Prof. Alessandro Rogora, Dipartimento DAStU

POLITECNICO DI MILANO
Dipartimento di Architettura e Studi urbani
Progettazione e controllo della
radiazione luminosa
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
.
Nella nostra cultura la luce assume un valore positivo,
mentre il buio e l’ombra hanno connotati negativi
GENESI 1,2 - 1,4
Iddio disse: “Sia la luce”:
e la luce fu.
Vide Iddio che la luce era
buona e separò la luce
dalle tenebre
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
mercoledì 9 aprile 14
Relazione tra luce e architettura
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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La storia dell’architettura può essere descritta come storia
della conquista della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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Architettura e clima
Saint Chapelle - Parigi
prof. Alessandro Rogora
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Cappella degli Scrovegni - Padova
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Architettura e clima
Hardwick Hall di R. Smythson Derbyshire
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Villa Emo di A. Palladio - Fanzolo (TV)
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L’aumento del valore fondiario porta a realizzare edifici a
piastra molto compatti e con poca superficie esterna
Illuminazione naturale
Collegamenti
Pianta schematica di un edificio
multipiano per uffici costruito prima degli
anni 40
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Illuminazione naturale
Illuminazione artificiale
Collegamenti
Pianta schematica di un
edificio multipiano per uffici
costruito dopo gli anni 70
.
Andamento dei consumi energetici in un edificio in funzione
della trasparenza dell’involucro
Andamento dei consumi
energetici in un edificio in
funzione della trasparenza
Metodo LT (Lighting and
Thermal)
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
prof. Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
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Efficienza della luce naturale
prof. Alessandro Rogora
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Efficienza delle sorgenti luminose
Efficienza luce naturale
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Modello di cielo coperto CIE, rilievo eseguito da Hopkinson
Stoccolma 1953
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Variazione della luminosità dovuta al diverso spessore della massa
atmosferica attraversata
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Modello di cielo sereno CIE, rilievo eseguito da Hopkinson
Stoccolma 1953
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Modello di cielo Mediterraneo (non standard)
Ld = Lz (1+ 2 sen(a)) [1+g cos(b) cos(a)]
dove:
g! =! é un fattore i cui valori variano a seconda del grado di turbolenza dell’atmosfera e che assume tipicamente il valore di 0,3
Lz! =! Luminanza allo zenit;
b ! =! angolo di altezza del punto della volta celeste.
a! =! azimut misurato a partire dal Sud geografico (Sud=0°).
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Spettro delle onde elettromagnetiche
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mercoledì 9 aprile 14
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Radiazione solare al suolo
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mercoledì 9 aprile 14
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Spettro delle onde elettromagnetiche
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mercoledì 9 aprile 14
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Conservazione dell’energia
ΦT
ΦT = Φα + Φτ + Φr
Φr Φα
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Φτ
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Trasmissione dell’energia attraverso un vetro
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Ottica geometrica
Riflessione
cartesiana
Trasparenza
cartesiana
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Riflessione
lambertiana
Riflessione
mista
Trasparenza
lambertiana
Trasparenza
mista
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Ottica geometrica
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mercoledì 9 aprile 14
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La distribuzione della luce negli spazi confinati impedisce di avere
spazi illuminati di grandi profondità e singolo affaccio
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La distribuzione della luce negli spazi confinati impedisce di avere
spazi illuminati di grandi profondità e singolo affaccio
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mercoledì 9 aprile 14
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luce in prevalenza diffusa: zone a clima freddo
luce di qualità intermedia: zone a clima temperato
luce in prevalenza dire7a: zone a clima caldo
Relazione tra posizione di un’apertura e qualità della luce.
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RelForma e posizione delle aperture e rela<va distribuzione della luce in pianta
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Flusso luminoso
misurato in lumen
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Flusso idraulico
misurato in litri/min
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Intensità luminosa
misurato in candele
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Intensità di emissione
misurato in litri/cono
ang.
.
LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Illuminamento
misurato in lux
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Intensità di raccoltà
misurato in litri/mq
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Diminuzione
illuminamento
all’aumentare della
distanza
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Diminuzione liquido
raccolto all’aumentare della
distanza
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Diminuzione della capacità di raccolta della radiazione al variare
dell’inclinazione della superficie
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Luminosià della superficie
in una specifica direzione
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Parallelo idraulico
.
LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Luminanza media di
adattamento
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mercoledì 9 aprile 14
Contrasto
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Contrasto
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Castello di Amleto a Helsingor (DK). Sala interrogatori .
LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Campo visivo: vista in
pianta
Campo visivo: vista in
sezione
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LA GRAMMATICA DELLA LUCE
Schema
dell’occhio umano
Reazione dei
sensi ai livelli
energetici
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Legge di Weber-Frechner S= K log St + B
.
Lettura e interpretazione del fenomeno luminoso
Stimulus
Sensation
Interpretation
Physiology
Psychology
Sociology
Mathematics
Physics
DESIGN
STIMOLO
=
TRASMISSIONE
=
Riferito a come si propaga
SENSAZIONE
=
Riferito a come si recepisce
INTERPRETAZIONE =
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mercoledì 9 aprile 14
Riferito alla cosa in sé
Riferito a come si valuta
.
I nostri occhi
convertono la luce
in segnali elettrici
che vengono
interpretati dal
cervello.
Visione
Nel cervello il
significato delle
informazioni visive
è la conseguenza
sia del nostro
hardware (occhi e
cervello) che del
nostro software
(memoria, tipo di
associazioni, ecc).
L’interpretazione
che il cervello dà di
quanto viene
comunicato dagli
occhi è chiamato
percezione.
Processo interpretativo/percettivo: S = Stimolo, I = Interpretazione, R = Reazione
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mercoledì 9 aprile 14
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Il processo
cognitivo può
essere
rappresentato
come un flusso
continuo di
informazione che,
partendo dalla
retina, raggiunge
la corteccia
celebrale
permettendo di
costruire
l’immagine del
mondo attraverso
un processo
interpretativopercettivo
circolare in
continua
evoluzione
Percezione visiva
Processo interpretativo/percettivo: S = Stimolo, I = Interpretazione, R = Reazione
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.
PERCEZIONE = Risposta sensoriale influenzata
dall’apprendimento
Sensory
excitation
Physiology
Culture
Internal stimuli
Biological Nec.
PERCEPTION
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Il progetto del campo luminoso come progetto del messaggio
informativo
Vista esterna del museo Guggenheim a New York
Vista interna del museo Guggenheim a New York
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Il progetto del campo luminoso come progetto del messaggio
informativo
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Parco dei Mostri a Bomarzo - la casa.inclinata
Principi fondamentali che regolano il processo percettivo
Gerarchia
L'apprendimento e l'esperienza agiscono come elementi
che regolano e strutturano i differenti stimoli secondo una
gerarchia, facilitando il processo percettivo nelle situazioni
usuali e rendendolo viceversa più difficoltoso in situazioni
nuove e sconosciute
Aspettativa
L'aspettativa di condizioni ambientali specifiche determina
una variazione nella percezione dei fenomeni ad essi
collegati
Motivazione
Le motivazioni di un soggetto ed il suo stato d'animo
agiscono come uno stimolo interno in qualsiasi processo
percettivo facendo variare la percezione dello stimolo
Dipendenza
Qualsiasi percezione è il risultato di una serie di stimoli
simultanei e non di una singola eccitazione sensoriale.
Non è possibile considerare uno stimolo completamente
isolato ed isolabile se non in una pura astrazione teorica
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mercoledì 9 aprile 14
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Effetti di raggruppamento: adiacenza
Effetto di raggruppamento tra elementi simili vicini tra di loro.
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Effetti di raggruppamento: similitudine
Effetto di raggruppamento tra elementi simili all’interno di un insieme più
ampio di oggetti.
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Effetti di raggruppamento: direzione
Effetto di raggruppamento tra elementi simili che continuano una specifica
direzione
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Effetti di raggruppamento: forma
Effetto di raggruppamento tra elementi simili che realizzano una forma nota
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Effetti di correzione: completamento
Effetto di raggruppamento e completamento tra elementi simili che
realizzano una forma nota
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Effetti di correzione: successione
Oggetti posti in una successione riconoscibile tendono ad essere completati
secondo questa successione
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Effetti di costanza: forma
Le dimensioni attribuite agli oggetti rimangono costanti e non dipendono da
quelle trasmesse dai nostri occhi
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Effetti di dipendenza dall’intorno: saturazione
Il grado di saturazione del colore e la tinta dipendono dal colore degli
elementi che lo circondano
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Per percepire
correttamente
l’ambiente, il
cervello corregge
ciò che l’occhio
vede.
Bilanciamento della luminanza
In una stanza con
una finestra su un
sola parete il
soffitto apparirà di
eguale luminanza
sebbene
un’indagine
strumentale
darebbe risultati
diversi con valori
maggiori vicino alla
finestra.
Castello di Amleto a Helsingor (DK). Vista della sala centrale
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La fotografia di un
edificio di colore
bianco, scattata al
tramonto, mostra un
edificio rosato.
