Integrazione tra luce artificiale e naturale negli spazi espositivi, un caso studio.

Buongiorno a tutti. Innanzitutto vorrei ringraziare Giacomo per la possibilità che mi ha offerto di pubblicare un articolo sul suo blog, oltre che per avermi aiutata nei mesi precedenti alla sessione di laurea a superare alcuni ostacoli. Tengo inoltre a ringraziare  il mio relatore di tesi, l’architetto Cesare Coppedè, per avermi sempre seguita e sostenuta durante questo percorso.

Per il mio lavoro di tesi ho scelto di lavorare sul tema dell’illuminazione naturale, attratta e stimolata dalla possibilità di migliorare l’efficienza energetica di un edificio, e di massimizzare contemporaneamente il benessere dei suoi utenti, sfruttando caratteristiche ambientali proprie di un sito.
L’edificio oggetto del mio lavoro, chiamato Faculté des Sciences, si trova a Rennes, ed è formato da un corpo principale rettangolare che racchiude al suo interno due corti, separate da un volume trasversale. L’intervento progettuale è riferito all’illuminazione delle due corti interne e dello spazio sovrastante il volume che le divide, spazi destinati all’esposizione di opere d’arte contemporanea. La necessità di progettare ex novo la copertura di questi spazi ha permesso un’ampia flessibilità nello studio di una soluzione adatta dal punto di vista sia estetico che funzionale.
Tutte le analisi che ho effettuato si basano sui valori dell’illuminamento, grandezza oggettiva e facilmente calcolabile, che ho ricavato utilizzando software di simulazione tra cui 3ds Max Design (ndr vedi in proposito quest’articolo). Questo programma infatti permette di effettuare simulazioni di luce naturale basate su caratteristiche climatiche e ambientali specifiche di un luogo utilizzando un Weather Data File (.EPW), che contiene i dati ricavati da misurazioni reali effettuate tuttii giorni dell’anno, per diversi anni.

Qua l’estrapolazione dei dati climatici relativi a Rennes:

Mi sono posta l’obiettivo di raggiungere, sul piano di calpestio e sulle superfici di esposizione, un illuminamento quanto più possibile vicino a 500 lux, valore che garantisce buone condizioni per una corretta visione di opere d’arte contemporanea. Data l’eterogeneità di dimensioni (a volte molto grandi), forme e materiali impiegati, ho cercato di progettare un’illuminazione di tipo diffuso e uniforme.
In una prima fase di progetto sono stati analizzati i livelli di illuminamento sui piani di calpestio con la copertura presente nello stato di progetto. Questa si configura come un’unica copertura curva il cui tamponamento è opaco o trasparente a seconda degli ambienti sottostanti. I valori sono stati calcolati in periodi dell’anno di riferimento: alle ore 10:00 e 16:00, nei giorni dei solstizi e degli equinozi. Le analisi successive sono state effettuate nel giorno 21 giugno alle ore 10:00, in modo da “tarare” l’impianto nella situazione individuata come la più critica.
Dalle criticità emerse in questa prima analisi (illuminamento eccessivamente elevato e non uniforme, penetrazione della luce non controllato nei diversi momenti del giorno e dell’anno), le linee strategiche che ho individuato sono: controllo della quantità, della provenienza e della distribuzione della luce; suddivisione della copertura, in modo da dotare ogni spazio di una propria copertura, e quindi di rispondere alle necessità specifiche di ogni spazio; studio accurato di ogni componente della struttura.
In primo luogo è stata studiata la soluzione per la copertura dello spazio di esposizione centrale: sono state modellate ed analizzate diverse varianti, optando per l’utilizzo di lucernari orizzontali per massimizzare la quantità di luce che penetra negli ambienti, integrandoli con strutture schermanti per evitare i fenomeni di abbagliamento.

