Simulazione e calcolo - ERCO€¦ · simulare la luce in modo fisica-mente corretto. E Guida...

376Edizione: 05.12.2006 | Versione attuale su www.erco.com

E GuidaSimulazione e calcolo

La simulazione ed il calcolo della luce sono diventati parte costi-tuente della progettazione illu-minotecnica e consentono degli sviluppo creativi di soluzioni luminose al computer. L‘impiego va dalla valutazione di concezioni sperimentali fino alle presentazio-ni fotorealistiche. Le procedure di calcolo consentono analisi quanti-tative per il controllo degli illumi-namenti necessari. La conoscenza dei fondamenti tecnici facilita un impiego efficiente di questi strumenti.

Introduzione alla simulazione

Esempi di progetta-zione

CalcoliSimulazione della luce

Dati di progettazione


Gli architetti ed i progettisti illuminotecnici utilizzano diver-si metodi per rappresentare le idee ed i dettagli tecnici e per comunicare con gli altri soggetti che partecipano al progetto. Già nella fase dello sviluppo si pos-sono confrontare le concezioni in modo esaustivo e si possono prendere le decisioni necessarie per la fase di realizzazione. A partire dagli anni '80 la tecno-logia digitale della simulazione ha superato gli affermati metodi degli schizzi, della produzione di modelli, campioni e disegni.

E GuidaSimulazione e calcoloIntroduzione alla simulazione

Valutazione e presentazione

Simulazione quanti-tativa e qualitativa

Simulazione ed elaborazione grafica

Simulazione e realtà Processo di progettazione

Interazione


Valutazione e presentazione Come nella modellistica si distin-gue tra il modello di lavoro ed il modello di presentazione, anche nel settore della simulazione si ha una distinzione simile. Il modello di lavoro facilita il processo di sviluppo con diverse varianti abbozzate. Al contrario il modello di presentazione è molto attento al dettaglio. Gli schizzi, i disegni digitali o le foto ritoccate costi-tuiscono per la progettazione luminosa delle veloci tecniche di visualizzazione. Per gli ulteriori studi sono poi possibili una prima simulazione grezza senza la preci-sa definizione dei materiali e degli apparecchi. Nella fase successiva si può poi realizzare una simula-zione con superfici ed apparecchi realistici, con dati fotometrici precisi per la progettazione in dettaglio e per la presentazione.


Simulazione ed elaborazione grafica

In genere la simulazione viene associata con modelli in 3D e con una precisa illustrazione dell‘ef-fetto luminoso. Per le visualizza-zioni schematiche si impiega inve-ce spesso l‘elaborazione digitale delle immagini in rappresentazioni in due o tre dimensioni. Queste hanno il vantaggio dell‘astrazione e della veloce realizzazione. Se l‘ambiente da illuminare è molto complesso questo metodo ha però dei limiti perché non fornisce qua-si alcuna informazione sugli stan-dard e sulle geometrie complesse, necessari per una progettazione dettagliata.

Simulazione quantitativa e qualitativa

La simulazione nella progetta-zione illuminotecnica compren-de due campi. La simulazione quantitativa mira ad ottenere dei valori numerici fisicamente corretti per controllare il rispetto delle luminanze e degli illumina-menti previsti nelle normative. La simulazione qualitativa invece porta in primo piano l‘atmosfera dell‘ambiente. Il progettista illu-minotecnico può così comunicare la sua idea estetica del progetto di illuminazione.



Simulazione e realtà Spesso la qualità delle simulazioni viene misurata sulla sua attinenza alla realtà e ci si pone la domanda se il rendering sia fisicamente cor - retto o se la rappresentazione sia fotorealistica. Il criterio dei dati fisicamente corretti si rifà ai valori numerici della simulazione quan-titativa. La rappresentazione su di un monitor o una stampa a colori su carta non potranno mai ren-dere la stessa impressione di un ambiente reale. Come un fotogra-fo regola l‘esposizione con l‘aper-tura e la chiusura del diaframma, anche nella produzione di un ren-dering si dovrà prendere la stessa decisione per la rappresentazione. A ciò si unisce il contrasto del media utilizzato. Nè una stampa a colori nè una rappresentazione sullo schermo o un‘immagine proiettata di un Beamer può ren-dere correttamente i reali contra-sti di luminanza. L‘impressione fotorealistica di una simulazione di qualità deriva piuttosto dalla rappresentazione precisa degli effetti di luce, come ad esempio l‘alternarsi di luci ed ombre o la riflessione della luce sulle superfici.

Interazione Per vedere le modifiche diretta-mente nella fase di elaborazione l‘utente impiega volentieri una simulazione interattiva. All‘attua-le stato della tecnica i program -mi possono offrire solo una dato livello di interazione. Ciò dipende molto dalle capacità dell‘hard-ware. In genere i programmi rappresentano interattivamente le modifiche alle geometrie, la variazione del punto di vista, delle texture e le semplici modi-fiche alle sorgenti luminose e alle carat teristiche dei materiali. Attualmente non si possono ese-guire interattivamente le modi-fiche delle specchiature, delle ombre complesse e della luce indiretta.



Processo di progettazione Per una simulazione efficiente della luce nel processo di proget-tazione è decisivo un adeguato livello di definizione dei dettagli ed una collaborazione con uno specialista. Stabilendo l‘entità dei dettagli si determinano i tempi ed i costi del progetto. Per la rea-lizzazione della simulazione della luce lo studio di progettazione può scegliere tra la realizzazione interna o la delega ad uno specia-lista esterno. La soluzione interna consente di realizzare il rendering parallelamente al processo di pro-gettazione. Nelle simulazioni più complesse lo scambio di informa-zioni con lo specialista esterno diventa inoltre piuttosto labo-rioso. D‘altra parte lo specialista esterno ha maggiore esperienza, può produrre più velocemente dei risultati e ridurre quindi i costi per lo studio di progettazione. La simulazione della luce in sé può essere suddivisa in quattro fasi: la modellazione delle geome-trie, la definizione dei materiali, l‘illuminazione del modello ed il processo di rendering.


La simulazione della luce si è affermata come un metodo utile per visualizzare e controllare l‘il-luminazione. Richiede dapprima l‘esecuzione di alcune fasi del progetto che precedono il proces-so di rendering: L‘idea di base e gli schizzi, il modello CAD in 3D e la specificazione delle sorgenti luminose e delle caratteristiche delle superfici. Per una simulazio-ne luminosa professionale l‘uten-te impiega dei programmi spe-ciali, come 3ds viz/max o DIALux. La maggior parte dei programmi CAD non sono invece in grado di simulare la luce in modo fisica-mente corretto.

E GuidaSimulazione e calcoloSimulazione della luce

Modello tridimensionale

LuceSuperfici

Rendering HardwareValutazione

Software Sviluppi


Alla base di una simulazione si hanno i dati tridimensionali di un ambiente, dai quali viene cal-colata una sua immagine. I dati in 3D possono provenire da nor-mali programmi CAD o da altre applicazioni speciali. Se lo studio di progettazione lavora già con dei dati in 3D, questi potranno essere importati nel software per la simulazione della luce. Quanto più dettagliato è il modello in 3D, tanto maggiore sarà la qualità della simulazione della luce, ma tanto maggiore sarà anche il tempo necessario per calcolarla.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceModello tridimensionale

Esportare ed importare

GeometriaTopologia


Esportare ed importare Se si ha un modello in 3D rea-lizzato con un altro programma, diverso da quello della simulazio-ne della luce, sarà possibile tra-sferire i suoi dati con le funzioni di import ed export. Siccome i modelli in 3D contengono dei dati complessi, l‘utente deve tener con to degli errori ed ese-guire delle correzioni manuali. Si consiglia quindi di eseguire le operazioni di export con i forma -ti più comuni. Dei formati tridi-mensionali CAD molto utilizzati sono ad esempio i formati DWG, DXF e 3DS.

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Topologia I programmi CAD funzionano sempre di più con funzioni in grado di generare le componenti delle costruzioni, ad esempio le colonne o i soffitti. Spesso non è chiaro se compongano gli ele-menti come delle superfici o come dei volumi. Nei programmi di simulazione l‘utente si confronta con gli elementi tridimensionali fondamentali senza avere delle indicazioni sulla loro costruzione: punto, linea, superficie e perpen-dicolare: il punto con le coordina-te X, Y e Z, la linea tra due punti e la superficie derivante da tre punti. La normale è perpendicola-re alla superficie e ne indica il lato anteriore. Dopo l‘esportazione da un programma CAD che genera le componenti delle costruzioni l‘utente deve considerare una struttura diversa per la modifica delle geometrie in un programma di simulazione.

GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceModello tridimensionale


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Geometria Siccome i modelli CAD rispondo-no ad altre esigenze rispetto ai modelli per la simulazione della luce, spesso nelle simulazioni si hanno dei problemi dovuti alle geometrie dei modelli. Se in un programma CAD la costruzione di tutti le funi metalliche della rin - ghiera di una scala come cilindri ad alta risoluzione non costituisce un problema, il calcolo delle super-fici dei cilindri nel Rendering si rivela molto complicato. L‘utente dovrà tenerne conto già nella costruzione del modello in 3D e nelle impostazioni per l‘esporta-zione. Le simulazioni richiedono comunque una gran de quantità di calcoli, ma con l‘ottimizzazione delle geometrie si può ridurre sensibilmente la complessità per la simulazione dell‘illuminazione. Ponendo le geometrie piccole ma ricche di dettagli su di un Layer disattivato si possono ridurre i tempi di calcolo. Si consiglia inol-tre una struttura di Layer basati sui materiali per dei veloci calcoli intermedi.

GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceModello tridimensionale


L‘osservatore riconosce i materiali dalla definizione delle caratteristi-che della sua superficie. Nei pro-grammi di simulazione si possono eseguire delle impostazioni sem-plici o complesse, a seconda del livello qualitativo desiderato.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSuperfici

Shading Texture


Shading Il termine inglese «Shading» signi-fica ombreggiatura. Con uno sha-der l‘utente definisce le qualità illuminotecniche delle superfici assegnando loro colore, grado di riflessione e trasparenza. Questi parametri determinano l‘impres-sione che la luce crea sull‘oggetto e le influenze sull‘ambiente circo-stante. L‘effetto luminoso deter-minato dalle caratteristiche dei materiali dipende sempre dal tipo e dalla posizione delle sorgenti luminose e diventa visibile solo come risultante della combinazio-ne dei fattori di ombreggiatura e di illuminazione. Così i punti luci-di sulle superfici riflettenti varia-no a seconda della luce e delle sorgenti luminose.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSuperfici

Texture Per non rappresentare un oggetto con un unica tonalità cromatica si devono assegnare delle texture alle superfici. In questa tecnica definita «Mapping» si possono utilizzare come elementi dei cam-pioni grafici astratti o delle foto. I programmi di simulazione sono dotati di un‘ampia biblioteca di campioni di materiali, come ad esempio legno o calcestruzzo a vista. Con delle speciali procedure di Mapping (Bump Mapping) si possono modificare le microstrut-ture per dare un‘impressione di superfici tridimensionali.Le foto creano un effetto molto realistico, che può essere asse-gnato alle superfici come texture. Per ottenere una buona qualità la foto deve avere un‘elevata defini-zione, deve essere scattata il più frontalmente possibile, non deve avere dei riflessi luminosi o degli specchi e non deve rappresentare un‘immagine distorta da lenti.


Quando il progettista vuole dare una sensazione immediata dell‘at-mosfera di un ambiente la luce costituisce uno dei più importanti fattori della visualizzazione. Essa è una componente essenziale della percezione dell‘ambiente e determina l‘interpretazione che le persone danno agli spazi e agli oggetti. La simulazione della luce nei modelli tridimensionali con procedure di rendering richiede molto tempo. L‘utente può fare ricorso alle sorgenti luminose standardizzate o lavorare con serie di dati digitali per la raffi-gurazione di apparecchi reali.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceLuce

Luce diretta Luce indiretta Sorgenti luminose

Luce diurna



Luce diretta Con la luce diretta il raggio di luce va direttamente dalla sor-gente luminosa alla superficie illuminata. Se non ci sono osta-coli al raggio di luce, il punto sulla superficie viene considerato illuminato. Il calcolo della luce diretta richiede una quantità di calcoli limitata ed era già possi-bile all‘inizio degli sviluppi della grafica computerizzata. Presenta però delle forti limitazioni, in quanto non tiene conto della luce indiretta: una stanza illuminata con un washer per soffitti sareb-be quindi completamente buia, tranne che per l‘area del soffitto investita dalla luce diretta.

Luce indiretta La luce indiretta deriva dalla rifles-sione della luce su di una super-ficie. Il grado di riflessione della superficie ed il grado di dispersio-ne, in genere idealizzato, deter-minano la luce riflessa indiretta. Per dare un‘impressione realistica di un ambiente si devono calco-lare quante più interriflessioni possibili, in modo da ottenere una distribuzione naturale della luce nell‘ambiente stesso. Solo negli anni '90 i progressi tecnologici a livello di hardware hanno reso possibili questi calcoli complessi. Il calcolo della luce indiretta viene detto anche «Global Illumination».


Sorgenti luminose Distribuzione della luce

Nei programmi di simulazione si hanno delle sorgenti luminose generiche: luce accentuata, pun-tuale, diffusa o solare. La rappre-sentazione di apparecchi speciali richiede però un'interfaccia che consenta di importare i dati sulle caratteristiche di distribuzione del-la luce degli apparecchi. Queste serie di dati sono messe a disposi-zione dalla maggior parte dei pro-duttori di apparecchi e descrivono le specifiche caratteristiche di distribuzione di ciascun apparec-chio. Il formato IES è il formato internazionale generalmente uti - lizzato. Senza tali file non si pos-sono calcolare correttamente gli apparecchi, ad esempio quelli con una distribuzione asimmetrica della luce, come i wallwasher o i washer per soffitti. L‘impiego di accessori come le lenti per scul-ture influisce sulla distribuzione della luce e richiede quindi un file a sé stante.

Luce diurna La luce diurna con luce solare direttamente incidente o con la luce diffusa del cielo coperto con - ferisce alle simulazioni un‘imma-gine molto realistica. Pur essendo la luce diurna semplice da calco-lare per le presentazioni e gli stu -di sulle ombreggiature, l‘analisi quantitativa è molto complessa. Per ottenere dei risultati precisi sull‘abbagliamento nelle postazio-ni di lavoro e per la trasmissione del calore a seconda delle diverse vetrate e schermature solari sono necessari dei software speciali e degli strumenti di analisi specifici.


Sorgenti luminoseModello tridimensionale

Se l‘utente non desidera limitarsi ad una simulazione quantitativa della luce ma vuole anche rap-presentare l‘effetto degli appa-recchi nell‘ambiente, ha bisogno dei modelli tridimensionali degli apparecchi. Alcuni produttori di apparecchi mettono a disposi-zione a tal fine degli apparecchi cosiddetti virtuali, che racchiudo-no la geometria tridimensionale dell‘apparecchio, le caratteristiche delle sue superfici, gli assi di rota-zione funzionali e la distribuzione luminosa. Con la cinematica inver-sa si possono allestire i faretti in modo veloce e realistico: l‘utente orienta la distribuzione della luce nell‘ambiente e gli elementi mobili degli apparecchi vengono inseriti di conseguenza.


Con il cosiddetto Render-Engine si possono generare delle imma-gini fotorealistiche da un modello tridimensionale. Ogni programma di simulazione è dotato di specia -li processi di rendering, ciascuno con i suoi vantaggi e svantaggi. L‘esperienza insegna che, visti i progressi nelle prestazioni degli hardware, ogni 3-4 anni vengono sviluppati dei nuovi tipi di calco-lo. Anche se l‘ottimizzazione dei programmi di simulazione pro-cede intensivamente, la qualità del rendering dipende anche e in modo consistente dalle capacità dell‘utente.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceRendering

Radiosity Photon mapping Raytracing



RadiosityNel calcolo dell‘illuminazione con processi Radiosity i raggi luminosi partono dalle sorgenti luminosi e vengono riflessi quando incon-trano una superficie. Questo processo continua in un dato numero di ite razioni e tiene conto anche della luce riflessa di altre superfici. Un vantaggio significativo di Radiosity consiste nella memoriz-zazione delle caratteristiche della luce in una rete basata sulla geo-metria del modello. Si può così successivamente variare il punto di vista senza dover eseguire di nuovo i calcoli. Come svantaggio con Radiosity si ha l‘effetto di allungamento dei tempi di calcolo dovuto ai dettagli, alle sfere o alle scene comples-se che richiedono una quantità molto elevata di poligoni. Sele-zionando una rete relativamente grezza di valori luminosi per velo-cizzare il calcolo si possono avere invece degli errori nel calcolo del-

Photon mapping Il Photon Mapping funziona in modo simile al processo di Ray-tracing. Mentre il Raytracing funziona con raggi che partono dall‘occhio, il Photon Mapping impiega i raggi che partono dalla sorgente luminosa. Il Photon Mapping funziona con particelle virtuali, cosiddetti «fotoni», dai quali la luce irradia nello spazio. Se incontrano una superficie ven - gono riflessi ed i valori luminosi vengono memorizzati. Una car-tina a sé stante (Photon Map) memorizza le impostazioni dei fotoni. Non è quindi legata alle geometrie e può essere impiega-ta per le simulazioni con calcoli distribuiti sulla rete. La posizione del punto di vista può essere modi-ficata senza eseguire nuovamente i calcoli – sebbene questa proce-dura non sia possibile interattiva-mente.

la distribuzione luminosa.Radiosity è stato uno dei primi processi di calcolo della luce e si è diffuso molto per la sua capa-cità di calcolare l‘illuminazione indiretta diffusa. Se nell‘animazio-ne di un modello architettonico si modifica solo il punto di vista ma non l‘illuminazione, basta un unico calcolo per avere a disposi-zione le diverse prospettive.

