1Principi fisici basici 2.1 Radiazione elettromagnetica · lunghezza d'onda o frequenza dentro un...

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1Introduzione

1.1. Luce in architetturaNell'architettura contemporanea l'uso eccessivo è dato dei sistemi artificiali, e l'architettura è vista come una geometria di vetro, con le pareti divisorie paradossali, che invece di comunicare con l'esterno, generano barriere poco pratiche. Un ambiente interno, che è teoricamente controllato, può diventare meno confortevole di quello esterno,in modo che il lavoro dell'architettura diventa 'peggiorato dal clima '. Fornire all'edificio di luce naturale è più di una soluzione al problema sul consumo energetico; più che una risorsa estetica compresa nell'architettura. La luce naturale nell'architettura deve far parte di una filosofia che genera un atteggiamento più rispettoso e più sensibile agli esseri umani e verso l'ambiente in cui vivono.

1Principi fisici basici

2.1 Radiazione elettromagneticaLa radiazione elettromagnetica è una forma di trasferimento di energia per mezzo di variazioni periodiche nel campo elettromagnetico e può anche essere interpretata come il movimento delle particelle (fotoni).

Le diverse forme di radiazione elettromagnetica sono classificate secondo la loro lunghezza d'onda o frequenza dentro un numero di zone che chiamiamo: spettro radiante, secondo il loro effetto (Figura 4.1). In questo spettro, la luce visibile occupa una banda estremamente stretta.

È importante considerare che la lunghezza d'onda (l) e la frequenza (f) della propagazione di un movimento vibratorio sono collegate con la velocità della propagazione (c): l = c/f.

La radiazione elettromagnetica è causata dalle variazioni della struttura atomica dei corpi, quando la posizione orbitale degli elettroni è alterata. Al rinvio alla loro posizione originale inducono i fotoni ad essere emessi, l'energia eccedente quindi viene eliminata in forma di radiazione.

Ci sono due tipi principali di fonti radianti: di scarico e di fonti termiche, anche se per gli scopi di luce naturale basterà considerare l’ultima.

Figura 4.1 Spettro radiante

Capitolo 4 Energia, comfort ed edifici

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Le fonti termiche emettono la radiazione come conseguenza dell'agitazione termica della materia e visualizzano uno spettro tipicamente continuo nel campo delle lunghezze d'onda che coprono.

Alla temperatura ambiente le fonti emettono la radiazione infrarossa, ma mentre temperatura di emissione aumenta, non solo la quantità di energia emessa aumenta ma muove anche la massima lunghezza d’onda di picco dell’emissione sempre più verso la lunghezza d’onda più corta. In questo modo, come gli aumenti di temperatura di radiazione entrano ulteriormente nella fascia visibile dello spettro, fino ad una temperatura intorno ai 6500 K, la massima localizzata in questa zona. Non è una coincidenza che questa temperatura è approssimativamente quella della superficie del sole; il campo d'attività di vista umano è adattato ai più alti valori di radiazione nel nostro ambiente planetario.

2.2 Unità ed equazioni fondamentali di luce come energia Nell'illuminazione, ci sono quattro unità principali usate per descrivere la luce ed i relativi effetti:

Il flusso luminoso

Misura la quantità di luce per l'unità di tempo ed è abbreviato come Φ. L'unità di misura è il lumen (lm)

L'intensità luminosa

Misura il fluso in una direzione data ed è abbreviata come I. La relativa unità della misura è la candela (Cd = Im str-1) (streptococco: l'unità dell'angolo solido dove la superficie su stende su una sfera è uguale al quadrato del raggio)

Luminosità

Indica la leggerezza di una superficie d'emissione per un osservatore ed è abbreviato come L. La relativa unità è la candela per il metro quadro (Cd m2)

Luminanza

Misura il flusso che raggiunge una superficie data ed è abbreviato come E. La relativa unità della misura è il lux (lx).

Figura 4.2. Le quattro unità


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In tutto il fenomeno chiaro può essere osservato che la luce che proviene da una fonte d'emissione si espande attraverso lo spazio e si porta fra la fonte d'illuminamento che produce sulla superficie una diminuzioni uguale al quadrato della distanza. Allo stesso modo, se la superficie non è ortogonale al fascio di avvenimento, l'illuminamento diminuisce dal coseno dell'angolo di deviazione:

E= l /d 2cos

Nel caso di radiazione solare diretta, dato la grande distanza della fonte d'emissione, la variazione a causa della distanza è trascurabile sulla superficie della terra ed i fasci sono considerati paralleli, lo quale significa: E = I cos a

2.3. Lo spettro visibileLa luce non solo trasporta energia ma anche il colore, come conseguenza della distribuzione d'energia al di sopra delle diverse lunghezze d'onda dello spettro visibile; un colore specifico corrisponde ad ogni lunghezza d'onda, come nei colori dell'arcobaleno. La luce solare riguarda tutte le zone dello spettro ed a volte riferisce alla 'luce bianca '.

Nel campo della tecnologia d'illuminazione le unità specifiche sono usate per indicare le caratteristiche cromatiche di luce, quindi:

La temperatura di colore

(Tc) esprime il colore di una fonte luminosa paragonandola a quella della luce

emessa da un ente nero ad una relativa temperatura assoluta (Kelvin: K). L'ente nero cambia lo spettro secondo la temperatura, a circa 3000 K la luce è rossastra (lampade incandescenti) ed alle più alte temperature è bluastra. Il Tc è la

temperatura a cui un corpo nero deve essere riscaldato per la luce che emette ed


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essere di un colore paragonabile alla luce misurata. Alla luce naturale le relative temperature di colore sono nel ordine di 6000-6500 K, la temperatura della corona del sole).

