En este trabajo se presenta un estudio de la actividad investigadora que se ha realizado  hasta el momento en la estación de radiación solar e iluminación de alta calidad del  International Daylight Measurement Program  (IDMP) en Madrid ubicada en la E. T. S. de  Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (40º 25’ N, 3º 41’ W).  Esta estación ha centrado su investigación fundamental en dos temas: luminancias y  eficacias luminosas de la radiación solar (global, difusa y directa) para todo tipo de cielos,  todo ello desde un punto de vista físico, cuyos trabajos y resultados se exponen con detalle.  La finalidad de este estudio es poder aplicar los resultados obtenidos a la Edificación, tanto  en edificios ya existentes como de nueva construcción, para obtener un máximo confort  visual a partir de la iluminación natural, con el consiguiente ahorro energétic

García García, Alfonso

González Redondo, María Mercedes

Morón Fernández, Carlos

Soler Gómez, S.

Somolinos Sánchez, José Andrés

Tremps Guerra, Enrique

Spanish

Archivo Digital UPM

La estación de radiación solar e iluminación de alta calidad del IDMP en Madrid y su aplicación a la edificación

Servicio de Coordinación de Bibliotecas de la Universidad Politécnica de Madrid

LA ESTACIÓN DE RADIACIÓN SOLAR E ILUMINACIÓN  DE ALTA CALIDAD  
DEL IDMP EN MADRID Y SU APLICACIÓN A LA EDIFICACIÓN 
 
 
1González Redondo, M.*; 1Soler Gómez, S.; 2García García, A.; 2Tremps Guerra, E.; 
3Somolinos Sánchez, J.A.; 2Morón Fernández, C. 
 
1Dpto. de Física e Instalaciones Aplicadas a la Edificación. E.T.S. Arquitectura.  
2Dpto. de Tecnología de la Edificación. E.U. Arquitectura Técnica.  
3Dpto. de Sistemas Oceánicos y Navales. E.T.S. de Ingenieros Navales.  
Universidad Politécnica de Madrid 
email: mer.gonzalez@upm.es 
 
 
RESUMEN 
 
En este trabajo se presenta un estudio de la actividad investigadora que se ha realizado 
hasta el momento en la estación de radiación solar e iluminación de alta calidad del 
International Daylight Measurement Program (IDMP) en Madrid ubicada en la E. T. S. de 
Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (40º 25’ N, 3º 41’ W). 
Esta estación ha centrado su investigación fundamental en dos temas: luminancias y 
eficacias luminosas de la radiación solar (global, difusa y directa) para todo tipo de cielos, 
todo ello desde un punto de vista físico, cuyos trabajos y resultados se exponen con detalle. 
La finalidad de este estudio es poder aplicar los resultados obtenidos a la Edificación, tanto 
en edificios ya existentes como de nueva construcción, para obtener un máximo confort 
visual a partir de la iluminación natural, con el consiguiente ahorro energético. 
 
 
 
 
1. Introducción 
 
Desde 1991 en diferentes estaciones de todo el mundo se miden continuamente 
iluminancia global y difusa en superficies horizontales, iluminancia global en 
superficies verticales, iluminancia directa y luminancia cenital, todo ello dentro del 
proyecto del Internacional Daylight Measurement Program (IDMP) de la Comisión 
Internacional de la Iluminación con sede en Viena (Austria). 
Dicho proyecto dispone actualmente de 48 estaciones especializadas en todo el 
mundo en medidas de radiación solar e iluminación de alta calidad, lo que le hace 
ser una buena fuente de información climática para muchos campos de investigación 
distintos y, en concreto, para diseños en la edificación. Una de ellas es la estación 
española de Madrid, ubicada en la terraza de la Escuela Técnica Superior de 
Arquitectura de la Universidad Politécnica de Madrid (40º 25’ N, 3º 41’ W) que entró 
en este programa IDMP en el año 1993. Desde entonces en esta estación se han 
realizado medidas para determinar en los distintos tipos de cielo (despejados, 
cubiertos y parcialmente cubiertos): Luminancia cenital, Iluminancias global, difusa y 
directa en una superficie horizontal, Irradiancias global, difusa y directa en una 
superficie horizontal y en planos inclinados, Eficacia luminosa de radiación solar 
global, directa y difusa en superficies horizontales y Eficacia luminosa de radiación 
solar global en superficies verticales, únicamente desde un punto de vista físico. 
Tras unos años de inactividad de la estación IDMP en Madrid se ha vuelto a poner 
en funcionamiento con un doble objetivo: 
1º. Utilizar los datos existentes y las nuevas medidas que se realicen para su 
aplicación a la Edificación. 
2º. Realizar proyectos de investigación de análisis de Iluminación Natural en 
distintos edificios (existentes o de nueva construcción). 
Todo ello dentro del plan de eficiencia energética de las instalaciones de iluminación, 
ateniéndose al nuevo Código Técnico de la Edificación (Libro 10. Documento Básico 
de Ahorro de Energía -HE- Sección 3). 
Las medidas que se han realizado hasta el momento han sido de iluminancias 
globales y difusas, irradiancias globales y difusas, luminancias y luminancias 
cenitales, obteniéndose a partir de éstas muchos trabajos y resultados que se 
exponen a continuación. 
 
