Conforto Ambiental: Iluminação Fernando O. Ruttkay Pereira, PhD Professor do Departamento de Arquitetura e Urbanismo Universidade Federal de Santa Catarina

O ser humano e o seu entorno imediato Conforto Visual pode ser interpretado como uma recepção clara das mensagens visuais de um ambiente luminoso

  Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Iluminação inadequada Fadiga Visual Desconforto Dor de Cabeça Ofuscamento Redução da Eficiência Visual Acidentes Boa Iluminação Aumenta a produtividade Gera um ambiente agradável Salva vidas Responsabilidade: Projetistas Administradores Autoridades

Funções biológicas humanas com ritmos circadianos Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Influências psico-fisiológicas da luz sobre o organismo humano Funções biológicas humanas com ritmos circadianos CIE. TC 6-11 (CIE, 2003)

Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Resposta visual relativa e supressão de Melatonina relativa em função da iluminância ao nível do olho (Lighting Research Center)

Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Eficácia luminosa Fotópica, Scotópica e de supressão de Melatonina (Lighting Research Center)

Por que estudar a ILUMINAÇÃO nos ambientes? Para emocionar....

Teoria Corpuscular LUZ – A base física Princípios: Corpos luminosos emitem energia radiante em partículas; Estas partículas são lançadas intermitentemente em linha reta; As partículas atingem a retina e estimulam uma resposta que produz uma sensação visual. Newton (1642-1727)

Teoria das Ondas LUZ – A base física Princípios: A luz era resultante da vibração molecular de materiais luminosos; Esta vibração era transmitida através de uma substância invisível e sem peso que existia no ar e no espaço, denominada “éter luminífero”; As vibrações transmitidas atuam na retina, simulando uma resposta que produz uma sensação visual. Cristiaan Huygens (1629-1695)

James Clerk Maxwell (1831-1879) LUZ – A base física Teoria Eletromagnética Princípios: Os corpos luminosos emitem luz na forma de energia radiante; A energia radiante se propaga na forma de ondas eletromagnéticas; As ondas eletromagnéticas atingem a retina, estimulando a uma resposta que produz uma sensação visual. James Clerk Maxwell (1831-1879)

Teoria Quântica LUZ – A base física “ A energia na radiação não é contínua, mas dividida em minúsculos pacotes, ou quanta. ” Max Planck (1858-1947) Princípio: energia é emitida e absorvida em quantum, ou fóton.

Espectro Eletromagnético LUZ – A base física

LUZ – A base física

FOTOMETRIA LUZ – A base física “área da óptica que trata da medição da energia radiante, avaliada de acordo com seu efeito visual e relacionada somente com a parte visível do espectro” Balanço de energia nos processos de emissão, propagação e absorção da radiação; A quantidade de radiação pode ser avaliada em unidades de energia ou no seu efeito sobre o receptor: O olho humano;  unidades fotométricas A película fotográfica;  unidades fotográficas A pele humana;  unidades eritêmicas Pierre Bouguer (1698 –1758)  Elaborou a teoria fotométrica; J.H. Lambert (1728 –1777)  Formulou matematicamente; Esquecida até a invenção da lâmpada (meados do século XIX).

Grandezas Fotométricas

Grandezas Fotométricas Fluxo Radiante (watt [W]) “ é a potência da radiação eletromagnética emitida ou recebida por um corpo ” O fluxo radiante contem frações visíveis e invisíveis.

Grandezas Fotométricas Fluxo luminoso - F ( lumen [lm] ) “ é a parcela do fluxo radiante que gera uma resposta visual ”

Grandezas Fotométricas Eficiência luminosa ( [lm/W] ) “ é a capacidade da fonte em converter potência em luz” 1 W 0,3 lm 25,9 lm 220 lm 683 lm 430 lm 73 lm 2,8 lm

Fonte Fluxo luminoso Eficiência luminosa Grandezas Fotométricas Eficiência luminosa ( [lm/W] ) Fonte Fluxo luminoso Eficiência luminosa Incandescente 100 W 1.350 lm 13,5 lm/W Fluor. compacta 23 W 1.400 lm 61 lm/W Fluor. TL5 28 W 2.900 lm 103 lm/W HID 250 W 19.000 lm 76 lm/W Sódio 150 W 16.000 lm 107 lm/W Luz natural ------ 100 – 140 lm/W