L'indice di rappresentazione di colore

Esprime la capacita riproduttiva di luce sul colore degli oggetti illuminati è abbreviato come R ed espresso in percentuale. Per avere una buona riproduzione cromatica, la luce deve avere l'energia su tutte le lunghezze d'onda, come è il caso della luce solare (nella pratica la relativa R è 100%).

2.4Luce e spazi limitiRiflessione – Trasmissione - Assorbimento

La luce si propaga attraverso spazio; quando incontra un materiale d'ostacolo è riflesso parzialmente ed è assorbito dalla superficie, in alcuni casi la luce può anche essere trasmessa attraverso l'ostacolo. I coefficienti della riflessione (r), dell'assorbimento (a) e della trasmissione (t) danno i rapporti rispettivi con la luce di avvenimento in cui è riflessa, assorbita e trasmessa da una superficie data . La somma dei tre coefficienti sarà sempre l'unità: r + a + t = 1.

Siccome l'energia può essere riflessa qualitativamente in un senso diverso secondo il tipo di superficie, considereremo i possibili tipi, sia dai punti di vista spettrali che geometrici.

aDal punto di vista spettrale, le superfici possono visualizzare il diverso comportamento per le diversi lunghezze d'onda all'interno della zona visibile e la luce bianca può prendere i vari colori sul oggetto riflesso o trasmesso dalle superfici o dai materiali colorati.

La riflessione o la trasmissione (r, o la t specifica) determina il comportamento della superficie data per luce della lunghezza d'onda data (con il relativo colore correlato). Il valore medio della r, o t, valutato per una radiazione data (in questo caso la luce solare) ci darà il valore del coefficiente di riflessione della superficie. La radiazione riflessa o trasmessa da una superficie riproduce lo spettro della radiazione incidente, modificato dai valori delle varie riflessioni o dalle trasmittanze specifiche (rl o tl).

Figura 4.3. Trasmissione spettrale attraverso un vetro opaco

B Dal punto di vista geometrico, il rivestimento e la struttura interna dei corpi possono influenzare alla geometria della trasmissione o della riflessione. Se le superficie irregolari


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sono di un ordine di grandezza simile alla lunghezza d'onda della luce, la luce sarà diffusa. Se queste irregolarità sono più piccole, il riflesso speculare o la trasmissione normale cadrà. In pratica, possono essere distinti tre tipi di base di comportamenti geometrici.

Dato che la lunghezza d'onda della radiazione chiara è molto piccola, la maggior parte delle superfici con cui lavoriamo nell'architettura sono riflessione diffusa e danno principalmente una flessione diffusa. Soltanto superfici altamente lucidate e quelle con una struttura molecolare interna ordinata (cristalli) danno una vera riflessione e trasmissione regolare.

Nel caso della riflessione o della trasmissione diffusa pura, la distribuzione risultante della luce è tale che la luminosità L della superficie, osservata da qualunque direzione, è costante ed ha il valore:

L=Er / o L=Et /

Nell'architettura questo comportamento tende a distribuire più uniformemente la luce naturale intorno agli spazi interni. Le superfici con il riflesso normale (o speculare) possono essere utili per riflettere la luce, particolarmente la radiazione diretta del sole, nelle direzioni particolari ritenute opportune. Ugualmente, le superfici trasmettenti (la maggior parte comunemente di vetro) sono normalmente di regola trasparenti, permettendo così il passaggio dei raggi del sole diretti senza variare la loro geometria ed allo stesso tempo consentire la vista esterna, di solito considerata un effetto positivo.

3. La fisiologia della vista

3.1 L'occhio e la vista (percezione visuale)Il senso della vista è basato sul funzionamento dell'occhio. Questo organo caratterizza la pupilla, che regola la quantità di luce che entra nell'occhio per mezzo di un'apertura che può essere registrata in un rapporto di 1: 16. Più chiusa è la pupilla, meno entra l'energia, ma la visione è più acuta e con una profondità del campo più grande. L'obiettivo trasparente cambia la figura per regolare il fuoco, deformazione massima


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che accade con la visione ravvicinata. Dall'obiettivo, la luce attraversa l'umore vetroso che riempie il bulbo oculare in modo da colpire la retina, in cui sono formate le immagini messe a fuoco dall'obiettivo. Questa retina è sensibile alla quantità di luce il per mezzo delle cellule denominate coni retinici ed alla quantità ed al colore (lunghezza d'onda) della luce per mezzo di altre cellule denominati coni. Al centro della retina c'è una piccola concavità denominata “fovea centralis”, che contiene solo i piccoli, stretti coni imballati. Quindi la regione su cui vi è il centro di attenzione e nel quale la visione è più acuta.

Figura 4.5.- Struttura dell'occhio umano.

L'occhio umano risponde alla quantità di energia che riceve con le sensazioni che non corrispondono linearmente allo stimolo. Come è il caso con gli altri sensi umani, la vista segue una legge approssimativamente logaritmica d'accordo ad aumenti equi nello stimolo non implicando gli aumenti equi nella sensazione:

S=K logE+B

Dove:

S

sensazione

E

stimolo

B and K

costante

Questo tipo di reazione fa si che misurando l'effetto di luce, un incremento determinato ha un differente valore dipendendo del livello di partenza. Quindi un incremento di 1m² nella finestra apre un grande effetto similare se l' apertura originale misurasse 1 m2, mentre un aumento di 1 m2 in 10 m2 dei risultati della finestra con scarsa percezione dell’aumento della luce, comunque l'aumento reale nell'illuminazione è uguale in entrambi casi oltre che il meccanismo delle pupille, la vista può adattarsi ai diversi livelli d'energia usando altri sistemi.


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Le cellule delle retine lavorano in vari campi; i bastoncini sono le uniche cellule che registrano luminanza sotto 10 cd m-2, solo dove i coni rispondono a condizioni sopra 300 cd m-2 ; tra queste limiti, i due tipi lavorano insieme.

