Dispense Di Illuminotecnica

5/13/2018 Dispense Di Illuminotecnica - slidepdf.com

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Dispense di IlluminotecnicaProf. Arch. Daniele Milone

Natura della luce La luce (dal latino, lux, lucis) è l'agente fisico che rende visibili gli oggetti.Si può dire che la luce sia la coscienza dell’esistenza della realtà. Il mondo esiste in quanto losentiamo,lo tocchiamo ma soprattutto lo vediamo. Eppure la luce non è tangibile. La luminosità, ilcolore e quindi l’apparenza delle cose sono solo l’effetto prodotto sulla retina da una particolare formadi energia nota con il nome di radiazione elettromagnetica.Ciò che realmente esiste è l’energia elettromagnetica, mentre la luce può essere definita un’invenzionedel sistema costituito dall’occhio-cervello che cattura l’energia radiante emessa in un determinatointervallo di lunghezze d’onda per trasformarla in sensazione visiva.Le onde elettromagnetiche sono una grande famiglia che comprende molte radiazioni, apparentemente

diverse, come le onde radio o hertziane, i raggi ultravioletti, gli infrarossi e i raggi X.Solamente una piccola parte delle radiazioni elettromagnetiche viene catturata dagli occhi e trasformatain immagini che ci permettono di conoscere ed interpretare la realtà che ci circonda.La luce quindi è energia raggiante. Si propaga nel vuoto in forma di onde elettromagnetiche o particelle, dette fotoni, alla velocità di circa 300.000 km/s.Le onde elettromagnetiche possono avere una lunghezza d’onda che va dal milionesimo di millimetrosino a decine di metri, ma solamente una piccola parte viene trasformata dal sistema visivo insensazione luminosa.Le onde radio, i raggi X e Gamma, i raggi cosmici sono anch’esse radiazioni elettromagnetiche, dellastessa natura della luce, ma non producono alcuna sensazione visiva sul nostro occhio.Alcune di queste radiazioni producono altri effetti, che possono essere benefici, come è il caso

dell’abbronzamento indotto da alcune radiazioni ultraviolette, ma anche dannosi, come è il caso dei processi degenerativi delle cellule provocati dai raggi X.Le radiazioni elettromagnetiche sono caratterizzate da tre parametri:

− velocità di propagazione nel vuoto;− lunghezza d’onda, ossia lo spazio percorso da un’onda per compiere un’oscillazione completa;− frequenza, ossia il numero di oscillazioni nell’unità di tempo.

Il primo è un dato costante per tutte le radiazioni, gli altri due sono variabili.Lo spettro delle radiazioni visibili non ha dei limiti ben precisi, in quanto la sensibilità dell’occhioumano varia da individuo a individuo.

Per questo motivo la sua estensione è stata fissata, per convenzione, nell’intervallo che va da 380 a 780nm (1 nm (manometro) = 1/1.000.000 m), confinato a sinistra dalle radiazioni ultraviolette (lunghezzad’onda inferiore a 380 nm) e a destra dalle radiazioni infrarosse (lunghezza d’onda superiore a 780nm).Lo spettro delle radiazioni visibili può essere a sua volta suddiviso in sei bande principali, ciascunacorrispondente ad una determinata sensazione cromatica:

380 - 436 nm: viola436 - 495 nm: blu495 - 566 nm: verde566 - 589 nm: giallo

589 - 627 nm: arancio



627 - 780 nm: rossoQueste radiazioni producono determinati effetti sul corpo umano che dipendono dalla lunghezzad’onda, dal tempo di esposizione e dalla quantità di energia irradiata.Gli UV-A (raggi ultravioletti) provocano l’abbronzatura favorendo l’affioramento della melaninacontenuta negli strati più inferiori dell’epidermide.Gli UV-B stimolano la produzione di melanina che poi viene fatta affiorare dagli UV-A.Gli UV-C sono quelli più dannosi, in grado di provocare lo sviluppo di forme tumorali.Queste radiazioni, emesse dal sole, raggiungono la Terra, ma sono filtrate ed eliminate del tuttodall’ozono presente negli strati più alti, impedendo l’insorgere di patologie letali sugli organismiviventi.Tutte le sorgenti luminose artificiali emettono radiazioni ultraviolette, in percentuale variabile aseconda della tecnologia di produzione della luce.L’esposizione prolungata agli UV-B può causare eritema (la normale scottatura da esposizione prolungata al sole) e congiuntivite. Sulle materie plastiche e pigmenti può provocare alterazioni della

struttura, screpolatura e scolorimento.Proprio per questi motivi vi sono particolari lampade che emettono radiazioni ultraviolette e chetrovano applicazione nella produzione industriale per simulare, in via sperimentale, gli effetti prodottisui materiali dall’esposizione prolungata, l’invecchiamento e per verificarne la resistenza.Alcune lampade normalmente utilizzate per l’illuminazione generale degli ambienti emettono elevatiquantitativi di radiazioni UV: è il caso delle lampade ad alogenuri. Per eliminare i pericoli di questeradiazioni è sufficiente utilizzare vetri trattati con opportuni strati filtranti applicati sull’apparecchio diilluminazione.

Effetto della luce sull’uomoCirca l’80% di tutte le impressioni sensoriali sono di natura ottica e necessitano della luce come veicolodi informazioni. Ciò dimostra la straordinaria importanza della luce per l’uomo. La luce non solotrasmette attraverso l’occhio le informazioni ai centri della vista che si trovano nel cervello; ma,attraverso una particolare ramificazione di nervi influisce altresì sugli organi di regolazione del sistemaneurovegetativo, che comanda l’intero ricambio e le funzioni dell’organismo.Si comprende in tal modo perché una buona luce non solo facilita le funzioni del vedere e delriconoscere, ma aumenta anche lo stimolo lavorativo ed il benessere fisico accrescendo la capacità diconcentrazione ed evitando la stanchezza precoce.La maggior capacità di attenzione che ne deriva fa diminuire il pericolo di incidenti. Soprattutto quellicausati da banalità (i cui effetti possono costituire un notevolissimo impedimento al buon svolgimentodel lavoro) regrediscono allorché viene migliorata l’illuminazione. L’effetto stimolante della luce simostra anche in attività che con questa hanno poco o nulla a che vedere. È stato possibile dimostrareche una buona luce promuove capacità di attenzione, di pensiero logico nonché sicurezza e velocità nelcalcolo. Aumentando l’illuminamento da 90 lx a 500 lx è risultato il seguente aumento delle prestazioni:

− capacità di attenzione 15%;− pensiero logico 9%;− sicurezza e velocità di calcolo 5%.

Migliorando le condizioni visive e diminuendo di conseguenza l’affaticamento ad esse legato, si ha (aseconda del tipo di lavoro) una notevole diminuzione degli errori e degli scarti.



Questi effetti derivati da una migliore qualità dell’illuminazione comportano in un’azienda un aumentoveramente sorprendente delle prestazioni lavorative. L’aumento del livello di illuminamento è particolarmente vantaggioso per le persone anziane, poiché la necessità di luce aumenta con l’età.La differenza nella necessità di luce per la medesima prestazione visiva tra una persona giovane ed unaanziana è però, con elevati illuminamenti, inferiore che non con bassi livelli; con una buonailluminazione sussistono condizioni di lavoro equilibrate per giovani e vecchi. Infatti mentre unanziano di 60 anni per ottenere la stessa prestazione visiva di un giovane di 20 anni a 100 lx necessitadi un illuminamento doppio, a 900 lx necessita soltanto un illuminamento di circa il 20% superiore.

L’illuminotecnicaLo sviluppo dell’illuminotecnica è venuto insieme con quello delle sorgenti luminose artificiali. La progettazione della quantità e della qualità della luce in modo tecnico, programmato e non empirico èrecente, anche se in realtà già con la cultura barocca, si può parlare di illuminotecnica, in quanto il

legame esistente tra architettura e luce, intesa come elemento scenografico è molto profondo.Si tratta, però, in questo caso, di un’illuminotecnica intuitiva, legata all’esperienza acquisitadall’artista-architetto e alla sua sensibilità. Del resto anche altre discipline estremamente tecniche,come la statica e la scienza delle costruzioni, vengono sviluppate nei loro fondamenti teorici solamentein tempi recenti.Lo sviluppo sempre più intenso delle sorgenti luminose con la conseguente realizzazione di una gammaestremamente ampia di apparecchi di illuminazione hanno contribuito a trasformare una componentemarginale del progetto in una disciplina completamente autonoma affrontata da specialisti.L’illuminotecnica deriva i suoi principi fondamentali e le grandezze in gioco dalla fotometria,disciplina che studia la luce in funzione dello stimolo prodotto sull’occhio umano.La realizzazione di un progetto d’illuminazione richiede un bagaglio di conoscenze di carattere nonsolo tecnico. In ogni caso, la lettura di un catalogo di sorgenti luminose, la scelta corretta del tipo diapparecchio di illuminazione da utilizzare in funzione dell’atmosfera luminosa da realizzare e l’analisidei costi di gestione di un impianto, richiede la conoscenza di alcuni fondamentali concetti di base.

Le grandezze della luceQueste sono le grandezze fondamentali da conoscere:

a) flusso luminoso; b) intensità luminosa;c) illuminamento;d) luminanza.

a) Flusso luminoso - Simbolo: φ - Unità di misura: lumen (lm)Questa grandezza indica la quantità di energia luminosa emessa nell’unità di tempo (1 secondo) da unasorgente. Per energia luminosa si intende, per convenzione, quella emessa nell’intervallo da 380 a 780nm. Per le lampade la normativa IEC prevede che la misurazione del flusso luminoso emesso vengaeffettuata dopo 100 ore di funzionamento.

b) Intensità luminosa - Simbolo: I - Unità di misura: candela (cd = lm / sr)Indica la quantità di flusso luminoso emessa da una sorgente all’interno dell’angolo solido unitario(steradiante) in una direzione data.Una sorgente luminosa puntiforme emette radiazioni della stessa intensità in tutte le direzioni, quindi ilsuo flusso luminoso si propaga uniformemente come generato dal centro di una sfera.



Le sorgenti luminose artificiali non emettono luce in modo uniforme in tutte le direzioni dello spazio,quindi a seconda della direzione considerata si può avere una intensità diversa. Un sistema pratico per visualizzare la distribuzione della luce emessa da una sorgente nello spazio consiste nel rappresentarele intensità luminose come vettori applicati nel medesimo punto, come raggi uscenti dal centro di unasfera.I cataloghi degli apparecchi di illuminazione riportano spesso le curve fotometriche ossia le sezioni delsolido fotometrico sui due piani principali, ortogonali tra loro, intersecati per l’asse di simmetria erotazione.La conoscenza della curva fotometrica è molto importante in quanto in base ad essa è possibileverificare che l’apparecchio di illuminazione scelto distribuisca la luce nel modo richiesto.

c) Illuminamento - Simbolo: E - Unità di misura: lux (lx = lm / m²)È il rapporto tra il flusso luminoso ricevuto da una superficie e l’area della superficie stessa. In altre parole indica la quantità di luce che colpisce un’unità di superficie.

d) Luminanza - Simbolo: L - Unità di misura: candela / m² (cd / m²)È il rapporto tra l’intensità luminosa emessa da una superficie in una data direzione e l’area apparentedi tale superficie. L’area apparente è la proiezione della superficie su un piano normale alla direzioneconsiderata. In pratica indica la sensazione di luminosità che si riceve da una sorgente luminosa primaria o secondaria. (Si dice sorgente primaria un corpo che emette direttamente radiazioni; si dicesorgente secondaria un corpo che riflette le radiazioni emesse da una sorgente primaria).È importante avere ben chiara la differenza esistente tra illuminamento e luminanza. Se la primagrandezza indica la quantità di luce, emessa da una sorgente, che colpisce la superficie considerata, laseconda indica la sensazione di luminosità che riceviamo da questa superficie; ciò vuol dire che su duesuperfici, una bianca e l’altra nera, possiamo avere lo stesso valore di illuminamento, ad esempio 500

lux, ma la sensazione di luminosità ricevuta, e quindi la luminanza, sarà completamente differente, inquanto quelle due superfici riflettono la luce in modo diverso. Nella progettazione illuminotecnica ènecessario conoscere adeguatamente le une come le altre. L’efficacia di un progetto di illuminazione èil risultato ottenuto dallo sviluppo di due differenti analisi:

− quantitativa, data dalla determinazione del numero di sorgenti luminose e loro posizionamento;− qualitativa, data dalla scelta del tipo di luce più adatto a svolgere una determinata attività e dallasua distribuzione nello spazio.

