TERMOFISICA DEGLI EDIFICI (Ing. EDILE 06 CFU)

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1 Università degli Studi di Bergamo, Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Ingegneria Industriale Anno Accademico CORSO TERMOFISICA DEGLI EDIFICI (Ing. EDILE 06 CFU) Prof.ssa Ing. Paola Zampiero Prof. Ing. Pa ola Zampiero

2 ILLUMINOTECNICA La progettazione della quantità e della qualità della luce in modo tecnico, ragionato e non empirico è recente, anche se in realtà già con la cultura barocca, si può parlare di illuminotecnica, in quanto il legame esistente tra architettura e luce, intesa come elemento scenografico è molto profondo. Si tratta, però, in questo caso, di un illuminotecnica intuitiva, legata all esperienza acquisita dall artista-architetto e alla sua sensibilità. Lo sviluppo dell illuminotecnica è venuto insieme con quello delle sorgenti luminose artificiali. Lo sviluppo sempre più intenso delle sorgenti luminose con la conseguente realizzazione di una gamma estremamente ampia di apparecchi di illuminazione hanno contribuito a trasformare una componente marginale del progetto in una disciplina completamente autonoma affrontata da specialista. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

3 ILLUMINOTECNICA L illuminotecnica deriva i suoi principi fondamentali e le grandezze in gioco dalla fotometria, disciplina che studia la luce in funzione dello stimolo prodotto sull occhio umano. La realizzazione di un progetto d illuminazione richiede un bagaglio di conoscenze di carattere tecnico e non solo. La scelta corretta del tipo di apparecchio di illuminazione da utilizzare è in funzione: 1. dell attività effettuata all interno dell ambiente 2. del confort visivo degli utenti 3. dei costi di gestione di un impianto 4. (dell atmosfera che si vuole creare) Prof. Ing. Pa ola Zampiero

4 GRANDEZZE DELLA LUCE Le grandezze fondamentali da conoscere sono: a) Flusso luminoso Simbolo: f - Unità di misura: lumen (lm) b) Intensità luminosa Simbolo: I - Unità di misura: candela (cd=lm/sr) d) Luminanza Simbolo: L - Unità di misura: candela/m² (cd/m²) c) Illuminamento Simbolo: E - Unità di misura: lux (lx = lm / m²) e) Efficienza luminosa Simbolo: f - Unità di misura: lumen/watt (lm/w) Prof. Ing. Pa ola Zampiero

5 GRANDEZZE DELLA LUCE Il flusso luminoso (f,lm) Indica la quantità di luce (energia luminosa) emessa nell'unità di tempo (1 secondo) da una sorgente. Dipende dall'energia radiante emessa dalla sorgente luminosa e dalla curva di sensibilità dell'occhio. Si misura mediante speciali strumenti di laboratorio (Sfera di Ulbricht). Prof. Ing. Pa ola Zampiero

6 GRANDEZZE DELLA LUCE Intensità luminosa (I, cd=lm/sr) Caratterizza l'emissione della luce in relazione alla direzione. Per una sorgente puntiforme l'intensità si calcola come rapporto tra il flusso luminoso emesso in un cono infinitamente piccolo e la misura dell'angolo solido del cono, espresso in steradianti. Se si rappresentano le intensità luminose, emesse dall'apparecchio nello spazio, con vettori uscenti dal centro (reale o convenzionale) della sorgente, il luogo degli estremi di questi vettori è una superficie che racchiude un volume detto "solido fotometrico". Dal punto di vista illuminotecnico una lampada o un apparecchio illuminante sono definiti dalla distribuzione nello spazio delle intensità emesse (quindi luminosa dal solido fotometrico) e dalla geometria dell'area. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

7 GRANDEZZE DELLA LUCE Intensità luminosa (I, cd) I cataloghi normalmente presentano le due curve fotometriche ottenute come intersezione del solido fotometrico con due piani normali rispettivamente longitudinale e trasversale rispetto alla lampada. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

8 GRANDEZZE DELLA LUCE Illuminamento (E, lx=lm/m 2 ) Rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da una superficie e l'area della stessa. I livelli d'illuminamento, spesso considerati l'unico parametro interessante di un impianto, rappresentano invece solo una parte degli effetti realizzati. Ogni persona può gradire livelli d'illuminamento diversi, e anche lo stesso individuo in base al temporaneo stato d'animo e fisico può preferire più o meno lux negli ambienti in cui vive. Per illuminare una stanza dove poter compiere gesti abituali (quindi un'illuminazione diffusa) occorrono 100 lux; per le attività che richiedono più attenzione, come truccarsi, cucinare (quindi un'illuminazione localizzata) occorrono da 200 a 500 lux; per richiamare l'attenzione su come illuminare un quadro, un oggetto o un dettaglio (quindi un'illuminazione puntuale) occorre da 500 a lux. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

