Franco Gugliermetti, Fabio Bisegna. Report RSE/2009/36

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1 Integrazine luce naturale/luce artificiale in ambit industriale Parte 2: Analisi delle pssibili tecniche, cmpnenti e reglazini per l illuminazine artificiale/naturale Franc Gugliermetti, Fabi Bisegna Reprt RSE/2009/36

2 Ente per le Nuve tecnlgie, l Energia e l Ambiente RICERCA SISTEMA ELETTRICO Integrazine luce naturale/luce artificiale in ambit industriale Parte 2: Analisi delle pssibili tecniche, cmpnenti e reglazini per l illuminazine artificiale/naturale Franc Gugliermetti, Fabi Bisegna Reprt RSE/2009/36

3 INTEGRAZIONE LUCE NATURALE/LUCE ARTIFICIALE IN AMBITO INDUSTRIALE PARTE 2: ANALISI DELLE POSSIBILI TECNICHE, COMPONENTI E REGOLAZIONI PER L ILLUMINAZIONE ARTIFICIALE/NATURALE Franc Gugliermetti, Fabi Bisegna (Dipartiment di Fisica Tecnica dell Università di Rma La Sapienza) Aprile 2009 Reprt Ricerca Sistema Elettric Accrd di Prgramma Minister dell Svilupp Ecnmic - ENEA Area: Usi finali Tema: Prmzine delle tecnlgie elettriche innvative negli usi finali Respnsabile Tema: Enni Ferrer, ENEA

4 Smmari La presente relazine riprta i risultati della ricerca su diversi argmenti. La relazine è stata suddivisa in 6 parti (e files), crrispndenti ai capitli. Parte 1. Analisi dell ambiente lumins del capannne AleniaAermacchi L analisi è riferita al cas studi nella sua struttura generale, cn particlare attenzine all aspett dell illuminazine naturale. I valri di illuminament e fattre di luce diurna sn studiati tramite simulazini. Parte 2. Analisi delle pssibili tecniche, cmpnenti e reglazini per l illuminazine artificiale/naturale Stat dell arte sul cntrll dell illuminazine naturale: le funzini da svlgere, i sistemi di illuminazine diurna vver cmpnenti schermanti pache trasparenti innvativi. Il sistema di illuminazine artificiale: stat dell arte sulle srgenti, gli apparecchi, i sistemi di cntrll e integrazine cn la luce naturale. Aspetti di prgettazine architettnica delle applicazini integrate. Parte 3. Simulazini numeriche delle pssibili sluzini per il capannne AleniaAermacchi Analisi dell ambiente lumins del cas studi simuland diverse dispsizini / aree delle superfici finestrate. Parte 4. Linee guida per la prgettazine di interni cn presenza di illuminazine naturale e prgettazine di massima Riferite a illuminazine in interni cn presenza di illuminazine naturale. Indicazini per individuare le migliri sluzini per una prgettazine efficiente ed efficace della luce artificiale, che ben si integri cn il cntribut di luce naturale Parte 5. Prtclli di mnitraggi Riferite alla verifica del sddisfaciment dei requisiti nrmativi, laddve presenti, in funzine delle grandezze ftmetriche (illuminamenti, luminanze, clre della radiazine luminsa ) sulle diverse superfici presenti all intern di un spazi cnfinat, da cui si ricavan indici quali valri medi, fattri di luce diurna, cefficienti di unifrmità, indici di abbagliament Parte 6. Tecniche di mdellazine avanzate e tradizinali per l analisi dell ambiente visiv in presenza di sistemi tradizinali e innvativi Sn presentati metdi di calcl manuali, i mdelli in scala e alcuni sftware di calcl cmputerizzat, evidenziandne le diverse caratteristiche a cnfnt.

5 ATTIVITA DI RICERCA: INTEGRAZIONE LUCE NATURALE / ARTIFICIALE IN AMBITO INDUSTRIALE Nell ambit del Tema di ricerca Prmzine delle tecnlgie elettriche innvative negli usi finali, di cui all art 11 del decret 8 marz 2006 ACCORDO DI COLLABORAZIONE TRA ENEA Ente per le Nuve tecnlgie, l Energia e l Ambiente E IL DIPARTIMENTO DI FISICA TECNICA DELLA SAPIENZA UNIVERSITA DI ROMA RELAZIONE FINALE PARTE 2 Rma, Aprile

6 CONTENUTI CAPITOLO 2. ANALISI DELLE POSSIBILI TECNICHE, COMPONENTI E REGOLAZIONI PER LA ILLUMINAZIONE NATURALE/ARTIFICIALE...3 LE SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE GLI APPARECCHI ILLUMINANTI SISTEMI PSALI E HSL Applicazine Stima della prfndità della zna di luce diurna e della zna PSALI per spazi illuminati lateralmente 19 Principi base Prgettazine delle finestre e abbagliament nelle installazini integrate Scelta delle srgenti di luce artificiale Clre delle decrazini interne cn l PSALI Scelta dei sistemi per l illuminazine supplementare

