Illuminotecnica

L'illuminamento , il Lux e l'illuminamento nei luoghi di lavoro secondo UNI EN 12462

A differenza dell'intensità luminosa e del flusso luminoso , che sono grandezze caratteristiche di una sorgente , l'illuminamento è una grandezza che riguarda una superficie.

Si definisce illuminamento E in un punto di una superficie il flusso dΦ ricevuto da un punto infinitamente piccolo di superficie illuminata , diviso per l'area dS dell'elemento stesso :

E = dΦ/dS

Ovviamente qualora il flusso fosse costante su una superficie più ampia l'espressione può essere estesa come E = Φ/S ; ne segue che l'unità di misura dell'illuminamento è data dal rapporto tra l'unità di misura del flusso e l'unità di misura della superficie :

Lux [Lx] = Lumen/mq

L'illuminamento è una grandezza fotometrica molto importante nella progettazione illuminotecnica : le norme stabiliscono infatti dei livelli di illuminamento medio mantenuto da tenere in determinati luoghi in base al compito visivo ivi previsto. A partire da questi valori si progetta la tipologia , la potenza e la disposizione dei corpi illuminanti.

Una norma molto importante a riguardo è la UNI EN 12464-2 che si occupa di Illuminazione nei posti di lavoro , sia posti di lavoro in interno ( parte 1 ) che posti di lavori in esterno ( parte 2 ) .

Vengono definiti , in base alle tipologie di locali e alle attività ivi svolte , dei valori illuminamento medio Em richiesto e delle fasce di illuminamento :

- illuminamento grossolano , tra 50 e 300 Lux
- illuminamento medio , tra 150 e 500 Lux
- illuminamento fine , tra 300 e 750 Lux
- illuminamento finissimo , tra 750 e 2000 Lux

Altri parametri definiti dalle norme per l'illuminazione dei luoghi di lavoro ( specialmente dalla UNI EN 12464-1:2011 ) sono l'indice unificato di abbagliamento ( Unified Glare Rating , UGRL ) , l'indice di resa cromatica ( Ra ) e l'uniformità di illuminamento ( Uo ).

I lux sono infine un parametro importante anche nell'illuminazione di emergenza , necessaria a prevedere la sicurezza e l'evacuazione delle persone negli edifici e nelle manifestazioni. La norma UNI EN 1838 prevede un illuminamento medio Em sul pavimento di almeno 1 Lux per le vie di fuga e di 15 Lux per i luoghi di lavoro pericolosi , dove anche in caso di assenza di tensione si deve essere in grado di mettere in sicurezza macchine e processi produttivi.

L'illuminazione di emergenza viene di solito fornita con lampade autonome , UPS/Soccorritori e , in alcune manifestazioni , con gruppi elettrogeni o torri faro che restano sempre accesi per l'intera durata dell'evento costituendo una fonte di energia alternativa a quella principale.

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L'intensità luminosa , la candela (Cd) e le curve fotometriche

L'intensità luminosa è una grandezza illuminotecnica propria di una sorgente luminosa e si definisce come il rapporto tra il flusso luminoso dΦ emesso da una sorgente in un determinato angolo solido dΩ e l'angolo solido stesso :

I = dΦ/dΩ

Se l'intensità è costante in tutte le direzioni , essendo 4π l'angolo solido complessivo , si ha :

I = Φ/4π

Questa condizione è di solito molto rara , perché quasi tutte le sorgenti luminose hanno caratteristiche direzionali , pertanto un'utile rappresentazione della sorgente è il solido fotometrico , che è il luogo geometrico delle estremità dei vettori intensità luminosa riportati in tutte le direzioni a partire dal punto dove si trova la sorgente.

Il solido fotometrico ha uno sviluppo tridimensionale lungo tutte le direzioni dell'angolo solido 4π ed è molto utile nei software di progettazione illuminotecnica , mentre è di più difficile lettura in una prima analisi delle caratteristiche della sorgente luminosa : pertanto , soprattutto nei cataloghi dei corpi illuminanti , vengono riportate rappresentazioni bidimensionali dette curve fotometriche , che altro non sono che diagrammi polari ottenuti da una determinata sezione del solido fotometrico.

La curva fotometrica riporta , per ciascun angolo del diagramma polare , l'intensità luminosa in candele. La lettura è facilitata da cerchi concentrici graduati con i valori in candele e , individuato l'angolo desiderato , dall'intersezione tra il raggio e la curva , si ottiene il valore in candele.

La candela è , appunto , l'unità di misura dell'intensità luminosa ed è l'unica grandezza fotometrica definita con un metodo fisico , tutte le altre grandezze illuminotecniche sono , come abbiamo visto a proposito del flusso luminoso , grandezze derivate :

1 candela viene definita come l'intensità luminosa emessa da una superficie di 1/600.000 mq di corpo nero ( radiatore integrale ) in una direzione ad essa perpendicolare alla temperatura di fusione del platino.

