Illuminotecnica (con esercizi) e incentivi

15/4 Illuminotecnica

Benessere visivo

Soggettivo, ma è da riferire all’attività specifica: si stabiliscono delle norme prestazionali, che consentano il benessere al maggior numero di persone → linee guida per il progetto: si tengono in conto i parametri illuminotecnici più convenienti per illuminare correttamente un compito visivo (visual task).

Risultato approssimato, siccome il giudizio è soggettivo: percentuale di soddisfatti.

Benessere visivo (o comfort) visivo = buona ricezione del segnale luminoso (si coinvolge il sistema di segnali occhio – corteccia cerebrale + interpretazioni connesse all’esperienza passata).

Occhio: duplice funzione: ricevitore del messaggio luminoso (captazione delle radiazioni) + processore dello stesso per la sua trasmissione al cervello (conversione in impulsi nervosi).

Sezione equatoriale del bulbo oculare umano

• Cornea (membrana trasparente esterna: messa a fuoco).
• Corpo vitreo (liquido opaco: mantenimento della struttura).
• Pupilla (apertura).
• Umor acqueo (liquido simile acqua).
• Nervo ottico (trasmissioni degli impulsi visivi al cervello).
• Retina (membrana interna, sensibile alla luce, in particolare la fovea).
• Coroide (membrana per l’afflusso sanguigno).
• Iride: si apre e chiude in funzione della luminosità (diaframma regolatore).
• Cristallino: si comporta come una lente.

L’azione combinata di iride e cristallino consente di mettere a fuoco l’immagine esterna, che poi si proietta sulla retina, impressionandola, grazie ai milioni di sensori luminosi presenti nella retina: coni e bastoncelli (prendono il nome dalla forma del loro segmento esterno).

• Coni: visione fotopica diurna.
• Bastoncelli: sensibilità più fine, visione scotopica notturna (insensibili al discernimento dei colori; molto sensibili al movimento). Si inattivano con stimoli intensi.

Sono un sist. analogico di ricezione del segnale → la conversione al digitale (in potenziali elettrici) è trasferita attraverso il nervo ottico al cervello.

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La visione

λ → Radiazioni EM lunghezze d’onda visibili: = 380-780 nm (campo del visibile).

λ Ogni incidente suscita una sensazione definita come colore elementare: mix → tutti i colori.

λ Fotometria: misura delle sensazioni scaturite dalle radiazioni incidenti → parametri: potenza.

Molte misure soggettive su un ampio campione di individui: definizione di una funzione (fattore di visibilità K) che rappresenta la quantificazione numerica della sensibilità media dell’occhio umano a radiazioni diverse ma energeticamente equivalenti.

K(λ) è definito in modo che sia soddisfatta: K(λ1)*P(λ1)=K(λ2)*P(λ2).

λ P = potenze raggianti relative a luci monocromatiche di diversa → regolate in modo da generare sensazioni di visibilità equivalenti per intensità luminosa.

λ =555 Max di sensazione di visibilità: visione fotopica per radiaz monocromatica per nm → K =683 lm/W max.

[ Lumen (lm): u di misura del flusso luminoso: 1 lumen = 1 energia luminosa che attraversa una sup. unitaria nell’unità di tempo ].

Coeff. di visibilità relativa (o coeff. spettrale di visibilità o efficacia relativa): V(λ)=K(λ)/K < 100% max λ.

Curva di sensibilità fotopica e scotopica

Andamento di V(λ) in funzione di (della radiaz monocromatica): curva di sensibilità fotopica e scotopica.

• Linea continua → visione fotopica diurna: V=1=100% per K(λ)=K =K(λ=555 nm), ovvero max per un colore giallo-verde λ=507 nm.
• Linea tratteggiata → visione scotopica notturna: K per ovvero, per un colore max verde-azzurro, nonostante non ci sia discernimento dei colori da parte dei bastoncelli.

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(Conferma del campo del visibile = 380 – 780 nm).

Grandezze della fotometria

1) Flusso luminoso = Φ (lm)

Di una radiazione monocromatica dipende dalla potenza dello stimolo radiativo: Φ =K(λ)P(λ) [lumen].

Flusso luminoso policromatico, relativo alla potenza raggiante emessa nell’intero campo del visibile: λ dove dP/dλ = potenza raggiante emessa per unità di (non è una derivata).

Sostituendo la def. di V(λ)=K(λ)/K e K =683 lm/W: max max Φ.

[ Analogia fluidodinamica: = portata volumetrica (L/s) ].

1 lm = flusso luminoso emesso in un angolo solido unitario (1 steradiante = sr) da una sorgente puntiforme con intensità luminosa = I = 1 candela (cd).

