Illuminotecnica. Introduzione al calcolo illuminotecnico

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1 Illuminotecnica Introduzione al calcolo illuminotecnico 1

2 Illuminotecnica La radiazione luminosa Con il termine luce si intende l insieme delle onde elettromagnetiche percepibili dall occhio umano. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate da: lunghezza d onda λ frequenza f Le quali sono legate dalla relazione: c λ= f 2

3 Definizione di Colore sensazione visiva di colore è caratterizzata essenzialmente da tre aspetti: tono/tinta: è legato alla lunghezza d onda dominante e individua il colore con cui viene visto un oggetto purezza/saturazione: rappresenta la quantità di dominante presente ed è la vivacità del colore che si differenzia dalla visione di grigio (una lunghezza d onda monocromatica fornisce un colore puro; lo stesso colore può essere ottenuto con luci diverse ma la sua saturazione diminuisce) luminanza/luminosità: esprime l intensità luminosa nella direzione della visione (quantità di bianco). 3

4 La sensazione visiva, a differenza di quella uditiva, non permette di distinguere in un fascio luminoso policromatico le componenti monocromatiche. Il sistema CIE adottato a partire dal 1931 definisce univocamente ed in modo matematico una radiazione luminosa dal punto di vista cromatico, attraverso la quantificazione di due coordinate numeriche. Il sistema CIE nasce dalla constatazione sperimentale che dalla combinazione di tre luci colorate è sempre possibile ottenere un fascio luminoso che dia la stessa sensazione di colore di una luce qualsiasi. 4

5 La percezione di un colore dipende da: parametri oggettivi (composizione spettrale della radiazione) parametri soggettivi (sensibilità dell occhio ad alcune radiazioni) Si rende necessaria la definizione di un sistema univoco di valutazione, per l importanza che il colore assume in ambito commerciale ed industriale. La CIE (Commissione Internazionale dell Illuminazione) ha introdotto il triangolo tricromatico per determinare le caratteristiche spettrali di sorgenti primarie normalizzate, capaci di riprodurre tutti i colori per miscela additiva. Dal diagramma tricromatico è possibile ricavare, note le coordinate del colore, la sua lunghezza d onda e la sua saturazione. 5

6 Il CIE ha definito tre colori fondamentali, con le seguenti caratteristiche: ROSSO (R) λ=700 nm Luminanza Rosso = 1 nit (cd/m 2 ) VERDE (V) λ=546,1 nm Luminanza Verde = 4,5909 nit (cd/m 2 ) BLU (B) λ=435,8 nm Luminanza Blu = 0,06012 nit (cd/m 2 ) Luminanza (L, nit o cd/m 2 ) rapporto tra l intensità luminosa irradiata e la superficie emittente apparente (proiezione della superficie emittente sull ortogonale alla direzione) 6

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8 Il diagramma colorimetrico CIE è una rappresentazione piana di uno stimolo di colore. In esso si riconoscono le aree dei colori fondamentali (nei tre vertici, blu, rosso e verde) e dei tre complementari (giallo, magenta e ciano) Il diagramma CIE è un triangolo equilatero, ai cui vertici sono posti i tre colori primari rosso, verde e blu, appunto, indicati come X, Y e Z, considerati ipersaturi in modo da racchiudere nella propria configurazione la curva dei colori spettrali, evitando valori positivi o negativi delle coordinate. 8

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11 Illuminotecnica Lo spettro del visibile ricade nell intervallo di lunghezze d onda: Al di fuori di tale fascia le radiazioni luminose non sono più visibili e si entra nel campo: Ultravioletto Infrarosso Lo spettro visibile 9 λ < λ > [ ] 9 m < λ < [ m] 9 9 [ m] [ m] 11

