Sistemi di controllo ed integrazione luce naturale ed artificiale: stato dell’arte e presentazione di un’attività di ricerca sperimentale

Una delle possibili applicazioni di sistemi di automazione riguarda il controllo dell’illuminazione degli ambienti interni.
Le esigenze di illuminazione di un ambiente possono infatti variare nell’arco della giornata e nel corso dell’anno, sia in relazione alle funzioni ed alle attività che vi si svolgono sia in rapporto alla disponibilità di luce naturale o alla reale presenza degli occupanti.
Una prima risposta a diverse esigenze di illuminazione può essere data mediante l’accensione, la regolazione e lo spegnimento manuale degli apparecchi, ma la possibilità di gestire automaticamente ed in modo indipendente dall’utenza questo tipo di controllo rappresenta indubbiamente una sfida potenzialmente interessante.
L’uso di sistemi completamente o parzialmente automatici per il controllo e l’integrazionedell’illuminazione artificiale e naturale può teoricamente contribuire alla determinazione di alcuni vantaggi quali: l’incremento del comfort visivo e del comfort termico all’interno degli ambienti confinati, nonché l’ottenimento di un risparmio energetico dovuto innanzitutto ad un minor consumo di energia elettrica per gli apparecchi di illuminazione e, nel caso di edifici condizionati, ad una riduzione dei carichi termici endogeni prodotti dalle sorgenti di luce. Il problema del risparmio energetico, molto sentito già negli anni 70 quando l’attenzione verso la gestione energetica degli edifici cominciava a nascere ed a fondare le proprie radici, torna oggi ad essere molto attuale.
La volontà di incentivare la sostenibilità del progetto architettonico, costruendo edifici che rispondano a requisiti di contenimento dei consumi energetici ed ad elevati standard qualitativi, emerge chiaramente dal panorama dell’architettura nazionale ed internazionale e viene inoltre sempre più supportata da un preciso quadro normativo sia in merito agli aspetti della qualità ambientale che a quelli del consumo energetico degli edifici.
Nonostante tecnologie e componenti per il controllo automatico dell’illuminazione esistano fin dagli anni 80 la loro diffusione è stata finora piuttosto limitata e spesso circoscritta ad ambiti industriali o a edifici per uffici di dimensioni significative.
Recentemente, la confluenza di nuove tendenze progettuali e nuove tecnologie ha rilanciatol’interesse verso la ricerca di soluzioni per l’ottimizzazione del controllo della luce artificiale el’integrazione con la luce naturale.
Da un punto di vista progettuale risulta ormai consolidatol’interesse in ambito architettonico per la realizzazione di edifici commerciali caratterizzati da ampie superfici vetrate, con conseguente maggiore disponibilità di luce naturale, ma anche con maggiore necessità di controllo e gestione di una risorsa che, oltre ad indubbi vantaggi, può determinare condizioni significative di discomfort sia visivo che termico (problemi di abbagliamento e di surriscaldamento estivo).
Da un punto di vista tecnologico, la ormai stabile diffusione di reattori elettronici dimmerabili per sorgenti a scarica, l’evoluzione nelle tecniche di gestione del segnale di controllo, la realizzazione di componenti elettronici, così come lo sviluppo di nuovi trends progettuali quali quello dell’illuminazione dinamica o della miscelazione di luce colorata hanno dato nuovo impulso all’offerta di sistemi di controllo della luce artificiale.
Molte delle principali ditte produttrici di apparecchi di illuminazione presentano oggi nel loro catalogo sistemi e componenti preposti a realizzare diversi tipi di gestione dell’illuminazione (gestione del colore, integrazione con la luce naturale, etc.), dimostrando in tal senso le aspettative di sviluppo di questo settore di mercato. 
 
Controllo della luce e qualità del progetto illuminotecnico
La fine degli anni 90 è stata caratterizzata in ambito internazionale da un ampio dibattito culturale sul tema della qualità dell’ambiente luminoso e del progetto illuminotecnico.
Da questo dibattito, che ha avuto un importante punto di riferimento nel 1998, in occasione del “CIE Symposium on Lighting Quality” (immagine 1), è emersa la necessità di una visione più ampia del concetto di qualità dell’illuminazione, che non si esaurisca con i requisiti tipici associati al tema del comfort visivo, quali l’illuminamento sul piano di lavoro, l’uniformità di distribuzione della luce, l’abbagliamento etc. ma che integri nei criteri di giudizio la rispondenza del progetto a requisiti che vanno oltre l’ambito strettamente illuminotecnico, riconoscendo cioè la natura multidimensionale del progetto di illuminazione.
I risultati di questo dibattito sono stati sintetizzati in un modello proposto in ambito internazionale (immagini 2,3) e successivamente acquisito dall’Illuminating Engeenering Society of North America (IESNA) che, all’interno della IX edizione del manuale di progettazione illuminotecnica (immagine 4), lo ha proposto sviluppando, in base alle considerazioni che da esso scaturiscono, una nuova impostazione all’approccio progettuale.
Il modello, schematizzabile come in figura 1, evidenzia come la qualità del progetto di illuminazione risulti dall’interazione di tre ambiti: quello relativo all’individuo, quello relativo all’integrazione della luce con l’architettura e quello riferibile alle implicazioni economiche ed ambientali.