Grandezas Fotométricas Intensidade luminosa ( candela [cd] ou [lm/sr] ) “ é a propagação da luz em uma dada direção dentro de um ângulo sólido unitário ” Ângulo Sólido ( [sr] ) “ é o ângulo espacial que tem seu vértice no centro da esfera, cuja a área superficial é igual ao quadrado de seu raio ” 1 esterradiano

Grandezas Fotométricas Iluminância ( lumen/m2 ou lux [lx] ) “ é a medida da quantidade de luz incidente numa superfície por unidade de área ” Valores típicos A 1m de uma vela 1 lux Numa mesa de escritório 500 lux No exterior sob céu encoberto 10.000 lux No sol no verão 100.000 lux

Representação de Iluminâncias: mapas Isolux

é a resposta visual desse estímulo Grandezas Fotométricas Luminância ( [cd/m2] ) “ é uma medida física de brilho de uma superfície, sendo através dela que os seres humanos enxergam ” Luminância é uma excitação visual Brilho é a resposta visual desse estímulo Superfície Difusa

Grandezas Fotométricas Valores de luminâncias de algumas fontes Limite inferior  0,000001 cd/m2 Limite superior  1.000.000 cd/m2 Ofuscamento  25.000 cd/m2

Representação de Luminâncias Luminancímetro Foto com lente “olho-de-peixe”

Grandezas Fotométricas

Grandezas Fotométricas Tôdas as grandezas são produtos de área ou ângulo sólido Excitância luminosa (M) M = r x E M = t x E p/ superfícies perfeitamente difusoras M = p x L

ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO Grandezas Fotométricas ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO A taxa vetor iluminação/iluminação escalar é um parâmetro utilizado para estimar a direcionalidade da luz e suas qualidades de modelação de objetos.

ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO Grandezas Fotométricas ESCALAR E VETOR ILUMINAÇÃO E1 E2 direção do vetor DEMÁX = E1 – E2 0 ambiente totalmente uniforme, sem sombras varia entre 4 ambiente de iluminação monodirecional

Leis fundamentais da iluminação Lei do inverso do quadrado da distância Lei do cosseno Lei da Aditividade

å ) cos . ( = D A L E q v Leis fundamentais da iluminação Iluminação produzida por fonte superficial ) cos . ( 2 å = D A L E fonte P q v ângulo sólido

MODELO ANALÍTICO PARA O FENÔMENO DA ILUMINAÇÃO NATURAL 1 ângulo sólido

ρ + α + τ = 1 Propriedades óticas dos materiais Refletância Absortância Transmitância ρ + α + τ = 1

Propriedades óticas dos materiais

Mecanismos de controle da luz - Reflexão - Refração 1 2 1 2 (a) especular (b) difusa (c) semi - Transmissão (a) especular (b) difusa (c) semi

LUZ Propriedades óticas dos envidraçados

LUZ Propriedades óticas dos envidraçados vista lateral planta

LUZ Propriedades óticas dos envidraçados

Benefícios do uso da cor “O uso adequado da cor ajuda na captura da antenção das pessoas, pode enfatizar e organizar as informações visuais, produzindo: interesse visual; valorização estética e decorativa; aumento de produtividade; redução do índice de acidentes.”

COR Imitar a realidade (aparência verdadeira) grama roxa?? grama é verde!!

COR Imitar a realidade (aparência verdadeira)

COR Organizar e enfatizar as informações

COR Organizar e enfatizar as informações

Contrastes Cromáticos e de Brilho COR Contrastes Cromáticos e de Brilho Contraste Cromático Contraste de Brilho Alto Baixo Alto Baixo

CLASSIFICAÇÃO DAS CORES Percepção das cores Cor luz (luz branca) Cor pigmento

CLASSIFICAÇÃO DAS CORES Mistura Aditiva (cor luz) Mistura Subtrativa (cor pigmento)

Reproducibilidade CLASSIFICAÇÃO DAS CORES RGB Red, Green & Blue CMYK Cian, Magenta, Yellow & Black Reproducibilidade Método de Munsell Atributos: - Croma - Saturação - Valor (brilho)

