Fondamenti di illuminotecnicaArtificiale e naturale

Simone Secchi

Dipartimento di Tecnologie dell'Architettura e Design "Pierluigi Spadolini", Università degli Studi di Firenzeg

La natura della luce

La luce è energia che si propaga in forma di onde elettromagnetiche allaLa luce è energia che si propaga in forma di onde elettromagnetiche alla

velocità di circa 300.000 km/s, nel vuoto, caratterizzata da lunghezza

d’onda comprese tra circa 0 38 μm e 0 78 μm campo di sensibilitàd onda comprese tra circa 0,38 μm e 0,78 μm, campo di sensibilità

dell’occhio umano.

0,38 μm 0,78 μm

Le principali grandezze che caratterizzano le onde

AmpiezzaAmpiezzaPeriodo T (s)

Tempo (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 108 (m/s)

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 delloLa legge dello spostamento di Wienfornisce la lunghezza d’onda di massima emissione del corpo nero

( ) ( )Km 8,2897T potenzamax ⋅μ=λ

La legge di Stefan fornisce il potere emissivo integrale delemissivo integrale del corpo nero

( )240 m/W Te σ= ( )

L’emissione del sole

Le grandezze illuminotecniche Ω

Flusso luminoso (φ) [lumen, lm]Quantità di energia luminosa emessa nell’unità di tempo da una

g zz Ω

dφ

Quantità di energia luminosa emessa nell’unità di tempo da una sorgente.

I t ità l i (I) [ d l d l / ]dS

Intensità luminosa (I) [candela, cd = lm / sr]Flusso luminoso emesso all’interno dell’angolo solido unitario (steradiante) in una direzione data. Ω

Φ=

ddI

Illuminamento (E) [lux, lx = lm / m²]Rapporto tra flusso luminoso ricevuto da una superficie e area d ll fi i t dS

dE Φ=

della superficie stessa

Luminanza (L) [candela / m², cd / m²]R i i à l i d fi i i

dS

dIRapporto tra intensità luminosa emessa da una superficie in una data direzione e l’area apparente di tale superficie.

α

=dSdIL

Le relazioni tra le grandezze illuminotecnicheg

Incidenza normale (θ = 0°)Incidenza normale (θ 0 )

dSΩ

n

2

2

rI

dSrdSI

dSdI

dSdE ==

θ⋅=

Φ=

rdSdSdS

Incidenza obliqua (θ ≠ 0°)

θr

Incidenza obliqua (θ ≠ 0 )

(legge del coseno)

( )2r

cosIE θ⋅=dS

La visione

I coni sono responsabili della visone diurna e dei dei colori, i bastoncellisono responsabili della visione notturna

Il fattore di visibilitàIl fattore di visibilitàper visione fotopica (diurna) (v)

per visione scotopica (notturna) (v’)

La riflessione, l’assorbimento e la trasmissione

Principio del bilancio energetico

Ea

Ei

EEEE trai ++=

Principio del bilancio energetico

a

EE

EE

EE

EE trai

trai

++=

tra1EEEE iiii

++=

Et Er

a = coefficiente di assorbimento;

r = coefficiente di riflessione;

t = coefficiente di trasmissione

La riflessione luminosa ed il colore degli oggetti

Riflessione irregolareg

Diffusore lambertiano

Riflessione diffusa

Diffusore lambertiano

Iα = Im cos α

Riflessione diffusa

Riflessione speculare

L’effetto serra

Coefficiente di trasmissione del vetro

Valori raccomandati secondo la norma UNI 10380Illuminotecnica illuminazione di interni con luce artificialeIlluminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale

Valori raccomandati secondo la norma UNI 10380:1994/A1Illuminotecnica illuminazione di interni con luce artificialeIlluminotecnica, illuminazione di interni con luce artificiale

Valori raccomandati per le scuole secondo la norma UNI 10840locali scolastici - criteri generali per l’illuminazione artificiale e naturalelocali scolastici criteri generali per l illuminazione artificiale e naturale

