Sicurezza e ambiente. 9659A Sicurezza e ambiente AMBIENTE LUMINOSO

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1 1 AMBIENTE LUMINOSO Sistema visivo e caratt. della visione Grandezze illuminotecniche Sorgenti di luce artificiale ed apparecchi di illuminazione Dimensionamento degli impianti di illuminazione artificiale Illuminazione naturale Indici di qualità ed illuminazione di ambienti con VDT 2 L OCCHIO UMANO Principali elementi costitutivi: Cornea Cristallino Iride Retina Politecnico di Torino Pagina 1 di 31

2 3 IL MECCANISMO DELLA VISIONE segnale luminoso segnale nervoso nervo ottico cellule gangliari cellule amacrine cellule bipolari cellule orizzontali coni bastoncelli processo fotochimico: segnale luminoso fi segnale nervoso 4 SENSITIVITÀ SPETTRALE DELL OCCHIO UMANO Soglia: punto in corrispondenza del quale scompaiono alcuni dettagli critici sensitività = 1 soglia l Politecnico di Torino Pagina 2 di 31

3 GRANDEZZE ILLUMINOTECNICHE INTENSITA LUMINOSA y z S ω x r df I = dw 1 candela (cd) = intensità luminosa emessa in una data direzione da una radiazione monocromatica di l = 555 nm e con intensità pari a di 1/683 W/sr 5 6 dp dl ( l) FLUSSO LUMINOSO = V l P l F l F = K 780nm 380nm ( ) ( ) ( l) ( l) dp dl dl = potenza emessa per lunghezza d onda 1 lumen (lm) = flusso emesso in un angolo solido pari ad 1 steradiante da una sorgente luminosa puntiforme con intensità luminosa costante pari a 1 cd V Politecnico di Torino Pagina 3 di 31

4 7 TIPOLOGIE DI SUPERFICI Riflessione Trasmissione Superficie lucida Riflessione speculare Superficie rugosa Riflessione estesa Superficie lamb. Riflessione diffusa Riflessione estesa e diffusa 8 SUPERFICIE LAMBERTIANA Legge di Lambert ( legge del coseno ) I n I J = I n cos J J I ϑ I n = intensità luminosa nella direzione normale alla superficie I J = intensità luminosa nella direzione definita da J Politecnico di Torino Pagina 4 di 31

5 9 df E = ds 2 r dw ds = cos a ILLUMINAMENTO 1 lux (lx) = illuminamento di una superficie piana di 1 m 2 che riceve il flusso luminoso di 1 lm S df E = dw r a cos a r 2 cos a = I 2 r ds P 10 LUMINANZA L = di dscos a 1 nit (nt) = luminanza di 1 cd per m 2 di area apparente 1 stilb (sb) = 10 4 nit ds a Sorgenti Luminanza [nt] Cielo sereno 8000 Cielo nuvoloso 2000 Lamp. tub. fluor. 18 W 4000 Politecnico di Torino Pagina 5 di 31

6 11 PRINCIPALI STRUMENTI DI MISURA Strumento Grandezza misurata Fotometro Intensità luminosa Luxmetro Illuminamento Luminanzometro Luminanza 12 PRINCIPALI PARAMETRI CHE INFLUENZANO LA PRESTAZIONE LAVORATIVA Caratteristiche dell ambiente del microclima degli inquinanti aerodispersi della visione a distanza del sistema di illuminazione Caratteristiche del compito visivo tempo esposiz. compito visivo angolo sotteso nitidezza dell immagine (mira) tempo di persistenza contrasto (della mira) Capacità visive del sogg. visus motilità oculare senso cromatico Benessere visivo Prestazione visiva affidabile Politecnico di Torino Pagina 6 di 31

7 13 TEMPO DI PERSISTENZA Continuazione della sensazione visiva dopo la cessazione dello stimolo. E proporzionale alla luminanza dell oggetto il quale appare con il colore complementare a quello originale TEMPO DI ESPOSIZIONE L occhio umano è in grado di discernere un impulso di luce della durata di solo 1/1000 di secondo ed è in grado di discernere un secondo impulso dal primo se l intervallo di tempo è di almeno 1/10 di secondo ACUTEZZA VISIVA Capacità dell occhio di distinguere i dettagli ed è influenzata da : dimensione dell ogg. luminanza contrasto tempo 14 ACUITÀ VISIVA a = angolo visivo sotto cui l oggetto è visto dall occhio h a d N B A h = d 180 p 60' 1 h = 3438 d [primi di grado] h e d [m] Il valore dell angolo visivo di soglia che consente a soggetti con visione normale di discernere un oggetto nero su fondo bianco è di 1 Politecnico di Torino Pagina 7 di 31

