Fondamenti di illuminotecnica Artificiale e naturale

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1 Fondamenti di illuminotecnica Artificiale e naturale Simone Secchi Dipartimento di Tecnologie dell'architettura e Design "Pierluigi Spadolini", Università degli Studi di Firenze

2 La natura della luce La luce è energia che si propaga in forma di onde elettromagnetiche alla velocità di circa km/s, nel vuoto, caratterizzata da lunghezza d onda comprese tra circa 0,38 μm e078μm 0,78 μm, campo di sensibilità dell occhio umano. 0,38 μm 0,78 μm

3 Le principali grandezze che caratterizzano le onde Ampiezza Periodo T (s) Tempo (s) frequenza f = 1/T (Hz) lunghezza d onda λ = c/f (m) velocità delle onde elettromagnetiche nel vuoto c = 2,998 x 10 8 (m/s)

4 Le leggi fisiche per il corpo nero La potenza emessa da un corpo nero è fornita dalla legge di distribuzione di Planck, in funzione della temperatura e della lunghezza d onda La legge dello spostamento di Wien fornisce la lunghezza d onda di massima emissione del corpo nero ( λt) = 2897,8 ( μm K) max potenza La legge di Stefan fornisce il potere emissivo integrale del corpo nero e = σ 2 ( W / ) 4 0T m

5 L emissione del sole

6 Le grandezze illuminotecniche Ω Flusso luminoso (φ) [lumen, lm] Quantità di energia luminosa emessa nell unità di tempo da una sorgente. Intensità luminosa (I) [candela, cd = lm / sr] Flusso luminoso emesso all interno dell angolo solido unitario (steradiante) in una direzione data. I dφ ds dφ = d Ω Illuminamento (E) [lux, lx = lm / m²] Rapporto tra flusso luminoso ricevuto da una superficie e area dφ E = dll della superficie fii stessa ds Luminanza (L) [candela / m², cd / m²] Rapporto tra intensità i àluminosa emessa da una superficie i in una data direzione e l area apparente di tale superficie. di L = ds α

7 Le relazioni tra le grandezze illuminotecniche Incidenza normale (θ = 0 ) Ω n r θ ds dφ I dθ I 2 E = = = r = ds ds ds I r 2 Incidenza obliqua (θ 0 ) (legge del coseno) ds E = I cos 2 r ( θ)

8 La visione I coni sono responsabili della visone diurna e dei dei colori, i bastoncelli sono responsabili della visione notturna Il fattore di visibilità Il fattore di visibilità per visione fotopica (diurna) (v) per visione scotopica (notturna) (v )

9 La riflessione, l assorbimento e la trasmissione Principio del bilancio energetico E a E i E E E E t r a i + + = Principio del bilancio energetico a E E E E E E E E t r a i t r a i + + = t r a 1 E E E E i i i i + + = E t E r a = coefficiente di assorbimento; r = coefficiente di riflessione; t = coefficiente di trasmissione

10 La riflessione luminosa ed il colore degli oggetti Riflessione irregolare Diffusore lambertiano I α = I m cos α Riflessione diffusa Riflessione speculare

11 Coefficiente di trasmissione del vetro L effetto serra

12 Valori raccomandati secondo la norma UNI Illuminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale

13 Valori raccomandati secondo la norma UNI 10380:1994/A1 Illuminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale

14 Valori raccomandati per le scuole secondo la norma UNI locali scolastici - criteri generali per l illuminazione artificiale e naturale

15 L illuminazione artificiale degli interni

16 Tipologie di sorgenti luminose artificiali a incandescenza a scarica in gas a induzione

17 Le lampade ad incandescenza Temperatura di funzionamento da 2700 a 2900 K. Quantità di luce emessa dal filamento della lampada proporzionale alla temperatura di funzionamento. Sorgente di luce a bassa efficienza: solo una piccola parte della potenza elettrica assorbita viene trasformata in luce. Elevati invecchiamento e riduzione i del flusso luminoso. Diversi formati, distinti per potenza e caratteristiche fotometriche, oltre che per le diverse esigenze d impiego. Si distinguono i seguenti tipi principali: p con bulbo trasparente; con bulbo diffondente; con riflettore incorporato. Spettro di emissione di un corpo nero in funzione della temperatura (K)

