Daylighting - Tecnologie Pulite

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La promozione di tecniche per lo sviluppo sostenibile in Emilia-Romagna
a cura di
Schede descrittive progetti di ricerca e tecnologie innovative
Daylighting
Il daylighting
Tutti sappiamo cosa sia il Sole e sappiamo che la vita sulla Terra (e forse anche oltre i confini planetari) è
strettamente legata alla presenza di questa stella in grado di rilasciare energia fino a 386 miliardi di
miliardi di megawatts. Da tempo il Sole è visto come una fonte inesauribile di energia rinnovabile, ma a
qualcuno sembra essere sfuggita la sua funzione principale: fornirci l’illuminazione diurna. Il daylighting
è una tecnica che sfrutta la luce naturale e riduce fortemente il consumo di energia elettrica per
l’illuminazione degli edifici, permettendo l’ingresso controllato di luce naturale attraverso una superficie
trasparente. Ciò può essere ottenuto in tre modi: facendo penetrare la luce attraverso il soffitto
(toplighting), attraverso le pareti laterali con l’ausilio di finestre (sidelighting), oppure utilizzando dei veri
e propri condotti per convogliare la luce, ad esempio le fibre ottiche (corelighting). Catturare l’energia
luminosa attraverso una finestra può sembrare l’uovo di Colombo, ma molto meno banale risultano
essere il controllo e la diffusione
della luce naturale e l’integrazione del daylighting con i tradizionali
sistemi di illuminazione elettrica.
Il daylighting si basa sul concetto che, anche in una giornata estremamente piovosa, la luce naturale, sia
diretta che diffusa dalla volta celeste, riesce ad illuminare la superficie terrestre; convogliare le radiazioni
e modulare l’intensità luminosa in base alle diverse esigenze permette di illuminare un edificio, in orari
diurni, riducendo al minimo l’ausilio della luce artificiale. Daylighting non vuol dire, quindi, limitarsi alla
mera progettazione dell’edificio facendo attenzione all’esposizione delle superfici trasparenti e utilizzando
materiali innovativi; daylighting vuol dire tecniche e tecnologie in grado di assicurare la giusta intensità
luminosa, dall’alba al tramonto, col sole e con la pioggia, in Pianura Padana come in Sicilia.
Toplighting, un esempio tecnologico di daylighting
Toplighting significa incanalare la radiazione solare attraverso lucernari tubulari (figura 1), da installare
sul tetto e che attraversano il tetto stesso, lasciando scoperte le estremità superiore, rivolta all’esterno e
che presenta una calotta trasparente, e inferiore, dotata di un diffusore rivolto all’interno della stanza.
Procediamo con una breve disamina degli elementi che costituiscono il lucernario.
La calotta trasparente rappresenta la componente deputata alla captazione della radiazione luminosa; è
necessario che sia costruita con materiale acrilico trasparente, resistente agli urti, preferibilmente in
grado di schermare dai raggi UV, considerando che la prolungata esposizione a tali lunghezze d’onda può
risultare dannosa e che sia esteticamente gradevole, trattandosi della porzione del lucernario visibile
all’esterno. A mezzogiorno, il Sole cade a perpendicolo, quindi la radiazione, filtrata dalla calotta,
raggiunge direttamente il diffusore posto all’interno della stanza; quest’ultimo è un elemento traslucido,
in grado di diffondere uniformemente la luce naturale. Durante il resto della giornata, però, l’incidenza dei
raggi solari diviene progressivamente più bassa, rendendo necessaria la presenza all’interno della calotta
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di soluzioni correttive, come superfici riflettenti orientate a sud (light shelves) per dirottare la luce solare