9 GRANDEZZE DELLA LUCE Illuminamento (E, lx=lm/m 2 ) L'occhio umano riesce a distinguere delle forme anche con solo 5 lux, percepire forme e colori con almeno 30 lux, leggere e lavorare da 150 lux in poi, in una giornata di sole all'aperto possiamo avere illuminamenti pari anche a lux o più. Per operare in modo più preciso e sicuro si potrà consultare la tabella NORMA UNI CATALOGHI Per ogni sorgente di luce con riflettore incorporato e per i proiettori veri e propri è spesso fornito un semplice schema che visualizza: il cono d'emissione, il diametro della macchia di luce e i livelli d'illuminamento ottenuto a diverse distanze tra sorgente e l'area illuminata. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

10 GRANDEZZE DELLA LUCE Illuminamento (E, lx=lm/m 2 ) Prof. Ing. Pa ola Zampiero

11 LUXMETRO

12 GRANDEZZE DELLA LUCE Luminanza (L, cd/m 2 ) È il rapporto tra l intensità luminosa emessa da una superficie in una data direzione e l area apparente di tale superficie. L area apparente è la proiezione della superficie su un piano normale alla direzione considerata. In pratica indica la sensazione di luminosità che si riceve da una sorgente luminosa primaria o secondaria. (Si dice sorgente primaria un corpo che emette direttamente radiazioni; si dice sorgente secondaria un corpo che riflette le radiazioni emesse da una sorgente primaria). È importante avere ben chiara la differenza esistente tra illuminamento e luminanza. Se la prima grandezza indica la quantità di luce, emessa da una sorgente, che colpisce la superficie considerata, la seconda indica la sensazione di luminosità che riceviamo da questa superficie; ciò vuol dire che su due superfici, una bianca e l altra nera, possiamo avere lo stesso valore di illuminamento, Prof. Ing. Pa ola Zampiero

13 GRANDEZZE DELLA LUCE Luminanza (L, cd/m 2 = lm/sr x m 2 ) Ad esempio 500 lux, ma la sensazione di luminosità ricevuta, e quindi la luminanza, sarà completamente differente, in quanto quelle due superfici riflettono la luce in modo diverso. Alla luminanza, oltre che allo stato di adattamento dell'occhio, sono legati il concetto di intensità della sensazione visiva e l'eventuale disagio provocato dall'abbagliamento. Si misura con il luminanzometro. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

14 Luminanzometro GRANDEZZE DELLA LUCE Permette la misurazione della luminanza di una superficie. La luce emessa dalla sorgente passa attraverso l obiettivo (A), una certa quantità di essa è deflessa da uno specchio (B) in direzione di un prisma (C) che trasmette l immagine su di un disco in vetro. La superficie del disco (D) è trattata in modo da permettere il passaggio di una parte della luce, che solo dopo aver attraversato un sistema di filtri (E) raggiunge una fotocellula (F) tramite la quale si effettuerà la misurazione in cd/m2. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

15 GRANDEZZE DELLA LUCE Abbagliamento La presenza nel campo visivo di una zona con luminanza molto elevata, rispetto alla luminanza media del campo (luminanza di adattamento), riduce la capacità visiva dell'individuo. Questo fenomeno si chiama abbagliamento e si verifica, per esempio, quando di notte incrociamo un veicolo con fari "alti" o quando le fonti luminose capitano, magari per riflessione su superfici lucide, nell'area della nostra normale osservazione. Si distinguono due tipi di abbagliamento: - Abbagliamento debilitante (disability glare) che consiste in un peggioramento istantaneo delle funzioni visive. - Abbagliamento fastidioso (discomfort glare) che si manifesta come un senso di disagio visivo che non sempre causa forti disturbi alla visione, ma che a lungo andare provoca fatica visiva, stress, difficoltà di concentrazione, riduzione della capacità di attenzione, aumento delle probabilità di errore diminuzione di rendimento. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

16 GRANDEZZE DELLA LUCE Abbagliamento Prof. Ing. Pa ola Zampiero

17 GRANDEZZE DELLA LUCE Efficienza luminosa Rapporto tra il flusso luminoso emesso e la potenza assorbita dalla sorgente. Si misura in lumen/watt (lm/w). Consente di confrontare i vari tipi di sorgenti artificiali per quanto riguarda l'economia d'esercizio. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

18 PROGETTO DELLA LUCE L efficacia di un progetto di illuminazione è il risultato ottenuto dallo sviluppo di due differenti analisi: 1. quantitativa, data dalla determinazione del numero di sorgenti luminose e loro posizionamento; 2. qualitativa, data dalla scelta del tipo di luce più adatto a svolgere una determinata attività e dalla sua distribuzione nello spazio.