La luce non è sempre uguale. Può essere più o meno bianca, fredda oppure calda. I colori delle coseappaiono differenti, variando il tipo di sorgente luminosa utilizzata. Per giudicare e classificare le

lampade da un punto di vista qualitativo vengono utilizzati due parametri molto importanti:

e) temperatura di colore;f) indice di resa dei colori.

e) Temperatura di colore

La temperatura di colore, espressa in Kelvin (K)1, è un parametro utilizzato per individuare ecatalogare, in modo oggettivo, il colore della luce di una sorgente luminosa confrontata con la sorgente

1 La temperatura assoluta è basata sul Kelvin. La temperatura di fusione del ghiaccio (valore di 273,2 K) corrisponde a0 gradi centigradi.



campione (corpo nero). Dire che una lampada ha una temperatura di colore pari a 3000 K, significa cheil corpo nero, a questa temperatura, emette luce della stessa tonalità.Le sorgenti luminose sono suddivise in tre gruppi, a seconda della temperatura di colore:

− da 3000 a 3500 K : colore bianco caldo;− da 4000 a 5000 K : colore bianco neutro;− da 5500 a 7000 K : colore bianco freddo.

La temperatura di colore non deve essere confusa con l’indice di resa dei colori, in quanto la primaindica il colore della luce emessa, ma non ci dice nulla riguardo la sua capacità di rendere i colori.

f) L’indice di resa dei colori

Esprime l’effetto prodotto da una sorgente luminosa sull’aspetto cromatico di un oggetto confrontatocon quello ottenuto per effetto di una sorgente luminosa campione di pari temperatura di colore.La sorgente campione, a rigore il corpo nero, è in pratica un metallo, al quale viene somministrata unaquantità di calore crescente, portandolo all’incandescenza.Aumentando la sua temperatura, cambierà di colore passando dal rosso cupo fino all’azzurro, passando per il bianco. L’illuminazione è legata profondamente al colore dei materiali.Una superficie appare di un determinato colore, ad esempio il rosso, perché riflette le lunghezze d’ondacorrispondenti al rosso assorbendone le rimanenti.Un vetro trasparente colorato appare di un determinato colore perché si lascia attraversare dallelunghezze d’onda relative a quel colore mentre assorbe o riflette tutte le rimanenti.Se nello spettro di emissione della sorgente incidente non sono presenti le lunghezze d’onda delmateriale osservato, il suo colore sarà alterato.È quindi importante per avere una buona resa dei colori che nello spettro di emissione della sorgenteluminosa siano presenti tutte le lunghezze d’onda, ciascuna con valori quantitativi equilibrati.

Caratteristiche ottiche dei materialiUn raggio di luce che colpisce una superficie viene riflesso, diffuso, assorbito o trasmessomodificandosi per intensità, direzione e verso in funzione delle caratteristiche fisiche del mezzointercettato.Le caratteristiche ottiche dei materiali nei confronti della luce incidente sono espresse con i fattori diriflessione, trasmissione ed assorbimento.La riflessione può essere speculare, diffusa oppure mista. Si dice “speculare” quando il raggio nonviene modificato in intensità e l’angolo di riflessione è uguale a quello incidente.

Si dice “diffusa” quando il raggio incidente viene modificato in una serie di raggi di minore intensitàuniformemente distribuiti con angoli di riflessione diversi da quello incidente.Si dice “mista” quando sono presenti entrambi i tipi sopra descritti.In genere i materiali che si utilizzano nella realtà pratica presentano una riflessione di tipo mista, con prevalenza della componente diffusa o della componente speculare.

Il fattore di riflessione di una superficie è dato dal rapporto tra flusso luminoso riflesso e flussoluminoso incidente e può andare dal 3, 4% nel caso di una superficie molto scura e polverosa, fino al90% di una superficie liscia bianca.

Il fattore di trasmissione è dato dal rapporto tra flusso luminoso trasmesso e flusso luminoso incidente,

riferito ad un determinato spessore del materiale in esame.



Il vetro chiaro ha fattore di trasmissione tra 80 e 90%. Il vetro smerigliato ha fattore di trasmissione tra70 e 80%. Il vetro opalino ha fattore di trasmissione tra 55 e 70%. I suddetti dati variano, naturalmente,in relazione allo spessore del materiale, al tipo di lavorazione ed al tipo di composizione dello stesso.L’aria di montagna, non inquinata e quindi priva di particelle in sospensione, ha un fattore ditrasmissione estremamente prossimo al 100%, per spessori di qualche decina di metri. Il fattore ditrasmissione dell’intero strato di atmosfera che avvolge il pianeta è di circa il 30%.

Sorgenti luminose artificiali: tecnologia e funzionamentoLe lampade attualmente esistenti si dividono in tre gruppi principali, a seconda del principio utilizzato per produrre la luce:

− incandescenza;− scarica in gas;

− induzione.

La corrente elettrica nel primo caso rende incandescente un filamento metallico; nel secondo eccita unamiscela gassosa, nel terzo genera un campo elettrico.In tutti i casi viene provocata l’emissione di radiazioni, di cui solamente una parte visibile. La luce ècomposta da radiazioni con diversa lunghezza d’onda, ciascuna corrispondente ad un determinatostimolo visivo la cui somma dà luce bianca.Le lampade emettono radiazioni in modo differente, secondo il tipo di tecnologia utilizzata.Una sorgente ad incandescenza emette radiazioni luminose secondo uno spettro continuo, una sorgentea scarica secondo uno spettro discontinuo o a righe. Questo significa che, nel primo caso, nello spettrosono presenti tutti i colori, nel secondo alcune bande sono completamente assenti.

La conoscenza del flusso luminoso emesso da una lampada è un dato importante ma non sufficiente per conoscere le sue caratteristiche energetiche. Un’informazione più efficace si ottiene con l’efficienza

luminosa che si esprime in lumen/watt (lm/W) e che indica il rendimento di una sorgente luminosa,ossia la quantità di luce prodotta da una lampada per un watt di potenza elettrica assorbita dallalampada stessa o, con maggior esattezza, dal sistema lampada-alimentatore.L’alimentatore, può essere il trasformatore di una lampada a bassissima tensione, oppure il reattore diuna lampada a scarica; è un dispositivo elettromagnetico o elettronico che assorbe una certa quantità di potenza elettrica.Per verificare l’economicità di un impianto è necessario tener conto di questo autoconsumo che puòvariare anche sensibilmente, in funzione delle caratteristiche qualitative dei componenti utilizzati.Migliorare l’efficienza luminosa delle lampade è uno degli obbiettivi principali dei fabbricanti di

sorgenti luminose per fare fronte al continuo aumento del costo dell’energia elettrica.La tecnologia sviluppata in questi ultimi dieci anni ha consentito l’ottenimento di miglioramentisignificativi:l’efficienza luminosa delle moderne lampade a scarica è aumentata di circa trenta volte rispetto allavecchia lampada ad incandescenza con filamento di carbone realizzata da Edison.Ritornando alle tipologie delle sorgenti luminose possiamo affermare che soprattutto due sonoimportanti per l’illuminazione: le lampade ad incandescenza e le lampade a scarica.Le lampade ad incandescenza sono radiatori per temperatura come in natura è il sole. Parte del calore prodotto dalla lampada viene emesso sotto forma di luce.Le lampade a scarica invece sono radiatori per luminescenza come in natura è il fulmine. La luceemessa da queste lampade non è un sottoprodotto del calore, bensì è dovuta alla trasformazione diretta

dell’energia elettrica in energia luminosa.



Le lampade ad incandescenzaUn conduttore, percorso da corrente elettrica e posto in un ambiente privo di atmosfera si riscalda,diventa incandescente e non brucia, emettendo radiazioni in gran parte infrarosse, in piccola partevisibili ed in quantità ancor più ridotta ultraviolette.La quantità di luce emessa è tanto maggiore quanto più alta è la temperatura raggiunta. Questo è il principio che rende possibile il funzionamento della lampada ad incandescenza.A guardarla, una lampada ad incandescenza è ben semplice. Un filamento metallico all’interno di un bulbo in vetro dove è stato praticato il vuoto ed immesso un gas inerte, azoto, argo o cripto cheimpedisce al filamento di tungsteno di bruciare.Alla base della lampada, un attacco a vite, il cui nome è Edison, al quale sono saldate le due estremitàdel filamento, tutto qui. Basta avvitare la lampada, dare tensione, ed abbiamo la luce.Generalmente, la temperatura di funzionamento delle lampade ad incandescenza va da 2700 a 2900 K.La quantità di luce emessa dal filamento della lampada è direttamente proporzionale alla temperatura difunzionamento.

In ogni caso la lampada ad incandescenza è, e sempre rimarrà, una sorgente di luce a bassa efficienza,ciò vuol dire che solo una piccola parte della potenza elettrica assorbita viene trasformata in luce,mentre la maggior parte diventa radiazione infrarossa, invisibile all’occhio umano, ma percepita comecalore.Il tungsteno di cui è costituito il filamento di una lampada ad incandescenza, portato ad altatemperatura incomincia a sublimare, andandosi a depositare sulla superficie interna del bulbo in vetro.Questo fenomeno fisico è alla base dell’invecchiamento e della riduzione del flusso luminoso, inquanto il bulbo annerito lascerà passare una minor quantità di flusso ed il filamento, assottigliato acausa della sublimazione, si infragilisce e si spezza.Le lampade ad incandescenza sono realizzate in diversi formati, distinti per potenza e caratteristichefotometriche, oltre che per le diverse esigenze d’impiego.

Distinguiamo i seguenti tipi:− con bulbo trasparente;− con bulbo diffondente;− con riflettore incorporato.− per impieghi speciali (luminarie, semafori, frigoriferi, per illuminazione in serie);− per irradiazione.

