inquinamento luminoso rendiemnto illuminotecnico finale illuminazione per esterni light pollution illuminotecnica lampade impianti riduttori carlo rossi aamt luce e ambiente italy lazio rome roma civitavecchia IL RENDIMENTO FINALE ILLUMINOTECNICO NELL’ILLUMINAZIONE PER ESTERNI ANALISI CRITICA DI UN IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE Introduzione L'inquinamento luminoso è definito come la rottura dell'equilibrio naturale luce/buio o giorno/notte ed è dovuto alla luce artificiale che è diretta verso la volta celeste dagli apparecchi di illuminazione per esterni e dalla riflessione del suolo. L'inquinamento luminoso porta alla riduzione degli oggetti celesti visibili. L'importanza degli apparecchi di illuminazione per esterni nell'abbattimento dell'inquinamento luminoso è ben conosciuta nel mondo astronomico che desidera la schermatura di tali apparecchi. Un'analisi più approfondita porta alla luce nuovi elementi che in special modo influiscono direttamente sull'energia consumata per illuminare e di riflesso per inquinare. Il rendimento finale trattato in questa sede è il rapporto fra l’energia assorbita dall’apparecchio di illuminazione e l’energia effettivamente utilizzata per illuminare l’area voluta. In genere sui cataloghi dei costruttori appare il valore del rendimento dell’apparecchio, cioè il rapporto fra l’energia emessa dall’apparecchio e l’energia ricevuta dalla lampada; tale rendimento, in genere, oscilla fra il 50% - 85%. Il rendimento finale illuminotecnico, qui introdotto per la prima volta in letteratura, è ben diverso dal rendimento del solo apparecchio illuminante e stranamente non viene definito e/o trattato. Forse a causa del suo valore molto piccolo? Infatti mediamente è minore del 10%. Ciò vuol dire che il 90 - 95% dell’energia assorbita dall’apparecchio viene dissipata sotto varie forme e solo il 5 – 10% è trasdotto in luce utile per illuminare la zona da servire. E’ per questo motivo che abbiamo pensato di scrivere questo articolo in modo da portare all’attenzione del mondo illuminotecnico ed astronomico questa grave lacuna tecnica e scientifica. Giriamo il problema all’attenzione degli illuminotecnici invitandoli ad impegnarsi nella ricerca per aumentare il rendimento dell’apparecchio in generale e delle lampade in particolare, visto il peso di queste ultime nell’economia globale del sistema. L’apparecchio di illuminazione per esterni Un apparecchio elettrico di illuminazione è un trasduttore che trasforma l’energia elettrica assorbita in energia raggiante. La trasduzione è svolta dalla lampada ma l’apparecchio per lampade a scarica di gas, in genere, è composto dai seguenti componenti (la sequenza proposta è anche quella fisica di funzionamento): - piastra accessori (reattore, accenditore, morsetteria, condensatore di rifasamento, sezionatore, fusibile, ecc.) - portalampada - lampada a scarica di gas (mercurio, alogenuri, sodio alta e bassa pressione) - schermo riflettente brillantato - coppa (in vetro o materiale plastico) La lampada per accendersi e funzionare ha bisogno dell’accenditore e del reattore. La lampada tramite la scarica dei gas trasforma parte l’energia elettrica in luce; la luce emessa dall'arco di scarica, viene riflessa, assorbita e rifratta dal bulbo della lampada; la parte rifratta a sua volta si divide in due parti: una che viene riflessa dallo schermo riflettente, l'altra che incide sulla coppa; la luce che arriva sulla coppa viene riflessa, assorbita e rifratta, solo la luce rifratta si diffonde all'esterno (Fig. 1). Le perdite La tabella 1 riporta i rendimenti dei vari componenti, le perdite relative e la potenza risultante, con riferimento ad un apparecchio con potenza impegnata di 100 W e lampada ai vapori di mercurio. Vediamo nel dettaglio che cosa succede durante il percorso fisico dell’energia: - piastra accessori: perdite per effetto Joule ed addizionali si verificano nel reattore, nei condensatori, nei contatti, ecc.. Queste perdite sono ridotte e nel caso specifico pari al 10%, cioè 10 W. La potenza rimanente sarà 100 – 10 = 90 W. - lampada: è il componente dell’apparecchio che provoca la massima caduta del rendimento; in teoria una lampada dovrebbe emettere 621 lumen di flusso luminoso per ogni Watt impiegato, in realtà l’efficienza luminosa delle lampade è ridotta e va da 50 Lm/W per una lampada al mercurio a 180 Lm/W per una lampada al sodio a bassa pressione, rispettivamente circa il 10 e 30% del teorico. Nel nostro esempio, la lampada trasduce il 10% dei 90 W cioè 9 W (è solo un esempio teorico per rendere più facili i calcoli; realmente, una lampada al mercurio non raggiunge un'efficienza luminosa di 62 Lm/W ma si attesta sui 50 Lm/W) che nel tempo determina l'energia assorbita (potenza per tempo); in uscita dalla lampada troviamo il flusso luminoso che è minore della potenza assorbita in quanto nel passaggio entrata/uscita ci sono le perdite, la formula seguente evidenzia quanto detto: Pu = P - Pp dove Pu è la potenza luminosa in uscita, cioè il flusso luminoso, P la potenza elettrica assorbita dalla lampada, Pp la potenza perduta e quindi non trasformata in energia raggiante. La potenza perduta è dovuta al processo non ideale di trasformazione della potenza elettrica in potenza raggiante a causa delle seguenti perdite: addizionali (esempio contatti), per effetto Joule (nelle lampade