12 Illuminotecnica I Colori Lunghezza d onda λ in 10 9 [ m] Colore violetto blu verde giallo arancio rosso 12

13 Illuminotecnica Potenza luminosa Una sorgente luminosa può emettere: Una lunghezza d onda Un insieme discreto di lunghezze d onda Uno spettro continuo di lunghezze d onda Ad ogni lunghezza d onda proveniente dalla sorgente corrisponde una potenza emessa detta potenza radiante associata alla lunghezza d onda λ. P R La potenza radiante della sorgente è la somma delle potenze radianti associate a tutte le lunghezze d onda emesse: P R = ( ) Pλ λ λ λ λ 2 1 dλ 13

14 Illuminotecnica L occhio umano stima in maniera diversa la luce emessa alle varie lunghezze d onda. L occhio umano Esso presenta sensibilità massima alla lunghezza d onda del giallo-verde mentre ha sensibilità nulla all esterno dello spettro visibile. λ10 [ 9 m] S λ Sarà dunque nescessario ricorrere a sorgenti luminose in grado di emettere lunghezze d onda nel campo del giallo-verde. E detta allora potenza luminosa il prodotto tra potenza radiata e sensibilità: P L = P R S P L 14

15 Illuminotecnica Efficienza cromatica Il rapporto tra la potenza luminosa e la potenza radiante definisce l efficienza cromatica della sorgente: P L PR η 1 = P P L R Esso è un numero puro che indica la capacità della sorgente di emettere radiazioni nel giallo-verde, cioè nel campo di massima sensibilità dell occhio umano. 15

16 Illuminotecnica Esempio Sia data una sorgente che emette tre lunghezze d onda: [ m ] [ W ] 9 λ 1 = con potenza Pλ 1 = 6 9 λ [ m ] con potenza 2 = Pλ 1 = 4 9 λ [ m ] con potenza 3 = Pλ 1 = 5 La potenza radiante totale è: P R = Pλ + P + P = 15 [ W ] 1 λ 2 λ 3 La potenza luminosa totale è: P L = Pλ S P S P S 1 λ + 1 λ + 2 λ 2 λ 3 λ 3 = 9, 55 L efficienza cromatica è: η P L 1 = = PR 0,637 [ W ] [ W ] [ W ] Cioè il 63,7% della potenza radiante emessa dalla sorgente è rilevata dall occhio umano 16

17 Resa dei Colori delle Sorgenti Luminose Un vetro trasparente colorato appare di un determinato colore perché si lascia attraversare dalle lunghezze d onda relative a quel colore mentre assorbe o riflette tutte le rimanenti. Se nello spettro di emissione della sorgente incidente non sono presenti le lunghezze d onda del materiale osservato, il suo colore sarà alterato. È quindi importante per avere una buona resa dei colori che nello spettro di emissione della sorgente luminosa siano presenti tutte le lunghezze d onda, ciascuna con valori quantitativi equilibrati 17

18 La Temperatura di Colore (TC, K) è definita come la temperatura di un corpo nero espressa in Kelvin che emette luce avente lo stesso colore della luce emessa dalla lampada (la luce rossastra ha una bassa TC, la luce bluastra ha un elevata TC) Il sole ha una TC di circa 6000 K, il filamento di una lampadina normale ha una TC di circa 2200 K mentre una lampada allo iodio ha una TC di circa 2500 K. TC (K) è un parametro che individua in modo oggettivo il colore della luce di una sorgente luminosa confrontata con la sorgente campione (il corpo nero). Il corpo nero emette in tutte le zone dello spettro il massimo dell energia raggiante ed assorbe completamente l energia raggiante che lo colpisce. Dire che una lampada ha una TC di 3000 K, significa che il corpo nero, a questa temperatura, emette luce della stessa tonalità. 18

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20 L indice di Resa Cromatica (IRC, %) L effetto cromatico di una superficie dipende sia dal suo colore effettivo che dal tipo di sorgente luminosa. L indice di resa cromatica (IRC Colour Rendering Index) è la misura di quanto una sorgente luminosa è capace di rendere i colori. IRC è un fattore numerico ed ha indice 100. La resa cromatica è: ottima con IRC tra 85 e 100 buona con IRC tra 70 e 85 discreta con IRC tra 50 e 70. La sorgente campione, a rigore il corpo nero, è un metallo, al quale viene somministrata una quantità di calore crescente, portandolo all incandescenza. Aumentando la temperatura, cambierà colore passando dal rosso cupo fino all azzurro, per il bianco. 20