L’illuminazione artificiale degli interni

Tipologie di sorgenti luminose artificialiTipologie di sorgenti luminose artificiali

• a incandescenza• a scarica in gas• a induzionea induzione

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.El ti i hi t id i d l fl l iElevati invecchiamento e riduzione 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:g g p p pcon bulbo trasparente;con bulbo diffondente;con riflettore incorporato. Spettro di emissione di un

corpo nero in funzione dellacon riflettore incorporato. corpo nero in funzione della temperatura (K)

Lampade ad incandescenza con alogeniLampade ad incandescenza con alogeni

Dal 1972 lampade ad alogeni a bassissima tensione.P tt l i i t i i d ll ti l iPermettono la miniaturizzazione 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.Dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso.

Lampade ad incandescenza con alogeniLampade ad incandescenza con alogeni

Il riflettore delle lampade alogene può essere in quarzo trattato l’ li i di t ti di idi ifl tt ti ll di i icon l’applicazione di strati di ossidi riflettenti alle radiazioni

visibili, ma non a quelle infrarosse.

La lampada, essendo dotata di riflettore, dovrà essere scelta in funzionedell’ampiezza del fascio luminoso e l’apparecchio di illuminazione nel quale andràcollocata ha la sola funzione di proteggerla e collegarla alla rete di alimentazione.p gg gIl riflettore può essere in alluminio oppure in vetro con trattamento della superficieriflettente (dicroico, dal greco: “due colori”).Nel caso del vetro si tratta di una parabola in quarzo opportunamente trattata conNel caso del vetro si tratta di una parabola in quarzo opportunamente trattata conl’applicazione in alto vuoto di strati di ossidi selettivi a determinate lunghezzed’onda: gli ossidi sono riflettenti alle radiazioni visibili, ma si lasciano attraversaredalla maggior parte della radiazione infrarossadalla maggior parte della radiazione infrarossa.La luce emessa dalle lampade ad alogeni con riflettore dicroico è dunque una lucepiù fredda, sia dal punto di vista termico che cromatico, priva del 66% della

di i i f d l d d l i ifl i ll i iradiazione infrarossa emessa da una lampada ad alogeni con riflettore in alluminiodi pari potenza.

Le lampade a scaricap

Radiazione luminosa provocata dagli urti reciproci di particelle, cariche l tt i t di dielettricamente, 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;e) lampade a vapori di sodio;f) lampade allo xeno;g) sistemi ad induzione.

Lampade fluorescentip

Lampade a vapori di mercurio a bassa pressione con tubo di vetro rivestito con polveri fluorescentivetro rivestito con polveri fluorescenti. Trasformazione della radiazione ultravioletta in radiazioni visibili.Caratterizzate da bassa luminanza (evitano l’abbagliamento)Caratterizzate da bassa luminanza (evitano l abbagliamento).Flusso luminoso dipendente dalla temperatura-ambiente.Situazione ottimale tra 20 e 25 °C.D t lt l t i 7500 diDurata molto elevata: circa 7500 ore per uso medio. Colore della luce molto variato a seconda delle sostanze fluorescenti usate.

Lampade a vapori di mercurio ad p palta pressione

Radiazione contenuta per la maggior parte nel campo del visibile.Scarica in un piccolo tubo di quarzo protetto da un bulbo diScarica in un piccolo tubo di quarzo protetto da un bulbo di vetro.Rivestimento in polvere fluorescente trasforma lo spettro a i h ( di i lt i l tt )righe (radiazione ultravioletta).

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 125.000 lm.Due grandi campi principali di applicazione:•illuminazione industriale;

Spettro tipico di una lampada al mercurio a bassa pressione

u a o e dus a e;•Illuminazione stradale

Lampade a vapori di sodio a bassa pressione

Luce gialla e monocromatica.

Effi i l i lt l t ( f i t dEfficienza 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 p g g gpurché non sia necessaria la distinzione dei colori:

-illuminazione stradale;illuminazione stradale;

-Illuminazione di interni ed esterni industriali.Spettro tipico di una lampada

al sodio a bassa pressione

Lampade a luce miscelata

Sono basate sulla tecnologia delle lampade a vapori di mercurio, a cui vieneaggiunto un filamento ad incandescenza in serie al tubo di scarica.aggiunto un filamento ad incandescenza in serie al tubo di scarica.

