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Illuminazione
1Introduzione
1.1. Luce in architettura
Nell'architettura contemporanea l'uso eccessivo è dato dei sistemi artificiali, e
l'architettura è vista come una geometria di vetro, con le pareti divisorie
paradossali, che invece di comunicare con l'esterno, generano barriere poco
pratiche. Un ambiente interno, che è teoricamente controllato, può diventare meno
confortevole di quello esterno,in modo che il lavoro dell'architettura diventa
'peggiorato dal clima '.
Fornire all'edificio di luce naturale è più di una soluzione al problema sul consumo
energetico; più che una risorsa estetica compresa nell'architettura. La luce
naturale nell'architettura deve far parte di una filosofia che genera un
atteggiamento più rispettoso e più sensibile agli esseri umani e verso l'ambiente in
cui vivono.
1Principi fisici basici
2.1 Radiazione elettromagnetica
La radiazione elettromagnetica è una forma di trasferimento di energia per mezzo di
variazioni periodiche nel campo elettromagnetico e può anche essere interpretata
come il movimento delle particelle (fotoni).
Le diverse forme di radiazione elettromagnetica sono classificate secondo la loro
lunghezza d'onda o frequenza dentro un numero di zone che chiamiamo: spettro
radiante, secondo il loro effetto (Figura 4.1). In questo spettro, la luce visibile occupa
una banda estremamente stretta.
È importante considerare che la lunghezza d'onda (l) e la frequenza (f) della
propagazione di un movimento vibratorio sono collegate con la velocità della
propagazione (c): l = c/f.
La radiazione elettromagnetica è causata dalle variazioni della struttura atomica dei
corpi, quando la posizione orbitale degli elettroni è alterata. Al rinvio alla loro
posizione originale inducono i fotoni ad essere emessi, l'energia eccedente quindi
viene eliminata in forma di radiazione.
Ci sono due tipi principali di fonti radianti: di scarico e di fonti termiche, anche se per
gli scopi di luce naturale basterà considerare l’ultima.
Figura 4.1 Spettro radiante
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Le fonti termiche emettono la radiazione come conseguenza dell'agitazione termica
della materia e visualizzano uno spettro tipicamente continuo nel campo delle
lunghezze d'onda che coprono.
Alla temperatura ambiente le fonti emettono la radiazione infrarossa, ma mentre
temperatura di emissione aumenta, non solo la quantità di energia emessa aumenta
ma muove anche la massima lunghezza d’onda di picco dell’emissione sempre più
verso la lunghezza d’onda più corta. In questo modo, come gli aumenti di
temperatura di radiazione entrano ulteriormente nella fascia visibile dello spettro, fino
ad una temperatura intorno ai 6500 K, la massima localizzata in questa zona. Non è
una coincidenza che questa temperatura è approssimativamente quella della
superficie del sole; il campo d'attività di vista umano è adattato ai più alti valori di
radiazione nel nostro ambiente planetario.
2.2 Unità ed equazioni fondamentali di luce come energia
Nell'illuminazione, ci sono quattro unità principali usate per descrivere la luce ed i
relativi effetti:
Il flusso luminoso
Misura la quantità di luce per l'unità di tempo ed è abbreviato come Φ. L'unità di
misura è il lumen (lm)
L'intensità luminosa
Misura il fluso in una direzione data ed è abbreviata come I. La relativa unità della
misura è la candela (Cd = Im str-1) (streptococco: l'unità dell'angolo solido dove la
superficie su stende su una sfera è uguale al quadrato del raggio)
Luminosità
Indica la leggerezza di una superficie d'emissione per un osservatore ed è abbreviato
come L. La relativa unità è la candela per il metro quadro (Cd m2)
Luminanza
Misura il flusso che raggiunge una superficie data ed è abbreviato come E. La
relativa unità della misura è il lux (lx).
Figura 4.2. Le quattro unità
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In tutto il fenomeno chiaro può essere osservato che la luce che proviene da una
fonte d'emissione si espande attraverso lo spazio e si porta fra la fonte
d'illuminamento che produce sulla superficie una diminuzioni uguale al quadrato della
distanza. Allo stesso modo, se la superficie non è ortogonale al fascio di
avvenimento, l'illuminamento diminuisce dal coseno dell'angolo di deviazione:
E= l / d 2cos
Nel caso di radiazione solare diretta, dato la grande distanza della fonte d'emissione,
la variazione a causa della distanza è trascurabile sulla superficie della terra ed i
fasci sono considerati paralleli, lo quale significa: E = I cos a
2.3. Lo spettro visibile
La luce non solo trasporta energia ma anche il colore, come conseguenza della
distribuzione d'energia al di sopra delle diverse lunghezze d'onda dello spettro
visibile; un colore specifico corrisponde ad ogni lunghezza d'onda, come nei colori
dell'arcobaleno. La luce solare riguarda tutte le zone dello spettro ed a volte riferisce
alla 'luce bianca '.
Nel campo della tecnologia d'illuminazione le unità specifiche sono usate per indicare
le caratteristiche cromatiche di luce, quindi:
La temperatura di colore
(Tc) esprime il colore di una fonte luminosa paragonandola a quella della luce
emessa da un ente nero ad una relativa temperatura assoluta (Kelvin: K). L'ente nero
cambia lo spettro secondo la temperatura, a circa 3000 K la luce è rossastra
(lampade incandescenti) ed alle più alte temperature è bluastra. Il T c è la
temperatura a cui un corpo nero deve essere riscaldato per la luce che emette ed
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essere di un colore paragonabile alla luce misurata. Alla luce naturale le relative
temperature di colore sono nel ordine di 6000-6500 K, la temperatura della corona
del sole).
