UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI FACULTATEA DE INSTALAŢII

CATEDRA DE LUMINOTEHNICĂ ŞI INSTALAŢII ELECTRICE

TEZA DE DOCTORAT

Contribuţii la concepţia şi calculul sistemelor integrate

de iluminat interior

Ing. dipl. Cosmin ŢICLEANU

CONDUCERE ŞTIINŢIFICĂ

Prof. dr. ing. Cornel BIANCHI Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

Facultatea de Instalaţii, Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii Electrice

Prof. dr. dr. H.C. Hans-Walter BODMANN Universitatea Tehnică „Fridericiana” Karlsruhe, Germania

Institutul de Luminotehnică

Bucureşti, aprilie 2007

… Este semnificativ faptul că într-o lume dominată de presiunea asupra individului de

a accepta un mediu artificial, cea mai mare parte a cercetării prezente în iluminat

din universităţile acestei ţări este dedicată studiului iluminatului natural şi nu celui

artificial. Omul manifestă preferinţa de a trăi şi de a lucra la lumina naturală, şi

odată cu creşterea nivelului educaţiei, se dezvoltă şi simţul critic asupra concepţiei

insensibile a sistemelor de iluminat. Utilizatorii apreciază un sistem corect conceput

atunci când beneficiază de el, şi beneficiază de el atunci când principiile

tehnologiilor avansate de iluminat natural au fost înţelese şi aplicate …

R.G. Hopkinson, Londra, 1966

CC UU PP RR II NN SS Cap. 1 Introducere privind stadiul actual al cunoaşterii .......................................... 5 Cap. 2 Lumina naturală ca sursă de lumină ............................................................ 14

2.1. Particularităţile luminii naturale ............................................................................. 14 2.1.1. Surse de lumină naturală 2.1.2. Eficacitatea luminii naturale 2.1.3. Caracteristici spectrale şi de culoare 2.1.4. Fenomene atmosferice 2.1.5. Efectele luminii naturale asupra omului

2.2. Disponibilitatea luminii naturale ............................................................................ 28 2.2.1. Poziţia pe glob 2.2.2. Timpul 2.2.3. Poziţia soarelui pe cer 2.2.4. Lumina solară 2.2.5. Lumina cerului 2.2.6. Turbiditatea atmosferei 2.2.7. Modele de estimare a disponibilului de lumină naturală

2.3. Calculul contribuţiei interioare a luminii naturale ............................................... 46 2.3.1. Metoda factorului de lumină de zi 2.3.2. Metoda transferului de flux luminos 2.3.3. Evaluarea orbirii produse de lumina naturală

Cap. 3 Sisteme avansate de iluminat natural .......................................................... 67

3.1. Sisteme cu selecţie spectrală ................................................................................. 68 3.2. Sisteme cu controlul dinamic al intensităţii luminii naturale transmise ............ 71 3.3. Sisteme cu controlul distribuţiei luminii naturale în interior ............................... 74

3.3.1. Elemente de direcţionare a luminii naturale 3.3.2. Sisteme de jaluzele 3.3.3. Panouri prismatice 3.3.4. Panouri cu microperforaţii realizate cu raze laser 3.3.5. Sticlă pentru direcţionarea luminii solare 3.3.6. Plafoane anidolice 3.3.7. Sisteme cu tuburi de lumină

Cap. 4 Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric ............................. 95

4.1. Eficientizarea iluminatului prin utilizarea energiei regenerabile ........................ 95 4.2. Menţinerea permanentă a confortului vizual ........................................................ 97

4.2.1. Necesitatea integrării iluminat natural – iluminat electric 4.2.2. Parametrii mediului luminos integrat

4.3. Sisteme de control pentru iluminatul interior integrat ....................................... 106 4.3.1. Iluminatul electric 4.3.2. Ecranarea luminii naturale 4.3.3. Preferinţele ocupanţilor

4 Cuprins Cap. 5 SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat cu funcţionare

permanentă pe baza energiei solare .......................................................... 111 5.1. Structura sistemului SOLUM ............................................................................... 112

5.1.1. Structura sistemului SOLUM SunPipe 5.1.2. Structura sistemului SOLUM 3M

5.2. Măsurarea performanţelor luminoase ale sistemului SOLUM .......................... 117 5.2.1. Măsurarea transferului de lumină prin conducta principală 5.2.2. Măsurarea nivelului de iluminare pe planul util 5.2.3. Măsurarea transferului de lumină la sistemul SOLUM SunPipe 5.2.4. Măsurarea transferului de lumină la sistemul SOLUM 3M

5.3. Modelarea numerică a transferului de lumină la sistemul SOLUM .................. 126 5.3.1. Metoda Levenberg-Marquardt de rezolvare a regresiei nonliniare 5.3.2. Ecuaţiile de modelare pentru tubul solar SunPipe 5.3.3. Modelarea iluminării generate de sistemul SOLUM SunPipe pe planul util

5.4. Implementarea algoritmului în programul original de calcul SOLUX .............. 136 5.5. Verificarea iluminării calculate cu programul original SOLUX ......................... 141 5.6. Studiu comparativ între utilizarea sistemului SOLUM şi utilizarea unui sistem

convenţional de iluminat natural ......................................................................... 155

Cap. 6 Concluzii, contribuţii originale şi perspective de dezvoltare pentru viitorul apropiat ................................................................................ 168 Bibliografie .................................................................................................................. 174

CC AA PP II TT OO LL UU LL 11

IInnttrroodduucceerree pprriivviinndd ssttaaddiiuull aaccttuuaall aall ccuunnooaaşştteerriiii

Lumina oferă omului posibilitatea de a vedea, iar vederea depinde de lumină. De-a lungul timpului, şi în special începând cu secolul al XIX-lea, omul a început să îşi petreacă din ce în ce mai mult timp în interior, ceea ce a condus la diminuarea expunerii organismului la lumina naturală directă. S-a ajuns astfel la situaţia actuală, când omul practic poate să îşi desfăşoare toate activităţile într-un spaţiu interior: odihnă, muncă, transport, divertisment; deplasările pe distanţe scurte între mijloacele de transport şi spaţiul interior se fac de regulă în medii urbane, dominate de clădiri de înălţime medie sau mare, care împiedică accesul direct al luminii solare asupra organismului. Modul de viaţă actual nu mai permite de regulă petrecerea unui timp suficient sub lumina directă solară care are o serie largă de efecte pozitive asupra organismului uman, cu implicaţii fiziologice şi psihologice importante. Iluminatul trebuie să asigure condiţiile vizuale în care omul poate să-şi desfăşoare activităţile în deplin confort şi cu eficienţă. Ca urmare, rolul iluminatului este de a servi necesităţilor omului [45]. Acestea sunt extrem de complexe (figura 1.1): emoţiile, stările sufleteşti, acţiunile, percepţia, sănătatea sunt toate influenţate de lumină. Vizibilitatea, capacitatea de a extrage informaţia din câmpul vizual, reprezintă punctul de plecare pentru numeroase cerinţe umane: performanţa activităţii; starea sufletească – preferinţele, gradul de satisfacţie, relaxare şi stimulare sunt influenţate de lumină; confortul vizual – un aspect esenţial care afectează performanţa activităţii, sănătatea, siguranţa şi starea sufletească; simţul estetic; sănătatea şi siguranţa; comunicarea socială – determinată de condiţiile vizuale care influenţează distingerea trăsăturilor feţei umane. În contextul preocupării tot mai accentuate asupra controlului emisiilor de carbon, încălzirii globale şi prelungirii duratei de viaţă a clădirilor, precum şi asupra unei eficienţe energetice superioare a clădirilor, concepţia iluminatului trebuie să ţină seama de criteriile de îmbunătăţire a eficienţei energetice prin eficientizarea iluminatului electric şi utilizarea luminii naturale, capabilă să contribuie la reducerea necesarului de iluminat electric, precum şi la reducerea necesarului de încălzire şi de răcire [85]. Prin implementarea tehnicilor şi sistemelor de iluminat avansate, se poate reduce considerabil consumul de energie electrică, concomitent cu o creştere semnificativă a calităţii mediului luminos interior. De asemenea, utilizarea iluminatului electric prezintă

6 Capitolul 1

consecinţe directe sau indirecte asupra mediului, ca rezultat al producţiei de energie electrică, al consumului de energie şi de resurse naturale, sau al eliminării produselor uzate. Iluminatul poate avea influenţe directe şi din punct de vedere fizic, biologic sau social, datorate poluării luminoase.

Figura 1.1 Rolul iluminatului în activitatea umană [45].

Din aceste motive iluminatul trebuie să se încadreze în diverse norme şi coduri [69]. Concepţia iluminatului este obligatoriu să se realizeze prin integrarea cu concepţia arhitecturală a clădirilor, pentru o îmbinare armonioasă cu forma şi structura interioară, capabilă să concure la obţinerea mediului luminos interior care să asigure confortul vizual, precum şi funcţionalitatea şi estetica spaţiului interior. Mediul luminos interior confortabil, funcţional şi estetic se defineşte [17] ca fiind ambientul luminos interior realizat prin alegerea corespunzătoare a componentelor cantitative şi calitative, ce concură la obţinerea unui sistem de iluminat capabil să asigure confortul vizual, funcţionalitatea şi estetica spaţiului interior în care se desfăşoară o activitate umană (muncă intelectuală sau fizică, divertisment, sport, comerţ etc.). Figura 1.2 prezintă structura mediului luminos interior [16], cuprinzând aspectele cantitative (nivelul de iluminare şi distribuţia fluxului luminos superior şi inferior) şi cele calitative (distribuţia luminanţelor, modelarea sarcinii vizuale în funcţie de direcţionarea luminii, culoarea luminii definită prin cele trei forme – culoare aparentă, redarea culorilor şi culoarea suprafeţelor reflectante), precum şi relaţiile dintre aceste aspecte.

CCEERRIINNŢŢEE UUMMAANNEE Vizibilitate

Performanţă Confort vizual

Comunicare socială Stare sufletească pozitivă

Sănătate şi siguranţă Simţ estetic

AASSPPEECCTTEE EENNEERRGGEETTIICCEE ŞŞII DDEE MMEEDDIIUU Realizare Menţinere

Funcţionare Energie Mediu

RROOLLUULL IILLUUMMIINNAATTUULLUUII

AARRHHIITTEECCTTUURRĂĂ Formă

Structură Stil

Coduri şi standarde

Introducere privind stadiul actual al cunoaşterii 7

Figura 1.2 Structura mediului luminos interior. Cercetările efectuate la nivel mondial au încercat să definească echilibrul factorilor determinanţi în realizarea mediului luminos interior confortabil, funcţional şi estetic, în funcţie de particularităţile spaţiului şi sarcinii vizuale. Aspectul cantitativ esenţial este alegerea corectă a nivelului de iluminare, dar pentru realizarea confortului vizual nu trebuie neglijate proporţiile corespunzătoare de flux luminos superior şi inferior, care au implicaţii deosebite asupra distribuţiei luminanţelor în câmpul vizual. Această distribuţie reprezintă aspectul de bază din punct de vedere calitativ, impunându-se studiul atent al planului util şi al câmpului vizual în ansamblu. Distribuţiei luminanţelor i se alătură, drept componente calitative ale mediului luminos interior, culoarea luminii (cu caracteristicile sale, culoarea aparentă a surselor de lumină, redarea culorilor şi culoarea suprafeţelor reflectante) şi modelarea / direcţionarea luminii, cu rol esenţial în reliefarea corectă a sarcinii vizuale, a detaliilor, a figurii umane şi în percepţia mediului luminos. Între aspectele cantitative şi calitative există strânse relaţii de influenţă reciprocă [14]. Astfel, redarea culorilor este influenţată de nivelul de iluminare, fiind mai bună pe măsură ce nivelul de iluminare creşte, proprietate ce poartă numele de „claritate vizuală” [16]. Distribuţia fluxului luminos influenţează atât nivelul de iluminare, cât şi distribuţia luminanţelor în planul util şi în câmpul vizual. La rândul său, nivelul de iluminare influenţează distribuţia luminanţelor din planul util, prin modul de distribuţie a fluxului pe suprafaţa de lucru. Direcţionarea luminii, care determină modelarea sarcinii vizuale, depinde de distribuţia fluxului luminos prin proporţii şi orientare şi implicit de distribuţia luminanţelor.

MEDIUL LUMINOS INTERIOR CONFORTABIL

Aspecte cantitative Aspecte calitative

Nivelul de iluminare

Distribuţia fluxului

Distribuţia luminanţelor

Evitarea pâlpâirii şi a zgomotului

Modelarea

Câmpul vizual

Planul util

Culoare aparentă

surse

Redarea culorilor

Culoarea suprafeţelor reflectante

Direcţionarea luminii

Culoarea luminii

Claritatea vizuală

8 Capitolul 1

Toate aceste aspecte, analizate şi asigurate corespunzător, conduc la obţinerea mediului luminos interior confortabil, funcţional şi estetic. Lumina naturală este un dar al naturii. Aşa cum omul a învăţat să utilizeze lumina electrică care contribuie la eliminarea dependenţei totale de lumina naturală, el a învăţat să aprecieze valoarea luminii naturale şi a devenit conştient de avantajele sale. Întrucât sistemul vizual uman s-a adaptat de-a lungul timpului la condiţiile luminii naturale, iluminatul electric presupune prezenţa unor aspecte de adaptare nefavorabilă, care poate conduce la inconfort. De asemenea, lumina naturală prezintă o serie de efecte pozitive asupra psihicului şi fizicului uman. În acelaşi timp, interesul de utilizare a luminii naturale pentru iluminatul interior a variat în funcţie de aspectele sociale şi economice de-a lungul timpului. Utilizarea eficientă a luminii naturale (figura 1.3) ca o componentă necesară prin calităţile sale în iluminatul interior a devenit un aspect extrem de important în tratarea modernă a concepţiei sistemelor de iluminat [12], pentru care trebuie realizată o integrare dinamică a componentei artificiale cu cea naturală, ţinând seama de criteriile caracteristice destinaţiei interiorului, în conexiune cu aspectele cantitative şi calitative ale mediului luminos interior confortabil, funcţional şi estetic. Lumina naturală se distinge ca o sursă de lumină cu modificări unice şi continue de distribuţie şi spectru. Ea poate mări satisfacţia vizuală a persoanelor şi conserva energia, dacă se iau în considerare aspecte cum ar fi vederea, controlul orbirii, factorii umani şi integrarea sistemelor funcţionale ale clădirilor. Este necesar ca efectele luminii naturale să fie analizate în toate spaţiile în care este admisă, chiar dacă este folosită ca o sursă de lumină, cu scopul de a evita probleme de orbire sau de pagube produse asupra materialelor cu care intră în contact.

Figura 1.3 Premizele utilizării luminii naturale în iluminatul interior.

CCoonnddiiţţiiii

Asigurarea unui iluminat electric permanent suplimentar pentru

compensarea variabilităţii luminii naturale

UUTTIILLIIZZAARREEAA LLUUMMIINNIIII NNAATTUURRAALLEE

Efecte psihologice pozitive asupra activităţii umane

Economie de energie electrică pentru iluminat

Integrarea iluminatului în sistemul energetic clădire

Introducere privind stadiul actual al cunoaşterii 9 Pentru utilizarea corectă a luminii naturale în sistemele de iluminat interior, trebuie să se ţină seama de mai mulţi factori [45]: • Factorii umani, cu aspecte legate de fiziologie, percepţie, preferinţe, comportament • Efectele luminii naturale asupra materialelor (mobilă, piese de artă, plante etc.) • Admisia controlată a luminii directe solare • Admisia controlată a luminii difuze a cerului • Efectele terenului şi ale clădirilor din jur asupra luminii disponibile • Integrarea sistemelor clădirilor: iluminatul artificial, suprafeţele vitrate, geometria

interioară, finisajele, sistemele de control (manual şi automat) şi climatizarea Există cel puţin trei argumente pentru a lua în considerare prevederea iluminatului natural în aplicaţii de iluminat avansate [44]: • Ocupanţii agreează iluminatul natural: studiile realizate au indicat că aceştia preferă

încăperile iluminate natural în defavoarea celor dominate de iluminatul electric • Se poate obţine o economie importantă de energie • Apariţia sistemelor de iluminat natural avansate, de performanţă ridicată şi care pot fi

integrate cu iluminatul electric Există două aspecte ale contribuţiei luminii naturale în interior care sunt la fel de importante: asigurarea nivelului de iluminare necesar desfăşurării eficiente şi rapide a activităţii şi crearea unui mediu luminos confortabil, lipsit de orbire. Din acest motiv, au fost dezvoltate metode pentru evaluarea numerică a factorilor care decid dacă un mediu luminos prezintă sau nu situaţii de orbire, cu efect negativ direct prin inducerea inconfortului vizual. Capitolul 2 tratează caracteristicile fizice ale luminii naturale sub toate formele sale: lumină solară, lumină cerească, lumină reflectată de suprafaţa solului sau alte suprafeţe exterioare. În realitate, există o singură sursă de lumină naturală: soarele, care reprezintă sursa primară de lumină. Efectele atmosferice permit definirea unei surse secundare de lumină naturală: cerul, efecte care sunt de asemenea tratate în acest capitol. Pe plan mondial au fost realizate numeroase cercetări experimentale şi ştiinţifice care să evidenţieze efectele luminii naturale asupra fiinţei umane, atât la nivel fiziologic, cât şi la nivel psihologic, rezultatele acestora fiind arătate în acest capitol. De asemenea, se analizează disponibilitatea luminii naturale pe suprafeţe exterioare pentru orice moment şi poziţie pe glob, pentru diverse tipuri de cer, precum şi aspectele legate de influenţele produse de turbiditatea atmosferei terestre. Deşi lumina solară este sursa primară de lumină naturală, majoritatea cercetărilor efectuate au fost orientate către diversele tipuri de cer. În acest capitol sunt prezentate trei modele de predicţie a luminii naturale, bazate pe analizele realizate de CIE, Dogniaux şi Robbins & Hunter. Capitolul este concentrat pe calculul contribuţiei luminii naturale în interior, prin două metode: metoda factorului de lumină de zi, care permite calculul iluminărilor relative în raport cu valorile iluminării exterioare, şi metoda transferului de flux, care permite calculul valorilor absolute ale iluminării. De asemenea, este tratată şi evaluarea orbirii produse de lumina naturală, în contextul asigurării contactului vizual cu mediul exterior şi mai ales cu cerul. Intenţia a fost numai de a prezenta cele mai utilizate metode de determinare a potenţialului iluminatului natural şi de analiză numerică a aspectelor calitative legate de evitarea orbirii, metode care au totuşi la bază ipoteze simplificatoare, cum ar fi de exemplu considerarea suprafeţelor ca fiind perfect difuzante. Capitolul 3 prezintă clasificarea şi caracteristicile sistemelor avansate de iluminat natural, încadrate în trei categorii: sisteme cu selecţie spectrală, sisteme cu controlul dinamic al intensităţii luminii transmise şi sisteme cu controlul distribuţiei luminii. Utilizarea luminii naturale pentru înlocuirea sau completarea iluminatului electric poate avea ca rezultat scăderea necesarului de energie electrică şi de echipamente. Sistemele vitrate de înaltă performanţă reprezintă un element necesar, dar nu suficient, care trebuie să fie luat în seamă în cadrul concepţiei sistemelor de iluminat, pentru a se putea asigura reducerea energiei electrice consumate. Această economie de energie poate fi

10 Capitolul 1

obţinută doar prin corelarea iluminatului cu echilibrul termic al clădirii, evitându-se pierderile sau aporturile termice prea mari prin suprafeţele vitrate. Astfel, în ultimii 20 de ani au fost dezvoltate noi materiale şi tehnologii de vitrare, concepute pentru controlul intensităţii, al distribuţiei interioare şi al compoziţiei spectrale ale radiaţiei solare transmise către spaţiul interior, precum şi pentru controlul transferului termic între exterior şi interior. O parte din aceste materiale şi tehnologii s-au dovedit deja eficiente pentru anumite aplicaţii generale sau particulare, în timp ce altele sunt încă în faza de testare şi perfecţionare. Această lucrare prezintă sistemele de vitrare cele mai avansate, concepute pentru maximizarea potenţialului de reducere a energiei în acelaşi timp cu creşterea confortului vizual şi a performanţei vizuale, sisteme care se împart în două categorii: sisteme statice şi sisteme dinamice. Printre sistemele statice se numără sticla cu selecţie spectrală, sticla holografică, elementele orizontale de direcţionare a luminii naturale, tubul de lumină, iar printre cele dinamice se regăsesc sisteme de jaluzele cu comandă automată, sticla electrocromică etc. Cerinţele de performanţă asupra sistemelor de vitrare variază în funcţie de locaţie, climat, orientare, tipul clădirii, obstrucţii exterioare, concepţia spaţiului interior, precum şi de cerinţele impuse de sarcina vizuală şi preferinţele ocupanţilor. Aceste aspecte interacţionează adeseori şi variază în timp, cum ar fi spre exemplu variabilitatea condiţiilor atmosferice. Concepţia corectă a acestor sisteme trebuie să se bazeze pe o perspectivă asupra tuturor aspectelor menţionate mai sus, capabilă să ofere soluţii pentru fiecare aspect în parte. Pentru majoritatea tipurilor de clădiri din diferite climate, ziua de lucru se întinde pe un interval de timp care cuprinde şi momente dinainte de răsăritul soarelui şi de după apusul soarelui. Astfel, lumina naturală este privită ca o sursă ce va fi suplimentată cu lumină electrică pentru a se asigura nivelul de iluminare recomandat. Pentru a se asigura o economie de energie, trebuie să se realizeze integrarea iluminatului electric cu iluminatul natural, precum şi integrarea dintre iluminat şi sisteme de ventilare şi condiţionare a aerului. Dintre cerinţele impuse unui iluminat integrat corect conceput, în continuare sunt prezentate câteva de importanţă ridicată. Niveluri de iluminare şi luminanţă Pentru majoritatea aplicaţiilor actuale, nivelul de iluminare necesar se încadrează între 200 şi 1000 lx, cu niveluri mai scăzute acceptate pentru iluminatul ambiental dacă este asigurat un iluminat local suplimentar. În cercetarea actuală se manifestă un interes tot mai crescut în ce priveşte posibilitatea asigurării unui nivel de iluminare mult mai ridicat pentru perioade scurte de timp, în special pentru climate nordice, din considerente de sănătate. Prin comparaţie, iluminarea exterioară variază între 10.000 şi 100.000 lx. Accesul luminii naturale în spaţiul interior are efecte şi asupra valorii luminanţei şi asupra distribuţiei acesteia în câmpul vizual. Luminanţa unei ferestre iluminate de lumina directă a soarelui poate ajunge chiar până la 20.000 cd/m2, valoare ce determină apariţia orbirii şi care este mult peste nivelul acceptat pentru luminanţe corespunzătoare spaţiului interior. Deoarece sarcinile vizuale actuale presupun o prezenţă din ce în ce mai mare a calculatorului, controlul orbirii se impune ca un aspect extrem de important în iluminatul integrat. Fluxul luminos total Fluxul luminos total necesar pentru asigurarea nivelului de iluminare recomandat variază direct proporţional cu nivelul de iluminare şi cu suprafaţa spaţiului iluminat. Fluxul total admis în interior este estimat prin produsul dintre iluminarea din planul deschiderii, suprafaţa deschiderii, factorii de transmisie ai deschiderii şi alţi factori legaţi de pierderile de lumină. În funcţie de proprietăţile geometrice şi de reflexie ale spaţiului iluminat, se poate stabili „deschiderea efectivă”, prin produsul dintre suprafaţa deschiderii şi transmitanţa acesteia, necesară pentru asigurarea fluxului luminos cerut de nivelul de iluminare. Valorile medii ale acestor parametri pot fi uşor determinate, dar trebuie să se

Introducere privind stadiul actual al cunoaşterii 11 ţină seama că iluminarea exterioară a deschiderii variază extrem de mult în funcţie de condiţiile atmosferice. Potenţialul de economie de energie Cercetarea realizată sub formă de simulări şi măsurări [44] a arătat că o deschidere efectivă de 0,02-0,03 pentru spaţii cu iluminat natural superior şi de 0,2-0,3 pentru iluminat natural lateral poate asigura 50-70% reducere a consumului de energie electrică pentru iluminat. Iluminatul natural realizat cu deschideri superioare pentru accesul luminii asigură o economie de energie electrică mai mare cu o suprafaţă a deschiderilor mai mică. Disponibilul de lumină naturală este în general mai mare pe suprafeţe orizontale decât pe cele verticale de-a lungul anului. În principiu, o clădire cu un singur nivel de orice înălţime poate fi în întregime iluminată natural. În schimb, disponibilul de lumină naturală pentru spaţiile cu deschideri laterale variază şi este în general mai mic decât în cazul anterior. Iluminarea interioară scade rapid cu adâncimea spaţiului iluminat prevăzut cu un singur perete vitrat. Creşterea suprafeţei deschiderii va determina creşterea în consecinţă a nivelului de iluminare din zona ferestrei. O fereastră obişnuită necesită elemente de control al radiaţiei solare pentru a elimina accesul direct al acesteia în interior. De regulă acest lucru se realizează prin reflexie sau absorbţie, dar şi prin redirecţionarea luminii solare în adâncimea spaţiului iluminat. De regulă adâncimea pentru care se obţine o iluminare acceptabilă nu depăşeşte valoarea egală cu de două ori înălţimea deschiderii. Creşterea accesului luminii naturale prin mărirea suprafeţei deschiderilor are ca efect, în cazul neutilizării sticlei termoizolante, efecte termice negative. Suprafaţa iluminată natural pentru pereţi cu deschideri vitrate verticale convenţionale depinde de dimensiunile relative ale spaţiului interior, fiind optimă pentru situaţiile în care distanţa maximă faţă de faţadă este 8-10 m. O alternativă pentru mărirea zonei iluminate natural presupune utilizarea sistemelor de transport al luminii care să transmită eficient lumina la distanţe relativ mari (peste 15 m). Efecte termice Sticla multistrat având film de emisie scăzută şi gaz termoizolant poate reduce substanţial pierderile şi aporturile termice. Dacă sticla convenţională simplă sau dublă este caracterizată de un coeficient global de transfer termic k=4-6 W/m2K, noua tehnologie de vitrare a permis obţinerea unui coeficient global de transfer termic având valoarea k=1-2 W/m2K. Minimizarea la maxim a pierderilor şi aporturilor termice se face cu un oarecare sacrificiu în ce priveşte transmisia luminii, dar nu într-o măsură care să compromită sistemul de iluminat natural. De asemenea, utilizarea acestei sticle permite obţinerea unei temperaturi pe faţa interioară aproximativ egală cu temperatura aerului interior, îmbunătăţind astfel confortul termic din vecinătatea ferestrei. În clădirile cu destinaţie comercială din majoritatea zonelor temperate, principalii parametri asociaţi cu accesul luminii naturale sunt sarcina de răcire de vârf şi energia de răcire sezonieră. Sistemele de ecranare a accesului luminii naturale, interioare şi exterioare, fixe şi mobile, pot fi utilizate drept control dinamic suplimentar proprietăţilor specificate ale sticlei ferestrei. Perioada postbelică a fost marcată în domeniu de dezvoltarea sticlei colorate, absorbante de căldură şi apoi de cea a sticlei de reflectanţă ridicată, drept mijloc de reducere a aporturilor termice solare şi de evitare a orbirii. Totuşi, pentru a reflecta 70-90% din aporturile termice solare, o mare parte din lumina naturală era de asemenea reflectată către exterior, ajungându-se la pierderi de lumină prea mari şi făcând sistemul de iluminat natural ineficient. Cea mai importantă etapă în evoluţia acestui domeniu din ultimul deceniu o reprezintă dezvoltarea sticlei cu selecţie spectrală de performanţe ridicate, care reflectă către exterior radiaţiile solare din spectrul IR şi din vecinătatea acestuia, menţinând transmitanţa luminii naturale la un nivel relativ ridicat. Acest material este în prezent

12 Capitolul 1

disponibil pe piaţă la preţuri relativ scăzute şi devine rapid materialul de vitrare standard pentru clădirile de birouri şi cu destinaţie comercială. Eficacitatea luminii naturale şi sarcina de răcire Adeseori se presupune că prin utilizarea luminii naturale se reduce sarcina de răcire a spaţiului interior în comparaţie cu iluminatul exclusiv electric. Realitatea însă este mai complexă. Dintre două spaţii interioare prevăzute cu ferestre identice dar cu sisteme de iluminat electrice diferite, în sensul că numai unul dintre aceste sisteme permite controlul fin al emisiei de flux luminos, este evident că sarcina de răcire mai mică o va avea spaţiul interior dotat cu sistemul de control al fluxului, datorită reducerii aportului termic de la iluminatul electric, în condiţiile în care aportul termic solar este identic. Dacă se compară însă o clădire prevăzută cu ferestre mici, cu transmisie scăzută şi fără elemente de control cu o clădire prevăzută cu ferestre mari, cu transmisie ridicată şi cu elemente de control al accesului luminii naturale, rezultatele acestei comparaţii nu sunt imediate. În general, sarcina termică mai mică va corespunde sistemului cu eficienţa luminoasă mai mare. Frecvent se compară eficacitatea sursei în lm/W. Astfel, eficacitatea luminii naturale are valori cuprinse între 80 şi 150 lm/W, în timp ce eficacitatea lămpilor fluorescente variază de regulă între 60 şi 90 lm/W. Se poate concluziona de aici că lumina naturală, având o eficacitate luminoasă superioară, va produce o sarcină de răcire mai mică. Totuşi comparaţia eficacităţii surselor de lumină poate conduce la rezultate greşite. Eficienţa netă a unui sistem de iluminat electric poate fi estimată prin raportul dintre nivelul de iluminare necesar şi puterea electrică pentru iluminat instalată pe unitatea de suprafaţă. Un sistem de iluminat electric foarte bun poate avea o eficienţă de până la 50 lm/W (500 lx / 10 W/m2), dar de regulă ajunge la 20-30 lm/W. Eficienţa netă a sistem de iluminat natural variază cu sistemul de vitrare, cu geometria şi parametrii optici ai spaţiului interior şi cu intensitatea şi distribuţia luminii naturale, putând avea valori inferioare sau superioare celor corespunzătoare unui sistem de iluminat electric. De regulă sistemele de iluminat natural superior au eficienţe mult mai ridicate decât sistemele de iluminat natural lateral, datorită unei distribuţii mai uniforme a luminii. Sistemele de control De multe ori se întâmplă ca un sistem de iluminat integrat să nu asigure economia de energie preconizată din cauza problemelor la nivelul sistemelor de control, cum ar fi concepţia incorectă a echipamentelor (senzori, componente electronice), probleme de amplasare a echipamentelor, montare, calibrare sau chiar probleme de funcţionare. Sistemul de iluminat integrat trebuie să asigure nivelul de iluminare necesar pentru o largă varietate de condiţii atmosferice şi implicit pentru un interval larg al disponibilului de lumină naturală, menţinând în acelaşi timp atractivitatea mediului luminos pe măsură ce se scade nivelul componentei electrice ca răspuns la creşterea componentei naturale. Sistemele de control trebuie să fie adaptate la complexitatea noilor sisteme de vitrare dinamice (de exemplu sticla electrocromică). În plus, sistemele de control pentru iluminat trebuie să fie integrate în sistemul de control general al energiei clădirii. Capitolul 4 prezintă elementele specifice integrării dintre iluminatul electric şi iluminatul natural. Se analizează astfel aspectele confortului vizual, precum şi modul în care acesta poate fi menţinut în cadrul unui mediu luminos interior dinamic. Această caracteristică de dinamicitate a mediului este datorată integrării componentelor naturală şi electrică, integrare a cărei necesitate este de asemenea analizată, arătându-se importanţa utilizării luminii naturale în interior datorită efectelor pozitive pe care le prezintă asupra satisfacţiei ocupanţilor. Acest capitol nu şi-a propus decât să evidenţieze direcţiile ce trebuie urmate pentru menţinerea constantă a confortului vizual în mediul interior, plecând de la ipoteza iniţială că sunt respectate condiţiile cantitative şi calitative necesare asigurării mediului luminos interior confortabil, funcţional şi estetic. Astfel, mediul luminos interior creat de componenta electrică este considerat a fi un mediu confortabil. În schimb, problemele care apar sunt introduse de variabilitatea intensităţii şi direcţiei luminii naturale, parametri

Introducere privind stadiul actual al cunoaşterii 13 care sunt descrişi pentru două tipuri de sisteme de iluminat natural: cu acces superior şi cu acces lateral al luminii naturale, prezentându-se în final reacţia organismului uman la varierea nivelului de iluminare din interior, fenomen care este specific luminii naturale. Pe baza aspectelor teoretice legate de efectele pozitive şi de necesitatea utilizării luminii naturale în iluminatul interior, a fost conceput un sistem de iluminat interior integrat plecând de la ideea originală de a crea un sistem de transport şi distribuţie a luminii naturale prin intermediul tuburilor de lumină alimentate cu lumină mixtă de la capetele diametral opuse. Prin lumină mixtă se înţelege în acest context combinarea între lumina naturală şi lumina electrică. Sistemul original SOLUM este menit să pună în practică această idee, rezolvând dificultatea majoră de alimentare a tuburilor de lumină cu lumină naturală. Componenta esenţială a sistemului original SOLUM este sistemul de captare, focalizare şi transport al luminii naturale către sistemul interior de tuburi de lumină. Aceste cerinţe primordiale sunt rezolvate într-un mod simplu şi eficient prin implementarea sistemului de iluminat natural cu tuburi solare SunPipe, pus la dispoziţie pentru aceste cercetări prin amabilitatea profesorului Terry Payne, managerul firmei britanice Monodraught Ltd., producătorul sistemelor SunPipe. SunPipe realizează captarea eficientă a luminii solare şi a luminii difuze a cerului printr-un dom de captare compus dintr-o serie de prisme fixe, având astfel avantajul că nu consumă energie electrică pentru mişcare, pe de o parte, iar pe de altă parte, nu depinde de radiaţia solară incidentă, captarea luminii fiind astfel eficientă şi în condiţii de cer acoperit. Domul de captare al sistemului SunPipe focalizează radiaţiile luminoase către conducta de transport al luminii, care este realizată dintr-un aliaj special de aluminiu şi argint de înaltă reflectanţă 0,98, realizându-se astfel transportul luminii naturale prin reflexia repetată la interiorul conductei oglindate. La capătul din interior al sistemului SunPipe, difuzorul luminos distribuie lumina naturală în spaţiul interior sub un unghi de emisie larg, realizând astfel un iluminat interior uniform şi difuz. Sistemul original SOLUM utilizează tubul solar SunPipe, la care se adaugă o reţea de conducte de lumină orizontale, care sunt alimentate la un capăt cu lumină naturală de la conducta verticală a sistemului SunPipe prin intermediul unor ramificaţii special concepute în acest sens. Conductele orizontale pot fi realizate din: • tuburi solare SunPipe, care transportă lumina naturală în spaţiile de interes şi apoi o

difuzează în interior prin difuzorul luminos montat la capăt, în acest caz sistemul purtând numele SOLUM SunPipe

• tuburi de lumină 3M, care au dublul rol de transport şi de transmisie laterală a luminii în spaţiul interior, în acest caz sistemul purtând numele SOLUM 3M

Pentru a permite compensarea scăderii contribuţiei de lumină naturală, sistemul original SOLUM se transformă gradat într-un sistem de iluminat electric, în care lămpile amplasate în conducta verticală (la sistemul SOLUM SunPipe), precum şi în conducta verticală şi la capetele tuburilor de lumină 3M orizontale (la sistemul SOLUM 3M), asigură necesarul de lumină pentru situaţia de seară / noapte. În plus, componentele electrice ale sistemului original SOLUM sunt conectate la sursa de energie regenerabilă reprezentată de bateriile solare ce stochează energia electrică produsă de un panou fotovoltaic prin conversia energiei solare. Capitolul 5 prezintă structura mai multor variante constructive ale sistemului original SOLUM, precum şi rezultatele cercetării experimentale asupra performanţelor luminotehnice pentru diverse scenarii luminoase. De asemenea, a fost creat un algoritm capabil să realizeze dimensionarea unui astfel de sistem, care va fi ulterior perfecţionat prin adăugarea facilităţii de evaluare calitativă a riscului de apariţie a orbirii şi prin adăugarea opţiunii de analiză energetică în contextul sistemului energetic clădire. În încheiere, capitolul 6 trece în revistă contribuţiile originale pe care această lucrare le aduce în domeniul iluminatului interior integrat, precum şi perspectivele de dezvoltare ulterioară ale soluţiilor propuse.

CC AA PP II TT OO LL UU LL 22

LLuummiinnaa nnaattuurraallăă ccaa ssuurrssăă ddee lluummiinnăă

2.1 Particularităţile luminii naturale 2.1.1 Surse de lumină naturală Caracteristicile luminii naturale prezintă o variaţie a parametrilor luminotehnici de la lumina solară directă, care acţionează ca o sursă punctuală cu o intensitate luminoasă extrem de importantă, până la un cer complet acoperit, care acţionează ca o sursă de suprafaţă de dimensiuni mari şi difuzantă. Astfel, se impune clasificarea luminii naturale în lumină solară, fasciculul luminos concentrat provenind direct de la soare, şi lumină de zi, lumina difuză, mai plăcută, provenind de la cer. În domeniul iluminatului natural, cel puţin patru scenarii luminoase au fost definite: soare, cer senin, cer parţial acoperit şi cer acoperit. Mişcările zilnice şi sezoniere ale soarelui pe cer faţă de o poziţie specifică de pe pământ determină un model previzibil al cantităţii şi direcţiei luminii naturale disponibile. Asupra acestui model se suprapun variaţii cauzate de schimbări meteorologice sau climatice şi de poluarea atmosferică. Soarele ca sursă de lumină Soarele poate fi considerat ca o sursă punctuală de lumină naturală, care este aproximativ de formă sferică, cu diametrul de 1,39 milioane km şi aflat la o distanţă medie faţă de pământ de 149,5 milioane km [39]. Este compus în mare parte din hidrogen (70% din masa totală) şi heliu; prin reacţiile nucleare din nucleu, la aproximativ 107 K şi 2·1011 atm, hidrogenul se tranformă în heliu, eliberând energia care este apoi iradiată de straturile exterioare. Această energie este în mare parte produsă sub formă de radiaţii gama ce sunt apoi emise în spectrul de lungimi mari de undă în urma fenomenelor de absorbţie şi re-emisie ce au loc în întreaga masă solară. Astfel, patru protoni sau nuclee de hidrogen fuzionează ducând la formarea unei particule alfa sau a unui nucleu de heliu, a cărei masă este cu circa 0,7% mai mică decât masa celor patru protoni [39]. Diferenţa de masă este convertită în energie şi este transferată către suprafaţa soarelui prin convecţie unde este emisă în spaţiu. În fiecare secundă a acestui proces nuclear, 700 milioane de tone de hidrogen sunt transformate în 695 milioane tone

Lumina naturală ca sursă de lumină 15 de heliu. Restul de 5 milioane de tone sunt convertite în energie electromagnetică care radiază de la suprafaţa soarelui în spaţiul cosmic [5]. Partea „vizibilă” a soarelui, fotosfera, este stratul unde temperatura începe să crească brusc către interior [40]. De asemenea transparenţa materialului gazos începe să scadă către interior. Un disc aparent bine definit rezultă din aceste fenomene de absorbţie optică variabilă. Cromosfera este situată deasupra fotosferei (figura 2.1). Energia solară trece prin această regiune în drumul său dinspre nucleu, determinând apariţia formaţiunilor cunoscute sub numele de facule şi flame. Faculele denumesc norii foarte strălucitori de hidrogen formaţi deasupra regiunilor unde vor apărea petele solare; flamele reprezintă nişte filamente strălucitoare de gaze fierbinţi emergente din regiunile cu pete solare. Petele solare sunt depresiuni întunecoase ale fotosferei cu o temperatură specifică de 4.000°C [39]. Coroana este partea exterioară a atmosferei solare, în care apar proeminenţele solare, sub forma unor nori imenşi de gaze strălucitoare care erup din stratul superior al cromosferei. Regiunea exterioară a coroanei solare se întinde departe în spaţiu şi este compusă din particule care se îndepărtează încet faţă de soare. Coroana solară poate fi văzută doar în timpul eclipselor totale de soare.

Figura 2.1 Structura soarelui. Energia emisă de soare parcurge spaţiul cosmic până când este interceptată de planete sau alte corpuri cereşti. Intensitatea radiaţiei solare incidente pe aceste corpuri este determinată de legea inversului pătratului distanţei. Astfel, considerând cunoscută energia radiată de soare şi distanţa medie pământ-soare de 149,5 milioane km, se poate calcula fluxul energetic solar la limita exterioară a atmosferei terestre ca fiind în jur de 1370 W/m2 [72]. De regulă, emisia de energie a soarelui poate fi considerată constantă. Această ipoteză însă nu este în întregime adevărată. Cercetările au arătat că emisia de

16 Capitolul 2

energie solară este variabilă în timp şi chiar că o creştere a acesteia ar contribui şi la intensificarea încălzirii globale din atmosfera terestră. Luminanţa medie a soarelui este considerată a fi aproximativ 1600 Mcd/m2 privind de la nivelul mării [45]. Iluminarea la nivelul suprafeţei terestre produsă de lumina solară poate depăşi 100.000 lx; în condiţii de cer înnorat, această valoare poate scădea sub 10.000 lx. Temperaturile estimate pentru diverse părţi ale soarelui sunt stabilite pe baza absorbţiei sau a profilului liniilor de emisie, sau mai des prin suprapunerea curbelor radiatorului integral cu secţiunile observate ale curbelor de emisie spectrală continue, presupunând că aparţin unui radiator integral. Această ipoteză nu este valabilă pentru radiaţia vizibilă emisă de un corp transparent cum sunt coroana sau cromosfera. Curbele de emisie UV, liniile şi benzile de emisie şi de absorbţie oferă valori diferite ale temperaturii pentru radiatorul integral echivalent, corespunzător intervalului spectral ales, iar acest lucru este valabil într-o măsură mai mică şi în spectrul vizibil. Considerând soarele ca un radiator integral având un flux radiant cunoscut (constanta solară S) şi utilizând legea Stefan-Boltzmann, rezultă că soarele de temperatură T, rază r şi distanţă D faţă de pământ, produce o iluminare energetică la nivelul suprafeţei terestre de:

2

24

44

DrTS

ππ

⋅σ= (2.1)

unde

81067,5 −⋅=σ W/m2K4 (2.2) Dacă

1370=S W/m2 (2.3) atunci

5800≈T K (2.4) Mişcarea de rotaţie a pământului în jurul axei sale, ca de altfel şi mişcarea sa de revoluţie în jurul soarelui, determină o mişcare aparentă a soarelui în raport cu orice punct al suprafeţei terestre. Poziţia relativă a soarelui faţă de acest punct este exprimată cu ajutorul a două unghiuri: altitudinea solară, unghiul vertical format de direcţia punct – soare cu planul orizontului, cunoscut şi sub denumirea de unghi de înălţime solară, şi azimutul solar, unghiul orizontal format de direcţia punct – soare cu direcţia sud pentru emisfera nordică. Direcţia şi intensitatea luminii solare, precum şi variaţia intensităţii luminoase în funcţie de poziţie, timpul din zi şi timpul din an, reprezintă parametri care trebuie determinaţi şi luaţi în calcul în orice studiu de iluminat natural. Aceste informaţii sunt deja disponibile în tabele şi diagrame şi de asemenea sunt furnizate într-o serie de programe de calcul ce asigură şi modelarea iluminatului natural. Cerul ca sursă de lumină Radiaţia solară se deplasează liber în spaţiul cosmic datorită vidului, obstrucţiile fiind reprezentate de planete, sateliţi, meteoriţi sau alte corpuri cosmice ori obiecte spaţiale. Radiaţiile care ating atmosfera terestră cunosc o varietate de fenomene atmosferice sau

Lumina naturală ca sursă de lumină 17 terestre. Atunci când radiaţia solară este incidentă pe elemente de diverse stări de agregare (solidă, lichidă sau gazoasă), aceasta suferă modificări ale intensităţii, direcţiei, lungimii de undă, în funcţie de natura şi caracteristicile elementelor cu care intră în contact. Aceste modificări se pot datora următoarelor fenomene posibile: • Radiaţiile pot fi transmise prin medii transparente, cum ar fi aerul, apa, sticla, suferind

modificări de viteză şi direcţie • Radiaţiile pot fi parţial sau complet absorbite de un mediu/corp, în funcţie de

lungimea de undă a radiaţiilor şi de caracteristicile mediului. Sticla albastră, de exemplu, transmite radiaţiile cu lungimi de undă de 425-490 nm, absorbind restul radiaţiilor [2]

• Radiaţiile pot fi difuzate în toate direcţiile, aşa cum este cazul radiaţiilor solare care traversează atmosfera terestră

• Radiaţiile pot fi reflectate sub un unghi de reflexie egal cu cel de incidenţă În timpul traversării atmosferei terestre, o parte din radiaţii sunt difuzate de particulele de praf, vaporii de apă şi alte particule aflate în suspensie. Acest fenomen determină luminanţa cerului. Au fost stabilite trei tipuri de cer: senin, parţial acoperit şi acoperit. În condiţii de cer parţial acoperit, distribuţia luminanţei cerului poate varia extrem de rapid şi destul de puternic, deoarece soarele poate fi alternativ acoperit de nori, parţial acoperit sau neacoperit de nori, toate aceste scenarii alternând cu rapiditate. O cantitate considerabilă de radiaţii solare sunt difuzate de atmosfera terestră. Cercetările efectuate de Rayleigh au arătat pentru prima dată că atmosfera terestră determină acest fenomen de difuzie a luminii. Plecând de la considerente teoretice, intensitatea fenomenului de difuzie variază invers proporţional cu puterea a patra a lungimii de undă atunci când mărimea particulei difuzante este mică în raport cu lungimea de undă a radiaţiei difuzate, aşa cum este cazul moleculelor de aer. Culoarea albastră a cerului senin şi tenta roşiatică de la răsărit şi de la apus sunt exemple clasice ale acestui fenomen de difuzie. Dacă particulele difuzante sunt relativ mari (de exemplu picăturile de apă din nori), difuzia este teoretic aceeaşi pentru toate lungimile de undă. Cantitatea de radiaţii solare incidente la limita superioară a atmosferei nu ajunge în întregime la nivelul suprafeţei terestre, deoarece atmosfera joacă un rol important în controlul selectiv al diverselor componente ale radiaţiei solare. O parte semnificativă este reflectată înapoi în spaţiu de către straturile superioare ale atmosferei şi de asemenea de către nori. De-a lungul traseului prin atmosferă, radiaţia solară este fie absorbită, fie difuzată în toate direcţiile de către gazele atmosferice, vaporii de apă sau particulele de praf. Se poate vorbi de două procese de difuzie atmosferică a radiaţiei solare: difuzia selectivă şi difuzia non-selectivă, determinate de mărimile diferite ale particulelor atmosferice. Difuzia selectivă este caracterizată prin faptul că radiaţiile de lungimi de undă mai scurte sunt difuzate selectiv mult mai intens decât cele de lungimi de undă mari [45]. Acest fenomen este determinat de gazele atmosferice sau particulele mai mici în dimensiune decât lungimea de undă a radiaţiei difuzate: molecule de gaz, fum, ceaţă. În condiţii de atmosferă clară, difuzia selectivă este mai puţin intensă decât în cazul unei atmosfere poluate. Difuzia atmosferică selectivă este invers proporţională cu lungimea de undă a radiaţiei şi astfel, descreşte ca intensitate în ordinea: UV > violet > albastru > verde > galben > portocaliu > roşu > infraroşu. Astfel, radiaţiile cele mai intens difuzate sunt cele din benzile UV, violet şi albastru ale spectrului, efectul difuziei acestora fiind de circa 10 ori mai mare decât cel asupra radiaţiilor din banda radiaţiilor de culoare roşie din spectrul solar. Este interesant de remarcat că difuzia selectivă a luminii violete şi albastre de către atmosferă determină culoarea albastră a cerului. La miezul zilei, când soarele se află chiar deasupra punctului de observaţie de pe suprafaţa terestră, efectul difuziei atmosferice selective este minim, deoarece lumina solară parcurge prin atmosfera terestră în acest moment o distanţă minimă către suprafaţa terestră. La răsărit şi la apus,

18 Capitolul 2

din contră, lumina solară traversează oblic atmosfera, parcurgând o distanţă mai mare, rezultând un efect maxim al difuziei selective atmosferice asupra luminii violete şi albastre, cu un efect redus asupra luminii roşii din spectrul solar. Acest lucru contribuie la aparenţa roşiatică a soarelui la răsărit şi la apus. Difuzia non-selectivă [45] produsă în straturile inferioare ale atmosferei este datorată prafului, ceţei şi norilor, care au particule de mărimi de peste 10 ori mai mari decât lungimile de undă ale componentelor radiaţiei solare. Deoarece intensitatea fenomenului este aceeaşi pentru toate lungimile de undă, norii şi ceaţa apar de culoare albă, deşi particulele de apă din componenţa lor sunt incolore. De asemenea, gazele atmosferice absorb energia solară pentru anumite intervale de lungimi de undă numite benzi de absorbţie, în contrast cu regiunile spectrale caracterizate printr-o transmisie ridicată a radiaţiei solare, numite benzi de transmisie, sau ferestre atmosferice. Gradul de absorbţie a radiaţiei solare care trece prin straturile superioare ale atmosferei depinde de componentele radiaţiei solare şi de lungimile lor de undă. Razele gama, razele X şi radiaţiile UV având o lungime de undă sub 200 nm sunt absorbite de moleculele de oxigen şi de azot [2]. Marea parte a radiaţiilor cu lungimi de undă de 200-300 nm sunt absorbite de stratul de ozon din atmosfera superioară. Aceste fenomene de absorbţie sunt esenţiale pentru toate formele de viaţă terestră, deoarece expunerea prelungită la radiaţii de lungimi de undă sub 300 nm determină distrugerea ţesuturilor vii. Radiaţia solară din benzile roşu şi IR ale spectrului, cu lungimi de undă de peste 700 nm, este absorbită de dioxidul de carbon, ozon şi vaporii sau picăturile de apă din atmosferă. Picăturile de apă din nori nu numai că absorb radiaţiile de lungimi mari de undă, dar şi difuzează o parte a radiaţiei solare de lungimi scurte de undă. Luminanţa cerului senin depinde de poziţia soarelui pe cer. Porţiunea din cer care înconjoară soarele este cea mai strălucitoare, iar zona opusă soarelui este cea mai întunecată. Astfel, atunci când soarele se află la sud, bolta cerească va fi mai strălucitoare spre sud şi mai întunecată spre nord. Stratul de nori variază considerabil în densitate şi reflectanţă şi de asemenea difuzează lumina solară. Situaţia cea mai variabilă este reprezentată de cerul parţial acoperit, atunci când nivelul de iluminare pe suprafaţa terestră şi luminanţa cerului pot cunoaşte modificări extrem de rapide. Figura 2.2 arată gradul de variaţie a acestor parametri pentru o zi cu cer parţial noros, cu schimbări rapide ale nivelului de iluminare între prânz şi ora 14, pe măsură ce norii trec prin dreptul soarelui [69].

Figura 2.2 Variabilitatea iluminării terestre într-o zi cu cer parţial acoperit.

Lumina naturală ca sursă de lumină 19 O zi cu cer acoperit este caracterizată de condiţii de iluminare mult mai stabile, dar prezintă totuşi variaţii în funcţie de densitatea stratului de nori. Un astfel de cer presupune un număr mare de interreflexii ale luminii solare, iar pentru astfel de condiţii cerul tinde să fie cel mai strălucitor în regiunea zenitală, aproximativ independent de poziţia soarelui pe cer. Pentru a putea răspunde tuturor situaţiilor de cer acoperit, CIE a introdus o descriere matematică standard a luminanţei boltei cereşti pentru un cer acoperit standard, numit „cer acoperit CIE”, utilizat în numeroase programe de calcul al iluminatului natural, fiind totuşi considerat mai reprezentativ pentru condiţiile meteorologice din Marea Britanie şi nordul Europei, acolo unde a fost de altfel dezvoltat. Figura 2.3 prezintă nivelul de iluminare exterior pe suprafeţe verticale în funcţie de orientare, timpul din zi, perioada anului [69]. Se poate observa diferenţa dintre contribuţia luminii solare şi cea a luminii cerului.

Figura 2.3 Nivelul de iluminare pe suprafeţe verticale produs de lumina naturală. Pentru situaţii de cer acoperit sau pentru orientări fără acces direct al luminii solare, nivelul de iluminare variază între 5.000 şi 15.000 lx [69]. Nivelul de iluminare creşte dramatic pentru condiţii de cer senin şi când soarele are acces direct asupra suprafeţei, ajungând până la 50.000-90.000 lx.

Figura 2.4 Exemplu de nivel de iluminare pentru suprafeţe orizontale.

20 Capitolul 2

Figura 2.4 arată nivelul de iluminare exterior mediu pe suprafeţe orizontale [69]. Valorile reprezentate grafic sunt date de media valorilor specifice diverselor condiţii meteorologice pentru fiecare lună. Se observă valoarea maximă obţinută vara, aproximativ de 2,5 ori mai mare decât în timpul iernii. Variabilitea luminii naturale reprezintă una dintre cele mai importante particularităţi şi provocări. Pentru a putea implementa lumina naturală în analiza statică a iluminatului electric, condiţiile iluminatului natural sunt adesea analizate numai pentru anumite momente, de exemplu condiţii de cer senin şi cer acoperit CIE. Această analiză contribuie la stabilirea situaţiilor extreme, dar nu contribuie la înţelegerea modului de variere a iluminărilor din spaţiul analizat de-a lungul zilei sau de-a lungul anului, deoarece poziţia soarelui şi condiţiile meteorologice variază. De asemenea, acest tip de analiză poate conduce la rezultate eronate cu privire la strategiile de realizare a unui sistem eficient din punct de vedere energetic. Solul ca sursă de lumină Radiaţia solară totală receptată la nivelul solului include atât radiaţia directă cât şi pe cea difuză, determinată de difuzia atmosferică şi reflexia radiaţiei incidente la nivelul solului. Cantitatea relativ scăzută de radiaţii emise de suprafaţa pământului la o temperatură medie de 17°C este reprezentată de radiaţii IR cu o concentraţie maximă pentru lungimea de undă de 970 nm [2]. În timpul zilei, proporţia radiaţiei difuze poate atinge 10% din radiaţia solară totală la ora prânzului chiar şi atunci când cerul este senin. Această valoare poate creşte chiar la 20% la orele dimineţii sau amiezii [2], şi chiar mai mult în condiţii de cer acoperit. Lumina reflectată de sol prezintă o importanţă deosebită în concepţia iluminatului natural deoarece ea este apoi reflectată de plafonul sau pereţii încăperilor iluminate către alte suprafeţe. Contribuţia luminii reflectate de sol poate atinge de regulă valori de 10-15% din radiaţia luminoasă totală incidentă pe planul ferestrei. Aceste valori pot creşte considerabil pentru anumite tipuri de sol (nisip, zăpadă) sau pentru suprafeţe ecranate accesului solar direct, în funcţie de condiţiile cerului. 2.1.2 Eficacitatea luminii naturale Eficacitatea luminii naturale este dată de raportul dintre radiaţia vizibilă şi radiaţia totală emisă de sursa de lumină naturală, considerându-se cazul luminii solare şi cel al luminii difuze a cerului, fiind exprimată ca şi eficacitatea unei surse electrice de lumină în lm/W [45]. Spre deosebire de aceasta însă, unde eficacitatea reprezenta raportul dintre fluxul luminos şi puterea electrică a lămpii, eficacitatea luminii naturale exprimă fluxul luminos disponibil în raport cu fluxul termic produs de radiaţia considerată. Eficacitatea luminii naturale este deosebit de variabilă, fiind în funcţie de poziţia soarelui, condiţiile atmosferice şi stratul de nori. Radiaţia solară prezintă un flux termic mult superior radiaţiei difuze a cerului. De asemenea, dacă se filtrează radiaţia solară cu ajutorul unui material vitrat, se poate îmbunătăţi considerabil această eficacitate, în funcţie de proprietăţile optice ale materialului utilizat. Lumina solară nefiltrată prezintă o eficacitate de acelaşi ordin de mărime ca şi cele mai eficiente surse electrice, de 90-110 lm/W. Prin filtrarea acesteia cu materiale vitrate de înaltă performanţă, se poate atinge o eficacitate de 225 lm/W. Lumina difuză a cerului prezintă o eficacitate superioară, de 105-140 lm/W, iar prin filtrare cu materiale vitrate de înaltă performanţă, se poate ajunge la 290 lm/W, depăşind cu mult orice sursă de lumină electrică [69]. Totuşi, datorită variaţiei continue de-a lungul anului a intensităţii luminii naturale şi a fluxului termic solar, nu este posibilă estimarea eficienţei unui sistem de iluminat natural la un anumit moment de timp. Mai degrabă, această estimare trebuie realizată pentru

Lumina naturală ca sursă de lumină 21 toate condiţiile atmosferice de-a lungul unui an. Eficienţa unui asemenea sistem depinde de suma gradului de utilizare a luminii naturale de-a lungul anului, precum şi de impactul asupra sarcinii termice a clădirii şi asupra economiei de energie obţinute prin integrarea iluminat natural – iluminat electric. Tabelul 2.1 prezintă caracteristicile luminotehnice de bază pentru lumina naturală.

Tipul sursei Valoarea Iluminare Soare

Cer 20.000-100.000 lx 5.000-20.000 lx

Luminanţă Cer acoperit, la orizontCer acoperit, la zenit

6·106 cd/m2 1,6·107 cd/m2

Eficacitate Soare, fără filtrare Cer, fără filtrare Soare, după filtrare Cer, după filtrare

80-110 lm/W 105-140 lm/W 75-225 lm/W 100-290 lm/W

Tabelul 2.1 Parametrii luminotehnici de bază pentru lumina naturală.

