Validazione della Simulazione dell'Illuminazione Artificiale in CODYRUN: Applicazione ai Casi Test CIE

Indice dei Contenuti

1. Introduzione

Questo articolo presenta uno studio di validazione delle capacità di simulazione dell'illuminazione artificiale all'interno del software CODYRUN, uno strumento computazionale per la simulazione termica e aerodinamica negli edifici sviluppato dal Laboratorio di Fisica e Sistemi dell'Edificio (L.P.B.S). Lo studio è stato avviato per valutare l'affidabilità del software nella simulazione di questo specifico fenomeno fisico, con l'obiettivo di identificarne i limiti e il potenziale di miglioramento. La validazione utilizza i casi test (in particolare gli scenari 1 e 3) sviluppati dal Task-3 TC-33 della Commissione Internazionale per l'Illuminazione (CIE), che fornisce procedure standardizzate per la valutazione del software di simulazione dell'illuminazione.

2. Nuovo Modello Semplificato per il Calcolo dell'Illuminazione Interna

Per determinare quantitativamente l'illuminazione interna, CODYRUN integra diversi modelli combinati che tengono conto sia delle componenti di luce artificiale diretta che diffusa. Il nuovo modello semplificato introdotto è concettualmente simile a quelli utilizzati in software di progettazione illuminotecnica consolidati come DIALux e CALCULUX.

2.1 Ipotesi della Simulazione in CODYRUN

Il modello opera sotto diverse ipotesi chiave: la diffusione della luce è considerata Lambertiana (uniforme in tutte le direzioni); gli apparecchi illuminanti sono caratterizzati da dati fotometrici forniti dal produttore e ridotti a una sorgente puntiforme nel loro baricentro; e non vi è alcuna ostruzione tra la sorgente luminosa e il punto illuminato sul piano di lavoro.

2.2 Parte Diretta dell'Illuminazione (dalla Sorgente Luminosa Artificiale)

L'illuminamento diretto in un punto sul piano di lavoro viene calcolato in base alla morfologia della sorgente e all'angolo solido sotteso dal punto illuminato rispetto alla sorgente. La Figura 1 illustra questo concetto, mostrando la propagazione della luce da una sorgente montata a soffitto a un punto sul piano di lavoro.

2.3 Parte Diffusa dell'Illuminazione (dalle Inter-riflessioni Interne)

La componente diffusa deriva dalle inter-riflessioni della luce diretta sulle superfici interne della stanza (pareti, soffitto, pavimento). Questa componente dipende dalla riflettività (colore) di queste superfici. Il modello di CODYRUN la calcola ponderando l'illuminamento diretto per il coefficiente di riflessione medio delle pareti interne, come illustrato nella Figura 2.

3. Insight Principale: Prospettiva dell'Analista

Insight Principale: Questo lavoro rappresenta un approccio pragmatico e orientato all'ingegneria per la validazione, che privilegia l'efficienza computazionale e l'integrazione in una piattaforma multi-fisica esistente (CODYRUN) rispetto alla ricerca della massima accuratezza fisica possibile. La scelta di un modello semplificato e semi-dettagliato rispetto a metodi più rigorosi come il Radiosity o il Ray Tracing è un compromesso strategico.

Flusso Logico: La logica dell'articolo è lineare e difendibile: 1) Identificare una lacuna (mancanza di un modulo di illuminazione validato in un simulatore termico). 2) Adottare/sviluppare un modello computazionalmente leggero adatto all'integrazione. 3) Validarlo rispetto a un benchmark di settore standard (casi test CIE). Questo è un classico flusso di lavoro di Verifica e Validazione (V&V) del software, simile alle metodologie discusse nello standard ASHRAE 140 o nelle procedure BESTEST per la simulazione energetica degli edifici.

