Lumina in arhitectura

Radiatiile Soarelui ce constituie principala sursa de energie a Pamantului sufera in drum spre acesta o serie de reduceri si transformari. Paturile inalte ale atmosferei absorb o parte din aceste radiatii; o alta parte este reflectata inapoi in spatiu. Pe Pamant ajung foarte putine sub forma de radiatii directe, restul sub forma de lumina difuza de la bolta cereasca, lumina caracterizata de o anumita dependenta de latitudine, anotimp, directie in spatiu, dar variabila in intensitate in functie de conditiile meteorologice. Atat radiatiile solare directe cat si lumina difuza au anumite efecte asupra cladirilor ce pot influenta favorabil sau nu utilizarea acestora, fapt pentru care cunoasterea mijloacelor de a avea sau inlatura aceste efecte este absolut necesara.

Proprietatile fizice si fiziologice ale radiatiilor sunt

v     Iradierea - forma de transportarea a energiei in spatiu fara suport material, prin radiatii.

v     Lungimea de unda - distanta dintre "crestele" a doua valori succesive.

v     Frecventa (f) - numarul de oscilatii complete pe care il parcurge un punct dat al unei radiatii simple in unitatea de timp.

v     Perioada (T) - durata unei oscilatii complete.

Lungimea de unda, modul de producere, precum si efectele sunt factorii care fac sa se deosebeasca radiatiile simple. In functie de lungimea de unda, acestea se clasifica in: raze cosmice, raze gama, raze x, infrarosii, lumina.

Lumina este o forma de energie alcatuita dintr-un flux de particule energetice denumite fotoni.

Cele mai importante marimi fotometrice sunt:

fluxul luminos f - debitul de energie radiata, evaluat dupa senzatia luminoasa pe care o produce. Unitatea de masura este lumenul, definit ca flux luminos emis intr-un unghi solid de o sursa de lumina avand intensitatea de o candela.

Intensitatea luminoasa I - definita ca densitatea unghiulara a fluxului luminos al unei surse pe o directie data; unitatea de masura este candela, definita ca intensitatea luminoasa in directia normalei a unei suprafete de cm² a unui corp negru la temperatura de solidificare a platinei.

Iluminarea unei suprafete (E) - efectul produs de un flux luminos cazut pe o suprafata. Iluminarea unui anumit punct al suprafetei este densitatea de flux luminos cazand pe acel punct. Unitatea de masura este luxul, definit ca iluminarea unei suprafete cu aria de 1 m² ce primeste uniform repartizat un flux luminos de 1 lumen. Iluminarea unei suprafete variaza direct proportional cu intensitatea sursei de lumina, invers proportional cu patratul distantei dintre sursa si suprafata, direct proportional cu cosinusul unghiului de incidenta.

Luminatia (B) - unei suprafete radiante este raportul dintre intensitatea luminoasa a acelei suprafetei pe o directie data si proiectia suprafetei pe un plan normal la aceasta directie. Unitatea de masura este stilbul.

Un flux luminos care cade pe suprafata unui corp este partial reflectat, partial absorbit si partial transmis. Reflexia poate fi regulata, perfect difuza, mixta si difuza obisnuita.

Imaginea sursei, oglinda este formata de reflexia regulata. Reflexia perfect difuza determina stralucirea aparent egala pe toate directiile, suprafete tencuite.

Reflexia difuza obisnuita se produce intr-un ungi solid, suprafete metalice mate. Pentru reflexie mixta, concomitent regulata si difuza, exemplele sunt marmura, emailuri.

Transmisia are caracteristici asemanatoare reflexiei, putand fi regulata, transparenta (geamuri clare) , perfect difuza (geamuri opaline), difuza obisnuita (geamuri mate), mixta (geamuri translucide).

Relatia lumina-material in functie de proprietatile fizice ale luminii:

Materialele opace colorate prezinta factori de reflexie maximi pentru culorile deschise, alb, galben deschis, verde deschis (85-50) si minimi pentru cele inchise: verde inchis, albastru inchis, negru (15-4).