L'indice di rappresentazione di colore
Esprime la capacita riproduttiva di luce sul colore degli oggetti illuminati è abbreviato
come R ed espresso in percentuale. Per avere una buona riproduzione cromatica, la
luce deve avere l'energia su tutte le lunghezze d'onda, come è il caso della luce
solare (nella pratica la relativa R è 100%).
2.4Luce e spazi limiti
Riflessione – Trasmissione - Assorbimento
La luce si propaga attraverso spazio; quando incontra un materiale d'ostacolo è riflesso
parzialmente ed è assorbito dalla superficie, in alcuni casi la luce può anche essere
trasmessa attraverso l'ostacolo. I coefficienti della riflessione (r), dell'assorbimento (a) e
della trasmissione (t) danno i rapporti rispettivi con la luce di avvenimento in cui è
riflessa, assorbita e trasmessa da una superficie data . La somma dei tre coefficienti
sarà sempre l'unità: r + a + t = 1.
Siccome l'energia può essere riflessa qualitativamente in un senso diverso secondo il
tipo di superficie, considereremo i possibili tipi, sia dai punti di vista spettrali che
geometrici.
aDal punto di vista spettrale, le superfici possono visualizzare il diverso
comportamento per le diversi lunghezze d'onda all'interno della zona visibile e la luce
bianca può prendere i vari colori sul oggetto riflesso o trasmesso dalle superfici o dai
materiali colorati.
La riflessione o la trasmissione (r, o la t specifica) determina il comportamento della
superficie data per luce della lunghezza d'onda data (con il relativo colore correlato). Il
valore medio della r, o t, valutato per una radiazione data (in questo caso la luce
solare) ci darà il valore del coefficiente di riflessione della superficie. La radiazione
riflessa o trasmessa da una superficie riproduce lo spettro della radiazione
incidente, modificato dai valori delle varie riflessioni o dalle trasmittanze specifiche
(rl o tl).
Figura 4.3. Trasmissione spettrale attraverso un vetro opaco
B Dal punto di vista geometrico, il rivestimento e la struttura interna dei corpi possono
influenzare alla geometria della trasmissione o della riflessione. Se le superficie irregolari
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sono di un ordine di grandezza simile alla lunghezza d'onda della luce, la luce sarà diffusa.
Se queste irregolarità sono più piccole, il riflesso speculare o la trasmissione normale
cadrà. In pratica, possono essere distinti tre tipi di base di comportamenti geometrici.
Dato che la lunghezza d'onda della radiazione chiara è molto piccola, la maggior
parte delle superfici con cui lavoriamo nell'architettura sono riflessione diffusa e
danno principalmente una flessione diffusa. Soltanto superfici altamente lucidate e
quelle con una struttura molecolare interna ordinata (cristalli) danno una vera
riflessione e trasmissione regolare.
Nel caso della riflessione o della trasmissione diffusa pura, la distribuzione risultante
della luce è tale che la luminosità L della superficie, osservata da qualunque
direzione, è costante ed ha il valore:
L= Er / o L= Et /
Nell'architettura questo comportamento tende a distribuire più uniformemente la luce
naturale intorno agli spazi interni. Le superfici con il riflesso normale (o speculare)
possono essere utili per riflettere la luce, particolarmente la radiazione diretta del
sole, nelle direzioni particolari ritenute opportune. Ugualmente, le superfici
trasmettenti (la maggior parte comunemente di vetro) sono normalmente di regola
trasparenti, permettendo così il passaggio dei raggi del sole diretti senza variare la
loro geometria ed allo stesso tempo consentire la vista esterna, di solito considerata
un effetto positivo.
3. La fisiologia della vista
3.1 L'occhio e la vista (percezione visuale)
Il senso della vista è basato sul funzionamento dell'occhio. Questo organo caratterizza la
pupilla, che regola la quantità di luce che entra nell'occhio per mezzo di un'apertura che
può essere registrata in un rapporto di 1: 16. Più chiusa è la pupilla, meno entra
l'energia, ma la visione è più acuta e con una profondità del campo più grande.
L'obiettivo trasparente cambia la figura per regolare il fuoco, deformazione massima
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che accade con la visione ravvicinata. Dall'obiettivo, la luce attraversa l'umore vetroso
che riempie il bulbo oculare in modo da colpire la retina, in cui sono formate le immagini
messe a fuoco dall'obiettivo. Questa retina è sensibile alla quantità di luce il per mezzo
delle cellule denominate coni retinici ed alla quantità ed al colore (lunghezza d'onda)
della luce per mezzo di altre cellule denominati coni. Al centro della retina c'è una
piccola concavità denominata “fovea centralis”, che contiene solo i piccoli, stretti coni
imballati. Quindi la regione su cui vi è il centro di attenzione e nel quale la visione è più
acuta.
Figura 4.5.- Struttura dell'occhio umano.
L'occhio umano risponde alla quantità di energia che riceve con le sensazioni che non
corrispondono linearmente allo stimolo. Come è il caso con gli altri sensi umani, la vista
segue una legge approssimativamente logaritmica d'accordo ad aumenti equi nello
stimolo non implicando gli aumenti equi nella sensazione:
S=K log E+ B
Dove:
S
sensazione
E
stimolo
B and K
costante
Questo tipo di reazione fa si che misurando l'effetto di luce, un incremento determinato
ha un differente valore dipendendo del livello di partenza. Quindi un incremento di 1m²
nella finestra apre un grande effetto similare se l' apertura originale misurasse 1 m2,
mentre un aumento di 1 m2 in 10 m2 dei risultati della finestra con scarsa percezione
dell’aumento della luce, comunque l'aumento reale nell'illuminazione è uguale in
entrambi casi oltre che il meccanismo delle pupille, la vista può adattarsi ai diversi livelli
d'energia usando altri sistemi.
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Le cellule delle retine lavorano in vari campi; i bastoncini sono le uniche cellule che
registrano luminanza sotto 10 cd m-2, solo dove i coni rispondono a condizioni sopra
300 cd m-2 ; tra queste limiti, i due tipi lavorano insieme.
