Seminario di aggiornamento sull illuminazione esterna

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1 Seminario di aggiornamento sull illuminazione esterna Introduzione alle problematiche relative all illuminazione pubblica Paolo Soardo

2 Unità fotometriche La luce è energia che si propaga per onde elettromagnetiche con velocità c nel vuoto pari per definizione a 2, m/s e per lunghezze d'onda, sempre nell'aria, tra 380 e 780 nm circa. Al di sotto di questo campo di sensibilità dell'occhio umano vi sono le radiazioni ultraviolette, al di sopra quelle infrarosse L occhio e la visione Bastoncelli 2 Occhio Fovea Coni Cristallino Bastoncelli Sulla retina ci sono due tipi di sensori: i coni nella zona centrale sulla fovea, responsabili della visione distinta, attivi di giorno e sensibili ai colori (visione fotopica), e i bastoncelli, nelle zone esterne alla fovea, destinati alla alla visione periferica e notturna, insensibili ai colori (visione scotopica). Percezione e stimolo L acustica e la fotometria fanno parte della metrologia della percezione, in quanto dovrebbero misurare la percezione sonora o visiva dovuta ad un certo oggetto in un certo contesto. In realtà, la percezione è molto difficile da misurare e per di più è diversa da individuo ad individuo. Si cerca allora di individuare una relazione per quanto possibile biunivoca e continua tra la percezione media di campioni significativi della popolazione e lo stimolo che la ha provocata, identificando poi la percezione con lo stimolo, molto più facilmente misurabile. Brillanza La brillanza è definita come l attributo della percezione visiva secondo la quale un area appare più o meno luminosa. La valutazione della brillanza è soggettiva La percezione con l età La luminanza necessaria ad una percezione adeguata raddoppia ogni 13 anni

3 20 Anni 33 Anni 46 Anni 59 Anni 100% 200% 400% 800% Acuità visiva dei conducenti 2,0 Acuità visiva [arcmin -1 ] 1,5 1,0 0,73 0,5 0% 50% 85% 100% Percentuale cumulativa dei conducenti [%] Le analisi di visibilità considerano normalmente l 85% della popolazione Gli stimoli La sensibilità dell occhio varia con la lunghezza d onda della luce a cui è associata la percezione del colore. La Commission Internationale de l Eclairage (CIE) ha determinato la sensibilità dell occhio al variare della lunghezza d onda λ normalizzando due curve che definiscono l osservatore di riferimento fotometrico CIE : V(λ) per la visione fotopica e V (λ) per quella scotopica.

4 Fattori spettrali di visibilità Nel campo di visibilità la sensibilità dell occhio varia fortemente con la lunghezza d onda. Le grandezze fotometriche Nel settore dell illuminazione esterna gli stimoli sono misurati secondo alcune grandezze che li caratterizzano: si tratta principalmente di flusso luminoso, intensità luminosa, illuminamento e luminanza Dato che la luce è energia che si propaga per onde elettromagnetiche, occorre misurare l energia associata ad un certo fascio luminoso, ma dato che ciascun stimolo deve corrispondere alla percezione che genera, questa energia deve essere pesata secondo la curva V(λ) per la visione fotopica e V (λ) per quella scotopica Il flusso luminoso Il flusso luminoso è la potenza della luce che si propaga lungo un fascio luminoso Il flusso luminoso si potrebbe misurare in Watt pesati secondo la V(λ) o la V (λ), ma occorrerebbe eseguire misurazioni di potenza molto piccole, con una sensibilità dell ordine di 1 nw (10-9 W) Dato che strumenti adeguati sono disponibili solo da qualche anno, il flusso luminoso si misura in lumen (simbolo lm) definito in base alla candela

