Luce naturale indoor e qualità dell’ambiente luminoso

Università degli Studi di Napoli “Federico II”. Facoltà di Ingegneria (©MIBAC, 2018) (courtesy photo: A. Lanzetta)

Presso l’Università degli Studi di Napoli “Federico II” attualmente il gruppo di ricerca coordinato dalla prof.ssa Bellia del Dipartimento di Ingegneria Industriale sta svolgendo ricerche in ambito illuminotecnico che riguardano l’ottimizzazione dell’uso della luce naturale in ambienti interni con riferimento alla qualità dell’ambiente luminoso, alla riduzione dei consumi energetici, agli effetti non-visivi della luce ed alla sostenibilità ambientale.

Inoltre, si stanno conducendo indagini riguardanti l’utilizzo della luce per i Beni Culturali ed in particolare per il patrimonio archeologico

Sull’uso della luce naturale

Per quanto riguarda l’uso della luce naturale, risulta cruciale lo studio dei cosiddetti daylight-linked control systems, ossia dei sistemi di controllo automatico basati sull’utilizzo di fotosensori che monitorano i livelli di luce naturale disponibile in ambiente e consentono la conseguente regolazione del flusso luminoso degli apparecchi di illuminazione.

A tal riguardo nelle ricerche condotte sono state proposte nuove metodologie per la corretta integrazione tra luce naturale ed elettrica in modo da valutare, anche in fase di progetto preliminare, i benefici connessi alla implementazione di diverse strategie di controllo sia ai fini del risparmio energetico, sia al conseguimento di condizioni di benessere per tutto il periodo di occupazione degli ambienti.

Tale metodologia si basa su una analisi accurata della disponibilità di luce naturale in ambiente, in quanto, come confermato dai risultati, la strategia di controllo più efficiente non è sempre la più sofisticata, ma quella che meglio si adegua alle particolari caratteristiche del contesto analizzato (caratteristiche climatiche, aspetti urbanistici e morfologici e orografici, proprietà ottiche delle superfici trasparenti ed opache).

Su questo tema sono state instaurate delle collaborazioni di ricerca con gruppi di altri Atenei italiani tra cui quello del prof. Marco Beccali dell’Università di Palermo (Dipartimento di Energia, ingegneria dell’Informazione e modelli Matematici) e del prof. Francesco Leccese dell’Università di Pisa (Dipartimento dell’Energia, dei Sistemi, del Territorio e delle Costruzioni).

In merito agli effetti non-visivi della luce naturale

Nell’ambito dello studio della luce naturale assume oggi particolare rilevanza la valutazione degli effetti non visivi ad essa dovuti, quali l’impatto sulla regolazione dei ritmi circadiani e l’influenza della luce sulla produttività e sull’umore degli individui.

Riguardo alla regolazione dei ritmi circadiani, è stato intrapreso un nuovo filone di ricerca avente l’obiettivo di fornire ai progettisti metodi affidabili per la valutazione della dose e dello spettro di luce più adeguati, al variare delle diverse ore del giorno. Mentre per quanto riguarda l’illuminazione artificiale i dati spettrali delle sorgenti sono facilmente reperibili, per la luce naturale non si hanno a disposizione dati sperimentali, essendo questi variabili anche in relazione alle caratteristiche climatiche.

Per questo motivo è stato stipulato un accordo di programma con l’Università di Bialystok (Polonia) per effettuare una campagna di misure volta ad acquisire un database contenente dati di irradianza spettrale al variare delle condizioni orarie, stagionali e meteo.

I primi risultati di confronto tra le due località sono stati pubblicati e la collaborazione, che ha previsto la permanenza a Bialystok della dott.ssa Francesca Fragliasso dell’Università di Napoli, sta proseguendo a distanza nonostante l’emergenza Covid-19.

Sull’illuminazione dei siti archeologici

Per quanto riguarda l’illuminazione dei siti archeologici è stata stipulata una convenzione con la Soprintendenza di Pompei con un duplice obiettivo: da un lato approfondire le condizioni di illuminazione in edifici sia pubblici che privati della città antica; dall’altro analizzare le condizioni di illuminazione degli scavi archeologici nel loro stato attuale per apportare eventuali migliorie agli impianti esistenti.

