Illuminotecnica. prof. Massimo Paroncini

Transcript

1

2 Grandezze Fisiche caratteristiche

3 Benessere Ambientale: Illuminazione Grandezze Fisiche: Frequenza Velocità c È il numero di oscillazioni che l onda compie nell unità di tempo. È l inverso del periodo, il simbolo è e la sua unità di misura è l inverso del secondo (s -1 ) o Hertz, simbolo Hz c T La velocità di propagazione nel vuoto è c m/s.

4

5 Luce naturale

6

7 COEFFICIENTE DI VISIBILITA Campo del visibile 380 nm 780 nm L occhio percepisce meglio la gamma di lunghezze d onda intermedie. Per ottenere la stessa sensazione visiva a due diverse lunghezze d onda, occorre inviare una maggiore energia nell unità di tempo per la radiazione alla cui lunghezza d onda l occhio è meno sensibile. Detto K( ) il fattore di visibilità e W( ) la potenza della radiazione, per avere la stessa sensazione visiva a due diverse lunghezze d onda 1 e 2 dovrà essere: K W K W Il fattore K( ) risulta definito a meno di una costante arbitraria. Il massimo di sensazione visiva si ha per una = 555 nm per questa lunghezza d onda il fattore di visibilità assume il suo valore K max = 683 (lm W -1 ). Pertanto il coefficiente di visibilita V( ) viene definito come: V K K max

8 Grandezze Illuminotecniche

9 Flusso Luminoso Il flusso luminoso è la grandezza fotometrica che misura l intensità della sensazione luminosa in relazione alla potenza W( ) dello stimolo. 780 W K d Kmax W V d 380 L unità di misura del flusso luminoso è il lumen (lm).

10 Flusso Luminoso K m 780nm W 380nm V d Simbolo Unità di misura lumen (lm)

11 Intensità Luminosa Rappresenta il flusso emesso all interno di un angolo solido con origine nella sorgente e apertura angolare del cono stesso L apertura del cono viene definita mediante l angolo solido e si misura in steradianti. (Nel caso di un angolo solido in tutto lo spazio racchiuso da una sfera di superficie S=4 R 2 il suo valore è: =S/R 2 =4 sr). Simbolo I Unità di misura candele (cd)

12 Intensità Luminosa E definita come il flusso luminoso emesso da una sorgente puntiforme nella direzione all interno dell angolo solido infinitesimo d. d I I d d L unità di misura è la candela (cd)

13 L intensità luminosa emessa in una data direzione da una sorgente monocromatica di lunghezza d onda = 555 nm (K( )=k max ) e con intensità energetica in quella direzione di 1/683 W/sr. I d d 1cd K max W sr K max = 683 cd sr W -1 K max = 683 lm W -1 Per una sorgente emette con la stessa intensità I 0 in tutte le direzioni si ha: I 0 4

14 Solido fotometrico e curva polare

15 Illuminamento È la grandezza fotometrica normalmente presa a riferimento per valutare l entità dell illuminazione in un ambiente È definito dal rapporto tra il flusso luminoso incidente in una superficie e l estensione della stessa: Simbolo E Unità di misura lux (lx)

16 ILLUMINAMENTO SUL PIANO ORIZZONTALE I h r n da da cos E d da I d I da da cos da r2 E d da lm. m -2 = lux (lx) E I cos I cos r2 h2 3

17 CURVE ISOLUX h I r

18 ILLUMINAMENTO VERTICALE h I r n da da sen E d I d I da sen I I sen sen da da da r 2 r 2 h2 cos 2

19

20 Luminanza La luminanza è la grandezza fotometrica certamente più importante nella definizione del comfort visivo in quanto fornisce una misura della luminosità di una superficie che emette o riflette la luce. La luminanza è definita come il rapporto tra l intensità luminosa I emessa, riflessa o trasmessa dalla superficie nella direzione di propagazione e l area apparente della superficie; ovvero la proiezione della superficie sul piano perpendicolare alla direzione di propagazione dell intensità I L=dI / (ds cos ) Simbolo L Unità di misura cd/m 2

21 LUMINANZA Viene utilizzata per determinare la quantità di intensità luminosa emessa o riflessa da una superficie di una certa estensione proiettata in un piano perpendicolare alla direzione di osservazione. Viene indicata con la lettera L e la sua unità di misura è il nit o cd m -2. L I da cos cd m -2