8 15 CONTRASTO Rappresenta la capacità di un osservatore di distinguere una differenza minima nella luminanza tra due aree 1) Formula di Weston: Lg -Ll C = Lg L g = luminanza elemento a luminanza maggiore L l = luminanza elemento a luminanza minore C [0,1] 16 2) Formula di Blackwell: C = Lo - Lb Lb Se la superficie è diffondente C = ro - rb rb L o = luminanza dell oggetto considerato L b = luminanza del fondo r o = fattore di riflessione dell oggetto considerato r b = fattore di riflessione del fondo C [0,1] se L b > L o fondo chiaro, oggetto scuro C [0, ] se L o > L b oggetto chiaro, fondo scuro Politecnico di Torino Pagina 8 di 31

9 17 ABBAGLIAMENTO Modificazione della condizione di equilibrio tra l azione fotochimica della luce e la rigenerazione del pigmento retinico L abbagliamento può presentarsi qualora la luminanza degli apparecchi di illuminazione o delle finestre risulti eccessiva in rapporto alla luminanza del fondo 18 TIPOLOGIE DI ABBAGLIAMENTO ASSOLUTO Sottratto dal campo di visione l oggetto abbagliante occorre un certo tempo perché nell occhio si ripristinino le proprietà visive normali RELATIVO Il rapporto di contrasto risulta 3 4 volte maggiore del valore che si avrebbe in assenza dell oggetto abbagliante Politecnico di Torino Pagina 9 di 31

10 19 TIPOLOGIE DI ABBAGLIAMENTO FASTIDIOSO Introduce un disturbo senza necessariamente alterare la visione dei dettagli e degli oggetti e costituisce un fattore di affaticamento DEBILITANTE Altera la visione del dettaglio degli oggetti senza necessariamente provocare un senso di disagio 20 IL COLORE Il colore è la reazione dell apparato visivo a onde riflesse di luce aventi differente lunghezza d onda l: esiste soggettivamente attraverso la vista e non ha un significato fisico specifico Radiazione incidente Sorgente di luce Radiazione riflessa Occhio Politecnico di Torino Pagina 10 di 31

11 21 LA PERCEZIONE DEL COLORE I coni sono i responsabili nella distinzione dei colori nell oscurità (bastoncelli) tutti gli oggetti appaiono grigi Colori primari: 1. BLU 2. VERDE 3. ROSSO Un essere umano può riconoscere un immagine in tre modi: a. tinta (es. verde o blu) b. luminosità (es.opaca o brillante) c. contrasto (es.chiaro o scuro) SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALE PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLE LAMPADE 1. RENDIMENTO LUMINOSO SPETTRALE e l 0.4 e dl e dl rapporto tra l energia irradiata, entro i limiti dell intervallo visibile, e quella totale dell intero spettro di emissione h s = Politecnico di Torino Pagina 11 di 31

12 23 2. EFFICIENZA LUMINOSA rapporto tra le unità di flusso emesso dalla sorgente e le unità di potenza assorbite [Lumen/Watt] 3. FLUSSO EMESSO 4. COLORE DELLA LUCE 5. VITA UTILE 24 DETERMINAZIONE DEL FLUSSO LUMINOSO SUPERFICIE FOTOMETRICA Luogo degli estremi della stella di vettori uscenti dal baricentro luminoso della sorgente, aventi lunghezza proporzionale all intensità luminosa nella direzione rappresentata da ciascuno di essi Flusso totale emesso F t = 4p 0 I dw = 2p 0 dj p/2 -p/2 I ( j, J) senj dj J j I = intensità luminosa Politecnico di Torino Pagina 12 di 31

