curs10-ie1 cap 2-5 iluminat natural
DESCRIPTION
Curs electriceTRANSCRIPT
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.