5 Intensità luminosa La candela (simbolo cd) è l intensità luminosa di una sorgente che emette in una data direzione una radiazione monocromatica con una frequenza dia 540 THz con una potenza pari a 1/683 Watt/steradiante Sorgente di luce puntiforme Direzione di propagazione Luminanza Flusso luminoso emesso in una determinata direzione da una superficie di area apparente unitaria, che emette luce o è illuminata. Si misura mediante il luminanzometro. a A Sorgente di luce estesa Direzione di propagazione Illuminamento Misura il flusso,luminoso che incide su un area ed è dato dal quoziente fra il flusso luminoso F, ricevuto da un elemento di superficie contenente il punto, e l'area A di detto elemento. Si misura con il luxmetro. a A Area illuminata Direzione di illuminazione Prescrizioni illuminotecniche Le prescrizioni illuminotecniche vengono assegnate in termini di luminanza per le strade con traffico motorizzato in quanto si tratta della grandezza più vicina alla brillanza a cui l occhio e sensibile e gli scenari sono ben definiti

6 Al contrario, per gli altri tipi di strada gli scenari non sono ben definiti per la presenza di utenti conflittuali (pedoni, ciclisti, ecc.) ed è allora più conveniente assegnare le prescrizioni in termini di illuminamento V(λ) e candela Il passaggio da percezione a stimolo avviene tramite l osservatore di riferimento caratterizzato dalla curva V(λ) o V (λ) e la definizione della candela, che passa attraverso la definizione dell equivalente meccanico del lumen, pari a 683 lm/w per una radiazione monocromatica con una frequenza dia 540 THz: non si tratta del massimo della V(λ) ma del punto di incrocio tra V(λ) e V (λ) in modo da avere un unica definizione per la visione fotopica e quella scotopica Gli illuminotecnici utilizzano quasi esclusivamente la V(λ) in quanto è compito dell illuminotecnica assicurare una corretta visione, anche dei colori, da parte della maggioranza degli osservatori Luminanza e brillanza Non esiste una relazione biunivoca e continua tra la brillanza, ossia la percezione di luminosità di un oggetto, e la luminanza Non esiste un unità di misura della brillanza, che addirittura non è additiva Il modello su cui sono basate le misure sembra fallire proprio nel caso più importante, ma in realtà la brillanza è praticamente proporzionale ella luminanza per campi limitati di variazione di quest ultima quali quelli che si verificano nell illuminotecnica Illuminazione esterna Un impianto di illuminazione esterna dovrebbe realizzare il compito visivo previsto in termine di percezione visiva Dato che è difficile misurare la percezione si è normalizzato il quoziente percezione/stimolo tramite la V(λ) e garantendo il rispetto delle prestazioni illuminotecniche identificate nelle prescrizioni normative. La generazione della luce Può essere suddivisa in alcune categorie Emissione termica. Per riscaldamento di un filamento percorso da corrente (lampade ad incandescenza) A scarica. Eccitazione di elettroni periferici di atomi ionizzati e successiva ricaduta con emissione di luce (lampade a bassa e ad alta pressione) LED. Ricombinazione di elettroni e buchi in un diodo allo stato solido percorso da corrente Le lampade a scarica necessitano di ausiliari elettrici

7 Caratteristiche delle lampade Efficienza luminosa Illuminazione esterna Condizioni per la scelta di una lampada Fotometriche Ambientali Economiche Dimensioni del bruciatore Efficienza luminosa Indice di resa dei colori Stabilità cromatica Temperatura di colore T C Livelli di illuminazione Parzializzazione Riaccendibilità Dimensioni della lampada Costi unitario ed esercizio Durata Regolazione Smaltimento Telecontrollo E il flusso luminoso emesso per unità di potenza assorbita si misura in lm/w Per l illuminazione stradale si tratta di uno dei parametri più importanti in quanto influisce direttamente sui consumi energetici Salvo casi particolari, le esigenze di risparmio energetico richiedono per l illuminazione stradale l impiego di lampade con un efficienza luminosa di almeno 100 lm/w Dimensioni Le dimensione dell elemento che emetta la luce, detto bruciatore nel caso delle lampade a scarica, determinano le dimensioni dell apparecchio di illuminazione Per l illuminazione stradale occorre emettere la luce nelle direzioni necessarie con un riflettore, e quindi anche un apparecchio di illuminazione, le cui dimensioni sono pari ad almeno 5 volte quella della superficie emittente delle lampade Durata Deve essere compatibile con le esigenze del compito visivo In un anno ci sono 8760 ore e le ore di accensione degli impianti di illuminazione esterna sono poco meno della metà, quindi ore Una lampada per l illuminazione stradale deve durare almeno 3 anni Colore della luce La luce emessa dipende dalla distribuzione spettrale della radiazione emessa con le seguenti caratteristiche Emissione termica. Spettro continuo con colore bianco Scarica nei gas. A righe, allargate in bande nelle lampade ad alta pressione, in alcuni casi integrate da uno spettro continuo per fluorescenza per ottenere il colore bianco