18 Lampade ad incandescenza con alogeni Dal 1972 lampade ad alogeni a bassissima tensione. Permettono la miniaturizzazione i i i delle sorgenti luminose. Evitano la perdita di efficienza causata dall evaporazione del tungsteno. L alogeno aggiunto al gas si unisce al tungsteno evaporato e torna a depositarlo sul filamento. Hanno migliori caratteristiche prestazionali rispetto alle lampade ad incandescenza: Durata da 1000 a 3000 ore; Efficienza sino a 25 lm/w; Temperatura di colore più elevata, da 2900 a 3100 K; Dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso.

19 Lampade ad incandescenza con alogeni Il riflettore delle lampade alogene può essere in quarzo trattato con l applicazione li i di strati ti di ossidi riflettenti ti alle radiazioni i i visibili, ma non a quelle infrarosse. La lampada, essendo dotata di riflettore, dovrà essere scelta in funzione dell ampiezza del fascio luminoso e l apparecchio di illuminazione nel quale andrà collocata ha la sola funzione di proteggerla e collegarla alla rete di alimentazione. Il riflettore può essere in alluminio oppure in vetro con trattamento della superficie riflettente (dicroico, dal greco: due colori ). Nel caso del vetro si tratta di una parabola in quarzo opportunamente trattata con l applicazione in alto vuoto di strati di ossidi selettivi a determinate lunghezze d onda: gli ossidi sono riflettenti alle radiazioni visibili, ma si lasciano attraversare dalla maggior parte della radiazione infrarossa. La luce emessa dalle lampade ad alogeni con riflettore dicroico è dunque una luce più fredda, sia dal punto di vista termico che cromatico, priva del 66% della radiazione i infrarossa emessa da una lampada ad alogeni con riflettore in alluminio i di pari potenza.

20 Le lampade a scarica Radiazione luminosa provocata dagli urti reciproci di particelle, cariche elettricamente, ltti t di un gas o di un vapore. Durata assai maggiore delle lampade ad incandescenza. Esistono i seguenti tipi di lampade a scarica: a) lampade fluorescenti; b) lampade a vapori di mercurio; c) lampade a vapori di alogenuri; d) lampade a luce miscelata; e) lampade a vapori di sodio; f) lampade allo xeno; g) sistemi ad induzione.

21 Lampade fluorescenti Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione con tubo di vetro rivestito con polveri fluorescenti. Trasformazione della radiazione ultravioletta in radiazioni visibili. Caratterizzate da bassa luminanza (evitano l abbagliamento) abbagliamento). Flusso luminoso dipendente dalla temperatura-ambiente. Situazione ottimale tra 20 e 25 C. Durata molto elevata: circa 7500 ore per uso medio. Colore della luce molto variato a seconda delle sostanze fluorescenti usate.

22 Lampade a vapori di mercurio ad alta pressione Radiazione contenuta per la maggior parte nel campo del visibile. Scarica in un piccolo tubo di quarzo protetto da un bulbo di vetro. Rivestimento in polvere fluorescente trasforma lo spettro a righe (radiazione i ultravioletta). l tt Pieno flusso luminoso raggiunto dopo alcuni minuti di accensione. Necessario periodo di raffreddamento di diversi minuti prima della riaccensione. Vasta gamma di potenze: da 50 a 2000 W; Flusso luminoso da 2000 a lm. Due grandi campi principali di applicazione: illuminazione industriale; Illuminazione stradale Spettro tipico di una lampada al mercurio a bassa pressione