nel condotto negli orari pomeridiani, e/o una serie di piccoli “frangiflutti” (prismatic glazing) intorno alla
calotta, in grado di deviare i raggi solari a bassissima angolazione, all’alba e all’imbrunire, in modo che
questi arrivino al diffusore con il minimo numero di rimbalzi sulle pareti del tubo. È molto importante che
l’interno dell’elemento tubulare di conduzione sia costituito da una pellicola riflettente selettiva, che non
permette la trasmissione delle lunghezze d’onda comprese tra i 700nm e 1mm, meglio conosciute come
infrarossi, responsabili del calore indotto dalla luce solare; tale accorgimento permette di limitare
sensibilmente, nei mesi estivi, il fenomeno di surriscaldamento legato all’utilizzo di superfici trasparenti,
sofferto soprattutto negli impianti di produzione. Un otturatore modulabile, posto a contatto della
superficie interna del diffusore e gestito elettricamente ed automatizzato, permette di limitare l’afflusso di
luce all’interno della stanza. Dei sensori fotosensibili possono essere sfruttati per integrare il sistema
toplighting con la normale illuminazione artificiale, in modo da automatizzare, con l’ausilio di
potenziometri, l’accensione, lo spegnimento e l’intensità delle luci elettriche in base alla disponibilità di
luce solare. Recentemente sono stati messi a punto sensori, chiamati personnel sensors, che rendono
ancora più efficiente la gestione energetica di un edificio daylighting, essendo in grado di percepire in
ogni momento la presenza di occupanti all’interno della stanza e di attivare il sistema di controllo, gestito
da un computer, che accende e spegne le luci e modula l’intensità necessaria a raggiungere
l’illuminamento voluto, considerando l’apporto di luce naturale in quel momento. Tali sensori sfruttano
tecnologie ad infrarossi attive e passive, ad ultrasuoni o acustiche.
Figura 1. Sezione del lucernario tubulare Solatube©
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Sensori
Sensori acustici. Una persona che si muove nello spazio crea un movimento d’aria che inevitabilmente
genera un suono, seppur impercettibile all’orecchio umano. Il suono viene recepito dal sensore acustico, il
quale “capisce” che qualcuno è entrato nella stanza.
Sensori ad ultrasuoni. I sensori ad ultrasuoni generano un campo ultrasonico che attiva il sistema di
controllo luci nel momento in cui una persona transita all’interno della stanza, disturbando il campo
stesso.
Sensori ad infrarossi attivi. I sensori ad infrarossi attivi sono molto simili alle fotocellule di un cancello
automatico, cioè una sorgente emette una radiazione infrarossa verso un ricevitore posto dall’altra parte
della stanza; se il raggio viene interrotto dal transito di un occupante, il sistema si attiva.
Sensori ad infrarossi passivi (figura 2). A differenza dei precedenti sensori basati sul movimento, il
sistema ad infrarossi passivi, funzionando come un termometro, è in grado di percepire la presenza di un
essere umano. Un organismo vivente emette calore, cioè radiazioni nel range dell’infrarosso, che vengono
captate dal sensore: l’innalzamento della temperatura al di sopra di un valore preimpostato fa “capire” al
sensore che qualcuno è entrato nella stanza e l’unità di controllo accende le luci; se per un certo tempo
non viene rilevata una variazione significativa di temperatura rispetto al valore di soglia, le luci si
spengono automaticamente. Un sensore ad infrarossi passivi può coprire un’area circolare di circa 20m2.
Figura 2. Disposizione di sensori passivi ad infrarossi per coprire un area di circa 40m2. Illustrazione da Energy
Management in Illuminating System.
