Facoltà di Architettura- Corso di Tecnica del Controllo Ambientale. Illuminotecnica
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- Filippa Magnani
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3 Le radiazioni elettromagnetiche come Onde radio Radiazioni infrarosse Raggi X Raggi gamma etc
4 Grandezze caratteristiche Lunghezza d onda L onda passa 5 volte al secondo Frequenza
5 Sono comprese nell intervallo di lunghezze d onda di 380 nm e 760 nm In tale intervallo l apparato visivo riceve le radiazioni provenienti dall esterno e le trasforma in segnali nervosi successivamente elaborati dal cervello La lunghezza d onda supera i 780 nm (fino ad arrivare a circa 1000 nm) Sono quelle relative all intervallo 100 nm 380 nm Spettro delle radiazioni elettromagnetiche
6 ovvero capacità di stabilire un confronto fra onde elettromagnetiche di diversa lunghezza d onda. Esempio 1 : radiazione λ = 470 nm luce blu Esempio 2 : radiazione λ = 600 nm luce arancione Lo spettro della radiazione visibile può essere suddiviso in intervalli approssimati, a ciascuno dei quali si può associare una caratteristica cromatica: Violetto nm Blu nm Verde nm Giallo nm Arancione nm Rosso nm
7 = quando l occhio è soggetto ad uno stimolo d insieme che non permette il discernimento delle singole tonalità = scomporre la luce bianca nelle sue componenti principali Il fascio sarà scomposto nelle sue componenti principali, e dalla parte opposta del prisma si vedrà emergere una successione di raggi monocromatici il cui colore passa dal violetto al rosso
8 Il flusso luminoso associato a radiazioni di diversa lunghezza d onda provoca sensazioni di intensità diversa L occhio manifesta una sensibilità diversa rispetto ad una radiazione luminosa monocromatica (a parità di energia impiegata dalla sorgente)
9 Effetto Purkinje ( nm) 1,0 Violetto Blu Verde Giallo Arancio Rosso Sensibilità relativa V( λ ) 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Visione notturna o scotopica (bastoncelli) Visione diurna o fotopica (coni) 0,1 0, Lunghezza d onda λ (nm)
10 In condizioni di visione diurna (FOTOPICA) la massima sensibilità dell occhio si ha in corrispondenza di 555 nm (radiazione GIALLO - VERDE) Spostandosi da tale valore la sensibilità diminuisce (Esempio) In condizioni di visione notturna (SCOTOPICA) la massima sensibilità dell occhio si ha in corrispondenza di 510 nm radiazione (BLU VERDE) Esempio λ = 600 nm (radiazione arancione) sensibilità relativa = 63% Sensibilità relativa V( λ ) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 Violetto Blu Verde Giallo Arancio Rosso Visione notturna o scotopica (bastoncelli) Effetto Purkinje ( nm) Visione diurna o fotopica (coni) 0,1 0, Lunghezza d onda l (nm)
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12 Sono definite per valutare in termini quantitativi le caratteristiche dell illuminazione prodotta in un ambiente Flusso luminoso Intensità luminosa Illuminamento Luminanza Le unità di misura sono corrispondenti al Sistema Internazionale (S.I.)
13 Simbolo: φ Unità di misura nel Sistema Internazionale: LUMEN (lm) È definito, data la sorgente, come la quantità di energia luminosa emessa nell unità di tempo Nel caso della potenza elettrica scriviamo: ENERGIA TEMPO = POTENZA[ Watt] Ma come passiamo dalla POTENZA della sorgente [Watt] a quella luminosa?
