10.1

Instala�ii Electrice Dr. Florin POP, profesor

Cursul 10 Fundamente privind iluminatul natural al cl�dirilor. Sisteme integrate Problematica - cer caracteristic - senin, acoperit CIE, acoperit CIBSE - factor de lumin� natural� - elemente de vitrare - calculul componentei naturale a ilumin�rii - economia de energie Parametrii iluminatului natural

În majoritatea cl�dirilor, utilizatorii prefer� ca înc�perile în care lucreaz� s� prezinte

caracteristicile variabile ale iluminatului natural în cursul zilei, chiar dac� iluminatul electric este

în func�iune în tot acest timp. Aparen�a luminii naturale poate fi ob�inut� prin asigurarea

str�lucirii schimb�toare a luminii naturale pe pere�i �i alte suprafe�e interioare.

Lumina natural� are dou� componente: direct�, emis� de soare �i difuz�, provenit� de la

întreaga bolt� cereasc�. Lumina direct� nu este constant� pe parcursul zilei �i pe parcursul anului,

având diferite unghiuri de inciden�� �i intensit��i, provoac� fenomenul nepl�cut de orbire când

cade direct pe planul de lucru, genereaz� umbre puternice �i zone cu diferen�e foarte mari a

ilumin�rii. Folosirea luminii directe depinde foarte mult de condi�iile concrete de amplasare a

construc�iilor în a�a m�sur� încât solu�iile optime sunt aproape imposibil de atins. În func�ie de

zona geografic� exist� situa�ii în care prezen�a luminii solare directe în interioare este un factor

împotriva c�ruia se iau m�suri de protejare cu sisteme parasolare, respectiv situa�ii în care este

benefic�. Lumina difuz� este mai constant� în intensitate �i nu-�i modific� unghiul de inciden�� �i

intensitatea.

Cantitatea luminii naturale variaz� cu pozi�ia punctului receptor. Latitudinea, climatul �i

calitatea aerului afecteaz� intensitatea �i durata acesteia. Cercet�rile recente au condus la ideea

delimit�rii teritoriului european în 30 de zone caracteristice. Cantitatea �i calitatea luminii

naturale în orice loc variaz� cu ora zilei, perioada anului �i condi�iile meteorologice. Cantitatea

luminii primite de o cl�dire depinde �i de vecin�tatea sa imediat� - orientarea �i înclinarea

terenului, prezen�a sau absen�a obstruc�iilor (cl�diri, copaci) �i reflectan�a suprafe�elor al�turate.

Interfa�a între mediul ambiant interior �i cel exterior al cl�dirii este elementul de vitrare.

Se utilizeaz� termenul de fereastr� pentru deschiderile prev�zute în pere�ii laterali, respectiv

luminator pentru tavan.

10.2

Iluminarea natural� în interiorul înc�perii variaz� în raport cu orientarea cl�dirii �i modul

de penetrare a luminii, determinat atât de pozi�ia deschiderilor - pere�ii laterali sau tavan cât �i de

forma acestora, în Figura 1 fiind ilustrate câteva modalit��i arhitecturale. În iluminarea lateral�

(Fig. 1,a), cantitatea de lumin� ce p�trunde în interior depinde de aria deschiderii, de materialul

de vitrare folosit �i de prezen�a elementelor de umbrire sau protec�ie solar�. Distribu�ia luminii

depinde de localizarea ferestrei. În general, niveluri de iluminare satisf�c�toare se ob�in pe o

distan�� spre interior de 2-2,5 ori în�l�imea laturii superioare a ferestrei. Uniformitatea este

îmbun�t��it� prin folosirea unor deschideri bilaterale (Fig. 1,b) sau a combin�rii deschiderii

laterale cu un luminator (Fig. 1,f). Protec�ia împotriva p�trunderii directe a razelor solare se poate

ob�ine cu un parasolar (Fig. 1,c), care diminueaz� îns� atât nivelul de iluminare cât �i adâncimea

de p�trundere a luminii în înc�pere. O solu�ie interesant� (Fig. 1,d) combin� parasolarul, u�or

coborât fa�� de nivelul superior al ferestrei, cu o suprafa�� reflectant� la nivelul solului.

Parasolarul î�i dubleaz� astfel rolul principal de protec�ie solar� cu cel de reflector al razelor

solare c�tre tavan permi�ând luminii s� p�trund� mai adânc în înc�pere, iar suprafa�a reflectant�

de la sol completeaz� lumina ce p�trunde în apropierea ferestrei, u�or diminuat� prin coborârea

parasolarului. Deschiderile din tavan - triunghiulare (Fig. 1,e), emisferice (Fig. 1,g), emisferice

combinate cu pu�uri (Fig. 1,h), dreptunghiulare (Fig. 1,i) sau în din�i de fier�str�u (Fig. 1,j)

asigur� atât penetrarea adânc� a luminii în interiorul înc�perii cât �i uniformitatea acesteia.

Fiecare dintre solu�iile men�ionate au recomand�ri specifice de utilizare, determinate de

avantajele �i dezavantajele legate de între�inere, protec�ia fa�� de însorirea direct�, controlul

schimburilor termice �i al ventila�iei, depunerile de praf, condens �i protec�ia la agen�ii

atmosferici �i împotriva p�trunderii apei.

Figura 2 prezint� o sec�iune printr-o sal� de clas� iluminat� prin ferestre laterale (a),

respectiv luminatoare (b), cu dimensiunile înc�perii de 10/10/3 m �i tripleta reflectan�elor

tavan/perete/pardoseal� de 0,8/0,5/0,3. Iluminarea orizontal� este calculat� pentru cele patru

orient�ri ale vitr�rii, pe axa central� a înc�perii (care trece prin mijlocul ferestrei, respectiv a

luminatoarelor), pentru condi�iile de lumin� natural� ale unui cer senin f�r� aport direct al razelor

de soare, la ora 11 a.m. în apropierea echinoxului, la o latitudine de 34° iar suprafa�a betonat� din

jurul cl�dirii are o reflectan�� de 0,4.