Costanza del colore
La fotografia
esprime le
condizioni reali
mentre la nostra
interpretazione ci
mostra un edificio
bianco.
Il nostro cervello
filtra infatti la
radiazione rossa in
maniera migliore.
S. Carlo alle Quattro Fontane: modello in legno realizzato da M. Botta
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Effetti di fluttuazione: ambigua interpretazione
Esempio di immagine
fluttuante per le quali è
possibile una doppia
interpretazione
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mercoledì 9 aprile 14
Ambiguità soggetto sfondo
.
Il cervello tenta
sempre di
individuare le
informazioni visive
separandole dagli
elementi disturbanti
del contesto.
Quando ciò diventa
difficoltoso o
impossibile, la
visione viene
disturbata.
Le tende veneziane
risultano spesso
disturbanti a causa
della confusione che
generano tra sfondo
e soggetto.
Relazione Soggetto/sfondo
Le veneziane possono disturbare creando confusione tra soggetto e sfondo.
prof. Alessandro Rogora
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Il progetto del campo luminoso come progetto del messaggio
informativo
Where is
is the
the ball
ball ??
Where
Vista dall’interno della copertura dell’Astrodrome di Huston
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Effetto di degrado dovuti alla esposizione alla luce
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Requisiti legati all’attività
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Requisiti legati all’attività
Diversi requisiti
per una buona
illuminazione
naturale possono
essere
considerate per la
maggior parte
delle attività. Ci
sono comunque
alcuni requisiti
aggiuntivi che
dipendono
dall’attività e
attività specifiche
che richiedono
requisiti
particolari.
Osservare una
scultura: luci e ombre
sono necessarie nella
comprensione della
tridimensionalità degli
oggetti. Una
illuminazione
appropriata deve quindi
avere una certa
direzionalità. È
comunque necessaria
una quota di
illuminazione diffusa
per evitare ombre
troppo dure che
renderebbero
impercettibili alcuni
dettagli.
La vittoria alata, Parigi
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Un buon progetto
di illuminazione
deve essere
indirizzato non solo
ai requisiti di
prestazione visivi
prima descritti ma
anche alle
necessità
biologiche che
ardano tutti gli
esseri viventi,
necessità che sono
quasi indipendenti
da stile e cultura.
Queste necessità
biologiche sono
collegate ai
requisiti di
orientamento,
sicurezza, difesa e
sopravvivenza
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mercoledì 9 aprile 14
Necessità biologiche
1
Necessità di orientamento: il sistema di
illuminazione deve definire piani e cambi di livello.
Deve anche aiutare una persona a riconoscere dove
si trova e dove deve andare.
2
Necessità di orientamento temporale: il cosiddetto
jet lag è il risultato della perdita di sincronizzazione
del nostro orologio interno rispetto a quanto vedono i
nostri occhi. Il nostro orologio interno si aspetta
oscurità e un periodo per il riposo mentre, al contrario,
gli occhi sperimentano un sole splendente. Il minimo
stress si ottiene quando gli occhi wedono quello che
gli occhi si aspettano di vedere.
3
Necessità di comprendere la struttura: il bisogno di
comprendere la realtà è frustrato quando la realtà
fisica degli oggetti entra in contraddizione con una
illuminazione che la rendono poco leggibile, attraverso
condizioni di eccessiva oscurità, luce eccessivamente
diffusa, eccessiva brillantezza, ecc
.
Un buon progetto
di illuminazione
deve essere
indirizzato non solo
ai requisiti di
prestazione visivi
prima descritti ma
anche alle
necessità
biologiche che
ardano tutti gli
esseri viventi,
necessità che sono
quasi indipendenti
da stile e cultura.
Queste necessità
biologiche sono
collegate ai
requisiti di
orientamento,
sicurezza, difesa e
sopravvivenza
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mercoledì 9 aprile 14
Necessità biologiche
4.
Necessità di centri di attenzione: per prevenire il
sovraccarico di informazione il cervello deve focalizzare la
propria attenzione sui principali aspetti dell’ambiente e
ignorare sostanzialmente il resto. L’illuminazione può aiutare a
creare ordine sottolineando le aree e attività che risultano più
rilevanti.
5.
Necessità di personalizzazione del proprio spazio: luce e
oscurità in un ambiente di grandi dimensioni possono aiutare
a definire lo spazio personale di ogni individuo.
Un’illuminazione uniforme tende a ridurre le differenze
individuali mentre l’illuminazione localizzata e quella integrata
ai mobili enfatizza il territorio personale. Le persone
apprezzano la possibilità di controllare il proprio territorio.