7 Capitl 2. Analisi delle pssibili tecniche, cmpnenti e reglazini per la illuminazine naturale/artificiale Negli ultimi anni, l innvazine tecnlgica ha prtat sempre più in architettura all svilupp di sistemi di cntrll dell illuminazine naturale di tip innvativ, che sian in grad di esercitare un cntrll sia sull ingress di luce naturale, sia sul guadagn termic passiv. L element finestrat viene csì a caratterizzarsi cme element multifunzinale integrat, frmat da un insieme di cmpnenti gnun dei quali prepst al cntrll distint di una funzine: areazine, schermatura, vista vers l estern, quantità e distribuzine della luce naturale trasmessa. I materiali innvativi pssn essere a cmprtament passiv attiv: nel prim cas varian le prprie prestazini termiche e ttiche in funzine dei parametri di intensità luminsa e temperatura; nel secnd cas le prestazini varian attravers dispsitivi impiantistici. L element di invlucr trasparente è gestit in md integrat cn le varie funzini e i vari sistemi dell edifici prtand csì anche a rilevanti risparmi energetici. I nuvi materiali che cstituiscn i sistemi di cntrll, cadiuvati da tecnlgie specifiche, sn in grad di garantire prestazini elevate in termini di schermatura degli ambienti interni e ridistribuzine della luce naturale in ambiente, sfruttand principi fisici quali la riflessine, la rifrazine e la diffrazine della luce. Per definire le diverse tiplgie di cntrll della luce naturale, è pprtun innanzitutt effettuare una classificazine delle funzini che tali sistemi di cntrll devn svlgere: cntrll della quantità di luce in ambiente cntrll della radiazine slare diretta cntrll della luminanza della superficie vetrata cntrll del clre della luce naturale in ambiente L espletament di queste funzini è assicurat attravers: l attenuazine della radiazine slare incidente (schermatura) il ridirezinament della radiazine slare incidente che può avvenire per: riflessine vers l estern e/ vers l intern rifrazine diffrazine 3

8 dve per rifrazine della luce si intende la deviazine nella direzine di prpagazine della luce che essa subisce quand passa da un mezz ad un altr a densità diversa; per diffrazine si intende quel fenmen fisic per cui la radiazine, una vlta attraversat un stacl, nn si prpaga in linea retta ma secnd direzini diverse, prducend un effett semidiffus; per diffusine, infine, si intende quel fenmen fisic per cui la radiazine, attraversat un mezz, viene deviata in tutte le direzini: tale cmprtament può essere assunt dalla radiazine luminsa sia in relazine alla trasmissine che alla riflessine, secnd quant mstrat in Fig Figura 2.1. Mdalità di trasmissine e riflessine della radiazine luminsa. Le funzini vengn svlte da elementi di cntrll che pssn essere cstituiti dai csiddetti sistemi di illuminazine diurna vver da cmpnenti schermanti pache trasparenti. Riguard la scelta di queste frme di cntrll nelle diverse situazini, è necessari fare riferiment agli scpi per cui la superficie deve essere scelta e alle prestazini che si prevedn nell studi del cicl di vita della struttura. I sistemi di illuminazine diurna e i cmpnenti schermanti attualmente dispnibili per il cntrll della luce naturale sn vari e diversi per prestazini, ptenzialità e applicabilità. 4

9 L element vetrat si caratterizza cme element multi-funzinale integrat, cmpst da un insieme di cmpnenti ciascun dei quali prepst al cntrll di una funzine: aerazine, schermatura, vista vers l estern, quantità e distribuzine della luce naturale trasmessa. Sul mercat sn presenti materiali tradizinali e innvativi in grad di garantire, sfruttand le caratteristiche di riflessine, rifrazine e diffrazine della luce, le prestazini più adeguate alle varie e variabili esigenze degli ambienti interni. Per la caratterizzazine luminsa dei cmpnenti trasparenti, in relazine alle principali funzini di cntrll precedentemente intrdtte, si definiscn i seguenti parametri: cefficiente di trasmissine luminsa cefficiente di riflessine luminsa temperatura di clre crrelata della luce naturale trasmessa indice di resa crmatica della luce naturale trasmessa mdalità di trasmissine e riflessine Tutte le aperture trasparenti, in edilizia, si pssn cnsiderare cme superfici vetrate e in particlare sn: materiali trasparenti, vetr sstanze plastiche; telai e clnnine divisrie; schermature esterne ed interne ; sistemi integrali di mbreggiament. Le superfici vetrate hann un cmpit imprtante nella struttura edilizia perchè: sddisfan la necessità umana di cntatt e cmunicazine cl mnd estern; cnsentn il passaggi della radiazine slare, prvvedend csi ad un ausili naturale, in termini di illuminazine, riscaldament e, in alcuni casi, di aria esterna; assicuran una via d uscita in cas d incendi altr tip di emergenza in edifici ad altezza cntenuta; migliran l aspett intern ed estern dell edifici. 5

