breve guida per progettare la luce

Qualcuno diceva che l'architettura altro non è che "il gioco dei volumi e dei colori sotto la luce" perché, effettivamente, senza la luce non si vede nulla e quindi si può fare il migliore progetto del mondo ma se non viene illuminato nessuno lo vedrà mai. Quel qualcuno era Le Corbusier, Corbu per gli amici: lui parlava riferendosi alla luce del sole ma, effettivamente, la sua frase può molto bene estendersi anche alla luce artificiale. Vorrei qui trascrivere una serie di appunti sparsi per fornire un po di elementi di base per poter valutare con un minimo di cognizione i diversi aspetti dell'illuminazione artificiale: troppe sono infatti le tecnologie oggi in gioco per poter valutare obiettivamente, da profani, il tipo di illuminaizone migliore per la propria casa o per la propria attività commerciale, e troppo disparate ed imprecise sono, spesso, le informazioni che vengono rilasciate assieme alle lampade (in particolare, moltissima confusione si fa sul LED).

Questo post non vuole essere una guida alla progettazione illuminotecnica, ma solo un elenco di nozioni base per potersi districare nell'ampio argomento e soprattutto per non sbagliare lampada quando le andiamo a scegliere per la nostra casa o per l'ufficio. L'illuminotecnica è un vero e proprio ambito di progettazione: un bravo tecnico deve saper leggere le caratteristiche tecniche di ciascuna lampada che ha intenzione di usare e deve saperle posizionare sapientemente nello spazio di progetto, e sarebbe veramente riduttivo volerne parlare esaustivamente in un blog.

anzitutto vediamo quali tipologie di lampade esistono oggi in commercio, divise in base alla tecnologia attraverso la quale producono luce. per ogni famiglia di lampade riassumo alla fine alcuni dati caratteristici sulla durata (espressa in ore di funzionamento prima che venga compromessa la luce emessa o prima della rottura prevista), sull'efficienza (rapporto tra potenza assorbita - in Watt - e luce prodotta - espressa in lumen) e sull'indice di resa cromatica (un indice che va da 0 a 100 e che rappresenta come vengono restituiti i colori naturali - ne parlerò meglio nella seconda parte del post):

• lampade ad incandescenza: (vedi su wikipedia) basano la produzione di luce sul riscaldamento di un filamento metallico, in genere a base di tungsteno, generata dal passaggio di corrente elettrica. La luce viene prodotta grazie al principio della radiazione elettromagnetica (su questo si basano per esmepio le termografie ma anche lo stesso Sole): un corpo scaldato emette sempre radiazione elettromagnetica, ed al di sopra di una certa temperatura (circa 1.500°C) la radiazione entra nella frequenza della luce visibile, emettendo quindi luce. Per evitare che il filamento bruci, le lampade ad incandescenza hanno uno speciale gas inerte all'interno del bulbo. Si fulminano relativamente presto perché il filamento, sottoposto a temperature elevatissime, emette assieme alla radiazione anche particelle dello stesso metallo che lo compone, arrivando quindi ad un punto critico di eccessivo assottigliamento in cui si rompe. Fanno parte di questa famiglia di lampade due tipologie fondamentali: le lampade a bulbo e quelle alogene. Le bulbo sono le più classiche lampadine ad incandescenza; quelle alogene invece hanno un filamento più corto, ed all'interno del molto più piccolo bulbo in vetro contengono un gas "alogeno" che, detta molto brutalmente, aiuta a far ricadere sul filamento stesso le particelle che si distaccano, aumentando così l'efficienza e la durata. La luce prodotta dalle lampade alogene, essendo prodotta praticamente allo stesso modo (come principio) di come la produce il sole, è la luce che ha la migliore qualità possibile: lo spettro di emissione è continuo (non costante, ovviamente) ed i colori vengono resi esattamente allo stesso modo di come li evidenzia la luce solare.