Lampada ad incandescenza (Doc. OSRAM).a) Le lampade ad incandescenza con alogeni

Dalla volontà di migliorare le caratteristiche prestazionali della semplice lampada ad incandescenzanasce, negli anni sessanta, la lampada ad alogeni.Le prime versioni sono a tensione di rete e con elevata potenza, pensate per applicazioni in esterno.Bisogna attendere il 1972 per vedere la nascita delle lampade ad alogeni a bassissima tensione, cheapriranno la strada alla miniaturizzazione delle sorgenti luminose.Queste lampade sono state concepite in modo da evitare la progressiva perdita di luce causatadall’evaporazione del tungsteno che costituisce il filamento. Nel gas che riempie la lampada vengonoaggiunte piccole quantità di un alogeno (iodio, bromo) o di miscele di alogeni.Questi gas si uniscono al tungsteno evaporato e tornano a depositarlo sul filamento dove l’elevatissimatemperatura, liberando gli alogeni dal tungsteno, dà inizio a un ulteriore ciclo.Le lampade ad alogeni hanno migliori caratteristiche prestazionali rispetto alle tradizionali lampade adincandescenza:− la durata passa da 1000 a 2000, 3000 ore;



− l’efficienza giunge sino a 25 lm/W;− la temperatura di colore è più elevata, da 2900 a 3100 K a seconda dei tipi e si traduce in una luce più bianca e brillante;− le dimensioni estremamente ridotte del corpo luminoso, quasi puntiforme, permettono una miglioreutilizzazione della potenza luminosa ed un controllo ottimale del fascio luminoso.b) Le lampade ad alogeni nude e con riflettore incorporato

Le lampade ad alogeni a bassissima tensione sono commercializzate nelle due versioni a lampada nudao con riflettore incorporato. Nel primo caso possono essere utilizzate a vista oppure all’interno di apparecchi di illuminazione dotatidi riflettore per ottenere un fascio luminoso di determinata ampiezza. Nel secondo caso la lampada, essendo dotata di riflettore, dovrà essere scelta in funzione dell’ampiezzadel fascio luminoso e l’apparecchio di illuminazione nel quale andrà collocata ha la sola funzione di proteggerla e collegarla alla rete di alimentazione. Il riflettore può essere in alluminio oppure in vetrocon trattamento della superficie riflettente (dicroico, dal greco: “due colori”). Nel caso di quello realizzato in vetro si tratta di una parabola in quarzo opportunamente trattata conl’applicazione in alto vuoto di strati di ossidi selettivi a determinate lunghezze d’onda: gli ossidi sonoriflettenti alle radiazioni visibili, ma si lasciano attraversare dalla maggior parte della radiazioneinfrarossa. Ne consegue che la luce emessa dalle lampade ad alogeni con riflettore dicroico, o più brevementedicroiche, è una luce più fredda, sia dal punto di vista termico che cromatico, priva del 66% dellaradiazione infrarossa emessa da una lampada ad alogeni con riflettore in alluminio di pari potenza. Lampada alogena con riflettore incorporato (Doc. OSRAM).

2.6.2 Le lampade a scaricaLe lampade a scarica sono radiatori “a luminescenza”, a differenza delle lampade ad incandescenza(normali o ad alogeni), che sono radiatori “termici”.Mentre nelle lampade ad incandescenza la radiazione viene emessa per effetto dell’alta temperaturaraggiunta dal filamento, nelle lampade a scarica è provocata dagli urti reciproci di particelle, caricheelettricamente, di un gas o di un vapore.Una lampada a scarica è costituita da un tubo di materiale trasparente di elevata resistenza termica emeccanica, alle estremità del quale sono saldati due elementi metallici, detti “elettrodi”, a cui fannocapo i conduttori di alimentazione.L’elettrodo positivo è detto “anodo”, mentre l’elettrodo negativo è chiamato “catodo”. Nel tubo, preventivamente vuotato dell’aria atmosferica, viene introdotto un gas in quantità bendeterminata ed eventualmente una piccola quantità di un certo metallo.Le lampade a scarica hanno generalmente una durata assai più lunga delle lampade ad incandescenzaanche se abbisognano di una apparecchiatura ausiliaria per la limitazione della corrente e talvolta per ottenere una sicura accensione.Per scopi di illuminazione generale esistono i seguenti tipi di lampade a scarica:

a) lampade fluorescenti; b) lampade a vapori di mercurio;c) lampade a vapori di alogenuri;d) lampade a luce miscelata;e) lampade a vapori di sodio;f) lampade allo xeno;g) sistemi ad induzione.



a) Le lampade fluorescenti

Le lampade fluorescenti sono lampade a vapori di mercurio a bassa pressione; la scarica avviene in untubo di vetro rivestito all’interno con polveri fluorescenti.L’emissione di luce avviene soprattutto per trasformazione della radiazione ultravioletta emessa dallascarica in vapori di mercurio in radiazioni visibili per mezzo delle polveri fluorescenti.La scarica deve essere stabilizzata con un alimentatore (reattore). Per accendere la lampada ègeneralmente necessario preriscaldare gli elettrodi e fornire un colpo di tensione: questo si ottiene assaisemplicemente per mezzo di uno starter inserito in parallelo sulla lampada.Il maggior pregio di queste lampade è quello di avere bassa luminanza (intensità luminosa per unità disuperficie), il che rende possibile, molto frequentemente, di evitare l’abbagliamento senza ricorrere asuperfici diffondenti o schermanti interposte. Il flusso luminoso delle lampade fluorescenti dipende inmodo assai rilevante dalla temperatura-ambiente a cui funziona la lampada. La situazione ottimale si hatra i 20 e i 25 gradi centigradi. Quando la temperatura è inferiore o superiore, il flusso luminoso, econseguentemente l’efficienza, diminuiscono.

La durata delle lampade fluorescenti è molto elevata: 7500 ore di funzionamento, in media, per accensioni di tre ore di durata. Questi valori vengono di molto superati quando il funzionamentoavvenga con giusti valori di tensione, frequenza, corrente e temperatura e per accensioni menofrequenti.Il colore della luce delle lampade fluorescenti può venire ampiamente variato scegliendo le opportunesostanze fluorescenti. I colori della luce definiti in sede nazionale (UNI o CIE) sono suddivisi in tregruppi:

− colore 1: “luce diurna” con temperatura di colore 5500-7000 Kelvin;− colore 2: “luce bianchissima” con temperatura di colore 4000-5000 Kelvin;− colore 3: “tono caldo” con temperatura di colore 3000-3500 Kelvin.

Lampada fluorescente lineare∅ 16 mm (Doc. OSRAM).

b) Le lampade a vapori di mercurio

La radiazione prodotta dalla scarica in vapori di mercurio ad alta pressione è contenuta per la maggior parte nel campo del visibile.La scarica ha luogo in un piccolo tubo di quarzo protetto da un bulbo di vetro.Poiché lo spettro a righe della semplice scarica a vapori di mercurio porta ad una resa dei coloriinsoddisfacente, il campo dei colori spettrali mancanti, legati alle radiazioni rosse, viene completatoutilizzando una polvere fluorescente che riveste la parte interna del bulbo, la quale trasforma in luceuna parte della radiazione ultravioletta. Lo spettro si arricchisce così anche di luce calda.Il pieno flusso luminoso viene raggiunto dopo alcuni minuti di accensione. La lampada si riaccendenuovamente dopo un periodo di raffreddamento di diversi minuti.Le lampade a vapori di mercurio ad alta pressione sono disponibili in una vasta gamma di potenze cheva da 50 a 2000 W con flussi luminosi unitari che vanno da 2000 a 125.000 lm.La temperatura-ambiente ha un’influenza apprezzabile anche sulle lampade ad alta pressione per quanto riguarda l’accensione.Per l’innesco delle lampade a scarica sono infatti necessarie due condizioni:un dispositivo (nella pratica può essere incorporato nella lampada o montato esternamente) che provocal’innesco della scarica (per es. mediante il riscaldamento degli elettrodi, archi ausiliari, impulsi ditensione, ecc.);



una tensione a vuoto del sistema di alimentazione di valore tale da mantenere la scarica provocata daldispositivo di innesco così da raggiungere il regime e mantenerlo e tale da superare il picco di tensionedi riaccensione della lampada ad ogni semionda.Le lampade a vapori di mercurio hanno tradizionalmente due grandi campi di applicazione:l’illuminazione industriale e quella stradale. Per il primo campo di impiego offrono diversi vantaggicome la semplicità del circuito di alimentazione, la concentrazione di flussi luminosi elevati in sorgentidi piccole dimensioni, la possibilità di utilizzazione in apparecchi con fascio di luce concentrato. Nell’illuminazione stradale i vantaggi sopra indicati risultano ancora più importanti, soprattutto laconcentrazione del flusso, che consente di ridurre il numero dei centri luminosi e quindi di ridurrefortemente le spese di installazione, dato l’elevato costo dei sostegni.Lampada a vapori di mercurio (Doc. OSRAM).c) Le lampade a vapori di alogenuri

Le lampade a vapori di alogenuri sono nate dal tentativo di migliorare la resa dei colori e l’efficienzaluminosa delle lampade a vapori di mercurio. fondamentalmente la costruzione è analoga. Il tubo di

scarica (di quarzo) contiene, però, oltre al mercurio e all’argo, che serve da gas di innesco (ossia ha lafunzione di rendere possibile l’innesco dell’arco a freddo quando le altre sostanze contenute nel tubo discarica sono condensate) anche altri elementi.Tutte le lampade ad alta pressione (al mercurio, al sodio, ad alogenuri) richiedono un certo tempo per essere riaccese dopo che, per qualsiasi motivo, sono state spente. Normalmente questo tempo è dialcuni minuti per la lampada di piccola potenza e può arrivare fino a 15 - 20 minuti per le lampade di potenza oltre i 1000 W.Questo avviene perché l’accenditore o comunque il dispositivo d’innesco è predisposto per accenderela lampada quando la sua pressione interna è quella che si ha a freddo. A caldo, invece, la pressioneinterna del tubo di scarica può essere anche dieci volte superiore a quella che si ha a freddo, per cui ilsistema di innesco non riesce ad accendere la lampada.

Queste lampade si adattano all’illuminazione di locali di grandi dimensioni (al chiuso e all’aperto) doveè richiesta una perfetta resa dei colori e dove si vogliono realizzare forti risparmi di energia elettrica,come grandi magazzini, supermercati, sale conferenze, palestre, palazzi dello sport.Esse risultano particolarmente adatte anche all’illuminazione delle grandi aree all’aperto, ad usoindustriale,campi sportivi, posteggi, garantendo un notevole risparmio energetico.

d) Le lampade a luce miscelata

Le lampade a luce miscelata sono un prodotto ibrido basato sulla tecnologia delle lampade a vapori dimercurio, a cui viene aggiunto un filamento ad incandescenza in serie al tubo di scarica.Le lampade così realizzate presentano una luce detta appunto miscelata con una componente a spettro

continuo tipica del filamento ad incandescenza.Il vantaggio delle lampade miscelate sta nella loro facilità d’uso, dovuta al fatto che non è necessarioalcun tipo di ausiliario elettrico (sostituito dal filamento interno alla lampada), per cui risulta possibileconnettere la lampada su un comune attacco Edison.L’efficienza e la durata di vita delle lampade a luce miscelata sono fortemente condizionate dalla presenza del filamento che inoltre le rende abbastanza sensibili alle variazioni della tensione, per cui nerisulta conveniente l’applicazione in quei contesti dove la facilità d’uso è più importante degli aspettieconomici.La forte quantità di luce e la temperatura di colore più elevata rispetto alle lampade a filamento, hannocreato una notevole diffusione di queste lampade per l’illuminazione residenziale (giardini, garage,ecc.).



e) Le lampade a vapori di sodio

Le lampade a vapori di sodio sono costituite essenzialmente da un tubo di scarica, ripiegato a U orettilineo, alle estremità del quale sono montati due elettrodi: il tubo contiene sodio metallico, neon exeno o una miscela di entrambi i gas e, in certi tipi, anche mercurio; il tubo di scarica vero e proprio èalloggiato a sua volta in un bulbo di protezione.La luce delle lampade a bassa pressione è gialla e monocromatica, per cui tutti gli oggetti esposti allaloro luce appaiono di colore giallo più o meno intenso.Rispetto alle altre sorgenti luminose l’efficienza luminosa è decisamente più elevata; in particolarel’efficienza massima la si ottiene quando la lampada funziona ad una ben determinata temperatura.Le lampade a vapori di sodio richiedono un tempo iniziale d’accensione di alcuni minuti, però di solito,dopo le interruzioni di corrente, si riaccendono subito, o con un ritardo minimo.Per le loro particolari caratteristiche, l’impiego delle lampade a vapori di sodio a bassa pressione èconsigliabile dove occorre raggiungere un alto grado di visibilità con immagini a contorni molto netti e precisi e senza fenomeni di aberrazione cromatica, purché non sia necessaria la distinzione dei colori.