Parametrii fizici. Soarele este o surs� abundent� de energie radiant�; emite un flux

radiant de 63 MW pe m2 din suprafa�a sa, echivalent cu �ase mii de milioane de lumeni. Din

ace�tia, circa 134 kilolumeni ating suprafa�a exterioar� a atmosferei. Atmosfera absoarbe 20% �i

reflect� 25% înapoi în spa�iul extra-atmosferic. Din ceilal�i 55%, o frac�iune atinge p�mântul

direct, ca radia�ie solar� direct�, iar restul este transmis prin difuzie c�tre p�mânt, ca radia�ie a

10.3

cerului; acestea sunt cele dou� componente ale luminei naturale. Cantitatea energiei luminoase

utilizabile din spectrul solar este influen�at� de grosimea atmosferei, prin în�l�imea soarelui

deasupra orizontului �i condi�iile variabile atmosferice - umiditate, praf. Rota�ia p�mântului în

jurul axei sale împreun� cu revolu�ia sa în jurul soarelui produce o continua mi�care aparent� a

soarelui în raport cu orice punct de referin�� de pe suprafa�a p�mântului. Pozi�ia soarelui fa�� de

un punct de referin�� la un moment dat este exprimat în mod uzual prin termenii unghiulari -

altitudinea (în�l�imea) solar�, care este unghiul vertical al soarelui deasupra orizontului �i

azimutul solar, care este unghiul orizontal al soarelui fa�� de axa N-S (m�surat în planul paralelei

punctului). Altitudinea solar� maxim�, numit� �i zenit, se produce la miezul zilei (ora 12

astronomic�).

Ca �i lumina artificial�, lumina natural� se caracterizeaz� prin luminan��, iluminare,

distribu�ie, culoare �i redarea culorilor. Un parametru specific luminii naturale este dinamismul.

Luminan�a cerului este func�ie de p�tura de nori. În analiza iluminatului natural se

consider� trei condi�ii caracteristice: cer acoperit (înnorat), cer senin �i cer par�ial acoperit.

Cercet�ri numeroase efectuate în ultimii 60 de ani au condus la normarea condi�iilor de

luminan��, diferen�iat� dup� organismele de cercetare respective. În Europa s-a impus normarea

propus� de BRE (Building Research Establishment) - Anglia, denumit� cer acoperit uniform �i

cea a CIE (Comission Internationale d’Eclairage), denumit� cer acoperit CIE - [CIE publication

No.16, 1970]. Luminan�a �i distribu�ia luminoas� variaz� cu loca�ia geografic�, timpul, densitatea

�i uniformitatea p�turii de nori. Luminozitatea cerului acoperit uniform este de 2,5 ... 3 ori mai

mare în zona central�, superioar�, a boltei cere�ti decât la orizont. În proiectare este utilizat� îns�

o valoare unic� a luminan�ei cerului acoperit pentru o anumit� latitudine, zi sau or�, numit�

luminan�a echivalent� a cerului, aleas� astfel încât s� produc� aceea�i iluminare orizontal� ca cea

produs� de luminan�a neuniform� a cerului acoperit; valorile acesteia pot fi calculate pentru

diferite pozi�ii solare sau g�site în tabele întocmite pentru anumite condi�ii locale - latitudine,

dat�, or�, orientare �i condi�ii de cer. Acela�i concept este folosit �i în cazul cerului senin �i al

celui par�ial acoperit.

Cerul având o luminan�� constant� L produce iluminarea orizontal� EH = πL. Tabelul 1

con�ine valorile ilumin�rii într-un plan orizontal pentru un cer senin, par�ial acoperit �i acoperit

uniform. Iluminarea într-un plan vertical (corespunz�tor unei suprafe�e vitrate) orientat spre unul

din cele patru puncte cardinale este dat� în tabelul 2 pentru cerul senin, tabelul 3 pentru cerul

par�ial acoperit �i tabelul 4 pentru cerul acoperit (în acest caz iluminarea este independent� de

orientarea planului vertical). Iluminarea unei ferestre verticale produs� de lumina reflectat� de

suprafa�a terenului înconjur�tor este determinat� de emitan�a suprafe�ei, care este definit� prin

10.4

iluminarea orizontal� exterioar� �i reflectan�a acesteia M=rEH. În tabelul 5 sunt date reflectan�ele

diferitelor materiale de construc�ii sau suprafe�e exterioare. Dac� suprafa�a reflectant� se

consider� uniform difuz� �i de extindere infinit�, factorul de configura�ie între suprafa�a terenului

�i fereastr� este 0,5, independent de în�l�imea ferestrei deasupra terenului. Ceea ce înseamn� c�

jum�tate din lumina ce p�r�se�te suprafa�a p�mântului ajunge pe suprafe�ele exterioare ale

ferestrelor verticale. Componenta reflectat� de teren a ilumin�rii ferestrei verticale devine EVr

=0,5⋅rEH. Pentru o suprafa�� reflectant� de arie limitat�, componenta EVr se calculeaz� prin

rela�iile corespunz�toare unor surse luminoase de suprafa�� de emitan�� M. Ilumin�rile produse

de cer (componenta direct�) �i de p�mânt (componenta reflecat�) se determin� separat �i se

însumeaz� pentru ob�inerea ilumin�rii verticale totale

Exemplu 1. Ilumin�rile orizontale �i verticale la Cluj la ora 10, în ziua 21 decembrie cu cer senin, respectiv cer acoperit, pentru o cl�dire având ferestrele orientate spre sud �i est au valorile urm�toare:

- Clujul se afl� la latitudinea de 46,8° nord; - ilumin�rile orizontale se citesc din tabelul 1 (prin interpolare)

cer senin Edirect� =14800 lx; Edifuz� = 8800 lx; Etotal� =23600 lx cer acoperit Edirect� = 0 lx; Edifuz� = 5800 lx; Etotal� = 5800 lx

- ilumin�rile verticale se citesc din tabelul 2, respectiv 6.4 (prin interpolare) cer senin fereastr� sud EVdirect� =49000 lx; EVdifuz� =10800 lx; EVtotal� =59800 lx fereastr� est EVdirect� =26000 lx; EVdifuz� = 8000 lx; EVtotal� =34000 lx cer acoperit EVdirect� = 0 lx; EVdifuz� = 2000 lx; EVtotal� = 2000 lx

O informa�ie extrem de interesant� sub aspect energetic este dat� în graficul din Figura 3

�i anume, valoarea de referin�� a ilumin�rii orizontale exterioare; curbele reprezint� iluminarea

minim� disponibil� la un anumit procent din perioada de activitate diurn� între orele 9.00 - 17.00

pe un plan orizontal exterior sub un cer acoperit, pentru diferite latitudini ale punctului de calcul

considerat. Pentru alte perioade de activitate, procentele respective sunt date în tabelul 6.

