ILLUMINAZIONE NATURALE

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1 CAPITOLO 9 ILLUMINAZIONE NATURALE 9.1 Generalità Un corretto utilizzo della luce diurna rende più gradevoli abienti agli occupanti e conteporaneaente può contribuire a contenere durante il giorno i consui di energia elettrica. Ovviaente, nel caso di abienti profondi e di ridotta altezza si rende spesso necessario un contributo suppleentare d illuinazione artificiale anche nelle ore centrali della giornata. E evidente che l ipianto suppleentare dovrà essere una sottosezione dell'ipianto d illuinazione generale per evitare costose duplicazioni. La progettazione di sistei d illuinazione suppleentare presenta problei non ancora copiutaente studiati: ad esepio, poiché la luinanza del cielo varia continuaente, ne consegue che anche il livello d illuinazione suppleentare dovrebbe variare durante le ore del giorno per assicurare accettabili condizioni d equilibrio dei vari paraetri illuinotecnici (livelli d illuinaento, contrasti di luinanza). D'altra parte olti edifici oderni sono progettati, anche quando sarebbe tecnicaente possibile fare altrienti, senza tener conto, o addirittura in spregio, a queste probleatiche, ad esepio privilegiando criteri copositivi che portano a realizzare abienti profondi con soffitti bassi, che non favoriscono l illuinazione naturale negli abienti. Coe già osservato in precedenza, l atosfera provoca fenoeni d assorbiento e di diffusione delle radiazioni solari, in isura variabile con le ore del giorno (percorso più o eno lungo che le radiazioni stesse copiono pria di raggiungere il livello del suolo). La volta celeste è luinosa proprio in conseguenza della diffusione atosferica della luce, in particolare: - se l aria è secca la diffusione della luce è essenzialente dovuta alle olecole di O 2 e N 2 e, quindi, coe ben noto, predoinano le coponenti luinose a inore λ (cielo azzurro) - in presenza di goccioline d acqua (nuvole) vengono aggiorente diffuse le coponenti a aggiore λ per cui la volta celeste assue una colorazione bianco-grigia. È opportuno osservare che quando si parla d illuinazione naturale s intende coe sorgente luinosa priaria la volta celeste e non certo il sole, alle cui radiazioni dirette si cerca in genere di precludere l accesso agli abienti. Sebbene parlando d illuinazione naturale venga spontaneo riferirsi al cielo sereno, olte ricerche condotte nel ondo sulla disponibilità di luce naturale hanno preso in considerazione il

2 cielo nella condizione di unifore nuvolosità. Ciò per otivi prudenziali nella progettazione e per le agevolazioni di calcolo. Il prio odello (il più seplice ed approssiato) prevede un cielo coperto (nuvoloso) con luinanza unifore. Ovviaente, in realtà la luinanza di un cielo coperto non è unifore, per cui la CIE ha proposto e noralizzato un odello di cielo coperto a luinanza non unifore, per quei clii nei quali questa condizione atosferica può essere considerata preinente. Un presupposto interessante di questo odello è che la luinanza del cielo decresce dallo zenit all orizzonte in odo tale che il prio risulta essere caratterizzato da una luinanza tre volte più elevata del secondo. Il odello di cielo sereno CIE presenta una distribuzione di luinanza che dipende dalla posizione del sole a parte il disco solare vero e proprio. Si può accennare che secondo questo odello le porzioni di cielo sereno più prossie alla posizione del sole risultano caratterizzate da una luinanza fino a 40 volte superiore a quella delle porzioni più sfavorite (opposte). 9.2 Fattore di luce diurna Una difficoltà connessa allo studio dell'illuinazione naturale all interno degli abienti è dovuta al fatto che la luinanza della volta celeste varia notevolente durante l'arco del giorno. In conseguenza più che a valutare l'illuinaento assoluto all interno di abienti, spesso si preferisce il criterio relativo, e cioè valutare il rapporto esistente tra l'illuinaento interno ed esterno. Questo rapporto o fattore di luce diurna η, è più precisaente definito coe: η E / E e e, cioè, coe rapporto tra l'illuinaento E in un punto dell'abiente e l'illuinaento E e che, nello stesso istante, assuerebbe una superficie orizzontale posta all'esterno, scherata dall'irraggiaento solare diretto ed esposta alla luce proveniente dall'intera (non ostruita) volta celeste. Il fattore di luce diurna η viene spesso espresso in unità percentuali. Esso può essere facilente isurato con un luxetro in ogni punto del piano di lavoro di un abiente. A questo fine occorre isurare l illuinaento E del punto e conteporaneaente anche l'illuinaento esterno E e. A titolo inforativo, l'illuinaento naturale in un punto di un abiente deve ritenersi: insufficiente se il valore di η risulta < 0,3 %; discreto se il valore di η è copreso tra 0,5 e 1%; buono se il valore di η risulta > 1%; ottio se il valore di η risulta > 4%.