22 È importante sottolineare che la percezione dello spazio circostante avviene apprezzando le differenze di luminanza; a tal proposito si definisce il contrasto come: C = (L 1 - L 2 ) / L 2 Dove dove L 1 è la luminanza del dettaglio osservato L 2 è la luminanza generale del campo visivo (luminanza di fondo)

23 Abbagliamento

24

25

26 Valori indicativi di luminanze per sorgenti di luce naturale ed artificiale Tipi di sorgente Luminanza cd m -2 Sole a mezzogiorno 1, Sole al tramonto Cielo sereno 8000 Cielo nuvoloso 2000 Terreno a prato 800 Manto nevoso 3, Candela stearica 5000 lampada ad incandescenza da 60 W con bulbo chiaro lampada ad incandescenza da 60 W con bulbo opalino Lampada tubolare a fluorescenza da 18 W 4000 Lampada ad alogenuri metallici 70 W 1,5 10 7

27 Emissione di un corpo nero en, c1 c2 5 e T 1

28 Emissione di corpi solidi

29 Luce naturale ed artificiale

30 Temperatura di colore È la temperatura alla quale bisogna portare un corpo nero Per avere lo stesso colore della luce emessa dalla lampada Unità di misura kelvin simbolo K

31 Lampade ad incandescenza

32 Lampade ad incandescenza alogene

33

34 Emissione in un gas E 2 E1 E h

35

36

37 Lampade a scarica in gas

38 Lampade a scarica in gas

39 Temperatura di colore

40

41

42 Diagramma di Kruithof

43

44

45

46

47

48

49 Led - Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa) Il dispositivo sfrutta le proprietà ottiche di alcuni materiali semiconduttori per produrre fotoni a partire dalla ricombinazione di coppie elettrone, lacuna. Gli elettroni e le lacune vengono iniettati in una zona di ricombinazione attraverso due regioni del diodo drogate con impurità di tipo diverso, e cioè di tipo n per gli elettroni e p per le lacune. Il colore della radiazione emessa è definito dalla distanza in energia tra i livelli energetici di elettroni e lacune e corrisponde tipicamente al valore della banda proibita del semiconduttore in questione. I LED sono uno speciale tipo di diodi a giunzione p-n, formati da un sottile strato di materiale semiconduttore drogato.

50 Struttura di un led con le regioni p e n cariche elettricamente e la giunzione p-n con emissione luminosa

51 Quando sono sottoposti ad una tensione diretta per ridurre la barriera di potenziale della giunzione, gli elettroni della banda di conduzione del semiconduttore si ricombinano con le lacune della banda di valenza rilasciando energia sufficiente da produrre fotoni. A causa dello spessore ridotto del chip un ragionevole numero di questi fotoni può abbandonarlo ed essere emesso come luce. I LED sono formati da: GaAs (arseniuro di gallio), GaP (fosfuro di gallio), GaAsP (fosfuro arseniuro di gallio), SiC (carburo di silicio) e GaInN (nitruro di gallio e indio). L'esatta scelta dei semiconduttori determina la lunghezza d'onda dell'emissione di picco dei fotoni, l'efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l'intensità luminosa in uscita.

52 Emissione luminosa Il led può avere un'emissione: Continua, il led emette costantemente luce Intermittente, il led emette luce a intervalli di tempo regolari, cosa ottenibile con circuiti astabili o con led intermittenti Spettro luminoso Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo dell'occhio umano e della lampada ad incandescenza Lo spettro luminoso dei led, varia molto a seconda del led stesso, se il led viene usato per motivi d'illuminazione, si ha generalmente una buona copertura del suo spettro, che può essere sfruttato anche del 100%, mentre se usato in altre applicazioni si possono avere tranquillamente led che emettono luce non visibile.

