Fisica Tecnica

Luce naturale e illuminazione artificiale

Luce naturale gratuita e quantità variabile conferiscono un'aria dinamica all'ambiente, grazie al movimento del sole e alle ombre che si muovono. Un edificio deve essere in grado, da una certa ora in poi, di funzionare anche con la luce artificiale. Nel corso dell'ultimo decennio è stata conferita una crescente importanza alla luce naturale a livello normativo.

Normative sulla luce naturale

Decreti legislativi:

• DL 626/94
• DL 242/96

Norme tecniche UNI:

• UNI 10530 "Sistemi di illuminazione e lavoro"
• UNI 10840 "Locali scolastici - Criteri generali per l'illuminazione artificiale e naturale"
• UNI EN ISO 9241-6 "Requisiti ergonomici per il lavoro in ufficio o con videoterminali VDT"

Legge 10/91

Importanza dell'illuminazione naturale

L'illuminazione naturale risulta fondamentale per:

• Condizioni ambientali confortevoli (comfort visivo e termico): i vantaggi psico-fisiologici legati alla luce solare sono i seguenti:
  • Luce dinamica nel tempo
  • Luce stimolante e produttiva
  • Riconoscibilità cromatica degli ambienti
• Strategie progettuali di comfort visivo e termico
• Riduzione dei consumi energetici: la luce solare è una risorsa gratuita e rinnovabile
  • Consapevole utilizzo del daylight per minori consumi dell’illuminazione artificiale e minori consumi del condizionamento estivo

Strategie progettuali di risparmio energetico. Non è vero che massimizzare la disponibilità di daylight voglia dire massimizzare i benefici, infatti i possibili problemi legati a un incontrollato ingresso di luce naturale in ambiente possono essere:

• Surriscaldamento in periodo estivo: necessità di sistemi di riscaldamento
• Fenomeni di abbagliamento: necessità di sistemi di schermatura
• Disuniforme distribuzione di luce naturale in ambiente: necessità di ricorrere all'illuminazione artificiale

Ciò implicherebbe quindi:

• Un’insorgenza di discomfort visivo e termico
• Maggiori consumi energetici e costi di gestione

Illuminamento e modelli di cielo

L’illuminamento prodotto dalla volta celeste su una superficie varia in relazione alla sua distribuzione di luminanza. Infatti, la distribuzione di luminanza dipende da vari fattori tra cui:

• Posizione del sole
• Condizioni meteorologiche
• Torbidità dell’atmosfera (smog)

Vi sono quindi 4 diversi modelli di cielo. Per la determinazione del grado di illuminamento naturale in ambienti chiusi si fa di norma riferimento al modello di luminanza a cielo coperto (luce diffusa). L’illuminamento di un punto interno a un ambiente può essere suddiviso nelle tre seguenti componenti:

• La radianza delle porzioni di cielo viste dal punto attraverso le aperture
• La radianza di eventuali ostruzioni urbane viste dal punto attraverso le aperture
• I rinvii multipli che si verificano sulle superfici interne all’ambiente

La valutazione dell’illuminamento interno di un ambiente può essere fatta tramite un fattore adimensionale detto fattore di luce diurna (FLD). Tale valore fu introdotto in Inghilterra da Hopkinson come il rapporto tra illuminamenti interno/esterno dove:

• E_in = illuminamento in un punto interno dell’ambiente dovuto alla sola luce naturale indiffusa dalla volta celeste
• E_out = illuminamento esterno massimo:
  • E_out dovuto alla sola luce diffusa dalla volta celeste
  • E_out in assenza di ostruzioni esterne
  • E_out orizzontale

L'illuminamento esterno dipende dall'ora del giorno e dalla stagione dell'anno considerata: può, per esempio, oscillare tra i 5000 lux in inverno fino ai 20000 lux in estate.

