LA SIMULAZIONE ILLUMINOTECNICA CON RADIANCE MEDIANTE ECOTECT

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3 Laura Bellia Carla Di Martino Gennaro Spada LA SIMULAZIONE ILLUMINOTECNICA CON RADIANCE MEDIANTE ECOTECT L ILLUMINAZIONE DI UNA CHIESA DI INTERESSE STORICO ARTISTICO

4 Copyright MMX ARACNE editrice S.r.l. via Raffaele Garofalo, 133-A/B Roma (06) ISBN I diritti di traduzione, di memorizzazione elettronica, di riproduzione e di adattamento anche parziale, con qualsiasi mezzo, sono riservati per tutti i Paesi. Non sono assolutamente consentite le fotocopie senza il permesso scritto dell Editore. I edizione: ottobre 2010

5 Indice 7 Prefazione 9 Capitolo I Gli strumenti di simulazione per il calcolo illuminotecnico nella progettazione 1.1. Introduzione, La simulazione numerica, Capitolo II Introduzione al Desktop Radiance (DR) per il progetto illuminotecnico 2.1. Introduzione, Installazione ed uso dell applicativo Desktop Radiance in Ecotect, Capitolo III Il progetto della chiesa di Sant Onofrio dei Vecchi 3.1. Introduzione, Brevi cenni storici e descrizione della chiesa, Gli spazi della liturgia e della celebrazione, Norme, linee guida ed esigenze specifiche, La liturgia ed i principali requisiti illuminotecnici, Il momento progettuale, Rilievo in campo, Soluzioni progettuali, Descrizione del progetto, Bibliografia 52 Web-grafia

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7 PREFAZIONE Una accurata progettazione illuminotecnica è oggi impensabile senza l aiuto offerto dai software di simulazione che consentono di ottenere risultati sia numerici che sotto forma di rendering, in modo da ottenere indicazioni sia nelle fasi iniziali, in cui è u- tile confrontare tra loro diverse ipotesi di progetto valutandone i pro ed i contro, che in quelle più a- vanzate, in cui si passa alla scelta, alla collocazione ed al dimensionamento delle diverse sorgenti. Il mercato oggi offre varie possibilità nella scelta di programmi di simulazione e calcolo illuminotecnico con diverse finalità e caratteristiche. Nel primo capitolo di questo testo sono sinteticamente descritte in forma discorsiva le varie tecniche di modellazione e di calcolo su cui si basano i vari software, evidenziandone le potenzialità ed i limiti ed inoltre quali sono le diverse modalità di input ed output e le altre caratteristiche, anche di compatibilità con altri programmi tipicamente adoperati nella rappresentazione e nella progettazione architettonica, al fine di orientare il lettore nella scelta del software più adatto alle proprie esigenze. Non esiste infatti un prodotto migliore degli altri, ma quello che meglio risponde alle aspettative dell utilizzatore, in termini di risultati attesi rispetto alle difficoltà e tempi necessari per l immissione dei dati. Nel caso in cui sia necessario realizzare modelli di ambienti dalla geometria complessa, senza dubbio Radiance costituisce oggi la scelta più indicata se si vogliono ottenere risultati accurati. Purtroppo Radiance, sviluppato dal Lawrence Berkeley Laboratory non dispone di una interfaccia utente intuitiva e l apprendimento dei comandi per potere gestire le principali funzionalità richiede tempi piuttosto lunghi. Oggi Radiance, inizialmente sviluppato in ambiente Unix, è disponibile in Windows con la versione Desktop Radiance, gratuita, ma con una interfaccia utente ben poco friendly ; tuttavia attraverso l impiego del software Ecotect, è possibile creare o importare modelli tridimensionali dell ambiente da simulare nei formati tipici e lanciare la simulazione con Radiance. Tale procedura non è completamente automatica e richiede una particolare attenzione nella definizione del sistema di coordinate, nell assegnazione del punto e direzione di vista e per modellare le sorgenti, attraverso istruzioni di Desktop Radiance. Per tal motivo, nel secondo capitolo è riportata in modo dettagliato la procedura per utilizzare Desktop Radiance attraverso Ecotect, a partire dalle procedure di download, attraverso le impostazioni da assegnare e fino all importazione del modello ed all attribuzione delle proprietà ottiche dei diversi materiali. Sono quindi descritti gli strumenti e le modalità di impostazione del progetto in modo da scegliere il punto di vista e la scena da calcolare. Si passa poi alla modellazione delle sorgenti: per la luce naturale è possibile importare diversi modelli di cielo, mentre per quella artificiale occorre attribuire a ciascun corpo illuminante il corrispondente file che ne descrive le proprietà. È possibile inoltre regolare il flusso luminoso emesso dalle sorgenti artificiali (dimmering). Sono infine presentati e- sempi di output. Nel terzo capitolo è riportato un esempio applicativo completo riguardante la progettazione illuminotecnica di un edificio di particolare interesse storico artistico e dalle particolari necessità sia funzionali che scenografiche: la Chiesa di Sant Onofrio de Vecchi a Napoli. L impiego del software costituisce una delle fasi del processo progettuale che comprende lo studio delle caratteristiche dell impianto in accordo con le esigenze liturgiche e celebrative durante lo svolgimento di funzioni, nonché con quelle espositive durante i periodi di visita. Le soluzioni progettuali tengono conto anche delle diverse normative e linee guida in questo ambito applicativo. La modellazione si basa sul rilievo in campo dello stato di fatto in presenza anche di luce naturale. Le varie fasi progettuali sono descritte in modo dettagliato, fino alla presentazione dei risultati ed alla corrispondente scelta, collocazione e regolazione (mediante dimmering) delle sorgenti nei diversi scenari di luce previsti.