La resa dei colori, per quanto scarsa, è sufficiente praticamente per tutti gli impieghi dell’illuminazionestradale ordinaria, per cui possono essere convenientemente impiegate non solo per l’illuminazione in punti critici, ma anche dove si voglia disporre di una luce abbastanza gradevole.Possono inoltre essere impiegate anche nell’illuminazione industriale sia di interni che di esterni, purché la resa dei colori non abbia molta importanza.Lampada a vapori di sodio a bassa pressione (Doc. OSRAM).

f) Le lampade allo xeno

La luce delle lampade allo xeno è caratterizzata da una distribuzione dell’energia nello spettro praticamente identica a quella della luce diurna e non è influenzata dalle oscillazioni della tensione direte.

La resa dei colori è eccellente e corrisponde in tutto a quella della luce naturale. Le lampade siaccendono istantaneamente e raggiungono immediatamente la piena emissione luminosa.Queste lampade richiedono, per il loro funzionamento, un alimentatore e un accenditore.

g) I sistemi ad induzione

I sistemi di illuminazione ad induzione utilizzano una tecnologia rivoluzionaria in cui l’energia ad altafrequenza viene indotta in un gas di mercurio ad alta pressione mediante una spirale a induzione. Inquesto processo si associano due tecniche ben note: la scarica in gas e l’induzione elettromagnetica.Il principio della scarica in gas utilizza la prerogativa che hanno gli atomi di alcuni elementi metallicidi ionizzarsi sotto l’effetto di un campo elettrico dando luogo all’emissione di radiazioni ultraviolette.Quando queste ultime colpiscono una superficie coperta da uno strato di polveri fluorescenti

determinano, a loro volta, l’emissione di radiazioni visibili. In un sistema d’illuminazione ad induzione,la ionizzazione degli atomi è realizzata grazie ad un campo elettromagnetico indotto da una correnteelettrica ad alta frequenza che circola in un’apposita bobina.Tre componenti principali sono necessarie per il funzionamento del sistema: il bulbo entro cui avvienela scarica in gas, la bobina-antenna, il generatore elettronico, il cavo coassiale di collegamentoall’antenna.In sintesi nel sistema a induzione la luce viene generata a seguito del seguente processo: il generatoreelettronico collegato alla bobina-antenna crea all’interno del bulbo un campo elettromagnetico cheaccelera gli elettroni presenti nel bulbo stesso e ne provoca la collisione con gli atomi di mercurio.A seguito di tali collisioni una parte degli atomi di mercurio viene ionizzata e vale a mantenere lacorrente di scarica mentre la restante parte viene eccitata per cui emette radiazioni ultraviolette. Tali



radiazioni, dopo aver colpito lo strato di polveri fluorescenti che rivestono la superficie interna del bulbo, vengono trasformate in radiazioni comprese nello spettro visibile.I filamenti e gli elettrodi tradizionali, fattori che normalmente costituiscono le principali cause diriduzione della durata della lampada nei sistemi di illuminazione tradizionali, sono assenti in questo processo.E’ per questo motivo che le lampade a induzione sono caratterizzate da una durata eccezionale (circa60.000 ore di funzionamento pressoché prive di manutenzione).Le prestazioni sopraelencate rendono questo sistema particolarmente adatto per i luoghi in cui èdifficile accedere agli apparecchi di illuminazione e dove la sostituzione delle lampadine costituisceun’operazione costosa e pericolosa. Ne sono alcuni esempi le stazioni, i centri commerciali, gli aeroporti, le gallerie, le insegne luminose, lestrade, i ponti, i tralicci.

Gli apparecchi di illuminazioneGli apparecchi illuminanti svolgono tre funzioni principali:

− controllano il flusso luminoso della lampada e lo dirigono nelle direzioni desiderate;− evitano l’abbagliamento, schermando completamente la lampada nella direzione di osservazione eriducendo la sua luminanza ad un valore tollerabile;− proteggono le lampade da danneggiamenti di carattere meccanico o chimico, garantiscono lasicurezza elettrica funzionale e quella contro i contatti accidentali (scosse elettriche).

A seconda della distribuzione del flusso luminoso, gli apparecchi illuminanti vengono suddivisi incinque gruppi, che realizzano i seguenti tipi di illuminazione: diretta, semi-diretta, mista, semiindiretta,

indiretta.

Il rendimento ottico di un apparecchio d’illuminazione è determinato dal rapporto tra il flusso luminosoche esce dall’apparecchio illuminante e il flusso emesso dalla o dalle lampade funzionanti senzaapparecchio.La suddivisione degli apparecchi illuminanti con riferimento alla loro sicurezza avviene secondo tipi eclassi di protezione. Questi tipi e classi sono in corso di definizione sia in sede internazionale sia insede nazionale.Gli elementi di controllo impiegati per convogliare e schermare la luce costituiscono le parti attivedegli apparecchi d’illuminazione. Essi sono:

− i riflettori, che consentono di proiettare al di fuori dell’apparecchio due fasci di luce sovrapposti, provenienti l’uno direttamente dalla lampada, l’altro riflesso da una superficie a sezione circolare, parabolica, ellittica, iperbolica ecc., denominata appunto riflettore. Il più delle volte essi realizzano leripartizioni desiderate senza ricorrere all’impiego di altri elementi di controllo;− i rifrattori, che si impiegano quando il solo riflettore non è sufficiente per controllare il flusso incorrispondenza della superficie di emissione. Essi sfruttano un fenomeno che va sotto il nome di“riflessione totale interna” e consistono generalmente in coppe o pannelli lisci da una parte e dotati di prismi conici o piramidali sull’altra;− i diffusori, attraverso i quali si può aumentare la dimensione apparente della sorgente in modo daridurre la luminanza della lampada. Essi sono costruiti con vetro opale o plastiche opportunamentetrattate (ad esempio polistirene, acrilico): talvolta sono realizzati con carta pergamenata o con stoffe;



− gli schermi, che possono essere interni oppure esterni all’apparecchio d’illuminazione. Essi siidentificano con deflettori, lamelle, nidi d’ape, alette o altro e fungono da recuperatori di flusso o dadispositivi antiabbagliamento;− i filtri, impiegati in alcune applicazioni particolari, possono essere in vetro oppure in plastica,colorati oppure anti-UV/IR. Sono impiegati per ottenere luce colorata o per filtrare le componentispettrali nocive quando si illuminano materiali deteriorabili;− le lenti, con le quali è possibile concentrare, diffondere o sagomare l’impronta luminosa econseguentemente modificare il solido fotometrico uscente dall’apparecchio. Nella costruzione degli apparecchi illuminanti le superfici riflettenti sono impiegate tutte le volte cheoccorre intercettare una parte del flusso luminoso della lampada ed a concentrarlo in una direzionediversa da quella di emissione.Il loro campo di impiego è perciò molto vasto andando dalle comuni apparecchiature per lampade adincandescenza e fluorescenti, ai riflettori e ai proiettori veri e propri con le più moderne lampade ascarica in vapori metallici.Per le superfici riflettenti degli apparecchi illuminanti si ricorre generalmente ai seguenti materiali:

− vetro argentato;− alluminio trattato;− lamiera di ferro smaltata o verniciata.

Il vetro argentato, pur avendo proprietà riflettenti superiori a quelle degli altri materiali citati, non èattualmente utilizzato su larga scala per il suo peso, la sua fragilità e la tendenza ad alterarsi sottol’azione del calore e degli agenti atmosferici. Notevole diffusione ha viceversa raggiunto, in questi ultimi anni, l’impiego della lamiera in alluminio;

questo materiale, poco adatto a causa della scarsa resistenza agli agenti atmosferici, si è progressivamente imposto grazie al moltiplicarsi e al perfezionarsi dei procedimenti di trattamentosuperficiali.L’impiego della lamiera di ferro smaltata a caldo o verniciata a fuoco è ancora diffuso nella costruzionedei riflettori diffondenti; essa presenta una sufficiente resistenza agli agenti atmosferici, unita però a unnotevole peso e una certa facilità a scheggiarsi o rigarsi.a) Zumtobel , design Corona, Wilmotte; b) Saturn, design Foster & Partners.

I sistemi a condotti otticiTra i sistemi di illuminazione figurano quelli basati sulla conduzione o trasporto della luce. Sidistinguono dai sistemi analizzati per la separazione fisica tra l’apparecchiatura in cui è installata la

sorgente luminosa (chiamata comunemente illuminatore o generatore) e le componenti che eroganonell’ambiente la luce, componenti terminali dei condotti ottici.L’illuminatore contiene una lampada, che può essere a ioduri metallici o alogena a bassa tensione, edelle parti ottiche le quali concentrano i raggi luminosi sulla sezione del condotto. In alcuni casil’illuminatore può anche essere costituito da un captatore o collettore della luce naturale.Tra questi due elementi la luce è trasportata in canali, tubi, condutture, guide, fibre o, con terminegenerale, in condotti ottici. Data questa separazione è opportuno rimarcare che nei condotti non transitaenergia elettrica, ossia non c’è differenza di potenziale elettrico, ma solo energia sotto forma diradiazioni luminose.Le tipologie dei condotti ottici sono:



− condotti costituiti da materiali solidi o liquidi quali vetro, quarzo, tecnopolimeri, gel conformati (nelcaso dei materiali solidi) a cilindro di piccolo diametro (nell’ordine delle frazioni di millimetri),filiformi e flessibili, raggruppati in fasci; ogni piccolo condotto così costituito fa capo da una parteall’illuminatore, dall’altra ad una componente terminale ottico-meccanica;− condotti che si presentano come elementi tubolari cavi o pieni, con sezioni di varia forma (circolare,quadrata, rettangolare), andamento lineare o curvilineo, dimensione trasversale di alcuni centimetri, lecui pareti sono costituite con pellicole micro-prismatizzate (elementi cavi), ovvero conformate in modotale da riflettere e diffondere le radiazioni luminose (elementi pieni).