Geometria miscarii Soarelui, latitudine orientare si regim de insorire

Planul in care se produce miscarea de revolutie anuala a Pamantului in jurul Soarelui, denumit ecliptica, prezinta fata de "ecuatorul ceresc" (planul prelungind ecuatorul terestru, perpendicular prin centrul Pamantului pe axa Nord-Sud a miscarii de rotatie diurne a Pamantului) fapt ce determina aparitia anotimpurilor, reversibile in cele doua emisfere terestre. Miscarea de revolutie are patru pozitii caracteristice: doua echinoctii (de primavara si de toamna) si doua solstitii (de vara si de iarna).    Axa de rotatie a Pamantului (axa polilor) face cu ecliptica un unghi de aproximativ 66,5^o numit declinatie; axa polilor ramane mereu paralela cu ea insasi. Intre axa polilor si direstia Pamant-Soare, unghiul variaza intre 90^o 23,5^o; datorita faptului ca distanta dintre cei doi astri este foarte mare comparativ cu greutatile lor, in aprecierea miscarilor se face abstractie de acestea si razele Soarelui se vor considera la un moment dat paralele. Atat razele de Soare cat si directia sub care vedem Soarele se considera ca fiind paralele cu dreapta care uneste centrele celor doi astri. Declinatia are valori maxime la solstitii si se micsoreaza pe masura de zilele sunt mai indepartate de aceste doua date, unghiul la varf al conului de revolutie crescand, si atingand unghiul drept la zilele de echinoctiu. La aceste doua date, suprafata laterala a conului de revolutie devine planul ecuatorului, iar dupa solstitii apare conul, dar in emisfera cereasca opusa.

Miscarea de rotatie aparenta a Soarelui este o rotatie a sistemului orizont-bolta in jurul unei axe paralele cu axa polilor, care trece prin punctul de observatie.

Se face abstractie de miscarea de revolutie a punctului in timpul rotatiei, deoarece deplasarea este neglijabila in variatia miscarii unghiulare. Raza de soare se considera paralela cu directia Pamant-Soare in punctul de observatie. Planul orizontului se defineste ca fiind un cerc cu centrul in punctul de observatie; el este perpendicular pe raza Pamantului in punctul considerat (planul orizontului se afla la inaltimea puntului de observatie). Bolta cereasca este o emisfera cu centrul in punctul de observatie si cu acelasi diametru ca si orizontul. Nordul ceresc este punctul in care paralela la axa polilor care trece prin puctul de observatie inteapa bolta. Este punctul in care se observa singura stea fixa, Steaua Polara.

Miscarea aparenta a Soarelui poate fi definita ca fiind proiectia pe bolta a miscarii reale, avand drept centru de proiectie puntul de observatie.

Coordonatele solare ce caracterizeaza incidenta razelor solare ce cad la un moment dat pe un punct de pe suprafata Pamantului sunt azimutul si inaltimea aparenta. Azimutul este unghiul pe care il face proiectia pe sol a razei solare sosind in acel punct, cu directia pe sol a nordului, trecand prin acel punct; se masoara in planul orizontal in sensul acelor de ceasornic pornind de la directia Nord. Inaltimea aparenta este unghiul pe care il face raza solara sosind in acel punct cu planul orizontal al punctului, proiectia pe plan a razei solare; se masoara in planul vertical ce contine raza.

Incidenta luminii solare pe sol fata de punctul considerat se caracterizeaza prin alte trei marimi unghiulare: latitudinea geografica a punctului considerat, declinatia Soarelui in ziua considerata, ora din ziua considerata exprimata in timp solar adevarat. Pornind de la aceste date, se pot obtine prin formule unghiurile caracteristice, azimut si inaltime.

Diagrama traseului Soarelui - este proiectia pe planul orizontului a pozitiei aparente a Soarelui pe bolta. Datorita faptului ca pozitia aparenta a fost definita ca o proiectie pe bolta, si ca aceasta proiectie se mai proiecteaza o data pe planul orizontului, aceasta diagrama reprezinta o dubla proiectie; cea de-a doua proiectie se poate realiza prin mai multe metode:

Diagrama ortogonala - se realizeaza prin proiectie paralela si ortogonala

Diagrama echidistanta - zone de inaltime egala pe bolta - se proiecteaza dupa cercuri concentrice;

