Illuminotronica

29 settembre 2012 alle 4:01 pm | Pubblicato in Illuminotecnica | 1 commento
Etichette: Assodel, Classificazione energetica, Illuminotecnica, Illuminotronica, LED, Oxytech, Risparmio energetico

o so, il nome non è bellissimo, ma vorrebbe essere la crasi fra “illuminotecnica” ed “elettronica”.
Chi si occupa di illuminazione ormai – volente o nolente – sa che il futuro è rappresentato dalla tecnologia allo stato solido e quindi all’introduzione sempre maggiore di componenti elettroniche. Un buon illuminotecnico oggi non può più permettersi di essere all’oscuro di tutto ciò che riguarda l’elettronica ed in particolare la tecnologia LED.

Per questo motivo Assodel ha organizzato anche quest’anno un incontro per i professionisti del settore (ma anche semplici curiosi) a Padova dall’ 11 al 13 ottobre. Qui potete trovare maggiori informazioni riguardo al convegno.

www.illuminotronica.it

Ovviamente ci sarò anch’io, giovedì 11 ottobre, in veste ubiqua come relatore sul tema dell’influenza della luce sull’uomo (nello spazio Arena dalle 14.15 circa) e correlatore per la presentazione dell’implementazione all’interno del nuovo software Litestar 4D di Oxytech del sistema di classificazione energetica Hera Luce (Convegno Street & Urban lighting dalle 15.20 circa).

Per quel che riguarda l’influenza della luce sull’uomo, parlerò (in maniera molto semplice e concisa) dello studio che sto svolgendo in questo momento e che riguarda l’influenza della luce artificiale notturna sull’uomo e sull’ambiente. La luce artificiale rappresenta un grande progresso della tecnica e ha consentito di migliorare notevolmente la nostra qualità della vita; non tutti sanno però che determinate caratteristiche della luce artificiale possono influire in maniera negativa sul nostro organismo e sull’ambiente, alterando ad esempio quello che è il nostro ritmo circadiano oppure trasformando completamente interi ecosistemi.
Negli anni scorsi si è parlato spesso di “inquinamento luminoso”, intendendo con questo termine solamente gli effetti dannosi sulla visione del cielo notturno. Oggi siamo ad un punto in cui diviene obbligatorio ampliare il significato di questo termine anche alla tutela dell’ambiente circostante.

Per quel che riguarda l’introduzione del sistema di classificazione energetica dell’illuminazione pubblica di Hera Luce all’interno del software Litestar 4D, sposso dirvi semplicemente che si tratta di una vera e propria rivoluzione nel mondo dell’illuminotecnica italiana. Non aggiungo altro, perché l’intenso lavoro fatto da Oxytech lascierà i fortunati partecipanti letteralmente a bocca aperta: mentre altri software concorrenti hanno cercato di virare verso il concetto di “user friendly” e quindi verso un concetto “amatoriale” dell’illuminotecnica (ovvero fare in modo che pure la zia Peppa si potesse fare il suo bel calcolino), qua invece parliamo di concretezza e strumenti realmente utili per chi fa illuminazione a livello professionale.

Volevo spendere ancora qualche parola riguardo Assodel e il Convegno Illuminotronica: al contrario di altri, non vi dirò di certo che il LED è la cosa più bella del mondo e la soluzione di tutti i nostri mali. Però è sicuramente la tecnologia del futuro e occorre fare chiarezza sulle caratteristiche, sui pregi e sui difetti di questa tecnologia. Assodel pubblica una bella rivista che parla di LED (che è molto più interessante e più strutturata di tante altre riviste del settore) e probabilmente il convegno di Padova rappresenta una delle poche occasioni in cui i tecnici del settore possono ritrovarsi e parlare di illuminotecnica.

Vi aspetto a Padova!

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

“Mi raccomando: questa volta cattivi, eh?”

Classificazione energetica al XLIV congresso UAI

11 settembre 2011 alle 6:01 pm | Pubblicato in Comunicazioni di servizio, Illuminotecnica | 13 commenti
Etichette: Classificazione energetica, Congresso UAI, Efficienza energetica, Illuminazione Pubblica, Illuminazione stradale, Illuminotecnica, LED

l XLIV congresso dell’ Unione Astrofili Italiani rappresenta rappresenta sicuramente il più importante appuntamento dell’astrofilia italiana. Oltre agli interventi dedicati all’astronomia, si parlerà anche di inquinamento luminoso.
Tutti coloro che si occpuano di illuminazione sanno bene quanto le leggi regionali sull’inquinamento luminoso incidano sulla progettazione illuminotecnica e di come a volte risultino troppo vincolanti. Allo stesso modo è abbastanza ovvio che ci siano professionisti del settore che hanno tentato negli anni passati (e lo fanno tuttora) di piegare quella che dovrebbe essere una normativa tecnica oggettiva ed imparziale al fine di favorire tecnologie di dubbia efficacia (si, mi sto proprio riferendo alla declassificazione con luce bianca fra le altre cose). Tutto questo ha portato ad un clima di odio feroce fra fazioni di “integralisti” e “leddisti” che di sicuro non fa assolutamente bene alla cultura della luce e tanto meno riesce a favorire lo sviluppo di tecnologie efficienti ed adatte ai compiti preposti.

In questo clima credo quindi sia utile ritornare al confronto serio e ponderato sulle questioni tecniche relative all’illuminazione di esterni e probabilmente la chiave di volta per risolvere l’empasse sta proprio nel cercare di stabilire criteri di progettazione e realizzazione di impianti il più possibile efficienti e rispettosi dell’ambiente.
Penso infatti che nessuno possa effettivamente dirsi contrario allo sviluppo di tecnologie sempre più verdi e meno impattanti e proprio a questo fine è nato il progetto di classificazione energetica di apparecchi ed impianti di pubblica illuminazione di cui già ho parlato in un precedente articolo. Se si passa da una logica di “divieto”, propria delle leggi regionali, ad una logica di “incentivo”, come può essere quella di una certificazione energetica, è possibile sicuramente rispettare i dettami delle leggi regionali senza per questo imporre direttive restringenti e a volte arbitrarie. Questo però significa che anche le norme illuminotecniche dovrebbero essenzialmente proporre criteri oggettivi di valutazione e non favorire alcune soluzioni piuttosto che altre.

Se siete quindi stanchi di ragionare in termini di norme e divieti e cercate un metodo che veramente consenta di scegliere la soluzione più efficiente nell’ambito dell’illuminazione tecnica per esterni, venite domenica 18 settembre a Senigallia al congresso UAI, al cui interno esporrò il nostro metodo di classificazione energetica degli impianti (che, tra l’altro, è stato sottoscritto dalla stessa UAI, a riprova di come uno strumento tecnico possa soddisfare sia le esigenze dei produttori che quelle degli altri soggetti coinvolti).

XLIV congresso UAI

Nel mentre, potete sintonizzarvi sulle frequenze di Radio 24 martedì 13 settembre alle ore 15,00 per capire come sia possibile coniugare i temi del risparmio energetico con quelli dell’inquinamento luminoso.

A breve inoltre ci saranno importanti novità riguardanti il nostro metodo di classificazione energetica degli impianti di pubblica illuminazione, di cui vi terrò costantemente aggiornati.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

“Mi raccomando: questa volta cattivi, eh?”

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Illuminazione stradale a LED – 3^ parte

30 marzo 2011 alle 11:36 am | Pubblicato in Editoriali, Illuminotecnica | 43 commenti
Etichette: Apparecchio a LED, Apparecchio di illuminazione, CIE 191:2010, Coefficiente di manutenzione, Declassificazione, DOE, Illuminazione, Illuminazione mesopica, Illuminazione Pubblica, Illuminazione stradale, Illuminotecnica, LED, Luce bianca, NLPIP, TCO, UNI 11248, Zhaga

Illuminazione stradale LED___________________________________________________________________________________________________________________________ A

ncora una volta torno a parlare dei LED. Magari direte che sono fissato.
Eppure ho sentito il bisogno di scrivere ancora perché ci sono tante novità riguardanti questa tecnologia e la sua applicazione sulle strade.
Ormai molti impianti di prova che hanno superato i 3 o 4 anni ed è quindi possibile valutare le aspettative di vita confrontandole con le varie problematiche emerse, come rotture ed inefficienze; inoltre, a partire da quest’anno, incominciano ad affacciarsi sul mercato prodotti che dimostrano un buono sviluppo tecnico ed elettronico e che danno ampio spazio a margini di miglioramento nella parte fotometrica.
Un’altra notizia è quella che – chissà come mai – delle migliaia di ditte che si sono affacciate sul mercato per presentare questi prodotti ne sono sopravissute poche e le poche rimaste sono costituite al 95% da chi l’illuminazione già la faceva da tempo.
Il tutto a dimostrare la tesi ormai consolidata che questa tecnologia è stata presentata sul mercato con almeno 3 anni di anticipo sulle sue reali possibilità e questo anticipo sta rischiando di bruciare l’espansione di questa tecnologia sul nascere.

1) Il consorzio Zhaga per la standardizzazione dei LED

Per molti di voi la standardizzazione degli apparecchi LED sembrerà l’ultimo dei problemi, ma quante volte avete lanciato contro la parete l’ennesimo carica-cellulare con una presa diversa dalla versione precedente dello stesso telefonino? Oppure avete inveito contro i produttori di pneumatici, quando siete venuti a sapere che la vostra versione di battistrada è quella più rara e per questo dovete pagare un treno di gomme 400 euro in più di tutti gli altri?
Ecco, moltiplicate il tutto per le centinaia di euro che servono per la manutenzione degli impianti di illuminazione e potete avere un’idea di quello che è il costo attuale della varietà pressoché infinita di apparecchi a LED sul mercato, pochissimi dei quali sono intercambiabili o comunque hanno parti comuni con altri.
Perchè possiamo incrociare le dita e sperare che tutto vada bene, ma nel malaugurato caso in cui ci sia la necessità di cambiare un apparecchio LED dopo qualche anno dall’acquisto saremmo proprio nei guai: nel migliore dei casi la ditta non produrrà più l’apparecchio con caratteristiche simili a quelli già installati (basti pensare ad esempio che una delle marche più note, la RUUD, è già alla terza generazione in meno di quattro anni, con la prima generazione già fuori commercio e completamente rivisitata); nel peggiore dei casi la ditta sarà scomparsa dal mercato (vedi la nota in apertura) e occorrerà mettere “una pezza” di qualche tipo per non dovere cambiare per intero tutto l’impianto.
E anchese se non dovessimo cambiare per intero l’apparecchio le difficoltà sono sempre tante: ad esempio non esiste una tipologia unica di alimentatore per moduli LED e quindi se questo si rompe (e si rompe, fidatevi) occorre rivolgersi alla ditta produttrice del corpo illuminante per avere il pezzo di ricambio, senza la possibilità di sostituirlo con prodotti similari; per non parlare dell’impossibilità di organizzare una scorta di magazzino, poiché ogni ditta utilizza un alimentatore diverso dall’altro e quindi, a meno che non si voglia illuminare un intero Comune tramite “monomarca”, occorrerebbe avere in scorta almeno un paio di alimentatori diversi per ogni tipologia di apparecchio installato.
Come potete ben immaginare, questo significa porre un macigno alle eventuali economie di mercato e legare in maniera vincolante gli acquirenti ai produttori (vi siete mai chiesti perché non esiste ancora una presa “universale” per telefonini?).

Per porre un freno a questa “moltiplicazione infinita” e avvicinare la tecnologia LED a quella che è la standardizzazione già presente sul mercato è stato creato il consorzio Zhaga, di cui fanno parte anche Acuity Brands Lighting, Cooper Lighting, OSRAM, Panasonic, Philips, Schréder, Toshiba, TRILUX, Zumtobel Group e che si occupa di fornire una standardizzazione per le interfacce dei cosiddetti “LED light engines”: in pratica il consorzio vuole mettere a punto una base comune definita da 5 interfacce (supporto, alimentazione, controllo, fotometria e dissipazione) standardizzate su cui poi potranno inserirsi i vari “motori” LED.

Le 5 interfacce proposte da Zhaga

Per lavoro verifico circa una decina di apparecchi a LED al mese e non sapete la fatica nel catalogare e confrontare le varie soluzioni: perché alcuni sono alimentati a 350mA, altri a 525mA, altri ad altre correnti e quindi hanno emissioni, temperature di funzionamento e curve di decadimento completamente diverse fra loro. Per non parlare della temperatura di colore, della capacità di dissipazione o delle perdite dovute poi all’alimentatore. Non esiste in pratica la possibilità di confrontare direttamente i prodotti fra di loro e l’unica soluzione è effettuare almeno un paio di calcoli illuminotencnici su strade tipo per vedere se l’apparecchio è buono oppure no (ma anche in questo caso la scelta è quanto mai variegata, perché non avendo la possibilità di regolazioni con slitta come gli apparecchi a scarica, ogni apparecchio LED va bene unicamente in determinate soluzioni ed è completamente inutile in altre, senza possibilità di avere l’elasticità necessaria a coprire le varie esigenze).

Il lavoro svolto dal consorzio Zhaga fa quindi ben sperare, non solo perché è partecipato da tutte le più grandi aziende del settore (e quindi ha un certo peso nelle decisioni riguardanti lo sviluppo dei prodotti di illuminazione), ma anche perchè – finalmente – non si avranno più prodotti a 3650K o 4215K, ma con temperature di colore standard, oppure moduli che emettono 5213lm e via discorrendo, ma emissioni scalate e univoche, e così via. Questo renderebbe sicuramente più facile la scelta del prodotto, ottimizzerebbe i costi di manutenzione e sostituzione e diminuirebbe notevolmente i costi di produzione e commercializzazione.

2) Manutenzione, luce bianca e tante bufale

Come si suol dire, prima o poi tutti i nodi vengono al pettine.
Quante volte ho richiamato l’attenzione sul mancato utilizzo dei corretti coefficienti di manutenzione nei calcoli illuminotecnici con apparecchi a LED oppure sull’uso errato e pericoloso della cosiddetta “declassificazione” dovuta alla luce bianca? Tanto più che, mentre per la manutenzione in effetti non esiste una legge che la regolamenti, per la luce bianca in Italia abbiamo l’unica norma al mondo che consente uno sconto oltre il 25% nella luminanza a terra per strade con traffico motorizzato (tutte le altre normative, quando lo consentono, prevedono uno sconto unicamente per strade pedonali o a traffico misto).
Mi chiedo inoltre perché nella norma non si parli semplicemente di tecnologie con Ra>60 o Ra<60 (discriminazione fra “luce bianca” e non) oppure di tecnologie con Ra<20 (assenza totale di discriminazione cromatica), ma tecnologie con Ra>60 e tecnologie con Ra<30 (perchè se fosse stato solo Ra<20 ovviamente non sarebbero state ricomprese le sorgenti a sodio alta pressione).

- Il corretto coefficiente di manutenzione

La norma di riferimento a questo proposito rimane la CIE 154:2003 – “The maintenance of outdoor lighting systems”; mentre fino a poco tempo fa esistevano pochissime indicazioni riguardo la corretta applicazione di tale norma (tranne ovviamente il mio sito ), oggi cominciano a comparire anche su internet le corrette metodologie di calcolo.
Fra questi vorrei citare la brochure di SITECO e il libretto sull’efficienza dell’illuminazione pubblica pubblicata dall’agenzia per l’energia portoghese.
In realtà non può esserci una vera e propria normativa riguardante il coefficiente di manutenzione, poiché nessuno può imporre una tempistica riguardante i cambi lampada o la sostituzione dei dispositivi: la decisione su durata e manutenzione deve essere fatta in base alle economie possibili e di comune accordo con il gestore/manutentore dell’impianto e quindi nessuno vieta di cambiare ad esempio le lampade ogni anno, con coefficienti più alti, ma questo comporta anche costi molto alti.
D’altra parte il piano di manutenzione è sempre obbligatorio (si veda il DPR 554/99, art 40) e pertanto non è neppure corretta la presentazione di coefficienti di manutenzione “calati dall’alto”, così come si vede nel 90% dei progetti illuminotecnici, senza una coerenza fra soluzioni manutentive e coefficienti utilizzati.
Solo una volta definito il piano manutentivo, è possibile capire quali coefficienti adoperare.

Il calcolo del coefficiente deve essere basato sulle caratteristiche dell’apparecchio, sulle condizioni del sito di installazione e sul piano di manutenzione programmato, secondo la seguente formula:

Il fattore di deprezzamento del flusso luminoso (LLMF) indica la riduzione del flusso della sorgente luminosa nel tempo.
Mentre per le lampade tradizionali è possibile fare riferimento ai cataloghi (o alla stessa CIE 154:2003 che presenta valori cautelativi), per le sorgenti a LED occorre fare riferimento alle curve fornite dai produttori, diverse a seconda della temperatura di giunzione considerata e della corrente di pilotaggio (ben consci però che il comportamento nella reale applicazione risulta in genere molto diverso da quello studiato in laboratorio, con alimentazione, sollecitazioni e temperature controllate).

Curva di decadimento di una lampada SAP

Curva di decadimento LED Lumileds rebel a 350mA e Ta=25°C

LLMF come riportato nel documento portoghese

Quindi, mentre per una lampada a scarica è possibile prevedere in maniera abbastanza accurata il decadimento, per una sorgente a LED occorrerebbe conoscere il lotto utilizzato (non so se ne siete a conoscenza, ma non tutti i lotti della stessa tipologia di LED sono uguali e cambiano molto a seconda dei controlli e del costo), la corrente di pilotaggio, la temperatura di giunzione media di funzionamento per ogni diodo presente all’interno dell’apparecchio (visto e considerato che molti produttori alimentano alcuni diodi con correnti differenti all’interno dello stesso apparecchio), il tutto sapendo che questi dati possono variare in maniera sensibile, visto e considerato che non stiamo parlando di misure di laboratorio, ma di applicazioni sul campo. Quindi non mi sembra stupida l’indicazione fornita dal documento portoghese di definire sempre e comunque un decadimento L70 a 65000 ore.
E a questo punto si capisce come le cosiddette “50000″ ore significano poco o nulla: un apparecchio LED potrebbe essere usato anche per 150000 ore, ben sapendo che in questo caso il coefficiente di manutenzione utilizzato risulterebbe infimo.

Il fattore di sopravvivenza della sorgente (LSF) indica la progressiva mortalità di una sorgente dopo un certo numero di ore di funzionamento.

Fattore di sopravvivenza sorgente

In questo caso il documento portoghese indica una percentuale di rottura del 5% oltre le 12000 ore di funzionamento; altri, come la SITECO, indicano una percentuale di rottura del 2% a 50000 ore; altri ancora prevedono che i LED siano indistruttibili.
In ogni modo la differenza principale fra un impianto a scarica ed uno a LED risiede nel fatto che un apparecchio a scarica monta in genere una sola sorgente, mentre all’interno di un apparecchio a LED possono convivere fino a 100 diodi: questo significa che quando una lampada a scarica si rompe, questa va sostituita immediatamente, per mantenere le condizioni di giusta uniformità ed illuminamento della strada, mentre la rottura di un diodo LED all’interno dell’apparecchio può non comportare la sua sostituzione immediata (anche perché altrimenti i costi sarebbero altissimi).
Nei calcoli per un apparecchio a LED va quindi adottato un fattore LSF=1,00 se si prevede di sostituire l’apparecchio (o il modulo se possibile) alla rottura del primo diodo all’interno (pari quindi al fattore per una lampada a scarica), va adottato invece un fattore di almeno LSF=0,98 (per 50000 ore di funzionamento) se invece si lascia l’apparecchio invariato (ben consci però del fatto che non sempre la fotometria rimane inalterata allo spegnimento di un diodo).

Infine il fattore di deprezzamento dell’apparecchio (LMF) è dovuto in genere allo sporco che si accumula sul vetro di protezione (o alle lenti applicate ai diodi) e quindi è in funzione del grado di protezione IP dell’apparecchio, dell’intervallo di pulizia previsto dal piano di manutenzione e dall’inquinamento nell’area di installazione:

Fattore di deprezzamento dell'apparecchio secondo documento SITECO

Fattore di deprezzamento dell'apparecchio come appare nel documento portoghese

Definizione di inquinamento basso e alto

Attenzione: tutti questi documenti ci dicono una cosa importante (e che già avevo sottolineato in passato).
E’ ASSOLUTAMENTE FALSO CHE UN APPARECCHIO LED NON RICHIEDE MANUTENZIONE!
Tutti gli apparecchi LED infatti (così come gli apparecchi a scarica) richiedono un ciclo di pulizia eseguito almeno una volta ogni quattro anni in ambiente pulito se non si vogliono fare calcoli illuminotecnici con coefficienti di manutenzione estremamente bassi. E questa non è una cosa che mi sono inventato di sana pianta: basta fare un giro per la Bologna-Firenze ed accorgersi come non soffermarsi sugli aspetti manutentivi possa trasformare un buon impianto in galleria in una illuminazione “cimiteriale”.
Inoltre, come si può notare dal documento portoghese, utilizzare materie plastiche (come le lenti secondarie utilizzate da numerosi produttori) comporta un peggioramentodel 6% – 7% rispetto all’utilizzo della copertura in vetro; inoltre il cosiddetto vetro “autopulente” funziona solamente se leggermente convesso (altrimenti lo sporco non “scivola”): dimenticatevi quindi migliorie per vetri piani così come richiesti da alcune leggi regionali (ed in ogni modo è possibile prevedere un miglioramento di non più del 5% rispetto ai dati presentati sopra).

A questo punto siamo in grado di calcolare il fattore di manutenzione da utilizzare nei calcoli illuminotecnici (e conseguentemente anche il costo di manutenzione) per apparecchi a scarica e apparecchi a LED: il fattore di manutenzione da utilizzare è pari al punto più basso del grafico manutentivo ricavato secondo le tabelle viste sopra.

Grafico della manutenzione per un apparecchio sap

Tipo di manutenzione: cambio programmato lampada ogni 14000 ore (circa 3,5 anni) con contestuale pulizia del vetro
Costo intervento: 50 euro (prezzo lordo man. str. 2 operai con cestello, op. el. E.R.)
Costo annuale manutenzione: 14 euro circa
Coefficiente di manutenzione: 0,79

Grafico della manutenzione per un apparecchio LED

Tipo di manutenzione: cambio apparecchio a 50.000 ore (circa 12 anni) con fattore di decadimento L85 e pulizia del vetro ogni 16000 ore (circa 4 anni)
Costo intervento: 35 euro (prezzo lordo man. str. 2 operai con cestello, op. el. E.R.)
Costo annuale manutenzione: 9 euro circa
Coefficiente di manutenzione: 0,75

- Luce bianca e declassficazione

In base ai calcoli sopra (ma anche alle numerose evidenze sperimentali pubblicate ormai ovunque, si veda ad esempio: lo studio NLPIP sulle strade principali e locali o alle tesi pubblicate dall’Università di Padova sulle prestazioni dei LED e sui sistemi di illuminazione LED) si capisce come con prestazioni pressoché identiche (nel migliore dei casi) agli apparecchi a sodio e solo 5 euro di risparmio sulla manutenzione a fronte di circa 500 euro in più come acquisto iniziale, risultasse pressoché impossibile giustificare qualsiasi ipotesi di risparmio.
Ecco allora spuntare dal cilindro magico l’ipotesi “mistica” della declassificazione; mistica perché è più che altro questione di fede pensare che con una “luce bianca” sia possibile ridurre dal 25% al 50% il flusso luminoso dell’apparecchio mantenendo al contempo gli stessi livelli di illuminazione. Tanto più che – correttamente – la norma UNI 11248 “indica” e non “prescrive” la declassificazione per le sorgenti a luce bianca (si veda a riguardo l’articolo sui led precedente), lasciando quindi al progettista illuminotecnico la piena responsabilità di tale decisione (secondo gli art. 1176 e 2236 del Codice Civile). Questo significa che un progettista illuminotecnico deve applicare questa declassificazione con assennatezza e secondo criteri scientifici (e non fideistici): un impianto con meno luce del dovuto potrebbe non essere considerato a norma se non supportato da evidenze sperimentali che confermano la corretta progettazione.

E poiché noi siamo uomini di scienza e non di fede, facciamo sempre riferimento a studi scientifici consolidati e condivisi.
In questo caso il riferimento è dato dalla norma CIE191:2010 – “Recommended system for mesopic photometry”, che incorpora al suo interno gli studi ed approfondimenti nati in seno al progetto “MOVE”, di cui ho già parlato in un altro articolo.
Lo studio definisce una nuova curva di ponderazione in ambito mesopico, in sostituzione a quella attuale fotopica, per valutare il flusso luminoso di una sorgente; questa nuova curva è fatta in maniera tale da raccordarsi alla curva scotopica (CIE 1951) per valori bassi di luminanza e a quella fotopica (CIE 1931) per valori alti di luminanza.

Le curve di ponderazione mesopiche

Per semplicità, riporto solamente i valori più comuni di luminanza in rapporto alle tipologie di sorgenti più diffuse (a sodio alta pressione e a “luce bianca” a diverse temperature di colore).

