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1 Apparecchi per l illuminazione ILLUMINAZIONE ARTIFICIALE DEGLI AMBIENTI INTERNI Tiziano Dalla Mora Dispositivo che distribuisce, filtra o trasforma la luce emessa da una o più lampade. Sono incluse: tutte le parti necessarie per fissare e proteggere le lampade, gli ausiliari elettrici, i cavi e le connessioni per l alimentazione elettrica. Essi costituiscono l involucro che contiene la sorgente luminosa ed hanno due funzioni essenziali: 1)Indirizzare in modo opportuno il flusso emesso dalle sorgenti luminose. 2)Proteggere le sorgenti luminose dagli agenti esterni (polveri, acqua, ecc.). 2 Apparecchi per l illuminazione Apparecchi: dispositivi ottici Elementi Lampada Ausiliari elettrici Dispositivi ottici Sistema di fissaggio Impianto elettrico Funzioni Alloggiare la lampada per distribuire e regolare il flusso luminoso Posizionamento In nicchia sul soffitto Sospeso dal soffitto Aderente a soffitto o a parete A terra Integrato nell arredamento Integrato nell architettura 3 4

2 Apparecchi: dispositivi ottici riflettori: concentrano il flusso luminoso in un cono più o meno ampio mascherando la sorgente. Orientano secondo direzioni ben determinate la luce emessa dalle sorgenti luminose. Si utilizzano materiali con riflessione di tipo speculare. Apparecchi: dispositivi ottici riflettori: concentrano il flusso luminoso in un cono più o meno ampio mascherando la sorgente. Orientano secondo direzioni ben determinate la luce emessa dalle sorgenti luminose. Si utilizzano materiali con riflessione di tipo speculare. riflettore circolare riflettore parabolico riflettore ellittico 5 riflettore circolare riflettore parabolico Proiettore da esterno con riflettore asimmetrico 6 Utilità del flusso asimmetrico: proiettori in esterni Apparecchi: dispositivi ottici rifrattori: costituiti da un involucro di materiale trasparente che per rifrazione diffonde la radiazione luminosa. Esempio tipico sono le plafoniere in materiale plastico con superficie composta da piccoli prismi piramidali. 7 8

3 Apparecchi: dispositivi ottici diffusori: hanno come obiettivo diffondere la luce emessa dalle lampade uniformando la luminanza nelle varie direzioni e quindi riducendo anche le possibilità di abbagliamento. Sono realizzati in genere in materiali traslucidi. La scelta dell apparecchio illuminante Fra le principali caratteristiche utili per la scelta del tipo di apparecchio illuminante: CURVA FOTOMETRICA: che descrive le caratteristiche illuminotecniche dell apparecchio RENDIMENTO OTTICO: che descrive le caratteristiche ottiche dell apparecchio INDICE DI PROTEZIONE: rispetto ai contatti accidentali e alla penetrazione al loro interno di polvere e umidità 9 10 Caratteristiche degli apparecchi Distribuzione del flusso luminoso categorie di emissione % di lumen diretti verso l alto (verso il soffitto) % di lumens diretti verso il basso (sul piano di lavoro) diffusa semi-indiretta Caratteristiche degli apparecchi Distribuzione del flusso luminoso categorie di emissione % di lumen diretti verso l alto (verso il soffitto) % di lumens diretti verso il basso (sul piano di lavoro) Classificazione sulla base della distribuzione del flusso (diretta e indiretta) diretta e semi-diretta indiretta 11 12

4 Curve fotometriche Curve fotometriche Distribuzione simmetrica ad ali di pipistrello Distribuzione asimmetrica

5 Caratteristiche degli apparecchi Distribuzione del flusso luminoso codici di flusso Caratteristiche degli apparecchi Rendimento ottico o LOR (Light Output Ratio) Rapporto tra il flusso totale emesso dall apparecchio e l emissione complessiva delle lampade (lumen) N5 ottico apparecchio lampada Più basso è il valore del rendimento ottico e meno luce otteniamo dall apparecchio = la luce è intrappolata nell apparecchio. Dovrebbe essere maggiore del 65%