In questo quadro risulta evidente come, a livello teorico, l’adozione di sistemi di controllo e integrazione della luce naturale e artificiale possa influire sulla qualità globale del progetto di illuminazione: il principio alla base dello sviluppo di sistemi di gestione della luce è di realizzaresistemi dinamici, in grado di rispondere alle esigenze mutevoli dell’utenza o alle diverse funzioni cui è preposto un ambiente, ottimizzando i consumi in relazione al reale utilizzo degli spazi ed alla disponibilità di luce naturale nei diversi momenti della giornata e dell’anno.
Un ideale sistema di gestione incrementa la qualità del progetto di illuminazione garantendo condizioni ottimali e costanti di comfort visivo ed eliminando gli sprechi energetici, influendo positivamente pertanto sia sulla sfera delle esigenze dell’utenza sia su quella relativa alle implicazioni economiche e ambientali del progetto.
Nel passare da un’analisi di carattere teorico ad una di tipo pratico è necessario però prendere in considerazione la maggior complessità del problema: il funzionamento dei sistemi di controllo è legato alla presenza di “intelligenze” distribuite (sensori) e centralizzate (pc e software di controllo) che regolano il comportamento dei terminali controllati (apparecchi di illuminazione, sistemi di schermatura, etc.); le caratteristiche di questi componenti, la loro impostazione e programmazione può influire significativamente sulle prestazioni complessive del sistema e quindi sulla effettiva qualità del progetto di illuminazione risultante.
Un'aspetto che non può essere trascurato nel valutare le implicazioni dei sistemi di controllo sulla qualità del progetto riguarda il grado di accettazione da parte degli utenti.
Le condizioni realizzate automaticamente dal sistema di controllo possono risultare non coerenti con le esigenze degli utenti e determinare un disagio fisiologico o psicologico che può, in molti casi, comportare la disattivazione dell’automazione per tornare ad una gestione degli impianti di tipo manuale.
Portando all’estremo i possibili errori di progettazione, programmazione e installazione dei sistemi di controllo si può facilmente ricadere in situazioni in cui le condizioni di comfort visivo non siano garantite ed i consumi energetici risultino incrementati anziché ridotti. 

Controllo della luce e quadro normativo europeo
Tra i fattori che di recente hanno contribuito ad un maggior sviluppo e ad una maggior applicazione dei sistemi di controllo della luce assume particolare importanza la divulgazione di direttive europee e normative tecniche incentrate sul tema del risparmio energetico ed in particolare sul tema del contenimento dei consumi energetici negli edifici.
La Direttiva2002/91/CE promulgata dal Parlamento Europeo (immagine 5), trae spunto da considerazioni relative all’entità dei consumi energetici in Europa, e si pone come obiettivo quello di contribuire a ridurre le conseguenti emissioni inquinanti in relazione agli impegni presi nell’ambito del protocollo di Kyoto.
Il 40% dei consumi energetici in Europa sono attribuibili al consumo degli edifici e, secondo la commissione Europea sull’Energia, un potenziale risparmio di circa il 22% rispetto ai consumi attuali può essere raggiunto entro il 2010 [6].
Sulla base di queste considerazioni la Direttiva introduce importanti novità nell’ambito dell’efficienza energetica degli edifici proponendo una metodologia per il calcolo della prestazione energetica integrata degli edifici, definendo i requisiti minimi per gli edifici di nuova costruzione e per edifici di grandi dimensioni sottoposti a ristrutturazione, introducendo l’obbligo della certificazione energetica e della periodica ispezione degli impianti (termici e di condizionamento) [7].
Per quanto riguarda la metodologia di calcolo del rendimento energetico ogni governo nazionale dovrà predisporre una metodologia basata su uno schema generale comune, nel quale, oltre agli aspetti legati al riscaldamento, condizionamento e ventilazione degli edifici entrano in gioco i consumi dovuti all’illuminazione artificiale, valutati però tenendo conto anche degli eventuali apporti gratuiti dovuti all’illuminazione naturale.
Per la messa a punto della metodologia di calcolo delle prestazioni energetiche globali dell’edificio sono attualmente al lavoro gli enti normatori europei (CEN, CENELEC ed ETSI).
Per quanto riguarda gli aspetti legati ai consumi di energia elettrica per l’illuminazione artificiale degli ambienti è attivo il comitato tecnico (TC) 169 del CEN, che ha redatto una bozza di norma (prEN 15193: Energy performance of buildings – Energy requirements for lighting – Part 1: Lighting energy estimation) per il calcolo del fabbisogno annuale di energia per illuminazione.
In particolare il progetto di norma specifica il metodo di calcolo da utilizzare per edifici esistenti e per la progettazione di edifici nuovi o in corso di ristrutturazione, tenendo conto di un uso dinamico dell’illuminazione artificiale, ovvero considerando sia la presenza di luce naturale, sia il profilo di occupazione degli spazi da parte dell’utenza.