• durata: Bulbo, circa 1.000 ore - Alogene, circa 2.000 ore;
• efficienza: bulbo, circa 10-12 lm/W (una lampadina da 100W emette circa 120lm) - Alogene, circa 20lm/W;
• indice di resa cromatica: sempre pari a 100;
• lampade a scarica in gas: (vedi su wikipedia) basano la produzione di luce su un arco voltaico prodotto all'interno di un bulbo contenente una miscela di gas: la scarica elettrica prodotta dall'arco voltaico stimola i gas che, reagendo con le pareti del bulbo, rivestite con particolari prodotti fluorescenti (per questo sono anche dette lampade fluorescenti), emettono luce. Per produrre l'arco voltaico è necessario ottenere una differenza di potenziale elevata (in Volt) tra catodo ed anodo, molto superiore ai 220v delle reti domestiche: per questo queste lampade hanno bisogo di un reattore che aumenti il voltaggio e produca la scarica, che è intermittente e ovviamente non continua: per questo le lampade a scarica sono "stroboscopiche". Il reattore a volte, su alcune lampade di vecchia fattura o su lampade in via di rottura, può produrre un ronzio. A seconda della miscela di gas emettono diversi tipi di luce, tutte di "qualità" inferiore (in termini di resa cromatica) a quelle ad incandescenza. La famiglia delle lampade a scarica è un po allargata, comunque vi fanno parte le lampade con tecnologia al neon, i tubi fluorescenti, le lampade agli alogenuri metallici, al mercurio, al sodio, ed altre meno usate in ambito residenziale/commerciale. Hanno il vantaggio di avere una efficienza ed una durata media di molto superiori alle lampade ad incandescenza: rientrano in questa categoria le varie lampade "a basso consumo" che si trovano attualmente in commercio.
• durata: dalle circa 6.000 ore delle fluorescenti compatte ad un massimo di 15.000 ore di alcuni alogenuri metallici
• efficienza: sempre compresa tra gli 80 e i 100lm/W al massimo. Le fluorescenti compatte in genere si attestano sui 60lm/W (pari a circa cinque-sei volte di una bulbo ad incandescenza)
• indice di resa cromatica: tipicamente tra 80 e 90. Alcune fluorescenti lineari sfiorano 98, mentre invece alcune lampade per applicazioni speciali non arrivano a 20.
• lampade a LED: (vedi su wikipedia) eccoci a quello che sembra essere il fenomeno del momento in ambito illuminotecnico: i diodi semiconduttori ad emissione luminosa fino a qualche decennio fa erano relegati ad applicazioni comunque fondamentali ma marginali per quanto riguarda l'illuminazione. Da qualche tempo a questa parte, complice l'affinamento tecnologico ma anche la necessità di avere a disposizione fonti luminose piccole e versatili, ha spinto il LED all'interno del mondo dell'illuminotecnica. Il LED emette luce sfruttando il principio dell'emissione spontanea di alcuni semiconduttori i quali, se rivestiti con il giusto mix di "impurità" produce luce del colore desiderato. Le "impurità" ovviamente assorbono parte della radiazione stessa e lo fanno in maniera differenziata: per questo i LED di colore rosso per esempio hanno sempre una efficienza energetica maggiore di quelli blu. Per fare i LED bianchi bisogna combinare gli effetti di diverse impurità e sommare quindi le diverse emissioni luminose: è per questo che i LED bianchi sono quelli con l'efficienza luminosa più bassa di tutti. Gli sviluppi della tecnologia hanno consentito tuttavia di trovare mix di impurità ottimali, migliorando di molto l'efficienza complessiva tanto da rendere le lampade LED concorrenziali, oggi, con quelle a scarica. L'enorme vantaggio del LED comunque non risiede nell'efficienza energetica (che pure è notevole e promette di crescere ulteriormente in futuro), ma sono altri tre fattori: 1. il fatto che ha una durata notevolmente più estesa rispetto alle lampade a scarica in gas (figuriamoci rispetto alle incandescenza) proprio grazie al fatto che sono sostanzialmente dei transistor (i tecnici mi passino il paragone poco calzante): questo fa si che il LED sia particolarmente adatto ad applicazioni speciali (per esempio dove la manutenzione della lampada per la sostituzione della lampadina è complessa, tipo le gallerie autostradali) o, comunque, fa si che possa nascere una nuova generazione di lampade in cui di fatto la lampadina