53 Spettro luminoso di vari LED, messi a confronto con lo spettro visivo dell'occhio umano e della lampada ad incandescenza

54 Colore della luce emessa: A seconda del drogante utilizzato, i LED producono i seguenti colori: AlGaAs - rosso ed infrarosso GaAIP - verde GaAsP - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo GaN - verde e blu GaP - rosso, giallo e verde ZnSe - blu ngan - blu-verde, blu InGaAIP - rosso-arancione, arancione, giallo e verde SIC come substrato - blu Diamante (C) - ultravioletto Silicio (Si) come substrato - blu (in sviluppo) Zaffiro (Al2O3) come substrato - blu

55 Triangolo cromatico di un sistema RGB: tutti i colori compresi all interno del triangolo possono essere riprodotti

56 Assorbimento: Per quanto riguarda gli assorbimenti, questi variano molto in funzione della tipologia, sono minori nei LED normali usati come indicatori rispetto a quelli ad alta luminosità (led flash e di potenza), secondo la seguente tabella: Tipologia LED LED di potenza Assorbimento (ma) LED flash LED normali LED basso consumo 3-10

57 Led I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici, nei display a sette segmenti e negli optoisolatori. Successivamente vennero sviluppati LED che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo. Negli anni 90 vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore.

58 Led I LED in questi anni si sono diffusi in tutte le applicazioni in cui serve: elevata affidabilità lunga durata elevata efficienza basso consumo. Alcuni utilizzi principali sono: nei telecomandi a infrarossi Indicatori di stato (lampadine spia) retroilluminazione di display LCD nei semafori e negli "stop" delle automobili nei lampeggianti dei veicoli d'emergenza (ambulanze, polizia, ecc.) cartelloni a messaggio variabile illuminazione

59 Impiego nell'illuminazione I LED sono sempre più utilizzati in ambito illuminotecnico in sostituzione di alcune sorgenti di luce tradizionali. Il loro utilizzo nell'illuminazione domestica, quindi in sostituzione di lampade ad incandescenza, alogene o fluorescenti compatte (comunemente chiamate a risparmio energetico), è oggi possibile con notevoli risultati raggiunti grazie alle tecniche innovative sviluppate nel campo. Attraverso i nuovi studi, infatti, l'efficienza luminosa (flusso luminoso/potenza assorbita (lm/w)) è stata calcolata di un minimo di 3 a 1.

60 Livelli di integrazione e prodotti led

61 Limiti dei Led Fondamentalmente il limite dei LED per questo tipo di applicazione è la quantità di luce emessa (flusso luminoso espresso in lumen) che nei modelli di ultima generazione per uso professionale si attesta intorno ai 120 lm ma che nei modelli più economici raggiunge solo i 20 lumen. Una lampadina ad incandescenza da 60 W emette un flusso luminoso di circa 550 lumen. Inoltre i LED più luminosi sono ancora quelli a luce fredda con resa cromatica relativamente bassa. Il loro utilizzo diventa invece molto più interessante in ambito professionale dove l efficienza di lm/w li rende una sorgente appetibile. Come termine di paragone basti pensare che una lampada ad incandescenza ha una efficienza di circa 20 lm/w, mentre una alogena di 25 lm/w ed una fluorescente lineare fino a 104 lm/w

62 Le lampade a LED su circuiti stampati, grazie allo spessore ridottissimo ed alla loro flessibilità, sono ideali per l illuminazione di guide di luce, segnaletica di emergenza, demarcazione di percorsi e contorni. Sono disponibili nei colori rosso, ambra, verde, blu e bianco (3.000 K, K e K) in striscia; in supporti rotondi diametro 35 mm per illuminazioni spot (equivalenti ad una lampada da 40W tradizionale); in catene composte da più piastre illuminanti.

63 Dal punto di vista applicativo i LED sono ad oggi molto utilizzati quando l'impianto di illuminazione deve avere le seguenti caratteristiche: miniaturizzazione colori saturi effetti dinamici (variazione di colore RGB) lunga durata e robustezza valorizzazione di forme e volumi A seconda degli utilizzi le lampade a LED sono alimentate a V (lampade per interni) oppure direttamente a 230 V (lampade per segnaletica stradale e semaforica).