19 Esempio PROGETTO quantitativo Aula 500 lux (lm/m 2 ) 30 m 2 Lampada fluorescente 36 W potenza 60 lm/w efficienza luminosa lm 36W n 60 W = m lm 2 m ( ) n 2160lm lm = 500 n = m m

20 PROGETTO qualitativo DELLA LUCE La luce non è sempre uguale. Può essere più o meno bianca, fredda oppure calda. I colori delle cose appaiono differenti, variando il tipo di sorgente luminosa utilizzata. Per giudicare e classificare le lampade da un punto di vista qualitativo vengono utilizzati due parametri molto importanti: temperatura di colore; indice di resa dei colori. In fisica un corpo nero è un oggetto (ideale) che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente e quindi non ne riflette né trasmette alcuna energia apparendo in prima approssimazione nero, secondo l'interpretazione classica del colore dei corpi (entro i limiti della propria emissività termica). Non riflettendo il corpo nero assorbe dunque tutta l'energia incidente e, per la conservazione dell'energia, re-irradia tutta la quantità di energia assorbita (coefficiente di emissività uguale a quello di assorbività e pari ad uno) e deve quindi il suo nome unicamente all'assenza di riflessione. Lo spettro (intensità o densità della radiazione emessa in funzione della lunghezza d'onda) di un corpo nero è uno spettro dalla caratteristica forma a 'campana' (più o meno asimmetrica e più o meno schiacciata) dipendente unicamente dalla sua temperatura T.

21 PROGETTO qualitativo DELLA LUCE TEMPERATURA DI COLORE La temperatura di colore, espressa in Kelvin (K)1, è un parametro utilizzato per individuare e catalogare, in modo oggettivo, il colore della luce di una sorgente luminosa confrontata con la sorgente campione (corpo nero). Dire che una lampada ha una temperatura di colore pari a 3000 K, significa che il corpo nero, a questa temperatura, emette luce della stessa tonalità. Le sorgenti luminose sono suddivise in tre gruppi, a seconda della temperatura di colore: - da 3000 a 3500 K : colore bianco caldo; - da 4000 a 5000 K : colore bianco neutro; -da 5500 a 7000 K : colore bianco freddo. La temperatura di colore non deve essere confusa con l indice di resa dei colori, in quanto la prima indica il colore della luce emessa, ma non ci dice nulla riguardo la sua capacità di rendere i colori.

22 PROGETTO qualitativo DELLA LUCE TEMPERATURA DI COLORE

23 PROGETTO qualitativo DELLA LUCE INDICE DI RESA DEI COLORI Esprime l effetto prodotto da una sorgente luminosa sull aspetto cromatico di un oggetto confrontato con quello ottenuto per effetto di una sorgente luminosa campione di pari temperatura di colore. La sorgente campione, a rigore il corpo nero, è in pratica un metallo, al quale viene somministrata una quantità di calore crescente, portandolo all incandescenza. Aumentando la sua temperatura, cambierà di colore passando dal rosso cupo fino all azzurro, passando per il bianco. L illuminazione è legata profondamente al colore dei materiali. Una superficie appare di un determinato colore, ad esempio il rosso, perché riflette le lunghezze d onda corrispondenti al rosso assorbendone le rimanenti. Un vetro trasparente colorato appare di un determinato colore perché si lascia attraversare dalle lunghezze d onda relative a quel colore mentre assorbe o riflette tutte le rimanenti.

24 PROGETTO qualitativo DELLA LUCE INDICE DI RESA DEI COLORI Se nello spettro di emissione della sorgente incidente non sono presenti le lunghezze d onda del materiale osservato, il suo colore sarà alterato. È quindi importante per avere una buona resa dei colori che nello spettro di emissione della sorgente luminosa siano presenti tutte le lunghezze d onda, ciascuna con valori quantitativi equilibrati.

25 Caratteristiche ottiche dei materiali Un raggio di luce che colpisce una superficie viene riflesso, diffuso, assorbito o trasmesso modificandosi per intensità, direzione e verso in funzione delle caratteristiche fisiche del mezzo intercettato. Le caratteristiche ottiche dei materiali nei confronti della luce incidente sono espresse con i fattori di riflessione, trasmissione ed assorbimento. La riflessione può essere speculare, diffusa oppure mista. Si dice speculare quando il raggio non viene modificato in intensità e l angolo di riflessione è uguale a quello incidente. Si dice diffusa quando il raggio incidente viene modificato in una serie di raggi di minore intensità uniformemente distribuiti con angoli di riflessione diversi da quello incidente. Si dice mista quando sono presenti entrambi i tipi sopra descritti. In genere i materiali che si utilizzano nella realtà pratica presentano una riflessione di tipo mista, con prevalenza della componente diffusa o della componente speculare.