non viene sostituita mai; 2. il fatto che la fonte luminosa è molto piccola, e ciò consente di liberare il design del corpo illuminante dagli schemi canonici oppure consente applicazioni impossibili con le tecnologie tradizionali (per esempio le "strisce" LED); 3. il fatto che per loro natura i LED NON sono bianchi apre nuovi scenari alla progettazione della luce colorata che con le lampade tradizionali può essere fatta solo con filtri e vetrini: si vedano infatti le tante applicazioni LED RGB facilitate dal fatto che ogni singolo diodo può essere regolato individualmente. Tuttavia c'è ancora molta disinformazione sull'argomento e, soprattutto, convivono sul mercato LED di diverse età tecnologiche: non è impossibile ancora oggi acquistare sul mercato prodotti per illuminazione con diodi tecnologicamente antiquati (in proporzione): se, comuque, il mercato dei LED ancora non ha "sfondato" è per via dei costi ancora significativi della catena produttiva che fanno si che, a parità di quantità di luce emessa, il LED abbia ancora un costo dalle due alle cinque volte superiore a lampade di tecnologia tradizionale. Come orientarsi nel mercato dei LED? semplice: individuando quei prodotti che hanno efficienze energetiche almeno al di sopra dei 50lm/W (sintomo di una tecnologia fresca) e possibilmente che hanno elevate rese cromatiche, al di sopra del 90 almeno (idem). Non tutti i produttori di LED specificano queste caratteristiche: quindi o si selezionano soltanto i produttori che le forniscono, oppure spesso è necessario fare complessi calcoli a ritroso per capire qual'è l'efficienza della lampada (a volte invece dei lumen - che rappresentano la quantità totale di luce emessa in tutte le direzioni, indipendentemente dalla distribuzione - si forniscono le candele - che invece rappresentano la quantità di luce che investe una superficie, ma da qui è difficile risalire ai lumen effettivi). Tra i pochi svantaggi del LED segnalo giusto questo: il fatto che debba essere opportunamente raffreddato per garantire lunghi funzionamenti (evitate di acquistare corpi illuminanti raffreddati da ventole: è un controsenso tecnologico), e ciò può precludere alcune applicazioni.
  occorre inoltre riflettere su un ulteriore dettaglio, legato implicitamente alla durata di vita dei LED: fino ad oggi siamo stati abituati ad acqustare dei corpi illuminanti nei quali la lampadina, ovvero la sorgente di luce, era un elemento a sè stante da sostituire ad ogni rottura. Con il LED questo concetto cambia: l'enorme durata di vita della sorgente luminosa supererà certamente la vita utile del prodotto stesso, quindi di fatto i corpi illuminanti di nuova generazione e nuova concezione non avranno la sorgente luminosa sostituibile (o comunque non sostituibile con semplicità). Considerate infatti che un LED da 50.000 ore, se viene acceso per 3 ore al giorno (impiego tipico di una lampada domestica) raggiungerà il fine vita dopo 45 anni circa; un LED da 100.000 ore quindi 90 anni. Quanti corpi illuminanti abbiamo in casa che hanno questa età? Oggi vediamo lo spopolare delle lampadine LED che vanno in sostituzione di quelle tradizionali: secondo me questo fenomeno è destinato a ridimensionarsi nel tempo fino quasi a scomparire, man mano che i nuovi apparecchi illuminanti (dal lampadario alla lampada da tavolo) verranno sostituiti con oggetti di nuova concezione. Il passaggio comunque durerà almeno un decennio, a mio avviso.
• durata: mai meno di 20.000 ore, ma più spesso 50.000 e 100.000 ore. I LED probabilmente superano questa età, i produttori però indicano che dopo questo tempo la luminosità effettiva scende al di sotto di livelli definiti come "standard" minimi accettabili
• efficienza: per i LED bianchi si parte generalmente da un minimo di 20lm/W (mai comprare prodotti al di sotto di questa efficienza, imho) per arrivare ai prodotti più evoluti che arrivano a 100lm/W. al di sopra dei 60lm/W si ha la garanzia di comprare un prodotto tecnologicamente aggiornato;
• indice di resa cromatica: per i led bianchi: difficilmente superiore a 90, tipicamente intorno ad 80. ovviamente i LED monocromatici non possono essere considerati secondo la scala dell'indice di resa cromatica.

