Illuminazione naturale (3)

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1 PROGETTAZIONE ENERGETICA Illuminazione naturale (3) Luce dall alto (toplighting) Fig. 1 - Illuminazione attraverso una cupola Gli ambienti di elevata dimensione (capannoni, atri, ecc.) sono spesso illuminati dall alto tramite cupole, cupoline e lucernari di vario tipo inseriti nel tetto. In questi ambienti, la maggiore luce si ha sui piani orizzontali (piani di lavoro, ). Le pareti ricevono invece meno luce e appaiono pertanto più scure. Le superfici orizzontali meglio illuminate sono quelle che si trovano direttamente sotto un apertura, ma la luce dall alto arriva spesso sulle teste delle persone e non proprio sul piano di lavoro, dove è richiesta. L illuminamento delle superfici verticali varia con la loro posizione. Il massimo di luce lo ricevono le pareti, ma le parti più illuminate sono quelle basse e centrali. L illuminamento sui piani orizzontali dipende dall altezza dell ambiente, ossia dalla distanza tra il piano di lavoro e l apertura in alto. Una regola generale dice che l altezza dovrebbe essere minore della larghezza (lato più corto) dell ambiente. Fig. 2 - Luce dall alto su superfici orizzontali Fig. 3 - Luce dall alto su superfici verticali Le superfici orizzontali al cento dell ambiente ricevono più luce di quelle ai lati e più delle superfici verticali poste nello stesso luogo. Le superfici verticali ai lati (pareti) ricevono più luce rispetto a quelle in altre posizioni. In estate, quando la luce diurna è molta intensa, l illuminazione dall alto può causare il surriscaldamento degli ambienti e fastidiosi abbagliamenti. Occorre pertanto un controllo della luce incidente tramite schermature esterne o interne. L illuminazione dall alto non consente un diretto contatto visivo con l esterno; ciò che si può vedere è al massimo una piccola parte del cielo e le variazioni della sua luminosità. Occorrono pertanto anche delle finestre che consentono una vista all esterno alle persone che vi lavorano. Anche l intensità e la distribuzione della luce sono diverse di quelle a cui si è abituati in ambienti illuminati lateralmente, anche nel caso in cui l illuminamento sul piano di lavoro risulti uguale. La differenza è causata principalmente dai differenti angoli d incidenza della luce. 1

2 In ambienti illuminati dall alto, l occhio reagisce in maniera più sensibile alle irregolarità di illuminamento che appaiono molto più marcate. Questo è un importante fattore sia per la disposizione delle finestre che per l illuminazione artificiale. Aperture in alto Cupole Shed Lanterne Apertura elevata Fig. 4 Alcuni tipi di aperture nel tetto Le aperture e le vetrate che procurano luce dall alto possono avere numerose forme. Una rigorosa classificazione non è pertanto possibile. La maggiore omogeneità dell illuminazione si ottiene con molte piccole aperture che, complessivamente, occupano però una superficie maggiore rispetto a poche aperture di una dimensione più ampia. Lucernari piani e cupole basse forniscono lo stesso illuminamento sui piani di lavoro con meno superficie rispetto a vetrate inclinate. Le aperture piane ricevono però sole per tutto il giorno e, per mantenere in estate apporti termici minimi, la loro dimensione non deve essere eccessiva ed essere giusta quella necessaria per ottenere un determinato illuminamento. Negli edifici industriali si vedono spesso tetti a forma di sega (inglese: sawtoothroofs) con delle finestre su una parte. Le finestre di questi tetti devono essere orientate strettamente verso nord per escludere la luce diretta che causa normalmente dei surriscaldamenti. Orientati verso nord, fanno penetrare solo luce diffusa che non abbaglia e che illumina più uniformemente. Effetto della geometria dell ambiente Sul fondo di una ciminiera è sempre buio, anche se dipingessimo di bianco il suo interno, perché l angolo spaziale con cui la luce può diffondersi è troppo stretto. Anche l illuminazione dall alto dipende dall angolo sotto il quale la luce può diffondersi. La luce proveniente dall alto può incontrare degli ostacoli, per esempio da parte di alte travi che riducono l angolo spaziale e ostruiscono la diffusione della luce. Per esempio, una struttura portante di un altezza di 1,8 metri su cui sono stati costruiti dei lucernari della stessa altezza non consente un illuminazione omogenea di un ambiente che è alto solo 3 metri. Fig. 5 - Ostruzione da parte di alte travi Fig. 6 - Soluzione migliore Effetto della disposizione dei lucernari I lucernari, le cupole e le cupoline possono essere distribuiti sul tetto singolarmente o a schiere, anche in numero elevato. La disposizione dei lucernari piani e delle cupole richiede un po di attenzione, perché, in ambienti illuminati dall alto, l occhio è più sensibile alle differenze dell illuminazione. Ciò che si dovrebbe evitare è un 2