Nella visione per mezzo dei coni, la sensibilità della luce è maggiore nelle regioni gialle, ed è chiamata visione fotopica. Nella visione per mezzo dei coni retinici (visione scotopica), il colore non è registrato e la sensibilità massima è situata in una zona con una lunghezza d'onda più corta

La sensibilità della curva dell'occhio con la visione fotopica è usata per definire l'unità. Il flusso luminoso risulta del totale di flusso radiante influenzato per il coefficiente di sensibilità dell'occhio per ogni longitudine d'onda.

F1=Fr V680 l

Dove: F1

flusso luminoso in Im

Fr

flusso radiante in W

V(I)

coefficiente di sensibilità

3.2. Sensibilità temporale della visione

L'occhio umano ha un campo di visione approssimativamente emisferico (2π steroradiane) con un stretto, centrale angolo solido di visione precisa, corrispondente all'ubicazione della cornea in relazione della retina. Verso il limite del campo visuale ,


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la visione è sfocata, la percezione delle forme velocemente cominciano a perdersi, però la sensibilità rimane più o meno intatta.

I nostri occhi sono generalmente in costante movimento, interrompendo la visione precisa da un'area all’altra del campo visivo. Il movimento della testa completa

la nostra percezione visuale del nostro ambiente, però sempre rimane un’ area offuscata alla nostra parte posteriore, che richiede l'aiuto dei nostro senso dell'udito, se dobbiamo avere il controllo dell’ intorno. Per questo motivo, la posizione delle persone in relazione allo spazio, la sua occupazione può essere importante, specialmente negli interni che presentano disconfort acustico.

Figura 4.7. Piano e vista frontale del campo visuale

Il nostro senso della vista può anche essere un punto di riferimento degli oggetti intorno a noi, fondamentalmente dirigendo la nostra testa e gli occhi verso quello che stiamo osservando. L'azione dei muscoli informa al cervello la direzione in relazione al nostro corpo, a una lunga estensione in base a l'esperienza.

Giudicando la distanza è più complesso, ed crea un numero di meccanismo. In primo luogo ci sono le deformazioni della lente per focalizzare l'immagine, che rende possibile vedere distanze corte. Inoltre, la visione binoculare, con le differenze tra le immagini che ogni occhio percepisce, permette di riconoscere le relative ubicazione degli oggetti nel nostro campo di visione, mentre allo stesso tempo la convergenza degli occhi li aiuta nel vedere le distanze corte.

Per concludere, questo processo ci informa sulla distanza tra noi e gli oggetti, come valutare la misura apparente sulla base delle esperienze precedenti. L'unico


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svantaggio è che questo sistema non è affidabile in nuovi ambienti o ambienti dove esiste una scala differente da quella già conosciuta.

3.4. Comfort visualeQuando parliamo di comfort ci riferiamo al benessere o al disagio sull' ambiente. Varie cause possono essere coinvolte in questo concetto, poiché tutti i sensi stanno ricevendo simultaneamente gli stimoli, altri, meno riconoscibili, fattori di lavoro. Tuttavia, il comfort è tradizionalmente analizzato in modo indipendente per ciascun senso, compreso la vista. (Several different causes may be involved in this concept, since all the senses are receiving stimuli simultaneously, in addition to which, other, less recognisable, factors are at work. Nevertheless, comfort is traditionally analysed independently for each of the senses, including sight.)

Per quanto riguarda il comfort facciamo una distinzione fra i parametri di confort, i valori misurabili nell'ambiente fisico ed i fattori che dipendono dall'utente ed influenzano la valutazione dei parametri. Il confort dipende dal rapporto fra i due, anche se il disegno architettonico essenzialmente interessa i parametri fisici, le caratteristiche dell'utente (età, tipo di attività, ecc.) devono essere considerati per assicurare un buon progetto.

luminanza

Il comfort visivo dipende da quanto possiamo vedere facilmente quello che ci interessa. Di conseguenza, l'esigenza fondamentale è che deve esserci la giusta quantità di luce. Così il primo parametro è l’illuminamento (lx), con i valori suggeriti secondo l'operazione e sugli stati di luce vivida (che costituiscono il secondo parametro da considerare nel comfort visivo)

Abbagliamento

L'abbagliamento, considerato come parametro di confort, è l'effetto sgradevole causato da un contrasto eccessivo di luminosità nel campo visivo. In generale, questo effetto è dovuto all'esistenza di una piccola zona di gran leggerezza (luminosità) in un campo di visibilità con un valore medio considerevolmente più basso, normalmente come conseguenza di una lampada o di una finestra.

“l'adattamento all'abbagliamento”, è la più importante nel disegno architettonico ed è causata quando l'occhio si adatta alla luminosità media di un campo visivo in cui c'è una grande variazione della luminosità, con gli estremi che sono fuori della capacità dell'adattamento visivo non possono essere visti correttamente.

L'abbagliamento può anche essere classificato secondo l'incidenza sull'occhio di un fascio di luce eccessiva. Quando colpisce la macchia gialla è denominato abbagliamento diretto, o abbagliamento che rende incapace. Se l'incidenza è altrove sulla retina è denominato abbagliamento indiretto (anche denominato abbagliamento preoccupante o di perturbazione). In molti casi la stessa terminologia (diretta /indiretta) è usata per distinguere l'abbagliamento prodotto direttamente da una luce o da quella prodotta da una riflessione su una superficie (quale una tabella vetro-superata).