Correlazioni fotopica/mesopica per sorgente SAP

Sorgente Sodio Alta Pressione:
0,75 cd/mq -> 0,83 cd/mq (+10%)
1,00 cd/mq -> 1,06 cd/mq (+6%)
1,50 cd/mq -> 1,55 cd/mq (+2%)

Correlazioni fotopica/mesopica per sorgenti a luce bianca 3500K

Sorgente Luce Bianca 3500K:
0,75 cd/mq -> 0,73 cd/mq (-3%)
1,00 cd/mq -> 0,97 cd/mq (-3%)
1,50 cd/mq -> 1,47 cd/mq (-2%)

Correlazioni fotopica/mesopica luce bianca 4000K

Sorgente Luce Bianca 4000K:
0,75 cd/mq -> 0,70 cd/mq (-7%)
1,00 cd/mq -> 0,95 cd/mq (-5%)
1,50 cd/mq -> 1,45 cd/mq (-3%)

Correlazioni fotopica/mesopica luce bianca 5000K

Sorgente Luce Bianca 5000K:
0,75 cd/mq -> 0,66 cd/mq (-12%)
1,00 cd/mq -> 0,93 cd/mq (-7%)
1,50 cd/mq -> 1,43 cd/mq (-5%)

Come si può vedere, rimane ben poco della riduzione permessa dalla normativa, soprattutto per valori uguali o superiori a 1,00 cd/m (vorrei quindi capire come verranno giustificati i progetti di alcune strade che da ME2 sono passate a ME3 con una riduzione del 50% del flusso): spero che nella revisione imminente della UNI 11248 si tenga conto di queste evidenze sperimentali perchè E’ ASSOLUTAMENTE ERRATO UTILIZZARE LA DECLASSIFICAZIONE SEMPRE E COMUNQUE.

3) Un passo avanti e un passo indietro

A margine delle considerazioni fatte sopra, esistono altri problemi legati all’applicazione estensiva di apparecchi a LED. Sembra infatti che, per un problema risolto (o comunque per alcuni dati che finalmente incominciano ad essere pubblicati), ne spuntino in continuazione altri.

- La scelta della classe di isolamento

Da qualche mese diversi produttori di apparecchi LED dichiarano che non è possibile garantire il corretto funzionamento degli alimentatori nei casi in cui l’apparecchio sia in Classe II: un alimentatore elettronico è infatti una parte molto fragile del sistema ed esposta alle sovratensioni.
Questo di per se è già un dato significativo, e conferma che un apparecchio LED potrebbe richiedere comunque interventi di manutenzione straordinaria prima della fine vita dichiarata (tra l’altro, vi siete mai chiesti perché a fronte di 15 anni di funzionamento, la garanzia si ferma generalmente a soli 3 anni?). Inoltre, mentre negli apparecchi a scarica è facile accedere al vano alimentatore, in molti apparecchi a LED è impossibile intervenire all’interno dello stesso e quindi, in caso di guasto, occorre sostituire l’intera armatura.

I vantaggi della Classe II di isolamento sono molteplici, perché non occorre più verificare e ripristinare in continuazione il collegamento a terra del palo e quindi la sicurezza è maggiore. Tornare alla Classe I sarebbe sicuramente un passo indietro, senza poi contare i maggiori costi di manutenzione derivanti da questa scelta.
D’altronde questo problema è comune a tutti gli alimentatori elettronici (anche quelli per gli apparecchi a scarica) e pertanto sarebbe auspicabile che venissero adottati sistemi di protezione adatti a garantire il giusto isolamento, senza dover per questo tornare a progettare impianti in Classe I.

- Le dimensioni contano

Tutti i manuali in circolazione che parlano dei LED pongono l’accento sulle piccole dimensioni dei diodi e quindi sulla possibile riduzione degli ingombri.
Questa è un’ottima cosa, perché riducendo le dimensioni degli apparecchi non solo si riducono le spese per i materiali, ma anche quelle per l’imballaggio e il trasporto, con conseguente abbattimento di CO2 (e soprattutto dei costi del carburante, che di questi tempi non fa mai male).
Già in passato diverse ditte del settore si sono impegnate alla riduzione degli ingombri con gli apparecchi a scarica (arrivando a lunghezze totali di circa 50 cm, di contro ai soliti 70 – 80 cm) diminuendo, tra l’altro, anche il carico sul sostegno.

Purtroppo, nonostante le buone premesse, ancora gli apparecchi a LED si aggirano su lunghezze di 80 – 100 cm ed hanno pesi notevoli. Ovviamente non è colpa dei produttori, ma del numero necessario di diodi per avere un sufficiente flusso luminoso totale e dal conseguente apparato di smaltimento del calore (a proposito: diffidate di tutti quegli apparecchi che non sembrano avere abbastanza “materiale” dissipativo, importantissimo per la garanzia di durata e mantenimento del flusso luminoso).
Progettare un apparecchio non significa semplicemente “mettere in fila” un paio di LED, ma rifinire il prodotto a 360°, occupandosi della fotometria e della parte elettrica, così come della dissipazione e del design. Un apparecchio a LED bellissimo ma che costringe ad aumentare le sezioni di un palo o la profondità di scavo dei plinti risulta inutile come un apparecchio mediocre, perché fa lievitare in maniera incontrollata ed inutile i costi di installazione.

4) Sapere fare i conti

Chiudo la discussione con un accenno a come dovrebbero essere eseguiti i conti economici in vista di una riqualificazione o nuova installazione di un impianto di illuminazione.
In questi casi occorre SEMPRE tenere in considerazione che:

tutti gli apparecchi illuminanti di ultima generazione (siano essi a scarica o a LED) sono comunque migliori di quelli già installati e con qualche anno alle spalle: questo significa che necessariamente una riqualificazione con apparecchi prestazionali comporta sempre un miglioramento in termini di costo energetico e manutentivo (se questo non avviene o l’apparecchio scelto è scadente oppure l’impianto presenta talmente tante complicazioni/vincoli da non consentire margini di risparmio);
in base al punto 1, risultano perfettamente inutili tutti quei documenti che dimostrano come la sostituzione di un apparecchio esistente con uno nuovo (sia esso a scarica o a LED) porta a dei risparmi: quale pazzoide mi chiedo vorrebbe sostituire un apparecchio esistente con uno che consumi più energia o faccia meno luce? Per capire quale tecnologia porti il maggiore risparmio (o un minore tempo di ritorno) occorre fare confronti fra diversi apparecchi performanti di ultima generazione (siano essi a scarica o a LED) e di diversi produttori che forniscano le stesse prestazioni illuminotecniche;
in questo caso, come riporta il documento del NLPIP, “a complete comparison should demonstrate the system’s performance compared to alternative technologies that meet all of the required performance criteria. Evaluations should be measured or simulated excluding ambient light and should include consideration of the full system costs” ovvero “una comparazione completa [fra apparecchi illuminanti] dovrebbe dimostrare le performace del sistema confrontandole con tecnologie alternative che soddisfino tutti i criteri prestazionali richiesti dall’analisi. Tali valutazioni dovrebbero essere misurate o simulate escludendo le luci dell’ambiente circostante e dovrebbero includere un’analisi dei costi dell’intero sistema“. Quindi ad esempio non ha alcun senso presentare comparazioni in cui venga messo sullo stesso livello un apparecchio LED che produce circa la metà dell’illuminamento a terra rispetto al corrispettivo apparecchio a sodio alta pressione;
includere i costi dell’intero sistema significa innanzitutto prevedere quale piano di manutenzione si vuole adottare per un determinato apparecchio e poi, in base a questo, definire le prestazioni raggiungibili ed i costi energetici e di manutenzione: ha poco senso presentare un risultato illuminotecnico con coefficienti di manutenzione alterati (tipo MF=0,90) ed in base a questo affermare che un apparecchio LED risparmia ed in più non necessita di manutenzione. Servono dati concreti e – purtroppo per loro – non possono essere i produttori a fornirli perché non sono loro a gestire l’impianto e rispondere dell’eventuale inadeguatezza dello stesso nel tempo;
infine occorre eseguire analisi di TCO (Total Cost of Ownership) che includano TUTTI i costi inerenti all’impianto presentato (come ad esempio i costi di posa dei sostegni e linee, di posa dell’apparecchio, di manutenzione e pulizia).

Tutto il resto sono chiacchiere da bar.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

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Illuminazione stradale a LED – 2^ parte redux

25 maggio 2010 alle 3:33 pm | Pubblicato in Editoriali, Illuminotecnica | 31 commenti
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Illuminazione stradale LED____________________________________________________________________________________________________________Illuminazione stradale LED

d un anno di distanza dalla stesura dei primi articoli sui LED sono cambiate molte cose: la crisi economica ha messo a dura prova il mercato degli apparecchi illuminanti e ha spazzato via molti produttori senza arte nè parte improvvisatisi specialisti di illuminazione a LED; inoltre l’arrivo di una nuova generazione di diodi e componenti ha permesso dall’inizio di quest’anno l’affacciarsi sul mercato di prodotti adeguati all’illuminazione stradale.
Altre cose però non sono cambiate per niente: la mancanza ormai cronica di norme che regolino in qualche modo la produzione dei diodi LED, uniformandone caratteristiche e prestazioni, così come mancano ancora standard di misura accettati per le prove in laboratorio sulla durata; non è cambiato nemmeno l’atteggiamento di molti venditori, capaci unicamente di confondere le idee con proclami e slogan degni di una campagna elettorale, senza però produrre mai prove sulla bontà dei propri prodotti.

Ad aggravare la situazione contribuisce l’insufficienza delle corrette informazioni a disposizione degli Amministratori, che per svolgere il loro mandato non debbono essere preparati ad affrontare ogni materia tecnica con rigore scientifico, e pertanto non riescono a discernere in maniera appropriata i dati forniti dai vari costruttori: risulta così abbastanza facile vendere prodotti non competitivi a livello di mercato, facendo leva sulla confusione degli interlocutori.
Questo stato è noto in economica come “asimmetria informativa”, e si ha quando una parte degli agenti interessati nello scambio economico ha maggiori informazioni rispetto al resto dei partecipanti e può trarre un vantaggio da questa configurazione.
“Se pensate che molti esperti usino gli elementi in loro possesso a vostro detrimento, non vi sbagliate. La sussistenza dell’esperto dipende proprio dal fatto che lui ha le informazioni e voi no. O dal fatto che vi sentiate talmente disarmati davanti alla complessità di un’operazione da non sapere comunque che uso fare delle informazioni, anche quando le aveste. O che siate ancora talmente in erba da non avere l’audacia di misurarvi con un esperto blasonato come lui. Se il dottore vi suggerisce l’angioplastica – nonostante alcune ricerche paiano indicare che fa ben poco nella prevenzione dell’infarto – difficilmente penserete che il vostro medico stia approfittando dell’asimmetria informativa per spillarvi qualche migliaio di dollari in combutta con il collega” da Steven D.Levitt e Stephen J.Dubner “Freakonomics. Il calcolo dell’incalcolabile” Sperling & Kupfer Editori, 2006.

I miei articoli risultano così “scomodi” a molti perchè ho semplicemente cercato di ristabilire la centralità dell’ago della bilancia, mediante la pubblicazione di informazioni essenziali per capire il problema LED e diminuire una parte dell’assimetria: questo ovviamente da fastidio ai venditori perchè in un rapporto non più impari non è più possibile presentare prodotti non adeguati.
Ma parliamo di apparecchi a LED.

1) Apparecchi illuminanti a LED

L’errore più comune che si commette parlando di illuminazione a LED sta nell’equivocare fra “sorgente luminosa” ed “apparecchio illuminante”: una sorgente luminosa non è che una parte di un apparecchio di illuminazione e pertanto basare la comparazione solo su una componente porta a risultati parziali ed erronei. Come ben sa chi si occupa di illuminotecnica, un apparecchio illuminante scadente rimane scadente anche con la migliore sorgente luminosa installata; inoltre un cattivo alimentatore può compromettere il corretto funzionamento e ridurre drasticamente l’aspettativa di vita.
Appare doveroso quindi, una volta definite le peculiarità delle sorgenti luminose a LED, ampliare il discorso a comprendere tutte quelle parti che possono determinare una buona o cattiva illuminazione. Per fare questo ricordiamo che un apparecchio di illuminazione può essere definito un sistema che distribuisce, filtra o trasforma la luce emessa da una o più sorgenti e che include le parti necessarie per posizionare e proteggere le sorgenti ed i circuiti ausiliari per il corretto funzionamento del sistema. Possiamo pertanto pensare ad esso come una macchina, che ha lo scopo di trasformare l’energia elettrica in energia luminosa e di farlo nel miglior modo possibile.

Un apparecchio illuminante stradale a LED si compone di diverse parti (che generalmente non sono presenti nei corrispettivi a lampade a scarica) che vengono riassunte nello schema sottostante:

Componenti di un apparecchio LED

Si può quindi notare come in linea di massima non esistano componenti dedicati alla diffusione del flusso luminoso integrati nella carena: il gruppo ottico di un apparecchio di illuminazione a LED è formato dai LED stessi, disposti in vario modo ed eventualmente affiancati da ottiche applicate (ricordiamo che un modulo LED è costituito, oltre al diodo luminoso, di una base su cui sono disposti i componenti e di una lente applicata al di sopra di esso che direziona il fascio uscente).
Un’altra peculiarità consiste nella presenza di sistemi di dissipazione più o meno consistenti, ubicati generalmente nella parte superiore della carena, indispensabili per ridurre le temperature di esercizio dei diodi (tali sistemi non sono necessari negli apparecchi con lampade a scarica, in quanto l’ambiente in cui viene alloggiata la lampada è più che sufficiente per una corretta dissipazione). Il gruppo di alimentazione invece risulta alloggiato all’interno del corpo dell’apparecchio.
Ognuno di questi componenti influisce in maniera sostanziale sul funzionamento del sistema.

1.1) Alimentatore elettronico (driver)

I LED sono componenti a bassissima tensione, che devono essere alimentati in corrente continua, livellata e stabilizzata. Gli alimentatori per LED sono di tipo elettronico e provvedono a svolgere le funzioni sia di trasformatore che di convertitore.
Le sorgenti a LED hanno una vita media molto lunga e quindi occorre che anche i driver abbiano una mortalità molto bassa; ad oggi gli alimentatori elettronici hanno una mortalità media che va dall’ 1% al 5% ogni 10.000 ore di funzionamento. Pertanto, nelle 50.000 ore di funzionamento attese per le sorgenti LED, avremo dal 5% al 25% di mortalità sugli alimentatori: questo significa che durante il ciclo di vita previsto per un’armatura a LED è possibile prevedere la sostituzione del driver in 1 apparecchio di illuminazione su 10. Grazie a questo dato vengono già da subito annullate le pretese di manutenzione nulla prospettate da numerosi produttori.
Inoltre la durata di vita attesa per un alimentatore elettronico decresce in maniera esponenziale all’aumentare della temperatura di lavoro: poiché le sorgenti a LED possono produrre molto calore, occorre che il driver sia adeguatamente distanziato e separato dalla parte in cui sono alloggiati i LED, per impedire eventuali malfunzionamenti.
Un driver deve assicurare un livello di corrente costantemente stabilizzato per garantire una certa uniformità nelle prestazioni: per questo motivo dovrebbe risultare molto più “robusto” degli alimentatori elettronici standard; ad oggi solo i produttori che utilizzano specifiche militari riescono a garantire una resistenza adeguata agli sbalzi di tensione che possono verificarsi all’interno della rete di distribuzione elettrica (cosa che incide in maniera rilevante sui costi di produzione).
Infine va notato che nella maggioranza dei prodotti presenti sul mercato, l’efficienza degli alimentatori elettronici (definita come rapporto fra potenza assorbita dalla lampada e potenza totale assorbita dal sistema) difficilmente si attesta al di sopra di ηb =0,88 indicato come standard per le potenze nominali fino a 100W dal regolamento CE n. 245/2009 che riguarda le specifiche per la progettazione ecocompatibile. Questo ovviamente si ripercuote in un maggiore consumo del sistema a parità di flusso luminoso erogato.

1.2) Caratteristiche dei sistemi di dissipazione

Le sorgenti luminose a LED in realtà sono più “fredde” delle sorgenti a scarica tradizionali (che possono raggiungere valori ben al di sopra dei 2000°C durante il loro normale funzionamento), ma questo non li esenta dai problemi legati al surriscaldamento: un diodo LED infatti rimane pur sempre un semiconduttore ed in quanto tale molto sensibile alle alte temperature; inoltre sappiamo che gran parte delle caratteristiche prestazionali dipendono dalla temperatura di giunzione, e quindi a maggior ragione occorre prestare attenzione ai dispositivi di dissipazione.
Per capire le grandezze in gioco va ricordato che ad oggi solo il 15% circa della potenza elettrica consumata da una sorgente a LED viene trasformata in luce, mentre il restante 85% si perde in calore. Questo dato da una parte fa intravedere come i margini di miglioramento sull’efficienza siano ancora ampi per questa tecnologia, ma dall’altra evidenzia lo spreco e lo sviluppo incredibile di calore al suo interno.
Il gap fra temperatura di giunzione e temperatura ambiente si aggira attorno ai 50°C – 70°C e non potrebbe in alcun modo venire smaltito dalla piccola area dei diodi: per questo alla piastra su cui vengono saldati i LED viene affiancato un vero e proprio dispositivo di dissipazione alettato.
Ovviamente migliori sono i materiali utilizzati per la piastra e le alette e migliore sarà lo smaltimento del calore: purtroppo per contenere i costi non tutti i produttori adottano i migliori materiali a disposizione (come ad esempio potrebbero essere le piastre ceramiche) a discapito delle prestazioni finali.
Questa disposizione inoltre genera due “zone” estremamente sensibili, che vanno curate nell’assemblaggio dell’apparecchio. La prima riguarda la saldatura del diodo LED con la piastra sottostante: ad oggi in Italia gli stabilimenti certificati dai produttori di LED si contano sulle dita di una mano e non sempre gli assemblatori si affidano a questi; inutile dire che una saldatura difettosa (o comunque un non corretto allineamento) può pregiudicare il corretto trasferimento di calore e così ridurre prestazioni e vita utile. La seconda riguarda il collegamento fra piastra e dispositivo di dissipazione: anche in questo caso le connessioni devono essere curate ed affidabili.

Apparecchio LED con piastra di dissipazione superiore

Alcuni produttori hanno adottato dispositivi che possono limitare la potenza erogata in funzione della temperatura di esercizio, in modo da evitare pericolosi surriscaldamenti (come ad esempio avviene nel thermal managment dei processori per computer): questo però potrebbe portare ad improvvisi cali di flusso luminoso non dipendenti dalla volontà del gestore e quindi resta da capire come possano continuare ad essere verificate le prescrizioni illuminotecniche allorchè un apparecchio all’improvviso si ritrovi ad emettere meno luce di quella prevista.
A questo va sommato il fatto che generalmente la temperatura all’interno degli apparecchi illuminanti a LED è superiore a quella di riferimento di laboratorio a cui le loro prestazioni sono riferite e pertanto i dati forniti dai produttori risultano ancora parziali e non perfettamente aderenti alla realtà.

1.3) Caratteristiche fotometriche di un’armatura stradale

Gli apparecchi per illuminazione stradale devono soddisfare requisiti molto stringenti dal punto di vista fotometrico: il flusso luminoso deve essere indirizzato con precisione nelle direzioni ottimali per la visibilità sulla strada e deve invece essere schermato nelle direzioni che possono procurare fastidio ai conducenti.
Per valutare le caratteristiche illuminotecniche di un’armatura stradale occorre analizzarne il solido fotometrico, che rappresenta l’intensità luminosa normalizzata emessa dalla sorgente (espressa solitamente in cd/klm) lungo le varie direzioni spaziali. Il modo più utilizzato per rappresentare graficamente la forma del solido fotometrico è quello di sezionarlo secondo uno dei piani di riferimento: l’insieme delle curve così ottenute determina la cosiddetta “curva fotometrica”, che rappresenta, sotto forma di diagramma polare, la distribuzione delle intensità luminose di un apparecchio. Grazie all’analisi delle curve fotometriche è possibile valutare in maniera intuitiva il funzionamento di un apparecchio di illuminazione.

Nel caso di apparecchi destinati all’illuminazione stradale, è molto importante che la curva fotometrica invii la luce solo nelle direzioni interessate (lungo l’asse della strada e non al di fuori di essa) e con le giuste intensità luminose (distribuita la più uniformemente possibile).
Per fare questo ci si basa sul parametro di riferimento adottato dalla norma UNI 11248: la luminanza del manto stradale. La normativa impone valori tali da garantire un buon discernimento degli ostacoli e al contempo una uniformità d’illuminazione della sede stradale e dei dintorni.
La luminanza è una grandezza vettoriale che esprime la densità con cui un’intensità luminosa viene emessa da una superficie e per questo motivo rappresenta in maniera adeguata la sensazione visiva prodotta da una sorgente luminosa sull’occhio umano; dalla definizione segue che una sorgente che emette una certa intensità da una superficie molto piccola (come un diodo LED) produce sull’occhio una sensazione molto più forte di una sorgente analoga ma con una superficie molto più ampia (come una lampada tradizionale): questo fattore già rende conto di uno dei problemi principali degli apparecchi illuminanti a LED e cioè il controllo dell’abbagliamento.
Questa grandezza inoltre si distingue dall’illuminamento perché non definisce la componente “reale” di luce che arriva a terra, ma piuttosto una componente “soggettiva” che appare all’osservatore in funzione dell’angolo dal quale sta osservando l’oggetto e alla capacità della superficie illuminata (in questo caso l’asfalto stradale) di riflettere la luce.

Per le applicazioni stradali l’adozione della luminanza come parametro di riferimento significa definire la luminosità del manto stradale, come questa viene percepita dagli automobilisti e come questa può aiutare il compito visivo di un automobilista. Si può ottenere una buona visibilità degli ostacoli aumentando il contrasto di luminanza fra il manto stradale e gli ostacoli stessi, cercando di rendere massima la luminanza del manto stradale nella direzione di vista prevalente di un osservatore (che si trova compresa in un angolo molto ristretto, da -1,5° a 0,5° rispetto all’orizzonte): per un adeguato livello di luminanza in questa direzione, si devono privilegiare le direzioni di incidenza della luce molto radenti, capaci di generare verso il conducente una luminanza elevata grazie alla riflessione del manto stradale e in particolare alla sua componente speculare.
Per questo nella scelta di apparecchi efficienti rimane prioritaria la forma della curva sul piano C0-C180: il solido fotometrico di un apparecchio stradale avrà una forma simmetrica molto aperta, con il massimo di intensità per angoli molto elevati; allo stesso modo, per angoli troppo elevati, un’intensità molto elevata sarebbe causa di fenomeni di abbagliamento. Per questo motivo la curva fotometrica ottimale si presenta come simmetrica al piano longitudinale della strada, con intensità massime comprese fra i 60° e i 70° rispetto alla verticale (attraverso il calcolo della luminanza stradale è possibile stabilire che questa è fornita per circa il 45% per angoli compresi fra i 60° e 70°) e intensità molto ridotte oltre i 70°.
Questo parametro può venir letto direttamente dalla curva fotometrica oppure si può far riferimento all’apertura massima del fascio nel senso trasversale definita spread secondo il CIE 1976 (angolo che forma l’asse del fascio luminoso rispetto al 90% del valore massimo di intensità luminosa).

Visualizzazione grafica dello spread e throw

Uno spread attorno ai 60° può garantire un limitato abbagliamento affiancato al massimo di “allargamento” possibile che può garantire l’installazione del minor numero di apparecchi.
Ad angoli minori, l’intensità può diminuire sempre di più, poiché diminuisce la distanza fra sorgente luminosa e superficie; questo consente di ottenere anche una giusta uniformità di distribuzione della luce sul manto stradale: generalmente elevati coefficienti di uniformità portano a migliori risultati in termini di percezione visiva, pertanto strade con minore intensità luminosa ma con migliori parametri di uniformità sono senz’altro da preferirsi a vie molto luminose con scarsa uniformità. La norma UNI 11248 prevede il rispetto di due tipi di uniformità: la prima è calcolata come uniformità generale della carreggiata (U0), la seconda è definita come uniformità lungo la posizione dell’osservatore sulla carreggiata (Ul).

Per comprendere meglio quanto detto è opportuno fare alcuni esempi con apparecchi in commercio.

Fotometria di un apparecchio illuminante

Una fotometria di questo tipo ad esempio non può assolutamente essere utilizzata in ambito stradale, in quanto si evidenzia una totale mancanza di “allargamento” della curva fotometrica sul piano C0-C180 (indicato in rosso in figura: si nota che l’intensità massima non è attorno ai 60°, ma adirittura a 0°); inoltre l’intensità luminosa, anziché aumentare andando verso aperture più elevate, diminuisce: questo significa che avremo tantissima luce al di sotto dell’apparecchio illuminante, mentre molto poca nelle immediate vicinanze. La fotometria in questione pertanto non solo è errata dal punto di vista prestazionale (non consente grandi interdistanze), ma comporta una grande disuniformità di illuminazione sul piano stradale.
Nella fotometria seguente vediamo che la curva è molto allargata e che i valori di luminosità aumentano andando verso aperture più elevate: questo dovrebbe garantire una buona uniformità associata alla possibilità di avere interdistanze elevate fra i punti luce.

Fotometria di un apparecchio illuminante LED

Dal rilievo si nota però come la massima intensità luminosa si attesti attorno ai 75°, cosa che potrebbe comportare un effetto fastidioso dovuto all’abbagliamento. Un primo parametro di valutazione in questo caso può essere fornito dal parametro SLI (specific luminaire index), definito sempre dal CIE 1976 come indicatore dell’abbagliamento: per l’apparecchio in questione si nota infatti un SLI<4, che indica un moderato controllo dell’abbagliamento (in confronto ad uno SLI>4 che indicherebbe un elevato controllo dell’abbagliamento).
Sul piano C90-C270 invece risulta importante prevedere maggiori intensità luminose verso il lato strada, per evitare un’installazione su due lati della carreggiata o il ricorso a sbracci: l’introduzione di questa ulteriore asimmetria consente di riportare l’apparecchio sul bordo della carreggiata (come la classica applicazione su palo diritto), che è da preferire alle installazioni su sbraccio, in quanto meno problematiche dal punto di vista manutentivo.Anche in questo caso si può fare riferimento alla curva fotometrica oppure ai valori dei coefficienti di utilizzazione lato strada e lato marciapiede dell’apparecchio illuminante.
Lungo la direzione trasversale alla strada pertanto la curva fotometrica è asimmetrica, con direzione prevalente del flusso verso la strada nel caso di installazione lungo il bordo strada (ovviamente per installazioni a centro strada è opportuno che la curva sia simmetrica).
Questo non significa che tutto il flusso deve essere indirizzato in direzione della strada, poiché un parametro fondamentale della norma UNI 11248, il Surrounding Ratio, prevede che una parte della luce vada indirizzata anche in direzione del marciapiede. Poiché non sempre i diodi LED hanno un’efficienza luminosa paragonabile a quella delle lampade a scarica, alcuni produttori hanno pensato di “spingere” il fascio di luce solamente in direzione della strada, in modo da avere unaluminanza sufficiente: questo significa però che il coefficiente di utilizzazione lato marciapiede risulta insufficiente, come si può notare dal grafico sottostante.