2. Eficacias luminosas de radiación solar 
 
La eficacia luminosa de la radiación (K) mide la parte de energía electromagnética 
que se usa para iluminar y se obtiene dividiendo el flujo luminoso L (iluminancia) por 
el flujo radiante E (irradiancia). 
 
 
E
LK =  (1) 
 
La parte experimental ha consistido en tomar medidas durante 5 segundos cada 15 
minutos diariamente de iluminancias global (Lg) y difusa (Ld) y de irradiancias global 
(Eg) y difusa (Ed) en superficies horizontales desde junio de 1994 hasta noviembre 
de 1995 en función de la altitud solar (α) considerando pequeños intervalos de 2,5o. 
Las iluminancias se han medido con fotómetros Licor 210 calibrados cada seis 
meses y las irradiancias con piranómetros Kipp-Zonnen CM6B calibrados por el 
Instituto Nacional de Meteorología después de un año de uso. 
Los datos obtenidos se han ido clasificando según el índice de claridad (ε’) en tres 
categorías de cielo, despejados, cubiertos o parcialmente cubiertos, de la siguiente 
forma: 
 Despejados: ε’ > 5 
Parcialmente cubiertos: 1,2 < ε’ < 5 
Cubiertos: ε’ < 1,2 
 
A partir de estas medidas se han obtenido modelos empíricos para calcular 
iluminancias e irradiancias globales y difusas en función de la altitud solar (α) para 
los distintos tipos de cielo. 
 
2.1. Eficacia luminosa global en superficies horizontales 
 
De las medidas de iluminancias e irradiancias globales para cielos despejados se 
han obtenido las expresiones siguientes [1] [2] [3]: 
 
  (2) )()(1007,150L 005,0301,13 luxeseng
αα −⋅=
 
  (3) )/()(24,1159 20019,0179,1 mWesenEg
αα −=
 
Utilizando (1) para la eficacia luminosa de la radiación solar global (Kg) 
 
 
g
g
g E
L
K =  (4) 
 
y las expresiones (2) y (3), se obtiene el modelo para calcular la eficacia luminosa de 
la radiación solar global en cielos despejados: 
 
  (5) )/()(46,129 0029,0122,0 WlmesenKg
αα −=
 
 
2.2. Eficacia luminosa difusa en superficies horizontales 
 
Los estudios de eficacia luminosa de radiación difusa son menos usuales que los de 
radiación global pero su cálculo es similar al anterior. Para cielos despejados se 
considera como única variable la altitud solar (α), y partiendo de las medidas 
experimentales se obtienen los modelos siguientes para determinar la iluminancia 
difusa (Ld) y la irradiancia difusa (Ed) en función de α [3] [4] [5]: 
 
  (6) )()(1048,16 578,03 luxsenLd α⋅=
 
  (7) )/()(57,102 2692,0 mWsenEd α=
 
Y utilizando (1) para la radiación difusa, 
 
 
d
d
d E
LK =  (8) 
 
Se obtiene el modelo para determinar la eficacia luminosa de la radiación solar 
difusa para cielos despejados: 
 
  (9) )/()(67,160 114,0 WlmsenKd
−= α
 
Para los otros tipos de cielo se introduce una segunda variable independiente, el 
índice de luminosidad (Δ), obteniendo para el mejor ajuste las expresiones 
siguientes [4]: 
 
  (10) )()(1009,117 733,0942,03 luxsenLd Δ⋅= α
 
  (11) )/()(79,1350 2999,0976,0 mWsenEd Δ= α
 
A partir de estas expresiones se obtiene el modelo para calcular la eficacia luminosa 
de la radiación solar difusa para todo tipo de cielos: 
 
 )/()(68,86 266,0034,0 Wlmsen
E
LK
d
d
d
−− Δ== α  (12) 
 
 
2.3. Eficacia luminosa directa en superficies horizontales 
 
A partir de las medidas de iluminancias e irradiancias globales y difusas se pueden 
obtener las iluminancias directas (Lb) y las irradiancias directas (Eb) con las 
diferencias entre ellas [6]. 
 dgb LLL −=  (13) 
 
 dgb EEE −=  (14) 
 
De las medidas de Lb y de Eb, con cielos despejados (ε’ > 5), para diferentes ángulos 
de elevación solar, α, se deducen los modelos para calcular estas magnitudes en 
función de α [7]: 
 
  (15) )()(1038,161 0086,0615,13 luxesenLb
αα −⋅=
 
  (16) )/()(87,1201 20041,0346,1 mWesenEb
αα −=
 
Las funciones correspondientes a las ecuaciones (15) y (16) se han representado en 
la Fig. 1  por una línea continua en función de la altitud solar, α, con valores medios 
calculados para intervalos de 2,5º [7]. 
 