Nel primo caso i condotti sono comunemente chiamati fibre ottiche, nel secondo canali o guide di luce.Il termine generale per entrambe è, come si è detto, condotti ottici.Il primo dato che cambia riguarda le dimensioni. I sistemi a fibre ottiche sono in genere più piccoli ehanno ambiti di utilizzo assai vasti. Si possono illuminare micro-spazi in condizioni climatiche estre29me, ma si può anche portare la luce in guisa di fili luminosi, su facciate e fronti di edifici per altezze didecine e decine di piani.Le guide di luce si prestano anch’esse per un’ampia gamma di applicazioni, in ambienti interni edesterni.Il sistema è più semplice, ma presenta generalmente ingombri maggiori. Dal punto di vistailluminotecnico, con i sistemi a fibre abbiamo una pluralità di piccole fonti luminose puntiformi da cuisono emessi fasci luminosi di determinate ampiezze, con i sistemi a guide l’elemento emettitore èsostanzialmente un diffusore di luce.La radiazione luminosa all’interno della fibra si comporta nel seguente modo: un raggio di luce penetrando nel piccolo cilindro con una inclinazione data, se non risulta perfettamente parallelo all’assedel tubo, andrà a colpire la superficie del condotto cambiando due volte direzione, in entrata e in uscita,tornando poi a propagarsi nell’aria. In pratica all’interno del cilindro la radiazione avrà un percorso azig-zag poiché essa subirà una riflessione totale ogni qualvolta incontrerà le pareti del condotto.In questo modo la luce “viaggia” anche se, di volta in volta, si potranno avere delle dispersioni dovutea delle impurità che alterano localmente l’indice di rifrazione.Questi dispositivi possono essere usati, oltre che come conduttori, anche come diffusori di luceintroducendo ad arte queste impurità nei condotti.Sfruttando il principio delle continue riflessioni, quindi, il condotto può essere, in un caso, sfruttato per trasportare energia luminosa dalla sorgente ad un luogo di utilizzazione; in un altro diventerà essostesso luminoso.Consideriamo ora quali concreti vantaggi offrono questi sistemi rispetto a quelli tradizionali basati sunormali apparecchi di illuminazione. I vantaggi più consistenti discendono dalla caratteristicafondamentale indicata all’inizio: la separazione tra la fonte luminosa e i punti di erogazione della luce,

e sono così sintetizzabili:

− i condotti ottici consentono di illuminare ambienti dalle dimensioni anche molto ridotte (microspazi) oppure ambienti in cui siano presenti elementi o sostanze particolari (acqua, umidità, acidi, gas,vapori, sostanze infiammabili, inquinanti e corrosive) in assenza di campi elettrostatici,elettromagnetici e di effetti termici;− si dimostrano adatti per illuminare oggetti con superfici sensibili alle radiazioni UV e IR (in particolare le opere d’arte e i manufatti artigianali) data la prerogativa di filtrare tali radiazioni;− previo un accurato lavoro di progettazione, essi si integrano con elementi costruttivi, architettonici odi arredo diventando parti di questi da sottoporre a minime e localizzate (principalmentenell’illuminatore) operazioni di manutenzione, incrementando il loro grado di sicurezza d’uso;



− sono infine facilmente riutilizzabili e riciclabili nell’ambito di altre possibili integrazioni conun’ampia gamma di componenti e accessori, di tipo ottico e meccanico, costituenti i sistemi.

Introduzione al progetto dell’impianto di illuminazioneIl progetto dell’impianto di illuminazione ha lo scopo di determinare il numero, i tipi e le posizionidegli apparecchi da installare in un ambiente, tenendo conto delle caratteristiche del locale, di ognispecifica esigenza dell’utenza e degli aspetti di economicità, igiene, funzionalità ed eleganza. Il calcoloilluminotecnico, che verrà affrontato dettagliatamente nel capitolo finale, è ormai sempre piùfrequentemente condotto per via informatica; comunque in questo paragrafo si mettono in evidenza irequisiti fondamentali che vengono analizzati per realizzare il progetto dell’impianto di illuminazionecon il metodo tradizionale.

a) Valore di illuminamento

Una buona progettazione deve prima di tutto prefiggersi lo scopo di garantire in ogni ambiente il giustolivello di illuminamento. I valori di illuminamento da adottare sono in relazione al tipo di atti30 vità prevista nell’ambiente e sono influenzati dal potere di assorbimento e di riflessione del flusso luminosoda parte dei materiali presenti nell’ambiente e dal loro colore.L’illuminamento è inversamente proporzionale alla distanza della superficie illuminata: in altre parolel’illuminamento della superficie da parte della sorgente luminosa è tanto minore quanto più è grande ladistanza della sorgente dalla superficie.Lo sviluppo dell’elettronica applicata all’illuminazione sta modificando profondamente i tradizionalicriteri di progettazione degli impianti.Attraverso dispositivi elettronici e sistemi computerizzati di controllo è possibile variare il flussoluminoso emesso dai vari tipi di lampade adattandolo (e, se necessario, programmandolo nel tempo) al

livello di illuminamento più indicato negli ambienti soggetti a funzioni complesse.Il progetto dell’impianto di illuminazione viene dunque condotto tenendo conto del massimo livello diilluminamento previsto, affidando poi ai sistemi di controllo la funzione di modulare il flusso emesso.Per regolare il flusso luminoso si impiegano potenziometri elettronici azionati da pulsanti oppure davariatori di intensità luminosa (dimmer) eventualmente collegati a cellule fotoelettriche che modulanol’intensità luminosa in funzione della quantità di luce proveniente dall’esterno.

b) Tonalità della luce

Determinato il valore di illuminamento in funzione del locale da illuminare occorre determinare latonalità più adatta per le specifiche caratteristiche dell’ambiente. Le fonti luminose, sia naturali cheartificiali, emettono luce di diversa tonalità a seconda della distribuzione spettrale della radiazione

emessa dalla fonte. Nella luce diurna sono presenti in misura pressoché uniforme tutti i colori dello spettro luminoso, dal blu al rosso, dalla cui miscela deriva un colore bianco neutro.Le lampade a incandescenza sono invece caratterizzate da una emissione molto bassa verso il blu e progressivamente crescente verso il rosso, da cui deriva un colore giallastro, che viene percepito comecaldo.Ogni altro tipo di lampada offre un particolare spettro, la cui conoscenza è importante per la progettazione dell’illuminazione artificiale di un ambiente: negli ambienti particolarmente accoglientisi preferisce ricorrere a sorgenti di luce con prevalente emissione verso il rosso mentre negli ambientidove occorre luce brillante e impersonale si utilizzano lampade con spettro luminoso simile a quellodella luce diurna.



La tonalità della luce viene valutata attraverso la temperatura di colore. Le tonalità calde sono preferibili per bassi valori di illuminamento, mentre per quelli più elevati sono preferibili le tonalitàfredde.

c) Indice di resa cromatica

Nella scelta del sistema di illuminazione, specialmente nei locali destinati ad attività particolari,occorre tener conto del fatto che tutte le fonti luminose alterano il reale colore degli oggetti. Ogni tipodi lampada è infatti contraddistinta, oltre che da una propria temperatura di colore, da uno specificogrado di resa del colore.Fissato convenzionalmente pari a 100 l’indice di assoluta fedeltà di resa cromatica riferito allelampade, la resa del colore delle fonti luminose, cioè il colore che si ottiene sugli oggetti, può essereclassificata secondo un’apposita tabella.

d) Indice del locale k

L’indice del locale è un coefficiente, solitamente indicato con k, che tiene conto delle dimensioni dellocale da illuminare e dell’altezza della sorgente luminosa rispetto al piano da illuminare (piano dilavoro).

e) Fattori di riflessione, utilizzazione e manutenzione

Il fattore di riflessione è dato dal rapporto tra flusso luminoso riflesso e flusso luminoso incidente suuna superficie (soffitto, pareti e piano di lavoro).Il fattore di utilizzazione di un apparecchio per illuminazione è un coefficiente che viene fornito dallecase costruttrici mediante apposite tabelle. Esso viene ricavato per via sperimentale e indica il rapportotra il flusso luminoso che giunge sulla superficie da illuminare (flusso luminoso utile) ed il flussoemesso dall’apparecchio.

Il fattore di manutenzione è il rapporto tra l’illuminamento prodotto da un apparecchio dopo un certo periodo e quello dello stesso apparecchio nuovo. Esso tiene conto della perdita di flusso luminoso chesi verifica a causa dell’invecchiamento delle lampade e dell’insudiciamento dell’apparecchio e viene dinorma fornito dalle ditte costruttrici. Anche la riduzione della capacità di riflessione delle paretiinfluisce sul fattore di manutenzione.BUONAILLUMINAZIONEResa dei coloriDistribuzione delleombreLimitazione

dell’abbagliamentoDirezione della luceDistribuzione delleluminanzeLivello diilluminazioneTonalità della luce



ILLUMINARE CON LA LUCE DEL SOLE

Una parte importante dell'energia che arriva dal sole sulla terra è disponibile sotto forma di energia

luminosa sia diretta che riflessa dalla volta celeste e costituisce la cosiddetta luce naturale. Sindall'antichità gli architetti hanno cercato di sfruttare la luce naturale all'interno degli ambienti di vita edi lavoro, realizzando finestre, porte, atri e porticati. La scoperta della lampadina, e quindi di unasorgente di luce artificiale capace di competere per intensità con la luce naturale, ha fatto sì che questafonte fosse dimenticata dai progettisti, in particolare negli ultimi cinquanta anni. È frequente oggil'esperienza di trovarsi all'interno di edifici totalmente illuminati durante il giorno con luce artificiale. Nonostante queste tendenze progettuali predominanti, l'uso della luce naturale per l'illuminazione degliinterni di un edificio (tra gli addetti ai lavori indicato anche con il nome di "daylighting") hacominciato da più di qualche anno ad essere rivalutato per l'illuminazione di grossi edifici pubblici ecommerciali. Inoltre la disponibilità di nuovi strumenti di analisi nella progettazione, che consentono diconoscere in dettaglio il comportamento energetico dell'edificio prima della costruzione, e di nuovi

materiali e tecnologie, quali "vetri intelligenti" e i materiali isolanti trasparenti, capaci di regolarne econtrollarne l'entità dei flussi luminosi e termici, costituiscono un'altra forte spinta all'utilizzodell'illuminazione naturale. A livello mondiale ci sono ormai centinaia di esempi di applicazioni delle più moderne tecniche di illuminazione naturale. Questo speciale è stato realizzato con il determinantecontributo di Patricia Ferro della nostra redazione.

CHE COSA È L'ILLUMINAZIONE NATURALE O DAYLIGHTINGLo studio e la progettazione dell'illuminazione naturale o "daylighting" comincia con lo studio del percorso del sole durante il giorno e nei vari periodi dell'anno. La luce solare diretta e quella diffusadalla volta celeste hanno caratteristiche diverse e pertanto richiedono una diversa considerazione nelcorso della progettazione dell'illuminazione naturale degli ambienti interni. Questa può essere ottenuta

facendovi penetrare la luce essenzialmente in tre modi:• attraverso il soffitto "Toplighting"• le pareti laterali "Sidelighting"• portando la luce all'interno dell'edificio attraverso dei veri e propri condotti o ricorrendo ad atrii e

cortili "Corelighting".Queste tre tecniche sono state applicate in misura diversa in tutte le epoche. Ciò che distingue ilmoderno "daylighting" da quello di appena un decennio fa, è che oggi disponiamo, in primo luogo, dinuovi strumenti di analisi e simulazione in grado di prevedere il comportamento "luminoso" di unedificio dalle prime fasi della progettazione. Questi strumenti sono particolarmente efficaci se vengonoapplicati in edifici di grosse dimensioni nei quali fino al 75% dell'illuminazione diurna può essereottenuta con l'uso della luce naturale. Inoltre, nel moderno daylighting disponiamo di nuovi materiali e

componenti che consentono la realizzazione di grandi superfici vetrate compatibilmente con un buoncomportamento termico dell'edificio. Ad una maggiore illuminazione naturale corrisponde anche unariduzione della luce artificiale e pertanto del condizionamento necessario a smaltire il calore immessodalle lampade. Infine è stato dimostrato che l'illuminazione con la luce naturale è in grado di assicurarelivelli di benessere agli utenti superiori a quelli ottenibili negli edifici illuminati artificialmente.