Tabella dei coefficienti lato strada/marciapiede

Poiché il Surrounding Ratio prevede un coefficiente minimo di 0,5 questo significa che in generale si richiede che il coefficiente di utilizzazione lato marciapiede sia all’incirca pari a poco meno della metà del coefficiente di utilizzazione lato strada.
Ovviamente non bastano poche righe per esaurire un argomento così vasto come quello della giusta fotometria di un apparecchio illuminante; quanto detto vale solo criterio di massima per fare una prima selezione degli apparecchi, ma per una corretta valutazione rimane imprescindibile il calcolo illuminotecnico.

1.4) Caratteristiche del gruppo ottico

Spesso gli apparecchi tradizionali prevedono una certa possibilità di modificare le caratteristiche di emissione grazie a diverse posizioni di montaggio della lampada rispetto al riflettore, alle quali corrispondono solidi fotometrici con caratteristiche diverse: lo spostamento verticale da luogo a solidi fotometrici più o meno aperti in senso longitudinale rispetto alla strada, mentre lo spostamento orizzontale dà luogo a solidi più o meno asimmetrici in senso trasversale.
Ovviamente questa possibilità resta preclusa ad un apparecchio a LED, per i quali i produttori devono prevedere tanti modelli diversi per ogni curva fotometrica desiderata (e che quindi sono vincolati all’installazione prevista dal progetto illuminotecnico, senza poter essere spostati in situazioni differenti).
Questo limite incide in maniera pesante sulle possibilità di prefabbricazione delle componenti e quindi sui costi. Per ovviare a questo inconveniente e garantire al tempo stesso un’ottima resa i produttori di apparecchi a LED adottano prevalentemente le seguenti strategie:

la prima soluzione consiste nel predisporre una piastra di LED in cui ognuno di questo abbia una diversa inclinazione, che possa portare ad un “mosaico” ottimale a terra; questa soluzione consente di sfruttare al massimo le potenzialità dei LED, senza ridurre l’intensità con lenti correttive, ma ovviamente è molto dispendiosa, in quanto ogni piastra deve essere un pezzo unico appositamente sagomato con diverse inclinazioni all’interno. Inoltre ogni diversa configurazione dell’ottica va pensata come un nuovo “pezzo” unico da mettere in produzione, con ricadute economiche notevoli poiché è possibile serializzare solo un discreto numero di configurazioni;
Sistema ottico con LED inclinati
la seconda soluzione, più economica, consiste nel predisporre diverse file di LED su una piastra “standard” orizzontale e successivamente applicare a questi differenti lenti e micro-lenti, che hanno il compito di diffondere la luce in modo appropriato; il prezzo contenuto è dovuto alla grande flessibilità data dall’utilizzo di diverse lenti applicate su una piastra di base comune a tutti i modelli (questo consente una grande standardizzazione dei pezzi). Lo scotto che si paga è quello di una riduzione del flusso luminoso, dovuta all’applicazione di lenti sopra ogni LED;

Sistema ottico con microlenti

la terza soluzione consiste sempre nel predisporre diverse file di LED su una piastra “standard” orizzontale, ma anzichè dotarsi di microlenti viene costruito attorno ad ogni diodi un piccolo rifrattore, che definisce una curva fotometrica come per una lampada tradizionale; anche in questo caso il prezzo contenuto è dovuto alla grande flessibilità, ma il rendimento di un’ottica di questo tipo rimane di poco superiore a quella di un’ottica per apparecchi tradizionali.
Sistema ottico con rifrattori

Queste soluzioni sono strettamente legate alle caratteristiche del diodo LED, poiché a seconda del produttore, presenta dimensioni ed ottiche diverse; quindi una volta definita la forma della parte ottica, questa rimane ancorata ad un determinato diodo, che difficilmente sarà possibile sostituire, non solo con uno di marca diversa ma anche con le future evoluzioni dello stesso LED. In particolare ogni apparecchio illuminante LED è un prodotto unico, non replicabile e generalmente neppure “aggiornabile” (anche se di recente alcuni produttori hanno proposto apparecchi con ottiche ed alimentatori intercambiabile).
Un altro problema è dovuto al fatto che il singolo diodo è piccolo, ma per arrivare ai flussi delle lampade a scarica ne occorrono tanti: una delle principali caratteristiche del LED, quella della compattezza, si perde così nell’assemblaggio; mentre gran parte dei produttori stanno cercando di ottimizzare le dimensioni degli apparecchi e ridurre quindi imballaggi e merci di consumo, ci ritroviamo con apparecchi a LED grandi 2 volte o più un apparecchio tradizionale.
Infine va ricordato come l’ottica di un apparecchio di illuminazione a LED sia costituita da più diodi, ognuno dei quali contribuisce all’illuminamento di una certa parte della sede stradale: nel malaugurato caso che anche un singolo LED si rompa (oppure riduca in maniera sostanziale il proprio flusso oppure semplicemente sia stato saldato in una posizione leggermente diversa da quella prestabilita) la fotometria non può più sopperire al compito visivo richiesto, poiché incompleta; ad oggi, vista l’impossibilità di una sostituzione immediata dei singoli diodi, questo si traduce in una sostituzione completa dell’intera armatura.

2) Rendimento globale di un apparecchi illuminante

Data la moltitudine di apparecchi illuminanti e sorgenti a LED oggi presenti sul mercato, occorre definire un criterio di valutazione che possa accorpare gli elementi che concorrono ad una buona illuminazione: fattori come il rendimento di un apparecchio e l’efficienza luminosa delle lampade riflettono unicamente caratteristiche parziali e non esaustive.
In particolare il rendimento di un apparecchio (calcolato come rapporto fra flusso luminoso emesso dall’apparecchio e flusso originariamente emesso dalle lampade nude presenti in esso) non tiene conto dell’eventuale flusso luminoso disperso verso l’alto (e quindi non utilizzato per l’illuminazione del piano stradale) e della potenza assorbita dall’apparecchio. L’efficienza luminosa delle lampade (calcolata come rapporto fra flusso luminoso emesso dalla lampada e potenza elettrica consumata) d’altra parte è un’efficienza nominale, che quindi non tiene conto della reale potenza assorbita dalle altre componenti elettroniche presenti all’interno dell’apparecchio ed inoltre non fornisce indicazioni sul flusso disperso a causa di riflessioni interne, lenti, ecc…
Per questo motivo si è scelto di incorporare questi due fattori in un coefficiente globale che tenga conto del flusso utile emesso dall’apparecchio e della reale potenza assorbita dall’apparecchio.
Generalmente per un apparecchio di illuminazione stradale è fondamentale che tutto il flusso sia rivolto verso la metà inferiore della sfera luminosa (e questo è garantito ad esempio dal rispetto delle norme contro l’inquinamento luminoso) e per questo motivo, al rendimento si preferisce il rendimento di flusso luminoso rivolta verso il basso (definito dal parametro DLor).
Questo coefficiente rende inoltre conto del reale significato fisico di rendimento, inteso come rapporto tra lavoro compiuto da un sistema e l’energia fornita al sistema (anche se nel questo caso specifico si sono prese in considerazioni potenze anziché energie).
L’efficienza luminosa viene calcolata come rapporto fra flusso luminoso diretto verso il basso e potenza totale assorbita dall’apparecchio La potenza totale assorbita invece è quella comprensiva di lampade, alimentatore, perdite, ecc.. Questa corrisponde alla potenza che si potrebbe leggere “a monte” dell’apparecchio se andassi a misurarla mentre sta funzionando.
Infine, contrariamente a quanto Forcolini indica nel suo libro dedicato ai LED, il confronto va fatto in base alle migliori tecnologie oggi disponibili sul mercato (e non confrontando l’ultimo apparecchio LED in circolazione con un apparecchio mediocre con lampada a scarica).

In base a queste considerazioni, viene definito rendimento globale di un apparecchio di illuminazione:

Un apparecchio tradizionale che monta una lampada SAP di ultima generazione a 100W (di flusso luminoso pari a 10700lm), con alimentatore elettronico di rendimento pari a 0,93 e DLor pari al 80% (consideriamo fra i migliori apparecchi in circolazione) avrà un rendimento globale di:

η = 10700*80%/108 = 79 lm/W

Prendendo invece i dati di una famosa ditta produttrice di apparecchi LED abbiamo che un apparecchio che monta 100 LED alimentati a 350mA produce un flusso luminoso pari a 10000lm ed un consumo di 127W. Dagli eulumdat si può leggere un DLor pari a 85,7% (apparecchio con ottiche applicate). In questo modo abbiamo:

η = 10000*85,7%/127 = 67 lm/W

Per un altro apparecchio illuminante a LED abbiamo invece 84 LED alimentati a 350mA, che producono un flusso luminoso di 6417lm con un consumo di 110W In questo caso abbiamo un DLor pari al 100% (apparecchio senza ottiche applicate). Il rendimento risulta quindi:

η = 6417*100%/110 = 58 lm/W

In base a queste considerazioni è possibile affermare che il rendimento di un apparecchio illuminante a LED rimane leggermente al di sotto di un apparecchio tradizionale a scarica; le cose migliorano per potenze di lampada inferiore (l’efficienza di una lampada SAP a 70W è inferiore a quella di una lampada a 100W) ma ovviamente peggiorano per potenze superiori. Il rendimento ovviamente non ci dice nulla su come si comporterà un apparecchio in una determinata installazione (questo dipende dal tipo di fotometria, come indicato sopra); è possibile però affermare che a parità di costruzione della fotometria, un apparecchio con rendimento maggiore fornirà risultati migliori.
Questo significa che tutto si gioca nelle caratteristiche distintive di ogni apparecchio e quindi la qualità dell’illuminazione non può assolutamente essere determinata solo dalle caratteristiche della sorgente luminosa, ma va accuratamente valutata in base all’apparecchio illuminante nel suo complesso.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

Leggi anche:

Illuminazione stradale a LED – 1^ parte

Illuminazione stradale a LED – 3^ parte

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Illuminazione stradale a LED – 1^ parte redux

24 febbraio 2010 alle 12:38 pm | Pubblicato in Illuminotecnica | 40 commenti
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Illuminazione stradale LED____________________________________________________________________________________________________________Illuminazione stradale LED

a diverso tempo ormai si sente parlare dei “miracolosi” apparecchi di illuminazione a LED, capaci di garantire enormi risparmi e bassissima manutenzione; nella pratica però (vedi il disastroso esempio di Torraca) questi apparecchi spesso si sono dimostrati tutt’altro che efficienti.
Nonostante molti professionisti abbiano posto il problema con estrema serietà e correttezza, ancora oggi diversi produttori cercano di “fare i furbi” raccontando mezze verità, sperando che gli interlocutori non siano ferrati sull’argomento. Ad aggravare la situazione concorrono diversi organi di stampa, interessati più all’aspetto sensazionistico che produce questa nuova tecnologia anziché valutare il risultato pratico di queste applicazioni.
Per questo motivo mi sono sentito in obbligo (da addetto ai lavori quale sono) di approfondire le problematiche inerenti l’illuminazione stradale a LED: si parte dalla spiegazione di cos’è un LED fino ad arrivare alle simulazioni vere e proprie, per dimostrare come ad oggi un apparecchio a LED può al massimo sostituire un apparecchio che monta lampade al sodio alta pressione di medesima potenza.

Visto che sono stato accusato di essere contro “per principio” con questo articolo mi rivolgo a chi veramente vuole conoscere i numeri: si presenta pertanto come una riedizione dell’articolo apparso l’anno scorso ma con una maggiore attenzione ai dati e agli aspetti tecnici.

1. La tecnologia LED

LED è l’acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa) ed è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr. Un diodo è il più semplice tipo di semiconduttore esistente: senza entrare troppo nello specifico, un semiconduttore è un materiale capace di far passare o meno elettricità in base alle caratteristiche del materiale da cui è composto.
Il LED è un semiconduttore creato da materiale poco conduttore (generalmente un composto di alluminium-gallium-arsenide), in seguito modificato (“dopato” nel gergo elettronico) per cambiare il bilanciamento interno tra le cariche positive e negative (da cui dipende la conduttività). La regione con cariche positive aggiunte è detta P-region mentre quella con cariche negative (costituite da elettroni) è detta N-region.
Quando nel diodo (o chip) non è applicato alcun voltaggio, gli elettroni di carica negativa trovano e riempiono i buchi (con carica positiva) nella zona di contatto, formando una giunzione detta anche depletion zone. In questa giunzione, tutti i buchi risultano riempiti e quindi formano una specie di barriera isolante in cui nessuna carica può circolare da una regione all’altra.

Le cariche negative e quelle positive che vengono a contatto nella giunzione tra la P-region e la N-region e formano una zona in cui nessun elettrone riesce più a passare

Per eliminare la giunzione, bisogna far si che le cariche negative passino dalla regione N alla regione P e le cariche positive facciano l’inverso, connettendo ad esempio una batteria che, aumentano il potenziale elettrico, faccia muovere le cariche.

Una batteria collegata opportunamente ad un Led fa si che le cariche negative nella depletion zone si liberino e di fatto annullano la barriera tra le due regioni

Per capire cosa siano le cariche positive e negative di cui ho parlato sopra e di come queste possano produrre luce, occorre fare una breve digressione sull’atomo: la maggioranza degli atomi è composta da un nucleo (di protoni e neutroni) attorno cui si posizionano “nuvole” (orbitali più precisamente) di elettroni; su ogni orbitale, per il principio di esclusione di Pauli, si possono posizionare solo 2 elettroni. Generalmente un atomo ha un perfetto bilanciamento fra cariche positive e cariche negative.
Quando il materiale da cui è composto il semiconduttore viene drogato, uno degli elettroni degli orbitali più esterni viene a mancare, in maniera da creare una “lacuna” (e quindi anzichè neutro ora diviene positivo). L’atomo “drogato” è più instabile (e quindi ha maggiore energia); quando un elettrone riempie la “lacuna” l’atomo ridiventa stabile (e quindi a minore energia): il surplus di energia viene liberato sotto forma di fotone (cioè un pacchetto di energia che rappresenta la singola unità di luce).

Quando la carica negativa raggiunge quella positiva libera un fotone

In pratica un LED trasforma l’energia elettrica in energia luminosa (e viceversa).

Per quanto possa essere difficile comprendere il funzionamento del LED dal punto di vista fisico, questa descrizione è fondamentale per capire i pregi e (soprattutto) i difetti di questa tecnologia: ad esempio il superamento forzato della “barriera” neutra costituita dalla giunzione comporta un notevole surriscaldamento di questa zona (è una specie di “resistenza” all’interno del semiconduttore) e pertanto la “temperatura di giunzione” rappresenta un parametro fondamentale per la corretta gestione del LED.

I grandi produttori hanno dichiarato che nei prossimi anni investiranno gran parte dei loro capitali nello sviluppo delle apparecchiature a LED. Questa tecnologia rappresenta sicuramente il futuro dell’illuminazione in quanto garantisce numerosi vantaggi:

diminuzione della quantità di “materia” utilizzata per la loro produzione; rispetto ai prodotti tradizionali comporta quindi una riduzione degli ingombri e dei pesi, determinando una agevolazione nell’approvvigionamento, stoccaggio e trasporto dei materiali e nella produzione industriale;

ridotto contenuto di sostanze tossiche o nocive; le parti componenti dei LED sono facilmente disaggregabili, smaltibili e riciclabili (allo stesso livello dei normali diodi che si utilizzano in elettronica);

ridotta emissione di raggi UV ed IR;

lunga durata della vita media;

tecnologia in costante evoluzione.

Allo stato attuale esistono già buoni apparecchi di illuminazione a LED per gli ambiti ciclo-pedonali, illuminazione d’accento ed illuminazione artistica e di parchi.
Per quanto riguarda invece l’illuminazione stradale occorre sottolineare che questo è un ambito estremamente tecnico e richiede apparecchi molto performanti: generlamente oggi gli apparecchi a LED non riescono ad essere così performanti come i tradizionali apparecchi al sodio (soprattutto per quanto riguarda le potenze elevate), come verrà indicato nei paragrafi seguenti. Questo non significa che i LED non saranno mai così performanti come le lampade tradizionali: la tecnologia a LED si sta sviluppando in maniera incredibile (basti pensare che neanche 5 anni fa a stento si arrivava ai 50 lm/W) e per questo motivo è molto probabile che nei prossimi 10 anni gli apparecchi stradali con questa tecnologia sorpassino come prestazioni gli apparecchi tradizionali.
L’articolo va pertanto letto unicamente alla luce dello stato attuale della tecnologia a LED e non come negazione assoluta dell’applicazione di tale tecnologia all’illuminazione pubblica: la tecnologia LED ad oggi risulta BNAT (Best Not yet Avaiable Technology), cioè si pensa che sarà la migliore tecnologia in futuro disponibile per la pubblica illuminazione.

2. Caratteristiche dei LED

La lampada è una componente fondamentale di un apparecchio luminoso; per questo motivo occorre conoscere a fondo i parametri principali su cui basare le valutazioni delle lampade LED utilizzate.
Nell’illuminazione stradale generalmente oggi vengono utilizzati i cosiddetti “LED di potenza” (Power LED in inglese); la relazione seguente si basa quindi prevalentemente su questa tipologia di diodi LED (pur potendo essere estesa facilmente ad altre tipologie, come quelle multichip ad esempio).

2.1 Corrente di pilotaggio

I LED vengono pilotati con una corrente costante, per mantenere uniformi i valori di luminosità e temperatura colore; la corrente di pilotaggio ha infatti una diretta correlazione con diversi parametri, come il flusso luminoso emesso e la tensione all’interno del diodo (a livello intuitivo questo lo si può comprendere pensando che ad un aumento del potenziale elettrico corrisponde un aumento di particelle cariche spostate e quindi ad un aumento di fotoni emessi).

Per i LED di potenza le correnti possono variare da 100 mA a 1500 mA, con un valore tipico di 350 mA. Per valutare la potenza di funzionamento del singolo diodo occorre quindi moltiplicare la corrente per la tensione applicata, secondo la legge di Ohm: P = V * I.
La tensione applicata varia in base alla corrente secondo un grafico come quello seguente:

Grafico corrente-tensione per le ultime tipologie di power-LED

In questo caso si può vedere ad esempio come ad una corrente di 350 mA corrisponda un voltaggio di 3,2 V per un LED bianco e quindi una potenza assorbita di 1,12 W; per una corrente di 700 mA corrisponde un voltaggio di 3,4 V e quindi una potenza assorbita di 2,38 W. In realtà non è quindi vero quello che generalmente si vede stampato nelle caratteristiche delle sorgenti a LED e cioè che ogni singolo diodo assorba 1 W.

2.2 Flusso luminoso

Abbiamo visto che aumentare la corrente di pilotaggio significa aumentare il flusso luminoso emesso da un diodo LED: per questo motivo i produttori indicano il flusso luminoso emesso relativo ad una corrente di riferimento (generalmente pari a 350 mA); inoltre questo flusso è relativo ad una temperatura di giunzione di laboratorio pari a 25°C.
La variazione di temperatura di giunzione (descritta nel paragrafo successivo) e di corrente di pilotaggio comporta una notevole differenza nel flusso emesso.
Ad esempio, per lo stesso diodo LED visto sopra, abbiamo questo rapporto fra flusso emesso e temperatura di giunzione:

Grafico flusso luminoso – temperatura di giunzione per le ultime tipologie di power-LED

Il produttore indica per 350 mA e Tj=25°C un flusso luminoso pari a 114 lm.
Per temperature di giunzione che si aggirano attorno ai 70°C, vediamo che già il flusso si riduce del 10% circa e quindi si ottiene un flusso di circa 102 lm.

Il rapporto fra corrente di pilotaggio e flusso emesso è invece il seguente:

Grafico corrente di pilotaggio – flusso emesso per le ultime tipologie di power-LED

In questo caso si vede come a 350 mA il flusso rimanga invariato (e quindi, per una temperatura di giunzione Tj=70°C, un flusso di 102 lm); a 700 mA invece abbiamo un aumento del 170% circa (e quindi, sempre per una temperatura di giunzione Tj=70°C, un flusso di 173 lm).

A questo punto siamo quindi in grado di valutare l’efficienza luminosa nel due casi:

per I=350mA, Tj=70°C, abbiamo h=91 lm/W

per I=700mA, Tj=70°C, abbiamo h=73 lm/W

Per questo motivo è generalmente controindicato aumentare la corrente di pilotaggio al fine di aumentare il flusso luminoso (poiché alla perdita di efficienza si somma anche una diminuzione dell’aspettativa di vita del diodo LED, come vedremo in seguito).

2.3 Temperatura di giunzione

La temperatura di giunzione (indicata come Tj) risulta essere un parametro fondamentale per determinare il buon funzionamento di un LED.

Schema della dissipazione all’interno di un diodo LED

Con questo termine viene indicata la temperatura della giunzione che costituisce il nucleo del LED; la temperatura massima è determinata dal produttore del dispositivo in modo da porre un limite invalicabile per una vita operativa ragionevole del componente.
Questa temperatura è strettamente collegata al flusso luminoso emesso e alla durata: maggiore è la temperatura, maggiore la riduzione del flusso luminoso e minore la durata della sorgente LED.
Un diodo LED deve pertanto poter resistere alle alte temperature e i dispositivi di dissipazione a corredo devono essere dimensionati con cura.
Ad oggi non è possibile misurarla direttamente e le indicazioni dei vari produttori si riferiscono quindi a formule sperimentali che cercano per quanto possibile di riprodurre il comportamento della giunzione; senza entrare troppo nello specifico è facile capire che una misura non diretta può portare facilmente ad errori sperimentali, che si accumulano fino a rendere molto incerto il risultato finale. I dati inoltre si riferiscono a misure fatte in laboratorio, in condizioni al contorno stabili, che non tengono conto delle reali oscillazioni nei valori di temperatura e corrente presenti in un impianto reale.
Un dato di massima per definire la temperatura di giunzione può essere fornito della temperatura della piastra su cui il LED è saldato, poiché appare ovvio che la temperatura di giunzione sarà comunque superiore ad essa. Nelle installazioni su strada, in base a queste evidenze sperimentali, si registrano temperature di giunzione costantemente sopra i valori indicati dai produttori.
In definitiva risulta fondamentale l’apparato dissipativo posto a corredo dell’apparecchio di illuminazione: l’indicazione generale è quella di non considerare i dati forniti dal produttore come definitivi e di verificare con attenzione il metodo utilizzato nelle saldature dei diodi e la superficie e il materiale dei dispositivi di dissipazione.

2.4 Vita utile del LED

Per le sorgenti tradizionali storicamente si intende come “vita utile” il lasso di tempo intercorso dall’accensione al momento in cui una certa percentuale di lampade smette di funzionare.

Grafico Weibull per le apparecchiature elettroniche

Il parametro di riferimento è generalmente definito da una mortalità del 10% delle sorgenti luminose (indicata dalla sigla B10); una mortalità del 50% definisce invece la cosiddetta “vita media” (indicata dalla sigla B50). Per interpolare questi dati si utilizza la variabile casuale di Weibull (vedi il grafico soprastante), che definisce una curva di sopravvivenza delle sorgenti e che viene normalmente utilizzata in ambito industriale per tutte le applicazioni elettroniche.
Le sorgenti luminose a LED invece non tendono a spegnersi improvvisamente esaurita la loro vita utile: i diodi LED nel tempo diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso iniziale fino ad esaurirsi completamente in un periodo molto lungo (a meno di rotture improvvise ovviamente).
Per questo motivo occorre provvedere con termini di confronto che sono del tutto diversi da quelli utilizzati oggi.
Il parametro più utilizzato nella definizione di vita utile è stato definito da un gruppo industriale produttore di Power LED, la “Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies” (ASSIST), la quale ha determinato che il mantenimento del 70% del flusso iniziale corrisponde al limite inferiore al di sotto del quale l’occhio umano percepisce una riduzione della luce emessa (e quindi si può supporre che una riduzione del flusso iniziale del 30% sia accettabile per la maggioranza delle applicazioni): per questo motivo viene definita come vita utile di un LED il tempo trascorso prima che venga raggiunto questo limite (indicato generalmente come L70 che sta per “lumen maintenance 70%”).