L'abbagliamento è difficile da valutare, anche se questa può essere realizzata


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analizzando i vari valori differenti di luminosità nel campo di visibilità. Come prima approssimazione, i valori suggeriti come adatti sono: i contrasti di 1-3 fra l'oggetto osservato e la relativa priorità bassa immediata, di 1-5 fra esso e la superficie di lavoro nell'insieme e di 1-10 fra esso ed altre superfici nel campo di visibilità. In un'analisi più preciso, i seguenti concetti sono messi in gioco:

g=Las

b f LB

dove:

Ls

luminanza della fonte di luce

ω

angolo solido dalla fonte all'occhio.

f(θ)

funzione della direzione da dove arriva la luce(valore 1 se arriva perpendicolare all'occhio e 0 se arriva lateralmente.

LB

luminanza di fondo della fonte di luce

a and b

coefficienti con valori tipici 1.8 and 0.8

L'abbagliamento cresce mentre il valore di questo abbagliamento costante “g” incrementa. Poiché il disagio approssimativamente segue la legge logaritmica, l'indice (G) d'abbagliamento è definito così: G=10 log10g

Quando il valore dell'indice G eccede 10 l'abbagliamento è notevole, 16 - 22 è tollerabile, 22 - 28 è scomoda e per i valori più alti è intollerabile. La luce del giorno ha una tolleranza maggiore di luce vivida rispetto alla luce artificiale.

Il colore della luce

Il terzo parametro per il comfort visivo è il colore della luce; derivato dai concetti della temperatura del colore e il loro indice di rappresentazione, esaminati sopra. Il grafico di Kruithof stabilisce un rapporto fra la temperatura di colore della luce e dell'illuminamento, definendo un campo di compatibilità fra i due valori. Nell'illuminazione naturale il colore della luce avrà una piccola influenza sul comfort,poiché le relative caratteristiche cromatiche sono prese come gli ideali teorici. Tenendo conto di tutto il suddetto possiamo dichiarare i valori tipici per i parametri chiari rispetto ai fattori dell'utente (tabelle 4,1- 4,5)


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Table 4.1

Definitore di luce Iluminanza (valori generali)

Attività con un filtro di luce alto: precisione de disegno, gioielli etc. 1000 lux

Attività di corta durata con filtro alto o molto alto: leggere, disegnare, etc. 750 lux

Attività di corta durata con filtro medio o alto: lavoro in generale, riunioni, etc. 500 lux

Attività di corta durata con filtro basso o medio: storage, movimento, etc. 250 lux

Table 4.2

Fattori di modificazione per i valori d'illuminamento generale.

Modifying factors for the general illuminance values

x 0.8 x I x 1.2

Età < 35 anni Età 35-55 anni Età 55 anni

Attività non importante Attività importante Attività critica ed inusuale

Difficoltà bassa Difficoltà normale Difficoltà alta

Table 4.3

Valori di Luminanza (con il corrispondente illuminamento)

Codice visuale Luminanza (cd m-2) Luminanza orizzontale (lux)

Faccia umana difficilmente visibile 1 20

Faccia chiaramente visibile 10-20 200

Ottimo per il lavoro normale 100-400 2000

Superficie con riflessioni > 0.2 bene illuminato > 1000 20,000

Table 4.4

Indici di abbagliamento (G)

Condizioni critica alta con lavori difficile, situazioni pericolosi, etc. Impercettibile: < 13

Condizioni con lunga durata di lavoro di normale difficoltà , con periodi di riposo, etc. Basso: 13-16

Condizioni con corta durata di lavoro or lavoro leggero, con lunghi pause, etc. Medio: 16-19

Condizioni sotto critiche, con corti periodi di lavoro, movimenti, etc. Alto: 19-22

Condizioni senza esigenze visuale, nel cui l'abbagliamento non è un problema Molto Alto: > 22

Table 4.5

Colore della luce

Tipo di spazio Condizione R (%) Tc (K)

Spazi dove il colore è importante Area di lavoro >85 4500-6000

Resto 2500-4000

Spazi dove il colore è importante ma non critico Area di lavoro 70-85 > 4000

Resto < 4000

Spazi dove riconoscimento cromatico non è importante Area di lavoro <70 > 4500

Resto > 4500


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Spazio senza visione cromatica 40 Indifferente

2.4 Effetti biologiciOggi giorno le esigenze di luce naturale dipendono da due aspetti, la percezione visuale e gli effetti biologici. Più l'illuminazione è alta, più è facile L’ attività ottica e le persone anziane hanno più bisogno di illuminazioni più intense rispetto ai giovani. Secondo Lange la più alta accettabilità da parte dell'utente per illuminazione è fra 2000 lx il lux (lx) e 4000. I valori minimi così come i requisiti supplementari sono dati nei campioni corrispondenti (en 12464).

Dalla scoperta del terzo ricettore d'illuminazione sulla retina (supplementare ai coni ed ai coni retinici che sono responsabili della visione ) nell'anno 2002, l'effetto biologico della luce nell'organismo umano, cui è stato sospetto per un lungo tempo, può essere valutato. Confrontato alla sensibilità di luminosità dell'occhio per le funzioni ottiche, la sensibilità di questo sensore è nella zona blu. Finora gli studi indicano che il lx 1000 di illuminazioni più superiore influenzerà l'orologio biologico degli esseri umani per i cicli giornalieri ed annuali con il sonno e sveglierà le fasi ed interesserà l'attività del cervello, il benessere e la salute. Queste comprensioni richiedono un nuovo segno di riferimento per "buona luce".

Esigenze minime per sistemi d'ombreggiamento e l'isolamento termico in estate sono definiti per evitare temperature interne elevate in estate (o rispettivamente grandi carichi di raffreddamento dei sistemi di raffrescamento), e deve essere ottenuto senza effetti avversi alla luce naturale. In vista delle nuove e chiare percezioni sulle proprietà biologica della luce diurna questo è una sfida per il disegno di finestre: Piccola ammissione termica solare dentro la stanza mentre allo stesso tempo permettono grandi livelli d'illuminazione (> 1000 lx).

