Campi elettromagnetici generati da lampade a risparmio energetico

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1 Campi elettromagnetici generati da lampade a risparmio energetico Rapporto di misura Nome: Campi elettromagnetici generati da lampade a risparmio energetico Versione doc.: 1.2 Aggiornamento: 9 October 2012 Incarto SUPSI: P Nome Funzione Firma Autore Simone Pellegrini Capo progetto, SUPSI Revisione Tommaso Pagani Ricercatore, SUPSI Approvazione Andrea Salvadè Responsabile Lab. TTHF, SUPSI CONFIDENZIALITÀ E COPYRIGHT Il presente documento è di proprietà SUPSI e RSI. Non può essere ne integralmente ne parzialmente utilizzato, riprodotto, modificato, riassunto, memorizzato, trasmesso in qualsiasi forma e/o qualsiasi mezzo elettronico, meccanico, di fotocopia, di registrazione senza autorizzazione preventiva di SUPSI e RSI. SUPSI-DTI-TTHF Galleria 2 Via Cantonale 2 CH-6928 Manno phone facsimile tthf@supsi.ch web

2 Revisioni Versione Data Cambiamenti Creazione Bozza SP Revisione TP Aggiornamento SP Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 2 of 29

3 Indice 1 Introduzione Tecnologia Scopo e obiettivi Campionario lampadine Normative e limiti Strumentazione Configurazione di misura Risultati dei rilevamenti Analisi spettrale Rilevamento dei campi elettromagnetici a larga banda Confronto per flusso luminoso Confronto delle tecnologie Intensità del campo elettrico in funzione della distanza Conclusioni Referenze Allegati Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 3 of 29

4 Acronyms DTI SUPSI TTHF CFL ESB LF HF UV ICNIRP Dipartimento tecnologie innovative Scuola universitaria professionale della Svizzera italiana Laboratorio di telecom, telemetria e alta frequenza Compact Fluorescent Lamp Energy saving bulbs Low Frequency High Frequency ultravioletta International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 4 of 29

5 1 Introduzione Dal 1 settembre 2012 in Svizzera è vietata la produzione e commercializzazione da parte dei produttori delle tradizionali lampadine ad incandescenza che saranno rimpiazzate dalle lampade CFL (Compact Fluorescent Lamp) che consumano meno e durano più a lungo. Questa tecnologia di illuminazione genera campi elettromagnetici a basse frequenze. Con questo studio vogliamo misurare i campi elettromagnetici generati da lampadine a risparmio energetico e in particolare lampadine fluorescenti. 1.1 Tecnologia La tecnologia CFL, chiamata anche ESB (Energy saving bulbs), si basa sull emissione di raggi UV generati dall eccitazione degli atomi di mercurio che vanno a colpire il rivestimento fluorescente sul vetro della lampada facendolo emettere luce visibile. Per stimolare gli atomi di mercurio è necessaria una frequenza nell ordine dei khz (da 25 a 70 khz) che viene generata tramite un apposito circuito elettronico convertendo la frequenza di 50 Hz della rete elettrica. Il circuito elettronico presente nelle lampadine fluorescente è responsabile dell accensione e del mantenimento della luce. La tensione 230V alternata di rete alla frequenza di 50 Hz viene dapprima convertita in tensione continua e in seguito, tramite un circuito oscillante, riconvertita in una tensione di frequenza maggiore. E proprio durante questo procedimento di conversione che vengono emesse delle frequenze armoniche indesiderate che andremo a misurare. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 5 of 29

