SETTORE POLITICHE DEL TERRITORIO E DELL AMBIENTE UFFICIO MANUTENZIONI IMPIANTI ILLUMINAZIONE PUBBLICA CON ARMATURE A LED STUDIO DI FATTIBILITA Rivalta di Torino, lì 21 novembre 2013 IL PROGETTISTA arch. Giovanni Ruffinatto
1) PREMESSE Il Protocollo di Kyoto è entrato in vigore il 16 febbraio del 2005 e, a partire dal 2008, ha obbligato i paesi industrializzati, maggiori responsabili delle emissioni di gas serra, a diminuirle, combinando politiche, misure e meccanismi finalizzati a rendere più efficiente, pulito e consapevole il nostro consumo di energia. Si pensi che il consumo di energia per l illuminazione globale equivale al 19% del consumo di energia del mondo, in particolare, nel 2005 in Italia, il consumo energetico per l illuminazione è stato di 411 TW/h, producendo circa 4,2 tonnellate di CO2. Le tecnologie illuminotecniche, continuamente in fase di sviluppo, nella nuova frontiera dei LED stanno cercando di ovviare ai problemi derivanti dalle tecnologie tradizionali più diffuse sia sotto l aspetto di efficienza luminosa (razionalizzazione dei consumi, diminuzione dell inquinamento luminoso, etc.), e sia sotto l aspetto dei costi di smaltimento, vedi le lampade fluorescenti o a vapori di mercurio.. Da essi infatti si cercano risposte sia per il risparmio energetico sia per la salvaguardia dell ambiente, consapevoli che con essi si possono ridurre i consumi e le emissioni di CO2. I LED rappresentano un ottima sorgente luminosa e da qui nasce l idea di utilizzare tale tecnologia per l illuminazione privata e pubblica. Dato il ridotto consumo, si ha, durante l utilizzo, un risparmio di energia rispetto alle altre sorgenti luminose, inoltre, vista l elevata durata, necessitano di una minor manutenzione, che si ripercuote positivamente sui costi di gestione. Fino a pochi anni fa, i LED venivano usati nell impiego pubblico solo come sostitutivo alle lampade dei semafori, dato la scarsa necessità di manutenzione, oppure nell utilizzo decorativo, data la versatilità di tale tecnologia. Con lo sviluppo degli studi si è ora arrivati a poter applicare tale tecnologia anche nell utilizzo dell illuminazione stradale, anche perché si è dimostrato che la tonalità della luce generata permette di utilizzare tutti gli apparati ricettivi di cui il nostro occhio è dotato. Bisogna infatti fare una distinzione tra visione fotopica e visione scotopica. La retina dell occhio umano è costituita da coni e bastoncelli, i primi legati alla visione fotopica, che è vincolata alla luce diurna e permette la visione dei colori, i secondi a quella scotopica che risulta essere una visione non cromatica ma che assume particolare importanza nelle condizioni di scarsa luminosità. L occhio umano non è sensibile alla stessa maniera a tutte le radiazioni di luce visibile, infatti in condizioni di luce normale, esso risponde in maniera ottimale per colori verde-gialli mentre ha una sensibilità molto bassa per colori rossi e blu, mentre in condizioni di scarsa luminosità la sensibilità si sposta verso colori blu e bianco freddo. La figura qui sotto riporta i fattori di visibilità relativa normalizzati CEI, dove la linea continua rappresenta la visione fotopica mentre quella tratteggiata quella scotopica.