2.1.3 Caracteristici spectrale şi culoare Cunoaşterea culorii şi a distribuţiei spectrale energetice ale luminii naturale prezintă interes atunci când se realizează integrarea iluminatului natural cu iluminat electric permanent sau atunci când se dovedeşte necesară o sursă electrică care să imite lumina naturală pentru sarcini vizuale de recunoaştere sau potrivire a mostrelor de culoare, ce se doresc a fi independente de variaţia continuă a luminii naturale. Culoarea aparentă a luminii naturale este specificată destul de precis prin temperatura de culoare corelată. O specificare mai precisă este obţinută prin coordonatele cromatice CIE. Cunoaşterea întregului spectru al radiaţiei solare, incluzând componentele UV şi IR, se impune atunci când se doreşte estimarea emisiei radiative a diverselor materiale, degradarea materialelor vitrate şi aportul termic al ferestrelor produs de radiaţia solară. Compoziţia spectrală a luminii naturale depinde de fenomenele de difuzie şi absorbţie produse asupra radiaţiei solare în atmosferă, care la rândul lor depind de compoziţia atmosferei. Astfel, specificarea culorii sau a compoziţiei spectrale a luminii naturale trebuie să fie legată de condiţiile atmosferice specifice; în plus, trebuie făcută distincţia între interpretarea termenului „lumină naturală” ca fiind „lumina cerului” şi cea potrivit căreia acesta reprezintă „lumină solară plus lumina cerului”. Temperatura de culoare corelată pentru lumina naturală variază între 4000 K şi aproape infinit [88]. Cerul acoperit are în general asociată o temperatură de culoare corelată de 4500-7000 K iar cerul senin (albastru) temperaturi de 10.000-100.000 K. CIE a definit trei niveluri de temperatură de culoare corelată pentru surse reprezentând diverse faze ale luminii naturale: 5500 K pentru activităţi fotografice cu prezenţa soarelui, 6500 K corespunzând luminii cerului dinspre nord şi 7500 K corespunzând luminii cerului. Din întreaga cantitate de energie solară incidentă la suprafaţa pământului, 40% reprezintă radiaţiile din spectrul vizibil, restul fiind reprezentat de radiaţiile UV şi IR [6]. Radiaţiile solare absorbite sunt de regulă transformate în energie termică. Fluxul disponibil de lumină naturală variază cu grosimea şi condiţiile atmosferice. Deoarece distribuţia spectrală a luminii naturale variază continuu cu poziţia soarelui şi condiţiile atmosferice, CIE a adoptat trei distribuţii standard ale fluxului energetic spectral pentru lumina naturală (figura 2.5). Distribuţia spectrală a radiaţiei solare este prezentată în figura 2.6. Prima curbă indică distribuţia radiaţiei solare deasupra atmosferei terestre. Cea de-a doua curbă arată valorile atenuate de efectele filtrante ale atmosferei şi efectele absorbţiei radiaţiei de

22 Capitolul 2

către vaporii de apă şi gazele atmosferice. Porţiunea vizibilă a spectrului se întinde de la aproximativ 360 nm la aproximativ 780 nm [69].

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

300 400 500 600 700 800

Lungime de unda [nm]

Flux

ene

rget

ic re

lativ

[%]

D55 - 5500 K D65 - 6500 K D75 - 7500 K

Figura 2.5 Distribuţiile standard CIE ale fluxului energetic spectral pentru lumina naturală

cu temperatură de culoare corelată de 5500 K (D55), 6500 K (D65) şi 7500 K (D75).

Figura 2.6 Distribuţia spectrală a radiaţiei solare [69]. Curba neagră punctată

reprezintă distribuţia sprectrală a radiaţiei solare la nivelul mării. Emisia de radiaţii solare scade substanţial pentru lungimi scurte de undă din spectrul UV. Astfel, lumina naturală este bogată în radiaţii UV-A (315-400 nm), dar relativ săracă în radiaţii UV-B (280-315 nm), care determină efectul actinic şi prin urmare bronzarea pielii

Lumina naturală ca sursă de lumină 23 şi chiar arsuri solare. Radiaţiile UV-C (100-280 nm), care sunt şi cele mai periculoase, sunt filtrate de stratul de ozon al atmosferei [69]. După parcurgerea straturilor atmosferice, compoziţia spectrală a radiaţiei solare suferă modificări importante datorită absorbţiei sau reflexiei selective a radiaţiilor în funcţie de lungimea de undă. Caracteristicile spectrale ale luminii naturale suferă modificări importante şi după trecerea prin materialul vitrat al ferestrelor sau luminatoarelor. Sticla colorată influenţează considerabil distribuţia spectrală a radiaţiilor din spectrul vizibil, conducând la modificarea culorii aparente a luminii. Materialele vitrate de înaltă performanţă, având suprafeţe cu selecţie selectivă, sunt concepute special pentru a reflecta radiaţiile din spectrul IR şi UV, permiţând accesul radiaţiilor vizibile. Indicele CIE de redare a culorilor consideră lumina naturală ca iluminant de referinţă şi deci prin definiţie lumina naturală nefiltrată prezintă valoarea Ra=100. 2.1.4 Fenomene atmosferice Trei fenomene atmosferice determină modificări ale radiaţiilor solare în timpul trecerii acestora prin atmosferă către suprafaţa terestră, ca urmare a interacţiunii dintre radiaţii şi gazele sau particulele atmosferice. Difuzia are loc atunci când particulele mici sau moleculele de gaz difuzează o parte a radiaţiei solare incidente în direcţii aleatoare fără modificarea lungimii de undă a radiaţiei (figura 2.7a). Totuşi difuzia reduce fluxul de radiaţii la nivelul solului. O parte importantă a radiaţiei solare de scurtă lungime de undă care este difuzată de atmosferă este redirecţionată către spaţiul cosmic. Intensitatea fenomenului de difuzie depinde de doi factori: lungimea de undă a radiaţiei incidente şi mărimea particulei difuzante sau a molecului de gaz. Prezenţa în atmosfera terestră a unui număr mare de particule cu mărimea de circa 0,5 µm conduce la difuzia predominantă a radiaţiilor de lungime scurtă de undă. Acest lucru conduce la aparenţa albastră a cerului, culoare specifică radiaţiilor predominant difuzate de atmosferă. O parte din gazele şi particulele atmosferice absorb radiaţia solară incidentă (figura 2.7b) şi o transformă în energie termică, conducând la emisia de radiaţii de către particulele absorbante. Potrivit legii lui Wien, corpurile având astfel de temperaturi (scăzute) emit radiaţii de lungime mare de undă. Mai mult, aceste radiaţii sunt emise în toate direcţiile şi deci o parte a acestei energii se pierde în spaţiu. Radiaţiile solare suferă şi fenomenul de reflexie în contact cu particulele atmosferice (figura 2.7c), determinând pierderea completă a radiaţiilor reflectate. Cea mai mare parte a reflexiei atmosferice se produce la nivelul norilor unde radiaţiile solare sunt interceptate de particulele lichide şi solide de apă. Reflectanţa stratului de nori poate varia între 40 şi 90% [72].

Figura 2.7 Efectele atmosferei asupra radiaţiei solare: a – difuzie; b – absorbţie; c – reflexie.

24 Capitolul 2

Radiaţia solară care ajunge la suprafaţa pământului fără să sufere vreo modificare în urma fenomenelor atmosferice prezentate mai sus poartă numele de radiaţie solară directă. Radiaţia solară incidentă pe suprafaţa pământului după ce a fost difuzată de către atmosfera terestră poartă numele de radiaţie solară difuză. Reflectanţa suprafeţei pământului variază în funcţie de textura acesteia. De exemplu, stratul de zăpadă poate reflecta până la 95% din radiaţia incidentă. Pentru alte tipuri de suprafeţe această valoare poate fi [72]: • Nisip uscat: 35-45% • Pădure de foioase: 5-10% • Pădure de conifere: 10-20% • Iarbă: 15-25% Reflectanţa unei suprafeţe este adeseori descrisă de termenul numit albedo-ul suprafeţei. Albedo-ul mediu al suprafeţei terestre este de circa 30%. Figura 2.8 arată modificările produse asupra radiaţiei solare în urma interacţiunii cu atmosfera şi suprafaţa terestră pentru o perioadă de un an. Din întregul flux de radiaţie solară care trece anual prin atmosferă, doar 51% este disponibil la suprafaţa pământului [44]. Această energie este utilizată pentru încălzirea suprafeţei terestre şi a straturilor atmosferice inferioare, pentru evaporarea apei şi pentru desfăşurarea procesului de fotosinteză din plante. Din restul de 49%, 4% este reflectat înapoi în spaţiu de către suprafaţa pământului, 26% este difuzat sau reflectat înapoi în spaţiu de stratul de nori şi particulele atmosferice, iar 19% este absorbit de gazele şi particulele atmosferice şi stratul de nori.

Figura 2.8 Modificarea globală a radiaţiei solare incidente în urma proceselor atmosferice şi de la suprafaţa pământului.

Aparenţa luminoasă a cerului se datorează difuziei luminii solare de către atmosferă. Prin urmare, acest fenomen depinde de tipul particulelor ce compun atmosfera. Difuzia determinată de particulele mici a fost primul tip de difuzie care a cunoscut o interpretare matematică. În 1871 Rayleigh a dezvoltat o teorie pentru difuzia produsă de moleculele de aer cu un diametru mai mic decât 0,1λ, care arată că pentru astfel de particule sferice, foarte mici în comparaţie cu lungimea de undă a radiaţiilor vizibile, coeficientul de atenuare optică monocromatică variază cu λ-4, relaţie verificată experimental [40]. Astfel, lumina albastră (400 nm) este difuzată de circa 10 ori mai intens decât lumina roşie (700 nm), ceea ce explică şi culoarea albastră a cerului. Aspectul cantitativ al difuziei este exprimat prin atenuarea intensităţii radiaţiilor incidente conform principiului stabilit pentru prima dată de Bouguer [40]: diferenţa dintre logaritmii

Lumina naturală ca sursă de lumină 25 intensităţii luminoase incidente şi difuzate este proporţională cu grosimea mediului traversat. Acest principiu este exprimat matematic prin următoarea relaţie [40]:

leII α−⋅= 0 (2.5) pentru o grosime l şi o absorbanţă α. Coeficientul α variază de regulă cu lungimea de undă, iar pentru difuzia Rayleigh acesta este proporţional cu λ-4. Un alt factor ce prezintă importanţă în difuzia atmosferică a radiaţiilor solare este nebulozitatea atmosferei. Aceasta determină o difuzie mai intensă decât o atmosferă clară dar mai puţin intensă decât ceaţa, fiind produsă de particule aflate în suspensie în moleculele de gaz din atmosferă [74]. Deoarece aceste particule difuzează radiaţia solară mai uniform decât moleculele din atmosferă pentru toate lungimile de undă, culoarea cerului în urma acestui fenomen va tinde către alb. Aceste particule provin din erupţii vulcanice, incendii de pădure, şi astfel este foarte dificil de precizat nebulozitatea unui anumit tip de cer. Multe cercetări în această direcţie, începând cu cele desfăşurate de Angstrom, au încercat să descrie nebulozitatea cu ajutorul unui singur parametru: turbiditatea, măsură a raportului dintre difuzia provocată de nebulozitatea atmosferică şi cea provocată de moleculele din componenţa atmosferei. Această cantitate poate fi estimată pe baza vizibilităţii obiectelor îndepărtate. Turbiditatea T poate fi definită şi ca raportul dintre grosimea optică a atmosferei nebuloase şi grosimea optică a atmosferei clare:

m

hm

tttT +

= (2.6)

unde tm este grosimea optică verticală a atmosferei clare, iar th este grosimea optică verticală a atmosferei nebuloase. Grosimea optică pentru o direcţie dată este dată de

( )∫ βs

dxx0

unde ( )xβ este coeficientul de difuzie (proporţia de lumină difuzată pe metru de

lungime parcursă), care poate varia de-a lungul traseului razelor de lumină. Deoarece turbiditatea variază cu lungimea de undă, în aplicaţiile optice se utilizează valoarea sa pentru 555 nm [74]. Turbiditatea poate fi estimată şi utilizând distanţa optică meteorologică, arătată în figura 2.9.

Figura 2.9 Distanţa optică meteorologică Rm pentru diverse valori ale turbidităţii.

26 Capitolul 2

Distanţa optică meteorologică reprezintă lungimea unui traseu din atmosferă în care fluxul luminos al unei surse de lumină, emis sub forma unui fascicul, este redus la 95% (din valoarea iniţială). Valoarea de atenuare a fost aleasă în aşa fel încât termenul acesta să conducă la o evaluare aproximativă a vizibilităţii (meteorologice), care este cea mai mare distanţă de la care un obiect negru de dimensiuni convenabile poate fi recunoscut ziua pe porţiunea de cer de deasupra liniei orizontului. Distanţa optică meteorologică υ este în relaţie cu turbiditatea atmosferei T prin relaţia [74]:

Td

ln05,0ln

0=υ (2.7)

în care do este lungimea specifică pentru definirea lui T. Deşi turbiditatea reprezintă o simplificare importantă a naturii atmosferei, cercetările meteorologice au arătat că este o măsură practică destul de utilă. Deoarece estimarea sa nu necesită echipamente complexe, poate fi cu uşurinţă utilizată în aplicaţii grafice. 2.1.5 Efectele luminii naturale asupra organismului uman Radiaţia luminoasă prezintă asupra organismului uman nu numai efecte de ordin vizual, dar joacă un rol vital în menţinerea echilibrului fiziologic şi psihologic al organismului, prin influenţele asupra secreţiei de hormoni, temperaturii corpului, activităţilor cognitive şi stării sufleteşti. Aceste influenţe sunt determinate în special de nivelul de iluminare, compoziţia spectrală, culoarea luminii şi caracterul static sau dinamic al sursei de lumină. Efecte de natură fiziologică Cea mai mare parte a necesarului de vitamina D al organismului uman, aproximativ 90%, provine din expunerea temporară la radiaţiile solare [45]. Conţinutul ridicat de melanină din piele, ecranarea radiaţiilor solare şi înaintarea în vârstă scad capacitatea pielii de a produce vitamina D. Această producţie mai este influenţată şi de factori ambientali, cum ar fi schimbări de latitudine, anotimp sau timpul zilei. Organismul uman prezintă schimbări ciclice ale parametrilor biologici, reunite sub termenul de ritmuri biologice, caracterizate prin amplitudine şi perioadă. Sincronizarea tuturor ritmurilor biologice presupune coordonarea factorilor externi (exogeni) cu cei interni (endogeni) [45]. Factorii exogeni sunt în mare parte proveniţi dintr-unul sau mai multe cicluri geofizice întâlnite în mediul natural: ciclul noapte-zi, ciclul lunar, ciclul anotimpurilor sau ciclul mareei (flux-reflux). Ritmul circadian [45] este determinat de ciclul noapte-zi, având o perioadă de aproximativ 24 de ore, şi prezintă un interes deosebit deoarece caracterizează fluctuaţiile observate la majoritatea ritmurilor fiziologice umane, cum ar fi temperatura corpului, secreţia de hormoni, presiunea sângelui, predispoziţia la somn. Lumina ambientală reprezintă stimulul principal în evoluţia ritmului circadian. Valorile ridicate ale nivelului de iluminare / luminanţă determină scăderea sau chiar încetarea procesului de producţie a melatoninei, un hormon secretat în principal de creier în timpul nopţii [69]. Ciclul de producţie a melatoninei determină evoluţia ritmului circadian. Prezenţa melatoninei în timpul nopţii influenţează somnul şi secreţia altor hormoni, cum ar fi estrogenul. În timpul zilei, când nivelul concentraţiei de melatonină scade, creşte nivelul altor hormoni, cum ar fi serotonina. Cercetările recente arată faptul că expunerea la lumină în timpul nopţii influenţează capacitatea de reglare a ritmului circadian, cu efecte posibile asupra echilibrului sistemului endocrin, responsabile pentru apariţia unor anumite tipuri de boli. Spectrul luminii naturale conţine radiaţii UV. Nivelul ridicat al acestora prezintă efecte nocive asupra sănătăţii organismului, cum ar fi îmbătrânirea pielii şi a ţesuturilor sensibile

Lumina naturală ca sursă de lumină 27 ale ochilor, fiind asociat frecvent cu apariţia cancerului de piele. În funcţie de lungimea de undă, radiaţiile UV se împart în trei categorii, energia radiantă crescând odată cu scăderea lungimii de undă [69]. Radiaţiile UV-A (între 320 şi 380 nm), cunoscute şi sub numele de „lumină neagră”, par a fi cele mai active în biochimia organismului uman şi prezintă utilizare practică în tratamentele medicale. Radiaţiile UV-B (între 280 şi 320 nm) determină arsurile solare şi apariţia cancerului de piele (în cazul expunerilor prelungite la radiaţia solară) şi pot provoca daune asupra interiorului ochiului uman. Aceste radiaţii sunt în mare parte filtrate de către atmosfera terestră. Radiaţiile UV-C (sub 280 nm) sunt foarte periculoase pentru organismul uman, dar sunt folosite la lămpile bactericide şi germicide şi alte procese de curăţare anti-microbiană. Aceste radiaţii sunt aproape complet filtrate de atmosfera terestră. Lumina naturală conţine în spectrul său şi alte forme de radiaţii invizibile, cum ar fi câmpurile electromagnetice, undele radio, razele X sau radiaţiile nucleare. În majoritatea cazurilor, prezenţa acestora în cantitate scăzută nu prezintă efecte notabile asupra organismului uman. Efecte de natură psihologică Radiaţiile luminoase prezintă efecte asupra organismului nu numai la nivel biochimic, ci şi asupra mentalului şi comportamentului uman. Prezenţa luminii are efecte asupra simţului de orientare şi creşte starea de alertă şi atenţie, dar studiile efectuate până astăzi fac referire la un interval strâns de niveluri de iluminare şi nu pot fi trase concluzii clare asupra efectului iluminării, mai ales că acesta este în interacţiune şi cu alte variabile independente. În ciuda faptului că evoluţia tehnologică a civilizaţiei umane a condus la apariţia unor activităţi ce trebuie desfăşurate cu preponderenţă în spaţiul interior, se impune totuşi în continuare asigurarea accesului luminii naturale în acest spaţiu, pentru creşterea satisfacţiei ocupanţilor prin efectele pozitive pe care aceasta le prezintă. O serie de studii au analizat efectul luminii naturale asupra performanţei activităţii umane. Spre exemplu, cercetarea realizată de California Board for Energy Efficiency în 1999 asupra a trei şcoli din state diferite (şi cu climă diferită – California, Washington şi Colorado) şi a unui lanţ de 108 centre comerciale, a demonstrat influenţele pozitive ale accesului luminii naturale asupra observatorilor. În primul caz, observatorii au fost aproximativ 21.000 elevi de ciclu primar [23], deoarece monitorizarea rezultatelor acestora era mai exactă şi activitatea lor de învăţământ se desfăşura în aceeaşi sală şi sub îndrumarea aceluiaşi cadru didactic pentru întreaga perioadă. Rezultatele obţinute au arătat că elevii din sălile cu accesul cel mai mare de lumină naturală au progresat cu 20% mai repede la matematică şi cu 26% mai repede la citire într-un an decât cei din sălile cu accesul cel mai mic de lumină naturală; elevii din sălile de clasă cu suprafaţa cea mai mare de ferestre au progresat cu 15% mai repede la matematică şi cu 23% mai repede la citire într-un an decât cei din sălile cu suprafaţa cea mai mică de ferestre; elevii din sălile prevăzute cu luminator corect conceput, care difuza lumina naturală uniform în încăpere şi cu posibilitate de control a accesului luminii, au progresat cu 19-20% mai repede decât elevii din săli fără luminator. De asemenea, s-a remarcat şi efectul posibilităţii de deschidere a ferestrelor asupra rezultatelor elevilor: cei din săli cu ferestre care se puteau deschide au progresat în medie cu 7-8% mai repede decât cei din săli cu ferestre fixe, indiferent dacă sălile aveau sau nu instalaţie de climatizare. Explicaţiile pentru aceste rezultate constau într-un nivel de iluminare mai mare ce conduce la o creştere a vizibilităţii sarcinii vizuale, într-o distribuţie mai bună a luminii care, fiind de regulă cu acces lateral, contribuie la creşterea vizibilităţii sarcinilor verticale (panouri, figura umană), într-o redare mai bună a culorilor, o îmbunătăţire a sănătăţii şi a formei, toate aceste aspecte fiind în strânsă legătură cu confortul vizual.

28 Capitolul 2

Al doilea studiu a analizat cifra de vânzări din 108 centre comerciale similare [24], dintre care două treimi prezentau o structură cu utilizarea luminatoarelor, iluminatul electric fiind realizat cu lămpi fluorescente şi prevăzut cu elemente de control. În condiţiile în care alte variabile, precum programul de lucru, mărimea şi vechimea magazinului, considerente economice ale zonei în care era amplasat, erau menţinute la acelaşi nivel, s-a constatat o creştere medie cu 40% a cifrei de vânzări pentru centrele comerciale prevăzute cu luminatoare. Acest rezultat a fost posibil datorită efectelor pozitive pe care lumina naturală le prezintă asupra psihicului clientului şi vânzătorului, precum şi asupra aspectului produselor. Un alt studiu realizat de Kuller şi Lindsten [53] asupra a 90 de elevi de ciclu primar a arătat variaţii ale comportamentului, sănătăţii şi nivelului de cortizon în funcţie de accesul luminii naturale. Cei 90 de elevi învăţau în patru săli de clasă cu diferite combinaţii de sisteme de iluminat natural şi sisteme de iluminat electrice fluorescente. Elevii din sălile cu iluminat natural prezentau ritmuri comportamentale zilnice şi în funcţie de anotimp, în timp ce elevii din sălile prevăzute numai cu iluminat electric fluorescent (de culoare aparentă neutră-caldă) prezentau stări comportamentale aberante şi niveluri foarte variabile de cortizon. Astfel, lumina naturală prezintă efecte pozitive asupra capacităţii elevilor de a se concentra şi a coopera. Un aspect extrem de important este reprezentat de capacitatea deschiderilor pentru accesul luminii naturale (în special ferestrele) de a asigura comunicarea vizuală a ocupanţilor cu spaţiul exterior. Această preferinţă a fost demonstrată de numeroase studii, dar nu s-a înţeles pe deplin modul în care o fereastră poate asigura o vedere bună şi dacă o vedere bună este necesară. Într-un studiu realizat de Markus [62] asupra a 400 observatori din mai multe clădiri de birouri a arătat că 88% dintre aceştia preferă o vedere panoramică asupra oraşului sau asupra unui peisaj, în timp ce numai 12% sunt mulţumiţi cu o vedere a cerului sau către nivelele inferioare ale clădirilor vecine. De asemenea, s-a constatat şi o dorinţă a observatorilor situaţi la o distanţă relativ mare faţă de ferestre de a se apropia de acestea. Un studiu realizat de Cooper [28] tot asupra unui grup de observatori constituit din funcţionari din clădiri de birouri a arătat că numai 3% din aceştia au simţit că o vedere bună către exterior este cea mai importantă caracteristică a unui mediu de lucru plăcut. Majoritatea a arătat că o vedere bună este aceea în care se pot vedea cât mai multe obiecte situate la distanţă. Variabilitatea luminii naturale s-a dovedit recent că reprezintă un aspect pozitiv pentru organismul uman, atât din punct de vedere fiziologic cât şi psihologic [77]. Prin această variabilitate, lumina naturală capătă un aspect dinamic, schimbându-şi intensitatea (prin urmare nivelul de iluminare pe retină) şi temperatura de culoare pe parcursul ciclului zi-noapte şi conferind mediului luminos o capacitate de stimulare a observatorilor, prin menţinerea creierului în stare activă. Lumina naturală, prin caracterul ei dinamic, creează o dimensiune temporală, schimbând nivelul de iluminare al diverselor suprafeţe şi culoarea şi aparenţa mediului, oferind o informaţie indirectă asupra timpului din zi. 2.2 Disponibilitatea luminii naturale Disponibilitatea luminii naturale se referă la cantitatea de lumină provenită de la soare şi de la cer pentru o poziţie pe glob dată, la o anumită dată şi oră şi pentru condiţii de cer specifice. În ultimii 70 de ani s-au efectuat măsurări ale nivelului de iluminare pentru diverse locaţii pe glob, rezultând valori medii destul de similare. Cu ajutorul acestor valori s-au putut dezvolta ecuaţii pentru determinarea iluminării naturale disponibile. Datele referitoare la disponibilitatea luminii naturale şi ecuaţiile derivate din acestea nu exprimă valori instantanee ale iluminării şi luminanţei; ele oferă valori medii. Astfel,

Lumina naturală ca sursă de lumină 29 aceste ecuaţii îşi găsesc utilitatea în a determina valorii medii pentru o perioadă de timp. Din acest motiv, valorile rezultate din metodele de calcul bazate pe ecuaţiile disponibilităţii luminii naturale pot diferi semnificativ de valorile instantanee ale iluminării şi luminanţei obţinute prin măsurare. Calculul disponibilului de lumină naturală pentru o anumită locaţie începe cu determinarea poziţiei soarelui, care este în funcţie de latitudinea şi longitudinea locului, de ziua din an (după calendarul iulian) şi de timpul local. Acesta din urmă este transformat în timp solar. Pentru condiţii specifice de cer, se aplică ecuaţiile disponibilităţii de lumină naturală pentru a calcula iluminarea naturală. 2.2.1 Poziţia pe glob Locaţia este specificată prin latitudine l şi prin longitudine L. Aceste valori pot fi găsite în atlase standard. Pentru definirea latitudinii şi longitudinii se utilizează următoarele convenţii: • Latitudine pozitivă = emisfera nordică • Latitudine negativă = emisfera sudică • Longitudine pozitivă = emisfera vestică • Longitudine negativă = emisfera estică 2.2.2 Timpul Timpul este exprimat prin valorile curente ale orei (de la 0 la 24). Timpul solar poate fi determinat din timpul standard aplicând o corecţie pentru longitudinea locului specifică unui fus orar şi pentru ecuaţia timpului. Ecuaţia timpului permite determinarea diferenţei dintre timpul solar şi timpul orar, provocată de orbita eliptică a pământului şi înclinării axei de rotaţie. Corecţia pentru ecuaţia timpului poate fi obţinută din relaţia [45]:

( ) ( )601

25,3656,812

sin863,925,365

5,22sin637,7 ⋅⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −π−⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ −π=

JJET (2.8)

unde

ET = corecţia de timp în ore zecimale (de exemplu, 13:30=13,5) J = ziua din an, un număr între 1 şi 365

Această ecuaţie poate fi utilizată pentru majoritatea calculelor iluminării naturale la nivelul suprafeţei terestre. Fiecare fus orar are o longitudine de referinţă care este utilizată pentru determinarea timpului solar. Pentru perioada de vară timpul standard trebuie determinat din ora specifică de vară prin relaţia:

1−= ds tt (2.9) unde

ts = timpul standard în ore zecimale td = ora de vară în ore zecimale

Timpul solar este calculat din timpul standard prin corecţiile precizate mai sus [45]:

π−

++=)(12 LSMETtt s (2.10)

unde

t = timpul solar în ore zecimale

30 Capitolul 2

ts = timpul standard în ore zecimale ET = corecţia de timp din ecuaţia (2.8) în ore zecimale SM = meridianul standard pentru fusul orar al locului în radiani L = longitudinea locului în radiani

2.2.3 Poziţia soarelui pe cer Poziţia soarelui este specificată prin unghiul de înălţime solară (numit şi altitudine solară) şi azimutul solar (figura 2.10) şi este în funcţie de latitudinea locului, timpul solar şi declinaţia solară. O aproximare acceptabilă a declinaţiei solare este dată de ecuaţia [45]:

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −π

=δ368

8120,4093sin

J (2.11)

unde

δ = declinaţia solară în radiani J = ziua din an

Figura 2.10 Poziţia soarelui pe cer specificată prin unghiul de înălţimea solară (at) şi azimutul solar (as). Unghiul de înălţime solară (altitudinea solară) este dat de [45]:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ π

δ−δ=12

coscoscossinsinarcsin tllat (2.12)

unde

at = altudinea solară în radiani l = latitudinea locului în radiani δ = declinaţia solară în radiani t = timpul solar în ore zecimale

Altitudinea solară are valori cuprinse între 0 şi π/2. Dacă soarele se află sub nivelul orizontului, ecuaţia (2.12) are ca rezultat o valoare negativă. Azimutul solar este dat de [45]:

Lumina naturală ca sursă de lumină 31

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

δ+π

π

=tancos

12cossin

12sin

arctanltl

t

as (2.13)

unde as este azimutul solar în radiani; celelalte variabile au fost definite în ecuaţia (2.12). Azimutul solar pozitiv corespunde unei direcţii la vest faţă de direcţia sud, iar un azimut solar negativ corespunde unei direcţii la est faţă de direcţia sud În multe calcule ale iluminatului natural, este necesar a se calcula iluminarea naturală pe o suprafaţă verticală (de exemplu perete sau fereastră). În acest caz, se impune cunoaşterea azimutului suprafeţei respective, care este unghiul măsurat în plan orizontal dintre normala la suprafaţa verticală şi direcţia sud (în emisfera nordică) (figura 2.11), măsurat în sens orar dinspre sud. Azimutul solar al suprafeţei reprezintă unghiul azimutal dintre soare şi normala la suprafaţa verticală de interes (figura 2.11), fiind dat de relaţia:

esz aaa −= (2.14) unde

az = azimutul solar al suprafeţei în radiani as = azimutul solar în radiani ae = azimutul suprafeţei în radiani

Figura 2.11 Unghiurile azimutale (vedere plană). Unghiul de incidenţă este unghiul dintre normala la suprafaţa verticală de interes şi direcţia soarelui (figura 2.12) şi poate fi calculat cu relaţia [45]:

( )zti aaa coscosarccos= (2.15) unde

ai = unghiul de incidenţă în radiani at = altitudinea solară în radiani az = azimutul solar al suprafeţei în radiani

32 Capitolul 2

Unghiul de profil reprezintă altitudinea aparentă a soarelui faţă de suprafaţa verticală de interes (figura 2.12) şi poate fi calculat cu ecuaţia (2.16a) sau (2.16b). Este utilizat în principal pentru determinarea umbrelor şi pentru reprezentarea grafică a iluminării solare în secţiunile clădirilor:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

i

tp a

aasinsin

arctan (2.16a)

sau

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

z

tp a

aacostan

arctan (2.16b)

unde

ap = unghiul de profil în radiani at = altitudinea solară în radiani ai = unghiul de incidenţă în radiani az = azimutul solar al suprafeţei în radiani

Figura 2.12 Unghiul de incidenţă şi unghiul de profil. 2.2.4 Lumina solară Pentru majoritatea calculelor iluminatului natural, soarele este considerat ca o sursă punctuală care asigură un nivel de iluminare constant într-un punct dintr-un plan normal la direcţia soarelui, situat în apropierea orbitei terestre. Constanta solară reprezintă iluminarea solară totală pentru incidenţă normală pe o suprafaţă din spaţiu la aflată la o distanţă egală cu distanţa medie dintre pământ şi soare. Aceasta este dată de [45]:

( ) ( )∫ λλλ=780

380

dVEKE emsc (2.17)

unde

Esc = constanta solară în lx Km = eficacitatea luminoasă spectrală a fluxului energetic solar în lm/W Ee(λ) = iluminarea energetică solară spectrală pentru lungimea de undă λ, în W

Lumina naturală ca sursă de lumină 33

V(λ) = eficienţa luminoasă relativă spectrală pentru vederea fotopică şi lungimea de undă λ λ = lungimea de undă în nm

Următoarele valori sunt considerate parametri solari de bază [45]: • Constanta solară (luminoasă): 128 klx • Constanta solară energetică: 1370 W/m2 • Eficacitatea luminoasă solară: 94,2 lm/W Pentru a calcula iluminarea solară la nivelul solului, trebuie luate în considerare două aspecte: distanţa variabilă dintre pământ şi soare datorată orbitei eliptice a pământului şi efectele atmosferei terestre. Iluminarea solară extraterestră, corectată pentru orbita eliptică a pământului, este dată de [45]:

( )⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −π

+=365

22cos03401

J,EE scxt (2.18)

unde

Ext = iluminarea solară extraterestră în lx Esc = constanta solară în lx J = ziua din an

Iluminarea normală directă la nivelul mării, Edn ,corectată pentru efectele atenuante ale atmosferei, este dată de [45]:

mcxtdn eEE ⋅−= (2.19)

unde

Edn = iluminarea solară normală directă în lx Ext = iluminarea solară extraterestră în lx c = coeficientul de atenuare atmosferică m = masa de aer optică relativă (adimensională)

Valorile coeficientului de atenuare atmosferică variază în funcţie de tipul cerului. Cea mai simplă şi mai des utilizată ecuaţie pentru determinarea masei de aer relative optice este [45]:

tam

sin1

= (2.20)

unde m este masa de aer optică relativă iar at este altitudinea solară în radiani. Iluminarea solară directă pe un plan orizontal este exprimată prin:

tdndh aEE sin= (2.21) unde

Edh = iluminarea solară orizontală directă în lx Edn = iluminarea solară directă normală în lx at = altitudinea solară în radiani

Iluminarea solară directă pe o suprafaţă verticală este dată de:

idndv aEE cos= (2.22) unde

Edv = iluminarea solară verticală directă în lx

34 Capitolul 2

Edn = iluminarea solară directă normală în lx ai = unghiul de incidenţă în radiani

2.2.5 Lumina cerului Clasificarea tipurilor de cer se poate face utilizând metoda contribuţiei realtive a cerului sau metoda gradului de acoperire a cerului. Contribuţia relativă a cerului Cs reprezintă raportul dintre iluminarea energetică orizontală produsă de cer şi iluminarea energetică orizontală globală. După acest criteriu, tipurile de cer sunt prezentate mai jos [45]:

Cer senin Cs ≤ 0,3 Cer parţial acoperit 0,3 < Cs < 0,8Cer acoperit 0,8 ≤ Cs

Deoarece contribuţia relativă a cerului se apropie de 1 atunci când altitudinea solară scade către zero (indiferent de tipul cerului), această metodă nu este precisă pentru altitudini solare scăzute. Metoda gradului de acoperire a cerului se bazează pe estimarea acestui grad prin valori de la 0 pentru lipsa norilor până la 1 pentru cerul complet acoperit de nori. După acest principiu, tipurile de cer sunt clasificate după cum urmează [45]:

Cer senin de la 0,0 la 0,3Cer parţial acoperit de la 0,4 la 0,7Cer acoperit de la 0,8 la 1,0

Iluminarea orizontală produsă de cer poate fi exprimată ca o funcţie de altitudinea solară [45]:

tC

kh aBAE sin+= (2.23) unde

Ekh = iluminarea orizontală de la cerul neobstrucţionat în lx A = iluminarea la răsărit/apus în lx B = factorul de iluminare în lx C = exponentul de iluminare at = altitudinea solară în radiani

Forma ecuaţiei este identică pentru cele trei tipuri de cer, prezentând însă valori diferite ale coeficienţilor (tabelul 2.2).

Tipul cerului c A (klx) B (klx) C Senin 0,21 0,8 15,5 0,5

Parţial acoperit 0,80 0,3 45,0 1,0 Acoperit (Edn = 0) 0,3 21,0 1,0

Tabelul 2.2 Constantele disponibilului de lumină de la cer [45].

O altă ecuaţie este folosită pentru reprezentarea distribuţiei luminanţei medii specifice celor trei tipuri de cer. Luminanţa cerului este în funcţie de distribuţia luminanţei faţă de luminanţa zenitală şi în funcţie de valoarea absolută a acesteia. În metoda de faţă, se utilizează un factor de luminanţă zenitală pentru a calcula luminanţa zenitală din iluminarea orizontală produsă de cer [45]:

ZLEL khz = (2.24) unde

Lumina naturală ca sursă de lumină 35

Lz = luminanţa zenitului în cd/m2 Ekh = iluminarea orizontală produsă de cerul fără obstrucţii în lx ZL = factorul de luminanţă zenitală pentru aceeaşi altitudine solară ca şi Ekh în cd/m2lx

Altitudinea solară

(grade) Cer senin

ZL Cer parţial noros

ZL Cer acoperit

ZL 90 1,034 0,637 0,409 85 0,825 0,567 0,409 80 0,664 0,501 0,409 75 0,541 0,457 0,409 70 0,445 0,413 0,409 65 0,371 0,375 0,409 60 0,314 0,343 0,409 55 0,269 0,315 0,409 50 0,234 0,292 0,409 45 0,206 0,272 0,409 40 0,185 0,255 0,409 35 0,169 0,241 0,409 30 0,156 0,230 0,409 25 0,148 0,221 0,409 20 0,142 0,214 0,409 15 0,139 0,209 0,409 10 0,139 0,205 0,409 5 0,140 0,202 0,409 0 0,144 0,201 0,409

Tabelul 2.3 Factorul de luminanţă zenitală [45].

Unghiurile utilizate pentru determinarea luminanţei cerului sunt prezentate în figura 2.13. Poziţia soarelui este dată de azimutul solar as şi unghiul solar zenital Z0, acesta din urmă fiind determinat din altitudinea solară at prin relaţia:

taZ −π

=20 (2.25)

Poziţia unui punct P pe cer (unde se calculează luminanţa cerului) este dată de unghiurile ζ, unghiul zenital al punctului, şi α, azimutul faţă de soare al punctului P. Kittler a dezvoltat o funcţie pentru distribuţia luminanţei cerului senin standard, care a şi fost adoptată de CIE [49]:

( ) ( )( )( )( )32,0

023

cos/32,023

1cos45,01091,01cos45,01091,0

,0 −−

ζ−γ−

−++−γ++

=αζeZe

eeLL Zz (2.26)

unde

L(ζ,α) = luminanţa cerului în punctul P de coordonate sferice ζ şi α, în cd/m2 Lz = luminanţa zenitului în cd/m2 γ = unghiul ceresc dintre direcţia soarelui şi direcţia punctului P în radiani ζ = unghiul zenital al punctului P în radiani α = azimutul faţă de soare al punctului P în radiani Z0 = unghiul solar zenital în radiani

36 Capitolul 2

Figura 2.13 Unghiurile cereşti. Unghiul γ dintre direcţia soarelui şi direcţia punctului P este dat de:

( )αζ+ζ=γ cossinsincoscosarccos 00 ZZ (2.27) unde Zo, γ, ζ, şi α au fost definite în ecuaţia (2.26). Această ecuaţie nu ţine seama de variaţiile turbidităţii atmosferice, care pot modifica substanţial distribuţia luminanţei cerului. Ecuaţia pentru un cer parţial noros are o formă similară cu cea pentru distribuţia unui cer senin, dar prezintă alte valori ale coeficienţilor [45]:

( ) ( )( )( )( )80,05,1

cos/80,05,1

15526,015526,0

,0 −−

ζ−γ−

−+−+

=αζee

eeLL Zz (2.28)

unde toate variabilele au aceeaşi semnificaţie ca în ecuaţia (2.26). Ecuaţia pentru cerul complet acoperit este [45]:

( ) ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ −+=αζ −

ζ−

−

ζ−

52,0

cos/52,0

52,0

cos/52,0 1136,0864,0,

ee

eeLL z (2.29)

În ecuaţia de mai sus, primul termen reprezintă contribuţia stratului de nori iar al doilea contribuţia stratului atmosferic dintre sol şi limita inferioară a stratului de nori. Valorile coeficienţilor au fost alese astfel încât să se verifice cât mai exact rezultatele obţinute iniţial de Moon şi Spencer în tratarea tipului de cer complet acoperit. Ecuaţia empirică Moon-Spencer pentru distribuţia luminanţei unui cer acoperit este [66]:

( ) ( )ζ+=αζ cos213

, zLL (2.30)

unde L(ζ,α) = luminanţa cerului în punctul P în cd/m2 Lz = luminanţa zenitului în cd/m2 ζ = unghiul zenital al punctului P în radiani

Această ecuaţie a fost utilizată la scară largă pentru reprezentarea condiţiilor de cer acoperit şi a fost adoptată de CIE în 1955. Un număr important de metode de calcul al iluminatului natural se bazează pe ecuaţia Moon-Spencer.

Lumina naturală ca sursă de lumină 37 Iluminarea orizontală determinată de un element diferenţial de cer este dată de [35]:

( ) ( ) αζζζαζ=ωζαζ= ddLdLdE kh sincos,cos, (2.31) unde

Ekh = iluminarea orizontală în lx L(ζ,α) = luminanţa cerului în punctul P de coordonate sferice ζ and α, în cd/m2 dω = unghiul solid subîntins de elementul diferenţial de cer ζ = unghiul zenital al punctului P în radiani α= azimutul faţă de soare al punctului P în radiani

Prin integrarea ecuaţiei de mai sus, se obţine iluminarea orizontală produsă de o porţiune de cer [35]:

( )∫∫ αζζζαζ= ddLE kh sincos, (2.32) unde

Ekh = iluminarea orizontală în lx L(ζ,α) = luminanţa cerului în punctul P de coordonate sferice ζ and α, în cd/m2 ζ = unghiul zenital al punctului P în radiani α= azimutul faţă de soare al punctului P în radiani

Limitele de integrare depind de poziţia şi mărimea porţiunii de cer luată în considerare. Pentru întregul cer, integrarea se face după o semisferă:

( )∫ ∫ππ

αζζζαζ=2

0

2/

0

sincos, ddLE kh (2.33)

Analog, iluminarea verticală produsă de cer este dată de [45]:

( )∫ ∫π+

π−

π

αζζααζ=2/

2/

2/

0

2sincos,s

s

a

akv ddLE (2.34)

Rezolvarea numerică a ecuaţiilor (2.33) şi (2.34) presupune aproximarea soluţiilor prin sume finite de produse de valori discrete şi diferenţiale. Valorile iluminării punctuale orizontale sau verticale de la cer sau de la soare fără obstrucţii pot fi determinate şi din diagrame în funcţie de tipul cerului şi poziţia soarelui pe cer, construite pe baza acestor ecuaţii (figurile 2.14-2.21).

Figura 3.14 Iluminarea produsă de soare pentru condiţii de cer senin în funcţie de

altitudinea solară şi de azimut.

Figura 3.15 Iluminarea produsă de soare pentru condiţii de cer parţial noros în funcţie de

altitudinea solară şi de azimut.

38 Capitolul 2

Figura 3.18 Iluminarea verticală produsă de cerul complet acoperit

în funcţie de altitudinea solară.

Figura 3.19 Iluminarea orizontală produsă de cerul senin în funcţie de altitudinea solară şi azimut.

Figura 3.20 Iluminarea orizontală produsă de cerul parţial noros în funcţie de

altitudinea solară şi azimut.

Figura 3.21 Iluminarea orizontală produsă de cerul complet acoperit

în funcţie de altitudinea solară.

Figura 3.16 Iluminarea verticală produsă de cerul senin în funcţie de altitudinea solară şi azimut.

Figura 3.17 Iluminarea verticală produsă de cerul parţial noros în funcţie de

altitudinea solară şi azimut.

Lumina naturală ca sursă de lumină 39 2.2.6 Turbiditatea atmosferei Înainte ca radiaţia solară să atingă suprafaţa terestră, aceasta este atenuată de către atmosferă prin difuzia de către moleculele de aer (difuzia Rayleigh), difuzia şi absorbţia de către aerosoli şi absorbţia de către gazele atmosferice şi vaporii de apă. Efectul acestor fenomene ce au loc asupra radiaţiei solare poartă numele de turbiditatea atmosferei. Conform legii Bouguer-Lambert, atenuarea radiaţiei solare monocromatice Ee,xt(λ) în aerosoli poate fi exprimată astfel [6]:

( ) ( ) ( ) dmcxtedne eEE ⋅λ−λ=λ ,, (2.35)

unde

Ee,dn(λ) = iluminarea energetică solară monocromatică directă normală la nivelul mării în W/m2 Ee,xt(λ) = iluminarea energetică solară monocromatică extraterestră în W/m2 c(λ) = coeficientul de atenuare de către aerosoli md = masa relativă a aerosolilor

cu ( ) α−βλ=λc după Angström, unde β ste coeficientul de turbiditate iar α este exponentul lungimii de undă (după Angström, 3,1=α ), cantităţi care caracterizează conţinutul de aerosoli din atmosferă. Factorul de turbiditate Linke TL este definit ca raportul dintre coeficientul mediu total de atenuare atmosferică şi coeficientul mediu de atenuare de către aerul uscat şi curat (corespunzător difuziei Rayleigh) şi este dat de relaţia următoare [6]:

mcEE

TR

dnexteL

,, lnln −= (2.36)

unde

Ee,xt = iluminarea energetică solară extraterestră în W/m2 Ee,dn = iluminarea energetică solară directă normală la nivelul mării în W/m2

Rc = coeficientul mediu de atenuare pentru aer uscat şi curat m = masa optică relativă de aer

Masa optică relativă de aer este dată de raportul dintre grosimea optică oblică τ(Z0) şi grosimea optică verticală τ(0) ale atmosferei, unde Z0 este unghiul zenital solar [17]:

( )( )0

0

ττ

=Zm (2.37)

Dacă se neglijează curbura atmosferei şi refracţia atmosferică, acest raport poate fi scris:

taZm

sin1

cos1

0

== (2.38)

ceea ce a fost deja precizat de ecuaţia (2.20). Factorul de turbiditate Linke TL scoate în evidenţă aerosolii şi conţinutul de vapori de apă w [cm] din atmosferă, fiind o funcţie de β şi depinde de masa optică relativă de aer m sau de altitudinea solară at. Această interdependenţă a fost pusă sub formă relaţională de Dogniaux [32]:

40 Capitolul 2

( )β++⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

++

= − weaT w

tL 22,0161,0

4,475,3985 (2.39)

Aerosolii şi vaporii de apă şi deci factorul de turbiditate depind de anotimp şi oră, zona climatică şi de regiunea locaţiei. Dogniaux a realizat o clasificare a zonelor climatice şi a regiunilor locaţiei pentru conţinutul de vapori de apă w şi coeficientul de turbiditate β, valabile ca valori medii anuale (tabelul 2.4).

- climat polar şi deşertic (aer uscat) w = 0,5–1 cm - climat temperat w = 2–4 cm - climat tropical (aer umed) w > 5 cm - zone rurale β = 0,05 - zone urbane β = 0,10 - zone industriale β = 0,20

Tabelul 2.4 Clasificarea Dogniaux a zonelor climatice şi regiunilor [32].

2.2.7 Modele de estimare a disponibilului de lumină naturală Deşi lumina solară este principala sursă de lumină naturală, majoritatea cercetărilor efectuate pe plan mondial asupra disponibilităţii luminii naturale s-au axat pe lumina provenită de la cerul acoperit. Fără cunoaşterea potenţialului de iluminat natural pentru un anumit moment şi o anumită locaţie, este practic imposibilă analiza sistemelor de iluminat natural în ce priveşte mediul luminos şi caracteristicile de performanţă energetică ale clădirii de-a lungul timpului. Metoda tradiţională de analiză a potenţialului de iluminat natural constă în măsurări detaliate pentru o anumită locaţie şi utilizarea ulterioară a rezultatelor obţinute pentru a dezvolta un model specific locaţiei respective. Principalul dezavantaj al acestei metode constă în faptul că se poate aplica doar pentru o singură locaţie; în plus, permite adeseori doar modelarea iluminării globale pe o suprafaţă orizontală. Recent au fost dezvoltate câteva modele de evaluare a iluminării naturale, care sunt mult mai complexe decât modelele specifice unei anumite locaţii, utilizând o serie de ecuaţii pentru a descrie componentele directă, difuză şi reflectată ale disponibilului de lumină naturală. Aceste modele pot fi aplicate pentru o anumită locaţie prin utilizarea datelor climatice înregistrate sau calculate pentru a descrie condiţiile atmosferice locale; astfel, aplicabilitatea lor este limitată de disponibilitatea datelor climatice detaliate şi de numărul de locaţii pentru care aceste date au fost înregistrate. A fost introdus „anul meteorologic tip” (TMY) şi „anul de referinţă” (TRY), care oferă date climatice ce pot fi utilizate pentru estimarea disponibilului de lumină naturală. Procedurile de calcul utilizate pentru evaluarea performanţei sistemelor de iluminat natural variază în funcţie de tipul de cer (senin, acoperit). Pentru a calcula corect proporţiile de cer senin şi acoperit dintr-un interval de timp dat, a fost dezvoltat modelul probabilităţii luminii solare, care permite diferenţierea între condiţiile de cer senin şi condiţiile de cer acoperit pentru momente date din zi, lună sau an. Modelele CIE pentru cer senin şi acoperit Modelele CIE de cer senin şi de cer acoperit, spre deosebire de modelele specifice unei anumite locaţii, bazate pe măsurări locale, sunt reprezentări teoretice ale tipului de cer senin, respectiv acoperit, şi estimează luminanţa cerului, mai degrabă decât iluminarea exterioară orizontală sau verticală. CIE a definit două tipuri principale de cer. Cerul acoperit poate avea o distribuţie uniformă sau non-uniformă a luminanţei, care poate fi studiată în două părţi: componenta

Lumina naturală ca sursă de lumină 41 difuză a cerului, independentă de orientare, şi componenta circumsolară, care depinde de poziţia soarelui pe cer şi de condiţiile atmosferice. Componenta directă (lumina solară) este de regulă analizată separat şi depinde de poziţia soarelui pe cer şi de condiţiile atmosferice [77]. Modelul CIE de cer senin prezintă o distribuţie a luminanţei care depinde de poziţia soarelui pe cer şi de difuzia atmosferică. Se presupune că nici un nor nu este vizibil pe întreaga boltă cerească. În multe tehnici de evaluare a luminii naturale, componenta directă nu este inclusă în calcul; astfel, ecuaţiile CIE pentru cerul senin iau în considerare numai luminanţa circumsolară şi luminanţa boltei cereşti. Propusă pentru prima dată de Kittler în 1962, ecuaţia CIE pentru cerul senin permite calculul luminanţei în orice punct al boltei cereşti [49]:

( ) ( )( )( )( )32,0

023

cos/32,023

1cos45,01091,01cos45,01091,0

,0 −−

ζ−γ−

−++−γ++

=αζeZe

eeLL Zz (2.40)

unde

L(ζ,α) = luminanţa cerului în punctul P de coordonate sferice ζ şi α, în cd/m2 Lz = luminanţa zenitală în cd/m2 γ = unghiul ceresc dintre direcţia soarelui şi direcţia punctului P pe cer, în radiani ζ = unghiul zenital al punctului, în radiani α = azimutul faţă de soare al punctului P în radiani Z0 = unghiul solar zenital în radiani (figura 2.13)

Prin integrarea pentru o porţiune mare a cerului, se poate determina luminanţa difuză a cerului corespunzătoare unei suprafeţe verticale sau orizontale pentru orice orientare. Modelul CIE de cer acoperit a fost propus de Moon şi Spencer [66] pentru a constitui baza concepţiei iluminatului natural pentru zone climatice în care condiţiile de cer acoperit sunt suficient de des întâlnite astfel încât să justifice utilizarea acestui model ca şi ipoteză de proiectare. Acest model presupune că luminanţa cerului scade de la zenit către orizont astfel încât luminanţa zenitală este de trei ori mai mare decât cea a orizontului. De asemenea, se presupune că întreaga boltă cerească este acoperită de un strat de nori având toate părţile de egală luminanţă. Ecuaţia pentru cer acoperit permite determinarea luminanţei pentru orice punct de pe cer:

( ) ( )ζ+=αζ cos213

, zLL (2.41)

unde L(ζ,α) = luminanţa cerului în cd/m2 Lz = luminanţa zenitală în cd/m2 ζ = unghiul zenital al punctului P în radiani (figura 2.13)

Modelul Dogniaux Acest model, dezvoltat pentru CIE în 1967, considerat primul model complex de estimare a iluminării globale [77], nu a fost niciodată acceptat ca o Recomandare Agreată CIE, deşi a fost aprobat de majoritatea Comitetului Tehnic pentru Iluminat Natural CIE. Iluminarea orizontală globală produsă de cerul senin EGH,c este definită prin relaţia [33]:

cdHcDHcGH EEE ,,, += (2.42) unde

42 Capitolul 2

EDH,c = iluminarea orizontală directă produsă de cerul senin, în lx EdH,c = iluminarea orizontală difuză produsă de cerul senin, în lx

Componenta directă se defineşte ca fiind:

amSCjcDH eEE −=, (2.43)

unde ESCj = constanta de iluminare solară aparentă extraterestră pentru o zi dată j a = coeficientul de atenuare atmosferică m = masa optică relativă de aer

Valoarea constantei de iluminare solară extraterestră pentru o zi dată ESCj se poate determina din ecuaţia următoare [34]:

wJwJwJ

wJwJwJE jSC

3sin01726,02sin00914,0sin1691,0

3cos0043,02cos0825,0cos248.4820.126,

+++

−++= (2.44)

unde

w = 0,0172 J = ziua din an

Coeficientul de atenuare atmosferică a se defineşte prin relaţia:

TFDa ⋅−= (2.45) unde

D, F = coeficienţi care depind de coeficientul de turbiditate β (tabelul 2.5) T = factorul de turbiditate

β D F

0,05 0,10 0,20

0,1512 0,1656 0,2021

0,0262 0,0215 0,0193

Tabelul 2.5 Coeficienţii D şi F utilizaţi în modelul Dogniaux.

Masa optică relativă de aer şi factorul de turbiditate utilizaţi de modelul Dogniaux sunt identici cu mărimile introduse de ecuaţiile (2.38) şi (2.39). Iluminarea orizontală difuză pentru cerul senin EdH,c este dată de ecuaţia [33]:

32

210, ttcdH aaaaaE ++= (2.46)

unde at = altitudinea solară, în radiani ai = coeficienţi luaţi din tabele în funcţie de valorile coeficientului de turbiditate β şi de conţinutul de vapori de apă din atmosferă w

Pentru condiţii de cer acoperit, Dogniaux a utilizat ecuaţia specifică cerului acoperit standard CIE. Acest model a fost conceput special pentru a estima iluminarea exterioară orizontală şi nu permite calculul iluminării exterioare pe suprafeţe verticale sau înclinate. Modelul Robbins-Hunter Acest model a fost dezvoltat ca o metodă de generare orară şi lunară a datelor referitoare la disponibilul de lumină naturală, atât pentru calculul manual cât şi pentru calcul computerizat [77], şi are la bază determinarea iluminării exterioare naturale pe suprafeţe de orice orientare, în funcţie de locaţie, gradul de înnorare, claritatea cerului, turbiditate, altitudinea deasupra nivelului mării şi o serie de constante de iluminare

Lumina naturală ca sursă de lumină 43 extraterestră. Folosind aceste variabile, au fost determinate iluminările exterioare pentru orice an meteorologic tip (TMY). Iluminarea directă pentru condiţii de cer senin ED,c poate fi determinată din iluminarea directă normală şi poziţia soarelui după cum urmează:

θ= cos, DNcD EE (2.47) unde EDN = iluminarea directă normală în lx θ = unghiul de incidenţă solară în raport cu suprafaţa de interes, în radiani Pentru o suprafaţă orizontală, iluminarea directă devine:

0, cos ZEE DNcDH = (2.48) unde EDN = iluminarea directă normală în lx Z0 = unghiul zenital solar, în radiani Iluminarea directă normală de mai sus este determinată cu relaţia:

neEE SCDNα−= (2.49)

unde ESC = constanta de iluminare solară extraterestră în lx αn = coeficient ce ţine seama de condiţiile atmosferice locale

Modelul Robbins-Hunter utilizează o constantă solară calculată pentru a 21-a zi din fiecare lună, ale cărei valori sunt date în tabelul 2.6. Coeficientul ce ţine seama de condiţiile atmosferice locale αn variază cu turbiditatea atmosferică. S-au considerat două situaţii: turbiditate scăzută α1 şi turbiditate ridicată α2. Pentru condiţii de turbiditate redusă, relaţia de calcul este [79]:

01 cos Z

τ=α (2.50)

unde τ = grosimea optică totală a atmosferei Z0 = unghiul zenital solar în radiani

Grosimea optică totală a atmosferei τ ţine seama de atenuarea atmosferică produsă de difuzia de către aerosoli şi moleculele de aer. A fost utilizată o valoare constantă lunară, prezentată în tabelul 2.6.

Luna ESC [lx] B τ Ian Feb Mar Apr Mai Iun Iul

Aug Sep Oct Nov Dec

134.780134.130132.630130.470128.320126.630126.070126.540128.130130.280132.530134.130

0,1420,1440,1540,1770,1940,2060,2070,2030,1820,1630,1510,143

0,1420,1440,1560,1800,1960,2050,2070,2010,1770,1600,1490,142

Tabelul 2.6 Constantele lunare pentru calculul disponibilului de lumină naturală

conform modelului Robbins-Hunter [79].

