Corso di impianti tecnici FONDAMENTI DI ILLUMINOTECNICA. Prof. Ing. Marco Cecconi

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1 Facoltà di Architettura - Laurea magistrale in Architettura a ciclo unico Corso di impianti tecnici FONDAMENTI DI ILLUMINOTECNICA Prof. Ing. Marco Cecconi marco.cecconi@ingenergia.it

2 Obiettivi Introdurre i concetti fondamentali della fisica e della tecnica della luce. Porre le basi per la progettazione illuminotecnica orientata all efficienza energetica. Argomenti 1. Fondamenti di fisica delle radiazioni elettromagnetiche e della luce 2. L occhio umano 3. Radiometria e fotometria 4. Grandezze fotometriche fondamentali 2

3 Introduzione DEFINIZIONI E CONCETTI L illuminotecnica è la disciplina che si occupa dell illuminazione, sia naturale che artificiale, di spazi e ambienti interni o esterni, al fine di assicurare le condizioni di benessere e di comfort visivo. 3

4 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI La radiazione elettromagnetica è un fenomeno fisico caratterizzato dalla contemporanea propagazione di perturbazioni periodiche di campo elettrico e campo magnetico, oscillanti in piani tra loro ortogonali (onde elettromagnetiche)....cioè.. La radiazione elettromagnetica è una modalità attraverso la quale l energia si può propagare da un luogo ad un altro anche in assenza di materia. Tale fenomeno di trasferimento di energia può avvenire nello spazio libero (via etere) oppure può essere confinato e facilitato utilizzando appropriate linee di trasmissione (guide d onda, cavi ecc.). 4

5 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI La frequenza di una radiazione rappresenta il numero di oscillazioni effettuate dall onda in un secondo. f = N oscillaz / 1 secondo [Hz] Il periodo di un onda è il tempo che intercorre tra due creste (ossia il tempo corrispondente ad una lunghezza d onda). E' il reciproco della frequenza. T = 1 / f [s] La lunghezza d onda è la distanza percorsa dall onda durante un periodo di oscillazione, ossia la distanza tra due creste successive. λ = c / f [m] (c = V. della luce 3x10 8 m/s) L ampiezza di un onda è la massima variazione rispetto al valore medio. L unità di misura dipende dal tipo di onda. 5

6 Fisica della luce DEFINIZIONI E CONCETTI L energia associata ad un onda elettromagnetica è direttamente proporzionale alla sua frequenza. La frequenza di un onda determina le modalità con cui interagisce con la materia, quindi determina le sue proprietà fisiche (che differiscono moltissimo). Difficilmente si trovano in natura onde elettromagnetiche ad una sola frequenza, ma piuttosto un insieme di onde a frequenze diverse. Lo spettro elettromagnetico rappresenta l insieme di tutte le possibili frequenze della radiazione elettromagnetica. 6

7 Fisica della luce SPETTRO ELETTROMAGNETICO 7

8 Fisica della luce SPETTRO ELETTROMAGNETICO 8

9 Fisica della luce RADIAZIONI IONIZZANTI E NON IONIZZANTI Lo spettro elettromagnetico viene suddiviso in: zona ionizzante, comprendente raggi X e raggi gamma, aventi frequenza molto alta (> 3000 THz) e dotati di energia sufficiente per ionizzare direttamente atomi e molecole provocando lesioni cellulari e mutazioni genetiche; zona non ionizzante (NIR), comprendente le radiazioni che non trasportano un quantitativo di energia sufficiente a produrre la rottura dei legami chimici e produrre ionizzazione. All interno della zona non ionizzante è presente la banda di visibilità. 9

10 Fisica della luce BANDA VISIBILE DELLO SPETTRO ELETTROMAGNETICO La luce visibile rappresenta la porzione di spettro elettromagnetico (banda) visibile dall occhio umano, con lunghezza d onda compresa tra circa 380 nm e 780 nm. A 380 nm (corta lunghezza d onda e alta frequenza) si ha luce viola, e ancora a sinistra i raggi ultravioletti (non visibili). A 780 nm (ampia lunghezza d onda e bassa frequenza) si ha luce rossa, e ancora a destra i raggi infrarossi (non visibili). L occhio umano è maggiormente sensibile alle lunghezze d onda a cavallo dei 550 nm (luce gialla). 10

11 Fisica della luce TEORIA DELL ELETTROMAGNETISMO L unificazione di tutti gli effetti elettromagnetici in un unica teoria risale a metà dell 800 grazie a James Clerk Maxwell che elaborò la prima teoria moderna sull elettromagnetismo. Maxwell riuscì a spiegare tutti i più diversi fenomeni mediante solo 4 equazioni: 11

12 L occhio umano STRUTTURA DELL OCCHIO 12

13 L occhio umano MECCANISMO DI VISIONE 13

14 L occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA 14

15 L occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA I bastoncelli sono molto più numerosi dei coni, soprattutto nella zona periferica della retina. I coni sono di tre tipologie a seconda delle frequenze a cui sono sensibili. 15

