Aspetti non visivi della luce: nuove frontiere per la progettazione illuminotecnica

Simone Gabbini

Aspetti non visivi della luce: nuove frontiere per la progettazione illuminotecnica.

Rel. Chiara Aghemo. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città, 2014

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

Controlla la disponibilità in biblioteca

Abstract:	Fin dagli anni '90 la CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) ha posto grande enfasi sul concetto di qualità nell'illuminazione, oltre la prestazione visiva, includendo tra i doveri di un progettista quelli di soddisfare le necessità umane (gradevolezza, benessere, umore), architettoniche (di valorizzazione, di integrazione con l'esistente) e di risparmio energetico. In particolare, grazie alle recenti scoperte scientifiche, le necessità di benessere dell'individuo stanno assumendo un ruolo sempre più centrale nella progettazione, riconoscendo alla luce la capacità di migliorare la qualità della vita, non soltanto sotto l'aspetto del comfort visivo ma anche per le sue implicazioni con aspetti legati alla salute, al corretto funzionamento dell'organismo e all'umore; tramite aspetti detti quindi non visivi, cioè non direttamente legati alla percezione visiva dell'ambiente circostante. Ciò che emerso da diversi studi scientifici, in gran parte concentrati negli ultimi 15-20 anni, è che la luce percepita dagli occhi, ha forti ripercussioni sugli esseri umani dal punto di vista della fisiologia, dell'umore e del comportamento. Questi effetti sono influenzati dalle seguenti caratteristiche della luce: intensità, spettro, orario di esposizione, durata dell'esposizione, pattern di esposizione. L'orario di esposizione risulta molto importante in quanto, come si vedrà, occorre considerare separatamente gli effetti della luce diurni da quelli notturni. Molte funzioni biologiche (come ad esempio i livelli ormonali) sono ritmiche, si ripetono cioè secondo un programma ciclico, nella maggior parte dei casi il ciclo è giornaliero ed è chiamato ritmo circadiano. Queste funzioni biologiche sono controllate dai cosiddetti orologi biologici, a loro volta coordinati dall'orologio biologico centrale. Quest'ultimo utilizza il segnale luminoso per coordinarsi con il programma solare: il sorgere del sole al mattino segnala al nostro corpo l'inizio della giornata, mentre la luce calda del tramonto indica la fine della giornata. Il processo è mediato da specifici recettori "non visivi", presenti sulla retina, diversi dai coni e i bastoncelli. Per dare un'idea di quanto sia giovane la ricerca sugli aspetti non visivi della luce, basti sapere che la scoperta di questi recettori (ipRGC), risale a poco più di dieci anni fa. Se l'orologio biologico centrale non riceve gli stimoli corretti, possono insorgere fenomeni come il jat lag, malessere generalizzato, stanchezza e disturbi del sonno. Ciò risulta oggi di importanza primaria se si pensa che trascorriamo la maggior parte del tempo in ambienti chiusi, "artificiali", in molti casi in condizione di carenza di luce naturale. In questo modo quindi possono venire a mancare gli stimoli necessari alla regolazione dei ritmi biologici. La progettazione di un ambiente deve quindi tenere conto di questo, massimizzando l'apporto di luce naturale e adottando alcune attenzioni particolari al progetto del sistema di illuminazione artificiale. Si tratta quindi di guardare alla luce con una prospettiva nuova e completamente diversa. Anche la definizione con la quale siamo abituati a concepire la luce, in questo caso non è adeguata. Infatti per la radiazione in grado di