Exemplu 2. În Cluj, în cadrul unui program de activitate între orele 9:00-17:00, iluminarea exterioar� orizontal� cel pu�in egal� cu valoarea men�ionat� la exemplul 1, de 5800 lx, va fi disponibil� circa 87,5% din timpul de lucru corespunz�tor (pentru latitudinea de 46,8° �i iluminarea de 5800 lx, rezult� un punct care, prin interpolare, s-ar afla pe curba de 87,5%). În cazul unui program de activitate între orele 8:00 - 16:00, procentul de disponibilitate este de 97,5%.

Distribu�ia luminii acoper� întreaga gam� de la direc�ionalitatea net� a luminii directe a

soarelui pân� la difuzia total� a cerului acoperit de o p�tur� uniform� de nori. Prin dinamismul

distribu�iei sale, lumina natural� produce varia�ie �i, în cazul în care p�trunde prin ferestre, creaz�

o modelarea a spa�iului interior specific� �i deosebit de atractiv� celor ce tr�iesc, lucreaz� sau se

relaxeaz� în acest spa�iu.

10.5

Cromatica luminii naturale este dat� de temperatura de culoare corelat� ce depinde de

pozi�ia soarelui �i de condi�iile atmosferice, mergând de la 4000 K pentru lumina direct� pân� la

60.000-100.000 K pentru albastrul cerului senin �i de indicele de redare a culorii, superior

valorii de 95.

Ca surs� de lumin�, eficacitatea luminoas� a soarelui este de 90 lm/W. Distribu�ia

spectral� a densit��ii de putere a radia�iei solare pe o suprafa�� orizontal� la nivelul m�rii într-o zi

cu cer senin cu soarele la zenit este prezentat� în Figura 4. Circa 40% este în domeniul vizibil al

spectrului �i 55% în infraro�u. Vârful de radia�ie se produce la 500 nm. Curbele corespunz�toare

r�s�ritului sau înser�rii sunt deplasate; fenomenul, datorat absorb�iei selective de c�tre atmosfer�

a radia�iei solare incidente sub anumite unghiuri, este vizibil �i prin schimbarea culorii soarelui,

înspre portocaliu.

Cerin�e ale iluminatului natural. Dac� iluminarea sarcinii vizuale este asigurat� numai

prin lumin� natural�, nivelurile de iluminare �i uniformitatea ilumin�rii trebuie s� fie similare

celor normate în cazul iluminatului electric.

Fluxul ce p�trunde prin vitrare în interiorul înc�perii poate fi calculat pe baza ilumin�rii

suprafe�ei exterioare a ferestrei �i a pierderilor determinate de cercevele - evaluate din geometria

acestora, de transmitan�a materialului de vitrare - tabelul 7 �i de depunerile de praf - tabelul 8.

Dispozitivele de control a umbririi sau protec�iei contra p�trunderii razelor solare directe

(jaluzele, parasolare, perdele) produc �i ele, prin absorb�ie sau reflexie, o diminuare a fluxului

luminos ce ajunge în interior. În proiectarea iluminatului natural, eficien�a p�trunderii luminii

este �i trebuie s� fie un compromis cu al�i factori, ca aportul termic în înc�pere, str�lucirea

suprafe�ei vitrate sau controlul însoririi.

Iluminarea interioar� poate fi calculat� prin (a) analogia suprafe�elor de vitrare cu sursele

luminoase de suprafa��; (b) metoda lumenilor (factorului de utilizare); (c) metoda factorului de

lumin� natural�.

Vitrarea cl�dirilor, prin amplasarea ferestrelor �i luminatoarelor, are o func�iune multipl�:

- asigur� admisia, controlul �i distribu�ia luminii naturale; - asigur� un punct de aten�ie la distan��

a vederii, necesar� pentru relaxarea ochilor; - elimin� disconfortul pe care mul�i oameni îl acuz�

în activitatea desf��urat� spa�ii complet închise; - poate fi o cale de ie�ire sau acces de siguran��;

- poate fi folosit� pentru ventila�ie sau conservarea energiei.

Datorit� caracterului puternic variabil în timp al luminii naturale, înc�perile se prev�d

întotdeauna �i cu un iluminat electric adecvat. Un iluminat natural eficace completeaz� un

iluminat electric. Combina�ia acestor dou� sisteme de iluminat asigur� cantitatea �i calitatea

luminii pe planul de lucru �i adaug� o interesant� �i dorit� accentuare �i varia�ie diferitelor puncte

10.6

de interes din interior. Se recomand� ca lumina s� p�trund� prin mai multe deschideri, iar

suprafa�a luminoas� lateral� s� fie continu� �i, preferabil, extins� pe toat� lungimea înc�perii �i

pân� la tavan.

Lumina natural� produce varia�ie �i, când intr� prin ferestre, creaz� o modelare �i o

distribu�ie a luminan�elor specifice, datorit� orizontalit��ii fluxului luminos. Totu�i, lumina

natural� poate s� introduc� de asemenea �i str�lucirea intens� a cerului �i s� afecteze negativ

condi�iile climatice interioare. Lumina solar� direct� este dorit� pentru diferite tipuri de cl�diri,

cum sunt locuin�ele din climate moderate, dar este în general evitat� în spa�iile de munc�.

Aporturile termice prin ferestre necesit� r�cirea interiorului înc�perii în perioada

sezonului cald, dar poate s� �i reduc� costurile în perioada sezonului rece. În acela�i timp,

pierderile termice prin ferestre în timpul sezonului rece pot s� determine mic�orarea economiilor

�i cre�terea costurilor de înc�lzire. Folosirea luminii naturale ca surs� de lumin� poate economisi

energia pentru iluminatul electric, câ�tig care trebuie corelat cu energia necesar� compens�rii

transferului de c�ldur� prin vitrarea cl�dirii.

