Luce naturale - Laboratorio di Fisica Tecnica
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Luce naturale - Laboratorio di Fisica Tecnica
CORSO DI FISICA TECNICA – Tecniche del COSTRUIRE AA 20010/11 ILLUMINOTECNICA Lezione n° 4: La luce naturale 1 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 • Il benessere visivo negli interni è fortemente influenzato dalla presenza in essi di luce naturale. Qualunque attività lavorativa è svolta in modo più agevole in presenza 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 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 • Sorgente primaria di luce naturale: SOLE → Componente diretta della radiazione • Sorgente secondaria di luce naturale: 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. • Questo contributo diviene predominante per talune esposizioni (NORD) o per condizioni climatiche caratterizzate da cielo coperto. 2 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 SOLE • Il contributo diretto all’illuminamento su una data superficie dipende dalla posizione istantanea del sole considerato una sorgente puntiforme, e dall’intensità della radiazione emessa. • Azimut β: coordinata angolare presa sul piano orizzontale Coordinate solari: passante per il punto considerato individuata dalla direzione Zenit Sud e dalla traccia su tale piano del piano contenente il SOLE α P punto P ed il sole • Altezza α : coordinata angolare presa sul piano verticale contenente il punto P ed il sole individuata dalla congiungente sole - punto P e dalla traccia sul piano β SUD 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 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’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 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 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 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) LP = LZ ⋅ (1 + 2 sin α ) 3 4 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Cielo sereno: Prevede una distribuzione di luminanza variabile nel tempo che segue il moto apparente del sole. • La CIE (Comité International de l’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, come rappresentativo del CIE Standard Clear Sky (Cielo Sereno Standard CIE): • AP: altezza angolare di P sull’orizzonte (complementare all’angolo zenitale zp); 0.32 )] ⋅ [0.91 + 10 exp(−3d SP ) + 0.45 cos 2 d SP ] • d : distanza angolare fra sole e SP senA P punto P; 0.274 ⋅ [0.91 + 10 exp(−3z S ) + 0.45 cos 2 z S ] [1 − exp(− LP = LZ ⋅ • zs: angolo zenitale del sole (complementare dell’angolo di altezza As) Cielo nuvoloso o intermedio: • 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 0.80 )] ⋅ [0.526 + 5 exp(−1.5d SP )] senA P [0.526 + 5 exp(−1.5z S )] ⋅ [1 − exp(0.80)] [1 − exp(− LP = LZ ⋅ 5 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 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’ conveniente valutare l’illuminamento interno in termini relativi. • Fattore di luce diurna DF : rapporto tra l’illuminamento istantaneo nel punto considerato e quello contemporaneo esterno generato su un punto appartenente ad una superficie 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 Eint/Eest. • Tale ipotesi riconduce un fenomeno variabile ad un regime stazionario fittizio. 6 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 • Utilizzabili anche per integrare l’apporto di luce naturale dalle finestre perimetrali nelle zone centrali di ambienti di grosse dimensioni (es. capannoni industriali, centri commerciali..) • Presenti in commercio di varie dimensioni e forme (lunghezza, diametro, posizionamento orizzontale, verticale o inclinato) anche integrabili con sorgenti di luce artificiale 7 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 • 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 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 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 Locale 2: finestra in telaio in ferro nero doppio vetro sulla parete O-NO e due tubi di luce tipo Solar-Attic L= 80 cm e φ= 25 cm 9 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Alcune fasi dell’installazione Foro sul solaio Guaina impermeabilizzante Posa della scossalina Foglio di alluminio rivestito di 3M V-M per il tubo 10 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Fasi successive Inserimento del tubo Preparazione del tubo Posa del captatore Posa del diffusore 11 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Effetto di due diffusori diversi 12 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Eint 2000 Eest 90000 1800 1600 80000 1400 1200 60000 Eint/Eest 0.50 Sensore 1 1.00 Sensore 2 1.50 Sensore 3 2.00 50000 40000 3.0 40000 20000 1.0 10000 0.0 0.00 Eest Illuminamenti esterni ed interni nei due locali 30000 2.0 0 2.50 (m) Sensore 4 60000 4.0 10000 0.00 70000 50000 20000 0 80000 5.0 30000 400 200 90000 6.0 70000 1000 800 600 Eest (lux) 7.0 Sensore 1 0.50 1.00 Sensore 2 1.50 Sensore 3 2.00 2.50 Sensore 4 0 (m) Eest Rapporto illuminamento interno/esterno nei due locali Eint/Eest 7.00 Buona uniformità di illuminamento in una superficie di raggio di circa due metri 6.00 5.00 4.00 Somma 3.00 2.00 1.00 0.00 0.00 S1+S2 0.50 S3+S4 1.00 Sensore 1 1.50 Sensore 2 2.00 Sensore 3 2.50 (m) Tendenza contrastante e complementare dei due contributi che produce sufficiente uniformità nell’illuminamento interno Sensore 4 Somma dei contributi in punti corrispondenti 13 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 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 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 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 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Sperimentazione presso un cielo artificiale Cielo artificiale a spicchio di volta del Politecnico di Torino realizzato secondo il modello di Tregenza 16 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Supporto automatizzato per il posizionamento del modello e posizionamento sensori luxmetrici 17 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale Cielo sereno: Eest ≈ 40000 lux 18 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11 Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale Cielo intermedio : Eest ≈ 14000 lux 19 Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI AA 2010/11