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2
UPD(W/ft )
2
Area (ft )
2
125 (ca 11m )
2
125-250 (ca 11-22m )
2
251-500 (ca 22-45m )
2
501-1000 (ca 45-90m )
2
1001-2000 (ca 90-180m )
2
2000+ (180m +)
1,5
1
1
1
2
3
3+
1,5-3
2
2
2+
3+
4+
5+
3
2
2+
4
5+
6
6+
Tabella 1. Numero Minimo Raccomandato (RMN) di lighting controls in funzione della superficie e di UPD (Unit Power
Density, calcolato come rapporto tra potenza [W] e superficie [ft2] )
Vantaggi
I benefici del daylighting sono subito evidenti in termini di risparmio energetico. L’applicazione di questa
“filosofia” di design in uffici o scuole, ad esempio, permette di ridurre drasticamente il consumo di energia
elettrica per l’illuminazione diurna dei locali. Molte sperimentazioni sono state condotte negli USA in
particolare su strutture “mobili” adibite ad edifici scolastici. La scuola media di Dalles, in Oregon, spende
in media il 45% in meno delle altre scuole dello Stato, grazie all’applicazione delle tecnologie di risparmio
energetico, tra cui
il daylighting fa la parte del leone. Un altro beneficio connesso all’utilizzo di tale
tecnologia è che la luce naturale privata degli infrarossi scalda molto meno delle lampade a fluorescenza
o ad incandescenza, permettendo una ridotta richiesta di energia elettrica per i sistemi di raffreddamento.
I costi di progettazione e costruzione di un edificio votato al daylighting sono pressoché identici ai costi di
un edificio tradizionale; nel North Carolina (USA), una scuola di circa 45.000m2 è stata progettata ed
edificata sfruttando le tecniche di daylighting e ciò ha comportato un costo superiore ad un edificio
tradizionale in misura dell’1%. L’applicazione del daylighting ha comportato un incremento di spesa di
230.000$ (circa 172.000€ al cambio del 2 Aprile 2007), ma ha permesso una riduzione dei costi per gli
impianti di illuminazione e condizionamento per 115.000$ (circa 86.000€ al cambio del 2 Aprile 2007) ed
un risparmio energetico del 40% rispetto alle altre scuole progettate secondo i criteri tradizionali,
ammortizzando i costi in un solo anno.
L’efficacia di un sistema daylighting è legata alle condizioni meteo dell’area interessata. Il territorio
italiano è sicuramente eleggibile come una delle aree che maggiormente si prestano all’applicazione di tali
tecnologie.
Applicazioni e fornitori
Fermo restando che il maggior beneficio si ottiene combinando, per quanto possibile, le diverse tecniche,
l’applicazione del daylighting non è possibile dovunque con le stesse modalità: la distinzione in tre
sottoinsiemi della tecnica (sidelighting, toplighting, corelighting) esiste principalmente per offrire soluzioni
mirate ad ogni singolo caso applicativo.
Il sidelighting è consigliabile applicarlo laddove un edificio venga eretto ex-novo. Questa tecnica prevede
la captazione della luce naturale attraverso pareti laterali trasparenti, di dimensioni, materiali e
disposizione idonei a garantire una corretta diffusione della luce naturale nell’ambiente cercando di
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evitare ombre e riverberi dovuti alla presenza di oggetti e/o mobilio collocati in modo non coerente.
Abbraccia, quindi, i campi dell’architettura, dell’ingegneria edile, dell’arredamento d’interni.
Il toplighting può essere applicato sia in fase di costruzione ex-novo, sia in caso di strutture già esistenti.
Trattandosi di una tecnica che permette di intercettare il fascio luminoso attraverso lucernari posti sul
tetto, è necessario disporre di un edificio che non si sviluppi su più piani, poiché la luce captata dalla
cupola deve essere indirizzata al piano posto immediatamente al di sotto del tetto. Gli edifici più idonei
all’applicazione
sono villette monofamiliari, magazzini, reparti di produzione, supermercati, uffici e
prefabbricati in genere, con o senza controsoffitto, a patto che rispettino la condizione di cui sopra, cioè
che non si sviluppino su più di un piano. L’azienda americana Solatube commercializza una serie di
prodotti toplighting distribuiti in Italia da Infinity Motion. I dati sperimentali messi a disposizione da
Solatube parlano di una produzione relativa di luce che varia dai 3000 lumen ai 13900 lumen (valori medi
calcolati su 2400 ore diurne di picco a San Diego, California) in base alla dimensione e alla tipologia
dell’impianto, contro i 1200 lumen di una lampadina a incandescenza standard da 100 W e i 2300 lumen
di un tubo fluorescente da 40 W, 1,2m di diametro. L’azienda commercializza, inoltre, kit di ventilazione,
illuminazione, regolazione di luminosità diurna ed un sistema di ventilazione da sottotetto alimentato con
piccoli pannelli fotovoltaici.