6 2 Scopo e obiettivi Lo scopo di questo studio è quello di valutare le immissioni elettromagnetiche generate dalle lampadine a risparmio energetico fluorescenti e paragonarle ad altre tecnologie di illuminazione. Considerando l elettronica presente nelle lampadine a risparmio energetico fluorescenti si possono stabilire i seguenti obiettivi pratici: - Individuare le frequenze emesse dalle diverse tecnologie di lampadine da 5 Hz a 3 GHz. - Misurare i valori di campo elettrico e magnetico a 15 cm e 30 cm per tutte le lampadine. Con questo approccio si intende caratterizzare tutto il campionario di lampadine eseguendo i rilevamenti qui elencati: 1. Rilevamento preliminare selettivo in frequenza da 5 Hz a 3 GHz. Lo scopo di questo rilevamento è quello di valutare le frequenze emesse dalle diverse tecnologie di lampadine. 2. Rilevamento a larga banda della densità del flusso magnetico da 5 Hz a 3 GHz. Lo scopo di questo rilevamento è di quantificare il valore della densità del flusso magnetico generato da differenti lampadine rilevato a due differenti distanze. 3. Rilevamento a larga banda dell intensità del campo elettrico da 5 Hz a 3 GHz. Lo scopo di questo rilevamento è di quantificare il valore dell intensità del campo elettrico generato da differenti lampadine rilevato a due differenti distanze. Secondariamente si analizzeranno in dettaglio le lampadine più significative di ogni tecnologia rilevando la caratteristica dell intensità di campo elettrico e magnetico in funzione della distanza dalla lampadina In conclusione i risultati di questi test saranno elaborati mettendo a confronto le diverse tecnologie di lampadine. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 6 of 29

7 3 Campionario lampadine Le lampadine sottoposte ai test sono state scelte in modo da coprire una vasta gamma di potenza elettrica, flusso luminoso e struttura geometrica. nr. produttore modello rivenditore prezzo forma tecnologia potenza [w] flusso luminoso [lm] Classe energetica 1 Samsung Pleomax Deconova Neo Lumins Otto's fr tubolare CFL A 2 Samsung Pleomax Deconova Neo Lumins Otto's fr pera CFL A 3 Samsung Pleomax Deconova Neo Lumins Otto's fr pera CFL A 4 Sparsam ES1001S20 Ikea fr tubolare CFL A 5 Sparsam ES0810S15 Ikea fr tubolare CFL A 6 Sparsam ES11G0601 Ikea fr pera CFL A 7 Sparsam ES0806G7 Ikea fr pera CFL A 8 Philips Tornado Coop fr tubolare CFL A 9 Philips Genie Coop fr tubolare CFL A 10 Philips Softone Coop fr tubolare CFL A 11 Osram DuluxStar Mini Ball Migros fr pera CFL A 12 Osram DuluxStar Superstar Micro Twist Migros fr tubolare CFL A 13 Osram DuluxStar Mini Ball Migros fr pera CFL A 14 Migros Classic Migros fr pera CFL A 15 Migros Classic Migros fr pera CFL A 16 Oecoplan Economy Coop fr tubolare CFL A 17 Oecoplan Economy Coop fr tubolare CFL A 18 Oecoplan Economy Coop fr tubolare CFL A 19 Osram Led Star Classic A 50 Migros fr pera LED A 20 Philips Led MyVision Coop fr pera LED A 21 Osram Halogen Eco Classic A Migros fr pera HALOGEN C 22 Osram Halogen Eco Classic P Migros fr pera HALOGEN D 23 Philips Eco Classic A 55 Coop fr pera HALOGEN C 24 Osram Special Mirror A SILV 100 Interio fr pera INCANDESCENT F 25 Osram Classic A CL40 Interio fr. pera INCANDESCENT E Tabella 1: campionario lampadine Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 7 of 29

8 4 Normative e limiti Per evitare effetti indotti nel corpo umano da campi elettromagnetici gli standard europei per le apparecchiature elettriche prevedono dei limiti di esposizione riportati nelle direttive ICNIRP. Alle lampadine a basso consumo l Ufficio federale della sanità pubblica consiglia di applicare i seguenti valori di riferimento derivati dai valori limite ICNIRP: Valori di riferimento Campo magnetico a bassa frequenza: 100 μt Campo magnetico a media frequenza: 6,25 μt Campo elettrico a bassa frequenza: 5000 V/m Campo elettrico a media frequenza: 87 V/m La Figura 1 illustra i valori di riferimento tratti dalle linee guide ICNIRP Figura 1: ICNIRP - valori di riferimento Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 8 of 29