14 555 Si assume che per tale valore si abbia: 1 Watt = 683 lumen
15 Ad esempio: Calcoliamo i lumen corrispondenti a λ = 650 nm In tale condizione la sensibilità relativa è pari al 10 % si avrà: 1 Watt = (10/100) 683 = 68.3 lumen
16 Per riassumere: Considerando una sorgente di 1 Watt costituita dalle sole due radiazioni monocromatiche precedenti si avrebbe: λ = 555 nm 1* 683 = 683 lumen λ = 650 nm 1* 683* 0,10 = 68,3 lumen Flusso totale 751,3 lumen Nel caso che la sorgente emetta secondo differenti lunghezze d onda vanno sommati tutti i valori associati a ciascuna lunghezza d onda
17 In generale Un fascio luminoso sarà costituito da un insieme di radiazioni monocromatiche Ogni radiazione dovrà essere considerata secondo la propria sensibilità relativa K m = 683 lm/w W λ = potenza della sorgente V (λ) = fattore di visibilità relativa
18 Assegnata una sorgente puntiforme, molto spesso si è interessati a valutare il flusso luminoso che si propaga in una determinata direzione; in altre parole si è interessati alla densità dei lumen all interno di un cono ideale che ha il vertice nella sorgente e asse secondo la direzione di propagazione. Il rapporto tra flusso luminoso e angolo solido è l intensità luminosa.
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20 Simbolo: E Unità di misura nel Sistema Internazionale: LUX (lx) L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da una superficie e l area di tale superficie 1 lux = illuminamento prodotto dal flusso di un lumen distribuito in modo uniforme su di una superficie di un metro quadrato 1 metro
21 α Osservatore Direzione di osservazione S = superficie reale (sorgente) Superficie apparente S = S cosα Iα = Intensità luminosa in direzione α Lα = Luminanza in direzione α
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23 Data una sorgente di luce artificiale che emette una radiazione pari a 100 W alla lunghezza d onda (λ) di 510 nm, si calcoli il flusso luminoso corrispondente. Il calcolo del flusso luminoso passa attraverso la curva di sensibilità fotopica dell occhio umano. Tale curva descrive la percentuale di radiazione che l occhio di un osservatore percepisce come flusso luminoso in funzione della lunghezza d onda. Per un flusso con λ = 510 nm la sensibilità risulta essere pari al 50% rispetto a quella massima fissata per λ = 555 nm. Per λ = 555 nm Per λ = 510 nm 1W = 683 lumen 1W = 683 x 0,50 lumen = 341,50 lumen Per ottenere il flusso totale 341,50 x 100 = lumen
24 Data una sorgente di luce artificiale che emette con una intensità luminosa (I) pari a 2000 cd in ogni direzione, si calcoli il flusso luminoso totale emesso. Il flusso totale emesso è dato dalla seguente relazione: Φ = intensità luminosa x angolo solido Per una sorgente di luce che emette in modo uniforme in ogni direzione, essendo l angolo solido di propagazione del flusso pari a 4π, sostituendo: Φ = 2000 x 4π = lumen Ovvero 25 x 10 3 lumen
25 Sia data una superficie orizzontale pari a 5 m 2 ed una sorgente di luce artificiale che illumina tale superficie con un flusso luminoso incidente pari a 4000 lumen. Si calcoli il valore di illuminamento sulla superficie. Il calcolo dell illuminamento su una determinata superficie è dato dalla seguente relazione: Sostituendo:
26 Sia data una sorgente di luce artificiale che emette un flusso luminoso totale pari a 500 lumen dotata di un riflettore grazie al quale il 40% del flusso totale emesso investe un quadro di dimensioni 0,25 x 0,50 metri. Si calcoli il valore di illuminamento medio sul dipinto. Il calcolo dell illuminamento su una determinata superficie è dato dalla seguente relazione: Considerando che soltanto una parte del flusso emesso raggiunge il dipinto φ = 500 x 0,40 = 200 lumen Calcolo dell area del dipinto: A = 0,25 x 0,50 = 0,125 m 2 Sostituendo:
27 Data una lampada a vapori di sodio avente una intensità luminosa perpendicolare alla superficie cilindrica pari a 4000 cd, si calcoli il valore della luminanza nella direzione di osservazione indicata in figura. Per calcolare la luminanza di una sorgente luminosa in una particolare direzione vale la seguente relazione: Lampada I = intensità luminosa nella direzione considerata A app = area apparente della sorgente nella direzione considerata Essendo in questo caso una sorgente cilindrica la sua area apparente risulterà: A app = 100 x 8 = 800 mm 2 ossia 0,80 m 2. Applicando la relazione: Area apparente Direzione di osservazione 100 mm 8 mm