44 Capitolul 2

Pentru condiţii de turbiditate ridicată, coeficientul ce ţine seama de condiţiile atmosferice locale a fost descris printr-o ecuaţie similară cu cea din modelul Dogniaux [79]:

BmT=α2 (2.51) unde

B = coeficientul de atenuare atmosferică m = masa optică relativă de aer T = factorul de turbiditate

Valorile coeficientului de atenuare atmosferică B din modelul Robbins-Hunter diferă de cele din modelul Dogniaux deoarece din acestea s-au exclus valorile turbidităţii atmosferice. Aceste valori sunt de asemenea prezentate în tabelul 2.6. Masa optică relativă de aer m este dată de o nouă ecuaţie, care ţine seama şi de curbura atmosferei [79]:

( ) 253,100 885,93158,0cos

1−−+

=ZZ

m (2.52)

unde Z0 = unghiul zenital solar în radiani

Factorul de turbiditate T este identic cu cel din modelul Dogniaux, fiind dat de ecuaţia (2.39). În continuare, iluminarea difuză orizontală este dată de relaţia [79]:

2,d

DNcdH CN

ErE = (2.53)

unde EDN = iluminarea directă normală în lx r = raportul de radiaţie difuză din radiaţia globală CNd = coeficientul de claritate, calculat din oră în oră pentru fiecare locaţie

Aşa cum este firesc, contribuţia componentei reflectate a solului pe suprafeţe orizontale este nulă, aşa cum se arată şi mai jos. Astfel, iluminarea globală orizontală pentru condiţii de cer senin este dată de ecuaţia următoare, în care ambii termeni au fost explicaţi şi determinaţi mai sus:

cdHcDHcGH EEE ,,, += (2.54) Iluminarea globală verticală pentru cer senin EGV,c este dată de:

cgVcdVcDVcGV EEEE ,,,, ++= (2.55) unde

EDV,c = iluminarea directă verticală în lx, calculată cu ecuaţia (2.47) EdV,c = iluminarea difuză verticală în lx EgV,c = iluminarea verticală produsă de componenta reflectată a solului, în lx

Componenta difuză depinde de luminanţa cerului şi de luminanţa circumsolară; are o variaţie redusă în raport cu poziţia geografică şi depinde în principal de poziţia soarelui faţă de suprafaţa verticală. Astfel, iluminarea verticală difuză pentru orice orientare poate fi exprimată prin relaţia:

33

2210, tttcdV abababbE +++= (2.56)

unde at = altitudinea solară în radiani bi = coeficienţi luaţi din tabele în funcţie de anotimp şi de azimutul solar

Componenta reflectată a solului pentru condiţii de cer senin Eg,c poate fi determinată cu ajutorul ecuaţiei:

Lumina naturală ca sursă de lumină 45

ggcGHcg FEE ρ= ,, (2.57) unde

EGH,c = iluminarea globală orizontală în lx Fg = factorul de unghi dintre sol şi suprafaţa considerată ρg = reflectanţa solului

În funcţie de unghiul Σ dintre suprafaţa considerată şi sol, factorul de unghi Fg este dat de relaţia [79]:

2cos1 Σ−

=gF (2.58)

Pentru suprafeţe orizontale, 0=Σ , 1cos =Σ şi astfel 0=gF . Acesta este motivul pentru care iluminarea orizontală globală nu are decât componentă directă şi componentă difuză. Ecuaţia generală a iluminării pentru o suprafaţă de orice orientare în condiţii de cer acoperit este:

ogodoDoG EEEE ,,,, ++= (2.59) unde

EG,o = iluminarea globală pentru cer acoperit, în lx ED,o = iluminarea directă pentru cer acoperit, în lx Ed,o = iluminarea difuză pentru cer acoperit, în lx Eg,o = iluminarea dată de componenta reflectată a solului pentru cer acoperit, în lx

Iluminarea orizontală globală pentru cer acoperit EGH,o poate fi determinată cu ajutorul următoarei ecuaţii polinomiale:

( )55

44

33

221, tttttoGH aCaCaCaCaCaE ++++= (2.60)

unde a = coeficient ce depinde de altitudinea locaţiei faţă de nivelul mării Ci = coeficienţi luaţi din tabele at = altitudinea solară în radiani

Coeficientul a este dat de relaţia următoare, ca o funcţie de altitudinea solară at şi o serie de coeficienţi Ai luaţi de asemenea din tabele în funcţie de altitudinea locaţiei faţă de nivelul mării:

55

44

33

2211 ttttt aAaAaAaAaAa +++++= (2.61)

În mod analog, iluminarea verticală globală EGV,o poate fi determinată din relaţia de mai jos, în care coeficienţii Ei pot fi luaţi din tabele pentru diverse altitudini deasupra nivelului mării [79]:

( )2

,55

44

33

221,

oGHgtttttoGV

EaEaEaEaEaEaE

ρ+++++= (2.62)

Presupunând un cer acoperit uniform, distribuţia luminanţei şi deci a iluminării produse de cer este independentă de orientarea suprafeţei verticale. Iluminarea pe o suprafaţă înclinată poate fi determinată pentru orice orientare din ecuaţia iluminării pe suprafeţe înclinate Nettleton-Murdoch, în conexiune cu datele de iluminare orizontală şi verticală furnizate de modelul Robbins-Hunter [77]. Iluminarea directă

46 Capitolul 2

pentru condiţii de cer senin EDk,c poate fi determinată din componenta directă pe o suprafaţă verticală cu normala în direcţia sud şi din componenta directă orizontală, astfel:

ikEkEE csudDVcDHcDk cossincos ,,,, += (2.63) unde

k = unghiul de înclinare, în radiani i = unghiul de incidenţă solară pe suprafaţa înclinată, în radiani

Dacă iluminarea verticală EDV,orient,c este cunoscută pentru orientarea suprafeţei înclinate considerate, atunci componenta directă este dată de:

kEkEE corientDVcDHcDk sincos ,,,, += (2.64) Analog, componenta difuză pe o suprafaţă înclinată pentru condiţii de cer senin este exprimată în funcţie de iluminările verticală şi orizontală:

kEkEE corientdVcdHcdk sincos ,,,, += (2.65) Pentru cer acoperit, iluminarea globală pe o suprafaţă înclinată este dată de:

kEkEE oGVoGHoGk sincos ,,, += (2.66) 2.3 Calculul contribuţiei interioare a luminii naturale Printre numeroasele moduri de analiză a unui sistem de iluminat se numără: analiza caracteristicilor de funcţionare ale sistemului de iluminat; analiza sistemului energetic iluminat – încălzire – răcire; analiza costurilor; analiza confortului vizual. Acest capitol tratează procedurile cele mai utilizate de analiză cantitativă şi calitativă a iluminatului, pentru determinarea nivelului de iluminare produs de lumina naturală care pătrunde prin deschiderile către exterior şi a efectului său asupra confortului vizual. În ultimul secol au fost propuse un număr foarte mare de metode de calcul al iluminării naturale interioare. Toate acestea pot fi încadrate într-una sau două categorii generale: metode care determină iluminarea absolută şi metode care determină iluminarea relativă (ca procentaj din iluminarea exterioară naturală disponibilă). În prima categorie se pot număra metoda admisiei fluxului şi metoda transferului de flux luminos. Metoda factorului de lumină de zi este principala metodă de determinare a iluminării relative pentru un spaţiu interior. Adeseori, această valoare este percepută ca o constantă care nu variază cu timpul zilei şi cu poziţia deschiderii. Acest concept a fost dezvoltat plecând de la ipoteza unui cer acoperit, iar în condiţii de cer senin, ideea potrivit căreia factorul de lumină de zi ar fi constant nu mai este valabilă. 2.3.1 Metoda factorului de lumină de zi Această metodă este procedura recomandată de CIE pentru estimarea nivelului de iluminare naturală din clădiri şi pentru determinarea caracteristicilor de funcţionare ale sistemelor de iluminat natural. Factorul de lumină de zi DF este definit ca raportul dintre iluminarea orizontală interioară Ei şi iluminarea orizontală exterioară Ee disponibilă în acelaşi moment, în condiţii de cer acoperit. Relaţia de calcul este:

Lumina naturală ca sursă de lumină 47

100⋅=e

i

EEDF (2.67)

Metoda clasică de calcul consideră trei componente ale factorului de lumină de zi [77]: • Componenta cerului SC • Componenta reflectată externă ERC • Componenta reflectată internă IRC Componenta cerului reprezintă iluminarea relativă punctuală produsă doar de contribuţia directă a cerului. Componenta reflectată externă este iluminarea relativă punctuală produsă de contribuţia directă a suprafeţelor reflectante externe (faţadele clădirilor alăturate). Componenta reflectată internă este iluminarea relativă punctuală produsă de contribuţia directă sau indirectă a suprafeţelor reflectante interne. Din moment ce s-a plecat de la ipoteza unui cer complet acoperit, contribuţia solară directă este exclusă. În cazul particular în care cerul prezintă o distribuţie uniformă a luminanţei şi deschiderile pentru accesul luminii naturale nu sunt vitrate, factorului de lumină de zi poartă numele de factorul cerului [88]. Cele trei componente sunt însumate pentru a rezulta factorul de lumină de zi:

IRCERCSCDF ++= (2.68) În relaţia de mai sus, se introduce un factor de menţinere a suprafeţelor interioare. Astfel relaţia (2.68) devine:

IRCMFERCSCDF ⋅++= (2.69) Această formă poate fi utilizată pentru deschideri nevitrate. Atenuarea contribuţiei interioare produsă de sticla ferestrei este reprezentată de factorul Cg; prin introducerea acestuia în ecuaţia (2.69) rezultă:

( )IRCMFERCSCCDF g ⋅++= (2.70) Factorul de vitrare Cg reprezintă reducerea iluminării interioare la trecerea luminii prin sticla ferestrei, fiind influenţat de transmitanţa ferestrei Tg, factorul de murdărire Dg şi de factorul de divizare a ferestrei Fg [77]:

ggg

g FDT

C ⋅⋅=85,0

(2.71)

Componenta cerului Iluminarea punctuală interioară produsă de contribuţia directă a cerului depinde de mărimea porţiunii de cer vizibile din acel punct, de unghiul de incidenţă a razelor de lumină provenite de la cer pe planul considerat şi în punctul respectiv, şi de luminanţa cerului. Astfel, este necesară cunoaşterea distribuţiei luminanţei cerului (acoperit). Metoda factorului de lumină de zi permite utilizarea oricărei distribuţii a luminanţei cerului acoperit: • Cer uniform • Cer acoperit standard CIE • Iluminarea orizontală globală produsă de cerul acoperit EGH,o

48 Capitolul 2

Cerul uniform se defineşte ca o semisferă perfect difuzantă, deci de luminanţă constantă pe întreaga sa suprafaţă. Se poate calcula intensitatea luminoasă pentru orice porţiune de cer sau pentru întreaga boltă cerească, şi prin urmare se poate determina iluminarea punctuală în centrul semisferei produsă de acea porţiune de cer sau de întregul cer. Raportul acestor două iluminări va reprezenta componenta cerului în centrul semisferei produsă de lumina provenită de la porţiunea de cer respectivă. Această porţiune poate reprezenta porţiunea de cer vizibilă prin fereastră din punctul interior considerat iniţial. Fie o astfel de semisferă de luminanţă uniformă şi rază R şi un punct de referinţă în planul orizontal chiar în centrul său (figura 2.22).

Figura 2.22 Unghiurile utilizate pentru calculul componentei cerului a factorului de lumină de zi: a – vedere laterală; b – vedere de sus.

Figura 2.22 prezintă un element de cer dS căruia îi corespund un unghi de înălţime θ deasupra planului orizontal şi un azimut ϕ. Suprafaţa acestui element este:

ϕθθ=θ⋅ϕθ= ddRRddRdS coscos 2 (2.72) Intensitatea luminoasă a acestui element în direcţia punctului de referinţă este:

ϕθθ⋅=⋅⋅= ddRLdSLdI cos0cos 2 (2.73) Iluminarea orizontală în punctul de referinţă (centrul semisferei) produs de elementul de cer va fi dată de relaţia:

a

b

Lumina naturală ca sursă de lumină 49

( )ϕθθθ=

θ−π⋅= ddL

RdIdE cossin

2/cos2 (2.74)

Rezultă că pentru o porţiune de cer cuprinsă între unghiurile de înălţime θ1 şi θ2 şi azimuturile ϕ1 şi ϕ2, iluminarea orizontală în punctul de referinţă va fi [41]:

∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθθθ=2

1

2

1

cossin ddLE (2.75)

Iluminarea produsă de întregul cer este dată de [41]:

LLdLddLE sky π=ϕ=ϕ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ−=ϕθθθ=

ππ πππ

∫∫ ∫2

0

2

0

2/

0

2

0

2/

0 22cos

41

cossin (2.76)

Rezultă expresia factorului cerului pe planul orizontal:

∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθθθπ

=2

1

2

1

cossin1 ddSC (2.77)

Ecuaţiile de mai sus corespund unei porţiuni de cer, pentru care unghiurile de înălţime ale marginilor superioară şi inferioară au valori constante, θ2 şi respectiv θ1. O deschidere rectangulară în planul vertical, cum este cazul unei ferestre obişnuite, este caracterizată de variaţia unghiurilor de înălţime corespunzătoare pervazului şi marginii superioare în funcţie de azimut, fiind maxime (θn2 şi θn1) în planul vertical perpendicular pe planul ferestrei. În acest caz, factorul cerului pe planul orizontal este dat de relaţia următoare [41]:

( )∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθϕ+θ

ϕθθπ

=2

1

2

1

222

22

tansec

secsectan1 n

n

ddSC n

n

nn (2.78)

Figura 2.23 Iluminarea punctuală de la o fereastră rectangulară verticală. Soluţia acestei integrale duble pentru cazul particular în care fereastra are pervazul în planul de referinţă şi o margine verticală în planul perpendicular este [41]:

( )θϕ−ϕπ

= cos50

1SC (2.79)

50 Capitolul 2

unde unghiurile θ, ϕ şi ϕ1 sunt ilustrate în figura 2.23. Factorul de lumină de zi descris de un cer uniform nu este la fel de des utilizat ca cel introdus de cerul acoperit CIE, în care luminanţa oricărui punct de pe cer de unghi de înălţime θ este dată de:

( )θ+=θ sin213zLL (2.80)

unde Lz este luminanţa zenitului. Iluminarea totală produsă de cer va fi [41]:

( ) =ϕθθ+θθ=ϕθθθ= ∫ ∫∫ ∫ππππ

θ

2

0

2/

0

2

0

2/

0

sin21cossin31

cossin31 ddLddLE zsky

( ) =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ θ+θ−

π=θθ+θθ

π=

ππ

∫2/

0

32/

0

sin31

2cos41

32

sin21cossin32

zz LdL

zL97π

= (2.81)

Iluminarea produsă de o porţiune a cerului este:

( )∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθθ+θθ=2

1

2

1

sin21cossin31 ddLE z (2.82)

Astfel, rezultă componenta cerului pentru cerul acoperit CIE [41]:

( )∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθθ+θθπ

=2

1

2

1

sin21cossin73 ddSC (2.83)

Componenta cerului pentru cerul acoperit CIE şi o deschidere rectangulară verticală şi soluţia pentru o fereastră similară celei din figura 2.23 sunt date de următoarele ecuaţii respectiv [41]:

( ) ( )∫ ∫ϕ

ϕ

θ

θ

ϕθ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡

ϕ+θ

ϕθθ+

ϕ+θ

ϕθθπ

=2

1

2

1

2/522

222

222

22

tansec

secsectan

tansec

secsectan73 n

n

ddSC n

n

nn

n

nn (2.84)

( ) ( ) 11 sin2sin71

sinsinarcsin72

cos143

ϕθπ

−θϕπ

+θϕ−ϕπ

=SC (2.85)

O analiză similară a ecuaţiei (2.80) a fost sugerată de Seshadri [83] pentru a determina componenta cerului pentru o deschidere orizontală:

( )1111 sin2sinsin2sin71

71

sinsin143

' θϕ+ϕθπ

+⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +ϕθ+θϕ

π=SC

( )θαπ

− coscosarcsin72 (2.86)

unde unghiul α este descris de relaţia:

Lumina naturală ca sursă de lumină 51

ϕθ

=αtantan

tan (2.87)

Componenta reflectată externă Componenta reflectată externă se defineşte ca raportul dintre iluminarea punctuală pe un plan dat produsă de lumina receptată direct de la suprafeţele reflectante externe iluminate direct sau indirect de un tip de cer pentru care se cunoaşte distribuţia luminanţei, şi iluminarea orizontală produsă de întreaga boltă cerească neobstrucţionată [77]. Contribuţiile luminii solare directe asupra suprafeţelor reflectante externe şi asupra planului orizontal de referinţă sunt excluse. Componenta reflectată externă este deci o funcţie care depinde de factorul de configuraţie total al obstrucţiilor externe pentru punctul de referinţă şi de luminanţele acestor obstrucţii în raport cu luminanţa cerului. Pentru cerul acoperit, componenta reflectată externă ERC este rareori mai mare decât o fracţiune foarte mică din valoarea factorului de lumină de zi DF. Numai dacă punctul de referinţă nu are vedere directă asupra cerului, ERC va juca un rol important în stabilirea DF, aşa cum este cazul deschiderilor complet obstrucţionate de clădirile alăturate sau dirijate către curţi interioare. De regulă, componenta reflectată externă se consideră a fi egală cu o fracţiune dată a componentei cerului care ar fi rezultat pentru vederea neobstrucţionată a cerului la un acelaşi factor de configuraţie ca şi cel al obstrucţiei existente. Această fracţiune depinde de reflectanţa medie a suprafeţelor obstrucţiilor. În metoda factorului de lumină de zi, suprafeţele care determină ERC sunt presupuse a se întinde până la orizont. Pentru a stabili porţiunea din deschidere obstrucţionată, suprafeţele reflectate externe sunt reconfigurate astfel încât să se poate determina forma medie a obstrucţiilor (figura 2.24). Se presupune în general că vederea prin deschidere din centrul spaţiului interior descrie porţiunea din deschidere care are vedere către cer şi porţiunea care reprezintă ERC. Valorea ERC poate fi calculată din ecuaţiile componentei cerului pentru porţiunea din deschidere blocată de obstrucţii externe, notată prin SCobst, depinzând şi de reflectanţa medie a suprafeţelor reflectante externe ρsurf,avg [77]:

avgsurfobstSCERC ,ρ= (2.88) Pentru o deschidere înclinată sau orizontală, ERC are de regulă o valoare scăzută deoarece aceste deschideri au rareori o vedere obstrucţionată a cerului. Totuşi, ecuaţiile componentei cerului permit calculul componentei reflectate externe indiferente de orientarea deschiderii.

Figura 2.24 Reconfigurarea vederii obstrucţiilor pentru calculul ERC: a – vedere iniţială; b – vedere reconfigurată;

1 – componenta cerului; 2 – obstrucţie exterioară; 3 – obstrucţie exterioară normalizată.

52 Capitolul 2

Componenta reflectată internă Componenta reflectată internă se defineşte ca fiind raportul dintre iluminarea punctuală într-un plan dat determinată de lumina receptată de la suprafeţele reflectante interne şi iluminarea orizontală produsă de cerul neobstrucţionat, pentru o distribuţie cunoscută a luminanţei cerului [41]. Contribuţia luminii solare directe este exclusă. Componenta reflectată externă IRC reprezintă o estimare a contribuţiei luminii provenite de la cer şi de la sol şi interreflectată în spaţiul interior. Au fost propuse mai multe metode de calcul pentru IRC; majoritatea consideră că pentru orice porţiune a spaţiului interior apar variaţii reduse ale iluminării relative produse de lumina naturală interreflectată. Astfel, cea mai des întâlnită metodă este stabilirea unei valori medii IRCavg pentru întregul spaţiu interior analizat. Arndt a propus ca IRCavg să fie în funcţie de suprafaţa deschiderii vitrate Ag, suprafaţa totală a încăperii Ar, reflectanţa suprafeţelor interne Rr şi de raportul dintre iluminarea exterioară verticală totală EGV,o şi iluminarea exterioară orizontală totală EGH,o [77]. Pentru o deschidere verticală, se obţine [77]:

( )rr

rg

oGH

oGVavg RA

RAEE

IRC−

⋅=1,

, (2.89)

Reflectanţa medie a suprafeţelor încăperii Rr poate fi determinată în funcţie de suprafaţa Ak şi reflectanţa ρk a fiecărei suprafeţe:

∑∑ ρ

=

kk

kkk

r A

AR (2.90)

Ecuaţia cea mai des folosită pentru a determina valoarea medie a IRC specifică unei deschideri verticale este ecuaţia fluxului divizat BRE, care împarte încăperea într-o zonă superioară şi o zonă inferioară, separate de planul orizontal ce trece prin centrul (de greutate) al deschiderii verticale considerate [41]. Zona superioară se măsoară de la acest plan până la nivelul plafonului, iar zona inferioară de la planul orizontal de separaţie până la nivelul pardoselei (figura 2.25). În metoda BRE de calcul al valorii medii IRC, se consideră că zona superioară primeşte lumină naturală ce a fost reflectată de sol iar zona inferioară primeşte lumină naturală direct de la cer. Astfel, zona superioară este influenţată de reflectanţa solului, iar zona inferioară este influenţată de obstrucţiile exterioare care ar putea bloca vederea cerului deasupra planului orizontal de separaţie.

Figura 2.25 Principiul de divizare a fluxului luminos pentru calculul IRC: a – zona superioară; b – zona inferioară; c – lumină provenită de la cer; d – lumină reflectată de sol; e – planul de separaţie.

Lumina naturală ca sursă de lumină 53 Ecuaţia fluxului divizat BRE pentru determinarea componentei medii, cunoscută şi ca ecuaţia interreflexiei BRE, poate fi exprimată astfel [77]:

( ) ( )ulrr

ggavg RCRC

RAAT

IRC 211+⋅

−= (2.91)

unde Rl = reflectanţa medie a zonei inferioare Ru = reflectanţa medie a zonei superioare C1 = coeficient ce ţine seama de obstrucţiile exterioare C2 = coeficient ce ţine seama de reflectanţa solului Tg = transmitanţa ferestrei Ag = suprafaţa vitrată a ferestrei Ar = suprafaţa totală a încăperii Rr = reflectanţa medie a suprafeţelor încăperii

Valorile coeficienţilor C1 şi C2 pot fi găsite în tabele. Reflectanţele medii ale celor două zone pot fi determinate cu ecuaţiile următoare:

wuc

wuwuccu AA

AAR+

ρ+ρ= (2.92)

wlf

wlwlffl AA

AAR+

ρ+ρ= (2.93)

unde Ac = suprafaţa plafonului de reflectanţă ρc Af = suprafaţa pardoselei de reflectanţă ρf Awu = suprafaţa din zona superioară a pereţilor de reflectanţă medie ρwu Awl = suprafaţa din zona inferioară a pereţilor de reflectanţă medie ρwl

În suprafeţele din zona superioară şi respectiv inferioară ale pereţilor sunt incluse toate deschiderile, care trebuie multiplicate prin reflectanţa suprafeţei vitrate. O valoare punctuală a IRC poate fi determinată cu ajutorul ecuaţiei generale [68]:

δ+δ= 22 sincos lup LLIRC (2.94) unde

Lu = luminanţa zonei superioare a încăperii Ll = luminanţa zonei inferioare a încăperii δ = unghiul format de planul orizontal cu planul determinat de punctul de referinţă şi de dreapta de intersecţie dintre planul de separaţie şi planul ferestrei

Ecuaţia (2.94) calculează iluminarea absolută punctuală. Relaţia următoare permite determinarea valorii IRC punctuale relative pe baza valorilor SC şi ERC din zonele superioară şi inferioară ale încăperii [78]:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡δ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++δ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+= 22 sincos

1 lu

ul

l

uu

l

lu

u

l

lu

ggp R

ARf

AfR

ARf

Af

RRAT

IRC (2.95)

unde Ag = suprafaţa vitrată a deschiderii Au = suprafaţa zonei superioare a deschiderii Al = suprafaţa zonei inferioare a deschiderii Ru = reflectanţa medie a zonei superioare Rl = reflectanţa medie a zonei inferioare

54 Capitolul 2

δ = unghiul format de planul orizontal cu planul determinat de punctul de referinţă şi de dreapta de intersecţie dintre planul de separaţie şi planul ferestrei Tg = transmitanţa ferestrei

lll ERCSCf +=

uuu ERCSCf += Acest algoritm presupune divizarea deschiderii verticale originale în două părţi: o zonă superioară şi o zonă inferioară. Această ecuaţie poate fi utilizată numai dacă din punctul de referinţă unde se calculează IRC există o vedere directă a deschiderii. Ecuaţia fluxului divizat pentru determinarea componentei reflectate interne medii pentru luminatoare (cu suprafeţe vitrate verticale, înclinate sau orizontale) consideră că lumina reflectată de sol nu pătrunde prin deschidere către spaţiul interior. Astfel, acest spaţiu este tratat ca o singură zonă, iar valoarea IRCavg poate fi determinată cu relaţia [77]:

( )KRARA

IRCrr

rgavg −

=1

(2.96)

Coeficientul K din ecuaţia de mai sus este definit astfel [77]:

85,03gT

CK = (2.97)

Valoarea coeficientului C3 reprezintă lumina provenită de la cerul acoperit care este interreflectată în spaţiul interior. Este posibil ca un luminator să fie obstrucţionat de clădirile alăturate, de alte luminatoare sau de alte obstrucţii exterioare. Aceste obstrucţii influenţează valoarea coeficientului C3 numai dacă se întind deasupra centrului deschiderii. Valorile acestui coeficient sunt listate în tabele. 2.3.2 Metoda transferului de flux luminos Această metodă, numită şi metoda suprafeţelor finite, a fost propusă în 1909 ca metodă de analiză a iluminatului natural [77]. Mai târziu, a fost transformată într-o tehnică importantă de analiză a gradului de penetrare şi a distribuţiei luminii naturale în interiorul clădirilor. Metoda transferului de flux poate utiliza ca model cerul acoperit sau senin CIE, şi poate determina iluminarea în orice punct şi pe orice suprafaţă din spaţiul interior, pe baza iluminării sau luminanţei din planul ferestrei. Iluminarea absolută globală Ep produsă de lumina naturală în orice punct al unei suprafeţe poate fi definită într-o manieră similară cu metoda factorului de lumină de zi:

IREERESESp EEEEE +++= (2.98) Indicii SE, ERE and IRE din ecuaţia de mai sus reprezintă componenta cerului, componenta reflectată externă şi componenta reflectată internă, iar indicele S se referă la contribuţia directă a luminii solare. Factorii de configuraţie şi factorii de formă Metoda transferului de flux poate fi utilizată pentru determinarea: • Transferului de flux ca factor de configuraţie, de la o sursă de suprafaţă perfect

difuzantă la un plan de referinţă • Transferului de flux ca factor de formă, de la o sursă de suprafaţă perfect difuzantă la

o suprafaţă secundară perfect difuzantă

Lumina naturală ca sursă de lumină 55 Factorul de configuraţie C reprezintă raportul dintre iluminarea pe planul de referinţă şi excitanţa sursei de suprafaţă perfect difuzantă. Planul de referinţă este considerat paralel sau perpendicular pe planul sursei. Pentru suprafeţe paralele, factorul de configuraţie este definit de relaţia [77]:

( )∫ ∫++π

=2

1

2

1

2222

2x

x

y

y

dxdyzyx

zC (2.99)

( ) ( )∑∑= =

+−π

=2

1

2

1

,121

i jji

ji yxFC (2.100)

unde ( )ji yxF , este dată de [77]:

( )22222222

arctanarctan,zy

x

zy

y

zx

y

zx

xyxFj

i

j

j

i

j

i

iji

+++

++= (2.101)

În ecuaţia de mai sus, x şi y descriu sursa de suprafaţă iar z reprezintă distanţa de la sursa de suprafaţă la planul de referinţă paralel cu aceasta. Dacă se consideră că sursa de suprafaţă este o deschidere pentru accesul luminii naturale, excitanţa acesteia este dată de iluminarea pe faţa interioară a ferestrei produsă de lumina naturală care traversează materialul vitrat, iar iluminarea ESE pe planul de referinţă este dată de:

agSE ETCE ⋅⋅= (2.102) unde

Ea = iluminarea exterioară pe planul deschiderii Tg = transmitanţa ferestrei C = factorul de configuraţie dat de ecuaţiile (2.99) şi (2.100)

Pentru condiţii de cer senin, Ea este iluminarea difuză în planul deschiderii iar pentru condiţii de cer acoperit, Ea este iluminarea globală în acelaşi plan. Valorile acestor iluminări au fost calculate anterior. Dacă planul de referinţă este perpendicular pe planul sursei de suprafaţă, factorul de configuraţie C este dat de relaţia [77]:

( )∫ ∫++π

=2

1

2

1

2222

x

x

y

y

dxdyzyx

xyC (2.103)

( ) ( )∑∑= =

+−π

=2

1

2

1

,12 i j

jiji yxFzC (2.104)

unde ( )ji yxF , este dată de [77]:

( )2222

arctan1

,zx

y

zxyxF

i

j

i

ji++

−= (2.105)

În ecuaţiile de mai sus, x şi y descriu sursa de suprafaţă iar z reprezintă distanţa de la sursa de suprafaţă la planul de referinţă. Iluminarea pe planul de referinţă este dată de ecuaţia (2.102).

56 Capitolul 2

Factorul de formă F specific transferului de flux de la o suprafaţă la alta, reprezintă fracţiunea de flux emis de suprafaţa sursă şi primit de suprafaţa receptoare. Pentru suprafeţe paralele, factorul de formă este definit astfel [77]:

( ) ( )[ ]∫ ∫ ∫ ∫+−+−π

=2

1

2

1

2

1

2

1

22221

2

121u

u

v

v

x

x

y

y

dudvdxdyzvyuxA

zF (2.106)

( ) ( )∑∑∑ ∑= = = =

+++−π

=2

1

2

1

2

1

2

11

2

12 ,,,1i j k m

mkjimkji yxvuH

AzF (2.107)

unde ( )mkji yxvuH ,,, este dată de [77]:

( )2

2

2

2

1arctan1

1arctan1,,,

baba

ababyxvuH mkji

+++

++=

( )221ln21 ba ++− (2.108)

În ecuaţiile de mai sus, x şi y descriu suprafaţa sursă, u şi v descriu suprafaţa receptoare, iar z reprezintă distanţa dintre cele două suprafeţe. A1 este aria suprafeţei sursă iar coeficienţii a şi b sunt daţi de relaţiile [77]:

zuxa ik −

= (2.109)

zvy

b jm −= (2.110)

Dacă suprafaţă sursă este chiar deschiderea pentru accesul luminii naturale, excitanţa acesteia este dată de iluminarea pe faţa interioară a ferestrei produsă de lumina naturală care traversează materialul vitrat, iar iluminarea Ers pe suprafaţa receptoare este:

agrs ETFE ⋅⋅= (2.111) unde

Ea = iluminarea exterioară în planul deschiderii Tg = transmitanţa ferestrei F = factorul de formă dat de ecuaţiile (2.106) şi (2.107)

Dacă suprafaţa receptoare este perpendiculară pe suprafaţa sursă, factorul de formă este [77]:

( )( )( ) ( ) ( )[ ]∫ ∫ ∫ ∫

−+−+−

−−π

=2

1

2

1

2

1

2

1

22221

121 v

v

z

z

x

x

y

y

dvdzdxdyzzvyxx

zzxxA

F (2.112)

( ) ( )∑∑∑ ∑= = = =

+++−π

=2

1

2

1

2

1

2

1112 ,,,1

21

i j k mmkji

mkji yxzvGA

F (2.113)

unde ( )mkji yxzvG ,,, este dată de [77]:

Lumina naturală ca sursă de lumină 57

( ) ( )222

22

22

41

arctan,,, cbabc

abcayxzvG mkji −−++

+=

( )222ln cba ++− (2.114) În ecuaţiile de mai sus, x şi y descriu suprafaţa sursă, z şi v descriu suprafaţa receptoare, x reprezintă coordonata x a suprafeţei receptoare, iar z coordonata z a suprafeţei sursă. A1 este aria suprafeţei sursă iar coeficienţii a, b şi c sunt daţi de relaţiile [77]:

im vya −= (2.115)

jzzb −= (2.116)

xxc k −= (2.117) Dacă se doreşte analiza distribuţiei luminanţelor, şi nu calculul iluminării naturale din spaţiul interior, factorii de formă ai transferului de flux pot fi utilizaţi pentru determinarea excitanţei M pentru fiecare suprafaţă cu relaţia:

ρ⋅= EM (2.118) unde

E = iluminarea suprafeţei, determinată cu ajutorul factorilor de formă ρ = reflectanţa suprafeţei

Un factor de formă este utilizat pentru a descrie lumina incidentă pe o suprafaţă, în timp ce un factor de configuraţie este utilizat pentru a descrie lumina incidentă într-un punct al unei suprafeţe. Astfel, metoda transferului de flux poate fi folosită pentru a descrie aproape orice tip de deschidere pentru accesul luminii naturale, permiţând determinarea contribuţiei directe în orice punct sau a contribuţiei interreflectate de pereţi, plafon şi pardoseală către acest punct. Lumina reflectată de suprafeţele exterioare poate fi determinată după stabilirea excitanţei luminoase a acestor suprafeţe. Deoarece suprafeţele exterioare pot reflecta lumina receptată de la cerul senin sau acoperit precum şi de la soare, iluminarea reflectată externă EERE este dată de relaţia:

SeresereERE EEE ,, += (2.119) unde

Eere,s = iluminarea reflectată externă determinată de componenta cerului Eere,S = iluminarea reflectată externă determinată de componenta solară

Ecuaţiile transferului de flux pentru determinarea factorului de configuraţie sau de formă pot fi utilizate pentru a stabili transferul de flux de la suprafeţele exterioare la planul interior de referinţă. Iluminarea produsă de lumina reflectată de suprafeţele exterioare în planul de referinţă va fi dată de relaţia:

( )gSgsERE TETECE ⋅ρ⋅+⋅ρ⋅= (2.120) unde

Es = iluminarea exterioară produsă de lumina cerului ES = iluminarea exterioară produsă de lumina soarelui ρ = reflectanţa suprafeţelor exterioare Tg = transmitanţa sticlei

58 Capitolul 2

C = factorul de configuraţie determinat cu ecuaţiile (2.99) şi (2.100) O ecuaţie similară poate fi utilizată pentru a determina iluminarea pe o suprafaţă secundară, care presupune înlocuirea factorului de configuraţie C cu factorul de formă F dat de ecuaţiile (2.106) şi (2.107). Factorii de configuraţie pentru surse de suprafaţă rectangulare Factorii de configuraţie pentru sursele de suprafaţă rectangulare au fost introduşi de Higbie, Walsh [88], Dilaura [31], Pierpoint [37]. Pentru o deschidere orizontală în condiţii de cer senin uniform sau cer acoperit, factorul de configuraţie Higbie H devine [77]:

( )[ ]∫ ∫= = −++

=m

r

f

h

drdhahrc

H0 0

2222

1 (2.121)

afmcamcf

mcm

acm

acaH

−+++

++

++= 222

22

222222arctanarctan

( ) ( )2222arctan

fac

m

fac

af

−+−+

−+ (2.122)

Coeficienţii din ecuaţiile de mai sus, precum şi cei din ecuaţiile următoare, sunt ilustraţi în figura 2.26. Există două cazuri particulare pentru ecuaţia (2.122): atunci când punctul de referinţă P reprezintă proiecţia în plan orizontal a unui vârf al sursei rectangulare, adică atunci când

0=a şi fa = . Factorul de configuraţie H devine [77]:

222222

22

220 arctanarctanfc

mfc

fmcmcf

mcmHa

+++

++

+== (2.123)

22222222arctanarctan

mcf

mcm

fcm

fcfH fa

+++

++== (2.124)

Figura 2.26 Factorul de configuraţie H pentru o deschidere orizontală.

Lumina naturală ca sursă de lumină 59 Dacă proiecţia punctului de referinţă pe planul sursei se află în interiorul acesteia, se împarte suprafaţa sursei în patru părţi, astfel încât să fie posibilă aplicarea algoritmului de mai sus, în care punctul de referinţă era proiecţia pe planul orizontal al unui vârf al poligonului reprezentat de conturul sursei. Dacă proiecţia punctului de referinţă se află în exteriorul suprafeţei sursei, atunci coeficientul a este determinat din distanţa de la punctul de referinţă la cel mai apropiat vârf al deschiderii. Pentru o deschidere înclinată, factorul de configuraţie H este dat de [77]:

∫ ∫= = +δ−+

=m

r

f

h

drdhhahra

hH0 0

222 cos2 (2.125)

δ−+

δ

δ−+

−δ+=

cos2

cosarctan

cos2

cosarctan

2222 affam

affaaf

amH

δ−++δ

+δ

δ+

cossin

arctansin

cos22

222

222 afmamaf

mam (2.126)

În ecuaţia de mai sus, δ reprezintă înclinarea deschiderii faţă de planul de referinţă, iar a este distanţa de la punctul de referinţă la un vârf al suprafeţei sursei. Dacă deschiderea se află deasupra planului de referinţă, a se măsoară în planul de referinţă de la punctul de referinţă până la dreapta de intersecţie dintre planul de referinţă şi planul deschiderii. Toţi ceilalţi termeni din ecuaţiile de mai sus sunt ilustraţi în figura 2.27.

Figura 2.27 Factorul de configuraţie H pentru o deschidere înclinată. Pentru cazul particular al unei deschideri verticale, pentru care 2/π=δ , factorul de configuraţie devine:

22222/ arctanarctanfa

mfa

aamH

++−=π=δ (2.127)

În ecuaţiile de mai sus, s-a considerat că punctul de referinţă se află pe aceeaşi linie cu un vârf al deschiderii. Dacă suprafaţa deschiderii se întinde de o parte şi de alta a liniei corespunzătoare punctului de referinţă, se împarte această suprafaţă în două deschideri care sunt tratate cu ecuaţiile de mai sus. Dacă deschiderea se află deasupra planului de referinţă, factorul de configuraţie pentru o suprafaţă verticală este dat de [77]:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

++

++=

222222arctanarctan

1

fan

fam

faH

60 Capitolul 2

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

++

++−

222222arctanarctan

1

gan

gam

ga (2.128)

Termenii din ecuaţia de mai sus sunt ilustraţi în figura 2.28.

Figura 2.28 Factorul de configuraţie H pentru o deschidere verticală situată deasupra planului de referinţă. În condiţii de cer senin cu distribuţie neuniformă, factorul de configuraţie C pentru orice punct de referinţă este dat de [88]:

( ) 222

arctan/1

3arctan3

fam

afamC

++−=

( ) 22222222

4arctan4

fmaafamf

fmaamf

+++−

+++ (2.129)

Componenta reflectată externă Componenta reflectată externă ERE este determinată considerând separat fiecare suprafaţă a obstrucţiilor; deschiderea este împărţită într-un număr de elemente egal cu numărul de zone obstrucţionate şi neobstrucţionate vizibile dintr-un punct dat. Spre deosebire de metoda factorului de lumină de zi, obstrucţiile nu se întind până la orizont (figura 2.29). Componenta reflectată internă Componenta reflectată internă IRE poate fi determinată în două moduri. Dresler a dezvoltat o metodă de estimare a valorii medii IRE pentru cer acoperit sau senin [35] astfel încât:

( ) ravg

kkkk

avg A

AEIRE

ρ−

ρ=

∑1

(2.130)

unde Ek = iluminarea în centrul suprafeţei k Ak = aria suprafeţei k

Lumina naturală ca sursă de lumină 61

ρk = reflectanţa suprafeţei k ρavg = reflectanţa medie a suprafeţelor încăperii Ar = aria totală a suprafeţelor încăperii

Figura 2.29 Determinarea ERE pentru o deschidere cu suprafeţe reflectante exterioare sau obstrucţii: a – vedere iniţială; b – divizarea deschiderii pentru determinarea transferului de flux.

O suprafaţă interioară iluminată direct de către soare are o valoare medie a IRE dată de relaţia [78]:

wp

mmmSmS

kkkk

avg A

AEAEIRE

∑∑ ρ+ρ=

,,

(2.131)

Regiunea interioară iluminată direct de soare As,m poate fi constituită din mai multe suprafeţe de diverse orientări, cum ar fi pardoseala şi pereţii, fiecare fiind tratată separat. Iluminarea directă de la soare este considerată uniform distribuită în spaţiul interior; din acest motiv, fluxul total receptat de la soare se împarte la aria planului util Awp. Iluminarea interreflectată medie, ţinând cont de transmitanţa ferestrei Tg şi de factorul de menţinere a suprafeţelor interioare MF, este dată de relaţia:

MFTIREIRE gavgavg ⋅⋅= 0, (2.132) Într-o metodă punctuală de determinare a IRE, fiecare suprafaţă poate fi considerată ca fiind o sursă şi astfel se pot utiliza ecuaţiile transferului de flux pentru suprafeţe paralele sau de alte orientări, pentru a calcula iluminarea de la fiecare sursă într-un punct de referinţă dat. Zonele care primesc lumină solară directă sunt tratate ca suprafeţe separate cu ajutorul ecuaţiei (2.131). Iluminarea directă produsă de lumina soarelui Lumina solară directă care pătrunde în interior determină o iluminare directă solară dependentă de unghiul de incidenţă şi de iluminarea directă din planul deschiderii:

CFDTEE ggsurfDS 0,= (2.133) unde

ED,surf = componenta directă a iluminării din planul deschiderii T0 = transmitanţa ferestrei Dg = factorul de murdărire a ferestrei Fg = factorul de divizare a ferestrei

62 Capitolul 2

Pentru planul pardoselei cDHsurfD EE ,, = , în timp ce pentru un perete orientat către est

estDVsurfD EE ,, = . Transmitanţa ferestrei T0 ţine cont de reflexiile produse pentru anumite unghiuri de incidenţă a razelor solare la contactul cu suprafaţa ferestrei, fiind dată de relaţia [77]:

( )iiTT g3

0 sin1cos018,1 +⋅⋅⋅= (2.134) unde

Tg = transmitanţa ferestrei pentru direcţia normalei la suprafaţă i = unghiul de incidenţă a razelor solare

Figura 2.30 Determinarea contribuţiei luminii solare reflectate de plafon. Factorul de configuraţie C pentru lumina solară reflectată de suprafaţa interioară a plafonului este dat de relaţia [38]:

ymzyxzxm

zxxC

−+++

+= 222

22

22arctan

fGfymzyxfGfzxm

fGfzxxf

22

arctan2

cos2222

222

222 ++−+++++

+++

−ψ+

fGGHyHyf

Hyy

++++

+

ψ+ 222

22

22arctan

cos

( )( )

( )( ) fGGHmy

Hmyf

Hmy

my+++−

+−

+−

ψ−−

222

22

22arctan

cos (2.135)

În ecuaţia de mai sus, G şi H sunt definite de [38]:

ψ−ψ= cossin xzG (2.136)

ψ−ψ= sincos xzH (2.137)

Lumina naturală ca sursă de lumină 63 Ceilalţi termeni din ecuaţiile de mai sus sunt ilustraţi în figura 2.30. 2.3.3 Evaluarea orbirii produse de lumina naturală Orbirea este cauzată de prezenţa uneia sau a mai multor surse de lumină de luminanţă ridicată sau de contraste puternice de luminanţă. În cazul iluminatului natural, luminanţa crescută a surselor naturale nu reprezintă principala problemă care impune evaluarea orbirii ca un considerent important în concepţia clădirii; problema majoră este reprezentată de multifuncţionalitatea deschiderilor pentru accesul luminii naturale. Indicele de orbire pentru lumina naturală Acest indice a fost dezvoltat pe baza indicelui de orbire din formula lui Cornell, adaptat pentru vederea cerului senin sau acoperit prin deschiderea destinată accesului luminii naturale. Pe baza relaţiei dintre luminanţa sursei şi luminanţa fondului, gradul de orbire produsă de orice sursă de lumină individuală poate fi exprimat prin relaţia [77]:

sb

s

LLLKG 5,0

8,06,1

07,0 ω+Ω

= (2.138)

unde K = constantă ce depinde de unităţile de măsură şi de sursa de lumină Ls = luminanţa sursei de lumină Lb = luminanţa fondului Ω = unghiul solid subîntins de sursa de lumină în raport cu câmpul vizual ω = unghiul solid subîntins de sursa de lumină faţă de ochiul observatorului

Prin modificarea ecuaţiei (2.138), indicele de orbire dG corespunzător orbirii produse de vederea cerului senin sau acoperit văzut prin deschiderea pentru accesul luminii naturale, poate fi exprimat astfel [77]:

ab

s

LLLdG 5,0

8,06,1

07,011

ω+Ω

= (2.139)

unde Ls = luminanţa sursei Lb = luminanţa fondului La = luminanţa din planul deschiderii Ω = unghiul solid subîntins de sursa de lumină în raport cu câmpul vizual ω = unghiul solid subîntins de sursa de lumină faţă de ochiul observatorului

Luminanţa din planul deschiderii La poate fi aproximată prin [77]:

aa EL 3178,0= (2.140) În ecuaţia de mai sus, Ea este iluminarea din planul deschiderii: pentru o zi cu cer senin, este egală cu iluminarea difuză Ed,c din acest plan; pentru o zi cu cer acoperit, este egală cu iluminarea globală Eg,o din acelaşi plan. Luminanţa sursei şi cea a fondului pot fi determinate din relaţiile:

85,0gsp

s

Tv

EL ⋅= (2.141)

64 Capitolul 2

85,0g

b

TzEREIREL ⋅⋅

π+

= (2.142)

unde Esp = iluminarea în punctul de referinţă IRE = componenta reflectată internă ERE = componenta reflectată externă Tg = transmitanţa ferestrei pentru direcţia normalei z = factorul sursei v = factorul direcţiei de privire

Factorul sursei z ţine cont de variaţia disponibilului de lumină naturală din diverse locaţii în raport cu locaţia de referinţă pentru care relaţia de mai sus a fost propusă. Acest factor este dat de [77]:

9164,15ln9785,1 −= HEz (2.143) Ecuaţia de mai sus prezintă rezultate bune pentru intervalul 5.000-120.000 lx. O iluminare orizontală EH mai mică de 5.000 lx produce arareori orbire în spaţiile interioare corect iluminate. Factorul direcţiei de privire v se referă la relaţia dintre unghiul solid specific câmpului vizual, direcţia de privire şi percepţia deschiderii pentru lumina naturală, putând fi aproximat prin ecuaţia [77]:

Aev 0733,08536,0= (2.144) unde A este unghiul (în grade) dintre direcţia de privire şi direcţia centrului deschiderii. Ecuaţia anterioară furnizează rezultate bune pentru unghiuri de privire între 2° şi 70°. Valorile unghiurilor Ω şi ω pot fi determinate din diagrame, în funcţie de raportul dintre înălţimea deschiderii şi distanţa faţă de punctul de referinţă H/d şi de raportul dintre lungimea deschiderii şi distanţa faţă de punctul de referinţă L/d, atât pentru deschideri orizontale cât şi pentru deschideri verticale. Indicele de orbire produsă de lumina naturală se determină pentru fiecare deschidere din câmpul vizual. Apoi aceste valori se însumează pentru a se obţine indicele de orbire global:

∑= dGdGI 10log10 (2.145) Indicele de orbire pentru lumina naturală modificat Valorea dGI poate fi modificată drept rezultat al măsurărilor din câmpul vizual în trei direcţii: • Pentru a ţine seama de toleranţa ridicată a ochiului pentru lumina naturală faţă de

lumina electrică • Pentru a ţine seama de proporţia din timpul unui an standard de lucru în care o

anumită valoare a iluminării exterioare este depăşită • Pentru a ţine seama de schimbările reflectanţei medii a suprafeţelor interioare Aceste aspecte influenţează valoarea indicelui de orbire dGI astfel încât indicele modificat care rezultă DGI este dat de relaţia următoare [77]:

( )yxdGIDGI +−= (2.146)

Lumina naturală ca sursă de lumină 65 Pentru o valoare dată a luminanţei sursei, indicele de orbire al luminii naturale permis este mai mare decât pentru o sursă de lumină electrică de aceeaşi luminanţă. Intensitatea orbirii produse de lumina naturală care poate fi tolerată în comparaţie cu orbirea produsă de o sursă electrică de egală luminanţă, al cărei indice este GI, poate fi evaluată prin relaţia [25]:

GIedGI 0309,002,12= (2.147) Pentru a evita riscul apariţiei orbirii psihologice, indicele de orbire modificat DGI dintr-o încăpere ar trebui să fie inferior valorii acceptabile a indicelui de orbire modificat pentru categorii de iluminare date, prezentate în tabele. Variabila x din ecuaţia (2.146) reprezintă fracţiunea din anul standard de lucru în care se estimează că iluminarea exterioară va avea o valoare superioară celei necesare pentru a obţine în interior nivelul de iluminare recomandat. Astfel, indicele de orbire al luminii naturale este redus pentru a reflecta faptul că o valoare a dGI mai scăzută decât cea care poate fi calculată cu ecuaţia (2.139) corespunde perioadei din an când iluminarea este mai mare. Tabelul 2.7 indică aceste modificări pentru diverse iluminări exterioare şi fracţiunile FdGI corespondente dintr-un an standard de lucru când nivelul de iluminare poate fi obţinut.

EGH,o [lx] FdGI [%] Diminuarea dGI28.000 20.000 15.000 10.000 5.000

25 38 54 68 87

0 0,5 1,5 2,5 4,0

Tabelul 2.7 Schimbările tipice dGI pentru condiţii de cer acoperit, datorate variaţiei iluminării exterioare.

Variabila x poate fi determinată din ecuaţia următoare [77]:

148,3459,04104488,1 dGIdGI FEx ⋅⋅⋅= −− (2.148) unde EdGI este iluminarea orizontală exterioară în momentul în care dGI este calculat, iar FdGI este fracţiunea dintr-un an în care EdGI este depăşită. Ecuaţia de mai sus presupune că 000.5>dGIE lx şi %25≥dGIF . Dacă %25<dGIF , atunci 0=x . Fracţiunea dintr-un an în care se depăşeşte o anumită valoare a iluminării exterioare pe o suprafaţă de orientare oarecare poate fi determinată cu una din ecuaţiile (2.149) ori (2.150). Aceste ecuaţii au fost derivate din datele referitoare la disponibilul de lumină naturală orar. Fracţiunea FdGI poate fi determinată astfel [77]:

• dacă codGI EE < , ( )⎥⎦⎤

⎢⎣

⎡−

+=max

2

max 21

EEEEDFcoco

dGIdGI (2.149)

• dacă codGI EE > , max

maxmax 2

2EEEEDF

co

dGIdGI −

−= (2.150)

unde

EdGI = iluminarea orizontală exterioară în momentul calculului valorii FdGI Emax = iluminarea orizontală exterioară maximă dintr-un an standard de lucru

66 Capitolul 2

Eco = iluminarea limită pentru determinarea ecuaţiei corecte Dmax = fracţiunea maximă dintr-un an standard de lucru în timpul căreia lumina naturală poate înlocui sau suplimenta iluminatul electric

Variabila y reprezintă variaţia indicelui de orbire ca urmare a variaţiei reflectanţei medii a suprafeţelor interioare ale încăperii; aceasta poate fi determinată din următoarea ecuaţie [77]:

510 −ρ=y (2.151) unde ρ este reflectanţa medie a încăperii.

CC AA PP II TT OO LL UU LL 33

SSiisstteemmee aavvaannssaattee ddee iilluummiinnaatt nnaattuurraall

În cadrul acestei lucrări, prin sistem de iluminat natural se defineşte tehnica de transfer al luminii naturale într-o clădire. Aceste sisteme de iluminat natural continuă să aibă un potenţial încă nematerializat în întregime de reducere a consumului de energie în conexiune cu menţinerea mediului luminos interior confortabil. După funcţia principală a sistemelor de iluminat natural, acestea se pot clasifica în două mari categorii [87]: sisteme cu ecranare a luminii solare şi sisteme fără ecranare a luminii solare. Termenul „ecranare a luminii solare” se referă la procesul de evitare a accesului direct al luminii solare. Acest lucru nu presupune însă inexistenţa în interior a luminii solare, dar aceasta este redirecţionată către suprafeţe – cheie, deci contribuţia sa nu mai este una directă, ci ea devine indirectă, contribuind la o ambianţă echilibrată, fără contraste de luminanţă şi fără umbre (decât slab conturate). Astfel, sistemele din prima categorie pot reflecta / respinge lumina directă solară, permiţând doar accesul luminii difuze a cerului, sau dimpotrivă, pot lucra predominant cu lumina solară, pe care o redirecţionează către plafon sau suprafeţe situate deasupra nivelului ochilor ocupanţilor. Sistemele cu ecranare a luminii solare sunt destinate în primul rând evitării accesului direct al luminii solare, dar prezintă interes şi pentru iluminatul natural, evitarea orbirii şi redirecţionarea luminii directe (solare) şi difuze (a cerului). Spre deosebire de sistemele clasice de protecţie contra luminii solare (cum este cazul storurilor, obloanelor, care pe măsură ce împiedică accesul razelor solare în interior, diminuează şi accesul luminii difuze de zi, deci iluminarea naturală din interior), sistemele moderne dezvoltate recent permit un nivel de iluminare (produs de lumina naturală) ridicat, concomitent cu limitarea accesului direct al luminii solare, deci cu evitarea problemelor de orbire şi inconfort vizual (la care se adaugă şi un mai bun control al sarcinii termice). Acest lucru este posibil deoarece este permis doar accesul luminii difuze a cerului. Pe de altă parte, sistemele fără ecranare a luminii solare sunt concepute în principal pentru a redirecţiona lumina naturală în zone situate la distanţă de suprafeţele vitrate. Ele pot bloca sau nu accesul direct al luminii solare. La rândul lor, aceste sisteme se pot împărţi în mai multe subcategorii: sisteme de direcţionare a luminii difuze (care redirecţionează în interior lumina provenind de la anumite zone ale bolţii cereşti, cu o utilitate deosebită pentru medii urbane cu clădiri înalte, unde singura sursă de lumină

68 Capitolul 3

naturală poate fi zenitul ceresc), sisteme de direcţionare a luminii directe (care trimit lumina solară directă în interior, evitând în acelaşi timp problemele de orbire şi supraîncălzire), sisteme de difuzie a luminii naturale (utilizate pentru o distribuţie uniformă a luminii naturale în interior) şi sisteme de transport al luminii naturale în interior (care colectează şi trimit lumina solară la distanţe lungi printr-o reţea de tuburi de lumină sau fibre optice). Trebuie spus faptul că anumite sisteme pot îndeplini mai multe funcţii şi astfel ele pot fi încadrate în mai multe categorii din cele prezentate mai sus. 3.1 Sisteme cu selecţie spectrală Sistemele cu selecţie spectrală sunt reprezentate de sticla ce a fost tratată astfel încât să permită transmisia radiaţiilor vizibile şi blocarea radiaţiilor din restul spectrului energetic solar, atât IR cât şi UV (figura 3.1). Acest lucru reduce necesarul de iluminat electric şi oferă posibilitatea vederii către exterior în condiţiile reducerii aportului termic solar în timpul verii şi a pierderilor termice în timpul iernii, deci a reducerii sarcinii termice şi implicit a costurilor de investiţie şi funcţionare a echipamentelor termice şi electrice. Dintre materialele prezentate în figura 3.2, numai sticla cu selecţie spectrală demonstrează o reducere importantă a transmisiei dincolo de limitele spectrului vizibil [82]. Selectivitatea spectrală este mai eficientă prin utilizarea filmului cu emisie scăzută pe bază de argint, cu grosime microscopică şi în multistrat. Acesta mai degrabă reflectă radiaţia solară incidentă decât o absoarbe; absorbţia redusă de energie înseamnă transfer de căldură redus către interior, iar prin faptul că acest film prezintă emisie scăzută, mai puţină căldură va fi radiată către sau dinspre spaţiul interior decât filmele convenţionale. Sensibilitatea acestui material impune montarea sa în sticlă izolantă sau laminată, pentru o protecţie mecanică sporită.

Figura 3.1 Proprietăţile spectrale ale sticlei cu selecţie spectrală ideală.

Sticla colorată în verde sau albastru convenţională poate avea un răspuns spectral similar sticlei cu selecţie spectrală. Componentele chimice din aceasta însă absorb

Sisteme avansate de iluminat natural 69 radiaţii din anumite porţiuni ale spectrului, rezultând o eficienţă mai mică produsă de re-emisia de căldură determinată de absorbţia energiei incidente. Prin urmare, colorarea sticlei nu reprezintă o soluţie pozitivă din punct de vedere termic. În ultimii 10-15 ani a fost fabricată sticla colorată în albastru sau verde pentru a creşte selectivitatea spectrală menţinându-se aparenţa clară. Controlul sporit al radiaţiilor solare se obţine doar prin combinaţia cu filmul de emisie scăzută, iar pentru o performanţă optimă, sticla colorată trebuie să fie utilizată într-un ansamblu vitrat izolant, în care panoul colorat să fie la exterior pentru a minimiza re-radiaţia energiei absorbite către interior. Parametrii de performanţă cei mai importanţi ai unei ferestre sunt coeficientul de aport termic solar (SHGC) şi transmitanţa vizibilă (Tv). SHGC reprezintă o măsură a aportului termic solar total incluzând însorirea directă şi căldura radiată de sticla ferestrei ca urmare a absorbţiei energiei solare; are efecte directe asupra consumului de energie pentru răcire, cererii vârf de energie şi capacităţii echipementelor sistemului de răcire. Valorile SHGC se încadrează în intervalul 0,15-0,64 dar de regulă oscilează în jurul valorii medii din acest interval. Transmitanţa vizibilă Tv reprezintă procentajul de radiaţie vizibilă transmisă de sticla ferestrei. Valorile ridicate ale Tv indică faptul că nivelul de iluminare interior şi vederea către exterior sunt apropiate de cele oferite de sticla clară. Dacă se folosesc sisteme de control pentru accesul luminii naturale, se pot obţine reduceri substanţiale ale necesarului de iluminat electric şi implicit ale sarcinii termice determinate de funcţionarea iluminatului electric. Două tipuri diferite de sticlă cu selecţie spectrală pot avea aceeaşi valoare a SHGC dar să fie diferite ca aparenţă: un tip să aibă o culoare închisă, în timp ce celălalt să fie transparent. Ca valoare numerică, sticla cu selecţie spectrală poate avea un coeficient de aport termic solar de 0,3 şi transmitanţa vizibilă între 10 şi 60%. Pentru majoritatea aplicaţiilor practice, sticla cu selecţie spectrală optimă are o transmitanţă vizibilă ridicată şi un coeficient de aport termic solar scăzut. De regulă raportul dintre fluxul luminos şi fluxul termic transmis variază între 1,25 şi 2,0. Filmul cu emisie scăzută îmbunătăţeşte şi valoarea coeficientului de izolare termică a ferestrei cu 15-30%.