APPLICAZIONI E PROGETTAZIONE DEL DAYLIGHTINGLe nuove tecniche di illuminazione naturale sono particolarmente utilizzate nella progettazione diambienti che hanno un uso prevalentemente diurno, come uffici, scuole, edifici commerciali, industrialie ospedali, per i quali l'entità dei consumi energetici derivanti dall'illuminazione artificiale ne rende piùevidenti i vantaggi economici. Le moderne tecniche di daylighting vengono anche applicate negli

edifici di abitazioni essenzialmente per ragioni estetiche e di benessere. Le caratteristiche principali che



rendono preferibile la luce naturale a quella artificiale sono il suo rendimento nella percezione delcolore e le variazioni nel tempo di colore, contrasto e luminanza (brillanza luminosa) di ogni superficie,caratteristiche che non possono essere simulate da nessun tipo di sorgente artificiale. Inoltre il flussoluminoso solare incidente, ad esempio in un m2 di finestra, è dell'ordine di alcune decine di migliaia dilumen (unità di misura del flusso luminoso), quanto basterebbe, se opportunamente distribuito, adilluminare varie decine di metri quadrati di superficie di lavoro (i livelli di illuminazione richiesti sul piano di lavoro vanno da un minimo di 100 lumen/m2 per le aree di servizio ad un massimo di 1.500lumen/m2 per le attività di alta precisione).Il flusso luminoso all'interno dell'edificio varierà a secondadel posto in cui si trova l'edificio stesso, l'ora del giorno, il periodo dell'anno, le condizioni climatichedel luogo, da come l'edificio è circondato nelle immediate vicinanze (presenza di ostruzioni naturali oartificiali) e dall'indice di riflessione delle superfici interne ed esterne. Per ottenere buoni livelli dicomfort visivo (ambienti in cui la ricezione dei messaggi visivi non è disturbata), è necessarioassicurare buoni livelli di comfort luminoso all'interno degli spazi e quindi è importante effettuareun'accurata valutazione dei rapporti fra luminanze degli oggetti che entrano nel campo visivo, cercando

di stabilire un giusto equilibrio fra la luminanza dell'obbiettivo immediato, e lo sfondo in modo daottenere il contrasto necessario ad una buona visione. Da evitare assolutamente è il cosiddettofenomeno di abbagliamento, situazione creata dalla presenza nel campo visivo di superfici o punti conluminanza molto superiore a quella a cui l'occhio è abituato.

TECNICHE DI ILLUMINAZIONE NATURALE O DAYLIGHTING

Illuminazione dall'alto / "Toplighting"

La luce naturale può essere introdotta all'interno di un edificioattraverso il tetto con l'inserimento nello stesso di lucernari (fig.1),cupolini, shed (fig.2), ecc. In fase di progettazione è necessaria una

particolare attenzione al fatto che la luce incidente su una superficieorizzontale è tre volte superiore a quella incidente su una superficieverticale; inoltre in estate, essendo la luce quattro o cinque voltemaggiore che in inverno, può provocare effetti di surriscaldamento efenomeni di abbagliamento indesiderati se non accuratamentecontrollata da schermi o superfici riflettenti. Una netta distinzione bisogna fare tra la superficie vetrata e la superficie vetrataeffettivamente illuminata, poiché, ad esempio, aggiungendo unaggetto ad un vetro inclinato la superficie effettivamente illuminatasarà quella riportata sulla verticale. Si può comunque stimare che lasuperficie necessaria ad illuminare correttamente lo spazio

sottostante si aggira intorno al 15 al 20% della superficiedell'ambiente, considerando un doppio vetro trasparente.

Illuminazione laterale / "Sidelighting"

Si può migliorare notevolmente l'illuminazione naturale entrantedalle finestre attraverso una serie di soluzioni innovative, che hannoin comune l'idea di deviare una parte del flusso luminoso incidenteverso il soffitto, in modo da alterare il percorso naturale finestra- pavimento ed indirizzare la luce in profondità nell'ambiente. Traquesti elementi: davanzali e mensole riflettenti o "lightshelves"(fig.3), elementi orizzontali che vengono inseriti nella parte inferiore

della finestra o al di sopra del livello della vista e la cui superficie



superiore è rivestita con materiali altamente riflettenti in modo dadeviare la radiazione luminosa all'interno dell'ambiente; frangisoleriflettenti regolabili (fig.4) che orientano la luce diretta del sole eanche quella diffusa all'interno degli ambienti. I frangisole possonoanche essere verticali ed indirizzare la luce diretta all'internosoprattutto quando gli angoli solari sono piccoli e cioè durante le prime ore mattutine e nel tardo pomeriggio. Nel "Sidelighting" èimportante anche prevedere l'utilizzo di dispositivi diombreggiamento, che permettono di bloccare o regolare il passaggiodella luce all'interno degli spazi. Essi possono essere interni odesterni o essere inseriti all'interno di un componente finestra. Esempidi dispositivi esterni sono: frangisole (fig.5), aggetti, gelosie, persiane o tende esterne. I dispositivi interni più comuni sono letende (fig.6), che hanno il vantaggio di essere facilmente regolabili

dall'utente a seconda delle sue necessità sia per motivi diriservatezza che di disagio luminoso. Infine, buoni indici diombreggiamento si ottengono anche con lamelle regolabiliall'interno di un doppio vetro.

Illuminazione all'interno / "Corelighting"

È possibile portare la luce all'interno di un edificio realizzando nelcentro dello stesso atri (fig.7), cortili o chiostrine con superficie adelevato indice di riflessione. Questi spazi, aumentano notevolmentela superficie laterale illuminata dell'involucro, ma comportano unaumento del volume dell'edificio, dei costi e delle dispersioni di

calore in inverno. Le dispersioni possono essere diminuite attraversola copertura dei suddetti spazi con elementi trasparenti, creando uncosiddetto "spazio tampone" e cioè uno spazio con una temperaturamaggiore rispetto a quella esterna. Inoltre gli spazi tampone possonoessere molto gradevoli come luoghi di incontro e di passaggio seconvenientemente attrezzati con della vegetazione. Naturalmente ilflusso luminoso entrante dalle aperture diminuisce andando verso i piani bassi. Il problema può in parte essere risolto progettando unlitrium (light+atrium) (fig.8) e cioè un atrio la cui superficiedecresce con la quota, in modo da garantire più luce ai pianiinferiori. Ci sono poi i condotti di luce (fig.9), dove la luce del sole

raccolta da eliostati (specchi controllati da dispositivicomputerizzati) o concentrata per mezzo di specchi o lenti èconvogliata verso l'interno dell'edificio attraverso condotti rivestitiall'interno di materiali molto riflettenti in modo da contenere le perdite dovute alle molteplici riflessioni. Infine, un sistema moltoinnovativo è quello di far arrivare la luce naturale all'interno con lefibre ottiche (fig.10).

ILLUMINAZIONE NATURALE CON LE FIBREOTTICHEUn sistema a fibre ottiche è in genere costituito da una serie di lenti



di Fresnel che filtrano la luce solare captata da un eliostato che, grazie ad una cellula fotosensibile, unmotore ed un minicomputer, è in grado di seguire il sole dall'alba al tramonto. La luce solare, filtratadalle lenti subisce un processo di aberrazione cromatica, per cui a causa della diversità di lunghezzad'onda, luce ultravioletta, luce visibile e luce infrarossa vanno a posizionarsi ad una distanza diversadalle lenti. La fibra ottica, collocata ad una opportuna distanza trasmette soltanto la luce visibile nei punti luce fissati dal progettista. La luce trasmessa, in quanto priva di radiazione ultravioletta edinfrarossa, è quindi particolarmente adatta per l'illuminazione di aree sensibili a tali radiazioni.L'applicazione dei sistemi con fibre ottiche dipendono fondamentalmente dalla disponibilità diradiazione solare. poiché sono sistemi relativamente costosi da installare è conveniente il loro utilizzosolo in zone molto soleggiate. Si può comunque sostituire la luce del sole con una lampada durante igiorni coperti. Sono tra i dispositivi più complessi dal punto di vista meccanico. Un sistema del tiposopra descritto, è stato sviluppato in Giappone ed è attualmente commercializzato in Italia.

INTEGRAZIONE TRA LUCE NATURALE E ARTIFICIALE

Un'importante riduzione dei consumi elettrici negli edifici può essere conseguita anche attraverso larazionalizzazione nella gestione e nell'uso dell'illuminazione artificiale, tramite l'automatizzazione dellaregolazione del controllo degli impianti e la disposizione degli elementi di illuminazione in fasce parallele alle finestre. In questo modo si potranno prevedere distinti regimi di accensione per le varielampade a seconda delle necessità dell'utenza.

NUOVI MATERIALI PER IL DAYLIGHTINGLe tecniche di illuminazione naturale possono avvalersi oggi di una seriedi nuovi materiali sviluppati negli ultimi anni. Tra questi:a) i panelli prismatici (fig.11), realizzati con vetro, policarbonato,

materiale acrilico o poliestere, di diverse forme geometriche,deviano i raggi solari a seconda dell'angolo d'incidenza con cui sonocolpiti;

b) i film olografici (fig.12), pellicole sottili, che applicate ad unafinestra, diffrangono la luce, indirizzando il flusso luminoso verso un punto preciso oppure riflettendo la luce indesiderata. Un solo strato può contenere delle "istruzioni" per quattro angoli diversi;

c) i materiali isolanti trasparenti (TIM) (fig.13), caratterizzati da alteresistenze alla trasmissione del calore, consentono la diffusione dellaradiazione solare ed impediscono la penetrazione dei raggiabbaglianti per le loro caratteristiche direzionali di riflessione. Essiconsistono in un materiale solido trasparente di bassissima densitàche per via della sua fragilità deve essere rinchiuso tra due lastre divetro o materiale plastico anch'esso trasparente. La conduttanza diuna finestra con i TIM è di circa 1,2 W/m2 °K mentre un finestracon doppi vetri è di 5 W/m2 °K. Inseriti negli elementi di chiusuraverticale e soprattutto al posto del vetro singolo o doppio, i TIM possono migliorare nettamente le prestazioni luminose interne di unedificio;

d) i materiali cromogenici, costituiti da una struttura multi-stratorealizzata con materiali ad alta tecnologia che hanno la capacità divariare le proprie caratteristiche di trasmissione ottica, ed in particolare la trasmittanza, al variare della radiazione solare



incidente (fotocromici), della temperatura (termocromici) o all'applicazione di un campo elettricoesterno (elettrocromici);

e) i microreticoli riflettenti (fig.14), griglie tridimensionali di 16 mm di spessore la cui superficie èricoperta da un sottile strato di alluminio puro altamente riflettente integrate in una doppia lastra divetro isolante;

f) i rivestimenti a comportamento angolare selettivo, costituiti da pellicole di poche decine di microndi spessore che vengono applicate sulla superficie dei vetri. Le pellicole hanno la proprietà dimodificare il valore di trasmittanza del vetro a seconda dell'angolo di incidenza della radiazionediretta.