passiamo ora all'analisi delle unità di misura della luce, usate in edilizia. le unità di misura sono spesso molto tecniche, e non ci sarebbe bisogno di conoscerle approfonditamente per avere un po di rudimenti di illuminotecnica, ma per quanto questo post vuole fare una trattazione superficiale dell'argomento, non credo io possa esimermi dallo scendere un pochino nel dettaglio:

• lumen (lm): (wikipedia) è la quantità di luce che colpisce una sfera virtuale posta attorno alla sorgente luminosa. Di fatto è la quantità di luce che viene complessivamente prodotta dalla lampada, indipendentemente dal fascio luminoso (ovvero della direzione verso cui la lampada indirizza la luce: nessuna lampada reale emette luce in modo perfettamente sferico), e pertanto è usata per stimare l'effettiva efficienza della lampada, rapportandola con la potenza assorbita (Watt).
• lumen/Watt (lm/W): è il rapporto tra quantità di luce emessa e potenza assorbita: è indice dell'efficienza energetica della lampada.
• candela (cd): è la misura dell'intensità luminosa in una data direzione. Si calcola a partire dalla sorgente luminosa e si prende a riferimento un angolo solido: la quantità di luce che cade all'interno di questo angolo solido rappresenta le candele di quella lampada per quella specifica direzione ed angolo solido. E'un'unità di misura molto tecnica che dice poco sulla reale efficienza della lampada: tuttavia si trova spesso nelle schede tecniche dei faretti spot. Non esiste ovviamente una diretta correlazione tra lumen e candele: bisognerebbe fare un complesso calcolo considerando l'emissione luminosa della lampada.
• candela/lumen: è l'unità di misura indicata sulle isoipse delle curve fotometriche delle lampade, ed è una unità di misura molto tecnica: consente di capire, a partire dalla lampada messa in un certo modo, la quantità di luce sul totale di luce prodotta dalla lampada che arriva in una determinata direzione. Per fortuna le curve fotometriche, dopo un po di esperienza, si impara ad interpretarle "al volo" senza pensare a complessi calcoli.
• lux (lux): (wikipedia) assieme al lumen è l'unità di misura più importante da capire per avere i rudimenti di illuminotecnica: rappresenta la quantità di luce che investe una data superficie piana, ed 1 lux è pari ad 1lumen/1mq. Conoscere la quantità di luce che investe una superficie è fondamentale per la progettazione illuminotecnica, perché è proprio un parametro di progetto: le normative di settore infatti impongono diversi livelli minimi di lux per le diverse destinazioni d'uso (in italia non ci sono ancora obblighi normativi, ma solo norme UNI di riferimento): negli uffici, a seconda del posto di lavoro, si possono richiedere dai 300 ai 1000 lux, mentre negli appartamenti è generalmente sufficiente un livello compreso tra 100 e 200 lux al suolo. La luna piena riesce ad illuminare il suolo con 1 o 2 lux al massimo, mentre il sole allo zenit può arrivare a proiettare anche fino a 100.000 lux al suolo.