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24 Illuminotecnica Una sorgente luminosa (lampada) trasforma in potenza radiante solo una piccola parte della potenza elettrica assorbita dalla linea di alimentazione. Il rapporto tra la potenza radiante emessa dalla sorgente e la potenza elettrica assorbita definisce l efficienza radiante della sorgente: Efficienza radiante P E η 2 = La differenza tra la potenza elettrica assorbita e la potenza radiante definisce la porzione di potenza trasformata in calore dalla lampada: P Q = P E P R P P R E P R P E P R 24

25 Illuminotecnica Esempio Sia data una lampada: con potenza elettrica assorbita con efficienza radiante P E = 60 η 2 = 0,13 La potenza radiante totale è: PR = PE η 2 = 7, 8 [ W ] La potenza trasformata in calore è: ( 1 ) 52, [ W ] 2 = PQ = PE η 2 [ W ] 25

26 Illuminotecnica Efficienza totale L efficienza totale definisce la capacità di una sorgente di trasformare in P potenza luminosa la potenza elettrica assorbita : L η = P P L E P E Che si può anche esprimere in funzione dell efficienza cromatica η 2 e dell efficienza radiante : η 1 η = P P L E = P P L E P P R R = P P L R P P R E = η 1 η 2 26

27 Illuminotecnica Dunque la potenza termica è: Alcuni valori indicativi.. per una lampada con potenza 40W, il 35% si trasforma in potenza radiante di cui ancora il 22% stimola effettivamente l occhio umano. In definitiva solo circa il 7% della potenza elettrica assorbita si trasforma in potenza luminosa, mentre il 65% è calore ed il 27% è radiazione luminosa non visibile! Efficienza totale P R P P Q = P E = E η E la potenza radiante è: 2 ( 1 η 2 ) La potenza radiante non visibile è: P RR P ( ) P L P = R = R η La potenza radiante visibile è: 1 1 η 1 27

28 Illuminotecnica Flusso luminoso E detto flusso luminosa emesso da una sorgente: Un lumen equivale a una potenza luminosa: 1 P L = [ W ] = 1, [ mw ] φ = 680 P L [ lumen ] Ed ovviamente 1[W] equivale a 680[lm] Il Flusso Luminoso può anche essere espresso in funzione di efficienza cromatica, efficienza radiante, potenza elettrica assorbita: φ = 680 η 1 η 2 P E 28

29 Illuminotecnica Esempio Sia data una sorgente S che emette una lunghezza d onda: λ = η 1 = 1 η 2 = [ m ] Se si verifica che: cioè S emette solo λ tutta la P elettrica è P radiante Allora si ottiene: φ = 680 η 1 η 2 P = 680 Con efficienza totale: E P R η = 1 Dunque la sorgente che emette solo λ è IDEALE e converte in luce tutta la potenza elettrica assorbita. 29

30 Illuminotecnica Efficienza luminosa Il rapporto tra il flusso luminoso e la potenza elettrica assorbita definisce l efficienza luminosa della sorgente: η = φ Una Sorgente che converte in luce di lunghezza d onda λ φ [ lm W ] L / P E = [ m ] tutta la potenza elettrica assorbita presenta una efficienza luminosa: η [ lm W ] L = 680 η1 η 2 = = 680 / PE 30

31 Illuminotecnica Illuminamento Data una superficie di area S investita da un flusso luminoso, si definisce Illuminamento E il rapporto: E = φ S [ lux ] Si introduce poi una superficie di calcolo chiamata Piano di Lavoro, convenzionalmente posta a 0,85 metri da piano di calpestio sulla quale si effettuano tutti i calcoli dei fattori di illuminamento. φ 31