10 Il prgettista nel mment in cui deve scegliere questi elementi deve tenere cnt di vari aspetti: architettnic, indicand tra le diverse alternative di prgett la più adeguata, sprattutt in termini di risparmi energetic, rendend pssibile l utilizz di illuminazine naturale, ma anche elettrica, cn pssibili sistemi di cntrll, che sian in grad di diminuire autmaticamente l illuminazine elettrica quand è dispnibile quella naturale; termic, prgettand in funzine dei carichi termici e delle temperature superficiali, in md che risultin cmpatibili cn le necessità di risparmi energetic e di benessere degli ccupanti; ecnmic, valutand i csti d installazine e su tutt il cicl di vita di vari prgetti alternativi; ergnmic, andand a sddisfare le necessità umane, appagand csi il bisgn (fisic) ed il desideri (psiclgic) di cntatt cn il mnd estern, attravers superfici trasparenti, di rispett delle nrme di illuminazine per l ambiente prgettat, assicurand una cndizine di benessere per gli ccupanti. I materiali trasparenti più cmuni sn pannelli lastre di vetr sstanze plastiche ed altri materiali cn bune prprietà illumintecniche. Il cntrll dei flussi termici per cnduzine, cnvezine e irraggiament vers l intern e l estern, avviene attravers l utilizz di una più lastre di materiale trasparente (islante) e di sistemi di schermatura interna e esterna. Analgamente, si pssn cntrllare la luce slare e/ della vlta celeste attravers l us di lastre scurate di schermatura fisse e/ mbili. Invece cn l utilizz di vetri scurati e/ tende pache si può mdificare l ambiente estern nei casi in cui ess sia pc attraente tale da disturbare distgliere l attenzine. All stess md si può assicurare la privacy cn l pprtunità di vedere all estern, nel cas in cui il grad di illuminazine esterna sia maggire rispett a quell intern. I cmpnenti trasparenti tradizinali sn cstituiti da vetri chiari, vetri trattati in massa (clrati), vetri trattati in superficie (sia tramite pellicle che vetri riflettenti). Per cercare di rispndere a tutte le esigenze presenti nella maniera più efficace, sn però in fase di svilupp, dimstrazine cmmercializzazine, una serie di materiali trasparenti innvativi che presentan delle qualità specifiche e delle prprietà mlt interessanti sia da un punt di vista funzinale che estetic. I cmpnenti trasparenti innvativi sn i vetri crmgenici, più nell specific cmpsti da: vetri ftcrmici, vetri termcrmici, vetri elettrcrmici, vetri a cristalli liquidi. La Fig. 2.2 mstra le diverse tiplgie di materiali trasparenti attualmente presenti in cmmerci in fase di pre-cmmercializzazine. 6

11 Figura 2.2. Classificazine dei materiali trasparenti. I sistemi di schermatura si presentan cme il necessari cmplement agli elementi vetrati: i primi cnsentn l immissine di luce naturale all intern, gli altri cnsentn un cntrll della luce naturale immessa in ambiente per la prtezine cntr abbagliament ed eventualmente cntr eccessivi carichi termici. Cn riferiment agli elementi schermanti, è pssibile prcedere ad una classificazine basata su diversi criteri: 1. Psizine dell element schermante rispett al cmpnente trasparente: sistemi interni (fissi mbili): vantaggi: - pssibilità di una facile reglazine da parte degli utenti (nel cas di sistemi interni mbili) che permette di adeguare in gni mment l azine schermante alle cndizini di irraggiament slare - schermatura della radiazine slare diffusa e sprattutt diretta, cn attenuazine dei fenmeni di abbagliament 7

12 - ecnmicità svantaggi: - minre attenuazine del caric termic rilevat, rispett ai sistemi di schermatura esterni - pssibile limitazine della vista vers l estern dell edifici (per alcune tiplgie) sistemi esterni (fissi mbili): vantaggi: - pssibilità di una facile reglazine da parte degli utenti (nel cas di sistemi interni mbili) che permette di adeguare in gni mment l azine schermante alle cndizini di irraggiament slare - schermatura della radiazine slare diffusa e sprattutt diretta, cn attenuazine dei fenmeni di abbagliament - maggire attenuazine del caric termic rilevat, rispett ai sistemi di schermatura interni - ecnmicità svantaggi: - pssibile limitazine della vista vers l estern dell edifici (per alcune tiplgie) schermi esterni/interni (fissi mbili) vantaggi (cn riferiment agli schermi esterni): - efficacia nell attenuare il caric termic dell edifici - schermatura della radiazine slare diffusa e sprattutt diretta - pssibilità di reglare manualmente autmaticamente la lr psizine e rientament in funzine dell angl di incidenza dei raggi slari nelle diverse stagini (nel cas di sistemi esterni mbili) pssibilità di arricchire esteticamente il prspett dell edifici svantaggi (cn riferiment agli schermi esterni): - csti elevati di installazine e di manutenzine (sprattutt se ci sn dispsitivi di cntrll autmatic della psizine e dell rientament) - presenza cmunque invasiva nelle facciate degli edifici sistemi in intercapedine (fissi mbili): vantaggi: 8

13 - cntrll della radiazine slare: in ambiente entra sia la cmpnente diretta, in parte riflessa dalle lamelle, sia la cmpnente diffusa. L illuminazine naturale del lcale risulta distribuita in maniera unifrme. - cntrll del surriscaldament tipic dei mesi estivi svantaggi: - csti elevati di installazine e di manutenzine (nel cas ci sian dispsitivi di cntrll autmatic della psizine e dell rientament) cmunque inferiri rispett a quelli dei sistemi esterni 2. Flessibilità di mviment: sistemi fissi vantaggi: - garantiscn prestazini ttimali se vengn psizinati all estern delle facciate piuttst che al lr intern - csti di installazine e di manutenzine minri rispett ai sistemi mbili svantaggi: sistemi mbili - nn pssn variare la lr psizine nel crs della girnata e delle diverse stagini: questa mancanza di flessibilità ne limita in alcuni casi le prestazini vantaggi: - pssn variare la lr psizine nel crs della girnata e delle diverse stagini svantaggi: - csti di installazine e di manutenzine più elevati rispett ai sistemi fissi dvuti alla presenza del sistema di cntrll e mvimentazine 3. Cnfigurazine gemetrica dell scherm: sistemi cntinui: sn da cnsiderarsi tali gli aggetti, sia rizzntali che verticali, e i light-shelves. Sn cstituiti da elementi pachi frmanti un unica superficie schermante senza interruzini. Sn capaci di assicurare la 9