Quanti più fotoni presenta il mo--dello, tanto più accurate saranno le transizioni nel Rendering e tanto maggiore sarà la quantità di calcoli da eseguire. Dopo una determinata quantità di riflessio-ni la cartina dei fotoni ha la pre-cisione desiderata. In un ulteriore processo si possono fondere i punti con un‘ulteriore procedura di calcolo detta Gathering. Il Photon Mapping serve come base per successive procedure di calcolo. Per rappresentare al meglio i dettagli lo si impiega in combinazione con il Raytracing. Un metodo basato esclusivamen-te sul Raytracing può essere più dispendioso nei modelli con sor-genti luminose molto piccole e molto forti.


RaytracingIl calcolo della luce con Ray tracing, detto anche Monte Carlo Ray-tracing, a differenza di Radiosity e Photon Mapping, non parte dai raggi luminosi emessi dalle sor-genti luminose. I raggi partono invece dal punto di vista ed arri-vano al modello ed alle sorgenti luminose. Quando i raggi che partono dal punto di vista incon-trano una superficie, si controlla se vi sono altri raggi che la illu-minano, se riflette la luce o se è in ombra. Il risultato per ciascun punto viene rappresentato come un pixel dell‘immagine. Maggiori sono la risoluzione selezionata per l‘immagine e il numero delle superfici riflettenti, maggiore il numero di raggi e quindi la com-plessità del calcolo della simula-zione. Il vantaggio del Raytracing con-siste nella rappresentazione preci - sa dei dettagli e delle ombre. Sic-come questo modo dipende dal


piano scelto per l‘immagine, una modifica del punto di vista e della direzione dello sguardo richiede un nuovo calcolo. Le scene con molti contrasti sono critiche, in quanto le radiazioni incidenti partono dal punto di vista e delle sorgenti di luce, come ad esem-pio delle piccole finestre in una grande parete, potrebbero essere tralasciate nel calcolo.


Così come si può valutare la qua-lità delle foto in base a dei criteri tecnici, così i progettisti possono controllare che i rendering non abbiano errori. Se la prima im--pressione spesso è decisiva per il giudizio estetico e la naturalez-za degli effetti luminosi nell‘am-biente, per una valutazione tec-nica ci sono invece diversi criteri da applicare. Al desiderio di un‘im-magine il più possibile precisa si contrappone il dispendio per una modellazione dettagliata ed i tem-pi di calcolo più lunghi. Per ogni simulazione si deve trovare un compromesso di buonsenso tra la precisione e la velocità.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceValutazione

Rappresentazione in immagini

Artefatti


Rappresentazione in immagini Nella valutazione della rappresen-tazione sono di primaria importan-za gli aspetti estetici. Scegliendo tra prospettiva isometrica, centra-le o a due punti si sceglie tra un taglio geometrico ed uno realisti-co. Anche la luminosità comples-siva, il contrasto e la saturazione dei colori consentono una rappre-sentazione realistica. Un‘accurata definizione delle superfici crea un effetto quasi fotografico.



Artefatti Una buona impostazione nel calcolo delle immagini può essere controllata valutando la realiz-zazione dei dettagli. Se le linee curve mostrano degli effetti alia-sing, come spigoli e linee troppo grezze, ciò è indice di un’ecces-siva riduzione delle capacità di calcolo.Spesso si possono ridurre sensi-bilmente i tempi di calcolo pren-dendo solo dei punti campione e livellandoli tra loro. Questa soluzione non viene notata sulle superfici piane, ma sulle forme piccole e complesse viene perce-pita come un errore. La rilevanza di questa operazione è maggiore per i dettagli con contrasti di luminanza. Lo stesso problema lo si ha con gli andamenti della luminanza sugli spigoli degli ele-menti o le ombre troppo leggere di una scultura quando le ombre di un ambiente vengono interpo-late eccessivamente. Una griglia troppo grezza, così come un calcolo non ottimale delle componenti, conducono a distribuzioni della luce errate, per le quali ad esempio la luce viene irradiata attraverso la parete o il soffitto.


Ambiente con pochi punti campione

Ambiente con punti campione sufficienti

Ombre con forte interpolazione Dettaglio delle ombre con forte interpolazione

Ombre con buona interpolazione Superfici con pochi punti campione


E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceHardware

La maggiore velocità di calcolo di un hardware veloce è più chiara nella simulazione dell‘illuminazio-ne che non in altre applicazioni, quali la comunicazione o l‘elabo-razione di testi. Per un processo di simulazione efficiente sono decisive le qualità del processore, della memoria e della scheda grafica.

Processore Memoria di lavoro Scheda grafica


E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceHardware

Processore Il processore (CPU, Central Pro-cessing Unit) è responsabile delle capacità di calcolo. Se la velocità di un processore è doppia rispetto a quella di un altro, il tempo di calcolo per un rendering si dimez-za. Oggi si consigliano i proces -sori duali. Alcuni centri di calcolo sono dotati di più di una CPU. Per i compiti più complessi l‘utente può collegare diversi computer in rete per distribuire i compiti di calcolo.

Memoria di lavoro La memoria (RAM, Random Access Memory) non è diretta-mente collegabile alla velocità di calcolo. In prima linea decide le dimensioni della scena da ela-borare, prima che i dati vengano fissati sul disco rigido. Questo processo di scrittura è lento e blocca il processo di rendering. Siccome questa dipendenza non è lineare, la capacità diminuisce in modo sensibile al di sotto di un dato valore limite. Se il calcolo deve ricorrere spesso al supporto del disco rigido, si rende necessa-ria un‘espansione della memoria di lavoro.

Scheda grafica La scheda grafica determina il grado delle interattività possibili con i modelli 3D, in particolare per gli oggetti testurizzati. La scheda grafica non ha molto a che fare con l‘effettiva velocità di calcolo. Alcuni sviluppi lascia-no però intendere che la scheda grafica verrà utilizzata in futuro anche per le simulazioni.


E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSoftware

Per la simulazione dell‘illumina zio-ne si dispone di un‘ampia scelta di programmi. La varietà di software va da una veloce analisi quantita-tiva ad una visualizzazione di qua - lità. L‘utente può riconoscere nel manuale se si tratti di una simu-lazione dell‘illu minazione fisica-mente corretta verificando se il programma supporti Global Illu-mination o Radiosity ed i formati IES o Eulumdat. In tal caso l‘uten-te può comporre i dati fotometrici con i rispettivi dati DXF 3D.

DIALux Autodesk Radiance


DIALux DIALux è un programma di proget-tazione illuminotecnica gratuito per il calcolo e la visualizzazione. Il programma è stato realizzato dal Deutschen Institut für Ange-wandte Lichttechnik (Istituto Tedesco per le Applicazioni Illu-minotecniche, DIAL). Il software DIALux consente un‘analisi quan-titativa di un progetto in modo semplice e veloce ed è dotato di una semplice funzione di visua-lizzazione tridimensionale. Il formato di dati ULD per gli appa-recchi comprende le geometrie tridimensionali degli apparecchi, la distribuzione della luce ed una descrizione degli articoli. I moduli PlugIn dei produttori di apparec-chi comprendono degli ulteriori dati di progettazione quali i fatto-ri di manutenzione e i valori UGR.Per ulteriori informazioni sul soft-ware DIALux: www.dialux.com

Autodesk La Autodesk ha realizzato con il software VIZ un programma di alto livello per la visualizza-zione. I dati degli apparecchi per Autodesk VIZ o per 3ds Max comprendono dei modelli tridi-mensionali degli apparecchi, per le caratteristiche delle superfici e delle tessiture e per la mobilità delle componenti (Inverse Kine-matic). Con l‘Inverse Kinematic bastano poche impostazioni per orientare i faretti. Per la simula-zione della luce sono necessari degli ulteriori dati fotometrici. Nello Autudesk VIZ o nel 3ds Max è possibile un calcolo della radio-sità per una simulazione della luce fisicamente corretta.

Radiance Radiance è un programma pro-fessionale di Berkeley Lab per la simulazione della luce. L‘ampia scelta di strumenti di calcolo e di analisi richiede delle conoscenze molto ampie dei sistemi operativi e dei comandi Shell e per questo viene in genere utilizzato nei cen-tri di ricerca e nelle imprese alta-mente specializzate. Vista la sua complessità, questo programma non è adatto ad una rappresenta-zione veloce di una progettazione luminosa di qualità. Con i dati IES degli apparecchi di illuminazione si può ottenere una simulazione della luce corretta in termini fisici.