13 25 LA SFERA DI ULBRICHT superficie interna perfettamente diffondente e non selettiva LAMIERA METALLICA L D F L illuminamento E sulla finestrella F, dovuto alla luce riflessa dalle pareti, è direttamente prop. al flusso totale f emesso dalla lampada: E = k f 26 COLORE DELLA LUCE EMESSA Temperatura di colore Temperatura, espressa in Kelvin, a cui dovrebbe essere portato il corpo nero affinché la luce emessa produca una sensazione cromatica equivalente a quella della sorgente in esame. Gr. Colore apparente Temperatura di colore (K) W Caldo < 3300 I Intermedio C Freddo > 5300 Politecnico di Torino Pagina 13 di 31

14 27 Nel caso di lampade a scarica (spettro di emissione discontinuo nelle l), si parla di Temperatura correlata Temperatura del corpo nero che produce un risultato cromatico quanto più vicino a quello della sorgente a scarica Indice di resa dei colori Deriva dal confronto tra un set di 8 colori campione illuminati dapprima mediante una sorgente normalizzata di riferimento e poi con la sorgente di cui si intende stimare la resa cromatica 28 Gr. R a Col. apparente Es. d uso 1A 90 W, I, C Cucina colori, Ambulatori med. 1B [80,90] W, I, C Uffici, ospedali 2 [60,80] W, I, C Lav. industriali 3 [40,60] Lav. grossolane 4 [ <40 ] Politecnico di Torino Pagina 14 di 31

15 29 FATTORI DETERMINANTI DELLA DURATA MEDIA Variazione in aumento rispetto ai valori nominali della tensione Lampade ad incandescenza: m t1 V = 2 t2 Ł V1 ł t 1 = durata media della lampada alimentata a tensione V 1 t 2 = durata media della lampada alimentata a tensione V 2 m = coefficiente sperimentale [ ] 30 Numero di accensioni Lampade a scarica: 10 h in meno sulla vita media per ogni ciclo di accensione/spegnimento Tipi di lampade Durata media (h) A incandescenza A fluorescenza (tubolari) A vapori di sodio ad alta pressione A vapori di sodio a bassa pressione Politecnico di Torino Pagina 15 di 31

16 31 CLASSIFICAZIONE DELLE SORGENTI LUMINOSE Sorgenti ad incandescenza filamento nel vuoto filamento in gas inerti a ciclo di alogeni a bassa V a bassissima V Sorgenti a scarica a vapori di mercurio a bassa P a vapori di mercurio ad alta P ad alogenuri metallici a vapori di sodio a bassa P a vapori di sodio ad alta P 32 DATI TECNICI Lamp. V W lm lm/w h K R a ad incan alogena fluor fluor. comp ad alogenuri vap. Na b. P vap. Na a. P Politecnico di Torino Pagina 16 di 31

17 33 APPARECCHI D ILLUMINAZIONE CARATTERISTICHE Provvedono all alimentazione della lampada, accogliendo i cavi elettrici e il portalampada Riparano la lampada da colpi, urti, sporco e vibrazioni Proteggono gli operatori da contatti accidentali con parti dell impianto sotto tensione o ad alta temperatura Modificano la curva fotometrica della lampada intercettandone e rinviandone i fasci luminosi Schermano completamente, o entro certi angoli, la sorgente luminosa riducendo l abbagliamento 34 Diffusori CLASSIFICAZIONE Apparecchi di forma geometrica semplice e simmetrica rispetto ad un asse, costruiti di materiale traslucido che racchiude totalmente o parzialmente la sorgente Riflettori Apparecchi costituiti da un involucro di materiale opaco la cui faccia interna, caratterizzata da un elevato coefficiente di rinvio, può avere, a seconda del trattamento, un comportamento speculare, diffuso o semidiffuso Politecnico di Torino Pagina 17 di 31

18 35 Rifrattori Apparecchi costituiti da involucri che avvolgono parzialmente o totalmente la sorgente e che presentano profonde scanalature aventi profilo ed orientamento tali da costituire un sistema di prismi in grado di controllare, per rifrazione, la direzione dei raggi luminosi uscenti Proiettori Dispositivo ottico costituito da Lenti fi proiettori diottrici Specchi o prismi a riflessione totale fi proiettori catottrici Lenti e specchi fi proiettori catadiottrici avente una sorgente di piccole dimensioni posizionata nel fuoco del sistema 36 PROPRIETÀ DEGLI APPARECCHI Campo di impiego (luoghi aperti, chiusi, speciali, ecc.) Massima potenza della sorgente luminosa Rendimento = F F F e = flusso emesso dalla sorgente F u = flusso uscente u e Modalità di distribuzione del flusso luminoso nello spazio (fi curva fotometrica) Politecnico di Torino Pagina 18 di 31