6
Necessità di spazi piacevoli: muri e soffitti scuri creano una
atmosfera da caverna. Questo effetto può essere causato da
specifiche superfici, bassi livelli di illuminazione, o entrambi
gli elementi. In ogni caso un ristorante illuminato da candele
non è oscuro perché noi ci aspettiamo un ambiente in
penombra. Un ambiente appare oscuro solo se risulta meno
luminoso di quanto ci aspettiamo.
.
Un buon progetto
di illuminazione
deve essere
indirizzato non solo
ai requisiti di
prestazione visivi
prima descritti ma
anche alle
necessità
biologiche che
ardano tutti gli
esseri viventi,
necessità che sono
quasi indipendenti
da stile e cultura.
Queste necessità
biologiche sono
collegate ai
requisiti di
orientamento,
sicurezza, difesa e
sopravvivenza
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Necessità biologiche
7.
Necessità di stimoli visivi interessanti: spazi
insignificanti non vengono resi più interessanti
aumentando il livello di luce. Oggetti interessanti quali
finestre, persone, quadri, sculture e agiscono come
riposanti centri visivi. Vedere oggetti distanti permette
ai muscoli degli occhi di rilassarsi.
8.
Necessità di ordine: quando ci si aspetta un certo
tipo di ordine e non lo si ritrova, la percezione diventa
caotica.
9.
Necessità di sicurezza: l’oscurità è mancanza di
informazione visiva. In una situazione in cui vi sia
potenziale pericolo, la mancanza di informazione
produce paura. Strade e angoli bui, l’ombra proiettata
dagli alberi vengono meglio risolti da una serie di
apparecchi di illuminazione ravvicinati piuttosto che da
pochi apparecchi di grande potenza. Edifici con
superfici esterne di colore chiaro sono molto utili
poiché riflettono la luce diffusa negli angoli più scuri.
.
Segni, simboli, immagini, evocazioni
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.
L’illuminamento si calcola mediante un indicatore:
“Fa#ore di Luce Diurna (FLD)”o Daylight Factor (DF)
Ein
FLD =
[%]
Eout
Ein = illuminamento dovuto alla sola luce naturale nel punto considerato
Eout= illuminamento esterno su un piano orizzontale posto so7o un cielo coperto
il cielo u<lizzato dalla norma<va è il cielo uniforme
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Tipo di edificio
Residenza e
alberghi
Ambiente
Soggiorno
Camera da letto
Cucina
Terziario
Scuole, Università
Ospedali
Edifici Sportivi
Biblioteche
Musei
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Uffici
Uffici con lavoro di
dattilografia
Aule
Laboratori
Uffici
Accettazione, sale
d’attesa
Ambulatorio
Campi coperti, piscine
Bordo piscina
Sala lettura
Sale espositive
FLD
1% fino ad una
profondità di almeno
metà ambiente
0,5% fino ad una
profondità di almeno
metà ambiente
2% fino ad una
profondità di almeno
metà ambiente
2%
4%
2%
4%
1%
1%
3%
2%
1%
1%
1%
.
CALCOLO DIRETTO DEL FATTORE MEDIO DI LUCE DIURNA
(UNI 10840/2007)
FLD =
Σin τi Si εi Ψi
Stot ( 1 - δm)
(%)
dove:
- n = numero finestre;
- τ = coeff. trasparenza vetro;
- S = superficie netta del vetro;
- εi = vista della volta celeste (0 -1);
- Ψi = coeff. di riduzione legato allo spessore del muro;
- Stot = superficie globale interna della stanza;
- δm = coeff. medio di riflessione delle pareti
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.
prof. Alessandro Rogora
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.
VALUTAZIONE DELL’EFFICACIA DI UNA SCHERMATURA
Per scegliere la schermatura migliore in relazione agli obie;vi di proge#o bisogna saper effe#uare la valutazione dell’efficacia dei diversi sistemi schermanA.
Il parametro a#raverso a cui si valuta la riduzione della radiazione solare è il:
FATTORE DI OMBREGGIAMENTO
Maggiore è il faAore di ombreggiamento, maggiore è la capacità schermante METODI ANALITICI
METODI GRAFICI
ORIENTAMENTO della superficie da schermare
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.