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSoftware

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Edizione: 01.03.2010 | Versione attuale su www.erco.com

E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSviluppi

La visualizzazione tridimensiona-le, in confronto ad altre tecnolo-gie come la fotografia digitale o il Desktop Publishing, non è per niente ad uno stato maturo. Nel giro di pochi anni si potrebbero avere delle innovazioni che modi-ficheranno sensibilmente i proce-dimenti di calcolo. Lo sguardo per alcune aree di sviluppo è rivolto alla simulazione della luce.

HDR Spettro luminoso Rendering in tempo reale

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E GuidaSimulazione e calcolo | Simulazione della luceSviluppi

HDRL‘espressione HDR sta per «High Dynamic Range» e descrive un formato tecnico in grado di memo-rizzare e visualizzare un elevato contrasto di luminanza. Gli odier - ni apparecchi di output grafico funzionano in gran parte come «Low Dynamic Range» con 255 gra-di di canali cromatici RGN (8 bit). In una scena con contrasto di lumi-nanza molto grande, ad esempio per la presenza del sole, ci posso-no avere zone 100.000 volte più luminose delle zone in ombra. Se si salva l‘imma gine come file .tif o .jpg, il contrasto viene compresso ed il sole è solo 255 volte più chia-ro delle ombre. Nell‘immagine il sole ed un vaso bianco possono essere entrambe bianchi e quindi il reale contrasto di luminanza non viene reso correttamente. Siccome nelle immagini in forma-to HDR (32 bit) tutta la gamma di contrasti viene mantenuta, si hanno nuove possi bilità per la

Spettro luminoso La qualità della resa cromatica in genere non è riproducibile nei moduli di simulazione, in quanto non sono ancora disponibili dati e programmi dotati di tale funzio-ne. Il software attualmente non calcola tutto lo spettro visibile del-la luce, ma solamente determinati segmenti: rosso, verde e blu. Sic-come i diversi tipi di lampade non hanno lo stesso spettro luminoso si hanno diverse rese cromatiche che non possono essere rappre-sentate dai programmi di simu-lazione. Al livello attuale della tecnologia non è quindi possibile esprimersi ad esempio sulla resa cromatica dei prodotti tessili in un negozio dotato di una determi-nata illuminazione. Delle future funzioni in tal senso renderebbero possibile l‘ulteriore definizione sia delle sorgenti luminose che delle superfici in relazione al loro spettro cromatico.

Rendering in tempo reale Nelle simulazioni si ha sempre un lasso di tempo tra l‘inserimento dei dati ed il risultato. D‘altra par-te si cerca sempre di eseguire il calcolo in tempo reale. Già oggi numerose funzioni possono essere rappresentate in tempo reale. I progressi tecnici vanno però spes-so in direzione di una maggior qualità della rappresentazione, e questo a scapito della velocità di calcolo. Un impulso viene dato dalle tecniche in tempo reale dei giochi per computer, per i quali l‘interazione modifica diretta-mente le immagini sullo schermo. L‘utente nei giochi per computer assiste a dei complessi processi di calcolo comuni anche nella

simulazione dell‘architettura. Nei giochi i produttori di programmi di rendering sviluppano soluzioni che sfruttano le crescenti poten-zialità delle funzioni hardware delle schede grafiche.

simulazione dell‘illuminazione o il rendering. Se già oggi questa sta diventando la prassi, lo sviluppo dei monitor che supportano il formato HDR porterà questa tecnologia a migliorare qualita-tivamente. Nel medio termine il formato HDR sostituirà gli odierni formati per immagini. Il formato per immagini RAW è già un primo passo in questa direzione.

Distribuzione relativa dello spettro Lampade ad incandescenza

Distribuzione relativa dello spettro Lampade a scarica ad alta pressione


La progettazione di impianti di illuminazione richiede tutta una serie di calcoli tecnici ed econo-mici. Questi si rifanno di regola ai livelli di illuminazione media o ad illuminamenti esatti nei sin-goli punti dell‘ambiente. Inoltre possono essere significativi la luminanza delle singole parti dell‘ambiente, le caratteristiche qualitative dell‘illuminazione, quali le ombre e la resa dei con-trasti o i costi degli impianti di illuminazione, incluse le spese di manutenzione.

E GuidaSimulazione e calcoloCalcoli

Potenza allacciata Fattore di manutenzione

Illuminamento puntuale

Procedura UGR Costi di illuminazione Procedura di rendimento


Nella progettazione basata sulla potenza di allacciamento, dati gli apparecchi e le sorgenti luminosi, si fornisce la potenza di allaccia-mento o il numero di apparecchi necessari per ottenere l‘illumina-mento desiderato. In alternativa si può calcolare l‘illuminamento medio partendo dalla potenza allacciata e dalle sorgenti lumi-nose. La progettazione basata sulla potenza allacciata trova applicazione nella progettazione di moduli regolari di apparecchi. Per una progettazione indicativa dell‘illuminazione i produttori di apparecchi forniscono delle tabelle per calcolare gli illumina-menti in funzione del numero di apparecchi.

E GuidaSimulazione e calcolo | CalcoliPotenza allacciata

Numero degli apparecchi

Illuminamento

404

Specifications 22227.000 Connected load of one luminaire P: 66.0 WConnected load per 100lxP*: 2.81 W/m2

Em Maintained value of illuminance DIN EN 12464

f Correction factor from separate correction table 0.93

MF Maintenance factor, reference value 0.80

Example with P*

Em · a · b · P*n = P · f · MF

500lx · 12m · 14m · 2.81W/m2

n = 66W · 0.93 · 0.81 · 100lx

n = 48

Specifications 22227.000 Connected load of one luminaire P: 66.0 WConnected load per 100lxP*: 2.81 W/m2

Em Maintained value of illuminance DIN EN 12464

f Correction factor from separate correction table 0.93

MF Maintenance factor, reference value 0.80

Example with P*

n · P · f · MFEm = a · b · P*

48 · 66W · 0.93 · 0.80 · 100lxEm = 12m · 14m · 2.81W/m2

Em =499


Numero degli apparecchi Il calcolo del numero di apparec-chi necessari per un dato illumina-mento si basa sui valori dati della potenza allacciata per apparec-chio e per 100lx. Un‘altra misura da considerare è il fattore di manu-tenzione, per poter garantire gli illuminamenti necessari per tutto il tempo in cui l‘impianto è in fun - zione. Siccome i valori sono calco-lati su di un ambiente standard, il calcolo dovrà includere un fattore di correzione per le condizioni differenti.

E

Illuminamento La condizione per calcolare gli illuminamenti ottenuti con un dato numero di apparecchi è la conoscenza della potenza allac-ciata per apparecchio e per 100lx. Con il coinvolgimento del fattore di manutenzione si può ricavare anche il valore della manutenzio-ne dell‘illuminamento. Il valore di manutenzione indica l‘illumi-namento sotto il quale l‘impianto di illuminazione non deve scen-dere. Siccome i valori sono calco-lati su di un ambiente standard, il calcolo dovrà includere un fattore di correzione per le condi-zioni differenti.

GuidaSimulazione e calcolo | CalcoliPotenza allacciata


Con l‘ausilio della legge fotome-trica della distanza si può calco-lare l‘illuminamento nei singoli punti dello spazio. Tale legge si basa sul fatto che l‘illuminamento diminuisce in modo proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente luminosa. In questo cal-colo non si considerano le com-ponenti indirette dell‘illuminazio-ne. Il calcolo dell‘illuminamento puntuale può essere eseguito sia per l‘illuminazione con un singolo apparecchio che per più apparec-chi. Per applicazioni molto limita-te, con apparecchi singoli, è pos-sibile anche un calcolo manuale. In presenza di diversi apparecchi e punti si hanno invece dei pro-grammi per la progettazione illu-minotecnica che tengono conto anche dell‘illuminazione indiretta. I programmi possono fornire gli illuminamenti per tutte le super-fici che delimitano l‘ambiente e per i piani di lavoro. Per la rap-presentazione grafica si hanno diagrammi isolux o la rappresen-tazione a falsi colori.

E GuidaSimulazione e calcolo | CalcoliIlluminamento puntuale


Per garantire l‘illuminamento necessario nel tempo la proget-tazione illuminotecnica prevede il calcolo di un fattore di manu-tenzione MF (Maintenance Factor) che valuti i cali dei flussi luminosi di un impianto di illuminazione. Il valore da nuovo dell’illuminamen-to di un impianto viene quindi calcolato sulla base del valore di manutenzione dell’illuminamento e del fattore di manutenzione. Il piano di manutenzione fissa degli intervalli di pulizia degli apparec-chi e dell‘ambiente e gli intervalli per la sostituzione delle lampade. Il valore di manutenzione dell‘illu-minamento dipende quindi dagli apparecchi, dalle lampade e dalle condizioni dell‘ambiente.