In linea con i principi ispiratori della Direttiva Europea, la norma CEN si propone di definire un metodo che, pur mantenendo il carattere di semplificazione necessario per garantirne l’applicabilità da parte dei progettisti, consenta di affinare il calcolo dei consumi energetici permettendo una stima dei consumi effettivi, e quindi dei risparmi conseguibili, in relazione all’uso di sistemi di gestione della luce artificiale basati sull’integrazione della luce naturale o sulla presenza dell’utenza.
La stima dei consumi energetici dell’impianto di illuminazione così ricavata contribuisce a definire la prestazione energetica globale nell’ambito della certificazione dell’edificio.Sempre nel quadro complessivo degli strumenti per l’attuazione delle indicazioni contenute nella Direttiva europea è prevista una norma tecnica che stabilisce le convenzioni ed i metodi per la stima dell’impatto di sistemi di “building automation” sulla prestazione energetica e sull’uso di energia negli  edifici (prEN 15232: Calculation methods for energy efficiency improvements by the application of integrated building automation systems).
La norma sottolinea il ruolo dei sistemi di building automation nell’incrementare la funzionalità e l’efficienza energetica degli impianti, tra cui sono evidentemente compresi gli impianti di illuminazione artificiale ed i sistemi di schermatura della radiazione solare diretta.In aggiunta alle indicazioni che emergono in relazione al tema della certificazione energetica degli edifici, una maggior sensibilizzazione nei confronti dell’adozione di sistemi di controllodell’illuminazione si deve anche alle indicazioni riportate nelle recenti normative tecniche promulgate in ambito illuminotecnico.
In particolare la norma UNI EN 12464 “Luce e illuminazione – Illuminazione dei posti di lavoro – Parte 1: Posti di lavoro interni”, Ottobre 2004, nella sezione Criteri di progettazione illuminotecnica al punto 4.9 -risparmio energetico- riporta la dicitura secondo la quale un impianto di illuminazione deve corrispondere ai requisiti di illuminazione di un particolare luogo senza sprecare energia.
Mentre nella sezione Requisiti di illuminazione per interni, compiti visivi e attività, per la tipologia edilizia scolastica (aule scolastiche, aule per corsi serali e per adulti e sale lettura) si raccomanda l’uso di apparecchi con regolazione del flusso luminoso. 
 
 

Problematiche aperte e attività di ricerca svolta presso il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino
Nonostante le potenzialità teoriche correlate all’uso dei sistemi di controllo dell’illuminazione spicca, in particolare nella realtà italiana, la carenza di casi in cui tali sistemi risultino applicati su larga scala e con successo.
Da un’analisi più approfondita del tema della progettazione di questi sistemi sono emersi alcuni aspetti che influiscono negativamente sulla loro diffusione:- la scarsa conoscenza, da parte del progettista, delle tecnologie esistenti, delle caratteristiche e potenzialità delle diverse soluzioni applicative e dei singoli componenti costituenti;- la conseguente difficoltà di scelta e di progettazione dei sistemi, che implica la necessità diaffidarsi completamente a personale tecnico esterno o a ditte produttrici;- la difficoltà nello stimare realisticamente le prestazioni del sistema, sia in termini di prestazioni ambientali che di risparmi energetici conseguibili;- la difficoltà di accettazione da parte dell’utenza di sistemi che gestiscono automaticamentel’illuminazione in base ad impostazioni definite in fase di programmazione, e che non sempreconsentono di tenere in debita considerazione la complessità degli spazi, delle attività svolte edelle esigenze dell’utenza.
Di seguito vengono riportate alcune considerazioni conseguenti all’approfondimento di questi aspetti nell’ambito dell’attività di ricerca svolta sull’argomento dal Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino. 

Analisi dei sistemi e delle tecnologie esistenti
L’architettura di un sistema di controllo può avere dimensione e grado di complessità molto variabili.Esistono tecnologie differenti in grado di rispondere ad esigenze progettuali simili e l’offerta disoluzioni da parte delle ditte produttrici di sistemi di automazione o di sistemi di illuminazione è molto ampia.
Partendo da queste riflessioni si è ritenuto opportuno redigere un documento, in forma di linee guida, rivolto ai progettisti, e finalizzato a descrivere i principi fondamentali alla base del progetto dei sistemi di controllo e le caratteristiche dei principali componenti, facendo particolare riferimento alle tecnologie ed alle soluzioni correntemente presenti sul mercato.
Nella guida, attualmente in corso di redazione, vengono innanzitutto definiti i sistemi di controllo, intesi come tecnologie utilizzabili in qualità di strumento per attuare, in base a differenti segnali di input, il controllo separato oppure integrato dell’illuminazione artificiale e dell’illuminazione naturale presente in un ambiente confinato, così da poter garantire il livello di illuminamento medio richiesto sul piano di lavoro, ottimizzando le condizioni di comfort visivo e riducendo i consumi elettrici imputabili all’illuminazione artificiale.
Si parla di “sistemi” in quanto in realtà queste tecnologie sono costituite da una serie di componenti che, opportunamente relazionati tra loro sulla base di una specifica architettura, assolvono le funzioni di gestione e controllo di “terminali” rappresentati principalmentedagli apparecchi di illuminazione, ma che possono comprendere anche i componenti per il controllo della luce naturale.