4Luce diurna in architettura

4.1. Luce interna e luce esterna.

L'architettura è praticamente una giusta posizione d'interni, esterni, spazi coperti e ambienti esposti, affidabilità e vulnerabilità, privacy e società. Durante il giorno, la luce naturale rivela interamente all'esterno, riempiendo tutti i suoi angoli e mostrando realisticamente la pelle degli edifici, la misura, forma e i dettagli.

Quando la luce è usata saggiamente in architettura, questa arriva esternamente dal campo visuale dell'osservatore, da grandi aperture di solito localizzate sopra l'entrata dall'ambiente. Questo ripristino di una luce interna, da una fonte non identificata, crea un effetto piuttosto magico.

Questa situazione cambia radicalmente di notte, quando i ruoli dell'interno e dell'esterno si invertono. A questo riguardo si può dire che:

1Sia l'architettura che chi la abita, sono diversi di giorno e di notte, quindi non ha


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senso provare di imitare gli effetti della luce naturale con la luce artificiale, il risultato sempre sarà mediocre.2E sempre difficile combinare questi due tipi di luce, a causa delle differenze cromatiche ed al fatto che quando gli occhi si abituano ai livelli naturali di luce, la luce artificiale sembra povera e lugubre.

Ritornando alla luce naturale passando dall'esterno all'interno degli edifici, il modo in cui entra la luce negli edifici dipende dalla loro origine che sono tre.

Figure 4.8.- Tre incidenze: sole diretto, cupola celeste and albedo

•La luce solare diretta colpisce con i raggi paralleli di luce un alto flusso luminoso (cosi alto come 100,000 lux). All'interno genera chiaramente macchie definite di luce che cambiano secondo il movimento del sole attraverso la volta del cielo. Questo tipo di luce quindi, crea condizioni visuali interne non ottimali per l'eccessivo contrasto, e facilmente provocano il surriscaldamento degli interni. Il loro effetto termico e la relativa distribuzione di luminanza, comunicano una sensazione di allegria, queste condizioni sono desiderabili in inverno e nei climi freddi e sgradite in estate nei climi caldi.

•La luce della volta celeste è associata ad un cielo coperto (sia inoltre il caso in cieli liberi per i sensi che affrontano via dal sole) ed è formata generalmente da luce naturale nei climi atlantici e nordici. La relativa intensità di luce è di 5 – 10% nella luce diretta del sole. La quantità di luce di un cielo nebuloso dipende dell'altitudine e la densità delle nuvole e cosi può variare considerevolmente. Queste condizioni sono di solito usate come condizione minima, ma si deve anche considerare che, nei climi più caldi, il relativo ingresso di luce nella costruzione può causare problemi di surriscaldamento.

•La luce riflessa o albedo delle superficie esterna diventa importante quando gli altri due tipi mancano d’intensità, o perché sono escluse per evitare il surriscaldamento o perché la forma dell'edificio non permette accesso diretto dal lucernario. In queste circostanze, e quando le superficie esterna (il terreno e gli edifici vicini) hanno relativamente una buona riflessione, la luce riflessa può generare luce utile per l'interno, si deve sempre ricordare che quando la luce non viene dal alto, ha una gran tendenza a causare abbagliamento.

2.4La percezione della luce in architettura

Quando un architetto immagina l'architettura che sta cominciando a progettare, descrive nel suo cervello le forme della costruzione che sta generando, dalle idee


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generali ai particolari specifici della facciata.

Se analizziamo le opere dei grandi maestri dell'architettura, sia antichi che moderni, è chiaro che nella maggior parte dei casi la luce naturale è presente dalle prime immagini, da come è stato concepito il progetto.

È interessante osservare i diversi approcci che gli architetti hanno sulla luce naturale. A parte dal maggiore o minore conoscenza che loro possono avere dei principi basici della luce ed addirittura, senza valutare l'efficienza dei risultati ottenuti, questo sembra che ognuno di loro intuitivamente concepisce il fenomeno della luce diversamente, ed è riflesso nel modo nel quale la luce definisce le forme degli spazi nella loro architettura.

In molti casi la luce è immaginata come un fluido, liquido o gas che occupa gli spazi esterni e si espande (a seconda sia concepita) attraverso le aperture e dentro degli spazi interni.

In altri casi, la luce è percepita come fasci, nelle immagini mitologiche, forze celesti che viaggiano attraverso lo spazio, penetrando all'interno e riflettendosi sulle superfici, quindi intrisa di una loro realtà .

In altre situazioni la luce naturale crea un impressionante gioco all’ interno, macchie di luce si mescolano e, formano uno solo nel cervello quando lo spazio è concepito globalmente. In ogni caso, il colore è decisivo, le superficie delle parete cambia di tono secondo la luce che riceve.

2.4Luce in zone centrali e perimetriche. Il primo punto d'affrontare quando si considera l'uso di luce naturale è l'ingresso negli spazi interni, i cui sarebbero scuri, dovuto alla separazione dall'esterno attraverso la facciata.

In ogni edificio, si possono distinguere due problemi distinti: la luce delle zone perimetrali, la quale ha un contatto con la pelle dell'edificio e quindi la possibilità di acceso diretto della luce fuori; e quella delle zone interne, dove l'unico acceso di luce naturale è attraverso qualche sistema di ventilazione.

Comunque, prima di fornire con sistemi specifici che si applicano alla periferie o il centro, dovremo considerare alcuni aspetti generali del progetto che influenzano la loro interrelazione con la luce.

Densità dell'edificio

Il punto iniziale da considerare è la densità dell'edificio, che stabilisce la relazione tra struttura esterna ed il volume, ad esempio, il grado di concentrazione degli spazi interni. Logicamente, le edifici meno compatti hanno una gran possibilità di illuminazione, come nelle zone centrali, dove l'ingresso della luce è più difficile da


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raggiungere, è relativamente più piccolo.