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Cosa sono i Lumen e cos'è il flusso Luminoso.

Il flusso luminoso è una grandezza fotometrica , caratteristica di una sorgente luminosa ( nella progettazione illuminotecnica un corpo illuminante ) , e si misura in Lumen.

La definizione del Flusso Luminoso è piuttosto difficile da capire per chi non ha buone basi matematiche , perché viene definita come un integrale : 

Φ = 683 Lm/W * ∫W(λ)*V(λ)*dλ .

Vediamo di capirlo meglio :

- W(λ) è la funzione che descrive l'andamento con la lunghezza d'onda λ della potenza della sorgente luminosa , espressa in Watt su metro

- V(λ) è la curva spettrale della visibilità relativa ; in pratica si tratta di una curva che , per ogni lunghezza d'onda λ , associa un coefficiente che tenga conto delle caratteristiche medie , statisticamente definite , dell'occhio umano ( si parla a tale proposito di occhio medio internazionale ). Tale curva assume un suo massimo, pari ad 1 , in corrispondenza della lunghezza d'onda λ = 555 nm ( corrispondente a un colore giallo-verdastro ) e tende a zero sotto i 380 nm ( colore violetto ) e sopra i 780 nm ( colore rosso ) . E' noto infatti che lo spettro della luce visibile è compreso proprio tra 380 nm e 780 nm. 

L'integrale in questione , quindi , pur essendo esteso da 0 a ∞ , assume in realtà valori non nulli solo tra 380 nm e 780 nm e può quindi anche scriversi come integrale da 380nm a 780nm .

Un modo per capire meglio la formula è considerare il caso di una luce monocromatica , ovvero caratterizzata da un'unica lunghezza d'onda : la funzione W(λ) sarà quindi nulla per tutti i valori di λ ad eccezione della lunghezza d'onda del colore considerato. In particolare , considerando proprio la lunghezza d'onda λ = 555 nm in cui il coefficiente V(555nm)=1 , se la sorgente irradia un flusso di 1W , essa produrrà un flusso luminoso di 683 Lumen.

Venendo quindi alla definizione di Lumen , nel sistema metrico internazionale di misura SI , il Lumen (Lm) è definito come il flusso luminoso emesso nell'angolo solido unitario da una sorgente puntiforme avente l'intensità luminosa di 1 candela. Scopriamo quindi che il Lumen è una grandezza derivata dalla candela , come lo sono tutte le altre grandezze fotometriche. La candela è l'unica grandezza fotometrica definita con un metodo fisico.

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Illuminotecnica : occhio umano e luminanza

L'occhio umano è l'organo deputato a tradurre i raggi luminosi in impulsi nervosi per il cervello. L'immagine di un qualsiasi oggetto viene proiettata sulla retina , dove termina il nervo ottico attraverso il quale gli impulsi vengono inviati al cervello.

Nella terminazione del nervo ottico e sulla retina sono presenti i coni e bastoncelli :

- i bastoncelli sono sensibili alle basse luminanze e percepiscono l'immagine solo in bianco e nero , cioè non distinguono i colori . Si parla in questo caso di visione scotopica .

- i coni sono sensibili solo oltre una certa luminanza minima e distinguono invece colori . Si parla in questo caso di visione fotopica.

L'uomo riesce a vedere solo entro determinate soglie di luminanza . La luminanza è una grandezza illuminotecnica che si misura nel sistema metrico internazionale in Candele per metro quadro ( Cd/mq ) . Un'altra unità di misura della luminanza , non riconosciuta dal SI , è il Lambert :

1 Lambert = 0,3183 cd/cm^2

La soglia minima di luminanza visibile è detta soglia dei bastoncelli e si trova all'incirca a 10 nanoLambert  , al di sotto di tale soglia l'occhio umano non è in grado di percepire. Sopra una certa soglia , posta intorno ai 5.000 Lambert ( 5 kLambert ) l'occhio resta abbagliato e si ha la soglia del dolore , perché l'occhio è soggetto ad abbagliamento .

La soglia dei coni sotto la quale l'occhio non è in grado di percepire i colori , è posta a circa a 1 microLambert . Per avere un'idea di immagini visualizzate al di sotto della soglia dei coni , la neve in una notte coperta si colloca a circa 10^-5 milliLambert e la neve in una notte stellata a circa 10^-4 milliLambert .

Tra 10^-2 MilliLambert e 10 Lambert si ha il crepuscolo , in cui i colori non vengono percepiti in modo netto , mentre a 10 Lambert si ha la soglia del giorno e la percezione dei colori diventa buona : la zona confortevole di lettura , molto importante nella progettazione illuminotecnica per assicurare il comfort visivo , si ha tra 10 e 100 Lambert. 

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