Illuminazione naturale: definizione, vantaggi e metodi di calcolo

Nella guida finalizzata ad analizzare cos'è l'illuminotecnica abbiamo introdotto l'argomento, già ampiamente trattato all'interno del nostro corso "Illuminotecnica: Come progettare la luce", spiegando quali sono le basi di questa disciplina elencando le diverse grandezze e unità di misura utili ai professionisti per effettuare il calcolo illuminotecnico e stabilire "quanto illuminare" un determinato spazio. Con questo articolo, invece, abbiamo scelto di approfondire la tematica dell'illuminazione naturale, fornendone definizioni, indicandone i vantaggi e, soprattutto, i metodi di calcolo.

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Cosa si intende per illuminazione naturale?

Per illuminazione naturale si intende quel tipo di illuminazione che sfrutta la luce naturale che proviene direttamente dal sole o dalla volta celeste, ed è quella che viene considerata "la fonte di luce migliore" poiché l'occhio umano si è evoluto nel corso dei millenni adattandosi ad essa. Principalmente, la luce naturale è costituita da due componenti:

componente solare diretta	la quale proviene dal sole, ciò la rende direzionale in quanto varia in base alla posizione del sole.
componente diffusa	la quale proviene dalla volta celeste ed è dovuta alla dispersione della radiazione solare causate dalle numerosi riflessioni dovute alle particelle di vapore acqueo e al particolato in atmosfera.

La luce naturale è contraddistinta da uno spettro luminoso completo e dinamico, vediamo perché:

Completo	perché il sole emette una luce composta da radiazioni ultraviolette ed infrarosse a diverse lunghezze d'onda.
Dinamico	perché l'intensità della luce e la temperatura del colore cambiano in base all'ora del giorno.

Quali sono i vantaggi dell'illuminazione naturale?

Sfruttare le fonti di luce naturale per illuminare un edificio consente di ottenere due principali vantaggi:

influenza in positivo il benessere psicofisico degli abitanti;
riduce i costi dell'energia elettrica.

Per quanto riguarda il benessere delle persone che abiteranno l'edificio, la luce naturale gioca un ruolo essenziale poichè:

fornisce all'organismo la Vitamina D, essenziale per l'organismo e per la formazione dell'apparato scheletrico;
stimola la produzione di melatonina e di cortisolo che regolano il ciclo sonno-veglia.

Di conseguenza, un'esposizione alla luce solare carente o assente, influenza negativamente l'organismo, in paritcolare un disfunzionamento di melatonina e cortisolo può causare emicranie, disturbi del sonno e sfociare, in alcuni casi, nella depressione.

Per quanto riguarda, invece, i vantaggi rispetto risparmio energetico, la presenza di luce naturale permette di limitare l'uso della luce artificiale i cui consumi secondo le stime, anche in un edificio di classe energetica elevata, incide fino al 20% sul consumo totale. Idealmente, dunque, almeno nelle ore diurne, la luce naturale dovrebbe essere l'unica fonte di illuminazione.

Esiste una normativa di riferimento per l'illuminazione naturale?

Non esiste un Testo Unico che si rivolga soltanto all'illuminazione naturale, tuttavia possiamo trovare diverse fonti normative che trattano l'argomento, elencando i requisiti per minimi e le caratteristiche di alcune tipologie di edifici, tra cui rientra anche l'illuminazione, essi sono:

il D.M. 5 Luglio 1975, recante i requisiti igienico sanitari dei locali di abitazione in ambito residenziale;
la Circolare Min. LL. PP. 3151 del 22 maggio 1967 sulla valutazione delle proprietà termiche, igrometriche, di ventilazione e di illuminazione nelle costruzioni edilizie, anch'essa in ambito residenziale;
la Circolare Min. LL. PP. 13011 del 22 novembre 1974 che determina i requisiti fisico tecnici per le costruzioni edilizie ospedaliere;
il D.M. 18 dicembre 1975 recante gli indici minimi di funzionalità didattica, edilizia e urbanistica nel settore scolastico;
la UNI 10840 che approfondisce la tematica della luce e dell'illuminazione dei locali scolastici.

Come calcolare la luce naturale in una stanza?

Per calcolare il livello di illuminazione naturale nelle stanze bisogna tenere conto di un parametro fondamentale: il FLDm ovvero il fattore di luce diurna medio. Il Fattore di luce diurna è fissato dal Decreto ministeriale Sanità del 5 luglio 1975 e corrisponde al rapporto tra l'illuminamento che si ha su una superficie orizzontale che si trova all'interno dell'ambiente considerato grazie alla luce diffusa dalla volta celeste, e l'illuminamento che, nello stesso tempo, si realizza su una superficie orizzontale posta all'esterno grazie all'irraggiamento solare diretto. Di norma, per avere una buona illuminazione naturale, l'area della fonte di luce dovrebbe dovrebbe essere di circa il 10-12% rispetto a quella del pavimento della stanza. Per assicurare il livello di prestazione richiesto, si possono utilizzare:

la soluzione conforme;
I metodi di calcolo di verifica progettuale.

Come stimare la luce naturale con la Soluzione Conforme?

