LED

Illuminazione di interni a LED – uffici e scuole

n3egli 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.

Segnala l’articolo:
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Illuminazione pubblica a LED – intermezzo

Purtroppo 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.

copertina1
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].

prospetto
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 🙂 ):

RUUD1a

RUUD1bVorrei 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:

Philips1Philips2

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.

RUUD2a

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.

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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).

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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:

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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

Segnala l’articolo:
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Illuminazione pubblica a LED – 2^ parte

n3ell’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:
form1L’angolo steriradiante sotteso all’area presa in esame è pari a:
form3in cui l’area da considerare è quella secondo la proiezione alla superficie con normale il raggio d’influenza considerato:
form2Possiamo pertanto scrivere:
form5Ricordando che l’intensità luminosa di una sorgente viene definita come:
form6otteniamo:
form7Questa 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:

form8e quindi:

Legge coseno - figura 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.

immagine12

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.

pianiCPer 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.

esempio - curva

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).
tab1Qualora 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:

tab2In 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

qlum1
In “Luminous intensity” viene invece indicata la forma tabellare

qlum2
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:

iridiumInfatti 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:

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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):

NM

PS

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).

cutoff 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

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 le seguenti strategie:

  1. 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 configurazionigpe
  2. 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 LEDruud

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 rendimentorendimento
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

Vai alla nuova versione dell’articolo

Da 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
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
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
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
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
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
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
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
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:

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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)
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
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