9 5 Strumentazione La Tabella 2 illustra la strumentazione utilizzata durante i rilevamenti. Tipo di rilevamento Descrizione Strumentazione Banda di frequenza Rilevamento selettivo in frequenza Rilevamento a larga banda Analizzatore di spettro Agilent PSA E4446A 3 Hz 44 GHz Loop Antenna R&S HFH 2-Z2 9 khz 30 MHz Loop Antenna R&S HZ-10 5 Hz 10 MHz Antenna direttiva R&S HE200 Strumento a larga banda PMM 8053A - sensore campo magnetico + campo elettrico BF EHP50B MHz MHz MHz 5 Hz 100 khz sensore campo elettrico HF EP khz 3 GHz Tabella 2: Strumentazione utilizzata Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 9 of 29

10 6 Configurazione di misura Le misure sono state effettuate in una gabbia di Faraday in grado di isolare l ambiente interno dai campi elettromagnetici esterni. I vari modelli di lampadina sono montati su di un supporto in plastica e il sensore di misura è posizionato in modo da rispettare la distanza dal centro geometrico della parte elettronica della lampadina sia per la misura verticale che per quella orizzontale. d d H V Figura 2: installazione di misura con sonda EHP-50-B e strumento PMM 8053 Per le lampade a risparmio energetico CFL i valori di campo elettrico e magnetico sono stati misurati dopo 60 secondi dall accensione per permettere alle lampade di raggiungere il 60% di luminosità, come indicato sulla confezione. Questi valori, riportati nelle tabelle e nei grafici in V/m e µt, sono misurati dallo strumento in Figura 2 e calcolati in valore RMS medio per una durata di 1 minuto. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 10 of 29

11 level (dbm) level (dbm) level (dbm) level (dbm) SUPSI-DTI-TTHF Risultati dei rilevamenti In questo capitolo vengono presentati i risultati più significativi dei rilevamenti eseguiti. In particolare vengono presentati i rilevamenti eseguiti con la configurazione orizzontale (rilevate immissioni maggiori). Tutti i rilevamenti completi si possono trovare negli allegati. 7.1 Analisi spettrale Sono state verificate le frequenze emesse di tutte le lampadine da 5 Hz a 3 GHz. Nella Figura 3 viene illustrata la comparazione fra quattro differenti tecnologie di lampadine: - lampadina 9) CFL; - lampadina 19) LED; - lampadina 23) alogena - lampadina 25) incandescenza ) CFL / 11 W / 600 lm single hold ) LED / 10 W / 650 lm single hold frequency (MHz) frequency (MHz) ) HALOGEN / 42 W / 630 lm single hold ) INCANDESCENT / 40 W / 415 lm single hold frequency (MHz) frequency (MHz) Figura 3: spettro da 0 a 500 khz delle 4 tecnologia di lampade Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 11 of 29

12 Dalle misure spettrali si possono dedurre le seguenti conclusioni: - le lampadine CFL presentano delle linee spettrali attorno ai khz e le sue componenti armoniche. Le armoniche tendono ad essere non rilevanti sopra i 500 khz. Le linee spettrali non risultano essere stabili in frequenza. - le lampadine LED presentano anch esse delle linee spettrali con una componente principale attorno ai khz e le sue rispettive armoniche fino ai 500 khz. Rispetto alle lampadine CFL il livello delle emissioni é più contenuto e le linee spettrali risultano essere stabili in frequenza. - le lampadine alogene e quelle ad incandescenza non presentano linee spettrali di una certa entità. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 12 of 29

