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La luce naturale

Per luce naturale si intende quella proveniente dal sole e dalla volta celeste. Essa rappresenta la migliore sorgente di luce, poiché ad essa si è adattato l’organo visivo da quando l’uomo è presente sulla terra. La luce naturale inoltre consente di conseguire risparmi energetici, riducendo i consumi derivanti dall’utilizzo dell’illuminazione artificiale. La luce naturale è caratterizzata da variabilità nel tempo sia per quanto riguarda il flusso luminoso che la temperatura di colore.

Composizione della luce naturale

La luce naturale è costituita dalla componente solare diretta, che è direzionale e che dipende dalla posizione del sole sulla volta celeste e dalla componente diffusa proveniente dalla volta celeste. La componente diffusa è dovuta a quella parte di radiazione solare che viene dispersa, per riflessioni multiple, dalle particelle di vapore acqueo e dal particolato presente in atmosfera. La componente diretta decresce con l’aumentare della nuvolosità del cielo. In condizioni estreme (cielo overcast), la componente diretta è assente.

La posizione del sole nel cielo

Altezza solare: angolo formato tra la direzione dei raggi solari ed il piano orizzontale.
Zenit: angolo formato tra la direzione dei raggi solari e la verticale (complementare dell’altezza solare).
Azimut solare: angolo formato tra la proiezione sul piano orizzontale dei raggi solari e la direzione sud; è negativo se la proiezione cade verso est).
Per calcolare la posizione del sole nel cielo:

Tabelle e diagrammi della posizione del Sole

I modelli di cielo standard CIE

Cielo uniforme (luminanza costante) CIE: L = cost
Cielo nuvoloso (overcast) CIE: L(θ)=Lz(1+2cosθ)/3
Cielo intermedio (intermediate) CIE: L(θ)=f(Lz , θs,Φs,γ,θ)
Cielo sereno (clear) CIE: L(θ)= f(Lz , θs,Φs,γ,θ)
Modelli di Perez , per diverse consizioni climatiche:
L = funzione di Lz, posizione del sole, temperatura di rugiada, contenuto di vapor d’acqua, torbidità ed altri parametri.

La luce naturale all’interno degli edifici: il DF

Il DF (daylight factor) o fattore di luce diurna, è definito come il rapporto tra l’illuminamento in un punto di un ambiente interno e l’illuminamento, nello stesso istante, su una superficie orizzontale esterna, in assenza di ostruzioni, prodotto dalla volta celeste escludendo la componente solare diretta.
Il DF è composto da tre aliquote:
DF = Ds + De +Di

Andamento del DF per aperture laterali e lucernai

Le strategie per l’illuminazione naturale si possono classificare in due categorie: illuminazione laterale con aperture sulle pareti verticali ed illuminazione dall’alto, mediante sistemi di lucernai. La distribuzione della luce naturale all’interno degli ambienti della luce dipende dall’orientamento delle aperture, dalle loro dimensioni, forma e collocazione, dalla presenza di sistemi di controllo della luce, dalla geometria dell’ambiente e dai fattori di riflessione delle superfici interne dell’ambiente.

Il fattore medio di luce diurna

Riferimenti legislativi e normativi:

• Circolare del Ministero dei Lavori pubblici n° 3151 del 22/5/1967 (edilizia civile sovvenzionata).
• Circolare del Ministero dei Lavori pubblici n° 13011 del 22/12/1974 (edilizia ospedaliera).
• Decreto del Ministero della Sanità del 5/7/1975 (edilizia residenziale): area finestre >1/8 area pavimento.
• D. M. del 18/12/1975 (edilizia scolastica).
• UNI 10840 “Locali scolastici criteri generali per l’illuminazione artificiale e naturale”, maggio 2007.

Metodi per la valutazione del fattore di luce diurna

• Metodi grafici:
  • BRE protractors
  • Diagrammi di Waldram
• Metodi tabellari: metodo BRE
• Uso di software:
  • dialu
  • radiance, radiance download

La radiazione solare diretta

In linea di principio la radiazione solare diretta, e dunque la luce proveniente direttamente dal sole, va opportunamente schermata al fine di evitare fenomeni di abbagliamento e di eccessivo riscaldamento degli ambienti durante il periodo estivo. Mediante modelli in scala, metodi grafici o impiego di software, è possibile valutare l’impatto della componente solare diretta al variare della località, dell’orientamento, dell’ora del giorno e del giorno dell’anno, in base alle ostruzioni ed ai sistemi schermanti presenti.

Sistemi per evitare eccessivi gradienti

In presenza di radiazione solare diretta sono possibili in ambiente eccessivi gradienti di illuminamento. Mediante impiego di “scaffali di luce” (light shelves) opportunamente orientati, con aperture verticali, è possibile distribuire la luce negli ambienti con maggiore uniformità.

Sistemi per evitare eccessivi gradienti

Nel caso di luce proveniente dall’alto, la soluzione con sistemi trasparenti collocati su superfici verticali ed esposti a sud consente di fare accedere la luce solare diretta. Nella soluzione a “dente di sega” si ottiene una migliore distribuzione degli illuminamenti su piano orizzontale. I dati si riferiscono a cielo “clear”, con superfici vetrate orientate a sud.

L’abbagliamento prodotto da luce naturale

In generale, il fenomeno dell’abbagliamento è di due tipi:

• Abbagliamento fisiologico o disabilitante: causa la ha riduzione delle performance visive dovuta alla diffusione della luce all’interno dell’occhio.
• Abbagliamento psicologico o molesto: causa perdita di comfort senza necessariamente provocare una perdita nella visione.

Da cosa è prodotto l’abbagliamento?

L’abbagliamento è dovuto al contrasto eccessivo tra la luminanza della finestra e quella delle pareti circostanti. Una sorgente con luminanza molto elevata e dimensioni piccole collocata su una parete scura produce maggiore abbagliamento di sorgenti ampie collocate su pareti chiare.
Per ottenere distribuzioni di luminanza senza eccessivi gradienti può essere necessaria una sia pur minima integrazione mediante illuminazione artificiale.

Gli indici di abbagliamento da luce naturale

Tutti gli indici di abbagliamento da luce naturale dipendono dalla luminanza della finestra, da quella dello sfondo che rientra nel campo di vista e da parametri geometrici piuttosto complessi, quali gli angoli solidi sottesi dai diversi elementi all’interno del campo di vista, nonché dalla posizioni di tali elementi rispetto alla direzione di osservazione. L’indice più noto è il DGI (Daylight Glare Index) che però presenta dei limiti di applicazione. Attualmente si stanno proponendo e verificando altri indici.

Tecniche per la valutazione dell’abbagliamento

L’abbagliamento da luce naturale può essere valutato mediante tecniche di simulazione , necessarie in caso di progetto, oppure tramite misure in campo. In quest’ultimo caso sono particolarmente significative le tecniche videografiche, che consentono il rilievo istantaneo della distribuzione di luminanza e la valutazione più immediata degli indici di comfort.

Alcuni criteri progettuali

• Massimizzare l’impiego di luce naturale.
• Le superfici interne con fattori di riflessione elevati riducono i fenomeni di abbagliamento e consentono una migliore distribuzione della luce
• Evitare che sui videoterminali si rifletta la luce proveniente dalle finestre
• Cercare di garantire oltre che l’accesso di luce naturale anche il contatto con l’ambiente esterno
• Ridurre gli eccessivi contrasti di luminanza e gli effetti termici della radiazione solare diretta mediante opportuni sistemi di controllo (filtri, schermi….)