CONDIZIONAMENTI AMBINETALI PER LA SALUTE ED IL BENESSERE 1

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1 Università degli Studi di Genova ditec Dipartimento di Termoenergetica e Condizionamento Ambientale CORSO DI CONDIZIONAMENTI AMBINETAI PER A SAUTE ED I BENESSERE 1 (C.. Ing. Biomedica) Prof. uca A. TAGIAFICO NOZIONI DI IUMINOTECNICA anno accademico (dalle note del Prof. M. Fossa) 1

2 1. Illuminotecnica 1.1 Introduzione a luce è una forma di flusso energetico che consiste in onde elettromagnetiche; gli esseri umani sono in grado di percepire quelle radiazioni di lunghezza d onda compresa tra 0.38 e 0.78 [µm]. Tale banda di frequenza rappresenta la banda del visibile. occhio umano è strutturato per convertire il flusso energetico in impulsi elettrochimici da inviare al cervello, per mezzo della retina e del nervo ottico. a retina è composta da due elementi fondamentali coni e bastoncelli: i primi organi sono deputati a percepire i colori (le lunghezze d onda), i secondi a percepire l intensità. a sensibilità dell occhio umano presenta un andamento tipico in relazione alle condizioni d illuminamento. Si parla di visione fotopica (diurna) e visione scotopica (visione crepuscolare). A parità di energia radiante incidente sulla retina, la sensazione di intensità luminosa dell occhio umano varia con la lunghezza d onda del raggio incidente. a massima sensibilità fotopica si ha per 0.55 [µm] (giallo verde) come mostra la curva del fattore di visibilità, Figura (1.1), che rappresenta la sensibilità normalizzata dell occhio umano alle diverse lunghezze d onda. Fig 1.1 Curve di visibilità diurna (linea continua) e crepuscolare (tratteggio) 2

3 Se introduciamo quindi la quantità V, detta fattore di visibilità, la condizione di uguale sensazione presuppone l eguaglianza delle grandezze: 55 V 0. V MAX (1.1) in ragione del fatto che, alla lunghezza d onda di 0.55 [µm], la sensibilità è massima. Il rapporto. v V è detto infine, fattore spettrale di visibilità, e viene indicato con il simbolo V MAX Da quanto detto risulta che la grandezza flusso energetico non è sufficiente per caratterizzare il fenomeno della visione. Per questo motivo nuove grandezze sono state introdotte. 1.2 Grandezze fotometriche Flusso luminoso In base a quanto detto in precedenza due flussi energetici monocromatici verranno giudicati ugualmente intensi solo se: V V (1.2) Il prodotto flusso energetico per il fattore di visibilità può essere considerato una grandezza fotometrica e viene detto flusso luminoso. Su base monocromatica, se rappresenta il flusso energetico per unità di lunghezza d onda, avremo: V Se la sorgente non è monocromatica: d 2 1 V d V d V d (1.3) 1 d 1 3

4 Essa è una grandezza di tipo psicofisico (così come accade per i livelli sonori ponderati in scala A) in quanto tiene conto del tipo di risposta degli organi sensoriali umani a sollecitazioni energetiche. unità di misura del flusso luminoso è il lumen [lm]: ne consegue che l unità di misura di V sia [lm/w]. Per convenzione quando 0.55 µm, V 055. V MAX è pari a 683 [lm/w]: ciò equivale ad assumere che la radiazione monocromatica di potenza unitaria a quella lunghezza d onda sia caratterizzata un flusso luminoso pari appunto a 683 lumen. Avremo ancora per definizione: V VMAX v Intensità luminosa intensità luminosa rappresenta il flusso emesso da una sorgente per unità di angolo solido: I d dω [lumen / steradiante] (1.4) radiazione compresa nell'angolo solido d n d d P superficie da Fig. 1.2 Flusso luminoso emesso in una porzione di spazio unità di misura dell intensità luminosa è la candela [cd]. intensità luminosa serve per caratterizza le sorgenti dal punto di vista dell emissione luminosa nelle varie direzioni. Per sorgenti isotrope che irradiano luce in tutte le direzioni dello spazio: 4