14 schermatura ttale della radiazine slare incidente nella direzine e secnd gli angli cn cui sn cllcati sistemi discntinui: sn cstituiti da una serie di lamelle pprtunamente rientate in md da schermare la radiazine slare incidente, cnsentn anche il passaggi dei flussi di aria e il cnseguente smaltiment del calre che si accumula in crrispndenza della finestra 4. Cmprtament rispett alla radiazine incidente: sistemi speculari (materiali lucidi): si cmprtan cme un specchi, cn un angl di riflessine della radiazine uguale all angl di incidenza vantaggi: - ridirezinament della luce vers le zne vlute, caratterizzate altrimenti da bassi livelli di illuminament svantaggi: - pssibili prblemi di abbagliament sistemi diffndenti (materiali pachi): riflettn la radiazine luminsa incidente in maniera unifrmemente distribuita in tutte le direzini dell spazi circstante vantaggi: - illuminazine unifrmemente distribuita all intern degli ambienti svantaggi: - bassi livelli di illuminament Per la caratterizzazine luminsa dei cmpnenti schermanti si definiscn i seguenti parametri prestazinali: cefficiente di trasmissine luminsa cefficiente di riflessine luminsa temperatura di clre crrelata della luce naturale trasmessa indice di resa crmatica della luce naturale trasmessa mdalità di trasmissine e riflessine fattre di mbreggiament lumins, definit cme: 10

15 Φ FL = Φ lu min s incidente sulla vetrata cn scherm lu min s incidente sulla vetrata senza scherm fattre di apertura OF = area aperta tra le fibre area ttale del tessut In particlare, per il fattre di apertura, vale la seguente Tab. 2.1: Tabella 2.1. Valri caratteristici di OF Fattre di Apertura (OF) Trama 0 OF 0.07 stretta Trama 0.07 OF 0.25 media Trama larga 0.25 OF 1 La Fig. 2.3 mstra le diverse tiplgie di materiali schermanti attualmente presenti in cmmerci in fase di pre-cmmercializzazine. 11

16 Figura 2.3. Classificazine dei cmpnenti schermanti. 12

17 I sistemi di trasprt della luce naturale racclgn e trasprtan la luce slare per grandi distanze al centr dell edifici attravers fibre ttiche cndtti di luce. Il lr funzinament è basat sulla racclta e cncentrazine della luce naturale in cpertura ( cmunque all estern, anche in facciata) attravers dispsitivi di captazine e nel successiv trasprt, tramite elementi di cnduzine, della medesima negli spazi di lavr psizinati altrve. I sistemi di illuminazine diurna che captan e cnducn la luce slare all intern di un edifici sn cmpsti da tre unità funzinali: 1. l element di captazine, il cmpnente cllcat all estern cn funzine di raccgliere e indirizzare la cmpnente diretta (a vlte anche diffusa) della radiazine slare; 2. l element di cnduzine, il cmpnente che trasprta la luce captata fin all ambiente da illuminare; 3. l element di diffusine, il cmpnente psizinat all intern dell ambiente da illuminare, cn funzine di cntrll del fluss lumins trasprtat dall element di cnduzine. Si pssn distinguere i sistemi di trasprt della luce naturale in due differenti gruppi in funzine del tip di element captatre impiegat: Sistemi passivi (fissi): sistemi che utilizzan elementi di captazine fissi, che nn sn in grad di seguire il percrs slare. Per ttimizzare la cmpnente diretta della radiazine in questi sistemi, è imprtante individuare un mment precis rispett al quale psizinare ed inclinare l element di captazine, per massimizzare la quantità di luce intercettata. Il cmprtament di questi captatri nn è cstante durante l arc dell ann, e sn in grad di assicurare prestazini sddisfacenti sl per un perid di temp definit. La luce viene indirizzata nn in un punt precis, ma su un area ristretta e variabile. Per questi sistemi nn è pssibile usare elementi di cnduzine a sezine ed ingmbr ridtti (cme le fibre ttiche), ma slamente elementi cn sezine ed ingmbr maggiri quali i cndtti, che hann una sezine di dimensini prprzinali all area da illuminare. Si pssn classificare secnd due tiplgie: cndtti slari: sistema efficace per il trasprt della cmpnente diretta della luce slare, ma nn della diffusa; è un tip di sistema che funzina bene in cndizini di ciel seren ma nn in cndizini di ciel cpert. 13