Viene quindi descritta l’architettura dei sistemi di controllo e integrazione luce naturale e artificiale e vengono analizzate le caratteristiche tecniche e funzionali dei diversi componenti.
Indipendentemente dalla specifica architettura, esiste una logica tra le parti che costituiscono un sistema e le funzioni assolte, sia nel caso di soluzioni semplici che complesse.
In questo senso possiamo considerare i sistemi come una rete distribuita di parti, relazione tra di loro e gestite per mezzo di un’intelligenza centralizzata (semplice come una centralina di comando o complesso come un p.c. e software di gestione) in grado di coordinare il funzionamento dell’impianto.
La gestione avviene attraverso la ricezione e l’nvio di dati che opportunamente decodificati andranno a definire le azioni da attuare sulle parti gestite dal sistema.
Lo schema di funzionamento lo possiamo sintetizzare nel seguente modo:- le intelligenze distribuite (i sensori) percepiscono le variazioni ambientale, per la quali sono state progettate, e determineranno l’invio di dati di input verso l’intelligenza centralizzata solo nel caso in cui dovessero essere superati i valori di soglia impostati.
Le possibili variazione sono imputabili alla modifica del livello di illuminamento sul piano di lavoro (per il fotosensore), alla presenza/assenza degli utenti in ambiente (per il sensore di occupazione) piuttosto che alla semplice pressione di un pulsante per il richiamo di una impostazione (per il telecomando);- l’intelligenza centralizzata riceve quindi i dati di input proveniente da tutti i sensori e per ognuno rielabora un’informazione definendone un rispettivo segnale di output, il quale andrà a corrispondere ad un’azione predefinita già in fase di programmazione;- i dati di output verranno quindi inviati ai differenti attuatori, (separati per diverse funzione es. per l’illuminazione, per i sistemi di schermatura, etc.), i quali modificheranno le condizione di funzionamento dei terminali controllati (apparecchi di illuminazione, schermature solari, etc.) sulla base delle azioni definite in relazione alle condizioni presenti in ambiente.
Lo stato definito dal sistema a seguito delle variazioni rilevate, rimarrà tale fino alla identificazione di nuovi cambiamenti.
Da un punto di vista filosofico il funzionamento di tutti i sistemi può considerarsi schematizzabile in questo modo, in realtà però le differenze sostanziali tra sistemi semplici e complessi sono imputabili alla quantità di azioni che contemporaneamente un sistema potrebbe gestire e quindi alla dimensione che l’impianto potrebbe raggiungere. In effetti un sistema semplice può avere una unità di controllo per ciascuna intelligenza distribuita alla quale corrisponderà numero ridotto di terminali controllati (es. alcuni apparecchi di illuminazione) mentre un sistema complesso potrà gestire contemporaneamente e quindi attuare le azioni, sulla base della conoscenza completa degli ambienti controllati.
Il panorama delle soluzioni progettuali possibili è molto ampio: diversi possono essere i criteri o le strategie di controllo (controllo in base alla volontà dell’utenza, alla presenza di luce naturale, all’occupazione degli ambienti, all’esigenza di riprodurre determinate scenografie luminose, etc.), gli ambiti spaziali di riferimento (controllo relativo alla singola postazione di lavoro, alla zona, al piano, all’intero edificio, etc.), le tecniche di controllo (semplice accensione e spegnimento, accensione e dimmeraggio, solo dimmeraggio, etc.), i protocolli di comunicazione del segnale (analogico 1-10 V, o digitale – Dali, DIS, BUS, Konnex; LonWorks, etc.).
Nella guida vengono inoltre descritti i componenti che costituiscono i sistemi, mettendone in evidenza caratteristiche, modalità di funzionamento, potenzialità e limiti.
Particolare attenzione viene dedicata alla descrizione dei dispositivi che inviano i dati di input che possono essere di tipo “attivo”, quando percepiscono autonomamente variazioni che richiedono una reazione da parte del sistema, quali un cambiamento dell’occupazione (sensore di occupazione – immagine 4), un cambiamento della quantità di luce in ambiente (fotosensore – immagine 5), la variazione dell’orario e quindi il momento di inizio e fine lavoro (timers), oppure possono essere di tipo “passivo”, quando necessitano di un richiamo ad opera dell’utente per dar seguito, sulla base delle specifiche impostazioni, alla corrispondente azione del sistema.
In questo caso non si tratta di sensori, ma di touch screen, telecomandi (immagine 6), tastiere(immagine 7) e tutti i dispositivi utilizzabili per il richiamo volontario e quindi manuale di una impostazione.
La guida, oltre a fornire indicazioni di carattere generale sulla natura di questi sistemi, presenta una panoramica delle soluzioni attualmente disponibili sul mercato.
Sono stati analizzati i prodotti offerti da ditte che operano solo nel settore illuminotecnico o anche nel settore illuminotecnico, e sono state redatte delle schede descrittive sulla base di un raggruppamento dei prodotti in tre diverse “famiglie”:
1.sistemi di controllo di base: tecnologie che possiamo definire “semplici” in relazione alla funzione per la quale sono progettate e quindi per le possibili applicazioni.