28 Dato un apparecchio di illuminazione sferico di diametro pari a 20 cm che irradia un intensità luminosa di 100 cd in tutte le direzioni, si calcoli il valore della luminanza media. Sapendo che per il calcolo della luminanza vale la seguente relazione: I = intensità luminosa A app = area apparente della sorgente Essendo in questo caso un apparecchio illuminante sferico la sua area apparente risulterà: A app = π x r 2 = 3,14 x 0,10 2 = 0,0314 m 2 Applicando la relazione:
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31 Il sensore del goniofotometro misura l intensità luminosa in tutte le direzioni relative al centro della sorgente combinando il movimento rotatorio sull asse verticale (0-360 ) con la traslazione sulla fascia metallica. L insieme dei valori dell intensità luminosa fornisce il solido fotometrico. Fascia metallica Solido fotometrico
32 Per gli apparecchi di illuminazione la valutazione dell intensità luminosa viene effettuata secondo alcune direzioni prestabilite o piani di simmetria, fornendo così la curva fotometrica C _ 90 C _ 270 C _ 180 C _ 0
33 Sia assegnato un apparecchio illuminante che emette un flusso luminoso pari a 2000 lumen. Considerando la curva fotometrica indicata in figura, si calcoli il valore dell intensità luminosa, sul piano di simmetria 0-180, secondo la direzione corrispondente all angolo 30. Il valore dell intensità luminosa individuato sul grafico in corrispondenza di 30 sulla curva relativa all asse di simmetria è pari a 180 cd. Tali valori sono relativi ad un flusso luminoso di 1000 lm per cui: I = (180 x 2000)/1000 = 360 cd
34 La luce incide su un ricettore costituito da silicio (materiale semiconduttore fotovoltaico) generando una corrente misurabile in un circuito attraverso un microamperometro. Dalla corrente generata, mediante opportune scale di conversione, viene ricavata la misura dell energia luminosa. MINOLTA T-10M Il luxmetro deve avere una risposta alla radiazione luminosa quanto più vicina alla curva fotopica di sensibilità relativa V(λ), ovvero deve simulare il più possibile l occhio umano normalizzato dal punto di vista fotometrico.
35 La misura diretta viene effettuata puntando lo strumento verso la zona del campo visivo di cui interessa rilevare il valore di luminanza, con angoli di apertura scelti in funzione dell uso specifico MINOLTA LS-110 Esempio di misure di luminanza per postazioni di lavoro
36 Evidenziati i numerosi fattori che influenzano la prestazione visiva è necessario individuare un numero discreto di parametri e indici illuminotecnici necessari a definire i limiti entro i quali poter giudicare confortevole un ambiente luminoso. Tali parametri sono: livello e uniformità di illuminamento; distribuzione ed equilibrio della luminanza; abbagliamento; resa del contrasto e direzionalità della luce; spettro della sorgente luminosa e resa cromatica.
37 Illuminamento medio di esercizio Em Valore medio di illuminamento sul piano di lavoro considerato riferito allo stato medio di invecchiamento e sporcamento dell impianto di illuminazione (decadimento del flusso delle lampade, sporcamento dei corpi illuminanti e delle superfici delimitanti l ambiente)
38 Fattore di uniformità Rapporto tra il valore minimo e medio degli illuminamenti di una superficie Tale valore deve essere
39 La presenza di eccessivi contrasti di luminanza può risultare affaticante per la visione a causa dell eccessiva luminosità di oggetti che riflettono la luce nel campo visivo dell osservatore Poichè la luminanza influenza direttamente l adattamento dell occhio e quindi la qualità della visione è importante controllare la sua distribuzione all interno di un ambiente attraverso: Rapporto tra la zona del compito e lo sfondo compreso tra 1/3 e 3 Rapporto tra la zona del compito e le aree circostanti rientranti nel campo visivo compreso tra 1/10 e 10