IL DAYLIGHTING IN EUROPA E IN ITALIA Negli ultimi anni l'Unione Europea ha finanziato numerosi progetti nel campo dell'illuminazionenaturale negli edifici, tra cui programmi di simulazione luminosa degli ambienti interni attraverso fontisia naturali che artificiali; la realizzazione di una guida pratica per l'integrazione di nuove tecnologie diilluminazione naturale in edifici del settore terziario in Europa; la realizzazione di un atlante delterritorio europeo dell'illuminazione naturale con i dati necessari per la progettazione del daylightingcon programmi di simulazione; la caratterizzazione delle proprietà luminose dei materiali trasparenti etraslucidi innovativi attraverso prove di laboratorio con strumenti sofisticati e prove in loco; larealizzazione di un programma di calcolo delle proprietà termiche e luminose di componenti finestra elo studio di nuove tecnologie per le finestre del futuro come materiali cromogenici, materiali isolantitrasparenti, film olografici e griglie riflettenti. Queste ultime, ad esempio, sono state successivamenteapplicate con ottimi risultati nella copertura del centro per mostre e convegni a Linz, costruitorecentemente e progettato da Thomas Herzog. Un altro esempio di moderno daylighting è la ScuolaSuperiore a Valongo do Vouga Agueda in Portogallo, dove le aule con finestre rivolte a sud sono statedotate di "lightshelves", mentre altre aule ricevono luce naturale tramite condotti solari, provvisti dasuperfici interne altamente riflettenti, mentre altre ancora la ricevono direttamente da lucernari verticalidotati di dispositivi per l'oscuramento del lato nord o sud a seconda della stagione. Un interessanteintervento è stato effettuato da Costantino Dardi alla fine degli anni '80 nel Palazzo delle Esposizioni diRoma, edificio costruito a fine ottocento e di grande rilievo storico. Nelle aree espositive sono stateaperti dei grandi lucernari che consentono l'illuminazione naturale delle sale, graduata attraverso unaserie di schermi regolabili. In Italia, ricerche sul daylighting vengono effettuate presso l'IstitutoUniversitario di Architettura di Venezia, dove si lavora prevalentemente sui modelli di simulazione e,in collaborazione con la Stazione Sperimentale del Vetro di Murano (VE), nello studio delcomportamento termico e luminoso di sistemi vetrati. L'Università di Firenze studia l'illuminazionenaturale con le fibre ottiche mentre presso il Dipartimento di Energetica dell'Università di Torino, silavora sulla validazione dei modelli di simulazione, modelli in scala e misure acquisite in campo.Ricerche sul daylighting sono anche in corso presso le Università di Napoli, Padova e Roma I e RomaIII e la Conphoebus di Catania. I laboratori dell'ENEA e l'Istituto Elettrico Nazionale Galileo Ferrarisdi Torino, studiano la caratterizzazione dei materiali trasparenti e misurano le prestazioni delletrasmittanza, della riflettanza, del fattore di guadagno solare e l'effetto cromatico dei vetri.

I COSTI DEL DAYLIGHTING Negli Stati Uniti, valutazioni di tipo economico, effettuate di recente su un edificio progettato ecostruito adottando estesamente tecniche di daylighting, hanno dimostrato che il costo complessivodell'edificio aumenta soltanto dell'1% rispetto ad un edificio realizzato con tecniche convenzionali. Sitratta di una scuola situata nel North Carolina costruita nel 1994, di circa 45.000 m2.I sistemi didaylighting hanno comportato un costo aggiuntivo di 230.000 dollari, ma allo stesso tempo una



riduzione dei costi per i sistemi di condizionamento e di illuminazione per 115.000 dollari. Inoltre,l'investimento effettuato nel daylighting sarà ripagato in meno di un anno e la spesa energetica ridottaal 40% rispetto a quella sostenuta da altre scuole dello stesso tipo nella stessa zona. Sempre nel NorthCarolina è stato valutato che una scuola di dimensioni medie (circa 40.000 m2), nella quale siano stateadottate tecniche di daylighting, è possibile risparmiare agli attuali costi dell'energia circa 40.000dollari all'anno. Si stima che per 100 kWh utilizzati per l'illuminazione elettrica, è necessarioaggiungere altri 30kWh alla bolletta per il condizionamento dell'aria. Un nuovo edificio per uffici,sempre negli Stati Uniti è stato progettato ad atri e dotato di "lightshelves", interventi questi che hannoconsentito di risparmiare il 75% di energia elettrica rispetto agli uffici della sua categoria. Ma il verorisparmio è stato quello della diminuzione dell'assenteismo, che è calato del 15% con ottime ricadutesulla produttività. Un risultato simile è stato rilevato in un centro commerciale, dove le zone di venditasituate sotto i lucernari hanno avuto molte più vendite da quelle illuminate esclusivamente con luceartificiale.

MODELLI DI SIMULAZIONE LUMINOSA Negli ultimi anni sono stati sviluppati numerosi programmi per computer che simulano ilcomportamento sia dell'illuminazione naturale che di quella artificiale. Tra questi i programmi Naturel,Genelux e Serilux, sviluppati nell'ambito dell'UE, e i programmi Radiance, Lumen Micro, Superlite,Daylite, Dalite e TRNSYS sviluppati negli Stati Uniti, nonché Ecotect.

LA LUCE DEL SOLE PER DECORARE GLI EDIFICI Opere d'arte e decorazioni che utilizzano la luce del sole, in particolare il suo spettro, sono staterealizzate in varie parti del mondo sia in forma temporanea, come la mostra di Peter Erskine,

organizzata da ISES Italia nel 1992 a Roma presso i Mercati di Traiano, sia in forma permanente inedifici e strutture di interesse pubblico e commerciale. Gli esempi più numerosi si trovano negli StatiUniti: Aeroporto Internazionale di Nashville (Tennessee), ad opera dell'artista D.Eldred; NationalRadio Astronomy Laboratory, Socorro (New Mexico), J. Saad Cook; Real Goods Solar Living Center,Ukiah (California), P. Erskine; Piazza of Americas in Dallas (Texas) e Harvard Business SchoolChapel, Boston (Massachussets), C. Ross; Parco di Juelich (Germania), Cristallo Solare, Jurgen Claus.



COLORIMETRIAIl colore non è una grandezza fisica, ma una qualità della sensazione visiva e come tale è un'entità puramente soggettiva ed incomunicabile. Persone diverse che guardano lo stesso oggetto, basandosi sudifferenti esperienze e riferimenti, esprimono il colore dell'oggetto con diverse parole hanno unadifferente percezione del colore.

La percezione del colore

è definibile come un'impressione di colore soggettiva, condizionata dalla situazione di osservazione efrutto di un'interpretazione mentale. Ciò sembrerebbe negare a priori ogni possibilità di misurare ilcolore.Tuttavia persone diverse possono in generale essere d'accordo circa le uguaglianze di colore, cioèconvenire che radiazioni caratterizzate da distribuzioni spettrali diverse appaiono cromaticamenteuguali.

La sensazione di colore

è un'esperienza soggettiva dovuta lla stimolazione dei fotorecettori dell'occhio (coni visionetricromatica) da parte di una radiazione elettromagnetica visibile; essa prescinde però da ognielaborazione e condizionamento mentale. Scopo della colorimetria è dunque quello di stabilire unacorrispondenza univoca tra radiazioni visibili e sensazioni di colore e quindi definire un modellomatematico in base al quale la sensazione dei colori possa essere misurata, ossia possa essereindividuata con dei numeri.

Colorimetro:

Strumento in grado di fornire un'indicazione quantitativa del colore misurato e pertanto di rilevaredifferenze di colore anche piccole e di esprimerle sotto forma numerica.

Una classificazione rigorosa dei colori risulta importante in numerosi settori applicativi:·produzione etrasmissione di immagini a colori illuminazione di musei, pinacoteche, riproduzione in ambitoindustriale dei colori: controllo qualità con un colorimetro



PERCEZIONE DEL COLORELa differenza tra percezione del colore e sensazione di colore non riguarda soltanto l'aspetto

psicologico, ma riguarda anche la complessità delle condizioni di osservazione. La percezione delcolore cambia al variare delle seguenti condizioni.

Differenze di sorgenti illuminanti

Le sorgenti luminose sono caratterizzate ciascuna da un diverso spettro di emissione diversi tipi diilluminazione (luce solare, lampade a scarica di gas, lampade ad incandescenza) fanno apparire dicolore diverso lo stesso oggetto.

Una stessa mela illuminata con luce solare a sinistra ed a destra con una luce ad incandescenza assumetonalità di colore visivamente molto diverse.

Differenze di osservatore

La sensibilità di ciascun individuo è leggermente differente:la vista di una persona cambia con l'età;anche per soggetti che si considera abbiano una "normale"visione del colore possono esistere delleinclinazioni verso il rosso o il blu lo stesso oggetto apparirà di colore diverso ad osservatoridiversi.

Differenze di dimensioni

I colori che ricoprono vaste superfici tendono ad apparire più luminosi e vivaci rispetto ai colori chericoprono aree più piccole: effetto area. La scelta di oggetti aventi un'ampia area basandosi su campionidi piccole dimensioni può produrre un effetto visivo diverso da quello previsto (es. tappezzeria).

Differenze di sfondo

Se un oggetto è posto davanti a uno sfondo luminoso apparirà più cupo rispetto a quando è postodavanti a uno sfondo scuro: effetto contrasto.

Differenze di direzioneGuardando un oggetto da differenti angolazioni, può capitare che un punto appaia più chiaro o piùscuro. Certi prodotti per la colorazione possiedono infatti caratteristiche fortemente direzionali (es. ilfattore di riflessione ρλ delle vernici metallizzate delle automobili è funzione della direzione) per una precisa comunicazione del colore l'angolo di osservazione di un oggetto e l'angolo di illuminazione

devono essere costanti.



SENSAZIONE CROMATICALa sensazione di colore provata da un osservatore dipende dalla distribuzione spettrale delle radiazioni

incidenti sul suo occhio, siano esse riflesse da una superficie o provenienti direttamente da una sorgenteluminosa.1) Se la radiazione incidente sull'occhio proviene direttamente da una sorgente luminosa, il colore dellasorgente osservato dipende solo dalla distribuzione spettrale della luce emessa.Osservazione:. • Una sorgente luminosa caratterizzata da uno spettro di emissione costante nel campo delvisibile appare bianca.. La radiazione emessa prende il nome di luce bianca di eguale energia.

. • Una sorgente luminosa monocromatica appare di un certo colore.

Esempio: λ = 0.5 μm la sorgente appare verde λ = 0.7 μm la sorgente appare rossa

2) Se la radiazione incidente sull'occhio è riflessa dalla superficie di un oggetto, lo spettro delleradiazioni che giungono all'osservatore, e quindi il colore dell'oggetto osservato, dipende sia dallacomposizione spettrale della luce incidente sull'oggetto sia dal fattore di riflessione spettrale ρλ dell'oggetto stesso.



Come si possono descrivere le differenze cromatiche esistenti tra due sfere rosse?

Una sensazione cromatica può essere classificata in base a tre attributi: tinta, saturazione, luminosità.



Tinta

La tinta è generalmente legata alla lunghezza d'onda dominante e individua il colore con cui vienedescritta una sorgente luminosa o un oggetto illuminato (rosso, verde, blu,…). La continuità delle tintegenera la ruota dei colori (figura 1)

Saturazione

La saturazione è legata alla vivezza di un colore. Se la saturazione di una tinta è intensa il colore risultafortemente caratterizzato (vivo), se invece è debole il colore tende ad essere poco caratterizzato e cioèacromatico (grigio). I colori sono grigiastri vicino al centro e diventano sempre più vivi allontanandosida esso in direzione orizzontale (figure 2 e 3).

Luminosità

La luminosità è legata alla luminanza della sorgente emettente

o della superficie illuminata. Le tinte appaiono cioè più scure o più chiare all'osservatore in relazionealla luminanza della superficie osservata. La luminosità cambia in direzione verticale, aumentandoverso l'alto e diminuendo verso il basso.

Rappresentazione attraverso un solido tridimensionale dei tre attributi della sensazione cromatica. Tinta→ cerchio esterno Saturazione → raggio orizzontaleLuminosità → asse verticale La colorimetria provvede ad una classificazione in termini quantitativi deitre attributi della sensazione cromatica.



