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Captazione e trasporto di luce naturale

Nel 1988 la iGuzzini ha avviato i propri studi in materia di fotobiologia ed ha preso parte da un progetto di ricerca finanziato dal CNR (Centro Nazionale di Ricerca).
Questa ricerca era specificatamente orientata verso lo studio di un Sistema di Illuminazione Variabile a Regolazione Automatica per ambienti privi di finestre (detto SIVRA).
Con il SIVRA abbiamo creato un apparecchio di illuminazione capace di produrre situazioni di illuminazione “naturale” e di ricreare la scansione temporale tramite la luce.
La seconda fase della nostra indagine riguardava il modo in cui la luce artificiale si combina alla luce del sole per l’illuminazione di ambienti privi di finestre.
Così ha avuto inizio, nel 1998, una nuova ricerca denominata “Sistema di Teletrasporto per la Luce Naturale” finanziato dal Ministero Italiano della Ricerca Scientifica e Tecnologica; oggi vi mostrerò una panoramica generale dei primi risultati.
Si tratterebbe pertanto di garantire un trasporto in profondità della luce con buoni livelli di uniformità dell’illuminamento, senza ostruire la visibilità dell’esterno.
I risultati che vorremmo ottenere sono i seguenti:
- garantire un livello di illuminazione idoneo per i compiti visivi richiesti dalle diverse tipologie di applicazioni;
- risparmiare la massima quantità di energia in relazione ad una attenta analisi dei costi-benefici e alla massima efficienza del sistema.
Questa ricerca è stata sviluppata per migliorare la penetrazione della luce diurna all’interno degli edifici. La qualità dell’ambiente luminoso è infatti di fondamentale importanza per il benessere psico-fisiologico dell’uomo, soprattutto quando una persona è costretta a soggiornare all’interno di locali per un periodo di tempo prolungato (uffici, ospedali, scuole, ecc.).
Il confort visivo è correlato alla quantità di luce necessaria per eseguire attività specifiche, oltre che alla qualità complessiva dell’ambiente luminoso.
Il risultato di questo studio dovrebbe essere un sistema in grado di distribuire la luce diurna all’interno di quegli ambienti in cui la luce viene spesso schermata (ad esempio tramite veneziane) per evitare fastidiosi effetti di abbagliamento e quindi sostituita dalla luce artificiale.
Con sistemi integrati altamente innovativi, noi otterremmo i seguenti risultati:
1 – Un trasporto in profondità della luce con buoni livelli di uniformità dell’illuminazione, grazie ad una luce concentrata, specie se questi sistemi vengono adottati in luoghi soleggiati. Sarebbe quindi possibile realizzare anche un risparmio energetico con gli opportuni dispositivi di controllo.
2 – Un miglioramento dell’uniformità dell’illuminazione nei luoghi interni; infatti, la luce naturale viene convogliata in profondità, riducendo i contrasti più marcati tra la parte anteriore e la parte posteriore dei locali interni.
3 – Un controllo dell’irradiazione diretta, senza schermare le finestre e ostruire la vista dell’esterno.
4 – Un controllo dell’abbagliamento diretto.
 
Il sistema di illuminazione diurna si compone di tre elementi: all’interno dell’edificio è situato il collettore e all’interno il diffusore.
Nel nostro caso, l’unità di conduzione e trasporto corrisponde all’unità di diffusione.
L’unità di focalizzazione è un elemento di collegamento tra il collettore e il diffusore, la cui funzione è quella di focalizzare e convogliare la luce diurna all’interno dell’unità di trasporto;
Il ricevitore, posizionato all’esterno: capta e convoglia la lue diurna nelle sue componenti diretta e indiretta;
L’interesse è stato orientato verso sistemi di captazione e concentrazione lineare tramite lenti Fresnel, i quali, utilizzando la pellicola a lenti Fresnel 3M-21X .