Nella visione per mezzo dei coni, la sensibilità della luce è maggiore nelle regioni gialle,
ed è chiamata visione fotopica. Nella visione per mezzo dei coni retinici (visione
scotopica), il colore non è registrato e la sensibilità massima è situata in una zona con
una lunghezza d'onda più corta
La sensibilità della curva dell'occhio con la visione fotopica è usata per definire l'unità.
Il flusso luminoso risulta del totale di flusso radiante influenzato per il coefficiente di
sensibilità dell'occhio per ogni longitudine d'onda.
F1= Fr V680 l
Dove: F1
flusso luminoso in Im
Fr
flusso radiante in W
V(I)
coefficiente di sensibilità
3.2. Sensibilità temporale della visione
L'occhio umano ha un campo di visione approssimativamente emisferico (2π
steroradiane) con un stretto, centrale angolo solido di visione precisa, corrispondente
all'ubicazione della cornea in relazione della retina. Verso il limite del campo visuale ,
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la visione è sfocata, la percezione delle forme velocemente cominciano a perdersi,
però la sensibilità rimane più o meno intatta.
I nostri occhi sono generalmente in costante movimento, interrompendo la visione
precisa da un'area all’altra del campo visivo. Il movimento della testa completa
la nostra percezione visuale del nostro ambiente, però sempre rimane un’ area
offuscata alla nostra parte posteriore, che richiede l'aiuto dei nostro senso dell'udito,
se dobbiamo avere il controllo dell’ intorno. Per questo motivo, la posizione delle
persone in relazione allo spazio, la sua occupazione può essere importante,
specialmente negli interni che presentano disconfort acustico.
Figura 4.7. Piano e vista frontale del campo visuale
Il nostro senso della vista può anche essere un punto di riferimento degli oggetti
intorno a noi, fondamentalmente dirigendo la nostra testa e gli occhi verso quello che
stiamo osservando. L'azione dei muscoli informa al cervello la direzione in relazione
al nostro corpo, a una lunga estensione in base a l'esperienza.
Giudicando la distanza è più complesso, ed crea un numero di meccanismo. In primo
luogo ci sono le deformazioni della lente per focalizzare l'immagine, che rende
possibile vedere distanze corte. Inoltre, la visione binoculare, con le differenze tra le
immagini che ogni occhio percepisce, permette di riconoscere le relative ubicazione
degli oggetti nel nostro campo di visione, mentre allo stesso tempo la convergenza
degli occhi li aiuta nel vedere le distanze corte.
Per concludere, questo processo ci informa sulla distanza tra noi e gli oggetti,
come valutare la misura apparente sulla base delle esperienze precedenti. L'unico
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svantaggio è che questo sistema non è affidabile in nuovi ambienti o ambienti dove
esiste una scala differente da quella già conosciuta.
3.4. Comfort visuale
Quando parliamo di comfort ci riferiamo al benessere o al disagio sull' ambiente.
Varie cause possono essere coinvolte in questo concetto, poiché tutti i sensi stanno
ricevendo simultaneamente gli stimoli, altri, meno riconoscibili, fattori di lavoro.
Tuttavia, il comfort è tradizionalmente analizzato in modo indipendente per ciascun
senso, compreso la vista. (Several different causes may be involved in this concept,
since all the senses are receiving stimuli simultaneously, in addition to which, other,
less recognisable, factors are at work. Nevertheless, comfort is traditionally analysed
independently for each of the senses, including sight.)
Per quanto riguarda il comfort facciamo una distinzione fra i parametri di confort, i
valori misurabili nell'ambiente fisico ed i fattori che dipendono dall'utente ed
influenzano la valutazione dei parametri. Il confort dipende dal rapporto fra i due,
anche se il disegno architettonico essenzialmente interessa i parametri fisici, le
caratteristiche dell'utente (età, tipo di attività, ecc.) devono essere considerati per
assicurare un buon progetto.
luminanza
Il comfort visivo dipende da quanto possiamo vedere facilmente quello che ci
interessa. Di conseguenza, l'esigenza fondamentale è che deve esserci la giusta
quantità di luce. Così il primo parametro è l’illuminamento (lx), con i valori suggeriti
secondo l'operazione e sugli stati di luce vivida (che costituiscono il secondo
parametro da considerare nel comfort visivo)
Abbagliamento
L'abbagliamento, considerato come parametro di confort, è l'effetto sgradevole
causato da un contrasto eccessivo di luminosità nel campo visivo. In generale,
questo effetto è dovuto all'esistenza di una piccola zona di gran leggerezza
(luminosità) in un campo di visibilità con un valore medio considerevolmente più
basso, normalmente come conseguenza di una lampada o di una finestra.
“l'adattamento all'abbagliamento”, è la più importante nel disegno architettonico ed è
causata quando l'occhio si adatta alla luminosità media di un campo visivo in cui c'è
una grande variazione della luminosità, con gli estremi che sono fuori della capacità
dell'adattamento visivo non possono essere visti correttamente.
L'abbagliamento può anche essere classificato secondo l'incidenza sull'occhio di un
fascio di luce eccessiva. Quando colpisce la macchia gialla è denominato
abbagliamento diretto, o abbagliamento che rende incapace. Se l'incidenza è altrove
sulla retina è denominato abbagliamento indiretto (anche denominato abbagliamento
preoccupante o di perturbazione). In molti casi la stessa terminologia (diretta
/indiretta) è usata per distinguere l'abbagliamento prodotto direttamente da una luce
o da quella prodotta da una riflessione su una superficie (quale una tabella vetrosuperata).