Presentano una luce con una componente a spettro continuo tipica del filamento adincandescenzaincandescenza.

Vantaggio nella facilità d’uso: non è necessario alcun tipo di ausiliario elettrico( tit it d l fil t i t ll l d ) i i lt ibil tt(sostituito dal filamento interno alla lampada), per cui risulta possibile connetterela lampada su un comune attacco Edison.Efficienza e durata di vita fortemente condizionate dalla presenza del filamentoche inoltre le rende abbastanza sensibili alle variazioni della tensione.Conveniente l’applicazione in contesti dove la facilità d’uso è più importante degliaspetti economici.Forte quantità di luce e temperatura di colore più elevata rispetto alle lampade afilamento hanno creato una notevole diffusione di queste lampade perl’illuminazione residenziale (giardini, garage, ecc.).u a o e es de a e (g a d , ga age, ecc.).

Lampade allo xeno

C i d di ib i d ll’ i ll i id iCaratterizzate da una distribuzione dell’energia nello spettro praticamente identicaa 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 e raggiungono immediatamente la piena emissionegg g pluminosa.

Richiedono per il loro funzionamento un alimentatore e un accenditoreRichiedono, per il loro funzionamento, un alimentatore e un accenditore.

Sistemi ad induzioneAssociano i principi della scarica in gas e dell’induzione elettromagnetica.

i i i d li i di i è li i dLa ionizzazione degli atomi di mercurio è realizzata grazie ad un campoelettromagnetico indotto da una corrente elettrica ad alta frequenza che circola inun’apposita bobina.

Costituite dai seguenti componenti:- bulbo entro cui avviene la scarica in gas;g ;- bobina-antenna;- generatore elettronico;- cavo coassiale di collegamento all’antennacavo coassiale di collegamento all antenna.

Grazie all’assenza di filamenti ed elettrodi, sono caratterizzate da una durataeccezionale (circa 60 000 ore di funzionamento pressoché prive di manutenzione)eccezionale (circa 60.000 ore di funzionamento pressoché prive di manutenzione).

Particolarmente adatte per i luoghi in cui è difficile accedere agli apparecchi diill i i d l tit i d ll l di tit i ’ iilluminazione e dove la sostituzione delle lampadine costituisce un’operazionecostosa e pericolosa.

LED (Light Emitting Diode)Sfruttano le proprietà ottiche di materiali semiconduttori (ingenere silicio) che, una volta eccitati da un tensione diretta,emettono una luce visibile in un determinato colore. Neiemettono una luce visibile in un determinato colore. Neimateriali semiconduttori vengono inserite delle impurità chene incrementano le capacità di conduzione.Quando la corrente viene applicata al reticolo cristallinoQuando la corrente viene applicata al reticolo cristallinosemiconduttore del diodo, gli elettroni (con carica negativa) ele lacune (con carica positiva) si combinano e convertono inl il l di iluce il loro eccesso di energia.Dal tipo di semiconduttori e dal processo di drogaggiodipendono la lunghezza d'onda emessa, l'efficienza energeticadell'apparecchio e l'intensità luminosa.Funzionamento a basso voltaggio.Rendimento energetico molto elevato (40-70 lm/W).Lunga durata (durata media attorno alle 100.000 ore).Dimensioni ridotte.Assenza di produzione di calore.pAccensione istantanea.Dimmerabili.