Diagrama stereografica - se foloseste drept centru de proiectie punctul Nadir. Constructia proiectiei unui punc de pe bolta S`, care se presupune sa este pozitia aparenta la un moment, in sistemul de proiectie orizontala-centrala, se face astfel: se da proiectia verticala pe planul meridiana si se cere proiectia orizontala, centrala prin Nadir; prin punctul S`, bolta se sectioneaza cu planul orizontal H in care H` este cercul determinat pe bolta de toate punctele cu aceeasi inaltime cu punctul S. Proiectand cercul orizontal H, se obtine planul orizontal ωh, raza proiectiei cercului. Bolta se sectioneaza cu un plan proiectant perpendicular pe planul meridian, P si urma orizontala P intersectata cu cercul H da cele doua proiectii orizontale cerute ce corespund la doua momente ale zilei simetrice fata de ora 12.

Masca de umbra - folosind drept centru de proiectie punctul de observatie un obiect oarecare din spatiu, se poate proiecta pe bolta, rezultand astfel niste pete care corespund suprafetelor boltii ce nu se vad din punctul de observatie, datorita diverselor obstacole, fiind obturate de obiectele date. Punctele rezultate astfel pe bolta se pot proiecta din nou pe planul orizontal, rezulta astfel ca masca de umbra se poate defini ca dubla proiectie. Cea de-a doua proiectie se poate face in mai multe feluri, ca si diagrama. Masca de umbra constituie de fapt o reprezentare plana a zonelor boltii care sunt obturate privind din punctul de observatie.

Controlul selectiv al insoririi - se face prin suprapunerea diagramei si a mastii de umbra. Se construieste masca de umbra atat pentru elementele constructiei cat si pentru elementele din anturaj. Conceptia unor parti ale geometriei constructiei sau ansamblului poate fi verificata, optimizata chiar prin aceasta metoda. Pentru controlul insoririi, in fiecare caz particular al unui ansamblu se formuleaza o ipoteza ce se poate baza pe urmatoarele criterii: confortul termic - insorire selectiva in functie de anotimp si de factorii de clima si de microclimat, controlul luminii - evitarea insoririi directe pe anumite suprafete cu utilizari speciale, asigurarea unui iluminat natural corespunzator. Se vor specifica in ipoteza perioadele de timp in care se doreste sau nu insorirea, aceste perioade aparand si pe diagrama solara si se va putea vedea astfel, din ce puncte ale boltii e bine sa bata sau nu Soarele in punctul considerat

Pentru studiul insoririi ansamblurilor si cladirii se folosesc diverse diagrame, cea mai convenabila fiind cadranul solar orizontal.

Acest cadran este diferit pentru diferitele latitudini folosindu-se aceeasi diagrama la latitudini din doua in doua grade, intre ecuator si latitudinea 66, si din cinci in cinci grade intre latitudinea 65 si poli. Acest cadran cuprinde planul orizontal al unui loc la latitudinea considerata, pozitia unui punct in care se aseaza un stil vertical, inaltimea acestui stil, orientarea punctelor cardinale fata de piciorul stilului, sapte curbe reprezentand urma lasata pe planul orizontal de varful stilului si drepte orare. Prin folosirea acestui cadran se pot determina umbrele solare ale unui ansamblu sau cladire, sau pe o constructie situata la o anumita latitudine, putandu-se apoi construi umbrele reale. Pentru determinarea duratei insoririi in anumite situatii, metodele sunt:

Metoda umbrelor succesive - se deseneaza pe sol umbrele cladirii la diferite ore si prin suprapunere se determina suprafata maturata de umbra corespunzatoare limitei in care nu este recomandata amplasarea cladirilor ce necesita insorire integrala. In cazul in care alte constructii se gasesc in aceasta zona, se efectueaza acelasi studiu de umbre succesive si pe fatade. Cunoscand orele la care se produc diverse umbriri se constata cat timp anumite puncte sunt umbrite sau insorite.

Metoda dublei proiectii - folosita pentru determinarea insoririi pe tot parcursul anului a unui punct. Din punctul considerat se proiecteaza conic pe emisfera cereasca golul prin care aceasta este vazuta, sau obstacolele care impiedica vederea ei, rezultand prima proiectie. Cea de-a doua proiectie se obtine prin proiectia primei proiectii pe cadranul solar prin varful stilului, si aceasta indica duratele cand punctul se afla in umbra sau in lumina.