Ecco perché l illuminazione a LED, data la possibilità di ottenere tonalità di colore diverse risulta, secondo gli ultimi studi, di miglior efficacia. Altri vantaggi, già citati di tale tecnologia, risultano essere: - Ecologici: non contengono sostanze aggressive per l ambiente ne metalli pesanti. - Gestionali: il controllo totale del flusso luminoso garantisce un sistema molto efficiente senza sprechi; - Fisici: il flusso può essere direzionato solo dove serve senza dispersioni di luce, limitando quindi l inquinamento luminoso ed inoltre la rottura di un componente non comporta lo spegnimento dell impianto. Bisogna però anche tener conto che la messa in funzione dell impianto in termini di acquisto delle apparecchiature, posa, e progettazione risulta avere costi maggiori rispetto alle tradizionali lampade per l illuminazione stradale. 2) NOZIONI TECNICHE Definizione di LED I LED, acronimo di Light Emitting Diode (diodo ad emissione luminosa), hanno le caratteristiche di un diodo, ovvero è costituito essenzialmente da una giunzione P-N che, se polarizzata direttamente, emette una radiazione luminosa dovuta all effetto di elettroluminescenza della giunzione, ovvero quel fenomeno, scoperto nel 1923 da Lossew, per cui, a seguito di una ricombinazione tra una lacuna ed un elettrone si ha la formazione di una radiazione elettromagnetica, dovuta all energia liberata durante tale fenomeno. Tale fenomeno venne poi perfezionato ed applicato alla tecnologia LED nel 1962, mediante l utilizzo di particolari semiconduttori, come l arsenurio di Gallio (GaAs), da Nick Holonyak Jr. I materiali principalmente usati per la costruzione di questi particolari diodi sono:gaas (Arseniuro di Gallio), GaP (Fosfuro di Gallio), GaAsP (Fosfuro Arseniuro di Gallio), SiC (Carburo di Silicio), GaInN (Nitruro di Gallio e Indio);
La frequenza della radiazione emessa dipende dal materiale utilizzato nella giunzione P- N, e di conseguenza si ha una variazione del colore del LED. A seconda del drogante utilizzato, i LED producono i seguenti colori: AlGaAs (Arseniuro di Alluminio - Gallio)- rosso ed infrarosso GaAlP (Fosforuro di Gallio e Alluminio)- verde GaAsP (Arseniuro di Gallio - Fosforo) - rosso, rosso-arancione, arancione, e giallo GaN (Nitruro di Gallio) - verde e blu GaP (Fosfuro di Gallio) - rosso, giallo e verde ZnSe (Selenio di Zinco)- blu InGaN (Nitruro di Gallio e Indio)- blu-verde, blu InGaAlP (Fosforuro di Allumino, Gallio e Indio)- rosso-arancione, arancione, giallo e verde SiC come substrato blu I primi LED erano disponibili solo nel colore rosso. Venivano utilizzati come indicatori nei circuiti elettronici e nei display a sette segmenti. Successivamente vennero sviluppati LED che emettevano luce gialla e verde e vennero realizzati dispositivi che integravano due LED, generalmente uno rosso e uno verde, nello stesso contenitore permettendo di visualizzare quattro stati (spento, verde, rosso, verde+rosso=giallo) con lo stesso dispositivo. Negli anni novanta vennero realizzati LED con efficienza sempre più alta e in una gamma di colori sempre maggiore fino a quando con la realizzazione di LED a luce blu fu possibile realizzare dispositivi che, integrando tre LED (uno rosso, uno verde e uno blu), potevano generare qualsiasi colore. Parametri caratteristici I parametri che caratterizzano i LED sono: - corrente diretta: If, è il valore di corrente necessaria al LED per ottenere l intensità luminosa voluta, in ma; - tensione diretta: Vf, è la tensione presente fra i due terminali quando il LED è percorso dalla corrente diretta: nella maggior parte dei LED è compresa tra 1,5 e 3V per LED normali e da 3 a 5V per LED ad alta luminosità (HL). Da ricordare che la tensione diretta dei LED varia anche in base al colore (Colore Vf): Infrarosso 1,3 Rosso 1,8 Giallo 1,9 Verde 2 Arancio 2 Blu- Bianco (HL) 3 - temperatura di colore: temperatura alla quale il corpo nero dovrebbe essere portato affinché emetta una luce il più possibile simile a quella della sorgente presa in esame. (Dire che una lampada ha una temperatura di colore di 3000 K significa che la luce prodotta da essa ha la stessa tonalità di quella generata dal corpo nero portato alla temperatura di riferimento di 3000 K.) - flusso luminoso: è la quantità di energia che la luce emette in un secondo in tutte le direzioni, rappresenta quindi la sensazione luminosa legandola alla potenza dello stimolo. Il flusso luminoso di un LED viene generalmente indicato in relazione alla potenza dello stesso (efficienza luminosa) ed in condizioni standard di esercizio. Generalmente un Power LED, con temperatura di colore a 6000 K, corrente diretta 350 ma e temperatura ambiente di 25 C, ad inizio vita presenta circa 80-100 lm/w.