La soluzione scelta è formata da una copertura che si divide in tre fasce longitudinali: quella al centro composta da vetro chiaro con lamelle in vetrocamera, mentre quelle laterali sono formate da vetro traslucido, schermato da tende filtranti. Per controllare la distribuzione della luce sono stati utilizzati teli traslucidi diffondenti, disposti su tutta l’area del soffitto, che permettono di diffondere la luce uniformemente nello spazio, senza alterarne il colore. Le pareti, composte da vetro traslucido schermato da tende filtranti, permettono una maggiore uniformità dell’illuminazione.

Dati relativi al telo diffondente utilizzato: Barrisol trasmissione alla luce circa 46%, riflessione della luce circa 56%
Un’altra parte importante del lavoro è stata lo studio delle caratteristiche dei materiali e di come rappresentarli con 3ds Max. In particolare è stato complicato trovare la corretta rappresentazione dei teli traslucidi diffondenti, e in proposito ringrazio Giacomo per il fondamentale aiuto che mi ha fornito in questa parte del lavoro. (NDR si rimanda in merito ad un interessante trattazione sul sito di Pierre-Felix Breton in cui vengono definiti i canoni sull’impostazione dei materiali traslucidi in 3dsmaxdesign)
Sin dall’inizio è stata cercata una soluzione flessibile, che si adattasse alle variazioni ambientali: attraverso la programmazione dell’inclinazione delle lamelle in vetrocamera e dell’utilizzo o non utilizzo delle tende schermanti è possibile adattare l’impianto alle condizioni ambientale dei diversi periodi dell’anno.

Si passa da un illuminamento medio sul piano di calpestio di 546 lux il 21 giugno, a 340 lux il 21 marzo, 553 lux il 21 settembre e 179 lux il 21 dicembre.
Per studiare la soluzione progettuale delle due corti sono partita applicando a questi spazi una copertura con le stesse caratteristiche di quella che è stata scelta per lo spazio centrale.

Sempre basandomi sui risultati dei calcoli illuminotecnici, ho modificato dimensioni e caratteristiche dei diversi “strati” per raggiungere una soluzione ottimale. Il 21 giugno alle ore 10:00, per la corte ovest, è stato raggiunto un illuminamento medio sul piano di calpestio di 408 lux, nella corte est 411 lux.

Luce naturale ed artificiale sono pensate come componenti di un unico sistema. L’integrazione con luce artificiale infatti è sempre necessaria: di notte, o durante le giornate coperte, è l’impianto di illuminazione artificiale a farsi carico della necessaria quantità di luce.

Qua di seguito una tabella che riassume le variazioni di temperatura colore date dalla luce del giorno (riflessa dalla volta celeste e diretta del sole) durante l’arco della giornata. Fonte Olympus Microscope

Qua di seguito un diagramma che evidenzia la tipica emissione spettrale della luce daylight e sunlight

Il sistema utilizzato prevede l’impiego di stringhe flessibili di pixel LED, ovvero una rete di flessibili catene LED, in cui ogni pixel è formato da quattro LED a luce bianca di colorazione diversa, miscelati tra loro per ottenere varie temperature di colore.
Questi sistemi reticolari, posizionati sopra i teli traslucidi, hanno la particolarità di poter essere regolati punto per punto. Attraverso l’impiego di specifiche funzioni di controllo della luce è possibile programmare il funzionamento del sistema di illuminazione, e garantire condizioni ottimali e costanti di comfort visivo eliminando gli sprechi energetici. La presenza di sensori opportunamente posizionati permette di rilevare la quantità di luce naturale incidente su una zona, e regolare di conseguenza la quantità di flusso luminoso emesso da ogni singola sorgente artificiale da 0% a 100%, per permettere di compensare la parziale o totale mancanza di luce naturale. L’utilizzo di questo sistema garantisce il mantenimento costante dei valori di illuminamento di progetto.
Un’altra caratteristica importante è la possibilità di variare la temperatura di colore di ogni pixel da 2700K a 6500K, permettendo così di adattare la luce artificiale a quella naturale  in ogni momento della giornata ricostruendo lo spettro della luce naturale.