26 Caratteristiche ottiche dei materiali Il fattore di riflessione di una superficie è dato dal rapporto tra flusso luminoso riflesso e flusso luminoso incidente e può andare dal 3, 4% nel caso di una superficie molto scura e polverosa, fino al 90% di una superficie liscia bianca. Il fattore di trasmissione è dato dal rapporto tra flusso luminoso trasmesso e flusso luminoso incidente, riferito ad un determinato spessore del materiale in esame. Il vetro chiaro ha fattore di trasmissione tra 80 e 90%. Il vetro smerigliato ha fattore di trasmissione tra 70 e 80%. Il vetro opalino ha fattore di trasmissione tra 55 e 70%. I dati variano, naturalmente, in relazione allo spessore del materiale, al tipo di lavorazione ed al tipo di composizione dello stesso. L aria di montagna, non inquinata e quindi priva di particelle in sospensione, ha un fattore di trasmissione estremamente prossimo al 100%, per spessori di qualche decina di metri. Il fattore di trasmissione dell intero strato di atmosfera che avvolge il pianeta è di circa il 30%.

27 MECCANISMI DELLA VISIONE ASPETTI OGGETTIVI ASPETTI SOGGETTIVI Caratteristiche fisiche della luce Caratteristiche ottiche dell ambiente Caratteristiche fisiologiche del sistema visivo Caratteristiche psicologiche dell utente Prof. Ing. Pa ola Zampiero

28 NATURA DELLA LUCE Le radiazioni elettromagnetiche costituiscono un fenomeno ondulatorio di propagazione di energia che si manifesta con un campo elettrico ed un campo magnetico, oscillanti in piani ortogonali tra loro. Le caratteristiche di tali radiazioni variano in funzione del valore assunto dalle proprietà tipiche delle onde. La velocità di propagazione nel vuoto è costante ed è detta velocità della luce ed indicata con la lettera c. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

29 IL CAMPO DEL VISIBILE La lunghezza d onda e la frequenza sono inversamente proporzionali. Al variare della frequenza, ossia della lunghezza d onda, le radiazioni elettromagnetiche presentano caratteristiche differenti. Solo le radiazioni da lunghezza d onda compresa nell intervallo tra 380nm e 760nm stimolano la retina; tale intervallo è detto campo del visibile. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

30 Spettri di emissione Un corpo appare visibile o per emissione di radiazioni proprie o per riflessione o trasmissione di luce irraggiata da altri corpi. L emissione di radiazioni proprie può avvenire per eccitazione termica o elettrica, fluorescenza, elettroluminescenza o luminescenza chimica. La maggior parte delle sorgenti di luce forniscono radiazioni anche negli adiacenti campi dell ultravioletto e dell infrarosso. Sorgenti di luce I corpi che emettono radiazioni proprie sono detti sorgenti primarie ed a loro volta si distinguono in sorgenti artificiali e naturali. I corpi che trasmettono o riflettono radiazioni provenienti da altri corpi sono detti sorgenti secondarie. Prof. Ing. Pa ola Zampiero

31 SPETTRO DI EMISSIONE LE SORGENTI DI LUCE SORGENTE PRIMARIA NATURALE = IL SOLE Prof. Ing. Pa ola Zampiero

32 SPETTRO DI EMISSIONE LE SORGENTI DI LUCE SORGENTE PRIMARIA ARTIFICIALE = LAMPADE ES. LAMPADE AD INCANDESCENZA La componente rossa dello spettro in una lampada ad incandescenza risulta più importante delle componenti verde e blu e pertanto il colore della luce di una lampadina ad incandescenza è meno bianca delle luce solare. SPETTRO DI SORGENTI LUMINOSE A D INCA NDESCENZA Prof. Ing. Pa ola Zampiero