3 sensibile abbassamento dell illuminamento delle pareti laterali. In ambienti senza finestre laterali, la più uniforme illuminazione si ottiene quando i lucernari piani e le cupole sono distribuiti uniformemente (figura 7 al centro). La concentrazione delle aperture al centro dell ambiente (figura 7 a sinistra) è indicata solo in particolari casi, per esempio quando la funzione del locale la richiede, ma anche in questo caso l illuminazione delle pareti perimetrali non dovrebbe diminuire. In altri casi può rivelarsi opportuno spostare i lucernari verso le pareti perimetrali dell ambiente (figura 7 a destra) che così ricevono più luce. La concentrazione dei lucernari al centro dell ambiente è più accettabile se le pareti perimetrali possiedono delle finestre e delle vetrate. Fig. 7 - Distribuzione dei lucernari sul tetto In ambienti illuminati da un sawthooth roof, l illuminazione assomiglia più a quella laterale e dipende dall inclinazione delle finestre. Dalle finestre verticali si riceve meno luce rispetto a quelle inclinate. Le parti vetrate di questi tetti devono essere esposte a nord, perché altrimenti, in estate, la luce comporterebbe abbagliamenti e surriscaldamenti. Dimensione delle aperture L elevato numero delle situazioni architettoniche e delle soluzioni dell illuminazione dall alto non consente di dare regole generali per il dimensionamento delle aperture. Ogni caso è specifico e pertanto conviene far accertare l illuminamento ottenuto da lucernari mediante una simulazione eseguita da uno specialista. Considerando un doppio vetro chiaro, la superficie vetrata necessaria per illuminare correttamente lo spazio sottostante è compresa tra il 15 e il 20% dell area del. Le indicazioni della tabella 1 per il dimensionamento dei lucernari e delle cupole sopra ambienti privi di una considerevole illuminazione laterale, possono servire nelle prime fasi di progettazione, ma non esentano dal dimensionare accuratamente le aperture, perché dimensioni troppo piccole rendono discutibile l efficienza e la necessità, mentre aperture troppo ampie in estate possono rendere il clima interno insopportabile. La soluzione più semplice e più comune è la scelta di vetri diffondenti (non trasparenti) che non fanno passare la luce diretta. Tab. 1 - Indicazioni generali sulla dimensione delle aperture orizzontali Tipo Vetro Trasparenza τ dif Dimensione complessiva Cupole normali della dimensione di 2,5 m 2 a due lastre smerigliate 0,67 τ 0, % dell area del Lucernari piani Vetri molto diffusori τ = 0, % dell area del Shed 60 Vetri molto diffusori τ = 0, % dell area del Shed 90 Vetri molto diffusori τ = 0, % dell area del 3