18 light pipes: un sistema ttimale in presenza di illuminazine naturale a basse altezze slari. Sistemi attivi (mbili): sistemi che utilizzan elementi di captazine mbili, in grad di seguire in gni istante il percrs slare. Gli elementi di captazine pssn essere cstituiti da lenti e specchi alimentati da mtri elettrici e cntrllati da dispsitivi elettrnici che cnsentn di seguire il mviment del sle. Una vlta captate, le radiazini luminse sn riflesse deviate nella direzine vluta all intern dell edifici su un area un punt precis. A tal fine, è pssibile usare sia elementi di cnduzine, cme lenti e fibre ttiche, che cnsentn di cprire distanze ntevli e di cncentrare i raggi in punti precisi, sia elementi cn sezine ed ingmbr maggiri (cme i cndtti) che permettn di illuminare aree più estese. I sistemi attivi cmprtan ntevli csti di installazine e di gestine, si pssn classificare in due tiplgie: elistat: sistema dtat di specchi riflettenti; può essere ad un element a due elementi (in quest ultim cas è in grad di cnvgliare la luce diretta del sle vers punti altrimenti irraggiungibili); sistema Himawari (fibre ttiche): un sistema in cui l element di captazine è cstituit da una serie di lenti Fresnel, che alimentan delle fibre ttiche. A secnda del tip di sistema di cui fann parte e della funzine che sn chiamate a svlgere, le tre unità funzinali che cstituiscn i sistemi di cnduzine della luce pssn essere quindi di diversi tipi e avere differenti caratteristiche. L element di captazine può essere: fiss: l biettiv di quest element è di cnsiderare da un lat la pssibilità di acquisire la maggir quantità di luce all intern dell ambiente in un dat istante, dall altr di garantire adeguati livelli di illuminament nel crs di tutt l ann. La sua frma e le sue dimensini derivan dal miglir cmprmess tra l ttimizzazine dell ingress della luce slare diretta e diffusa; mbile: in quest cas l scp è quell di seguire la psizine del sle nel temp. Di cnseguenza, la prgettazine viene guidata dalla ricerca di una psizine ttimale rispett alla direzine, mutevle, dei raggi slari (la cmpnente diffusa della luce di slit nn viene cnsiderata). L element di cnduzine può essere cstituit da: 14

19 un cndtt, dve la cnduzine della luce avviene per mezz della semplice riflessine su superfici speculari diffndenti; le lenti e le fibre ttiche, dve la luce naturale viene utilizzata cme quella artificiale: una srgente luminsa diffusa (la vlta celeste) viene trasfrmata in una srgente puntifrme che può essere indirizzata vers un qualsiasi punt dell ambiente. L element di diffusine è previst sl in alcune applicazini, quand prevale l scp di cntrllare il fluss lumins intrdtt per garantire il cmfrt visiv all intern dell ambiente. L element di diffusine può essere: un element di chiusura trasparente in vetr, plicarbnat metacrilat; un element riflettre realizzat cn pellicle, rivestimenti riflettenti e diffndenti; un element ttic definit da lenti cnvergenti divergenti, lenti Fresnel e pannelli diffusri. Il parametr fndamentale a cui far riferiment è la trasmittanza, vver la capacità del sistema di trasmettere la radiazine luminsa glbale, nelle cmpnenti diretta e diffusa; essa viene calclata separatamente per le due cmpnenti, in funzine della gemetria del cndtt, del cefficiente di riflessine delle superfici interne del cndtt e della psizine del sle sull rizznte. La trasmittanza rappresenta anche il rendiment efficienza del sistema, pichè descrive il rapprt tra fluss lumins uscente e quell entrante. Le srgenti di luce artificiale La scelta di una lampada adatta ad una specifica applicazine in fase di prgettazine è cmplessa, essend mlti i parametri sulla base dei quali effettuare la scelta: tensine di alimentazine, ptenza elettrica, fluss lumins, efficienza luminsa, durata, cnsumi e risparmi energetic, indice di resa crmatica, temperatura di clre, cmfrt e miniaturizzazine. Tutti questi parametri influiscn sul tip di attività svlta, sull estetica del prgett, sugli ggetti che si vglin evidenziare, sul benessere visiv; a tutt ciò va pi aggiunta la valutazine dell impatt ecnmic e ambientale. In Fig. 2.4 viene riprtata una sintetica classificazine e di seguit una smmaria descrizine delle principali srgenti di luce artificiale. 15

20 Figura 2.4. Classificazine delle srgenti artificiali. Le lampade ad incandescenza, il cui principi di funzinament si basa sull emissine per temperatura, rappresentan il tip più cmune di srgente luminsa. Le più cmuni lampade ad incandescenza sn del tip GLS (General Lighting Service), ma esistn anche lampade ad incandescenza cn riflettre incrprat per direzinare la luce (Reflectr) e PAR (Parablic aluminized reflectr)che cniugan la pssibilità di illuminazine direzinale e una grande rbustezza della lampada. L'evluzine della lampada ad incandescenza ha prtat alla realizzazine della lampada algena, che si distingue per alcune fndamentali caratteristiche: dimensini ridtte, l'alta qualità crmatica pssibilità di reglazine. Tali lampade si dividn in due categrie: bassa tensine (230v) e bassissima tensine (12v). Un ulterire evluzine è rappresentata dalle lampade algene dicriche, caratterizzate dalla presenza di un scherm intern che riflette sl la luce visibile lasciand disperdere i raggi infrarssi. Le lampade a scarica sn invece un tip di srgente luminsa artificiale basata sulla luminescenza, fenmen tipic di alcune sstanze che sn in grad di riemettere stt frma di radiazine elettrmagnetica una parte dell energia che hann assrbit. Tra le lampade a scarica si pssn distinguere due famiglie principali, differenti dal tip di metall usat: lampade a vapri di mercuri e lampade a vapri di sdi. Tra queste due famiglie la differenza sta nel fatt che la luce generata presenta dminanti di clre differenti: quelle al mercuri prducn una luce bianca cn dminante verdgnla, mentre per quelle al sdi la dminante è gialla. Per entrambe le famiglie, esistn realizzazini a bassa e alta pressine. Una menzine a parte meritan: 16