3 Per valutare accurataente η nei diversi punti del piano di lavoro di un abiente, occorre un'analisi laboriosa e coplessa. E opportuno, pria di presentare un seplice procediento per la valutazione approssiata di η, illustrare breveente la coplessità della probleatica. In generale, l'illuinaento esterno, dovuto all'intera volta celeste, E e può essere ricondotto ad una situazione già nota (calcolo dell'illuinaento in un punto dovuto ad una sorgente estesa) se si suppone che la volta celeste corrisponda ad un'intera calotta sferica luinosa con luinanza costante (L c ) e coportaento labertiano. Adottando questa seplificazione si può scrivere: E π e L c In figura è riportato, per le nostre latitudini, l'illuinaento edio esterno E e nei diversi esi dell'anno (I gennaio, II febbraio, ecc.) durante il ciclo diurno (da cui è iediato ottenere anche L c ). L'illuinaento E in un punto dell'abiente risulta di coplessa valutazione principalente a causa della grande varietà di situazioni che possono presentarsi: esso, infatti, è pari alla soa dei seguenti contributi: a b c E dc, contributo direttaente proveniente dalla porzione di cielo vista dal punto stesso attraverso la finestra; E re contributo riflesso esternaente (ad esepio le pareti di un altro edificio, alberi, etc.); E ri contributo riflesso internaente (a causa di riflessioni ultiple all'interno dell'abiente). Nelle seguenti figure (a, b e c) le superfici luinose responsabili dei tre diversi contributi sono evidenziate in chiaro. Il prio contributo, e cioè il terine E dc, pu ò essere valutato linea di principio senza difficoltà, in quanto ricade in una situazione già studiata (calcolo dell'illuinaento in un punto dovuto ad una sorgente estesa): Per la porzione di volta celeste vista attraverso la finestra si assue una luinanza pari a τ L c con τ fattore di trasissione del vetro Il secondo contributo, e cioè il terine E re, può essere ancora valutato senza particolari difficoltà d ordine concettuale, se si ipotizza che le varie superfici esterne siano caratterizzate da