Per definire il mantenimento del flusso luminoso nel tempo esistono diverse metodologie; ad oggi la più usata risulta quella definita dallo standard IES LM-80 – Measuring lumen maintenance of LED light sources. Il metodo si basa sulla misurazione del flusso luminoso di una sorgente LED pilotata a seconda delle correnti definite dal produttore a tre diverse temperature (55°C, 85°C ed una terza a scelta) e per un periodo di tempo non inferiore a 6000 ore (con misurazioni almeno ogni 1000 ore). Questo test non dà specifiche riguardo all’eventuale previsione di decadimento e quindi di vita utile attesa al di fuori delle ore di prove effettuate: tutto quello che si può fare è fornire quindi un’interpolazione sui dati raccolti, come indicato nel grafico seguente:

Grafico che rappresenta l’interpolazione per il calcolo della durata di un LED

In questo caso il produttore ha definito come tempo massimo di interpolazione un tempo pari a 6 volte il tempo realmente impiegato nel test, poiché è risaputo che l’incertezza sperimentale in questo genere di interpolazioni aumenta esponenzialmente con l’aumentare del tempo previsto: questo grafico pertanto è solo un’indicazione di massima, poiché in realtà l’incertezza è estremamente elevata a 150000 h. Se pensiamo ad una media di 4200 ore di funzionamento all’anno significa fare una stima su 35 anni di vita basandosi sul funzionamento di circa 1 anno e mezzo.

Basandosi su queste evidenze sperimentali si può osservare come estremamente importanti ai fini di una buona durata del diodo LED non siano solo la temperatura di giunzione e la corrente di pilotaggio, ma anche la temperatura dell’ambiente circostante e la capacità dissipativa della piastra su cui sono saldati i LED.
Dai seguenti grafici si può osservare come l’aumento della temperatura di giunzione, della temperatura dell’ambiente circostante o l’aumento della corrente di pilotaggio porti ad una drastica riduzione della vita utile (ovviamente tutti i risultati presentati sono solo estrapolazioni dei dati sperimentali).

Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione in funzione della temperatura ambiente

Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione in funzione della corrente di pilotaggio

Come già detto in precedenza, a livello sperimentale risulta abbastanza complicato definire una durata attesa di oltre 100000 h sulla base di sole 6000 h di funzionamento; inoltre mancano del tutto informazioni relative alla percentuale di sorgenti a LED il cui flusso risulta al di sotto dei risultati attesti, perché se è vero che quasi nessun diodo LED nelle prove sperimentali si spegne improvvisamente, è altrettanto vero che molti di questi presenteranno un flusso luminoso al di sotto delle curve di interpolazione presentate nei grafici sovrastanti.
Per questo motivo appare meritevole l’indicazione di alcuni produttori anche della percentuale di lampade che si attestano su valori di flusso luminoso al di sotto del delta dei valori attesi per la curva considerata (in questo modo tale percentuale di fallimento sostituisce la percentuale di mortalità delle vecchie lampade).
Dai grafici sottostanti si può osservare come passare da una percentuale di fallimento del 50% ad una del 10% comporti una restrizione notevole nei valori di aspettativa di vita utile.

Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione con B50

Grafico rapporto durata vita- temperatura giunzione con B10

I grafici presentati sono sicuramente più completi, in quanto definiscono due diverse versioni in base alla percentuale di fallimento attesa.
Inoltre è degno di nota il fatto che le curve sono state “tagliate” a 60000 ore di effettivo utilizzo poiché a detta dello stesso produttore, anche in presenza di dati statistici significativi, è opportuno limitare la durata di vita attesa a valori comunque certi (poiché sembra logico prevedere una durata minore e poi eventualmente sbagliarsi che prevederne una maggiore e poi accorgersi che il funzionamento non è quello atteso).

Questa lunga digressione sulla durata della vita ed il mantenimento del flusso risulta fondamentale per definire un corretto coefficiente di manutenzione di un apparecchio di illuminazione a LED.
Definito infatti il coefficiente di manutenzione (secondo CIE 154:2003 – The Maintenance of outdoor lighting systems)come U = LLMF x LSF x LMF, abbiamo che il coefficiente LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) rappresenta il mantenimento del flusso luminoso a fine vita della sorgente luminosa (pari pertanto a 0,70 nel caso di L70), mentre LSF (Lamp Survival Factor) rappresenta la percentuale di sorgenti sopravvissute a fine vita (pari pertanto a 0,90 nel caso di B10; in questo caso la sorgente non si spegne ed ha solo un flusso inferiore a quello stabilito, ma agli effetti del calcolo appare prudente non tenerne conto o comunque pensare alla resa delle sorgenti difettose come pari a metà di quella sana. In questo caso allora per B10 si avrebbe LSF=0,95). Il parametro LMF (Luminaire Maintenance Factor) dipende invece dallo sporco accumulatosi sull’apparecchio, dalle condizioni atmosferiche e dall’intervallo di manutenzione; per un’installazione stradale tipica può aggirarsi attorno allo 0,90 – 0,95 con intervalli di manutenzione di 2 – 3 anni.
In base a questi dati risulta che il coefficiente di manutenzione è ben lungi dallo 0,80 utilizzato normalmente nei calcoli illuminotecnici per le applicazioni stradali.

2.5 Temperatura di colore

La temperatura di colore, la cui unità di misura è il Kelvin (K), ha come riferimento l’emissione del corpo nero o la curva di Plank; ricordiamo che in fisica un corpo nero è un oggetto che assorbe tutta la radiazione elettromagnetica incidente (e quindi non ne riflette) ed il cui spettro dipende unicamente dalla sua temperatura.
Lo spettro luminoso emesso da un corpo nero presenta un picco di emissione determinato, in base alla legge di Wien, esclusivamente dalla sua temperatura.

Spettro del corpo nero

Una sorgente reale, pur essendo abbastanza differente da un corpo nero, conserva questa proprietà e quindi in generale ad una temperatura bassa corrisponde ad un colore giallo-arancio, mentre un’alta temperatura corrisponde ad un colore azzurro.

Una sorgente a LED nasce come sorgente quasi monocromatica, il cui colore dipende dal materiale utilizzato nella sua fabbricazione; per le applicazioni stradali vengono utilizzati semiconduttori InGaN, che hanno spettro luminoso tendente al blu e che ad oggi determinano il massimo flusso luminoso possibile per un diodo LED.
Per ovviare a questo inconveniente e produrre emissioni su tutto lo spettro del visibile si ricorre alla cosiddetta “conversione della luminescenza”; questo metodo consiste nell’applicazione di uno strato di fosfori al diodo in modo da convertire parte della radiazione nelle porzioni di spettro rosso e verde mancante. La resa cromatica in questo caso viene penalizzata per la quasi assenza nello spettro emesso della componente rossa, come indicato nel paragrafo seguente.
Un metodo che produce risultati più soddisfacenti, ma che penalizza purtroppo le prestazioni del LED, è quello di applicare una combinazione di fosfori tricromatici, in modo da convertire tutta la radiazione nella banda del visibile.
In ogni modo la temperatura di colore del bianco prodotto dipende dalla quantità di fosforo usata nel rivestimento: la luce “bianca fredda” (o “cold white”) viene prodotta diminuendo la quantità di fosfori, la luce “bianca calda” (“warm white”) viene prodotta aumentandola.

Schema delle varie temperature di colore

E’ facile intuire che la massima efficienza luminosa si ottiene applicando la minima quantità di fosfori possibile; in questo caso lo spettro emesso, definito “cold white” per la dominante blu (dai 6500 K circa in su), non appare molto indicato per l’illuminazione esterna per diversi motivi:

luce emessa fredda e con dominante bluastra

maggiore senso di abbagliamento

appiattimento dei contorni

possibile interferenza con la produzione di melatonina

Per ottenere sorgenti luminose con temperature di colore minori, denominate “natural white” (dai 4000 K circa ai 6000 K circa) o “warm white” (4000 K circa o meno), che determinano una migliore qualità della luce, occorre aumentare la quantità di fosfori applicati: questo fa calare drasticamente le prestazioni delle sorgenti LED e pertanto temperature di luce più calde hanno rese luminose fino al 40% inferiori.

2.6 Costanza del colore

Il procedimento di fabbricazione dei LED e di applicazione dei fosfori è un procedimento delicato e passibile di errori: per questo motivo si è scelto di suddividere le zone di appartenenza cromatica dei vari lotti prodotti in diversi settori (chiamati bin) definiti sul diagramma di cromaticità CIE 1931, sulla base di ellissi di MacAdam più o meno ampie (l’ANSI propone ad esempio un diametro di 4-step). In questo modo anziché cambiare il procedimento di produzione per ogni diversa tipologia di LED è possibile definire a posteriori l’area di omogeneità di colore.
Ovviamente il costo richiesto per diodi LED aumenta tanto più stringente si fa l’area di escursione dei bin.

Per stabilire la temperatura di colore della sorgente a LED si fa riferimento alla temperatura di colore correlata (CCT), costituita dai segmenti isotemperatura che incrociano la curva del luogo plankiano.
Ai fini dell’illuminazione stradale appare importante garantire una certa omogeneità nel colore delle sorgenti a LED, in quanto appare evidente che la forte escursione lungo la scala cromatica potrebbe generare un affaticamento nel compito visivo.

Le tabelle seguenti indicano una possibile suddivisione in bin per LED “cold white” (primo grafico) e “neutral white” e “warm white” (secondo grafico).

Schema di BIN tipici per power LED

2.7 Indice di Resa cromatica

L’Indice di Resa Cromatica Ra (chiamato in inglese CRI, Color Rendering Index), è una valutazione qualitativa sull’aspetto cromatico degli oggetti illuminati e non va confusa con la temperatura di colore: due sorgenti con temperatura di colore identica possono avere un Ra diverso, come indicato dalla tabella seguente.
Questo parametro indica in che modo una sorgente è in grado di mantenere inalterato il colore di un oggetto da essa illuminato: varia in una scala da 0 a 100, dove 0 rappresenta il minimo e 100 indica il massimo di Resa Cromatica.
Il metodo, definito dallo standard CIE 13.3-1995, si basa sul calcolo delle differenze che una serie di campioni di colore presenta al variare dell’illuminazione della sorgente di riferimento rispetto a quella in esame: proprio per l’arbitrarietà sulla scelta dei colori presi in considerazione, questo indice rappresenta un valore abbastanza soggettivo. Può accadere infatti che sorgenti con lo stesso Ra emettano bande di colore molto diverse fra loro, oppure è possibile avere una sorgente con un elevato Ra che non abbia alcuna emissione dello spettro in diverse lunghezze d’onda (come appunto avviene per le sorgenti LED).

Spettro di emissione tipico di un LED a luce bianca

La migliore emissione possibile per l’occhio umano dovrebbe corrispondere ad una emissione continua lungo tutto lo spettro, senza picchi o avvallamenti.
Come si può notare dal grafico soprastante, che definisce l’emissione di una tipica sorgente a LED, lo spettro non è continuo, perché presenta un gap enorme sull’emissione del rosso; una lampada a ioduri metallici ad esempio ha uno spettro più continuo e quindi una valenza cromatica sicuramente maggiore, come si può vedere dal grafico sottostante.

Spettro di una lampada ad alogenuri metallici

Questa intuizione sperimentale viene ribadita dal rapporto CIE 177:2007, nel quale la commissione internazionale per l’illuminazione ha stabilito che il CRI non può essere applicato alle moderne sorgenti bianche a LED. Si può leggere infatti che il parametro di resa cromatica “generalmente non può venire applicato per definire un indice di classificazione di resa cromatica di una serie di sorgenti luminose in cui siano inserite sorgenti bianche a LED” e che “l’applicazione dell’indice di resa cromatica correntemente definito dalla CIE (secondo lo standard del 1995) è notevolmente limitata se riferita alle sorgenti bianche a LED. Infatti è possibile ad esempio che sorgenti storicamente ritenute con CRI elevato possano venire visualmente classificate al di sotto di sorgenti bianche a LED che in realtà avrebbero CRI minore”.
Alla luce di queste evidenze sperimentali risulta necessario riconsiderare l’indice di resa cromatica come parametro di valutazione per le sorgenti LED; in particolar modo si consiglia di seguire le seguenti raccomandazioni:

il CRI può essere un parametro da tenere in considerazione se la restituzione fedele dei colori è fondamentale per il compito visivo considerato;
il CRI generalmente andrebbe valutato solo tra sorgenti con la medesima temperatura colore;
differenze sotto ai 5 punti di valutazione non sono significative per la distinzione di due diverse sorgenti luminose (ad esempio due sorgenti rispettivamente con CRI 80 o CRI 84 sono essenzialmente identiche);
occorre valutare sempre la resa degli apparecchi a LED dal vivo e di persona.

3. Valutazioni sull’Indice di Resa Cromatica e la norma UNI 11248

Poiché le sorgenti a LED generalmente non presentano un’efficienza paragonabile alle sorgenti a scarica, diversi produttori cercano di colmare il divario basandosi sul prospetto 3 della norma UNI 11248, il quale afferma che sorgenti con Ra>60 possono usufruire di uno sconto di categoria nell’analisi dei rischi.
Questi valori però, come cita la norma stessa “sono forniti a titolo informativo”, cioè non hanno valore normativo e possono pertanto essere modificati o ampliati in base alle necessità riscontrate dal progettista illuminotecnico. Ogni progetto illuminotecnico rappresenta un caso a sé e quindi risulta impossibile definire “a priori” la possibilità o meno di uno sconto di categoria.

Occorre capire che non è il coefficiente di resa cromatica a definire una migliore visione notturna, ma la luce bianca (che, in via convenzionale, viene ricondotta ad un Ra>60); abbiamo già visto le problematiche insite nella valutazione dell’Indice di Resa Cromatica per una sorgente bianca a LED ed inoltre il “buco” presente attorno ai 500 nm potrebbe non garantire una capacità scotopica paragonabile ad esempio a quella delle sorgente a ioduri metallici (come indicato in seguito).
Negli ultimi anni infatti diverse università ed agenzie di ricerca hanno dimostrato che sorgenti a luce bianca possono comportare un miglioramento delle prestazioni in ambito notturno, ma solo per la visione periferica.

Riguardo a questo ultimo punto appare doveroso un ulteriore approfondimento: è noto che il CIE ha definito due curve di ponderazione, riportate nel disegno sottostante, che misurano l’efficienza visuale a varie lunghezze d’onda nel caso di luminosità diurna (curva bianca – visione fotopica) e notturna (curva nera – visione scotopica).
Dal grafico si può notare come la visione fotopica abbia un picco corrispondente alle lunghezze d’onda di una luce giallo-verde, mentre quella scotopica di una luce azzurra: lo spostamento del massimo di sensibilità, dovuto all’utilizzo prima dei coni e poi dei bastoncelli è denominato effetto Purkinije.

Curve di visibilità

I bastoncelli, che funzionano in condizioni di bassa visibilità, vedono meglio il blu di quello che fanno i coni, i quali possono vedere luce profondamente rossa, luce che per i bastoncelli appare nera. Lo possiamo sperimentare di persona prendendo due pezzi di carta colorata rossa e blu: in condizioni di buona luminosità, risulta più luminoso il pezzo rosso, passando all’oscurità l’effetto si inverte.
A livello internazionale, è stata scelta la curva fotopica per “mediare” i valori del flusso luminoso uscente dalle singole sorgenti.
Questo però porta a due problemi: il primo è dovuto al fatto che l’illuminazione stradale si colloca in un ambito che non è né fotopico né scotopico e che viene appunto chiamato mesopico (definito generalmente dall’intervallo di luminanza compreso fra 0,001 e 3 cd/mq); il secondo, strettamente legato al primo, è quello che in tale ambito la valenza della curva di ponderazione fotopica non è del tutto esatta e vale solo per angoli di visione estremamente piccoli.
Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi sull’illuminazione mesopica, di cui alla fine dell’articolo sono forniti alcuni esempio che probabilmente confluiranno nel documento di studio denominato CIE TC1-58.
Grazie a questi studi è emerso che la sensibilità spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesopica per angoli visuali ristretti e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze . Invece, in situazioni in cui le informazioni vengono catturate anche da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), i bastoncelli assumono un ruolo dominante: in questi casi una lampada con forte componente blu dello spettro luminoso apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità.

Angoli di visione notturna

I modelli di curve mesopiche proposti da questi studi e da successive modificazioni indicano un aumento relativo della luminosità percepita con sorgenti a forte componente blu dello spettro (con alto indice S/P e cioè rapporto fra ponderazione scotopica e ponderazione fotopica) per la visione periferica, così come indicato dalla tabella sottostante:

Tabella di visibilità mesopica

Questa tabella ci dice ad esempio che, per una lampada a sodio alta pressione (HPS), anzichè 1 cd/mq, in condizioni mesopiche vengono percepite 0,927 cd/mq; per una lampada a luce bianca, come quelle agli alogenuri (MH) anzichè 1cd/mq si percepiscono 1,18 cd/mq.
Ancora più evidente è una tabella in cui, in base ai vari rapporti S/P (per una lampada ad alogenuri ed un LED indicativamente si considera S/P=2,35) vengono indicate le divergenze percentuali fra la luminanza percepita secondo il “vecchio” modello fotopico ed il nuovo “mesopico”:

Tabella di visibilità mesopica in percentuale

Questo schema ci dice due cose:

Una sorgente a luce bianca diviene fondamentale allorché ci siano precise esigenze di visione periferica (visibilità dei pedoni sul marciapiede e degli ostacoli laterali)
Lo sconto di categoria proposto dalla UNI 11248 può venire proposto solo per basse luminanze (inferiori alle 0,75 cd/mq e quindi solo per strade inferiori alla categoria ME4): infatti, come si legge dal grafico, nel caso di una luminanza di 1 cd/mq di riferimento (cioè seguendo l’attuale ponderazione fotopica) abbiamo per una lampada al sodio 0,927 cd/mq (riduzione del 7%) che non giustifica l’aumento di una categoria, così come proposto dalla UNI 11248 e, ancora più importante, per una lampada a luce bianca 1,18 cd/mq (aumento del 18%) che ancora non giustifica lo sconto di categoria. Solo per una luminanza di 0,3 cd/mq abbiamo per una luce bianca 0,39 cd/mq (aumento del 30%) e quindi una giustificazione dello sconto di categoria.

Sarebbe pertanto auspicabile che la UNI 11248 venisse modificata in modo tale da prendere in considerazione questi parametri, piuttosto che fornire generiche informazioni riguardo alle possibili declassificazioni (visto che nella corrispettiva norma prEN UNI 13201:1 non vi è traccia dei parametri indicati nella tabella della UNI 11248).

Mi rendo conto che il tema è molto spinoso e pertanto risulta difficile esaurirlo in queste poche righe (cui spero di sopperire presto con un articolo dedicato): quanto detto vale unicamente come spunto di riflessione per tutti coloro che pretendono l’immediata declassificazione delle strade in qualsiasi condizione e per qualsiasi categoria illuminotecnica.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

Illuminazione stradale a LED – 3^ parte

Riferimenti:

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CEI EN 62031:2009 – Moduli LED per illuminazione generale – Specifiche di sicurezza
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UNI EN 13032-1:2005 – Luce e illuminazione – Misurazione e presentazione dei dati fotometrici di lampade e apparecchi di illuminazione
CIE 127:2007 – Measurement of LEDs
Draft IEC 62504 – Terms and definitions for LEDs and LED modules in general lighting
Draft IEC 62560 – Self-ballasted LED-lamps for general lighting services >50 V - Safety specifications
Draft IEC 62612 – Self-ballasted LED-lamps for general lighting services >50 V – Performance requirements
Draft IEC 61341 – Method of measurement of centre beam intensity and beam angle(s) of reflector lamps – including LED
IES LM – 79-08 – Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products
CIE TC2-46 – CIE/ISO standards on LED intensity measurements
CIE TC2-50 – Measurements of the optical properties of LED clusters and arrays
CIE TC2-58 – Measurements of LED radiance and illuminance
CIE TC2-63 – Optical measurements of high-power LEDs
CIE TC2-66 – Terminology of LEDs and LED assemblies

Tecnologia a LED per l’illuminazione:

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L. Di Fraia (a cura di), Illuminazione a LED oggi: chimera o realtà?, convegno del 13 marzo 2009 all’ Università di Napoli Federico II
CSS Street Lighting Project, SL1/2007 – Review of the class and quality of street lighting
Guida di CieloBuio ai LED: 1^parte e 2^parte

Schede tecniche diodi power-LED:

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H. Walkey, P. Orreveteläinen, J. Barbur, et al., Mesopic visual efficiency II: Reaction time experiments, Lighting Res Technol. 39
G. Várady, A. Freiding, M. Eloholma, et al., Mesopic visual efficiency III: Discrimination threshold measurements, Lighting Res Technol. 39
T Goodman, A Forbes, H Walkey, et al., Mesopic visual efficiency IV: A model with relevance to nighttime driving and other applications, Lighting Res Technol. 39
CIE TC1-58 – Visual performance in the mesopic range
CIE TC2-65 – Photometric measurements in the mesopic range

Sicurezza dei sistemi LED:

G. C. Brainard , J. P. Hanifin, et al., Action spectrum for melatoninregulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor, Journal of Neuroscience, 21(16).
G. Glickman, R. Levin, G. C. Brainard, Ocular Input for Human Melatonin Regulation: Relevance to Breast Cancer, Neuroendocrinology Letters, 23 (suppl 2)
E. Haus, M. Smolensky, Biological clocks and shift work: circadian dysregulation and potential long-term effects, Cancer Causes Control 17
K. Navara, J. Nelson, The dark side of light at night: physiological, epidemiological, and ecologicalconsequences, J. Pineal Res. 43
CIE TC6-55 – Photo-biological safety of LEDs

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Illuminazione di interni a LED – uffici e scuole

27 gennaio 2010 alle 11:23 am | Pubblicato in Illuminotecnica | 19 commenti
Etichette: Flusso luminoso, Illuminazione interni, Illuminazione LED, Illuminazione scuole, Illuminazione uffici, Illuminotecnica, LED, Risparmio energetico

egli articoli precedenti mi sono occupato dell’illuminazione stradale a LED, cercando di far comprendere come gli apparecchi LED per l’illuminazione stradale non sono così straordinari come si vuol far credere; da che mondo è mondo l’evoluzione tecnologica avanza sempre a piccoli passi: poco alla volta riusciremo ad avere prodottti più performanti delle vecchie tecnologie al sodio, ma non subito e nemmeno l’anno prossimo.

L’intervento di Alberto (vedi qui) ha invece ampliato il discorso anche all’illuminazione per interni. Da diverso tempo i produttori hanno messo a catalogo anche apparecchi per interni a LED; purtroppo anche in questo caso si riscontra spesso e volentieri la tendenza a “cavalcare l’onda” per riuscire a vendere il maggior numero di prodotti, che risultano spesso scadenti o comunque senza una seria progettazione illuminotecnica alle spalle.
Lo dimostra il fatto che gran parte degli apparecchi visti nei cataloghi sono semplici “customizzazioni” in cui alle sorgenti tradizionali sono state sostituite sorgenti a LED, senza tener conto delle peculiarità e dei vantaggi che queste potrebbero fornire in sede progettuale (estrema direzionalità, possibiltà di definire diverse aperture, ecc..).

1) Il compito visivo e i livelli di illuminamento

Uno dei parametri fondamentali cui fare riferimento nella progettazione illuminotecnica di interni è rappresentato dal livello di illuminamento (espresso in lux) sui vari piani di riferimento (cioè i piani su cui ha luogo il compito visivo preso in considerazione, come ad esempio il piano della scrivania); generalmente, questo viene considerato a 85 cm dalla quota pavimento (altezza media di un piano di lavoro).
I fattori che influenzano la scelta dipendono da una serie di condizioni al contorno definite in base al compito che si andrà a svolgere e che possono essere le dimensioni minime dei dettagli da riconoscere, il colore prevalente del compito visivo, l’età degli osservatori, ecc..

La norma europea UNI-EN 12464-1 definisce i valori di illuminamento medio mantenuto richiesti sui luoghi di lavoro e pertanto costituisce un importante riferimento per i progettisti. Va notato che il livello di illuminamento non è il solo parametro di controllo indicato, perchè a questo si affiancano il rispetto dell’illuminamento nelle zone circostanti, la riduzione dell’abbagliamento molesto (fattore che va preso in seria considerazione per luci direzionali come quelle dei LED), la resa cromatica ed eventualmente la temperatura di colore. Per un ulteriore approfondimento sui parametri da rispettare rimando all’articolo pubblicato da Giacomo Rossi su luxemozione a riguardo.

Per gli uffici si richiede generalmente un illuminamento medio di 500 lux (che può scendere a 300 per archivi e reception) con UGR di 19 e resa Ra di 80.

Per gli edifici scolastici le richieste sono più ampie (vista la diversità di spazi presenti) ; per le aule scolastiche si richiede un illuminamento medio di 300 lux con UGR di 19 e Ra di 80.

2) Il decadimento dell’impianto

L’efficienza di un impianto varia nel tempo in relazione alla riduzione del flusso luminoso emesso dalle sorgenti, all’eventuale rottura delle stesse, all’insudiciamento delle pareti dei locali e degli arredi, all’impolveramento degli apparecchi.

Per valutare il decadimento nell’efficienza dell’impianto viene così definito un fattore di manutenzione (MF) come: “Il rapporto tra l’illuminamento medio sul piano di lavoro dopo un certo periodo di uso dell’impianto (prima manutenzione) rispetto al valore medio dell’illuminamento ottenuto sotto le stesse condizioni quando l’impianto è nuovo” (IEC/CIE 17.4).
Questo si rivela essere un parametro di fondamentale importanza per la progettazione, in quanto, secondo la UNI EN 12464-1 il progettista deve:

stabilire il fattore di manutenzione ed elencare tutte le ipotesi richieste per la valutazione di questo valore;
specificare gli apparecchi di illuminazione adatti per l’ambiente;
preparare un programma completo di manutenzione in cui si devono indicare: la frequenza con cui si devono sostituire le lampade, gli intervalli di pulizia degli apparecchi di illuminazione e del locale, ed il metodo di pulizia più adeguato.