5 I d I dω I ω 4π da cui I φ /4π (1.5) Illuminamento illuminamento E rappresenta il rapporto tra flusso luminoso incidente e area della superficie su cui incide: E d l unità di misura [lm/m 2 ] è detta lux [x] (1.6) da 1.3 Sorgenti luminose artificiali Fig. 1.3 Parti costitutive di una lampada ad incandescenza Fig. 1.4 Sorgente a luminescenza al sodio e sorgenti luminose artificiali si dividono in due categorie principali. e sorgenti ad incandescenza, Figura (1.3), e le sorgenti a luminescenza, Figura (1.4). e prime, diffuse in ambito civile domestico, sono costituite da un filamento metallico che, a causa del passaggio di corrente elettrica, si porta a temperatura di esercizio elevate ( [K]). A queste temperature la radiazione elettromagnetica emessa contiene una frazione non trascurabile di energia nella banda del visibile, come può confermare la legge di Plank sull emissione del corpo nero. Tale frazione energetica convertita in radiazione visibile è generalmente piccola (circa 10 5

6 15%); la restante quotaparte di energia elettrica spesa viene dispersa sotto forma di radiazione termica e per effetti convettivi e conduttivi, attraverso la struttura della lampada. a lampada possiede quindi un filamento (generalmente in tungsteno), un ampolla di vetro riempita di gas inerte per prevenire l ossidazione del metallo ed i disperdimenti convettivi, ed una struttura portante. Il principio di funziona mento delle sorgenti ad incandescenza si basa quindi sulle leggi che controllano l emissione del corpo nero e dei corpi reali. e lampade a luminescenza-fluorescenza sfruttano fenomeni diversi, la luminescenza e la fluorescenza. a prima è un fenomeno che riguarda i gas, sottoposti ad un campo elettrico. effetto del campo elettrico è quello di eccitare i singoli atomi del gas con allontanamento dell orbitale stabile degli elettroni più esterni. Quando l elettrone ritorna nella sua orbita stabile un quanto di energia viene messo in relazione al salto energetico che compete agli orbitali interessati. Ad energia definita corrisponde una definita lunghezza d onda. I diversi gas utilizzati (neon, sodio, mercurio) sono caratterizzati da emissioni con spettri di tipo discontinuo (solo alcune lunghezze d onda sono presenti, come si può osservare in Figura 1.5). Questi gas possiedono la caratteristica di emettere radiazioni nel campo dell ultravioletto. Per sfruttare questa quota di energia radiante (non visibile), la superficie dell ampolla che contiene il gas viene ricoperta da fosfori che sfruttano il fenomeno della fluorescenza: le sostanze fluorescenti se colpite da radiazioni a bassa lunghezza d onda emettono quanti di luce di energia e lunghezze d onda superiori. In questo modo i fosfori convertono parte della radiazione ultravioletta in radiazione visibile. e sorgenti a luminescenza-fluorescenza sono caratterizzate da migliori prestazioni luminose, ma necessitano di circuiti elettronici per funzionare correttamente. Inoltre, in ragione del tipo di emissione per bande ristrette, la luce prodotta presenta sovente componenti cromatiche marcate (tonalità sul giallo per il sodio, blu per il mercurio, ecc.) che possono rendere la percezione dei colori degli oggetti illuminati difficile. Fig. 1.5 Spettri diemissione di sorgenti a luminescenza 6

7 1.4 Indici per la valutazione delle prestazioni delle sorgenti artificiali Rendimento luminoso Il rendimento luminoso ρ è definito nel seguente modo: ρ e rappresenta il rapporto tra energia radiante visibile ed energia radiante globalmente emessa. d d Per la sorgenti ad incandescenza e ε n, da cui con le usuali notazioni: ρ 0.78 ε e ε en n d d ε ε vis 0 F (1.7) dove 1 2 F rappresenta la frazione della radiazione di corpo nero nell intervallo considerato. F è una funzione tabellata. Ne consegue che il rendimento luminoso di una sorgente ad incandescenza dipende soprattutto dalle frazioni F emesse dal corpo nero alla temperatura della sorgente nel campo del visibile. Tale frazione, si può facilmente dimostrare, aumenta all aumentare di T fino ad un massimo: ρ (incandescenza) 15%. Rendimento di emissione E definito come rapporto tra flusso radiante globalmente emesso e potenza elettrica spesa: ρ e d 0 (1.8) P Per sorgenti ad incandescenza ρ e 80%, per quelle a luminescenza ρ e 60%. Rendimento complessivo 7