L'abbagliamento è difficile da valutare, anche se questa può essere realizzata
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analizzando i vari valori differenti di luminosità nel campo di visibilità. Come prima
approssimazione, i valori suggeriti come adatti sono: i contrasti di 1-3 fra l'oggetto
osservato e la relativa priorità bassa immediata, di 1-5 fra esso e la superficie di
lavoro nell'insieme e di 1-10 fra esso ed altre superfici nel campo di visibilità. In
un'analisi più preciso, i seguenti concetti sono messi in gioco:
L a s b f
g=
LB
dove:
Ls
luminanza della fonte di luce
ω
angolo solido dalla fonte all'occhio.
f(θ)
funzione della direzione da dove arriva la luce
(valore 1 se arriva perpendicolare all'occhio e 0 se arriva lateralmente.
LB
luminanza di fondo della fonte di luce
a and b
coefficienti con valori tipici 1.8 and 0.8
L'abbagliamento cresce mentre il valore di questo abbagliamento costante “g”
incrementa. Poiché il disagio approssimativamente segue la legge logaritmica,
l'indice (G) d'abbagliamento è definito così:
G=10 log10 g
Quando il valore dell'indice G eccede 10 l'abbagliamento è notevole, 16 - 22 è
tollerabile, 22 - 28 è scomoda e per i valori più alti è intollerabile. La luce del giorno
ha una tolleranza maggiore di luce vivida rispetto alla luce artificiale.
Il colore della luce
Il terzo parametro per il comfort visivo è il colore della luce; derivato dai concetti della
temperatura del colore e il loro indice di rappresentazione, esaminati sopra. Il grafico
di Kruithof stabilisce un rapporto fra la temperatura di colore della luce e
dell'illuminamento, definendo un campo di compatibilità fra i due valori.
Nell'illuminazione naturale il colore della luce avrà una piccola influenza sul comfort,
poiché le relative caratteristiche cromatiche sono prese come gli ideali teorici.
Tenendo conto di tutto il suddetto possiamo dichiarare i valori tipici per i parametri
chiari rispetto ai fattori dell'utente (tabelle 4,1- 4,5)
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Table 4.1
Definitore di luce
Iluminanza (valori generali)
Attività con un filtro di luce alto: precisione de disegno, gioielli etc.
1000 lux
Attività di corta durata con filtro alto o molto alto: leggere, disegnare, etc.
750 lux
Attività di corta durata con filtro medio o alto: lavoro in generale, riunioni, etc.
500 lux
Attività di corta durata con filtro basso o medio: storage, movimento, etc.
250 lux
Table
4.2
Fattori di modificazione per i valori d'illuminamento generale.
Modifying factors for the general illuminance values
x 0.8
Età < 35 anni
xI
x 1.2
Età 35-55 anni
Età 55 anni
Attività non importante
Attività importante
Attività critica ed inusuale
Difficoltà bassa
Difficoltà normale
Difficoltà alta
Table
4.3
Valori di Luminanza (con il corrispondente illuminamento)
Codice visuale
Luminanza (cd m-2)
Luminanza orizzontale (lux)
Faccia umana difficilmente visibile
1
20
Faccia chiaramente visibile
10-20
200
Ottimo per il lavoro normale
100-400
2000
> 1000
20,000
Superficie con riflessioni > 0.2 bene illuminato
Table
4.4
Indici di abbagliamento (G)
Condizioni critica alta con lavori difficile, situazioni pericolosi, etc.
Impercettibile: < 13
Condizioni con lunga durata di lavoro di normale difficoltà , con periodi di riposo, etc.
Basso: 13-16
Condizioni con corta durata di lavoro or lavoro leggero, con lunghi pause, etc.
Medio: 16-19
Condizioni sotto critiche, con corti periodi di lavoro, movimenti, etc.
Alto: 19-22
Condizioni senza esigenze visuale, nel cui l'abbagliamento non è un problema
Molto Alto: > 22
Table
4.5
Colore della luce
Tipo di spazio
Condizione
Spazi dove il colore è importante
R (%)
Area di lavoro
Tc (K)
>85
Resto
Spazi dove il colore è importante ma non critico
Area di lavoro
2500-4000
70-85
Resto
Spazi dove riconoscimento cromatico non è importante
Area di lavoro
Resto
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4500-6000
> 4000
< 4000
<70
> 4500
> 4500
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Spazio senza visione cromatica
40
Indifferente
2.4 Effetti biologici
Oggi giorno le esigenze di luce naturale dipendono da due aspetti, la percezione
visuale e gli effetti biologici. Più l'illuminazione è alta, più è facile
L’ attività ottica e le persone anziane hanno più bisogno di illuminazioni più
intense rispetto ai giovani. Secondo Lange la più alta accettabilità da parte
dell'utente per illuminazione è fra 2000 lx il lux (lx) e 4000. I valori minimi così
come i requisiti supplementari sono dati nei campioni corrispondenti (en 12464).
Dalla scoperta del terzo ricettore d'illuminazione sulla retina (supplementare ai
coni ed ai coni retinici che sono responsabili della visione ) nell'anno 2002, l'effetto
biologico della luce nell'organismo umano, cui è stato sospetto per un lungo
tempo, può essere valutato. Confrontato alla sensibilità di luminosità dell'occhio
per le funzioni ottiche, la sensibilità di questo sensore è nella zona blu. Finora gli
studi indicano che il lx 1000 di illuminazioni più superiore influenzerà l'orologio
biologico degli esseri umani per i cicli giornalieri ed annuali con il sonno e
sveglierà le fasi ed interesserà l'attività del cervello, il benessere e la salute.
Queste comprensioni richiedono un nuovo segno di riferimento per "buona luce".
Esigenze minime per sistemi d'ombreggiamento e l'isolamento termico in estate
sono definiti per evitare temperature interne elevate in estate (o rispettivamente
grandi carichi di raffreddamento dei sistemi di raffrescamento), e deve essere
ottenuto senza effetti avversi alla luce naturale. In vista delle nuove e chiare
percezioni sulle proprietà biologica della luce diurna questo è una sfida per il
disegno di finestre: Piccola ammissione termica solare dentro la stanza mentre
allo stesso tempo permettono grandi livelli d'illuminazione (> 1000 lx).