19 37 CURVA FOTOMETRICA DIMENSIONAMENTO DEGLI IMPIANTI DI ILLUMINAZIONE METODO PUNTO PER PUNTO Consiste nella determinazione del livello di illuminamento nell intorno di un punto P nota l intensità luminosa (o la luminanza) della sorgente I cos Sorgenti puntiformi Ep = q q 2 (lamp. ad incandescenza) r 3 I cos Eo = q q h q I q 2 E O h q I q 2 P I cos q sen q E P Ev = q V 2 h 38 Politecnico di Torino Pagina 19 di 31

20 39 Sorgenti estese (lamp. fluorescenti, vap. Hg bp, varchi di luce naturale, pareti) DS 1 S 1 Illuminamento prodotto dal generico elemento DS 1 in P 2 : cos q1 cos q DE 2 D S 1,P =L DS r I n q 1 q 2 r P 2 S 2 Illuminamento prodotto dall intera superficie S 1 intorno a P 2 : cos q1 cos q E 2 S,P =L ds S r 1 40 METODO DEL FLUSSO TOTALE Indice del locale a b K = h u hu ( a +b) a b h u = distanza degli apparecchi dal piano utile Fattore di utilizzazione C u coeff. di riflessione dell amb. e indice K Politecnico di Torino Pagina 20 di 31

21 41 METODO DEL FLUSSO TOTALE Coeff. di manutenzione m frequenza delle operaz. di pulizia Fattore di utilizzazione C u coeff. di riflessione dell amb. e indice K Coeff. di decadimento d delle prestazioni della lampada Numero degli apparecchi necessari E a b n = m Cu m d f E m = ill. medio desiderato sul piano di lavoro F = flusso luminoso di un apparecchio 42 SORGENTI DI LUCE NATURALE Principali tipologie di varchi di luce naturale Finestre verticali semplici Copertura a shed Abbaini Lucernari e cupole Politecnico di Torino Pagina 21 di 31

22 43 orientamento inclinazione TIPOLOGIA DI VARCO FATTORI ESTERNI posizione geografica giorno dell anno condizione del cielo ora di riferimento ILL. MENTO SULLE FINESTRATURE FATTORI INTERNI numero di varchi dimensioni dei varchi e dell amb. posiz. dei varchi coeff. di riflessione coeff. di trasmissione ILL.MENTO ALL INTERNO 44 TIPOLOGIA DI VARCO Finestre Lucernari Shed ILL. MENTO SULLE FINESTRATURE Sole Cielo ILL.MENTO ALL INTERNO Flux Transfer Method Lumen Method Daylight Factor Method Politecnico di Torino Pagina 22 di 31

23 45 ILLUMINAMENTO SULLE FINESTRATURE Luce diretta dal Sole E P = Ł 360 n cos 365 ł - e a senh [ Klx] Eh = EP senh Ev = Ep cosh cosg E p = illuminamento su un piano normale ai raggi del Sole E h = illuminamento su un piano orizzontale E v = illuminamento su un piano verticale n = numero di giorno dell anno 46 h = altezza del Sole sull orizzonte a = coefficiente atmosferico di assorbimento g = z -f =angolo compreso tra la normale alla superficie vert. e la retta di posizione del Sole z = angolo compreso tra la normale alla superficie verticale e il Sud f = angolo di azimut Sole Z O S E f h g z N normale alla finestra Politecnico di Torino Pagina 23 di 31

24 47 Luce diffusa dal cielo cielo sereno (0-30% di cielo coperto) cielo parz. nuvoloso (40-70% di cielo coperto) cielo nuvoloso (80-100% di cielo coperto) Eh Ev = 2p p/2 Lq, asenq cosq dq da 0 0 g+p/2 p/2 = Lq, a 2 sen q cos g-p/2 0 ( a - g) dq da 48 L q,a = luminanza del cielo nel punto P del cielo di coordinate sferiche q e a [Kcd / m 2 ] Z O Sole h retta del Sole S a g N q P E normale alla finestra Politecnico di Torino Pagina 24 di 31