40 L 2 = luminanza dell oggetto L 1 = luminanza dello sfondo Viene definita una soglia di visibilita che dipende dalle differenze di luminanza tra lo sfondo e l oggetto: se i valori della luminanza si avvicinano si giunge ad un limite oltre il quale non si riesce piu a percepire l oggetto rispetto allo sfondo
41 E uno degli aspetti del progetto illuminotecnico cui bisogna fare più attenzione. La presenza di sorgenti luminose dirette o indirette, con luminanza notevolmente maggiore rispetto alla media delle sorgenti presenti nel campo visivo può dar luogo al fenomeno dell abbagliamento. L abbagliamento può essere di tipo diretto = causato da una o più fonti luminose (lampade nude, apparecchi di illuminazione, finestre) situate nella direzione di osservazione indiretto = causato da una o più fonti la cui direzione non coincide con quella di osservazione riflesso = prodotto dalle riflessioni di una o più superfici che ricevono luce da fonti interne o esterne
42 Discomfort glare = abbagliamento che determina fastidio o disturbo psicologico senza compromettere o impedire la visione Disability glare = abbagliamento che determina una riduzione della capacità visiva senza necessariamente generare una sensazione sgradevole. In quest ultimo caso, quando l alterazione dei contrasti è eccessiva, si ha il cosiddetto effetto velo, che consiste in una sorta di velo luminoso offuscante che invade il campo visivo cancellando i contrasti
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44 Per una superficie che si comporta come un diffusore uniforme (superficie lambertiana) caratterizzata da un coefficiente di riflessione ρ la relazione che lega illuminamento E e luminanza L è: π L = ρ E
45 Sia data una sorgente di luce artificiale che emette un flusso luminoso totale pari a 500 lumen, incidente su una superficie perfettamente diffondente (si assuma valida la relazione ρ x E = π x L) che presenta un fattore di riflessione di 0,30. Considerando che le dimensioni di tale superficie siano 3 x 3 metri, si calcoli il valore medio della luminanza. Per una superficie perfettamente diffondente vale la seguente relazione: ρ x E = π x L ρ = coefficiente di riflessione della superficie E = illuminamento medio della superficie L = luminanza della superficie da cui: E = ϕ/a = 500/(3x3) = 55,56 Sostituendo:
46 Anche nel caso della trasmissione, si parla di trasmissione diffusa uniforme, speculare o regolare, mista.
47 fornisce una indicazione del comportamento di una superficie opaca rispetto al flusso luminoso incidente
48 Luce Incidente Posizionando il luxmetro sulla superficie di prova si rileva l illuminamento dovuto alla luce incidente Luxmetro (lettura: 70 lx) Luce Incidente In un secondo momento si rileva l illuminamento dato dalla luce riflessa Luxmetro (lettura: 45 lx) Rapportando le due letture si ottiene, se pur approssimativamente, il coefficiente di riflessione della superficie
49 fornisce una indicazione del comportamento di una superficie trasparente rispetto al flusso incidente
50 Luxmetro (lettura: 80 lx) Luxmetro (lettura: 150 lx) Dal loro rapporto si ottiene un valore approssimativo del coefficiente di trasmissione
51 Le sorgenti di luce costituiscono il mezzo attraverso cui si assicura ad un ambiente una qualità illuminotecnica. La luce costituisce uno strumento di progettazione SORGENTI DI LUCE DISPONIBILI ARTIFICIALE NATURALE CARATTERISTICHE QUANTITATIVE E QUALITATIVE DELLE SORGENTI LUMINOSE: Tonalità o Temperatura di colore Indice di resa cromatica Efficienza luminosa Durata di vita, decadimento del flusso luminoso, tempo di riaccensione, etc.
52 CLASSIFICAZIONE DELLE SORGENTI LUMINOSE :
53 E un parametro che ci da informazioni circa la qualità della luce poiché tiene conto del suo contenuto cromatico. Tale parametro si esprime in modo diretto tramite un confronto tra la temperatura assoluta di un emettitore ideale (corpo nero) che irradia la luce con la stessa tonalità della sorgente in esame. esempio Una sorgente ha una temperatura di colore di 3000 K significa che la luce da essa prodotta ha la stessa tonalità di quella generata da un corpo nero portato alla temperatura di 3000 K.
54 L apparato visivo dell occhio umano percepisce come tonalità bianca la luce che ha una temperatura di colore di circa 5500 K, corrispondente alla luce del sole in pieno giorno. Al di sopra e di sotto di tale valore la tonalità viene giudicata rispettivamente fredda e calda. TONALITA O TEMPERATURA DI COLORE (CCT) Tonalità Temp. di colore Applicazione CALDA INTERMEDIA FREDDA < 3300 K K >5300 K Residenziale Lavoro Impieghi visivi molto elevati
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56 Grado di fedeltà nella restituzione dei colori della sorgente considerata rispetto ad una sorgente campione (di riferimento). L indice di resa cromatica è pari a 100 quando le distribuzioni spettrali dell illuminante di riferimento e della sorgente in esame sono perfettamente identiche; valori inferiori evidenziano una capacità progressivamente minore di resa cromatica. L indice di resa cromatica è di valido ausilio nella progettazione degli ambienti dove i contrasti e le armonie cromatiche sono di fondamentale importanza (comparazione colori, pinacoteche, etc.) A titolo indicativo si può dare come valutazione qualitativa del valore di resa cromatica la seguente suddivisione: 85<Ra<100 ottima 70<Ra<85 buona 50<Ra<70 discreta
57 Lampada Alogena Fluorescente bianco Fluorescente luce diurna Vapori di mercurio Vapori di mercurio con alog. Sodio alta pressione CCT (K) Ra
58 Tale parametro viene definito come: Flusso luminoso emesso Potenza elettrica assorbita Tale parametro assume importanza fondamentale nei casi in cui nella progettazione dell impianto sia necessaria l economia di esercizio. Esempi Lampade ad incandescenza: efficienza di ca. 12 lm/w Lampada a vapori di sodio a bassa pressione: efficienza 200 lm/w Lampada ad incandescenza: cospicua emissione nel campo degli infrarossi Lampada a vapori di sodio: emissione concentrata in un intervallo (ca. 589 nm) in corrispondenza del quale il coefficiente di sensibilità relativa dell occhio mantiene un valore elevato (ca. 0.75)
59 Lampada Incandescenza Alogena B.T. Vapori di mercurio A.P. Fluorescente compatta Alogenuri Sodio alta pressione Potenza (W) Eff. (lm/w)
60 Il numero di ore di funzionamento dopo il quale, per un determinato lotto di lampade in determinate condizioni di prova, il 50% delle lampade ha cessato di funzionare. Lampada Incandescenza Alogena Vapori di mercurio A.P. Fluorescente (tubolare) Alogenuri Sodio alta pressione Durata (ore)
61 Durante il funzionamento di una sorgente si registra una lenta diminuzione della quantità di radiazione emessa: tale fenomeno, a cui sono comunque soggette tutte le sorgenti artificiali, è definito come decadimento del flusso luminoso. Lampada Incandescenza Alogena B.T. Vapori di mercurio A.P. Fluorescente tubolare Alogenuri Sodio alta pressione Acc. Freddo istantaneo istantaneo 3 5 min 1 3 s 3 4 min 5 11 min Acc. Caldo Istantaneo istantaneo 4 6 min 1 2 s 4 6 min 1 2 min
62 Supponiamo di conoscere la sorgente luminosa e la relativa curva fotometrica.
63 E = I considerando che H = cos θ cos θ 2 D D cos θ = H D S: sorgente θ D H θ R A possiamo scrivere: normale al piano orizzontale su cui è il punto P P E = I H D 3
64 OBIETTIVO: favorire il benessere psico-fisico degli occupanti e di ridurre i consumi energetici degli edifici. L illuminamento naturale in un punto di un ambiente interno è determinato: dal flusso luminoso diretto proveniente dal sole e dalla volta celeste; dal flusso luminoso riflesso dalle ostruzioni e dalle superfici esterne; dal flusso luminoso indiretto causate dalle riflessioni multiple sulle superfici interne.
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66 La valutazione previsionale del FLD può essere eseguita sulla base della UNI 10840:2000 sostituita dalla 10840:2007.
67 Il cielo artificiale è uno strumento di laboratorio a carattere innovativo di supporto, valutazione e sviluppo di attività progettuali relativamente a:
68 Consente di simulare soltanto la condizione di cielo coperto (CIE Overcast) Non consente l installazione di un sole artificiale Risultati misure e osservazioni precise nonostante la breve durata delle acquisizioni Consente di calcolare il fattore di luce diurna Consente di ottenere immagini degli ambienti luminosi raggiunti nel modello Altezza massima modelli circa 70 cm per evitare di mascherare le interriflessioni tra i vari specchi Soffitto luminoso realizzato con sorgenti fluorescenti lineari poste dietro una superficie opalina diffondente.
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70 Il calcolo del FLDm si ottiene dal rapporto della media dei valori di illuminamento acquisiti su una griglia di punti all interno di modelli architettonici in scala e il valore di illuminamento esterno. sonda luxmetrica modello architettonico in scala 1:20 I modelli vengono rivestiti internamente con cartoncini aventi coefficienti di riflessione (r) simili a quelli dei materiali da costruzione reali.
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72 Sia assegnata una sorgente S e un punto P appartenente ad un piano orizzontale come rappresentato in figura. Ipotizzando che la sorgente S abbia la seguente curva fotometrica, si calcoli il valore puntuale dell illuminamento orizzontale nel punto P assegnato. S: sorgente H=2m θ D θ normale al piano orizzontale su cui è il punto P A R=1m P
73 La relazione da applicare è la seguente: E = I cos θ D 2?? Le incognite sono sia l angolo θ che rappresenta l angolo tra la normale al piano e la sorgente, sia la distanza tra sorgente S e punto P. Per calcolarci l angolo θ si applicano semplici formule di trigonometria: R = H tg θ θ = arctg R H = arctg 0,5 = 27 Per calcolarci la distanza D applichiamo il teorema di Pitagora: = H 2 + R 2 = = 2, 24 m D 2
74 Per ricavare il valore dell intensità luminosa dell apparecchio in direzione del punto P bisogna utilizzare la curva fotometrica e leggere il valore in corrispondenza dell angolo compreso tra l asse della sorgente (0 ) e il punto P e che, in questo caso, coincide con l angolo θ. In corrispondenza dell angolo pari a 27 abbiamo: I = 2000 cd A questo punto è possibile sostituire tutti i valori nella relazione: E = I cos θ D 2 = 2000 cos27 = 2, , 894 5, 02 = 356 lux Il valore dell illuminamento del punto P appartenente ad un piano orizzontale è quindi pari a 356 lux.
75 Sia assegnata una sorgente S e un punto P appartenente ad un piano verticale come rappresentato in figura. Ipotizzando che la sorgente S abbia la seguente curva fotometrica, si calcoli il valore puntuale dell illuminamento verticale nel punto P assegnato. S: sorgente D H=2m normale al piano verticale su cui è il punto P A R=1m θ P piano verticale su cui è il punto P
76 La relazione da applicare è la seguente: E = I cos θ D 2?? Le incognite sono sia l angolo θ che rappresenta l angolo tra la normale al piano e la sorgente, sia la distanza tra sorgente S e punto P. Per calcolarci l angolo θ si applicano semplici formule di trigonometria: H = R tg θ θ = arctg H R = arctg 2 = 63 Per calcolarci la distanza D applichiamo il teorema di Pitagora: = H 2 + R 2 = = 2, 24 m D 2
77 Per ricavare il valore dell intensità luminosa dell apparecchio in direzione del punto P bisogna utilizzare la curva fotometrica e leggere il valore in corrispondenza dell angolo compreso tra l asse della sorgente (0 ) e il punto P e che, anche in questo caso, è pari a 27. Quindi in corrispondenza dell angolo pari a 27 abbiamo: I = 2000 cd A questo punto è possibile sostituire tutti i valori nella relazione: E = I cos θ D 2 = 2000 cos63 = 2, , 454 5, 02 = 181 lux Il valore dell illuminamento del punto P appartenente ad un piano verticale è quindi pari a 181 lux.
78 Siano assegnate due sorgenti luminose (S1 e S2), ed un punto P appartenente ad un piano orizzontale come rappresentato in figura. Utilizzando la seguente curva fotometrica (piano C0-180) e supponendo che entrambe le sorgenti abbiano un flusso luminoso pari a 5000 lumen, si calcoli il valore dell illuminamento orizzontale nel punto P.
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