Per una valutazione adeguata del fattore di manutenzione si fa riferimento alla pubblicazione CIE 97/2-2005 “Maintenance of eletric indoor lighting systems”, la quale indica il fattore di manutenzione come prodotto di quattro parametri:

MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF

in cui:

LLMF indica la riduzione del flusso speficia di una lampada nel corso della sua durata;
LSF indica la percentuale di lampade ancora funzionanti trascorso un certo intervallo di manutenzione;
LMF indica il calo di efficienza di un apparecchio dovuto alla sporcizia che si accumula trascorso un certo intervallo di manutenzione/pulizia;
RSMF indica il calo degli indici di riflessione delle superfici perimetrali, dovuto alla sporcizia che si accumula trascorso un certo intervallo di manutenzione/pulizia.

Generalmeste si consiglia di adottare un fattore di manutenzione basso poichè, in realtà, operazioni quali la pulizia degli apparecchi o la sostituzione delle lampade avvengono molto di rado.

Per quanto riguarda il parametro LMF di seguito si riportano i valori più comuni in base al tipo di installazione, al tempo trascorso fra due intervalli di manutenzione, alla pulizia del locale:

: Valori raccomandati per LMF

Per quanto riguarda il parametro RSFM occorre innanzitutto introdurre un nuovo parametro, chiamato indice del locale, definito come:

in cui:

a è la lunghezza del locale
b è la larghezza del locale
hu è l’altezza utile, definita come distanza fra apparecchio e piano di lavoro

Definito K è possibile utilizzare la tabella seguente:

: Valori raccomandati per RSMF

Per quanto riguarda invece i valori di LLMF e LSF il discorso si fa più arduo; per le lampade tradizionali è possibile derivare questi valori da tabelle più o meno standard, come la seguente:

Valori raccomandati per LLMF e LSF

Ovviamente, qualora sia prevista la singola sostituzione delle sorgenti (ad esempio per la sostituzione di un tubo al neon prima che questo esaurisca la sua vita utile) è possibile adottare LSF = 1.

Per le sorgenti a LED la determinazione della “vita utile” e dei vari parametri di LLMF durante il ciclo di vita appare più problematica, come già ho avuto modo di discutere (vedi la prima parte degli articoli sui LED).
Se prendiamo in considerazione il parametro standard di valutazione dei diodi LED (cioè la valutazione di fine vita come L70) allora avremmo LLMF=0,7; nel caso in cui volessimo un parametro più alto sarà necessario considerare una vita utile inferiore alle 50000 ore dichiarate (ma in questo caso non si comprenderebbe il vantaggio dei LED).
Inoltre nel caso in cui si utilizzino moduli LED intercambiabili e sostituibili all’interno dell’apparecchio allora anche in questo caso avremo LSF=1, altrimenti occorrerebbe sapere la mortalità dei diodi LED all’interno di un modulo per calcolare anche questo valore.

3) Metodo del flusso totale

Una volta che il progettista ha definito le tipologie di apparecchi impiegati e il tipo di manutenzione da adottare affinchè il sistema rimanga efficiente, è possibile definire il numero di apparecchi necessari attraverso il metodo tradizionale del flusso totale CIE.

Questo metodo si avvale del cosiddetto fattore di utilizzazione dell’apparecchio (Fu), che indica in sostanza quanta luce emessa dalla sorgente arriva sul piano di lavoro stabilito (perchè una parte della luce emessa verrà persa per le riflessioni interne, per l’assorbimento da parte delle pareti, ecc..).
Il fattore di utilizzazione degli apparecchi viene tabellato dai produttori in base all’indice del locale e ai coefficienti di riflessione delle pareti e del soffitto, come nell’esempio seguente:

Alcuni fattori di utilizzazione per diverse tipologie di apparecchi

Per l’indice del locale si ricorre alla formula vista sopra, per i coefficienti di riflessione è possibile utilizzare la tabella seguente:

Coefficienti di riflessione

Una volta definito il fattore di utilizzazione, è quindi possibile calcolare il flusso luminoso utile totale necessario per la corretta illuminazione del locale attraverso la formula:

in cui:

E è l’illuminamento medio definito dalla UNI EN 12464-1
A è l’area del locale
Fu è il fattore di utilizzazione, come visto sopra
MF è il fattore di manutenzione, come visto sopra

Il valore che si ottiene indica il flusso luminoso totale che le sorgenti presenti all’interno dell’apparecchio devono avere per poter illuminare correttamente il locale: se si divide questo parametro per il flusso di una singola sorgente, si otterrà il numero di sorgenti necessarie; se si divide per il numero di apparecchi che si vuole utilizzare, si otterrà il flusso minimo che le sorgenti all’interno dell’apparecchio illuminante devono fornire.

Ovviamente il calcolo così effettuato è un calcolo di massima, che dovrebbe poi essere verificato con programmi illuminotecnici dedicati.

Esempio di calcolo con DIALux

4) Calcolo dell’abbagliamento: curve di Sollner e UGR

Fino all’introduzione dell’indice unificato di abbagliamento (o UGR) dalla norma UNI EN 12464-1, il sistema maggiormente utilizzato per la valutazione dell’abbagliamento negli interni fa riferimento al metodo delle curve limite CIE (o diagramma di Sollner). Questo metodo si basa sulle ricerce empiriche di Sollner, che legano il fattore di abbagliamento alla luminanza degli apparecchi verso l’osservatore, alla dimensione della stanza e al livello di illuminamento presente.
La valutazione avviene pertanto tramite un grafico che mette in relazione cinque classi di qualità (A,B,C,D,E) a seconda del grado di impegno richiesto dal compito visivo che si svolge all’interno del locale (tutti i locali per ufficio e scolastici rientrano nella classe B tranne per il caso di lavoro ai videoterminali per cui si prevede la classe A) e l’illuminamento presente sul piano di lavoro.

Esempio di diagramma di Sollner per apparecchio senza schermi laterali

Una volta individuata la classe di qualità e l’illuminamento medio sul piano di lavoro, si trova la corrispondente curva limite CIE e quindi si calcolano i valori di luminanza dell’apparecchio per le direzioni di emissione relative ai posti di lavoro del locale in oggetto e si controllo che i valori ottenuti risultino inferiori a quelli indicati dalla curva limite del diagramma per le direzioni corrispondenti. Questo metodo assume calidità per gli apparecchi di illuminazione “visti” da ogni operatore sotto un angolo uguale o inferiore a 45° rispetto all’orizzonte dell’osservatore.

L’UGR invece è un indice unificato in campo internazionale sviluppato dalla CIE per la determinazione dell’abbagliamento diretto ed è stato introdotto dalla norma per l’illuminazione degli interni UNI EN 12464-1 a sostituzione della classe di qualità G della vecchia norma UNI 10380, che impiegava le curve limite di luminanza o diagramma di Sollner.
Il valore dell’UGR dipende dalla posizione dell’osservatore rispetto all’impianto, dalla luminanza del singolo apparecchio, dalla dimensione dell’installazione e dell’ambiente e dallo sfondo in cui sono collocati i corpi luminosi. Oscilla tra valori da 10 (nessun abbagliamento) a 30 (abbagliamento fisiologico considerevole) secondo una scala di 3 unità (10,13,16,19,22,25 e 28). Naturalmente più sarà basso il valore e minore sarà l’abbagliamento diretto.
Anche se l’UGR presenta alcune limitazioni applicative (ad esempio non viene definito per apparecchi con componente indiretta superiore al 65%) e non è mai stato universalmente accettato, è un parametro comunque da rispettare e va attentamente calibrato tramite software di calcolo (esiste anche un metodo manuale, ma mi sembra oltremodo brigoso).
Per un approfondimento sull’UGR vi rimando all’ articolo su luxemozione: generalmente un apparecchio con valori di UGR inferiori a 19 avrà un comfort visivo ottimale per l’impiego su postazioni lavoro, aule scolastiche, sale lettura, ma non in quelle situazioni dove il limite massimo è 16, vedi i piani di lavoro per disegno tecnico.

5) Scelta dell’apparecchio

Per ottenere il rispetto dei valori indicati dalla normativa (fra cui i più importanti sono il livello di illuminamento medio e controllo dell’abbagliamento) ma anche una buona visione (per cui non indifferente rimane il controllo dell’uniformità, la resa cromatica, la temperatura di colore, ecc..) la scelta dell’apparecchio rimane la discriminante fondamentale.
Considerando che le direzioni critiche per l’abbagliamento sono quelle superiori all’angolo di 45° dall’orizzontale, è necessario adottare apparecchi che abbiano un totale controllo ottico del fascio, senza penalizzare troppo il rendimento complessivo.
Gli apparecchi con tubi fluorescenti necessitano di un controllo longitudinale: per questo motivo generalmente sono dotati di traversini d’alluminio che schermano la lampada ed ottimizzano l’emissione (questo tipo di ottica viene definita “alveolare”).

Plafoniera "alveolare" per tubi fluorescenti

Un apparecchio a LED invece non dovrebbe necessitare di particolari schermature, in quanto la curva fotometrica viene creata generalmente direzionando in modo opportuno i singoli diodi, al fine di evitare zone di abbagliamento; per questi motivi la costruzione di un apparecchio a LED su cui però vengono montate barre che ricalcano un tubo fluorescente appare quanto mai anomalo: si uniscono gli svantaggi di una sorgente monodirezionale (all’interno del tubo tutti i LED sono allineati allo stesso modo) agli svantaggi del controllo dell’abbagliamento (queste sorgenti vanno comunque schermate, perdendo di rendimento).
A mio parere quindi un apparecchio a LED dovrebbe piuttosto ricalcare la fisionomia degli apparecchi a “luce morbida” (in cui diversi rifrattori consentono di distribuire uniformemente il flusso su una superficie più allargata) e sfruttare la capacità direzionale di ogni diodo LED senza l’ausilio di schermature o riflettori.

Plafoniera a LED a "luce morbida"

Ad ogni modo, le ottiche più diffuse per l’illuminazione di uffici e scuole sono le cosiddette “batwing”, poichè in genere è consigliabile scegliere ottiche che limitano l’emissione nell’intorno dei 25° e che diano la massima inensità tra 30° e 45° (nel caso di uffici senza videoterminali ovviamente, poichè questi richiedono ottiche specifiche, che limitino l’abbagliamento riflesso); inoltre per la schermatura si scelgono ottiche “darklight” (che limitano la luminanza a 200 cd/mq al di sopra dei 60° dalla verticale).

6) Base di confronto

Dai cataloghi dei vari produttori è possibile vedere che una lampada fluorescente lineare modello T5 (16mm di diametro) hanno un’efficienza luminosa superiore ai 95 lm/W con una vita media di circa 20000 ore (LSF=0,5) a LLMF=0,9; le lampade fluorescenti lineari modello T8 (26mm di diametro) hanno un’efficienza luminosa superiore ai 90 lm/W con una vita media di circa 12000 ore (LSF=0,5) a LLMF=0,9.

Una plafoniera a incasso ha un’efficienza LOR=0,50-0,70 a seconda delle applicazioni (questo significa che dal 30% al 50% del flusso luminoso emesso dalla lampada non viene utilizzato); una plafoniera a sospensione può avere anche LOR=0,80 nel caso in cui sia aperta superiormente (ma in questo caso parte del flusso luminoso è impiegato come illuminazione indiretta).

Da quanto detto, si può notare come la limitazione al flusso emesso è data in gran parte dalle caratteristiche dell’apparecchio illluminante, che dovendosi servire di riflettori e schermi, non è molto efficiente: a maggior ragione appare quindi conveniente l’adozione di sistemi a LED senza ottiche secondarie (visto che l’efficienza di un power-led è comparabile a quella delle lampade fluorescenti e che l’inserimento in una plafoniera con le medesime perdite porterebbe a risultati illuminotecnici comparabili).

7) Case studies

Visto che l’argomento è recente, questa sezione verrà completata di volta in volta coi progetti che potrete inviarmi e che confronterò con sistemi tradizionali.

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Illuminazione pubblica a LED – intermezzo

21 ottobre 2009 alle 1:59 pm | Pubblicato in Editoriali, Illuminotecnica | 110 commenti
Etichette: Il giornale dell'ingegnere, Illuminazione Pubblica, Illuminazione stradale, Illuminotecnica, LED, Paolo Soardo, Risparmio energetico, SAP, UNI 11248

urtroppo sono una persona che quando legge un giornale non prende la cosa alla leggera e pretende che gli articoli, soprattutto quelli tecnici, siano in qualche modo sorretti da precisi riferimenti bibliografici (potete quindi immaginare, visto lo stato della stampa italiana, il sentimento con cui ogni giorno mi accingo a leggere un giornale). Per questo motivo la lettura dell’articolo dell’ing. Paolo Soardo uscito sul numero dell’ 11-15 giugno 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” ha suscitato in me un senso di profonda inquietudine e stupore.

In prima pagina infatti si legge che, secondo l’ing. Soardo, le “leggi regionali degli ultimi anni […] con prescrizioni dettagliate […] di fatto bloccano l’innovazione ed aumentano i consumi energetici.”[1]
Ora, siamo sicuri che l’ UNI sia un organo di tutto rispetto, ma mi pare che liquidare in questa maniera leggi approvate da organi altrettanto degni di rispetto sia perlomeno ingiusto; inoltre sminuire in questo modo le leggi regionali rischia di travisare il carattere di fondo con cui sono state costituite, che è quello della limitazione delle dispersioni della luce verso l’alto ed una maggiore attenzione ai consumi energetici degli impianti. Perché se da un lato è vero che il cosiddetto “inquinamento luminoso” solo in minima parte è provocato dal flusso diretto delle sorgenti luminose verso la sfera celeste, appare altrettanto ovvio che limitare queste dispersioni non può che giovare all’economia di un impianto di illuminazione. Inoltre l’adozione da parte di alcun leggi regionali di un rapporto minimo di interdistanza/altezza (affiancato ovviamente all’indicazione di garantire le cd/mq richieste dalle categorie illuminotecniche, senza eccedere nei risultati) limita notevolmente i consumi possibili nelle installazioni stradali.
Negare queste istanze significa voler ancora una volta rimanere impassibili di fronte alle richieste di molti cittadini (non solo associazioni di astrofili) che ritengono loro diritto poter osservare il cielo stellato sopra le loro teste, limitando i consumi (anziché aumentandoli come afferma l’ing. Soardo) ed ottimizzando i sistemi di illuminazione; non esistono solo gli utenti delle strade o i produttori di corpi illuminanti, esistono anche le persone e animali e piante che devono convivere con questi sistemi.
Da che mondo è mondo poi non sono mai state le leggi a bloccare l’innovazione (tanto più leggi regionali se mi è permesso), semmai i conflitti fra poteri contrastanti o le leggi di mercato.

Passando quindi al resto dell’articolo, a pagina 4 dello stesso numero l’ing. Soardo giustamente cita la norma di riferimento per gli impianti di illuminazione stradale, la UNI 11248, e riconosce che la “norma prescrive solo categorie illuminotecniche di riferimento peri vari tipi di strada, che il progettista può modificare in base ad un analisi dei rischi, valutando una serie di parametri di influenza di cui la norma riporta qualche esempio, per indirizzare, ma non imporre, le scelte progettuali”[1] [Ndr: il grassetto è mio].

Fino a qui tutto bene. Poi, così, di punto in bianco, Soardo lancia la sua “boutade”, dicendo che “con la luce bianca si risparmia il 50% di energia rispetto agli impianti attuali dotati di lampade al sodio alta pressione”. Questo dato, a dir poco fantasmagorico, viene giustificato in base al fatto che “da tempo è noto che l’impiego di luce bianca con indice di resa dei colori superiore a 60 agevola la percezione degli ostacoli in visione periferica ed i condizioni mesopiche”.
A parte la totale assenza dei riferimenti bibliografici da cui queste informazioni sono state prese (tanto più in virtù del fatto che l’affermazione sul risparmio è molto pesante), mi sembra molto poco pofessionale presentare questi dati senza nemmeno un esempio pratico di come questo risparmio potrebbe venire conseguito.

1) Un primo paragone

Bene, a questo sopperisco io: prendiamo come esempio una “classica” strada italiana, con carreggiata di 6m, installazione unifilare a 7m e categoria di riferimento ME4b. Per rendere le cose più interessanti consideriamo un apparecchio che monta la lampada al sodio meno performante, quella da 70W e lo confrontiamo con uno dei migliori apparecchi a LED in circolazione, con la stessa tipologia di installazione.

L’apparecchio a LED è un apparecchio fra i più performanti in circolazione, monta 60 LED alimentati a 350 mA ed ha un consumo complessivo di circa 75 W. I calcoli illuminotecnici non sono miei, ma mi sono stati forniti dalla stessa ditta (così non si può dire che baro ):

Vorrei far notare come il coefficiente di manutenzione sia 0,90 e, seppur non lo condivido, ho voluto lasciare apposta i calcoli così come sono.

L’apparecchio a sodio alta pressione invece monta un alimentatore elettronico ed assorbe 75 W (quindi la medesima potenza) ed è montato alla stessa interdistanza:

Come si può vedere, l’apparecchio a LED non consuma di meno; inoltre l’apparecchio a SAP ha le stesse prestazioni con un coefficiente di manutenzione più basso: per entrambi i casi si può stimare un consumo di circa 2,68 W/m.

A questo punto sento già l’obiezione: ma lo sconto di categoria? Facciamo pure i calcoli con lo sconto di categoria, supponendo che non esistano lampade SAP con indice di resa cromatica maggiore di 60 (cosa che al contrario è vera e quindi qualsiasi beneficio usufruito dai LED può benissimo essere esteso ai SAP con indice di resa cromatica più elevato). Grazie a questo sconto, possiamo utilizzare un apparecchio a 40 LED ora.
Ma se facciamo i pignoli, bisognerebbe pure ritoccare il coefficiente di manutenzione che, come già ho spiegato, per un LED dovrebbe essere almeno di 0,73.

In questo caso abbiamo un interdistanza di 26m, per un consumo di circa 1,92 W/m, pari al 28% in meno della sorgente a sodio alta pressione. Insomma: rispetto alla peggiore lampada al sodio in circolazione il migliore degli apparecchi LED, usufruendo anche dello sconto di categoria riesce a risparmiare solo il 28% (in fondo c’era da aspettarselo, visto che passare da 0,75 cd/mq a 0,50 cd/mq c’è un salto di circa il 33%)! Dove è finito il millantato 50% ?!?
Inoltre va notato che l’indice di abbagliamento risulta proprio al limite massimo superiore (cosa che, sommata alla luce bianca, potrebbe provocare effetti fastidiosi).

Ma parliamo di soldi

Voglio essere buono. Ammettiamo pure che coi LED si risparmi il 50%, come dice l’ing. Soardo, e quindi, a titolo esemplificativo, consideriamo 1 km di linea come vista sopra: per un interasse di 28 m avremo circa 35 apparecchi di illuminazione.
Considerando 2,68 W/m e 4000h di funzionamento, avremo un consumo di 10720 kWh-anno a chilometro; un risparmio del 50% comporta quindi un risparmio di 5360 kWh-anno a chilometro.
Il costo dell’energia oggi si aggira attorno a 0,12 euro/kWh e quindi abbiamo un risparmio annuo per chilometro di installazione di circa 643 euro.
Bene. Ora calcoliamo quanto costano gli apparecchi: un apparecchio SAP costa mediamente 250 euro (compresa installazione), mentre un apparecchio LED si aggira sugli 800 (compresa installazione). Per 35 punti luce pagheremo 8.750 euro per i SAP e 28.000 euro per i LED, con una maggiorazione di costo di 19.250 euro quindi se volessimo comprare i LED (per risparmiare questo famigerato 50%) a chilometro pagheremo in più 19.250 euro.
Ora è facile calcolare l’ammortamento di questo investimento: 19.250 euro / 643 euro che fa circa 30 anni!

In realtà questi soldi non si ammortizzeranno mai, perchè dopo 15 anni (le famigerate 60000h) i LED saranno da sostituire, con ulteriori costi che si sommeranno agli investimenti iniziali, senza possibilità di ammortamento.

Per ulteriori confronti fra sorgenti tradizionali e sorgenti a LED vi lascio alla terza parte degli articoli dedicati. Per ora questa breve dimostrazione era incentrata a dimostrare che parlare è facile, ma dimostrare le cose risulta molto arduo.
Inoltre nessun calcolo illuminotecnico può sostituire la valutazione sul campo: consiglio a tutti quelli che affermano ancora che il solo fatto di installare sorgenti a LED possa apportare a risparmi immediati di visitarsi Torraca, oppure di comprarsi un LED e fare i confronti dal vero di illuminazione e consumi.

2) Una doverosa precisazione

Dopo aver letto le affermazioni dell’ing. Soardo mi sono quindi sentito in dover di rispondere, per fare finalmente chiarezza.

Di seguito pertanto vi ripropongo la mia lettera pubblicata a pag.11 del numero del 15 settembre 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” [Ndr. il testo non è in corsivo pur essendo una citazione, in quanto è comunque espressione del mio pensiero]:

UNI 11248 e tabella 2

In base alla nuova normativa il progettista illuminotecnico assume un’importanza fondamentale nella corretta valutazione ed individuazione delle soluzioni più opportune per ogni ambito progettuale.
La norma UNI 11248 individua le prestazioni illuminotecniche degli impianti di illuminazione e, per far questo, delinea una categoria illuminotecnica di riferimento per ogni tipologia di strade.
In base all’analisi dei rischi ed ai parametri di influenza considerati dal progettista illuminotecnico, viene quindi definita una categoria illuminotecnica di progetto, in base alla quale verrà effettuato il progetto di massima per ogni zona di studio presa in considerazione e considerando un flusso di traffico pari al 100% di quello associato al tipo di strada.
Infine, in base al flusso di traffico effettivo presente nelle varie ore della giornata, è possibile definire più categorie illuminotecniche di esercizio (come illustrato nella figura A.1 presente nella norma stessa) su cui effettuare eventuali sconti di categoria.
Se è vero che un ingegnere accorto e competente può sopperire a questo compito in maniera adeguata è altrettanto palese che la maggioranza dei professionisti del settore risulta essere spaesata e confusa. Valga per tutti il prospetto 3 della norma UNI 11248 riportata nell’articolo dell’ing. Soardo: tale schema rappresenta un esempio della possibile variazione di categoria illuminotecnica in relazione ai parametri di influenza emersi dall’analisi dei rischi. Questi valori, come cita la norma “sono forniti a titolo informativo”, cioè non hanno valore normativo e possono pertanto essere modificati o ampliati in base alle necessità riscontrate dal progettista illuminotecnico. Ad esempio qualora un progettista, affrontando il progetto di illuminazione di una strada in montagna, ritenesse l’attraversamento di animali durante le ore notturne fonte di pericolo, potrebbe avere tutte le ragioni ad aumentare la classe di riferimento. Allo stesso modo un progettista che ritenesse l’indice di resa colori un parametro non significativo potrebbe tranquillamente ignorare le prescrizioni relative allo sconto dato da un’elevata resa cromatica (tanto che in calce alla tabella dovrebbe apparire l’avvertenza che lo sconto dovuto alla resa cromatica è legittimo solo se “in relazione a esigenze di visione periferica verificata nell’analisi dei rischi”).
A questo punto però è opportuna una precisazione dei termini utilizzati ed una spiegazione che motivi l’avvertenza in calce.
L’occhio umano funziona pressoché come una macchina fotografica, in cui la pellicola è sostituita dalla retina. Questa è formata da due diverse tipologie di cellule sensibili alla luce: i coni ed i bastoncelli. A grandi linee, i coni permettono la visione del colore, riescono a definire i particolari della scena osservata e sono concentrati nella parte centrale della retina, chiamata fovea; i bastoncelli forniscono una visione monocromatica, hanno una definizione dei particolari molto bassa, ma in compenso sono molto sensibili alla luce e sono disposti in grande quantità lungo tutta la retina.
Per questi motivi l’acuità visiva (capacità di distinguere i particolari di una scena osservata) risulta massima in corrispondenza della zona foveale (per un angolo visivo inferiore ai 5°) e decresce rapidamente: l’aumento di densità dei bastoncelli verso le zone periferiche non riesce a sopperire alla diminuzione dei coni in termini di acuità visiva; in fondo sappiamo tutti che tentare di leggere con la periferia della retina o in condizioni di luce scarsa, ovvero usando il sistema dei bastoncelli, non dà buoni risultati.
Risulta inoltre chiaro perchè la visione diurna (chiamata fotopica), mediata soprattutto dai coni, sia caratterizzata dalla visione a colori, mentre quella notturna (chiamata scotopica), mediata soprattutto dai bastoncelli, sia caratterizzata da una visione monocromatica.
In base a queste osservazioni il CIE ha definito due curve di ponderazione (con un valore di picco pari a 1), riportate nel disegno sottostante, che misurano l’efficienza visuale a varie lunghezze d’onda nel caso di luminosità diurna (curva bianca – visione fotopica) e notturna (curva nera – visione scotopica).