- efficienza: è la relazione tra intensità luminosa[1] emessa misurata in millicandele (mcd), e la corrente elettrica in milliampere (ma) ; i valori possono essere fra 0,5-2 mcd a 20 ma, ed arrivano, ad alta efficienza, fino a 20 mcd a 10 ma; - vita media del LED: ore passate le quali la sorgente a LED presenta un decadimento del flusso luminoso iniziale pari al 30%. Generalmente si attesta attorno alle 50000h 60000h. 3) ASPETTI QUALITATIVI VANTAGGI 3.1 Qualità della luce La luce emessa dalle lampade al sodio e' gialla, non corrispondente al picco della sensibilità dell' occhio umano: i colori non sono riprodotti fedelmente ed è quindi necessaria più luce per garantire una visione sicura. I LED invece, emettono luce bianca fredda, che permette di raggiungere un'illuminazione sicura per gli utenti della strada (abbassa i tempi di reazione all'imprevisto), con minor consumo di energia. La luce bianca attraversa molto meglio la nebbia, rendendo i veicoli più visibili. inoltre i LED aumentano anche la qualità delle immagini catturate dalle telecamere di sicurezza. L'indice di resa colorimetrica (CRI) indica la fedeltà di riproduzione dei colori: vale 20 per le lampade al sodio e 80 per le lampade LED. L'idea di legare la tecnologia LED all'illuminazione stradale deriva anche dalle ultime scoperte scientifiche in campo percettivo: gli studi sulla visibilita' con luce bianca si basano sul fatto che a seconda della luminanza utilizziamo o meno tutti gli apparati percettivi del nostro occhio (coni e bastoncelli). I risultati indicano che sono da preferire le sorgenti luminose con spettro prevalente nella banda del blu, come i LED, senza richiedere elevati valori di luminanza. Le lampade al sodio ad alta pressione presentano uno spettro centrato nella banda del rosso, molto al di fuori del picco di sensibilità dell'occhio umano. Si può quindi affermare che con le lampade al sodio occorre aumentare la potenza luminosa del 50% per garantire una visione sicura. Da recenti studi, mettendo a confronto il potenziale di rilevamento della segnaletica orizzontale in strada di notte, illuminato nelle medesime condizioni di luce bianca a LED e con la luce gialla della lampada sodio. La visione della segnaletica è risultata estremamente migliore con luce LED. 3.2 Inquinamento luminoso Le lampade al sodio, essendo omnidirezionali, diffondono la luce in tutte le direzioni ed e' necessario dotare il lampione di parabola per recuperarne la metà, l'efficienza luminosa finale e' il 50% di quella emessa. Il LED e' direzionale per costruzione ed emette un fascio luminoso definito, a 90, da 90 lumen/watt (alimentazione a 350mA) e quindi riduce al minimo l'inquinamento luminoso. Il LED può essere interfacciato con delle ottiche secondarie per restringere il fascio luminoso. In conclusione, la lampada al sodio, per qualità della luce, efficacia della proiezione e inquinamento luminoso, risulta essere inferiore alla lampada LED. 3.3 - Durata La vita utile dei sistemi a LED e' stimata in 50.000-100.000 ore (10-20 anni, 12 ore al giorno) contro le 4000-5000 ore (11-14 mesi) delle lampade al sodio ad alta pressione.