21 le lampade ad algenuri metallici, lampade al mercuri cn l'aggiunta di sali di diversi algeni, fatt che permette di aggiungere diverse righe spettrali al mercuri miglirand l spettr lumins Le lampade a luce miscelata, lampade al mercuri ad alta pressine in cui il reattre di alimentazine è sstituit da un filament, che funge da limitatre di crrente, psizinat assieme alla lampada in un tub secndari. Durante il funzinament, il filament diventa incandescente ed emette luce cme in una lampada ad incandescenza che va a miscelarsi cn quella prdtta dal mercuri I LED (light emitting dide), dispsitivi elettrnici che emettn luce per elettrluminescenza. In Tab. 2.2 viene presentat un cnfrnt tra le principali tiplgie di lampade. Tabella 2.2. Cnfrnt tra le principali tiplgie di lampade A incandescenza Algene Flurescenti Algenuri metallici Al sdi Led VANTAGGI Bass cst di acquist Piccle dimensini Eccellente Ra Varietà di frme Reglabile Piccle dimensini Maggire efficienza Maggire durata Eccellente indice Ra Luce bianca brillante Elevata efficienza Lunga durata Scelta dì temperatura di clre Bassi csti di esercizi Bass svilupp di calre Srgenti luminse diffuse Elevata efficienza Lunga durata Bun cntrll ttic Bassi csti di esercizi Buna resa crmatica Efficienza eccezinale Bun cntrll ttic Csti di esercizi mlt bassi Bass decadiment del fluss lumins Bassissimi csti di esercizi Lunghissima durata Piccle dimensini SVANTAGGI Bassa efficienza Elevat svilupp di calre Alti csti di esercizi Breve durata Elevat svilupp dì calre Elevat cst iniziale Sensibile alla temperatura Cntrll ttic limitat Richiede alimentatre Elevat cst iniziale Necessità di alimentatre Lung perid di accensine/riaccensine Cst iniziale elevat Necessità alimentatre Tempi lunghi di accensine/riaccensine Scarsa resa crmatica Omgeneità della luce emessa nn sempre cmparabile cn altri tipi di srgenti luminse 17

22 Gli apparecchi illuminanti Per apparecchi illuminante si intende il cntenitre della srgente luminsa. Le principali funzini che deve asslvere sn: Mdifica delle caratteristiche di emissine della lampada, al fine di ttenere una determinata distribuzine del fluss. Cntrll della luminananza della lampada. Prtezine meccanica ed elettrica. Cntrll termic della srgente luminsa cntenuta. Facilità di installazine e manutenzine. In base alle caratteristiche di ripartizine del fluss lumins, gli apparecchi per l illuminazine d interni sn classificati dalla CIE in sei diversi gruppi in funzine della percentuale di fluss ttale distribuita al di spra al di stt del pian rizzntale passante per l asse della lampada (Fig. 2.5). Figura 2.5. Classificazine CIE per gli apparecchi illuminanti. 18

23 Sistemi PSALI e HSL Il sistema PSALI integra la luce naturale cn la luce artificiale, massimizzand l us della prima per ttimizzare l efficienza della secnda. Il metd di cntrll dell'illuminazine installat in una stanza in accrd cn il sistema PSALI, ha la capacità di illuminare parti della stanza separatamente: durante il girn permette alla luce naturale di illuminare le zne vicin la finestra cn l illuminazine artificiale sprastante spenta, mentre viene illuminata artificialmente sl la parte più lntana dalla finestra, risparmiand csì energia (Fig. 2.6). cntribut della luce diurna cntribut della luce elettrica Figura 2.6. Schema PSALI. Applicazine Il sistema trva applicazine in tutti quegli edifici dve la natura visuale dell attività richiede cura e cnsiderazine nella sua prgettazine (ad es. nelle scule). Stima della prfndità della zna di luce diurna e della zna PSALI per spazi illuminati lateralmente L sfruttament della luce diurna negli edifici richiede dettagliate analisi sulla sua penetrazine in ambiente (Fig. 2.7). Per quest mtiv, risulta necessari determinare i limiti superire e inferire di penetrazine di luce diurna durante l ann. La penetrazine di luce diurna minre è presa cme valre di prfndità della zna di luce diurna, mentre la differenza tra la penetrazine di luce diurna maggire e minre è cnsiderata cme valre di prfndità della zna PSALI (la prfndità di queste zne viene sempre stabilita in 19