Figura 3.2 Transmisia radiaţiilor solare pentru diverse tipuri de materiale vitrate [52].

70 Capitolul 3

Graficul din figura 3.2 arată caracteristicile de transmisie din spectrul IR, vizibil şi UV pentru diverse tipuri de materiale vitrate, rezultând faptul că sticla cu selecţie spectrală transmite radiaţiile vizibile, blocând cel mai eficient radiaţiile IR şi UV. Utilizarea sticlei cu selecţie spectrală are ca rezultat următoarele îmbunătăţiri aduse performanţei ferestrei în comparaţie cu materialele vitrate convenţionale [82]: • Aportul termic solar scade ca urmare a coeficientului SHGC redus • Energia electrică consumată pentru iluminat scade (dacă se folosesc sisteme de

control) ca urmare a transmitanţei vizibile ridicate a sticlei cu selecţie spectrală • Pierderile termice pot scădea dacă se utilizează sticlă cu bună izolare termică şi

emisivitate scăzută • Sarcina de vârf pe timp de vară pentru iluminat şi răcire va scădea ca urmare a

reducerii aportului termic solar, a necesarului de iluminat electric şi a aportului termic de la iluminatul electric

• Diminuarea capacităţii echipamentelor din sistemul de răcire, rezultând scăderea costului de investiţie şi o mai mare eficienţă

• Sticla cu selecţie spectrală fiind mai transparentă decât sticla colorată, se asigură vederea către exterior şi conexiunea vizuală şi psihologică cu mediul înconjurător; în plus se poate creşte suprafaţa ariei vitrate: pentru clădiri cu ferestre echipate cu sticlă convenţională, aria vitrată este limitată la 15-20% din suprafaţa peretelui exterior, însă prin utilizarea sticlei cu selecţie spectrală şi cu izolaţie termică, aria vitrată poate ajunge până la 50% din suprafaţa peretelui exterior

Figura 3.3 Componentele ferestrei echipate cu sticla cu selecţie spectrală.

Sticla cu selecţie spectrală poate fi utilizată la ferestre, luminatoare, atriumuri, pentru orice tip de clădire şi pentru orice climat. Se dovedeşte eficientă la clădirile cu sarcini de răcire ridicate şi în spaţii cu prezenţă numeroasă de echipamente, precum şi la clădiri fără sisteme de ecranare a radiaţiei solare. Pentru lucrările de modernizare, eficienţa cea mai mare se va obţine prin utilizarea sticlei cu selecţie spectrală în locul sticlei convenţionale la ferestre cu performanţă scăzută. Dacă se va înlocui şi instalaţia de ventilare şi condiţionare a aerului, se va resimţi impactul prezenţei sticlei cu selecţie spectrale la nivelul capacităţii acestei instalaţii şi deci a costului acesteia (acestea vor scădea). Filmul de emisie scăzută limitează transferul termic din ambele direcţii, iar dacă se utilizează o fereastră dublă, atunci acest film trebuie să fie amplasat pe faţa apropiată sursei de căldură: pe stratul exterior în zone de climat cald şi pe stratul interior în zone de climat rece. Astfel, acest panou va reţine mai multă căldură şi va creşte confortul termic al ocupanţilor. De regulă o astfel de fereastră se compune dintr-unul sau mai multe panouri separate de distanţatori metalici, gaz termoizolant (aer, argon, krypton), elemente de etanşare şi

Sisteme avansate de iluminat natural 71 ramă (figura 3.3). Sistemele vitrate performante obţin adeseori performanţe ridicate doar prin configuraţii optime (poziţie şi tip) ale acestor componente (figura 3.4), fiecare componentă fiind concepută pentru eficienţă energetică ridicată.

Figura 3.4 Ansambluri de ferestre cu selecţie spectrală. Rama ferestrei poate fi din metal, asigurându-se „ruptura termică” (nu există contact metalic continuu între suprafeţele exterioare şi interioare), sau din lemn sau vinil pentru reducerea transferului de căldură prin conducţie şi a problemelor de condensare. Alegerea gazului de umplere (aer, argon, krypton) cu rol termoizolant poate îmbunătăţi coeficientul de izolare al ferestrei. 3.2 Controlul dinamic al intensităţii luminii naturale transmise Un produs extrem de important al industriei sticlei este un material vitrat care permite variaţia dinamică şi reversibilă a proprietăţilor de transmisie a radiaţiilor (vizibile sau din întreg spectrul solar). După aproximativ 15 ani de activităţi de cercetare, au apărut pe piaţă o serie de produse şi tehnici, fiecare cu avantaje şi dezavantaje în ceea ce priveşte aplicaţiile pentru iluminat natural. Dintre toate aceste tehnici şi materiale, sticla electrocromică se evidenţiază ca elementul cel mai promiţător pentru cerinţele unui iluminat natural de calitate [54]. Alte tehnologii (sticla fotocromică sau termocromică) pot fi la fel de bine utilizate, dar numai pentru anumite aplicaţii. Sticla electrocromică este reprezentată de un ansamblu multistrat de filme foarte fine parcurse de un curent de joasă tensiune, astfel încât se poate varia aparenţa sticlei de la clară, cu transmisie ridicată, la întunecată, cu transmisie redusă. Transmitanţa viziblă poate varia în intervalul 5-60%, cu coeficientul de aport termic solar corespunzător de 10-45%. Sticla electrocromică prezintă două funcţii în ceea ce priveşte strategia iluminatului natural: controlul radiaţiilor din întregul spectru şi deci controlul aportului termic solar; controlul radiaţiilor din porţiunea vizibilă a spectrului pentru controlul mai bun al nivelului de iluminare şi al orbirii. Proprietăţile de variaţie spectrală depind de materialele utilizate, de concepţia ansamblului ferestrei şi a întregului sistem de vitrare, care pot să conţină alte straturi vitrate cu proprietăţi de absorbţie. Termenul „electrocromism” provine din cercetarea asupra variaţiilor spectrului energetic produse de un câmp electric indus şi se referă la fenomenul prin care trecerea unui curent electric printr-un anumit material determină variaţia structurii chimice a acestuia, rezultând variaţii ale caracteristicilor de transmisie spectrală.

72 Capitolul 3

Principiul acestui fenomen constă în transportul ionilor pozitivi de hidrogen sau de metale alcaline în structura cristalină a oxizilor. Procesul electrocromic este reversibil. Sistemele electrocromice sunt de regulă compuse din două straturi de film electrocromic separate de un strat de electrolit prin care trec ionii încărcaţi pozitiv. Acest al treilea strat este situat între două straturi de conductor transparent. Trecerea curentului într-un sens şi în celălalt prin elementele conductoare determină apariţia ionilor în electrolit şi migrarea acestora de la un capăt la altul, producându-se colorarea sau decolorarea materialului electrocromic. Variind starea stratului electrocromic principal (electrolitul), transmitanţa sistemului poate fi mărită sau micşorată. Majoritatea sistemelor sunt caracterizate prin aplicarea unei tensiuni electrice din intervalul 0-5 V. Proprietăţile optice ale materialelor electrocromice pot fi variate fin şi reversibil în funcţie de aplicarea câmpului electric sau curentului electric. Anumite materiale organice şi anorganice, solide şi lichide, prezintă fenomenul de electrocromism la aplicarea unei tensiuni joase sau a unui curent slab [91]. Soluţia cea mai cunoscută este utilizarea filmelor fine de oxid de tugsten sau molibden (WO3 respectiv MO3), care îşi variază culoarea de la transparent sau galben pal până la albastru închis, la expunerea la reacţii de reducere eletrochimică [67]. O secţiune printr-o sticlă de fereastră electrocromică (cu film de oxid de tungsten) este prezentată în figura 3.5. Filmele electrocromice pot fi produse prin numeroase procedee, cum ar fi evaporarea în vid, suflare, depunere chimică de vapori sau anodizare. Fereastra este fabricată din cinci straturi reprezentate de doi conductori transparenţi, un electrolit sau conductor de ioni, un electrod şi un strat electrocromic. Adăugarea hidrogenului este forţată de aplicarea câmpului electric. Densitatea optică a tungstenului este proporţională cu sarcina indusă. Atunci când este redusă, tungstenul are aparenţa albastră saturată. O idee interesantă în cercetare a fost realizarea unor dispozitive ale căror proprietăţi optice cum ar fi reflectanţa şi transmitanţa să poată fi controlate ca răspuns la variaţiile luminoase ale mediului.

Figura 3.5 Secţiune prin sticla electrocromică. Sticla electrocromică poate fi utilizată în două tipuri de sisteme caracteristice, primul tip de sistem fiind destinat controlului energiei transmise prin fereastră, prin modularea reflectanţei şi absorbanţei din spectrul IR, iar al doilea tip fiind destinat controlului accesului luminii naturale şi protecţiei împotriva orbirii. Principiul de funcţionare se bazează pe schimbarea pronunţată a culorii asociată cu variaţia stării de oxidare a oxidului de tungsten conţinut în ansamblul multistrat al unei celule electrocromice. Configuraţia alcătuită din cele cinci straturi permite repetarea ciclurilor de reacţii electrochimice reversibile cu eliberări şi atracţii simultane de ioni şi electroni. Astfel, culoarea şi prin urmare transparenţa sticlei pot fi controlate electric.

Sisteme avansate de iluminat natural 73 Decolorarea sticlei se obţine prin aplicarea unui câmp electric sau a unei tensiuni de sens invers. Structura electrolitului trebuie să permită transferul rapid al ionilor pozitivi între filmele electrocromice şi să aibă conductivitate ridicată la temperatura interioară. Dispozitivele electrocromice au fost iniţial studiate pentru aplicaţii de afişare electronică a informaţiilor. Ulterior au apărut două noi direcţii ale acestui domeniu: pe lângă dispozitivele de afişare electronică, s-a dezvoltat şi tehnologia oglinzilor şi a sticlei pentru care se poate regla electrocromic reflectanţa sau transmitanţa în funcţie de intensitatea radiaţiei solare. În prezent, utilizarea tehnologiei electrocromice în aplicaţii arhitecturale este la început şi deci disponibilitatea produselor este limitată. Producătorul german de materiale vitrate Flabeg GmbH deţine actualmente cel mai avansat produs electrocromic, disponibil pe piaţă din 1999. Acest produs, denumit EControl, este prezentat în figura 3.6 şi este compus dintr-un panou exterior de sticlă electrocromică de emisie scăzută cu grosimea de 9 mm şi un panou interior de sticlă de emisie scăzută cu grosimea de 4 mm, separate de un strat de 16 mm de gaz termoizolant. Aceste panouri vitrate sunt disponibile în serii de dimensiuni de la 0,4 m x 0,4 m la 1,2 m x 2 m. Modulele vitrate au aparenţa clară atunci când tensiunea aplicată este 0 V. Variind tensiunea se poate regla transmitanţa sticlei, până la o valoare minimă atunci când stratul electrocromic este complet colorat (întunecat). Unul dintre avantajele sistemelor electrocromice este că permit controlul variabil atât al transmisiei luminii cât şi al transferului energetic. Astfel, pot fi utilizate pentru reglarea simultană a iluminării interioare şi a aportului termic solar. Figura 3.7 ilustrează spectrul de transmisie a radiaţiilor pentru sticla electrocromică Flabeg în stare clară şi în stare întunecată: transmitanţa maximă variază între 50% (stare clară) şi 15% (stare întunecată).

Figura 3.6 Sticla electromică Flabeg. Deşi tehnologiile cromogenice şi electrocromice au constituit subiectul unei cercetări vaste, utilizarea lor practică este limitată. De asemenea, informaţiile referitoare la performanţa energetică a acestor sisteme şi impactul asupra ocupanţilor în clădiri reale sunt limitate. Până în prezent, aceste sisteme nu au fost utilizate în spaţii de birouri pentru controlul accesului luminii naturale pe planul de lucru, ci mai degrabă în alte aplicaţii, neputându-se trage o concluzie în ce priveşte performanţele legate de confortul vizual şi general al ocupanţilor. O caracteristică importantă a acestor sisteme privite în ansamblul strategiei de iluminat natural este capacitatea acestora de a fi conectate la un sistem automat de control al iluminatului, capabil să asigure iluminarea interioară necesară pentru un interval larg de condiţii atmosferice (exterioare). Astfel, pe lângă fotocelulele destinate controlului iluminatului electric, se pot monta senzori suplimentari pentru a controla transmitanţa

74 Capitolul 3

panoului electrocromic. Secvenţa de control pentru un astfel de sistem poate include o serie complexă de parametri: orbirea, nivelul de iluminare recomandat, aportul termic solar, vederea către exterior. Aşa cum a fost deja remarcat, unii dintre aceşti parametri se pot afla în contradicţie. Timpul de colorare a sticlei electrocromice (de regulă 30-120 sec) este adecvat controlului termic dar poate crea disconfort vizual de scurtă durată dacă doar acest panou este destinat protecţiei ocupanţilor faţă de lumina directă solară.

Figura 3.7 Transmitanţa spectrală pentru sticla electrocromică Flabeg. În concluzie, avantajul principal al acestor sisteme este capacitatea de integrare într-un sistem de control automat pentru a se asigura controlul permanent al parametrilor mediului luminos. Un aspect extrem de important este şi asigurarea capacităţii ocupanţilor de a trece peste controlul automat şi de a regla parametrii după preferinţe, dar este de preferat ca reglările din oră în oră să fie realizate un sistem automat mai bine calibrat şi conceput în această direcţie. Producătorii de materiale vitrate desfăşoară cercetări intense pentru a dezvolta filmele care să reziste la umiditate ridicată, radiaţii UV şi la temperaturi ridicate pentru mai mult de 50.000 cicluri sau pentru o perioadă lungă de timp. De o egală importanţă sunt şi elementele sistemelor de control şi integrarea acestora. Aceste tipuri de dispozitive cu reglaj dinamic pot oferi economii însemnate de energie atât în sistemul de iluminat cât şi în instalaţiile de ventilare şi condiţionare a aerului. 3.3 Controlul distribuţiei luminii naturale în interior Un sistem de suprafeţe vitrate reprezintă un aparat de iluminat natural şi întocmai ca un aparat de iluminat electric, trebuie să direcţioneze fluxul luminos provenit de la sursă astfel încât să creeze mediul luminos interior dorit. Această cerinţă are atât un aspect cantitativ (asigurarea nivelului de iluminare necesar activităţii desfăşurate) cât şi un aspect calitativ (asigurarea atractivităţii şi confortului vizual). Adeseori aceste aspecte ridică probleme unui sistem de iluminat electric, ale cărui elemente sunt de regulă statice; în cazul unui sistem de iluminat natural, caracterizat de condiţiile permanent variabile ale luminii naturale, aceste aspecte ridică probleme de o dificultate sporită. Variaţiile sursei de lumină naturală se manifestă în două direcţii esenţiale (pe lângă intensitatea variabilă analizată anterior). Sursele de lumină difuze (cer, nori, obstrucţii externe) se întind sub unghiuri solide largi şi au o distribuţie variabilă a luminanţei, în timp ce radiaţiile solare, ca sursă de lumină directă, sunt caracterizate de un unghi de incidenţă extrem de variabil. În cazul suprafeţelor vitrate verticale, contribuţia luminii

Sisteme avansate de iluminat natural 75 difuze a cerului scade rapid odată cu adâncimea încăperii, în condiţiile în care iluminarea interioară în apropierea ferestrei poate fi de 20% din iluminarea exterioară simultană. Atunci când în spaţiul interior apare şi componenta directă solară, gradul de variaţie a iluminării şi neuniformitatea distribuţiei acesteia cresc simţitor, la fel ca şi gradul de neuniformitate al distribuţiei luminanţelor. Aceste aspecte sunt strâns legate de proprietăţile geometrice şi optice ale materialelor încăperii şi ale suprafeţelor vitrate. Iluminatul natural prin deschideri verticale laterale asigură modelarea sarcinilor 3D dar creează efecte negative în ce priveşte echilibrul şi contrastul din mediul luminos. Un avantaj principal al acestor deschideri este asigurarea vederii şi conexiunii cu mediul exterior, astfel este preferat evitarea strategiilor de control al accesului luminii naturale care să reducă inutil vederea către exterior. Majoritatea sistemelor actuale care controlează distribuţia luminii naturale în interior se bazează pe devierea sau difuzia luminii incidente (elemente de ecranare), fiind concepute în esenţă pentru controlul accesului luminii solare directe şi neîmbunătăţind aspectele legate de echilibru şi contrast amintite mai sus, şi nici nu permit mărirea zonei interioare iluminate natural. Astfel, se impune ca necesară dezvoltarea unei tehnologii noi care să crească suprafaţa iluminată natural simultan cu creşterea confortului vizual. Sistemele vitrate pot fi concepute pentru performanţe crescute în mai multe direcţii. În primul rând, să se asigure vederea către exterior limitându-se lumina solară excesivă. Deoarece lumina directă solară e caracterizată de regulă de unghiuri de incidenţă mari, în timp ce direcţia de privire are unghiuri de incidenţă mici, o sticlă cu selecţie unghiulară poate rezolva această problemă. Aceasta poate reduce sau chiar stopa aportul solar pentru anumite unghiuri de incidenţă datorită microstructurii sale. O soluţie mai bună este redirecţionarea luminii incidente către plafon de unde este apoi difuzată în spaţiul interior. În acest scop au fost dezvoltate jaluzele argintate, panouri prismatice, panouri cu microperforaţii realizate cu raze laser, precum şi prototipul elementelor holografice, dar pentru moment nici un astfel de sistem nu satisface întreaga gamă de cerinţe de performanţă. O nouă direcţie a concepţiei sistemelor de iluminat natural constă în realizarea sistemelor de colectare a luminii naturale şi transmiterea acesteia către plafonul zonei opuse deschiderilor încăperii. Pentru zonele dominate de condiţii de cer acoperit, au fost dezvoltate colectoarele anidolice, care utilizează materiale refractante şi reflectante de înaltă eficienţă pentru a asigura controlul dorit al luminii fără reglări sau componente mobile. Niveluri de iluminare interioară medii de 200-600 lx pot fi obţinute la adâncimi de 8 m pentru spaţii interioare obişnuite timp de aproximativ 6 ore pe zi în mare parte a anului cu sisteme cu tuburi de lumină sau chiar cu elemente orizontale de direcţionare a luminii naturale. Acestea din urmă controlează şi redirecţionează lumina către zonele de prezenţă a ocupanţilor şi este posibil să producă condiţii ocazionale de orbire. Dispozitivele de difuzie interioară a luminii situate la extremitatea tuburilor de lumină sunt situate de regulă în plafon şi deranjează mai puţin. Pentru ambele tipuri de sisteme există numeroase soluţii tehnice, iar fiecare trebuie să fie optimizată în funcţie de climat şi orientare, precum şi de eficienţă şi cost. 3.3.1 Elemente de direcţionare a luminii naturale Aceste elemente constitute un sistem clasic de iluminat natural conceput pentru a ecrana şi a reflecta lumina naturală şi pentru a proteja ocupanţii faţă de orbirea directă produsă de luminanţa ridicată a cerului. În general au o poziţie orizontală sau puţin înclinată, în afara sau/şi în interiorul faţadei vitrate. Astfel, aceste elemente pot fi parte integrantă din faţadă sau montate pe structura clădirii, dar trebuie să se încadreze în concepţia arhitecturală a clădirii. De regulă sunt poziţionate deasupra nivelului ochilor observatorilor, divizând suprafaţa ferestrei într-o porţiune inferioară destinată vederii către spaţiul exterior şi o alta

76 Capitolul 3

superioară destinată admisiei luminii reflectate către plafonul spaţiului interior. Uneori se pot utiliza sisteme optice performante pentru redirecţionarea luminii către zone adânci din interiorul clădirii. Amplasarea acestor elemente va fi dictată de configuraţia spaţiului, de înălţimea plafonului şi de nivelul ochilor ocupanţilor consideraţi stând în picioare. În general, cu cât înălţimea de montare a acestor elemente este mai scăzută, cu atât mai mare este probabilitatea apariţiei orbirii, dar şi cantitatea de lumină reflectată către plafon. Un element interior de direcţionare a luminii va reduce cantitatea de lumină naturală primită în interior în comparaţie cu un sistem clasic de ferestre. Măsurările efectuate au arătat că ferestrele echipate cu astfel de elemente produc un factor de lumină de zi global în planul de lucru mai scăzut decât cel obţinut pentru ferestre clasice de aceeaşi mărime [4]. În anumite cazuri, utilizarea elementelor exterioare poate creşte cantitatea totală de lumină naturală percepută în interior faţă de situaţia cu ferestre clasice, dar creşte probabilitatea expunerii la regiunea de luminanţă ridicată din apropierea zenitului ceresc. În funcţie de geometria elementelor de direcţionare, lumina naturală va fi mai uniform distribuită în interior de un element exterior în comparaţie cu o fereastră clasică de aceeaşi mărime. Elementele de direcţionare a luminii naturale prezintă efecte asupra concepţiei arhitecturale şi structurii clădirii şi trebuie să fie analizate încă de la început, deoarece necesită înălţimi relativ mari ale plafonului pentru a funcţiona eficient; astfel, ele trebuie să fie concepute special pentru fiecare orientare a faţadei, configuraţie a spaţiului şi locaţie a clădirii. Pot fi utilizate în climate predominate de lumina solară directă şi pentru iluminarea spaţiilor adânci a căror faţadă este orientată către sud (în emisfera nordică), performanţele obţinute pentru orientări către est şi vest precum şi în condiţii de cer acoperit fiind reduse. Orientarea, amplasarea în faţadă (exterioară, interioară sau combinată), dimensiunile unui astfel de element, vor fi întotdeauna o soluţie de compromis între cerinţele de ecranare şi de iluminat natural. Un element interior va reduce aportul de lumină naturală în interior. Pentru spaţiile orientate către sud (în emisfera nordică), se recomandă ca adâncimea unui element interior să fie aproximativ egală cu înălţimea porţiunii superioare a ferestrei situate deasupra elementului de redirecţionare a luminii. Deplasarea acestui element către exterior determină o deplasare paralelă a zonei umbrite către faţadă, ceea ce reduce nivelul de iluminare de lângă fereastră şi creşte uniformitatea iluminării. Adâncimea recomandată a unui element exterior este aproximativ egală cu înălţimea acestuia deasupra planului de lucru [57]. Înălţimea suprafeţei vitrate şi adâncimea elementului de direcţionare trebuie să fie alese pe baza datelor specifice de latitudine şi climat. Pentru latitudini scăzute, adâncimea unui element interior poate fi extinsă pentru a bloca lumina solară directă incidentă prin porţiunea superioară a faţadei în orice moment (figura 3.8). Pentru latitudini mai mari şi pentru orientări către est sau vest, un astfel de element poate permite accesul în interior al luminii solare directe (pentru altitudini solare scăzute) prin spaţiul dintre elementul de direcţionare şi plafon, impunându-se utilizarea unor dispozitive de ecranare suplimentare. Creşterea adâncimii elementului va rezolva această problemă, dar va obstrucţiona accesul şi reflexia luminii naturale necesare pentru iluminat. Se impune o remarcă importantă şi anume că pe timp de iarnă, aceste elemente de direcţionare nu pot controla singure evitarea orbirii. Ecranarea perimetrului ferestrei prin înclinarea către exterior a elementului de direcţionare va reduce cantitatea de lumină naturală reflectată către plafon. Prin înclinarea inversă se îmbunătăţeşte accesul luminii reflectate şi se vor reduce efectele de ecranare. Un element de direcţionare amplasat orizontal reprezintă de regulă cel mai bun compromis între cerinţele de ecranare şi cele de distribuţie a luminii naturale.

Sisteme avansate de iluminat natural 77

Figura 3.8 Direcţia luminii naturale pentru diverse poziţii ale elementelor de direcţionare. Plafonul reprezintă o componentă secundară importantă a sistemului de iluminat natural deoarece lumina reflectată de elementul de direcţionare este dirijată către plafon de unde este apoi reflectată către spaţiul interior. Caracteristicile plafonului care influenţează acest proces sunt finisarea, uniformitatea şi înclinarea acestuia. Deşi un plafon cu o suprafaţă speculară reflectă mai multă lumină, trebuie acordată o mare atenţie orbirii produse de reflexia pe plafon din apropierea faţadei şi a elementului de direcţionare. Pentru evitarea orbirii, suprafaţa plafonului trebuie să fie cât mai uniform difuzantă. Accesul luminii naturale pentru un astfel de sistem depinde şi de gradul de înclinare a plafonului. Un plafon cu înălţimea crescătoare către adâncimea încăperii va creşte substanţial adâncimea de pătrundere a luminii naturale în interior. În cazul unui plafon orizontal, lumina reflectată de elementul de direcţionare va produce o zonă iluminată natural cu precădere în apropierea faţadei, astfel că penetrarea în adâncime a luminii naturale este mai modestă. Elemente convenţionale Elementele de direcţionare a luminii naturale sunt de regulă sisteme fixe, solide, dar anumite elemente exterioare pot conţine sisteme de deviere cu reflexie superioară redusă. Finisarea influenţează eficienţa şi direcţionarea luminii reflectate către plafon. O suprafaţă mată produce reflexia difuză fără control direcţional, spre deosebire de o suprafaţă oglindită care determină reflexia directă cu un unghi de reflexie (aproape) egal cu cel de incidenţă. Pentru suprafeţele perfect difuzante, numai jumătate din lumina reflectată va fi distribuită în interior, dar pentru un element interior, o anumită parte din cealaltă jumătate reflectată, considerată ca fiind „pierdere de lumină”, va fi reflectată din nou către spaţiul interior de suprafaţa vitrată superioară, situată deasupra acestui element interior. O suprafaţă de reflectanţă ridicată (de exemplu oglindă, material din aluminiu etc.) reflectă mai multă lumină către plafon decât o suprafaţă difuzantă dar poate reflecta şi imaginea anumitor urme de pe ea. O suprafaţă semi-oglindită poate fi o soluţie mai bună. O altă posibilitate este utilizarea unui film prismatic reflectant pentru reflexia luminii naturale către interiorul încăperii [58].

78 Capitolul 3

Elemente tratate optic Elemente de direcţionare tratate optic prezintă două îmbunătăţiri semnificative faţă de elementele convenţionale pentru regiunile de climat însorit (figura 3.9): geometria elementului este curbată şi segmentată pentru a reflecta pasiv lumina solară pentru anumite altitudini solare; filmele optice semi-speculare de înaltă reflectanţă pot creşte eficienţa sistemului [9]. Rolul acestor sisteme este de a bloca în orice moment lumina solară directă, de a creşte nivelul de iluminare naturală în interior până la 10 m distanţă de faţadă, de a minimiza aporturile termice solare printr-o deschidere vitrată optimizată şi de a îmbunătăţi uniformitatea distribuţiei iluminării şi luminanţei în interior pentru condiţii atmosferice variabile. Elementele tratate optic sunt compuse dintr-un reflector principal inferior şi un reflector secundar superior. Reflectorul principal este format din segmenţi de suprafaţă înclinată acoperiţi de un film reflectant, care reflectă lumina solară sub unghiuri de 12–15° pentru incidenţă normală a acesteia. Înclinarea acestor suprafeţe permite reflexia luminii solare pe plafon până la 10 m faţă de faţadă pentru unghiurile solare specifice solstiţiului de vară şi echinocţiilor (pentru faţade orientate către sud în emisfera nordică). Reflectorul secundar este amplasat deasupra celui principal aproape de planul plafonului şi la fereastră pentru a intercepta lumina solară pe timp de iarnă, când soarele prezintă unghiuri de înălţime reduse, şi de a o reflecta către reflectorul principal. Reflectorul secundar este acoperit cu un film specular de înaltă reflectanţă şi poate constitui o sursă de orbire.

Figura 3.9 Element de direcţionare tratat optic pe un singur nivel. Acest sistem a fost dezvoltat la nivel conceptual utilizând modele la scară. Un prototip la scară reală a fost construit şi instalat într-o clădire de birouri [56]. Pentru aplicaţii în sisteme vitrate verticale, eficienţa maximă a acestui tip de element necesită o înălţime a încăperii mai mare de 2,5 m. Este posibilă concepţia şi adaptarea elementelor de direcţionare a luminii naturale tratate optic pentru clădiri existente, dar trebuie realizată cu grijă integrarea acestora în structura arhitecturală a faţadei. Elemente cu poziţie reglabilă Un sistem reflectant cu suprafaţă variabilă este un sistem de elemente de direcţionare a luminii capabil de auto-reglare în funcţie de poziţia soarelui (figura 3.10). Acest sistem utilizează un film reflectant din plastic care se poate desfăşura şi înfăşura pe un tambur amplasat într-un sistem de elemente de direcţionare fixe. Înfăşurarea şi desfăşurarea filmului reflectant permite funcţionarea acestui sistem pentru orice unghi de înălţime solară. Până în prezent nu a fost instalat într-o clădire. O versiune mai simplă o reprezintă elementul de direcţionare exterior pivotant.

Sisteme avansate de iluminat natural 79 În general, elementele reglabile, deci mobile, sunt mai costisitoare (mai ales dacă sunt motorizate) decât cele fixe, dar au avantajul unei flexibilităţi mult superioare în control şi aplicaţii. Elementele de direcţionare a luminii naturale necesită operaţii de curăţare regulată. Un element interior adună praf, în timp ce unul exterior se poate murdări, poate aduna zăpadă şi poate constitui chiar loc de adăpost pentru păsări sau insecte. O suprafaţă speculară necesită menţinere pentru a-şi păstra proprietăţile optice. Elementele tratate optic sunt complet izolate de mediul exterior şi interior, fiind protejate împotriva murdăririi şi interferenţelor ocupanţilor. Nu necesită alte operaţiuni de menţinere decât curăţarea sticlei exterioare şi interioare. Aportul scăzut de lumină naturală în planul ferestrei poate conduce la utilizarea crescută a iluminatului electric, dar creşterea uniformităţii distribuţiei luminii prin creşterea componentei electrice în spaţiile fără contribuţie naturală suficientă poate conduce la un mediu vizual perceput ca fiind prea iluminat. Cantitatea totală de lumină naturală pătrunsă în interior poate fi crescută prin utilizarea unui element de direcţionare exterior, în funcţie de geometrie şi de tratamentul aplicat suprafeţei. Totuşi, majoritatea elementelor convenţionale nu produc de regulă niveluri de iluminare ridicate în adâncimea spaţiului şi deci economia de energie este modestă.

Figura 3.10 Sistem reflectant cu suprafaţă variabilă. Elementele de direcţionare tratate optic pot genera niveluri de iluminare adecvate pentru sarcini vizuale de birou într-o zonă de 5-10 m adâncime pentru majoritatea condiţiilor atmosferice. S-a constatat că un element de direcţionare tratat optic determină o scădere a consumului anual de energie electrică pentru iluminat în comparaţie cu unul convenţional [44]. 3.3.2 Sisteme de storuri şi jaluzele Sistemele de jaluzele sunt sisteme clasice de control al accesului luminii naturale din punct de vedere al ecranării radiaţiei solare, al protecţiei împotriva orbirii şi de direcţionare a luminii naturale. Acestea se compun din lamele orizontale, verticale sau înclinate, de diverse forme şi finisări. Jaluzelele exterioare sunt de regulă din oţel galvanizat, aluminiu anodizat sau vopsit, sau din PVC, având o durată de viaţă ridicată şi necesitând puţine operaţiuni de menţinere. Jaluzelele interioare sunt fabricate de regulă din PVC sau aluminiu vopsit, lamelele fiind plane sau curbe, de regulă amplasate echidistant, la o distanţă mai mică decât lăţimea

80 Capitolul 3

acestora, astfel încât să se suprapună în poziţia complet închis. Mărimea lamelelor variază în funcţie de amplasarea acestora: exterioară, interioară sau interpusă între panourile vitrate ale unei ferestre duble; pentru jaluzele exterioare lăţimea unei lamele este între 50 şi 100 mm, în timp ce pentru jaluzele interioare aceasta este de 10 până la 50 mm. În funcţie de unghiul de înclinare al lamelelor, se poate ecrana parţial sau total accesul luminii şi radiaţiilor solare în interior, dar se şi reduce parţial sau total vederea către spaţiul exterior; structura jaluzelei poate obstrucţiona vederea chiar şi în poziţia complet deschis. Din acest motiv, multe astfel de sisteme sunt mobile, permiţând retragerea parţială sau totală a jaluzelelor. În condiţii de cer însorit, jaluzelele pot produce probleme de orbire datorită liniilor luminoase ce apar de-a lungul lamelelor (datorită reflexiei luminii solare şi de la cer) şi deci contrastului de luminanţă dintre lamele şi spaţiul adiacent. Înclinarea către interior a lamelelor creşte permite o vedere mai largă a cerului şi riscul apariţiei orbirii; înclinarea către exterior ecranează radiaţia solară şi oferă o mai bună protecţie la orbire. Lamelele lucioase, cu reflectanţă ridicată, pot genera probleme serioase de orbire prin reflexia luminii solare sau de la cer direct către câmpul vizual al observatorului. Aceste probleme pot fi reduse prin utilizarea lamelelor difuzante. Sistemele de storuri şi jaluzele pot fi utilizate pentru orice orientare şi latitudine şi pot fi montate oricând este necesar. Storurile şi jaluzele exterioare influenţează arhitectura şi structura exterioară a clădirii, în timp de jaluzelele interioare au un efect redus. În aplicaţiile practice, storurile şi jaluzele orizontale sunt utilizate pentru orice orientare a faţadei, iar cele verticale sunt predominante pentru faţadele orientate către est şi vest. Aceste sisteme pot ecrana, absorbi, reflecta şi/sau transmite radiaţia solară (difuză şi directă) către spaţiul interior, aceste efecte depinzând de poziţia soarelui pe cer, amplasarea sistemelor, unghiul de înclinare şi caracteristicile optice ale lamelelor. Astfel, proprietăţile optice şi termice ale unui sistem de ferestre echipate cu storuri sau jaluzele sunt extrem de variabile. Lamelele aflate în poziţie orizontală primesc lumină şi de la soare, şi de la cer şi de la sol; cele înclinate către interior transmit lumina de la soare şi de la cer, iar cele înclinate către exterior transmit cu precădere lumina reflectată de sol. Sistemele fixe sunt concepute pentru ecranare, iar cele mobile pentru controlul aportului termic solar, protecţia contra orbirii şi pentru redirecţionarea luminii naturale. Un sistem fix are dezavantajul inflexibilităţii, astfel că pentru condiţii de cer acoperit, acesta poate produce un efect negativ al ecranării, şi anume reducerea semnificativă a iluminării interioare. Sistemele mobile trebuie retrase parţial sau complet pentru a se adapta la maxim condiţiile exterioare. În funcţie de unghiul de înclinare al lamelelor, finisarea suprafeţei acestora, precum şi de spaţiul dintre ele, atât lumina solară cât şi lumina cerului pot fi reflectate în interior. Jaluzelele din material translucid transmit o parte a luminii incidente atunci când se află în poziţia închis, putând fi fabricate din plastic, material textil sau material plastic cu perforaţii (de regulă permiţând mai multe niveluri pentru transmisia niveluri). Există multe tipuri de storuri şi jaluzele. De regulă suprafaţa superioară are o reflectanţă ridicată şi o formă concavă. Au fost dezvoltate sisteme de storuri cu amplasare între panourile vitrate şi care au de regulă lăţimi de 10-12 mm, fiind destinate reflexiei maxime a luminii naturale către plafon menţinând în acelaşi timp luminanţe scăzute pentru unghiuri sub nivelul planului orizontal (figurile 3.11 şi 3.12). Sistemul „Fish” constă în storuri fixe orizontale cu secţiune triunghiulară [54], destinate ferestrelor verticale pentru limitarea orbirii şi redirecţionarea luminii difuze; dacă se doreşte limitarea aportului termic solar şi a accesului luminii solare, trebuie utilizate sisteme suplimentare de ecranare (de exemplu rulouri). Lamelele sunt concepute astfel încât lumina provenită de sfertul superior al boltei cerului să fie transmisă către plafon. Teoretic, în absenţa panourilor vitrate, sistemul transmite 60% din lumina difuză pentru lamele din aluminiu de reflectanţă 0,85.

Sisteme avansate de iluminat natural 81

Figura 3.11 Structura unui sistem cu lamele fixe orizontale.

Sistemul „Okasolar”, care de asemenea fix, constă în numeroase lamele echidistante, cu trei feţe reflectante, amplasate în interiorul unei ferestre duble [44]. Sistemul reflectă lumina naturală către plafon în timpul iernii şi are rol de ecranare în timpul verii, fiind conceput în mod specific pentru latitudinea unde va fi utilizat.

Figura 3.12 Sistemul Okasolar format din lamele reflectante fixe, cu amplasament echidistant. Sistemele de storuri şi jaluzele pot fi operate manual sau automat. Controlul automat creşte eficienţa energetică dacă este programat să reducă aportul termic solar şi să optimizeze accesul luminii naturale în timpul zilei pentru diverse poziţii ale soarelui pe cer. Totuşi, controlul automat poate produce inconfortul ocupanţilor care nu agreează faptul de a nu avea controlul personal asupra sistemului. Sistemele de control manual nu au însă aceeaşi eficienţă energetică sau nu funcţionează optim (manevrarea acestora poate fi motivată prin orbire sau vederea către exterior sau sistemele pot pur şi simplu să fie lăsate în aceeaşi poziţie atunci când ocupantul părăseşte încăperea). Rezultatele cercetărilor au arătat că poziţiile preferate de ocupanţi pentru sistemele de storuri şi jaluzele sunt relativ independente de condiţiile climatice şi variaţiile acestora zilnice sau sezoniere. Alte studii au găsit o relaţie dintre climat şi poziţiile preferate ale acestor sisteme [76, 80]. Menţinerea poate fi dificilă, mai ales pentru sistemele cu lamele reflectante. Lamelele interioare adună praf; cele exterioare pot acumula murdărie sau zăpadă. Lamelele montate între panourile vitrare prezintă avantajul menţinerii reduse şi protecţiei crescute spre deosebire de cele montate în exterior sau în interior. Pentru condiţii de cer însorit, anumite sisteme pot creşte accesul luminii naturale, pot reduce sarcina de răcire şi pot uniformiza distribuţia luminii naturale în interior reducând contrastul dintre zona puternic iluminată din apropierea ferestrei şi zona interioară mai întunecată. Astfel se obţin reduceri ale costurilor şi energiei consumate. Pentru condiţii de cer acoperit, aceste sisteme pot fi eficiente dacă sunt manevrate corespunzător.

82 Capitolul 3

3.3.3 Panouri prismatice Panourile prismatice sunt panouri de grosime redusă cu o faţă plană şi o faţă cu structură prismatică, fabricate din material acrilic transparent, fiind utilizate în zone de climat temperat pentru redirecţionarea luminii naturale. Atunci când sunt utilizate ca sisteme de ecranare, deviază lumina solară şi transmit lumina cerului. Panourile prismatice pot fi utilizate în configuraţii fixe sau mobile. În funcţie de strategia de iluminat natural utilizată, pot fi amplasate în panoul ferestrei (configuraţie fixă) pe partea exterioară şi/sau interioară. Aceste panouri oferă o vedere distorsionată către exterior, ca urmare este benefică prevederea unei porţiuni de fereastră care să permită vederea. Panourile prismatice prezintă două funcţii diferite: ecranarea radiaţiilor solare şi redirecţionarea luminii naturale. În prima situaţie, utilizarea în configuraţie fixă necesită componente suplimentare pentru a preveni dispersia luminii, cum ar fi de exemplu amplasarea în spatele panoului prismatic a unui geam de sticlă difuzantă. În a doua situaţie, panourile prismatice pot direcţiona a parte din radiaţia solară în jos, crescând riscul apariţiei orbirii. Simularea pe calculator arată că pentru un panou prismatic vertical în configuraţie fixă, nu se poate elimina total direcţionarea luminii solare către planul de lucru de-a lungul unui an. Totuşi, prin varierea înclinării structurii, aceste situaţii pot fi evitate.

Figura 3.13 Secţiune prin patru tipuri de panouri prismatice.

Efectul panourilor prismatice a fost de mult timp cunoscut. Încă de la începutul secolului XX datează primele încercări şi invenţii ale acestei tehnologii. Odată cu apariţia polimerilor acrilici, a devenit posibilă producerea panourilor cu structuri foarte precise. În plus, domeniul de aplicaţii a fost lărgit şi prin posibilitatea aplicării filmelor reflectante pe structura panourilor. În momentul de faţă, principalul obstacol pentru utilizarea la scară largă a acestui sistem este costul ridicat. Panourile prismatice pot direcţiona lumina difuză a cerului sau lumina directă solară. Lumina difuză a cerului Panourile prismatice sunt de regulă folosite în faţade verticale pentru a redirecţiona lumina naturală provenită de la cer către plafonul încăperilor, concomitent cu reducerea luminanţei ferestrei şi contribuind la controlul orbirii. Pentru faţade expuse luminii solare, se impune utilizarea sistemelor suplimentare de ecranare. Lumina directă solară Dacă panourile sunt concepute pentru direcţionarea luminii solare în încăpere, trebuie acordată o atenţie sporită orbirii şi dispersiei luminii, impunându-se un anumit profil al structurii prismatice şi înclinarea variabilă a panoului. • Sisteme de ecranare fixe – se întâlnesc de regulă în acoperişuri vitrate. Structura

prismatică este concepută în funcţie de traiectoria soarelui pe cer iar panourile sunt integrate între două straturi vitrate.

Sisteme avansate de iluminat natural 83 • Sisteme de ecranare mobile – sunt amplasate în faţa sau în spatele stratului vitrat în

aranjament orizontal sau vertical. Aceste sisteme controlează orbirea produsă de soare dar nu şi cea datorată cerului; cu alte cuvinte aceste sisteme acţionează doar pentru ecranarea luminii solare.

Principala funcţie a sistemelor de panouri prismatice este asigurarea accesului luminii naturale în adâncimea încăperii, pe baza fenomenelor de reflexie şi refracţie. Sistemul poate fi conceput pentru a reflecta lumina pentru anumite intervale de unghiuri de incidenţă şi pentru a transmite simulan lumina pentru alte unghiuri de incidenţă. Refracţia şi reflexia totală internă pot conduce la schimbarea direcţiei razei de lumină transmise. Cantităţile de lumină refractată şi reflectată depind de unghiul de incidenţă, de indicele de refracţie şi de starea de polarizare a luminii incidente. Pentru a transmite lumina naturală cât mai adânc în încăpere, un panou prismatic trebuie să fie adaptat la un interval larg de altitudini solare. Lumina refractată trebuie să fie emisă de panoul prismatic sub un unghi de maxim 15° deasupra orizontalei pentru a se obţine penetrarea maximă a luminii fără a crea raze descendente de lumină solară care ar determina apariţia orbirii. Astfel, performanţa panoului este obţinută printr-o configuraţie optimă a unghiurilor de refracţie. O configuraţie aparte pentru profilul prismatic este cerută de diversele date geometrice şi geografice, pentru a se obţine niveluri ridicate de iluminare în zona opusă faţadei. În plus, se impune ca plafonul să aibă reflectanţa ridicată, în special în zona din apropierea faţadei. Atunci când se utilizează în sisteme de ecranare mobile, panourile prismatice trebuie prevăzute de regulă cu sistem monoaxial automat de urmărire a traiectoriei soarelui pe cer, impunându-se în majoritatea cazurilor doar ajustări sezoniere.

Figura 3.14 Traseul luminii directe şi difuze prin panouri prismatice fixe (stânga) şi mobile (dreapta).

Panourile prismatice montate în ferestre duble nu necesită operaţiuni de menţinere, cu excepţia celor de curăţare a suprafeţelor vitrate exterioară şi interioară. Costurile pentru panoul prismatic sunt în intervalul 200 Euro (pentru producţii de volum mare) până la 400 Euro (pentru producţii de volum redus), iar costul filmului prismatic este de 40-80 Euro/m2 [44]. 3.3.4 Panouri cu microperforaţii realizate cu raze laser Reprezintă un sistem de direcţionare a luminii naturale format din şiruri de elemente rectangulare obţinute prin tăierea cu raze laser a unor panouri din material acrilic transparent. Suprafaţa fiecărei perforaţii astfel obţinută devine o micro-oglindă internă care modifică traiectoria razelor de lumină incidente. Principalele caracteristici ale unui astfel de panou sunt emisia unei cantităţi semnificative de lumină într-un unghi larg (peste 120°), menţinerea vederii prin panou şi o metodă flexibilă de producţie aplicabilă pentru volum mare sau mic de produse. Schimbarea direcţiei razelor de lumină în fiecare element al panourilor se produce prin refracţie, reflexie totală internă şi apoi din nou prin refracţie (figura 3.15). Deoarece deflecţia luminii se produce în aceeaşi direcţie, eficienţa sistemului este ridicată. De regulă panourile sunt dispuse în interiorul structurilor vitrate, dar pot fi folosite şi ca suprafeţe exterioare dacă microperforaţiile sunt protejate prin laminarea între două straturi vitrate. În mod normal, microperforaţiile sunt realizate prin tăierea sub direcţii

84 Capitolul 3

perpendiculare pe suprafaţa panoului, dar se pot realiza şi prin tăiere sub alte unghiuri pentru a controla în mod corespunzător deflecţia luminii [36].

Figura 3.15 Principiul direcţionării luminii naturale cu ajutorul panourilor cu microperforaţii realizate cu raze laser. Fracţiunea f este dată în funcţie de unghiul de incidenţă în figura 3.17.

Aceste panouri pot fi utilizate în aranjamente fixe sau mobile în cadrul unui sistem de ferestre, deoarece prezintă avantajul că menţin vederea către exterior. Totuşi, utilizarea lor este recomandată în principal pentru deschiderile destinate accesului luminii naturale şi nu pentru ferestrele ce trebuie să asigure o vedere către exterior. Aceasta deoarece panourile redirecţionează lumina incidentă de sus în jos într-o direcţie de jos în sus, şi deci este posibilă producerea orbirii. De aceea, se recomandă instalarea acestor panouri deasupra nivelului ochilor ocupanţilor. Instalarea se poate face atât în variantă fixă, cât şi mobilă sub forma unor sisteme de jaluzele reglabile. Evident, cea din urmă prezintă avantajul flexibilităţii, astfel că spre exemplu vara elementele pot fi aduse în poziţia orizontală („deschis”) pentru respingerea prin redirecţionare a luminii solare directe, iar iarna poziţia verticală („închis”) permite redirecţionarea către interior a luminii naturale (figura 3.16).

Figura 3.16 Amplasarea în ferestre a panourilor cu microperforaţii realizare cu raze laser.

Aceste panouri pot fi utilizate ca sisteme fixe de ecranare pentru ferestre, sisteme de direcţionare a luminii (fixe sau mobile) sau sisteme de ecranare şi direcţionare a luminii pentru ferestre. Un panou vertical pentru care valoarea raportului D/W (figura 3.17) este 0,7 va deflecta aproape total lumina incidentă sub unghiuri mai mari de 45° şi va transmite majoritatea luminii incidente sub unghiuri sub 20° (figura 3.17). Astfel, o fracţiune de lumină este deflectată de panou către plafon care apoi va deveni sursa secundară de lumină difuză reflectată într-un mod analog elementelor de direcţionare a luminii prezentate mai sus. În acest mod, se asigură menţinerea vederii. Figura 3.17 arată fracţiunea de lumină deviată în funcţie de unghiul de înălţime a razei incidente (unghiul de incidenţă) pentru un panou vertical. Panoul prezintă posibilităţi scăzute de apariţie a orbirii deoarece lumina deflectată este direcţionată către partea superioară a încăperii în timp ce lumina nedeflectată îşi continuă traseul în aceeaşi direcţie ca şi lumina incidentă. Lumina este puţin difuzată datorită lipsei suprafeţelor curbe. În orice caz, este de preferat ca aceste panouri să fie utilizate în jumătatea superioară a ferestrelor.

Amplasare în sistem fix

Amplasare în sistem mobil

Sisteme avansate de iluminat natural 85

Figura 3.17 Fracţiunea de lumină deviată în funcţie de unghiul de înălţime al razei incidente pentru panouri verticale cu diverse raporturi dintre distanţa dintre microperforaţii (D) şi adâncimea acestora (W).

Dacă într-o fereastră se montează o serie de panouri înguste orizontale, atunci lumina solară va fi deviată înapoi către exterior pentru unghiuri de înălţime solară ridicate. Astfel, acest sistem este foarte eficient în ecranarea radiaţiilor solare, menţinând în acelaşi timp vederea către exterior neobturată (figura 3.18) [44].

Figura 3.18 Iluminarea energetică pentru o faţadă orientată către est amplasată la latitudinea de 48,8°N. Aceste panouri sunt de regulă fixe, reprezentând stratul vitrat interior al ferestrelor sau luminatoarelor. Dacă amplasarea este realizată în interiorul ferestrelor, operaţiile de menţinere nu sunt necesare. Dacă panourile sunt laminate între straturi de sticlă, atunci menţinerea este aceeaşi ca şi pentru sticla simplă. Dezavantajul principal al acestui tip de sistem îl reprezintă costul relativ ridicat: 100-130 Euro/m2. Economia de energică electrică pentru iluminat depinde de modul de instalare. Astfel că panourile fixe amplasate în jumătatea superioară a ferestrelor pentru a direcţiona lumina naturală în adâncimea încăperii poate creşte contribuţia luminii naturale cu 10-30%, în funcţie de condiţiile meteorologice. Dacă este posibilă o înclinare a panourilor (cu partea inferioară în exterior), atât captarea cât şi distribuirea luminii naturale în interior cresc considerabil.

86 Capitolul 3

3.3.5 Sticlă pentru direcţionarea luminii solare Este un material compus din două straturi de geam între care sunt dispuse pe verticală elemente acrilice concave, capabil să redirecţioneze către plafon lumina solară directă pentru orice unghi de incidenţă (figura 3.19). În funcţie de compoziţia sticlei şi a gazului de umplere, coeficientul de transfer termic este de aproximativ 1,3 W/m2K; coeficientul de absorbţie a radiaţiei termice solare este 0,36. Pe partea exterioară a acestei structuri se poate aplica un film holografic pentru o concentrare a luminii naturale sub un unghi orizontal redus [48].

Figura 3.19 Principiul sticlei de direcţionare a luminii solare. În cadrul unui sistem de iluminat ce utilizează acest tip de vitrare, un rol important îl are şi plafonul, care primeşte lumina redirecţionată şi o reflectă către suprafeţele de interes din spaţiul interior. Pentru o mai bună direcţionare şi concentrare a luminii către aceste suprafeţe, se pot dispune pe plafon elemente reflectante înclinate. Un plafon mat de culoare deschisă (reflectanţă mare, peste 0,7) este de asemenea recomandat; el va crea un iluminat difuz.

Figura 3.20 Amplasarea sticlei de direcţionare a luminii solare pentru suprafeţe vitrate verticale (a) şi orizontale (b).

Sticla pentru direcţionarea luminii directe solare este amplasată în suprafaţa vitrată verticală (planul ferestrei) deasupra înălţimii ochilor ocupanţilor, pentru a evita orbirea şi alte efecte vizuale (figura 3.20a). De asemenea, pentru situaţii de renovare/modernizare, poate fi amplasată fie în exterior, în faţa faţadei, fie în spatele acesteia, în interiorul încăperii. Înălţimea suprafeţei ocupate de această sticlă reprezintă de regulă 10% din înălţimea încăperii [44]. Fereastra situată sub ea poate fi ecranată prin utilizarea jaluzelelor convenţionale. Amplasarea poate fi realizată şi în deschiderile superioare pentru a mări gradul de penetrare a luminii solare în atrii şi curţi interioare (figura 3.20b).

a b

Sisteme avansate de iluminat natural 87 Este necesară în acest caz o înclinare de aproximativ 20° pentru a redirecţiona lumina solară şi pentru unghiuri de înălţime solară reduse. Acest sistem a fost conceput pentru situaţii de incidenţă directă a luminii solare. Astfel, cea mai bună orientare pentru emisfera nordică este către sud. Pentru faţadele orientate către est şi vest, utilitatea se manifestă doar dimineaţa respectiv seara. Sistemul redirecţionează şi lumina difuză, dar nivelul de iluminare obţinut în interior doar pentru acest caz este mult inferior celui obţinut pentru lumina solară directă. Astfel, amplasarea acestuia pe faţadele orientate către nord determină elemente de dimensiuni mai mari (crescând prin urmare costurile de investiţie). De asemenea, profilul elementelor acrilice concave a fost conceput pentru anumite latitudini, a căror influenţă se traduce prin unghiul de înălţime solară, iar valoarea optimă a acestuia este de 10-65° [44]. În regiunile tropicale, unde soarele prezintă altitudini ridicate, aceste sisteme necesită o amplasare înclinată pentru a redirecţiona mai multă lumină. În acest caz, geometria elementelor trebuie schimbată pentru a preveni orbirea, Un panou de acoperiş trebuie instalat cu o înclinare de 20° către direcţia soarelui [44]. Sticla de direcţionare a luminii produce deflecţia luminii atât în plan orizontal cât şi în plan vertical. Astfel, lumina poate pătrunde în adâncimea încăperii pentru toate poziţiile soarelui pe cer fără a fi nevoie de componente mobile ale faţadei clădirii. Deflecţia verticală se obţine prin forma elementelor acrilice, iar cea orizontală fie cu elemente optice holografice fie prin prevederea unei suprafeţe vitrate sinusoidale. Întrucât acest sistem este fix, nu necesită control, iar operaţiunea de menţinere este similară cu cele pentru orice tip de faţadă clasică. Diferenţa de preţ dintre acest tip de sistem şi geamul termopan clasic (care reprezintă de altfel costul elementelor acrilice concave) este de 200 Euro/m2 [44]. Acest cost de investiţie poate fi redus prin absenţa elementelor de ecranare a luminii solare (prezenţa lor nu este necesară) sau prin producţie de serie. 3.3.6 Plafoane anidolice Aceste sisteme se bazează pe proprietăţile optice ale dispozitivelor parabolice compuse de colectare şi concentrare a luminii difuze a cerului; acestea sunt conectate cu conducte oglindite deasupra planului plafonului, prin care se transportă lumina către zona din încăpere opusă faţadei. Obiectivul principal este asigurarea iluminării necesare din încăpere în condiţii de cer acoperit. Un plafon anidolic se compune din dispozitivele optice de colectare a luminii naturale, conectate la conductele de lumină aflate în structura unui plafon suspendat. Destinaţia sistemului este iluminatul lateral al clădirilor nerezidenţiale. La ambele capete ale conductei de lumină sunt amplasate elemente optice anidolice. La exteriorul clădirii, un dispozitiv optic de concentrare a luminii colectează şi concentrează lumina difuză provenită din regiunea superioară a bolţii cereşti (de regulă de luminanţa cea mai mare) şi o transmite către conducta de lumină. La ieşirea din aceasta, un reflector parabolic distribuie lumina către suprafeţele de interes. Conducta de lumină are o suprafaţă reflectantă oglindită permiţând transportul prin reflexie al luminii. Pentru condiţii de cer însorit, accesul direct al luminii solare poate fi controlat prin utilizarea unei jaluzele. Schema întregului sistem de plafon anidolic este prezentată în figura 3.21. Elementele reflectante prezintă suprafeţe de aluminiu anodizat de înaltă reflectanţă (0,9) şi conducta de lumină este închisă de straturile vitrate pentru a păstra curate suprafeţele reflectante. Deoarece sistemul este conceput colectării luminii difuze a cerului, îşi găseşte utilitatea maximă în iluminatul spaţiilor interioare în condiţii de cer acoperit şi poate fi folosit pentru orice latitudine dacă se prevăd şi sistemelde storuri sau jaluzele pentru protecţia împotriva orbirii sau aporturilor termice solare ridicate.

88 Capitolul 3

Figura 3.21 Secţiune verticală printr-un plafon anidolic, în care se pot observa colectorul anidolic exterior, sistemul de jaluzele de la fereastră, conducta

reflectantă din plafon şi dispozitivul de difuzie interioară a luminii. Pentru a colecta suficient flux luminos, colectorul anidolic trebuie să se întindă pe întreaga lăţime a faţadei iar conducta de lumină trebuie să ocupe în întregime spaţiul de deasupra plafonului suspendat din încăpere. În acest spaţiu nici un alt sistem sau element structural nu trebuie să fie amplasat pentru a nu reduce performanţele luminoase ale sistemului. Acest sistem este cel mai indicat pentru faţade verticale în clădiri situate în regiuni dominate de condiţii de cer acoperit sau care au acces limitat la lumina directă a soarelui. Riscul producerii orbirii trebuie redus prin distribuirea luminii naturale în interior prin plafon după o analiză identică cu cea pentru iluminatul electric. Dacă sursa principală de lumină naturală ar fi fost lumina solară, s-ar fi obţinut un factor de concentrare a luminii ridicat, permiţând realizarea unui sistem de conducte de dimensiuni reduse şi deci mai puţin spaţiu ocupat în plenum. Dar cum aplicaţia practică a acestui sistem presupune colectarea luminii difuze a cerului, rezultă un factor de concentrare limitat, de 2 sau 3, şi prin urmare se impune o conductă de lumină de dimensiuni mari, care umple întreaga cavitate a plenumului. Sistemele cu plafoane anidolice se dovedesc extrem de utile în zone urbane dense şi pot fi utilizate atât în condiţii de cer acoperit cât şi de cer senin dacă se iau măsuri corespunzătoare de ecranare a luminii solare. Plafonul anidolic nu necesită în general operaţiuni de menţinere. În condiţii atmosferice normale (adică nu în zone cu mult praf) şi cu calitate a aerului obişnuită în medii urbane, ploaia este de regulă suficientă pentru curăţarea sticlei de la intrarea în sistem pentru menţinerea nivelului normal de performanţă. Acest lucru este confirmat de funcţionarea unui astfel de sistem timp de aproximativ trei ani fără reduceri semnificative ale eficienţei. Jaluzelele utilizate pentru controlul accesului radiaţiei solare necesită operaţiuni de menţinere suplimentare. Sistemele de plafoane anidolice necesită costuri iniţiale suplimentare în comparaţie cu ferestrele convenţionale, pentru a crea sistemul de colectoare optice la faţadă şi pentru a construi plenumul reflectiv cu elementul optic emiţător, presupunând că jaluzelele şi sistemele de control al iluminatului sunt incluse şi în sistemele convenţionale. Un studiu de monitorizare [44] a energie consumate de iluminatul electric a arătat că încăperea test echipată cu plafon anidolic a utilizat cu 31% mai puţină energie electrică pentru iluminat decât o încăpere standard de referinţă de adâncime obişnuită, fiind de aşteptat economii de energie suplimentare pentru încăperi şi mai adânci. Trebuie subliniat că aceste economii de energie presupun utilizarea unui sistem complet automat de control al iluminatului electric (varierea fluxului precisă în funcţie de aportul de lumină naturală), independent de comportamentul ocupanţilor.