La nostra soluzione si è concretizzata nel ricevitore Attivo, con traslazione sul piano verticale. Il movimento del ricevitore è regolato da un programma informatico che calcola l’esatta altezza solare in relazione al giorno, all’ora e alla stagione, in modo tale che possa focalizzare sempre la radiazione solare sull’esatta linea focale.
Questo accorgimento riduce il numero di componenti del sistema, con evidenti benefici sul piano della gestione e della manutenzione del sistema.
Questo sistema esegue una tracciatura del sole, seguendo il suo percorso nell’arco della giornata, grazie unicamente ad una traslazione sul piano verticale con un movimento da 10° a 80° (inclusi).
Questa soluzione è stata scelta per la semplicità di fabbricazione del ricevitore e per verificare l’efficienza del sistema nelle ore di massimo soleggiamento, ossia dalle 10.00 alle 14.00.
Un prototipo di questo ricevitore attivo è stato costruito e installato presso il laboratorio sperimentale nella sede iGuzzini Illuminazione di Recanati.
Il punto di focalizzazione è posto a una distanza di 40 cm dalla superficie inferiore della lente (profondità del ricevitore), rivestita con il materiale ad alta riflessione, […] è composto da una struttura a scatola larga 180 cm e alta 10 cm, con profondità variabile a seconda della profondità della parete in cui viene integrato.
Il diffusore, posizionato all’interno del locale, permette il trasporto, l’emissione e il controllo del flusso.
Il diffusore è una struttura a scatola delle stesse dimensioni in larghezza e altezza del condotto, mentre la profondità varia in funzione delle dimensioni del locale in viene installato il sistema a luce diurna; nel nostro prototipo è pari a 6,60 metri.
L’aspetto dimensionale, un’altezza di circa 25 cm nella sezione, è notevolmente più compatto se raffrontato a sistemi analoghi. È evidente che l’oggetto con queste dimensioni ridotte può essere messo a confronto con le tradizionali sorgenti luminose a incasso.
All’interno dell’unità di diffusione, un film ottico viene piegato dal condotto di trasporto fino al diffusore, toccando la superficie inferiore, la superficie responsabile dell’emissione, realizzata in una lastra di policarbonato rivestita con materiale 3M OLF.
Il sistema è piuttosto flessibile, non soltanto in termini di utilizzo di tecnologie, ma anche per quanto riguarda sia l’integrazione della luce diurna e della luce artificiale, sia le dimensioni dei diffusori che possono essere facilmente adattati alle diverse funzioni.
Le caratteristiche innovative riguardano l’uso dei sofisticati materiali ottici, appositamente studiati per il trasporto, il controllo e la diffusione delle luce in tre elementi.
Una ulteriore innovazione è rappresentata dell’integrazione, all’interno del sistema (e più precisamente nell’unità di focalizzazione) delle sorgenti luminose artificiali, monitorate tramite un sistema elettronico che regola sia l’accensione che l’intensità. In questo modo la luce artificiale si combina alla luce diurna per compensare gli eventuali abbassamenti dei livelli di illuminazione naturale.

 
Il monitoraggio del sistema è iniziato durante la prima settimana di luglio 2000 e, stando alle previsioni, dovrebbe protrarsi per almeno 6-8 mesi, al fine di testare l’efficienza del sistema per un periodo più prolungato.
Il monitoraggio è stato effettuato in un locale con una superficie di 30 metri quadrati.
Abbiamo utilizzato una serie di sensori di lux collegati tramite un computer per la registrazione dei dati:
15 sensori per l’illuminamento orizzontale sul pavimento posti a una distanza di circa 240 cm dall’apparecchio di illuminazione e 6 sensori sulla parete per controllare l’illuminamento verticale.
Due diverse condizioni meteorologiche sono state prese in considerazione: cielo sereno e parzialmente coperto.
I dati sono stati controllati ogni 5 minuti durante il periodo considerato del giorno.
Ovviamente, il sistema è stato pensato per essere applicato in zone soleggiate con condizioni di cielo sereno (l’intera area del Mediterraneo); i migliori risultati si ottengono in condizioni di cielo sereno, con punte massime di illuminamento superiori ai 500 lux (valore medio sul piano di lavoro).
I valori rilevati sul pavimento del locale in cui è stato applicato il sistema indicano che il sistema raggiunge la massima efficienza tra le ore 10:00 e le 13:00, con un illuminamento medio più elevato del valore di soglia di 300 lux, corrispondente all’illuminamento medio sul piano di lavoro (secondo gli obiettivi impostati per la ricerca).
Una prima valutazione generale del risparmio energetico che si potrebbe ottenere con il suddetto sistema può essere fatta sulla base delle seguenti considerazioni:

- Il valore dell’illuminamento medio considerato soddisfacente in questo progetto di ricerca è di 300 lux.
- In un tipico ufficio, simile alla nostra ambientazione di riferimento, aperto dalle 9.00 alle 17.00, la luce artificiale resta accesa generalmente per l’intera durata della giornata lavorativa.

Il giorno di riferimento era il 1° luglio 2000, sulla base delle misurazioni effettuate.
Per mantenere un illuminamento minimo di 300 lux, il sistema potrebbe sfruttare la sorgenti luminose artificiali durante le prime ore del mattino al 100%, per poi progressivamente diminuire l’apporto della luce artificiale e aumentare il contributo della luce naturale.
Quindi, quando il livello di illuminamento garantito dalla luce naturale raggiunge i 300 lux, le luci artificiali vengono escluse, per poi essere nuovamente accese nel momento in cui la luce naturale non è più in grado di assicurare il rispetto della soglia minima.
Le sorgenti luminose artificiali restano spente per circa 3 ore, mentre funzionano al 50% per circa 40 minuti.
Le valutazioni di carattere energetico per il prototipo installato presso il laboratorio sperimentale della sede iGuzzini di Recanati devono comunque essere calcolate e/o accertate in diverse situazioni:

1- risparmio energetico durante giornate di cielo sereno con luce solare al massimo;
2- risparmio energetico durante giornate parzialmente serene (nuvolosità variabile);
3- utilizzo di sorgenti luminose artificiali (8 MASTERCOLOR 70W) per compensare l’abbassamento dei livelli di illuminamento in condizioni di nuvolosità variabile;
4- confronto del consumo energetico con un sistema di illuminazione artificiale “indiretto” con la stessa luminanza tale da garantire i 300 lux minimi.

La somma di questi contributi porta ad un risparmio di 1,867 kWh durante l’intero corso della giornata, che, in percentuale, significa un risparmio netto del 41,7 % in consumi di energia.

 
Se vogliamo analizzare i vantaggi economici complessivi derivanti dall’uso di questo sistema, dobbiamo prendere in considerazione anche i livelli di confort che il sistema è in grado di garantire. I possibili vantaggi “indiretti” che potrebbero discendere da un aumento del confort visivo sono difficili da quantificare economicamente: dovremmo condurre una serie di analisi approfondite e test dettagliati sui vari aspetti del benessere.
Inoltre, per la corretta valutazione dei costi/benefici sul piano energetico, dobbiamo valutare anche i vantaggi in termini di risparmio di energia per l’aria condizionata, in quanto il sistema ha un basso coefficiente di trasmissione termica, e, se abbinato ad un corretto sistema di soleggiamento delle pareti verticali delle finestre, determina un significativo abbassamento dei livelli di consumo energetico.
Il sistema deve essere analizzato e studiato, perché sia possibile valutare le possibili implicazioni su un’ampia gamma di sistemi per l’illuminazione degli edifici. Il risultato che desideriamo ottenere in questo campo sarebbe quello di garantire un livello di illuminamento idoneo per i compiti visivi richiesti dai diversi tipi di applicazioni nell’illuminazione degli edifici, raggiungendo l’obiettivo di risparmiare la massima quantità di energia in relazione ad una attenta analisi costi-benefici ed una massima efficienza del sistema.