Dal grafico si può notare come la visione fotopica abbia un picco corrispondente alle lunghezze d’onda di una luce giallo-verde, mentre quella scotopica di una luce azzurra: lo spostamento del massimo di sensibilità, dovuto all’utilizzo prima di coni e poi di bastoncelli è denominato effetto Purkinije. I bastoncelli, che funzionano in condizioni di bassa visibilità, vedono meglio il blu di quello che fanno i coni, i quali possono vedere luce profondamente rossa, luce che per i bastoncelli appare nera. Lo possiamo sperimentare di persona prendendo due pezzi di carta colorata rossa e blu: in condizioni di buona luminosità, risulta più luminoso il pezzo rosso, passando all’oscurità l’effetto si inverte.
A livello internazionale, è stata scelta la curva fotopica per “mediare” i valori del flusso luminoso uscente dalle singole sorgenti. La potenza espressa dal flusso luminoso viene “pesata” in base alla sensibilità dell’occhio umano alla luce diurna secondo la seguente formula:

in cui il primo termine esprime il flusso vero e proprio definito come energia luminosa emessa da una sorgente per unità di tempo ed il secondo è la curva fotopica V(λ) espressa sopra.
Questo però porta a due problemi: il primo è dovuto al fatto che l’illuminazione stradale si colloca in un ambito che non è né fotopico né scotopico e che viene appunto chiamato mesopico (definito generalmente dall’intervallo di luminanza compreso fra 0,001 e 3 cd/mq); il secondo, strettamente legato al primo, è quello che in tale ambito la valenza della curva di ponderazione fotopica non è del tutto esatta.
Negli ultimi anni sono stati condotti diversi studi sull’illuminazione mesopica, fra cui vorrei citare “Mesopic lightning conditions and pedestrian visibility”, in INGINERIA ILUMINATULUI, 11-2003, “Mesopic visual efficiency IV: a model with relevance to nighttime driving and other applications”, in LIGHTNING RESOURCE TECNOLOGY, 03-2007 ed il lavoro svolto dal CIE nel documento denominato CIE TC1-58.
Grazie a questi studi è emerso che in ambito mesopico sia i coni che i bastoncelli concorrono alla definizione del compito visivo. In particolare la sensibilità spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesoscopica per angoli visuali ristretti e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze (almeno fino a livelli di 0,01 cd/mq, altamente al di sotto della più bassa luminanza prevista dalle norme per l’illuminazione stradale). Invece, in situazioni in cui le informazioni vengono catturate anche da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), i bastoncelli assumono un ruolo dominante: in questi casi una lampada con forte componente blu dello spettro luminoso apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità.
I modelli di curve mesopiche proposti da questi studi indicano un aumento relativo della luminosità percepita (fino al 30% in più) con sorgenti a forte componente blu dello spettro luminoso nei casi sopra riportati.
Fatta questa (lunga) premessa, si può dunque comprendere perché la tabella richiama al fatto che la riduzione di classe deve essere motivata con esigenze di visione periferica.
Quello che però rimane oscuro è il ricorso all’indice di resa cromatica: il miglioramento delle prestazioni visive in ambito mesopico ed esigenze di visione periferica si ottiene unicamente per quelle lampade che hanno un elevato rapporto “capacità scotopica”/”capacità fotopica” e quindi per spettri che concentrano i loro valori sul picco della curva scotopica.
Come ben sa chi si occupa di progettazione illuminotecnica, l’indice di resa cromatica è fra gli indici meno significativi di una sorgente luminosa, in quanto basato sulla restituzione fedele di pochi colori su tutta la gamma dello spettro visibile. Per assurdo una sorgente luminosa potrebbe avere un indice di resa cromatica superiore a 60 senza aver emissioni rilevanti sulla fascia blu dello spettro luminoso e quindi non apportare alcun miglioramento alla visione mesopica.
Allo stesso modo desta molte perplessità il fatto che un indice di resa cromatica inferiore a 30 comporterebbe un aumento della classe: non vi sono “indici al ribasso” nelle pubblicazioni sopra citate e per la sicurezza stradale mi pare più importante vedere un ostacolo e vederlo bene, non riuscire a distinguerne il colore; non contiamo poi il fatto che tutte le sorgenti “tradizionali” al sodio verrebbero per questo penalizzate e quindi la norma sovvertirebbe completamente ciò che è stato finora il normale calcolo illuminotecnico.
Inoltre, come indica la stessa tabella, qualora si presentassero ostacoli al di fuori dell’area stradale (tali da giustificare la necessità di una visione periferica), occorrerebbe aumentare la categoria illuminotecnica (arrivando comunque a un pareggio allora) visto che molto probabilmente si tratterebbe di “intersezioni e/o svincoli a raso” oppure “passaggi pedonali”.
Per contro, la maggioranza delle strade italiane consta di strade locali con carreggiata di circa 6m e, a volte, marciapiedi a lato; in questi casi la visione foveale o parafoveale (mediata quindi dai coni e pertanto legata a una ponderazione fotopica che, sempre secondo gli studi condotti sopra, non viene “migliorata” da sorgenti a luce bianca) copre in maniera adeguata il campo visivo stradale.
Mi sono sentito in dovere di fare queste precisazioni poiché molto spesso la tabella incriminata viene riportata tale e quale da numerosi professionisti, indipendentemente dalle condizioni al contorno. Lo stesso dicasi per molti produttori, che motivano il risparmio energetico dei propri apparecchi citando lo sconto apportato da tale tabella, senza considerare gli specifici ambiti di applicazione. Questa tabella, nata giustamente come esempio di applicazione dei parametri di influenza, sta diventando la croce e delizia di chi cerca di speculare sulle prestazioni dei proprio prodotti.
Invito pertanto chiunque a prestare attenzione a tale genere di proclami, ricordando che i progetti illuminotecnici possono essere firmati solo da professionisti abilitati e non da produttori e certificatori.

Fonti luminose con spettro prevalentemente blu

L’utilizzo di fonti luminose con spettro tendente al blu (come i LED o gli ioduri metallici indicati nell’articolo) secondo diversi studi (fra cui “Action spectrum for melatonin regulation in humans: evidence for a novel circadian photoreceptor” in J. Neurosci 21(16) del 2001e “An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans” in J.Physiol, 535 del 2001) potrebbe provocare alterazioni nella produzione di melatonina (con conseguente alterazione del ritmo circadiano) non solo nell’uomo, ma nell’intera fauna sottoposta a questa illuminazione.
Senza creare facili allarmismi, non sarebbe più saggio valutare con cautela l’applicazione estensiva di queste sorgenti luminose, anziché pentirci quando sarà troppo tardi?
Non solo: con l’invecchiare dell’occhio, si ha un progressivo ingiallimento del cristallino e della cornea ed un intorpidirsi dell’umor vitreo e per questi motivi la luce che maggiormente viene diffusa all’interno dell’occhio è quella di lunghezza d’onda minore (blu). Perciò, per la popolazione anziana, la luce più efficace per produrre abbagliamento è proprio quella con una forte componente blu, che andrebbe quindi evitata nelle installazioni stradali.
Volevo inoltre far notare che esistono ad esempio sorgenti LED a “luce calda” che potrebbero evitare questi effetti collaterali (impiegando temperature di colori di circa 3500 °K) e migliorare la qualità della luce urbana: non credo che illuminare le città con luci da “vetrina da negozio” o peggio da “banco frigo” possa migliorare la condizione odierna.
E’ vero che l’uomo ha vissuto da sempre sotto la luce del sole, ma è altrettanto vero che si suppone che durante la notte stia al buio (o alla penombra almeno) e dorma: non credo che nessuno di noi voglia vivere 24 ore su 24 sotto la luce solare. L’illuminazione notturna deve essere un “aiuto discreto” alla qualità e sicurezza urbana e non deve incidere pesantemente sull’ambiente circostante: per questo motivo le leggi regionali contro l’inquinamento non saranno certo perfette, ma almeno cercano di contrastare gli effetti indesiderati dell’illuminazione notturna.
Auspicherei pertanto che le linee guida di prossima pubblicazione possano fornire indicazioni precise a riguardo e non fossero uno “sconto tecnico” per i produttori di apparecchi di illuminazione.

Risparmio energetico

La questione del risparmio energetico appare di estrema urgenza, ma questo non significa dover forzare a tutti i costi la normativa.
L’illuminazione è una materia complessa, che necessita non solo di una buona tecnica ma anche di competenza sul campo: diminuire di una categoria può significare poco o nulla sulla carta, ma nella realtà si traduce in una percezione ben diversa della luce.
Anziché quindi applicare sconti di categoria basandosi su glosse non del tutto chiare, vorrei ricordare, a titolo informativo, che ad oggi è possibile ottimizzare un impianto di illuminazione pubblica, al fine di favorire il risparmio energetico attraverso:
a) riduzione del flusso luminoso attuata in cabina o punto-punto in relazione alle diverse categorie illuminotecniche di esercizio: in questo modo si può ottenere fino al 40% di risparmio energetico
b) sostituzione dei vecchi apparecchi illuminanti con nuovi che permettano di mantenere lo stesso illuminamento, ma con maggiori interdistanze e minori potenze di utilizzo
c) integrazione degli apparecchi illuminanti con sistemi alternativi di produzione di energia, come fotovoltaico ed eolico
d) possibilità di accensione degli apparecchi “on demand”
Inoltre vorrei ricordare che non esistono solo LED e ioduri metallici, ma anche lampade al sodio che presentano elevati indici di resa cromatica: teoricamente sarebbe quindi possibile ottenere gli stessi sconti mantenendo le soluzioni già presenti e non si avrebbero gli “effetti indesiderati” dovuti agli apparecchi citati nell’articolo di Soardo.
Purtroppo mi rendo conto che in Italia la materia è spesso ignorata o sottovalutata e pertanto ci si avvicina a questi temi senza la dovuta preparazione; inoltre ci si auspicherebbe che le norme venissero corroborate da indicazioni precise e coerenti con le ultime ricerche, non da tabelle che creano unicamente confusione (soprattutto in chi non è così padrone della materia).
Le Leggi Regionali non saranno certo infallibili, ma a quanto pare fino ad ora sono state le uniche a porre il problema dell’inquinamento luminoso e della riduzione dei consumi in maniera cogente; a tal riguardo da tempo noi progettisti stiamo aspettando una normativa unificata per tutto il territorio nazionale.[2]

3) La risposta

La risposta dell’ing. Soardo non si è fatta attendere e già a pag. 12 del numero del 15 settembre 2009 del “Giornale dell’Ingegnere” si può leggere che: “la norma UNI 11248 non penalizza le lampade al sodio alta pressione”. Ma come? Se avete inserito una tabella in cui viene detto che lampade con basso indice di resa cromatica (come le lampade al sodio comuni) devono essere penalizzate di una categoria?
Inoltre “la luce bianca con elevato indice di resa dei colori viene avvantaggiata in base alle esperienze scientifiche pubblicate in sede internazionale”[2]. Bene: quali sono queste “esperienze scientifiche”? Sono le stesse che ho citato io? E poi allora si tratta -come ho ricordato nella mia lettera- di luce bianca associata a un elevato indice di resa colori e non solo di elevata resa cromatica!!
A quanto pare l’ing. Soardo è avido di citazioni, così come lo è quando afferma che “come confermato dal direttore di una clinica universitaria, la componente blu ha un effetto “acuto”: sveglia sulla strada, evitando colpi di sonno e incidenti, che cessa quando si rientra a casa”[2]. Chi è questo direttore? Cosa cessa quando si rientra a casa? La strada, forse (visto che è l’unico soggetto alla terza persona singolare)?
E poi, non è vero che non “esistono prove di sorta su effetti “sistemici” su altri organi” [Ndr. gli occhi], visto che nel mio scritto ho citato due studi che riguardano appunto questi effetti. Inoltre, come afferma l’ing. Soardo, la componente blu ha un effetto “acuto” che “sveglia”; se è vero che l’utente della strada risente di questo effetto solo quando è effettivamente in strada, dobbiamo però pensare a tutti coloro che risentono di questa luce indirettamente (quanti apparecchi luminosi riflettono la propria luce all’interno delle case?). Per non parlare poi degli animali che vivono a contatto con queste tecnologie: posso capire che una norma UNI non possa prendere in considerazione tutti questi aspetti, ma alle soglie del 2010 mi aspetterei una maggior sensibilità ambientale da parte di chi studia e progetta le normative (o forse, come al solito, ricadiamo nel “chi se ne frega degli animali?”).
Se non esistono ancora studi approfonditi a riguardo, non significa che gli effetti negativi non ci sono (o forse l’amianto ha cominciato ad essere tossico solo dopo che gli studi ne hanno confermato la pericolosità?).

Sul fronte “risparmio energetico” veniamo invece a sapere che le leggi regionali “portano il peso di aumenti di costi e di consumi di oltre il 20% a carico dei cittadini, come dichiarano anche astronomi in sede internazionale”[2]. Ancora una volta, non sappiamo chi siano questi “astronomi” e quando abbiano affermato tutto ciò, nè di come siano stati calcolati gli aumenti di costo; gradirei però una risposta da parte di chi ha compilato queste benedette leggi regionali e di come si sia permesso di farci pagare il 20% in più.
Nulla viene detto sugli altri sistemi per la riduzione dei consumi (di cui invece, se volete, posso fornire dati a riguardo).

4) Conclusioni (provvisorie)

Sull’onda di queste risposte al fulmicotone vorrei quindi concludere citando il direttore di una nota macelleria, il quale invece afferma che a lui la luce gialla del sodio piace molto, soprattutto nei centri storici antichi; inoltre, in sede internazionale, sembra che la luce gialla del sodio non interferisca con la produzione di uova delle galline che risiedono in prossimità di tali fonti di illuminazione.

Ovviamente sto facendo della facile ironia.

Purtroppo non c’è invece da ridere sulle bufale che vengono raccontate e quindi sull’ostinazione di numerosi professionisti e produttori a voler raccontare delle falsità sui prodotti stradali a LED. Perchè alla fin fine raggirare le pubbliche amministrazioni con false promesse significa incidere ancor di più sui costi sostenuti dal sistema pubblico e quindi sulle nostre tasche.

Sostituire semplicemente una sorgente di illuminazione con un’altra non significa immediatamente fare risparmio o migliorare l’illuminazione.

Installare apparecchi a LED non significa immediatamente fare risparmio o migliorare l’illuminazione.

Ogni problema illuminotecnico va valutato con cura e rappresenta un caso a sè stante: consumi e costi non possono quindi essere generalizzati. E comunque ogni progetto dovrebbe essere presentato con una valutazione costi/benefici; non bastano quattro calcoli (quando ci sono) e belle parole per fare veramente del risparmio.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

[1] Il Giornale dell’ingegnere, n.11-15 giugno 2009
[2] Il Giornale dell’ingegnere, n.15 settembre 2009

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Illuminazione pubblica a LED – 2^ parte

25 agosto 2009 alle 9:59 am | Pubblicato in Illuminotecnica | 252 commenti
Etichette: Apparecchio a LED, Apparecchio a SAP, Apparecchio di illuminazione, Apparecchio stradale, Curve fotometriche, Cut-Off, DLor, Eulumdat, Flusso luminoso, Illuminamento, Illuminazione Pubblica, Illuminazione stradale, Illuminotecnica, LED, Luminanza, QlumEdit, Rendimento, Solido fotometrico

ell’articolo precedente sono state prese in considerazione soprattutto le sorgenti luminose a LED, ma chi si occupa di illuminotecnica sa che il confronto va fatto sulle caratteristiche dell’apparecchio di illuminazione: un apparecchio scadente rimane scadente anche con la migliore lampada al mondo installata.
Per ottimizzare sia in termini economici sia ambientali un sistema di illuminazione occorre adottare un sistema ottico in grado di massimizzare il flusso luminoso in relazione al compito visivo e ridurre l’impiego di potenza elettrica, oltre utilizzare tecnologie capaci di ottimizzare il ciclo di vita.
L’apparecchio deve essere tale da garantire le prestazioni da normativa col maggiore interasse possibile fra i punti luce, poiché i costi affrontati per realizzare le installazioni di pubblica illuminazione sono dovuti soprattutto agli scavi, ai plinti di fondazione, ai pozzetti e al palo e, in secondo luogo, poiché questo minimizza l’inquinamento luminoso prodotto.

Perchè possedere un’automobile non significa saperla guidare

1) Caratteristiche degli apparecchi di illuminazione

Un apparecchio di illuminazione può essere definito un sistema che distribuisce, filtra o trasforma la luce emessa da una o più sorgenti e che include, ad eccezione delle lampade stesse, tutte le parti necessarie per fissare e proteggere le lampade e, ove necessario, circuiti ausiliari, compresi i cavi e le connessioni per l’alimentazione elettrica.
Possiamo pertanto pensare ad esso come una macchina, che ha lo scopo di trasformare l’energia elettrica in energia luminosa e di distribuire la luce così generata col minimo di perdite e massima sicurezza e funzionalità per l’utente.
Come per qualsiasi macchina si possono valutare numerosi fattori, come rendimento ed affidabilità, che possono guidare nella scelta del migliore apparecchio per il compito considerato.
Il primo parametro su cui basare la caratterizzazione è sicuramente quello dell’emissione luminosa, che determina il modo in cui l’apparecchio distribuisce la luce: per far questo si ricorre generalmente a delle rappresentazioni grafiche che indicano l’emissione luminosa secondo le diverse direzioni nello spazio, rapportata ad un flusso luminoso costante, in modo da avere una rappresentazione indipendente dal tipo di lampade installate.
Strettamente legata al tipo di emissione luminosa è la caratterizzazione spaziale del flusso e pertanto gli apparecchi vengono classificati in simmetrici od asimmetrici secondo la forma della curva, cut-off o non cut-off secondo la modalità di emissione luminosa, ecc.
Vi sono poi caratteristiche legate all’affidabilità dell’apparecchio nel tempo, come il cosiddetto “grado di protezione”, che indica la capacità di resistere ai contatti accidentali, alla penetrazione di polvere o umidità e alla penetrazione di acqua e la “classe di isolamento”, che classifica il grado di protezione dal contatto accidentale diretto con le parti normalmente in tensione o tra queste e la carcassa esterna.

2) Calcolo dell’illuminamento a terra

Prima di procedere con l’analisi delle curve fotometriche, appare d’obbligo capire come le caratteristiche di una lampada ed un apparecchio si traducano nell’illuminazione vera e propria sul piano da illuminare.
Per fare questo prendiamo in considerazione il calcolo dell’illuminamento puntuale a terra per una sorgente puntiforme (in realtà, le ultime normative prendono giustamente in considerazione la luminanza, che tiene conto anche dell’osservatore e della superficie illuminata; non mi sembra però utile, per ragioni di spazio e comprensione, illustrare un metodo di calcolo eccessivamente complicato, che verrà comunque riassunto più avanti).
Senza voler dilungarmi troppo sulle definizioni (per cui consiglio di leggere qui), è possibile definire l’illuminamento prodotto da una sorgente come:
L’angolo steriradiante sotteso all’area presa in esame è pari a:
in cui l’area da considerare è quella secondo la proiezione alla superficie con normale il raggio d’influenza considerato:
Possiamo pertanto scrivere:
Ricordando che l’intensità luminosa di una sorgente viene definita come:
otteniamo:
Questa legge è definita legge dell’inverso del quadrato.
Nel caso in cui abbiamo una sorgente ad un’altezza fissa h che emette un flusso verso terra, possiamo definire:

e quindi:

La formula fornisce importanti indicazioni su come la luce si affievolisce allontanandosi dalla direzione normale alla superficie su cui incide: ad esempio, per una sorgente con intensità di 100 cd in ogni direzione, situata ad 1m di altezza dalla superficie, possiamo vedere come a 0° illumini 100 lux, a 30° illumini 65 lux (calo 35%) e già a 60° illumini 13 lux (calo 87%).
Da queste prime considerazioni è possibile osservare come certe curve fotometriche sono più consone di altre per una buona distribuzione della luce, poiché risulta fondamentale aumentare in modo esponenziale l’intensità luminosa allontanandosi dalla verticale per riuscire a fornire una distribuzione uniforme.

3) Emissione luminosa e caratteristiche fotometriche

Il tipo di emissione luminosa e quindi le caratteristiche fotometriche rappresentano i fattori più importanti sui quali operare la scelta dell’apparecchio di illuminazione.
La curva fotometria rappresenta graficamente come una sorgente luminosa emette luce nello spazio, vale a dire in che direzione emette la luce e con quale intensità; questa può essere associata a qualsiasi oggetto che emette luce, sia esso una semplice lampadina, un apparecchio illuminante o uno schermo che riflette della luce.
Per costruire una curva fotometrica è necessario misurare l’intensità luminosa emessa lungo determinate direzioni: è come se girassimo attorno all’apparecchio e, a diverse angolazioni, misurassimo l’intensità della luce emessa. L’apparecchio che compie questo rilievo, detto fotogoniometro, esegue le rilevazioni ad intervalli den determinati attorno alla sorgente luminosa.
La distribuzione delle intensità luminose può essere espressa tramite una superficie tridimensionale che viene detta solido fotometrico; l’analisi di questo solido consente di prevedere l’impatto sull’ambiente circostante.

3.1) Curve fotometriche in coordinate polari

Poichè risulta complicato rappresentare in maniera adeguata il solido fotometrico in tre dimensioni, vengono generalmente adottate più rappresentazioni a due dimensioni. Un modo per rappresentare in due dimensioni la forma del solido fotometrico è quello di sezionarlo secondo uno dei piani di riferimento: l’insieme delle curve così ottenute (generalmente due) determina la cosiddetta “curva fotometrica”, che rappresenta, sotto forma di diagramma polare, la distribuzione delle intensità luminose di un apparecchio.
I sistemi di riferimento in base ai quali vengono definiti i piani di sezione su cui si tracciano le curve fotometriche sono stabiliti in base a precise convenzioni. Il sistema più diffuso è quello denominato C-γ secondo il quale il solido fotometrico è rappresentato tramite un fascio di piani che hanno in comune un asse, corrispondente all’asse ottico principale uscente dall’apparecchio. I piani vengono individuati con la sigla C, seguita dal valore dell’angolo che esprime la rotazione del piano rispetto al piano di riferimento (ad esempio C0, C90, ecc.). I valori di intensità giacenti su ciascun piano vengono individuati facendo riferimento all’angolo che ciascuna direzione forma con lasse ottico di riferimento, e indicandolo con la lettera greca γ, seguita dal valore dell’angolo. Gli angoli partono dal valore 0, che corrisponde all’asse ottico, e proseguono in senso antiorario con valori crescenti fino a 180°, che coincide con la retta dell’asse ottico principale, ma in direzione contrapposta.

Per una trattazione più precisa occorrerebbe riferirsi a semipiani C (che comprendono quindi i semipiani da 0 a 360): per questo motivo normalmente su uno stesso grafico si riportano i valori di due semipiani contrapposti (es. C0-C180; C90-C270), rispettivamente alla sinistra e alla destra dell’asse ottico.
Poiché spesso un apparecchio può essere equipaggiato con lampade diverse, che hanno le medesime caratteristiche geometriche ma emettono una diversa quantità di flusso, si preferisce riportare sul grafico un valore relativo. Per questo motivo viene fornita una sola curva con i valori di intensità relativi a una lampada convenzionale di 1000 lumen. Questo parametro permette di svincolare le curve fotometriche dal tipo di lampada utilizzata con un apparecchio e dalla sua potenza: invece di valori in candele si forniscono dunque dati in candele su kilolumen (cd/klm).
Per ottenere la reale intensità in candele è sufficiente moltiplicare il valore espresso sul grafico per i kilolumen delle lampade utilizzate.

Come esempio prendiamo la fotometria del nuovo apparecchio a LED della Philips Mini-Iridium LED.
Dalla figura si può notare come l’intensità massima si attesta attorno ai 70° in direzione perpendicolare all’apparecchio (piano C0-C180, di colore blu in figura), con circa 720 cd/klm e cala rapidamente per direzioni più verticali, fino a circa 160 cd/klm, in modo da mantenere una illuminazione il più uniforme possibile, come detto in precedenza.
Osservando invece il piano C90-C270, di colore rosso in figura, ci si accorge che la luce è direzionata verso il basso, senza spingersi in avanti o indietro. Se la curva rossa avesse avuto una punta verso “destra” allora il fascio sarebbe stato orientato maggiormente verso la strada.
Per leggere più agevolmente i valori e per verificare la conformità di un apparecchio a quanto previsto dalle leggi contro l’inquinamento luminoso, non è sufficiente una sommaria visione della curva fotometrica (che potrebbe fra l’altro essere facilmente manipolata o “tagliata” oltre i 90°), ma è indispensabile la tabella dei valori di luminanza relativi alla curva che si sta analizzando.

3.2) Tabelle delle intensità ed inclinazione degli apparecchi

Le tabelle delle intensità luminose solitamente riportano sulle righe i valori degli angoli di elevazione e sulle colonne i valori dei piani di lettura.
Come per le curve fotometriche, le tabelle delle intensità generalmente riportano i dati in cd/klm.
Grazie a queste tabelle è inoltre possibile verificare il rispetto delle norme regionali contro l’inquinamento luminoso (ad esempio, per le norme della Lombardia, controllando che a 90° ed oltre vi siano 0 cd/klm).
Qualora poi si presenti l’eventualità di installare l’apparecchio in posizione inclinata rispetto all’orizzontale, grazie alle tabelle è possibile conoscere la nuova fotometria associata “scalando” i valori della tabella iniziale verso il basso dell’angolo considerato. Ad esempio, per una inclinazione di 5°, riferendosi sempre all’apparecchio sopra avremo:

In questo caso si nota come l’apparecchio, inclinato di 5°, non sia più conforme alle norme contro l’inquinamento luminoso.
I produttori di corpi illuminanti sono in grado di fornire tabelle che permettono di risalire al valore misurato dell’intensità luminosa emessa ad ogni angolo γ (gamma). In particolare queste tabelle di dati fotometrici di apparecchi d’illuminazione vengono realizzate e certificate da opportuni laboratori specializzati di enti terzi. Ad esempio l’Istituto Marchio di Qualità Italiano (IMQ) ha istituito il marchio di qualità “Performance” che come si può vedere dalla tabella riportata può essere utile per verificare per valori di γ maggiori di 90° se l’apparecchio è conforme alla LR 17/00.
La certificazione delle curve fotometriche da parte di un ente abilitato è obbligatoria per qualsiasi produttore che voglia vendere in Italia.