Sisteme avansate de iluminat natural 89 3.3.7 Sisteme cu tuburi de lumină Tubul de lumină reprezintă o sursă secundară care transmite lumina de la sursa primară (naturală sau artificială) într-o anumită încăpere, la un anumit obiectiv sau pe o anumită zonă / suprafaţă (reflectantă sau transmiţătoare) pentru realizarea sistemului de iluminat necesar desfăşurării unei activităţi [15]. Transmiterea luminii se poate realiza fie la capătul tubului de unde aceasta este distribuită şi orientată în funcţie de necesităţile obiectivului, fie pe parcurs prin transfer lateral către obiectivele dorite. Transportul luminii de la un capăt la celălalt al tubului se realizează prin fenomenul de reflexie internă totală (repetată), eficienţa acestui sistem fiind foarte mult influenţată de reflectanţa materialului. Există trei tipuri principale de tuburi de lumină: tubul din aluminiu oglindat; tubul din aluminiu cu filmul optic polimeric 3M montat la interior; tubul flexibil spiralat din aluminiu. Unul dintre avantajele tubului de lumină este transportul exclusiv al radiaţiilor luminoase, fiind un slab conducător de radiaţii din spectrul IR sau UV. De asemenea, nu presupune transportul de energie electrică, putând fi instalat în medii acvatice sau cu risc de explozie. Prin faptul că sursa de lumină se află amplasată la unul din capete, se facilitează foarte mult operaţia de menţinere a sistemului de iluminat, în special pentru spaţiile unde schimbarea lămpilor la sistemele clasice de iluminat este dificil de realizat. Tubul de lumină cu film optic Acest sistem, fabricat de compania 3M, transmite radiaţia luminoasă în interiorul său pe baza reflexiei interne totale (valoarea reflectanţei ajunge la 0,98) produse prin structura filmului optic de 0,5 mm grosime din acril sau policarbonat transparent, care are suprafaţa exterioară prezentând o structură prismatică, necesară reflexiei totale, suprafaţa interioară fiind plană [1]. Filmul optic (figura 3.22) este îmbrăcat de un tub de protecţie de 25 mm diametru ce se montează perfect pe acesta.

Figura 3.22 Structura şi principiul de funcţionare ale filmului optic. Tuburile de lumină produse din filmul optic 3M pot fi folosite atât în iluminatul general, cât şi în iluminatul arhitectural sau publicitar. Datorită structurii sale, filmul optic este reflectant pentru anumite unghiuri de incidenţă şi transmisiv pentru alte unghiuri de incidenţă. Prin utilizarea unei surse de lumină cu o distribuţie a fluxului luminos precis focalizată, lumina poate fi transportată total sau parţial prin reflexie la celălalt capăt, aflat la o distanţă maximă de 20m de sursă. De asemenea, există diverse tehnici de extracţie a luminii de-a lungul tubului care conferă acestui tub o luminanţă scăzută şi uniformă. Structura unui sistem de iluminat cu tuburi de lumină Sistemul de captare a luminii naturale reprezintă unitatea funcţională de cea mai mare importanţă din punct de vedere al cantităţii de lumină naturală captată [86]. Cu ajutorul unei lentile Fresnel, heliostatul este astfel construit încât să urmărească în mod eficient poziţia soarelui pe cer printr-o simplă rotaţie în jurul axului vertical (figura 3.23), dat fiind

90 Capitolul 3

faptul că unghiul de captare al lentilei permite concentrarea luminii solare pentru orice unghi de înălţime solară, specific latitudinii locului unde se realizează montarea acestui sistem.

Figura 3.23 Sistem de captare a luminii solare echipat cu heliostat. Lumina concentrată este apoi reflectată de către o oglindă spre coloana verticală de transport, cât mai aproape de axul vertical al acesteia. Oglinda are o formă specială care permite şi captarea luminii difuze a cerului.

Figura 3.24 Structura unui heliostat pentru captarea luminii naturale. Un avantaj deosebit al sistemelor de iluminat cu tuburi de lumină îl reprezintă posibilitatea realizării unui iluminat natural chiar şi pentru incinte care nu au contact cu spaţiul exterior (cu utilitate importantă în asigurarea eficienţei energetice pentru staţii de metrou, parcări şi pasaje subterane etc.). Pentru realizarea confortului vizual constant, se impune integrarea şi în acest caz a iluminatului natural cu cel electric, prin prevederea unor surse suplimentare de lumină (electrice) pentru compensarea variabilităţii componentei naturale, aşa cum se poate urmări în soluţia prezentată mai jos ca exemplu, realizată la Toronto [63] (figura 3.25). Lumina solară este captată de 8 heliostate (a – cu oglinzi plane) şi apoi focalizată de un sistem de oglinzi parabolice (b – de reflectanţă 0,945 şi rază focală 3 metri), care o reflectă către sistemul de transfer cu tuburi de lumină de transmitanţă 0,985 (e) prin deschideri în plafon (c) şi coturi oglindate (d) situate sub fiecare deschidere. Sistemul de iluminat este de asemenea echipat cu surse de lumină electrice, capabile să compenseze variabilitatea permanentă a luminii naturale. Urmând semnalele provenite de la fotocelulele aflate în deschideri, unitatea de control pune în funcţiune una sau două lămpi cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune cu adaos de halogenuri metalice de 400 W, pentru a suplimenta sau a înlocui iluminatul natural în cazul în care cerul este acoperit sau după lăsarea întunericului. Aceste lămpi sunt situate în punctul d, de fiecare parte a tubului de lumină.

Sisteme avansate de iluminat natural 91

Figura 3.25 Sistem de iluminat integrat echipat cu tuburi de lumină. Un exemplu de sistem de iluminat natural cu transportul luminii este echipamentul „Heliobus”, utilizând un dispozitiv de ghidare a luminii asemănător cu tuburile şi conductele de lumină [3]. Componentele acestui sistem au fost clasificate de Aizenberg ca unitate de captare, sistem de transport şi dispozitiv de distribuţie a luminii. Unitatea de captare era reprezentată de un heliostat format dintr-o oglindă concavă care capta lumina solară şi o reflecta către conducta reflectantă situată mai jos, de secţiune pătrată. Această secţiune prezenta emiţători capabili să permită extragerea şi utilizarea luminii la diverse înălţimi în clădire, la capătul conductei aflându-se un difuzor pentru a emite lumina rămasă. Sistemul conţinea şi trei surse de lumină electrică eficiente pentru compensarea scăderii contribuţiei luminii naturale. Monitorizarea sistemului într-o clădire a arătat faptul că în absenţa luminii electrice, sistemul a produs creşterea nivelului de iluminare de 1,5-3 ori în condiţiile unui consum energetic de 3-4 ori mai scăzut decât o instalaţie electrică clasică. De asemenea, capacitatea sistemului de iluminat electric a scăzut la jumătate. Una dintre provocările determinate de construirea unui sistem de ghidare a luminii naturale este găsirea dispozitivelor corespunzătoare emisiei luminii din interiorul sistemului către zonele de interes. Majoritatea sistemelor sunt echipate cu filme difuzante de extracţie a luminii din interiorul tubului, care trebuie concepute în mod specific pentru fiecare lungime şi diametru de tub de lumină. Un pas ulterior ar putea fi reprezentat de extractoarele cu reglaj dinamic [90]. Într-un sistem de ghidare a luminii, toate extractoarele sunt identice, şi o valvă reglează lumina emisă de fiecare extractor. Valva poate fi reprezentată de o oglindă rotativă, de exemplu reglabilă între 0° (paralelă cu axa longitudinală a tubului) şi 45°. Astfel, cantitatea de lumină emisă poate fi variată după necesităţi. Un astfel de sistem poate fi construit din extractoare similare de-a lungul întregii instalaţii, iar reglarea nivelului de iluminare în fiecare încăpere poate fi cu uşurinţă realizată ulterior. Aceasta va face aceste sisteme mai eficiente şi va determina scăderea costurilor de producere şi de instalare a acestor sisteme. Deşi sistemele prismatice de ghidare a luminii funcţionează bine, ele sunt în principiu mai puţin eficiente decât sistemele simple, convenţionale. Explicaţia este că injectorul de lumină prezintă de regulă o eficienţă similară eficienţei dispozitivelor convenţionale, astfel încât orice ineficienţă a sistemului prismatic de ghidare reprezintă o pierdere netă comparativ cu iluminatul convenţional. Deoarece eficienţele globale tipice ale sistemelor prismatice de ghidare – tuburi de lumină variază între 0,40 şi 0,80 [89], aceste pierderi sunt semnificative şi au limitat gradul de aplicare al acestor sisteme în situaţiile în care avantajele practice ale tubului de lumină sunt din punct de vedere economic mai importante decât aspectul eficienţei energetice.

92 Capitolul 3

Tubul de lumină Sun Pipe Pentru un transport simplu şi eficient al luminii naturale către spaţiul interior, s-au dezvoltat sisteme specifice pentru aplicaţii în acoperiş, cunoscute sub numele de tuburi solare. Un sistem modern, lansat recent de firma Monodraught Ltd. din Marea Britanie, este denumit Super Silver SunPipe şi constă într-un tub oglindat din aluminiu de 0,5mm grosime, impregnat cu argint pur şi stabilizat prin depunere de vapori, având reflectanţa 0,98 [65]. Acest sistem maximizează conceptul de energie recuperabilă prin reflexia şi concentrarea luminii directe solare şi a luminii difuzate de atmosfera terestră, prin intermediul tubului din aluminiu oglindat la interior şi impregnat cu argint pur. Figura 3.26 prezintă schema de transfer al luminii prin tubul solar SunPipe, iar figura 3.27 arată structura de bază a unui sistem destinat montajului la acoperiş înclinat (stânga) şi la acoperiş orizontal (dreapta). În partea superioară a sistemului se află un dom în formă de diamant, fabricat din policarbonat stabilizat UV, montarea acestuia realizându-se etanş, împiedicându-se astfel pătrunderea apei, condensului sau a prafului în tub. Forma de diamant a domului superior este menită să maximizeze transmisia luminii solare şi a luminii difuze a cerului în interiorul

tubului prin prismele plane şi captarea luminii solare dimineaţa devreme şi după-amiaza târziu, prin prismele verticale de pe circumferinţa domului. La nivelul plafonului, un difuzor din policarbonat difuzează uniform lumina naturală în încăpere sau în spaţiul de interes. Acest sistem este extrem de eficient atât în condiţii de cer senin, cât şi pentru cerul acoperit sau chiar atunci când plouă.

Figura 3.27 Structura unui tub solar SunPipe pentru iluminatul natural al spaţiilor interioare.

Figura 3.26 Schema de transfer al luminii prin tubul solar SunPipe.

Sisteme avansate de iluminat natural 93 Tubul oglindat din aluminiu ce stă la baza acestui sistem modern este garantat 25 de ani împotriva decolorării şi o durată de funcţionare estimată la 35 de ani. Tratamentul special, prin stabilizarea stratului de argint pur prin depunere de vapori, şi prezenţa unei substanţe cu rol de absorbţie a radiaţiilor UV, asigură redarea excelentă a culorilor specifică luminii naturale. Există situaţii când se impune diminuarea fluxului luminos emis de tubul solar sau chiar obturarea acestuia, cum este spre exemplu cazul spaţiilor medicale, sălilor de conferinţe, sălilor de clasă sau al unui dormitor. Pentru astfel de cazuri, au fost dezvoltate două metode simple pentru reducerea parţială sau completă a contribuţiei de lumină de la tubul solar (figura 3.28). Un sistem motorizat permite, prin închiderea controlată a unei clapete de obturare, variaţia fluxului luminos conform dorinţelor ocupanţilor. Aceasta poate fi comandată de la un întreruptor sau de la un panou de control pentru reglajul nivelului de iluminare în spaţiul respectiv. Pentru obturarea completă a tubului solar, se poate utiliza un difuzor opac, care se montează manual precum un capac negru peste difuzorul existent la plafon.

Figura 3.28 Variaţia fluxului luminos transportat şi emis de tubul solar SunPipe. Pe timpul serii şi al nopţii, sau atunci când contribuţia de lumină naturală de la soare şi/sau cer scade sub valoarea necesară asigurării nivelului de iluminare dorit în spaţiul interior, se poate pune în funcţiune sistemul de iluminat local electric suplimentar, prevăzut cu o lampă cu incandescenţă cu halogen de 50W, montată în interiorul tubului imediat deasupra nivelului plafonului, şi cu un transformator electronic de 12V capabil să asigure variaţia fină a fluxului luminos al lămpii. De asemenea, în funcţie de specificul fiecărui proiect, sistemul de iluminat electric suplimentar poate fi echipat cu senzori de lumină şi/sau de prezenţă. Concepţia acestui sistem de iluminat a fost realizată astfel încât să nu afecteze transmisia fluxului de lumină naturală în timpul zilei, soclul lămpii şi dispozitivul de prindere al acestuia pe tub fiind fabricate din aluminiu oglindat. Cantitatea de lumină produsă de un tub solar este variabilă, depinzând de tipul de cer (senin sau acoperit), oră, dată, lungimea şi diametrul tubului, condiţii exterioare (prezenţa arborilor sau a clădirilor mai înalte în jur etc). În funcţie de diametru, care variază de la 230mm la 1000mm, tubul solar SunPipe poate asigura un iluminat corespunzător pentru spaţii de la 8 până la 70m2. Pentru secţiuni mai mici, se recomandă o lungime totală a sistemului tubular de 8m, în timp ce pentru secţiunile mai mari se poate ajunge până la 20m lungime. Pierderea de lumină pentru fiecare cot de 30o utilizat a fost estimată la 12%, iar pierderea de lumină de-a lungul tubului este de 6% pentru fiecare metru liniar. Testele efectuate la Building Research Establishment (BRE) de către Dr. Paul Littlefair în toamna anului 2004, în condiţii de cer acoperit şi pentru lumina solară simulată, au arătat o creştere cu 68% a performanţelor luminoase pentru noul tub Super Silver SunPipe în comparaţie cu tubul original din aluminiu anodizat de 300mm diametru [70]. De asemenea, s-a observat un avans de 23% pentru condiţii de cer acoperit în raport cu următorul producător.

Difuzor opac pentru obturarea completă

Sistem motorizat de obturare gradată

94 Capitolul 3

O serie de studii şi cercetări realizate la universităţile din Nottingham, Brunel, Liverpool şi altele au arătat că 99% din radiaţiile UV sunt absorbite de domurile din policarbonat sau acril. De asemenea, radiaţiile IR sunt şi ele absorbite de aceste domuri şi de tubul de aluminiu însuşi, în urma reflexiei repetate de-a lungul acestuia, astfel încât un sistem de iluminat natural realizat cu tubul SunPipe este un bun izolator termic, evitând pierderile de căldură pe timpul iernii şi aporturile termice pe timpul verii [70]. Studiile au arătat că economia de energie ce se poate obţine prin utilizarea tuburilor solare este semnificativă şi depinde de destinaţia clădirii sau a spaţiului iluminat. Spre exemplu, în cazul instituţiilor de învăţământ, aproximativ 70% din energia electrică consumată este utilizată pentru iluminatul electric. Deoarece activitatea în aceste spaţii este predominantă în timpul zilei, rezultă că prin utilizarea tuburilor solare economia de energie este substanţială, ajungându-se chiar la 75% [65]. Difuzorul montat la plafon poate incorpora o sticlă laminată multitrat SoundguardTM, asigurându-se astfel o izolare acustică de 37dB. Tubul solar SunPipe poate fi integrat într-un sistem care să realizeze simultan iluminatul natural şi ventilarea naturală pentru spaţiul interior, contribuind astfel la obţinerea unei economii superioare de energie electrică şi la un confort sporit, atât din punct de vedere luminos, cât şi din punct de vedere aeraulic. Figura 3.29 prezintă schema sistemului integrat de iluminat natural şi ventilare naturală MonoVent [65], în care se poate observa la interior tubul solar SunPipe, iar în jurul acestuia conducta flexibilă de ventilaţie prin care circulă curenţii de aer proaspăt (rece) şi curenţii de aer uzat (cald), pe baza principiului natural al diferenţei de presiune şi/sau temperatură.

Figura 3.29 Principiul de funcţionare a sistemului integrat MonoVent, care realizează simultan iluminatul natural şi ventilarea naturală a spaţiului interior.

Tuburile solare SunPipe cunosc o largă gamă de aplicaţii practice, putând fi instalate cu uşurinţă în spaţii pentru locuit (case, apartamente, hoteluri), instituţii de învăţământ (şcoli, universităţi), birouri, săli de conferinţe, spaţii comerciale, spitale şi centre de sănătate, spaţii industriale, săli de sport etc. De asemenea, se pot monta în orice tip de acoperiş orizontal sau înclinat (din ţiglă, tablă, plăci ondulate etc.).

CC AA PP II TT OO LL UU LL 44

SSiisstteemmee ddee iilluummiinnaatt iinntteerriioorr iinntteeggrraatt nnaattuurraall şşii eelleeccttrriicc

Asigurarea vieţii într-o lume cu resurse naturale finite care cunosc o diminuare rapidă necesită o schimbare fundamentală a modului în care aceste resurse sunt folosite. Utilizarea energiilor neconvenţionale este menită să prevină dispariţia combustibililor fosili şi astfel să diminueze sau să stopeze încălzirea globală a planetei. Lumina naturală permite oamenilor să vadă bine şi să perceapă legătura cu mediul înconjurător [22], iar atunci când trebuie să-şi exprime preferinţa, ocupanţii aleg lumina naturală în defavoarea luminii electrice. Studii îndelungate au descoperit faptul că oamenii preferă parametrii variabili ai luminii naturale şi nu pe cei constanţi asiguraţi de sursele de lumină electrice [7]. Concluziile acestor studii au arătat că o serie largă de probleme de sănătate se pot datora lipsei accesului de lumină naturală de-a lungul zilei în spaţiile interioare. Utilizarea luminii naturale în clădiri este benefică atât pentru confortul ocupanţilor, cât şi pentru creşterea productivităţii, având de asemenea un rol important în efortul de minimizare a impactului activităţilor umane asupra mediului natural prin reducerea consumului de energie electrică pentru iluminat. 4.1 Eficientizarea iluminatului prin utilizarea energiei regenerabile Necesarul de energie determinat de utilizarea luminii electrice este considerabil şi oferă posibilitatea obţinerii de economii de energie semnificative prin utilizarea luminii naturale [61]. O economie de energie suplimentară asociată cu utilizarea luminii naturale constă în reducerea sarcinii de răcire pentru spaţii interioare climatizate. Deoarece eficacitatea luminoasă a luminii naturale este superioară eficacităţii majorităţii surselor de lumină electrice, asigurarea unui anumit nivel de iluminare presupune aporturi termice reduse în spaţiul interior iluminat. În clădiri de birouri iluminate electric, o proporţie considerabilă a căldurii ce trebuie evacuată este generată de sistemul de iluminat, iar economia globală de energie prin utilizarea luminii naturale este semnificativă [19]. Epuizarea rezervei de combustibili fosili a planetei în maxim 30 de ani (conform studiilor efectuate la nivel mondial) impune cu necesitate responsabilizarea fiecăruia dintre noi

96 Capitolul 4

prin reorientarea consumului energetic către sursele regenerabile de energie: energia solară, energia eoliană, hidroenergia, biomasa, energia geotermală. Ca urmare a degajării în atmosferă a unor cantităţi tot mai mari de gaze cu efect de seră (în special CO2) pe care natura nu le mai poate absorbi, schimbările climatice determinate de orientarea defectuoasă a acţiunilor umane ameninţă din ce în ce mai mult echilibrul planetei şi existenţa vieţii pe pământ. Pentru a elimina energetica bazată pe cărbune şi hidrocarburi, principala generatoare de gaze cu efect de seră, se impune stimularea procesului de trecere la surse regenerabile de energie, cerinţă ce se regăseşte şi în prevederile Protocolului de la Kyoto destinat reducerii emisiei de gaze cu efect de seră. La nivelul anului 2002, costul aferent consumului de energie pentru iluminat pe plan mondial totaliza 230 miliarde USD pe an, potrivit unui studiu realizat de Asociaţia Internaţională pentru Eficienţa Energetică în Iluminat [85]. În aceste condiţii, potenţialul de reducere a consumului de energie pentru iluminat, a costurilor asociate şi a emisiilor de gaze cu efect de seră este substanţial. Consumul cel mai mare de energie electrică în iluminat, la nivel mondial, se regăseşte în sectorul servicii (clădiri de birouri, spaţii comerciale, instituţii de învăţământ, spitale etc.), cu o pondere de 48%, fiind urmat de sectorul rezidenţial cu 28%, sectorul industrial cu 16% şi de sectorul rutier (public) şi alte aplicaţii cu 8%. Deşi costul de investiţie al sistemului de iluminat pentru o clădire de birouri este de numai 1-2% din investiţia totală necesară construcţiei, consumul de energie aferent acestui sistem variază între 20% şi 30% din consumul total de energie al clădirii. Prin realizarea de investiţii adecvate, se poate ajunge la o economie de chiar 30-50% din energia electrică consumată pentru iluminat în ţările membre ale Uniunii Europene. Potenţialul de economie energetică pentru iluminat repartizat pe sectoare este de 40-60% pentru sectorul rezidenţial, de 25-40% pentru sectorul servicii, de 15-25% pentru sectorul industrial şi de 25-50% pentru sectorul rutier (public) şi alte aplicaţii [85]. Soluţiile moderne pentru realizarea acestor obiective constau în: • iluminatul natural al spaţiilor interioare • utilizarea surselor regenerabile de energie pentru producerea energiei electrice

necesare iluminatului • integrarea iluminatului electric cu iluminatul natural • utilizarea aparatelor de iluminat cu distribuţia eficientă a fluxului luminos şi randament

luminos ridicat • folosirea lămpilor cu eficacitate luminoasă ridicată şi cu posibilitate de control al

fluxului luminos emis • utilizarea balasturilor electronice • prevederea unor culori deschise pentru suprafeţele reflectante ale încăperilor

iluminate Aspectele naturale ale mediului ambiant şi calităţile unice ale luminii naturale conferă atuuri incontestabile în favoarea introducerii acesteia în clădiri, cu atât mai mult cu cât nu există alternative viabile în sursele electrice de lumină. O sursă nelimitată de energie şi de lumină o constituie soarele, care oferă în mod continuu condiţiile unei ambianţe ideale prin apropierea noastră, a oamenilor, de calităţile mediului natural. Lumina naturală utilizată în iluminatul interior contribuie în mod semnificativ la creşterea calităţii vieţii şi a eficienţei tuturor activităţilor desfăşurate de noi. Gestionarea cantităţii şi calităţii luminii reprezintă aspectul esenţial în realizarea ambianţei luminoase ideale. Energia solară poate fi utilizată în iluminatul interior [84] în primul rând sub forma luminii, care este de două feluri: lumină solară directă şi lumină difuză a cerului (lumina „prelucrată” şi difuzată de atmosfera terestră). Sub această formă, există numeroase metode de utilizare a luminii naturale pentru iluminatul spaţiilor interioare, care reprezintă prima soluţie de eficientizare energetică a iluminatului în clădiri.

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 97 De avantajele energiei solare se poate beneficia şi sub forma conversiei acesteia în energie electrică cu ajutorul ansamblurilor de panouri fotovoltaice. Acestea realizează conversia energiei solare în curent electric continuu, care apoi este transformat în curent electric alternativ prin intermediul unui invertor de curent. Energia electrică astfel obţinută poate fi stocată în ansambluri de baterii sau poate fi introdusă în reţeaua de alimentare cu energie electrică a clădirii, putând fi astfel utilizată la alimentarea sistemelor de iluminat electric. O altă sursă regenerabilă de energie este energia eoliană, care poate fi transformată în curent electric cu ajutorul sistemelor eoliene. Vântul pune în mişcare palele care la rândul lor acţionează generatorul electric. Sistemul mecanic are în componenţă şi un multiplicator de viteză care acţionează direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obţinut este fie transmis spre înmagazinare în baterii şi folosit apoi cu ajutorul unui invertor de curent în cazul turbinelor de mică capacitate, fie introdus în reţeaua de alimentare cu energie electrică a clădirii. 4.2 Menţinerea permanentă a confortului vizual Sistemele de iluminat sunt rareori destinate numai realizării performanţei vizuale, aproape întotdeauna confortul vizual fiind un criteriu esenţial în concepţia acestora. Aspectele care influenţează realizarea confortului vizual nu sunt doar cele referitoare la performanţa vizuală. În timp ce factorii care determină reducerea performanţei vizuale reprezintă aproape întotdeauna şi cauze ale inconfortului vizual, se poate întâmpla ca şi în condiţii de performanţă vizuală ridicată să apară inconfortul vizual. Acest lucru se poate observa din analiza variaţiei performanţei vizuale şi a satisfacţiei vizuale cu creşterea nivelului de iluminare. Astfel, se poate observa creşterea continuă a performanţei vizuale cu nivelul de iluminare, în schimb satisfacţia vizuală, element determinant în realizarea confortului vizual, este mai sensibilă la condiţiile vizuale ale mediului. Un sistem de iluminat conduce la confort vizual atunci când permite o satisfacţie vizuală maximă, ceea ce implică şi o performanţă vizuală ridicată. În timp ce performanţa vizuală este determinată de capacitatea sistemului vizual al observatorilor, confortul vizual este strâns legat de preferinţele acestora. Orice sistem de iluminat care nu răspunde preferinţelor observatorilor este considerat inconfortabil, deşi performanţa vizuală poate fi ridicată. Cum preferinţele pot varia în timp, devine necesar ca sistemele de iluminat să fie flexibile, adaptabile la noile condiţii. De asemenea, condiţiile unui iluminat inconfortabil pot influenţa performanţa sarcinii prin influenţarea motivaţiei observatorului, chiar dacă nu au nici un efect asupra stimulului vizual şi asupra performanţei vizuale. Inconfortul vizual determină o serie de simptome la nivelul organului vizual [45], cum ar fi înroşirea, sensibilitatea crescută, usturimi sau lăcrimări; de asemenea, pot apare şi dureri de cap sau migrene, probleme gastrointestinale sau dureri asociate cu poziţii incorecte. Sistemul vizual este destinat extragerii informaţiei din mediul vizual. Acest proces presupune distingerea informaţiei utile din ansamblul informaţiilor percepute de sistemul vizual. Prin rata informaţiei utile se defineşte raportul dintre informaţia utilă şi informaţia complementară acesteia, extrase din mediul vizual [45]. Condiţiile vizuale care determină scăderea acestei rate, fie prin diminuarea informaţiei utile, fie prin creşterea informaţiei complementare, contribuie la apariţia inconfortului vizual. Orice sarcină vizuală ale cărei caracteristici o situează la nivel de prag (de vizibilitate) prezintă o rată limită a informaţiei utile şi ca urmare o dificultate vizuală crescută. Pentru a scădea din dificultate, sarcina vizuală poate fi adusă mai aproape de organul vizual pentru a-i creşte mărimea percepută.

98 Capitolul 4

Astfel, intervine mecanismul ocular de acomodare vizuală pentru a menţine imaginea sarcinii pe retină, iar această reglare, deoarece poate forţa ochiul să funcţioneze aproape de situaţia limită, este posibil să conducă direct la oboseala muşchilor ochiului şi indirect la oboseala altor muşchi prin adoptarea de către observator a unei poziţii incorecte. Această oboseală musculară poate determina simptome ale inconfortului vizual. Simptomele inconfortului vizual pot apărea şi atunci când nivelul informaţiei complementare celei utile este ridicat (de exemplu, s-a constatat apariţia durerilor de cap şi dificultăţilor de citire pentru o pagină tipărită cu caractere de constrast ridicat) sau când în câmpul vizual se află mai multe semnale puternice disociate. Sistemul vizual uman prezintă un câmp vizual periferic larg în care detectează prezenţa obiectelor, care sunt apoi examinate utilizând vederea foveală, centrală. Astfel, obiectele din zona periferică a câmpului vizual care sunt luminoase, se află în mişcare sau prezintă fenomene de pâlpâire sunt uşor detectate de organul vizual. Dacă aceste obiecte se dovedesc a fi de interes scăzut, ele devin surse permanente de distragere a atenţiei. Ignorarea lor devine stresantă şi poate conduce la apariţia simptomelor inconfortului vizual. O altă situaţie de apariţie a inconfortului vizual este reprezentată de imaginile alternative ale mediului luminos, întâlnite în cazul reflexiei surselor de lumină pe ecranele calculatoarelor. În general confortul vizual poate fi descris prin aspectele legate de redarea corectă a contrastului şi evitarea orbirii, la care se adaugă distribuţia uniformă a iluminării în planul util şi a luminanţelor în câmpul vizual, precum şi echilibrul cromatic al mediului luminos. O serie întreagă de aspecte ale mediului luminos pot contribui la apariţia inconfortului vizual dacă nu sunt tratate şi rezolvate corespunzător. Un nivel de iluminare prea scăzut sau prea ridicat prezintă influenţe negative asupra satisfacţiei vizuale; distribuţia incorectă a fluxului luminos determină o distribuţie neechilibrată a luminanţelor în câmpul vizual, care poate conduce la apariţia orbirii psihologice sau chiar fiziologice, situaţie similară atunci când direcţionarea luminii nu este corectă; culoarea luminii prezintă efecte deosebite asupra confortului vizual. În continuare este analizat confortul vizual din perspectiva integrării iluminatului electric cu cel natural, plecând de la premiza că atât sistemul de iluminat electric, cât şi sistemul de iluminat natural, considerate separat, respectă condiţiile cantitative şi calitative pentru realizarea mediului luminos confortabil. 4.2.1 Necesitatea integrării iluminat natural – iluminat electric În ciuda faptului că evoluţia tehnologică a civilizaţiei umane a condus la apariţia unor activităţi ce trebuie desfăşurate cu preponderenţă în spaţiul interior, se impune totuşi în continuare asigurarea accesului luminii naturale în acest spaţiu, pentru creşterea satisfacţiei ocupanţilor prin efectele pozitive pe care aceasta le prezintă. O serie de studii au analizat efectul luminii naturale asupra performanţei activităţii umane. Spre exemplu, cercetarea realizată de California Board for Energy Efficiency în 1999 asupra a trei şcoli din state diferite (şi cu climă diferită – California, Washington şi Colorado) şi a unui lanţ de 108 centre comerciale, a demonstrat influenţele pozitive ale accesului luminii naturale asupra observatorilor. În primul caz, observatorii au fost aproximativ 21.000 elevi de ciclu primar [23], deoarece monitorizarea rezultatelor acestora era mai exactă şi activitatea lor de învăţământ se desfăşura în aceeaşi sală şi sub îndrumarea aceluiaşi cadru didactic pentru întreaga perioadă. Rezultatele obţinute au arătat că elevii din sălile cu accesul cel mai mare de lumină naturală au progresat cu 20% mai repede la matematică şi cu 26% mai repede la citire într-un an decât cei din sălile cu accesul cel mai mic de lumină naturală; elevii din sălile de clasă cu suprafaţa cea mai mare de ferestre au progresat cu 15% mai repede la matematică şi cu 23% mai repede la citire într-un an decât cei din sălile cu suprafaţa cea

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 99 mai mică de ferestre; elevii din sălile prevăzute cu luminator corect conceput, care difuza lumina naturală uniform în încăpere şi cu posibilitate de control a accesului luminii, au progresat cu 19-20% mai repede decât elevii din săli fără luminator. De asemenea, s-a remarcat şi efectul posibilităţii de deschidere a ferestrelor asupra rezultatelor elevilor: cei din săli cu ferestre care se puteau deschide au progresat în medie cu 7-8% mai repede decât cei din săli cu ferestre fixe, indiferent dacă sălile aveau sau nu instalaţie de climatizare. Explicaţiile pentru aceste rezultate constau într-un nivel de iluminare mai mare ce conduce la o creştere a vizibilităţii sarcinii vizuale, într-o distribuţie mai bună a luminii care, fiind de regulă cu acces lateral, contribuie la creşterea vizibilităţii sarcinilor verticale (panouri, figura umană), într-o redare mai bună a culorilor, o îmbunătăţire a sănătăţii şi a formei, toate aceste aspecte fiind în strânsă legătură cu confortul vizual. Al doilea studiu a analizat cifra de vânzări din 108 centre comerciale similare [24], dintre care două treimi prezentau o structură cu utilizarea luminatoarelor, iluminatul electric fiind realizat cu lămpi fluorescente şi prevăzut cu elemente de control. În condiţiile în care alte variabile, precum programul de lucru, mărimea şi vechimea magazinului, considerente economice ale zonei în care era amplasat, erau menţinute la acelaşi nivel, s-a constatat o creştere medie cu 40% a cifrei de vânzări pentru centrele comerciale prevăzute cu luminatoare. Acest rezultat a fost posibil datorită efectelor pozitive pe care lumina naturală le prezintă asupra psihicului clientului şi vânzătorului, precum şi asupra aspectului produselor. Un alt studiu realizat de Kuller şi Lindsten [53] asupra a 90 de elevi de ciclu primar a arătat variaţii ale comportamentului, sănătăţii şi nivelului de cortizon în funcţie de accesul luminii naturale. Cei 90 de elevi învăţau în patru săli de clasă cu diferite combinaţii de sisteme de iluminat natural şi sisteme de iluminat electrice fluorescente. Elevii din sălile cu iluminat natural prezentau ritmuri comportamentale zilnice şi în funcţie de anotimp, în timp ce elevii din sălile prevăzute numai cu iluminat electric fluorescent (de culoare aparentă neutră-caldă) prezentau stări comportamentale aberante şi niveluri foarte variabile de cortizon. Astfel, lumina naturală prezintă efecte pozitive asupra capacităţii elevilor de a se concentra şi a coopera. Un aspect extrem de important este reprezentat de capacitatea deschiderilor pentru accesul luminii naturale (în special ferestrele) de a asigura comunicarea vizuală a ocupanţilor cu spaţiul exterior. Această preferinţă a fost demonstrată de numeroase studii, dar nu s-a înţeles pe deplin modul în care o fereastră poate asigura o vedere bună şi dacă o vedere bună este necesară. Într-un studiu realizat de Markus [62] asupra a 400 observatori din mai multe clădiri de birouri a arătat că 88% dintre aceştia preferă o vedere panoramică asupra oraşului sau asupra unui peisaj, în timp ce numai 12% sunt mulţumiţi cu o vedere a cerului sau către nivelele inferioare ale clădirilor vecine. De asemenea, s-a constatat şi o dorinţă a observatorilor situaţi la o distanţă relativ mare faţă de ferestre de a se apropia de acestea. Un studiu realizat de Cooper [28] tot asupra unui grup de observatori constituit din funcţionari din clădiri de birouri a arătat că numai 3% din aceştia au simţit că o vedere bună către exterior este cea mai importantă caracteristică a unui mediu de lucru plăcut. Majoritatea a arătat că o vedere bună este aceea în care se pot vedea cât mai multe obiecte situate la distanţă. Variabilitatea luminii naturale s-a dovedit recent că reprezintă un aspect pozitiv pentru organismul uman, atât din punct de vedere fiziologic cât şi psihologic [77]. Prin această variabilitate, lumina naturală capătă un aspect dinamic, schimbându-şi intensitatea (prin urmare nivelul de iluminare pe retină) şi temperatura de culoare pe parcursul ciclului zi-noapte şi conferind mediului luminos o capacitate de stimulare a observatorilor, prin menţinerea creierului în stare activă. Lumina naturală, prin caracterul ei dinamic, creează

100 Capitolul 4

o dimensiune temporală, schimbând nivelul de iluminare al diverselor suprafeţe şi culoarea şi aparenţa mediului, oferind o informaţie indirectă asupra timpului din zi. Deşi rezultatele cercetărilor şi experienţa arată clar avantajele pe care lumina naturală le prezintă, este posibil ca utilizarea necorespunzătoare a acesteia să aibă efecte inverse, contribuind la un mediu luminos dezechilibrat, capabil să producă inconfortul vizual. Pentru evitarea acestei situaţii, este necesară analiza aspectelor cantitative şi calitative ale mediului luminos interior cu referire la accesul luminii naturale. Realizarea unui iluminat exclusiv electric capabil să creeze mediul luminos confortabil nu ridică probleme din cauza aspectului său static. În schimb, lumina naturală prezintă o variabilitate extremă, care trebuie să fie luată în calcul, controlată şi echilibrată atunci când este cazul cu iluminat electric suplimentar. Toate aceste studii arată că lumina naturală creează o stare emoţională pozitivă. Confortul vizual presupune realizarea unui mediu luminos care să asigure parametrii corecţi din punct de vedere luminotehnic, cum ar fi redarea corectă a contrastelor, distribuţia uniformă a luminanţelor, evitarea orbirii sau echilibrul cromatic. Lumina naturală nu determină în mod direct influenţe pozitive asupra confortului vizual, poate mai degrabă efecte negative prin variabilitatea sa dacă aceasta nu este tratată corespunzător. Însă efectele de ordin psihologic pe care aceasta le prezintă asupra omului contribuie la inducerea unei stări sufleteşti pozitive care este în strânsă legătură şi cu confortul vizual. S-a încercat mai sus doar evidenţierea necesităţii prevederii deschiderilor pentru accesul luminii naturale din punct de vedere al asigurării confortului vizual, în condiţiile în care există o preferinţă clară, deşi nu suficient demonstrată teoretic, a observatorilor pentru asigurarea unei vederi către spaţiul exterior şi pentru conştientizarea existenţei unui contact cu exteriorul. Un alt aspect extrem de important al integrării dintre iluminatul natural şi cel electric îl reprezintă îmbunătăţirea eficienţei energetice a clădirilor prin reducerea necesarului de iluminat electric, încălzire şi răcire. Prin implementarea tehnicilor şi sistemelor de iluminat natural avansate, se poate reduce considerabil consumul de energie electrică, concomitent cu o creştere semnificativă a calităţii mediului luminos interior. În continuare se analizează parametrii de confort vizual ai mediului luminos interior integrat în condiţiile variaţiei continue a proprietăţilor luminotehnice ale luminii naturale: nivel de iluminare, luminanţă, direcţia luminii, culoarea luminii. 4.2.2 Parametrii mediului luminos interior integrat Iluminatul corespunzător al unui spaţiu interior nu se poate realiza doar prin utilizarea luminii naturale. Există multe situaţii în care fie contribuţia naturală în interior este prea scăzută şi nu asigură nivelul de iluminare suficient (pe timpul serii sau al nopţii, în zilele cu cer acoperit, iarna etc.), fie contribuţia naturală este prea mare şi trebuie echilibrată, fie variaţia contribuţiei naturale în raport cu adâncimea spaţiului interior este puternic descrescătoare şi deci neuniformă ca nivel de iluminare şi distribuţie a luminanţelor (pentru accesul lateral al luminii naturale). În toate aceste situaţii se impune utilizarea unui iluminat electric suplimentar permanent, menit să funcţioneze continuu astfel încât combinaţia dintre iluminatul natural şi cel electric formează un sistem integrat care oferă un control mult mai bun al confortului vizual decât un iluminat exclusiv natural, mai multă dinamică şi deci mai puţină monotonie decât un iluminat exclusiv electric, un nivel de iluminare adecvat permanent activităţilor şi o ambianţă vizuală plăcută [41]. De asemenea, introducerea sistemului de iluminat electric permanent suplimentar concură şi la reducerea costurilor clădirilor, dacă se analizează corect toate aspectele energetice. Utilizarea iluminatului electric permanent suplimentar trebuie însă prevăzută atunci când sistemele de iluminat natural nu mai pot asigura parametrii necesari de confort vizual. Există o gamă variată de structuri şi tipuri de clădiri care permit un acces mai mare sau

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 101 mai scăzut, mai uniform sau mai puţin uniform al luminii naturale, precum şi o serie de sisteme noi, de înaltă tehnologie, destinate controlului intensităţii şi distribuţiei luminii naturale (de la soare, de la cer, sau ambele componente) în zonele de interes din spaţiul interior pentru a răspunde cerinţelor activităţilor fără apariţia orbirii. Un sistem avansat de iluminat natural distribuie uniform lumina naturală în zonele care altfel ar fi iluminate total electric şi unde în aceste condiţii sistemul de control variază sau reduce fluxul luminos electric ca răspuns la contribuţia componentei naturale. Aceste sisteme avansate de iluminat natural au rolul de a crea un mediu vizual confortabil, estetic, chiar funcţional, şi în care nu se produce orbirea, precum şi de a creşte eficienţa energetică a clădirilor pe care le echipează. Ele presupun şi integrarea unor tehnici avansate de iluminat natural cu iluminatul electric pentru optimizarea distribuţiei luminii în interior, ţinând seama de impactul energetic asupra întregii clădiri, prin reducerea consumului global de energie şi integrarea iluminat natural – iluminat electric – sisteme de control. Aceste lucruri sunt posibile prin înglobarea tehnicilor de ecranare cu reglaj fin sau a tehnologiilor de vitrare de înaltă performanţă care controlează intensitatea şi distribuţia spectrală a radiaţiilor naturale admise în spaţiul interior, minimizând aportul termic în timpul sezonului cald şi pierderile de căldură în timpul sezonului rece. Sistemele de iluminat natural cu acces superior prezintă avantajul de a distribui relativ uniform lumina naturală în planul util (figura 4.1) şi de a permite amplasarea deschiderilor chiar deasupra zonelor de interes. De asemenea, pot reduce probabilitatea apariţiei orbirii relativ uşor, prin menţinerea sursei de lumină naturală în afara direcţiei de privire [69].

Figura 4.1 Distribuţia luminii naturale în planul util pentru câteva tipuri de sisteme cu acces superior. În deschiderile pentru accesul superior al luminii naturale pot fi amplasate aparate de iluminat sau surse de lumină electrice pentru realizarea iluminatului suplimentar permanent (în special pe timpul serii şi al nopţii), având grijă să nu se reducă accesul luminii naturale (în timpul zilei). În funcţie de structură şi tipul de sistem de iluminat natural utilizat, aceste surse de lumină electrice pot fi amplasate astfel încât să asigure şi o mai bună uniformitate a distribuţiei iluminării şi luminanţelor în spaţiul interior. Orbirea este redusă la aceste sisteme prin utilizarea elementelor structurale sau a unei geometrii menite să reducă percepţia vizuală a sursei de lumină pentru diverse direcţii de privire. Inconfortul vizual provocat de contrastul dintre plafon şi deschiderile pentru accesul luminii naturale poate fi eliminat prin diminuarea acestui contrast, dacă se prevăd deschideri largi către exterior sau prin distribuţia luminii către pereţi, coroborate cu o reflectanţă crescută a plafonului care va primi lumina naturală prin interreflexie de la pereţi şi pardoseală. Pentru acest tip de sisteme, orice scădere a nivelului de iluminare naturală sub valoarea iluminării necesare activităţii desfăşurate, poate fi compensată prin utilizarea iluminatului electric suplimentar, printr-un control automat fin (soluţia optimă), ţinându-se seama de adaptarea vizuală umană.

102 Capitolul 4

Avantajul sistemelor de iluminat naturale cu acces lateral, care permit accesul luminii naturale prin suprafeţe vitrate (de regulă) verticale amplasate în pereţii exteriori, îl reprezintă capacitatea de a asigura vederea către exterior şi de a putea ilumina natural toate etajele unei clădiri. Dar prezintă o dificultate sporită în ceea ce priveşte controlul orbirii şi distribuţia uniformă a luminii în interior.

Figura 4.2 Scăderea în adâncime a contribuţiei luminii naturale pentru accesul lateral. Nivelul de iluminare produs de lumina naturală este mare în apropierea ferestrelor şi scade dramatic cu adâncimea încăperii, fiind considerat acceptabil până la adâncimea maximă egală cu de 1,5-2,5 ori înălţimea ferestrei, în funcţie de structura încăperii şi a suprafeţei vitrate [69]. Acest fapt ar impune o înălţime mare a plafonului şi secţiuni înguste ale clădirilor pentru un iluminat aproape în întregime natural, cu deschideri laterale. O posibilitate de a preveni această necesitate este înclinarea plafonului de-a lungul conturului exterior al încăperii pentru a permite accesul mai adânc al luminii naturale (figura 4.2).

Figura 4.3 Exemplu de element de direcţionare a luminii naturale (lightshelf). De asemenea, acest efect de variere a distribuţiei luminii naturale poate fi eliminat prin combinarea luminii provenind din direcţii diferite (opuse de regulă) pentru a echilibra nivelul de iluminare din spaţiul interior, fie prin deschideri laterale diametral opuse, fie prin alimentarea zonelor slab iluminate natural ale încăperilor de pe conturul clădirii dintr-o zonă centrală iluminată natural, structură centrală de tip atrium [15]. Alte soluţii pot fi reprezentate de utilizarea elementelor de direcţionare a luminii naturale către plafon, de unde prin reflexie lumina naturală va fi dirijată mai adânc în încăpere (un exemplu de astfel de sistem este arătat în figura 4.3), sau de utilizarea sistemelor de transport al luminii naturale către zonele de interes (cu tuburi de lumină). Figura 4.4 prezintă o serie de metode pentru prelucrarea şi controlul transferului luminii naturale în clădiri, atât pentru accesul lateral al luminii naturale, cât şi pentru accesul superior al acesteia.

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 103

Figura 4.4 Metode de prelucrare şi control al accesului luminii naturale în clădiri. Dacă structura clădirii nu permite aceste soluţii, atunci trebuie asigurat iluminatul electric suplimentar permanent, capabil să compenseze variaţia luminii naturale în adâncimea încăperii [11] pentru a realiza echilibrul distribuţiei iluminării în planul util şi al distribuţiei luminanţelor în câmpul vizual (figura 4.5).

Figura 4.5 Compensarea distribuţiei neuniforme a luminii naturale (1) cu iluminat electric suplimentar (2), rezultând o distribuţie relativ uniformă a iluminării în planul util (3).

104 Capitolul 4

Iluminatul electric suplimentar permanent, pe lângă faptul că menţine nivelul de iluminare necesar în absenţa luminii naturale, are rolul determinant de a echilibra distribuţia luminanţelor în câmpul vizual. Astfel se poate ajunge la o situaţia paradoxală, ca tocmai atunci când contribuţia naturală este maximă, să fie nevoie de un iluminat electric suplimentar maxim în zona lipsită de acces al luminii naturale, tocmai pentru a echilibra mediul luminos [41, 77]. Această situaţie însă poate fi controlată şi prin sisteme de control al accesului luminii naturale, care pot diminua contribuţia luminii naturale astfel încât să nu se ajungă la un consum exagerat de energie şi de asemenea să nu se influenţeze negativ confortul vizual al ocupanţilor. Astfel, este necesară concepţia integrată a sistemelor de iluminat natural şi electric [41, 44], care să permită analiza deschiderilor pentru accesul luminii naturale nu numai din punct de vedere al fluxului luminos admis, ci şi din punct de vedere al evitării orbirii. Un alt aspect al utilizării iluminatului electric suplimentar este reducerea contrastului de luminanţă dintre mediul luminos interior şi cer, reducând astfel orbirea psihologică şi deci sporind confortul vizual. El trebuie să fie proiectat şi realizat cu circuite distribuite pe zone (sistem de iluminat zonat) care să urmeze zonele de lumină naturală (acele zone caracterizate printr-o valoare relativ constantă a nivelului de iluminare produsă de lumina naturală), deci prin alinierea paralelă a circuitelor sistemului de iluminat electric cu liniile izolux determinate de contribuţia luminii naturale în interior. Se impune o trecere fină de la zonele iluminate natural la cele iluminate electric şi integrarea din punct de vedere al culorii luminii a celor două sisteme de iluminat. Astfel, sunt recomandate [10] sursele de culoare aparentă neutră-caldă sau neutră (3300 – 4000 K) pentru spaţiile cu aport normal sau mare de lumină naturală şi cele de culoare aparentă neutră sau neutră-rece (4000 – 5300 K) pentru spaţiile cu aport mare sau foarte mare de lumină naturală. Sursele de culoare aparentă rece (peste 5300 K) se pot folosi numai pentru spaţiile cu vitrare totală care funcţionează doar în timpul zilei. În figura 4.6 se prezintă o soluţie de integrare a iluminatului natural cu iluminatul electric prin realizarea atât a unei distribuţii directe a fluxului luminos (stânga), cât şi a unei distribuţii indirecte a fluxului luminos (dreapta). Pentru menţinerea confortului vizual, accesul direct al luminii naturale este prelucrat (controlat).

Figura 4.6 Soluţii de sisteme de iluminat interior integrate natural – electric (direct cu prelucrare obligatorie

a accesului luminii naturale, indirect cu prelucrare opţională a accesului luminii naturale).

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 105 Mai sus a fost accentuată ideea menţinerii uniformităţii nivelului de iluminare în planul util şi a distribuţiei luminanţelor în câmpul vizual, precum şi integrarea cromatică a luminii electrice cu cea naturală. O problemă aparte o reprezintă variaţia valorii nivelului de iluminare şi a temperaturii de culoare a luminii naturale. Variabilitatea luminii naturale s-a dovedit că prezintă efecte pozitive la nivelul organismului uman. Întrebarea care se poate pune este dacă şi în interior trebuie prevăzut un nivel de iluminare variabil, care să urmeze evoluţia de-a lungul unei zile a nivelului de iluminare produs de lumina naturală, acelaşi lucru fiind valabil şi pentru temperatura de culoare. O cercetare în această direcţie a fost efectuată de specialiştii de la iGuzzini Illuminazione şi Lighting Research Center – Polytechnic Institute Troy (New York), materializată prin realizarea sistemului de iluminat electric dinamic Sivra [46]. Astfel, ei au arătat creşterea confortului ocupanţilor şi a productivităţii în condiţiile unui iluminat dinamic, produs de o lumină a cărei intensitate (deci nivelul de iluminare în planul util) şi temperatură de culoare variază în timp. Pe de o parte, lumina de o intensitate mare determină un nivel de iluminare mare şi, datorită stopării secreţiei anumitor hormoni (inclusiv melatonina), creşte gradul de atenţie şi de concentrare a observatorului. Pe de altă parte, lumina dinamică respectă un program zilnic cu care organismul este obişnuit din experienţa expunerii la lumina naturală şi prin care se reglează activităţile fiziologice şi mentale ale organismului şi psihicului uman.