2) Intensità luminosa = I (cd)

Φ Φ Quantità di emessa in una specifica direzione (correla alla distribuzione spaziale).

[ Analogia fluidodinamica: p; analogia elettrica: voltaggio ].

Intensità luminosa I = emesso entro l’angolo solido relativo a una determinata direz. (“direzione orientata”): [cd] È una grandezza vettoriale.

Nota: considerando un vertice ed una sfera di raggio r, l’angolo solido Ω è definito come il rapporto tra la superficie sottesa A ed il raggio r al quadrato.

1 candela (cd) = intensità emessa in una data direzione da una sorgente di radiazione λ=555 nm monocromatica di e con intensità=1/683 W/sr.

1 cd = 1 lm / 1 sr.

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Φ/4π - I emessa in tutto lo spazio = I media sferica = Φ.

Relazione inversa: = integrale tra 0 e dω (I dω).

I definita da curve fotometriche, proiettate su diagramma polare.

3) Luminanza = L (nit = cd/m2)

L in un punto di una sup in una certa direzione = (I emessa in quella direzione) / (sup. emittente proiettata su un piano perpendicolare alla direz. considerata di propagazione) [cd/m2=nit].

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(Oppure slib= 10 nit).

Misura la luminosità e la quantità direzionale della radiazione luminosa.

-3 -3 Visione scotopica per L<10 nit, fotopica per ≥ 10 nit (ma tipicamente è un ibrido).

Sup perfettamente diffondente (lambertiana: obbedisce alla legge di Lambert): L uguale α per ogni = L nella direzione normale.

4) Illuminamento = E (lx)

Φ incidente su una sup elementare sup elementare stessa.

Illuminamento su piano orizzontale: 2 Per def di angolo solido: dω = dA/r → 2 2 Sul piano orizzontale: dω = (dA *cosα)/r dA = (r * dω)/ cosα 0 0.

Quindi: { 1° legge del coseno } 4→ Considerando h=rcos(α) r=h/cos(α), si può riscrivere E come: 0 legge dell’inverso del quadrato } { Non evidenza la distanza, ma l’altezza del corpo emittente rispetto alla sup da illuminare.

α=0: (Se E =100 lx a 1 m di distanza; 25 lx a 2 m; 100/9=11 lx a 3 m) 0.

Su piano verticale: 2 Per def di angolo solido: dω = dA/r → 2 2 Sul piano orizzontale: dω = (dA *senα)/r dA = (r * dω)/senα v v.

Quindi: Analogamente: h=rcos(α), da cui: Φ=1 lm.

1 lux (lx) = I di una sup di 1m2 ricevente uniformemente distribuito.

5) Radianza = M (lux s.b.)

Quantità di flusso emesso da una sorgente per un’unità di (sua) area.

[lx s.b. = lux su bianco] Φ Φ Se la sup riflette, con r= coeff. di riflessione della sup = riflesso / incidente: M=rE.

Se r=1 (sup perfettamente riflettente = bianca): M=E (spiega l’u di misura).

Riflessione diffusa (lambertiana: i raggi riflessi seguono la legge di Lambert): Ι = Ι cosα α n.

• In = I max, nella direz normale alla sup.
• α = angolo tra asse perpendicolare alla sup e direzione di I α.

Quindi, per sup. lambertiane:

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Note

• I [cd] = grandezza fondamentale SI, da cui si ricavano le altre.
• Φ I e sono due caratteristiche proprie della sorgente luminosa considerata, mentre E rappresenta l’effetto da questa prodotto su una superficie ricevente.
• L e M sono grandezze rappresentative sia delle sorgenti illuminanti che degli oggetti illuminati, che possono essere considerati a loro volta quali sorgenti secondarie.
• E e L sono le due grandezze fotometriche che vengono sostanzialmente impiegate nelle normative indirizzate all’ottenimento del benessere visivo.
• Φ) E (legato a = utile dato per comprendere “quanta luce” occorre su un piano di lavoro per compiere una determinata attività.
• L (legata a I): fornisce preziose indicazioni per evitare fastidiosi fenomeni di abbagliamento.

Prestazione visiva: parametri e indici illuminotecnici per la valutazione del comfort visivo

Può essere messa in relazione con la facilità, la velocità e l’accuratezza nel percepire e riconoscere un oggetto: lega quindi stimoli fisici (oggettivi, misurabili) con le sensazioni soggettive da essi generate.

Weston (GB, circa 1950): lavoro svolto con un dato illuminamento “visual performance” = lavoro svolto con un illuminamento ideale.

Weston individuò inoltre 8 fattori (correlati) che influenzano la prestazione visiva.