CLASSIFICAÇÃO DAS CORES Refletância das Cores

CLASSIFICAÇÃO DAS CORES Modelo Espaço L*a*b (CIELAB)

CLASSIFICAÇÃO DAS CORES maçã Comparação entre as medições de croma limão

Valores dos Tristímulos Percepção das Cores “Os daltônicos tem cones defeituosos” ” Valores dos Tristímulos Qual é a cor da capa? Curva de sensibilidade do olho humano

Lâmpada incandescente Lâmpada vapor de mercúrio Reprodução de Cor Índice de Reprodução de Cor - IRC IRC = 100% IRC = 60 - 90% Luz natural Lâmpada incandescente IRC = 30 - 60% IRC = 30 - 60% Lâmpada fluorescente Lâmpada vapor de mercúrio

Reprodução de Cor Temperatura de Cor [K] Aparência de Cor

Reprodução de Cor Iluminância X Aparência de Cor

Temperatura de Cor Iluminância X Aparência de Cor

COR Produção de Efeitos Usar cores próximas no modelo de cor HARMONIA DRAMATICIDADE Usar cores próximas no modelo de cor Usar cores de alto contraste de luminosidade Usar a mesma cor e variar o brilho Usar cores de alto contraste cromático (cores complementares ou opostas na "roda das cores" Usar a mesma cor e variar a saturação   Usar cores encontradas na natureza Usar cores de maior comprimento de onda (vermelho, amarelo, laranja) Não usar bordas de limite ou separação Usar bordas de limite ou separação Produção de Efeitos

Aproveitamento efetivo da luz Luz, visão e comportamento Comportamento fotométrico do conjunto lâmpada + luminária (iluminâncias e luminâncias) Geometria do ambiente interno e propriedades óticas dos materiais Extrato físico fenômeno físico da luz Níveis de Iluminância no interior Aparência visual (percepção) Nível de adaptação visual Usuário Extrato fisiológico Contraste de brilho Atitude COMPORTAMENTO Visão Extrato psicosocial Aproveitamento efetivo da luz

Acomodação Adaptação Visão formato do cristalino; Área parafoveal (bastonetes) pálpebra abertura córnea íris pupila Área foveal (cones) lente filme diafragma Área parafoveal (bastonetes) Acomodação formato do cristalino; abertura da pupila controlada pela retina. foco distância lente – filme; abertura da lente controlada fotômetro. Adaptação

Campo visual sobrancelhas visão foveal nariz e bochechas

Visão CÂMERA Vê e registra a cena OLHO Vê e o cérebro percebe e interpreta a cena: Memória Experiência Capacidade intelectual Tendência à complementação

Visão

Visão

Visão Contraste simultâneo

Visão

Visão

Visão

Visão

Adaptação Adaptação ao “brilho” É a característica dominante da visão humana “processo pelo qual os olhos se ajustam às condições de iluminação variáveis” Resposta neural rápida; Resposta média através da pupila; Resposta lenta pela produção/remoção de substâncias fotoquímicas na retina Faixa de adaptação; Velocidade de adaptação.

Contraste Luz Tempo Tamanho Desempenho da Tarefa Visual Os “4” suficientes Tempo Tamanho

ILUMINÂNCIA NBR 5413 2000 lux

LEVANTAMENTO DAS ILUMINÂNCIAS Malha de pontos

ANÁLISE DAS ILUMINÂNCIAS Zoneamento de Iluminâncias

CONTRASTE Diferença entre a luminância (brilho) de um objeto e a luminância do entorno imediato deste objeto.

TAMANHO Acuidade visual d D

OFUSCAMENTO Quando o processo de adaptação não transcorre normalmente devido a uma variação muito grande da iluminação, pode haver uma perturbação, desconforto ou perda de visibilidade.