4Luce diurna in architettura
4.1. Luce interna e luce esterna.
L'architettura è praticamente una giusta posizione d'interni, esterni, spazi coperti e
ambienti esposti, affidabilità e vulnerabilità, privacy e società. Durante il giorno, la
luce naturale rivela interamente all'esterno, riempiendo tutti i suoi angoli e
mostrando realisticamente la pelle degli edifici, la misura, forma e i dettagli.
Quando la luce è usata saggiamente in architettura, questa arriva esternamente dal
campo visuale dell'osservatore, da grandi aperture di solito localizzate sopra l'entrata
dall'ambiente. Questo ripristino di una luce interna, da una fonte non identificata, crea
un effetto piuttosto magico.
Questa situazione cambia radicalmente di notte, quando i ruoli dell'interno e
dell'esterno si invertono. A questo riguardo si può dire che:
1Sia l'architettura che chi la abita, sono diversi di giorno e di notte, quindi non ha
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senso provare di imitare gli effetti della luce naturale con la luce artificiale, il risultato
sempre sarà mediocre.
2E sempre difficile combinare questi due tipi di luce, a causa delle differenze
cromatiche ed al fatto che quando gli occhi si abituano ai livelli naturali di luce, la luce
artificiale sembra povera e lugubre.
Ritornando alla luce naturale passando dall'esterno all'interno degli edifici, il modo in
cui entra la luce negli edifici dipende dalla loro origine che sono tre.
Figure 4.8.- Tre incidenze: sole diretto, cupola celeste and albedo
•La luce solare diretta colpisce con i raggi paralleli di luce un alto flusso luminoso
(cosi alto come 100,000 lux). All'interno genera chiaramente macchie definite di luce
che cambiano secondo il movimento del sole attraverso la volta del cielo. Questo tipo
di luce quindi, crea condizioni visuali interne non ottimali per l'eccessivo contrasto, e
facilmente provocano il surriscaldamento degli interni. Il loro effetto termico e la
relativa distribuzione di luminanza, comunicano una sensazione di allegria, queste
condizioni sono desiderabili in inverno e nei climi freddi e sgradite in estate nei climi
caldi.
•La luce della volta celeste è associata ad un cielo coperto (sia inoltre il caso in cieli
liberi per i sensi che affrontano via dal sole) ed è formata generalmente da luce
naturale nei climi atlantici e nordici. La relativa intensità di luce è di 5 – 10% nella
luce diretta del sole. La quantità di luce di un cielo nebuloso dipende dell'altitudine e
la densità delle nuvole e cosi può variare considerevolmente. Queste condizioni sono
di solito usate come condizione minima, ma si deve anche considerare che, nei climi
più caldi, il relativo ingresso di luce nella costruzione può causare problemi di
surriscaldamento.
•La luce riflessa o albedo delle superficie esterna diventa importante quando gli altri
due tipi mancano d’intensità, o perché sono escluse per evitare il surriscaldamento o
perché la forma dell'edificio non permette accesso diretto dal lucernario. In queste
circostanze, e quando le superficie esterna (il terreno e gli edifici vicini) hanno
relativamente una buona riflessione, la luce riflessa può generare luce utile per
l'interno, si deve sempre ricordare che quando la luce non viene dal alto, ha una
gran tendenza a causare abbagliamento.
2.4La percezione della luce in architettura
Quando un architetto immagina l'architettura che sta cominciando a progettare,
descrive nel suo cervello le forme della costruzione che sta generando, dalle idee
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generali ai particolari specifici della facciata.
Se analizziamo le opere dei grandi maestri dell'architettura, sia antichi che moderni,
è chiaro che nella maggior parte dei casi la luce naturale è presente dalle prime
immagini, da come è stato concepito il progetto.
È interessante osservare i diversi approcci che gli architetti hanno sulla luce naturale.
A parte dal maggiore o minore conoscenza che loro possono avere dei principi basici
della luce ed addirittura, senza valutare l'efficienza dei risultati ottenuti, questo
sembra che ognuno di loro intuitivamente concepisce il fenomeno della luce
diversamente, ed è riflesso nel modo nel quale la luce definisce le forme degli spazi
nella loro architettura.
In molti casi la luce è immaginata come un fluido, liquido o gas che occupa gli spazi
esterni e si espande (a seconda sia concepita) attraverso le aperture e dentro degli
spazi interni.
In altri casi, la luce è percepita come fasci, nelle immagini mitologiche, forze celesti
che viaggiano attraverso lo spazio, penetrando all'interno e riflettendosi sulle
superfici, quindi intrisa di una loro realtà .
In altre situazioni la luce naturale crea un impressionante gioco all’ interno, macchie
di luce si mescolano e, formano uno solo nel cervello quando lo spazio è concepito
globalmente. In ogni caso, il colore è decisivo, le superficie delle parete cambia di
tono secondo la luce che riceve.
2.4Luce in zone centrali e perimetriche.
Il primo punto d'affrontare quando si considera l'uso di luce naturale è l'ingresso negli
spazi interni, i cui sarebbero scuri, dovuto alla separazione dall'esterno attraverso la
facciata.
In ogni edificio, si possono distinguere due problemi distinti: la luce delle zone
perimetrali, la quale ha un contatto con la pelle dell'edificio e quindi la possibilità di
acceso diretto della luce fuori; e quella delle zone interne, dove l'unico acceso di luce
naturale è attraverso qualche sistema di ventilazione.
Comunque, prima di fornire con sistemi specifici che si applicano alla periferie o il
centro, dovremo considerare alcuni aspetti generali del progetto che influenzano la
loro interrelazione con la luce.