Per approfondire il tema dell’uso della luce naturale nell’antichità, sono stati ricostruiti modelli virtuali 3D di alcuni edifici antichi e sono state effettuate simulazioni dinamiche volte a quantificare, tramite il calcolo di parametri dinamici, la disponibilità di luce naturale in diversi ambienti tipici dell’architettura romana.

Tali studi, che hanno visto il coinvolgimento della Facultad de Artes y Diseño, Universidad Nacional de Cuyo (Mendoza, Argentina), hanno mostrato la consapevolezza degli antichi architetti romani nell’utilizzo della luce naturale, sottolineando il legame stretto tra funzione dell’ambiente e dimensionamento delle aperture.

L’analisi delle attuali condizioni di illuminazione lungo i percorsi di visita in ore diurne ha messo in evidenza delle criticità legate al passaggio da ambienti esterni ad interni, caratterizzati da eccessivi gradienti di luminanza.

Sono state quindi proposte soluzioni per garantire la migliore fruizione delle emergenze archeologiche attraverso l’integrazione di luce naturale ed elettrica, tenendo anche conto delle caratteristiche ottiche e cromatiche delle superfici, soprattutto quelle dipinte.

A tal fine sono state condotte misure dei fattori spettrali di riflessione dei diversi dipinti murari, anche per identificare gli spettri di luce elettrica più idonei per una adeguata percezione cromatica.

Il legame tra le attività di ricerca e l’attività didattica si concretizza sostanzialmente attraverso tesi di laurea che hanno come oggetto i temi citati. Si determina così un trasferimento di competenze professionalizzanti ed al contempo si creano dei legami tra Università e territorio.

LE TESI DI LAUREA (Qualche esempio)

TESI DI LAUREA di Chiara Esposito 

TITOLO DELLA TESI: Effetti delle fluttuazioni di luce naturale sulle prestazioni dei sistemi di controllo automatico dell’illuminazione
RELATORE: prof.ssa Laura Bellia
CORRELATORE: dott.ssa Francesca Fragliasso

La tesi approfondisce il tema dei sistemi di controllo automatico per gli impianti di illuminazione nei quali l’accensione e lo spegnimento degli apparecchi di illuminazione (o la regolazione in continuo del flusso luminoso emesso) sono basati sui segnali di fotosensori che rilevano la luce naturale disponibile.

In particolare, oggetto della tesi sono i sistemi di tipo closed-loop dimming, ossia quei sistemi per i quali il flusso luminoso degli apparecchi è regolato in continuo tra un livello minimo e massimo di emissione ed il sensore è installato in ambiente interno.

Questi sistemi funzionano grazie ad un algoritmo di controllo di tipo lineare che definisce la dipendenza del livello di emissione del flusso luminoso dal segnale del fotosensore. Tale metodo di calibrazione si basa sull’ipotesi esemplificativa che il rapporto tra il segnale del fotosensore e l’illuminamento da luce naturale sul piano di lavoro resti costante nel tempo.

Tesi di Chiara Esposito. Simulazione del funzionamento del sistema di controllo in una giornata tipo: i metodi di calibrazione proposti riducono gli intervalli di tempo in cui l’illuminamento totale sul piano di lavoro (luce elettrica più luce artificiale) è inferiore all’illuminamento medio mantenuto prescritto dalla norma

Basandosi sui risultati di misure di illuminamento effettuate in una test-room, la tesi propone dei metodi di calibrazione più complessi che tengano conto della variabilità di tale rapporto nel tempo, in modo da migliorare l’efficienza del sistema.

Tesi di laurea di Chiara Esposito. Foto della test-room nella quale sono state effettuate le misure

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TESI DI LAUREA di Serena De Maio

TITOLO DELLA TESI: lluminazione dei luoghi di lavoro: effetti di diverse distribuzioni luminose sul comfort e sui ritmi circadiani
RELATORE: prof.ssa Laura Bellia
CORRELATORE: dott.ssa Francesca Fragliasso

Gli effetti dell’illuminazione sul benessere dell’uomo e nello specifico sulla regolazione dei ritmi circadiani dipendono dalla distribuzione spettrale della luce che egli riceve. In un ambiente confinato tale distribuzione non coincide con quella della sorgente luminosa, ma è il risultato delle riflessioni che avvengono tra la luce e l’ambiente.

L’incidenza di tali riflessioni nel modificare lo spettro della luce dipende sia dai fattori di riflessione spettrale delle superfici, sia dal numero di interazioni, dipendenti a loro volta dalla geometria dello spazio e dalla fotometria degli apparecchi illuminanti.