8 LED. Singole bande strette con colori diversi e colore bianco tramite associazione di LED o integrazione con uno spettro continuo per fluorescenza da LED blu La luce bianca L occhio è adattato alla luce naturale classificata genericamente come bianca La luce gialla delle lampade a vapore di sodio ad alta pressione è quindi un ripiego usato finora in quanto la loro efficienza luminosa di lm/w era fino a poco tempo fa nettamente superiore a quella delle lampade a vapore di mercurio che emettono luce bianca La situazione è cambiata ed ora le lampade ad alogenuri metallici hanno raggiunto la stessa efficienza del sodio Resa dei colori Il colore non è proprio di un oggetto e può cambiare in relazione alla distribuzione spettrale della luce Per definizione, in condizione di illuminazione artificiale il colore proprio degli oggetti è quello visto quando l oggetto è illuminato con una lampada ad incandescenza: l indice di resa dei colori è uguale a 100 Per molte lampade a scarica si parla impropriamente di temperatura di colore in base alla temperatura di colore di una lampada ad incandescenza che emette una luce con il colore più vicina a quella della lampada a scarica in questione (temperatura di colore prossimale) Parzializzazione In base alle norme, le luminanze o gli illuminamenti delle strade possono essere ridotte di una o due categorie illuminotecniche, in pratica fino al 50%, quando il flusso di traffico si riduce rispettivamente al 50% e al 25% di quello nominale di una strada, a condizione che la sicurezza non ne risenta. Per l illuminazione stradale è quindi necessario adottare lampade che permettano la parzializzazione del flusso luminoso fino al 50% di quello nominale tramite i regolatori di flusso luminoso o altri dispositivi analoghi Smaltimento Alcune lampade contengono materiali o composti chimici che richiedono uno smaltimento speciale delle lampade esauste Si tratta in particolare del mercurio che è contenuto, sia pure in misura molto ridotta, in alcuni tipi di lampade. I tipi recenti di lampada sono esenti da mercurio Emissione termica A temperature maggiori dello zero assoluto (-273,16 C) ogni oggetto emette radiazioni elettromagnetiche con un spettro che per un corpo nero (o che si comporta come un diffusore, tipicamente composto da una cavità o da un insieme di cavità) non dipende dalla sua natura ma solo dalla sua temperatura assoluta, detta temperatura di colore

9 Il sole si comporta come un corpo nero con una temperatura di colore T = 6500 K in quanto la sua superficie è composta da molte cavità 10 Radianza relativa 1 Ultravioletto 6500 K 3200 K 2856 K Infrfarosso Campo visibile 0, Lunghezza d'onda [nm] Luce diurna La distribuzione spettrale della luce diurna non corrisponde ad alcuna lampada. Lampade ad incandescenza La luce viene emessa da un filamento di tungsteno portato all incandescenza dal passaggio della corrente elettrica, che è avvolto a elica e racchiude una cavità simile ad un corpo nero con una temperatura di colore di circa 2800 K L efficienza luminosa è dell ordine di lm/w e la durata è limitata a ore dall evaporazione del tungsteno