8 E il prodotto dei due precedenti ρc ρe ρ e rappresenta il rapporto tra l energia radiante visibile emessa e l energia spesa. Efficienza luminosa Questo indice serve per valutare il flusso luminoso emesso per assegnata potenza elettrica spesa: ε P V d 0.38 [lm/w] P Tale indice vale (10 25) per le sorgenti ad incandescenza e (20 100) per le sorgenti a luminescenza-fluorescenza (vedi Figura 1.6). Fig. 1.6 Efficienze luminose e potenze disponibili di vari tipi di lampade per illuminazione generale 8

9 1.5 Curve fotometriche Sono diagrammi, ricavati sperimentalmente, che consentono di valutare l emissione delle lampade nelle diverse direzioni rispetto ad un asse di riferimento (vedi Figure 1.7 e 1.8). Questi diagrammi riportano usualmente l intensità luminosa da leggersi in un diagramma polare. a curva fotometrica tiene conto delle caratteristiche della lampada nel suo complesso (quindi anche dell eventuale proiettore). Fig. 1.7 Curve fotometriche in diagramma polare 9

10 Fig. 1.8 Curve fotometriche in diagramma cartesiano 10

11 1.6 Criteri di progetto e calcoli di illuminamento Un buon sistema di illuminazione deve soddisfare una serie di requisiti; tra questi deve assicurare: 1) un adeguato valore di illuminamento in base all utilizzo dell ambiente (illuminamento raccomandato); 2) uniformità di illuminazione; 3) riduzione al minimo degli sprechi: buon coefficiente di utilizzazione del flusso luminoso C u : C U utilizzato E S coefficiente di utilizzo del flusso emesso emesso 4) buona resa cromatica (in relazione alle attività svolte nell ambiente) Illuminazione degli ambienti interni (metodo semplificato) Viene stabilito quale deve essere l illuminamento sulla superficie in esame, posta ad un altezza h da terra. Per esempio: - illuminazione stradale [lux] - ambienti di comune abitazione 100 [lux] - sale lettura [lux] - scuole: aule 200 [lux] sale disegno 1000 [lux] 1) Si definisce il tipo di sorgente luminosa. Ogni sorgente è individuata da una serie di parametri: - potenza elettrica impiegata - flusso luminoso emesso (in maniera equivalente ε ) 11

12 - curva fotometrica (caratteristiche direzionali della sorgente, vedi, ad esempio la Figure 1.7 e 1.8) - - caratteristiche cromatiche 2) Viene calcolato il coefficiente di utilizzazione Cu. Esso rappresenta il rapporto tra il flusso luminoso prodotto e quello utilizzabile sulla superficie in esame. Esso dipende da: - conformazione della sorgente; - -fattori di riflessione delle pareti perimetrali e del soffitto; - (0.75 bianche, 0.5 colore chiaro, 0.3 colore medio, 0.1 colore scuro) - dimensioni dell ambiente (a,b dimensioni in pianta) e distanza h delle sorgenti rispetto al piano di utilizzo. Questi fattori geometrici definiscono l indice I del locale: I I a b illuminazione diretta, mista (1.9) h ( a ) 1 b a b 3 illuminazione indiretta (1.10) h ( a ) 2 b C u dipende inoltre da: - coefficiente di invecchiamento della sorgente luminosa f: f + ( sorg. nuova) ( sorg. vecchia) 2 ( sorg. nuova) (1.11) - coefficiente di manutenzione p (p 0.5 1) - rendimento di armatura (proiettore) µ (µ 0.9) Avremo allora: da cui: C U SN Em S n µ p f 12