Ad oggi, la prestazione visiva si ritiene sia data dalla relazione tra i componenti:

1. Condizioni di illuminazione.
2. Capacità visiva dell’osservatore.
3. Caratteristiche proprie del compito visivo (oggetto della visione che, percepito e inequivocabilmente riconosciuto, rende possibile una determinata attività).

• Necessari parametri e indici illuminotecnici per definire i limiti entro i quali poter giudicare confortevole un ambiente luminoso.
• UNI EN 12464-1:2004: requisiti illuminotecnici che devono essere rispettati per i posti di lavoro in ambienti interni (ovviamente validi anche per ambienti esterni):

• Distribuzione delle luminanze.
• Illuminamento.
• Abbagliamento.
• Direzione della luce.
• Resa dei colori.
• Luce diurna.
• Sfarfallamento (per ambienti esterni).

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Contrasto di L

Contrasto di L L = L dell’oggetto; L = L dello sfondo 2 1.

In genere L /L ≤ 3, ma sufficientemente alto affinché l’oggetto sia distinguibile. 2 1.

Livelli di illuminamento

Livelli di illuminamento: misurati con luxmetro in fase di collaudo.

Parametro fondamentale alla base di un progetto di illuminazione.

Curve: influenza di I sulla prestazione visiva, in funzione di 3 diverse difficoltà del compito visivo e 2 diversi gradi di attenzione (lx: scala logaritmica) (Campione: soggetti di età giovane).

→ In condizioni ideali di illuminazione: ~ 20 lx per la corretta percezione >2000 lx visione soddisfacente ai fini della prestazione visiva ↑ ↑ (un ulteriore non giova, anzi il rischio di abbagliamenti e riflessi).

→ ↑ grado Con di attenzione: richiesto > I per ottenere pari prestazione visiva.

Tabella: livelli di I per luoghi, attività, compiti visivi, proposti dalla CIE (Commission International de l’Eclairage) nel 1987 sulla base degli studi di Weston.

Per ogni voce, 3 valori: primo = riferimento quando le riflessioni e i contrasti nell’ambiente sono elevati + compito visivo che non richiede particolare accuratezza; valore più alto = con compiti visivi critici (contrasti e riflessioni poco accentuati).

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Pubblicazione CIE → poi recepita da UNI EN 12464-1:2004: livelli di I min per interni, compiti e attività.

Controllo dell’abbagliamento

Controllo dell’abbagliamento: discomfort per eccessive L o differenze di L (quindi C).

Si può determinare l’abbagliamento in funzione dei valori di contrasto:

• C=2-3 → valori di contrasto ottimali.
• C=9-12 → abbagliamento.

Si possono distinguere diversi tipi di abbagliamento in base alla sorgente (abbagliamento diretto e indiretto) e alle conseguenze sulla prestazione visiva (abbagliamento molesto e perturbatore):

• Diretto: dovuto a lampade, finestre, etc.
• Indiretto o riflesso: causato da oggetti presenti nel campo visivo.
• Molesto (discomfort glare): produce una sensazione di sgradevolezza, disagio senza compromettere la visione.
• Perturbatore (disability glare): compromette, turba o impedisce la visione senza necessariamente generare una sensazione sgradevole.

Molesto: valutato con metodo tabellare CIE dell’indice unificato di abbagliamento UGR (unified glare rating), recepito dalla UNI EN 12464-1 (sostituisce i vecchi metodi di calcolo delle curve limite di luminanza e dell’indice di luminanza).

• -2 L = L di sfondo [cd m ] b.
• L = L delle parti luminose di ogni apparecchio di illuminazione nella direzione dell’occhio dell’osservatore.
• ω = angolo solido [sr] delle parti luminose di ogni apparecchio di illuminazione nella direzione dell’occhio dell’osservatore.
• P = indice di posizione di Guth, funzione dello scostamento angolare rispetto all’asse di visione, per ogni singolo apparecchio di illuminazione.

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Temperatura di colore (K) e resa cromatica (Ra)

Temperatura di colore (K) e resa cromatica (Ra).

Qualità del colore → qualità dell’illuminazione.

K = livello termico che deve raggiungere il corpo nero per generare luce della stessa tonalità di quella in esame.

Ra: valuta la qualità della luce in locali con permanenza di persone → effetto sulla percezione del colore di un oggetto illuminato (rispetto alla lampada campione), quindi grado di fedeltà nella restituzione dei colori delle sup illuminate).

Ra ≥ 80 per l’illuminazione di interni.

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Campione di individui, a cui è chiesta la soddisfazione visiva.

Proporzionalità diretta tra K e livello di illuminamento.

Calorimetria: classifica i colori (UNI 9810:1991)

Sistema CIE

1. - Indagini sperimentali sulle capacità psicofisiche del campione di persone nel percepire i colori.