33 SPETTRO DI EMISSIONE LE SORGENTI DI LUCE SORGENTE SECONDARIA = OGGETTI

34 LE SORGENTI DI LUCE SORGENTE PRIMARIA ARTIFICIALE = LAMPADE ES. LAMPADE A SCARICA Spettri di emissione di una lampada ai vapori di mercurio a una ai vapori di sodio a bassa pressione SPETTRO DI EMISSIONE Le lampade a fluorescenza (erroneamente chiamate lampade al Neon) il gas (o la miscela di gas) contenuto nel tubo o nel bulbo viene eccitato (generalmente da una corrente elettrica che lo percorre), così che gli elettroni esterni di ciascun atomo o molecola si spostano verso livelli energetici superiori Per migliorare la qualità della luce cospargere la parete interna dei tubi o dei bulbi di sostanze fluorescenti che assorbono la componente ultravioletta dell emissione dei vapori di mercurio e in seguito riemettono parte dell energia assorbita nel visibile Prof. Ing. Pa ola Zampiero

35 LUCE: BENESSERE E RISPARMIO ENERGETICO I principali parametri illuminotecnici da controllare in un ambiente sono: BENESSERE + RISPARMIO ENERGETICO 1. il fattore di luce diurna FLDm [da misurazioni di livelli di illuminamento o da calcolo] livello di illuminamento naturale (massimizzare quantità d illuminamento naturale in un ambiente) 2. Abbagliamento (evitare situazioni di discomfort) 3. Controllo dei sistemi di illuminazione artificiale (massimizzare il risparmio energetico) sfruttare luce naturale, dimmerizzare luce artificiale, illuminare secondo necessità.

36 LUCE NATURALE E BENESSERE Livelli di illuminamento naturale esterni: lx (cielo coperto inverno) lx (cielo sereno estate) Secondo recenti ricerche, occorrono almeno lx per prevenire gli effetti negativi e beneficiare di quelli positivi Effetti positivi di un adeguata illuminazione naturale (effetto a breve termine) Migliora : - la nostra attenzione - la prestazione intellettiva - l'umore - la sensazione di poter prendere decisioni, etc. (effetto a lungo termine) Influisce beneficamente sul benessere psicofisico.

37 LUCE NATURALE E BENESSERE Altri effetti positivi - aumento della produttività - recupero più veloce dei convalescenti - risparmio energia elettrica per illuminazione - maggior valore commerciale degli immobili L illuminazione naturale è importante per il benessere nei luoghi di vita e lavoro Ciò deve essere considerato a livello progettuale da: - responsabili della salute degli utenti (lavoratori, degenti, alunni, ) - Urbanisti (illuminazione esterna stradale) - progettisti di edifici (illuminazione interna edifici)

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39 UNI G Classe di controllo abbagliamento UGR Unified Glare Rating UGI Unified Glare Rating

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47 ESEMPIO CALCOLO FmLD B B B B N 47

48 ESEMPIO CALCOLO FmLD

49 ESEMPIO CALCOLO FmLD UNI Gli intervalli consigliati per i fattori di riflessione delle principali pareti di un locale sono: -soffitto: da 0,6 a 0,9; -pareti: da 0,3 a 0,8; -piani di lavoro: da 0,2 a 0,6; -pavimento: da 0,1 a 0,5. 49

50 APPENDICE B: ABBAGLIAMENTO E funzione di: 1. luminanza di sfondo in candele al metro quadrato, calcolata con un illuminamento verticale indiretto al livello dell occhio dell osservatore; 2. luminanza, in candele al metro quadrato, delle parti luminose di ogni apparecchio nella direzione dell osservatore; 3. angolo solido, in steradianti, delle parti luminose di ogni apparecchio nella direzione dell osservatore; 4. indice di posizione per ogni singolo apparecchio che è funzione dello scostamento angolare rispetto all asse visuale. Tutte le ipotesi necessarie alla determinazione dell UGR devono essere esposte nella documentazione del progetto. Il valore di UGR dell impianto d illuminazione non deve superare il valore riportato nel paragrafo 5. NOTA 1. Le variazioni di UGR per differenti posizioni dell osservatore nel locale possono essere calcolate impiegando la formula (oppure usando la tabella completa). I valori limite per questa condizione sono allo studio. NOTA 2. Se il valore UGR massimo in un locale è superiore al limite di UGR dato paragrafo 5, è necessario dare informazioni sulle posizioni appropriate dei posti di lavoro. NOTA 3. L abbagliamento molesto prodotto dalle finestre è ancora oggetto di ricerca. Nessun metodo di valutazione valido è attualmente disponibile.

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52 SIMULAZIONE COMPUTERIZZATA Confronto tra valori misurati e calcolati del fattore di luce diurna per un aula scolastica. Cielo uniformemente coperto. Valore medio misurato: 3,5% Valore medio calcolato col metodo del fattore finestra: 2,4%

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57 RISPARMIO ENEREGTICO DOMOTICA DIMMERIZZATORI DELLA LUCE

58 RISPARMIO ENEREGTICO DOMOTICA SENSORI DI PRESENZA

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