16 L occhio umano STRUTTURA DELLA RETINA Le strutture della retina sensibili alla luce (fotorecettori) sono tre: Coni di tipo Short, sensibili alla luce blu; Coni di tipo Med, sensibili alla luce verde; Coni di tipo Long, sensibili alla luce rossa; Bastoncelli, sensibili alla luce azzurra-verde (ma non permettono di distinguere i colori). I coni sono meno sensibili dei bastoncelli e per attivarsi hanno bisogni di più luce, ma permettono di distinguere i colori visione fotopica (diurna). I bastoncelli sono più sensibili dei coni e si attivano anche con poca luce visione scotopica (notturna). 16

17 L occhio umano SENSIBILITA DELL OCCHIO UMANO Coni e bastoncelli hanno una propria curva di sensibilità che determina le caratteristiche della visione fotopica e scotopica. 17

18 L occhio umano SENSIBILITA DELL OCCHIO UMANO Di giorno l occhio è maggiormente sensibile alla lunghezza d onda di 555nm, corrispondente alla luce gialla/verde. La sensibilità diurna dell occhio non è casuale, ma adattata alle condizioni del pianeta. Il sole, infatti, emette la massima radiazione alla lunghezza d onda di circa 500nm. Di notte l occhio diventa più efficiente rispetto alla visione diurna (sensibilità circa 2.5 volte maggiore), ed è maggiormente sensibile alla lunghezza d onda di 507nm, corrispondente alla luce azzurra/verde. Ecco perché i lampeggianti di polizia e ambulanze sono blu: sono più visibili di notte. 18

19 Radiometria e fotometria DEFINIZIONI E CONCETTI La radiometria è la disciplina che si occupa della misura della quantità di energia raggiante effettiva emessa da una sorgente, o ricevuta da una superficie in tutto lo spettro della radiazione elettromagnetica. RADIAZIONI STIMOLI Radiometria Sensazioni luminose La fotometria è la disciplina che si occupa della misura della quantità di energia raggiante emessa da una sorgente, o ricevuta da una superficie, in relazione alle sensazioni prodotte nell individuo attraverso l occhio. RADIAZIONI LUCE vista dall occhio umano Radiometria Fotometria Curve di visibilità 19

20 Radiometria e fotometria FATTORE DI VISIBILITA Il fattore di visibilità esprime il rapporto tra l intensità della sensazione visiva percepita dall uomo dovuta allo stimolo radiativo e l effettiva potenza di una radiazione monocromatica. Fattore di visibilità dipendente dalla lunghezza d onda λ [lm/w] k( ) S( ) ( ) e Intensità della sensazione visiva per le diverse lungh. d onda [lm/m] Potenza della radiazione monocromatica per le diverse lunghezza d onda [W/m] 20

21 Radiometria e fotometria CURVE DI VISIBILITA Dividendo ciascun k(λ) per il valore massimo si ottiene il fattore di visibilità relativo, sul quale si costruiscono le curve di visibilità. Fattore di visibilità relativo dipendente dalla lunghezza d onda λ [adimensionale] V ( ) k( ) k MAX Fattore di visibilità dipendente dalla lunghezza d onda λ [lm/w] Fattore di visibilità massimo [lm/w] 21

22 Radiometria e fotometria DIFFERENZE TRA LE MISURAZIONI RADIOMETRICHE E FOTOMETRICHE 22

23 Fotometria GRANDEZZE FONDAMENTALI L illuminotecnica si occupa del comfort visivo, perciò sono importanti le grandezze fotometriche, non quelle radiometriche. La fotometria definisce 4 grandezze fondamentali: Flusso luminoso (φ), unità di misura = lumen [lm] Intensità luminosa (I), unità di misura = candela [cd] Luminanza (L), unità di misura = candela/m 2 [cd/m 2 ] Illuminamento (E), unità di misura = lux [lx] = [lm/m 2 ] Ciascuna delle grandezze fotometriche può essere espressa in valore totale oppure in valore spettrale (dipendente dalla singola lunghezza d onda della radiazione). 23

24 Fotometria FLUSSO LUMINOSO Il flusso luminoso è la quantità totale di potenza luminosa visibile erogata da una sorgente (cioè l energia per unità di tempo). Esprime quindi le potenzialità energetiche di una sorgente luminosa. Flusso luminoso [lm] 0 V ( ) ( ) d Curva di visibilità e Lunghezza d onda [m] Flusso spettrale di energia [W/m] 24

25 Fotometria FLUSSO LUMINOSO L unità di misura del flusso luminoso è il lumen [lm] La misura del flusso luminoso viene effettuata sommando la potenza che viene irradiata da una sorgente in tutte le possibili direzioni, per esempio all interno di una sfera, ed effettuando l integrale della slide precedente. Sfera integratrice 25