Metoda perspectivei orizontale - se traseaza o vedere perspectiva a cladirii a partilor de constructie ce formeaza obstacole la insorirea punctului studiat, astfel incat punctul studiat corespunde punctului de vedere; pe aceasta perspectiva se suprapune cadranul solar astfel incat piciorul stilului sa fie punctul de fuga principal, iar directia de Nord a cadranului sa corespunda Sudului din desen.

Metoda proiectiei calotei - se foloseste proiectia boltii ceresti in plan orizontal, cuprinzand traiectoriile aparente ale Soarelui pentru solstitii si echinoctii; trasarea curbelor mersului aparent al Soarelui tine cont de coordonatele unghiulare azimut si inaltime. Golurile prin care se vede bolta, precum si obstacolele se proiecteaza pe calota conic din punctul in care se studiaza insorirea. Conturul obtinut se suprapune diagramei miscarii solare, rezultand duratele de insorire.

Iluminarea naturala si artificiala a spatiilor de locuit

Iluminarea naturala

Confortul luminos include rezolvarea problemelor legate de iluminare si insorirea cladirilor atat din punct de vedere a intensitatii luminii cat si al efectului de orbire si supraincalzire. Sporirea coeficientului iluminarii naturale prin marirea la maxim a golurilor genereaza contradictii intre iluminare si controlul insoririi: marirea ferestrei amplifica fluxul luminos, dar mareste si insorirea incaperilor generand supraincalzire. Asadar problema iluminarii se studiaza concomitent cu cea a controlului insoririi. Conditiile iluminarii naturale ale incaperilor se stabilesc pentru o valoare minimala critica a iluminarii naturale in aer liber ce variaza in functie de loc, zi, nebulozitate. Cand aceasta se afla sub valoarea critica se intervine cu iluminarea artificiala. Valoarea critica este intre 3000 si 5000 lucsi iar pentru spatii industriale la 7000 lucsi. Datorita neuniformitatii acesteia apar termenii de: iluminare minimala - in punctul cel mai defavorizat, medie - considerata pe planul de lucru, maxima - in puncte favorizate de langa ferestre, localizata punctiform sau liniar. Vestibulurile, holurile, coridoarele, salile de spectacol sau de operatie sunt spatii in care iluminarea naturala nu trebuie asigurata.

Studiul iluminarii naturale interioare se face ca si in cazul insoririi pe puncte critice. Factorii ce influenteaza iluminarea unui punct interior al cladirii sunt: iluminarea directa de pe bolta cereasca pentru stabilirea careia se foloseste coeficientul iluminarii naturale, reflexiile interioare de pe pereti, pardoseli, tavane, mobilier, reflexiile exterioare - de la cladiri, reflexiile terenului.

Metode de stabilire a iluminarii naturale:

Metoda dublei proiectii - aceeasi ca si in studiul insoririi;

Metoda perspectivei orizontale - se traseaza o vedere perspectiva a golurilor incaperii si a cladirilor exterioare ce pot deveni obstacole in iluminarea punctului considerat. in continuare, metoda este asemanatoare celei folosite in cazul insoririi.

Metoda perspectivei verticale - cerul carelat conventional in parti echivalente se proiecteaza pe un plan vertical; se considera doar jumatate din bolta cereasca. Diagrama obtinuta se suprapune pe o perspectiva a golurilor si obstacolelor si se obtine procentul cautat.

Metoda razelor - sau metoda Daniliuk - suprafetele de bolta cereasca de egala luminare se reprezinta sub forma de raze. Se folosesc doua grafice, primul aplicandu-se pe sectiunea transversala continand golurile, astfel incat centrul sa coincida cu punctul studiat iar al doilea se aplica pe plan astfel incat axa (0.0) sa treaca prin punctul studiat. Produsul numerelor de raze obtinute in grafice impartit la 100 reprezinta coeficientul iluminarii naturale exprimat in procente.

Iluminatul artificial

Panǎ in anul 1879 cand Thomas Edison a realizat prima lampǎ electricǎ cu incandescentǎ, singura sursǎ de iluminare artificialǎ    o constituia flacǎra. Acesta a fost punctul de plecare pentru multe alte inventii in domeniu ce au dus mai intai la inlocuirea filamentului decarbon cu filamente metalice permitad astfel ridicarea temperaturii de functionare deci si a emisiei luminoase. Lǎmpile cu incandescentǎ moderne produc de 10 ori mai multǎ luminǎ decat lampa lui Edison si functioneazǎ mai mult timp.