Fattore di manuten-zione dell'apparecchio

Fattore di manuten-zione del locale

E GuidaSimulazione e calcolo | CalcoliFattore di manutenzione

Fattore di manuten-zione del flusso lumi-noso della lampada

Fattore di durata della lampada

407

Cleaning frequency (a)Environmental conditionsA Open luminairesB Open-top reflectorsC Closed-top reflectors D Closed reflectors E Dustproof luminairesF Luminaires with indirect emission

1 2 3P C N D P C N D P C N D0.96 0.93 0.89 0.83 0.93 0.89 0.84 0.78 0.91 0.85 0.79 0.730.96 0.90 0.86 0.83 0.89 0.84 0.80 0.75 0.84 0.79 0.74 0.680.94 0.89 0.81 0.72 0.88 0.80 0.69 0.59 0.84 0.74 0.61 0.520.94 0.88 0.82 0.77 0.89 0.83 0.77 0.71 0.85 0.79 0.73 0.650.98 0.94 0.90 0.86 0.95 0.91 0.86 0.81 0.94 0.90 0.84 0.790.91 0.86 0.81 0.74 0.86 0.77 0.66 0.57 0.80 0.70 0.55 0.45

1 2 3P C N D P C N D P C N D0.99 0.98 0.96 0.95 0.97 0.96 0.95 0.94 0.97 0.96 0.95 0.940.96 0.92 0.88 0.85 0.93 0.89 0.85 0.81 0.90 0.86 0.82 0.780.94 0.88 0.82 0.77 0.91 0.84 0.77 0.70 0.84 0.78 0.72 0.64

Classification of Environmental ConditionsP (very clean room) pureC (clean room) cleanN (average conditions) normalD (dirty room) dirty

Cleaning frequency (a)Environmental conditionsDirect emissionDirect/indirect emission Indirect emission


Fattore di manutenzione dell'apparecchio

Il fattore di manutenzione del-l’apparecchio LMF (Luminaire Maintenance Factor) tiene conto della diminuzione del flusso lumi-noso in seguito all’imbrattamento dell’apparecchio. Tale fattore è dato dal rapporto tra il livello di rendimento di un apparecchio al momento della pulizia e il valore da nuovo. Il rapporto dipende dal-la forma dell’apparecchio e dalla sua propensione a raccogliere lo sporco. La classificazione LMF viene fornita con gli apparecchi. Per le tabelle di manutenzione si devono stabilire gli intervalli di pulizia ottimali.

Fattore di manutenzione del locale

Il fattore di manutenzione del locale RSMF (Room Surface Main-tenance Factor) tiene conto della diminuzione del flusso luminoso in seguito all’imbrattamento delle superfici che delimitano l’ambien-te. Tale fattore è dato dal rappor-to tra il fattore di riflessione delle superfici del locale al momento della pulizia e il valore da nuovo. Dipende dall’imbrattamento del locale o dalle condizioni ambien-tali e dall’intervallo scelto per la pulizia. Influiscono anche le dimensioni del locale e il tipo di illuminazione (a luce diretta e/o indiretta). Per il fattore di manutenzione del locale si hanno quattro cliassifica-zioni dell‘ambiente: P pure (locale molto pulito), C clean (locale puli-to), N normal (locale con sporco normale) e D dirty (locale molto sporco).


408

2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 200000.95 -- -- -- -- -- -- -- -- --

0.86 0.82 0.75 0.69 0.66 -- -- -- -- --0.99 0.98 0.98 0.97 0.97 0.96 0.96 0.95 0.95 0.94

0.92 0.88 0.85 0.83 0.83 -- -- -- -- --0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0.90 0.89 0.88 0.88

Hours of operation (h)Tungsten halogen lamps/ low-voltageMetal halide lamps High-pressure sodium vapour lampsCompact fluorescent lamps Fluorescent lamps


Fattore di manutenzione del flusso luminoso della lampada

Il fattore di manutenzione del flusso luminoso della lampada, LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor), tiene conto della dimi-nuzione del flusso luminoso in seguito all’invecchiamento della lampada. Tale fattore è dato dal rapporto tra il flusso luminoso della lampada in un determinato momento e il valore da nuovo. Si deve tenere conto dei dati tec-nici attuali del produttore della lampada.


Fattore di durata della lampada

Il fattore di durata della lampada LSF (Lamp Survival Factor) tiene conto della differenza della durata delle singole lampade rispetto alla durata media. Esso dipende dalla durata d’esercizio. Questo fattore deve considerare i dati attuali del produttore delle lampade. Per la sostituzione immediata di una lam-pada difettosa, si pone il fattore di durata LSF = 1. Per il piano di manutenzione di un impianto d’il-luminazione si deve anche definire l’intervallo ottimale per la sostitu-zione delle lampade. Tale interval-lo dipende dall’uso e si determina mediante l’analisi del tempo in cui l’illumi na zione rimane accesa e dalla dura ta media delle lampade scelte.

409

3.3 Practical planning3.3.6 Calculations

the portion of luminous flux emitted bythe light sources, which falls on theworking plane after interaction with lumi-naires and room surfaces. The decidingfactor in this calculation is the utilance,which is derived from the geometry ofthe space, the reflectance of the room sur-faces and the efficiency and the distri-bution characteristics of the luminairesused.

To be able to calculate the appropriateutilance in each individual case, there are tables available, which contain theutilance of a standardised space withchanging room geometry, changing re-flection factors and luminaires with avariety of distribution characteristics. Thebasic, idealised space is presumed to beempty and of regular shape and propor-tions, i.e. rectangular and having the ratioof length to width approx. 1.6 to 1. The luminaires are presumed to be arrangedin a regular pattern on the ceiling, eithermounted directly onto the ceiling or sus-pended from the ceiling. These standar-dised values have a decisive influence onthe accuracy of the calculations for theapplication. If the conditions inherent inthe basic concept are in line with those inthe model space, the results will be rea-sonably accurate. The more the basic con-ditions deviate from the standardisedconditions, e.g. if the lighting layout is distinctly asymmetrical, it must be acceptedthat an increasing number of errors willoccur in the calculation.

When using the utilisation factor method an appropriate utilance table hasto be used for each type of luminaire. Thecorresponding standard luminaire classifi-cation table can be used for this purpose.Luminaire classification in accordancewith DIN 5040 and the German LightingEngineering Society is made up of oneletter and two digits, a combination indi-cates a number of luminaire qualities. The letter defines the luminaire class andindicates whether a luminaire emits light primarily in the upper or lower partof the space, i.e. direct or indirect ligh-ting. The first digit refers to the proportionof luminous flux falling onto the workingplane in the lower part of the space. Thesecond digit indicates the correspondingvalue for the upper part of the space. It isoften not necessary to use the standardtable of luminaire classification, as exacttables are supplied by the lighting manu-facturers.

155

Light output ratio hLB:ratio of the luminousflux emitted by a lumi-nair ÏLe under opera-ting conditions to theluminous flux of thelamp ÏLa.

Utilisation factor method: formula forcalculating the nominal illuminance EN for a given number of lumi-naires or the numberof luminaires n for a given illuminance.

Typical light output ratios hLB for direct luminaires with variouscut-off angles and lamp types.

Luminaire Lamp type hLB

Louvred luminaire 30° T26 0.65–0.75Louvred luminaire 40° T26 0.55–0.65Louvred lumin. square TC 0.50–0.70Downlight 30° TC 0.60–0.70Downlight 40° TC 0.50–0.60Downlight 30° A/QT 0.70–0.75Downlight 40° A/QT 0.60–0.70

EN (lx) Nominal illuminancen Number of luminairesa (m) Length of spaceb (m) Width of spaceÏ (m) Luminous flux per luminairehR UtilancehLB Light output ratioV Light loss factor

ÏLa

ÏLe

æLB = ÏLeÏLa

EN = V . n . Ï . æR . æLBa . b

n = . En . a . bÏ . æR . æLB

1V


the portion of luminous flux emitted bythe light sources, which falls on theworking plane after interaction with lumi-naires and room surfaces. The decidingfactor in this calculation is the utilance,which is derived from the geometry ofthe space, the reflectance of the room sur-faces and the efficiency and the distri-bution characteristics of the luminairesused.

To be able to calculate the appropriateutilance in each individual case, there are tables available, which contain theutilance of a standardised space withchanging room geometry, changing re-flection factors and luminaires with avariety of distribution characteristics. Thebasic, idealised space is presumed to beempty and of regular shape and propor-tions, i.e. rectangular and having the ratioof length to width approx. 1.6 to 1. The luminaires are presumed to be arrangedin a regular pattern on the ceiling, eithermounted directly onto the ceiling or sus-pended from the ceiling. These standar-dised values have a decisive influence onthe accuracy of the calculations for theapplication. If the conditions inherent inthe basic concept are in line with those inthe model space, the results will be rea-sonably accurate. The more the basic con-ditions deviate from the standardisedconditions, e.g. if the lighting layout is distinctly asymmetrical, it must be acceptedthat an increasing number of errors willoccur in the calculation.