Tesi di Serena De Maio. Fattori di riflessione spettrale degli intonaci utilizzati nelle simulazioni per modellare le pareti perimetrali

Obiettivo della tesi è la valutazione dell’impatto dell’ambiente nel determinare gli effetti della luce sui ritmi circadiani. Per far ciò, grazie ad un software adeguato, viene calcolata l’irradianza spettrale agli occhi di un osservatore seduto alla postazione di lavoro di un tipico ufficio e gli spettri ottenuti vengono confrontati con quelli delle sorgenti analizzate.

Le simulazioni sono ripetute per diverse scene di luce, ottenute variando la fotometria dell’apparecchio di illuminazione, la sua temperatura di colore ed il colore delle pareti perimetrali della stanza.

Tesi di Serena De Maio. Caratteristiche degli apparecchi di illuminazione utilizzati nelle simulazioni (Fotometrie – a), b) e c)- e distribuzioni spettrali – d)-)

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TESI DI LAUREA di Marianna di Natale

TITOLO DELLA TESI: L’illuminazione dei centri storici: una proposta per il centro antico di Napoli
RELATORE: prof.ssa Laura Bellia
CORRELATORE: dott.ssa Francesca Fragliasso

La tesi affronta il tema dell’illuminazione del centro antico della città di Napoli e nello specifico di una parte del Decumano Maggiore e del Decumano Inferiore, due vie fortemente stratificate dal punto di vista storico e ricche di attività commerciali.

La proposta progettuale presentata affronta i seguenti temi: l’illuminazione della strada, il dialogo tra illuminazione stradale e illuminazione per i monumenti, l’integrazione tra illuminazione pubblica e privata.

È stata prevista l’integrazione di nuovi apparecchi di illuminazione lungo i Decumani per garantire livelli di illuminamento e uniformità adeguati ed è stata progettata l’illuminazione di alcune emergenze architettoniche (Chiesa di San Nicola a Nilo, Chiesa di San Paolo Maggiore, orologio di Castel Capuano).

Inoltre, è stato effettuato uno studio per definire dei valori ammissibili di luminanza per le vetrine dei negozi, al fine di garantire una integrazione più armoniosa tra illuminazione pubblica e privata.

Tesi di Marianna Di Natale. Rilievo dello stato di fatto. Mappe di luminanza

Il progetto si è basato su una accurata analisi preliminare volta a valutare le condizioni di illuminazione notturna dell’area. Il rilevo ha previsto misure di illuminamento, luminanza e irradianza spettrale.

Tesi di Marianna Di Natale. Uno stralcio del progetto per la Chiesa di San Paolo Maggiore

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TESI DI LAUREA di Marta Marotta

TITOLO DELLA TESI: Una proposta di illuminazione di alcune sale di Villa dei Misteri
RELATORE: prof.ssa Laura Bellia
CORRELATORE: dott.ssa Francesca Fragliasso, ing. Gennaro Spada

La tesi presenta una proposta progettuale per l’illuminazione di alcune sale di Villa dei Misteri. Il tema dell’illuminazione per gli scavi archeologici assume a Pompei connotazioni particolari. Molti ambienti delle domus possono essere qui ammirati nella loro forma originaria risultando provvisti di coperture.

In altri i crolli sono stati tali da lasciare in vista solo parte delle pareti perimetrali. Il percorso di visita si articola quindi tra ambienti esterni ed interni e il visitatore, nel passaggio da un ambiente all’altro, è costretto ad adattarsi a condizioni di illuminazione completamente diverse: all’esterno la luce naturale, all’interno quasi il buio. Questa condizione è tipica anche della Villa dei Misteri.

Il progetto illuminotecnico assume, quindi, una valenza fondamentale per garantire che la visita avvenga in condizioni di sicurezza e di comfort. La tesi approfondisce questi temi e si sofferma sul delicato equilibrio tra luce naturale e luce artificiale.

Tesi di Marta Marotta. Alcuni risultati delle simulazioni dinamiche di luce naturale
Tesi di Marta Marotta. Alcuni risultati della campagna di misure

Fondamentali a tale scopo sono state la campagna di misure (illuminamento, luminanza e irradianza spettrale) e le simulazioni dinamiche, volte a studiare le condizioni di illuminazione naturale nei vari ambienti.

(a cura di Sara Berta, Progettista – Borzelli & Berta Architetti – Roma)

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