Porosità

Un altro aspetto da prendere in considerazione è la porosità degli edifici, che si riferisce all’ esistenza dentro il volume globale degli ambienti vuoti e ponti di comunicazione con l'esterno, come il patio. Un alto grado di porosità indica la possibilità di creare accesi di luce (ed anche ventilazione) nelle zone centrali dell'edificio.

Trasparenza

Un altro aspetto da considerare è la trasparenza della pelle dell'edificio alla luce, che varia da edifici totalmente opachi a zone totalmente vetrate. Anche se grandi trasparenze incrementano la luce nelle zone periferiche, una buona illuminazione dipende più da una appropriata distribuzione della luce più che la quantità.

Caratteristiche geometriche

Altri aspetti da prendere in considerazione sono le caratteristiche geometriche degli ambiente interni. L'edificio può quindi essere analizzato d'accordo alla dimensione, forma, proporzioni e possibile differenze nei piani.

Dimensione di un edificio

La dimensione non ha in principio nessuna influenza sulla distribuzione della luce all'interno; le aree della stessa forma ma con diverse dimensioni e con le aperture, a queste adattate, avranno la stessa distribuzione della luce interna. L'unico punto che dovrebbe essere tenuto in contsiderazione è che gli spazi di grandi dimensioni avranno una zona centrale più buia, a meno che abbiano un soffitto alto.

Figura 4.9.- Zona centrale in spazi con a grande superficie

Forma e proporzioni

Nell'edificio, loro sono importanti per l'illuminazione naturale, dipende anche della localizzazione delle finestre. Come una regola, ambienti irregolari o allungati hanno certamente una distribuzione di luce irregolare.

Figura 4.10.- Relazione tra forme e distribuzione di luce


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Bisogna tener conto che l'ingresso laterale della luce in uno spazio causa una diminuzione veloce nella luce (cioè l’illuminamento) che ulteriori provengono dalle aperture, a causa della visione diretta del cielo (la fonte luminosa principale) presto sarà persa. Questi risultati nelle zone periferiche e negli edifici che non sono ben illuminati, nonostante la quantità totale di luce sia sufficiente. La luce dallo zenit, d'altra parte, tende ad essere più ampia ma anche è più difficile da avere.

5. Miglioramento di luce di giorno negli edifici

2.4Elementi di trasmissioneQuesti sono spazi localizzati oltre una stanza che inizialmente riceve la luce naturale dall'esterno. Loro raccolgono la luce trasmessa attraverso un’ altra stanza e cosi via. La forma dell'altra stanza è importante, la sua capacità di trasmetterete la luce che essi ricevono dipende delle caratteristiche geometriche dall'ambiente.

Le caratteristiche delle finiture nelle loro superficie sono anche importanti, dove la luce naturale colpisce. Diverse finiture producono stanze che attuano diversamente secondo se loro sono riflettente, speculare, diffusi, assorbenti o qualunque.

Figure 4.11.- Elementi naturali di illuminazione: elementi conduttivi e elementi di trasmissione

5.1.1.Spazi di luce intermediaSono localizzati nella zona periferica degli edifici, tra l'ambiente esterno e gli spazi abitativi. Loro possono lavorare come filtri regolatoricon le caratteristiche ambientali tra interno ed esterno; loro conducono e distribuiscono la luce naturale dall'esterno all'interno. Sono sigillati con materiali trasparenti e traslucidi e possono essere incorporati ad elementi di controllo che regolano il passo della luce. L'esempio più rivelante sono le gallerie, portici e serre.

5.1.2. Spazi di luce interna


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Loro formano parte delle zone interne degli edifici, conducendo la luce naturale agli ambienti interni. All’interno di questi gruppi ci sono: cortili, cortili coperti e tutti i tipi di canali di luce e canali di sole.

2.4Elementi centrali e perimetriciQuesti sono dispositivi o apparecchi che collegano due ambienti luminosi diversi separati da una parete. Loro sono definiti dalle loro caratteristiche geometriche, vale a dire, il loro formato rispetto a quello della parete in cui sono regolati, (centrale o laterale, alta o bassa)è la forma dell'apertura. La loro composizione dipende dagli elementi incorporati che controllano e regolano l'illuminazione, la rappresentazione e la ventilazione.

2.4.1Elementi o aperture di trasmissione laterali Sono localizzati nelle superficie verticali circondanti, sia nella pelle dell'edificio o nei muri interni, tra due ambienti con diversi caratteristiche di luminosità, per permettere l'ingresso laterale di luce. Gli elementi tipici di trasmissione laterale sono: finestre, balconi, muri traslucidi, facciate continue.

5.2.2. Elementi o aperture di trasmissione zenitali Questi sono localizzati nelle superfici orizzontali circondati dal tetto o all'interno dell’ edificio, fra due ambienti luminosi, e sono disegnati per dare luce zenitale all'interno. Elementi tipici di trasmissione zenitale in architettura sono: lanternini, dispositivi di controllo di tetti, tetti vetrati a nord, soffitto traslucido, lucernari, cupole e lanterne.

5.2.3. Elementi o aperture globali di trasmissione L'elemento più rilevante di queste tipo è la membrana, con superfici traslucide o trasparenti, che circondano tutto l'ambiente interno, simile alle condizioni esterne.

Elementi di controllo

5.3.1. Superfici separatriciQueste sono superfici di materiale trasparente o traslucide, incorporati all’interno dell'elemento di trasmissione che separa due diversi ambienti. Loro permettono la radiazione, e a volte la vista dall'esterno, che passa attraverso, però blocca il passaggio d'aria. Tra i diversi tipi di superficie che separano, che esistono in architettura, ci sono alcuni tipologie trasparenti convenzionali (vetro, ecc), quelli con la superficie trattata chimicamente o meccanicamente, altri che seguono un disegno geometrico particolare e superfici di chiusura attiva.