3.3) Comprendere i files Eulumdat

Le informazioni relative ad un apparecchio di illuminazione (come ad esempio le fotometrie indicate sopra) possono venire riassunte in formato elettronico tramite una codifica chiamata eulumdat (file con estensione *.ldt).
Per aprire questi files occorre un programma dedicato; in questa sede utilizziamo QLumEdit, un programma freeware che consente di leggere gli eulumdat.
Riferendoci all’apparecchio visto sopra, aprendo il file eulumdat, possiamo vedere che nella pagina “Diagram” viene indicata la curva fotometrica

In “Luminous intensity” viene invece indicata la forma tabellare

Inoltre nelle altre pagine possiamo leggere alcune caratteristiche di cui verrà discusso più avanti.
A tutti coloro che devono visionare un apparecchio di illuminazione consiglio sempre di farsi consegnare preventivamente i files eulumdat , in quanto dalle caratteristiche indicate è possibile farsi un’idea ben precisa dell’apparecchio (oltre ovviamente ad essere indispensabili qualora si voglia fare una simulazione dell’illuminamento su strada con programmi di calcolo).

3.4) Calcolo dell’illuminamento

Per capire il risultato “a terra” di una curva fotometrica è possibile eseguire il calcolo dell’illuminamento come indicato in precedenza. Pur non essendo più fondamentale ai fini dell’illuminazione stradale secondo nuova UNI 11248, risulta un buon indicatore in quanto rispecchia abbastanza fedelmente la “forma” dell’illuminazione sulla strada che fornisce un apparecchio.

Prendendo in considerazione l’apparecchio visto in precedenza, possiamo osservare come la curva fotometrica e la descrizione che ne abbiamo dato rispecchi l’illuminamento a terra:

Infatti possiamo osservare come l’illuminamento si mantenga abbastanza uniforme per tutto il piano (i colori vanno dal rosso->molta luce al viola->poca luce); inoltre la forma simmetrica della curva si rispecchia in un illuminazione simmetrica del piano. Inoltre possiamo osservare che la simmetria nel piano C90-C270 e la direzione verticale rispecchia una illuminazione che si sviluppa verticalmente al di sotto del punto luce (indicato con un puntino rosso in figura).

Prendendo in considerazione la curva fotometrica di un tipico apparecchio di illuminazione, possiamo vedere come la forma “allargata” della curva cerchi di fornire la massima ampiezza di illuminazione ed uniformità soprattutto verso quello che è il centro della careggiata; la forma protesa in avanti lungo il piano C90-C270 si riflette nello spostamento “in avanti” dell’illuminazione sul piano considerato:

4) Cosa “deve fare” un apparecchio stradale

Gli apparecchi per illuminazione stradale devono soddisfare requisiti molto stringenti sia dal punto di vista fotometrico sia da quello costruttivo. Il flusso luminoso deve essere indirizzato con precisione nelle direzioni ottimali per la visibilità sulla strada e deve invece essere schermato nelle direzioni che possono procurare fastidio ai conducenti.
Le normative impongono valori di luminanza tali da garantire un buon discernimento degli ostacoli e al contempo una uniformità dell’illuminazione.
La luminanza è una grandezza vettoriale che esprime la densità con cui un’intensità luminosa viene emessa da una superficie e per questo motivo rappresenta in maniera adeguata la sensazione visiva prodotta da una sorgente luminosa sull’occhio umano (ad esempio una sorgente che emette una certa intensità da una superficie molto piccola produce sull’occhio una sensazione molto più forte di una sorgente analoga ma con una superficie molto più ampia).
Questa grandezza si distingue dall’illuminamento visto sopra perché non definisce la componente “reale” di luce che arriva a terra, ma piuttosto una componente “soggettiva” che appare all’osservatore in funzione dell’angolo dal quale sta osservando l’oggetto: in questo modo è possibile calcolare la densità di luce emessa da una superficie e che raggiunge l’osservatore con un certo angolo di visuale.
Inoltre per le applicazioni stradali è particolarmente calzante,in quanto riferita alla luminosità del manto stradale e come questa viene percepita dagli automobilisti.
Spesso viene valutata non tanto la luminanza in sé, quanto il rapporto fra questa e la luminanza degli oggetti vicini o dello sfondo. Anche nell’illuminazione stradale si tende ad ottenere una buona visibilità degli ostacoli aumentando il contrasto di luminanza fra il manto stradale e gli ostacoli stessi, cercando di rendere massima la luminanza del manto stradale nella direzione di vista prevalente di un osservatore (che si trova compresa in un angolo molto ristretto, da -1,5° a 0,5° rispetto all’orizzonte). Per ottenere un adeguato livello di luminanza in questa direzione, si devono privilegiare le direzioni di incidenza della luce molto radenti, capaci di generare verso il conducente una luminanza elevata grazie alla riflessione del manto stradale e in particolare alla sua componente speculare.
Il solido fotometrico di un apparecchio stradale avrà pertanto una forma simmetrica molto aperta, con il massimo di intensità per angoli molto elevati; allo stesso modo, per angoli troppo elevati, un’intensità molto elevata sarebbe causa di fenomeni di abbagliamento. Per questo motivo la curva fotometrica ottimale si presenta come simmetrica al piano longitudinale della strada, con intensità massime comprese fra i 65° e i 75° rispetto alla verticale e intensità molto ridotte oltre i 75° – 80°.
Lungo la direzione trasversale alla strada, la curva fotometrica è invece asimmetrica, con direzione prevalente del flusso verso la strada nel caso l’installazione lungo il bordo strada.

La forma della curva fotometrica è importante per capire in modo intuitivo il comportamento dell’apparecchio che stiamo analizzando.
Nel caso di apparecchi destinati all’illuminazione stradale, è molto importante che la curva fotometrica invii la luce solo nelle direzioni interessate (lungo l’asse della strada e non al di fuori di essa) e con le giuste intensità luminose (distribuita la più uniformemente possibile). Risulta infatti evidente che, se vogliamo puntare all’installazione di un minor numero di apparecchi, questi dovranno “allargare” il più possibile il fascio luminoso. Per “allargare” si intende, riferendosi al piano (C0-C180 del disegno nella precedente pagina), inviare lateralmente molta luce, quindi con elevata intensità. Sulla verticale il livello di luce necessario è inferiore perché, come visto in precedenza, al fine di mantenere una illuminazione uniforme, la legge dell’inverso del quadrato impone una drastica riduzione dell’intensità luminosa.
Sul piano C90-C270 risulta importante prevedere maggiori intensità luminose verso il lato strada (comprese fra 0° e 90°).
Generalmente elevati coefficienti di uniformità portano a migliori risultati in termini di percezione visiva, pertanto strade con minore intensità luminosa ma con migliori parametri di uniformità sono senz’altro da preferirsi a vie molto luminose con scarsa uniformità. Inoltre, per evitare un’installazione su due lati della carreggiata o il ricorso a sbracci, si lavora sull’ottica in modo tale da garantire un’asimmetria che spinga la luce, oltre che lateralmente (destra e sinistra), anche in profondità (avanti). L’introduzione di questa ulteriore asimmetria ha consentito di riportare l’apparecchio sul bordo della carreggiata, come la classica applicazione su palo diritto.
La soluzione “testa palo” è da preferire alle installazioni su sbraccio, in quanto meno problematiche dal punto di vista manutentivo.
Nella scelta di apparecchi più efficienti rimane prioritaria la forma della curva sul piano C0-C180. La curva ideale dovrebbe avere un intensità luminosa verso il basso sufficiente, per ottenere il livello di illuminamento richiesto, poi ad angoli sempre più elevati l’intensità dovrà aumentare sempre più, infatti, è necessaria più luce mano a mano che aumenta la distanza tra la sorgente luminosa e la superficie, non dimenticando che l’inclinazione della luce aumenta sempre più incrementando ulteriormente la necessità di più luce. Verso inclinazioni di più o meno 70° è necessario che l’emissione della luce cessi. E’ importante che crolli molto rapidamente, il cosiddetto taglio netto della luce, meglio conosciuto come cut-off. L’emissione di intensità luminose oltre tali angolazioni non è più efficace e può risultare controproducente per l’effetto di abbagliamento procurato verso gli osservatori.

I due seguenti diagrammi danno un’indicazione delle forme ottimali che dovrebbero avere le curve isolux di un apparecchio di illuminazione stradale (con installazione su lato strada):

Ai fini della limitazione dell’abbagliamento può risultare utile tenere a mente la classificazione degli apparecchi in funzione della classificazione CIE 1977 degli apparecchi stradali in funzione della direzione di intensità massima e della intensità emessa oltre gli 80° (che generalmente viene indicata sulle specifiche degli apparecchi di illuminazione).

Da quanto detto in precedenza appare ovvio che gli apparecchi che producono minore abbagliamento risultano gli apparecchi cut-off .

5) Controllo del flusso luminoso verso l’alto

Il fenomeno comunemente indicato col termine “inquinamento luminoso”, in realtà dovrebbe venir chiamato “dispersione del flusso luminoso verso l’alto”.
Per quanto non sia dannoso, si tratta di un fenomeno che può essere fastidioso, in particolare in vicinanza degli osservatori astronomici, oltre che a limitare fortemente la quantità di luce utile che raggiunge il piano illuminato. Si cerca pertanto di ridurlo al minimo riducendo le intensità luminose emesse per angoli superiori a 90° rispetto alla verticale: gli apparecchio cut-off rispondono a questi requisiti e sono stati pertanto presi a modello nelle indicazioni delle varie leggi regionali in materia di inquinamento luminoso come apparecchio da installare in ambito stradale.
In realtà questo accorgimento non è comunque sufficiente, in quanto (soprattutto in ambito urbano) gran parte del flusso luminoso verso l’alto è dovuto alla riflessione del manto stradale e dalle altre superfici investite dalla luce: il dibattito in materia è ancora vivo e si assiste periodicamente a controversie fra le varie “fazioni” che vi prendono parte.
Non è questo l’ambito più appropriato per discutere di questa questione: ci si limita solamente a prendere atto che ormai la richiesta di apparecchi cut-off è presente in tutte le legislazioni regionali in materia.

6) Apparecchi a LED per illuminazione stradale

la prima soluzione consiste nel predisporre una piastra di LED in cui ognuno di questo abbia una diversa inclinazione, che possa portare ad un “mosaico” ottimale a terra; questa soluzione consente di sfruttare al massimo le potenzialità dei LED, senza ridurre l’intensità con lenti correttive, ma ovviamente è molto dispendiosa, in quanto ogni piastra deve essere un pezzo unico appositamente sagomato con diverse inclinazioni all’interno. Inoltre ogni diversa configurazione dell’ottica va pensata come un nuovo “pezzo” unico da mettere in produzione, con ricadute economiche notevoli poiché è possibile serializzare solo un discreto numero di configurazioni
la seconda soluzione, più economica, consiste nel predisporre diverse file di LED su una piastra “standard” orizzontale e successivamente applicare a questi differenti micro-lenti, che hanno il compito di diffondere la luce in modo appropriato; il prezzo contenuto è dovuto alla grande flessibilità data dall’utilizzo di diverse lenti applicate su una piastra di base comune a tutti i modelli (questo consente una grande standardizzazione dei pezzi). Lo scotto che si paga è quello di una riduzione del flusso luminoso, dovuta all’applicazione di lenti sopra ogni LED

7) Prestazioni: rendimento e flusso luminoso verso il basso

Oltre alla caratterizzazione della modalità di distribuzione della luce, uno dei parametri da prendere in considerazione è la capacità di un apparecchio di distribuire il flusso delle lampade con il minimo di perdite dovute all’assorbimento da parte del riflettore o ad altri fattori.
Il rendimento esprime il rapporto fra il flusso emesso dall’apparecchio e il flusso emesso dalle lampade con cui l’apparecchio è equipaggiato (ed è quindi un valore compreso fra 0 e 1).
Ad esempio, un rendimento del 90% significa che se la lampada equipaggiata emette 10000 lm, in realtà l’apparecchio (vuoi per rifrazioni interne, perdite dovute alle ottiche, ecc…) emette 9000 lm.
Il rendimento esprime unicamente un rapporto di efficienza dell’apparecchio (in pratica esplicita le “perdite” di flusso) ma non esprime la “direzione” del fascio luminoso.
Generalmente per un apparecchio di illuminazione stradale è fondamentale che tutto il flusso sia rivolto verso la metà inferiore della sfera luminosa (e questo è garantito ad esempio dal rispetto delle norme contro l’inquinamento luminoso) e per questo motivo, al rendimento si preferisce il rendimento di flusso luminoso rivolta verso il basso, chiamato brevemente DLor.
Ad esempio, riferendoci sempre ad una lampada che emette 10000 lm, un DLor pari all’ 80% significa che l’apparecchio di illuminazione emetterà un flusso luminoso totale diretto verso il basso pari a 8000 lm.
Un apparecchio tradizionale di illuminazione di ultima generazione che monta lampade al sodio alta pressione presenta valori di DLor prossimi all’80%: questo significa che equipaggiato con una sorgente da 100W SAP da 10000 lm riversa nell’emisfero inferiore 8000 lm.
Ovviamente il rendimento non indica “come” viene illuminata la superficie di riferimento e per questo non è un parametro che da solo può definire le prestazioni di un apparecchio di illuminazione.

Per valutare il DLor di un apparecchio utilizziamo ancora QLumEdit: nella sezione Luminaire vengono indicate le percentuali di flusso luminoso orientato verso il basso ed il rendimento
In questo caso si può vedere come l’apparecchio abbia un rendimento dell’ 80% e convogli tutto il flusso luminoso verso il basso (100% indicato nella tabella). Per calcolare il fattore DLor basta semplicemente moltiplicare fra loro questi due fattori ed ottenere così il rendimento del flusso luminoso verso il basso.

8 ) Efficienza luminosa globale degli apparecchi

A questo punto siamo in grado di valutare l’efficienza luminosa globale degli apparecchi e quindi confrontare la loro bontà dal punto di vista quantitativo (si suppone di seguito che ogni apparecchio preso in esame risponda correttamente al compito visivo assegnatoli).
L’efficienza luminosa viene calcolata come rapporto fra flusso luminoso emesso e potenza totale assorbita dall’apparecchio.
Il valore del flusso luminoso in questo caso sarà quello realmente uscente dall’apparecchio, calcolato come sopra tramite il coefficiente DLor.
La potenza totale assorbita invece è quella comprensiva di lampade, alimentatore, perdite, ecc.. Questa corrisponde alla potenza che si potrebbe leggere “a monte” dell’apparecchio se andassi a misurarla mentre sta funzionando. Per stimare la potenza assorbita, qualora si abbia come valore di riferimento unicamente la potenza assorbita dalle lampade, occorre considerare che un alimentatore elettronico di nuova generazione assorbe circa il 7%-15% in più rispetto a questo dato per le lampade a scarica (ovviamente più la potenza delle lampade aumenta, più aumenta in percentuale la potenza assorbita dall’alimentatore e le perdite correlate). Per le lampade al sodio, abbiamo circa 75W totali per una lampada da 70W, 107W totali per una lampada da 100W, ecc..
Per le lampade al LED invece si può stimare che un alimentatore elettronico per queste lampade assorba circa il 13%-18% in più rispetto alla potenza dichiarata delle lampade, poichè non sempre il fattore di potenza è superiore a 0,95 come per le lampade a scarica.
In questo caso sarebbe quindi più corretto parlare di potenza apparente (VA) dell’apparecchio ed è questa quindi che verrà presa in considerazione di seguito.

A questo punto siamo in grado di calcolare l’efficienza luminosa globale degli apparecchi di illuminazione stradale.
Ad esempio, un apparecchio tradizionale che monta una lampada SAP di ultima generazione a 100W (di flusso luminoso pari a 10700lm), con alimentatore elettronico e DLor pari al 80% (consideriamo fra i migliori apparecchi in circolazione) avrà un rendimento globale di:

10700*80%/107 = 80 lm/W

Prendendo invece i dati di una famosa ditta produttrice di apparecchi LED abbiamo che un apparecchio che monta 100 LED alimentati a 350mA produce un flusso luminoso pari a 10000lm ed un consumo di 100*1,1W=110W+alimentatore=127W. Dagli eulumdat si può leggere un DLor pari a 85,7% (è un apparecchio con microottiche, come indicato sopra). In questo modo possiamo calcolare un rendimento globale di:

10000*85,7%/127 = 67 lm/W

Non dissimili sono i dati di un’altrettanto famosa ditta che per un apparecchio a 43 LED alimentati a 350mA dichiara un flusso luminoso di 4376 lm per un consumo totale di 72W e un DLor pari al 100% (in questo caso è un apparecchio senza microottiche). In questo modo abbiamo un rendimento globale simile al precedente:

4376*100%/72= 61 lm/W

Invito tutti a fare delle prove per verificare quanto ho detto.

Se la matematica non è un opinione, a parità di qualità della distribuzione della luce (tutti e tre gli apparecchi indicati sopra consentono di ottenere luminosità ed uniformità sul manto stradale) risulta che gli apparecchi tradizionali forniscono comunque un 30% di luce in più rispetto agli apparecchi a LED.
Guarda caso il ricorso allo sconto di categoria illuminotecnica (sbandierato da tutti i produttori di apparecchi a LED) consente appunto di ridurre di circa il 33% il flusso luminoso necessario per illuminare correttamente una strada (e quindi parificare i risultati).

9) Conclusioni (provvisorie)

Come ho già avuto modo di affermare, i LED sono una tecnologia molto promettente, che ha grandi possibilità (si parla di limiti superiori ai 400 lm/W). Molto presto, quando LED a 140 lm/W saranno disponibili a prezzi commerciali, la superiorità di questa tecnologia sarà manifesta.

Oggi come oggi però per l’illuminazione stradale non si hanno ancora condizioni accettabili che possano garantire la giusta illuminazione ed al contempo un risparmio energetico rispetto agli standard degli apparecchi di illuminazione tradizionali (ma di questo parlerò nella terza parte di questo lungo articolo).

Chiunque affermi il contrario sarebbe pregato di fornire una dimostrazione più che attendibile dei propri risultati (sulla linea che ho seguito io per la dimostrazione delle varie caratteristiche dei LED): è molto facile dire “io posso farti risparmiare il 50%” e poi elencare una serie di caratteristiche estrapolate in maniera del tutto arbitraria dai dati ufficiali.
Il metodo per calcolare l’efficienza, il consumo e la qualità di un apparecchio a LED è stato indicato in questi due articoli e spero pertanto che siano di aiuto ai tecnici che vogliano capirci qualcosa nel gran polverone sollevato in questi ultimi tempi.

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

L’articolo continua con un intermezzo.

Illuminazione pubblica a LED – 1^ parte

28 maggio 2009 alle 9:17 am | Pubblicato in Illuminotecnica | 137 commenti
Etichette: Coefficiente di manutenzione, Corrente di pilotaggio, CREE, DIALux, Driver, Flusso luminoso, Grechi, iGuzzini, Illuminazione Pubblica, Illuminazione stradale, Illuminotecnica, LED, Philips, Resa cromatica, RUUD, Temperatura di colore, Temperatura di giunzione, Torraca

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a diverso tempo si sente parlare di miracolosi apparecchi LED che garantirebbero enormi risparmi e bassissima manutenzione. Nella pratica però (vedi ad esempio Torraca) questi apparecchi spesso si sono dimostrati tutt’altro che efficienti.

Nonostante esistano professionisti (fra cui segnalo la bella esposizione del prof. Di Fraia) e siti (fra cui voglio citare http://www.luxemozione.com) che hanno posto il problema con estrema serietà e correttezza, ancora oggi diversi produttori cercano di “fare i furbi” raccontando mezze verità, sperando che gli interlocutori non siano ferrati sull’argomento.

Per questo motivo ho intenzione di scrivere una serie di articoli che cercano di spiegare per filo e per segno tutte le problematiche inerenti l’illuminazione pubblica a LED: si parte dalla spiegazione di cosìè un LED fino ad arrivare alle simulazioni vere e proprie (eseguite con DIALux e file eulumdat certificati e scaricati dai siti degli stessi produttori) per dimostrare come ad oggi un apparecchio a LED al massimo può sostituire un apparecchio che monta lampade al sodio alta pressione di medesima potenza.

Non sono solo io a dire questo: diversi importanti produttori, come Philips e Grechi hanno già pubblicato online comunicati stampa su questa linea.

Spero pertanto che tutti coloro che sono interessati all’illuminazione pubblica a LED leggano queste pagine: in questo modo la prossima volta che si presenterà il “furbino” di turno proponendo apparecchi LED in grado di dimezzare i costi energetici e di manutenzione potranno rispondere in maniera adeguata. Non solo: gradirei anche commenti dai professionisti del settore (produttori e progettisti) per migliorare insieme le nostre conoscenze sull’argomento.

Tutto quello che avreste voluto sapere sui LED e non avete mai osato chiedere

1) La tecnologia LED

LED è l’acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa) ed è stato sviluppato nel 1962 da Nick Holonyak Jr.

Un diodo è il più semplice tipo di semiconduttore esistente. Un semiconduttore è un materiale capace di far passare o meno elettricità (la quantità è variabile e dipende ovviamente dal tipo di materiale con cui è composto). Molti semiconduttori sono creati da materiale poco conduttori che però vengono modificati (dopati nel gergo elettronico) per cambiare il bilanciamento interno tra le cariche positive e negative (da cui dipende la conduttività).

Nel caso dei LED, il materiale usato è un composto di alluminium-gallium-arsenide che ha un perfetto bilanciamento tra cariche positive e negative e che quindi non lascia elettroni liberi in grado di far passare corrente elettrica. Una parte di questo materiale viene modificato (dopato) aggiungendo carica positiva (ovvero dei buchi in cui gli eletttroni di carica negativa cercano di inserirsi) da un lato e cariche negative dall’altro.

La regione con cariche positive aggiunte è detta P-region mentre l’altra N-region.

In un diodo, vengono usati materiali di tipo N e materiali di tipo P per creare il chip. Quando nel chip non è applicato alcun voltaggio, gli elettroni di carica negativa trovano e riempiono i buchi (con carica positiva) nella zona di contatto (al centro del chip), formando una giunzione detta anche depletion zone. In questa giunzione, tutti i buchi risultano riempiti e quindi formano una barriera isolante in cui nessuna carica può circolare da una regione all’altra.

Le cariche negative e quelle positive che vengono a contatto nella giunzione tra la P-region e la N-region e formano una zona in cui nessun elettrone riesce più a passare

Per eliminare la giunzione, bisogna far si che le cariche negative passino dalla regione N alla regione P e le cariche positive facciano l’inverso. Per ottenere questo è necessario connettere una batteria al diodo facendo attenzione che il polo negativo sia connesso alla regione N.

Una batteria collegata opportunamente ad un Led fa si che le cariche negative nella depletion zone si liberino e di fatto annullano la barriera tra le due regioni

In questa maniera, gli elettroni liberi nella regione N, respinti dalle cariche negative si spostano verso la regione P. Allo stesso modo, i buchi della regione P si muovono verso la regione N. Quando la carica tra gli elettrodi supera un certo voltaggio, gli elettroni negativi nella giunzione vengono espulsi dai buchi che occupavano e diventano nuovamente liberi, di fatto eliminando la barriera che creavano in precedenza e facendo viaggiare la corrente tra i due elettrodi.

La luce è una forma di energia che viene rilasciata da un atomo. Questa è composta da piccolissime particelle chiamate fotoni che rappresentano la singola unità di luce.

In un atomo, ci sono differenti elettroni che si muovo in un orbita intorno al nucleo. A seconda dell’orbita, un elettrone ha una certa quantità di energia. Più l’orbita è larga, più esso è carico.

Quando un elettrone passa da un orbita larga ad una inferiore, esso perde un pò della sua energia e lo fa sotto forma di un fotone. Più è alta l’energia rilasciata dall’elettrone , più il fotone è potente.

Nel nostro LED abbiamo visto come le cariche negative della regione N passano nella regione P per occupare i buchi con carica positiva. Visto che i buchi hanno un quantitativo di energia inferiore alle cariche negative, esse devono consumare della carica per poterli occupare e generano quindi fotoni (producendo la luce che vediamo).

Quando la carica negativa raggiunge quella positiva libera un fotone

In pratica un LED trasforma l’energia elettrica in energia luminosa. Il funzionamento del led si basa sul fenomeno detto “elettroluminescenza”, dovuto alla emissione di fotoni (nella banda del visibile o dell’infrarosso) prodotti dalla ricombinazione degli elettroni e delle lacune allorchè la giunzione è polarizzata in senso diretto.

Il colore (lunghezza d’onda) della luce emessa, l’efficienza nella conversione elettro-ottica e quindi l’intensità luminosa ottenuta dipende dalla natura e condizione del semiconduttore utilizzato e si estende dall’infrarosso, alla gamma della luce visibile fino in prossimità degli ultravioletti.

Per chi volesse divertirsi a calcolare le prestazioni dei LED, consiglio questo link (purtroppo non è possibile implementare animazioni flash in wordpress) consigliatomi da Giacomo:

Tutorial sul funzionamento della giunzione P-N

2) La tecnologia LED allo stato attuale

I grandi produttori hanno dichiarato che nei prossimi anni investiranno gran parte dei loro capitali nello sviluppo delle apparecchiature a LED.

La tecnologia LED rappresenterà sicuramente il futuro dell’illuminazione in quanto può garantire numerosi vantaggi:

diminuzione della quantità di “materia” utilizzata per la loro produzione; rispetto ai prodotti tradizionali comporta quindi una riduzione degli ingombri e dei pesi, determinando una agevolazione nell’approvvigionamento, stoccaggio e trasporto dei materiali e nella produzione industriale
ridotto contenuto di sostanze tossiche o nocive; le parti componenti dei LED sono facilmente disaggregabili, smaltibili e riciclabili (allo stesso livello dei normali diodi che si utilizzano in elettronica)
ridotta emissione di raggi UV ed IR
lunga durata della vita media
tecnologia in costante evoluzione

Allo stato attuale esistono già buoni apparecchi di illuminazione a LED per gli ambiti ciclo-pedonali, illuminazione d’accento ed illuminazione artistica e di parchi.