Figura 4.7 Aplicaţie a sistemului de iluminat electric dinamic Sivra [46]. Studiile au fost efectuate asupra unui număr de 20 observatori, care au fost expuşi timp de 12 nopţi la patru scenarii luminoase diferite: a – nivel de iluminare constant de 250 lx; b – nivel de iluminare constant de 2800 lx; c – nivel de iluminare crescător de la 200 lx la 2800 lx; d – nivel de iluminare descrescător de la 2800 lx la 200 lx. Prima situaţie corespunde unei valori recomandate a nivelului de iluminare, a doua situaţie corespunde unei valori ridicate a nivelului de iluminare, specifice luminii biologice (cu proprietatea de a menţine activ psihicul uman), în timp ce ultimele două situaţii caracterizează o evoluţie dinamică a nivelului de iluminare. Rezultatele cercetării au arătat că performanţa şi confortul observatorilor au fost mai mari pentru situaţiile de lumină dinamică, iar preferinţa cea mai mare s-a manifestat pentru situaţia d, când nivelul de iluminare are ca valoare iniţială valoarea maximă, specifică luminii biologice. Aceste studii au arătat prin urmare îmbunătăţirea confortului şi performanţei celor care lucrează pe timpul nopţii, putându-se modifica şi alţi parametri ai organismului uman, cum ar fi temperatura corpului, aflaţi în strânsă legătură cu efectele luminii. Extinzând rezultatele acestor cercetări şi asupra activităţii obişnuite din timpul zilei, s-ar putea afirma că organismul uman are nevoie de o lumină dinamică, nu statică, capabilă să determine un mediu luminos atractiv şi stimulant, şi nu monoton. Astfel, dimineaţa

106 Capitolul 4

nivelul de iluminare prezintă o creştere fină către valoarea maximă din jurul prânzului, după care scade spre seară, declanşând secreţia melatoninei, hormon responsabil pentru producerea somnului. Variaţia diurnă a nivelului de iluminare şi a temperaturii de culoare specifică luminii naturale reprezintă condiţiile cărora organismul uman s-a adaptat de-a lungul timpului, şi numai în aceste circumstanţe el poate atinge performanţa şi confortul maxim. Ca atare, şi sistemul de iluminat electric suplimentar permanent trebuie să fie capabil să asigure aceste varieri, dar în măsura în care ele respectă criteriile calitative evidenţiate mai sus. 4.3 Sisteme de control pentru iluminatul interior integrat Strategiile de control pentru iluminatul integrat sunt dezvoltate în două direcţii principale: controlul accesului luminii naturale în interior şi controlul fluxului luminos emis de sursele electrice. Primul aspect este esenţial pentru asigurarea cantităţii şi calităţii luminii naturale în interior, în timp ce al doilea este important pentru economia de energie şi ameliorarea distribuţiei generale a luminii atunci când lumina naturală este insuficientă. Pentru ambele tipuri de sisteme, satisfacţia şi confortul ocupanţilor reprezintă aspecte extrem de importante. Deranjamentele cauzate de sistemul de iluminat, cum ar fi orbirea, reduceri temporare sau schimbări bruşte ale luminanţei sau iluminării, zgomot deranjant produs de echipamentele mecanice, reduc din performanţa sistemului. Totuşi, menţinerea constantă a nivelului de iluminare sau a luminanţei într-un plan de referinţă sau într-un punct din interior prin intermediul mijloacelor de control nu este întotdeauna de dorit şi adesea imposibilă. Iluminarea produsă de lumina cerului este extrem de variabilă în comparaţie cu cea dată de iluminatul electric. Contribuţia luminii cerului variază continuu; aceasta este una dintre deosebirile fundamentale dintre concepţia iluminatului natural şi cea a iluminatului electric. Luminanţa cerului şi iluminarea rezultată variază cu latitudinea, timpul zilei, anotimpul; variaţii aleatorii ale luminanţei cerului rezultă din densitatea şi mişcarea norilor. În spaţii iluminate lateral, iluminarea din punctele din apropierea ferestrelor este rareori mai mult de o zecime din cea exterioară şi considerabil mai mică pe măsură ce distanţa punctului de referinţă faţă de faţadă creşte. Cu toate acestea, contribuţia luminii naturale în interior se dovedeşte utilă pentru mare parte a unui an în iluminatul interior. Iluminatul natural şi sistemele de iluminat natural nu mai pot fi considerate elemente izolate în concepţia unei clădiri. Este necesar ca încă de la început să se ţină seama de implicaţiile şi interacţiunile dintre deciziile luate în concepţia iluminatului natural cu alte criterii de concepţie, cum ar fi consumul de energie (iluminat electric, răcire sau încălzire), pierderi termice sau transmiterea sunetului. Lumina naturală este o sursă dinamică care prezintă variaţii importante în funcţie de anotimp, oră, locaţie, condiţii atmosferice. Drept rezultat, sistemele de control pentru accesul luminii naturale şi pentru iluminatul electric trebuie să adapteze periodic sistemele de iluminat la condiţiile de iluminat variabile. Programul Internaţional CIE de Măsurări asupra Luminii Naturale a înregistrat în întreaga lume valorile iluminărilor globală şi difuză produse de lumina naturală, date ce au fost prelucrate statistic pentru a putea fi implementate în analiza sistemelor de iluminat [50]. A fost dezvoltat un model universal de cer pe baza condiţiilor de lumină naturală de referinţă rezultate din 15 tipuri de cer [51], care permite comparaţii şi caracterizări ale disponibilului de lumină naturală pentru orice locaţie, fie prin analiza datelor măsurate fie prin simularea condiţiilor luminii naturale. Iluminatul electric reprezintă un consum important de energie în clădirile de birouri şi influenţează sarcina termică spaţiului interior. Aporturile termice interioare, provenite de la iluminat, echipamente, ocupanţi, impun o sarcină de răcire pentru mare parte din an în timpul perioadei de ocupare din timpul zilei. Este posibilă conservarea acestei energii

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 107 prin creşterea utilizării de lumină naturală şi a sistemelor de control corespunzătoare, precum şi prin utilizarea sistemelor de control al aportului termic solar. Prin folosirea de lămpi şi echipamente cu eficacitate ridicată şi prin optimizarea eficienţei sistemelor, se va creşte eficienţa sistemelor de iluminat şi se va diminua impacturile ambientale adverse ale generării energiei electrice. Prin utilizarea sistemelor de iluminat natural cu ecranare corespunzătoare şi a sistemelor de control pentru iluminatul electric, se poate creşte substanţial economia de energie, moderându-se în acelaşi sarcina de vârf din clădiri non-rezidenţiale. Pentru a obţine rezultate optime, un spaţiu interior trebuie să fie zonat pentru amplasarea optimă a aparatelor de iluminat şi a senzorilor, paralelă cu deschiderile pentru accesul luminii naturale. Anumite lămpi electrice, ca de exemplu sursele HID – lămpi cu descărcări la înaltă intensitate, nu permit variaţia fluxului luminos sau punerea repetată în funcţiune. De regulă iluminatul fluorescent este echipat cu sisteme de control, dar trebuie acordată atenţie integrării cromatice a acestuia cu lumina naturală. Astfel, sunt recomandate sursele de culoare aparentă neutră-caldă sau neutră (3300 – 4000 K) pentru spaţiile cu aport normal sau mare de lumină naturală şi cele de culoare aparentă neutră sau neutră-rece (4000 – 5300 K) pentru spaţiile cu aport mare sau foarte mare de lumină naturală. Sursele de culoare aparentă rece (peste 5300 K) se pot folosi numai pentru spaţiile cu vitrare totală care funcţionează doar în timpul zilei. Atunci când se utilizează atât lumina naturală, cât şi lumina electrică, trebuie să se minimizeze contrastul de luminanţă dintre zona ferestrei şi restul câmpului vizual. Suprafeţele interioare trebuie să aibă culori deschise pentru a permite interreflexia optimă a luminii, iar în plus trebuie să se acorde atenţie sporită suprafeţelor lucioase sau oglindate, care constituie uneori componente ale sistemului de iluminat natural sau ale sistemului de ecranare, capabile să producă reflexia de oglindă şi astfel orbirea reflectată. 4.3.1 Iluminatul electric Controlul fluxului emis de sistemul de iluminat electric drept răspuns la accesul luminii naturale conduce la creşterea eficienţei şi reducerea consumului de energie de către sistemele de iluminat, încălzire şi sarcină prin scăderea necesarului corespunzător, pentru diverse spaţii interioare. Controlul prin debranşare sau variere a fluxului este în prezent o modalitate standard pentru controlul iluminatului. Au fost dezvoltate metode de estimare a potenţialului energetic şi avantajelor acestor tipuri de control. În ultimii zece ani, utilizarea controlului în iluminatul electric a dovedit un potenţial semnificativ de reducere a energiei electrice pentru iluminat şi de moderare a sarcinii de vârf în clădiri comerciale faţă de sisteme convenţionale fără control. Strategiile de control al iluminatului cuprind varierea automată a fluxului luminos emis de surse ca răspuns la accesul variabil al luminii naturale sau la prezenţa ocupanţilor, realizarea menţinerii fluxului cum ar fi compensarea automată pe timp îndelungat a pierderilor de flux. Totuşi, aceste sisteme s-au dovedit uneori dificil de calibrat sau de comandat în practica actuală. Echipamentele de control ce devin actualmente disponibile oferă soluţii posibile pentru următoarele probleme: monitorizarea energiei consumate de iluminate, posibilităţi facile de variere a fluxului şi abilitatea de răspunde în timp real solicitărilor. Cercetarea realizată cu un sistem avansat de control al iluminatului electric a arătat că sistemele de control în funcţie de accesul luminii naturale pot asigura reduceri de 30-41% ale consumului de energie electrică pentru şirul de aparate de iluminat cel mai apropiat de fereastră şi de 16-22% pentru următorul şir [81]. Odată cu apariţia sistemelor de control de la distanţă rentabile din punct de vedere economic, varierea fluxului luminos de către ocupanţi devine o opţiune eficientă ce s-a dovedit foarte agreată de ocupanţi [47]. Într-un studiu care compară economia de energie şi eficienţa diverselor sisteme de control pentru iluminatul birourilor într-o

108 Capitolul 4

perioadă de şapte luni, s-a observat obţinerea unei economii de 23% pentru o strategie de control cu comutare între două niveluri de iluminare, de 45% pentru strategie de control cu detecţie de prezenţă şi reglarea iluminatului local, de 40% pentru o strategie de control cu detecţie de prezenţă şi variere manuală a fluxului şi de 44% pentru o strategie de control cu detecţie de prezenţă şi variere automată a fluxului luminos. Ultima cifră este scăzută datorită nivelului de iluminare ridicat preferat de ocupanţi [47]. Economia de energie obţinută din detecţia de prezenţă în comparaţie cu cea obţinută prin varierea fluxului luminos depinde în mare măsură de comportamentul ocupanţilor. În birouri cu prezenţă permanentă de-a lungul unei zile, controlul prin varierea fluxului va conduce la o economie mai mare. Sistemele de control al iluminatului natural sunt treptat integrate în sistemul energetic al clădirii. Astfel, cu ajutorul calculatorului, se poate realiza programarea balasturilor de a răspunde printr-un sistem de control centralizat aflat la distanţă. În funcţie de preferinţele ocupanţilor, un sistem programabil ar putea economisi mai multă energie decât unul cu control direct. Un astfel de sistem presupune costuri mai mari pentru cablare şi realizare decât unul cu control direct, dar prezintă avantajul că se pot regla nivelurile de iluminare de la o locaţie aflată la distanţă ca răspuns la cererea unui ocupant. Acest nou domeniu este în prezent cercetat cu intenţis de a se realiza o reţea de comunicaţie a clădirii de cost scăzut, care să permită controlul sarcinilor individuale de iluminat prin intermediul unei reţele existente. O astfel de reţea permite controlul iluminatului la nivel general al clădirii sau în zona de interes a ocupanţilor, asigurând infrastructura hardware şi software pentru controlul şi integrarea majorităţii sistemelor clădirii [81]. Sunt disponibile numeroase sisteme de control al iluminatului electric; acestea sunt cu comandă centrală sau locală. Se poate controla fiecare aparat de iluminat sau întreaga suprafaţă a unei clădiri printr-un sistem centralizat, bazat de regulă pe o singură celulă fotoelectrică, adesea amplasată la nivelul plafonului (sau uneori al peretelui) dintr-o zonă cu suprafaţă extinsă chiar în centrul ansamblului de aparate de iluminat şi este calibrat in situ prin intermediul celulei fotoelectrice şi al dispozitivului de control pentru a menţine nivelul de iluminare necesar. Sistemele de control pot fi reglate la punerea în funcţiune, şi anume intervalul de niveluri de iluminare, în trepte sau cu variaţie continuă a fluxului. Diferite tipuri de sisteme de control pot fi utilizate cu diferite funcţii ale spaţiului: pentru spaţii de circulaţie, este posibil ca un simplu sistem de conectare/deconectare să fie suficient, în timp ce pentru birouri, sistemele cu variaţie fină, continuă a fluxului reprezintă soluţia optimă. În sistemele cu control local, o celulă fotoelectrică determină luminanţa suprafeţei de lucru şi reglează emisia de flux a sursei pentru a menţine nivelul prestabilit. În general, sistemele localizate au performanţe mai bune decât sistemele centralizate. Totuşi, una dintre probleme întâlnite în utilizarea acestor celule fotoelectrice o reprezintă reflexiile, cum se întâmplă în cazul colilor mari de hârtie albă aflate pe suprafaţa de lucru. Această problemă poate fi depăşită printr-o amplasare corectă a celulelor fotoelectrice sau poate fi redusă prin utilizarea celulelor fotoelectrice cu unghi de detecţie larg. Celula fotoelectrică este adesea aflată pe plafon şi este calibrată in situ pentru a menţine un nivel de iluminare constant. Un singur senzor care determină controlul unei arii interioare largi poate cauza probleme dacă anumite zone ale spaţiului interior sunt umbrite de clădiri, copaci sau alte obstrucţii exterioare. S-a arătat faptul că prin utilizarea sistemelor avansate de iluminat natural, un astfel de senzor nu mai creează aceste probleme [59]. La capătul fiecărui circuit se află câte un controller în care a fost implementat un algoritm de procesare a semnalului de la celula fotoelectrică şi de convertire a acestuia în semnal de comandă, primit de unitatea de comandă. Aceasta variază fin sau conectează/ deconectează iluminatul electric. Variaţia fină a fluxului emis de lămpi se produce ca urmare a variaţiei contribuţiei naturale şi induce efecte mai puţin deranjante asupra

Sisteme de iluminat interior integrat natural şi electric 109 ocupanţilor decât conectarea/deconectarea iluminatului electric, dar este recomandată prevederea unui control manual care să poată interveni asupra controlului automat. O problemă întâlnită la celulele fotoelectrice conectate la unităţi de conectare/ deconectare a iluminatului electric o reprezintă conectarea/deconectarea prea deasă atunci când contribuţia luminii naturale fluctuează în jurul valorii critice. Aceasta conduce la inconfortul ocupanţilor şi la reducerea duratei de funcţionare a lămpilor. Diverse tehnici au fost dezvoltate pentru a reduce numărul de conectări/deconectări. Controlul diferenţial presupune utilizarea a două niveluri de iluminare critice, unul (mai ridicat) pentru care iluminatul electric este deconectat şi celălalt (mai coborât) pentru care acesta este conectat. Studii recente au arătat că ocupanţii părăsesc posturile de lucru 30-70% din timpul corespunzător programului de lucru [60]. O estimare a economiei posibile de energie prin controlul iluminatului este de circa 30%, dacă se iau în considerare şi inerţia sistemelor de control cu detecţie de prezenţă. Economia realizată va depinde de natura spaţiului interior şi de numărul de ocupanţi. Detectorii de prezenţă sunt adecvaţi clădirilor în care ocupanţii îşi părăsesc frecvent postul de lucru şi pentru mai mult de câteva minute. Un dezavantaj al unui astfel de sistem este apariţia petelor alternative de lumină şi întuneric, ceea ce conduce la inconfort vizual. Gradul de acceptare şi confortul vizual sunt sporite prin utilizarea sistemelor de control cu diminuare, respectiv creştere fină a fluxului lămpilor din zonele în care ocupanţii părăsesc, respectiv revin la postul de lucru. 4.3.2 Ecranarea luminii naturale Sistemele de ecranare sunt destinate controlului orbirii produse de lumina solară şi/sau de luminanţa cerului, precum şi controlului aportului termic. O serie de astfel de sisteme pot funcţiona separat de sistemele de iluminat natural; altele sunt incluse în sistemele de iluminat natural. O varietate de strategii pot fi utilizate pentru controlul automat al sistemelor de ecranare. De regulă acestea sunt controlate manual. Totuşi, atunci când se prevede doar controlul manual, realizat de ocupanţi, adesea se întâmplă ca sistemele să fie lăsate în poziţia închis, eliminând orice posibil avantaj în ce priveşte iluminatul natural. Sisteme de ecranare exterioare pot fi controlate automat cu ajutorul unei unităţi centrale de control care deschide, înclină sau închide toate dispozitivele de ecranare simultan. De asemenea, se poate estima disponibilul de lumină naturală pentru a determina când este nevoie de ecranare. Sistemele de iluminat natural, electric şi cele de ecranare nu pot fi analizate separat deoarece există relaţii de conexiune clare între acestea: iluminatul natural influenţează utilizarea iluminatului electric şi determină accesul luminii solare şi chiar orbirea. De fapt, iluminatul natural presupune rezolvarea multor probleme legate de aşezarea şi orientarea clădirii, concepţia deschiderilor pentru accesul luminii naturale, concepţia sistemelor de iluminat şi de ecranare, precum şi menţinerea acestora. Rareori deficienţele iluminatului electric sau natural pot fi corectate dacă aceste sisteme nu sunt considerate parte integrantă dintr-un program general de optimizare a energiei. 4.3.3 Preferinţele ocupanţilor Studiile realizate au arătat că sistemele de control manual nu sunt utilizate eficient. Mulţi ocupanţi lasă iluminatul electric pornit deşi contribuţia naturală atinge un nivel considerat suficient pentru a asigura iluminarea recomandată. Deşi majoritatea studiilor au fost concentrate pe economia de energie, un factor extrem de important în alegerea sistemelor de control al iluminatului trebuie să fie îmbunătăţirea confortului vizual.

110 Capitolul 4

Un studiu pilot asupra factorilor umani a arătat că satisfacţia faţă de controlul iluminatului creşte dacă ocupanţii pot opera modificări utilizând dispozitive de control de la distanţă (telecomanda). Astfel, s-a înregistrat varierea fluxului luminos de către ocupanţi mai des decât deconectarea iluminatului, aceste decizii fiind legate predominant de disponibilul de lumină naturală, iar ocupanţii au manifestat preferinţe personale în ce priveşte reglarea sistemelor de control. O evaluare recentă a unei clădiri de birouri din Danemarca [26] s-a bazat pe un chestionar axat asupra luminii de zi, luminii solare şi iluminatului electric şi a arătat că utilizarea iluminatului electric depinde de perioada din an şi de numărul de persoane din birou. Sistemele de control operate de ocupanţi permite acestora să regleze parametrii mediului interior în funcţie de performanţă, activitate şi poziţie. O serie de dispozitive le permit ocupanţilor să controleze nivelul de iluminare dorit, fiind de regulă o telecomandă sau controler montat pe perete care comunică cu balastul electronic de variere a fluxului luminos prin semnale IR sau cabluri. Avantajele sistemelor de control manual şi automat pot fi valorificate la maxim prin combinarea acestora [29]. Studii empirice [43] au arătat că pentru mare parte a timpului, ocupanţii din spaţii cu iluminat natural fără orbire preferă niveluri de iluminare în planul util mai scăzute decât cele prevăzute de sistemele de control automat. Un sistem combinat ce poate fi considerat un pas înainte este integrarea controlului manual al sistemelor de jaluzele destinate optimizării combinaţiei dintre admisia luminii naturale şi controlul orbirii. Sistemul de control ar deconecta iluminatul electric sau ar varia fluxul luminos emis utilizând programul de control în care au fost implementate şi preferinţele ocupanţilor, reactivând iluminatul electric la un semnal de control furnizat de ocupanţi şi lăsând alegerea nivelului de iluminare la latitudinea utilizatorilor [60]. Acest tip de integrare este destinată asigurării calităţii mediului luminos şi încurajării ocupanţilor de a evalua necesarul de iluminat electric suplimentar la intrarea într-un spaţiu interior.

CC AA PP II TT OO LL UU LL 55

SSOOLLUUMM –– ssiisstteemm oorriiggiinnaall ddee iilluummiinnaatt iinntteerriioorr iinntteeggrraatt ccuu ffuunnccţţiioonnaarree ppeerrmmaanneennttăă ppee

bbaazzaa eenneerrggiieeii ssoollaarree Dintre numeroasele tehnici de iluminat natural, numai câteva transmit lumina naturală în spaţii interioare adânci şi încă şi mai puţine sunt capabile să ghideze lumina naturală către spaţii închise care nu au nici o legătură cu exteriorul clădirii. În ultima perioadă s-a încercat din ce în ce mai mult creşterea eficienţei luminoase a sistemelor de transport a luminii naturale; din pricina pierderilor de lumină la ramificaţii, este încă dificilă din punct de vedere tehnologic şi costisitoare din punct de vedere financiar [89] crearea unui sistem ramificat de tuburi de lumină capabil să ilumineze diverse spaţii interioare cu lumină naturală dintr-o conductă principală de alimentare. Sistemul SOLUM reprezintă materializarea unei încercări de a crea o structură de captare şi transport a luminii naturale în interiorul clădirilor prin intermediul unui sistem ramificat de tuburi de lumină, precum şi de integrare cu iluminatul electric. Ca răspuns la cerinţele tot mai stricte de eficientizare energetică a clădirilor, sistemul SOLUM poate fi alimentat de la un ansamblu de baterii solare cuplate la panouri fotovoltaice pentru conversia energiei solare în energie electrică. Beneficiind de performanţele luminoase remarcabile ale tubului de lumină SunPipe produs de firma britanică Monodraught Ltd., sistemul SOLUM realizează captarea şi focalizarea luminii solare directe şi a luminii difuze a cerului pe o conductă verticală de alimentare cu lumină, numită conductă principală. Au fost dezvoltate şi studiate două soluţii de ghidare a luminii naturale în spaţiul interior:

SOLUM SunPipe – conductele secundare amplasate orizontal pentru ghidarea luminii naturale de la conducta principală verticală către spaţiile de interes sunt tuburi solare SunPipe

SOLUM 3M – conductele secundare amplasate orizontal pentru ghidarea luminii naturale de la conducta principală verticală către spaţiile de interes sunt tuburi de lumină 3M

112 Capitolul 5

5.1 Structura sistemului SOLUM Componenta principală a sistemului SOLUM este unitatea de captare a luminii naturale la exteriorul clădirii, reprezentată de domul de captare Diamond Dome (figura 5.1) al sistemului de iluminat natural cu tuburi solare SunPipe, descris în capitolul 4. Acest element de captare a luminii prezintă avantajul de a fi pasiv şi astfel de a nu avea piese în mişcare care să consume energie. Prismele plane şi prismele verticale de pe circumferinţă permit captarea eficientă atât a luminii solare directe, cât şi a luminii difuze a cerului.

Figura 5.1 Diamond Dome – domul de captare a luminii naturale utilizat la sistemul SOLUM. Lumina naturală astfel captată este focalizată către conducta principală de alimentare cu lumină, realizată din tronsoane de tub solar SunPipe, amplasate vertical în continuarea domului de captare Diamond Dome. Din conducta principală pornesc ramificaţii de tuburi orizontale menite să transporte lumina către spaţiile de interes din interiorul clădirii. În conducta principală, deasupra ramificaţiilor, se află montată pe un soclu din aluminiu oglindat o lampă cu halogen 50W alimentată la 12V, menită să realizeze iluminatul electric suplimentar în condiţiile scăderii sau anulării contribuţiei luminii naturale pe timpul serii sau al nopţii.

Figura 5.2 Structura sistemului de iluminat electric suplimentar din componenţa sistemului SOLUM.

Alimentarea cu energie electrică a acestei lămpi (figura 5.2), precum şi a altor lămpi amplasate în conductele secundare orizontale după cum se prezintă în continuare, se realizează de la un ansamblu de baterii solare 3 care stochează energia electrică obţinută prin conversia energiei solare de către un panou fotovoltaic policristalin 1 şi reglarea acesteia prin unitatea de control 2. Sistemul SOLUM este prevăzut cu un sistem de control Philips constând într-un controler Trios 4 şi un senzor de lumină 5, având rolul de a asigura în permanenţă compensarea variabilităţii luminii naturale prin punerea în funcţiune gradată a lămpilor electrice 6.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 113 5.1.1 Structura sistemului SOLUM SunPipe Sistemul SOLUM SunPipe este menit să realizeze simultan iluminatul mai multor spaţii interioare fără conexiune cu exteriorul, inclusiv pentru clădiri multietajate. În figura 5.3 se poate observa structura acestui sistem, bazat pe transferul luminii în întregime realizat cu ajutorul tubului solar SunPipe, caracterizat de o reflectanţă 0,98.

12

85Detaliul A

11

109

7

6

4

3

2

1

Figura 5.3 Sistemul original de iluminat SOLUM SunPipe.

Domul de captare Diamond Dome 1 captează lumina solară şi lumina cerului incidentă în timpul zilei, pe care o focalizează către conducta principală 2 reprezentată de tubul solar SunPipe. De aici, lumina este transportată înspre interiorul clădirii, iar cu ajutorul ramificaţiilor (vezi detaliul A) se realizează transferul luminii spre diverse spaţii de interes prin conductele secundare 5, de asemenea confecţionate din tubul solar SunPipe. Lumina astfel transportată la extremităţile conductelor este difuzată în încăperile iluminate cu ajutorul difuzoarelor 4 şi 8, care emit lumina sub un unghi solid larg, conducând la un iluminat general difuz şi confortabil, fără riscul apariţiei orbirii. Scăderea contribuţiei luminii naturale este sesizată de senzorul 7, care transmite informaţia la controlerul Trios 6, acesta punând gradat în funcţiune lămpile electrice 3 şi 12. Lampa 3 este o lampă incandescentă cu halogen 50W montată pe un soclu oglindat în interiorul tubului solar SunPipe. Lampa 12 poate fi orice lampă electrică şi este montată independent în interiorul spaţiului de interes. Alimentarea cu energie electrică este realizată prin intermediul invertorului de curent 9 de la bateriile solare 10, care stochează energia electrică produsă de panoul fotovoltaic 11 în timpul zilei prin conversia energiei solare. Pe lângă unitatea de captare a luminii naturale şi tubul solar pentru transportul acesteia prin reflexie, ramificaţiile reprezintă elementele cele mai importante ale sistemului SOLUM. Pentru sistemul SOLUM SunPipe, aceste ramificaţii sunt realizate sub forma unor îmbinări T între două tuburi solare SunPipe de diametre diferite. În cazul sistemului analizat, conducta principală de alimentare cu lumină are diametrul 300mm, iar conducta secundară are diametrul 230mm. Structura unei astfel de ramificaţii este prezentată în figura 5.4 de mai jos. Se observă că s-au analizat două modalităţi de realizare a acestor ramificaţii. În prima situaţie (figura 5.4a), conducta secundară porneşte în mod direct din conducta principală, fluxul de lumină colectat fiind produs prin reflexia pe suprafaţa interioară a conductei principale. În cea de-a doua situaţie (figura 5.4b), fluxul de lumină

114 Capitolul 5

colectat de conducta secundară este amplificat prin utilizarea unei oglinzi concave O amplasată la 40 de grade în interiorul conductei principale. Fiind confecţionată din tub solar, această oglindă are de asemenea reflectanţa 0,98.

b.a.

SunPipe 230mm

SunPipe 300mm

SunPipe 230mm

SunPipe 300mm

O

Figura 5.4 Detaliul A ilustrând ramificaţia tip T la sistemul SOLUM SunPipe. Figura 5.5 prezintă două imagini ale acestui sistem în care se observă ramificaţia tip T dintre cele două conducte principală şi secundară realizate din tubul solar SunPipe, incluzând oglinda O. În partea stângă sistemul este alimentat cu lumină naturală, iar în partea dreaptă se prezintă situaţia de seară, când sistemul este alimentat cu lumină electrică de la lampa incandescentă cu halogen montată în conducta principală.

Figura 5.5 Imagini ale ramificaţiei T în cazul sistemului SOLUM SunPipe.

5.1.2 Structura sistemului SOLUM 3M Sistemul SOLUM 3M este menit să realizeze simultan iluminatul mai multor spaţii interioare fără conexiune cu exteriorul, inclusiv pentru clădiri multietajate. În figura 5.6 se poate observa structura acestui sistem, bazat pe transferul luminii cu ajutorul tubului solar SunPipe drept conductă principală şi cu ajutorul tubului de lumină 3M ca şi conductă secundară orizontală, ambele caracterizate de o reflectanţă 0,98.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 115 Domul de captare Diamond Dome 1 captează lumina solară şi lumina cerului incidentă în timpul zilei, pe care o focalizează către conducta principală 2 reprezentată de tubul solar SunPipe. De aici, lumina este transportată înspre interiorul clădirii, iar cu ajutorul ramificaţiilor (vezi detaliul B) se realizează transferul luminii spre diverse spaţii de interes prin conductele secundare 5, reprezentate de tubul de lumină 3M.

5Detaliul B

11

109

7

6

8

4

3

2

1

Figura 5.6 Sistemul original de iluminat SOLUM 3M. Lumina astfel transportată la extremitatea conductei principale este difuzată în încăperea iluminată cu ajutorul difuzorului 4, care emite lumina sub un unghi solid larg, conducând la un iluminat general difuz şi confortabil, fără riscul apariţiei orbirii. Tubul de lumină 3M 5 realizează de asemenea un iluminat difuz prin transferul lateral al luminii transportate. Scăderea contribuţiei luminii naturale este sesizată de senzorul 7, care transmite informaţia la controlerul Trios 6, acesta punând gradat în funcţiune lămpile electrice 3 şi 8. Lampa 3 este o lampă incandescentă cu halogen 50W montată pe un soclu oglindat în interiorul tubului solar SunPipe. Lampa 8 este un proiector punctual Philips Fugato Mini QBS 570 echipat cu o lampă cu halogen 50W, montat la capătul diametral opus zonei de alimentare cu lumină naturală din tubul de lumină 3M. Alimentarea cu energie electrică este realizată prin intermediul invertorului de curent 9 de la bateriile solare 10, care stochează energia electrică produsă de panoul fotovoltaic 11 în timpul zilei prin conversia energiei solare. Pe lângă unitatea de captare a luminii naturale şi tubul solar pentru transportul acesteia prin reflexie, ramificaţiile reprezintă elementele cele mai importante ale sistemului SOLUM. Pentru sistemul SOLUM 3M, aceste ramificaţii sunt realizate sub forma unor îmbinări T între tubul solar SunPipe al conductei principale şi tubul de lumină 3M. În cazul sistemului analizat, conducta principală de alimentare cu lumină este un sistem SunPipe cu diametrul 300mm, iar conducta secundară este un tub de lumină 3M cu diametrul 10mm. Structura acestei ramificaţii este prezentată în figura 5.7 de mai jos. Lentila Fresnel 1 realizează polarizarea razelor de lumină reflectate de tubul solar dinspre domul de captare, în aşa fel încât direcţia lor de propagare să fie verticală. Această lentilă fabricată din acril optic are diametrul de 260mm, o grosime de 2mm şi raza focală de 200mm. O parte din razele de lumină astfel polarizate sunt incidente pe lentila Fresnel 2 fabricată din PVC optic, având dimensiunile 52mm x 82mm, grosimea 0,4mm şi raza focală 160mm, menită să focalizeze fasciculul luminos către oglinda circulară 3 cu diametrul 70mm, confecţionată din tub solar.

116 Capitolul 5

Poziţia acestor elemente optice a fost în aşa fel calculată, încât să maximizeze fluxul luminos direcţionat către conducta secundară 4, care este în plus amplificat şi prin prevederea unei extremităţi rotunjite care pătrunde în tubul solar (4) şi care are rolul de a capta prin reflexie pe filmul optic mai multă lumină.

4

3

1

3M OLF Light-Pipe 100mm

SunPipe 300mm

2

Figura 5.7 Detaliul B ilustrând ramificaţia tip T la sistemul SOLUM 3M.

Figura 5.8 prezintă câteva imagini ale ramificaţiei T, iar figura 5.9 arată o aplicaţie a sistemului SOLUM 3M în care se observă iluminatul difuz realizat prin transferul lateral al luminii prin tuburile de lumină 3M atât în timpul zilei, cât şi în timpul serii/nopţii când tubul de lumină este alimentat de la ambele capete cu lumină produsă de lămpi incandescente cu halogen.

Figura 5.8 Imagini ale ramificaţiei T în cazul sistemului SOLUM 3M.

Se remarcă fluxul mare de lumină la intrarea din conducta principală în conductele secundare şi diminuarea treptată a distribuţiei laterale prin tubul de lumină 3M, pe măsura apropierii de extremitatea diametral opusă, unde lampa incandescentă cu halogen este montată pentru alimentarea cu lumină a sistemului pe timpul serii/nopţii. Tronsoanele de tub de lumină 3M utilizate au lungimea de 2m fiecare şi pot fi cu uşurinţă asimilate unor lămpi tubulare cu descărcări în vapori de mercur la joasă presiune.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 117 Această structură este întâlnită şi la situaţia analizată cu două tuburi de lumină 3M alimentate cu lumină naturală de la aceeaşi conductă principală SunPipe, cele două tuburi 3M fiind amplasate la acelaşi nivel, după două direcţii perpendiculare între ele.

Figura 5.9 Imagini ale sistemului SOLUM 3M cu una şi două conducte secundare de transfer al luminii către spaţiile adiacente conductei principale de alimentare cu lumină (dreapta-sus: situaţia de seară cu

alimentarea tubului 3M cu lumină electrică de la ambele capete; stânga-sus: situaţia de zi cu un singur tub 3M, stânga-jos şi dreapta-jos: situaţia de zi cu două tuburi 3M alimentate din aceeaşi conductă principală). 5.2 Măsurarea performanţelor luminoase ale sistemului SOLUM În faza iniţială a măsurărilor, s-a studiat performanţa luminoasă a sistemului SOLUM echipat cu tubul de lumină 3M, în încercarea de a oferi o alternativă viabilă pe timpul zilei la sistemele de iluminat electrice în încăperi fără deschideri către exterior. Aşa cum se poate observa din cele ce urmează, în cazul sistemului propus de captare şi direcţionare a luminii naturale de la conducta principală la conducta secundară, nivelul de iluminare produs în interior de tubul de lumină 3M prin transferul lateral al luminii este destul de redus, ceea ce nu permite utilizarea sa în această structură în iluminatul interior funcţional. Soluţii ulterioare ar putea consta în utilizarea de tuburi de lumină 3M cu transfer lateral superior. În schimb, tubul de lumină 3M utilizat a transportat un flux superior de lumină naturală la extremitatea liberă (opusă ramificaţiei), ceea ce demonstrează eficienţa ansamblului optic de colectare şi ghidare a luminii naturale provenite prin conducta principală verticală către conducta secundară, reprezentată de tubul de lumină 3M. În partea a doua a etapei măsurărilor, s-a analizat performanţa luminoasă a sistemului SOLUM SunPipe, în care atât conducta secundară, cât şi conducta principală au fost reprezentate de tuburi solare SunPipe. Acestea nu permit transferul lateral al luminii, dar aşa cum arată valorile măsurate, ele prezintă o capacitate superioară de transport al

118 Capitolul 5

luminii şi facilitatea de a o difuza uniform în spaţiile interioare fără deschideri spre exterior prin intermediul difuzoarelor luminoase ce se montează la extremitatea liberă. De asemenea, tuburile solare SunPipe prezintă avantajul că pot urma trasee diverse prin clădire, datorită posibilităţii de a monta coturi de 30 şi de 45 grade, realizate din acelaşi material foarte reflectant. Măsurarea nivelului de iluminare în diversele situaţii analizate a fost realizată cu un luxmetru VEMER VE 102 L având o precizie specifică de ± 5%. 5.2.1 Măsurarea transferului de lumină prin conducta principală Estimarea potenţialului de transfer al luminii naturale prin conducta principală de alimentare cu lumină a sistemului SOLUM s-a bazat pe măsurarea valorilor iluminării orizontale şi verticale în tubul solar SunPipe 300mm diametru, la diferite distanţe faţă de domul de captare. Pe baza acestor valori, au fost propuse o serie de legi de recurenţă a iluminării cu ajutorul cărora s-a realizat un program de calcul pentru dimensionarea sistemului SOLUM pentru diverse aplicaţii, în funcţie de iluminarea exterioară orizontală. Iluminarea orizontală a fost măsurată în axul tubului solar, iar iluminarea verticală a fost măsurată pe peretele tubului solar, pentru a da informaţii asupra disponibilului de lumină la intrarea în conductele secundare de transport a luminii către încăperile interioare. Iniţial, tubul solar SunPipe 300mm diametru a fost alimentat cu lumină electrică produsă de o lampă cu incandescenţă de 75W montată la un capăt al tubului, amplasat vertical. Iluminarea orizontală în axul tubului solar măsurată la distanţa L=23cm de la planul orizontal conţinând baza soclului lămpii a fost considerată ca şi iluminarea iniţială E0. Tabelul 5.1 prezintă valorile medii ale iluminării orizontale Eh,l şi verticale Ev,l măsurate la distanţa l faţă de planul în care a fost măsurată iluminarea iniţială E0, unde ∆Eh şi ∆Ev reprezintă diferenţele de iluminare E0 – Eh,l şi E0 – Ev,l respectiv.

Iluminarea orizontală în axul tubului solar L l Eh,l ∆Eh

23 cm 0 cm 31.500 lx 0 lx 33 cm 10 cm 29.533 lx 1.967 lx 43 cm 20 cm 28.467 lx 3.033 lx 53 cm 30 cm 27.733 lx 3.767 lx 63 cm 40 cm 25.833 lx 5.667 lx 73 cm 50 cm 24.333 lx 7.167 lx Iluminarea verticală pe peretele interior L l Ev,l ∆Ev

23 cm 0 cm 12.000 lx 19.500 lx 33 cm 10 cm 9.750 lx 21.750 lx 43 cm 20 cm 8.850 lx 22.650 lx 53 cm 30 cm 8.425 lx 23.075 lx 63 cm 40 cm 8.150 lx 23.350 lx 73 cm 50 cm 7.875 lx 23.625 lx

Tabelul 5.1 Iluminarea orizontală şi iluminarea verticală produse în tubul solar SunPipe 300mm diametru de o lampă cu incandescenţă de 75W.

Pentru a se vedea efectul de amplificare a luminii de către tubul solar SunPipe, tabelul 5.2 prezintă valorile măsurate ale iluminării orizontale Eh,l,inc produse de aceeaşi lampă la aceleaşi distanţe ca şi mai sus, dar în absenţa tubului solar. AF este factorul de amplificare specific tubului solar SunPipe 300mm diametru, dat de raportul Eh,l / Eh,l,inc. Capacitatea de transport a luminii naturale prin tubul solar SunPipe a fost analizată prin măsurarea iluminării orizontale în axul tubului şi a iluminării verticale pe peretele interior, pentru diverse valori ale iluminării orizontale exterioare Eext produse de lumina naturală.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 119 Rezultatele acestor măsurări sunt prezentate în tabelul 5.3, unde l reprezintă distanţa de la domul de captare a luminii naturale pe acoperiş până la punctele de măsură.

L l Eh,l,inc AF 23 cm 0 cm 5.600 lx 5,63 33 cm 10 cm 2.250 lx 13,13 43 cm 20 cm 1.380 lx 20,63 53 cm 30 cm 950 lx 29,19 63 cm 40 cm 730 lx 35,39 73 cm 50 cm 520 lx 46,79

Tabelul 5.2 Iluminarea orizontală produsă în aer de lampa cu incandescenţă de 75W.

Iluminarea orizontală în axul tubului solar

Eext [lx] l [cm] Eh,l [lx] ∆Eh [lx] Eext [lx] l [cm] Eh,l [lx] ∆Eh [lx] 85 58.300 26.700 85 34.300 15.700

270 27.100 57.900 270 16.000 34.000 300 23.000 62.000 300 13.600 36.400 330 21.600 63.400 330 12.700 37.300 342 20.900 64.100 342 12.300 37.700 352 19.700 65.300 352 11.600 38.400

85.000

378 17.500 67.500

50.000

378 10.300 39.700 Eext [lx] l [cm] Eh,l [lx] ∆Eh [lx] Eext [lx] l [cm] Eh,l [lx] ∆Eh [lx]

85 91.200 13.800 85 17.100 7.900 270 57.400 47.600 270 7.900 17.100 300 49.100 55.900 300 6.700 18.300 330 43.700 61.300 330 6.300 18.700 342 38.500 66.500 342 5.900 19.100 352 35.300 69.700 352 5.700 19.300

105.000

378 29.600 75.400

25.000

378 5.200 19.800 Iluminarea verticală pe peretele interior

Eext [lx] l [cm] Ev,l [lx] ∆Ev [lx] Eext [lx] l [cm] Ev,l [lx] ∆Ev [lx] 85 33.800 51.200 85 19.800 30.200

270 17.500 67.500 270 10.300 39.700 300 15.200 69.800 300 8.900 41.100 330 11.000 74.000 330 6.500 43.500 342 9.700 75.300 342 5.700 44.300 352 8.800 76.200 352 5.200 44.800

85.000

378 6.900 78.100

50.000

378 4.100 45.900 Eext [lx] l [cm] Ev,l [lx] ∆Ev [lx] Eext [lx] l [cm] Ev,l [lx] ∆Ev [lx]

85 41.800 63.200 85 9.900 15.100 270 21.700 83.300 270 5.200 19.800 300 18.800 86.200 300 4.400 20.600 330 13.600 91.400 330 3.200 21.800 342 11.900 93.100 342 2.800 22.200 352 10.800 94.200 352 2.600 22.400

105.000

378 8.500 96.500

25.000

378 2.100 22.900

Tabelul 5.3 Iluminarea naturală orizontală şi verticală în tubul solar SunPipe 300mm diametru. Se defineşte factorul de transport al luminii naturale pentru tubul solar SunPipe DFT ca fiind procentul de iluminare naturală disponibilă într-un punct din interiorul tubului solar raportat la iluminarea exterioară orizontală în planul domului de captare. Astfel, se introduc DFTh,l şi DFTv,l factorii de transport al luminii naturale orizontal şi vertical corespunzători iluminării orizontale, respectiv verticale, la distanţa l de planul domului de captare:

120 Capitolul 5

%100,, ⋅=

ext

lhlh E

EDFT şi %100,

, ⋅=ext

lvlv E

EDFT (5.1)

Figura 5.10 prezintă variaţia acestor factori de transport al luminii naturale cu lungimea tubului solar SunPipe pentru iluminările exterioare la care s-au efectuat măsurările (s-au calculat valorile medii).

40

2118

13 11 10

8

38

3229

27 2623

73

0

10

20

30

40

50

60

70

80

85 270 300 330 342 352 378

Lungimea tubului solar SunPipe (cm)

Fact

orul

de

tran

spor

t (%

)

DFT h,l

DFT v,l

Figura 5.10 Variaţia factorului de transport al luminii naturale cu lungimea tubului solar SunPipe 300mm.

5.2.2 Măsurarea nivelului de iluminare pe planul util Contribuţia luminii naturale pe planul util a fost determinată prin măsurarea nivelului de iluminare într-o reţea de puncte de măsură situată la înălţimea de 0,8m de la pardoseală şi la 1,5m distanţă de planul difuzorului luminos al sistemului SunPipe montat la plafonul încăperii studiate. Sistemul SunPipe folosit la aceste măsuri are diametrul de 300mm, lungimea de 3m şi este prevăzut cu un cot de 30 grade. Prin măsurarea iluminării orizontale deasupra şi la nivelul difuzorului de plafon al sistemului SunPipe 300mm diametru, a fost determinată transmitanţa acestuia, a cărei valoare medie este de 0,75. Pentru simplificarea modelării nivelului de iluminare în planul util s-a considerat că difuzorul luminos de plafon al sistemului SunPipe are o suprafaţă perfect difuzantă cu o luminanţă constantă pentru orice direcţie a razelor de lumină. În figura 5.11 se prezintă valorile măsurate ale iluminărilor punctuale pentru diverse valori ale iluminării exterioare orizontale, iar figura 5.12 arată distribuţia factorului de lumină de zi pentru sistemul SunPipe 300mm diametru pe planul util descris anterior. 5.2.3 Măsurarea transferului de lumină la sistemul SOLUM SunPipe În cadrul acestei etape a măsurărilor, s-a analizat transferul de lumină în cadrul sistemului ramificat de tuburi solare SunPipe, atât în cadrul conductei principale de alimentare cu lumină, cât şi pe conducta secundară orizontală. Astfel, pentru diverse condiţii de iluminare la exterior a fost măsurată iluminarea orizontală şi verticală în mai multe puncte ale ramificaţiei, precizate în figura 5.13, precum şi la ieşirea din cele două conducte, oferindu-se astfel informaţii asupra randamentului luminos al ramificaţiei sistemului SOLUM SunPipe.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 121

-240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240[cm]

600-800

400-600

200-400

0-200

Eext = 130 klx

-240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240[cm]

300-400

200-300

100-200

0-100

Eext = 105 klx

-240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240[cm]

300-400

200-300

100-200

0-100

Eext = 50 klx

122 Capitolul 5

-240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240[cm]

60-80

40-60

20-40

0-20

Eext = 12,5 klx

Figura 5.11 Distribuţia nivelului de iluminare măsurat pe planul util pentru diverse valori ale iluminării

exterioare orizontale la nivelul domului de captare al sistemului SunPipe 300mm diametru.

-240 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 200 240

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

[%]

[cm]

0,50-0,60

0,40-0,50

0,30-0,40

0,20-0,30

0,10-0,20

0,00-0,10

Figura 5.12 Distribuţia factorului de lumină de zi mediu la sistemul SunPipe 300mm de 3m lungime.

Din valorile prezentate mai jos, se remarcă apariţia unui factor de pierdere a luminii în conducta principală datorat prezenţei ramificaţiei, dar şi amplificarea transferului de lumină în condiţiile utilizării unei oglinzi. Dacă f este fracţiunea din fluxul de lumină transportat de conducta principală care este transmisă mai departe pe această conductă după ieşirea din ramificaţia cu conducta secundară orizontală în absenţa oglinzii, aceasta poate fi calculată astfel:

81,030020700

23053001111

7 =⋅

⋅−=

⋅⋅

−=ϕϕ

−=ϕ

ϕ−ϕ=

SPh

bv

h

b

h

bh

SESEf

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 123 Dacă se analizează această fracţiune pentru situaţia în care în interiorul ramificaţiei se montează oglinda, atunci ea devine:

74,030024000

23081001111

7 =⋅

⋅−=

⋅⋅

−=ϕϕ

−=ϕ

ϕ−ϕ=

SPh

bv

h

b

h

bh

SESEf

Cu alte cuvinte, se poate afirma că pierderea de lumină în conducta principală la fiecare ramificaţie este de 19% pentru sistemul SOLUM SunPipe fără oglindă şi de 26% pentru sistemul SOLUM SunPipe cu oglindă.

27cm

5

4

12

δ=37cm

δ=27cm

11109

6

7

83

2

1δ=17cm

SunPipe 230mm

SunPipe 300mm

50cm

50cm

Figura 5.13 Punctele de măsură a iluminării pentru ramificaţia sistemului SOLUM SunPipe.

SOLUM SunPipe fără oglindă

Eext E1h E2h E3h E4h E5h E6v E7v E8v E9v E10v E11v E12v85000 - - - - - - 8600 - 8400 9100 8900 - 75000 - - - 31400 1800 - 20000 - - - 16100 400Electric 20700 18600 16100 - - 6500 5300 4500 5200 4950 5200 -

SOLUM SunPipe cu oglindă Eext E1h E2h E3h E4h E5h E6v E7v E8v E9v E10v E11v E12v

85000 - - - - - - 13000 - 13300 14800 13700 15080000h - - - 19000 1200 - - - - - 13000 53058000 - - - 12500 820 - - - - - 11600 460Noapte - - - 3400 150 - - - - - 3000 70 Electric 24000 - 10800 - - - 8100 - 9800 8500 8000 -

Tabelul 5.4 Valorile iluminării [lx] în punctele de măsură pentru diferite scenarii luminoase. Termenul

„electric” în coloana iluminării exterioare se referă la situaţia în care transferul luminii prin ramificaţie a fost analizat în conexiune cu transferul luminii prin tubul solar SunPipe de la lampa incandescentă cu halogen.

124 Capitolul 5

Factorul de amplificare a fluxului de lumină transportat de conducta secundară orizontală atunci când se montează oglinda în interiorul ramificaţiei se calculează cu ajutorul iluminării verticale în raport cu situaţia fără oglindă, având valoarea de 1,52. Valorile măsurate ale iluminării orizontale şi verticale, prezentate în subcapitolele 5.2.1 şi 5.2.3 stau la baza ecuaţiilor de modelare a transferului de lumină prin sistemul SOLUM. Acestea vor fi implementate într-un program de calcul capabil să ofere informaţii asupra lungimii maxime pe care un sistem SOLUM SunPipe o poate avea pentru a putea transfera la extremitatea sa fluxul de lumină necesar. 5.2.4 Măsurarea transferului de lumină la sistemul SOLUM 3M Au fost studiate mai multe variante constructive ale sistemului SOLUM în care conducta secundară de transfer a luminii a fost reprezentată de tubul lumină 3M. Iniţial s-a măsurat transferul luminii prin tubul de lumină 3M de lungime 2m şi diametru 10cm montat direct în deschiderea practicată în tubul solar SunPipe, alimentarea cu lumină făcându-se atât cu sistemul optic descris la subcapitolul 5.1.2, cât şi în absenţa acestuia direct prin reflexie de la suprafaţa interioară a tubului solar SunPipe. Ulterior, s-a introdus tubul de lumină 3M cu capătul tăiat rotund 10cm înspre axul tubului solar SunPipe pentru a capta mai multă lumină ce va fi apoi reflectată înspre interiorul tubului de lumină 3M.

2

109

876

54

1

150c

m27

cm

200cm 50cm

3 3M Light-Pipe 100mm

SunPipe 300mm

Figura 5.14 Punctele de măsură a iluminării pentru sistemul SOLUM 3M.

În tabelul 5.5 se prezintă care au fost valorile măsurate ale iluminării orizontale şi verticale pentru diverse scenarii luminoase, în punctele de măsură amplasate conform figurii 5.14. Pentru ultima variantă constructivă analizată, cele două tuburi de lumină 3M utilizate, împreună cu dispozitivele optice corespondente de focalizare şi direcţionare a luminii, au fost amplasate după două direcţii perpendiculare, aşa cum se remarcă în vederea plană din figura 5.15.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 125

SOLUM cu un tub de lumină 3M montat în deschiderea tubului solar SunPipe Eext E1h E2h E3h E4 E5v E6v E7v E8v E9v E10v Observaţii

9500 4200 39 - - 2500 280 10 7 840 16 Fără oglindă9500 3200 35 - 3300 2700 186 5 4 860 21 Cu oglindă

39500 5800 60 - - 3100 490 15 12 900 20 Fără oglindă39500 4950 53 - 4200 3300 465 15 12 1050 32 Cu oglindă 61000 21800 123 - - 14800 1660 49 33 3800 69 Fără oglindă69000 27000 125 - 24000 17000 1560 56 35 6000 227 Cu oglindă

108000 47000 510 - - 19000 5300 73 52 5800 98 Fără oglindă108000 44500 400 - 54000 26000 4500 92 60 8200 680 Cu oglindă

SOLUM cu un tub de lumină 3M cu capăt tăiat rotund introdus în tubul solar SunPipe Eext E1h E2h E3h E4 E5v E6v E7v E8v E9v E10v Observaţii

99000 19300 180 - - 15000 - - - 3700 130 Fără oglindă99000 18500 160 - 23500 19500 - - - 7500 170 Cu oglindă SOLUM cu 2 tuburi de lumină 3M cu capăt tăiat rotund introdus în tubul solar SunPipe Eext E1h E2h E3h E4 E5v E6v E7v E8v E9v E10v Observaţii

38000 35000 33000 - - - 9900 300 Tubul 3M - 1108000 26000 300 31000 31000 30000 - - - 10000 230 Tubul 3M - 2

Tabelul 5.5 Valorile iluminării [lx] în punctele de măsură pentru diferite scenarii luminoase şi variante constructive ale sistemului SOLUM 3M.

Din analiza datelor măsurate şi prezentate în tabelul de mai sus, se pot trage următoarele concluzii: • utilizarea dispozitivului optic de lentile şi oglindă pentru direcţionarea luminii din

conducta principală către tubul de lumină 3M conduce la o creştere de 20% a fluxului de lumină transportat prin conducta secundară

• utilizarea dispozitivului optic de lentile şi oglindă pentru direcţionarea luminii din conducta principală către tubul de lumină 3M conduce la o scădere de 17% a fluxului de lumină transportat mai jos prin conducta principală; cu alte cuvinte pierderea de lumină determinată de o astfel de ramificaţie este de 17%

3M L

ight

-Pip

e 10

0mm

3M Light-Pipe 100mmMonodraught SunPipe 300mm

Figura 5.15 Modul de amplasare a celor două tuburi de lumină 3M utilizate la sistemul SOLUM 3M.

126 Capitolul 5

În absenţa luminii naturale, sistemul SOLUM 3M devine un sistem de iluminat electric, în care lumina este produsă de lămpile cu halogen instalate în interiorul tubului solar SunPipe deasupra dispozitivului optic de focalizare şi direcţionare a luminii şi respectiv la capătul liber al tubului de lumină 3M. În acest mod, tubul de lumină 3M este alimentat cu lumină electrică de la ambele capete ale sale. Valorile măsurate ale iluminării obţinute pe planul util de la sistemul SOLUM 3M prevăzut cu un tub de lumină 3M în situaţia de seară / noapte sunt prezentate în figura 5.16 de mai jos.

0 40 80 120 160 200 240-40

-20

0

20

40

[cm]

[cm]

50-55

45-50

40-45

35-40

30-35

25-30

20-25

15-20

10-15

5-10

0-5

Figura 5.16 Valorile măsurate ale iluminării [lx] pe planul util pentru sistemul SOLUM 3M prevăzut cu un tub de lumină 3M alimentat la ambele capete cu lumină electrică de la lămpile incandescente cu halogen.

5.3 Modelarea numerică a transferului de lumină la sistemul SOLUM Pe baza măsurărilor realizate experimental şi prezentate în subcapitolele precedente, se propun o serie de ecuaţii de modelare a transferului de lumină prin tubul solar SunPipe, care permit dezvoltarea unui algoritm de calcul pentru estimarea fluxului luminos pe care sistemul SOLUM SunPipe îl poate transporta şi difuza în spaţiul interior. Ecuaţiile de modelare au fost create cu ajutorul programului CurveExpert v1.3 bazat pe metoda Levenberg-Marquardt de rezolvare a regresiilor nonliniare. Pierderile de lumină în conducta principală introduse de ramificaţie, precum şi efectul de amplificare a luminii pe conducta secundară au fost de asemenea analizate. Plecând de la ipoteza simplificatoare a difuziei perfecte a suprafeţei difuzorului luminos al sistemului SunPipe, se propune un model de calcul al iluminării punctuale directe determinate pe planul util care, prin implementarea într-un program de calcul, contribuie la dimensionarea unui sistem SOLUM SunPipe destinat iluminatului cu lumină naturală al mai multor încăperi fără deschideri exterioare. La componenta punctuală directă se adaugă componenta reflectată medie pentru calculul iluminării totale punctuale necesar verificării uniformităţii iluminării în planul util.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 127 5.3.1 Metoda Levenberg-Marquardt de rezolvare a regresiei nonliniare Metoda Levenberg-Marquardt combină metoda celor mai mici pătrate cu dezvoltarea în serie Taylor pentru a obţine o tehnică rapidă şi eficientă de optimizare nonliniară [64]. Nici una dintre cele două metode de optimizare menţionate mai sus nu este optimă pentru orice situaţie [64]; metoda celor mai mici pătrate este eficientă pentru valori mari în raport cu minimul, în timp ce metoda seriei Taylor funcţionează cel mai bine în apropierea minimului [64]. Algoritmul Levenberg-Marquardt permite o trecere lină între aceste două metode în timpul iteraţiei [30]. În general, ecuaţia de modelare a datelor (cu o variabilă independentă) poate fi scrisă sub forma:

( )a;xyyr

= (5.2) Prin această relaţie, variabila dependentă y se exprimă ca o funcţie de variabila independentă x şi un vector de parametri a de lungime arbitrară. Prin folosirea metodei Levenberg-Marquardt, orice ecuaţie nonliniară cu un număr oarecare de parametri poate fi utilizată ca ecuaţie de modelare a datelor [75]. Astfel, funcţia de calitate care se doreşte a fi minimizată se poate scrie ca [30]:

( ) ( )∑=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛σ

−=χ

N

i i

ii a;xyya1

22

rr

(5.3)

unde N este numărul datelor măsurate, xi reprezintă coordonata x a datelor, yi reprezintă coordonata y a datelor, σi este deviaţia standard la punctul i, iar y(xi,a) este un model nonliniar oarecare evaluat în punctul de date i. Această funcţie de calitate exprimă corelaţia dintre punctele de date măsurate şi modelul parametric propus; o valoare mai mică a sa exprimă o precizie mai mare a modelului găsit. În general, această funcţie este denumită funcţia celor mai mici pătrate. Pentru găsirea minimului unei funcţii se pot utiliza două metode principale: metoda seriei Taylor şi metoda celor mai mici pătrate. Metoda seriei Taylor arată că în vecinătatea minimului această funcţie poate fi exprimată sub formă pătratică. Trecerea de la parametrul curent acur la parametrul optim amin poate fi scrisă prin relaţia [30]:

( )[ ]curcurmin aHaarrr 21 χ∇−⋅+= − (5.4)

unde H este matricea derivatelor de ordinul 2. Dacă aproximarea pătratică a funcţiei nu este bună, atunci se poate folosi metoda celor mai mici pătrate, unde trecerea de la parametrul curent acur la parametrul optim amin se exprimă prin relaţia [30]:

( )curcurmin acaarrr 2χ∇−= (5.5)

Această ecuaţie arată că următoarea propunere pentru parametrul optim se obţine prin scăderea gradientului funcţiei de calitate. Deoarece se cunoaşte funcţia celor mai mici pătrate, prin diferenţiere directă se pot obţine vectorul gradient şi matricea derivatelor de ordinul 2. Prin derivarea parţială a funcţiei de calitate în raport cu a se obţine [30]:

( ) ( )∑= ∂

∂σ

−−=

∂χ∂ N

i k

i

i

ii

k aa;xya;xyy

a 12

2

2rr

(5.6)

128 Capitolul 5

Pentru a obţine matricea derivatelor de ordinul 2, se derivează relaţia (5.6) de mai sus [30]:

( ) ( )

( ) ( )⎥⎦

⎤∂∂

∂σ

−−

⎢⎣

⎡−

∂∂

∂∂

σ−=

∂∂χ∂ ∑

=

kl

i

i

ii

N

i l

i

k

i

ilk

aaa;xya;xyy

aa;xy

aa;xy

aarr

rr

2

2

12

22 12 (5.7)

Se definesc vectorul gradient şi matricea de curbură prin relaţiile [30]:

( ) ( )∑= ∂

∂σ

−=

∂χ∂

−=N

i k

i

i

ii

kk a

a;xya;xyya

G1

2

2

21

rr

(5.8)

( ) ( )∑

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∂

∂∂

∂σ

=∂∂χ∂

=N

i l

i

k

i

ilkkl a

a;xya

a;xyaa

C1

2

22 1rr

(5.9)

Derivata de ordinul 2 din expresia matricei de curbură C este ignorată din două motive: ea tinde să fie tot mai mică deoarece se înmulţeşte cu y – yi şi de asemenea tinde să destabilizeze algoritmul pentru modele puţin precise sau pentru modele cu valori excepţionale (care prezintă puncte cu diferenţe mari de valoare faţă de celelalte puncte de măsură în cadrul modelului propus). Această presupunere nu influenţează în nici un fel minimul găsit de algoritm, ci numai traseul parcurs până la găsirea lui. Astfel, metoda seriei Taylor poate fi exprimată de următorul sistem de ecuaţii liniare [30]:

k

NP

klkl GaC =δ∑

=1 (5.10)

unde NP este numărul de parametri ai modelului care este optimizat. Prin rezolvarea acestui sistem de ecuaţii liniare având ca necunoscute paşii δa, se permite ca prin adăugarea valorilor găsite la aproximarea curentă a parametrilor, se obţine următoarea aproximare. În acelaşi fel, în metoda celor mai mici pătrate aceste ecuaţii se pot exprima prin [30]:

ll cGa =δ (5.11) Primul pas în dezvoltarea metodei Levenberg-Marquardt este crearea unei scări pentru constanta c din ecuaţia (5.11) specifică metodei celor mai mici pătrate. În mod obişnuit, nu există o cale precisă de determinare a acestui număr, chiar şi pentru un anumit ordin de mărime. Totuşi, în acest caz, prin examinarea matricei derivatelor de ordinul 2, se observă că scara acestei constante trebuie să fie 1/Cll. Dar şi aşa poate fi prea mare, astfel că se împarte această scară printr-un factor adimensional λ, care este ales la o valoare mult mai mare decât 1. Al doilea pas în dezvoltarea metodei Levenberg-Marquardt este combinarea metodei celor mai mici pătrate cu metoda seriei Taylor pentru definirea unei noi matrici Mij [30]:

( )⎩⎨⎧

≠=λ+=

ji ,CMCM

ijij

iiii 1 (5.12)

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 129 Această matrice combină ecuaţiile (5.10) şi (5.11) într-o formă compactă şi convenabilă. În final, se ajunge la calcularea paşilor δa prin rezolvarea următorului sistem de ecuaţii liniare [30]:

k

NP

klkl GaM =δ∑

=1 (5.13)

Atunci când λ este prea mare, matricea M devine dominantă pe diagonala principală; ca urmare, ecuaţia de mai sus este echivalentă cu metoda celor mai mici pătrate din relaţia (5.11). Invers, atunci când parametrul λ tinde spre 0, ecuaţia de mai sus este echivalentă cu metoda seriei Taylor dată de relaţia (5.10). În concluzie, prin varierea parametrului λ se comută între cele două metode, calculând în mod continuu un factor de corecţie δa, care se aplică la ultima estimare a vectorului parametru. În continuare se prezintă succesiv paşii algoritmului dezvoltat cu metoda Levenberg-Marquardt [30]: 1. Se calculează χ2(a) 2. Se alege o valoare pentru λ 3. Se rezolvă ecuaţiile liniare pentru calculul δa 4. Se evaluează ( )aa δ+χ2 5. Dacă ( ) ( )aaa 22 χ≥δ+χ , se creşte λ şi se revine la pasul 3 6. Dacă ( ) ( )aaa 22 χ<δ+χ , se descreşte λ, se corectează vectorul parametru prin relaţia

aaa δ+= şi se revine la pasul 3 Iteraţia se opreşte atunci când ( ) ( ) <χ−δ+χ aaa 22 toleranţa 5.3.2 Ecuaţiile de modelare pentru tubul solar SunPipe Primul obiectiv al cercetării realizate a fost găsirea unei relaţii de recurenţă pentru transportul luminii de către tubul solar SunPipe. Pentru aceasta s-a măsurat iluminarea orizontală în axul conductei principale verticale la diferite distanţe de domul de captare. Pentru estimarea potenţialului de distribuţie a luminii către conductele secundare orizontale, s-a măsurat iluminarea verticală pe peretele interior al conductei principale verticale la diferite distanţe de domul de captare. Pe baza acestor valori măsurate, s-a propus o lege de recurenţă pentru estimarea iluminării într-un anumit punct din tubul solar în funcţie de iluminarea exterioară orizontală la nivelul domului de captare, notată cu E0. Astfel, iluminarea orizontală Eh,k în axul conductei principale verticale la distanţa lk măsurată în cm faţă de domul de captare este:

( ) ( )kkkkhkh lEllEE ,011,, ϕ⋅−−= −− (5.14) unde ϕ(E0, lk) este funcţia ce exprimă pierderea de lumină pe lungimea etalon de 1cm în funcţie de iluminarea exterioară orizontală şi de distanţa lk măsurată în cm. Această funcţie a fost determinată cu ajutorul programului CurveExpert v1.3 bazat pe metoda Levenberg-Marquardt de rezolvare a regresiei nonliniare prezentate în subcapitolul anterior. În acelaşi mod se determină iluminarea verticală Ev,k pe peretele interior al conductei principale la distanţa lk de domul de captare:

( )00, ElEE kvkv ψ⋅−= (5.15)

130 Capitolul 5

unde funcţia ψ(E0) a fost determinată cu aceeaşi metodă, lungimea lk este exprimată în cm, iar E0v reprezintă iluminarea verticală imediat sub domul de captare, considerată ca fiind valoarea iniţială a iluminării verticale pe peretele interior al tubului. În acest sens, pentru simplificarea calculului, se presupune că iluminarea verticală este aceeaşi pentru orice poziţie relativă a razelor solare incidente în raport cu punctele de racord dintre conductele secundare şi conducta principală. Cu alte cuvinte, iluminarea verticală Ev,k pe peretele interior al conductei principale la distanţa lk de domul de captare se consideră constantă pe întreaga circumferinţă a conductei principale la acea distanţă. Iluminarea verticală E0v este dată de relaţia ε⋅⋅τ= tgEE v 00 , unde τ este transmitanţa domului de captare a sistemului SunPipe iar ε este unghiul de înclinare a suprafeţelor prismatice ale domului de captare, care în cazul sistemului SunPipe 300mm diametru are valoarea de 27 grade. Figura 5.17 prezintă o secţiune prin domul de captare şi schema de calcul pentru relaţia de mai sus, în ipoteza simplificatoare că direcţia predominantă a razelor solare incidente este normală la suprafaţa prismatică a domului de captare.

