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Seminario di aggiornamento
sull’illuminazione esterna
Introduzione alle problematiche relative
all’illuminazione pubblica
Paolo Soardo
Unità fotometriche
La luce è energia che si propaga per onde elettromagnetiche con velocità c nel vuoto pari per
definizione a 2,999 793 458 · 108 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
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
Fovea
Cris
talli
no
2°
Coni
Bastoncelli
BastoncelliOcchio
Acuità visiva 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.
800%
400%
200%
100%20 Anni
33 Anni
46 Anni
59 Anni
0% 50% 85% 100%0,5
0,73
1,0
1,5
2,0
Acu
ità v
isiv
a [a
rcm
in-1]
Percentuale cumulativa dei conducenti [%]
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
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
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.
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.
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
Sorgentedi lucepuntiforme
Direzione di
propagazione
Sorgentedi luceestesa
Direzione di
propagazione
a
A
Areailluminata
Direzione di
illuminazione
a
A
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
Caratteristiche delle lampade
Efficienza luminosa
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 4000-4200 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
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 TC
Livelli di illuminazione Parzializzazione Riaccendibilità Dimensioni della lampada
Costi unitario ed esercizio Durata Regolazione Smaltimento Telecontrollo
• 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 120-130 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
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
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 10-12 lm/W e la durata è limitata a 1000-2000 ore
dall’evaporazione del tungsteno
200 400 600 800 10000,1
1
10
3200 K
Infrf
aros
so
Ultr
avio
letto
Campo visibile
2856 K
6500 K
Rad
ianz
a re
lativ
a
Lunghezza d'onda [nm]
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 2000-4000 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
Lampade fluorescenti compatte
Sono adatte a piccoli impianti esterni (esempio giardini)
Confronto tra lampade ad incandescenza e fluorescen ti 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
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 50-100 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 120-130 lm/W
Lampade adatte all’illuminazione stradale con lunga vita (15000-20000 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
0 klm 20 klm 40 klm0 mm
20 mm
40 mm
60 mm
Ioduri metallici Ra = 80-86
Sosio alta pressione R a = 25
Lung
hezz
a de
ll'ar
co [m
m]
Flusso luminoso della lampada [klm]
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 30000 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
LED fluorescenti
SMT-Topled ®
luce bianca
chip blu/UV
fosforo
400 500 600 700nm
400 500 600 700nm
diodo UV
diodo blu
+