When using the utilisation factor method an appropriate utilance table hasto be used for each type of luminaire. Thecorresponding standard luminaire classifi-cation table can be used for this purpose.Luminaire classification in accordancewith DIN 5040 and the German LightingEngineering Society is made up of oneletter and two digits, a combination indi-cates a number of luminaire qualities. The letter defines the luminaire class andindicates whether a luminaire emits light primarily in the upper or lower partof the space, i.e. direct or indirect ligh-ting. The first digit refers to the proportionof luminous flux falling onto the workingplane in the lower part of the space. Thesecond digit indicates the correspondingvalue for the upper part of the space. It isoften not necessary to use the standardtable of luminaire classification, as exacttables are supplied by the lighting manu-facturers.

155

Light output ratio hLB:ratio of the luminousflux emitted by a lumi-nair ÏLe under opera-ting conditions to theluminous flux of thelamp ÏLa.

Utilisation factor method: formula forcalculating the nominal illuminance EN for a given number of lumi-naires or the numberof luminaires n for a given illuminance.

Typical light output ratios hLB for direct luminaires with variouscut-off angles and lamp types.

Luminaire Lamp type hLB

Louvred luminaire 30° T26 0.65–0.75Louvred luminaire 40° T26 0.55–0.65Louvred lumin. square TC 0.50–0.70Downlight 30° TC 0.60–0.70Downlight 40° TC 0.50–0.60Downlight 30° A/QT 0.70–0.75Downlight 40° A/QT 0.60–0.70

EN (lx) Nominal illuminancen Number of luminairesa (m) Length of spaceb (m) Width of spaceÏ (m) Luminous flux per luminairehR UtilancehLB Light output ratioV Light loss factor

ÏLa

ÏLe

æLB = ÏLeÏLa

EN = V . n . Ï . æR . æLBa . b

n = . En . a . bÏ . æR . æLB

1V


Il metodo UGR (Unified Glare Rating), la valutazione unificata dell’abbagliamento conforme a CIE 117, serve a valutare e delimi-tare l’abbagliamento psicologico diretto creato dagli apparecchi luminosi. Contrariamente al metodo applicato in precedenza, in cui si valutava l’abbagliamen-to mediante la luminanza di un singolo apparecchio, ora si cal-cola l’abbagliamento dell’intero impianto di illuminazione per un osservatore in una posizione defi-nita. In conformità con la DIN EN 12464 viene indicato il valore di riferimento UGR per un ambiente standard. I moderni programmi per progettazione illuminotecnica consentono un calcolo esatto dei valori UGR per una posizione del-l‘osservatore definita nello spa - zio. Più piccolo è il valore UGR, minore è l‘abbagliamento. Viene inoltre indicato l’angolo d’eleva-zione di 65°, 75° o 85° per lumi-nanze < 1000 cd/m2. Si tratta in questo caso dell’angolo limite al di sopra del quale l’apparecchio presenta a 360° una luminanza di 1000 cd/m2.

E GuidaSimulazione e calcolo | Calcoli

Procedura UGR

La procedura di rendimento serve a dimensionare indicativamen-te l’impianto di illuminazione. Essa consente di determinare il numero di apparecchi necessari per ottenere l’illuminamento desiderato sul piano di lavoro oppure la determinazione del-l’illuminamento generato dal numero di apparecchi dato. La procedura di rendimento si basa sul fatto che si possono calcolare gli illuminamenti medi orizzontali per un ambiente di dimensioni date partendo dal flusso luminoso complessivo degli apparecchi installati, dal rendimento ottico dell’apparecchio e dal fattore di rendimento dell’ambiente. Per la progettazione la procedura di rendimento comunemente usata non è praticamente più rilevante, in quanto in ambienti

Procedura di rendimento

Procedura di rendimento: formule per il calcolo degli illuminamenti nominali EN con numero di appa-recchi dato e per il calcolo del numero di apparecchi n per un dato illuminamento

standard è possibile calcolare al computer i valori necessari per i singoli sottoambienti in modo semplice e veloce con degli appo-siti programmi. La procedura di rendimento continua a servire come base per le norme europee e per i programmi di progettazione per calcolare gli illuminamenti medi in ambienti con apparecchi disposti in moduli regolari.

410

Eh

P

A L

™

h

Eh

P

L

å

Ev

Eh


3.3.6.4 Lighting costs

When calculating the costs for a lightinginstallation it is necessary to differentiatebetween the fixed costs and the variablecosts. The fixed costs do not apply to theoperating time of the lighting installation,they comprise the amotised costs for the luminaires, for their installation andcleaning. The variable costs are dependenton the operating time. They comprise costsfor energy, material and wages for staffcarrying out lamp replacement. On thebasis of these values it is possible to cal-culate the different qualities of a lightinginstallation.

The annual costs of a lighting instal-lation are of particular interest. It is oftenadvisable to compare the economic effi-ciency of different lamp types in the plan-ning phase. This data can be calculatedeither as annual costs or as costs for theproduction of a specific quantity of light.The pay-back time is important in bothcompletely new projects and refurbishmentprojects, that is to say the period of timewithin which the operating costs that havebeen saved can be set off against theinvestment costs for the new installation.

159

Horizontal illuminanceEh at point P, producedby luminous surface Aof luminance L at angle ™.

Horizontal illuminanceEh at point P, producedby a circular luminoussurface of luminance L,whereby the surfaceextends to an angle 2 å.

Vertical illumnancee Ev,produced by luminanceL from one half of thespace.

Horizontal illuminanceEh, produced by lumi-nance L from one halfof the space.

Formula for calculatingthe costs of a lightinginstallation K from thefixed costs K' and theannual operating costsK".

Formula for calculatingthe pay-back time t of a new installation.

Comparison of thepay-back time t of twonew installations, whereby installation Bhas higher investmentcosts and lower opera-ting costs.

Calculating illumi-nances from the lumi-nance of flat lightsources.

a (EU/kWh) Energy costs K (EU/a) Annual costs for a

lighting installationK' (EU/a) Fixed annual costsK" (EU/a) Annual operating costsK1 (EU) Costs per luminaire incl. mountingK2 (EU) Costs per lamp

incl. lamp replacementK l (EU) Investment costs (n · K1)

n Number of luminairesp (1/a) Interest payments for the installa-

tion (0.1–0.15)P (kW) Wattage per luminaireR (EU/a) Annual cleaning costs

per luminairet (a) Pay-back timetB (h) Annual operating timetLa (h) Service life of a lamp

Eh = . cos4 ™L . Ah2

Eh = π . L . sin2 å

[E] = lx[l] = cd/m2

[h] = m[A] = m2

K = K' + K''

K' = n (p . K1 + R)

K'' = n . tB (a . P + )K2tLa

K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa

t = Kl (new)K'' (old) – K'' (new)

t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)

Eh = π . L EV = . Lπ2

Eh

P

A L

™

h

Eh

P

L

å

Ev

Eh





159

















[E] = lx[l] = cd/m2

[h] = m[A] = m2

K = K' + K''

K' = n (p . K1 + R)

K'' = n . tB (a . P + )K2tLa

K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa


t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)

Eh = π . L EV = . Lπ2

Eh

P

A L

™

h

Eh

P

L

å

Ev

Eh





159

















[E] = lx[l] = cd/m2

[h] = m[A] = m2

K = K' + K''

K' = n (p . K1 + R)

K'' = n . tB (a . P + )K2tLa

K = n [p . K1 + R + tB (a . P + )]K2tLa


t = Kl (B) – Kl (A)K'' (A) – K'' (B)

Eh = π . L EV = . Lπ2


I costi di un impianto di illu-minazione si dividono in costi fissi e costi correnti. I costi fissi non dipendono dalla quantità dell‘utilizzo dell‘impianto di illu-minazione. Comprendono i costi annuali per le lampade, la loro installazione e la loro pulizia. I costi correnti invece dipendono dall‘entità dell‘utilizzo. Compren-dono i costi energetici ed i costi per il materiale e per gli stipendi per la sostituzione delle lampade. In base a tali valori si possono calcolare diverse caratteristiche degli impianti di illuminazione. In particolare sono interessanti a tal proposito i costi annuali di un impianto di illuminazione. Spesso nella progettazione è importante anche il confronto dell‘economi-cità di diversi tipi di lampade, da calcolare come costi annuali ma anche come costi per ottenere una data quantità di luce. Sia nell‘installazione di un impianto nuovo che, soprattutto, nella ristrutturazione di un impianto esistente, il calcolo dei tempi di pay back, ossia l‘intervallo di tem-po necessario perché i risparmi di spese correnti compensino gli investimenti per il nuovo impian-to, riveste un ruolo importante.

E GuidaSimulazione e calcolo | Calcoli

Costi di illuminazione


Il processo di progettazione del-l‘illuminazione richiede informa-zioni dettagliate per soddisfare le norme vigenti sugli illuminamen ti e sul comfort visivo. Per i program-mi di simulazione i produttori di apparecchi mettono a disposizio-ne dei file con i dati illuminotec-nici dei loro prodotti.