4 Ad eccezione di certi ambienti di culto (chiese) e ambienti che richiedono una particolare illuminazione (per esempio palestre divisibili, musei e sale d esposizione), è inopportuno illuminare un ambiente dall alto se questo può essere sufficientemente illuminato dai lati. L illuminazione dall alto è opportuna solo in ambienti di grandi dimensioni e di elevata altezza. Le proporzioni dell ambiente, oltre a determinare il clima interno, sono rilevanti anche per la scelta del tipo di apertura. In ambienti molto alti è poco opportuno disporre lucernari a forma di pozzetti verticali, perché fanno passare solo poca luce. Luce dall alto e dal lato Fig. 8 - Luce dallo stesso lato Fig. 9 - Luce da due lati opposti L illuminazione laterale e quella dall alto possono completarsi. Il progettista deve però essere sicuro di dove vuole indirizzare la luce laterale e quella dall alto. Per questo concetto di illuminazione non esistono regole generali. Per evitare errori di dimensionamento e nella disposizione delle aperture si consiglia il controllo dell illuminazione mediante modelli architettonici e costruzioni geometriche. I due grafici accanto dimostrano che la distinzione di Luce dall alto e di Luce laterale non è sempre semplice. Alcune grandezze dell illuminotecnica Flusso luminoso Φ Il flusso luminoso Φ è la grandezza fotometrica fondamentale definita come il prodotto, per una data radiazione luminosa monocromatica, del flusso energetico (misurato in W) per il coefficiente di visibilità. L unità di misura è il lumen (lm). 1 lm = 1 cd sr. Una sorgente luminosa, per esempio una lampada, non irradia in tutte le direzioni con la stessa intensità. Il flusso luminoso Φ irradiato in un ambiente può essere pertanto determinato solo tramite l integrazione di molte singole misurazioni dell intensità luminosa I sotto un angolo solido Ω molto stretto. Φ = I dω oppure semplificato: Φ = I Ω Angolo solido Ω L angolo solido Ω è una delle grandezze fondamentali della fotometria. È la regione dello spazio limitato dalla superficie formata dalle semirette aventi un punto in comune (vertice) e passanti per i punti di una curva chiusa semplice tracciata su di una superficie esterna al vertice (sorgente luminosa o punto illuminato). È espresso dal rapporto tra la superficie intersecata dall angolo su un immaginaria sfera con la sorgente al centro e il quadrato del raggio della sfera stessa. L unità di misura dell angolo solido è lo steradiante sr, cioè l angolo sotto il quale una calotta sferica di una sfera dell area di 1 m 2, appartenente a una sfera di 1 m di raggio, viene vista dal centro della sfera stessa. 1 sr = 1 m 2 /m 2 = 1 cm 2 /cm 2. L angolo solido di una sfera è 4π, quello di una semisfera 2π. Intensità luminosa I L intensità luminosa I è il flusso luminoso Φ emesso da una sorgente per unità dell angolo solido, misurata in candele (cd). La candela è una grandezza fondamentale della fotometria. 1 candela corrisponde all intensità luminosa, in una data direzione, di una sorgente che emette radiazione monocromatica della 4

5 frequenza di Hz la cui intensità energetica, in tale direzione, è di 1/683 W/sr. Illuminamento E L illuminamento E è il rapporto tra il flusso luminoso Φ (lm) e la superficie illuminata (m 2 ). Nel Sistema Internazionale (SI), l illuminamento è misurato in lux (lx). 1 lx = 1 lm/m 2. Immaginiamo una sorgente che si trovi al centro di una sfera bianca che riflette la luce uniformemente su tutta la superficie interna della stessa. Su un area A della superficie, schermata contro la luce diretta della sorgente, si misura poi il flusso luminoso che incide sull area. L illuminamento è quindi: E = Φ / A L illuminamento non è intelligibile. Si potrebbe però immaginarsi che il proprio occhio si trovi nella superficie ricevente, per esempio quella di un tavolo, avendo davanti una lastra di vetro smerigliato che, nonostante il suo carattere diffusivo, fa passare tutta la luce diretta e riflessa. L illuminamento di una superficie (per esempio un foglio di carta) è massimo quando la luce proveniente da un apertura circoscritta in alto (per esempio un proiettore o una lampada) incide perpendicolarmente sulla superficie. Girando la superficie sotto lo stesso fascio di luce, questa riceve meno luce per unità d area, perché la stessa quantità di luce è distribuita su una superficie più grande (figura accanto) Fig Illuminamento di una superficie Se il flusso luminoso è invariato, l illuminamento di una superficie diminuisce in rapporto al coseno dell angolo di incidenza ε. Il livello di illuminamento può essere determinato con il calcolo del fattore di luce diurna, mentre la qualità della luce mediante parametri fotometrici. Tab. 2 Esempi di illuminamento Luna piena Illuminazione stradale Tavolo di lavoro - con bassa qualità - con elevata qualità Sala operatoria Sole dall altezza di 60 e cielo aperto 1 lx 10 lx 100 lx lx lx lx 5