13 Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF Rilevamento dei campi elettromagnetici a larga banda Lo scopo di questo rilevamento è quello di valutare l intensità del campo elettrico e la densità del flusso magnetico delle immissioni generate dalle lampadine rilevati a 15 cm e 30 cm in posizione orizzontale e verticale. H - 15 cm Figura 4: Valori delle immissioni rilevate a 15 cm in posizione orizzontale Dai rilevamenti delle immissioni dei campi elettromagnetici a larga banda si possono dedurre le seguenti conclusioni: - lampadine CFL: a 15 cm il valore dell intensità del campo elettrico varia da un minimo di V/m ad un massimo di V/m. La densità di flusso magnetico varia da un minimo di 0.11 ut ad un massimo di 1.25 ut. - lampadine LED: a 15 cm il valore dell intensità del campo elettrico varia da un minimo di 2.69 V/m ad un massimo di 3.51 V/m. La densità di flusso magnetico varia da un minimo di 0.06 ut ad un massimo di 0.06 ut. - lampadine alogene: a 15 cm il valore dell intensità del campo elettrico varia da un minimo di 1.05 V/m ad un massimo di 1.21 V/m. La densità di flusso magnetico varia da un minimo di 0.06 ut ad un massimo di 0.06 ut. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 13 of 29

14 - lampadine incandescenza: a 15 cm il valore dell intensità del campo elettrico varia da un minimo di 1.33 V/m ad un massimo di 1.69 V/m. La densità di flusso magnetico varia da un minimo di 0.06 ut ad un massimo di 0.06 ut. In generale si evince che le lampadine CFL emettono nettamente maggiori onde elettromagnetiche rispetto alle altre tecnologie. In particolare possiamo notare i valori più alti misurati su una lampadina CFL nr.11 pari a V/m, sulla LED nr.20 di 3.51 V/m, sulla alogena nr.21 di 1.21 V/m e su una incandescenza nr.24 di 1.69 V/m. Oltre alla differenza tra le varie tecnologie si osserva una differenza di valori all interno della stessa famiglia di lampadine. Se prendiamo per esempio le lampadine CFL nr. 18, 17 e 16 da 8, 12 e 20 Watt di potenza la differenza di immissioni é sostanziale e passa da V/m fino a V/m. Vedi allegato per i risultati completi di questo test. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 14 of 29

15 Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF Confronto per flusso luminoso Per meglio rappresentare in maniera grafica i rilevamenti eseguiti a larga banda verranno confrontate le lampadine classificandole in gruppi suddivisi per ordine di flusso luminoso. I seguenti grafici mostrano l intensità di campo elettrico e magnetico a 15 cm per lampadine con: - Flusso luminoso da 1160 a 1300 lm (lampadine 1,4,8,11,16,21,24). - Flusso luminoso inferiore a 450 lm (lampadine 3,7,10,15,18,20,22,25) Flusso luminoso da lm 1000 lm / H - 15 cm Figura 5: campo elettrico e magnetico a 15 cm di lampadine da lm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 15 of 29

16 Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF Flusso luminoso inferiore a 450 lm 400 lm / H - 15 cm Figura 6: campo elettrico e magnetico lampadine con flusso luminoso inferiore a 450 lm Da questi grafici si evince che a parità di luminosità e di tecnologia (CFL, LED, Alogena, Incandescenza) le immissioni rilevate sono sullo stesso ordine di grandezza. Vedi allegati per le misure complete. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 16 of 29

17 Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF Confronto delle tecnologie In questo caso sono rappresentanti i campi elettromagnetici di 4 lampadine di diversa tecnologia. Sono a confronto delle lampadine con simile flusso luminoso da 450 a 600 lm. Le due figure rappresentano i valori di campo elettrico e magnetico a 15 e 30 cm. H - 30 cm CFL 19-LED 23-H 25-I Figura 7: campo elettrico e magnetico in funzione della tecnologia a 30 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 17 of 29

18 Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF H - 15 cm CFL 19-LED 23-H 25-I Figura 8: campo elettrico e magnetico in funzione della tecnologia a 15 cm Da questi grafici si evince in maniera chiara come le lampadine CFL emettano maggiori onde elettromagnetiche rispetto alla altre lampadine di diversa tecnologia. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 18 of 29