26 Fotometria FLUSSO LUMINOSO Il flusso luminoso è una caratteristica intrinseca di una sorgente luminosa, si trova nelle schede tecniche di ogni lampada. Il flusso luminoso non da informazioni sul tipo di luce né sulla sua distribuzione nello spazio, ma solo sulla potenza luminosa. 26

27 Fotometria INTENSITA LUMINOSA L intensità luminosa è pari al rapporto tra il flusso luminoso e l angolo solido. Quindi esprime la densità di flusso luminoso che viene irraggiato da una sorgente in una particolare direzione. Intensità luminosa [cd] I Flusso luminoso Angolo solido di misura L angolo solido è un angolo tridimensionale. Si misura in steradianti [sr]. 27

28 Fotometria INTENSITA LUMINOSA L unità di misura dell intensità luminosa è la candela [cd], pari ad 1 lumen su 1 steradiante. Il nome candela deriva dal fatto che la prima definizione di questa variabile derivava dall intensità luminosa emessa da una candela al piombo, di quelle usate dagli idraulici per saldare i tubi. 28

29 Fotometria INTENSITA LUMINOSA Attualmente la candela è l'intensità di una sorgente luminosa emessa nell'angolo solido di 1 sr, con λ=0,55 μm e di potenza pari a 1/683 W. La misura dell intensità luminosa viene effettuata misurando la potenza che viene irradiata da una sorgente in una determinata direzione, diviso la superficie di misura. 29

30 Fotometria INTENSITA LUMINOSA L intensità luminosa è una caratteristica intrinseca di una sorgente luminosa e si trova nelle schede tecniche dettagliate delle lampade o degli apparecchi illuminanti, riporta mediante solidi fotometrici oppure curve fotometriche. Un solido fotometrico è una figura delimitata da una superficie chiusa la cui distanza dal centro è proporzionale all intensità luminosa della sorgente. Le curve fotometriche sono sezioni del solido fotometrico. 30

31 Fotometria INTENSITA LUMINOSA Esempio di scheda tecnica di un apparecchio illuminante con ottica asimmetrica: la curva rossa indica la fotometrica longitudinale, quella azzurra trasversale. 31

32 Fotometria LUMINANZA La luminanza è il rapporto tra l'intensità luminosa osservata in una certa direzione e la superficie illuminante apparente (proiezione della superficie sul piano ortogonale alla direzione). Quindi esprime la densità di flusso luminoso che arriva agli occhi di un osservatore da una determinata direzione, ossia il grado di abbagliamento. Luminanza [cd/m 2 ][Nit] L Area proiettata (apparente) della superficie illuminante A I proiettata I Acos Intensità luminosa [cd] Coseno dell angolo di vista Area effettiva della superficie illuminante 32

33 Fotometria LUMINANZA La luminanza si misura in candele su metro quadro [cd/m 2 ] o [Nit]. E l unica grandezza fotometrica effettivamente percepita dall occhio umano, quindi è la più direttamente correlata alla visione: essa tiene conto non solo della quantità di energia che raggiunge l'occhio, ma anche della distribuzione spaziale all interno del campo visivo. Non è una grandezza intrinseca delle sorgenti luminose, bensì dipende dalla disposizione spaziale delle sorgenti, dalla posizione dell osservatore e dal suo campo visivo. La luminanza può essere calcolata matematicamente o misurata sul campo: non si conosce a priori a partire dalle sorgenti utilizzate. 33

34 Fotometria LUMINANZA La misura della luminanza è effettuata attraverso una speciale telecamera che calcola, per ogni punto dell immagine acquisita, il valore dell intensità luminosa e lo divide per la superficie apparente. 34

35 Fotometria ILLUMINAMENTO L illuminamento è il rapporto tra il flusso luminoso che incide su una superficie e l area della superficie. Quindi esprime la densità di flusso che illumina una superficie. Illuminamento [lux]=[lm/m 2 ] E A Flusso totale incidente su una superficie Area della superficie 35

36 Fotometria ILLUMINAMENTO L unità di misura dell illuminamento è il lux [lx], pari ad 1 lumen su 1 metro quadro. L illuminamento si può calcolare matematicamente o misurare strumentalmente con il luxmetro. Lo strumento va appoggiato sulla superficie di analisi e permette di misurare le densità di energia incidente. 36

37 Fotometria ILLUMINAMENTO L illuminamento è la grandezza più importante per la progettazione illuminotecnica poiché esprime quanto l impianto di illuminazione riesca ad illuminare le superfici oggetto del compito visivo. [lux] 37

38 Conclusioni e sviluppi Grazie alle conoscenze di base sulla fisica della luce e sui fondamenti di illuminotecnica è possibile approcciare alla progettazione illuminotecnica. 38

39 GRAZIE DELL ATTENZIONE Prof. Ing. Marco Cecconi