Punti di Forza e Debolezze: Il principale punto di forza è l'integrazione stessa. Combinare l'illuminazione con la simulazione termica e del flusso d'aria è cruciale per un'analisi olistica delle prestazioni dell'edificio, influenzando il consumo energetico per illuminazione e raffrescamento. L'uso dei benchmark CIE aggiunge credibilità. La principale debolezza, che gli autori riconoscono definendo il modello "semplificato", è la significativa semplificazione della fisica. Ridurre apparecchi complessi a sorgenti puntiformi e utilizzare un metodo della media ponderata per le inter-riflessioni (simile a un'approssimazione grezza dei fattori di forma) introdurrà inevitabilmente errori in spazi complessi, non diffusi o ostruiti. Ciò contrasta nettamente con le tecniche di rendering ad alta fedeltà e basate sulla fisica utilizzate nella ricerca di computer grafica, come quelle basate sulla fondamentale Rendering Equation di Kajiya.

Insight Pratici: Per i professionisti, questo strumento è prezioso per studi di progettazione comparativa nelle fasi iniziali, dove la velocità è fondamentale. Tuttavia, per la conformità del progetto illuminotecnico finale o per analisi dettagliate del comfort visivo, rimane essenziale un software dedicato all'illuminazione (ad esempio, strumenti basati su Radiance). La strada futura è chiara: il modello serve come una buona base. Il passo successivo dovrebbe essere un approccio a livelli: utilizzare il modello semplice per iterazioni rapide e attivare calcoli più accurati di Radiosity o photon mapping (come quelli nella suite open-source Radiance) per viste critiche o la validazione finale, creando un ambiente di simulazione ibrido a multi-fedeltà.

4. Dettagli Tecnici e Formulazione Matematica

Il calcolo principale, come implicato dall'articolo, prevede la somma delle componenti diretta e diffusa. L'illuminamento diretto $E_{direct}$ in un punto è governato dalla legge dell'inverso del quadrato della distanza e dal coseno dell'angolo di incidenza, derivato dall'intensità luminosa della sorgente $I(\theta)$ fornita dal suo file fotometrico:

$E_{direct} = \frac{I(\theta) \cdot \cos(\alpha)}{d^2}$

dove $d$ è la distanza dal punto sorgente al punto illuminato e $\alpha$ è l'angolo tra la direzione della luce e la normale alla superficie.

L'illuminamento diffuso $E_{diffuse}$ è approssimato come una funzione della componente diretta e delle riflettanze delle superfici della stanza. Un metodo semplificato comune (suggerito da "ponderazione") utilizza una riflettanza media $\rho_{avg}$ e un fattore di inter-riflessione, spesso derivato dal "metodo dei lumen" o da semplici approssimazioni dei fattori di forma:

$E_{diffuse} \approx E_{direct} \cdot \frac{\rho_{avg}}{1 - \rho_{avg}}$ (o una formulazione simile che tiene conto della geometria della stanza).

L'illuminamento totale $E_{total}$ è quindi: $E_{total} = E_{direct} + E_{diffuse}$.

5. Risultati Sperimentali e Descrizione dei Grafici

L'articolo applica i casi test CIE (Scenari 1 e 3 del TC-3-33) a CODYRUN. Sebbene i risultati numerici specifici non siano dettagliati nell'estratto fornito, lo scopo di tali casi test è tipicamente confrontare i valori di illuminamento calcolati dal software in punti griglia specificati con valori di riferimento o risultati di altri software validati.

Figura 1: Sorgente Luminosa Diretta – Questo schema rappresenta una sezione trasversale semplificata di una stanza. Una sorgente luminosa puntiforme è mostrata sul soffitto. Una linea retta (raggio) collega questa sorgente a un punto specifico sul piano di lavoro orizzontale (ad esempio, una scrivania). Viene indicato l'angolo di incidenza. Questa figura definisce visivamente le variabili (distanza, angolo) utilizzate nel calcolo dell'illuminamento diretto.

Figura 2: Luce Diffusa – Questo diagramma illustra il concetto di inter-riflessione. Probabilmente mostra la stessa stanza, ma ora con diverse frecce che rimbalzano tra pareti, soffitto e pavimento prima di raggiungere infine il punto sul piano di lavoro. Questo rappresenta la componente diffusa che non proviene direttamente dalla sorgente ma dalle riflessioni, sottolineando la sua dipendenza dai colori delle superfici (riflettività).

6. Quadro di Analisi: Caso Esempio

Scenario: Valutare le prestazioni illuminotecniche e l'impatto associato sul carico di raffrescamento derivante dalla sostituzione di plafoniere fluorescenti con pannelli LED in un ufficio standard di 5m x 5m x 3m.