Luminan�a ferestrelor trebuie analizat� prin prisma dublului rol al acestora, de deschidere

pentru vederea exterioar� a ocupan�ilor �i de acces al luminii naturale. Reducerea orbirii

provocat� de ferestre se realizeaz� prin mai multe tehnici - folosirea unor dispozitive de umbrire

interne sau externe, l�rgirea ferestrei spre interior cu elemente având o reflectan�� ridicat� �i

utilizarea unor finisaje de calitate ale ramei ferestrei, folosirea vitr�rii colorate cu transmisie

redus�, orientarea luminii în interior astfel încât s� se asigure nivele ridicate de iluminare pe

suprafe�ele învecinate ferestrei, prin luminatoare sau corpuri de iluminat amplasate în apropierea

ferestrei.

Este important s� se cunoasc� caracteristicile fotometrice ale materialelor de vitrare �i s�

se îmbun�t��easc�, pentru a reduce luminan�ele în câmpul vizual din înc�pere �i aportul termic

produs de razele solare.

Materialele de vitrare. Tehnicile de vitrare înalt performante, care includ ferestre duble,

pelicule reflexive �i cu emisivitate redus�, componente de aditivare, au devenit o modalitate

foarte important� de conservare a energiei în construc�iile moderne �i au un rol esen�ial în

proiectarea iluminatului natural. Materialele de vitrare au trei caracteristici principale de

performan��:

• coeficientul U de transmisie a c�ldurii - (U-value) m�soar� conductan�a termic� a

ansamblului de vitrare. Cu cât mai mic este acest coeficient, cu atât mai reduse sunt pierderile

de c�ldur� �i consumul de energie termic�. Pentru iluminat, acest num�r trebuie s� fie cât mai

10.7

mic posibil, combinat cu o valoare mare a VLT. Geamul simplu are o valoare tipic� U=1,0-

1,2; geamul dublu,U=0,65-0,45.

• coeficientul de umbrire SC (Shadding Coefficient) m�soar� aportul termic solar printr-o

fereastr� prin raportare la cel al unui geam de referin�� (care are SC=1). O fereastr� perfect

opac� are SC=0. Acest coeficient afecteaz� iluminatul natural în mod indirect �i proiectan�ii

caut� s� utilizeze la maximum lumina natural� mic�orând la minimum aportul termic care,

dac� nu este controlat, poate s� provoace costuri ale energiei de r�cire mai mari decât

economiile ob�inute prin lumina natural�.

• transmitan�a luminii vizibile VLT (Visible Light Transmittance) se refer� la frac�iunea de

lumin� din spectrul vizibil care este transmis� prin vitrare. Evident, este de dorit ca aceasta s�

fie cât mai mare posibil�. Geamul simplu are VLT=0,89, sticla reflexiv� sau aditivat� foarte

întunecat� are VLT≤ 0,2.

Pentru iluminat, vitrarea trebuie s� aib� un cât mai mare posibil VLT combinat cu un cât

mai mic posibil SC. Eficacitatea materialului de vitrare este definit� prin raportul VLT/SC. Cu

cât mai mare este eficacitatea, cu atât mai bun este materialul respectiv în asigurarea luminii

naturale �i reducerea aportului termic. Materialele de vitrare cu o eficacitate mare sunt cunoscute

ca materiale de vitrare selective datorit� faptului c� las� s� treac� radia�ia vizibil� �i blocheaz�

radia�ia ultraviolet� �i infraro�ie din spectrul radia�iei solare incidente.

O bun� eficacitate este ob�inut� prin numeroase tehnologii. Unele materiale de vitrare

sunt prelucrate prin ad�ugarea unor componente de aditivare în procesul de produc�ie. O

performan�� deosebit� se ob�ine prin aplicarea unei folii cu mare reflectan�� pe una din

suprafe�ele ferestrei, în mod obi�nuit cea exterioar� (în cazul unui geam dublu, poate fi aplicat� �i

pe suprafe�ele din spa�iul interior) sau introducerea în spa�iul interior al geamului dublu a unui

film Maylar. Reflectan�a mare spre exterior este echivalent� cu o emisivitate sc�zut� spre

interior.

Factorul de lumin� natural�. Numeroase proceduri de calcul pentru evaluarea

ilumin�rii naturale produse în interiorul cl�dirilor vitrate au fost dezvoltate în ultimele decade,

multe dintre ele deosebit de complexe �i sofisticate, care implic� utilizarea calculatoarelor.

Printre cele mai cunoscute sunt metoda CIE, BRE-CIBSE �i IES (Lumen Method). Iluminarea

direct� a soarelui nu se ia, de obicei, în considera�ie în calculele ilumin�rii naturale din cauza

varia�iei sale, de�i are o mare influen�� asupra însoririi �i a iluminatului cl�dirilor. Cantitatea de

lumin� natural� ce p�trunde în interiorul unei cl�diri este determinat� în parte de intensitatea

luminii naturale la momentul dat, dar în acela�i timp, de dimensiunea �i pozi�ia suprafe�elor

vitrate �i de existen�a sau absen�a obstruc�iilor (exterioare sau interioare) din calea luminii. Se

10.8

constat� cu u�urin�� propor�ionalitatea care exist� între iluminarea orizontal� primit� de un punct

din interiorul unei înc�peri având suprafe�e vitrate �i iluminarea produs� în exterior în acela�i loc.

Factorul de lumin� natural� - DF (Daylight Factor) este definit ca raportul între

iluminarea orizontal� a unui punct din interior EHint produs� de fluxul luminos primit direct sau

indirect de la cerul având o anumit� distribu�ie a luminan�ei �i iluminarea orizontal� exterioar�

EHext produs� de emisfera liber� a cerului în acela�i punct exprimat, în mod obi�nuit, în procente:

( )DF E EHint Hext= ⋅ 100,% (1)

DF este elementul central al metodei CIE de evaluare a luminii naturale disponibile în

interiorul cl�dirilor. El depinde de tipul cerului - Figura 5,b, dar metoda de calcul este aplicabil�

pentru condi�iile cerului acoperit CIE, acela�i concept stând la baza metodei BRE care se

utilizeaz� în condi�iile unui cer acoperit uniform. Iluminarea interioar� este considerat� simultan

cu cea exterioar�. Frumuse�ea metodei const� în faptul c� DF este o constant� asociat� unui

anumit punct din înc�pere, independent� de un moment oarecare, de ora zilei sau de ziua anului.