24 relazine ai valri di illuminament richiesti dalla nrmativa per ciascuna destinazine d us). È mlt difficile illuminare cn la luce naturale in md unifrme un spazi illuminat lateralmente. Per quest, la cnscenza della prfndità della zna di luce diurna e della zna PSALI è fndamentale per una crretta utilizzazine della luce diurna negli edifici. I livelli di luce diurna fluttuerann durante l ann tra la prfndità della zna di luce diurna e la prfndità massima della zna PSALI, e ciò implica che la luce naturale avrà bisgn di essere integrata dalla luce artificiale per mantenere un pprtun livell di illuminazine lung tale zna. La zna PSALI richiede apparecchiature di illuminazine cn cntrlli di tip dimming sensibili ai livelli di luce diurna (rilevabili grazie a sensri esterni). Figura 2.7. Sezine di un mdell di uffici tip: sn individuate la prfndità della zna di luce diurna (daylight zne) e della zna PSALI (PSALI zne) per un illuminament sul pian di lavr di 300 e 500 lux. Per ambienti particlarmente prfndi, una parte del sistema è mantenuta in funzine in md permanente (zna nera) Principi base Oltre a frnire un adeguata illuminazine sul pian di lavr, il sistema PSALI deve aumentare la luminsità apparente delle aree lntane dalla finestra fin a livelli che sn entr il range di cmfrt (ciè intrn al livell di adattament prevalente nella stanza), 20

25 anche nel cas in cui nn ci sia necessità di illuminazine aggiuntiva sul pian di lavr. Il PSALI deve essere pertant prgettat nn sl in termini di illuminazine sul pian di lavr, ma anche di distribuzine della luce sulle pareti e più in generale in ambiente. Affinché il livell della luce supplementare dia lug ad un equilibri sddisfacente di luminsità cn le parti illuminate dalla luce del girn, si deve tener cnt sia della luminsità visibile del ciel, sia della distribuzine della luce diurna nella stanza. La dipendenza da questi due fattri è diretta: tant maggire è il livell di brillantezza del ciel, più alt è il livell di illuminazine supplementare necessari. La superficie su cui deve essere frnita la luce supplementare sarà determinata dalla distribuzine della luce del girn nella stanza, mentre la distribuzine dell illuminazine supplementare deve variare gradualmente dalle zne più scure a quelle più chiare della stanza. Il risultat miglire è quell per cui si verifica un increment graduale dell illuminazine ttale dal fnd della stanza fin alla finestra. Il livell di illuminazine supplementare dvrebbe sempre essere inferire a quell prveniente dalla luce del girn nei pressi della la finestra. Deve essere evitata gni pssibile depressine del livell di illuminazine nella zna centrale della stanza, per evitare che risulti evidente l artificialità della situazine. Il gradiente di illuminazine dalle finestre laterali alle zne cn illuminazine supplementare per luce unilaterale dvrebbe essere tale che l illuminazine spra l area di lavr principale nn debba variare più di 3:1, sebbene il massim dell illuminazine nelle aree mlt vicine alla finestra può essere al di furi di quest intervall. Prgettazine delle finestre e abbagliament nelle installazini integrate Le superfici trasparenti devn essere prgettate tenend presente che la penetrazine della luce diurna, cn un sistema integrat, può passare in secnd pian per il rischi di abbagliament dvut alla vlta celeste. La prtezine dall abbagliament del ciel è ttenuta riducend l area visibile del ciel, la luminsità del ciel, e aumentand la luminsità media della stanza. Quand nn basta l illuminazine supplementare per aumentare la luminsità media della stanza, si pssn aggiungere anche elementi schermanti cme lamelle e tende. La luminsità del ciel nn è stt il cntrll del prgettista, cme avviene invece per l abbagliament prvcat dal sistema artificiale supplementare, dal mment che l Indice di Abbagliament prveniente da una finestra può variare ampiamente da cas a cas. La sluzine miglire cnsiste nel prgettare la superficie trasparente integrata cn il supplement artificiale, per dare un illuminazine e una distribuzine di luminsità sddisfacenti lung la stanza, frnend ve necessari dispsitivi antiabbagliament fissi reglabili secnd le necessità dell ambiente, e altresì prgettare quest sistema in riferiment alle cndizini medie di ciel (10000 lux). 21

26 Scelta delle srgenti di luce artificiale Una luce artificiale permanente supplementare deve essere uguale alla luce dispnibile sia per clre che per luminsità, se deve essere discreta e nn causare distrazine. I livelli di illuminazine supplementare sn in genere sufficientemente alti da richiedere per ragini ecnmiche l us di una srgente di luce della più alta efficienza luminsa pssibile, cmpatibilmente cn una buna resa crmatica. L illuminazine flurescente di buna qualità è la sla fnte di luce dispnibile ad ggi che incntra questi requisiti. Le lampade flurescenti sn prdtte in una varietà di qualità di clre, e pche sn adatte per essere cmbinarsi cn la luce naturale. La luce diurna stessa varia nella qualità del clre, da un clre relativamente cald della luce diretta slare ad una qualità mlt più fredda del ciel blu seren. La qualità dei clri per una fnte di luce artificiale che serve ad integrare la luce naturale deve essere specificata in due frme distinte: il clre della fnte di luce stessa, e l aspett della luce riflessa dalle superfici neutrali bianche grigie; la qualità della resa crmatica. Queste due specifiche nn sn identiche: due srgenti di luce cn cmpsizini spettrali cmpletamente differenti, pssn apparire sggettivamente dell stess clre, e l effett della luce prveniente da una srgente da un altra su superfici neutrali bianche grigie sarà l stess. D altr lat, però, la resa di clri diversi da quelli neutrali ptrà differire, dal mment che ciò dipende dalle frequenze cmpnenti delle due srgenti. Il grad di divergenza della resa del clre dat dal supplement artificiale, cmparat cn la luce diurna, dipenderà dalle caratteristiche di riflessine spettrale delle superfici. Alcuni clri delle superfici pssn essere distrti in minima parte, mentre altri pssn essere distrti in maniera mlt cnsistente (quest ultim fenmen accade per i clri delle superfici le cui frequenze nn sn presenti nella cmpsizine spettrale della srgente di luce artificiale usata). Quindi, un illuminazine supplementare sddisfacente è tale sl se le prprietà di resa di clre del supplement sn strettamente paragnabili cn quelle della luce naturale diurna presente in ambiente. Dal mment che la stessa luce naturale diurna nn è cstante, è necessari trvare un cmprmess. Ad ggi, nn esiste un tip di lampada flurescente adatta, ma alcune lampade vengn preferite a tutte le altre per quest scp, e prpri queste dvrebber essere usate nel prgett dell PSALI., ferm restand che nessun tip di lampada purtrpp è cmpletamente sddisfacente e una lampada ideale per integrare la luce diurna ancra nn esiste. Nel frattemp mlt può essere fatt attravers la cura cn cui si prgetta il sistema supplementare, evitand la vista delle lampade da parte degli utenti e l us di superfici clrate nelle vicinanze delle lampade, che attiran l attenzine sulle deficienze di clre della srgente luminsa artificiale. 22