6 Caratteristiche degli apparecchi Luminair Efficiency Rating Efficienza energetica dell apparecchio Rapporto tra il flusso totale emesso dall apparecchio e la potenza prelevata: LER L BF [lm/w] P input L flusso luminoso della lampada (da scheda lampada) rendimento ottico dell apparecchio (da scheda apparecchio) BF fattore di ballast (da scheda apparecchio) P INPUT potenza utilizzata (da scheda apparecchio) Abbagliamento molesto da luce artificiale Il parametro utilizzato da CIE per descrivere la possibilità di discomfort glare è Unified Glare Rating: UGR 8log 0.25 n L b i1 L 2 i 2 P i i L b : luminanza di sfondo in cd/m 2 L : luminanza di ogni apparecchio di illuminazione nella direzione dell occhio dell osservatore : angolo solido [sr] delle parti luminose di ogni apparecchio di illuminazione nella direzione dell osservatore P : indice di posizione di Guth Abbagliamento molesto da luce artificiale Classificazione del livello di abbagliamento secondo diversi indicatori Abbagliamento molesto da luce artificiale UGR Discomfort Glare Criterion 10 Imperceptible 13 Just perceptible 16 Perceptible 19 Just acceptable 22 Unacceptable 25 Just uncomfortable 28 Uncomfortable 23 24

7 25 26 RISULTATI ILLUMINOTECNICI MIGLIORATI Per aumentare l illuminamento medio e l uniformità aumento il numero di lampade. Passo da 12 a 16 lampade. RISULTATI ENERGETICI PEGGIORATI 27 28

8 CAMBIAMO APPARECCHIO RIDUCIAMO LA POTENZA 31 32

9 Illuminazione artificiale degli interni Il progetto di illuminazione degli interni deve essere studiato e calcolato in funzione della destinazione d uso e dei compiti visivi del locale da illuminare, e dipende dai seguenti elementi: caratteristiche geometriche dell ambiente da illuminare coefficienti medi di riflessione di soffitto, pareti e pavimento tipo di illuminazione prescelta (diretta, indiretta, diffusa, ecc.) tipologia di lampada Un metodo di progettazione semplificato è il metodo del flusso totale. 33 Metodo del flusso totale Metodo del flusso totale Sovrapposizione degli effetti: Illuminamento diretto proveniente dalla sorgente Illuminamento indiretto per riflessione dalle superfici circostanti Sovrapposizione degli effetti: Illuminamento diretto proveniente dalla sorgente Illuminamento indiretto per riflessione dalle superfici circostanti D D flusso diretto diff E P diff flusso indiretto E P

10 Campo diretto: legge dell inverso del quadrato Campo diretto: legge dell inverso del quadrato I = intensità luminosa Ep I r 2 Illuminamento su un piano verticale r 1 E 1 A 1 r 2 piano di lavoro 1 E 2 A 2 piano di lavoro 2 A 2 r 2 2r 1 A 2 4A 1 E 2 E 1 4 h r P v E Isen 2 r A 1 Campo diretto: legge dell inverso del quadrato Illuminamento su un piano orizzontale posto non allineato con la sorgente I I r cos h r P o r E h cos I r 2 I cos 3 E r h 2 Campo diffuso I metodi di calcolo semplificati della componente diffusa si basano sull assunzione che il campo diffuso sia uniforme nello spazio considerato e che il flusso luminoso, L, emesso da tutte le lampade installate, si distribuisca uniformemente sulle superfici che costituiscono l involucro: E diff L r m S tot (1 r m ) S tot, superficie dell involucro, L il flusso luminoso, r m coefficiente di riflessione medio dell involucro

11 Campo diffuso Campo diffuso Ediff L r m S tot (1 r m ) Flusso luminoso 1000 lumen/m 2 Ediff L r m S tot (1 r m ) rm/(1-rm) 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 coefficiente di riflessione medio dell'ambiente Illuminamento diffuso [lux] ,0 0,2 0,4 0,6 0,8 coefficiente di riflessione medio dell ambiente 1,0 Coefficiente di utilizzazione del flusso luminoso Non tutto il flusso luminoso emesso dalle sorgenti installate in un ambiente arriva effettivamente ad illuminare il piano di lavoro. Una parte di esso viene disperso e la parte effettivamente incidente sul piano di lavoro dipende da: geometria dell ambiente; posizionamento delle lampade; caratteristiche di riflessione di pareti, pavimento e soffitto; caratteristiche degli apparecchi illuminanti. Coefficiente di utilizzazione del flusso luminoso É la frazione del flusso luminoso iniziale della lampada che raggiunge il piano di lavoro: inc U 0 Considera la luce che raggiunge il piano di lavoro sia direttamente che indirettamente. Include sia l efficienza dell apparecchio nel rilasciare il flusso luminoso sia l efficienza della stanza nel riflettere e re-indirizzare il flusso verso il piano di lavoro. L entità di queste utilizzazione U. perdite è quantificata con un coefficiente di Può essere ricavato da tabelle sulla base della geometria della stanza e dei coefficienti medi di riflessione delle superfici. 44