stimolare il sistema biologico (e non quello visivo) si parla di luce circadiana. L'attenzione alla luce circadiana è importante per tutti i luoghi in cui vi sia una lunga permanenza degli utenti, come uffici, scuole e spazi produttivi, e per tutte le persone che si trovano a lavorare in ambienti privi di luce naturale, come ambienti senza finestre o nel caso del lavoro notturno. Una corretta stimolazione del sistema circadiano infatti permette di migliorare notevolmente i livelli di attenzione, le performance cognitive, ridurre lo stress e migliorare la qualità del sonno (diminuendo la stanchezza e la sonnolenza nella giornata successiva), riducendo così anche il rischio di incidenti sul lavoro. Ci troviamo quindi di fronte a un punto di svolta nella pratica della progettazione illuminotecnica, questa professione nei prossimi anni subirà una radicale rivoluzione, le scoperte scientifiche e le nuove tecnologie, permetteranno ai progettisti di applicare queste nuove conoscenze al progetto, creando ambienti può salubri e più adatti al lavoro o al riposo. Questa tesi si propone di indagare in maniera approfondita il tema degli aspetti non visivi della luce, cioè gli effetti biologici e psicologici della percezione luminosa da parte dell'organismo, valutandone le ricadute progettuali e concludendo con la definizione di alcune linee guida pratiche e utili alla progettazione. L'analisi parte da una vasta bibliografia internazionale che tratta questo argomento sotto diversi aspetti, occorre sottolineare che dato il recente sviluppo di questo tema, la letteratura a riguardo è composta da un ampio numero di articoli scientifici specifici, mentre sono molto poche le pubblicazioni che trattano l'argomento in maniera completa e dal punto di vista della progettazione illuminotecnica. L'obiettivo della prima parte di questo lavoro (capitoli 1, 2, 3) è proprio un inquadramento a tutto campo di questo argomento: partendo dagli effetti che ha la luce sul corpo umano, analizzando in dettaglio la fisiologia e la biologia di questo meccanismo, gli aspetti sanitari, psicologici e le caratteristiche della luce in grado di generare una risposta biologica da parte dell'organismo. Nei capitoli successivi (5, 6, 7) l'attenzione è rivolta alla progettazione, vengono quindi analizzati e confrontati alcuni parametri progettuali e metodi di calcolo, in grado di quantificare l'azione biologica di una sorgente luminosa. In seguito è stato scelto il modello di calcolo più avanzato per classificare diverse sorgenti luminose comunemente disponibili in ambienti domestici e di ufficio. I dati relativi a queste lampade sono stati acquisiti tramite uno spettrofotometro al laboratorio LAMSA (Laboratorio di Analisi e Modellazione dei Sistemi Ambientali) del Politecnico di Torino. In seguito all'elaborazione dei dati, è stato possibile confrontare i differenti spettri di emissione relativi alle lampade, in funzione della loro capacità di stimolare il sistema circadiano. Infine, tramite la simulazione di un piccolo ambiente per uffici, è stata testata la possibilità di applicare queste conoscenze alla progettazione illuminotecnica. Nell'ultimo capitolo sono raccolte alcune linee guida utili per migliorare il benessere e le performance cognitive degli utenti di uffici, luoghi di lavoro, scuole, case di cura e case di riposo. Queste indicazioni sono suddivise in principi generali e linee guida per il progetto, queste ultime sono conoscenze acquisite in seguito all'analisi svolta nei capitoli precedenti. Abstract in italiano (PDF, 261kB - Creative Commons Attribution) Abstract in inglese (PDF, 252kB - Creative Commons Attribution)