In zilele noastre sunt folosite trei tipuri de lǎmpi electrice:

Lǎmpi incandescente - emisiunea luminoasa a lampilor cu incandescenta se produce prin incalzirea la o temperatura    de 2000-3400 ^oC prin trecerea curentului electric printr-un filament din metal greu fuzibil. Cu cat temperatura de incalzire a filamentului creste, emisiunea luminoasa este mai mare; creste insa si viteza de evaporare a metalului. Pentru a evita aceasta interiorul lampilor se umple cu gaz.

Avantajele lampilor cu incandescenta: gama larga de tipuri si puteri, nu necesita echipament auxiliar pentru fabricarea, acelasi corp se poate echipa cu lampi de puteri diferite, da o lumina calda

Dezavantajele lampilor cu incandescenta - eficacitate luminoasa redusa, randament scazut, luminatia lor este foarte mare, durata de functionare redusa, (doar 20 de ore pentru cele de tip special).

Domenii de utilizare - incaperi in care se cer mai putin 150-200 lx pe suprafata de lucru, incaperi in care nu se lucreaza continuu, iluminat local.

Lǎmpi cu descǎrcare electricǎ - fenomenul de iluminiscenta se produce prin socuri intre electronii unui gaz sau a unor vapori metalici provocate in urma trecerii curentului electric

Lǎmpi fluorescente, care sunt rezultatul imbinǎrii descǎrcǎrii electrice cu fenomenele de fluorescentǎ; ele se compun dintr-un tub de sticla pe al carui perete interior este depusa o pulbere fluorescenta, fiind prevazut la capete cu cate un electrod. In interiorul tubului se afla vapori cu mercur la presiune scazuta.

Avantaje ale lampilor fluorescente: eficacitate luminoasa ridicata, redarea buna a culorilor, durata mare de serviciu, temperatura redusa a tubului, stralucire redusa.

Dezavantaje efectul de palpaire, depind de temperatura inconjuratoare, instalatie de fabricare complicata

Utilizare: timp de utilizare mare si timp redus de aprindere; cand se cere redarea fidela a culorilor sau nu se admit straluciri.

Lumina artificialǎ poate fi folositǎ in cantitǎti si intensitǎti dorite in tot timpul celor 24 de ore ale unei zile. Nivele constant ridicate sunt imposibil de realizat in conditiile iluminǎrii naturale.

Folosirea luminii artificiale dǎ planului o mare flexibilitate eliberand partiul de arhitecturǎ de conditiile pe care i le impune lumina naturalǎ. Dimensionarea constructiei se poate face tinand seama exclusiv de criterii functionale, economice, structurale si plastice.

Lumina artificialǎ permite controlul efectelor culorilor si posibilitatea schimbǎrii intensitentii prin gradarea luminii artificiale. Ea poate asigura un caracter polivalent spatiilor interioare ale constructiei.

Costul instalatiei de iluminat artificial este insǎ destul de ridicat spre deosebire de cel ascuns al luminii naturale. Conceptia cǎ lumina naturalǎ nu costǎ este o barierǎ greu de invins.

O aceeasi suprafatǎ coloratǎ apare in moduri foarte diferite dacǎ se schimbǎ tipul de lampǎ care lumineazǎ deci este necesarǎ o analizǎ atentǎ inainte de a alege un anume tip de iluminare.

Lumina artificialǎ este adesea privitǎ prin prisma rezolvǎrilor de detaliu ale instalatiilor, neglijandu-se conceptia de ansamblu a iluminǎrii arhitecturale a edificiului. Din aceastǎ cauzǎ, interesul vizual al spatiilor interioare si exterioare nu este tocmai impresionant.