12 Coefficiente di utilizzazione del flusso luminoso Esempio: ricavo il coefficiente di utilizzazione Il coefficiente di utilizzazione, che viene individuato in funzione di un parametro detto indice del locale K, tiene conto della geometria del sistema sorgente-ambiente-piano di lavoro. A seconda che si intenda realizzare un tipo di illuminamento diretto o indiretto, l indice del locale si calcola con una delle equazioni di seguito riportate: Illuminazione diretta K (a b) h (a b) Illuminazione indiretta K 3(a b) 2 H (a b) a = lunghezza del locale da illuminare; b = larghezza del locale da illuminare; h = altezza del punto luce rispetto al piano di lavoro; H = altezza del soffitto rispetto al piano di lavoro 1) Calcolo il parametro caratteristico del locale, K per luce diretta: (a b) (30 12) K 1,7 h (a b) 3 (30 12) Esempio: ricavo il coefficiente di utilizzazione Esempio: ricavo il coefficiente di utilizzazione R f =0.2 Plafoniera a quattro lampade fluorescenti con riflettore superiore Apparecchio con lampada fluorescente per illum inazione diretta R c R W A B C D E F G H A B C D E F G H R f =0.2 R c R W Plafonieraaquattro A lampadefluorescenticon B riflettore superiore C D E F G H Apparecchio con lampada A fluorescente per B illuminazione diretta C D E F G H A K=0,5 0,7 C K=0,9 1,2 E K=1,4 1,7 G K=2,7 4 A K=0,5 0,7 C K=0,9 1,2 E K=1,4 1,7 G K=2,7 4 B K=0,7 0,9 D K=1,2 1,4 F K=1,7 2,7 H K= 4 6 B K=0,7 0,9 D K=1,2 1,4 F K=1,7 2,7 H K= 4 6

13 Deprezzamento del flusso luminoso emesso, coefficiente di manutenzione Al passare del tempo l impianto di illuminazione subisce un certo invecchiamento che viene detto deprezzamento. Il flusso emesso dalle lampade diminuisce per annerimento degli involucri in vetro, per variazioni delle condizioni di funzionamento del filamento delle lampade ad incandescenza o degli elettrodi di quelle a scarica. Le parti ottiche degli apparecchi vengono ricoperte da polvere diminuendone la riflessione e la trasparenza. Nella valutazione del flusso da installare bisogna tenere conto di questo fattore, prevedendo un flusso leggermente superiore a quello minimo richiesto. Viene perciò definito un altro fattore detto coefficiente di manutenzione, CM, corrispondente al rapporto tra il flusso che incide sulla superficie di lavoro in condizioni di massimo invecchiamento dell impianto e con l impianto nuovo. Coefficiente di Manutenzione Può essere valutato in funzione della polverosità dell ambiente con un intervallo tra le operazioni di pulizia pari a 12 mesi. Tipo di ambiente Se S è la superficie del piano di lavoro e Em l illuminamento desiderato, il flusso totale da installare è: E m S E C u C M Se poi L è il flusso del tipo di lampada scelta, il numero di lampade da installare è: N E L C M Pulito 0,9 Medio 0,8 Sporco 0,7 Stima del numero di lampade necessarie Se S è la superficie del piano di lavoro e Em l illuminamento desiderato, il flusso totale da installare è: E m S E C u C M Esempio 1 Calcolare l illuminamento di una lampada posizionata ad un altezza dal piano di lavoro pari a 3 m, su due punti A e B che si trovano in posizione tale che la direzione della congiungente di ciascuno con il centro di illuminazione forma con l asse della sorgente un angolo di 0 e 45 : h= 3 m P= 36W =3,45klm Se poi L è il flusso del tipo di apparecchio scelto, il numero di lampade da installare è: N E L Dalla distribuzione fotometrica dell intensità luminosa si leggono i valori di intensità luminosa per i due punti: A) I 0 =400 cd B) I 45 = 230 cd, cos 3 (45 ) = 0,35. h cd/klm 30 A B 52