Il fattore medio di luce diurna secondo la normativa italiana

FLD [%] = ⋅ τ ⋅ ε ⋅ ψ _f l _FLD − ρ (1 - ρ) ⋅ A₂ = superficie vetrata netta della finestra [m²]

• τ = fattore di trasmissione luminosa del vetro
• ρ = fattore di riflessione luminosa medio ponderato delle superfici interne dell’ambiente
• ε = fattore finestra, dove ε = 1 per superfici orizzontali prive di ostruzioni, ε = 0,5 per superfici verticali prive di ostruzioni, ε < 0,5 per superfici verticali in presenza di ostruzioni
• ψ = fattore di riduzione del fattore finestra

Modalità di trasmissione e riflessione della luce

Riflessone e trasmissione:

• Speculare δ = 0
• Diffusa δ 45° < δ < 60°
• Semidiffusa fascio largo δ 15° < δ < 45°
• Semidiffusa fascio stretto δ 0° < δ < 15°

Temperatura di colore e resa del colore

Viene valutata illuminando il componente con una sorgente di riferimento (illuminante di riferimento CIE D65). Sorgente campione: luce trasmessa dal vetro con T = 6000 K una determinata T e Ra cRa = 100. Data una lastra, si definisce fattore solare (talvolta indicato con g) il rapporto tra l'energia termica globalmente trasmessa dalla lastra e quella incidente su di essa.

L'energia può essere trasmessa dalla lastra in due modi:

• τ per trasparenza (e si parla di fattore di trasmissione solare diretta, o di Trasmittanza Diretta), oppure
• Per assorbimento e conduzione o riemissione verso l'interno (e si parla di trasferimento secondario di calore, legato alla conducibilità termica ed all'emissività del materiale)

Come indice percentuale, il fattore solare è utile per valutare le prestazioni energetiche di un elemento vetrato, soprattutto nel caso di vetri a controllo solare. A partire dal fattore solare è possibile definire un Indice di selettività (talvolta indicato con IS) come rapporto tra trasmissione luminosa e fattore solare (TL/FS). Hanno alto indice di selettività materiali caratterizzati da alta trasparenza alla luce visibile e bassa propensione alla trasmissione di calore.

FLD rappresenta un valore costante nel corso dell’anno e indipendente dalle condizioni esterne: rappresenta una caratteristica intrinseca dell’edificio. È un buon indicatore dell’efficienza di un sistema di illuminazione naturale pur non tenendo conto della componente diretta della radiazione solare, ma solo della componente diffusa.

Ulteriori criteri di progetto

Profondità degli ambienti illuminati unilateralmente:

• L ≤ 2L/2 + W - ρ H ≤ L/2 + W
• ρ = fattore di riflessione medio ponderato delle superfici costituenti la metà di ambiente lontana dalla finestra

È necessario inoltre:

• Garantire quando possibile la vista verso l’esterno
• Considerare l’effetto di modellato risultante a seconda della direzionalità della luce naturale in ambiente
• Valutare il colore della luce trasmessa dal vetro o dall’insieme vetro più schermo

Il fattore medio di luce diurna relativo alla metà ambiente in cui si trovano le aperture finestrate non dovrebbe essere superiore a tre volte il valore del fattore medio di luce diurna relativo alla metà ambiente opposta alle aperture finestrate. La posizione più sfavorevole, vale a dire il punto dell’ambiente che riceve la minor quantità di luce naturale, dovrebbe essere caratterizzato da un valore del fattore di luce diurna superiore all’1%: questo scongiurerebbe la possibilità che qualche parte del locale possa apparire eccessivamente buia.

L’insieme di illuminazione, coefficienti di riflessione e resa cromatica influisce notevolmente sulla luminosità dell’ambiente interno. In ambienti chiusi, per eseguire attività visive con la luce diurna, sono necessari livelli di illuminazione adeguati alla tipologia di attività per cui è predisposto l’ambiente stesso. Pertanto, per soddisfare i requisiti necessari per lo svolgimento delle attività visive, occorre definire la scelta dei coefficienti di riflessione delle superfici dell’ambiente interno. L’effetto di abbagliamento si verifica a causa della riflessione diretta e indiretta delle superfici. Per impedire il fenomeno dell’abbagliamento è possibile adottare i seguenti accorgimenti:

• Frangisole – all’esterno
• Sistemi antiabbagliamento – all’interno e all’esterno collegati al frangisole
• Superfici opache
• Posizionamento corretto dell’illuminazione artificiale complementare alla luce diurna

La diffusione della luce diurna in un ambiente chiuso e allo stesso tempo la possibilità di vedere verso l’esterno sono influenzati dalla tipologia costruttiva della facciata.

Dimensionamento degli impianti di climatizzazione

Gli impianti di climatizzazione vanno dimensionati in funzione dei risultati che vogliamo raggiungere, rispetto a quali sono le condizioni esterne climatiche e quali gli standard di progetto interno. In funzione di quanto è grande questo salto, gli impianti avranno una grandezza proporzionata. La prima cosa da cui si parte sono quindi i requisiti prestazionali, cioè quali sono i punti di arrivo che si vogliono raggiungere con un progetto.