Tali sistemi nascono per assolvere la funzione di controllo degli apparecchi di illuminazione artificiale attraverso l’uso di dispositivi di controllo manuali o passivi (quali ad esempio i classici pulsanti e/o interruttori), o di dispositivi di controllo attivi (quali i fotosensori, i sensori di occupazione e/o i timers).
Le tecnologie sono pensate per poter gestire sia il singolo apparecchio di illuminazione sia un certo numero di apparecchi singoli o per gruppi, la cui quantità potrà variare a seconda delle potenzialità dei componenti scelti.
2. sistemi di controllo a scenografia: tali sistemi nascono esclusivamente per assolvere la funzione di controllo degli apparecchi di illuminazione artificiale a seguito di una serie di configurazioni memorizzate che corrisponderanno all’accensione, allo spegnimento e alla differente regolazione del flusso luminoso a seguito della dimmerazione dell’intensità di corrente.
Le funzioni definite, verranno impostate in fase di programmazione del sistema e potranno essere modificate in ogni momento,  richiamabili tutte o solo in parte, attraverso l’uso di dispositivi di controllo manuali o passivi (pulsantiere multiple, touch screen e telecomandi) e talvolta automatici o attivi (quali i sensori di occupazione, e i timers).
Generalmente questi sistemi, sono caratterizzati dal fatto di poter regolare e gestire un elevato numero di apparecchi di illuminazione per gruppi, in relazione all’esigenza di realizzare determinate scenografie di luce.
Le scenografie sono una sequenza di condizioni di livello diilluminamento “memorizzabili” attraverso l’interfaccia presente nell’ambiente atta al richiamo delle scene senza una nessuna logica obbligatoria (benché ci sia un senso preciso per ogni scena, es. welcome, proiezione, dibattito, close, clean-up, etc.).
3. sistemi di controllo di building automation: le differenze esistenti tra questa famiglia di sistemi e le due famiglie precedenti possono essere sintetizzate come segue:- l’interfacciabilità del sistema con un sistema di automazione generale di tutti gli impianti presenti nell’edificio;- le elevate dimensioni dell’impianto nel suo complesso e quindi anche il numero di componenti che potranno essere controllati e gestiti all’interno dell’edificio;- la difficoltà di poter modificare le impostazioni del sistema e quindi delle funzioni senzal’assistenza specialistica dell’azienda produttrice.
Per gestire l’illuminazione artificiale i sistemi utilizzano tutti i dispositivi attivi e passivi visti inprecedenza, mentre per quanto riguarda la gestione dei sistemi di schermatura possono essere usati dispositivi manuali o eliometri esterni. In questo caso i sistemi di controllo richiedono un attenta programmazione delle impostazioni relative ad aspetti quali l’orientamento delle facciate, la presenza di ostruzioni, la definizione del percorso solare rispetto alle superfici vetrate dell’edificio, la caratterizzazione dei sistemi di schermatura, la definizione delle condizioni ritenute ottimali all’interno dell’ambiente, etc.
La guida, pur non volendo risultare esaustiva, potrà rappresentare un punto di riferimento sia per la comprensione dei principi alla base del progetto dei sistemi di controllo e integrazione della luce, sia per la conoscenza delle soluzioni tecnologiche disponibili, e della loro applicabilità a diverse tipologie edilizie ed in relazione a diverse esigenze progettuali. 

Valutazione delle prestazioni dei sistemi di controllo
Un altro aspetto critico rispetto alla diffusione dei sistemi di controllo della luce riguarda la valutazione del rapporto costi/benefici risultante dalla loro applicazione.
Generalmente le informazioni a disposizione del progettista per valutare la prestazione del sistema di controllo in termini di risparmio energetico sono quelle, di tipo prettamente pubblicitario, fornite dalle aziende costruttrici.
Sui cataloghi o sulla documentazione tecnica dei prodotti viene sovente riportata la percentuale di riduzione dei consumi rispetto all’installazione di un impianto a gestione completamente manuale.
Questo dato può fornire un’informazione di massima sulla possibilità di risparmio energetico correlata all’uso di sistemi di controllo, ma è evidente che non consente di stimare la prestazione reale risultante dall’applicazione del sistema ad un caso specifico.
Una stima accurata delle prestazioni energetiche e quindi dell’efficacia di un sistema di gestione dell’illuminazione dipende da diversi fattori, connessi sia alle caratteristiche specifiche dell’edificio per il quale viene progettato sia alle caratteristiche del sistema previsto (criteri di controllo adottati, componenti il sistema, etc.).
In particolare entrano in gioco:
• la disponibilità di luce naturale esterna all’ambiente, che dipende da:–
 latitudine e longitudine del luogo,
– giorno del mese e ora del giorno,– condizioni di cielo (coperto, sereno, intermedio, etc.)
• la quantità di luce naturale presente in ambiente, che dipende da:
– disponibilità di luce naturale esterna,
– presenza di ostruzioni esterne,– orientamento dell’ambiente (nel caso si consideri la presenza di radiazione solare diretta)
– presenza di sistemi di schermature,
– conformazione dell’ambiente e disposizione delle postazioni di lavoro,
• le caratteristiche dell’utenza, intese come:
– profilo di occupazione,
– modalità di interazione tra l’utenza e i componenti schermanti,
– modalità di interazione tra l’utenza e i l’impianto di illuminazione,•
 le caratteristiche e le prestazioni dell’impianto di illuminazione (tipologia di apparecchi,distribuzione della luce in ambiente, etc.)