Il corelighting si presta, teoricamente, ad essere applicato a tutti i casi esclusi dalle altre due tecniche. La
costruzione di condotti (ad esempio atri o cortili) con superficie ad alto indice di riflessione permette di
incanalare la luce e distribuirla su più piani, ma la realizzazione è comunque vincolata allo spazio a
disposizione e rende necessaria la copertura degli atri con materiale trasparente per creare un cosiddetto
”spazio tampone”, cioè uno spazio con una temperatura maggiore a quella esterna, in modo da evitare
eccessive dispersioni di calore. Nei casi in cui non si abbia sufficiente spazio a disposizione si può
ricorrere all’utilizzo di fibre ottiche, in veste di condotti, in grado di trasportare l’energia luminosa
all’interno dell’edificio. Grazie a particolari lenti di Fresnel, la luce viene “scomposta” in luce visibile,
ultravioletta e infrarossa e queste tre componenti si posizionano a distanze diverse sulla lente; la fibra
ottica, posizionata ad una distanza opportuna, trasmette solo la luce visibile, salvaguardando i locali
abitabili da radiazioni sgradevoli. L’orientamento delle lenti segue il Sole lungo il suo percorso diurno
tramite l’intervento di un motore gestito da un minicomputer. A causa dell’elevato costo di impianto, è
consigliabile l’installazione in zone particolarmente soleggiate, per l’illuminazione di edifici con elevati
costi energetici. La Tre I, azienda specializzata in progettazione di impianti in fibra ottica, offre un’ampia
gamma di soluzioni corelighting.
Possibili sviluppi futuri
I possibili sviluppi del daylighting sono legati essenzialmente alle politiche di finanziamento dei progetti
da parte degli organi competenti. La Comunità Europea ha erogato negli ultimi anni numerosi
finanziamenti che hanno coperto la ricerca di nuovi e sempre più efficienti materiali, la costituzione di un
atlante dell’illuminazione naturale sul territorio europeo e sperimentazioni di installazione degli impianti
daylighting. Gli sviluppi attesi in un futuro prossimo, dunque, riguardano il miglioramento delle rese ed
un contenimento dei costi d’impianto, grazie anche ad una politica di finanziamenti comunitari che
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potrebbe riguardare non solo la ricerca, ma anche l’adozione di questi sistemi di riduzione del consumo
energetico. In Italia, numerosi gruppi di ricerca universitari conducono studi di miglioramento delle
tecniche e delle tecnologie di daylighting, tra cui citiamo l’Istituto Universitario di Architettura di Venezia
e la Stazione Sperimentale del Vetro di Murano, per lo studio del comportamento termico e luminoso
degli apparati vetrati; presso l’Università di Firenze si studia l’illuminazione naturale con le fibre ottiche;
ancora, altri centri di ricerca coinvolti sono attivi presso le Università di Napoli, Padova, Roma I e Roma
III, la Conphoebus di Catania, i laboratori dell’ENEA e l’Istituto Elettrico Nazionale Galileo Ferrarsi di
Torino.
Simone Quarta
Guido Croce
Ervet Spa- Emilia Romagna Valorizzazione Economica del Territorio
Riferimenti:
http://www.ilsolea360gradi.it
http://www.solatube.com
http://www.ricercaitaliana.it
http://www.daylighting.org
http://www.tre-i.it
Kao Chen; Energy, Management in Illuminating System; CRC press; 1999