23 Lampade a vapori di sodio a bassa pressione Luce gialla e monocromatica. Efficienza i luminosa molto elevata (per funzionamento ad una determinata temperatura). Tempo iniziale d accensione di alcuni minuti. Impiego consigliabile dove occorre un alto grado di visibilità purché non sia necessaria la distinzione dei colori: -illuminazione stradale; -Illuminazione di interni ed esterni industriali. Spettro tipico di una lampada al sodio a bassa pressione

24 Lampade a luce miscelata Sono basate sulla tecnologia delle lampade a vapori di mercurio, a cui viene aggiunto un filamento ad incandescenza in serie al tubo di scarica. Presentano una luce con una componente a spettro continuo tipica del filamento ad incandescenza. Vantaggio nella facilità d uso: non è necessario alcun tipo di ausiliario elettrico (sostituito dal filamento interno alla lampada), per cui risulta possibile connettere la lampada su un comune attacco Edison. Efficienza e durata di vita fortemente condizionate dalla presenza del filamento che inoltre le rende abbastanza sensibili alle variazioni della tensione. Conveniente l applicazione in contesti dove la facilità d uso è più importante degli aspetti economici. Forte quantità di luce e temperatura di colore più elevata rispetto alle lampade a filamento hanno creato una notevole diffusione di queste lampade per l illuminazione residenziale e (giardini, garage, age, ecc.).

25 Lampade allo xeno Caratterizzate da una distribuzioneib i dell energia nello spettro praticamente identicai a quella della luce diurna e non influenzata dalle oscillazioni della tensione di rete. Resa dei colori eccellente e corrispondente a quella della luce naturale. Si accendono istantaneamente eraggiungono g immediatamente la piena emissione luminosa. Richiedono, per il loro funzionamento, un alimentatore e un accenditore.

26 Sistemi ad induzione Associano i principi della scarica in gas e dell induzione elettromagnetica. La ionizzazionei i degli atomi di mercurio è realizzata grazie ad un campo elettromagnetico indotto da una corrente elettrica ad alta frequenza che circola in un apposita bobina. Costituite dai seguenti componenti: - bulbo entro cui avviene la scarica in gas; - bobina-antenna; - generatore elettronico; - cavo coassiale di collegamento all antenna antenna. Grazie all assenza di filamenti ed elettrodi, sono caratterizzate da una durata eccezionale (circa ore di funzionamento pressoché prive di manutenzione). Particolarmente adatte per i luoghi in cui è difficile accedere agli apparecchi di illuminazionei i e dove lasostituzione i delle lampadine costituisce i un operazione costosa e pericolosa.

27 LED (Light Emitting Diode) Sfruttano le proprietà ottiche di materiali semiconduttori (in genere silicio) che, una volta eccitati da un tensione diretta, emettono una luce visibile in un determinato colore. Nei materiali semiconduttori vengono inserite delle impurità che ne incrementano le capacità di conduzione. Quando la corrente viene applicata al reticolo cristallino semiconduttore del diodo, gli elettroni (con carica negativa) e le lacune (con carica positiva) si combinano e convertono in luce il loro eccesso di energia. Dal tipo di semiconduttori e dal processo di drogaggio dipendono la lunghezza d'onda emessa, l'efficienza energetica dell'apparecchio e l'intensità luminosa. Funzionamento a basso voltaggio. Rendimento energetico molto elevato (40-70 lm/w). Lunga durata (durata media attorno alle ore). Dimensioni ridotte. Assenza di produzione di calore. Accensione istantanea. Dimmerabili.

28 Principali caratteristiche delle sorgenti luminose da interni Tipo di lampade Efficienza energetica (lm/w) Potenza lampada (W) Durata vita (ore) Ad incandescenza Ad alogeni Fluorescenti compatte elletroniche Fluorescenti tubolari LED (Light Emitting Diode) (il singolo LED)

29 Le caratteristiche direzionali delle lampade Cd/1000 lm Solido fotometrico Proiezione di un solido fotometrico

30 Coefficiente di utilizzazione Progetto di illuminazione di interni η = Φ u Φ t Flusso totale richiesto Φ t = E S η Il coefficiente di utilizzazione dipende da: Sistema di illuminazione; Rendimento ν dell apparecchio; Coefficienti di riflessione di soffitto e muri; Forma del locale 0,8a + 0,2b b>a K = h=altezza utile h Numero di sorgenti necessarie Φ η = Φ t L