Aceasta nu înseamn� îns� c� iluminarea interioar� este constant�, ci doar c� este o frac�iune

constant� din iluminarea exterioar� (variabil�); fapt ce se remarc� �i în Figura 1 în care este

prezentat� varia�ia ilumin�rii în interiorul înc�perii, valabil� strict pentru un moment dat din zi �i

din an (�i în func�ie de orientarea ferestrei, datorit� consider�rii unui cer senin), respectiv Figura

5,b în care este prezentat� varia�ia factorului de lumin� natural� în interiorul unei înc�peri (f�r�

nici o condi�ionare de timp sau orientare, datorit� consider�rii unui cer acoperit).

DF are trei componente, corespunz�tor celor trei c�i prin care lumina natural� ajunge în

punctul considerat al planului orizontal din interiorul înc�perii - Figura 5,a. Componenta cerului

(CC) este datorat� luminii naturale primite în punctul de calcul direct de la cer. Componenta

reflectat� extern� (CRE) este datorat� luminii naturale primite în punctul de calcul direct de la

suprafe�ele reflectante exterioare. Componenta reflectat� intern� (CRI) este datorat� luminii

naturale primite în punctul de calcul indirect de la suprafe�ele reflectante interioare. Astfel, DF

este suma componentelor sale, dat� de rela�ia:

DF CC CRE CRI= + + . (2)

Componenta cerului este, prin defini�ia sa, un factor de configura�ie, în concordan�� cu

sursa de lumin� de suprafa�� de form� dreptunghiular� pe care o reprezint� o suprafa�� vitrat�

prin care se vede o por�iune din bolta cerului. Emitan�a ferestrei este determinat� de iluminarea

vertical� exterioar� �i transmitan�a materialului de vitrare. Pentru calculul CC într-un punct P

situat pe o linie perpendicular� pe col�ul din stânga jos al unei ferestre dreptunghiulare se

utilizeaz� tabelul 10. Datele sunt valabile pentru un geam simplu din sticl� clar� cu un factor de

transmisie t=0,85. Pentru alte loca�ii ale punctului se utilizeaz� metoda superpozi�iei, cu excep�ia

10.9

cazului în care, dac� o por�iune din suprafa�a ferestrei este sub nivelul planului de lucru, aceasta

nu se mai ia în considerare. Efectul obstruc�iilor exterioare (cl�diri, pomi) se evalueaz� prin

sc�dere, pe baza aceluia�i principiu al superpozi�iei.

În exemplele de utilizare a tabelului 10 care urmeaz� se au în vedere urm�toarele nota�ii:

- h1 �i h2 sunt în�l�imile laturii de sus a ferestrei �i a pervazului deasupra planului de

lucru;

- l1 �i l2 sunt distan�ele de la laturile verticale ale ferestrei pân� la linia dus� din punctul

de referin�� pantru care se calculeaz� factorul de lumin� natural�, normal pe planul ferestrei;

- d este distan�a de la punctul de referin�� la planul ferestrei (acest plan este cel exterior

sau cel interior al ferestrei, în func�ie de care dintre ele limiteaz� vederea spre cer).

Exemplu 3. Calculul componentei cerului CC pentru o fereastr� cu pervazul la nivelul planului de lucru �i cu punctul de referin�� pe linia central� a ferestrei - Figura 6. Se d�: h1=2,4, h2=0, l1=3,6, l2=3,6, d=3. Astfel, h1/d=0,8; h2/d=0; l1/d=1,2; l2/d=1,2. Din tabelul 10 se ob�ine componenta cerului pentru aria P=3,1%, pentru aria Q=3,1%, astfel c� componenta cerului pentru fereastr� este PQ=6,2%. Deci CC=6,2%. Exemplu 4. Calculul componentei cerului CC pentru o fereastr� cu pervazul deasupra nivelului planului de lucru �i cu punctul de referin�� înafara l��imii ferestrei - Figura 7. Se d�: h1=2,4, h2=0,6, l1=2,4, l2=7,2, d=3. Astfel, h1/d=0,8; h2/d=0,2; l1/d=0,8; l2/d=2,4. Din tabelul 10 se ob�ine componenta cerului pentru aria PQRS=3,3%, pentru aria PR=2,6%, pentru aria RS=0,23% �i pentru aria R=0,20%, astfel c� componenta cerului pentru fereastr� este Q=PQRS-PR-RS+R=3,3-2,6-0,23+0,20=0,67%. Deci CC=0,67%. Exemplu 5. Calculul componentei cerului CC pentru fereastra �i punctul de referin�� din exemplul 3, pentru cazul de existen�� al obstruc�iei exterioare, limitat� superior prin linia de coam� a acoperi�ului - Figura 8. Componenta cerului liber se calculeaz� pentru aria PQ. Pentru aria PQRS se d�: h1=2,4, h2=0, l1=3,6, l2=3,6, d=3. Astfel, h1/d=0,8; h2/d=0; l1/d=1,2; l2/d=1,2. Din tabelul 10 se ob�ine componenta cerului pentru aria PR=3,1%, pentru aria QS=3,1%, astfel c� componenta cerului pentru fereastr� este PQRS=6,2%. Componenta datorat� obstruc�iei se calculeaz� pentru aria RS. Se d�: h1=1,2, h2=0, l1=3,6, l2=3,6, d=3. Astfel, h1/d=0,4; h2/d=0; l1/d=1,2; l2/d=1,2. Din tabelul 10 se ob�ine componenta cerului pentru fereastr� este RS=0,92+0,92=1,84%. Componenta cerului pentru fereastra PQ=PQRS-RS=6,20-1,84=4,36%. Deci CC= 4,36%.

Componenta exterioar� reflectat� este, de asemenea, un factor de configura�ie, dar

calculul s�u este extrem de dificil datorit� dependen�ei de geometria obstruc�iilor exprimat� în

unghiurile subîntinse de suprafe�ele acestora fa�� de punctul de referin�� �i a varia�iei luminan�ei

lor în limite largi. Pe baza unor aproxima�ii acceptabile, componenta reflectat� exterioar� se

consider� egal� cu 20% din componenta cerului pentru obstruc�ia existent�, astfel

CRE=0,2⋅CCobstruc�ie.

10.10

Exemplu 6. Componenta cerului pentru obstruc�ia din cazul prezentat în exemplul 5 este CCobstruc�ie=1,84%. Componenta exterioar� reflectat� este CRE=0,2⋅1,84=0,368%.