• la tipologia e l’architettura del sistema di controllo (controllo in base all’occupazione, alla presenza di luce naturale, alla volontà dell’utente, a scenografie predefinite, etc., tipologia di sensori adottati, raggruppamento dei terminali, etc.).
Sulla base di queste considerazioni sono state analizzate diverse metodologie di calcolo, nell’ottica di evidenziarne potenzialità, limiti e grado di accuratezza nella stima.Un primo approccio prevede il calcolo della quantità di luce naturale presente in ambiente e diconseguenza la stima della quantità di luce artificiale necessaria per una corretta integrazione.
La disponibilità di luce naturale in ambiente viene calcolata su base oraria per l’intero anno, in modo da determinare, sempre su base oraria, la quantità di luce artificiale che è necessario integrare per garantire il valore di illuminamento medio previsto in rapporto all’attività svolta in ambiente.
Un calcolo semplificato può essere svolto a partire dal fattore medio di luce diurna, e dalla disponibilità di luce diffusa esterna, ricavata da banche dati relative alla località in esame o mediante specifici algoritmi di calcolo (es. modello di Perez).
Confrontando la disponibilità di luce naturale con il profilo orario di occupazione dei locali è possibile determinare la quantità di luce che dovrà essere erogata dall’impianto di illuminazione su base oraria e di conseguenza la potenza elettrica assorbita (avendo preventivamente definito le caratteristiche dell’impianto di illuminazione artificiale).
Sommando i consumi orari relativi a ciascun ambiente oggetto di controllo è possibile determinare il consumo annuo complessivo dell’edificio.Un approccio semplificato di questo tipo prescinde da molti dei fattori influenti elencati in precedenza, quali:
– l’apporto dovuto alla radiazione solare diretta,
– l’influenza di sistemi di schermature mobili,
– le variazioni legate ad un diverso orientamento degli ambienti,
– le diverse prestazioni ottenibili con diverse tipologie di sistemi di controllo (es. presenza combinata di sensori di luce diurna e sensori di occupazione)-
 l’interazione dell’utenza con l’ambiente ed il sistema.
Per contro consente di effettuare, in modo semplice e relativamente rapido, un confronto di massima tra soluzioni progettuali con e senza sistemi di controllo.
Il secondo approccio analizzato si basa sull’applicazione del metodo di calcolo proposto nella bozza di norma europea (prEN 15193-1: Energy performance of buildings – Energy requirements for lighting – Part 1: Lighting energy estimation).
Anche in questo caso di tratta di un metodo di calcolo manuale, relativamente semplificato, per la stima di un indicatore della prestazione energetica annua degli impianti di illuminazione artificiale di un edificio.
Il progetto di norma propone due differenti metodi di valutazione; entrambi tengono conto delle potenzialità dei sistemi di controllo nello sfruttare gli apporti gratuiti di luce naturale e nel considerare la presenza degli utenti in ambiente.
– Il primo metodo è semplificato e consente di valutare rapidamente i consumi annuali derivanti dall’uso dell’impianto di illuminazione artificiale.
La potenza assorbita dall’impianto viene opportunamente pesata in funzione del potenziale contributo della luce naturale e dell’incidenza dell’occupazione, a questo vengono aggiunti i consumi imputabili ai componenti del sistema di controllo e agli apparecchi di illuminazione di emergenza.
L’apporto dovuto alla presenza di luce diurna o al controllo dell’occupazione viene consideratoattraverso valori tabellari definiti in funzione delle tipologie di edificio e dei criteri di controllo (manuale, automatico, automatico con dimmeraggio, etc.).
– il secondo metodo consente di valutare in maniera più dettagliata i consumi annuali derivantidall’uso dell’impianto di illuminazione artificiale, considerando la potenza realmente impiegata,opportunamente pesata in funzione della potenziale riduzione dei consumi imputabile a:o luce naturale entrante in ambiente (componete diffusa); determinata sulla base del calcolo reale del numero di ore di autonomia di luce diurna riferito al sito geografico, prendendo inconsiderazione la geometria dell’edificio, le ostruzioni, le caratteristiche del componentetrasparente, ed identificando la porzione di ambiente che risulta effettivamente beneficiare diluce naturale;o controllo in base all’occupazione; tenendo conto della destinazione d’uso, del possibilecomportamento dell’utenza, delle caratteristiche dell’impianto, etc.;o criterio di controllo della luce (manuale, automatico, automatico con dimmeraggio, consuddivisione dei gruppi di apparecchi, etc.)
Anche in questo caso, pur essendo previsto un maggior livello di dettaglio nell’analisi dellecaratteristiche dell’edificio e del sistema di controllo progettato, l’influenza dei fattori citati viene considerata nel calcolo attraverso l’introduzione di valori ricavati da tabelle e riferiti a certe tipologie edilizie, ad alcune località e a determinati criteri di controllo.
