Luce naturale - Laboratorio di Fisica Tecnica

CORSO DI FISICA TECNICA – Tecniche del COSTRUIRE
AA 20010/11
ILLUMINOTECNICA
Lezione n° 4: La luce naturale
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Corso di Fisica Tecnica – Tecniche del COSTRUIRE - Prof. Paolo ZAZZINI
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• 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.
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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.
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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 )
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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 ⋅
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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.
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• 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
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• 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
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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
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Alcune fasi dell’installazione
Foro sul solaio
Guaina
impermeabilizzante
Posa della scossalina
Foglio di alluminio rivestito
di 3M V-M per il tubo
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Fasi successive
Inserimento del tubo
Preparazione del tubo
Posa del captatore
Posa del diffusore
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Effetto di due diffusori diversi
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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
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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
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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
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Sperimentazione presso un cielo artificiale
Cielo artificiale a spicchio di volta del Politecnico di Torino realizzato secondo
il modello di Tregenza
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Supporto automatizzato per il posizionamento del modello e
posizionamento sensori luxmetrici
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Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale
Cielo sereno: Eest ≈ 40000 lux
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Prove sperimentali su modello in scala sotto il cielo reale
Cielo intermedio :
Eest ≈ 14000 lux
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