Componenta interioar� reflectat� variaz� cu distan�a de la fereastr�. Pentru cele mai

multe aplica�ii este suficient s� se considere o valoare medie în cea mai mare parte a înc�perii,

împreun� cu o valoare minim� în punctele îndep�rtate de fereastr�. Valoarea medie a CRI este

calculabil� în mod similar celei corespunz�toare iluminatului electric �i este dat� de:

( ) ( )CRIA

A rCr rf

dp tp=−

+0 85

15

,,% (3),

unde Af este aria ferestrei, A - aria total� a pere�ilor (inclusiv ferestrele), tavanului, pardoselii, r -

reflectan�a medie a pere�ilor (inclusiv ferestrele), tavanului, pardoselii (calculat� ca medie

ponderat�), rdp - reflectan�a medie a pardoselii �i a acelei por�iuni din pere�i (exclusiv peretele

ferestrei), care se afl� sub planul orizontal ce trece prin mijlocul în�l�imii ferestrelor tavanului

(calculat� ca medie ponderat�), rtp - reflectan�a medie a tavanului �i a acelei por�iuni din pere�i

(exclusiv peretele ferestrei), care se afl� deasupra planului orizontal ce trece prin mijlocul

în�l�imii ferestrelor (calculat� ca medie ponderat�), C - un coeficient a c�rui valoare depinde de

obstruc�ia exterioar� - pentru o obstruc�ie continu� cu un unghi α deasupra planului orizontal, C%

=40-α/2. Formula de mai sus s-a ob�inut în urma consider�rii c� fluxul luminos ce p�trunde oblic

în jos prin jum�tatea de sus a fereastrei atinge pardoseala �i jum�tatea inferioar� a pere�ilor, iar

cel ce p�trunde oblic în sus prin jum�tatea de jos a ferestrei atinge tavanul �i jum�tatea superioar�

a pere�ilor; transmitan�a geamului este 0,85, iar fluxul oblic în sus (1/2 din cel ce p�trunde prin

fereastr�) provine din reflexia terenului înconjur�tor de reflectan�� 0,1 (coeficientul numeric 5

este dat de 1/2 x 0,1 x 100%). Valoarea minim� a CRI se ob�ine prin multiplicarea valorii medii

cu un factor de conversie dat în tabelul 11, în func�ie de reflectan�a medie r.

Exemplu 6.7 Componenta interioar� reflectat� pentru cazul prezentat în exemplul 6. Dimensiunile înc�perii sunt 10/7/3,5, fereastra se afl� pe peretele lung, în�l�imea planului de lucru 0,8, planul orizontal ce trece prin mijlocul ferestrei este la în�l�imea de 2, tripleta factorilor de reflexie 0,8/0,5/0,3. Geamul ferestrei are factorul de reflexie 0,15 (întrucât în rela�ia 3 s-a considerat transmitan�a acestuia de 0,85). Unghiul sub care se vede obstruc�ia α=22°. Aria ferestrei Af =2,4(7,2)=17,28 m2; aria total� A=2(10)(3,5)+2(7)(3,5)+2(10)(7)=259 m2; aria inferioar� Adp=10(7)+10(2)+2(7)(2)=118 m2; aria superioar� Atp=10(7)+10(1,5)+2(7)(1,5)= 106 m2. Factorii de reflexie pondera�i: r=[0,8(70)+0,3(70)+0,5(49+17,72)+0,15(17,28)]/259=0,44; rtp=[0,8(70)+0,5(36)]/106=0,40; rdp=[0,3(70)+0,5(48)]/118=0,38. Coeficientul corespunz�tor unghiului obstruc�iei α=22°: C=40-(22/2)=29%. Componenta interioar� reflectat� are valoarea medie:

CRI=0,85(17,28)[29(0,38)+5(0,40)]/[259(1-0,44)]=1,318%. Valoarea minim� a componentei interioare reflectate, cu coeficentul de conversie de 0,714 din tabelul 11 pentru r=0,44: min CRI=0,714(1,318)=0,941%.

10.11

Factorul de lumin� natural� pentru cazul prezentat în exemplele 5, 6 �i 7 în punctul aflat în planul de lucru la o distan�� de 3 m de linia median� a ferestrei este

DF=4,36+0,368+1,318=6,046%. Avantajul deosebit al metodei CIE const� în faptul c� modelul distribu�iei luminii

naturale în înc�pere poate fi calculat o singur� dat�; acest model nu se schimb� în timp.

Cunoscând distribu�ia DF, nivelul ilumin�rii naturale în interiorul înc�perii se ob�ine prin

multiplicarea acestuia cu iluminarea exterioar� disponibil� la un moment dat. Se pot astfel

determina valorile minim�, medie �i maxim� ale condi�iilor de lumin� natural� în înc�perea

respectiv� în localizarea dat� sau în înc�peri similare în alte localiz�ri. Dezavantajul ei este c�

permite calculul doar pentru cerul acoperit uniform �i nu poate analiza diferitele situa�ii variabile

determinate de nori, de mi�carea soarelui �i de componenta direct� a razelor solare.

În unele ��ri este men�ionat� valoarea minim� a DF admis� pentru diferite tipuri de

cl�diri. Cerul acoperit CIE este folosit în acest caz ca un cer standard de proiectare, întrucât

reprezint� condi�iile minime pentru care se ob�ine o iluminare corespunz�toare. Ilumin�ri având

valori mai mari vor rezulta în mod firesc în cazul unui cer senin, �i chiar dac� acestea vor fi

eliminate prin utilizarea dispozitivelor de umbrire, cerul acoperit de calcul asigur� limitele de

confort �i eficien��.

Caracterul cel mai particular al luminii naturale este variabilitatea sa. În cursul unei zile,

de-alungul unui an, cantitatea de lumin� disponibil� este puternic în exces fa�� de necesit��i.

Rareori, cu toate acestea, cantitatea de lumin� disponibil� este sufiecient� pentru a ilumin� locul

de munc� pe durata întregii zile de munc�. Metoda factorului de lumin� natural� permite s� se

ob�in� informa�ii privind procentul de timp în care exist� condi�ii acceptabile, utilizând Figura 3

�i rela�ia 1. Intrucât DF compar� iluminarea interioar� cu cea exterioar�, când oricare dou� dintre

cele trei m�rimi sunt cunoscute, cea de-a treia este u�or de g�sit Apoi, se poate determina

procentul din orele de munc� pentru care iluminatul natural poate fi folosit, datorit� faptului ca

iluminarea exterioar� este cel pu�in egal� cu valoarea necesar�.