2

2.

..

EvC=I cos(π/2-ε)/dEhC=I cosε/d

EhC=τ E0

E0

I, d

ε

ε

C

C

Figura 5.17 Schema de calcul al iluminării verticale iniţiale în funcţie de iluminarea orizontală exterioară. Astfel, se obţine relaţia:

ε⋅⋅τ=ε⋅== tgEtgEEE hCvCv 00 (5.16) Pe lângă transportul luminii prin conducta principală verticală, s-a analizat potenţialul de transport de lumină şi prin conductele secundare orizontale. Pe baza aceluiaşi algoritm, iluminarea verticală Eb,k în axul conductei secundare la distanţa δk faţă de ramificaţie a fost exprimată în funcţie de iluminarea verticală iniţială Eb la intrarea în conducta secundară şi de distanţa δk exprimată în cm prin relaţia de recurenţă:

( ) ( )kbkkkbkb EEE δβ⋅δ−δ−= −− ,11,, (5.17) unde funcţia β(Eb, δk) a fost determinată folosind acelaşi algoritm ca şi pentru conducta principală. Valorile măsurate şi prezentate în subcapitolul 5.2 au fost prelucrate în aşa fel încât să permită generarea cu ajutorul programului CurveExpert v1.3 a funcţiilor de recurenţă pe baza metodei Levenberg-Marquardt de rezolvare a regresiilor nonliniare pentru 23 modele de regresie. În urma confruntării acestor funcţii cu valorile măsurate, s-au stabilit funcţiile de recurenţă cu cea mai bună precizie. Astfel, pentru iluminarea orizontală în axul conductei principale s-a propus relaţia de recurenţă [30] între două secţiuni consecutive k şi k – 1:

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 131

( ) ( )dklc

k ebaElE ⋅−⋅−⋅=ϕ 40

0 10, (5.18)

prin utilizarea modelului de regresie Weibull cu un coeficient de precizie de 0,8927 unde:

a = 31,2545220 b = 37,8790210 c = 1972,92100 d = – 1,3398534

Pentru iluminarea verticală pe peretele interior al conductei principale, s-a propus funcţia:

( )0

00 Eb

EaE+⋅

=ψ (5.19)

prin utilizarea modelului ratei de creştere prin saturaţie [30], cu un coeficient de precizie de 0,9999, unde:

a = – 2259,9558 b = – 2082938,3

În figura 5.18 se pot observa curbele de variaţie specifice funcţiilor de recurenţă pentru fiecare model propus pentru modelarea transportului de lumină prin conducta principală verticală a sistemului SOLUM SunPipe, care exprimă practic pierderea de lumină pe unitatea de lungime (considerată cm) raportată la iluminarea iniţială pentru fiecare caz în parte.

Figura 5.18 Curbele de variaţie a funcţiilor de modelare a transportului de lumină în conducta principală la sistemul SOLUM SunPipe.

Pentru conducta secundară orizontală de transport al luminii spre spaţiile adiacente, se consideră următoarea ipoteză simplificatoare: • conducta secundară orizontală este considerată analogă cu conducta principală

verticală privind transportul luminii, în aşa fel încât iluminarea exterioară iniţială E0 la nivelul domului de captare al conductei principale este analogă iluminării iniţiale Eb la intrarea în conducta secundară

Prin urmare, pentru sistemul SOLUM SunPipe fără oglindă, funcţia propusă este [30]:

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅=δβ δk

bb

kb eaEE 41 10, (5.20)

132 Capitolul 5

prin utilizarea modelului exponenţial modificat, unde:

a = 4,4145407 b = 1,8880339

Figura 5.19 arată variaţia funcţiei de regresie pentru calculul iluminării în axul conductei secundare a sistemului SOLUM SunPipe, care exprimă practic pierderea liniară de lumină (pe 1cm) raportată la iluminarea iniţială Eb.

Figura 5.19 Curba de variaţie a funcţiei de modelare a transportului de lumină în conducta secundară. Pentru sistemul SOLUM SunPipe cu oglindă, funcţia utilizată pentru modelarea transportului de lumină este aceeaşi, cu diferenţa că iluminarea verticală iniţială Eb la intrarea în conducta secundară va fi înmulţită cu factorul de amplificare a luminii prin utilizarea oglinzii, a cărui valoare a fost găsită anterior ca fiind egală cu f = 1,52:

( ) ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ ⋅⋅

⋅=δβ δk

bb

kb eaEfE 42 10, (5.21)

prin utilizarea modelului exponenţial modificat, unde:

a = 4,4145407 b = 1,8880339

Iluminarea verticală iniţială Eb este calculată pe peretele vertical al conductei principală în absenţa oglinzii cu relaţia (5.16) pentru lungimea corespunzătoare de montaj a ramificaţiei. 5.3.3 Modelarea iluminării generate de sistemul SOLUM SunPipe pe planul util Pe baza legilor de recurenţă propuse în subcapitolul precedent, se poate estima iluminarea la nivelul difuzorului luminos al sistemului SunPipe, care este montat la capătul de jos al conductei principale sau la capătul liber al conductei secundare. Cele două situaţii fiind identice (cu excepţia diferenţei de direcţie de 90 grade), se analizează iluminarea produsă pe planul util de conducta principală verticală a sistemului SOLUM SunPipe.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 133 Se consideră că iluminarea la nivelul difuzorului luminos estimată cu relaţiile anterioare reprezintă iluminarea medie a suprafeţei superioare a acestuia. În funcţie de iluminarea Eh,SP pe suprafaţa superioară a difuzorului luminos (în interiorul tubului solar SunPipe) şi de transmitanţa acestuia τ se determină emitanţa MSP a difuzorului luminos ca fiind:

SP,hSP EM ⋅τ= (5.22) Considerând suprafaţa microprismatică a difuzorului luminos ca fiind caracterizată de o difuzie perfectă, rezultă că pentru orice direcţie a razelor de lumină difuzate luminanţa are aceeaşi valoare, dată de relaţia:

π= SP

SPML (5.23)

De asemenea, curba de distribuţie a intensităţii luminoase pentru difuzorul luminos al sistemului SunPipe considerat ca fiind o suprafaţă perfect difuzantă este dată de legea lui Lambert:

α⋅=α cosmaxII (5.24) În figura 5.20 se prezintă schema de calcul al iluminării în planul util de la difuzorul luminos al sistemului SunPipe.

PPlanul util

d nPU

nSP

θ

αdIα

τ MSP

SunPipe 300mm

Eh,SP

Figura 5.20 Schema de calcul pentru iluminarea în planul util produsă de sistemul SunPipe. Se consideră un element de suprafaţă al difuzorului care emite intensitatea luminoasă dIα spre punctul de calcul P din planul util, aflat la distanţa d de elementul luminos. Conform legii fundamentale a iluminării, iluminarea orizontală în punctul P este exprimată prin relaţia:

2,cos

ddIdE Ph

θ⋅= α (5.25)

134 Capitolul 5

care mai departe poate fi scrisă:

22max

,coscoscoscos

ddSL

ddIdE SP

Phθ⋅α⋅⋅

=θ⋅α⋅

= (5.26)

deoarece conform definiţiei dSLdI SP ⋅=max . Înlocuind cu emitanţa din relaţia (5.23), se obţine:

dSd

MdE SPPh ⋅θ⋅α⋅⋅

π= coscos1

2, (5.27)

iar, prin integrare pe suprafaţa difuzorului luminos al sistemului SunPipe şi introducerea unui factor de menţinere Mf, care în cazul sistemului SunPipe are o valoare superioară unui sistem clasic de iluminat electric, aleasă de 0,90:

∫∫θ⋅α

⋅π

⋅⋅=S

SPfPh dSd

MME 2,coscos1 (5.28)

Ultimul factor al produsului din relaţia anterioară reprezintă coeficientul de iluminare e specific surselor de lumină de suprafaţă, iar pentru configuraţia circulară a difuzorului luminos al sistemului SunPipe, care reprezintă sursa de lumină în situaţia analizată, acesta este dat de relaţia caracteristică pentru panoul circular:

2cos1 χ−

=e (5.29)

unde χ este unghiul plan din secţiunea transversală sub care se vede difuzorul luminos din punctul P, aşa cum se observă în figura 5.20. Calculul unghiului de subîntindere χ este unul geometric şi cunoaşte două situaţii: • dacă proiecţia punctului P pe planul difuzorului luminos se află în afla difuzorului

luminos • dacă proiecţia punctului P pe planul difuzorului luminos se află în interiorul difuzorului

luminos Calculul unghiului χ porneşte de la relaţia:

hBQ

hAQ arctanarctan ±=β±ε=χ (5.30)

unde dacă notăm cu xP şi yP coordonatele punctului de calcul P, cu r raza difuzorului luminos şi cu h înălţimea de montaj a difuzorului în raport cu planul util ce conţine punctul P şi considerând punctul O ca fiind amplasat în punctul de coordonate x=0, y=0 şi z=h, obţinem că pentru prima situaţie:

ryxOBPQOPOBOQBQ PP −+=−−=−= 2222 (5.31) şi

ryxOAPQOPOAOQAQ PP ++=+−=+= 2222 (5.32)

Prin urmare:

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 135

hryx

hryx PPPP −+

−++

=χ2222

arctanarctan (5.33)

Pentru cea de-a doua situaţie, relaţia de calcul a unghiului de subîntindere χ rezultă:

hryx

hryx PPPP −+

+++

=χ2222

arctanarctan (5.34)

r O

εβ

Q

χ

PPlanul util

SunPipe 300mm

P

SunPipe 300mm

Planul util

χ

Q

βε

Or

χ = ε − β χ = ε + β

A AB B

Figura 5.21 Configuraţia geometrică pentru calculul unghiului χ sub care se vede difuzorul luminos al sistemului SunPipe din punctul P.

Mai sus a fost calculată iluminarea directă punctuală determinată pe planul de lucru de sistemul SunPipe. Pentru a cunoaşte valoarea totală a iluminării în planul util, se calculează iluminarea reflectată medie, utilizând metoda interreflexiei. Astfel, în ipoteza simplificatoare că reflectanţa pardoselii şi a suprafeţei planului util au o valoare mult mai mică decât cea medie a pereţilor şi plafonului şi din acest motiv sunt neglijabile, iluminarea medie reflectată pe planul de lucru Er,PU rezultă din relaţia:

( )[ ]11

11, 11 ρ⋅−−

Φ⋅ρ⋅⋅ξ⋅=

→

→

PUPU

PUfPUr US

UME (5.35)

unde

ξ = fracţiunea din fluxul total emis de difuzorul luminos Φ care ajunge iniţial pe suprafaţa plafonului şi suprafaţa pereţilor

PUU →1 = factorul de utilizare al fluxului reflectat de suprafaţa pereţilor Sp şi de cea a plafonului St care este incident pe suprafaţa planului util ρ1 = reflectanţa medie a pereţilor şi plafonului SPU = suprafaţa planului util Mf = factorul de menţinere pentru sistemul SunPipe considerat 0,90

Fracţiunea ξ este dată de relaţia:

SPSP

PUPUHm

SMSE

⋅⋅

−=Φϕ

−=Φϕ

=ξ ,21 11 (5.36)

136 Capitolul 5

în care Ehm,PU este iluminarea medie în planul util, MSP şi SSP reprezintă emitanţa şi respectiv suprafaţa difuzorului luminos al sistemului SunPipe calculate anterior. Fluxurile ϕ1 şi ϕ2 sunt fluxurile iniţiale incidente pe suprafaţa pereţilor şi plafonului şi respectiv pe cea a planului util. Presupunând că iluminarea reflectată este aproximativ egală pe toate suprafeţele incintei, factorul de utilizare PUU →1 devine:

111,

,

1

11 S

SSESE

U PU

Sr

PUPUr

rS

PUrSPU ≅

⋅⋅

=Φ

Φ= →

→ (5.37)

unde S1 este suprafaţa totală a plafonului St şi pereţilor Sp până la intersecţia cu planul util. Reflectanţa medie a plafonului şi pereţilor ρ1 se referă la media ponderată a reflectanţei plafonului ρt şi a reflectanţei pereţilor ρp delimitaţi în partea de jos de suprafaţa planului util, ca şi cum planul util ar fi pardoseala incintei:

pt

pptt

SSSS

+⋅ρ+⋅ρ

=ρ1 (5.38)

5.4 Implementarea algoritmului în programul original de calcul SOLUX Plecând de la metodele prezentate mai sus pentru modelarea transportului de lumină şi a iluminării produse pe planul util, s-a dezvoltat un algoritm capabil să dimensioneze un sistem ramificat de iluminat natural cu tuburi solare SOLUM SunPipe. Acest algoritm reprezintă baza programului original de calcul SOLUX, conceput ca un instrument eficient şi uşor accesibil pentru estimarea potenţialului de iluminat natural cu sistemul ramificat SOLUM SunPipe în diverse spaţii interioare fără deschideri exterioare. Algoritmul ce stă la baza programului SOLUX calculează emitanţa difuzorului luminos montat la capătul de jos al conductei principale, precum şi emitanţele difuzoarelor luminoase montate la capetele libere ale conductelor secundare de direcţionare a luminii în spaţiile adiacente. În funcţie de valorile emitanţelor şi de caracteristicile spaţiilor iluminate, se determină valoarea iluminărilor în planul util. Astfel, se realizează iniţial o predimensionare a sistemului SOLUM SunPipe prin calculul iluminării medii în planul util, iar pentru configuraţia aleasă a sistemului se realizează şi calculul de verificare a uniformităţii iluminării în planul util. Dat fiind faptul că difuzorul luminos de plafon al sistemului SunPipe nu prezintă valori ridicate ale luminanţei pentru anumite direcţii critice, lucru verificat prin numeroase aplicaţii practice, aspectele legate de evaluarea riscului de apariţie a orbirii nu au făcut deocamdată obiectul acestui algoritm. În plus, algoritmul programului SOLUX va putea oferi facilitatea estimării potenţialului de economie de energie ce se poate obţine prin utilizarea sistemului SOLUM SunPipe comparativ cu un sistem clasic de iluminat electric pentru spaţiile interioare analizate. Relaţiile de calcul utilizate de acest algoritm sunt valabile pentru diametrele mai sus menţionate ale tuburilor solare SunPipe: 300mm pentru conducta principală verticală şi 230mm pentru conductele secundare orizontale. Îmbunătăţirile ulterioare ale programului SOLUX vor extinde capacitatea acestuia de a dimensiona şi sisteme SOLUM SunPipe compuse din tuburi solare SunPipe cu diametre superioare. În continuare se prezintă paşii algoritmului necesari predimensionării şi dimensionării sistemului SOLUM SunPipe.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 137

Pasul 1 – Citirea datelor de intrare

Simbol Semnificaţia Unitate de măsură

N Numărul de etaje ale clădirii - he Înălţimea unui etaj m ge Grosimea plăcii dintre etaje cm gp Grosimea plăcii de deasupra ultimului etaj cm n Numărul de incinte adiacente conductei principale -

L0 x l0 x h0 Dimensiunile incintei iluminate cu conducta principală m x m x m Lk x lk x hk Dimensiunile incintei k adiacente conductei principale m x m x m

ρt şi ρp Reflectanţele plafonului şi pereţilor din incinta principală - ρtk şi ρpk Reflectanţele plafonului şi pereţilor din incintele secundare -

g şi g0 Distanţa liberă între plafon şi difuzorul luminos al conductelor secundare şi respectiv cel al conductei principale cm

δbk Lungimile conductelor secundare cm Hu Înălţimea planului util în incinta principală cm Duk Distanţa de amplasare a planului util în incintele secundare cm E0 Iluminarea exterioară orizontală lx

Pasul 2 – Calculul mărimilor caracteristice Lungimea totală a conductei principale de la acoperiş până la difuzorul luminos:

001,001,001,030,0 ggNhNgL eept ⋅+⋅⋅+⋅+⋅+= [m] (5.39) Poziţiile de amplasare a centrului ramificaţiilor în raport cu lungimea conductei principale:

( ) ( )eepbk ghkggL ⋅+⋅−++⋅+⋅+= 01,01115,001,001,030,0 [m] (5.40)

δbn

δbk

δb2

δb1

g

g

g

g

Incinta 0L0 x l0 x h0

Incinta 1L1 x l1 x h1

Incinta kLk x lk x hk

Incinta nLn x ln x hn

Lt

ge

ge

ge

ge

gp

Plan util

Plan util

Plan util

Plan util

Du1

Du2

Duk

Dun

Plan util Hu

he

Parter

Etaj 1

Etaj k

Etaj N-1

Etaj N

E0

Eh,SP

Lt

Lbk

Ev,SPkEv,Lbk

ELbk

ELbk

ELbk

Incinta 2L2 x l2 x h2

g0

Figura 5.22 Configuraţia sistemului SOLUM SunPipe dimensionat cu algoritmul programului SOLUX.

138 Capitolul 5

Calculul poziţiilor de amplasare a centrului ramificaţiilor se opreşte atunci când tbk LL > , ultima ramificaţie considerată validă fiind cea anterioară, pentru care tbk LL < , unde indicele k are valori de la 1 la n. În acest moment s-a stabilit practic configuraţia structurii sistemului SOLUM SunPipe, aşa cum se prezintă în figura 5.22. În continuare, se trece la calculul iluminării verticale pe peretele interior al conductei principale şi al iluminării orizontale în axul conductei principale.

Pasul 3 – Calculul iluminărilor în conducta principală Iluminarea verticală pe peretele conductei principale în axul conductelor secundare:

0

00, 3,2082938

9558,225927tanEELEE bkLbkv +−

⋅−⋅−°⋅= [lx] (5.41)

Pierderea de lumină pe conducta principală introdusă de o ramificaţie k:

LbkvLbkvLbkvLbkLbk EESSEEE ,2

2

,300

230, 587,0

300230

⋅=⋅=⋅=− ↓↑ [lx] (5.42)

Iluminarea orizontală în axul conductei principale la nivelul ramificaţiilor:

( ) ( )⎪⎩

⎪⎨⎧

⋅−=

⋅−⋅+−⋅−=

↑↓

⋅−−↓−↑

−↑

LbkvLbkLbk

LbkbkLbkLbk

EEE

eLLEEE bk

,

921,197214

01

587,0

879021,37254522,312310

3398534,1

(5.43)

Calculul iluminărilor se opreşte atunci când pierderea de lumină devine negativă sau când iluminarea orizontală în axul conductei principale scade sub zero. Astfel, se acceptă ca ultimă ramificaţie a sistemului SunPipe, ultima ramificaţie calculată, pentru care pierderea de lumină şi iluminarea orizontală în conducta principală îşi menţin valoarea pozitivă. Se atribuie în acest moment numărului n noua sa valoare, egală cu numărul de ramificaţii ale sistemului pentru care pierderea de lumină şi iluminarea orizontală în conducta principală sunt pozitive. După stabilirea numărului de ramificaţii n, se calculează iluminarea orizontală Eh,SP deasupra difuzorului luminos amplasat la capătul de jos al conductei principale cu relaţia (5.43) pentru distanţa Lt calculată anterior:

( ) ( )3398534,1921,19724

0, 879021,37254522,315,11

10−⋅−

↓ ⋅−⋅+−⋅−= tLbntLbnSPh eLLEEE (5.44)

Pasul 4 – Calculul iluminărilor în conductele secundare Iluminarea verticală pe peretele conductei principale în axul conductelor secundare:

0

00, 3,2082938

9558,225927tanEELEE bkLbkv +−

⋅−⋅−°⋅= [lx] (5.41)

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 139 Iluminarea verticală în axul conductelor secundare, calculată prin legea de recurenţă pentru două secţiuni consecutive situate la distanţele δj şi δj – 1 de capătul din ramificaţie al conductei secundare k:

( ) ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⋅⋅δ−δ⋅−= δ

−−δδje

EEE jj

Lbkvjbkjbk

8880339,1

14,

1,, 4145407,410

[lx] (5.45)

şi iluminarea verticală pe suprafaţa interioară a difuzorului luminos montat la capătul opus al conductelor secundare, în raport cu ultima iluminare verticală calculată pentru secţiunea m:

( )⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛⋅⋅δ−δ⋅−= δ

δbke

EEE mbk

LbkvmbkSPkv

8880339,1

4,

,, 4145407,410

[lx] (5.46)

Pasul 5 – Calculul iluminării în planul util al incintei principale Emitanţa M a difuzorului luminos de transmitanţă τ montat la capătul de jos al conductei principale:

SP,hSP EM ⋅τ= (5.47) Iluminarea directă orizontală în punctul P situat pe planul util de înălţime Hu în incinta iluminată la capătul conductei principale:

2cos1

,χ−

⋅⋅= SPfPd MME (5.48)

unde unghiul χ sub care se vede difuzorul luminos din punctul P de coordonate xP şi yP în raport cu centrul difuzorului luminos de rază R = 150mm este calculat cu relaţia:

u0

PP

u0

PP

HhRyx

HhRyx

−−+

±−

++=χ

2222

arctanarctan (5.49)

Iluminarea medie orizontală directă pe planul util pentru NP puncte de calcul:

∑=

=PN

iPid

PPUdm E

NE

1,,

1 (5.50)

Iluminarea medie reflectată pe planul de lucru Er,PU:

( )[ ]11

11, 11 ρ⋅−−

Φ⋅ρ⋅⋅ξ⋅=

→

→

PUPU

PUfPUr US

UME (5.51)

Fracţiunea ξ:

140 Capitolul 5

SPSP

PUPUdm

SMSE

⋅⋅

−=ξ ,1 (5.52)

unde

2

00 ; RSlLS SPPU π=⋅= (5.53) Factorul de utilizare PUU →1 unde S1 este suprafaţa totală a plafonului St şi pereţilor Sp până la intersecţia cu planul util:

11 S

SU PUPU ≅→ (5.54)

Suprafaţa totală a plafonului şi pereţilor:

pt SSS +=1 (5.55) Reflectanţa medie a plafonului şi pereţilor:

pt

pptt

SSSS

+⋅ρ+⋅ρ

=ρ1 (5.56)

Suprafeţele plafonului şi pereţilor:

( ) ( )⎩⎨⎧

−⋅+⋅=

⋅=

up

t

HhlLSlLS

000

00

2 (5.57)

Iluminarea globală punctuală în planul util orizontal pentru punctele de calcul Pi:

PUrPidPih EEE ,,, += (5.58) Factorul de uniformitate a iluminării în planul util:

Pih

Pihu E

Ef

,

, )min(= (5.59)

unde PUrPUdmPih EEE ,,, += (5.60)

Pasul 6 – Calculul iluminărilor în planul util al incintelor secundare Se procedează în mod analog cu pasul 5. Singura diferenţă constă în amplasarea verticală a planului util la distanţa Duk de planul vertical care conţine difuzorul luminos al conductei secundare k. Se consideră că direcţia de montaj a conductei secundare k este paralelă cu lungimea incintei respective Lk.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 141 5.5 Verificarea iluminărilor calculate cu programul original SOLUX Pe baza algoritmului prezentat mai sus, a fost creată o platformă de calcul cu ajutorul programului Microsoft Excel, denumită în continuare SOLUX Beta. Rolul acesteia a fost de a verifica acurateţea ecuaţiilor propuse pentru sistemul SOLUM SunPipe construit şi analizat, urmând ca programul SOLUX în versiunile sale ulterioare îmbunătăţite să fie dezvoltat prin utilizarea unui limbaj de programare performant (Visual Basic sau Visual C). În tabelele şi figurile următoare se prezintă comparativ valorile măsurate şi valorile calculate ale iluminării orizontale şi verticale în conducta principală şi conducta secundară ale sistemului SOLUM SunPipe studiat, precum şi cele ale iluminării directe în planul util din incinta iluminată cu conducta principală. De asemenea, se prezintă şi diagrama erorilor calculate pentru fiecare punct de măsură. Având în vedere similitudinea algoritmului pentru calculul iluminării directe pe planul util amplasat vertical în incinta iluminată cu conducta secundară, s-a considerat suficientă validarea iluminării verticale calculate cu algoritmul SOLUX Beta în axul conductei secundare la nivelul difuzorului luminos.

Citirea datelor de intrare

Simbol Semnificaţia Valoarea N Numărul de etaje ale clădirii 1 he Înălţimea unui etaj 2,38 m ge Grosimea plăcii dintre etaje 20 cm gp Grosimea plăcii de deasupra ultimului etaj 30 cm n Numărul de incinte adiacente conductei principale 1

L0 x l0 x h0 Dimensiunile incintei iluminate cu conducta principală 3,2 m x 3,2 m x 2,3 m L1 x l1 x h1 Dimensiunile incintei 1 adiacente conductei principale 3,2 m x 3,2 m x 2,9 m

g şi g0 Distanţa liberă între plafon şi difuzorul luminos al conductei secundare şi respectiv cel al conductei principale

10 cm şi

60 cm δb1 Lungimea conductei secundare 37 cm Hu Înălţimea planului util în incinta principală 80 cm Duk Distanţa de la difuzor la planul util în incinta secundară 50 cm

Calculul mărimilor caracteristice Lungimea totală a conductei principale de la acoperiş până la difuzorul luminos:

001,001,001,030,0 ggNhNgL eept ⋅+⋅⋅+⋅+⋅+= m 78,3=tL

Poziţia de amplasare a centrului ramificaţiei în raport cu lungimea conductei principale:

eepb ghggL ⋅+++⋅+⋅+= 01,0115,001,001,030,01 m 395,31 =bL

În acest moment s-a stabilit practic configuraţia structurii sistemului SOLUM SunPipe, aşa cum se prezintă în figura 5.23, unde se observă şi configuraţia reţelei de puncte de măsură din planul util. În figura 5.24 se prezintă o imagine a spaţiului unde au fost desfăşurate cercetările experimentale, atât din exterior, cât şi la interior.

142 Capitolul 5

h0

g0

ge

E0

Etaj N

Parter

he

Hu

Plan util

Du1

Plan util

gp

ge

Lt

Incinta 1L1 x l1 x h1

Incinta 0L0 x l0 x h0

g

δb1

0,4m

0,4m

3,2m

3,2m

Plan util

Figura 5.23 Configuraţia sistemului SOLUM SunPipe analizat.

Validare iluminare orizontală în axul conductei principale

Iluminare orizontală exterioară E0 = 25.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Eh,lk [lx]

Valoarea măsurată Eh,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 18.406 17.100 7,64 270 9.841 7.900 24,57 300 8.599 6.700 28,35

Aici începe ramificaţia T 328 7.556 330 7.482 6.300 18,77

339,5 7.144

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 143

Iluminare verticală la intrarea în conducta secundară Ev,339,5 = 3.417 lx 342 7.055 5.900 19,58 351 6.748

Iluminare orizontală corectată la lungimea Eh,351 = 5.550 lx Aici se încheie ramificaţia T

352 5.516 5.700 3,22 378 4.714 5.200 9,34

Eroare relativă medie [%] 15,92

Iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Eh,lk [lx]

Valoarea măsurată Eh,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 36.812 34.300 7,32 270 19.682 16.000 23,01 300 17.199 13.600 26,46

Aici începe ramificaţia T 328 15.113 330 14.965 12.700 17,83

339,5 14.287 Iluminare verticală la intrarea în conducta secundară Ev,339,5 = 6.606 lx

342 14.111 12.300 14,72 351 13.496

Iluminare orizontală corectată la lungimea Eh,351 = 11.235 lx Aici se încheie ramificaţia T

352 11.167 11.600 3,73 378 9.563 10.300 7,16

Eroare relativă medie [%] 14,32

Iluminare orizontală exterioară E0 = 85.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Eh,lk [lx]

Valoarea măsurată Eh,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 62.581 58.300 7,34 270 33.459 27.100 23,47 300 29.238 23.000 27,12

Aici începe ramificaţia T 328 25.692 330 25.440 21.600 17,78

339,5 24.288 Iluminare verticală la intrarea în conducta secundară Ev,339,5 = 10.668 lx 342 23.988 20.900 14,77 351 22.943

Iluminare orizontală corectată la lungimea Eh,351 = 19.430 lx Aici se încheie ramificaţia T

352 19.314 19.700 1,96 378 16.587 17.500 5,22

Eroare relativă medie [%] 13,95

Iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Eh,lk [lx]

Valoarea măsurată Eh,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 77.306 91.200 15,23 270 41.332 57.400 27,99

144 Capitolul 5

300 36.117 49.100 26,44 Aici începe ramificaţia T

328 31.737 330 31.426 43.700 28,09

339,5 30.003 Iluminare verticală la intrarea în conducta secundară Ev,339,5 = 12.770 lx 342 29.632 38.500 23,03 351 28.341

Iluminare orizontală corectată la lungimea Eh,351 = 24.241 lx Aici se încheie ramificaţia T

352 24.098 35.300 31,73 378 20.729 29.600 29,97

Eroare relativă medie [%] 26,07

Eroarea relativă medie pentru cele patru scenarii de iluminare exterioară orizontală considerate şi analizate a fost de 17,57%.

Figura 5.24 Imagine exterioară şi interioară a spaţiului unde s-a desfăşurat studiul experimental.

Validare iluminare verticală pe peretele interior al conductei principale

Iluminare orizontală exterioară E0 = 25.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 10.405 9.900 5,10 270 5.326 5.200 2,41 300 4.502 4.400 2,32

Aici începe ramificaţia T 328 3.733 330 3.678 3.200 14,95

339,5 3.417 342 3.349 2.800 19,60 351 3.102

Aici se încheie ramificaţia T 352 3.074 2.600 18,24 378 2.360 2.100 12,40

Eroare relativă medie [%] 10,72

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 145

Iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 20.752 19.800 4,81 270 10.469 10.300 1,64 300 8.801 8.900 1,11

Aici începe ramificaţia T 328 7.245 330 7.134 6.500 9,75

339,5 6.606 342 6.467 5.700 13,45 351 5.966

Aici se încheie ramificaţia T 352 5.911 5.200 13,67 378 4.466 4.100 8,92

Eroare relativă medie [%] 7,62

Iluminare orizontală exterioară E0 = 85.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 35.137 33.800 3,96 270 17.350 17.500 0,86 300 14.465 15.200 4,83

Aici începe ramificaţia T 328 11.773 330 11.581 11.000 5,28

339,5 10.668 342 10.427 9.700 7,50 351 9.562

Aici se încheie ramificaţia T 352 9.466 8.800 7,57 378 6.966 6.900 0,96

Eroare relativă medie [%] 4,42

Iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 43.303 41.800 3,59 270 21.108 21.700 2,73 300 17.509 18.800 6,87

Aici începe ramificaţia T 328 14.150 330 13.910 13.600 2,28

339,5 12.770 342 12.470 11.900 4,79 351 11.390

Aici se încheie ramificaţia T 352 11.270 10.800 4,36 378 8.151 8.500 4,10

Eroare relativă medie [%] 4,10

146 Capitolul 5

Eroarea relativă medie pentru cele patru scenarii de iluminare exterioară orizontală considerate şi analizate a fost de 6,72%.

Validare iluminare verticală în axul conductei secundare

Iluminare verticală la intrare Ev,339,5 = 8.600 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

17 8.528 8.400 1,52 27 8.487 9.100 6,73 37 8.447 8.900 5,09

Eroare relativă medie [%] 3,34

Iluminare verticală la intrare Ev,339,5 = 5.300 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 5.256 5.200 1,07 270 5.215 4.950 5,35 300 5.175 5.200 0,48

Eroare relativă medie [%] 1,73

Iluminare verticală la intrare Ev,339,5 = 20.000 lx

Lungimea de calcul lk [cm]

Valoarea calculată Ev,lk [lx]

Valoarea măsurată Ev,lk [lx]

Eroare relativă [%]

85 19.832 270 19.792 300 19.752 16.100 22,68

Eroare relativă medie [%] 11,34

Eroarea relativă medie pentru cele trei scenarii considerate şi analizate de iluminare verticală la intrarea în conducta secundară a fost de 5,47%.

Validare iluminare directă în planul util al incintei principale

Valori măsurate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 12.500 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 5 6 8 12 14 12 8 6 5 -120 6 8 12 19 23 19 12 8 6 -80 8 12 19 37 40 37 19 12 8 -40 12 19 37 54 57 54 37 19 12 0 14 23 40 57 65 57 40 23 14

40 12 19 37 54 57 54 37 19 12 80 8 12 19 37 40 37 19 12 8

120 6 8 12 19 23 19 12 8 6 160 5 6 8 12 14 12 8 6 5

Valori calculate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 12.500 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 5 7 9 11 12 11 9 7 5

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 147

-120 7 11 15 19 21 19 15 11 7 -80 9 15 22 30 33 30 22 15 9 -40 11 19 30 42 48 42 30 19 11 0 12 21 33 48 55 48 33 21 12

40 11 19 30 42 48 42 30 19 11 80 9 15 22 30 33 30 22 15 9

120 7 11 15 19 21 19 15 11 7 160 5 7 9 11 12 11 9 7 5

Eroarea de calcul punctuală [%] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 12.500 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 3 16 12 9 13 9 12 16 3 -120 16 27 20 3 11 3 20 27 16 -80 12 20 16 18 17 18 16 20 12 -40 9 3 18 22 16 22 18 3 9 0 13 11 17 16 16 16 17 11 13

40 9 3 18 22 16 22 18 3 9 80 12 20 16 18 17 18 16 20 12

120 16 27 20 3 11 3 20 27 16 160 3 16 12 9 13 9 12 16 3

Eroarea de calcul medie: 13,98%

Valori măsurate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 29 31 38 56 61 56 38 31 29 -120 31 38 56 81 97 81 56 38 31 -80 38 56 81 139 170 139 81 56 38 -40 56 81 139 268 280 268 139 81 56 0 61 97 170 280 310 280 170 97 61

40 56 81 139 268 280 268 139 81 56 80 38 56 81 139 170 139 81 56 38

120 31 38 56 81 97 81 56 38 31 160 29 31 38 56 61 56 38 31 29

Valori calculate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 21 29 38 46 49 46 38 29 21 -120 29 43 60 76 83 76 60 43 29 -80 38 60 90 121 134 121 90 60 38 -40 46 76 121 169 192 169 121 76 46 0 49 83 134 192 220 192 134 83 49

40 46 76 121 169 192 169 121 76 46 80 38 60 90 121 134 121 90 60 38

120 29 43 60 76 83 76 60 43 29 160 21 29 38 46 49 46 38 29 21

Eroarea de calcul punctuală [%] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 27 7 0 18 20 18 0 7 27 -120 7 13 8 7 15 7 8 13 7

148 Capitolul 5

-80 0 8 11 13 21 13 11 8 0 -40 18 7 13 37 31 37 13 7 18 0 20 15 21 31 29 31 21 15 20

40 18 7 13 37 31 37 13 7 18 80 0 8 11 13 21 13 11 8 0

120 7 13 8 7 15 7 8 13 7 160 27 7 0 18 20 18 0 7 27

Eroarea de calcul medie: 14,22%

Valori măsurate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 39 36 38 100 105 100 38 36 39 -120 36 38 100 169 175 169 100 38 36 -80 38 100 169 251 260 251 169 100 38 -40 100 169 251 328 340 328 251 169 100 0 105 175 260 340 370 340 260 175 105

40 100 169 251 328 340 328 251 169 100 80 38 100 169 251 260 251 169 100 38

120 36 38 100 169 175 169 100 38 36 160 39 36 38 100 105 100 38 36 39

Valori calculate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 44 61 81 97 103 97 81 61 44 -120 61 91 128 161 175 161 128 91 61 -80 81 128 192 256 285 256 192 128 81 -40 97 161 256 359 408 359 256 161 97 0 103 175 285 408 467 408 285 175 103

40 97 161 256 359 408 359 256 161 97 80 81 128 192 256 285 256 192 128 81

120 61 91 128 161 175 161 128 91 61 160 44 61 81 97 103 97 81 61 44

Eroarea de calcul punctuală [%] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 14 70 111 3 2 3 111 70 14 -120 70 138 27 5 0 5 27 138 70 -80 111 27 13 2 10 2 13 27 111 -40 3 5 2 10 20 10 2 5 3 0 2 0 10 20 26 20 10 0 2

40 3 5 2 10 20 10 2 5 3 80 111 27 13 2 10 2 13 27 111

120 70 138 27 5 0 5 27 138 70 160 14 70 111 3 2 3 111 70 14

Eroarea de calcul medie: 32,01%

Valori măsurate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 130.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 39 42 66 99 128 99 66 42 39

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 149

-120 42 66 99 211 258 211 99 66 42 -80 66 99 211 423 463 423 211 99 66 -40 99 211 423 652 660 652 423 211 99 0 128 258 463 660 680 660 463 258 128

40 99 211 423 652 660 652 423 211 99 80 66 99 211 423 463 423 211 99 66

120 42 66 99 211 258 211 99 66 42 160 39 42 66 99 128 99 66 42 39

Valori calculate [lx] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 130.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 55 76 100 120 129 120 100 76 55 -120 76 113 159 200 218 200 159 113 76 -80 100 159 238 318 354 318 238 159 100 -40 120 200 318 447 507 447 318 200 120 0 129 218 354 507 580 507 354 218 129

40 120 200 318 447 507 447 318 200 120 80 100 159 238 318 354 318 238 159 100

120 76 113 159 200 218 200 159 113 76 160 55 76 100 120 129 120 100 76 55

Eroarea de calcul punctuală [%] pentru o iluminare orizontală exterioară E0 = 130.000 lx

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 40 80 51 22 0 22 51 80 40 -120 80 71 61 5 15 5 61 71 80 -80 51 61 13 25 23 25 13 61 51 -40 22 5 25 31 23 31 25 5 22 0 0 15 23 23 15 23 23 15 0

40 22 5 25 31 23 31 25 5 22 80 51 61 13 25 23 25 13 61 51

120 80 71 61 5 15 5 61 71 80 160 40 80 51 22 0 22 51 80 40

Eroarea de calcul medie: 34,98%

Validare factor de lumină naturală în planul util al incintei principale Prin factor de lumină naturală se defineşte raportul procentual dintre iluminarea directă într-un punct al planului util şi iluminarea exterioară orizontală care determină valoarea iluminării directe în punctul considerat:

1000

⋅=EE

FLN dp [%] (5.61)

Spre deosebire de factorul de lumină de zi definit de CIE, factorul de lumină naturală definit mai sus nu este limitat numai pentru condiţii de cer acoperit, fiind utilizat şi în condiţii de cer senin datorită independenţei domului de captare a sistemului SOLUM SunPipe faţă de poziţia soarelui pe cer.

150 Capitolul 5

Media valorilor măsurate [%] pentru iluminările orizontale exterioare de mai sus

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 0,04 0,04 0,06 0,10 0,11 0,10 0,06 0,04 0,04 -120 0,04 0,06 0,10 0,16 0,19 0,16 0,10 0,06 0,04 -80 0,06 0,10 0,16 0,28 0,32 0,28 0,16 0,10 0,06 -40 0,10 0,16 0,28 0,45 0,46 0,45 0,28 0,16 0,10 0 0,11 0,19 0,32 0,46 0,50 0,46 0,32 0,19 0,11

40 0,10 0,16 0,28 0,45 0,46 0,45 0,28 0,16 0,10 80 0,06 0,10 0,16 0,28 0,32 0,28 0,16 0,10 0,06

120 0,04 0,06 0,10 0,16 0,19 0,16 0,10 0,06 0,04 160 0,04 0,04 0,06 0,10 0,11 0,10 0,06 0,04 0,04

Media valorilor calculate [%] pentru iluminările orizontale exterioare de mai sus

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 0,04 0,06 0,08 0,09 0,10 0,09 0,08 0,06 0,04 -120 0,06 0,09 0,12 0,15 0,17 0,15 0,12 0,09 0,06 -80 0,08 0,12 0,18 0,24 0,27 0,24 0,18 0,12 0,08 -40 0,09 0,15 0,24 0,34 0,39 0,34 0,24 0,15 0,09 0 0,10 0,17 0,27 0,39 0,44 0,39 0,27 0,17 0,10

40 0,09 0,15 0,24 0,34 0,39 0,34 0,24 0,15 0,09 80 0,08 0,12 0,18 0,24 0,27 0,24 0,18 0,12 0,08

120 0,06 0,09 0,12 0,15 0,17 0,15 0,12 0,09 0,06 160 0,04 0,06 0,08 0,09 0,10 0,09 0,08 0,06 0,04

Eroarea de calcul punctuală medie [%] pentru iluminările orizontale exterioare de mai sus

(xP, yP) -160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160 -160 0 30 33 4 9 4 33 30 0 -120 30 50 26 5 11 5 26 50 30 -80 33 26 13 14 15 14 13 26 33 -40 4 5 14 24 16 24 14 5 4 0 9 11 15 16 12 16 15 11 9

40 4 5 14 24 16 24 14 5 4 80 33 26 13 14 15 14 13 26 33

120 30 50 26 5 11 5 26 50 30 160 0 30 33 4 9 4 33 30 0

Eroarea de calcul medie: 17,98% În figurile 5.25 – 5.34 se prezintă grafic valorile măsurate şi valorile calculate ale iluminării directe în planul util din incinta iluminată cu conducta principală pentru cele patru scenarii luminoase exterioare considerate. De asemenea, se prezintă şi diagrama valorilor măsurate şi cea a valorilor calculate pentru factorul de lumină naturală în planul util din incinta iluminată cu difuzorul luminos al conductei principale.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 151

Iluminare orizontală exterioară E0 = 12.500 lx

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160[cm]

60-7050-6040-5030-4020-3010-200-10

Eext = 12,5 klx

Figura 5.25 Curbele izolux pentru valorile măsurate ale iluminării directe în planul util.

-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6[m]

60-70

50-60

40-50

30-40

20-30

10-20

0-10

Eext = 12,5 klx

Figura 5.26 Curbele izolux pentru valorile calculate ale iluminării directe în planul util.

152 Capitolul 5

Iluminare orizontală exterioară E0 = 50.000 lx

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160[cm]

280-320

240-280

200-240

160-200

120-160

80-120

40-80

0-40

Eext = 50 klx

Figura 5.27 Curbele izolux pentru valorile măsurate ale iluminării directe în planul util.

-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6[m]

280-320

240-280

200-240

160-200

120-160

80-120

40-80

0-40

Eext = 50 klx

Figura 5.28 Curbele izolux pentru valorile calculate ale iluminării directe în planul util.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 153

Iluminare orizontală exterioară E0 = 105.000 lx

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160[cm]

320-400

240-320

160-240

80-160

0-80

Eext = 105 klx

Figura 5.29 Curbele izolux pentru valorile măsurate ale iluminării directe în planul util.

-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6[m]

320-400

240-320

160-240

80-160

0-80

Eext = 105 klx

Figura 5.30 Curbele izolux pentru valorile calculate ale iluminării directe în planul util.

154 Capitolul 5

Iluminare orizontală exterioară E0 = 130.000 lx

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160[cm]

600-700500-600400-500300-400200-300100-2000-100

Eext = 130 klx

Figura 5.31 Curbele izolux pentru valorile măsurate ale iluminării directe în planul util.

-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6[m]

600-700

500-600

400-500

300-400

200-300

100-200

0-100

Eext = 130 klx

Figura 5.32 Curbele izolux pentru valorile calculate ale iluminării directe în planul util.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 155

Factorul de lumină naturală mediu

-160 -120 -80 -40 0 40 80 120 160

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

[%]

[cm]

0,45-0,500,40-0,450,35-0,400,30-0,350,25-0,300,20-0,250,15-0,200,10-0,150,05-0,100,00-0,05

Figura 5.33 Curba de variaţie a valorilor măsurate ale factorului de lumină naturală în planul util.

-1,6 -1,2 -0,8 -0,4 0 0,4 0,8 1,2 1,6

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

[%]

[m]

0,45-0,500,40-0,450,35-0,400,30-0,350,25-0,300,20-0,250,15-0,200,10-0,150,05-0,100,00-0,05

Figura 5.34 Curba de variaţie a valorilor calculate ale factorului de lumină naturală în planul util.

156 Capitolul 5

5.6 Studiu comparativ între utilizarea sistemului SOLUM şi utilizarea

unui sistem convenţional de iluminat natural Aşa cum se observă din analizele anterioare, sistemul SOLUM analizat prezintă o distribuţie relativ uniformă a iluminării pe planul util, comparabilă cu cea produsă de un aparat de iluminat simetric montat la plafon. În continuare, se propune un studiu teoretic şi experimental pentru a compara situaţiile în care aceeaşi încăpere este iluminată cu sistemul SOLUM SunPipe şi respectiv cu o fereastră clasică. Încăperea analizată are dimensiunile 3,2m x 3,2m x 2,3m iar planul util a fost considerat la înălţimea de 0,8m. În prima situaţie, această încăpere a fost alimentată cu lumină naturală provenită de la o fereastră de dimensiuni 1m x 1m, cu rama de 6cm grosime. În a doua situaţie, încăperea respectivă a fost iluminată cu lumină naturală prin intermediul sistemului SOLUM SunPipe studiat în paragrafele anterioare, care are diametrul conductei principale de 300mm şi o ramificaţie din care porneşte conducta secundară de 230mm diametru. Pentru ambele situaţii, au fost măsurate valorile iluminării într-o reţea de puncte din planul util, cu pasul de 0,4m, cu ajutorul luxmetrului VEMER VE 102 L cu o precizie specifică de ±5%. De asemenea, în aceeaşi reţea de puncte au fost calculate valorile iluminării pentru ambele situaţii. 5.6.1 Încăperea iluminată cu fereastră Valorile măsurate ale iluminării în reţeaua de puncte a planului util au fost comparate cu valorile calculate ale iluminării în aceeaşi reţea de puncte. Valorile iluminării au fost calculate cu ajutorul metodei factorului de lumină de zi, care este procedura recomandată de CIE pentru estimarea nivelului de iluminare naturală din clădiri. Algoritmul de calcul a fost analizat şi prezentat în subcapitolul 2.3.1 şi are la bază scenariul de cer acoperit standard CIE, în care luminanţa oricărui punct de pe cer având unghiul de înălţime θ este dată de relaţia:

( )θ+=θ sin213zLL (5.62)

unde Lz este luminanţa zenitului. Factorul de lumină de zi DF determinat prin această metodă este dat de relaţia:

( )IRCMFERCSCCDF g ⋅++= (5.63) unde SC este componenta cerului, ERC este componenta reflectată externă, IRC este componenta reflectată internă, iar MF este factorul de menţinere a suprafeţelor interioare, considerat a avea valoarea de 0,85. Factorul de vitrare Cg reprezintă reducerea iluminării interioare la trecerea luminii prin sticla ferestrei, fiind influenţat de transmitanţa ferestrei Tg, factorul de murdărire Dg şi de factorul de divizare a ferestrei Fg [77]:

ggg

g FDT

C ⋅⋅=85,0

(5.64)

Valorile acestor factori sunt următoarele: 9,0=gT ; 85,0=gD ; 72,0=gF pentru o fereastră dublă cu suprafaţa totală de 1m2 şi grosimea ramei de 6cm. Astfel, rezultă factorul de vitrare 65,0=gC .

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 157 Componenta cerului SC Componenta cerului pentru cerul acoperit CIE şi o fereastră similară celei din figura 5.35 este dată de următoarea ecuaţie [41]:

( ) ( ) 11 sin2sin71

sinsinarcsin72

cos14

3ϕθ

π−θϕ

π+θϕ−ϕ

π=SC (5.65)

unde unghiurile θ, ϕ şi ϕ1 sunt ilustrate în figura 5.35.

Figura 5.35 Unghiurile specifice calculului iluminării punctuale produse de fereastră. Pentru reţeaua de puncte considerată, valorile unghiurilor din figură sunt următoarele:

Valorile unghiului ϕ (grade) xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 1,24 9,20 15,17 17,74 18,19 17,59 16,56 15,42 14,30

0,4 m 2,40 16,50 23,61 24,53 23,11 21,07 19,05 17,23 15,64 0,8 m 7,26 36,03 37,84 33,25 28,47 24,49 21,32 18,79 16,75 1,2 m 150,26 80,07 55,49 41,63 32,93 27,09 22,94 19,86 17,50 1,6 m 168,58 102,68 64,01 45,24 34,71 28,07 23,54 20,25 17,76 2 m 150,26 80,07 55,49 41,63 32,93 27,09 22,94 19,86 17,50

2,4 m 7,26 36,03 37,84 33,25 28,47 24,49 21,32 18,79 16,75 2,8 m 2,40 16,50 23,61 24,53 23,11 21,07 19,05 17,23 15,64 3,2 m 1,24 9,20 15,17 17,74 18,19 17,59 16,56 15,42 14,30

Valorile unghiului θ (grade)

xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 42,24 40,51 36,32 31,56 27,25 23,66 20,75 18,39 16,46

0,4 m 54,94 51,12 43,25 35,75 29,80 25,26 21,80 19,11 16,98 0,8 m 73,08 63,43 49,49 38,95 31,56 26,31 22,46 19,55 17,28 1,2 m 83,62 67,59 51,12 39,71 31,96 26,54 22,60 19,64 17,35 1,6 m 63,32 57,37 46,67 37,57 30,82 25,88 22,19 19,37 17,16 2 m 47,97 45,44 39,71 33,69 28,58 24,51 21,31 18,78 16,74

2,4 m 37,55 36,32 33,23 29,48 25,88 22,74 20,12 17,95 16,15 2,8 m 30,45 29,80 28,02 25,67 23,19 20,86 18,78 16,98 15,43 3,2 m 25,46 25,07 23,99 22,46 20,75 19,03 17,41 15,95 14,64

158 Capitolul 5

Valorile unghiului ϕ1 (grade) xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 16,82 17,24 17,96 18,20 17,82 17,01 16,00 14,93 13,90

0,4 m 24,54 24,62 24,35 23,28 21,66 19,86 18,11 16,51 15,09 0,8 m 35,72 34,79 32,25 28,90 25,53 22,53 19,98 17,86 16,08 1,2 m 47,66 45,19 39,56 33,61 28,53 24,49 21,30 18,77 16,74 1,6 m 53,07 49,81 42,65 35,50 29,68 25,21 21,77 19,09 16,96 2 m 47,66 45,19 39,56 33,61 28,53 24,49 21,30 18,77 16,74

2,4 m 35,72 34,79 32,25 28,90 25,53 22,53 19,98 17,86 16,08 2,8 m 24,54 24,62 24,35 23,28 21,66 19,86 18,11 16,51 15,09 3,2 m 16,82 17,24 17,96 18,20 17,82 17,01 16,00 14,93 13,90

Tabelul 5.6 Valorile unghiurilor specifice calculului iluminării punctuale produse de fereastră, determinate în

reţeaua de puncte P din planul util ale încăperii considerate. Pentru aceste valori ale unghiurilor specifice, s-a calculat componenta cerului SC în aceeaşi reţea de puncte. Valorile acesteia sunt prezentate în tabelul 5.7 de mai jos.

Componenta cerului SC xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,02512 0,00851 0,00160 0,00456 0,00451 0,00367 0,00281 0,00212 0,00160

0,4 m 0,02857 0,00302 0,01357 0,01193 0,00850 0,00579 0,00397 0,00277 0,00199 0,8 m 0,00749 0,05399 0,04027 0,02336 0,01345 0,00808 0,00509 0,00337 0,00232 1,2 m 0,21204 0,15621 0,07154 0,03390 0,01742 0,00974 0,00586 0,00375 0,00253 1,6 m 0,15933 0,14641 0,07541 0,03556 0,01808 0,01002 0,00599 0,00382 0,00256 2 m 0,14179 0,09607 0,05178 0,02736 0,01505 0,00879 0,00544 0,00355 0,00242

2,4 m 0,04371 0,01711 0,02187 0,01566 0,01022 0,00664 0,00441 0,00301 0,00213 2,8 m 0,03691 0,00925 0,00419 0,00662 0,00576 0,00439 0,00323 0,00237 0,00175 3,2 m 0,02597 0,01183 0,00220 0,00168 0,00267 0,00257 0,00216 0,00173 0,00136

Tabelul 5.7 Valorile componentei cerului SC în reţeaua de puncte P din planul util.

Componenta reflectată externă ERC În metoda factorului de lumină de zi, suprafeţele care determină componenta reflectată externă ERC sunt presupuse a se întinde până la orizont. Pentru a stabili porţiunea din deschidere obstrucţionată, suprafeţele reflectante externe sunt reconfigurate astfel încât să se poate determina forma medie a obstrucţiilor. Se presupune în general că vederea prin deschidere din centrul spaţiului interior descrie porţiunea din deschidere care are vedere către cer şi porţiunea care reprezintă ERC. În aceste ipoteze, s-a considerat că forma reconfigurată a suprafeţelor reflectante externe ocupă 20% din suprafaţa ferestrei. Pentru încăperea considerată, suprafeţele reflectante externe au fost reprezentate de vegetaţie, având o reflectanţă medie de 0,15. Valorea ERC poate fi calculată din ecuaţiile componentei cerului pentru porţiunea din deschidere blocată de obstrucţii externe, notată prin SCobst, depinzând şi de reflectanţa medie a suprafeţelor reflectante externe ρsurf,avg [77]:

avgsurfobstSCERC ,ρ= (5.66)

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 159 Astfel, valorile componentei reflectate externe au fost calculate pe baza acestui algoritm în reţeaua de puncte P considerată pe planul util şi sunt prezentate în tabelul 5.8.

Componenta reflectată externă ERC xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,000815 0,000166 0,000017 0,000017 0,000021 0,000018 0,000014 0,000011 0,000008

0,4 m 0,001639 0,000186 0,000052 0,000060 0,000043 0,000029 0,000020 0,000014 0,000010

0,8 m 0,004253 0,000435 0,000281 0,000136 0,000072 0,000042 0,000026 0,000017 0,000012

1,2 m 0,018307 0,002919 0,000610 0,000214 0,000097 0,000051 0,000030 0,000019 0,000013

1,6 m 0,005371 0,002076 0,000623 0,000226 0,000101 0,000053 0,000031 0,000020 0,000013

2 m 0,007537 0,001075 0,000377 0,000166 0,000083 0,000046 0,000028 0,000018 0,000012

2,4 m 0,003821 0,000149 0,000111 0,000085 0,000054 0,000034 0,000023 0,000015 0,000011

2,8 m 0,001450 0,000248 0,000010 0,000029 0,000028 0,000022 0,000016 0,000012 0,000009

3,2 m 0,000754 0,000172 0,000037 0,000002 0,000012 0,000012 0,000011 0,000009 0,000007

Tabelul 5.8 Valorile componentei reflectate externe ERC în reţeaua de puncte P din planul util.

Componenta reflectată internă IRC Pentru calculul componentei reflectate interne IRC, încăperea analizată a fost împărţită într-o zonă superioară şi o zonă inferioară, separate de planul orizontal ce trece prin centrul (de greutate) al deschiderii verticale considerate [41]. Zona superioară se măsoară de la acest plan până la nivelul plafonului, iar zona inferioară de la planul orizontal de separaţie până la nivelul pardoselei. Întrucât încăperea analizată este în întregime finisată în lemn, s-a considerat că reflectanţa medie a suprafeţelor din încăpere, atât pentru zona superioară, cât şi pentru zona inferioară, este de 0,55. Relaţia de calcul utilizată pentru determinarea valorii IRC punctuale pe baza valorilor SC şi ERC din zonele superioară şi inferioară ale încăperii [78] este:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡δ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++δ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+= 22 sincos

1 lu

ul

l

uu

l

lu

u

l

lu

ggp R

ARf

AfR

ARf

Af

RRAT

IRC (5.67)

unde

Ag = suprafaţa vitrată a deschiderii Au = suprafaţa zonei superioare a deschiderii Al = suprafaţa zonei inferioare a deschiderii Ru = reflectanţa medie a zonei superioare Rl = reflectanţa medie a zonei inferioare δ = unghiul format de planul orizontal cu planul determinat de punctul de referinţă şi de dreapta de intersecţie dintre planul de separaţie şi planul ferestrei Tg = transmitanţa ferestrei

lll ERCSCf += uuu ERCSCf +=

Valorile acestor factori sunt: 72,0=gA m2; 36,0=uA m2; 36,0=lA m2; 55,0=uR ; 55,0=lR ; 9,0=gT , iar valorile unghiului δ şi ale factorilor fl şi fu sunt prezentate în tabelul 5.9 de

mai jos.