Principali caratteristiche delle sorgenti luminose daPrincipali caratteristiche delle sorgenti luminose da interni

Tipo di lampade Efficienza energetica (lm/W)

Potenza lampada

(W)

Durata vita(ore)

Ad incandescenza 12 100 1.000

Ad l i 16 100 2 000Ad alogeni 16 100 2.000

Fluorescenti compatte 60 20 10.000elletroniche

Fluorescenti tubolari 100 32 10 000Fluorescenti tubolari 100 32 10.000

LED (Light EmittingDi d )

40-70 5-10 (il singolo LED)

100.000Diode) LED)

Le caratteristiche direzionali delle lampade

Cd/1000 lm

Solido fotometrico Proiezione di un solido Solido fotometrico fotometrico

Progetto di illuminazione di interni

Coefficiente di utilizzazione

uΦ=η

tΦη

Flusso totale richiesto

ηSE

t⋅

=Φ

Il coefficiente di utilizzazione dipende da:Il coefficiente di utilizzazione dipende da:

• Sistema di illuminazione;• Rendimento ν dell’apparecchio;• Coefficienti di riflessione di soffitto e muri;• Forma del locale

b2,0a8,0K + b>a

ΦNumero di sorgenti necessarie

hK = h=altezza utile

L

t

ΦΦ

=η

Lampade ad incandescenzaD ti t i iDati tecnici

Lampade fluorescenti lineari e circolariD ti t i iDati tecnici

Progetto di illuminazione di esterni

I

Illuminamento richiesto nel singolo punto sorgente

αα cos2rIE = (Prima legge del coseno)

r = distanza tra sorgente e punto;rh

3I

α = angolo formato tra la direzione del raggio e la normale al piano illuminato α

αα 32 cos

hIE =

L’illuminazione naturale degli interni

I motivi per l’illuminazione naturaleEFFETTI DELLA CARENZA

DI LUCE NATURALE

Alterazione ritmo cardiacoTendenza alla miopiaStress

PSICOLOGICI FISIOLOGICI PSICO-FISIOLOGICI

Alterazione ritmo cardiacoAlterazione orologio biologicoAlterazione metabolismoAlterazione pressione

Tendenza alla miopiaAffaticamento oculareCefaleaAbbattimento percezione visivaEsaltazione dei difetti dell’occhio

StressDepressioneSADIrritabilitàAlterazione

EFFETTI DI UNA BUONA LUCE NATURALE

arteriosadell’equilibrio neuro-vegetativo

BATTERICIDI PSICO-FISIOLOGICI

FISIOLOGICI

Mantiene il corretto equilibrio dell’orologio biologico e l’alternanza della

li i

Stimolazione della produzione di vitamina DEffetti antirachiticiAttivazione del ricambio calcio-fosforoEff tt ll tti ità d i

Distruzione dei germi e batteri prodotti negli ambienti per aerodiffusione

FISIOLOGICI

veglia-riposoAumento della produttività lavorativa

Effetto sulle attività endocrineEffetto sul metabolismo del glucosioAumento delle difese immunitarie

Il quadro normativo relativo all’illuminazione naturale qdegli ambienti

• Circ. Min. LL. PP. 3151 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. 13011 del 22 novembre 1974 (requisiti fisico tecnici per le costruzioni edilizie ospedaliere: proprietà termiche, igrometriche, di ventilazione e di illuminazione)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 bit i )abitazione)

• D.M. 18 dicembre 1975 (Norme tecniche aggiornate relative all’edilizia scolastica, ivi compresi gli indici minimi di funzionalità didattica, edilizia e urbanistica , p g ,da osservarsi nella esecuzione di opere di edilizia scolastica)

• UNI 10840 (Luce e illuminazione - locali scolastici: criteri generali per l’illuminazione artificiale e naturale)l illuminazione artificiale e naturale)

Il fattore di luce diurna

Rapporto fra il livello di illuminamento in un punto posto su un piano orizzontaleall’interno del locale (Eint) e il livello di illuminamento in un punto posto su di un pianoorizzontale sotto l’intero emisfero celeste in assenza di ostruzioni e di irraggiamentosolare diretto (E0) con misure fatte nello stesso momento

(%) 1000

int ⋅=EEFLD

E0

Eint

Metodo di calcolo del fattore puntuale di luce diurnap

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.)

C t Rifl E t t- Componente Riflessa Esternamente

L t ti ti t lt h ft ifi i diff tiLe tre componenti possono essere stimate, oltre che con software specifici, con differenti metodi grafici, analitici o tabulari.