Relatori:	Chiara Aghemo
Tipo di pubblicazione:	A stampa
Soggetti:	S Scienze e Scienze Applicate > SH Fisica tecnica S Scienze e Scienze Applicate > SJ Illuminotecnica
Corso di laurea:	Corso di laurea magistrale in Architettura Costruzione Città
Classe di laurea:	NON SPECIFICATO
Aziende collaboratrici:	NON SPECIFICATO
URI:	http://webthesis.biblio.polito.it/id/eprint/3578
Capitoli:	1 Aspetti non visivi della luce e ritmi circadiani 1.1 Effetti della luce sull'uomo 1.2 I ritmi circadiani e la luce 1.3 Due sistemi di visione 1.3.1 Sistema visivo 1.3.2 Sistema non visivo o circadiano 1.4 Stimolazione del sistema circadiano e caratteristiche della luce 1.4.1 Quantità di luce 1.4.2 Sensibilità spettrale del sistema circadiano 1.4.3 Distribuzione spaziale 1.4.4 Orario di esposizione 1.4.5 Tempo di esposizione 1.4.6 Storia dell'esposizione 1.5 Aspetti psicologici 1.5.1 Effetti psicologici della luce 1.5.2 Importanza psicofisica delle finestre e del contatto visivo con l'esterno 2 Fotobiologia circadiana: meccanismi della visione e fisiologia 2.1 L'apparato visivo 2.1.1 II sistema ottico dell'occhio 2.1.2 Fotorecettori della retina e gangli retinici 2.2 Ganglio retinico fotosensibile contente melanopsina (ipRGC) 2.2.1 Scoperta della melanopsina 2.2.2 L'azione del ganglio retinico intrinsecamente fotosensibile (ipRGC) 2.2.3 La teoria dell'opponenza: percezione della luminosità e dei colori 2.3 Fisiologia e regolazione dei ritmi circadiani 2.3.1 Nucleo soprachiasmatico (SCN) 2.3.2 Fisiologia dei ritmi ormonali 2.4 Soppressione della melatonina e ritmi del sonno 2.4.1 II ciclo della melatonina e la luce 2.4.2 II sonno e come la luce influenza il sonno 3 Aspetti sanitari, disturbi del sistema circadiano e light therapy 3.1.1 II jet lag 3.1.2 II lavoro notturno 3.1.3 Qualità del sonno e disturbi del sonno 3.1.4 Light therapy sui neonati 3.1.5 Disturbo dell'umore ad andamento stagionale (SAD) 3.1.6 Anziani e Alzheimer 3.1.7 La luce negli ospedali e nelle case di cura 3.1.8 Relazione tra i livelli di melatonina e l'incidenza di tumori 4 La ricerca 4.1 Uffici e luoghi di lavoro: qualità dell'ambiente luminoso ed effetti sul sonno 4.2 Studio ENEA per la valutazione degli effetti psicologici della luce 4.3 La ricerca di iGuzzini e il sistema Sivra 4.4 La funzione si sensibilità circadiana di G.C. Brainard e di K. Thapan 4.4.1 II metodo sperimentale di Brainard et al. 4.4.2 II metodo sperimentale di Thapan et al. 4.4.3 Commento dei risultati alla luce delle conoscenze attuali 4.5 Scuole: valutazione degli aspetti non visivi della luce in un'aula scolastica 5 Fotometria circadiana: luce circadiana e funzione di efficienza 5.1.1 Funzione di efficienza fotopica V(A) e la definizione della luce 5.1.2 Sensibilità spettrale circadiana e funzione di efficienza circadiana C(À.) 5.2 II metodo di D. Gali: fattore di azione circadiana 5.2.1 Fattore di azione circadiana 5.2.2 Misurazione 5.2.3 Caratterizzazione sorgenti luminose 5.2.4 Caratterizzazione degli ambienti di lavoro 5.3 Normativa (DIN V 5031-100:2009) 5.3.1 Soppressione notturna della melatonina (ms) 5.3.2 Altri effetti biologici 5.3.3 Commenti alla norma 5.4 II modello non lineare di Mark S. Rea: la luce circadiana 5.4.1 II sistema di calcolo 5.4.1 Esempio di calcolo: illuminante standard CIE D65 5.4.2 Applicazioni 5.5 Dalla radiometria alla fotometria circadiana, la proposta teorica di L. Bellia 5.5.1 Efficienza visiva V(X) 5.5.2 Efficienza circadiana C(À.) 5.5.3 Fotometria circadiana 5.5.4 Conversione tra grandezze fotometriche visive e circadiane 5.5.5 Considerazioni finali 6 Illuminazione circadiana e progettazione 