Lǎmpi incandescente

Dupǎ constructie:

In format normal, pentru uz general

Format special (vehicule, semnalizǎri optice)

Lǎmpi cu descǎrcare electricǎ

Lǎmpi cu descǎrcǎri electrice in vapori de mercur de medie sau inaltǎ presiune

(Culoarea luminii emise este verzuie se folosesc pentru spatii deschise de circulatie, hale cu inǎltimi mari unde nu este necesarǎ claritatea culorilor, etc)

Lǎmpi cu descǎrcǎri electrice in vapori de sodiu ( culoarea luminii este galben-portocaliu)

Lǎmpi cu vapori de Cadium ( se folosesc la laboratoare)

Lǎmpile cu vapori de hidrogen ( tot laboratoare, puternicǎ emisie ultravioletǎ)

Lǎmpi fluorescente, care sunt rezultatul imbinǎrii descǎrcǎrii electrice cu fenomenele de fluorescentǎ

Clasificarea sistemelor de iluminat artificial

Din punct de vedere al spatiilor iluminate:

Iluminat exterior - spatii deschise

Iluminat interior - spatii inchise

Din punct de vedere al scopului urmarit:

Iluminat general

Iluminat general localizat - necesitatea iluminarii mai intense a anumitor zone

Iluminat local - o suprafata relativ redusa

Iluminat combinat - imbinare iluminat general si local

Dupa distributia fluxului luminos emis de sursa:

Iluminat concentrat - lumina incidenta pe suprafata de utilizare sa vina dintr-o directie principala

Iluminatul difuz - sa nu se poata atribui luminii incidente o directie principala

Din punct de vedere al repartitiei fluxului luminos

Iluminat direct - peste 90% din fluxul emis este indreptat direct catre suprafata luminata.

Iluminatul semidirect - (60-90) % din fluxul emis este indreptat direct catre suprafata luminata.

Iluminatul direct-indirect - (40-60) % din fluxul emis este indreptat direct catre suprafata luminata.

Iluminatul semiindirect - (60-90)% din flux se indreapta catre plafon sau alte suprafete, fiind apoi reflectat catre zona luminata

Iluminat indirect - 90% din flux se indreapta catre plafon sau alte suprafete, fiind apoi reflectat catre zona luminata

Din punct de vedere al tipului de sursa folosit

Iluminat incandescent

Iluminat fluorescent

Iluminat cu lampi electrice cu descarcare in gaze sau vapori

Elemente si dispozitive parasolare

Cresterea suprafetelor vitrate si generalizarea peretilor cortina implica dezvoltarea unor dispozitive parasolare fixe sau mobile pentru umbrirea partiala sau totala. Prin folosirea cadranului solar se poate face dimensionarea acestor dispozitive de umbrire. Zonele orientarilor optime pentru principalele trei tipuri de lamele parasolare sunt: intre 30 si 50 grade azimut - lamele verticale, intre 60 si 180 grade azimut - lamele orizontale, intre 190 si 150 grade azimut - lamele orizontale, intre 260 - 300 grade azimut - sunt cele mai nefavorabile orientari necesitand lamele orizontale mobile, iar la 310 grade azimut - lamele verticale mobile pentru combaterea intregii perioade de insorire cu temperaturi de peste 21 grade C. Lamelele orizontale au, prin urmare, cea mai mare raspandire, de la orientare N-E pana la N-V, in vreme ce lamele verticale sunt folosite pentru orientari N-E, Nord, si N-V. Pentru rezolvarea controlului si combaterii insoririi se folosesc si lamelele oblice, ocupand pozitii intermediare intre celelalte doua tipuri. Folosirea acestor lamele pe fatade S-V imbunatateste si iluminarea incaperilor prin reducerea coeficientului de retinere a luminii directe si permit marirea duratei de insorire in lunile reci

Dispozitivele de umbrire, atat fixe cat si mobile se pot clasa in trei categorii: orizontale, verticale si in gratar.

Dispozitive orizontale - copertina plina, partial plina, partial formata din lamele orizontale, copertina din lamele orizontale paralele cu fatada, copertina cu lamele orizontale perpendiculare cu fatada, copertina plina si lamele orizontale suspendate de

extremitatea ei, dispozitiv mobil formand fie copertina fie paravan, rame cu jaluzele orizontale

Dispozitive verticale - lamele verticale perpendiculare pe fatada, oblice pe fatada, lamele mobile, panouri verticale fixe suspendate, rame cu jaluzele verticale mobile sau fixe.

Dispozitive in gratar - Combinatii diferite ale elementelor orizontale, verticale sau oblice

KeeP^IT^PurE^BiG