fatte queste due trattazioni generali sulle tecnologie e sulle unità di misura, affrontiamo il terzo tema fondamentale da capire per progettare la luce: la temperatura di colore. La luce bianca non è sempre uguale a sè stessa: se prendiamo un "corpo nero" e cominciamo a scaldarlo, arrivati intorno ai 1.000°K vedremo che l'oggetto comincia ad emettere una luce rossastra (pensiamo alla lava fusa, o all'acciaio fuso); aumentando la temperatura questa luce comincerà ad essere sempre più intensa e sempre meno rossa, diventando dapprima gialla (attorno ai 2.500°K), poi più bianca (3.200°K) e, andando ancora oltre, potremmo vedere questa luce acquisire dei toni freddi, verso il blu (4.000°K e oltre) fino a diventare sul viola (oltre i 7000°K). Le temperature che ho indicato sono in gradi Kelvin, che altro non sono che i gradi centigradi solo che la scala parte dallo "zero assoluto" (circa -273°C) invece che dallo "zero convenzionale" (il punto di fusione dell'acqua): quindi 100°C corrispondono a 373°K, 1.000°C corrispondono a 1.273°K e così via. Le temperature del "corpo nero" servono come parametro per valutare la qualità di bianco che la nostra lampada emette: ci sono infatti lampade che hanno una luce "calda" ed altre con una luce più "fredda": le lampade ad incandescenza hanno tutte una temperatura di colore attorno ai 2.700°K (perché è quella la temperatura a cui si trova il filamento incandescente, che può essere considerato quasi perfettamente un "corpo nero"), mentre le lampade a scarica e i LED possono avere differenti temperature di colore, generalmente comprese tra i 2.700 ed i 6400°K. Come riferimento, la luce del Sole - che è pure lui un "corpo nero": non l'avreste mai detto eh? - ha una temperatura di colore di circa 5.500°K (perché questa è la sua temperatura superficiale - non quella interna), ma sulla terra arriva sempre in modo diverso per via della diffrazione dell'atmosfera terrestre. Ora, a cosa serve sapere la temperatura di colore? ebbene, essa è fondamentale per il comfort dell'illuminazione. Qui dobbiamo sconfinare nell'evoluzionismo: i nostri occhi (che sono in grado di "azzerare" gli effetti delle temperature di colore e quindi di adattare l'immagine ai colori più reali possibili - avete mai fatto caso che se fotografate un'ambiente interno annullando i meccanismi di correzione del bianco della macchina fotografica vi vengono fuori sempre immagini gialle? questo perché la macchina non corregge il bianco, mentre il vostro occhio - anzi, il cervello - invece si) si sono evoluti in centinaia di migliaia di anni in cui hanno osservato il mondo attraverso la luce del sole (prima ovviamente che venissero le luci artificiali): questa al primo mattino ed al tramonto è di intensità molto ridotta (parliamo di 20 lux al suolo) ma è anche molto molto gialla se non proprio rossa, quella che definiremmo una temperatura di colore attorno ai 2.000°K - dunque il nostro occhio si è evoluto associando a bassi livelli di illuminamento dei corrispondenti bassi livelli di temperatura di colore. Il sole, una volta sorto, comincia a salire nel cielo e la sua luce, filtrata dall'atmosfera, diventa meno gialla e decisamente più bianca: diciamo che a metà mattinata abbiamo dei già considerevoli livelli di illuminamento al suolo (tra i 1.000 e i 2.000 lux) con una luce che ormai è diventata attorno ai 5.000°K di temperatura di colore. Quando il sole è allo zenit, a metà giornata, la luce del sole si mischia con quella del cielo terso, ottenendo una luce molto "fredda" (anche fino a 10.000°K, quindi "superiore" alla temperatura del sole, ma è un effetto "filtro") ma a cui corrispondono livelli di illuminamento mostruosamente alti (da 20.000 fino a 100.000 lux al suolo). Sapete perché nei giorni nuvolosi ci sentiamo tristi? perché la temperatura di colore della luce è molto fredda (per via del bianco delle nuvole) ma i livelli di illuminamento sono decisamente bassi (tra i 200 e i 1.000 lux al massimo) e quindi il nostro cervello interpreta come negativo l'effetto luminoso, creandoci disagio: per l'illuminazione artificiale è esattamente la stessa cosa: la temperatura di colore deve essere scelta dal progettista in funzione dei livelli di quantità di luce che abbiamo. Una luce troppo fredda in un ambiente con livelli di illuminamento bassi si tradurranno in un effetto "obitorio", mentre al contrario luci troppo calde in un ambiente con elevati illuminamenti produrranno l'effetto di sentire caldo o di essere a disagio con il calore o la temperatura. Ovviamente esistono dei margini di soggettività, ma neanche più di tanto. Sui forum spesso leggo di persone che vogliono dentro casa la "bella luce del sole", che sarebbe a 5.500°K: ai bassi livelli di illuminamento tipici degli appartamenti, il tutto si tradurrà in un effetto antro, gelido e tetro. Nella curva di kruithof è rappresentata grosso modo la zona di "comfort" all'interno della quale è bene rimanere: si vede che al diminuire dei livelli di illuminamento la fascia si restringe parecchio. Attenzione alla corretta lettura del grafico: le ordinate hanno scala logaritmica.