E GuidaSimulazione e calcoloDati di progettazione

Simulazione della luce

Valore di manutenzione


Per la simulazione della luce l‘utente può utilizzare le infor-mazioni per la geometria e la distribuzione luminosa tridimen-sionale. Si possono così fornire gli illuminamenti e le luminanze e valutare l‘impatto visivo degli apparecchi nell‘ambiente.

E GuidaSimulazione e calcolo | Dati di progettazioneSimulazione della luce

IES / Eulumdat DXF i-drop


IES / Eulumdat Il formato di dati IES è un for-mato comunemente utilizzato per la descrizione della distribu-zione luminosa degli apparecchi. Lo si può utilizzare in diversi programmi di progettazione illu-minotecnica, di calcolo e di simu-lazione. Il formato era originaria-mente lo standard della IESNA (Illumi nating Engineering Society of North America). La versione attuale è la IES LM-63-02. Eulumdat è il formato di dati in Lumen, una versione derivata dallo IES.

E

DXF Il formato DXF memorizza la geometria di un apparecchio. I materiali e la distribuzione lumi-nosa non vengono salvati in que-sto formato swap. Nella maggior parte dei sistemi CAD è possibile importarlo. I dati DXF con elemen-ti bidimensionali servono nella progettazione per l‘inserimento degli apparecchi nei soffitti. I file DXF con elementi tridimensionali forniscono un‘impressione imme-diata degli apparecchi rappresen-tandoli nello spazio.

GuidaSimulazione e calcolo | Dati di progettazioneSimulazione della luce

i-drop i-drop è una tecnologia del pro-duttore di software Autodesk, che consente di trasferire con «drag & drop» i contenuti da internet alle applicazioni software. Per le simulazioni luminose si possono inse-rire direttamente gli apparecchi virtuali con i relativi dati fotome-trici dal sito di un produttore di apparecchi nel programma di simulazione. I dati comprendono le geometrie tridimensionali, le fotometrie e le texture. Si può inserire un apparecchio diretta-mente nella scena della simula-zione luminosa, nella posizione desiderata. Per orientare gli appa-recchi automaticamente sulle superfici della stanza o in modo perpendicolare a delle superfici a piacere si deve attivare la funzio-ne autogrid. Con l‘ausilio della cinematica inversa si può orien-tare gli apparecchi a partire dal punto d‘arrivo della sorgente luminosa. i-drop funziona ad esempio con VIZ 4 VIZrender, Studio Max 3D 5

e 6, AutoCAD e DIALux. La condi-zioni sono l‘impiego di Internet Explorer e l‘attivazione delle fun-zioni Active X.


E GuidaSimulazione e calcolo | Dati di progettazioneValore di manutenzione

Per il calcolo dei valori di manu-tenzione di un impianto di illu-minazione si assegna all‘impianto un livello di rendimento ed un fattore di manutenzione.

Livello di rendimento dei sistemi di illumi-nazione

Fattore di manu-tenzione dell'appa-recchio

415

Cleaning frequency (a)Environmental conditionsA Open luminairesB Open-top reflectorsC Closed-top reflectors D Closed reflectors E Dustproof luminairesF Luminaires with indirect emission

1 2 3P C N D P C N D P C N D0.96 0.93 0.89 0.83 0.93 0.89 0.84 0.78 0.91 0.85 0.79 0.730.96 0.90 0.86 0.83 0.89 0.84 0.80 0.75 0.84 0.79 0.74 0.680.94 0.89 0.81 0.72 0.88 0.80 0.69 0.59 0.84 0.74 0.61 0.520.94 0.88 0.82 0.77 0.89 0.83 0.77 0.71 0.85 0.79 0.73 0.650.98 0.94 0.90 0.86 0.95 0.91 0.86 0.81 0.94 0.90 0.84 0.790.91 0.86 0.81 0.74 0.86 0.77 0.66 0.57 0.80 0.70 0.55 0.45


E GuidaSimulazione e calcolo | Dati di progettazioneValore di manutenzione

Livello di rendimento dei sistemi di illuminazione

Ai sensi delle norme DIN/EN 13032/2 il livello di rendimento dei sistemi di illuminazione viene indicato con LOR (Light Output Ratio) e descrive il rapporto tra flusso luminoso emesso da un apparecchio ed il flusso luminoso della lampada impiegata. Per gli apparecchi a luce diretta/ indi-retta si indicano anche le com-ponenti «DLOR» (Downward Light Output Ratio) e «ULOR» (Upward Light Output Ratio). Queste com-ponenti individuano la distribu-zione del flusso luminoso di un apparecchio nell’emispazio infe-riore e superiore.

Fattore di manutenzione dell'apparecchio

Il fattore di manutenzione del-l’apparecchio (LMF) tiene conto della diminuzione del flusso lumi-noso in seguito all’imbrattamento dell’apparecchio. Tale fattore rap-presenta il rapporto tra il livello di rendimento di un apparecchio al momento della pulizia e il valore da nuovo. Il rapporto dipende dal-la forma dell’apparecchio e dalla sua propensione a raccogliere lo sporco. Agli apparecchi viene asse gnata una classificazione per il «Fattore di manutenzione a norma CIE».


Gli esempi di progettazione illu-strano come la simulazione della luce possa essere utilizzata in modo efficace nel processo di progettazione. Le visualizzazioni non solo facilitano l‘ottimizzazio-ne della disposizione degli appa-recchi, ma sono anche utili nella comunicazione dei progetti. Gli esempi forniscono inoltre uno svi-luppo storico, dal primo impiego di apparecchi virtuali, al calcolo dei riflettori fino alla rappresenta-zione di concetti illuminotecnici dinamici con luci colorate.

E GuidaSimulazione e calcoloEsempi di progettazione

Simulazione Prototipazione virtuale


La scelta dei progetti consente un esempio dell‘impiego della simulazione per monumenti, edi-fici sacri, edifici amministrativi e locali di vendita.

E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazioneSimulazione

Chiesa Dives in Misericordia

Porta di Brandeburgo Ara Pacis

Parlamento scozzese Concessionaria BMW Mini

Film: Tune the light


Simulazione La progettazione illuminotecnica della Chiesa Dives in Misericordia rappresenta una pietra miliare per ERCO, in quanto nel 1998 sono state impiegati per la prima volta degli apparecchi virtuali ERCO per la simulazione della luce. Fu così possibile rappresen-tare, controlla re ed analizzare le diverse varian ti di progetto già nella sua fase iniziale. Nel modello delle Chiesa sono state impiegate circa 160 apparecchi virtuali. Le singole immagini del programma Lightscape sono state combinate in moduli interattivi, ai quali tutti i progettisti avevano accesso via Internet. Essi poterono così valu-tare le diverse situazioni luminose.

E

Progettazione La concezione illuminotecnica consiste in luce diretta ed orien-tata che mira a suddividere in zone l‘ambiente della chiesa e ad accentuare i punti su cui si concentrano gli sguardi, come l‘altare ed il crocifisso. A tal fine sono stati montati dei faretti sulla costruzione in acciaio del lucernario. Le altre componenti del progetto derivano dall‘illumi-nazione omogenea delle volte in cemento con proiettori e washer montati al di sopra del lucernario.

Architetto:Richard Meier, New York

Progettista illuminotecnico:Fisher Marantz Stone, New York

Luogo:Roma

GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneChiesa Dives in Misericordia


E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazionePorta di Brandeburgo

Simulazione La Porta di Brandeburgo, simbolo di Berlino, è stata di recente restau-rata e nuovamente illuminata. I progettisti illuminotecnici hanno fatto un uso intensivo della simula-zione della luce in tutto il proces-so di progettazione. Non era pos-sibile realizzare delle illuminazioni di prova in quanto l‘edificio è sta-to ricoperto per il restauro dalla fase di sviluppo fino all‘inaugura-zione. Gli apparecchi virtuali con distribuzione fotometrica della luce hanno con sentito di ottenere sia indicazioni qualitative che analisi quantitative. Dai risultati sono derivati la disposizione e l‘orientamento degli apparecchi. L‘impiego inten sivo della simula-zione per il concorso è stato poi decisivo per il successo della rea-lizzazione.

Progettazione I wallwasher con lenti incassati nel pavimento accentuano le colonne. I washer con distribuzione asim-metrica della luce illuminano in modo uniforme le superfici delle pareti e i passaggi della porta. I proiettori per il monumento della quadriga che domina la porta sono stati montati in modo discre to sugli edifici circostanti.