Nei casi in cui I corpi illuminanti a LED hanno cessato di funzionare dopo solo 5.000 7.000 ore si è constatato che Il motivo non risiedeva nel LED in se come sorgente, ma piuttosto nel modo in cui il sistema era stato costituito (dissipazione, assemblaggio, alimentazione, ecc). Secondo stime, dopo 50.000-100.000 ore la luminosità dei sistemi a LED scende al 70% rispetto al valore iniziale e questo può essere considerato il termine della vita utile del LED. L'indice di caduta del flusso luminoso dei LED e' nullo dopo 3000 ore di funzionamento, anzi nelle prime 5000 ore aumenta leggermente. I fari al sodio, invece, dopo 3000 ore presentano una riduzione del flusso fino al 40%. 3.4 Manutenzione I costi di manutenzione degli apparati di illuminazione a LED sono stimati nell'ordine di un decimo rispetto agli impianti al sodio attualmente in uso. 3.5 - Costi i sistemi a LED hanno un costo iniziale maggiore, dal doppio al triplo, rispetto alle soluzioni tradizionali. Considerando però la maggiore durata, il risparmio energetico e la manutenzione quasi assente, si ha un risparmio netto dal 50% al 80%. La produzione di semiconduttori diventa sempre più economica con l' aumentare dei volumi di produzione e quindi, con il diffondersi della tecnologia LED, i prezzi si abbasseranno. La tecnologia LED e' in rapido sviluppo e l' efficacia luminosa dei LED aumenta rapidamente, mentre la ricerca per gli altri tipi di illuminazione e' terminata Il dipartimento dell'energia degli Stati Uniti d'america stima che sostituendo,negli U.S.A., nei prossimi 20 anni l'attuale illuminazione stradale e urbana con i LED si possa: - diminuire il consumo di energia elettrica del 62%; - ridurre le emissioni inquinanti di 250 milioni di tonnellate di anidride carbonica; - evitare la costruzione di 153 nuove centrali elettriche; - risparmi finanziari per 115 miliardi di dollari di finanziamenti non necessari per la costruzione di centrali elettriche. 3.6 Inquinamento ambientale Per l illuminazione pubblica i LED presentano un accensione immediata e non contengono sostanze chimiche pericolose, tipo il mercurio, e quindi ne consentono lo smaltimento indifferenziato. 4) NORMATIVA ATTUALE Le armature stradali a led devono essere conformi alle seguenti norme: CEI EN60598 1-2-3-4: Prescrizione generali e prove tecniche sulle armature stradali; UNI EN 11248:2007: Prestazioni illuminotecniche impianti di pubblica illuminazione; UNI EN 13201: Requisiti minimi in quantità e qualità dell illuminazione stradale sia motorizzata che ciclopedonale EN 13201-1 Selezione delle classi di illuminazione EN 13201-2 Requisiti prestazionali EN 13201-3 Calcolo delle prestazioni EN 13201-4 Metodi di misurazione delle prestazioni fotometriche
5) PROGETTO Il presente studio prende in esame due situazioni di viabilità differente: - Via Alfieri nel tratto compreso tra la Via Giaveno e l incrocio di Via Alfieri con la nuova viabilità in fase di realizzazione della zona CC9, CC10, CC22 del P.R.G.C. di lunghezza di 475 mt. (ALLEGATO A) - Via Pragelato: tratto di nuova realizzazione costituito da strada di quartiere residenziale per una parte circa 175 mt. e da una parte di pista ciclopedonale congiungente il tratto suddetto e la via Rivoli di circa 150 mt.. (ALLEGATO B) I due interventi possono essere classificati in base alla vigente normativa come: - ME4b strade locali urbane di tipo F : per la via Alfieri - CE5/S3: per la via Pragelato;.
6) STIMA DEL COSTO DEGLI IMPIANTI Sulla base di precedenti interventi si può quantificare un costo parametrico di circa 3.000,00 a punto luce, considerando che, in entrambi gli interventi, è possibile allacciare le nuove linee a punti di consegna esistenti. Fatte salve le verifiche illuminotecniche e, riferendosi ad interventi realizzati in ambiti stradali simili a quelli in oggetto, si ipotizzano i seguenti rapporti tra l altezza della sorgente luminosa e l interdistanza tra i punti luce: - via Alfieri: 9-10/ 30 - via Pragelato: 5-6/ 25 STRADA distanza PL (mt) n PL STIMA TOTALE 1 VIA ALFIERI 30,00 17,00 2 VIA PRAGELATO 25,00 12,00 TOTALE 29,00 3.000,00 87.000,00 7) QUADRO ECONOMICO DI SPESA 1 IMPORTO LAVORI * lavori soggetti a ribasso 87.000,00 prima stima oneri della sicurezza 1.500,00 IMPORTO LAVORI a base d'asta 88.500,00 2 SOMME A DISPOSIZIONE IVA 10% (importo dei lavori) 8.850,00 Spese tecniche incentivi ex art. 92 del D. Lgs. 163/2006 - pratiche GSE 8.850,00 IVA ed oneri di legge su S.T. 2.212,50 Imprevisti e arrotondamento 1.587,50 in uno 21.500,00 ----------------------------------- IMPORTO QUADRO ECONOMICO 110.000,00 *L importo dei lavori comprende, oltre alla fornitura in opera di basamenti, pali, armature, pozzetti, cavidotti e cablaggi elettrici, le opere stradali strettamente connesse alla realizzazione dell impianto: taglio asfalto, scavi e ripristini della pavimentazione esistente.
ALLEGATO A
ALLEGATO B