Qualche ultima parola è giusto spenderla per l'indice di resa cromatica: purtroppo non molti sono abituati a pensare che le lampade non fanno tutte una luce perfettamente continua in tutto l'arco delle lunghezze d'onda dell'emissione luminosa (vedi questo e anche questo), o meglio: quelle ad incandescenza generalmente si, mentre quelle a scarica praticamente mai (qui c'è un esempio di cosa vuol dire spettri differenti). Ciò significa che la luce delle lampade non alogene, seppure apparentemente bianca (il nostro cervello è in grado di correggere le differenze cromatiche), in realtà esalta alcuni colori e ne deprime altri: per questo è stato concepito l'indice di resa cromatica, che altro non è che un test che deve essere eseguito su tutte le lampade commerciali e che si traduce in un voto da 0 a 100 in base alla fedeltà con cui vengono resi dei colori campione. Fedeltà rispetto a che? rispetto alla luce del sole, ovviamente, che sulla nostra terra è il riferimento. Avere un indice di resa cromatica elevato è indispensabile in tutte quelle applicazioni in cui la distorsione dei colori reali crea problemi: pensiamo ad un negozio di abbigliamento che venda capi colorati: le luci non alogene potrebbero far risultare verde chiaro un capo che invece è color senape, o troppo viola una sciarpa che magari tende più al rosa o al corallo. Nelle case è secondo me molto utile che abbia un elevato IRC la lampada che usiamo per cucinare e per mangiare (la distorsione dei colori del cibo può tramutarsi in un effetto rifiuto: gli occhi dell'uomo servono anche per valutare la bontà di ciò che mangiamo), ma comunque nelle case non sceglierei mai lampade con IRC inferiore ad 80, così come negli uffici. Le applicazioni in cui non servono elevati indici di resa cromatica sono, per esempio, le gallerie autostradali (dove fino a qualche anno fa la facevano da padrone la lampade al sodio a bassa pressione: quelle che fanno la luce arancione, ma tanto arancione che una volta dentro la galleria tutte le macchine diventano arancioni: queste lampade come IRC non arrivano a 20, ma hanno una enorme efficienza luminosa - sui 200lm/W - e durano tanto - fino a 10.000 ore); i magazzini per lo stoccaggio di colli, l'illuminazione stradale in genere.

Dunque, per riassumere: ecco i punti da valutare nella scelta della lampada per casa o per l'ufficio:

1. stabilire, anche andando per tentativi (se non volete usare i complessi ma gratuiti programmi di calcolo, tipo dialux), la potenza della lampada di cui avete bisogno, oltre al numero ed alla posizione;
2. valutare l'efficienza energetica che preferiamo (minore efficienza si ha con lampade meno costose: se dobbiamo illuminare un ripostiglio, potrebbe andare bene una alogena perchè ci vorrà molto tempo prima che si "consumino" le 1.000 ore della sua durata standard; viceversa se stiamo progettando un grande spazio tipo un aeroporto, con soffitti alti 15 metri, forse è il caso di valutare i LED su cui non dovremmo fare manutenzione per diversi anni) e orientiamoci quindi sulla tecnologia da prendere in considerazione:
3. valutare attentamente l'indice di resa cromatica: se dobbiamo illuminare un negozio di vestiti, onde evitare di far si che la gente compri un vestito verde per poi vederlo senape fuori dal negozio dobbiamo scegliere lampade con indice di resa cromatica molto elevato; anche per cenare a casa sarebbe ideale usare lampade ad alto indice di resa cromatica: una bistecca viola o l'insalata gialla forse non piace a tutti. Per le luci di ambientazione di base degli appartamenti si può scegliere una lampada con IRC di 85, ma mai scendere sotto questo valore, imho, nelle case;
4. valutare con molta attenzione la temperatura di colore giusta per la nostra applicazione, sia essa commerciale che residenziale: se per gli appartamenti va quasi universalmente bene una temperatura di colore compresa tra i 2700 ed i 3200°K, nei locali commerciali è meglio tenersi più verso i 3.500-4.000°K, considerando che nei locali commerciali è giusto avere livelli di illuminamento elevati.