19 7.5 Intensità del campo elettrico in funzione della distanza Nel seguente test si misurerà l andamento dell intensità di campo elettrico e magnetico in funzione della distanza di una lampadina CFL confrontandola con quella di lampadine di tecnologia diversa. Figura 9: Campo elettrico in funzione della distanza Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 19 of 29

20 Figura 10: Ingrandimento campo elettrico in funzione della distanza Con evidenza si nota l andamento esponenziale dell intensità di campo elettrico oltre che ad una maggiore intensità di campo elettrico emesso dalla lampadina CFL rispetto alle altre LED, alogena e incandescenza. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 20 of 29

21 8 Conclusioni Lo scopo di questo studio è quello di valutare le immissioni elettromagnetiche generate dalle lampadine a risparmio energetico fluorescenti e paragonarle ad altre tecnologie di illuminazione. I risultati dimostrano che le lampadine a risparmio energetico CFL emettono maggiori onde elettromagnetiche rispetto alla lampade LED, alogene e ad incandescenza. In particolare emettono campi elettrici sulla banda da 30 khz a 500 khz. I valori di campo magnetico rilevati risultano al contrario bassi e al di sotto dei valori di riferimento. In generale l intensità del campo elettrico generato dalle lampadine varia in funzione della distanza e della potenza delle lampadine. Avvicinandosi alla lampadina l intensità di campo elettrico aumenta. Considerando il caso peggiore della lampadina CFL nr.11 si rileva un intensità di campo elettrico di V/m a 15 cm che decresce a V/m a 20 cm. Importante quindi tenere in considerazione che, a pochi centimetri, anche una piccola variazione di distanza causa un forte cambiamento di intensità di campo elettrico. Possiamo affermare che ad una distanza maggiore di 20 cm nessuna lampadina supera il valore di riferimento di 87 V/m. Analogamente una lampadina di maggiore potenza emetterà un intensità di campo elettromagnetico più alta rispetto ad una di potenza minore. Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 21 of 29

22 9 Referenze Assesment of EM Exposure of Energy-Saving Bulbs & Possible Mitigation Strategies [Report] / auth. Jagadish Nadakuduti Mark Douglas, Myles Capstick, Sven Kühn, Stefan Benkler, Niels Kuster / ITIS Foundation. - Zürich : [s.n.], Energy-saving lamps [Report] / auth. Federal Department of the Environment, Transport, Energy and Communications DETEC ICNIRP GUIDELINES FOR LIMITING EXPOSURE TO TIME VARYING ELECTRIC, MAGNETIC AND ELECTROMAGNETIC FIELDS (UP TO 300 GHZ) [Report] / auth. ICNIRP Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 22 of 29

23 10 Allegati Test 7.2: Rilevamento dei campi elettromagnetici a larga banda ID lampadina V 30 cm V 15cm H 30 cm H 15 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 23 of 29

24 Campo elettrico Campo magnetico Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF V - 30 cm H - 30 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 24 of 29

25 Campo elettrico Campo magnetico Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF V - 15 cm H - 15 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 25 of 29

26 Campo elettrico Campo magnetico Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF Test 7.3: Confronto per flusso luminoso 1000 lm / H - 30 cm lm / H - 30 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 26 of 29

27 Campo elettrico Campo magnetico Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF lm / H - 15 cm lm / H - 30 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 27 of 29

28 Campo elettrico Campo magnetico Campo elettrico Campo magnetico SUPSI-DTI-TTHF lm / H - 15 cm lm / H - 30 cm Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 28 of 29

29 Test 7.5: Intensità del campo elettrico in funzione della distanza d (cm) 11) CFL 20) LED 21) HALOGEN 24) INCANDESCENT OFF Campi EM generati da lampade a risparmio energetico - rapporto di misura v1.3.docx Page 29 of 29