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9 CAPITOLO I Gli strumenti di simulazione per il calcolo illuminotecnico nella progettazione 1.1 Introduzione Se fino a qualche anno fa nella progettazione illuminotecnica si faceva affidamento su metodi di calcolo semplificati e soprattutto sull esperienza, oggi, sia a causa della richiesta di impianti sempre più sofisticati e con elevate prestazioni, sia per il sempre crescente numero di apparecchi e di tipologie di lampade presenti sul mercato, ma soprattutto grazie ai progressi raggiunti nel settore informatico, non è pensabile non avvalersi delle potenzialità offerte dai programmi di simulazione numerica che consentono di valutare le grandezze fotometriche in ogni punto dell ambiente visivo in presenza di sorgenti di illuminazione sia artificiale che naturale. E così possibile effettuare in tempi contenuti comparazioni tra diverse scelte progettuali oppure verificare se sono rispettate le indicazioni prescritte da eventuali disposizioni normative o legislative, ad esempio effettuando il calcolo di parametri come gli indici di abbagliamento oppure degli illuminamenti semi-cilindrici o ancora l uniformità di illuminamento sui compiti visivi. Gli ambienti possono avere una geometria tanto semplice quanto complessa ed articolata, al loro interno possono essere presenti oggetti che modificano in modo più o meno significativo la distribuzione della luce, i materiali possono essere di diversi colori e con differenti finiture. Mediante tali programmi è inoltre possibile ottenere output grafici sotto forma di rendering oppure con mappe di illuminamenti o luminanze in falsi colori, consentendo agli utilizzatori di valutare in modo immediato gli effetti prodotti da una particolare installazione, nonché di presentare i risultati in modo facilmente comprensibile anche ai non addetti ai lavori. In tal senso, dunque, i software di simulazione illuminotecnica costituiscono oggi strumenti estremamente utili, se non addirittura indispensabili per la progettazione illuminotecnica. Tuttavia, volendo utilizzare un software di simulazione, il primo quesito che ci si pone è quello della scelta: sul mercato sono infatti disponibili diversi prodotti con caratteristiche differenti che possono disorientare il progettista. Una non ottimale scelta dello strumento di calcolo automatico può comportare un eccessivo dispendio di energie nella fase di immissione dati a fronte di risultati non necessari oppure non immediatamente utilizzabili o addirittura non del tutto attendibili per la specifica applicazione. È dunque di fondamentale importanza individuare quali sono le esigenze specifiche del progettista: posto che i software costituiscono uno strumento di supporto, qual è l uso che se ne richiede? Effettuare dei calcoli semplificati finalizzati al dimensionamento di massima di un impianto, oppure ottenere degli specifici dati numerici necessari per valutare il rispetto di norme, quali ad esempio i valori medi di illuminamento sulle zone dei compiti visivi, o ancora analizzare spazi illuminati più complessi in cui non è immediato prevedere gli effetti dell illuminazione? Può anche darsi che l obiettivo sia prevalentemente solo quello di presentare al cliente un rendering fotorealistico. Non esiste dunque un prodotto che in assoluto è migliore degli altri, ma la scelta deve ricadere su quello che è il software che meglio risponde alle richieste del progettista, tenendo anche conto di altri fattori, quali la facilità di apprendimento, la flessibilità, il costo, il sistema operativo, il modo in cui sono presentati i dati di output, la compatibilità nell importare i dati generati da altri software, la possibilità di esportare i risultati in diversi formati. E solo quando le esigenze del progettista sono ben chiare che è possibile valutare i pro ed i contro di ciascun prodotto ed effettuare la scelta più opportuna. A proposito dell output sotto forma di rendering, è necessario precisare che in commercio vi sono moltissimi software di rappresentazione grafica che consentono di ottenere scenari luminosi realistici, ossia verosimili, ma i cui algoritmi non si basano sulla fisica della luce. Tali software sono utili nelle fasi preliminari del progetto, in sostituzione di schizzi e disegni, per rappresentare in modo qualitativo gli effetti che si vogliono ottenere. La successiva scelta, il dimensionamento e la collocazione dei corpi illuminanti viene invece effettuata sulla 9