Densità dell'edificio
Il punto iniziale da considerare è la densità dell'edificio, che stabilisce la relazione tra
struttura esterna ed il volume, ad esempio, il grado di concentrazione degli spazi
interni. Logicamente, le edifici meno compatti hanno una gran possibilità di
illuminazione, come nelle zone centrali, dove l'ingresso della luce è più difficile da
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raggiungere, è relativamente più piccolo.
Porosità
Un altro aspetto da prendere in considerazione è la porosità degli edifici, che si
riferisce all’ esistenza dentro il volume globale degli ambienti vuoti e ponti di
comunicazione con l'esterno, come il patio. Un alto grado di porosità indica la
possibilità di creare accesi di luce (ed anche ventilazione) nelle zone centrali
dell'edificio.
Trasparenza
Un altro aspetto da considerare è la trasparenza della pelle dell'edificio alla luce, che
varia da edifici totalmente opachi a zone totalmente vetrate. Anche se grandi
trasparenze incrementano la luce nelle zone periferiche, una buona illuminazione
dipende più da una appropriata distribuzione della luce più che la quantità.
Caratteristiche geometriche
Altri aspetti da prendere in considerazione sono le caratteristiche geometriche degli
ambiente interni. L'edificio può quindi essere analizzato d'accordo alla dimensione,
forma, proporzioni e possibile differenze nei piani.
Dimensione di un edificio
La dimensione non ha in principio nessuna influenza sulla distribuzione della luce
all'interno; le aree della stessa forma ma con diverse dimensioni e con le aperture, a
queste adattate, avranno la stessa distribuzione della luce interna. L'unico punto che
dovrebbe essere tenuto in contsiderazione è che gli spazi di grandi dimensioni
avranno una zona centrale più buia, a meno che abbiano un soffitto alto.
Figura 4.9.- Zona centrale in spazi con a grande superficie
Forma e proporzioni
Nell'edificio, loro sono importanti per l'illuminazione naturale, dipende anche della
localizzazione delle finestre. Come una regola, ambienti irregolari o allungati hanno
certamente una distribuzione di luce irregolare.
Figura 4.10.- Relazione tra forme e distribuzione di luce
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Bisogna tener conto che l'ingresso laterale della luce in uno spazio causa una
diminuzione veloce nella luce (cioè l’illuminamento) che ulteriori provengono dalle
aperture, a causa della visione diretta del cielo (la fonte luminosa principale) presto sarà
persa. Questi risultati nelle zone periferiche e negli edifici che non sono ben illuminati,
nonostante la quantità totale di luce sia sufficiente. La luce dallo zenit, d'altra parte,
tende ad essere più ampia ma anche è più difficile da avere.
5. Miglioramento di luce di giorno negli edifici
2.4Elementi di trasmissione
Questi sono spazi localizzati oltre una stanza che inizialmente riceve la luce naturale
dall'esterno. Loro raccolgono la luce trasmessa attraverso un’ altra stanza e cosi via.
La forma dell'altra stanza è importante, la sua capacità di trasmetterete la luce che
essi ricevono dipende delle caratteristiche geometriche dall'ambiente.
Le caratteristiche delle finiture nelle loro superficie sono anche importanti, dove la
luce naturale colpisce. Diverse finiture producono stanze che attuano diversamente
secondo se loro sono riflettente, speculare, diffusi, assorbenti o qualunque.
Figure 4.11.- Elementi naturali di illuminazione: elementi conduttivi e elementi di trasmissione
5.1.1.Spazi di luce intermedia
Sono localizzati nella zona periferica degli edifici, tra l'ambiente esterno e gli spazi
abitativi. Loro possono lavorare come filtri regolatoricon le caratteristiche ambientali
tra interno ed esterno; loro conducono e distribuiscono la luce naturale dall'esterno
all'interno. Sono sigillati con materiali trasparenti e traslucidi e possono essere
incorporati ad elementi di controllo che regolano il passo della luce. L'esempio più
rivelante sono le gallerie, portici e serre.
5.1.2. Spazi di luce interna
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Loro formano parte delle zone interne degli edifici, conducendo la luce naturale agli
ambienti interni. All’interno di questi gruppi ci sono: cortili, cortili coperti e tutti i tipi di
canali di luce e canali di sole.
2.4Elementi centrali e perimetrici
Questi sono dispositivi o apparecchi che collegano due ambienti luminosi diversi
separati da una parete. Loro sono definiti dalle loro caratteristiche geometriche, vale
a dire, il loro formato rispetto a quello della parete in cui sono regolati, (centrale o
laterale, alta o bassa)è la forma dell'apertura. La loro composizione dipende dagli
elementi incorporati che controllano e regolano l'illuminazione, la rappresentazione e
la ventilazione.
2.4.1Elementi o aperture di trasmissione laterali
Sono localizzati nelle superficie verticali circondanti, sia nella pelle dell'edificio o nei
muri interni, tra due ambienti con diversi caratteristiche di luminosità, per permettere
l'ingresso laterale di luce. Gli elementi tipici di trasmissione laterale sono: finestre,
balconi, muri traslucidi, facciate continue.
5.2.2. Elementi o aperture di trasmissione zenitali
Questi sono localizzati nelle superfici orizzontali circondati dal tetto o all'interno dell’
edificio, fra due ambienti luminosi, e sono disegnati per dare luce zenitale all'interno.
Elementi tipici di trasmissione zenitale in architettura sono: lanternini, dispositivi di
controllo di tetti, tetti vetrati a nord, soffitto traslucido, lucernari, cupole e lanterne.
5.2.3. Elementi o aperture globali di trasmissione
L'elemento più rilevante di queste tipo è la membrana, con superfici traslucide o
trasparenti, che circondano tutto l'ambiente interno, simile alle condizioni esterne.