Avem astfel la dispozi�ie un instrument de lucru deosebit de simplu �i eficace. Pentru o

cl�dire existent�, cu o suprafa�� de vitrare cunoscut�, se pot întocmi calculele economice de

optimizare a consumului de energie în iluminatul electric prin corelarea func�ion�rii sale cu

iluminatul natural disponibil. Pentru o cl�dire în proiectare, se poate optimiza consumul

energetic pentru utilit��i - iluminat electric, înc�lzire-climatizare, ventila�ie - prin corelarea

schimburilor termice �i a aportului de lumin� natural� cu dimensiunea suprafe�ei vitrate.

Una din cele mai simple formule de calcul consider� c� valoarea minim� a DF într-o

înc�pere este egal� cu o zecime din aria ferestrelor, exprimat� ca procent din aria pardoselii:

10.12

DFA

Af

d

= 10 ,%. (4)

Exemplu. O înc�pere cu aria pardoselii de 70 m2 �i ferestre cu aria 17,28 m2 are o valoare medie a factorului de lumin� natural� DF=2,468%. Nivelul normat de 300 lx al ilumin�rii interioare va fi asigurat atât timp cât iluminarea exterioar� va fi de minimum 12000 lx. Hopkinson �i Kay (1969) au stabilit urm�toarele formule simplificate pentru calculul

factorului de lumin� natural� într-un punct din planul de lucru în cazul iluminatului lateral,

respectiv de sus:

DFlh

d d h

A rA r

f p

d p

=+

+−

10 4

1

2

2 2( ) ( ),%, (5)

DFCUA

Al

d

= ,%, (6)

în care Af, Al �i Ad sunt respectiv ariile ferestrei, luminatorului �i pardoselii, l,h - l��imea,

respectiv în�l�imea laturii superioare a ferestrei deasupra planului de lucru, d - distan�a de la

fereastr� la punctul de calcul, rp - reflectan�a medie a pere�ilor, C - coeficient de obstruc�ie a

cerului (C=1 pentru cer neobstruc�ionat) �i U - coeficient de utilizare (0,4 pentru un luminator

orizontal �i o reflectan�� medie a interiorului).

O alt� rela�ie simpl� de calcul a valorii medii a factorului de lumin� natural� este:

( )DtA

A rf=−

θ1 2

, (7)

în care t este transmitan�a difuz� a vitr�rii, incusiv efectul murd�ririi, jaluzelelor, perdelelor sau

oric�ror altor obstruc�ii sau acoperiri, Af - suprafa�a net� a vitr�rii, θ - unghiul subîntins de cerul

vizibil (în °), m�surat în planul vertical pe planul ferestrei ce trece prin punctul de referin�� de pe

suprafa�a acesteia, A - aria total� a suprafe�elor interioare - tavan, pere�i, pardoseal�, r -

reflectan�a medie a suprafe�elor înc�perii, calculat� ca medie ponderat� (în calcule aproximative

se poate considera egal� cu 0,5). Aceast� ecua�ie nu poate fi aplicat� în cazul în care obstruc�iile

externe nu pot fi reprezentate printr-un singur unghi de eleva�ie, astfel încât s� se poat� aplica

principiul superpozi�iei (pentru unghiurile corespunz�toare suprafe�ei cerului �i a obstruc�iei).

Prescrip�ii de calcul al iluminatului natural al înc�perilor pentru unele tipuri de cl�diri

sunt date �i în STAS 6221.

Iluminatul natural �i economia de energie

Contribu�ia luminii naturale în balan�a energetic� a cl�dirii constituie o resurs� pentru

utilizarea eficient� a energiei. Introducerea într-o înc�pere a luminii naturale, produs� de o

resurs� energetic� inepuizabil� �i regenerabil�, reduce necesitatea utiliz�rii luminii electrice,

produs� pe seama consum�rii unor resurse nerecuperabile. Reducerile în costul energiei

10.13

consumate trebuie analizate sub multiple aspecte (men�ionate adeseori în cuprinsul acestui

capitol) - aportul de lumin� natural� implic� reducerea luminii electrice, deci reducerea

consumului de energie; - aportul de lumin� natural� este asociat �i unui aport termic, care

m�re�te sarcina de climatizare pe timpul verii �i o diminueaz� pe cea de înc�lzire pe timpul

iernii; - optimizarea dimensiunii suprafe�elor vitrate trebuie analizat� sub aspectele corelate

privind aportul de lumin� natural�, aportul termic �i mic�orarea pierderilor termice din interior; -

reducerea iluminatului electric determin� �i reducerea aportului termic al acestuia în sarcina

termic� a spa�iului interior, ceea ce duce la m�rirea consumului energetic al instala�iei de

înc�lzire-climatizare. Indiferent de rezultatul acestei analize corelate, care se poate dovedi

deosebit de complex�, un lucru este sigur: dac� iluminatul electric nu este stins ca r�spuns la

prezen�a unei lumini naturale adecvate, nu se economise�te nici o energie. Orice cl�dire poate fi

iluminat� natural, dar numai în acelea în care stingem lumina electric� putem ob�ine reducerea

costurilor sau energiei. Controlul luminii electrice - prin întreruptoare sau variatoare de lumin� -

trebuie s� fie automatizat. Aceasta pentru ca oamenii nu pot fi determina�i s� sting� lumina

electric� atunci când cea natural� devine suficient�. Fie c� nu vor, fie c� uit�, fie c� nu le place

varia�ia brusc� a luminii, fie c� nu doresc s�-�i întrerup� activitatea.

Iluminatul natural poate s� conduc� �i la mic�orarea puterii electrice absorbite în vârful de

sarcin� al sistemului energetic. Aceast� reducere este resim�it� în factura consumului de energie

la consumatorii care aplic� sistemul de tarifare binom - plata energiei consumate la care se

adaug� o tax� pentru puterea absorbit� în vârful de sarcin�.

