CORSO DI FISICA TECNICA Tecniche del COSTRUIRE AA 20010/11 ILLUMINOTECNICA. Lezione n 4: La luce naturale

Transcript

1 CORSO DI FISICA TECNICA Tecniche del COSTRUIRE AA 20010/11 ILLUMINOTECNICA Lezione n 4: La luce naturale 1

2 Il benessere visivo negli interni è fortemente influenzato dalla presenza in essi di luce naturale. Un buon impianto di illuminazione artificiale non è in grado di sopperire ad una insufficiente illuminazione naturale derivante da una progettazione architettonica non attenta alle sue esigenze. Le caratteristiche architettoniche di un edificio (forma, orientamento, dimensioni e collocazione Le (forma, orientamento, dimensioni e collocazione delle superfici vetrate) condizionano la quantità di luce naturale disponibile all interno e la sua distribuzione spaziale. La luce naturale ha caratteristiche di variabilità temporale legata alle condizioni climatiche esterne Qualunque attività lavorativa è svolta in modo più agevole in presenza di luce naturale. Sorgente primaria di luce naturale: Sorgente secondaria di luce naturale: SOLE Componente diretta della radiazione VOLTA CELESTE Componente diffusa della radiazione La volta celeste diviene una sorgente indiretta di luce naturale generata dal sole in seguito ad una serie di fenomeni di diffusione da parte di molecole di gas, polveri, e vapori presenti nell atmosfera atmosfera. Questo contributo diviene predominante per talune esposizioni (NORD) o per condizioni climatiche caratterizzate da cielo coperto. 2

3 SOLE Il contributo diretto all illuminamento su una data superficie dipende dalla posizione istantanea del sole considerato una sorgente puntiforme,, e dall intensit intensità della radiazione emessa. Coordinate solari: Zenit SOLE Azimut β: : coordinata angolare presa sul piano orizzontale passante per il punto considerato individuata dalla direzione Sud e dalla traccia su tale piano del piano contenente il punto P ed il sole Altezza α : coordinata angolare presa sul piano verticale P β α SUD contenente il punto P ed il sole individuata dalla congiungente sole - punto P e dalla traccia sul piano orizzontale del piano verticale suddetto α e β permettono di determinare la posizione del sole per un dato punto P sulla terra in un dato giorno e ad una data ora.. Sono reperibili da opportune tabelle o calcolabili mediante opportune formule Distribuzione spettrale dell energia energia raggiante emessa dal sole al di fuori dell atmosfera simile a quella di un corpo nero a circa 6000 K Polveri, spore, gocce in sospensione nell atmosfera operano una azione di filtro che attenua l intensitl intensità della radiazione incidente sulla superficie terrestre tagliando le radiazioni al di sotto dei 300 e al di sopra dei 3000 nm L intensità delle radiazioni rilevabili al suolo e la loro distribuzione spettrale dipende dunque dalle condizioni igrometriche,, dalla presenza di polveri e dallo spessore dell atmosfera attraversata,, che è a sua volta funzione dell altezza del sole sull orizzonte. 3

4 VOLTA CELESTE La volta celeste,, contrariamente al sole, viene considerata una sorgente estesa a luminanza variabile Per caratterizzare tale sorgente sono stati introdotti dei modelli di distribuzione delle luminanze: esprimono la luminanza in un generico punto P della volta celeste in funzione delle coordinate del punto stesso,, della posizione istantanea del sole e della luminanza allo zenit. Modelli di cielo standard: Cielo coperto a luminanza uniforme (isotropo): Prevede su tutta la volta celeste una distribuzione di luminanza uniforme pari a quella zenitale; ; in questo caso il cielo è considerato una superficie lambertiana (condizioni meteorologiche tipiche di un atmosfera di tipo industriale ricca di vapori e polveri, che impedisce la visione diretta del sole,, quale, ad esempio, quella della pianura Padana) Cielo coperto CIE: Prevede una distribuzione di luminanza crescente dall orizzonte allo zenit,, secondo la legge sinusoidale sotto indicata di Moon e Spencer (condizioni meteorologiche tipiche di d un atmosfera limpida e secca con cielo coperto che impedisce la percezione diretta del sole,, quali quelle che si verificano ad esempio in località montane in condizioni invernali) L P = L Z ( 1+ 2sinα) 3 4

5 Cielo sereno: Prevede una distribuzione di luminanza variabile nel tempo che segue il moto apparente del sole. La CIE (Comité International de l Eclairagel Eclairage) ) ha adottato il modello proposto da Kittler nel 1965 che definisce la luminanza del punto generico P della volta celeste in funzione della distanza angolare di P dal sole e dallo zenit e dell altezza del sole sull orizzonte orizzonte,, come rappresentativo del CIE Standard Clear Sky (Cielo Sereno Standard CIE): L P = L Z 0.32 [1 exp( )] [ exp( 3d SP ) cos senap [ exp( 3z ) cos z ] Cielo nuvoloso o intermedio: S S 2 d SP ] A P : altezza angolare di P sull orizzonte (complementare all angolo angolo zenitale z p ); d SP : distanza angolare fra sole e punto P; z s : angolo zenitale del sole (complementare dell angolo di altezza A s ) La CIE non ha ancora scelto un modello ufficiale di cielo intermedio; si fa riferimento al cielo parzialmente nuvoloso della IES (Illuminating Engineering Society) descritto dal modello analitico di Pierpoint che utilizza una formula analoga quella di Kittler con i coefficienti opportunamente modificati per tener conto di una maggiore diffusione L P = L Z 0.80 [1 exp( )] [ exp( 1.5dSP )] senap [ exp( 1.5z )] [1 exp(0.80)] S 5