10 10 Capitolo I base di valutazioni quantitative e per questo sono necessari i software di simulazione numerica che si fondano sui meccanismi fisici di propagazione della luce nei mezzi e di interazione di questa con la materia. In tal caso l output grafico, oggi disponibile nella quasi totalità dei casi è affiancato a quello numerico, in modo che il progettista possa disporre di utili indicazioni. 1.2 La simulazione numerica Che cosa occorre calcolare? La principale caratteristica di qualsiasi software è il modello di calcolo che viene implementato per la valutazione delle grandezze fotometriche. La luce che viene emessa dalla sorgenti primarie, sia essa naturale o artificiale nonché caratterizzata da una data distribuzione spettrale di radiazione visibile, incide sulle varie superfici che definiscono l ambiente illuminato in dipendenza di come tali superfici sono posizionate rispetto alla sorgente. Ciascun elemento di superficie che a sua volta riceve luce proveniente dalle sorgenti primarie, ne riflette (e/o trasmette) una parte in modo selettivo rispetto alla lunghezza d onda, secondo una distribuzione spaziale che dipende essenzialmente dall angolo di incidenza e dalla finitura della superficie stessa. Per semplicità di esposizione si supponga che le superfici che definiscono l ambiente siano opache, ossia che il fattore di trasmissione sia nullo. Ciascun elemento di superficie è dunque una sorgente che invia la luce riflessa agli altri elementi che costituiscono le superfici dell ambiente considerato, distribuendola in funzione di come ciascuno di questi ultimi è posizionato rispetto all elemento sorgente. La luce riflessa da un dato elemento ed incidente su un altro viene da quest ultimo riflessa nuovamente e così via, fino a che tutta la luce e- messa dalle sorgenti primarie non eguaglia quella complessivamente assorbita dall ambiente. Le principali grandezze fotometriche atte a caratterizzare gli ambienti luminosi e dalle quali si elaborano anche altri parametri sono gli illuminamenti e le luminanze. L illuminamento su un dato punto di una superficie, ossia il flusso luminoso incidente sulla superficie nell intorno di tale punto per unità di area, rappresenta il parametro che più spesso viene calcolato e controllato anche se non è quello che caratterizza la visione dell ambiente. Le normative impongono valori di illuminamento minimi oppure consigliati per i diversi compiti visivi e spesso, soprattutto in ambienti in cui sono richieste distribuzioni di illuminamento uniformi, si parte da questo dato per effettuare un dimensionamento di massima dell impianto. Poiché il flusso luminoso si esprime in lumen (Lm) e l area in m 2, l illuminamento si esprime in lux = lm/m 2 e solitamente si indica con la lettera E. La luminanza in un punto di una superficie ed in una particolare direzione (che in genere è la direzione di vista, ossia rispetto alla quale si osserva una superficie) è invece l intensità luminosa proveniente dall elementino di superficie nella direzione data, per unità di area proiettata sul piano perpendicolare alla direzione stessa. La luminanza si esprime in cd/m 2 e si indica con la lettera L. Si ricorda che l intensità luminosa esprime il flusso luminoso proveniente da un punto ed in una data direzione per unità di angolo solido. Una scena visiva può essere descritta come una distribuzione di luminanza: infatti può essere suddivisa in tanti elementini, a ciascuno dei quali compete una data luminanza. La luminanza in ciascun punto di una superficie illuminata dipende dalla direzione di vista; essa infatti varia nello spazio in funzione sia della direzionalità della luce incidente che delle caratteristiche di finitura della superficie stessa. Dal calcolo delle distribuzioni di luminanza all interno di una scena visiva, oltre a desumere se vi sono problemi di eccessivi o impropri contrasti, si possono ricavare anche immagini e rendering La modellazione dei materiali presenti nella scena visiva La distribuzione spaziale della radiazione riflessa da un dato elementino può essere quindi descritta da una funzione i cui valori dipendono dalla direzionalità della luce incidente nonché dalla particolare direzione di vista (espressa in coordinate polari). Nel caso di riflessione speculare (v. Fig. 1), ossia quando la luce è riflessa secondo una sola direzione in dipendenza della direzione del raggio incidente, in accordo con le ben note leggi della riflessione speculare, tale funzione assume valore 0 per tutte le direzioni dello spazio tranne che per la direzione di riflessione. Nel caso invece di riflessione perfettamente diffusa (v. Fig. 2), l intensità lumino-