25 49 ILLUMINAMENTO ALL INTERNO DAYLIGHT FACTOR METHOD Fattore di luce diurna Rapporto tra l illuminamento naturale in un determinato punto del locale (E i ) e l illuminamento naturale nello stesso punto, in assenza dell edificio (E o ). E DF = i 100 [%] Eo Considera unicamente la luce diffusa proveniente dal cielo Esprime l attitudine di un locale ad essere illuminato con luce naturale E costituito da tre componenti fondamentali 50 DF = SC + ERC + IRC SC = comp. cielo (dovuta al flusso luminoso proveniente dalla porzione di cielo direttamente visibile dal punto) IRC = comp. riflessa interna (dovuta alle molteplici riflessioni sulle superfici interne dell ambiente) ERC = comp. riflessa esterna (dovuta alle riflessioni sulle superfici di eventuali ostruzioni esterne) Politecnico di Torino Pagina 25 di 31

26 51 DF = SC + ERC + IRC SC ERC IRC 52 MISURA DELL ABBAGLIAMENTO Glare Index L g = 1 ill. nat. w p L2 GI=10 log g Ł n ł ill. art. L 1 w g = 1.6 L2 p g = costante di abbagliamento di ogni potenziale sorgente nel campo visivo dell osservatore L 1 = luminanza della sorgente L 2 = luminanza del fondo p = indice di posizione della sorgente n = numero delle sorgenti di luce w = angolo solido (sr) Politecnico di Torino Pagina 26 di 31

27 53 Indice di abbagliamento unificato UGR L i w i UGR = 8 log 10 L i 2 b p i L b = luminanza del fondo [cd/m 2 ] L = luminanza di ciascun apparecchio nella direzione dell osservatore [cd/m 2 ] w = angolo solido sotteso dalla parte illuminata di ogni apparecchio nella direzione dell osservatore p = indice di posizione di Guth Puo essere ottenuto: per via di calcolo mediante tabelle con metodo semplificato 54 FATTORE DI RESA DEL CONTRASTO (CRF): Il contrasto dipende da: caratteristiche di riflessione della superficie direzione della luce che la illumina CRF = C C 0 Lb L b = luminanza del fondo L t = luminanza del compito visivo C 0 = costante definita per diversi compiti visivi in condizioni di riferimento C = L b - L t Politecnico di Torino Pagina 27 di 31

28 55 VIDEOTERMINALI (VDT) L introduzione dei VDT negli ambiti di lavoro richiede sistemi di illuminazione adeguati perché: 1) il compito visivo viene svolto su una superficie verticale, con caratteristiche speculari e convesse 2) il compito visivo e intrinsecamente molto diverso da quello tradizionale 56 COMPITO VDT scansione pixel attivo pixel non attivo luminanza scansione Politecnico di Torino Pagina 28 di 31

29 57 COMPITO TRADIZIONALE scansione E luminanza scansione 58 3) gli operatori devono svolgere contemporaneamente compiti visivi molto diversi in relazione a: visione dello schermo visione del documento cartaceo visione della tastiera dialogo con il pubblico Politecnico di Torino Pagina 29 di 31

30 59 4) le condizioni di illuminazione per i diversi compiti sono differenti e talvolta contrastanti (schermo-pubblico) 5) necessità di contenere l abbagliamento, le riflessioni di velo e bilanciare le luminanze del campo visivo 60 CARATTERISTICHE DEL SISTEMA DI ILLUMINAZIONE PER VDT illuminamento generale tale da evitare l effetto di locale buio illuminamento localizzato del compito visivo tradizionale luminanza media sul soffitto tra cd/m 2 flusso luminoso diretto verso il basso limitato da un angolo zenitale» 50 Politecnico di Torino Pagina 30 di 31

31 61 campo visivo professionale: valori di luminanza < 200 cd/m2 con rapporto ben bilanciato: L C : L PL : L par = 10 : 4 : 3 L C = luminanza compito visivo L PL = luminanza piano di lavoro L par = luminanza pareti verticali assenza di abbagliamento 62 elevato CRF controllo della luminanza dei varchi di luce naturale disposizione del video in modo da evitare riflessi di apparecchi di illuminazione e/o di finestrature Politecnico di Torino Pagina 31 di 31