2.4.1Schermi flessibileQuesti sono elementi che impediscono l'ingresso di radiazione solare parzialmente o completamente. Dipendendo anche della loro disposizione, possono permettere la ventilazione e fornire la discrezione visiva. Possono essere ritratti, rotolati in su o essere piegati via per rimuovere la loro influenza una volta così desiderati. I tipi più usati di schermi flessibili sono tende esterne.

Le tende sono fatte da materiali opachi, quelli che servono alla diffusione della luce. Possono essere disposti sopra la superficie esterna di un elemento trasmittente, in


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modo da impedire selettivamente la radiazione che passa prima dall'ingresso o, disponendole sopra l'interno delle superfici di separazione, controllare la radiazione che già è entrata come elemento trasmettente e illumina l'interno.

2.4.1Schermi rigidiSono elementi opachi che ne dirigono e/o bloccano la radiazione diretta solare che da un altro modo potrebbe colpire un elemento di trasmissione. Normalmente, loro sono fissi e mobili, sebbene ci sono alcune eccezioni. La principale variabile è la loro posizione con relazione alle aperture che proteggono. Fra i vari possibili tipi, noi ci concentriamo negli sbalzi, scaffalature, solette, piani fissi verticali e schermi.

5.3.4. Filtri solariSono elementi di superficie che coprono tutta o quasi tutta, la facciata esterna di un elemento di trasmissione, protegge della radiazione solare e permette la ventilazione. Loro possono essere fissi o mobili (permettendo il loro spostamento e lasciando le aperture liberi) e regolabile se la orientazione delle finestrature possono essere cambiate. Questi tipi sono molto usate in architettura e ci sono vari tipi serrande e persiane.

2.4.1Ostruttori solariQuesti sono elementi composti di materiali opachi e possono essere fissati all'apertura di un elemento trasmettente in modo da sigillarlo. Normalmente sono denominati otturatori e possono essere situati sull'esterno o sull'interno di una superficie di vetro separatrice.

6Condizione del cielo

6.1. Luminanza del cieloLa luminanza del cielo è una delle caratteristiche di base da prendere in considerazione quando si studia le condizione pre-esistente del sito. Il clima locale, con i relativi gradi associati dell'annuvolamento, è un fattore decisivo.

Ci sono diversi possibili modelli per la luminanza del cielo da prendere in considerazione, come le condizione ambientale pre-esistente di un posto.

Come regola, un cielo nuvoloso o coperto è un caso sfavorevole, sono frequentemente studiati. Questo è logico nei climi nordici , ma non in quelli temperati, dove i casi di cielo coperto e libero dovrebbero anche essere considerati. La protezione dal sole e dallo sfruttamento della loro radiazione devono essere considerati.

Dovrebbe essere considerati anche, nei climi mediterranei e più frequentemente la luce solare diretta (70% del tempo) che nei climi nordiche. (30% del tempo), questo è di solito trascurato quando studiamo la luce naturale negli edifici.

6.1.1. Cielo coperto uniforme Questo è il modello principale usato negli studi della luce naturale, con una


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luminanza costante in tutte le direzione ed altezze. La relazione tra la luminanza media del cielo ed l'illuminamento di un plano orizzontale senza ostruzione sarà:

Eh=L

dove:

Eh

plano di illuminamento orizzontale (lux) L

Luminanza media del cielo (cd / m2)

Tabella 5.6

I valori per la luminanza media del cupola celeste a l 40' altitudine, con diversi condizioni climatiche e peridi nel 'anno

Solstizio di inverno Equinozio Solstizio di estate

Ore 08:00 10:00 12:00 08:00 10:00 12:00 08:00 1:00 12:00

16:00 14:00 16:00 14:00 16:00 14:00

Lluminanza 1,750 3,200 4,700 3,200 4,600 6,200 6,000 7,600 8,600

4,600 21,000 24,000 22,000 28,000 30,000 27,000 31,000 32,000

I valori della prima riga corrisponde alla luminanza media con un cielo coperto, mentre la seconda riga è con un cielo scoperto. Il valore minimo delle latitudine mediterranee è preso con un cielo coperto con 3200 cd-2 m, che è equivalente a 10,000 lux in un piano orizzontale senza ostruzioni.

2.4.1CIE cielo copertoQuesto è un modello standard per cieli coperti, che provvedono un migliore approccio con la realtà , da quando la luminanza varia con l'altezza. Questo rapporto e definito con la formula Moon-Spencer :

L=Lz12sin

3

dove:

La

illuminanza ad una altezza con un angolo sopra la orizzontale

Lz

iluminanza al zenit

Lz

può essere considerata 9/7 de (uniforme) la luminanza media del cielo.


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Un altro fattore di correzione da considerare è la variazione della luminosità del cielo secondo il senso. Questa variazione di luminosità può essere espressa, per l'orizzonte, come un aumento del 20% nel senso dell'Equatore e simile di una diminuzione del 20% nel senso del palo. Queste variazioni diminuiscono con l’altezza, sparente allo zenit. L'espressione della Luna-Spencer, debitamente corretta per tenere conto questa variazione, sarebbe:

L , =Lz 12sin 310,2cos

dove:

La,b

luminanza del cielo per un'altezza b nella direzione del equatore

Lz

luminanza allo zenit

2.4.1Cielo scopertoNel caso di un cielo scoperto, la migliore strategia è considerare solo le incidenze dirette del sole, con intensità nel ordine di 100,000 cd m-2 e la posizione corrispondente al periodo del anno ed il giorno. Noi solo considereremo, come fonte indiretta, il resto della cupola celeste e la riflessione di altri superficie nella terra o altri elementi esterni.