 
 
 
Fig. 1. (a) Iluminancia directa y (b) Irradiancia directa para cielos despejados en función de 
la altitud solar 
 
 
 
Y, a partir de (15) y (16) se obtiene la expresión de la eficacia luminosa directa para 
cielos despejados: 
 
  (17) )/()(27,134 0045,0269,0 WlmesenKb
αα −=
 
Con todos los datos medios y la ecuación (17) se elabora la gráfica (Fig. 2) que 
representa la eficacia luminosa de la radiación directa con cielos despejados en 
función de la altitud solar considerando intervalos de 2,5º [7]. 
 
  
 
Fig. 2. Eficacia luminosa directa con cielos despejados en función de  la altitud solar.  
 
 
Para otro tipo de cielos [8] la iluminancia y la irradiancia se pueden obtener 
multiplicando las expresiones anteriores por un factor de atenuación ϕ(Δ). 
 
  (18) 
2266,12101,1)( Δ−=Δ eLϕ
 
  (19) 
2053,11087,1)( Δ−=Δ eEϕ
 
Los valores obtenidos por las ecuaciones (18) y (19) se han representado en función 
de Δ, respectivamente, en la Fig. 3 [8]. 
 
Una ecuación similar se obtiene para ϕK(Δ): 
 
  (20) 
2213,1013,1)( Δ−=Δ eKϕ
 
Por tanto: 
 
  (21) )/()(02,136
2213,10045,0268,0 WlmesenKb
Δ−−= αα
 
 
 
 
Fig. 3. (a) Iluminancia directa relativa φL y (b) Irradiancia directa relativa φE 
en función el índice de luminosidad, Δ. 
 
 
3. Luminancias  
 
Durante un año, desde julio de 1997 hasta junio de 1998 se realizaron medidas de 
luminancias (Lzθ) y luminancia cenital (Lz) en Kcd/m2, diariamente cada 15 minutos 
con una duración de 5 segundos [9], utilizando 35 sensores fotométricos Licor 210 
con sus correspondientes tubos colimadores negros (Fig. 4) diseñados para un 
ángulo visual de 10,5º.  
Uno de los sensores fotométricos se colocó en la parte superior para medir las 
luminancias cenitales y los otros 34 se colocaron en diferentes, de los 145 
existentes, agujeros del domo semiesférico de metacrilato transparente colocado 
sobre una mesa de hierro (Fig. 5) y orientados hacia distintas posiciones (P) de la 
esfera celeste, que vienen determinadas por los valores de sus ángulos cenital, Z, y 
acimutal, θ.  
 
 
 
 
Fig. 4. Tubo colimador que se enrosca en la base alrededor del sensor fotométrico 
 
 
 
 
 
 
Fig. 5. Domo semiesférico para colocar los fotómetros 
 
 
El domo celeste se esquematiza en la Fig.6, donde: α es la altitud de P, αs es la 
altitud del sol, Zs es el ángulo solar cenital y θs es el ángulo solar acimutal. Se puede 
observar que sólo es necesario utilizar la mitad del domo, para 0º < θ < 180º. 
 
 
 
 
Fig. 6. 
 
Los datos registrados de luminancias cenitales se clasificaron en tres grupos 
distintos, para cielos despejados, cubiertos y parcialmente cubiertos. A partir de 
éstos se han elaborado las curvas de nivel de igual luminancia cenital media 
meses/horas, con las que se obtienen fácilmente los valores aproximados de 
luminancia cenital media para diferentes condiciones de cielo en distintas horas y 
meses del año [10], y las gráficas que muestran la dependencia de la Lz con la 
elevación solar (α) en cielos despejados [11] [12] y cubiertos [13]. También se ha 
realizado el análisis comparativo de los datos de Lz para todo tipo de cielos [14] y las 
relaciones entre ellos [15], llegando a la conclusión de que conocida la luminancia 
cenital media en dos tipos de cielo basta con una relación lineal simple para 
obtenerla en el tercer tipo de cielo. 
 