Per quanto riguarda invece l’illuminazione stradale occorre sottolineare che questo è un ambito estremamente tecnico e richiede apparecchi molto performanti: il LED è una luce essenzialmente “direzionale” e pertanto presenta generalmente un fascio concentrato di luce molto forte. Questa luce va quindi distribuita attraverso ottiche per garantire la giusta uniformità sulla sede stradale e ridurre l’abbagliamento che tali sorgenti potrebbero provocare: in questo modo si riduce notevolmente l’efficienza luminosa degli apparecchi a LED; da diverse sperimentazioni sul campo e con software di calcolo illuminotecnico è emerso che generalmente gli apparecchi a LED che garantiscono la giusta uniformità non riescono a mantenere un illuminamento a terra sufficiente e viceversa, con fasci concentrati garantiscono un illuminamento a terra sufficiente ma poi non riescono a mantenere la corretta uniformità.

Ad oggi pertanto gli apparecchi a LED non riescono ad essere così performanti come i tradizionali apparecchi al sodio, come verrà indicato nei paragrafi seguenti. Questo non significa che i LED non saranno mai così performanti come le lampade tradizionali: la tecnologia a LED si sta sviluppando in maniera incredibile (basti pensare che neanche 5 anni fa a stento si arrivava ai 50 lm/W) e per questo motivo è molto probabile che nei prossimi 10 anni gli apparecchi stradali con questa tecnologia sorpassino come prestazioni gli apparecchi tradizionali.

Questo articolo va pertanto letto unicamente alla luce dello stato attuale della tecnologia a LED e non come negazione assoluta dell’applicazione di tale tecnologia all’illuminazione pubblica.

3) Le caratteristiche degli apparecchi a LED

Per l’illuminazione pubblica di esterni, vengono utilizzati i cosiddetti Power LED (LED ad alta resa luminosa); per queste sorgenti i parametri più importanti per la definizione dell’affidabilità e della funzionalità sono:

Flusso luminoso : il flusso luminoso di un Power LED viene generalmente indicato in relazione alla potenza del LED stesso ed in condizioni “standard” di esercizio. Generalmente un Power LED, con temperatura di colore a 6000°K, corrente di pilotaggio 350 mA e temperatura ambiente di 25°C, ad inizio vita presenta circa 110-118 lm/W.
Corrente di pilotaggio (If) : i LED sono dispositivi pilotati in corrente poiché la loro luminosità varia con la corrente diretta; il pilotaggio dei LED con una corrente costante è un elemento essenziale per ottenere i livelli di colore e luminosità desiderati. Ovviamente, più alta è la corrente di pilotaggio, maggiore sarà il flusso luminoso del LED; questo però comporta un aumento della potenza impiegata e pertanto generalmente una diminuzione dell’efficienza luminosa (lm/W) dell’apparecchio.
Temperatura di giunzione (Tj) : con questo termine si indica la temperatura misurata sulla giunzione che costituisce il nucleo del LED (come visto sopra); la temperatura di giunzione massima è determinata dal produttore del dispositivo in modo da porre un limite invalicabile per una vita operativa ragionevole del componente. Questa temperatura è strettamente collegata al flusso luminoso emesso e alla durata: maggiore è la temperatura, maggiore sarà la riduzione del flusso luminoso nel tempo e quindi si avrà una minore durata della sorgente LED. Ovviamente, strettamente legata alla temperatura di giunzione è la temperatura ambiente cui l’apparecchio si trova.
Affidabilità del driver : il driver è l’alimentatore elettronico che garantisce il corretto funzionamento delle sorgenti a LED ad esso collegate; poiché le sorgenti a LED hanno una vita teorica molto lunga appare fondamentale che il driver sia garantito per una vita media paragonabile a quella delle sorgenti.
Temperatura di colore : le lampade LED hanno la possibilità di ottenere una gamma cromatica molto varia, con rese di colore molto elevate; il LED nasce come sorgente con spettro tendente al blu (e quindi temperature di colore molto alte). Per questi spettri il LED offre le massime efficienze luminose; scendendo verso colori più “caldi” l’efficienza luminosa cala sensibilmente.
Vita media del LED (L70) : con questo termine vengono indicate le ore passate le quali la sorgente a LED presenta un decadimento del flusso luminoso iniziale pari al 30%. Questo fattore, come detto sopra, è influenzato pesantemente dalla temperatura di giunzione del LED e generalmente si attesta attorno alle 50000h – 60000h.

Inoltre per determinare correttamente il funzionamento di un apparecchio a LED occorre prendere in considerazione tutti i parametri che possono influenzare le sue prestazioni (e non unicamente il flusso luminoso massimo della singola sorgente LED, come generalmente fanno i produttori). In aggiunta ai parametri sopra indicati vanno quindi valutati:

Curva fotometrica dell’apparecchio : la curva fotometrica deve essere adatta all’applicazione considerata; ad esempio una curva fotometrica “tonda” sicuramente non garantirà la giusta uniformità stradale.
Flusso luminoso emesso : il flusso luminoso emesso da un apparecchio tiene conto di tutti i coefficienti di riduzione e quindi da una prima indicazione del rendimento luminoso dell’apparecchio (lm/W) riferiti alla potenza effettiva dello stesso. Questo sarà necessariamente minore della somma dei flussi dei singoli LED che compongono l’apparecchio, in quanto parte del flusso si perde a causa della conformazione dell’ottica e del corpo illuminante o per la presenza di lenti (che indirizzano la luce, ma ne affievoliscono l’intensità).
Coefficiente di manutenzione : il coefficiente di manutenzione indica la capacità di un apparecchio illuminante di mantenere certe prestazioni nel tempo. Ad esempio un coefficiente di manutenzione pari a 0,8 indica che, nella condizione più sfavorevole (generalmente a fine vita della lampada e presenza di sporco sul vetro dell’apparecchio), l’apparecchio illuminante garantisce comunque un flusso luminoso pari all’ 80% del flusso luminoso iniziale. Ovviamente ogni calcolo illuminotecnico deve essere accompagnato da una stima adeguata del coefficiente di manutenzione, in quanto l’apparecchio deve garantire le prestazioni da normativa nelle situazioni più sfavorevoli (ovviamente appena montato garantirà invece il massimo delle prestazioni: questo significa che i rilievi fatti sul campo ad inizio vita vanno poi calibrati secondo il coefficiente di manutenzione).

Di seguito vengono quindi passate in rassegna le caratteristiche sopra indicate e la loro influenza sull’affidabilità e funzionalità degli apparecchi LED.

4) Corrente di pilotaggio e flusso luminoso

Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e flusso luminoso dei LED CREE XR-E

Dal graficorelativo al LED CREE XR-E si nota come aumentando la corrente di pilotaggio aumenta quasi linearmente la percentuale di flusso luminoso emessa.

Per calcolare l’efficienza luminosa, occorre conoscere la potenza, calcolata a sua volta tramite la legge di Ohm come P = Vf * If.

Grafico relativo al rapporto fra corrente di pilotaggio e voltaggio dei LED CREE XR-E

Ad esempio, per una corrente 350 mA abbiamo un flusso luminoso di 100 lm e una tensione di 3,3 V e quindi una potenza impiegata di 1,12 W. Per una corrente di 700 mA abbiamo una flusso luminoso di 150 lm tensione di 3,5V e quindi una potenza impiegata di 2,80 W.

Si vede subito come nel primo caso abbiamo un’efficienza di 89,3 lm/W mentre nel secondo caso abbiamo un’efficienza di 53,6 lm/W.

Per questo motivo è generalmente controindicato aumentare la corrente di pilotaggio al fine di aumentare il flusso luminoso (oltre alla perdita di efficienza si somma anche un aumento della temperatura di giunzione, che provoca un ulteriore decadimento del flusso luminoso nel tempo).

Al contrario si può osservare come la diminuzione della corrente di pilotaggio porti ad una riduzione del flusso luminoso, che può essere utilizzata in ambito di risparmio energetico.

5) Temperatura di giunzione, corrente di pilotaggio e vita media dei LED

Le sorgenti luminose a LED, al contrario delle sorgenti luminose tradizionali, non tendono a spegnersi improvvisamente esaurita la loro vita utile: i LED infatti nel tempo diminuiscono gradualmente il loro flusso luminoso iniziale fino ad esaurirsi completamente in un periodo molto lungo.
Un gruppo industriale produttore di Power LED, la “Alliance for Solid-State Illumination Systems and Technologies” (ASSIST), ha determinato che il mantenimento del 70% del flusso iniziale corrisponde al limite inferiore al di sotto del quale l’occhio umano percepisce una riduzione della luce emessa. Per questo motivo le ricerche della ASSIST dimostrano che una riduzione del flusso iniziale del 30% è accettabile per la maggioranza delle applicazioni luminose e quindi viene definita come vita media utile di un LED il tempo trascorso prima che venga raggiunto questo limite (indicato generalmente come L70).

Come indicato in precedenza, aumentare la temperatura di giunzione (in pratica fare scaldare troppo il nucleo del LED) corrisponde ad una durata ridotta nel tempo o addirittura la rottura istantanea.

Per questo motivo i dispositivi di dissipazione risultano fondamentali per il buon utilizzo e la buona durata dell’apparecchio a LED (va qui fatto notare come i migliori dissipatori siano in alluminio o in rame, mentre gran parte dei produttori, per diminuire i costi, montano dissipatori in ferro).

Di seguito viene quindi mostrato un grafico che mette in relazione la vita media di una sorgente a LED (che ricordo essere il tempo passato il quale la sorgente riduce il proprio flusso luminoso del 70%) relativo a LED CREE XR-E.

Grafico relativo al rapporto fra temperatura di giunzione e vita media dei LED CREE XR-E

Il grafico mostra come la vita media stimata di 50000h corrisponde alla temperatura di giunzione di 90°C, che è quella che normalmente viene mantenuta in tutti gli apparecchi a LED di buona fattura.

Molti produttori però non garantiscono una temperatura di giunzione così bassa: in questi casi si può vedere come a 105°C ad esempio la durata media venga ridotta già a circa 35000h.

Anche Philips, per i LED Luxeon indica una durata media di 60000h per temperature di giunzione inferiori a 130 °C.

Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips Luxeon (con percentuale di fallimento pari al 50%)

Il grafico di Philips si presenta più completo, in quanto all’indicazione riguardante la vita utile affianca l’indicazione concernente la corrente di pilotaggio dei LED: si vede come aumentando la corrente di pilotaggio diminuisca generalmente la vita utile dei LED.

Inoltre il grafico di Philips indica la percentuale di LED che ha fallito la prova (indicata a fianco della lettera B): in questo caso significa che solo nella prova solo il 50% dei LED ha raggiunto la vita utile indicata nel grafico (ovviamente l’altro 50% non l’ha raggiunta).

Indicazione del rapporto fra percentuale di fallimento ed attesa di vita nei prodotti industriali

Dal grafico sovrastante si può notare come una percentuale di fallimento del 10% comporti valori notevolmenti ridotti della vita utile di un prodotto.
Ad esempio, il grafico relativo ai Luxeon di Philips, visto sopra considerando una percentuale di fallimento del 10%, diviene:

Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips Luxeon (con percentuale di fallimento pari al 10%)

Si può osservare come i risultati sono notevolmente ridimensionati: la temperatura massima passa da 130°C a 120°C per 1A. Questo significa che, in un ottica di affidabilità dell’impianto, se viene mantenuta una temperatura di giunzione inferiore ai 120°C, il 90% dei LED giunge alle 60000h di vita.

Come indicato in un esauriente White Paper pubblicato da Philips Lumileds, i grafici presentati dai vari produttori sono estrapolazioni fatte sulla base di prove limitate nel tempo (generalmente 5000h – 6000h) applicando la variabile casuale di Weibull: questa funzione viene utilizzata per il calcolo della vita media di numerosi componenti industriali e si è dimostrata affidabile anche per il calcolo della durata di vita dei LED.
Philips Lumileds ci tiene ad evidenziare che nei 30 anni di sviluppo sui LED l’azienda ha accumulato un numero molto elevato di prove sulla durata, che riducono la soglia di errore a circa il 10% nelle previsioni effettuate (ovviamente le sperimentazioni sui LED vengono condotte con un numero di ore notevolmente ridotto rispetto alle reali potenzialità della sorgente e quindi occorre andare molto cauti nella presentazione dei risultati a lungo termine).
Alla luce delle attuali conoscenze e basandosi sulla quantità di dati accumulati, Philips Lumileds prevede una durata massima dei LED di 60000h: per questo motivo, pur essendo possibile in base alla curva di Weibull prevedere una durata maggiore per temperature di giunzione più basse (ad esempio come nella curva indicata da CREE), tutti i risultati vengono “tagliati” alle 60000h.

Questo atteggiamento di Philips mi sembra molto più responsabile rispetto a quello di CREE, che fornisce dati sulla cui attendibilità si potrebbe discutere a lungo (soprattutto a basse temperature di giunzione); inoltre sarebbe gradito che la CREE indicasse anche la percentuale di fallimento nelle tabelle riportate per i propri prodotti.

6) Affidabilità del driver

Poiché le sorgenti a LED hanno una vita media molto lunga, occorre che anche i driver siano garantiti per almeno 50000h ore di funzionamento. Molti produttori invece producono driver che non rispettano tali requisiti (ed infatti garantiscono gli apparecchi solo per la parte LED e non per la parte elettronica di corredo).

Inoltre va valutata anche la mortalità dei driver durante le 50000h garantite: Philips, uno dei principali fornitori di driver, prevede una mortalità di circa il 5% sulle 60000h. Questo significa che alla fine delle 60000h, 1 apparecchio su 20 avrà dovuto subire lavori di manutenzione straordinaria per il rimpiazzo della parte elettrica.

Altri produttori di apparecchi a LED, come RUUD, affermano che la mortalità sui loro driver è dello 0,5% a 150000h.

Questi dati dimostrano come esistano ancora notevoli differenze fra le tecnologie applicate ai LED (che inoltre andranno verificate sul campo) e che la deperibilità della parte elettrica incide in maniera rilevante sui costi di gestione di un impianto a LED.

7) Temperatura di colore

Ad oggi solo LED con alte temperature di colore, chiamati cool white (6000°K o più – nell’immagine la sorgente in basso), consentono di ottenere alte efficienze luminose.

Questa temperatura determina una luce cosiddetta “fredda” (la stessa che possiamo vedere ad esempio nell’illuminazione notturna delle vetrine dei negozi o nell’illuminazione dei banchi frigo dei supermercati): questo tipo di luce non è molto indicata per l’illuminazione esterna, non solo per questioni di gusto, ma anche per probabili interferenze con la produzione di melatonina e quindi col ritmo circadiano dell’uomo.

I LED con temperature di colore minori, chiamati warm white (4000°K o meno – nell’immagine la sorgente in alto), garantiscono efficienze luminose molto più basse (circa il 30% in meno). Questa temperatura di colore corrisponde al colore delle tradizionali lampade ad incandescenza.

Philips ha da poco presentato un LED a luce calda che sembra fornisca prestazioni paragonabili a quelli a luce fredda.

LED a luce calda (in alto) e LED a luce fredda (in basso)

Va poi ricordato che, con l’invecchiare dell’occhio, si ha un progressivo ingiallimento del cristallino e della cornea ed un intorbidirsi dell’umor vitreo: per questi motivi la luce che maggiormente viene diffusa all’interno dell’occhio è quella di lunghezza d’onda minore (blu). Perciò, per la popolazione anziana, la luce più efficace per produrre abbagliamento è proprio quella con una forte componente blu, che andrebbe quindi evitata nelle installazioni stradali.

8 ) Resa cromatica

La resa cromatica (Ra) è una valutazione qualitativa sull’aspetto cromatico degli oggetti illuminati e non va confusa con la temperatura di colore: due sorgenti con temperatura di colore identica possono avere un Ra diverso.

L’indice di resa cromatica ci dice in che modo una sorgente è in grado di mantenere inalterato il colore di un oggetto da essa illuminato: esso varia in una scala da 0 a 100, dove 0 rappresenta il minimo e 100 indica il massimo di resa cromatica.

Questo indice in realtà dice poco o nulla dell’effettiva validità di una lampada, in quanto basato solo sulla resa di particolari tipi di colore (la maggior parte dei quali penso non siano mai stati usati in natura…): questo significa che la resa cromatica rimane comunque un valore arbitrario e non oggettivo.

Valori di Temperatura di colore e Resa cromatica che caratterizzano varie lampade

Diverse produttori, citando il prospetto 3 della norma UNI 11248, affermano che lampade con una elevata resa cromatica (come i LED appunto, ma esistono anche lampade al sodio con tali caratteristiche) garantiscono una visione notturna migliore, soprattutto per le applicazioni stradali.

Ho già trattato questo argomento in un altro post, pertanto qui farò solamente un breve riassunto.

Innanzitutto il prospetto in questione afferma che “i valori numerici sono forniti solo a titolo informativo” e quindi non hanno valore di norma (tanto che il prospetto 2 e l’appendice A nella stessa norma non prendono neppure in considerazione questo parametro ai fini di una corretta illuminazione stradale); inoltre il valore di resa cromatica indica unicamente la capacità di una sorgente di resituire in maniera corretta i colori dell’ambiente circostante: ai fini dell’illuminazione stradale è importante vedere un pedone attraversare la strada, non distinguere se il suo giubbotto è verde oppure marrone.

Ancora lo stesso prospetto indica in calce che uno sconto sulla categoria illuminotecnica di progetto si può avere unicamente “in relazione a esigenze di visione periferica verificate nell’analisi dei rischi” e quindi unicamente in casi particolari, in cui si renda necessaria una visione completa ed accurata dei dintorni della sede stradale: per le normali strade urbane ed extraurbane, l’ambito visivo si compone generalmente della sola sede stradale e quindi non c’è necessità di una “visione periferica” accurata.

Il riferimento alla “visione periferica” si può comprendere valutando gli ultimi studi condotti da diversi enti europei, secondo cui le curve fotopiche (visione diurna) e scotopiche (visione notturna) non riescono a definire in maniera accurata l’efficienza dell’occhio nel caso di visione mesopica, tipica dell’illuminazione stradale notturna.

In particolare, la curva fotopica V(λ) è quella dovuta unicamente all’attività dei coni della retina è strettamente legata alla visione foveale, che si può ritenere compresa in un angolo visuale che va da 1° (visione centrale foveale) a 5° di ampiezza (visione parafoveale).

Per questi angoli visivi è stato dimostrato che la sensività spettrale dell’occhio non cambia quando i livelli di illuminazione raggiungono l’area mesoscopica e quindi la curva fotopica V(λ) rimane una misura valida per la visione foveale a basse luminanze (almeno fino a livelli di 0,01 cd/mq, altamente al di sotto della più bassa luminanza prevista dalle norme per l’illuminazione stradale).

In diverse situazioni però, come ad esempio alla guida di un’automobile, molte informazioni vengono catturate da una visione periferica (angolo visivo di 15°-20°), in cui i bastoncelli assumono un ruolo dominante. In questi casi gli studi dimostrano che una lampada con forte componente blu apporterebbe miglioramenti alla visione periferica e quindi all’identificazione di oggetti fuori dal campo foveale, soprattutto col diminuire della luminosità. I diversi modelli di curve mesopiche proposti da questi studi indicano un aumento relativo della luminosità percepita (fino al 25% in più) nei casi di illuminazione con sorgenti a forte componente blu dello spettro luminoso. Inoltre, anche in questi casi, l’indice di resa cromatica non assume un valore determinante, in quanto i colori vengono distinti unicamente dai coni raggruppati nella fovea (i bastoncelli sono essenzialmente “monocromatici”). In questo modo si comprende anche perchè il prospetto della UNI 11248 indichi le “esigenze di visione periferica” come condizione sine qua non per l’applicazione dello sconto di categoria illuminotecnica, ma non si capisce perchè viene indicata la resa cromatica come valore di riferimento e non, ad esempio, la temperatura di colore.

Occorre quindi comprendere in quali attività ed in che modo la visione periferica risulti fondamentale a livello visivo, per definire un probabile modello futuro definitivo per la visione mesopica. Va comunque ricordato che, ad oggi, la normativa non prevede ancora questo tipo di modelli e quindi occorre basare il calcolo del flusso luminoso ancora sulla curva fotopica V(λ).

Volevo infine far notare come esistano anche lampade tradizionali con un’alta resa cromatica e quindi è possibile effettuare riduzioni di categoria illuminotecnica anche senza tirare in ballo i LED: ribadisco pertanto il fatto che la normativa fornisce soltanto alcune delle tante possibili indicazioni che il progettista illuminotecnico può assumere nella valutazione dei rischi. Un buon progettista illuminotecnico non è colui che si limita a seguire le indicazioni già pronte e fornite unicamente a titolo d’esempio, ma colui che (in base all’esperienza e alle proprie conoscenze) di volta in volta riesce a valutare gli aspetti pregnanti di un progetto.

9) Coefficiente di manutenzione

Il coefficiente di manutenzione per le installazioni stradali viene determinato generalmente tramite la formula U = LLMF x LSF x LMF, in cui:

LLMF (Lamp Lumen Maintenance Factor) è la riduzione del flusso luminoso della lampada presente nell’apparecchio ed è espressa come rapporto fra la luminosità prodotta dopo un certo periodo e la luminosità inizale della stessa.

LSF (Lamp Survival Factor) è la percentuale che esprime il numero di lampade non bruciate dopo un certo periodo dall’installazione.

LMF (Luminaire Maintenance Factor) è la riduzione del flusso luminoso dell’apparecchio (dovuta soprattutto all’accumularsi dello sporco sulle ottiche) e dipende dal tipo di apparecchio, dalle condizioni atmosferiche e dall’intervallo di manutenzione; viene espressa come rapporto fra la luminosità iniziale dell’apparecchio e la luminosità dello stesso dopo un certo periodo, a certe condizioni ambientali e a determinati intervalli di manutenzione

Per una lampada tradizionale SAP (durata media 14000h) le tabelle CIE 97 del 2005 indicano LLMF=0,96 ma nella realtà (in base all’esperienza sul campo) è più corretto utilizzare un fattore LLMF=0,90 (dopo 14000h le lampade SAP perdono circa il 10% di flusso luminoso); per le applicazioni stradali inoltre è possibile considerare LSF=1,00 poichè, una volta esaurite o spente, queste possono venire cambiate senza interferire con la funzionalità dell’apparecchio. Inoltre sia lo IESNA che il British Standard indicano per strade con inquinamento basso senza pulizia delle lampade un fattore LMF=0,87; considerando l’installazione ad altezze medie di 8m ed utilizzando apparecchi cut-off è possibile aumentare il valore fino a LMF=0,90 circa.
Grazie a questi dati siamo quindi in grado di calcolare il coefficiente di manutenzione per un apparecchio stradale che monta una lampada al sodio alta pressione e che viene pulito ogni tre anni: U=0,90×1,00×0,90 = 0,81. Questo valore, approssimato a 0,80, è quello comunemente usato nei calcoli illuminotecnici per apparecchi che montano lampade tradizionali.

Vorrei far notare che, utilizzando i valori “standard” si otterrebbe comunque lo stesso risultato: U=0,96×0,87 = 0,84.

Secondo i dati forniti dalla maggior parte dei produttori (e lo stesso standard su cui si basa il calcolo della vita utile dei LED), una lampada a LED riduce il suo flusso luminoso del 30% a fine vita; inoltre, come abbiamo visto dalle tabelle precedenti, la base su cui vengono stimati i dati fornisce una mortalità di circa il 10% delle lampade.
In questo modo abbiamo LLMF=0,70 e LSF=0,90 (in questo caso non possiamo porre LSF=1,00 poichè anche in caso di spegnimento di 1 LEDsui 60-70 che compongono l’intero corpo lampade dell’apparecchio non è possibile sostituirlo singolarmente: poichè occorrerebbe sostituire integralmente l’intero corpo lampada appare molto più probabile che l’apparecchio rimanga nello stato in cui si trova, con alcuni LED spenti).
Considerando un valore LMF=0,90 come prima abbiamo allora per un apparecchio a LED: U=0,70×0,90×0,90=0,57. E’ un coefficiente molto basso, che si allontana pericolosamente dai coefficienti U=0,90 proposti da diversi produttori di LED.
Anche considerando i valori L90, come mi ha proposto Lorenza Bergamaschi di RUUD, avremo comunque: U=0,90×0,90×0,90=0,73. Questo coefficiente è appropriato; ad esempio Philips Lightning per il calcolo illuminotecnico con i propri apparecchi a LED consiglia U = 0,75 (forse Philips aveva già previsto questo?).

Per correttezza inserisco anche i valori nel caso in cui l’apparecchio LED venga sostituito completamente nel caso in cui qualche parte sia malfunzionante (in questo caso avremo LSF=1,00): U=0,90×0,90=0,81. Questo potrebbe confermare il coefficiente di manutenzione “standard” di 0,80 anche per i LED. Vorrei comunque far notare che in questo caso i costi di manutenzione sarebbero molto più elevati di quelli di una soluzione tradizionale (dovendo sostituire in toto un apparecchio illuminante, anzichè la singola sorgente luminosa).

S.V.B.E.E.Q.V.

Matteo Seraceni

L’articolo continua con la seconda parte.

Grafico che mette in relazione la temperatura di giunzione e la vita media di una sorgente a LED Philips

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Sono un giovane ingegnere appassionato di architettura ed arte.
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