Applicazione del Quadro utilizzando il Modello di CODYRUN:

1. Definizione degli Input: Creare due varianti del modello in CODYRUN. Variante A: Utilizzare i dati fotometrici (file IES/LDT) per l'apparecchio fluorescente esistente. Variante B: Utilizzare i dati fotometrici per il pannello LED proposto. Definire la stessa altezza del piano di lavoro (0,75m) e la griglia dei punti di calcolo.
2. Esecuzione della Simulazione: Eseguire la simulazione dell'illuminazione per entrambe le varianti. Il modello semplificato calcolerà $E_{total}$ in ogni punto della griglia. Contemporaneamente, il motore termico di CODYRUN calcolerà il guadagno di calore dei sistemi di illuminazione (in base alla loro potenza e frazione radiante).
3. Analisi:
   • Metriche di Illuminazione: Confrontare l'illuminamento medio, il rapporto di uniformità (min/avg) e la conformità a standard come la EN 12464-1.
   • Impatto Energetico: Confrontare la densità di potenza illuminotecnica (LPD).
   • Impatto Termico: Analizzare la differenza nel carico di raffrescamento sensibile dovuta al cambiamento del guadagno di calore dell'illuminazione.
4. Controllo di Validazione: Per punti critici (ad esempio, sotto una finestra, in un angolo), verificare spot i valori di illuminamento rispetto a un calcolo rapido utilizzando DIALux o una formula manuale per valutare l'errore introdotto dalla semplificazione.

Questa analisi integrata, seppur approssimativa, fornisce una valutazione rapida e co-simulata degli effetti multi-dominio della modifica progettuale.

7. Prospettive di Applicazione e Direzioni Future

L'integrazione della simulazione dell'illuminazione in strumenti di prestazione dell'edificio globale come CODYRUN apre diverse strade future:

• Controllo Ibrido Illuminazione Naturale e Artificiale: Il prossimo passo logico è integrare un modello di illuminazione naturale validato (ad esempio, basato sul modello di cielo di Perez). Ciò consentirebbe la simulazione di strategie di controllo dinamico per le luci elettriche in base alla luce naturale disponibile, cruciale per prevedere i risparmi energetici reali.
• Comfort Visivo ed Effetti Non Visivi: Andare oltre il semplice illuminamento per prevedere metriche come la Probabilità di Abbagliamento Diurno (DGP), l'Indice di Abbagliamento Unificato (UGR) e lo stimolo circadiano. Ciò si allinea con la crescente attenzione alla salute e al benessere negli edifici, come si vede nello standard WELL Building.
• Scalabilità della Fedeltà del Modello: Sviluppare un framework di simulazione adattivo in cui il livello di dettaglio del modello di illuminazione si adatta in base alla fase di analisi: modelli semplici per l'esplorazione parametrica e attivazione automatizzata di simulazioni Radiance ad alta fedeltà per la validazione del progetto finale.
• Integrazione con BIM e Controllo in Tempo Reale: Utilizzare il nucleo di simulazione per informare i sistemi di gestione degli edifici (BMS) in tempo reale o per generare dati per addestrare modelli di machine learning per il controllo predittivo dell'illuminazione.

8. Riferimenti

1. Software CODYRUN. Laboratorio di Fisica e Sistemi dell'Edificio (L.P.B.S).
2. CIE. (Anno). Casi Test per la Valutazione del Software di Illuminazione. Commissione Internazionale per l'Illuminazione, Comitato Tecnico TC-3-33.
3. Reinhart, C. F. (2014). Daylighting Handbook I & II. Building Technology Press.
4. Kajiya, J. T. (1986). The Rendering Equation. ACM SIGGRAPH Computer Graphics, 20(4), 143–150.
5. DIALux. DIAL GmbH.
6. CALCULUX. Philips Lighting (Signify).
7. ASHRAE. (2019). Standard 140-2017, Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs.
8. Ward, G. J. (1994). The RADIANCE lighting simulation and rendering system. Proceedings of the 21st Annual Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques (SIGGRAPH '94), 459–472.