Elementi di controllo
5.3.1. Superfici separatrici
Queste sono superfici di materiale trasparente o traslucide, incorporati all’interno
dell'elemento di trasmissione che separa due diversi ambienti. Loro permettono la
radiazione, e a volte la vista dall'esterno, che passa attraverso, però blocca il
passaggio d'aria. Tra i diversi tipi di superficie che separano, che esistono in
architettura, ci sono alcuni tipologie trasparenti convenzionali (vetro, ecc), quelli con
la superficie trattata chimicamente o meccanicamente, altri che seguono un disegno
geometrico particolare e superfici di chiusura attiva.
2.4.1Schermi flessibile
Questi sono elementi che impediscono l'ingresso di radiazione solare parzialmente o
completamente. Dipendendo anche della loro disposizione, possono permettere la
ventilazione e fornire la discrezione visiva. Possono essere ritratti, rotolati in su o
essere piegati via per rimuovere la loro influenza una volta così desiderati. I tipi più
usati di schermi flessibili sono tende esterne.
Le tende sono fatte da materiali opachi, quelli che servono alla diffusione della luce.
Possono essere disposti sopra la superficie esterna di un elemento trasmittente, in
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modo da impedire selettivamente la radiazione che passa prima dall'ingresso o,
disponendole sopra l'interno delle superfici di separazione, controllare la radiazione
che già è entrata come elemento trasmettente e illumina l'interno.
2.4.1Schermi rigidi
Sono elementi opachi che ne dirigono e/o bloccano la radiazione diretta solare che
da un altro modo potrebbe colpire un elemento di trasmissione. Normalmente, loro
sono fissi e mobili, sebbene ci sono alcune eccezioni. La principale variabile è la loro
posizione con relazione alle aperture che proteggono. Fra i vari possibili tipi, noi ci
concentriamo negli sbalzi, scaffalature, solette, piani fissi verticali e schermi.
5.3.4. Filtri solari
Sono elementi di superficie che coprono tutta o quasi tutta, la facciata esterna di un
elemento di trasmissione, protegge della radiazione solare e permette la
ventilazione. Loro possono essere fissi o mobili (permettendo il loro spostamento e
lasciando le aperture liberi) e regolabile se la orientazione delle finestrature possono
essere cambiate. Questi tipi sono molto usate in architettura e ci sono vari tipi
serrande e persiane.
2.4.1Ostruttori solari
Questi sono elementi composti di materiali opachi e possono essere fissati
all'apertura di un elemento trasmettente in modo da sigillarlo. Normalmente sono
denominati otturatori e possono essere situati sull'esterno o sull'interno di una
superficie di vetro separatrice.
6Condizione del cielo
6.1. Luminanza del cielo
La luminanza del cielo è una delle caratteristiche di base da prendere in
considerazione quando si studia le condizione pre-esistente del sito. Il clima locale,
con i relativi gradi associati dell'annuvolamento, è un fattore decisivo.
Ci sono diversi possibili modelli per la luminanza del cielo da prendere in
considerazione, come le condizione ambientale pre-esistente di un posto.
Come regola, un cielo nuvoloso o coperto è un caso sfavorevole, sono
frequentemente studiati. Questo è logico nei climi nordici , ma non in quelli temperati,
dove i casi di cielo coperto e libero dovrebbero anche essere considerati. La
protezione dal sole e dallo sfruttamento della loro radiazione devono essere
considerati.
Dovrebbe essere considerati anche, nei climi mediterranei e più frequentemente la
luce solare diretta (70% del tempo) che nei climi nordiche. (30% del tempo), questo è
di solito trascurato quando studiamo la luce naturale negli edifici.
6.1.1. Cielo coperto uniforme
Questo è il modello principale usato negli studi della luce naturale, con una
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luminanza costante in tutte le direzione ed altezze. La relazione tra la luminanza
media del cielo ed l'illuminamento di un plano orizzontale senza ostruzione sarà:
Eh= L
dove:
Eh
plano di illuminamento orizzontale (lux) L
Luminanza media del cielo (cd / m2)
Tabella 5.6
I valori per la luminanza media del cupola celeste a l 40' altitudine, con diversi condizioni climatiche e peridi nel 'anno
Solstizio di inverno
Ore
Lluminanza
Equinozio
08:00
10:00
12:00
16:00
14:00
1,750
3,200
4,700
4,600
21,000
24,000
08:00
Solstizio di estate
10:00
12:00
08:00
1:00
12:00
16:00
14:00
16:00
14:00
3,200
4,600
6,200
6,000
7,600
8,600
22,000
28,000
30,000
27,000
31,000
32,000
I valori della prima riga corrisponde alla luminanza media con un cielo coperto,
mentre la seconda riga è con un cielo scoperto. Il valore minimo delle latitudine
mediterranee è preso con un cielo coperto con 3200 cd-2 m, che è equivalente a
10,000 lux in un piano orizzontale senza ostruzioni.
2.4.1CIE cielo coperto
Questo è un modello standard per cieli coperti, che provvedono un migliore
approccio con la realtà , da quando la luminanza varia con l'altezza. Questo
rapporto e definito con la formula Moon-Spencer :
L =L z
12 sin
3
dove:
La
illuminanza ad una altezza con un angolo sopra la orizzontale
Lz
iluminanza al zenit
Lz
può essere considerata 9/7 de (uniforme) la luminanza media del cielo.
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Un altro fattore di correzione da considerare è la variazione della luminosità del cielo
secondo il senso. Questa variazione di luminosità può essere espressa, per
l'orizzonte, come un aumento del 20% nel senso dell'Equatore e simile di una
diminuzione del 20% nel senso del palo. Queste variazioni diminuiscono con
l’altezza, sparente allo zenit. L'espressione della Luna-Spencer, debitamente corretta
per tenere conto questa variazione, sarebbe:
L , =
L z 12 sin
3 10,2 cos
dove:
La,b
luminanza del cielo per un'altezza b nella direzione del equatore
Lz
luminanza allo zenit
2.4.1Cielo scoperto
Nel caso di un cielo scoperto, la migliore strategia è considerare solo le incidenze
dirette del sole, con intensità nel ordine di 100,000 cd m-2 e la posizione
corrispondente al periodo del anno ed il giorno. Noi solo considereremo, come fonte
indiretta, il resto della cupola celeste e la riflessione di altri superficie nella terra o
altri elementi esterni.