32 Illuminotecnica Illuminamento Tra le varie tipologie di illuminazione ricordiamo: Illluminazione diretta Ove la sorgente emette radiazione direttamente verso il piano di lavoro Illuminazione indiretta Ove la radiazione luminosa emessa raggiunge il piano di lavoro per riflessioni successive, dunque indirettamente. In ogni caso tutti gli apparecchi illuminanti emettono secondo un proprio Cono di Emissione che dipende dalla parabola riflettente ed in minima parte dalla lampada 32

33 Illuminotecnica Disposizione delle Lampade Per una superficie illuminata si definisce: Illuminamento Medio E max + E E min m = 2 Coefficienti di Uniformità α = E min E m β = Criterio generale per la disposizione in campo degli apparecchi è che la distanza d tra i centri luminosi non sia maggiore del raggio r dei coni di emissione dei singoli apparecchi illuminanti. E E min max 33

34 ILLUMINAZIONE DEI POSTI DI LAVORO NEGLI INTERNI NUOVA NORMA UNI OBIETTIVI della NORMA UNI EN ILLUMINAZIONE ADEGUATA ED APPROPRIATA SVOLGIMENTO EFFICACE ED ACCURATO DEI COMPITI VISIVI TIPO E DURATA MINIMO SFORZO E MINIMI ERRORI 34

35 ART.33 D.LGS SICUREZZA (PRESTAZIONI VISIVE) SALUTE (IGIENE VISIVA ) BENESSERE (COMFORT VISIVO) COMPITO VISIVO LUMINANZA CONTRASTI DURATA DELLA PRESTAZIONE DIMENSIONE OGGETTI VISIBILITA DETTAGLI NUMERO DI OGGETTI PRESENTI (ERGONOMIA DELLA VISIONE) 35

36 CONDIZIONI DI QUALITÀ DELL ILLUMINAZIONE Valori di illuminamento Uniformità di illuminamento Luminanze Distribuzione delle luminanze Distribuzione spettrale della luce Flicker Disegno di luci I valori Em della UNI sono validi per condizioni visive abituali e tengono conto dei seguenti fattori: aspetti psico-fisiologici (comfort e benessere) requisiti dei compiti visivi ergonomia della visione esperienza pratica sicurezza economia 36

37 DECISIONI DEL PROGETTISTA lux CONDIZIONI DI VISIBILITA ABITUALI Em(UNI) COMPITO VISIVO CRITICO 1.5 Em ERRORI COSTOSI 1.5 Em ALTA PRODUTTIVITA 1.5 Em CAPACITA VISIVE RIDOTTE 1.5 Em DETTAGLI MOLTO PICCOLI 1.5 Em TEMPI DI LAVORO LUNGHI 1.5 Em DETTAGLI MOLTO GRANDI TEMPI DI LAVORO BREVI Em/1.5 Em/1.5 37

38 VARIAZIONE DELLA PRESTAZIONE VISIVA (SICUREZZA) Con illuminamento Em=500 lux LIVELLO DI IMPEGNO MEDIO COMPITO PRESTAZIONE VISIVA PRESTAZIONE VISIVA facile medio difficile GIOVANI ANZIANI Con illuminamento Em=500 lux LIVELLO DI IMPEGNO ELEVATO COMPITO PRESTAZIONE VISIVA PRESTAZIONE VISIVA facile medio difficile GIOVANI ANZIANI 38

39 E CONSENTITO RIDURRE L ILLUMINAMENTO NELLA ZONA IMMEDIATAMENTE CIRCOSTANTE IL COMPITO VISIVO FASCIA DI ALMENO 0,5 m DI LARGHEZZA INTORNO ALLA ZONA DEL COMPITO VISIVO 39

40 ILLUMINAMENTO DEL COMPITO ILLUMINAMENTO DELLE ZONE IMMEDIATAMANTE CIRCOSTANTI lx lx Uniformità: Uniformità: 0.5 Ecompito 40

41 TERMINI MINIMI INTRODOTTI 20 LUX MINIMO ESSENZIALE 200 LUX ZONE OCCUPATE PERMANENTEMENTE UNIFORMITA Emin/ Emed = 0.7 ZONA DI LAVORO = 0.5 ZONA CIRCOSTANTE 41