OFUSCAMENTO Tipo INABILITADOR, ou seja,impede a visão!! Pode ocorrer por... contraste saturação

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO Luminância de “Véu” Eo - iluminância da fonte de ofuscamento no plano da pupila; q - ângulo entre a direção da visão e a fonte;

OFUSCAMENTO Tipo PERTURBADOR ou DESCONFORTÁVEL, ou seja, não impede a visão mas coloca o sistema visual em esforço contínuo de ajuste (stress) Pode ser caracterizado em função de 4 parâmetros... 1) Luminância da fonte; 2) Luminância do fundo; 3) Tamanho aparente fonte/fundo; 4) Direção de visão do observador;

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO A maioria dos índices de baseia-se na Constante G Ls - luminância da fonte; Lb - luminância do fundo; s - tamanho aparente da fonte; f() - função de posição (P) que representa a influência da direção de visão do observador; e, f, g - coeficientes

CONTROLE DE OFUSCAMENTO Método Europeu (Söllner) para controle de ofuscamento direto provocado pelo sistema de iluminação artificial

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO Os índices mais usados foram obtidos para fontes artificiais (pequenas dimensões): BRS ou BGI (1950); Cornell equation GI/DGI (1972); CIE Glare Index (1979); VCP: Visual Comfort Probability (IES,1972);

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO - UGR: Unified Glare Rating (ISO/CIE1992)

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO   GI = 11,5 (< 21) GI = 27,5 (> 21)

Ângulo do nadir (graus) ÍNDICES DE OFUSCAMENTO Parece haver consenso nos estudos já realizados de que não deve haver desconforto por ofuscamento caso: - VCP seja maior que 70; - luminâncias máximas não excedam os valores: Ângulo do nadir (graus) Luminância (cd/m2) 45 55 65 75 85 7710 5500 3860 2570 1695

ÍNDICES DE OFUSCAMENTO 70

PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE OFUSCAMENTO A proposta mais recente (Energy & Buildings, 38 (2006), 743-757): DGP – Daylighting Glare Probability

DGP PROBABILIDADE DE OCORRÊNCIA DE OFUSCAMENTO Persianas horizontaisbrancas DGP Persianas verticais Persianas horizontaisespelhadas

ADAPTAÇÃO DA VISÃO

ADAPTAÇÃO DA VISÃO

ADAPTAÇÃO DA VISÃO

Aproveitamento efetivo da luz Luz, visão e comportamento Comportamento fotométrico do conjunto lâmpada + luminária (iluminâncias e luminâncias) Geometria do ambiente interno e propriedades óticas dos materiais Extrato físico fenômeno físico da luz Níveis de Iluminância no interior Aparência visual (percepção) Nível de adaptação visual Usuário Extrato fisiológico Contraste de brilho Atitude COMPORTAMENTO Visão Extrato psicosocial Aproveitamento efetivo da luz

Instalações auxiliares Escolha do equipamento Projeto de Iluminação Desempenho Custo ? Lâmpadas Luminárias Instalações auxiliares Escolha do equipamento

Classificação das lâmpadas LED

Lâmpadas Incandescentes A iluminação incandescente resulta do aquecimento de um filamento até um valor capaz de produzir irradiação na porção visível do espectro. O aquecimento se dá pela passagem da corrente elétrica pelo filamento que está dentro de um bulbo onde existe vácuo ou um meio gasoso apropriado (argônio e nitrogênio e em alguns casos criptônio). Este filamento deve possuir um elevado ponto de fusão, baixa pressão de vapor, alta resistência e ductibilidade (Tungstênio). Incandescentes comuns Incandescentes refletoras

Incandescentes Halógenas Desvantagens Vantagens

Lâmpadas de descarga gasosa “Estas lâmpadas não possuem filamento, a luz é produzida pela excitação de um gás (pela passagem da corrente elétrica) contido entre dois eletrodos. Esta excitação do gás contido no tubo de descarga produz radiação ultravioleta que, ao atingir a superfície interna do tubo, revestida por substâncias fluorescentes (geralmente cristais de fósforo), é transformada em luz (radiação visível).” Dispositivos Auxiliares Efeito estroboscópico Controlado pelos reatores eletrônicos

Lâmpadas fluorescentes Vantagens Desvantagens

Lâmpadas a Vapor Mercúrio Desvantagens Vantagens

Lâmpadas a Vapor de Sódio Desvantagens Vantagens

Lâmpadas a Vapor Metálico Características

Lâmpadas a Microondas Eficiência luminosa atinge 110 lm/W Durabilidade de 10.000h Espectro semelhante ao da luz do Sol

Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode São semicondutores em estado sólido que convertem energia elétrica diretamente em luz. O primeiro LED que se tem notícia foi produzido em 1907 e observado como um fenômeno de eletroluminescência, quando um cristal de SIC (carborundum) emitiu uma luz amarelada ao ser aplicada uma pequena corrente elétrica. Na década de 60 – 70 diversas empresas foram pioneiras em usar LED’s vermelhos, baseados na tecnologia GaArP (Gálio, Arsênio e Fósforo). Só em 1993, a empresa NICHIA, inventou o LED azul, que abriu caminho para o LED branco, o grande marco na indústria da iluminação.

Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode LED indicador tradicional LED de potência

Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode

Lâmpadas tipo LED Ótica Secundária Light Emiting Diode Refletores Lentes + eficientes menores dimensões

Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode

CUSTO Lâmpadas tipo LED Light Emiting Diode Vantagens Desvantagens Vida útil ~ 50.000 h Eficiência luminosa só maior que incandescentes Ausência de radiação UV (250 – 380 nm) e IV (> 780 nm) Acionamento instantâneo Cores saturadas, não há necessidade de filtros de cor Baixa tensão de operação Alto índice de reprodução de cor (ICR = 85% a 90%, para LED Branco com TC = 3000K, com fluxo mais baixo) componentes robustos Vantagens CUSTO Desvantagens

Gráfico comparativo de Eficácia Luminosa LED

Tabela comparativa L E D

Temperatura de Cor RGB Fósforo 7000 3000 70 90 LED  

Temperatura de Cor Iluminância X Aparência de Cor

Luminárias Luminária é toda aquela aparelhagem que serve para modificar (controlar, distribuir e filtrar) o fluxo luminoso emitido pelas lâmpadas: desviá-lo para certas direções (defletores) ou reduzir a quantidade de luz em certas direções para diminuir o ofuscamento (difusores). Requisitos básicos: Rendimento

Classificação das Luminárias Classificação de luminárias para iluminação geral de acordo com o direcionamento do fluxo luminoso proposta pela CIE

Encarte Fotométrico

Planejamento da Iluminação Um bom sistema de iluminação Iluminação natural complementada com luz artificial; Uso adequado de cores e criação dos contrastes; Proporcionar um ambiente confortável com pouca fadiga, monotonia e sem acidentes. Iluminação geral Distribuição regular das luminárias garantindo um nível de iluminamento uniforme sobre o plano de trabalho. Plano de trabalho

Planejamento da Iluminação Iluminação localizada Concentra maior nível de iluminação sobre a tarefa. A iluminação geral é em torno de 50% da iluminação sobre a tarefa. Iluminação combinada (geral + tarefa) A iluminação geral é complementada com focos de luz localizada. A luz complementar é de 3 a 10 vezes superior a iluminação geral. Este tipo de iluminação é recomendada: E > 1000 lux; A tarefa exige luz dirigida; Existência de obstáculos dificultando a propagação da iluminação geral

Iluminação Natural Iluminação Zenital (Iluminação de grandes áreas) Iluminação Lateral

Métodos de cálculo luminotécnico Método ponto-a-ponto

K ou Métodos de cálculo luminotécnico Método da Iluminância Média ou dos Lúmens Roteiro ( N ) ( e < 1,5 Hm ) Catálogo K ou OU

Tabela de Coeficiente de Utilização - TBS 050/M2 - 2 x T8 32W Métodos de cálculo luminotécnico Método da Iluminância Média ou dos Lúmens Tabela de Coeficiente de Utilização - TBS 050/M2 - 2 x T8 32W  Ex: IA ou K = 1,71 e refletâncias de teto = 70%, parede = 50% e piso = 20%

Métodos de cálculo luminotécnico Determinação de Perda Luminosa (PL) Com o tempo, paredes e tetos ficarão sujos. Os equipamentos de iluminação acumularão poeira. As lâmpadas fornecerão menor quantidade de luz. Alguns desses fatores poderão ser eliminados por meio de manutenção. Admitindo-se uma boa manutenção periódica, podemos adotar os fatores de depreciação ou perda luminosa de acordo com a tabela a seguir: