ILLUMINOTECNICA PER LA PROGETTAZIONE

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1 PROGETTARE CON LA LUCE MODULO 1 ILLUMINAZIONE PER INTERNI ILLUMINOTECNICA PER LA PROGETTAZIONE INDICE PRINCIPI DI VISIONE UMANA PRINCIPALI GRANDEZZE ILLUMINOTECNICHE Grandezze quantitative Grandezze percettive SORGENTI LUMINOSE Caratteristiche cromatiche Caratteristiche tecniche Principali tipologie APPARECCHI ILLUMINANTI Componenti Principali tipologie Caratteristiche tecniche PROGETTAZIONE ILLUMINOTECNICA Cenni di progettazione illuminotecnica 1

2 Il fenomeno della VISIONE SORGENTE LUMINOSA OCCHIO UMANO RADIAZIONE LUMINOSA SUPERFICIE ILLUMINATA L OCCHIO UMANO 2

3 L OCCHIO UMANO BASTONCELLI Le lunghezze d onda nello spettro del visibile vengono percepite con sensibilità differente. La sensibilità dipende dalla luminanza (luminosità) media dell ambiente: visione fotopica visione mesopica visione scotopica Visione FOTOPICA: L amb > 3 cd/m 2 Visione MESOPICA: 3 cd/m 2 < L amb < 0,01 cd/m 2 Visione SCOTOPICA: L amb < 0,01 cd/m 2 Effetto Purkinnje: variazione della percezione dei colori in funzione della quantità di luce dell ambiente L OCCHIO UMANO 3

4 L OCCHIO UMANO Nella retina esistono tre tipi di coni, ognuno dei quali è sensibile a diverse lunghezze d onda: rossa (R), verde (V), blu (B). L OCCHIO UMANO 4

5 Radiometria e Fotometria Descrizione dell'energia propagata da una radiazione elettromagnetica (luce) Radiometria Tratta il problema da un punto di vista puramente fisico, in termini dell'energia o potenza e dello spazio nel quale avviene la propagazione Fotometria Analizza l'effetto che l'energia o la potenza hanno sull'osservatore umano Radiometria e Fotometria Grandezze energetiche pesate con la sensibilità fotopica dell'occhio umano X K v m K m Intensità luminosa Illuminamento max min X e V 683 lumen / watt d Flusso luminoso Luminanza 5

6 Grandezze RADIOMETRICHE Grandezze FOTOMETRICHE 6

7 Per approfondire struttura dell occhio umano coni (cones), bastoncelli (rods), fovea visione fotopica (photopic vision), v. mesopica (mesopic v.), v. scotopica (scotopic v.) osservatore standard CIE (2 deg fundamental observer) curva di sensibilità dell occhio umano (human eye sensitivity) diagramma di cromaticità CIE (CIE 1931) P. Bressan, IL COLORE DELLA LUNA. COME VEDIAMO E PERCHÉ, Laterza Editore Luce emessa: LE SORGENTI V(λ) POTENZA LUMINOSA POTENZA RADIANTE SPETTRO DI EMISSIONE Potenza irradiata per singola lunghezza d onda. FLUSSO LUMINOSO Φ Potenza irradiata riferita alla sensibilità spettrale relativa dell occhio umano [lm]. EFFICIENZA LUMINOSA rapporto tra flusso luminoso emesso e potenza elettrica assorbita [lm / W]. 7

8 SPETTRO DI EMISSIONE FLUSSO LUMINOSO v 2 I v 0 0, d d Osservatore Sorgente 8

9 INTENSITA LUMINOSA Flusso luminoso irradiato, in una determinata direzione, per unità di angolo solido [cd = lm / sr]. Intensità Luminosa I = Flusso Luminoso Φ Angolo Solido ω INTENSITA LUMINOSA Strumentazione di misura: goniofotometro y z y x 9

10 Distributori di luce: GLI APPARECCHI ILLUMINANTI SOLIDO FOTOMETRICO Rappresentazione grafica della distribuzione spaziale dell intensità luminosa della sorgente esaminata. CURVE FOTOMETRICHE Curve indicatrici dell emissione luminosa nei diversi piani, rappresentate mediante sistema di coordinate polari o di coordinate cartesiane INTENSITA LUMINOSA COORD. POLARI COORD. CARTESIANE APPARECCHIO D ILLUMINAZIONE Dispositivo atto a modificare la distribuzione fotometrica di una sorgente luminosa per adattarla alle specifiche esigenze dei vari casi d impiego, protegge fisicamente le sorgenti e filtra eventuali radiazioni ultraviolette o infrarosse emesse dalla sorgente. 10

11 ILLUMINAMENTO E v d da v Rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da un elemento di superficie e l'area di questo elemento Unità di misura: lumen/mq = lux (lx) ILLUMINAMENTO 11

12 ILLUMINAMENTO ESEMPI DI ILLUMINAMENTI: giornata estiva di sole all aperto: cielo coperto in estate: campo da calcio > spettatori (raccomandazioni UEFA): ufficio (secondo norma UNI :2011): magazzino (secondo norma UNI :2011): strada ben illuminata notte di luna piena: notte serena senza luna (luce delle stelle): ca lx ca lx ca. 800 lx ca. 500 lx ca. 200 lx ca. 10 lx ca. 0,25 lx ca. 0,01 lx ILLUMINAMENTO LUXMETRO E v d v da n da ' da SONDE RADIOMETRICHE 12

13 ILLUMINAMENTO Legge dell inverso del quadrato h I d P I cos E P 2 d 3 I cos 2 h d = distanza lineare tra sorgente e punto P h = distanza tra sorgente e proiezione del punto P sulla direttrice della sorgente LUMINANZA Luminanza L [candele / mq] flusso luminoso emesso o riflesso da una superficie in una direzione (angolo solido) per unità di area (superficie apparente) = apparenza luminosa di un oggetto 13

14 LUMINANZA ESEMPI DI LUMINANZE: sole: ca cd/m 2 cielo sereno: ca cd/m 2 cielo coperto: ca cd/m 2 luna piena: ca cd/m 2 fiamma di candela: ca cd/m 2 lampada incandescenza con bulbo trasparente: ca cd/m 2 lampada fluorescente: ca cd/m 2 strada ben illuminata: ca. 0,5 1 cd/m 2 LUMINANZA DIPENDE da: Illuminamento sulla superficie Coefficiente di Riflessione della superficie Modalità di Riflessione della superficie Angolo di Osservazione della superficie Area della superficie osservata è INDIPENDENTE da: Distanza di Osservazione 14

15 Luce e Superfici Modalità di riflessione = Apparenza della superficie Diffusore uniforme o superficie lambertiana: Luminanza indipendente dagli angoli di osservazione e di incidenza della luce Caso generale: La luminanza della superficie dipende dall angolo di incidenza e di riflessione Contrasto di Luminanza 15

16 Contrasto di Luminanza Criteri: Visione per contrasto di luminanza (chiarezza delle superfici) Contrasto positivo: Contrasto negativo: soggetto + chiaro dello sfondo soggetto + scuro dello sfondo Contrasto di Luminanza contrasto di soglia 16

17 Compito visivo Zona del compito (Task Area): area del posto di lavoro dove ricadono gli elementi visivi del compito svolto; Area di lavoro orizzontale, verticale oppure inclinata, secondo reali necessità, ma sempre dichiarata; Uniformità di Luminanza/Illuminamento Uniformità U = ill. puntuale minimo E min illuminamento medio E m Em = 420 lx U = 0,05 Em = 420 lx U = 0,55 17

18 Uniformità di Luminanza/Illuminamento Uniformità globale Uo Uniformità longitudinale Ul Equilibrio di Luminanze Visione Foveale Visione Completa 18

19 Equilibrio di Luminanze L occhio si adatta a un livello di luminanza medio tra quella della zona centrale e quella della zona periferica all area visiva inquadrata. Una differenza di luminanze accentuata tra campi successivamente inquadrati richiede un adattamento dell occhio. Zone d intorno Zona del compito (Task Area): area del posto di lavoro dove ricadono gli elementi visivi del compito svolto; Area immediatamente circostante (Immediate surrounding): fascia di almeno 0,5 m di larghezza intorno alla zona del compito, contenuto entro il campo visivo; Area di sfondo (Background area): fascia larga almeno 3 m intorno all area immediatamente circostante e contenuta entro i limiti dello spazio in oggetto. 19

20 Zone d intorno Illuminazione del solo compito visivo Illuminazione dei dintorni = miglior confort e maggior sicurezza Per approfondire flusso luminoso e sfera di Ulbrich intensità luminosa e fotogoniometro illuminamento e luxmetro luminanza e luminanzometro contrasto di luminanza luminanza di soglia visione foveale e visione periferica P. Palladino, LEZIONI DI ILLUMINOTECNICA, Tecniche Nuove Editore 20

21 Luce emessa: LE SORGENTI V(λ) POTENZA LUMINOSA POTENZA RADIANTE SPETTRO DI EMISSIONE Potenza irradiata per singola lunghezza d onda. FLUSSO LUMINOSO Φ Potenza irradiata riferita alla sensibilità spettrale relativa dell occhio umano [lm]. EFFICIENZA LUMINOSA rapporto tra flusso luminoso emesso e potenza elettrica assorbita [lm / W]. TEMPERATURA DI COLORE AUMENTO TEMPERATURA AUMENTO EN. RADIANTE aumento temperatura CORPO NERO Sorgente ideale di luce, emettitore perfetto a tutte le lunghezze d onda. => AUMENTO TEMPERATURA => VARIAZIONE DI SPETTRO => VARIAZIONE TONALITÀ DI BIANCO 21

22 TEMPERATURA DI COLORE DEFINIZIONI FORMALI: CORPO NERO Radiatore che assorbe completamente la radiazione incidente, lo spettro della radiazione emessa dipende solo dalla sua temperatura (legge di Plank) TEMPERATURA DI COLORE [K] Temperatura di un emettitore plankiano che emette uno stimolo luminoso di determinata cromaticità TEMPERATURA DI COLORE CORRELATA [K] Temperatura di un emettitore plankiano che emette uno stimolo luminoso il cui colore assomiglia il più possibile a quello della sorgente analizzata. TEMPERATURA DI COLORE CALDA Tc < K NEUTRA K < Tc < K FREDDA Tc > K 22

23 Temperatura di Colore Correlata SPETTRO Tc Spettri caratteristici per LED a luce bianca ottenuta da trasformazione di frequenza con fosfori (fonte: catalogo CREE) 23

24 SPETTRO Tc FL 830 (X;Y) = (0,440;0,403) CDM-T 830 (X;Y) = (0,436;0,396) Fonte: Osram Fonte: Philips Fonte: Xicato Scegliere la Temperatura di Colore DIAGRAMMA DI KRUITHOF (1941) Relazione tra tonalità di luce e livello di illuminamento ambientale per garantire il benessere psicologico 24

25 INDICE DI RESA CROMATICA Lampada Oggetto Risultato Lampada Oggetto Risultato INDICE DI RESA CROMATICA Il colore di un oggetto non è una sua caratteristica, ma dipende anche dalla luce incidente. RESA CROMATICA (o DEL COLORE) È l'effetto che una sorgente ha sull'apparenza degli oggetti rispetto al loro aspetto se sottoposti ad una sorgente di riferimento INDICE DI RESA CROMATICA (Ra o CRI) Misura del grado di conformità della percezione dei colori degli oggetti illuminati dalla sorgente in prova a quella degli stessi oggetti illuminati dalla sorgente di riferimento. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources CIE pubbl (1974) 25

26 INDICE DI RESA CROMATICA Campioni di colore per l'indice di resa del colore generale INDICE DI RESA CROMATICA Campioni di colore per l'indice di resa del colore speciale 26

27 INDICE DI RESA CROMATICA Campioni standard CIE secondo l illuminante D65 INDICE DI RESA CROMATICA Determinazione dei valori tristimolo (X,Y,Z) Trasformazione in uno spazio "uniforme Determinazione dello spostamento del colore La cromaticità di una sorgente luminosa dipende dallo stato di adattamento dell'occhio dell'osservatore e può essere diversa per sorgente analizzata e sorgente di riferimento Calcolo degli indici di resa del colore speciali (ΔE) i : differenza del colore (distanza nello spazio) di uno stesso campione (i esimo) sotto le due sorgenti : 8 R i 100 4,6 E i 1 R a R i Media aritmetica degli indici di resa. 8 i 1 27

28 INDICE DI RESA CROMATICA INDICE DI RESA CROMATICA Ra Media degli scostamenti cromatici tra i campioni colore valutati con la sorgente in esame e con il corpo nero alla stessa temperatura. corpo nero lamp. fluorescente INDICE DI RESA CROMATICA Lampada alogena con rivestimento dicroico IR tipica Lampada ad alogenuri metallici tipica Lampada a fluorescenza compatta tipica LED a luce bianca con buona resa cromatica (Ra=80) LED a luce bianca con buona resa cromatica (Ra=80) LED a luce bianca con resa cromatica migliorata (Ra=90) Misurazioni indipendenti dell University College London 28

29 CRI Tc CRI EFFICIENZA LUMINOSA 29

30 Per approfondire temperatura di colore (Color Temperature), temperatura di colore correlata (Correlated Color Temperture), cromaticità (white chromaticity) indice di resa cromatica (Color Render Index) CIE 13.3:1995 Method of measuring and specifying colour rendering proprieties of light sources DURATA DI VITA DURATA DI VITA MEDIA numero di ore di funzionamento dopo il quale, in un determinato lotto di lampade sottoposte a specifiche condizioni di prova, il 50% di esse ha cessato di funzionare. DURATA DI VITA UTILE numero medio di ore di funzionamento dopo il quale il flusso luminoso emesso da una lampada si riduce all 80% rispetto alle condizioni iniziali. DURATA DI VITA MEDIA ECONOMICA numero di ore di funzionamento dopo il quale il flusso luminoso emesso complessivamente da un determinato lotto di lampade sotto specifiche condizioni di prova è ridotto all 80% delle condizioni nominali. 30

31 DURATA DI VITA SORGENTI LUMINOSE Parametri di valutazione per la scelta delle sorgenti luminose: Potenza Assorbita; Flusso Luminoso; Efficienza Luminosa; Spettro d Emissione; Temperatura di Colore; Indice di Resa Cromatica; Durata di Vita; Collegamento alla Rete Elettrica; Tempo di Accensione; Tempo di Riaccensione; Influenza della Temperatura Ambiente; Variazioni con la Tensione di Alimentazione; Costo globale del ciclo di vita (smaltimento). (LEGENDA: efficienza energetica comfort visivo funzionalità) 31

32 SORGENTI LUMINOSE SORGENTE LUMINOSA SORGENTE ALLO STATO SOLIDO AD INDUZIONE LED OLED Tipo di sorgente Efficienza luminosa [lm/w] Trento, 27 marzo LED SORGENTI LUMINOSE Durata di vita [h] Tempo di accensione / spegnimento Incandescente immediato Alogena Fluorescente Lineare Fluorescente Compatta immediato Induzione min. agli Alogenuri Metallici Alimentazione Regolazione luminosa tensione di rete tensione di rete 3 5 min. reattore % min. reattore % alimentatore HF 5 15 min. reattore Resa Temperatura cromatica di colore [K] Applicazioni 0 100% ill. generale 0 100% ill. generale inattuabile % (*) a Mercurio min. reattore Inattuabile 50 al Sodio min. reattore al Sodio ad alta pressione min. reattore al Sodio ad altissima pressione % (*) % (*) ill. generale ill. generale postazioni di difficile manutenzione strutture commerciali ill. esterna e stradale ill. esterna e stradale ill. esterna e stradale ill. esterna, grandi % 10 min. reattore (*) ambienti ing. immediato alimentatore 0 100% Elena ill. generale Pedrotti e decorativa 32

33 SORGENTI LUMINOSE White LED prestazioni in laboratorio prestazioni commerciali SORGENTI LUMINOSE SORGENTE TRADIZIONALE ----> LED: direzione del flusso luminoso emesso; resa cromatica e temperatura di colore; smaltimento del calore; sistemi di alimentazione; luminanza della sorgente (abbagliamento). 33

34 Ombre e Volumi a) ill. diretta da una sola sorgente puntiforme b) ill. diretta da tre sorgenti puntiformi c) ill. diretta da sorgente estesa d) ill. diretta da sorgente estesa con apporto di luce riflessa e) ill. indiretta Ombre e Volumi Ombre multiple generate da faretto a LED Ombra da sorgente puntiforme (alogena) 34

35 Distributori di luce: GLI APPARECCHI ILLUMINANTI COORD. POLARI COORD. CARTESIANE APPARECCHIO D ILLUMINAZIONE Dispositivo atto a modificare la distribuzione fotometrica di una sorgente luminosa per adattarla alle specifiche esigenze dei vari casi d impiego. Inoltre protegge fisicamente le sorgenti e filtra (blocca) eventuali radiazioni ultraviolette o infrarosse emesse dalla sorgente. GLI APPARECCHI ILLUMINATI COMPONENTI ELETTRICI Componenti base di ogni apparecchio di illuminazione che trasformano l energia elettrica in energia luminosa. LAMPADA PORTALAMPADA GRUPPI DI ALIMENTAZIONE 35

36 GLI APPARECCHI ILLUMINATI COMPONENTI OTTICI Hanno il compito di convogliare ed indirizzare il flusso luminoso per ottenere la distribuzione desiderata dell energia luminosa nello spazio. GLI APPARECCHI ILLUMINATI RIFLETTORI servono per orientare la luce secondo direzioni determinate sfruttando la riflessione delle superfici (speculari, diffondenti o miste). PROIETTORI sottocategoria di riflettori in grado di concentrare la luce in direzioni ben definite. Riflettori e proiettori sono posti dietro la sorgente illuminante. 36

37 GLI APPARECCHI ILLUMINANTI OTTICHE secondarie: RIFLETTORI GLI APPARECCHI ILLUMINATI RIFRATTORI sfruttano il fenomeno della rifrazione (cambio di direzione della luce nell attraversare 2 mezzi trasparenti con diversa densità ottica). I rifrattori sono posti davanti alla sorgente illuminante. 37

38 GLI APPARECCHI ILLUMINANTI OTTICHE secondarie: LENTI GLI APPARECCHI ILLUMINATI DIFFUSORI sottocategoria di rifrattori che rompono il fascio luminoso e deviano ciascun raggio in molte direzioni (modello lambertiano). I diffusori sono posti davanti alla sorgente illuminante. 38

39 GLI APPARECCHI ILLUMINATI VETRI DI PROTEZIONE FILTRI OTTICI modificano lo spettro di emissione della lampada per selezionare le lunghezze d onda desiderate o per correggerne la temperatura di colore. ALETTE PARALUCE ACCESSORI DI MONTAGGIO componenti meccanici per il fissaggio dell apparecchio sulla superficie di destinazione e l eventuale orientazione. DISSIPATORI DI CALORE consentono lo smaltimento per convezione o conduzione del calore prodotto dalla lampada. GLI APPARECCHI ILLUMINANTI 39

40 GLI APPARECCHI ILLUMINANTI GLI APPARECCHI ILLUMINANTI 40

41 GLI APPARECCHI ILLUMINATI EMISFERO SUPERIORE EMISFERO INFERIORE GLI APPARECCHI ILLUMINATI CIE = N1 N2 N3 N4 N5 FC1 FC4 FC2 FC4 FC3 FC4 FC4 F F ϕ N4 = DFF (Downwards Flux Fraction) = rapporto tra flusso emesso nell emisfero inferiore e l emissione totale dell apparecchio. N5 = RENDIMENTO OTTICO = rapporto tra flusso totale emesso e l emissione complessiva delle lampade installate. FC4 FC3 FC2 FC1 π π π 2π 41