27 Clre delle decrazini interne cn l PSALI Mlt può essere fatt per evitare di attirare l attenzine vers le differenti rese di clre date dalla luce naturale e dal supplement artificiale, se si pne cura nella scelta dei clri di superficie dei muri, dei mbili, ecc. in ambiente. Alcuni suggerimenti pssn essere utili: I clri usati sulle superfici che si estendn dall area della luce diurna fin all area che riceve per l più l illuminazine supplementare (sffitt, muri trasversali, paviment) devn essere scelti tra quei clri che mstran il minim cambiament nella resa data dalla luce naturale e dal supplement scelt; Le aree di un clre distintiv preferibilmente nn devn essere estese, ma cnfinate nella parte della stanza illuminata principalmente dalla luce naturale, nella parte della stanza illuminata principalmente dal supplement artificiale; Superfici che ricevn la gran parte della lr illuminazine dalle srgenti supplementari devn essere cstituite da clri che nn vengan distrti sfavrevlmente dal clre della srgente di luce; Il clre del mur di fnd in una stanza illuminata da un sl lat è un cas cmpless. Dal mment che il supplement artificiale sarà pst vicin a quest mur, riceverà una larga cmpnente di luce artificiale che l raggiungerà cn un incidenza casuale, se il supplement è pst sul sffitt. D altrnde, ess riceverà anche una cmpnente ntevle di luce diurna ad incidenza quasi nrmale. La raccmandazine è cnsigliare l us di un clre neutr per il mur di fnd, ugualmente res sia dalla luce artificiale che naturale. La Tab. 2.3 mstra in md sintetic i vantaggi e gli svantaggi assciati all impieg del sistema di illuminazine artificiale permanente supplementare al pst di un sistema di illuminazine artificiale tradizinale. 23

28 Tabella 2.1. Sistema di illuminazine artificiale permanente supplementare. Vantaggi sfruttament massim della luce del girn risparmi energetici sulla luce artificiale unifrme distribuzine della luce nella stanza per tutt il girn manteniment del carattere di luce diurna nella stanza più libertà nella prgettazine: le prprzini della stanza nn sn più necessariamente legate ai requisiti di illuminazine naturale nella prgettazine delle finestre, la penetrazine della luce diurna può passare in secnd pian per prteggere dall'abbagliament prveniente dal ciel (ed evitare anche prblemi di riscaldament e/ raffreddament dvuti a più grandi dimensini delle finestre) il design della finestra può far direttamente riferiment a cnsiderazini di cmfrt visuale, necessità di vedere furi, all'aspett e relazine alla frma e alla struttura dell'edifici Svantaggi differenza nella resa di clre della luce artificiale e della luce naturale: us prevalente di clri neutrali per le superfici della stanza, pichè ugualmente resi sia dalla luce artificiale che dalla luce naturale, di clri che mstran il minim cambiament nella resa data dalla luce naturale e dal supplement scelt us di clri distintivi in aree circscritte ad ggi nn esiste una lampada ideale per integrare la luce diurna: nessun tip di lampada presente è cmpletamente sddisfacente Scelta dei sistemi per l illuminazine supplementare Il sistema di illuminazine supplementare deve essere utilizzat anche dp che la luce del girn è scmparsa, cme parte del nrmale sistema di illuminazine artificiale. Il supplement permanente nn deve attirare l attenzine su di sé durante il girn, altrimenti fallisce l biettiv di dare l impressine di essere parte del sistema di luce diurna. D altra parte, se le srgenti di luce sn nascste in md cnveniente, la luce del girn può rimanere la caratteristica di luce dminante della stanza e può determinare il carattere dell ambiente. La tendenza nel prgett dell illuminazine supplementare va vers un sistema che cnsiste in un illuminazine supplementare distribuita unifrmemente lung tutt il sffitt, sl unità selezinate vengn usate durante il girn per agire cme supplement permanente. Dp che la luce del girn è svanita, l intera installazine diventa perativa. Se la stanza raggiunge prfndità rilevanti, una parte del sistema è mantenuta in funzine in md permanente. Ogni sistema che incrpra dispsitivi di selezine (switching) per cambiare l illuminazine al crepuscl, avrà interruttri cntrllati dal sistema di gestine dell edifici e nn dagli utenti stessi. 24