64 I vantaggi dei LED dal punto di vista illuminotecnico sono: durata di funzionamento (i LED ad alta emissione arrivano a circa ore) assenza di costi di manutenzione elevata efficienza (se paragonato a lampade ad incandescenza e alogene) luce pulita perché priva di componenti IR e UV facilità di realizzazione di ottiche efficienti in plastica flessibilità di installazione del punto luce colori saturi possibilità di un forte effetto spot (sorgente quasi puntiforme) funzionamento in sicurezza perché a bassissima tensione (normalmente tra i3 e i 24 Vdc) accensione a freddo (fino a -40 C) senza problemi insensibilità a umidità e vibrazioni assenza di mercurio durata non influenzata dal numero di accensioni/spegnimenti

65 METODO DEL FATTORE DI UTILIZZAZIONE Metodo di calcolo semplificato, adatto a locali di forma regolare. Si basa sul calcolo del flusso luminoso medio da mantenere sul piano di lavoro u Fu i u: flusso utile mantenuto i: flusso installato Il flusso luminoso u sul piano di lavoro (PL) dipende dai parametri Tipo del corpo illuminante Geometria del locale (a b) Altezza h sorgente piano di lavoro Riflettività delle pareti K: Indice del locale a b K h a b

66 METODO DEL FATTORE DI UTILIZZAZIONE u Fu i u E A E: Illuminamento (lx) A: area del piano di lavoro (m2) i l N M l: flusso della lampada (lm) N: numero delle lampade M: fattore di manutenzione Pulizia frequente 0,75 0,80 Pulizia mediocre 0,65 0,70 Pulizia scarsa 0,50 0,65 E A Fu l N M E A N Fu l M

67 FATTORE DI UTILIZZAZIONE

70 Raccomandazione C.I.E Raccomandazione C.I.E tra l indice del locale K ed il numero di lampade disposte longitudinalmente Nl e trasversalmente Nt Valori di Nt e Nl K 0,6 0,8 1,0 1,25 1,50 2 2, Nl Nt

71 Esempio Un locale ha una larghezza di 4,5 m (a), una lunghezza di 7,5 m (b) ed un altezza di 3m. Le pareti ed il soffitto sono chiari con coefficiente di riflessione pari a 0,50 e 0,75 rispettivamente. Il corpo illuminante è un apparecchio con schermo quadrato con lampade tubolari fluorescenti montato a soffitto. Ogni corpo illuminante contiene due lampade da 40W che emettono un flusso luminoso = 2800 lm ciascuna. Il locale ha una destinazione ad ufficio E = 300 lx con M = 0,70 a b K 1,278 h a b Fu 0,42 E A N Fu l M N ,75 12, , ,7 Quindi 7 corpi illuminanti

72 ILLUMINAZIONE NATURALE dirette Sole Cielo Sorgenti di luce naturale indirette Illuminazione Globale Diurna o Naturale

73 ILLUMINAZIONE NATURALE Il cambiamento della posizione di vista del sole provoca cambiamenti nell illuminazione diurna che riguardano il colore della luce (temperatura di colore) e la quantità (luminanza)

74 ILLUMINAZIONE NATURALE E = 5000 lx L z (1 2sin ) L 3 9E0 Lz 7 Lz Luninanza allo zenith Angolo di elevazione sull orizzontale E0 Illuminamento orizzontale esterno Cielo a Luminanza Uniforne Sorgente estesa che emette in modo diffuso Luminanza del cielo Cielo Coperto Internazionale Cielo Sereno

75 ILLUMINAZIONE NATURALE Per una corretta illuminazione diurna bisogna affrontare il problema nella fase iniziale del progetto con una opportuna scelta dell orientamento del fabbricato, delle dimensioni e forma delle superfici trasparenti e dei materiali impiegati. Ampie finestrature consentono un adeguato illuminamento dell ambiente ma obbligano a proteggere gli abitanti dal carico termico prodotto dalla radiazione solare. Evidentemente il flusso luminoso varia in funzione della posizione del sole e della luminanza del cielo (sereno, coperto) Consideriamo costante il flusso emesso dalla sorgente

76 Illuminazione Naturale Il flusso luminoso che raggiunge un punto all interno dell ambiente è la somma di tre contributi 1. Flusso luminoso che raggiunge il punto direttamente dal cielo componente cielo 2. Flusso luminoso che raggiunge il punto per effetto delle riflessioni esterne componente riflessa esterna 3. Flusso luminoso che raggiunge il punto per effetto delle riflessioni interne componente riflessa interna

77 1.3 Coefficiente di illuminazione diurna (Daylight Factor D) E il rapporto tra l illuminamento che si ha in un punto dell ambiente per effetto dell illuminazione globale ricevuta da un cielo di nota luminanza e l illuminamento che, nello stesso istante, si avrebbe in una superficie orizzontale esposta all aperto e schermata dall irraggiamento solare diretto. E composto dalla somma di tre fattori