Entrambi i metodi proposti dalla normativa prescindono da alcuni degli aspetti che contribuiscono a determinare le prestazioni del sistema, quali:
– l’influenza dei componenti per il controllo della luce naturale, (es. i sistemi mobili di schermatura);
– l’influenza connessa alle modalità con cui gli utenti interagiscono con l’impianto di illuminazione artificiale e con i sistemi di schermatura.
Inoltre la disponibilità di luce naturale e le caratteristiche del sistema di controllo vengono stimate secondo un approccio tabellare e quindi con un elevato livello di approssimazione.
Per contro, i metodi proposti dal progetto di norma forniscono un metodo di calcolo standardizzato, utile per una stima di massima delle prestazioni di un impianto di illuminazione in presenza di un sistema di controllo (metodo semplificato), o per un calcolo più dettagliato ed un confronto di soluzioni progettuali differenti (metodo dettagliato).
L’ultimo approccio analizzato riguarda l’uso di specifici software di calcolo.
Pur essendo questa fase ancora in corso di approfondimento la ricerca finora condotta ha evidenziato la presenza di due distinte categorie di strumenti quali:
– i software di natura prettamente “commerciale”; nati per il progetto degli impianti di illuminazione artificiale, consentono di calcolare anche la penetrazione di luce naturale interna agli ambienti andando a determinare il fattore di luce diurna puntuale e medio a partire da impostazioni di cielo standard ed impostando la posizione geografica mediante la latitudine e longitudine del sito (es. Relux 2006).
In questo caso l’approccio prescinde da qualunque dei fattori caratterizzanti le prestazioni del sistema di controllo dell’illuminazione, fatta eccezione per la determinazione di luce naturale entrante in ambiente;
– i software sviluppati presso centri di ricerca internazionali.
Tra questi alcuni, nati per il progetto dell’illuminazione naturale, consentono di determinare l’autonomia di luce diurna annuale rispetto ad un valore di illuminamento di riferimento, su una griglia di punti in ambiente, tenendo conto dell’eventuale presenza di ostruzioni e schermature, ma non considerando l’interazione dell’utenza (es. LesoDial); altri, sviluppati più specificatamente per la valutazione delle prestazioni energetiche di sistemi di controllo della luce, permettono di fare una stima sui consumi annuali (kWh/m2year) imputabili all’impianto di illuminazione artificiale, tenendo conto della presenza di un sistemi di controllo e gestione della luce artificiale e naturale.
Tra questi ultimi Lightswitch, sviluppato dal National Research Council Canada, che partendo dalla determinazione dell’autonomia di luce diurna annuale (modelli di cieli Perez) rispetto ad un valore di illuminamento di riferimento, consente di effettuare una stima dei consumi elettrici inputabili all’utilizzo di differenti sistemi di controllo (scelti tra le opzioni date dal software) ed alla presenza di una utenza della quale sia noto il profilo di utilizzo e l’interazione con il sistema stesso.
Le valutazioni vengono fatte sulla base della definizione della potenza elettrica totalmente impegnata per l’impianto di illuminazione e tenendo conto di un data base di casi di studi con i quali sono state definite l’efficienza e l’incidenza delle differenti combinazioni di utilizzo dei dispositivi e dell’interazione dell’utente, al fine di massimizzare o meno i risparmi energetici.
Nel suo genere questo software consente di fare delle valutazioni che tengano conto dell’interazione dell’utenza, (oltre che definire l’ambiente in tutte le sue caratteristiche geometriche), evidenziando l’importanza che questa possa avere nella determinazione della stima dei consumi elettrici per una applicazione quanto più verosimile.
Per contro il software nelle sue considerazioni, prescinde da alcuni dei fattori importanti per lacaratterizzanti le prestazioni del sistema, quali:
– la presenza di ostruzioni esterne,
– la presenza di sistemi di schermatura,
– la definizione delle caratteristiche geometriche degli ambienti definite su valori diriferimento/standard tra i quali scegliere (per le dimensioni, i coefficienti di riflessione delle superfici interne, i coefficienti di trasmissione luminosa della superficie vetrata),- la definizione della superficie vetrata (potendo scegliere solo tra due condizioni tipo di superficie). 

Attività di ricerca sperimentaleI metodi di calcolo analizzati consentono di stimare le prestazioni energetiche dei sistemi di controllo e non quelle ambientali o le implicazioni del loro uso sul grado di soddisfazione dell’utenza.
Per valutare questi aspetti è stata programmata una specifica attività di ricerca sperimentale in campo.
L’attività di sperimentazione in campo che è stata preparata ha come obiettivo quello di eseguire una serie di valutazioni oggettive e soggettive al fine di trarre informazioni utili per caratterizzare i sistemi di controllo e gestione della luce artificiale e naturale, da un punto di vista di prestazioni ambientali e di risparmio energetico conseguibile dalla loro reale utilizzazione.
In questo senso sono state previste due campagne di monitoraggio, una riferita ad un ambiente campione (test-room) ed una in ambienti reali normalmente utilizzati.Per quanto riguarda l’ambiente campione sono previste delle valutazioni relative al funzionamento di un sistema complesso di building automation.