In ogni caso è necessario porre delle ipotesi sul modello adottato per descrivere la di t ib i d ll l i d l i ldistribuzione della luminanza del cielo.

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.q

Con il cielo sereno la distribuzione della radianza è funzione dell'angolo di galtitudine del sole.

Ciò può produrre un gradiente di illuminazione minore o maggiore di quello che si ha con cielo copertosi ha con cielo coperto.

In regioni dove prevalgono condizioni meteorologiche di cielo coperto è indicatoIn regioni dove prevalgono condizioni meteorologiche di cielo coperto, è indicato l’uso dei lucernari che producono una forte luce zenitale.

Modelli di cielo copertop

I più diffusi modelli per descrivere la luminanza del cielo coperto sono:

- cielo a luminanza uniforme- cielo a luminanza uniforme

- cielo a luminanza standard CIE

Il i l l i t d d CIEIl cielo a luminanza standard CIEipotizza 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.

( )3

zscos21LL zp+

=

Lp = luminanza nel punto p;

Lz = luminanza allo zenit;

Z l it l h i di id l i iZs = angolo zenitale che individua la posizione del sole.

Confronto tra ipotesi di cielo uniforme e di cielo CIEp

Rilievi sperimentali di luminanza di cielo serenop

Metodo di calcolo del fattore medio di luce diurna

( )f

mtAFLD ψ⋅ε⋅⋅

= ( )mtotm r1A −

Af è l’area della superficie della finestra, escluso il telaio;

t è il fattore di trasmissione luminosa del vetro;

è il f tt fi t t ti d ll i i di lt l t i t d l b i tε è il fattore finestra, rappresentativo della posizione 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 t è l’ t t l d ll fi i h d li it l’ bi tAtot è l’area totale delle superfici che delimitano l’ambiente;

rm è il fattore medio di riflessione luminosa delle superfici che delimitano l’ambiente;

ψ è il fattore di riduzione del fattore finestra.ψ è il fattore di riduzione del fattore finestra.

Calcolo della superficie vetrata Af(Quando non sia nota la superficie precisa dell’area vetrata dell’infisso)(Q p p )

Af = 0,75 · Ai

Ai = area totale dell’infisso

Calcolo del coefficiente di trasmissione luminosa del vetro t(Quando non sia noto il livello di pulizia dell’infisso)

t = 0,9·τ

Le caratteristiche dei materialiCoefficiente di riflessione luminosa di alcune finiture

C ffi i t di t i i l i di l i t iCoefficiente di trasmissione luminosa di alcuni vetri

Correzione per condizioni di pulizia del vetro

Calcolo del fattore finestra ε

Calcolo del fattore finestra ε

H-hOstruzioni che occupano la parte bassa delpanorama

21 αε sen−

=α = angolo piano di altitudine che sottende la parte ostruita di cielo

α

h

H

La

panorama

2

Ostruzioni che occupano la parte alta del panorama

2αε

sen= α2 = angolo piano che sottende la parte

i ibil di i lHα2

Ostruzioni che occupano la parte alta del panorama

2 visibile di cieloL

Ostruzioni che occupano sia la parte alta che quella bassa del panorama

αα sensen2

2 ααε

sensen −=

Calcolo del fattore riduttivo ψψ

Valori limite del fattore di luce diurnasecondo la legislazione vigente

Ambienti residenziali (D.M. 5/7/75)

• Locali di abitazione: 2% (inoltre la superficie finestrata apribile non deve essere i f i 1/8 d ll fi i d l i t )inferiore a 1/8 della superficie del pavimento)

Ambienti ospedalieri (Circ. 13011 22/11/74)

• Ambienti di degenza diagnostica laboratori: 3%• Ambienti di degenza, diagnostica, laboratori: 3%

• Palestre, refettori: 2%

• Uffici spazi per la distribuzione scale: 1%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%Ambienti ad uso didattico (aule per lezione, studio, lettura, disegno ecc.): 3%

• Palestre, refettori: 2%

• Uffici, spazi per la distribuzione, scale, servizi igienici: 1%p p g