10 Le dimensioni sono molto limitate e l indice di resa dei colori pari a 100 per definizione La bassa efficienza luminosa e la breve durata ne escludono l impiego nell illuminazione stradale Lampade con alogeni Si tratta di lampade ad incandescenza il cui bulbo contiene alcuni componenti con alogeni, che favoriscono la ricombinazione del tungsteno evaporato con il filamento permettendo maggiori temperature del filamento con durata anche maggiore delle lampade ad incandescenza normali La temperatura di colore arriva a 3200 K con una vita utile di ore L indice di resa dei colori è 100 per definizione Come per le lampade ad incandescenza normali, efficienza e durata escludono l impiego per l illuminazione stradale Tubi fluorescenti Nei tubi fluorescenti la scarica avviene nel vapore di mercurio saturo (in presenza di una goccia di mercurio), ed emette radiazione ultravioletta che viene convertita in luce dal rivestimento fluorescente depositato all interno del tubo. L efficienza luminosa arriva a 100 lm/w e l indice di resa dei colori a 98. Il mercurio dà qualche problema di smaltimento Anche se facilmente parzializzabili, queste lampade non sono adatte alla illuminazione stradale a causa delle elevate dimensioni e della dipendenza dalla temperatura

11 Lampade fluorescenti compatte Sono adatte a piccoli impianti esterni (esempio giardini) Confronto tra lampade ad incandescenza e fluorescenti compatte Vapore di sodio a bassa pressione Emettono luce gialla quasi monocromatica su due righe spettrali con lunghezza d onda pari a 589,0 e 589,6 nm L elevata efficienza luminosa 180 lm/w, non si traduce in risparmio energetico in quanto le dimensioni (0,5-1 m circa) richiederebbero apparecchi immensi per inviare la luce dove necessario e quindi la luce dispersa è notevole La resa dei colori nulla (tutto appare giallo) non favorisce la visione degli ostacoli e la sicurezza degli utenti della strada

12 Non sono adatte all illuminazione stradale per le dimensioni elevate ed anche perché non parzializzabili Vapore di mercurio ad alta pressione L emissione è analoga ai tubi fluorescenti, ma nel tubetto in cui si svolge la scarica l elevata densità della corrente elettrica provoca un notevole riscaldamento ed aumento della pressione Efficienza luminosa è bassa, 50 lm/w, mentre l indice di resa dei colori è pari a 60, valore discreto Contenendo mercurio hanno problemi di smaltimento La forma bulbo sfavorevole per il controllo dell intensità luminosa e l efficienza bassa la rendono inadatta all illuminazione stradale Vapore di sodio ad alta pressione L aumento della pressione dovuto all alta temperatura per l elevata densità di corrente nel bruciatore (diametro 4-5 mm lunghezza mm) provoca l allargamento delle due righe del sodio con la formazione di uno spettro di emissione continuo centrato intorno alle righe del sodio Il colore della luce è giallo oro con un indice di resa dei colori pari a 25 ed una efficienza luminosa di lm/w Lampade adatte all illuminazione stradale con lunga vita ( ore se alimentate con uno stabilizzatore/regolatore) e facilmente parzializzabili Vapori di alogenuri metallici Introducendo nel bruciatore una miscela di composti alogeni di alcuni metalli si ottiene uno spettro con molte righe di colore bianco Queste lampade hanno oggi uguagliato l efficienza luminosa del sodio ad alta pressione (120 lm/w) con dimensioni inferiori e durate analoghe Il bruciatore ancora più corto del sodio permette di costruire apparecchi di illuminazione molto piccoli

13 Lunghezza dell'arco [mm] 60 mm 40 mm 20 mm Sosio alta pressione R a = 25 Ioduri metallici R a = mm 0 klm 20 klm 40 klm Flusso luminoso della lampada [klm]

14 Lampade LED Utilizzando componenti allo stato solido emettono luce quasi monocromatica si può ottenere l emissione di luce bianca associando tre LED rosso, verde e blu oppure un LED blu (in futuro radiazione ultravioletta) e una superficie riflettente rivestita di materiale fluorescente che emette luce gialla a largo spettro o con picchi nel rosso, verde e blu. L indice di resa dei colori molto buona, la durata di oltre ore, le dimensioni molto piccole ne faranno la sorgente ideale per l illuminazione stradale quando l efficienza luminosa, oggi di circa 40 lm/w, salirà come previsto a oltre 100 lm/w Triplette di LED

15 LED fluorescenti luce bianca fosforo chip blu/uv SMT-Topled + diodo blu nm diodo UV nm