4 luinanze L j. Le luinanze da assuere sono date da L j τ E j ρ j / π essendo tale la luinanza assunta dalla superficie j (fattore di riflessione ρ j ) sottoposta ad illuinaento E j. Pertanto, anche per questo contributo, si ricade in una situazione già studiata (calcolo dell'illuinaento in un punto dovuto ad una sorgente estesa di superficie S j ). Il terzo contributo, e cioè l'illuinaento E ri, dovuto a quella parte di luce che giunge nel punto in conseguenza delle riflessioni ultiple all'interno dell'abiente, potrebbe in linea teorica essere valutato coe già accennato per l'illuinazione artificiale di un abiente e, cioè, nel odo seguente. In una fase iniziale si potrebbero deterinare gli illuinaenti direttaente provocati dalle sorgenti priarie (cielo e superfici esterne) in un nuero sufficienteente rappresentativo di punti posti sulle superfici deliitanti l'abiente, per ottenere una pria approssiata distribuzione degli illuinaenti edi. A questo punto si può assegnare alle varie porzioni di superfici una luinanza Li ρiei / π e considerare ciascuna di esse coe una sorgente luinosa estesa che fornisce un suppleento di illuinazione sulle varie superfici del locale. A questo punto si possono correggere i vari illuinaenti edi precedenteente valutati ottenendo un secondo e più approssiato andaento dell'illuinaento sulle varie pareti. Ripetendo questo acchinoso procediento, un nuero sufficiente di volte, si arriva a deterinare con l'approssiazione desiderata l'illuinaento E ri nel punto in esae. Ovviaente, raraente sono richieste valutazioni così accurate dei livelli di illuinaento; oltre a ciò esse sarebbero spesso illusorie: si pensi, ad esepio, coe già osservato, al fatto stesso che il progettista conosce solo in linea del tutto indicativa quali valori assegnare ai fattori di riflessione delle varie superfici. In generale l'uso di etodi di calcolo più o eno coplessi (la letteratura tecnica ne riporta un notevole nuero) ha senso solo quando la necessità di ottenere risultati olto dettagliati giustifica la relativa difficoltà di applicazione ai vari casi. In genere olte di queste procedure presuppongono, per essere applicabili, un elevato grado di conoscenza della geoetria del sistea, spesso non disponibile. La deterinazione del fattore di luce diurna risulta, quindi, più o eno approssiata secondo le ipotesi scelte nell'ipostazione del calcolo. A titolo d esepio, si riportano alcune figure ove sono qualitativaente rappresentate distribuzioni del fattore di luce diurna lungo la sezione di locali con diversa disposizione delle superfici trasparenti. Si può osservare la notevole disuniforità di tale fattore nel caso di un locale unito di un unica finestra. Se gli abienti non sono destinati a particolari ipegni visivi, può risultare sufficiente deterinare il fattore edio di luce diurna, anche se le finestre sono disposte su un solo lato.

5 Il più seplice (e approssiato) etodo esprie l'illuinaento edio interno all abiente E in funzione dell'illuinaento E f sulla finestra del locale. Ricordando la relazione precedenteente ottenuta che lega il flusso luinoso iesso in un abiente ϕ l col l'illuinaento edio E in ogni punto dell'abiente (ipotesi di flusso luinoso perfettaente diffuso nell'abiente), si può scrivere: ϕ l /( 1 ρ ) E Nel nostro caso indicando con A la superficie della finestra e con τ il relativo fattore di trasissione può porsi: ϕ A l E f τ L'illuinaento edio E risulta allora espriibile da: E τ A n A Efτ τ /(1 ρ ) A n Per seplicità, indicando ora l'area totale delle superfici interne con S (ponendo cioè S An ) e ricordando la definizione di fattore edio di luce diurna η E / Ee, si può scrivere: η E / E e A E f τ / E e (1 ρ ) S A τ q /(1 ρ ) S Il rapporto q E f / E e, tra l'illuinaento E f dovuto al flusso luinoso incidente sulla finestra e quello esterno E e su un piano orizzontale liberaente esposto al cielo, è detto fattore di finestra e dipende dalle condizioni di illuinazione della finestra. Il fattore q è ovviaente uguale all'unità per una finestra orizzontale con vista libera della volta celeste (luinanza unifore). Nel caso di una finestra verticale con ostacoli esterni (edifici, alberi, ecc.) ovviaente q < 0.5. In questi casi, una sua deterinazione accurata risulta spesso assai laboriosa, dovendo tener conto della luce riflessa sulla finestra stessa dagli ostacoli esterni (piano stradale, edifici prospicienti, etc.). Ovviaente, se vi sono un nuero i di finestre si può porre: η A i τ i q i /(1 ρ In letteratura sono riportati nuerosi etodi rapidi e ovviaente più o eno approssiati per valutare il fattore finestra q. Per esepio, per una finestra verticale affacciata su una strada con fabbricati contrapposti, il fattore finestra q può valutarsi indicativaente ediante il diagraa riportato in figura. ) S

6 dove: q fattore finestra; H altezza del fabbricato contrapposto; h altezza della finestra dal piano stradale; La larghezza della strada. Per tener conto del posizionaento della superficie vetrata rispetto al filo della facciata, si può oltiplicare il fattore finestra q per un fattore di correzione ψ, funzione della geoetria della vetrata, coe riportato nel successivo diagraa.