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35 Lampade ad incandescenza Dtit Dati tecnici ii

36 Lampade fluorescenti lineari e circolari Dtit Dati tecnici ii

37 Progetto di illuminazione di esterni Illuminamento richiesto nel singolo punto I E = α cosα 2 r (Prima legge del coseno) r = distanza tra sorgente e punto; α = angolo formato tra la direzione del raggio e la normale al piano illuminato I E = cos 2 h α 3 α h sorgente r α

38 L illuminazione naturale degli interni

39 I motivi per l illuminazione naturale EFFETTI DELLA CARENZA DI LUCE NATURALE PSICOLOGICI FISIOLOGICI PSICO- FISIOLOGICI Stress Tendenza alla miopia Alterazione ritmo cardiaco Depressione SAD Irritabilità Alterazione Affaticamento oculare Cefalea Abbattimento percezione visiva Esaltazione dei difetti dell occhio Alterazione orologio biologico Alterazione metabolismo Alterazione pressione dell equilibrio neurovegetativo arteriosa EFFETTI DI UNA BUONA LUCE NATURALE BATTERICIDI Distruzione dei germi e batteri prodotti negli ambienti per aerodiffusione FISIOLOGICI Stimolazione della produzione di vitamina D Effetti antirachitici Attivazione del ricambio calcio-fosforo Effetto sulle attività ità endocrine Effetto sul metabolismo del glucosio Aumento delle difese immunitarie PSICO- FISIOLOGICI Mantiene il corretto equilibrio dell orologio biologico e l alternanza della veglia-riposo i Aumento della produttività lavorativa

40 Il quadro normativo relativo all illuminazione naturale degli ambienti Circ. Min. LL. PP del 22 maggio 1967 (Criteri di valutazione delle grandezze atte a rappresentare le proprietà termiche, idrometriche, di ventilazione e di illuminazione nelle costruzioni edilizie) Circ. Min. LL. PP del 22 novembre 1974 (requisiti fisico tecnici per le costruzioni edilizie ospedaliere: proprietà termiche, igrometriche, di ventilazione e di illuminazione) D.M. 5 luglio 1975 (modificazioni alle istruzioni ministeriali 20 giugno 1896 relativamente all'altezza minima ed ai requisiti igienico sanitari principali dei locali di abitazione) i ) D.M. 18 dicembre 1975 (Norme tecniche aggiornate relative all edilizia scolastica, ivi compresi gli indici minimi di funzionalità didattica, edilizia e urbanistica da osservarsi nella esecuzione di opere di edilizia scolastica) UNI (Luce e illuminazione - locali scolastici: criteri generali per l illuminazione artificiale e naturale)

41 Il fattore di luce diurna Rapporto fra il livello di illuminamento in un punto posto su un piano orizzontale all interno del locale (E int ) e il livello di illuminamento in un punto posto su di un piano orizzontale sotto l intero emisfero celeste in assenza di ostruzioni e di irraggiamento solare diretto (E 0 ) con misure fatte nello stesso momento E FLD = int 100 E 0 (%) E 0 E int

42 Metodo di calcolo del fattore puntuale di luce diurna Il calcolo del Fattore puntuale di Luce Diurna prevede la stima separata delle tre componenti: - Componente Cielo (C.C.) - Componente Riflessa Internamente (C.R.I.) - Componente Riflessa Esternamente t Le tre componenti possono essere stimate, t oltre che con software specifici, i con differenti metodi grafici, analitici o tabulari. In ogni caso è necessario porre delle ipotesi sul modello adottato per descrivere la distribuzione ib i della luminanza del cielo.