Iluminatul artificial este un consumator de energie substan�ial în cl�dirile cu cele mai

diverse destina�ii. Nu sunt multe cl�diri în care lumina natural� poate s� întruneasc� toate

cerin�ele de iluminat, chiar în cursul orelor de munc�; dar, în mod egal, sunt pu�ine cl�dirile în

care ea nu poate s� aduc� o contribu�ie substan�ial�. În spitale, 20-30% din consumul electric este

atribuit iluminatului, în fabrici - 15%, în �coli - 10-15%, în cl�diri cu birouri - 50-60%. Aceasta

nu înseamn� c� economiile de energie asociate iluminatului ar fi mai pu�in importante în unele

dintre aceste tipuri de cl�diri decât în altele. Chiar dac�, de exemplu în fabrici, consumul pentru

iluminat este propor�ional mai sc�zut, în mod absolut este substan�ial �i reprezint� o cot�

important� din consumul total de enrgie �i din costul acesteia.

Date rezultate în urma monitoriz�rii unui mare num�r de situa�ii pe tot cuprinsul Europei

au ar�tat c� tipuri similare de cl�diri pot s� varieze în consumul specific de energie printr-un

factor de pân� la 10. Diferen�ele sunt determinate în primul rând de calitatea proiect�rii cl�dirii, a

instala�iilor �i a confortului ocupan�ilor, dar sunt legate �i de condi�iile de exploatare.

10.14

Cerin�e ale iluminatului artificial de completare a iluminatului natural. Iluminatul

electric se realizeaz� astfel încât s� se armonizeze cu lumina natural� �i s� compenseze varia�ia

ilumin�rii naturale în timpul zilei. Culoarea cerului variaz� cu timpul, azimutul �i altitudinea.

Aceste varia�ii sunt puternice �i, de aceea, cromatica l�mpilor electrice nu se poate potrivi în mod

continuu cu cea a luminii naturale. In înc�perile interioare de uz general, discrepan�a aparent�

între culoarea luminii electrice �i cea a luminii naturale poate fi redus� prin utilizarea unor l�mpi

cu temperatura culoare intermediar� - 3300 ... 5300 K (STAS 6646 recomand� min. 4500 K) �i

mascarea l�mpilor fa�� de privirea ocupan�ilor folosind mai degrab� lamele opace decât difuzoare

translucide. Corpurile de iluminat se vor amplasa �i orienta corespunz�tor modului de p�trundere

�i distribu�ie a luminii naturale. Alimentarea cu energie se sectorizeaz� pentru ca iluminatul

electric s� poat� fi aprins/stins în zonele �i la momentele necesare.

Dac� iluminatul electric nu este folosit în mod normal pe întreaga durat� de existen�� a

luminii zilei, valoarea medie a FLN trebuie s� nu fie mai mic� de 5%. Dac� iluminatul electric

este folosit pe întreaga durat� de existen�� a luminii zilei, valoarea medie a FLN trebuie s� nu fie

mai mic� de 2%. Într-o înc�pere în care FLN este sensibil mai mic de 2%, aparen�a general� este

cea specific� unui iluminat electric. Lumina natural� cade doar pe suprafe�ele imediat învecinate

ferestrelor, care î�i p�streaz� func�ia de asigurare a unui contact vizual cu exteriorul pentru

ocupan�ii din întreaga înc�pere.

Iluminatul electric trebuie s� asigure reducerea contrastului între suprafe�ele interioare �i

imaginea exterioar�. Lumina l�mpilor trebuie s� cad� în mod special pe peretele vitrat �i pe alte

elemente învecinate deschiderilor laterale. Cu cât mai str�lucitoare este imaginea exterioar�, cu

atât mai mare trebuie s� fie luminan�a suprafe�elor învecinate ferestrelor. Iluminatul electric

trebuie s� asigure iluminarea corespunz�toare a zonelor din înc�pere îndep�rtate de ferestre.

Pentru zonele de pe planul de lucru slab iluminate natural, se recomand� adoptarea unei valori

medii a nivelului de iluminare de cel pu�in 300 lx. Dac� se folose�te o iluminare mai sc�zut�, de

exemplu pentru spa�iul de circula�ie, va ap�rea un contrast puternic între zonele din apropierea

ferestrelor �i alte p�r�i ale înc�perii, cu o impresie de discordan�� sau întunecime. In mod special,

iluminatul electric nu trebuie s� atenueze nici varia�iile naturale ale luminii zilei pe suprafe�ele

înc�perii �i nici modul în care se schimb� lumina natural� cu timpul �i vremea. Direc�ionalitatea

luminii naturale este în mod obi�nuit în avantajul ob�inerii unei model�ri bune, dar iluminatul

electric trebuie s� m�reasc� luminan�a suprafe�elor umbrite.

Un exemplu de aplicare a iluminatului electric combinat cu cel natural este prezentat

pentru o sal� de clas�. Factorul de lumin� natural� scade rapid în adâncimea înc�perii prev�zut�,

în general, doar cu ferestre laterale. Iluminarea pe b�nci trebuie s� fie îns� uniform distribuit� pe

10.15

întreaga suprafa�� a clasei. De aceea este necesar un iluminat electric în cursul zilei în zonele

îndep�rtate de fereastr� - Figura 9, a c�rui func�ionare corelat� cu lumina natural� disponibil�

compenseaz� excesiva neuniformitate a iluminatului natural. Corpurile de iluminat 1 asigur�

iluminarea tablei; rândul 2 asigur� iluminatul general pe timpul zilei - în corelare cu lumina

natural� - �i nop�ii; rândul 3 completeaz� iluminatul general noaptea sau în perioade de înnorare

excesiv�. Prin a�ezarea corpurilor de iluminat paralel cu linia de privire �i cu peretele vitrat se

reduce contrastul provocat de iluminarea natural� lateral� �i îmbun�t��i astfel modelarea.

Proiectantul care analizeaz� instala�ia de iluminat electric a unei cl�diri existente sau la

cl�diri noi la care s-a dimensionat deja suprafa�a vitrat� trebuie s� parcurg� urm�torii pa�i: (a) s�

verifice dac� sunt necesare dispozitive de umbrire sau protec�ie contra p�trunderii razelor directe

solare; (b) s� analizeze gradul în care iluminatul natural va asigura iluminarea general� a

înc�perii �i a sarcinii vizuale; (c) s� proiecteze iluminatul natural pentru intervalele de zi �i de

noapte; (d) s� selecteze echipamentul de control pentru asigurarea folosirii eficiente a

iluminatului electric.