42 GLI APPARECCHI ILLUMINATI Apparecchio illuminante 1 Apparecchio illuminante 2 sorgente luminosa: LED efficienza luminosa 80 lm/w rendimento ottico 80% sorgente a ioduri metallici efficienza luminosa 100 lm/w rendimento ottico 60% GLI APPARECCHI ILLUMINATI GRADO DI PROTEZIONE (IP) codice per identificare la protezione dell apparecchio dai contatti accidentali e dalla penetrazione di polveri od umidità. International Protection IP x y z 1 cifra caratteristica = protezione dalla penetrazione da corpi solidi 0 : non protetto 3 : corpi solidi > 2,5 mm 5 : contro la polvere 6 : totalmente contro la polvere Lettera addizionale = protezione dall accesso a parti pericolose A : con il dorso della mano B : con un dito C : con un attrezzo 2 cifra caratteristica = D : con un filo protezione dalla penetrazione dei liquidi 0 : non protetto 3 : contro la pioggia 5 : contro i getti d acqua 7 : stagno all immersione 42

43 GLI APPARECCHI ILLUMINATI CLASSE D ISOLAMENTO classificazione dell apparecchio in rapporto alla possibilità di contatto accidentale diretto con le parti normalmente in tensione o tra queste e la carcassa esterna. CLASSE 0 = apparecchi provvisti del solo isolamento funzionale delle parti attive di alimentazione della lampada. CLASSE 1 = apparecchi con isolamento funzionale e morsetto di terra. CLASSE 2 = apparecchi privi di morsetto di terra, ma dotati di isolamento supplementare per le parti in tensione. CLASSE 3 = apparecchi alimentati a bassissima tensione (< 50V in alternata e 120V in continua) che non costituisce pericolo. GLI APPARECCHI ILLUMINATI Caratteristiche da valutare per la valutazione della sicurezza di un apparecchio e la propria idoneità all installazione nel locale scelto: Protezione contro l intrusione di corpi estranei; Protezione contro l intrusione di liquidi; Protezione contro i contatti diretti o indiretti (scossa elettrica); Protezione contro gli urti; Protezione contro il rischio di incendi; Resistenza alla corrosione. 43

44 Procedimento progettuale METODO DEL «FLUSSO GLOBALE» Valutazione grossolana con riferimento all illuminamento: Em illuminamento media richiesta [lx = lm/m2] K fattore di utilizzazione dell apparecchio illuminante Φ flusso luminoso emesso dalla sorgente [lm] D1 deprezzamento proprio della sorgente luminosa D2 deprezzamento proprio dell apparecchio S superficie da illuminare (in m2) K D D E 1 2 m S Effetti luminosi a parità di illuminamento medio e potenza installata, la disposizione dei punti luce modella gli spazi P inst = 32 x 2 x 26 W (1664 W) E = 350 lx 44

45 Effetti luminosi ILLUMINAZIONE DIRETTA luce direttamente sulla zona di lavoro efficienza sul piano di lavoro orizzontale soffitti scuri ombre pronunciate riflessi su superfici lucide Effetti luminosi ILLUMINAZIONE INDIRETTA apparecchio puntato verso il soffitto sorgenti diffuse atmosfera uniforme buon illuminamento delle pareti verticali ombre sfumate contrasti attenuati 45

46 Effetti luminosi ILLUMINAZIONE DIRETTA INDIRETTA luce emessa sia verso l'alto sia verso il basso illuminamenti efficaci atmosfera gradevole ottima ombreggiatura Per approfondire P. Palladino, MANUALE DI ILLUMINAZIONE, Tecniche Nuove Editore G. Forcolini, LIGHTING. LAMPADE, APPARECCHI, IMPIANTI. PROGETTAZIONE PER AMBIENTI INTERNI ED ESTERNI, Hoepli Editore D. Ravizza, PROGETTARE CON LA LUCE. Luce, visione, colore. Progetto d illuminazione d interni. La luce in viaggio: sistemi a sorgente remota. illuminare aree specifiche, Franco Angeli Editore 46

47 GRAZIE DELL ATTENZIONE 47