42 DISTRIBUZIONE DELLE LUMINANZE Fattori di riflessione consigliati SOFFITTO PARETI PIANO DI LAVORO PAVIMENTO

43 COMFORT RAPPORTI DI LUMINANZA ADEGUATI NEL COMPITO VISIVO da 1 A 3 COMPITO VISIVO/ AMBIENTE da 1 A 5 AFFATICAMENTO VISIVO CATTIVO ADATTAMENTO NEL COMPITO VISIVO CATTIVO ADATTAMENTO DEL COMPITO VISIVO - AMBIENTE 43

44 ERGONOMIA DELLA VISIONE LUMINANZE ALTE ABBAGLIAMENTI LUMINANZE TROPPO BASSE AMBIENTE PIATTO E MONOTONO NUMERO ECCESSIVO DI OGGETTI NEL COMPITO VISIVO 44

45 ABBAGLIAMENTI MOLESTO O DEBILITANTE LUMINANZE ELEVATE ANCHE CON ILLUMINAZIONE INDIRETTA ERRORI AFFATICAMENTI INCIDENTI 45

46 INDICE UGR ABBAGLIAMENTO MOLESTO 2 0,25 L ω UGR = 8 log 10 ( 2 Lb p ) Lb LUMINANZA DI SFONDO IN cd x m-2 calcolata con Eindiretto / π (Ev SULL OCCHIO) L LUMINANZA DELLE PARTI LUMINOSE ω ANGOLO SOLIDO, IN STERADIANTI, DELLE PARTI LUMINOSE p INDICE DI POSIZIONE DI GUTH, CHE E FUNZIONE DELLO SCOSTAMENTO ANGOLARE RISPETTO ALL ASSE DELLA VISIONE, PER OGNI SINGOLO APPARECCHIO DI ILLUMINAZIONE (funzione di: d = distanza longitudinale s= distanza trasversale) 46

47 p = INDICE DI POSIZIONE DI GUTH 1 p = d 2 2 d A + 1,5d + 4,6 + 0,12(1 A) A = e d = ( 0,18 s d distanza s = distanza 2 s + 0,01 d 3 ) longitudinale tra trasversale tra l'occhio e la sorgente l'occhio e la sorgente 47

48 SCHERMATURA DEGLI APPARECCHI Luminanza della lampada kcd / m 2 Angolo minimo di schermatura da 20 a <50 15 da 50 a <

49 RIFLESSIONI VELANTI E ABBAGLIAMENTO RIFLESSO RIDUZIONE MEDIANTE sistemazione adeguata degli apparecchi d illuminazione e dei posti di lavoro finitura della superficie (superfici opache) riduzione della luminanza degli apparecchi d illuminazione aumento dell area luminosa dell apparecchio d illuminazione pareti e soffitti chiari N.B. I COLORI DELLE SUPERFICI SONO DI COMPETENZA DI DIVERSE FIGURE PROFESSIONALI 49

50 ILLUMINAZIONE DIREZIONALE PUO INFLUENZARE LA VISIBILITA DEL COMPITO VISIVO MODELLATO = RAPPORTO OTTIMALE TRA ILLUMINAZIONE DIFFUSA E ILLUMINAZIONE DIREZIONALE (creazione di ombre gradatamente marcate) 50

51 CARATTERISTICHE DELLE OMBRE EVIDENZIARE I DETTAGLI E LE INFORMAZIONI VISIVE DIREZIONE OPPORTUNA DELLA LUCE IN RELAZIONE ALLA DIMENSIONE MEDIA DEI DETTAGLI ASPETTI E APPARENZA DEL COLORE RICONOSCERE IL COLORE DEGLI OGGETTI E RISPETTARE LA LORO CROMATICITA ATTRAVERSO LA TONALITA DELLA LUCE PER AMBIENTI FREQUENTATI INDICE Resa del colore Ra 80 51