In questo senso, gli obiettivi prefissati consistono in:
– validare una procedura di monitoraggio (da applicarsi successivamente in ambienti reali occupati);
– ricavare informazioni utili per un corretto commissioning del sistema in un edificio reale (aspetto particolarmente critico ai fini del corretto funzionamento dell’impianto);
– identificare le problematiche derivanti dall’utilizzo di sistemi complessi, per poter valutare la reale accettabilità da parte dell’utenza.
Parallelamente sono state identificate due tipologie edilizie (edilizia scolastica e terziaria (uffici), nell’ambito delle quali sviluppare un’attività di monitoraggio in campo. In particolare sono stati scelti diversi sistemi di controllo da installare in alcuni ambienti campione per verificarne le prestazioni ambientali ed energetiche in presenza di un’utenza reale.
Obiettivi dell’attività sperimentale sono:
– caratterizzare e mettere a confronto diversi sistemi di controllo e gestione della luce artificiale e naturale;- valutare le reali opportunità di risparmio energetico;
– valutare le condizioni di comfort visivo derivanti;- caratterizzare il delicato aspetto dell’accettabilità dell’utenza (considerando la tipologia di utente: studenti, professori e professionisti);- dedurne informazioni utili in merito alla reale utilizzabilità dei sistemi di integrazione in scuole ed uffici. 

Conclusioni
Recentemente l’interesse nei confronti dei sistemi di controllo e integrazione della luce naturale e artificiale è andato crescendo, così come si è molto ampliata l’offerta di prodotti e soluzioni proposte sia da ditte produttrici di sistemi di illuminazione sia da compagnie appartenenti al settore dell’automazione.
Ciononostante si è spesso verificato come i sistemi installati in edifici terziari (edifici per uffici, scuole, etc.) siano stati in breve tempo disattivati o snaturati a causa di una non accettazione da parte dell’utenza, insoddisfatta in parte per le prestazioni ambientali realizzate ed in parte per l’impossibilità o la difficoltà di interazione con il sistema.
Parte dell’insuccesso è dovuto ad una scelta non sempre consapevole rispetto alle attività svolte negli ambienti e alle caratteristiche dell’utenza, ad una non corretta progettazione dell’architettura del sistema, alla scelta dei componenti non sempre in grado di dialogare tra loro, e non ultimo alla difficoltà di programmazione dei singoli componenti o dell’impianto nel suo complesso.
Inoltre per il committente ed il progettista risulta spesso dubbia la reale efficacia di questi sistemi a fronte di costi di installazione spesso elevati.
L’attività di ricerca che il Dipartimento di Energetica del Politecnico di Torino sta svolgendo in questo settore trae spunto proprio da queste considerazioni.
I prodotti dell’attività, svolta nell’ambito di un Progetto di Ricerca Nazionale (Prin 2005) dal titolo: Parametri climatici, strumenti di valutazione e tecnologie per l'ambiente luminoso naturale e artificiale ai fini del comfort visivo e del risparmio energetico, sono volti a fornire un supporto al progettista in merito a:-
 stato dell’arte relativo ai sistemi di controllo attualmente disponibili;
– metodi di calcolo delle prestazioni energetiche;
– informazioni relative alle prestazioni ambientali ed energetiche, oltre che relative al grado diaccettabilità e alle modalità di interazione tra sistemi e utenza, in situazioni reali. 
Anna Pellegrino
Laureata in Architettura presso il Politecnico di Torino nel 1994, Dottore di ricerca in Energetica nel 1997, Ricercatore universitario dal 1999, Professore associato dal 2005.
Attività didattica: corsi di Illuminotecnica e Fisica Tecnica presso la I Facoltà di Architettura di TorinoRicerche attualmente in corso: Sperimentazione illuminotecnica su modelli in scala in cielo artificiale; studio di tecnologie di integrazione e controllo della luce naturale e artificiale: implicazioni energetiche, di comfort visivo e accettabilità da parte dell’utenza; progettazione illuminotecnica in ambienti espositivi di edifici storici; analisi del degrado di opere esposte in musei attraverso indagini spettroscopiche.
Laura Blaso
Laureata in Architettura presso il Politecnico di Torino nel 2003. Dottorando in Innovazione Tecnologica per l’Architettura e il Disegno Industriale (Politecnico di Torino).
Ricerche in corso: integrazione tra luce naturale e luce artificiale, analisi di prestazioni ambientali ed energetiche. 

Foto 1 Esempio di tastiere per il richiamo delle impostazioni
Foto 2 Schema concettuale di definizione della qualità dell’illuminazione
Foto 3 Schema funzionale di un sistema di controllo semplice in grado di gestire una intelligenza distribuita. (es. un fotosensore).
Foto 4 Schema funzionale di un sistema di controllo complesso in grado di gestire molte intelligenza distribuite (es. fotosensori, sensori ad infrarosso per il richiamo con iltelecomando, pulsanti, sensori del vento, ecc.)
Foto 5 Esempio sensore di occupazione con collocazione a parete
Foto 6 Esempio di fotosensore con collocazione ad incasso
Foto 7 Esempio di telecomando per il richiamo delle impostazioni 

Tratto dal convegno internazionale “Luce e Architettura”, oganizzato dall’AIDI

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