78 Ambienti D (%) non minore di cucine 2 soggiorni 1 stanze da letto 0.5 Raccomandazioni su almeno il 50% dell area del pavimento (minimo 4.50 m2) su almeno il 50% dell area del pavimento (minimo 7 m2) su almeno il 75% dell area del pavimento (minimo 5.50 m2) scuole 2 in tutte le aule e nelle cucine ospedali 1 nelle camere di degenza 6 sui tavoli 2 4 sul resto dell area su tutta l area di lavoro sale da disegno copisterie officine 3 6 industrie 5 edifici pubblici 1 1 uffici 2 secondo se prevale l illuminazione laterale o dall alto con illuminazione laterale a 3.6 m dalla finestra con illuminazione dall alto su tutta l area

79 a) Componente del cielo (Sky Component) SC Indica, in percentuale, la luce che dal cielo, considerato di tipo coperto internazionale, arriva direttamente nel punto preso di riferimento b) Componente di riflessione esterna (Externally Reflected Component) CRE c) Componente di riflessione interna (Internally Reflected Component) CRI Indica, in percentuale, la luce che arriva nel punto di riferimento dopo aver subito delle riflessioni causate da superfici esterne (alberi, costruzioni, ecc...). Indica, in percentuale, la luce che arriva nel punto di riferimento dopo aver subito delle riflessioni causate da superfici interne (pavimento, pareti soffitto, ecc...).

80 D = SC + CRE + CRI Se D 4% l ambiente gode di illuminazione naturale sufficiente

81 Calcolo di SC

82 Calcolo di SC

83 Calcolo di CRI Si utilizza la tabella di cui bisogna conoscere i fattori di riflessione delle pareti e del pavimento ed il rapporto tra la superficie vetrata e quella del pavimento. Nel caso di lucernai si trascura CRE e si calcola SC mediante la: SC Avetro Apavimento u 100

84 Calcolo di CRE Nel caso di presenza di ostruzione esterna, si calcola SC sottraendo dal valore per la finestra interna quello relativo alla ostruzione. Si calcola poi, sempre con la stessa tabella, il valore di CRE utilizzando i rapporti B/d e l angolo α con il quale il punto di verifica P sottende l ostruzione Se non c è ostruzione CRE = 0

85 SCALE MODEL IN DAYLIGHTING Phisical model for lighting are independent of scale Possibility to reproduce the surface properties of the materials Possibility to exactly reproduce the geometry of the space scale model allows quick changes in geometry and surface characteristic in order to evaluate the performance of a daylighting strategy tests on scale model can provide quantitative and qualitative data of daylight distribution inside a room ARTIFICIAL SKY SIMULATOR IN DAYLIGHTING ANALISYS it allows to obtain objective and reproducible measurements without interference from meteorological conditions

86 CONTENTS TEST OF AN ATRIUM BUILDINGS SCALE MODEL IN A SKY SIMULATOR OBJECTIVES EFFECT OF THE GEOMETRY OF THE ATRIUM REFLECTANCE OF THE SURFACES TYPE OF THE FACADE

87 SCALE MODEL PLANT The scale model simulate a square atrium of 20 m side, without roof; the overall dimension of the buildings are 50 x 50 x 18 m with at maximum 6 floor. The space adjacent the atrium is built as an open space and the wall, ceiling and floor surface are simulated using different colours of the art crd

88

89 MODEL TECHNICAL DATA The geometry of the atrium can be expressed using the WELL IN D EX t h a t s h o w s t h e relationship between the light admitting area of the atrium and the surface area of the atrium The reflectance values of the several art card used in the model were measured under condition of diffuse light using a reflectometer. The results are showed in the following table REFLECTANCE FLOOR = 24.3 % CEILING = 50 % WALL = 43.7 % ATRIUM FLOOR = 85 % WELL INDEX HEIGHT X (WIDTH + LENGHT) = 1.05 LENGHT X WIDTH

90

91

92

93

94

95 Illuminazione naturale: edifici ad atrio 62% trasmittanza finestre DF del terzo piano 90% trasmittanza finestre Modello studiato a Losanna

96 Illuminazione naturale: edifici ad atrio 21 giugno ore 10:00 modello sperimentale 21 dicembre ore 10:00 modello sperimentale 21 giugno ore 10:00 - simulazione Adeline 21 dicembre ore 10:00 simulazione Adeline

97