuatro sensores 16 y 19_{1} a 19_{3}.

Debido a la disposición de los tres sensores 19_{1} a 19_{3} horizontalmente orientados es posible utilizar para la clasificación del estado del cielo adicionalmente una comparación de los valores de medición obtenidos mediante estos tres sensores 19_{1} a 19_{3}. Una característica típica de un cielo cubierto es que la luz exterior está formada en lo esencial por la radiación difusa que se propaga por igual en todas las direcciones por lo que, en el caso de que mediante los tres sensores se mida en lo esencial la misma luminosidad, puede suponerse que el cielo está cubierto.

Además, es posible calcular para cada momento cuál de los tres sensores horizontalmente orientados está más dirigido hacia el sol y qué sensor se encuentra con seguridad en la sombra. Si el sensor en la sombra suministra un valor superior a los de los otros dos sensores, esto es una indicación segura de que el cielo está cubierto o muy nublado por lo menos en la zona del sol. Si al contrario la luminosidad registrada mediante el sensor dirigido hacia el sol es claramente superior al valor de medición del sensor situado en la sombra, puede suponerse con elevada probabilidad un cielo despejado y una radiación directa que incide en el cabezal de medición de la luz diurna. Además, es posible comparar el valor de medición del sensor 16 superior con los valores de los sensores horizontalmente orientados, a fin de determinar el grado de nubosidad del cielo o de la atenuación.

El dispositivo de medición de la luz exterior conforme a la invención permite detectar con mayor exactitud el estado del cielo. De forma análoga a la primera variante es posible determinar, cuando se conoce el estado del cielo o la densidad de las nubes o la atenuación, los componentes de la radiación solar directa y de la radiación difusa y, como consecuencia, es posible calcular la intensidad de la luz exterior y su dependencia de la dirección.

El procedimiento según la invención permite en total detectar con medios sencillos el estado del cielo y obtener las informaciones acerca de la luz exterior, requeridas para la regulación de la luminosidad. Esto puede conseguirse en especial con un cabezal de medición de la luz diurna con un tipo de construcción muy sencillo que puede fabricarse económicamente y que, debido a su tipo de construcción sencillo, también es claramente menos sensible a fallos.

Claims (5)

1. Dispositivo (11) de medición de la luz exterior, con varios sensores (16, 19_{1} - 19_{3}) de luminosidad para captar la luz exterior, caracterizado porque el dispositivo (11) de medición de la luz exterior presenta un primer sensor (16) de luminosidad, situado en una superficie dispuesta de forma horizontal, para determinar la luminosidad global total de la luz exterior, así como sólo otros tres sensores (19_{1} - 19_{3}) de luminosidad orientados horizontalmente y dispuestos en una configuración triangular para determinar la dependencia de la luz exterior en función de la dirección.

2. Dispositivo de medición de la luz exterior de acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el primer sensor (16) de luminosidad está dispuesto en el centro del triángulo formado por los tres sensores (19_{1} - 19_{3}) de luminosidad horizontalmente orientados.

3. Dispositivo de medición de la luz exterior de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque cada uno de los otros sensores (19_{1} - 19_{3}) de luminosidad presenta un diafragma (18_{1} - 18_{3}).

4. Dispositivo de medición de la luz exterior de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque los sensores (16, 19_{1} - 19_{3}) de luminosidad están dispuestos debajo de un recubrimiento (14) difuso.

5. Dispositivo de medición de la luz exterior de acuerdo con la reivindicación 4 caracterizado porque por lo menos una parte del recubrimiento (14) tiene una superficie semiesférica, estando dispuesto el primer sensor (16) de luminosidad en el centro de la semiesfera.