Nel caso di una cupola di cielo scoperto,la luminanza diminuisce come noi traslochiamo fra il sole, con valori varianti tra 2000 e 9000 cd m

Nel caso di un albedo, il tipico valore dellla luminanza è spesso il risultato da applicare allla seguente espressione:

La=Ehr

dove:

La

illuminanza dell'albedo

Eh

illuminanza ricevuta per le superficie (100,000 lux per un cielo scoperto)

r

coefficiente di riflessione delle superficie (valori tipici di 0.2, o tanto alto come 0.7 in superfici leggeri)


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2.4.1Cielo copertoNel caso di un cielo coperto, intermedio tra un cielo scoperto ed un cielo coperto, gli ipotesi devono essere fatti con le situazione corrispondente riferiti nei casi precedenti.

7. Valutazione della luce nell'architetturaNella illuminazione naturale ci sono più variabilità nei fattori che generano l'ambiente che nei sistemi di valutazione inesatti. I calcoli ci provvedono delle condizioni interne in relazione con l'esterno che sappiamo cambiano. A causa di questo, i risultati sono espressati come percentuale del livello esteriore, e sono chiamati fattori di luce diurna (DF)

DF=100 xEi interior Ee exterior

Il sistema di rappresentazione di luce possono essere derivati da valori di punto per punto.

Usando la maglia di punti che rappresenta le premesse , “isolux” o “isoDF” le curve possono essere disegnati collegando ponti di uguale iluminanza o valore DF, per valori fissati ogni 50 o 100 lx, o ogni 2,5% o 10% DF. Queste curve, simile a un mappa topografico, provvede una buona informazione nella distribuzione della luce nello spazio.

Figura 4.12.- Software. Analisi approssimativo per illuminazione

I sistemi di calcolo di luce naturali appartengono alle seguenti categorie: metodi di pre-dimensionamento, metodi del punto e calcolo esatto su ordinatore. Ci sono inoltre valutazione

7.1. Metodo di pre-dimensionamentoIl risultato dato è l'illuminanza media di un piano di lavoro situato sopra il pavimento


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in un spazio interiore. La formulazione è la seguente:

Ei=¿

dove:

Ei

illuminanza interiore, in lux

Ee

illuminanza esteriore sul plano orizzontale, in lux. 10,000 Ix (di un giorno nebuloso di inverno), 100,000 Ix (di un giorno scoperto di estate)

Spas

area totale della superficie delle aperture, in m2

v\

fattore di apertura (angolo solido dalla apertura come una proporzione del totale del angolo solido del cielo (2p), sul plano verticale = 0.5)

t

fattore di trasmissione delle superficie chiusi (normalmente < 0.7)

u

coefficiente di utilizzazione, o il rapporto tra il flusso raggiunto del plano illuminato ed il flusso (valore di 0.2-0.65)

Si

Superficie d'area delle premesse, in m2

2.4Calcolo di punto per puntoQuesto metodo calcola il risultato della illuminazione per ogni punto scelto, che insieme formano una maglia metrica quadrata, e per ogni aperture, considerati come superficie diffuse emittente. Le forme basiche applicati sono:

E=Icos d 2

dove:

E

risultato della illuminazione, in lux


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I

intensità raggiunta al punto, in candele

?

angolo da dove la luce arriva da l'apertura

d

distanza dal centro della apertura al punto, in m

I=LSO

dove:

L

illuminazione dell'apertura, in cd m-2

SO

Area della superficie dell'apertura, in m2

L=EO

dove:

EO

illuminazione emergente dall'apertura

EO=Ee vt

dove:

Ee

Illuminazione media esterna sul plano orizzontale , in lux

v

fattore di apertura, l'angolo solido del cielo visto dall'apertura come proporzione dell'angolo del solido totale del fattore di trasmissione globale del cielo

t


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fattore globale di trasmissione delle superficie circondanti

2.4I Metodi di computer

Questi usano la potenzialità di calcolo del computer per integrare il risultato della luce raggiunta in ogni punto delle aperture e la riflessione interiore simile. Infatti loro applicano il sistema di punto per punto con tutte le interazioni necessarie per ottenere una gran precisione.

2.4Metodi di valutazione usando modelli a scale

L'uso di modelli a scala in architettura per la valutazione della luce naturale ha una lunga tradizione. Modelli fisici riproducono in miniatura l'edificio. La loro efficienza risiede nel fatto, che il fenomeno radiante sono stabile a dispetto delle scale che cambiano nello spazio, come conseguenza della lunghezza d'onda corta di luce in paragone al formato degli spazi.

I modelli a scala permettono valutare la complessa configurazione delle forme complesse che sono difficile riprodurre in modelli di computer, un ulteriore vantaggio è che il risultato della luce disegnata nello spazio può essere visualizzato facilmente. Il comportamento dell'edificio riguardo alla luce può essere esaminato da diversi modi: usando il cielo reale o uno artificiale.

Tuttavia, un punto che dovrebbe essere considerato dai sistemi di valutazione, o sono manuali o assistiti dal computer o usano modelli a scala, non sono sostitute, dipendendo sopratutto dall'atteggiamento del progettista, che dovrebbe essere basati nelle buone comprensione dei principi fisiche e fisiologico di luce e visione.

RIFERIMENTO

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Coch H; Serra R; San Martin R. Arquitectura y control de los elementos (1996) Barcelona Ed. Balmes

Yáñez G; R. Arquitectura solar, aspectos pasivos, bioclimatismo e iluminación natural (1988) Madrid MOPU

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Lange, H.: Handbuch für Beleuchtung, SLG, LiTG, LTG, NSVV, 5. Auflage (1999).

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1Principi fisici basici 2.1 Radiazione elettromagnetica · lunghezza d'onda o frequenza dentro un...

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