13 SN C U Em S n µ p f (1.12) Il fattore di utilizzazione C u può essere ricavato da tabelle come quelle di Figura Si osservi infine che in alcuni manuali il prodotto f p viene conglobato in un unico fattore m funzione delle ore di funzionamento dell apparecchio e delle condizioni di pulizia dello stesso (si veda ad esempio la Figura 1.9). 1 1 m tempo di funzionamento 4 30 [mesi] 60 Fig. 1.9 Fattore di invecchiamento m della sorgente: 1) ambiente molto pulito, 2) ambiente pulito, 3) ambiente medio, 4) ambiente sporco 13

14 Fig Tabella dei coefficienti di utilizzazione 14

15 Esempio: illuminazione di interni 5.5m 4m 3.2m 2.2m 11m Fig Pianta e sezione del locale (dimensioni in [m]) Determinare il numero di lampade da installare, affinché l illuminamento medio sul piano utile del locale indicato in Figura 1.11 (aula S4 presso il polo accademico di Savona) sia 200 [lx]. Si utilizzino tubi a luminescenza per illuminazione diretta del tipo Philips TD 58W/84 (P 58 [W], 5200 [lm]), con riflettore a schermo a nido d ape per illuminazione diretta. e pareti del locale siano bianche. Dati: TD Flusso Temp. Indice resa Potenza Forma Attacco unghezza Diametro SUPER luminos colore cromatica lampada bulbo [mm] [mm] 80 o [lm] [K] [Ra] [W] 58W/ lineare G Calcolo dell indice del locale: a b a b I 1.36 (indice G da tabella, Fig. 1.10) h( a + b) h( a + b) 2.7 ( ) 15

16 Ipotizziamo un rendimento di armatura µ pari a 0.9, fattore di invecchiamento f pari a 0.9, fattore di riflessione delle pareti e del soffitto rispettivamente pari a 0.5 e a tabella ci consente di leggere il coefficiente di utilizzazione C u che risulta pari a 0.55 Si avrà: C U utilizzato emessolampada n f E S p µ tubonuovo da cui: n p 5.2 p Nel locale, aula S4 presso il polo accademico di Savona, è stato misurato un illuminamento medio pari a [x] e sono montati 6 tubi del tipo prescelto. Il nostro calcolo di progetto fornisce quindi un valore in sostanziale accordo con le misure di verifica effettuate, considerando che il termine p vale Calcoli di illuminanazione diretta in assenza di riflessione da pareti (sorgente puntiforme) Una sorgente luminosa può essere considerata puntiforme quando le sue dimensioni sono piccole rispetto alla distanza della superficie da illuminare.. Supponiamo di voler calcolare l illuminamento di un punto P di un piano da parte della sorgente puntiforme S (Figura 1.12). θ S Asse del proiettore α P B Fig Illuminazione da sorgente puntiforme. Se consideriamo una superficie da intorno al punto P, è possibile esprimere il flusso ivi incidente in funzione dell intensità luminosa I θ in quella direzione (ricavabile dalla curva fotometrica della sorgente luminosa). 16

17 Avremo quindi, per la definizione di angolo solido: E p d da I dω da I dacosα r da θ θ 2 I θ cosα 2 r Nel caso di più sorgenti vale la sovrapposizione degli effetti: E p Epi Esempio Una lampada utilizzata per l illuminazione ha una potenza di 150 [W] ed è caratterizzata da un efficienza luminosa pari a 50 [lm/w]. Calcolare l illuminamento nel punto P, nell ipotesi che la curva fotometrica sia quella della figura sottostante e le dimensioni geometriche (riferite allo schema di figura 1.12) siano le seguenti: SB 4 [m] PB 2.5 [m] 2 2 r SB + PB 47. [m] E I p α cosα 2 r 17

18 ) ) ) SB SB θ ASB PSB ASB α arccos arccos AS SP 4 4 arccos arccos α 316. Dalla curva fotometrica leggiamo I 200[ cd /1000lm] θ da cui [lm] * 7500 cosα Iθ Iθ [lx] r