Architetto:Carl Gotthard Langhans (1732-1808)

Progettazione illuminotecnica: Kardorff Ingenieure, Berlino

Luogo:Berlino


Simulazione Nelle simulazioni dell‘antico altare della pace si è impiegato il metodo della fototexture. Il tempio è stato fotografato com-pletamente e le foto sono state assegnate alle singole compo-nenti. Il programma DIALux ha consentito quindi di ottenere un effetto fotorealistico. Un punto centrale della simulazione della luce è costituito dall‘analisi del-l‘angolo di incidenza della luce per i rilievi, finalizzata al controllo delle ombre del fregio sporgente e ad ottimizzare l‘integrazione degli apparecchi nell‘architettura. Per la vista esterna notturna la fototexture ha provveduto alle lastre di travertino delle pareti e ai rilievi dello zoccolo. Il modello è stato anche utilizzato per la simulazione della luce diurna. La posa dell‘architettura nel suo ambiente circostante è avvenuta per mezzo di un programma per l‘elaborazione delle immagini. Per le superfici utili nell‘edificio si sono ottenuti dei dati sugli illu-minamenti in termini numerici e in curve isolux.

E

Progettazione Il visitatore accede dapprima all‘edificio attraverso un atrio chiuso e poi gli si dischiude la sala con l‘altare illuminata da una diffusa luce diurna. Dalle nicchie della struttura in cemento del sof-fitto i faretti illuminano i rilievi del tempio. Gli apparecchi dotati di filtro di conversione daylight si adattano in modo armonico al colore della luce diurna. Il colore caldo delle lampade alogene met-te invece ottimamente in risalto i colori delle lastre di travertino delle pareti.

Architetto:Richard Meier, New York

Progettista illuminotecnico:Fisher Marantz Stone, New York

Luogo:Roma

GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneAra Pacis


Simulazione Il Parlamento scozzese, con i soffitti a volta asimmetrici, le strutture portanti del tetto a vista e la disposizione dei seggi per il Parlamento, denota una geometria complessa, il che rende difficile la progettazione illumi-notecnica. Questa situazione ha richiesto l‘utilizzo della simulazio-ne luminosa per ottenere dei dati sulla direzione della luce e sugli illuminamenti per la trasmissio-ne televisiva. Siccome le diverse distanze tra gli apparecchi e le superfici illuminate creavano dei forti contrasti di luminosità, si sono calcolati gli illuminamenti sui volti delle persone che sie-dono al tavolo per conferenze e, ove necessario, li si è aumentati con degli ulteriori apparecchi. Il programma Autodesk 3ds max consente di impiegare degli appa-recchi virtuali con geometrie in 3D e dati fotometrici che rendono possibile anche un controllo delle dimensioni dell‘apparecchio nel-l‘ambiente. Per la progettazione esecutiva è stato sviluppato un software che trasforma le informazioni in 3D sui 900 apparecchi della simula-zione in schemi bidimensionali e fornisce la potenza, la posizione, l‘orientamento e la visualizzazio-ne di ciascun apparecchio.

E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneParlamento scozzese

Pianta

Modello in 3D

Studio per la disposizione degli apparecchi

Analisi degli illuminamenti

Applicazione per l'analisi degli illuminamenti

Test del rendering


Progettazione Nella sala plenaria 200 faretti con lenti regolabili per lampade HIT-CE da 150W con 4200K crea-no l‘elevato livello di illuminazio-ne necessario per la trasmissione televisiva e garantiscono un buon comfort visivo per i parlamentari. Con le lenti regolabili il progetti-sta illuminotecnico può impostare individualmente gli angoli di distribuzione dei singoli apparec-chi ed adattarli alle diverse distan-ze dalle superfici da illuminare.

Architetto:EMBT Enric Miralles, Benedetta Tagliabue, Barcellona; RMJM, Edimburgo

Progettista illuminotecnico:Office for Visual Interaction (OVI), New York

Luogo:Edimburgo

Simulazione: Pierre-Félix Breton, Montrealwww.pfbreton.com

E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneParlamento scozzese


Simulazione Attraverso la simulazione da un lato si controlla il concetto di illuminazione e dall‘altro si rap-presenta in modo immediato il progetto ai costruttori. La simula-zione consente anche di ottenere il calcolo degli illuminamenti e delle luminanze per le auto, per le pareti e per le superfici di lavo - ro, per analizzare i contrasti di luminanza e per prevenire gli abbagliamenti. Invece di impie-gare solamente disegni tecnici con piantine e sezioni, le visua-lizzazioni aiutano i soggetti che partecipano al progetto a farsi un‘immagine tridimensionale delle soluzioni luminose.

E

Progettazione L‘illuminazione generale delle sale con downlight a sospensione per lampade ad alogenuri metallici da 150W non crea abbagliamento. I faretti montati sulle strutture luminose sospese fanno risaltare le singole superfici di presenta-zione. Creano degli effetti brillan-ti su vetro e metallo. Una fila di uplight circonda il perimetro del-l‘edificio illuminando le lamiere in alluminio del tetto a sbalzo.

Architetto:Scaramuzza/Rubelli

Progettista illuminotecnico:Piero Comparotto, Arkilux, Verona

Luogo:Brescia

GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneConcessionaria BMW Mini


Simulazione La simulazione luminosa di luce dinamica e colorata in presenza di movimenti nello spazio è molto difficile da realizzare. In un film le singole immagini si possono distinguere sia nelle variazioni della luce che nelle variazioni della prospettiva. Per mantenere la massima flessibilità nello svi-luppo, i gruppi di apparecchi sono stati calcolati separatamente sen-za l‘impostazione del colore della luce definitivo. Il programma di elaborazione di video consente di raggruppare i film dei diversi gruppi di apparecchi e di presen-tare le impostazioni dinamiche della luce. È così possibile realiz-zare degli adattamenti dei colori senza dover calcolare nuovamen-te l‘intero film.

E

Progettazione Nella sala i faretti, con la loro distribuzione della luce a fascio stretto, pongono degli accenti sui singoli tavoli e li fanno apparire come isole. I washer, dotati di luce di colore variabile, cambiano l‘atmosfera con delle fluttuazioni cromatiche. La proiezione dei gobo crea delle forme luminose decorative.

Simulazione: Aksel Karcher, Berlinowww.akselkarcher.com

GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | SimulazioneFilm: Tune the light


Il virtual prototyping nella proget-tazione degli apparecchi mira ad analizzare con delle simulazioni gli aspetti estetici e tecnici, quali le qualità illuminotecniche, sta-tiche e termiche degli apparecchi già in una fase iniziale della pro-gettazione, prima ancora di aver realizzato un apparecchio reale. La procedura accelera il processo di sviluppo ed aiuta la scelta tra diverse alternative di sviluppo.

E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazionePrototipazione virtuale

Apparecchi Riflettori


E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | Prototipazione virtualeApparecchi

Simulazione Per mettere in atto lo sviluppo di un apparecchio nella sua forma ed estetica partendo dalle foto-grafie di un prodotto, si simula un modello di apparecchio in uno studio fotografico virtuale. La reale situazione luminosa dello studio fotografico viene trasmes sa al software fotografando digital-mente lo studio in formato HDR. Una sfera a specchio è situata nel-la posizione in cui verrà raffigu-rato l‘apparecchio ed il fotografo scatta una serie di foto con diversi tempi di esposizione. Da queste foto un programma di elabora-zione grafica ottiene una High Dynamic Range Image (HDRI). Al contrario delle fotografie conven-zionali con il formato HDRI si può mascherare un contrasto di lumi-nanza maggiore. L‘immagine HDR viene importato come sfondo nei programmi di simulazione e for-nisce informazioni sulla direzione della luce, sul suo colore, sulle lumninanze relative, sui tipi di ombre e di riflessi, così come questi si presentano in un reale studio fotografico.

Design degli apparecchi: ERCO

Simulazione: ERCO; Aksel Karcher, Berlino


E GuidaSimulazione e calcolo | Esempi di progettazione | Prototipazione virtualeRiflettori

Simulazione Con la simulazione dei riflettori si possono ottenere in breve tempo delle informazioni molto precise sulla distribuzione della luce, senza dover ricorrere a costosi strumenti e prototipi di riflettori. Per la simulazione dei riflettori si misurano dapprima le lampade dettagliatamente e ad ogni sin-gola componente della lampada vengono assegnate la relativa luminanza ed altre caratteristi-che illuminotecniche. Quindi si definisce la geometria del punto di emissione della luce e la posi-zione della lampada. Partendo dalla forma base di un riflettore, il costruttore ne modifica per gradi i contorni fino ad ottenere la distribuzione della luce deside-rata. Dopo ogni modifica del con-torno per poter valutare la distri-buzione della luce il programma calcola l‘illuminamento di una superficie campione e quindi genera la curva della distribuzio-ne dell‘illuminamento dell‘appa-recchio virtuale. I programmi per la simulazione dei riflettori si basano di norma su procedure ray tracing, nelle quali i raggi partono dalla sorgente luminosa.

Definizione delle caratte-ristiche della lampada

Rendering lampada

Simulazione del riflettore

Distribuzione della luce su superfici campione

Curve di distribuzione della luce

Simulazione e calcolo - ERCO€¦ · simulare la luce in modo fisica-mente corretto. E Guida...

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