6.1 L'illuminazione circadiana 6.1.1 Progettare un'illuminazione salubre 6.2 Classificazione delle sorgenti luminose 6.2.1 CI E-A 6.2.2 CIE-D65 6.2.3 WW-LED-1 6.2.4 WW-LED-2 6.2.5 WW-LED-3 6.2.6 WW-LED4 6.2.7 WW-FluoCompl 6.2.8 WW-FluoComp2 6.2.9 MR-Halo 6.2.10 NW-LED 6.2.11 WW-FluoLin 6.2.12 NW-FluoLin 6.2.13 CW-FluoLin 6.2.14 CW-LED 6.2.15 Blu-460nm 6.2.16 Blu-480nm 6.2.17 Riepilogo dati e considerazioni generali 6.3 Ricadute progettuali 6.3.1 Valutazione luce naturale e distribuzione spettrale 6.3.2 Punti di misura 6.3.3 Parametri di riferimento 6.3.4 Indice di rendimento circadiano (RC) 6.3.5 Scelta delle sorgenti luminose 6.4 Esempio di applicazione 6.4.1 Risultati 7 Linee guida 7.1 Principi generali 7.1.1 Lavoratore diurno 7.1.2 Lavoratore notturno 7.1.3 Anziani/patologie 7.1.4 Jet lag 7.2 Linee guida per il progetto 7.2.1 Organizzazione interna degli ambienti 7.2.2 Variazione dinamica della luce 7.2.3 Scelta delle lampade Conclusioni Ringraziamenti Riferimenti Bibliografici
Bibliografia:	Testi generali Centro studi e ricerca IGUZZINI, 2007. More than vision. Milano: Editoriale Domus Commision Internationale d'Eclairage (CIE), 2004/2009. Ocular Lighting Effects on Human Physiology and Behaviour. CIE technical report. 158/2004-2009 M. BARBALUCE, G. GUGLIELMETTI, F. LUCCHESE, F. BISEGNA, 2012. Studio per la valutazione della luce sugli esseri umani. Report ENEA e Università Sapienza di Roma. RdS/2012/273 Aspetti non visivi della luce M.S. REA, M.G. FIGUEIRO, J.D. BULLROUGH, 2002. Circadian photobiology: an emerging framework for lighting practice and research. Lighting research technology. 34:177 S.L. CHELAPPA, R. STEINER, P. BLATTNER, P. OELHAFEN, T. GOTZ, C. CAJOCHEN, 2011. Non-visual effects of light on melatonin, alertness and cognitive performance: can blue- enriched light keep us alert?. PLoS ONE. Jan.2011 vol.6-1 BIRO, C. BIANCHI, 2013. Light as a motor for innovation and wellbeing. CIE 2013. OP12 J.A. VEITCH, J. CHRISTOFFERSEN, A.D. GALASIU, 2013. What we know about windows and well-being, and what we need to know. CIE 2013. OP24 A.M. CHANG, F. SHEER, C. CZEISLER, 2011. The human circadian system adapts to prior photic history. J Physiol. 589.5 pp.1095-1102 C. VILLA, R. LABAZARDE, 2013. Suitable luminous environment for various activities in shared office. CIE 2013. OP19 N. WANG, M. BOUBEKRI, 2011. Design recommendations based on cognitive, mood and preference assessments in a sunlit workspace. Lighting Res. Technol., 43(1), 55-72. M.G. FIGUEIRO, J.D. BULLOUGH, M. REA, 2004. Spectral sensitivity of thè circadian system. Lighting research center. J.M. WOUT, 2006. Non-visual biological effect of lighting and thè practical meaning for lighting for work. Applied ergonomics. 37 (2006) 461-466 A.R. WEBB, 2006. Considerations for lighting in thè built environment: Non-visual effects of light. Energy and Buildings. 38 (2006) 721-727 N. WANG, M. BOUBEKRI, 2011. Design recommendations based on cognitive, mood and preference assessments in a sunlit workspace. Lighting Research and Technology 2011 43: 55 M.G. FIGUEIRO, M.S. REA, 2010. Lack of short-wavelength light during thè school day delays dim light melatonin onset (DLMO) in middle school students. Neuroendocrinology Letters. Vol. 31 No. 1 2010 Fotobiologia FARINI, 2012. Occhio specchio dell'anima: il sistema visivo umano visto dalla fisica. Il Nuovo Saggiatore. 28(3-4): 35-44 D. BERSON, 2003. Strange vision: ganglion cells as circadian photoreceptors. TRENDS in Neuroscience. Vol.26 No.6 June 2003 p.314-320 G. LALL, V. REVELL, et al., 2010. Distinct Contributions of Rod, Cone and Melanopsin Photoreceptors to Encoding Irradiance. Neuron. 