A partir de los datos de la luminancia cenital para todo tipo de cielos se han 
elaborado las gráficas para las distintas estaciones del año que se exponen a 
continuación (Fig. 7-10) [14]: 
 
 
 
Fig. 7. Valores de Lz y el mejor ajuste polinómico de quinto grado  
en función de α para Marzo, Abril y Mayo (Primavera) 
  
 
Fig. 8. Valores de Lz y el mejor ajuste polinómico de quinto grado  
en función de α para Junio, Julio y Agosto (verano). 
 
 
 
 
Fig. 9. Valores de Lz y el mejor ajuste polinómico de quinto grado  
en función de α para Septiembre, Octubre y Noviembre (Otoño). 
 
 
 
 
Fig. 10. Valores de Lz y el mejor ajuste polinómico de quinto grado  
en función de α para Diciembre, Enero y Febrero (Invierno) 
 
 
Y considerando todas éstas se elabora la gráfica de luminancias cenitales 
correspondiente a todo el año (Fig. 11) [14]. 
 
 
 
 
Fig. 11. Valores de Lz y el mejor ajuste polinómico de quinto grado  
en función de α para todo el año. 
 
 
A partir de las demás medidas de luminancias se ha propuesto un modelo para la 
distribución de luminancia media con respecto a la luminancia cenital, 
z
Z
L
L θ  , teniendo 
en cuenta los ángulos cenital y acimutal. 
 
 
)(exp1
)cos/(exp1
60 ba
Zba
L
L
Z
z
+
+=θ  (22) 
 
Siendo a = 0,59072 + 0,93895 θ  y  b = 0,57086 + 0,35528 θ  (θ en radianes). 
 
 
4. Conclusión 
 
Se ha realizado un estudio muy completo sobre iluminación en Madrid durante el 
tiempo que estuvo funcionando la estación española de la IDMP. De ello se han 
obtenido varios modelos matemáticos para calcular iluminancias, irradiancias y 
eficiencias luminosas. Gracias a ello actualmente se dispone de mucha información 
sobre iluminación en Madrid que se puede utilizar para evaluar los sistemas de 
iluminación, estimar los niveles de iluminancia en recintos con finalidades de diseño 
y, además, compararla con el software existente. 
 
 
5. Referencias 
[1] L. Robledo y A. Soler, Luminous efficacy of global solar radiation for clear skies. Energy 
Conversion & Management. 41 (2000), 1769–1779.  
[2]  A. Soler and L. Robledo, Global luminous efficacy on vertical surfaces for all sky types. 
Renew. Energy 19 (2000), 61–64.  
[3] A. Soler, The dependence on solar elevation of the correlation between monthly average 
hourly diffuse and global radiation. Solar Energy 41 (1988), 335–340.  
[4]  L. Robledo y A. Soler, On the luminous efficacy of diffuse solar radiation. Energy 
Conversion & Management. 42 (2001), 1181–1190.  
[5] 38. A. Soler, Dependence on solar elevation and the daily sunshine fraction of the 
correlation between monthly average hourly diffuse and global radiation. Solar Energy 48 
(1992), 221–225.  
[6] L. Robledo and A. Soler, Estimation of direct illuminance on a horizontal surface for clear 
and intermediate skies. Renew. Energy 19 (2000), 55–60.  
[7] L. Robledo y A. Soler, Luminous efficacy of direct solar radiation for clear skies. Energy 
25 (2000), 689–701.  
8] L. Robledo y A. Soler, Luminous efficacy of direct solar radiation for all sky types. Energy 
26 (2001), 669–677.  
[9] A. Soler y L. Robledo. Investigation of the overcast skies luminance distribution using 35 
sensors fixed on a dome. Energy Conversion & Management. 46 (2005), 2739-2747. 
[10] Soler A, Gopinathan KK, Robledo L, Ruiz E. Month–hour distributions of zenith 
luminance and diffuse illuminanace in Madrid. Energy Conversion & Management 45 (2004) 
1141-1152. 
[11] A. Soler y K.K. Gopinathan. A study of zenith luminance on Madrid cloudless skies. Sol. 
Energy 69 (2000), 403–411. 
[12] A. Soler and K.K. Gopinathan, Modeling zenith luminance on Madrid cloudless skies 
from illuminance on a horizontal surface. Energy Conversion Management. 43 (2002), 2145–
2155.  
[13] A. Soler, K.K. Gopinathan and S. Claros, A study of zenith luminance on Madrid 
overcast skies. Renew. Energ. 23 (2001), 49–55.  
[14] A. Soler y K.K. Gopinathan. Analysis of zenith luminance data for all sky conditions. 
Renew. Energ. 24 (2001), 185–196. 
[15] A. Soler y K.K. Gopinathan. Relation between luminances for cloudless, partly cloudy 
and overcast skies at Madrid. Energy Conversion Management. 45 (2004), 2583-2590. 


http://oa.upm.es/9499/1/INVE_MEM_2010_88098.pdf

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