Si estrapolano curve che descrivono come le persone vedono i colori.

Grafico: coordinate tricromatiche (combinazione di 3 luci → ogni colore possibile).

Sistema Munsell

2. Ogni colore classificato in base a 3 qualità.

• λ Tono (o tinta): legato alla dominante; individua il colore con cui viene visto un oggetto (5 tinte principali: R, Y, G, B, P + 5 intermedie).
• Purezza (o saturazione): vivacità del colore, che si differenzia dalla visione del grigio λ → (da 1=nero a 9=bianco, scala di grigi; monocromatica colore puro. Lo stesso colore ottenuto con luci diverse, ha saturazione minore).
• Luminanza (o luminosità): intensità luminosa nella direzione dell’osservatore (livelli di L da 0 a 14).

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Illuminazione naturale

Illuminazione naturale.

Luce naturale: elemento fondamentale di ogni progetto architettonico. Varia continuamente (ed è benefico per il benessere psicosomatico). Sorgente di ottima qualità per la resa dei colori. Influisce sugli scambi termici tra edificio e ambiente. Ma di difficile controllo + deterioramento dei materiale.

Occorre dirigerla dove necessario ed evitare abbagli ed eccessivi contrasti.

Decreto ministeriale: l’ampiezza della finestra deve garantire un 2% di fattore di luce diurna medio e comunque sup min=1/8 del pavimento.

Modelli dell’illuminazione naturale

Illuminazione diurna = diretta (dal sole) + diffusa (riflessa dalla volta celeste).

• Diretta: dipende dall’ora del giorno e dalla presenza di nubi, ma il modello è stazionario.
• Diffusa: si considera la radianza dei punti della volta celeste. Modello matematico della distribuzione della radianza del cielo, sulla base di dati sperimentali → la CIE ha standardizzato 2 condizioni estreme: modelli di cielo coperto e di cielo di sereno.

Si vuole descrivere la luminanza L(p) di un punto p del cielo.

Cielo coperto

Weather Service (USA): 9/10 della sup apparente del cielo coperto da nuvole.

L(P) dipende da angolo zenitale (Z ), individuato dalla sposizione del sole, e dalla luminanza allo zenit (L ). z

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Condizioni estreme:

• Sole allo zenit (Zs=0): L =Lp z.
• Sole all’orizzonte (Zs=90°): L =1/3 Lp z.

Illuminamento E su un piano orizzontale esterno non ostruito: legato alla L del cielo coperto CIE allo zenit = L : z.

Ipotesi: cielo = sorgente lambertiana, quindi con M uniforme: L =L (approssimazione) p z.

Esiste il modello di cielo parzialmente coperto.

Cielo sereno

• Zs = angolo zenitale individuato dalla posizione del sole.
• χ = distanza angolare tra P ed il sole.
• γ = altezza angolare di P sull’orizzonte (complementare dell’angolo zenitale Z).
• Lp = luminanza assoluta del cielo nel punto P.
• Lz = luminanza assoluta del cielo allo zenit.

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Evoluzione dei modelli e sviluppi della ricerca

Evoluzione dei modelli e sviluppi della ricerca: limiti: difficoltà di mappatura della L della volta celeste + non tutte le condizioni di cielo.

Darula Kittler, 2002: modelli di distribuzioni delle luminanze della volte celeste per ogni condizione → 15 tot: 5 per il cielo coperto, 5 sereno e 5 parzialmente coperto.

Il calcolo dei vari scenari di cielo dipende dal rilevamento di alcuni parametri che descrivono le condizioni climatiche (che non sempre è possibile reperire con facilità).

Fattore di luce diurna (D)

E in un punto dell’ambiente per effetto dell’illuminazione globale ricevuta da un cielo di nota distribuzione di L E che, nello stesso istante, si avrebbe su una superficie orizzontale esposta all’aperto e schermata dall’irraggiamento solare diretto % (1-6% tipicamente).

Significato fisico: % di luce naturale che interessa un punto dell’ambiente interno proveniente direttamente da quello esterno e/o riflessa da ostruzioni esterne e/o riflessa dalle sup interne.

Per ogni destinazone d’uso: D consigliato (utile per valutazione indicativa dell’illuminazione naturale + scelta delle aperture).

Per il calcolo:

• %D varia in ogni punto di un ambiente: tipicamente ci si riferisce a D medio.
• D= rapporto tra 2 grandezze che variano contemporaneamente nel t → D cost.
• Da fissare preliminarmente: condizioni del cielo e illuminamento esterno (solitamente 5000 lx).

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• (C: direttamente dal cielo, a L cost; e: riflesso da sup esterne; i: riflesso da sup interne).

Ad ognuno dei 3 E si può