43 Modelli di luminanza del cielo Il modello adottato per descrivere la luminanza del cielo è importante perché determina la distribuzione dell'illuminazione naturale negli interni e gli effetti legati alla direzionalità della luce. Con il cielo coperto lo zenit è più luminoso dell'orizzonte. Ciò produce soltamente forti gradienti di illuminamento tra la zona più prossima alla finestra e quella sul fondo della stanza. Con il cielo sereno la distribuzione della radianza è funzione dell'angolo di altitudine del sole. Ciò può produrre un gradiente di illuminazione minore o maggiore di quello che si ha con cielo coperto. In regioni dove prevalgono condizioni meteorologiche di cielo coperto è indicato In regioni dove prevalgono condizioni meteorologiche di cielo coperto, è indicato l uso dei lucernari che producono una forte luce zenitale.

44 Modelli di cielo coperto I più diffusi modelli per descrivere la luminanza del cielo coperto sono: - cielo a luminanza uniforme - cielo a luminanza standard CIE Il cielo a luminanza standard d CIE ipotizza che la luminanza allo zenit sia tre volte superiore quella all orizzonte. Tale situazione corrisponde a quella di un atmosfera limpida con cielo completamente coperto da nuvole chiare. L p = L z 1+ 2cos 3 ( zs) Lp = luminanza nel punto p; Lz = luminanza allo zenit; Z l it l h i di id l i i Zs = angolo zenitale che individua la posizione del sole.

45 Confronto tra ipotesi di cielo uniforme e di cielo CIE

46 Rilievi sperimentali di luminanza di cielo sereno

47 Metodo di calcolo del fattore medio di luce diurna FLD m = A A f tot t ε ψ 1 r ( ) m A f è l area della superficie della finestra, escluso il telaio; t è il fattore di trasmissione luminosa del vetro; ε è il fattore finestra, rappresentativo ti della posizione i di volta celeste vista dal baricentro della finestra (ε = 1 per finestra orizzontale lucernario - senza ostruzioni; ε = 0,5 per finestra verticale senza ostruzione; ε < 0,5 per finestra verticale con ostruzione) A to t è l area totale t delle superfici i che delimitano it l ambiente; r m è il fattore medio di riflessione luminosa delle superfici che delimitano l ambiente; ψ è il fattore di riduzione del fattore finestra.

48 Calcolo della superficie vetrata Af (Quando non sia nota la superficie precisa dell area vetrata dell infisso) Af = 0,75 Ai Ai = area totale dell infisso t = 0,9 τ Calcolo del coefficiente di trasmissione luminosa del vetro t (Quando non sia noto il livello di pulizia dell infisso)

49 Le caratteristiche dei materiali Coefficiente di riflessione luminosa di alcune finiture Coefficiente i di trasmissione i luminosa di alcuni vetri Correzione per condizioni di pulizia del vetro

50 Calcolo del fattore finestra ε

51 Calcolo del fattore finestra ε Ostruzioni che occupano la parte bassa del panorama ε = 1 senα 2 α = angolo piano di altitudine che sottende la parte ostruita di cielo α L a H H-h h Ostruzioni che occupano la parte alta del panorama ε sen α 2 α = 2 = angolo piano che sottende la parte visibile ibil di cielo 2 L α 2 H Ostruzioni che occupano sia la parte alta che quella bassa del panorama ε = senαα 2 senαα 2

52 Calcolo del fattore riduttivo ψ

53 Valori limite del fattore di luce diurna secondo la legislazione vigente Ambienti residenziali (D.M. 5/7/75) Locali di abitazione: 2% (inoltre la superficie finestrata apribile non deve essere inferiore i a 1/8 della superficie i del pavimento) ) Ambienti ospedalieri (Circ /11/74) Ambienti di degenza, diagnostica, laboratori: 3% Palestre, refettori: 2% Uffici, spazi per la distribuzione, scale: 1% Ambienti scolastici (D.M. 18/12/75) Ambienti ad uso didattico (aule per lezione, studio, lettura, disegno ecc.): 3% Palestre, refettori: 2% Uffici, spazi per la distribuzione, scale, servizi igienici: 1%