7 Ad esepio, il D.M. 5/7/75 per l edilizia residenziale dispone che tutti i locali degli alloggi, eccettuati quelli destinati a servizi igienici, disipegni, corridoi, vani scala, ripostigli, devono fruire d illuinazione naturale diretta adeguata alla destinazione d'uso. Per ciascun locale d abitazione l'apiezza della finestra deve essere proporzionata in odo da assicurare un valore del fattore di luce diurna edio non inferiore al 2% e, in ogni caso, la superficie finestrata apribile non dovrà essere inferiore a 1/8 della superficie del paviento. Il fattore η dipende sia dalla destinazione generale d'uso dell'edificio, sia dalla funzione propria dei singoli spazi all'interno di esso. In tabella sono riassunti i valori di η indicati nella norativa. η 0.01 η 0.02 η 0.03 Edilizia Residenziale tutti i locali di abitazione Edilizia Scolastica uffici, spazi di distribuzione, scale, servizi igienici palestre, refettori abienti ad uso didattico, laboratori Edilizia Ospedaliera coe edilizia scolastica abienti di degenza, diagnostica, laboratori

8 ESERCIZI ED ESEMPI 1) Misura fattore edio di luce diurna e confronto con il risultato calcolato nel caso dell aula esposizioni tesi della Facoltà. Nella seguente figura si riporta la pianta della sala che risulta trapezoidale (lato aggiore 16.2 [], lato inore 15.4 [], altezza del trapezio 5.6 [] con quindi una totale superficie pari a circa S t 88 [ 2 ]). Misure eseguite All interno della sala si sono eseguite isure di illuinaento con luxetro Testo 545 sul piano di lavoro ( piano a 80 [c ]dal paviento). Le isure (36) sono state effettuate al centro di 36 aree rettangolari eguali S i 1.44 x 1.7 [ 2 ] in cui si è suddivisa la superficie in pianta. La tabella seguente riporta valori E i in Lux ottenuti alle ore 15 di un giorno di Gennaio. Tabella illuinaenti rilevati nella sala (Lux) Il valore edio dell illuinaento risulta pari a : E Si Ei S0 E S 36 S i i lux Conteporaneaente una seconda squadra di studenti, unita di un secondo luxetro, ha proceduto a isurare conteporaneaente l illuinaento esterno su un terrazzo orizzontale della

9 Facoltà curando opportunaente di scherare il luxetro dall irraggiaento solare diretto. Il valore rilevato alle ore 15 è risultato pari a E e lux. Il fattore edio di luce diurna risulta, quindi: η E E e Il risultato ottenuto evidenzia coe l illuinazione naturale della sala possa essere classificata coe buona. Calcolo del fattore edio η e confronto colla valore isurato Si sono rilevate le seguenti inforazioni relative alle caratteristiche della sala e dei serraenti: n 3 finestre unite di vetri doppi a circa 20 [c] dal filo esterno (1 finestra ha una totale superficie vetrata pari a A f 2.46 [ 2 ]) (vedi figura) altezza locale h l 4 [] due finestre sono libere entre la terza è parzialente ostruita I fattori di riflessione da assegnare alla varie superfici della sala derivano dalla seguente tabella

10 :Risulta quindi : superficie totale pareti laterali S l ; ρ l 0. 7 superficie soffitto (supposto piano) S s 88 2 ; ρ 0. 7 superficie paviento S p 88 2 ; ρ 0. 4 p s Calcolo di ρ ρ 171* * * Calcolo di τ per vetri doppi τ τ 0.8 * τ Calcolo di q Dal grafico poiché 2 delle 3 finestre risultano quasi copletaente libere risulta H h L e e ae 0 per cui q.47 entre per la terza, la parziale ostruzione della volta celeste coporta circa q 0.40 Calcolo di ψ Risultando per ciascuna finestra L a 1.2 ; p 0.2; h 2.2 si ottiene un rapporto L a /p 6 ed un rapporto h/p 11 per cui il grafico fornisce ψ Applicando la relazione: Ai τi qi 2A f τ A f τ η (1 ρ ) S (1 0.62) S Coe si può osservare il valore del fattore edio di luce diurna calcolato risulta in buon accordo col valore precedenteente isurato.