Set point e variabili

Temperatura dell’aria (Comfort) – Cd, Cv:

• Inverno: 20-22°C
• Estate: 24-26°C

Ciò che cambia tra estate e inverno sono i salti di temperatura e la tipologia di abbigliamento utilizzata.

Umidità relativa R, S, T:

• Inverno: 35-65% (aria secca come disagio porta al seccarsi delle mucose, scossa)
• Estate: 45-55%

Facilita o meno i processi di scambio attraverso la fuoriuscita di vapore. Massimo di particelle di vapore che riescono a stare in sospensione (dipende dalla temperatura) nell'aria senza trasformarsi in acqua.

Temperatura media radiante (Tmr):

Se l’aria è a temperatura perfetta perché è stata climatizzata al massimo, però c’è la presenza di una vetrata molto grande non ben coibentata che rappresenta quindi una superficie molto fredda o molto calda a seconda delle stagioni, la parte di corpo esposta verso questo vetro percepisce uno squilibrio corporale perché il corpo umano scambia anche per irraggiamento. La temperatura media radiante è indice degli scambi radiativi fra le superfici che delimitano un ambiente e il corpo umano.

Velocità dell’aria Cv:

• 10-20 cm/sec a livello degli occupanti

Se si esagera con la velocità dell’aria ci potrebbe essere un problema nella gestione dell’attività (ad esempio possono volare i fogli), si potrebbe generare del rumore.

Purezza dell’aria (qualità poco fisica ma più chimica):

Sono dati dalla normativa i requisiti di ricambi di volume di aria necessari al variare della destinazione d’uso dell’ambiente, o il numero di mc di aria di rinnovo da fornire per ogni occupante (per ogni ambiente si deve fornire una portata di aria di rinnovo pari al massimo tra i due valori). Non devono quindi essere presenti polveri che possano causare danni ai polmoni o che possano far starnutire o far bruciare la gola.

Cd (conduzione) + Cv (convezione) + I (irraggiamento) + R (respiro) + S (sudorazione) + T (traspirazione)

Respiro, sudorazione e traspirazione entrano in gioco solo per gli esseri viventi, mentre conduzione, convezione e irraggiamento si trovano in tutti i tipi di corpi.

Tipologie di impianti di climatizzazione

Gli impianti di climatizzazione o di trattamento dell’aria servono a creare un clima adeguato. Le tipologie impiantistiche si possono classificare sulla base dei parametri che possono controllare e delle modalità adottate per controllarli. Esistono infatti tipologie impiantistiche che consentono di controllare solo la temperatura da mantenere in ambiente, altre che permettono di controllare anche l’umidità relativa e la purezza dell’aria. Queste ultime sono le tipologie che prevedono di trattare aria (prelevata dall’esterno e/o parzialmente ricircolata) e successivamente immetterla in ambiente in modo da ottenere i valori desiderati dei parametri termofisici dell’ambiente interno.

Le tipologie impiantistiche che invece non prevedono il trattamento dell’aria (esterna o parzialmente ricircolata), e attraverso le quali non si può controllare l’umidità relativa, sono:

• Sistemi ad acqua (controllano solo temperatura)
  • Radiatori (viene immessa acqua nel circuito tra gli 80° e gli 85° C) - Convezione
  • Pannelli radianti (viene immessa acqua nel circuito tra i 40° e i 45° C) – Convezione e conduzione – sistema che ha una forte inerzia termica
  • Ventilconvettori (o Fancoil) – Convezione – consente di fare caldo e freddo
  • Sistemi autonomi (split-multisplit) – Fancoil + pompa di calore (centrale frigo/termica)

Gli impianti che prevedono il trattamento di aria (esterna e/o parzialmente ricircolata) e pertanto consentono il controllo dell’umidità relativa e della purezza, sono:

• Sistemi a tutta aria (si hanno quando si porta aria già pronta e trattata all’interno di un ambiente)
  • Aria primaria (controlla temperatura, umidità relativa e purezza dell’aria)
• Sistemi misti aria-acqua (si porta negli ambienti aria già pronta e trattata attraverso una macchina che permette di personalizzarne la regolazione)
  • Ventilconvettori + aria primaria (controlla UR e purezza dell’aria)
  • Pannelli radianti + aria primaria (controlla UR e purezza dell’aria)
• Impianto a tutta aria a portata costante monocondotto (Unità di Trattamento dell’Aria – UTA)