6 Illuminamento naturale in ambienti chiusi Sorgenti di luce naturale: : finestre, lucernari, superfici perimetrali parzialmente o totalmente trasparenti attraverso le quali sono percepibili porzioni di cielo. La variabilità temporale del clima e della luminosità esterna rendono poco significativo il calcolo dei valori assoluti dell illuminamento da luce naturale in un ambiente chiuso. E E conveniente valutare l illuminamento interno in termini relativi. Fattore di luce diurna DF : rapporto tra l illuminamento l istantaneo nel punto considerato e quello contemporaneo esterno generato su un punto appartenente ad una superficie s orizzontale liberamente esposta, cioè non schermata, all intero emisfero celeste DF (%) = SC + CRI + CRE SC: : componente diretta della radiazione (direttamente dalla volta celeste) CRI: : coefficiente di riflessione interna (dopo riflessioni con le superfici interne) CRE: : coefficiente di riflessione esterna (dopo riflessioni da superfici esterne -es:: altri edifici) Il DF può essere definito solo in condizioni di cielo coperto in quanto, in caso di cielo sereno, l illuminamento interno dipende non da quello esterno ma dalla posizione del sole rispetto alla zona di cielo inquadrata dalla finestra cosa che renderebbe fuorviante il calcolo del rapporto E int /E est. Tale ipotesi riconduce un fenomeno variabile ad un regime stazionario fittizio. 6

7 Utilizzabili anche per integrare l apporto l di luce naturale dalle finestre perimetrali nelle zone centrali c di ambienti di grosse dimensioni (es. capannoni industriali, centri commerciali..) Presenti in commercio di varie dimensioni e forme (lunghezza, diametro, d posizionamento orizzontale, verticale o inclinato) anche integrabili con sorgenti di luce artificiale 7

8 Sistemi di trasporto della luce naturale: Tubi o condotti di luce Dispositivi teconologici in grado di captare la luce naturale e di trasportarla mediante un condotto in ambienti non dotati di aperture tradizionali (finestre, lucernari ), quali interrati, seminterrati etc. Captatore Fisso Mobile (2 assi) Mobile (1 asse) Condotto Trasporto della luce naturale dalla captazione all estrazione attraverso multiriflessioni ad elevatissima efficienza (r = 99,5%) Diffusore Emissione di sola luce naturale Unità di combinazione luce naturale e artificiale 8

9 APPARATO SPERIMENTALE del LABORATORIO DI FISICA TECNICA di PESCARA Due camere di prova identiche: Locale 2 Locale 1 Locale 1: finestra -telaio in ferro nero doppio vetro sulla parete O-NO O Locale 2: finestra in telaio in ferro nero doppio vetro sulla parete O-NO O e due tubi di luce tipo Solar-Attic L= 80 cm e φ= = 25 cm 9

10 Alcune fasi dell installazione Foro sul solaio Posa della scossalina Guaina impermeabilizzante Foglio di alluminio rivestito di 3M V-M per il tubo 10

11 Fasi successive Preparazione del tubo Inserimento del tubo Posa del captatore Posa del diffusore 11

12 Effetto di due diffusori diversi 12

13 Eint (m) Sensore 1 Sensore 2 Sensore 3 Sensore 4 Eest Illuminamenti esterni ed interni nei due locali Eest Eint/Eest (m) Sensore 1 Sensore 2 Sensore 3 Sensore 4 Eest Eest (lux) Rapporto illuminamento interno/esterno nei due locali Eint/Eest Buona uniformità di illuminamento in una superficie di raggio di circa due metri Somma (m) S1+S2 S3+S4 Sensore 1 Sensore 2 Sensore 3 Sensore 4 Tendenza contrastante e complementare dei due contributi che produce sufficiente uniformità nell illuminamento interno Somma dei contributi in punti corrispondenti 13

14 Analisi sperimentale su modelli in scala ridotta I fenomeni luminosi non risentono del fattore di scala Questo consente di poter studiare su modelli di dimensioni ridotte gli stessi fenomeni che si verificano in scala reale 14

15 Modelli in scala ridotta dei tubi di luce Modello in scala 1:5 del tubo di luce installato nel laboratorio di Fisica Tecnica del DSSARR 15

16 Sperimentazione presso un cielo artificiale Cielo artificiale a spicchio di volta del Politecnico di Torino realizzato secondo il modello di Tregenza 16

17 Supporto automatizzato per il posizionamento del modello e posizionamento sensori luxmetrici 17

18 Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale Cielo sereno: Eest lux 18

19 Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale Cielo intermedio : Eest lux 19