52 IL COLORE DELLA LUCE (TONALITA CROMATICA) Apparenza del colore Calda Temperatura correlata del colore TCP K minore di K Intermedia da K a K Fredda maggiore di K 52

53 PROVOCA CEFALEE EVITARE SFARFALLAMENTI ED EFFETTI STROBOSCOPICO PROVOCA PERICOLO CON PARTI IN MOVIMENTO PROVOCA CATTIVA VISIONE DEGLI OGGETTI IN MOVIMENTO 53

54 VIDEOTERMINALI COMPITI SU CUI EVITARE RIFLESSIONI LETTURA DELLO SCHERMO LETTURA DEL TESTO STAMPATO SCRITTURA SU CARTA LAVORO SULLA TASTIERA EVITARE LE ZONE D INSTALLAZIONE CRITICHE LIMITI DI LUMINANZE Classe dello schermo secondo la ISO I II III Qualità dello schermo buona media bassa Luminanza media degli apparecchi che sono riflessi nello schermo cd / m cd / m 2 54

55 ESTRATTO TABELLA UNI N.RIF. ATTIVITA Em Lx UGR Ra NOTE K V.MEDICA > L.PRECIS CORRIDOI Em a 0m INDUSTRIA COLORI SICUR. 55

56 CRITERI DI PROGETTAZIONE ILLUMINOTECNICA Em= ILLUMINAMENTO MEDIO MANTENUTO Eo= ILLUMINAMENTO INIZIO IMPIANTO (>100h) Eo Eo Em Em= TABELLE UNI necessario per garantire comfort e prestazioni visive qualunque sia l età e lo stato dell installazione 56

57 FATTORE DI MANUTENZIONE DELLA VECCHIA NORMA (NON E PRESENTE NELLA NUOVA) TABELLA E DELLA UNI Grado di impolveramento del locale Ad incande- scenza Tipo di lampade A vapore di mercurio Ad alogenuri Minimo Medio Elevato

58 FATTORE DI MANUTEZIONE IL PROGETTISTA DEVE: stabilire il fattore di manutenzione ed elencare tutte le ipotesi richieste per la valutazione di questo valore specificare gli apparecchi d illuminazione idonei all ambiente preparare un programma di manutenzione completo che comprenda la frequenza del ricambio delle lampade, gli intervalli di pulizia degli apparecchi d illuminazione, del locale ed il metodo di pulizia più adeguato 58

59 IL FATTORE DI MANUTENZIONE Il rapporto tra l illuminamento medio sul piano di lavoro dopo un certo periodo di uso dell impianto (1 manutenzione) rispetto al valore medio dell illuminamento ottenuto sotto le stesse condizioni quando l impianto è nuovo [IEC/CIE 17.4] FM = LSF ( t ) LLO ( t ) LOR ( t ) LSF: (Fattore di Sopravvivenza delle Lampada); LLO: (Lighting Lumen Output) fattore di manutenzione della lampada; LOR: (Lighting Output Ratio) fattore di manutenzione dell apparecchio (WFM) Fattore di manutenzione dei muri 59

60 SOSTITUZIONE PROGRAMMATA MASSICCIA DI LAMPADE PIÙ PULIZIA PROGRAMMATA MASSICCIA DI APPARECCHI Numero di pulizie dell apparecchio illuminante eseguite nello stesso tipo di politica Tempo, in mesi, tra due sostituzioni programmate 60

61 SOSTITUZIONE PROGRAMMATA E CORRETTIVA MASSICCIA DI LAMPADE PIÙ PULIZIA PROGRAMMATA MASSICCIA DI APPARECCHI Numero di pulizie dell apparecchio illuminante eseguite nello stesso tipo di politica. Tempo, in mesi, tra due sostituzioni programmate 61

62 VERIFICHE Em (Illuminamento) U (Uniformità) Ra (Resa del colore della luce) K lampade (Temperatura di colore nella luce) UGR (Indice di abbagliamento molesto) Luminanza apparecchi Luminanze ambiente Contrasti (compito visivo ambiente) 62

63 Grazie della Vostra attenzione 63

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