FATTORE DI OMBREGGIATURA – METODI ANALITICI
Norma UNI TS 11300
Flusso termico solare su una superficie:
Φsol = Fsh x Asol x Isol
FaAori di riduzione dell’ombreggiatura
Irradianza solare media mensile sulla superficie Area di captazione solare effeQva
Calcolo del fa7ore di riduzione per ombreggiatura:
Fsh = Fhor x Fov x Ffin
Ostruzioni esterne
Agge= orizzontali
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Agge= verCcali
Esempio mese giugno
appendice D . TS 11300
UNI Regole empiriche per la definizione di un
aggetto orizzontale di schermatura per
finestre orientate a sud ± 15°
2x+y
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.
FATTORE DI OMBREGGIATURA – METODO GRAFICO
MASCHERE DELLE OSTRUZIONI
ORIZZONTALI
Classificazione Olgyay
VERTICALI
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CARTA DEI PERCORSI SOLARI
della laAtudine considerata
COMBINATI
Determinazione della geometria più idonea per l’ORIENTAMENTO.
.
mercoledì 9 aprile 14
mercoledì 9 aprile 14
mercoledì 9 aprile 14
STRUTTURA DELLA CLASSIFICAZIONE
PRESTAZIONI
Potere schermante
Trasparenza alla luce
Fattore di vista e qualità
dell’informazione
Tesi di Laurea specialistica Studenti Erica Graziani - Silvana Guerra Relatore prof.Alessandro Rogora
mercoledì 9 aprile 14
ANALISI PRESTAZIONALE
guadagni solari invernali - sud
300
250
200
SUD
guadgni senzaschermatura
150
100
50
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
RADIAZIONE SOLARE INCIDENTE SULLA
SUPERFICIE VETRATA
h
guadagn sol ar i i nver nal i sud-ovest
250
SUD-OVEST
200
150
guadagni senza
scher matur a
100
50
! Area finestra (Q Diretta + Q Diffusa )
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Potenza TOT =
10 11 12 13 14 15
[W]
guadagni sol ar i esti vi - ovest
160
140
OVEST
120
100
guadagni senza
80
scher matur a
60
40
20
0
1
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12 13 14
15
Erica Graziani - Silvana Guerra
35
ANALISI PRESTAZIONALE
FINESTRA DI RIFERIMENTO
Dimensioni: 70 x 140 cm
Area: 0,98 m2
Potenza TOT =
Area finestra (Q Diretta + Q Diffusa ) =
546,4 W
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
Erica Graziani - Silvana Guerra
36
GEOMETRIA SOLARE – 21 LUGLIO
AGGETTO ORIZZONTALE
PROSPETTI E SEZIONI
PIANTE
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
Erica Graziani - Silvana Guerra
40
ANALISI DEI DATI GEOMETRICI – CARTA DEI PERCORSI SOLARI
AGGETTO ORIZZONTALE
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
Erica Graziani - Silvana Guerra
CARABOTTINO
43
FATTORE DI ILLUMINAZIONE
AGGETTO ORIZZONTALE
26,2 %
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
CARABOTTINO
20 %
Erica Graziani - Silvana Guerra
44
AGGETTO ORIZZONTALE
GUADAGNI SOLARI INVERNALI
guadagni solari invernali - sud
300
250
200
guadagni con
scher matur a
150
guadgni senza
scher matur a
100
• Guadagni senza schermatura
• Guadagni con schermatura
50
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
h
Percentuale di schermatura
alle h 12
guadagn solari invernali sud- ovest
250
200
guadagni con
150
sher matur a
guadagni senza
100
scher matur a
50
sud: 1 %
sud-ovest: 12 %
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
ovest: 100 %
guadagni solari est ivi - ovest
160
140
120
Ser i e1
100
80
guadagni senza
scher matur a
60
40
20
0
1
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
Erica Graziani - Silvana Guerra
Le prestazioni
invernali sono
efficienti in
tutti gli
orientamenti
45
AGGETTO ORIZZONTALE
GUADAGNI SOLARI ESTIVI
guadagni solari est ivi - sud
600
500
400
guadagni con
schermatura
300
guadagni senza
schermatura
200
• Guadagni senza schermatura
• Guadagni con schermatura
100
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
h
Percentuale di schermatura
alle h 12
guadagni solari est ivi sud- ovest
600
500
400
guadagni con
scher matur a
300
guadagni senza
scher matur a
200
sud: 70 %
100
sud-ovest: 88 %
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
h
ovest: 100 %
guadagni solari st ivi - ovest
700
600
500
guadagni con
400
scher matur a
300
guadagni senza
schematur a
200
100
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15
h
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
Erica Graziani - Silvana Guerra
Le prestazioni
estive sono
efficienti a SUD
e accettabili a
sud-ovest
46
22 luglio 2005
mercoledì 9 aprile 14
Erica Graziani - Silvana Guerra