160 Capitolul 5

Valorile unghiului δ (grade) xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88

0,4 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 0,8 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 1,2 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 1,6 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 2 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88

2,4 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 2,8 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88 3,2 m 84,29 51,34 32,01 22,62 17,35 14,04 11,77 10,12 8,88

Factorul fu xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,00816 0,00528 0,00132 0,00061 0,00116 0,00115 0,00097 0,00078 0,00062

0,4 m 0,00657 0,00232 0,00211 0,00308 0,00265 0,00200 0,00146 0,00107 0,00079 0,8 m 0,00529 0,00927 0,00984 0,00705 0,00457 0,00296 0,00196 0,00134 0,00095 1,2 m 0,03157 0,03019 0,01983 0,01113 0,00627 0,00372 0,00233 0,00153 0,00106 1,6 m 0,05434 0,04257 0,02413 0,01262 0,00684 0,00395 0,00244 0,00159 0,00109 2 m 0,04008 0,03129 0,01848 0,01032 0,00590 0,00355 0,00225 0,00149 0,00103

2,4 m 0,00605 0,00827 0,00817 0,00601 0,00405 0,00270 0,00183 0,00127 0,00091 2,8 m 0,00711 0,00321 0,00107 0,00231 0,00219 0,00175 0,00132 0,00099 0,00075 3,2 m 0,00809 0,00546 0,00175 0,00019 0,00085 0,00095 0,00085 0,00071 0,00057

Factorul fl xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,01714 0,00553 0,00041 0,00091 0,00103 0,00085 0,00065 0,00049 0,00037

0,4 m 0,02933 0,00407 0,00299 0,00295 0,00207 0,00139 0,00094 0,00065 0,00047 0,8 m 0,03418 0,02136 0,01306 0,00648 0,00343 0,00198 0,00122 0,00080 0,00055 1,2 m 0,20600 0,08877 0,02618 0,00991 0,00456 0,00242 0,00141 0,00089 0,00060 1,6 m 0,09762 0,06881 0,02646 0,01035 0,00475 0,00249 0,00145 0,00091 0,00061 2 m 0,09677 0,03825 0,01647 0,00762 0,00388 0,00217 0,00131 0,00084 0,00057

2,4 m 0,05207 0,00029 0,00550 0,00401 0,00254 0,00161 0,00105 0,00071 0,00050 2,8 m 0,02755 0,00739 0,00008 0,00144 0,00135 0,00104 0,00076 0,00056 0,00041 3,2 m 0,01561 0,00589 0,00134 0,00018 0,00057 0,00059 0,00050 0,00040 0,00032

Tabelul 5.9 Valorile unghiului δ şi ale factorilor fu şi fl în reţeaua de puncte P ale planului util.

Componenta reflectată internă IRC xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,01340 0,00636 0,00095 0,00093 0,00127 0,00113 0,00091 0,00071 0,00054

0,4 m 0,01733 0,00370 0,00307 0,00353 0,00270 0,00190 0,00133 0,00095 0,00069 0,8 m 0,01040 0,01759 0,01373 0,00790 0,00456 0,00276 0,00176 0,00117 0,00082 1,2 m 0,11070 0,06788 0,02758 0,01225 0,00614 0,00342 0,00206 0,00133 0,00090 1,6 m 0,08226 0,06462 0,02997 0,01326 0,00653 0,00358 0,00213 0,00136 0,00092 2 m 0,07111 0,04070 0,02043 0,01024 0,00548 0,00316 0,00195 0,00127 0,00087

2,4 m 0,01737 0,00502 0,00785 0,00566 0,00367 0,00237 0,00158 0,00108 0,00077 2,8 m 0,01699 0,00608 0,00060 0,00211 0,00197 0,00153 0,00114 0,00084 0,00063 3,2 m 0,01270 0,00667 0,00179 0,00021 0,00080 0,00085 0,00074 0,00061 0,00048

Tabelul 5.10 Valorile componentei reflectate interne IRC în reţeaua de puncte P din planul util.

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 161 Tabelul 5.10 prezintă valorile componentei reflectate interne IRC calculate în reţeaua de puncte P din planul util, pe baza relaţiei (5.67) cu ajutorul factorilor prezentaţi mai sus. Factorul de lumină de zi DF calculat Pe baza relaţiei (5.63) au fost calculate valorile factorului de lumină de zi DF în reţeaua de puncte P ale planului util, prezentate în tabelul 5.11 de mai jos.

Factorul de lumină de zi DF calculat xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,02424 0,00914 0,00158 0,00349 0,00364 0,00302 0,00233 0,00177 0,00135

0,4 m 0,02919 0,00412 0,01054 0,00974 0,00704 0,00483 0,00332 0,00233 0,00168 0,8 m 0,01337 0,04505 0,03391 0,01962 0,01130 0,00679 0,00429 0,00284 0,00196 1,2 m 0,21071 0,14081 0,06208 0,02892 0,01477 0,00824 0,00497 0,00318 0,00215 1,6 m 0,15237 0,13211 0,06592 0,03056 0,01541 0,00852 0,00509 0,00325 0,00218 2 m 0,13623 0,08556 0,04515 0,02353 0,01286 0,00748 0,00463 0,00302 0,00206

2,4 m 0,04046 0,01398 0,01861 0,01335 0,00870 0,00564 0,00375 0,00256 0,00181 2,8 m 0,03429 0,00952 0,00306 0,00548 0,00485 0,00371 0,00274 0,00201 0,00149 3,2 m 0,02437 0,01147 0,00244 0,00121 0,00218 0,00214 0,00182 0,00146 0,00116

Tabelul 5.11 Valorile factorului de lumină de zi DF calculate în reţeaua de puncte P din planul util.

Factorul de lumină de zi DF măsurat Tabelul 5.12 de mai jos arată valorile factorului de lumină de zi determinat în reţeaua de puncte ale planului util la o valoare a iluminării orizontale exterioare de 20.000 lx, în condiţii de cer acoperit, prin măsurarea iluminării orizontale în aceste puncte din planul util şi raportarea acestor valori la iluminarea orizontală exterioară considerată.

Factorul de lumină de zi DF măsurat xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,02450 0,00950 0,00175 0,00350 0,00325 0,00300 0,00250 0,00175 0,00125

0,4 m 0,02950 0,00450 0,01050 0,00950 0,00700 0,00500 0,00350 0,00250 0,00175 0,8 m 0,01400 0,04500 0,03450 0,01950 0,01150 0,00700 0,00450 0,00300 0,00200 1,2 m 0,15000 0,13000 0,06000 0,02900 0,01450 0,00800 0,00500 0,00325 0,00225 1,6 m 0,16500 0,13500 0,06500 0,03100 0,01550 0,00850 0,00550 0,00350 0,00250 2 m 0,15000 0,13000 0,06000 0,02900 0,01450 0,00800 0,00500 0,00325 0,00225

2,4 m 0,01400 0,04500 0,03450 0,01950 0,01150 0,00700 0,00450 0,00300 0,00200 2,8 m 0,02950 0,00450 0,01050 0,00950 0,00700 0,00500 0,00350 0,00250 0,00175 3,2 m 0,02450 0,00950 0,00175 0,00350 0,00325 0,00300 0,00250 0,00175 0,00125

Tabelul 5.12 Valorile factorului de lumină de zi DF măsurat în reţeaua de puncte P din planul util.

Prin compararea valorilor măsurate cu cele calculate, se constată că eroarea medie de calcul prin metoda factorului de lumină de zi în situaţia alimentării încăperii considerate cu lumină naturală prin intermediul ferestrei a fost de 16,60%. Valoarea relativ mare a acestei erori poate fi explicată prin introducerea unor erori de măsurare de către aparatul de măsură utilizat şi de către variabilitatea relativă a iluminării naturale inclusiv pentru tipul de cer acoperit, precum şi prin existenţa unor inexactităţi ale metodei de calcul.

162 Capitolul 5

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,20

0,8

1,6

2,4

3,2

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

[%]

[m]

[m]

Figura 5.36 Variaţia factorului de lumină de zi DF determinat de fereastră pe planul util (valori calculate).

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,20

0,8

1,6

2,4

3,2

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

[%]

[m]

[m]

Figura 5.37 Variaţia factorului de lumină de zi DF determinat de fereastră pe planul util (valori măsurate).

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 163 Figurile 5.36 şi 5.37 de mai sus arată variaţia factorului de lumină de zi DF în reţeaua de puncte ale planului util în prezenţa ferestrei pentru valorile calculate, respectiv măsurate. 5.6.2 Încăperea iluminată cu sistemul original SOLUM SunPipe Pentru acest scenariu, s-au utilizat valorile factorului de lumină de zi prezentate în paragraful 5.5, care au fost măsurate şi calculate pentru aceeaşi încăpere care a fost iluminată în prima situaţie cu lumină naturală provenită prin fereastră.

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,20

0,8

1,6

2,4

3,2

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

[%]

[m]

[m]

Figura 5.38 Variaţia factorului de lumină de zi DF (calculat) determinat de SOLUM SunPipe pe planul util.

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,20

0,8

1,6

2,4

3,2

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

[%]

[m]

[m]

Figura 5.39 Variaţia factorului de lumină de zi DF (măsurat) determinat de SOLUM SunPipe pe planul util.

164 Capitolul 5

În acest caz, fereastra a fost obturată, aportul de lumină naturală realizându-se numai prin intermediul conductei principale de diametrul 300mm din cadrul sistemului SOLUM SunPipe analizat. Spre deosebire de factorul de lumină de zi definit de CIE pentru deschideri verticale sau orizontale în clădiri, factorul de lumină naturală definit mai sus nu este limitat numai pentru condiţii de cer acoperit, fiind utilizat şi în condiţii de cer senin datorită independenţei domului de captare a sistemului SOLUM SunPipe faţă de poziţia soarelui pe cer. Astfel, prin faptul că razele de lumină sunt mereu prelucrate prin reflexie internă repetată în tubul solar, prezenţa soarelui pe cer nu mai are importanţă, factorul de lumină naturală fiind doar o expresie a cantităţii de lumină care este incidentă pe planul util, raportată la disponibilul de lumină de la exterior. În consecinţă, pentru acest factor poate fi introdus şi termenul de factor de lumină de zi. Figurile 5.38 şi 5.39 de mai sus arată variaţia factorului de lumină de zi DF în reţeaua de puncte ale planului util în prezenţa sistemului SOLUM SunPipe pentru valorile calculate, respectiv măsurate. Eroarea medie ce apare la confruntarea valorilor calculate cu valorile măsurate ale acestui factor a fost stabilită mai sus ca fiind de 17,98%. 5.6.3 Analiză comparativă Pentru fiecare dintre cele două situaţii analizate, au fost prezentate mai sus variaţiile factorului de lumină de zi în planul util, atât pentru valorile calculate, cât şi pentru cele măsurate. În cele ce urmează se reprezintă grafic comparaţia dintre aceste două scenarii, în dorinţa de a se stabili care sistem este mai eficient din punct de vedere al transferului de lumină şi de asemenea care sistem este mai avantajos din punct de vedere al uniformităţii iluminării pe planul util. Încă de la prima vedere se observă că în cazul utilizării sistemului SOLUM SunPipe distribuţia iluminării în planul util este mai uniformă. De aceea, pentru fiecare punct din reţeaua considerată pe planul util se defineşte factorul de ameliorare FA ca fiind raportul dintre factorul de lumină de zi DFP,SOLUM determinat de sistemul SOLUM SunPipe şi factorul de lumină de zi DFP,fereastra determinat de fereastră în punctul respectiv. Astfel:

fereastraP

SOLUMPP DF

DFFA

,

,= (5.68)

Tabelul 5.13 arată care sunt valorile factorului de ameliorare pentru situaţia în care se lucrează cu valorile calculate prin algoritmii consideraţi, iar tabelul 5.14 arată valorile aceluiaşi factor obţinute atunci când se consideră valorile măsurate în cele două scenarii: încăpere iluminată cu fereastră şi încăpere iluminată cu sistemul SOLUM.

Factorul de ameliorare FA (aplicat la valorile calculate) xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 1,72 6,35 48,34 26,32 26,92 30,42 32,72 32,79 31,04

0,4 m 1,99 20,90 11,46 15,68 23,62 31,62 36,35 36,93 34,63 0,8 m 5,71 2,68 5,35 12,37 23,89 35,71 42,26 42,48 38,90 1,2 m 0,44 1,08 3,91 11,77 26,16 41,28 48,86 47,99 42,78 1,6 m 0,64 1,26 4,09 12,64 28,69 45,36 53,01 51,19 44,94 2 m 0,67 1,78 5,37 14,47 30,05 45,50 52,45 50,63 44,60

2,4 m 1,89 8,64 9,76 18,17 31,03 42,99 48,45 47,13 42,18 2,8 m 1,69 9,05 39,47 27,86 34,30 41,15 44,18 42,88 38,95 3,2 m 1,71 5,06 31,29 75,80 44,90 42,79 41,99 39,68 36,09

Tabelul 5.13 Valorile factorului de ameliorare FA obţinut prin utilizarea sistemului SOLUM SunPipe (aplicat

la valorile calculate ale factorilor de lumină de zi).

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 165

Factorul de ameliorare FA (aplicat la valorile măsurate) xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 1,70 4,71 32,92 27,36 33,27 31,92 23,04 25,55 33,32

0,4 m 1,52 12,80 9,12 16,89 26,54 32,09 27,36 23,04 25,55 0,8 m 4,12 2,13 4,65 14,53 27,47 40,48 35,66 31,92 28,81 1,2 m 0,64 1,23 4,72 15,35 31,85 55,63 56,67 49,37 42,56 1,6 m 0,66 1,38 4,86 14,90 32,51 54,34 57,44 53,08 43,25 2 m 0,64 1,23 4,72 15,35 31,85 55,63 56,67 49,37 42,56

2,4 m 4,12 2,13 4,65 14,53 27,47 40,48 35,66 31,92 28,81 2,8 m 1,52 12,80 9,12 16,89 26,54 32,09 27,36 23,04 25,55 3,2 m 1,70 4,71 32,92 27,36 33,27 31,92 23,04 25,55 33,32

Tabelul 5.14 Valorile factorului de ameliorare FA obţinut prin utilizarea sistemului SOLUM SunPipe (aplicat

la valorile măsurate ale factorilor de lumină de zi).

43,52

39,35

44,47

39,65

29,95

23,90

17,67

6,31

1,830,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2

Figura 5.40 Variaţia factorului de ameliorare FA în raport cu adâncimea încăperii (pentru valorile calculate).

33,75

34,76

38,10

41,62

30,09

18,13

11,97

4,79

1,840,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

50,00

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2

Figura 5.41 Variaţia factorului de ameliorare FA în raport cu adâncimea încăperii (pentru valorile măsurate).

166 Capitolul 5

Figurile 5.40 şi 5.41 prezintă curba de variaţie a factorului de ameliorare FA pentru fiecare dintre situaţiile în care se utilizează valorile calculate şi respectiv măsurate ale factorilor de lumină de zi determinate pe planul util de fereastră şi de sistemul SOLUM SunPipe. Valorile reprezentate grafic reprezintă valoarea medie a factorului de ameliorare FA în punctele din reţeaua considerată pe planul util, care sunt situate pe liniile reţelei paralele cu planul ferestrei. Figurile 5.42 şi 5.43 arată comparativ variaţia factorului de lumină de zi în raport cu adâncimea încăperii pentru situaţia în care se utilizează sistemului SOLUM şi pentru situaţia în care se asigură aportul de lumină naturală numai prin fereastră.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2

[m]

[%] SOLUM

Fereastra

Figura 5.42 Variaţia factorului de lumină de zi DF în raport cu adâncimea încăperii (pentru valorile calculate).

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2

[m]

[%] SOLUM

Fereastra

Figura 5.43 Variaţia factorului de lumină de zi DF în raport cu adâncimea încăperii (pentru valorile măsurate).

SOLUM – sistem original de iluminat interior integrat 167 Se observă astfel că prin utilizarea sistemului SOLUM SunPipe aportul de lumină naturală în zona opusă ferestrei creşte semnificativ, fiind chiar de circa 40 ori mai mare decât în cazul utilizării ferestrei în regiunea din planul util învecinată proiecţiei difuzorului luminos de plafon al sistemului SOLUM. De altfel, în această zonă iluminarea orizontală produsă de sistemul SOLUM este maximă, ea scăzând treptat spre celelalte zone din încăpere. În schimb, se demonstrează şi pe această cale ineficienţa unui strategii de iluminat natural prin realizarea aportului de lumină naturală numai prin ferestre laterale, deoarece în acest caz iluminarea orizontală în planul util scade substanţial odată cu adâncimea încăperii. Astfel, cu excepţia zonei aflate în imediata vecinătate a ferestrei, contribuţia ferestrei în iluminatul interior este foarte scăzută, fiind insuficientă asigurării nivelului recomandat de iluminare pe planul util. Potenţialul de realizare a acestui nivel de iluminare este net superior în cazul utilizării sistemului SOLUM în zona centrală a încăperii, acest potenţial variind în funcţie de disponibilul de lumină naturală la exterior. Se notează cu FU1 şi FU2 factorii de uniformitate a iluminării pe planul util, definiţi prin relaţiile:

medP

P

EE

FU,

min,1 = şi

max,

min,2

P

P

EE

FU = (5.69)

Valorile acestor factori de uniformitate pentru cele două situaţii analizate sunt:

Scenariul Valori calculate Valori măsurate

Încăpere iluminată de la fereastră 06,01 =FU 01,02 =FU

06,01 =FU 01,02 =FU

Încăpere iluminată cu SOLUM SunPipe27,01 =FU 09,02 =FU

25,01 =FU 08,02 =FU

Prin urmare, se observă că şi din punct de vedere al uniformităţii iluminării pe planul util sistemul SOLUM SunPipe este mai avantajos, factorul de uniformitate FU1 fiind chiar de 4-5 ori mai mare decât cel corespunzător încăperii iluminate de la fereastra laterală, în timp ce factorul de uniformitate FU2 este de 8-9 ori mai mare.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,05 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2

[m]

[%]

SOLUMFereastraSOLUM + fereastra

Figura 5.44 Variaţia factorului de lumină de zi DF în raport cu adâncimea încăperii iluminate.

168 Capitolul 5

Prin combinarea celor două situaţii de mai sus, se poate analiza aceeaşi încăpere iluminată simultan de la fereastră şi cu sistemul SOLUM SunPipe, caz în care variaţia factorului de lumină de zi DF în raport cu adâncimea încăperii este prezentată în figura 5.43 de mai sus. Această situaţie este analizată numai pe baza valorilor calculate ale factorilor de lumină de zi, întrucât măsurările efectuate nu au cuprins şi acest scenariu. Observând însă similitudinea dintre valorile măsurate şi cele calculate pentru celelalte scenarii, se poate afirma că toate concluziile trase pentru acest scenariu sunt realiste. Prin urmare, se observă că prin utilizarea simultană a ferestrei şi a sistemului SOLUM SunPipe, se măreşte uniformitatea iluminării în zona apropiată de fereastră din planul util, în timp ce în zona opusă modificările propuse sunt nesemnificative. Astfel, factorii de uniformitate în această situaţie au următoarele valori:

Zona din încăpere Valori calculate

Jumătatea dinspre fereastră33,01 =FU 14,02 =FU

Jumătatea opusă ferestrei 25,01 =FU 09,02 =FU

Tabelul 5.13 de mai jos prezintă valorile punctuale ale factorului de lumină de zi DF calculat pentru situaţia în care sistemul SOLUM SunPipe realizează aportul de lumină naturală simultan cu menţinerea ferestrei laterale.

Factorul de lumină de zi DF pentru SOLUM SunPipe + fereastră xP/yP 0,05 m 0,4 m 0,8 m 1,2 m 1,6 m 2 m 2,4 m 2,8 m 3,2 m 0 m 0,066 0,067 0,078 0,095 0,102 0,095 0,079 0,060 0,043

0,4 m 0,087 0,090 0,131 0,162 0,173 0,158 0,124 0,088 0,060 0,8 m 0,090 0,166 0,215 0,262 0,281 0,249 0,186 0,124 0,078 1,2 m 0,302 0,294 0,305 0,369 0,401 0,349 0,248 0,156 0,094 1,6 m 0,250 0,298 0,336 0,417 0,458 0,395 0,275 0,169 0,100 2 m 0,228 0,238 0,288 0,364 0,399 0,348 0,247 0,156 0,094

2,4 m 0,117 0,135 0,200 0,256 0,279 0,248 0,185 0,123 0,078 2,8 m 0,092 0,096 0,124 0,158 0,171 0,156 0,124 0,088 0,060 3,2 m 0,066 0,070 0,079 0,093 0,100 0,094 0,078 0,060 0,043

Tabelul 5.13 Valorile factorului de lumină de zi DF măsurat în reţeaua de puncte P din planul util în situaţia

în care sistemul SOLUM SunPipe este utilizat simultan cu fereastra laterală.

CC AA PP II TT OO LL UU LL 66

CCoonncclluuzziiii,, ccoonnttrriibbuuţţiiii oorriiggiinnaallee şşii ppeerrssppeeccttiivvee ddee ddeezzvvoollttaarree

ppeennttrruu vviiiittoorruull aapprrooppiiaatt Prezenţa luminii naturale în spaţiul interior a devenit o necesitate nu numai prin prisma realizării unei importante economii de energie electrică pentru iluminat şi, în cazul unei analize corecte a influenţelor energetice dintre structura clădirii, iluminat şi climatizare, a unei economii de energie globală pentru diverse tipuri de clădiri, ci în primul rând datorită efectelor pozitive pe care le prezintă asupra organismului uman, atât din punct de vedere psihologic, cât şi fiziologic. Impactul luminii naturale trebuie însă să fie analizat cu mare atenţie astfel încât să se evite apariţia efectelor negative, cum ar fi pe de o parte orbirea fiziologică sau psihologică a observatorilor, iar pe de altă parte dezechilibrul termic al clădirii. Cu anumite excepţii, datorate tipului activităţii desfăşurate, concepţia iluminatului trebuie prin urmare să se realizeze pe baza unui iluminat natural integrat cu iluminatul electric suplimentar permanent, care are rolul de a compensa scăderea contribuţiei naturale şi de a realiza o uniformitate a iluminării în planul util şi a distribuţiei luminanţelor în câmpul vizual. În funcţie de tipul şi structura clădirii, precum şi de utilizarea unui anumit tip de sistem modern de iluminat natural, capabil să direcţioneze lumina către anumite suprafeţe din interior, determinând o uniformitate mai mare a iluminării şi un echilibru mai bun de luminanţe, sau să transporte lumina naturală în spaţiile interioare unde altfel nu ar putea ajunge, se poate ca mediul luminos interior confortabil să fie realizat doar prin contribuţia luminii naturale. Dar clădirea modernă trebuie prevăzută cu sisteme de control automate care să preia orice variaţie a componentei naturale şi să regleze fin fluxul luminos al surselor electrice. Acest proces trebuie să ţină seama de adaptarea vizuală a sistemului vizual uman şi să se realizeze fără să perturbe prin variaţii mai puţin fine activitatea vizuală. Conectarea şi deconectarea iluminatului electric fără un reglaj fin contribuie la senzaţii supărătoare şi la inconfort vizual. Menţinerea constantă a confortului vizual nu presupune menţinerea la acelaşi nivel a componentelor cantitative şi calitative ale mediului luminos interior. Dimpotrivă, caracterul dinamic al luminii, specific luminii naturale, prezintă efecte pozitive asupra activităţii fiziologice şi psihologice umane. Astfel, datorită variaţiilor intensităţii luminii naturale, deci ale nivelului de iluminare din interior, organismul îşi reglează activităţile

Contribuţii originale, concluzii şi perspective de dezvoltare 169 specifice după un program propriu bine stabilit. Acest ritm, numit ritm circadian, contribuie la menţinerea sănătăţii organismului, dar datorită adaptării la situaţii noi, acesta poate fi modificat prin expunerea la niveluri ridicate de iluminare pentru a spori sau a menţine starea de atenţie specifică anumitor activităţi vizuale sau în cazul lucrului pe timpul nopţii. Totuşi, aceste adaptări şi schimbări mai mult sau mai puţin continue sau forţate pot conduce la dezechilibru fiziologic sau psihologic şi la apariţia unor boli. Influenţa variaţiei nivelului de iluminare asupra creierului şi organismului uman în ansamblu este clară, cercetările dovedind adaptarea de-a lungul timpului a acestora la lumina naturală şi deci preferinţa pentru lumina naturală sau o imitare cât mai exactă a acesteia prin iluminat electric. Trebuie însă mare grijă la temperatura de culoare, al cărei efect asupra observatorilor diferă categoric. Astfel, dacă lumina naturală are o temperatură de culoare ridicată, compoziţia spectrală a acesteia şi influenţa psihologică asupra omului îi menţin atractivitatea; nu la fel se întâmplă cu sursele de lumină electrice cu temperaturi de culoare de peste 5000 K în medii destinate activităţilor intelectuale. De aceea toate aceste aspecte trebuie analizate cu atenţie, iar integrarea iluminatului natural cu iluminatul electric suplimentar permanent trebuie să se realizeze şi din acest punct de vedere. Pentru a menţine constant confortul vizual în mediul luminos interior integrat, dinamic datorită variabilităţii luminii naturale, este necesară obţinerea, pentru orice intensitate şi direcţie a luminii naturale, a aspectelor cantitative şi calitative din structura mediului luminos interior, care să asigure redarea corectă a sarcinii vizuale şi a contrastelor, evitarea orbirii fiziologice şi psihologice şi a reflexiilor de voal, precum şi echilibrul de luminanţe şi cromatic al spaţiului interior, elemente caracteristice confortului vizual. Soarele este sursa primară de lumină şi de-a lungul secolelor a creat mediul vizual la care oamenii s-au adaptat. Pe lângă efectele vizuale, lumina solară prezintă efecte fiziologice importante asupra organismului uman şi induce stări comportamentale şi psihice pozitive. Atmosfera terestră protejează viaţa pe pământ împotriva radiaţiilor solare şi cosmice nocive, dar în acelaşi timp determină o variabilitate extremă a disponibilului de lumină naturală. Se impune precizarea diferenţei dintre lumina solară şi lumina cerului, cea din urmă fiind o lumină difuză, mai plăcută, cunoscută sub numele de lumina zilei. Lumina provenită de la cer este produsă prin difuzia atmosferică, fenomen a cărui intensitate şi manifestare depinde de poziţia soarelui pe cer, compoziţia atmosferei şi regiunea de pe pământ. Atmosfera terestră difuzează preferenţial radiaţiile de lungime scurtă de undă, ceea ce determină culoarea albastră a cerului. Lumina zilei este considerată şi iluminant de referinţă şi prin urmare are proprietatea de redare ideală a culorilor. Lumina naturală prezintă numeroase aspecte pozitive, dar de asemenea are şi un dezavantaj pentru concepţia iluminatului, şi anume variabilitatea sa extremă. Metoda factorului de lumină de zi şi metoda transferului de flux sunt principalele modele şi metode de estimare matematică a disponibilului de lumină naturală şi a efectelor interioare a acesteia atât din punct de vedere cantitativ cât şi calitativ. Metoda factorului de lumină de zi poate prezenta o precizie admisibilă şi a fost dezvoltată într-o tehnică importantă de concepţie şi analiză manuală. Are totuşi şi câteva limitări majore: nu poate ţine seama de contribuţia luminii solare directe într-un punct de referinţă sau reflectată de un perete al încăperii; nu poate ţine seama de lumina interreflectată din încăperea analizată (ce are ferestre) sau din spaţiile adiacente acesteia sau de lumina reflectată de suprafeţe înclinate din încăperea iluminată natural; nu permite analiza unei varietăţi largi de tipuri de deschideri pentru accesul luminii naturale atât pentru condiţii de cer acoperit cât şi pentru condiţii de cer senin; nu permite analiza sistemelor de iluminat natural indirecte. Metoda transferului de flux înlătură câteva din dezavantajele metodei factorului de lumină de zi şi este larg recunoscută ca una dintre cele mai cuprinzătoare metode de analiză a iluminatului natural, fiind adeseori implementată în analize computerizate.

170 Capitolul 6

Un sistem de iluminat natural trebuie ales în concordanţă cu clima, tipul de cer predominant, latitudinea aşezării şi orientarea faţadei. Economia de energie este în strânsă legătură cu concepţia sistemului de iluminat natural ca o parte a unui sistem integrat care să includă şi sisteme de control capabile să răspundă variaţiilor luminii naturale. Concepţia clădirilor iluminate natural variază în practică în funcţie de climat şi poziţia pe glob. Clădirile situate la latitudini ridicate, aşa cum se precizează în standardele de concepţie a clădirilor, necesită o structură care să permită accesul ridicat al luminii naturale, în condiţiile în care disponibilul de lumină naturală pentru aceste latitudini este limitat. Clădirile situate la latitudini scăzute, caracterizate printr-un disponibil ridicat de lumină solară şi de la cer, trebuie să rezolve şi problemele legate de sarcina de răcire şi prin urmare, în trecut, concepţia acestora nu s-a bazat prea mult pe utilizarea luminii naturale. În prezent, datorită interesului pentru reducerea consumului de energie şi pentru îmbunătăţirea condiţiilor de lucru, utilizarea sistemelor avansate de iluminat natural devine un element pozitiv în concepţia clădirilor. Elementele fixe, cu suprafeţe oglindate, de direcţionare a luminii sunt destinare în principal direcţionării luminii solare. Lumina solară şi lumina cerului pentru unghiuri de înălţime ridicate, reflectate de aceste elemente, cresc nivelul de iluminare interior produs de lumina naturală. Porţiunile cerului aflate la unghiuri de înălţime scăzute (spre exemplu între 10° şi 40° deasupra orizontului) aduc o contribuţie interioară redusă. Elementele fixe de tipul sistemelor „Fish” sau „Okasolar” pot controla orbirea, dar reduc nivelul de iluminare interior, reprezentând opţiuni de iluminat natural pentru încăperi adânci din zone cu climat temperat. Sistemele clasice de jaluzele creează o distribuţie moderată a iluminării. Gradul optim de închidere a lamelelor este dictat de controlul orbirii şi accesului luminii solare directe, precum şi de nivelul necesar de iluminare. Atunci când se utilizează un sistem automat de control al jaluzelelor care să blocheze accesul direct al luminii solare şi care este sincronizat cu iluminatul electric variabil, se obţin economii de energie substanţiale în comparaţie cu situaţia în care se utilizează doar un sistem clasic de jaluzele statice integrat cu acelaşi sistem de control al iluminatului electric. Elementele de direcţionare tratate optic reprezintă o îmbunătăţire semnificativă faţă de elementele convenţionale, putând crea mediul luminos corespunzător pentru diverse sarcini vizuale în condiţii atmosferice variate. Elementele externe direcţionează lumina difuză a cerului, dar şi lumina solară directă. Un astfel de element, dacă este înclinat către interior (cu 30°) poate creşte nivelul de iluminare din adâncimea încăperii. Un element intern va reduce aceste niveluri de iluminare. Asemenea panourilor prismatice, panourile cu microperforaţii realizate cu raze laser cresc nivelul de iluminare cu 10-20% în adâncimea încăperii, mai ales în condiţii de cer senin şi însorit. Atunci când aceste panouri sunt înclinate se obţin niveluri de iluminare mai ridicate şi se poate reduce şi factorul de orbire. Sticla de direcţionare a luminii solare măreşte nivelul de iluminare în adâncimea încăperii pentru condiţii de cer însorit. În general, sistemele cu ecranare asigură economia de energie prin rezolvarea problemelor de ecranare solară şi de iluminat natural; sistemele de iluminat natural fără ecranare situate deasupra nivelului ochilor, redirecţionând lumina solară către plafonul încăperii (cum este cazul panourilor prismatice sau a celor cu microperforaţii realizate cu raze laser), pot conduce la economii considerabile de energie electrică, dar necesită un proces detaliat de concepţie care să ţină seama de gradul de înclinare şi evitarea orbirii. Sistemele anidolice se comportă bine în condiţii de cer acoperit sau noros. Sistemele de jaluzele cu control automat au dovedit că sunt sisteme eficiente cu un potenţial de economie de energie electrică mult mai ridicat decât sistemele clasice. Dintre numeroasele tehnici de iluminat natural, numai câteva transmit lumina naturală în spaţii interioare adânci şi încă şi mai puţine sunt capabile să ghideze lumina naturală către spaţii închise care nu au nici o legătură cu exteriorul clădirii. În ultima perioadă s-a

Contribuţii originale, concluzii şi perspective de dezvoltare 171 încercat din ce în ce mai mult creşterea eficienţei luminoase a sistemelor de transport a luminii naturale; din pricina pierderilor de lumină la ramificaţii, este încă dificilă din punct de vedere tehnologic şi costisitoare din punct de vedere financiar crearea unui sistem ramificat de tuburi de lumină capabil să ilumineze diverse spaţii interioare cu lumină naturală dintr-o conductă principală de alimentare. Ca răspuns la aceste cerinţe, contribuţia originală a autorului constă în crearea sistemului original de iluminat interior integrat SOLUM având la bază sistemul de iluminat natural cu tuburi solare SunPipe. Sistemul SOLUM este capabil să ilumineze orice spaţiu interior fără deschideri exterioare cu lumină naturală prin intermediul unui sistem ramificat de tuburi de lumină. Beneficiind de avantajele deosebite ale sistemului SunPipe, care realizează în mod eficient inclusiv pentru condiţii de cer acoperit captarea şi focalizarea luminii naturale către conducta principală de alimentare cu lumină, o altă contribuţie originală a autorului se referă la crearea unui dispozitiv optic de schimbare a direcţiei razelor de lumină către conductele secundare orizontale. Originalitatea sistemului SOLUM este completată de posibilitatea alimentării acestuia cu energie electrică obţinută prin conversia energiei solare cu ajutorul unui panou fotovoltaic, realizându-se astfel un sistem de iluminat integrat natural şi electric bazat în exclusivitate pe energia solară. De asemenea, panoul fotovoltaic poate fi dublat de o turbină de vânt, asigurându-se astfel continuitatea procesului de conversie a energiei regenerabile (solare şi/sau eoliene) în energie electrică, pentru orice condiţii exterioare. În cazul sistemului SOLUM 3M în care conductele orizontale sunt reprezentate de tuburile de lumină 3M, prin amplasarea surselor de lumină electrice la capetele libere ale conductelor secundare se materializează ideea originală de alimentare a tubului de lumină cu lumină naturală şi lumină electrice din două puncte diametral opuse. Se obţine astfel sistemul integrat de iluminat cu tuburi de lumină capabil să menţină la nivelul necesar iluminarea în spaţiul deservit, indiferent de variaţia luminii naturale la exterior, prin asigurarea iluminatului electric suplimentar permanent dinamic. În ceea ce priveşte sursele de lumină electrice ce pot fi utilizate la sistemul SOLUM, în funcţie de destinaţia sistemului se aleg surse corespunzătoare din punct de vedere al eficacităţii luminoase şi al culorii. În general se recomandă culori cald-neutre (Tc = 3000K) sau neutre (Tc = 4000K) pentru funcţionarea sistemului pe timpul serii şi/sau al nopţii sau neutru-reci (Tc ≥ 4500K) pentru integrarea cu lumina naturală în timpul zilei. De asemenea se va alege o sursă cu un indice de redare a culorilor în funcţie de destinaţia încăperii şi de importanţa redării corecte a culorilor. Deşi în studiul experimental au fost folosite lămpi incandescente cu halogen, având în vedere eficacitatea scăzută a acestora, se recomandă utilizarea surselor punctuale cu eficacitate ridicată [18], şi anume:

lampa cu descărcări în vapori de mercur la înaltă presiune şi cu adaosuri de halogenuri metalice, Tc = 4200K şi Ra = 80, dacă se doreşte o culoare aparentă neutră şi o redare bună către foarte bună

lampa cu descărcări în vapori de sodiu la înaltă presiune şi cu adaosuri de corecţie spectrală, cu Tc = 2500K şi Ra = 85, dacă se doreşte o culoare aparentă caldă şi o redare foarte bună

Problema majoră a surselor de lumină menţionate mai sus este dată de dimensiunea lor relativ mare faţă de diametrul tuburilor solare, producând astfel obturarea parţială a fluxului luminos transportat de acestea în timpul zilei. De aceea, pentru diametre mici ale tubului solar (230mm, 300mm şi uneori 450mm) se recomandă totuşi utilizarea lămpilor incandescente cu halogen amplasate pe soclul din aluminiu oglindat specific sistemului SunPipe. O altă posibilitate de realizare a iluminatului electric constă în utilizarea noilor lămpi LED (diode electroluminescente), în măsura în care eficacitatea lor continuă să crească.

172 Capitolul 6

Deoarece sistemul original SOLUM are la bază tubul solar SunPipe, avantajele lor sunt în general comune, şi anume:

economia substanţială de energie electrică pentru iluminat (prin integrarea cu iluminatul electric)

protecţia mediului natural prin utilizarea energiei regenerabile solare şi scăderea consumului de energie electrică

crearea unui mediu luminos interior confortabil şi atractiv prin utilizarea exclusivă a luminii naturale, uniform distribuită în spaţiul interior

creşterea performanţei activităţilor desfăşurate în spaţiul interior datorită efectelor pozitive ale luminii naturale asupra stării psihice şi emoţionale ale utilizatorilor

efectele pozitive ale luminii naturale asupra stării de sănătate, prin stimularea producerii de vitamina D şi a secreţiilor de hormoni cu funcţii de reglare a activităţilor fiziologice şi psihice

captarea atât a luminii directe solare cât şi a luminii difuze a cerului, astfel încât se poate realiza cu succes iluminatul spaţiului interior pentru orice condiţii meteorologice

scăderea costurilor de întreţinere a instalaţiilor, datorită eliminării operaţiunilor de menţinere pentru iluminat întâlnite la sistemele clasice (înlocuirea lămpilor, curăţarea aparatelor de iluminat etc.)

eliminarea condensului şi a infiltraţiilor de apă pluvială eliminarea efectului de seră întâlnit la sistemele clasice de iluminat natural eliminarea pierderilor de căldură pe timpul iernii şi a aporturilor termice pe timpul verii,

care apar în cazul sistemelor clasice de iluminat natural (luminatoare, ferestre sau plăci din policarbonat); se obţine astfel reducerea sarcinii termice de climatizare şi a consumului energetic aferent

variaţia fluxului luminos pentru situaţii particulare (săli de proiecţie, amfiteatre etc.) prin utilizarea unui sistem motorizat cu comandă manuală sau automată

De asemenea, printre contribuţiile originale ale autorului se numără şi dezvoltarea unui algoritm de calcul pentru dimensionarea unui sistem ramificat de iluminat integrat cu tuburi solare şi implementarea acestuia într-un program de calcul. Pentru moment, funcţiile de recurenţă care modelează transportul de lumină prin tuburile solare SunPipe sunt valabile doar pentru diametrele studiate, şi anume 230mm şi 300mm. În viitorul apropiat, aceste ecuaţii vor fi extinse pentru întreaga gamă de diametre a sistemului SunPipe, făcând astfel posibilă dimensionarea oricărui tip constructiv de sistem ramificat SOLUM SunPipe. Pe lângă aceasta, se doreşte eficientizarea transferului de lumină în ramificaţii pentru a se diminua la maxim pierderile de lumină pe conducta principală, în condiţiile asigurării fluxului luminos necesar pentru a fi transportat pe conductele secundare către spaţiile de interes. Algoritmul de calcul propus a fost implementat într-un program de calcul denumit SOLUX Beta realizat cu ajutorul programului Microsoft Excel, urmând ca în viitorul apropiat să fie dezvoltat programul SOLUX v1.0 cu ajutorul mediului de programare Visual Studio. În urma verificării rezultatelor obţinute cu ajutorul programului SOLUX Beta prin comparaţia cu valorile măsurate pentru sistemul SOLUM SunPipe, eroarea medie de calcul înregistrată a fost de: • 17,57% pentru iluminarea orizontală în axul conductei principale • 6,72% pentru iluminarea verticală pe peretele interior al conductei principale • 11,34% pentru iluminarea verticală în axul conductei secundare • 23,79% pentru iluminarea directă punctuală în planul util al incintei principale • 17,98% pentru factorul de lumină naturală în planul util al incintei principale Aceste erori pot fi micşorate prin utilizarea unui sistem de măsură performant format din mai mulţi senzori conectaţi la un sistem de control programabil, în aşa fel încât măsurările în punctele considerate să se realizeze simultan. O altă măsură de minimizare a erorilor de calcul constă în alegerea unor legi de recurenţă mai precise.

Contribuţii originale, concluzii şi perspective de dezvoltare 173 De asemenea, în urma studiului comparativ între utilizarea sistemului SOLUM SunPipe într-o încăpere şi realizarea aportului de lumină naturală în aceeaşi încăpere numai de la ferestra laterală, se observă că sistemul SOLUM prezintă un dublu avantaj: atât din punct de vedere cantitativ prin creşterea medie a factorului de lumină de zi de 27 ori pe întregul plan util al încăperii (între 1,8 ori şi 44,4 ori în raport cu distanţa faţă de fereastră), cât şi din punct de vedere calitativ printr-o uniformitate net superioară a iluminării în planul util: factorul de uniformitate este de 0,27 la sistemul SOLUM faţă de 0,06 la aportul de lumină naturală prin fereastră. Prin utilizarea sistemului SOLUM SunPipe simultan cu aportul de lumină naturală prin fereastră, se creşte nivelul de iluminare şi uniformitatea iluminării în planul util, dar numai în jumătatea încăperii dinspre fereastră. Astfel, în această situaţie factorul de uniformitate creşte la 0,33 în jumătatea încăperii dinspre fereastră. Prin urmare, contribuţiile originale aduse prin această lucrare în domeniul sistemelor de iluminat interior integrate natural şi electric pot fi enumerate după cum urmează: 1. Crearea sistemului original de iluminat interior integrat SOLUM conceput să ilumineze

cu lumină naturală orice spaţiu interior fără deschideri exterioare, prin intermediul unui sistem ramificat de tuburi de lumină

2. Crearea unui dispozitiv optic de schimbare a direcţiei razelor de lumină către conductele secundare orizontale

3. Utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru producerea energiei electrice necesare iluminatului cu ajutorul unui panou fotovoltaic şi/sau unei turbine de vânt

4. Materializarea ideii originale de alimentare a tubului de lumină cu lumină naturală şi lumină electrică din două puncte diametral opuse

5. Dezvoltarea unui algoritm de calcul pentru dimensionarea unui sistem ramificat de iluminat integrat cu tuburi solare şi implementarea acestuia într-un program de calcul

Sistemul original SOLUM reprezintă materializarea dorinţei autorului de a pune în practică ideea transportului luminii naturale în interiorul clădirilor prin intermediul unui sistem ramificat de tuburi de lumină. Performanţele luminotehnice ale sistemului realizat pot fi considerabil îmbunătăţite, iar în acest sens perspectivele de dezvoltare avute în vedere de autor sunt următoarele:

Eficientizarea transferului de lumină în ramificaţii pentru a se diminua la maxim pierderile de lumină pe conducta principală, în condiţiile asigurării fluxului luminos necesar pentru a fi transportat pe conductele secundare către spaţiile de interes

Extinderea ecuaţiilor de modelare pentru întreaga gamă de diametre a sistemului SunPipe, făcând astfel posibilă dimensionarea oricărui tip constructiv de sistem ramificat SOLUM SunPipe

Minimizarea erorilor de calcul prin alegerea unor legi de recurenţă mai precise Realizarea simultană a măsurărilor în punctele considerate prin utilizarea unui sistem

performant cuprinzând mai mulţi senzori conectaţi la un sistem de control programabil Dezvoltarea programului SOLUX v1.0 cu ajutorul mediului de programare Visual

Studio

BB II BB LL II OO GG RR AA FF II EE

1. 3M – Solution for the New Millenium, 1999

2. Acra A., Raffoul Z., Karahagopian Y. – Solar Disinfection of Drinking Water and Oral Dehydration Solutions, American University of Beirut, 1984

3. Aizenberg, J.B. – Principal New Hollow Light Guide System HELIOBUS for Daylighting and Artificial Lighting of Central Zones of Multi Storey Buildings, The Right Light 4 Conference, 1997

4. Aizlewood M.E. – Innovative Daylighting Systems: an Experimental Evaluation, Lighting Research & Technology (14)4, 1993

5. Arnett B. – The Nine Planets, Emerald Hills, California, 2001

6. Aydinli S. – The Availability of Solar Radiation and Daylight, 2nd Draft CIE Technical Report for TC-4.2, Berlin, 1983

7. Begemann, S.H.A., Van den Beld, G.J., Tenner, A.D. – Daylight, Artificial Light and People in an Office Environment, Overview of Visual and Biological Responses, International Journal of Industrial Ergonomics, no. 20 3, 1997

8. Bellchambers H.E., Godby A.C. – Illumination, Color Rendering and Visual Clarity, Journal of Lighting Research and Technology, Vol. 4, 1972

9. Beltran L.O., Lee E.S., Selkowitz S.E. – Advanced Optical Daylighting Systems: Light Shelves and Light Pipes, Journal of the Illuminating Engineering Society 26(2), 1997

10. Bianchi C. – Calitatea sistemelor de iluminat interior, Revista Electricianul nr. 5-8, 2001

11. Bianchi C. – Concepţia modernă a sistemelor de iluminat interior, Ediţia a VIII-a a Conferinţei „Eficienţă, confort, conservarea energiei şi protecţia mediului”, Bucureşti, 28-30 noiembrie 2001

12. Bianchi C. – Luminotehnica, Cursuri postuniversitare, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii Electrice, 2001

13. Bianchi C. – Luminotehnica. Aspecte fundamentale şi aplicative. Vol. 1, Iluminat interior, Editura Tehnică, Bucureşti, 1990

14. Bianchi C. – Mediul luminos interior, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 1999

15. Bianchi C. – Tehnica iluminatului, Cursuri postuniversitare, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Catedra de Luminotehnică şi Instalaţii Electrice, 2002

16. Bianchi C., Mira N., Moroldo D., Georgescu A., Moroldo H. – Sisteme de iluminat interior şi exterior. Concepţie. Calcul. Soluţii, Ediţia a III-a, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 2001

17. Bianchi C., Mira N., Pârlog-Radu C. – Dicţionarul luminotehnicii, Editura Academiei Române şi AGIR, Bucureşti, 2001

18. Bianchi, C., Ţicleanu, C. – Utilizarea modernă a luminii naturale în sistemele de iluminat interior, A III-a Conferinţă Internaţională „Iluminat 2005”; A III-a Conferinţă Balcanică de Iluminat „Balkan Light”, Cluj-Napoca, 2-3 iunie 2005

19. Bodart, M., De Herde, A. – Global Energy Savings in Offices Buildings by the Use of Daylighting, Energy and Buildings, no. 34 5, 2002

20. Bodmann H.W. – Illuminance Levels and Visual Performance, International Lighting Review, 1962

21. Bodmann H.W. – Light and Vision, Post-Graduate Courses, Lichttechnisches Institut, Karlsruhe, 1992

22. Boyce, P.R. – Why Daylight?, Daylighting 1998 - International Conference on Daylighting Technologies for Energy Efficiency in Buildings

Bibliografie 175 23. California Board for Energy Efficiency – Daylighting in Schools, 1999

24. California Board for Energy Efficiency – Skylighting and Retail Sales, 1999

25. Chauvel P. – Glare from Windows: Current View of the Problem, Building Research Establishment, London, 1980

26. Christoffersen J., Johnsen K., Petersen E., Hygge S. – Post-Occupancy Evaluation of Danish Offices, Proceedings of the 24th Session of the CIE, Warsaw, 1999

27. CIE – Ghidul de iluminat interior al Comisiei Internaţionale de Iluminat în conexiune cu mediul luminos interior, Editura Matrix Rom, Bucureşti, 1999

28. Cooper J.R. – Attitudes towards the Use of Heat Rejecting / Low Light Transmission Glasses in Office Buildings, CIE Conference on Windows and Their Function in Architectural Design, Istanbul, 1973

29. Crisp V.H.C. – A Case for Active Daylighting by Appropriate Management of Electric Lighting, Energy and Buildings (6), 1984

30. Curve Expert Software, version 1.37, 2001

31. Dilaura D., Hauser G. – On the Effects of Daylighting in Interior Spaces, Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol. 8, No. 1, 1978

32. Dogniaux R. – Distribution spectrale énergétique et lumineuse de la lumière naturelle, Lux Revue de l’Éclairage no. 49, 1968

33. Dogniaux R. – Données météorologiques concernant l’ensoleillement et l’éclairage naturel, Cahiers du Centre Scientifique et Technique du Bâtiment no. 351, 1960

34. Dogniaux R. – The Availability of Daylight: Computer Procedure for Calculation of Irradiance and Illuminance as Parameters of Microclimate, Draft Report for CIE TC-4.2, 1967

35. Dresler A. – The Reflected Component in Daylight Design, Transactions of the Illuminating Engineering Society, Vol. 19, No. 2, 1954

36. Edmonds I.R. – Performance of Laser-Cut Deflecting Panels in Daylighting, Solar Energy Materials and Solar Cells no. 29, 1993

37. Gillette G. – A Daylighting Model for Building Energy Simulation, NBS Building Science Series 152, National Bureau of Standards, Washington, 1983

38. Gillette G., Kusuda T. – A Daylighting Computational Procedure for Use in DOE-2 and Other Dynamic Building Energy Analysis Programs, Journal of the Illuminating Engineering Society, Vol. 12, No. 2, 1983

39. Hamilton C. – Views of the Solar System, Maryland, 2002

40. Henderson S.T. – Daylight and its Spectrum, Adam Hilger Ltd., London, 1970

41. Hopkinson R.G., Petherbridge P., Longmore J. – Daylighting, William Heinemann Ltd., Londra, 1966

42. Howard T.C., Place W., Anderson B., Coutiers P. – Variable-Area Light Reflecting Assemblies, Proceedings of the 2nd International Daylighting Conference, Long Beach 1996

43. Hunt D.R.G. – Predicting Artificial Use: a Method Based Upon Observed Patterns of Behavior, Lighting Research & Technology 12(1), 1980

44. IEA – Daylighting in Buildings, International Energy Agency, Berkeley, California, 2000

45. IESNA – Lighting Handbook, 9th Edition, Illuminating Engineering Society of North America, 2000

46. iGuzzini Illuminazione – Sivra, Automatically Adjusting Variable Lighting System, 2000

47. Jennings J.D., Rubinstein F.M., DiBartolomeo D., Blanc S. – Comparison of Control Options in Private Offices in an Advanced Lighting Controls Testbed, LBNL Report 1999

176 Bibliografie

48. Kischkoweit-Lopin M. – New Systems for Better Daylight Utilization, Proceedings of Solar Energy in Architecture and Urban Planning, Berlin, 1996

49. Kittler R. – Standardization of outdoor conditions for the calculation of daylight factor with clear skies, Sunlight in buildings: CIE Intercessional Conference, Newcastle-Upon-Tyne, England, 1965

50. Kittler R., Hayman S., Ruck N.C., Julian W.G. – Daylight Measurement Data: Methods of Evaluation and Representation, Lighting Research & Technology No.24, 1992

51. Kittler R., Perez R., Darula S. – Universal Models of Reference Daylight Conditions Based on New Sky Standards, 24th Session of the CIE, Warsaw, 1999

52. Klems J.H., Yazdanian M., Kelly G.O. – Measured Performance of Selective Glazings, Thermal Performance of the Exterior Envelopes of Buildings, December 4-8, 1995, Clearwater Beach, Florida, USA

53. Kuller R., Lindsten C. – Health and Behavior of Children in Classrooms with and without Windows, Journal of Environmental Psychology, Vol. 12, 1992

54. Lampert C.M. – Chromogenic Switchable Glazing: Toward the Development of the Smart Window, Window Innovations ’95 Conference, June 5-6, 1995, Toronto, Canada

55. Lee E.S. – Spectrally Selective Glazings, New Technology Demonstration Program, Federal Technology Alert, Federal Energy Management Program, August 1998

56. Lee E.S., Beltran L.O., Selkowitz S.E., Lau H., Ander G.D. – Demonstration of a Light-Redirecting Skylight System at the Palm Springs Chamber of Commerce, Proceedings of the ACEEE 1996 Summer Study on Energy Efficiency in Buildings, Washington D.C., 1996

57. Littlefair P.J. – Computer Assessment of the Daylighting Performance of Light Shelves, Lighting Research & Technology (27)2, 1995

58. Littlefair P.J. – Designing with Innovative Daylighting, Building Research Establishment, Construction Research Communications Ltd Report, 1996

59. Littlefair P.J., Lynes J.A. – Responding to Change. Light and Lighting, April 1999

60. Love J.A. – Daylighting Control Systems: Directions for the Future Based on Lessons from the Past, Daylighting ’98 Conference, May 11-13, 1998, Ottawa, Ontario, Canada

61. Madsen, C., Soerensen, H. – Utilization of daylight and energy refurbishment, Right Light 4 Conference, 1997

62. Markus T.A. – The Significance of Sunshine and View for Office Workers, Building Science, No. 2, 1967

63. Mingozzi, A., Bottiglioni, S., Casalone, R. – An innovative system for daylight collecting and transport for long distances and mixing with artificial light coming from hollow light guides, Light & Engineering, vol. 10, n. 1, Znack Publishing House, Moscow, 2002

64. Mingzhong, J., Xiru, C. – Strong Consistency of Least Squares Estimate in Multiple Regression, Statistica Sinica, Vol. 9, No. 1, January 1999

65. Monodraught Ltd. – SunPipe – Natural daylight where windows can’t reach, May 2006

66. Moon P., Spencer D.E. – Illuminance from a non-uniform sky, Illuminating Engineer No. 37, 1942

67. Munshi M.Z.A. – Handbook of Solid State Batteries and Capacitors, World Scientific, London, 1995

68. Narasimhan V., Sazena B.K., Maitreya V.K. – The Internal Reflected Component of Daylight: a Finite Difference Approach to the Split Flux Method, Indian Journal of Pure Applied Physics No. 6, 1968

69. NBI – Advanced Lighting Guidelines, New Building Institute, White Salmon, Washington, 2001

Bibliografie 177 70. Payne, T. – Putting Lightpipes to the Test, Modern Building Services Journal, February

2005

71. Philips Lighting – Lighting Manual, 5th Edition, Eindhoven, 1993

72. Pidwirny M. – Fundamentals of Physical Geography, Okanagan University, Canada, 2002

73. Pohl W., Scheiring C. – Charakterisierung von Tageslichtsystemen, Viertes Symposion Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Tagungsband, Staffelstein, 1998

74. Preetham J., Shirley P., Smits B. – A Practical Analytical Model for Daylight, University of Utah, Salt Lake City, 1999

75. Rastello, M.L., Premoli, A. – Least squares problems with element-wise weighting, Metrologia vol. 43, August 2006

76. Rea M.S. – Window Blind Occlusion: a Pilot Study, Building and Environment (19)2, 1984

77. Robbins C. – Daylighting: Design and Analysis, Van Nostrand Reinhold Company Inc., New York, 1986

78. Robbins C., Hunter K.C. – A Method for Determining Interreflected Daylight in Clear Climates, Solar Energy Research Institute Golden, Colorado, 1983

79. Robbins C., Hunter K.C. – A Model for Illuminance on Horizontal and Vertical Surfaces, Solar Energy Research Institute Golden, Colorado, 1983

80. Rubin A.I., Collins B.L., Tibbott R.L. – Window Blinds as a Potential Energy Saver: a Case Study, Building Science Series 112 NBS, Washington National Bureau of Standards, 1978

81. Rubinstein F.D., Jennings J., Avery D., Blanc S. – Preliminary Results from an Advanced Lighting Control Testbed, IESNA Annual Conference, San Antonio, August 10-12, 1998

82. Selkowitz S., Lee E.S. – Advanced Fenestration Systems for Improved Daylight Performance, Proceedings of Daylighting ’98 Conference, May 11-13, 1998, Ottawa, Ontario, Canada

83. Seshadri T.N. – Equations of Sky Component with a CIE Overcast Sky, Procedures of the India Academy of Science, 1960

84. Ţicleanu, C. – Utilizarea energiei regenerabile în iluminat în contextul cerinţelor globale de eficientizare energetică, Simpozionul Naţional de Iluminat Sinaia 2006

85. Ţicleanu, C., Colţea E. – Rolul legislaţiei în eficientizarea iluminatului prin utilizarea energiei regenerabile, Revista Constructiv, aprilie 2006

86. Ţicleanu, C. – Modern Daylighting Techniques, International Conference Light & Lighting 2002, Bucharest, November 2002

87. Ţicleanu, C. – Tehnici moderne de utilizare a luminii naturale în iluminatul interior. Revista „Tehnica instalaţiilor”, nr. 2/2003, 3/2003

88. Walsh J. – The Science of Daylight, Macdonald & Co. Ltd., London, 1961

89. Whitehead, L.A., Hoffmann, K. – Method for Estimating the Efficiency of Prism Light Guide Luminaires, University of British Columbia, Department of Physics and Astronomy, 1997

90. Whitehead, L.A., Nodwell, R.A., Curzon, F.L. – New Efficient Light Guide for Interior Illumination, Applied Optics, no. 21 5, 1982

91. Wigginton M. – Glass in Architecture, Phaidon Press Ltd, London, 1996

92. Zonneveldt L., Mallory-Hill, S. – Evaluation of Daylight Responsive Lighting Control Systems, Proceedings of Daylighting ’98 Conference, May 11-13, 1998, Ottawa, Ontario, Canada