CENNI SULLA TEORIA TRICROMATICASulla retina sono presenti due tipi di cellule nervose:

coni visione a colori (fotopica)bastoncelli visione in bianco e nero (scotopica)Si possono individuare tre tipi di coni sensibili a tre colori dello spettro: rosso, verde, blu ( colori primari).Dalla eccitazione in diverse proporzioni dei tre tipi di recettori deriva la percezione di tutta la gammacromatica (visione tricromatica). La sensazione di colore, prodotta da un fascio di radiazioni aventedistribuzione spettrale qualsiasi, deriva quindi dalla sintesi additiva di tre luci monocromatiche,corrispondenti alle radiazioni assorbite dai tre tipi di coni alle lunghezze d'onda del rosso del verde edel blu. Tale modo di funzionamento dell'occhio umano costituisce la base della teoria tricromatica: lasensazione di colore prodotta da una radiazione luminosa avente distribuzione spettrale qualsiasi vienedefinita mediante un modello matematico.

L'esperienza fondamentale della colorimetria consiste nello studio delle condizioni in cui duesensazioni cromatiche siano indistinguibili tra loro per l'osservatore medio.

Si illumina la porzione A di una superficie completamente riflettente (ρλ = 1) medianteuna sorgente di luce policromatica C.

N.B.: Superficie completamente riflettente (ρλ = 1) lo spettro della radiazione riflessadalla superficie è uguale a quello della radiazione emessa dalla sorgente.

Si illumina la porzione Z, appartenente alla stessa superficie e prossima ad A, mediante

tre sorgenti monocromatiche R, V, B agenti contemporaneamente.



R, V, B sono sorgenti luminose monocromatiche (sorgenti primarie) che emettono rispettivamentenella regione dei rossi, dei verdi e dei blu (λ R ≠ λ V ≠ λ B).Regolando opportunamente i flussi luminosi φ(λ R), φ(λ V), φ(λ B), emessi dalle sorgenti primarie, è possibile ottenere da parte dell'osservatore medio giudizi di equivalenza cromatica tra le due porzioniilluminate.Sorgenti primarie C.I.E. (1931) (Comité International de l'Eclairage)Rosso λ R = 0.7000 µmVerde λ V = 0.5461 µmBlu λ B = 0.4358 µm

Chiamiamo colore Kappa la sensazione cromatica prodotta dalla porzione A di schermo illuminatadalla luce proveniente dalla sorgente policromatica C, equivalente a quellaottenuta per sintesi additivadei flussi luminosi φ(λ R), φ(λ V), φ(λ B) emessi dalle sorgenti monocromatiche R, V, B.

Per quantificare la sensazione cromatica, si introducono unità particolari dei colori primari, dette unitàtricromatiche di rosso [R], di verde [V] e di blu [B].Le unità tricromatiche corrispondono a flussi luminosi [lm].Un colore Kappa può essere ottenuto per sintesi additiva dei tre colori primari:

Kappa R [ R ] + V [ V ] + B [ B ] (*)ove R, V, B sono il numero di unità tricromatiche dei tre colori primari che devono essere miscelatesulla porzione Z dello schermo per ottenere la stessa sensazione prodotta dal colore Kappa sulla porzione A.La (*) rappresenta la I legge di Grassmann e deve essere intesa nel seguente modo:una certa sensazione cromatica Kappa equivale (risulta cioè cromaticamente indistinguibile) alla

sensazione cromatica prodotta da una miscela compostada R unità tricromatiche [R] di primario rosso,da V unità tricromatiche [V] di primario verdeda B unità tricromatiche [B] di primario blu.

Le quantità R, V, B sono dette componenti cromaticheo valori del tristimolo.Indicando con [K] l'unità tricromatica del colore Kappa e con K il numero di tali unità si può scriverel'espressione matematica della 1° legge di Grassmann:K [ K ] = R [ R ] + V [ V ] + B [ B ]L'unità tricromatica [K] è definita per convenzione in modo tale che risulti:

K = R + V + BBisogna stabilire quanto valgono le unità tricromatiche [R], [V], [B].Si assume per convenzione che un'unità tricromatica di colore bianco di uguale energia [W] si ottengamescolando eguali quantità delle unità primarie e cioè 1/3 di unità tricromatica [R], 1/3 di unitàtricromatica [V] e 1/3 di unità tricromatica [B]:

Sperimentalmente si osserva che per ottenere una sensazione cromatica equivalente a quella prodotta dauna sorgente di colore bianco di eguale energia è necessario miscelare flussi luminosi dei colori primaririspettivamente proporzionali ai seguenti valori:



Sono state quindi definite le seguenti corrispondenze normalizzate CIE tra flussi luminosie unità tricromatiche:

1 unità tricromatica di rosso [R] = 1.0 lm1 unità tricromatica di verde [V] = 4.5907 lm1 unità tricromatica di blu [B] = 0.0601 lm

N.B. Per ottenere sperimentalmente la stessa sensazione cromatica prodotta da un'unità tricromatica dicolore bianco di eguale energia è necessario miscelare i seguenti flussi luminosi dei colori primari:

Sistema colorimetrico RVB o RGB (red, green, blue):

un qualunque colore Kappa può essere identificato mediante le tre componenti cromatiche R, V, B.Sistema XYZ normalizzato CIE (1931)Il Sistema XYZ normalizzato CIE è stato ottenuto dal quello RGB mediante la seguente trasformazionematematica:

X = 2,7689 R + 1,7519 G + 1,1302 BY = 1,0000 R + 4,5907 G + 0,0601 BZ = 0,0000 R + 0,0565 G + 5,5945 B

Il colore Kappa può essere identificato nel sistema XYZ mediante le tre componenti cromatiche

X, Y, Z:

K* [ K* ] = x [ x ] + y [ y ] + z [ z ]Ove [ x ], [ y ], [ z ] sono le unità tricromatiche dei campioni primari nel sistema xyz.L'unità tricromatica [K*] è definita per convenzione in modo tale che risulti:K*= X + Y + Z

N.B.

Le sorgenti primarie X, Y, Z sono diverse da R, V, B e non possono essere costruite fisicamente.Per calcolare le componenti cromatiche X, Y, Z, ossia per quantificare il colore Kappa, si utilizzano le funzioni colorimetriche

Le funzioni colorimetriche rappresentano, al variare di λ , le componenti cromatiche X, Y, Z diradiazioni luminose monocromatiche caratterizzate da un flusso energetico unitario.Considerando una radiazione luminosa, emessa da una sorgente monocromatica di lunghezza d'onda λ

e area A, caratterizzata da un flusso energetico ϕ(λ ) = 1 W, risulta: L'andamento della funzionecolorimetrica coincide con quello del fattore di visibilità dell'occhio umano Vλ per la visione fotopicala componente cromatica Y esprime, a meno della costante Kmax, il flusso luminoso emesso dallasorgente.



Le tre componenti cromatiche X, Y, Z consentono dunque di misurare la sensazione globale prodottada una luce, cioè sia la sensazione visiva (tramite la componente Y) sia la sensazione cromatica.1° legge di Grassmann K* [ K* ] = x [ x ] + y [ y ] + z [ z ]L'unità tricromatica del colore Kappa, risulta quindi:

Introducendo le seguenti quantità, dette coordinate cromatiche:

L'unità tricromatica [K*] del colore Kappa (qualità cromatica) può quindi essere individuata mediantedue sole coordinate cromatiche, ad es. x e y.



Il numero di unità tricromatiche K* del colore Kappa è proporzionale al flusso luminoso:

. spazio colorimetrico Yxy (CIE 1931): Y = misura della sensazione visiva (quantità)

. luminosità x,y = misura della sensazione cromatica (qualità)

. tinta e saturazione

Osservazioni:1) Luce bianca di eguale energia: punto E = (xE, yE) = (1/3, 1/3)

2) Curva dei colori puri o spettrali (spectrum locus): curva a "campana", graduata in lunghezze d'onda[nm] individua la cromaticità di sorgenti luminose monocromatiche emettenti alle diverse lunghezzed'onda nel campo del visibile.3) Linea dei porpora: unisce i punti relativi a λ = 0.38 μm e λ = 0.76 μm rappresenta la miscela delleluci rosse e viola.



N.B.

(a) Un colore qualsiasi (ad es. A) può essere ottenuto come miscela di due colori puri (ad es. B e C).(b) Il bianco può essere ottenuto come miscela di due colori puri opposti complementari (ad es. F e G).(c) Tuttii colori (ad es. L), ad eccezione di quelli appartenenti all'area evidenziata in figura (ad es. M),

possono essere ottenuti dalla miscela di un colore puro e del bianco. Quanto più il puntorappresentativo è vicino alla "campana" tanto più il colore è puro



Esistono due tipi di colorimetri per la misura del colore che funzionano secondo due diversi metodi.1) Metodo tristimolo : funzionano in modo equivalente all'occhio umano.2) Metodo spettrofotometrico (spettrofotometri): misurano la distribuzione spettrale della luce e poicalcolano le componenti cromatiche utilizzando le funzioni colorimetriche dell'osservatore standardCIE.Oltre che misurare il colore degli oggetti, gli spettrofotometri possono visualizzare il relativo grafico diriflettanza spettrale, ossia l'andamento del fattore di riflessione spettrale ρλ .



TEMPERATURA DI COLOREIl colore di una sorgente luminosa può essere descritto in riferimento alle caratteristiche cromatichedella radiazione emessa da un corpo nero ad una determinata temperatura. Sul diagramma cromatico si può individuare la curva rappresentante la cromaticità delle radiazioni emesse alle diverse temperatureda un corpo nero.

Osservazione 1:

A 1000 K il corpo nero emette radiazioni rossastre. A circa 3000 K la luce appare bianca con unatonalità"calda".

A circa 6000 K la luce appare bianca con una tonalità " fredda".



La temperatura di colore di una sorgente luminosa è definita come la temperatura, espressa in gradiKelvin, di un corpo nero, che emette radiazioni luminose di caratteristiche cromatiche eguali a quelledella sorgente in esame.

N.B. La temperatura di colore di una sorgente luminosa non coincide con la sua temperatura effettiva, ameno che la sorgente non sia un corpo nero. Colore apparente (tonalità) delle sorgenti luminose (CIE)in funzione della temperatura di colore Tc:. • Caldo Tc < 3300 K . • Intermedio K 5300 T K 3300 c ≤ ≤ . • Freddo Tc > 5300 K

Osservazione 2: Le sorgenti luminose naturali (sole, volta celeste) e le sorgenti luminose artificiali(lampade ad incandescenza,tubi fluorescenti) caratterizzate da una distribuzione spettrale continua nelcampo del visibile, vengono in generale considerate sorgenti di luce bianca.

A = lampada ad incandescenza, ricca di radiazioni tendenti al rosso B = luce diurna in condizioni dicielo sereno C = luce diurna in condizioni di cielo nuvoloso W = lampada allo xeno (luce bianca dieguale energia) Tali sorgenti trovano collocazione nel diagramma colorimetrico CIE in vicinanza del bianco di eguale energia (punto E). In particolare la lampada allo xeno W è caratterizzata da unadistribuzione spettrale pressoché costante nel campo del visibile W ≡ E.

Punto A → lampada ad incandescenza: Tc ≅ 2850 K

Punto B → luce diurna in condizioni di cielo sereno:Tc ≅ 4800 K

Punto C → luce diurna in condizioni di cielo nuvoloso:Tc ≅ 6500 K



METAMERISMOIl metamerismo è il fenomeno in base a cui due oggetti appaiono di colore uguale se illuminati con unasorgente, mentre appaiono di colore diverso se illuminati da un'altra sorgente.

La spiegazione di tale fenomeno consiste nel fatto che:a) i due oggetti presentano un diverso andamento del coefficiente di riflessione spettrale ρλ ; b) le componenti cromatiche della luce riflessa dagli oggetti sono uguali se gli oggetti sono illuminatida una sorgente, mentre sono diverse se gli oggetti sono illuminati dall'altra sorgente.



Documents

Dispense Di Illuminotecnica