66(3): 417-428 J. BASS, 2012. Circadian topology of metabolism. Nature, n.348 vol.491 15/11/2012 D.W. RIMMER, D.B. BOIVIN, T.L. SHANAHAN, R.E. KRONAUER, J.F. DUFFY, C.A. CZEISLER, 2000. Dynamic resetting of thè human circadian pacemaker by intermittent bright light. Am J Physiol Regulatory Integrative Comp Physiol. 279: R1574-R157 A.M. CHANG, N. SANTHI, M. ST HILAIRE, C. GRONFIER, D.S. BRADSTREET, J. DUFFY, S.W. LOCKLEY, R.E. KRONAUER, C.A. CZEISLER, 2012. Human responses to bright light of different durations. J Physiol 590.13 (2012) pp 3103-3112 M.A. St. Hilaire, J.J. Gooley, S.B.S. Khalsa, R.E. Kronauer, C.A. Czeisler, S.W. Lockley, 2013. Human Phase Response Curve (PRC) to a 1-hour pulse of bright white light. J Physiol Aspetti sanitari E.L. HAUS, M.H. SMOLENSKY, 2013. Shift work and cancer risk: Potential mechanistic roles of circadian disruption, light at night, and sleep deprivation. Sleep medicine reviews. 17 (2013) 273-284 Light & Care 2010. Symposium proceedings. Eindhoven J.A. HORNE, 0. ÒSTBERG, 1976. A Self-Assessment Questionnaire to determine Morningness-Eveningness in Human Circadian Rhythms. International Journal of Chronobiology. 4, 97-110 M.G. FIGUEIRO, B. WOOD, B. PLITNICK, M.S. REA, 2011. The impact of light from computer monitors on melatonin levels in college students. Neuroendocrinology Letters. Vol. 32 No. 2 2011 Ricerca G.C. BRAINARD, J.P. HANIFIN, J.M. GREESON, B. BYRNE, G. GUCKMAN, E. GERNER, M.D. ROLLAG, 2001. Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor. Journal of Neuroscience. 21: 6405-6412 K. THAPAN, J. ARENDT, DJ. SKENE, 2001. An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. Journal of Physiology. 535: 261-267 C. ISHII, E. MOCHIZUKI, 2013. Combined effects on sleeping quality of lighting environment in thè daytime and that in thè night time. CIE 2013. PP152 L. BELLIA, A. PEDACE,G. BARBATO, 2013. Effetti visivi e non visivi della luce naturale e artificiale. Luce. 304 (2013) H. NOGUCHI et al., 2013. Eco-friendly color tunable led office lighting incorporating circadian physiology. CIE 2013. PP145 Illuminazione circadiana M.S. REA, M.G. FIGUEIRO, A.BIERMAN, J.D. BULLOUGH, 2010. Circadian light. Journal of Circadian Rhythms. 8:2 M.S. REA, M.G. FIGUEIRO, A.BIERMAN, R. HAMNER, 2011. Modeling thè sensitivity of thè human circadian system. Lighting Research and Technology. 0:1-12 GALL, DIERICH; BIESKE, KARIN, 2004. Definition and measurement of circadian radiometrie quantities. Ilmenau: Technische Universitat Ilmenau DIN, 2009. Standard DIN V 5031-100:2009. Optical radiation physics and illuminating engineering - Part 100: Non-visual effects of ocular light on human beings - Quantities, symbols and action spectra. Beuth Verlag, Berlin D. LANG, A. W0JTYS1AK, 2013. Melanopic assessments of light - standardization activities. CIE 2013. PP156 L. BELLIA, F. BISEGNA, G. SPADA, 2011. Lighting in indoor environments: Visual and non-visual effects of light sources with different spectral power distributions. Building and Environment. 46 (2011) L. BELLIA, F. BISEGNA, 2013. From radiometry to circadian photometry: A theoretical approach. Building and Environment. 62 (2013) M.G. FIGUEIRO, J.D. BULLOUGH, R. PARSONS, M.S. REA, 2005. Preliminary evidence for a change in spectral sensitivity of thè circadian system at night. Journal of Circadian Rhythms 2005, 3:14 Progettazione illuminotecnica G. FORCOLINI, 2008. Lighting. 4° ed. Milano: Hoepli UNI, 2011. Normativa UNI EN 12464-2:2011. Luce e illuminazione - Illuminazione dei posti di lavoro - Parte 1: Posti di lavoro in interni

Modifica (riservato agli operatori)