La soluzione conforme permette di calcolare il giusto livello di luce naturale in una stanza tramite la verifica di alcuni parametri:

il rapporto di illuminazione fra superficie dell'apertura e la superficie del pavimento deve essere maggiore o uguale a 1/8 (Ri ≥ 1/8);
i coefficienti di trasparenza delle superfici vetrate devono essere maggiori di 0,7;
circa il 75% della profondità dello spazio (3/4) deve essere minore o uguale a 2,5 volte l'altezza dell'apertura illuminante dal pavimento all'architrave;
il rapporto di illuminazione delle finestre sotto i porticati devono deve essere calcolato in riferimento alla superficie del pavimento e alla quota di superficie del porticato;
il rapporto di illuminazione per le finestre con superfici trasparenti interrotti da balconi profondi più di 1 metro deve essere calcolato in funzione della dimensione della superficie illuminante (aggiungendo 0,05 m² ogni 5 cm di ulteriore profondità oltre 1 metro).

Ci sono poi delle misure più specifiche che si applicano alle finestre che si affacciano soltanto sui cortili, ovvero:

il 75% dell'area dei cortili deve essere superiore a 1/5 della somma delle superfici delle pareti che delimitano il cortile stesso;
il 75% dell'altezza massima delle pareti che delimitano il cortile deve essere inferiore o uguale a 1,5 volte la media delle distanze fra le pareti opposte;
il 75% della distanza normale minima da ogni finestra al muro opposto deve essere superiore a 6 m.

Quali sono i Metodi di calcolo dell'illuminazione naturale?

Oltre alla soluzione conforme esistono diversi metodi di calcolo i quali hanno caratteristiche diverse relative a semplicità di utilizzo e precisione nell'effettuare il calcolo in edifici dotati di geometrie complesse. I metodi di calcolo più diffusi sono 3:

Metodo di Calcolo A;
Metodo di Calcolo B;
Metodo di Calcolo C.

Di seguito forniremo delle indicazioni su come svolgere i tre metodi.

Metodo di Calcolo A

Si tratta di un metodo di calcolo molto diffuso e va applicato soltanto nei seguenti casi:

in presenza spazi di forma regolare con profondità minore o uguale a 2,5 volte l'altezza dal pavimento del punto più alto della superficie trasparente dell'infisso;
in presenza di finestre verticali (a parete).

La formula di riferimento per il Metodo A è la seguente:
Metodo di Calcolo A
Nello specifico, per effettuare questo calcolo bisognerà:

determinare il coefficiente di trasparenza in base alla tipologia di vetro;
calcolare l'area della superficie trasparente in base al tipo di telaio;
calcolare "S" come area di pavimento, soffitto e pareti (comprese le finestre) che delimitano lo spazio;
calcolare Il coefficiente dmedio di riflessione luminosa come media pesata dei coefficienti di riflessione delle singole superfici interne dello spazio utilizzando;
calcolare il coefficiente dell'arretramento del piano della finestra previa determinazione dei rapporti hf/p e di l/p
calcolare il fattore finestra secondo l'eventuale tipo di ostruzione presente.

Metodo di Calcolo B

Il metodo di calcolo B viene anche detto "Metodo Informatizzato" e consente di effettuare la verifica del FLDm all'interno dell'ambiente tramite uno specifico programma di calcolo: il Superlite (Predicting Dayligthting and Ligthting performance182). Si tratta di un metodo riconosciuto dalla comunità scientifica e considerato molto affidabile, in quanto è stato sottoposto, con successo, a diverse prove sperimentali.

Il Metodo B non presenta molti limiti di applicazione e può essere applicato in caso di:

presenza di spazi di forma regolare;
presenza di spazi di geometria complessa;
presenza di spazi prospicienti logge, balconi, ballatoi;
presenza di qualsiasi tipo di aperture finestrate.

Metodo di Calcolo C

In fine, il metodo di calcolo C prende in considerazione, oltre alla componente cielo, anche il contributo di luce riflessa dall'esterno e dell'interno dell'ambiente interessato, e può essere applicato a:

spazi di forma regolare;
spazi di forma complessa;
spazi prospicienti logge, balconi, ballatoi.

Per effettuare il calcolo bisognerà:

individuare i punti per ognuno dei quali deve essere determinato il valore FLDi.
calcolare il fattore di luce diurna FLDi nel punto i;
calcolare il fattore di luce diurna medio (FLDm) come media dei valori di FLDi precedentemente determinati.

Per calcolare il fattore di luce diurna FLDi nel punto i la formula che si utilizza è la seguente:

Come ottimizzare l'illuminazione naturale?

Per ottimizzare la luce naturale, in fase di progettazione bisogna prestare particolare attenzione alle diverse modalità di diffusione della luce e scegliere quella più adatta al caso specifico, esse sono:

Illuminazione laterale o sidelighting	questa modalità prevede l'apertura di finestre nelle pareti opache per far entrare la luce. Si tratterà di una luce variabile.
Illuminazione zenitale o toplighting	in questa modalità la luce prodotta da aperture, cupole e lucernari posizionati sulla copertura, spesso dotati di tende che assorbono e diffondono la radiazione solare, riducendo la dispersioni termica.
Illuminazione dall'interno o corelighting	in questa modalità la luce viene prodotta da atri, cortili e chiostri costruiti nell'edificio. In casi del genere potrebbe essere necessario anche installare delle finestre laterali.

In base alla posizione geografica dove verrà costruito l'edificio, al clima caratteristico, al suo orientamento rispetto alla posizione del sole durante l'arco della giornata, bisognerà scegliere la soluzione più idonea per garantire il massimo dell'illuminazione naturale.

Oltre a questi interventi di tipo strutturale, ecco alcuni consigli per ottimizzare la luce naturale all'interno di un'abitazione.

scegliere infissi di alluminio che possano supportare vetrate più ampie;
optare per ampie specchiature come una porta finestra o uno scorrevole;
scegliere elementi di arredo chiari che possano contribuire a diffondere la luce nella stanza.