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Gabbini, Simone

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

Rel. Chiara Aghemo. Politecnico di Torino, Corso di laurea magistrale in Architettura costruzione citta', 2014

Questa è la versione più aggiornata di questo documento.

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.

Relatori: Chiara Aghemo
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 citta'
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:

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