Nel caso di una cupola di cielo scoperto,la luminanza diminuisce come noi
traslochiamo fra il sole, con valori varianti tra 2000 e 9000 cd m
Nel caso di un albedo, il tipico valore dellla luminanza è spesso il risultato da
applicare allla seguente espressione:
L a=
Eh r
dove:
La
illuminanza dell'albedo
Eh
illuminanza ricevuta per le superficie (100,000 lux per un cielo scoperto)
r
coefficiente di riflessione delle superficie (valori tipici di 0.2, o tanto alto come 0.7 in
superfici leggeri)
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2.4.1Cielo coperto
Nel caso di un cielo coperto, intermedio tra un cielo scoperto ed un cielo coperto, gli
ipotesi devono essere fatti con le situazione corrispondente riferiti nei casi
precedenti.
7. Valutazione della luce nell'architettura
Nella illuminazione naturale ci sono più variabilità nei fattori che generano l'ambiente
che nei sistemi di valutazione inesatti. I calcoli ci provvedono delle condizioni interne
in relazione con l'esterno che sappiamo cambiano. A causa di questo, i risultati sono
espressati come percentuale del livello esteriore, e sono chiamati fattori di luce diurna
(DF)
DF=
100 x Ei interior
Ee exterior
Il sistema di rappresentazione di luce possono essere derivati da valori di punto
per punto.
Usando la maglia di punti che rappresenta le premesse , “isolux” o “isoDF” le
curve possono essere disegnati collegando ponti di uguale iluminanza o valore
DF, per valori fissati ogni 50 o 100 lx, o ogni 2,5% o 10% DF. Queste curve,
simile a un mappa topografico, provvede una buona informazione nella
distribuzione della luce nello spazio.
Figura 4.12.- Software. Analisi approssimativo per illuminazione
I sistemi di calcolo di luce naturali appartengono alle seguenti categorie: metodi di
pre-dimensionamento, metodi del punto e calcolo esatto su ordinatore. Ci sono
inoltre valutazione
7.1. Metodo di pre-dimensionamento
Il risultato dato è l'illuminanza media di un piano di lavoro situato sopra il pavimento
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in un spazio interiore. La formulazione è la seguente:
E i=¿
dove:
Ei
illuminanza interiore, in lux
Ee
illuminanza esteriore sul plano orizzontale, in lux. 10,000 Ix (di un giorno nebuloso di
inverno), 100,000 Ix (di un giorno scoperto di estate)
Spas
area totale della superficie delle aperture, in m2
v\
fattore di apertura (angolo solido dalla apertura come una proporzione del totale del
angolo solido del cielo (2p), sul plano verticale = 0.5)
t
fattore di trasmissione delle superficie chiusi (normalmente < 0.7)
u
coefficiente di utilizzazione, o il rapporto tra il flusso raggiunto del plano illuminato ed
il flusso (valore di 0.2-0.65)
Si
Superficie d'area delle premesse, in m2
2.4Calcolo di punto per punto
Questo metodo calcola il risultato della illuminazione per ogni punto scelto, che
insieme formano una maglia metrica quadrata, e per ogni aperture, considerati come
superficie diffuse emittente. Le forme basiche applicati sono:
E=
I cos
d2
dove:
E
risultato della illuminazione, in lux
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I
intensità raggiunta al punto, in candele
?
angolo da dove la luce arriva da l'apertura
d
distanza dal centro della apertura al punto, in m
I =L SO
dove:
L
illuminazione dell'apertura, in cd m-2
SO
Area della superficie dell'apertura, in m2
L=
EO
dove:
EO
illuminazione emergente dall'apertura
E O=Ee vt
dove:
Ee
Illuminazione media esterna sul plano orizzontale , in lux
v
fattore di apertura, l'angolo solido del cielo visto dall'apertura come proporzione
dell'angolo del solido totale del fattore di trasmissione globale del cielo
t
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fattore globale di trasmissione delle superficie circondanti
2.4I Metodi di computer
Questi usano la potenzialità di calcolo del computer per integrare il risultato della luce
raggiunta in ogni punto delle aperture e la riflessione interiore simile. Infatti loro
applicano il sistema di punto per punto con tutte le interazioni necessarie per
ottenere una gran precisione.
2.4Metodi di valutazione usando modelli a scale
L'uso di modelli a scala in architettura per la valutazione della luce naturale ha una
lunga tradizione. Modelli fisici riproducono in miniatura l'edificio. La loro efficienza
risiede nel fatto, che il fenomeno radiante sono stabile a dispetto delle scale che
cambiano nello spazio, come conseguenza della lunghezza d'onda corta di luce in
paragone al formato degli spazi.
I modelli a scala permettono valutare la complessa configurazione delle forme
complesse che sono difficile riprodurre in modelli di computer, un ulteriore vantaggio
è che il risultato della luce disegnata nello spazio può essere visualizzato facilmente.
Il comportamento dell'edificio riguardo alla luce può essere esaminato da diversi
modi: usando il cielo reale o uno artificiale.
Tuttavia, un punto che dovrebbe essere considerato dai sistemi di valutazione, o
sono manuali o assistiti dal computer o usano modelli a scala, non sono sostitute,
dipendendo sopratutto dall'atteggiamento del progettista, che dovrebbe essere basati
nelle buone comprensione dei principi fisiche e fisiologico di luce e visione.
RIFERIMENTO
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