14 Esempio 1 I cos Utilizzando la relazione E 2 si può calcolare l illuminamento orizzontale nei punti A e B. r L apparecchio scelto emette un flusso luminoso di 3450 lumen. Quindi I 0 = (400/1000 * 3450) = 1380 cd/lm I 45 = 793,5 cd/lm 90 Esempio 2 : progetto illuminotecnico di massima Si consideri un aula scolastica, di dimensioni in pianta 6 x 8 m e di altezza 3 m nella quali si voglia realizzare un illuminamento diretto con lampade sospese ad un altezza di 2 m sopra il piano di lavoro. L illuminamento medio consigliato sia di 300 lux e quindi il flusso luminoso necessario risulta pari a: Nel punto A: 60 E m * S = 300 lux * 48 mq = lm E 0 =I 0 * cos 3 (0 ) / h 2 =1308*1/3 2 = 153 lux Nel punto B: E 45 = I 45 * cos 3 (45 ) / h 2 = 793,5 * 0,35 /3 2 =30lux h 400 cd/klm A 30 B 1) Calcoliamo l indice del locale per illuminazione diretta : K = (a*b)/ [h * (a+b)] = (6*8)/ [2 * (6+8)] = 1,70 53 Esempio 2 2) Scegliamo il tipo di lampada: fluorescenti 3) Stimiamo i coefficienti di riflessione delle superfici: pareti: 50% soffitto: 75% In queste condizioni, da tabella, si ottiene un coefficiente di utilizzazione pari a C U =0,51. 4) Definiamo il tipo di manutenzione, per esempio buono C M =0,70 Esempio 2 7) Il numero N delle lampade da installare sarà allora: N= E / L = 40336/3750 = 10,75 Si necessita allora di 11 lampade ma visto che ogni apparecchio contiene 2 lampade, il numero di apparecchi da installare nell aula sarà 6. La loro disposizione si potrà per esempio prevedere su tre file equispaziate ognuna delle quali è composta da due apparecchi. 5) Calcoliamo il flusso luminoso effettivo da fornire all ambiente è: E =(E m *A)/(C U *C M )= 14400/ (0,51 *0,70) = lm 6)Ora vogliamo calcolare il numero di apparecchi necessari per fornire il flusso richiesto. Le sorgenti che si vogliono installare sono lampade fluorescenti lineari 1500 x 26 tipo deluxe ed ognuna di tali lampade emette un flusso luminoso pari a L = 3750 lumen.

15 Esempio 2 8) CALCOLIAMO LA POTENZA NECESSARIA PER L IMPIANTO PREVISTO se l efficienza luminosa delle lampade è, come si ricava dalle tabelle fornite dai produttori, 65 lm/w, la potenza che si dovrà fornire all impianto di illuminazione sarà Aspetti energetici dell illuminazione artificiale La potenza elettrica P el assorbita da un impianto costituito da N numero di apparecchi P el potenza unitaria di ciascuna lampada n numero di lampade l efficienza della lampada ottico rendimento ottico dell apparecchio flusso luminoso di ciascun apparecchio P = (3750 x 12) / 65 = 692 W l = l / P el l = / t P el nnp' el N ' l ottico l ottico t =(E m *A)/(C U *C ) M da cui, introducendo i coefficienti di utilizzazione e di manutenzione: Pel AE m l ottico Cu CM A E m area da illuminare illuminamento medio desiderato Aspetti energetici dell illuminazione artificiale Si può a questo punto introdurre l efficienza globale dell impianto (installed efficacy), ε g, data dal rapporto fra illuminamento medio sul piano di lavoro e potenza installata per unità di area: Pel AE m l ottico Cu CM E g m l ottico C u C P M el / A Il parametro potenza installata per unità di area interessa sia l impiantista elettrico per il dimensionamento delle linee di alimentazione e dei quadri con le relative protezioni, sia il progettista termodinamico per il calcolo del carico termico dell impianto di condizionamento dell aria. Valori di illuminamento medi di riferimento per il progetto ABITAZIONI Em Zone di conversazione o passaggio 100 lux Zone di lettura 300 lux Zone di scrittura 500 lux Zone dei pasti 150 lux Cucina 300 lux Bagno, illuminazione generale 100 lux Bagno, zona specchio 300 lux Camere, illuminazione generale 100 lux Camere, zona armadi 300 lux Camere, letti 300 lux Camere, stiratura, cucitura, e rammendo 750 lux 60

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