ad incandescenza tale effetto, riguardo al filamento, non costituisce solo una perdita ma bensì la base di funzionamento), per riflessione ed assorbimento della luce emessa da parte del bulbo in vetro che si trasforma in calore disperso dal bulbo stesso per conduzione verso l’esterno, interne per convenzione, per emissione nel campo dell'invisibile (raggi ultravioletti ed infrarossi), per una scarica non ideale dei gas, ecc.). In pratica la lampada è un "trasduttore" di energia: l'energia elettrica in entrata viene trasformata in energia raggiante, chiaramente con rendimento minore di 1. Una efficienza luminosa elevata significa un processo di trasformazione "più pulito" dell'energia elettrica in energia raggiante. - Coppa ed inclinazione (Fig.2): la coppa prismata diffonde la luce verso l’emisfero superiore esterno ed il fenomeno, in genere, è aggravato dall’inclinazione dell’apparecchio rispetto al piano di calpestio, la potenza perduta è pari al 10% di quella emessa. - Aria: una ridotta parte di luce viene deviata dalle polveri e dalle molecole d’acqua. - Suolo da non illuminare (Fig. 2): una parte della luce che arriva al suolo illumina un’area non destinata all’illuminazione. I fattori che contribuiscono a questa dispersione della luce sono l’errata progettazione o scelta dell’ottica, l’errata progettazione dell’impianto e l’installazione sbagliata. - Riflessione del suolo (Fig.2): la riflessione del suolo in media si può assumere pari al 10% e quindi anch’essa è luce dispersa verso il cielo, anche se bisogna specificare che in special modo nei centri abitati, la riflessione è minore del 10%. Infatti, parte della luce riflessa, incontrando ostacoli come le superfici di palazzi o alberi, viene assorbita o riflessa contro altre superfici. In definitiva le perdite totali sono pari al 95% della potenza impegnata. Solo un minuscolo 5% è stato trasdotto in luce utile. L’energia inviata verso il cielo sarà pari a: (0,68 + 0,06 + 0,6 + k% x 0,6) W ora = circa 2 Wh, dove k% è il valore della riflessione del suolo da non illuminare. Il 2% della potenza impegnata dall’apparecchio, pari a 2W, si riversa sulla volta celeste. La luce emessa dall'apparecchio preso in esame, si riversa sulla volta stellata, direttamente ed indirettamente, con un flusso luminoso di circa 1200 Lumen (621 Lm corrispondono a 1 W); siccome la lampada emette circa 6000 lumen (621 Lm/W x 100 W), il flusso luminoso disperso di 1200 Lm corrisponde al 20% del flusso emesso dalla lampada. Conclusioni L’illuminazione presa in esame ha un rendimento finale di soli 5 punti percentuali ed inoltre il 20% della luce emessa è inviata verso il cielo. Un rendimento irrisorio e quindi un apporto notevole all'inquinamento luminoso. In molti casi la situazione è ben peggiore come nei globi luminosi dove il 40 – 50% della luce è inviata direttamente verso la volta celeste. Nel caso delle torri faro, usate per illuminare gli svincoli autostradali o grandi aree, si arriva ad illuminare zone non dovute con una percentuale di luce “dispersa” del 80%. In definitiva: - bisogna puntare sulla ricerca al fine di aumentare il rendimento delle lampade. - si deve prestare la massima attenzione nell’usare apparecchi con rendimento elevato ( > = del 80 %) e schermati (emissione prossima alle 0 Cd/kLm a 90° ed oltre) - l'installazione dell'apparecchio deve essere ottimale - bisogna inviare la luce solo laddove serve - dopo le 23/24, tramite i riduttori di flusso luminoso, si dovrà ridurre il flusso luminoso emesso, riducendo di conseguenza il flusso luminoso disperso. Appendice: Unità di misura: La potenza si misura in watt (W); 1 watt = 1 joule/1 secondo L'energia si misura in joule (J); 1 joule = 1 newton * metro Il Kwattora (kWh) è un multiplo del joule; 1 kwattora = 1 watt * 1000 * 1 ora = 3.600.000 joule Il flusso luminoso è una potenza e si misura in lumen (lm); L'efficienza luminosa si misura in lumen/watt (Lm/W) Componenti: Lampade a scarica di gas: al mercurio, al sodio alta pressione, al sodio bassa pressione Reattore: apparecchio elettrico di stabilizzazione dell'arco di scarica Accenditore: apparecchio elettrico per l'innesco della scarica Condensatore: apparecchio elettrico per il rifasamento Coppa: rifrattore in vetro o plastica per diffondere la luce all'esterno Riduttore di flusso luminoso: apparecchio con temporizzatore atto a ridurre il flusso luminoso emesso dalla lampada ANALISI CRITICA DI UN IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE La prima parte che abbiamo esposto ci ha introdotto in nuovo mondo non conosciuti ai più, ma ora siamo coscienti del rendimento infinitesimale che ha un apparecchio. A valle di quell’analisi, ora volgiamo addentrarci nel cuore dell’impianto. A mio avviso le problematiche che i ricercatori, progettisti, instalaltori, dovranno risolvere sono: - il rendimento finale: molto scarso, inferiore al 10% - il rendimento delle lampade: che solo per quelle al sodio B.P: è appena sufficiente - il rendimento degli alimentatori: che oggi assorbono circa il 20% della potenza della lampada (molto meglio quelli elettronici che sono sul 2% ma a detta di molti, oggi non ancora affidabili come quelli elettromagnetici) - il rendimento dell’apparecchio: che oggi per i migliori prodotti si avvicina al 80% - la riflettività del riflettore: anche se ormai come punta siamo al massimo del 99,99%, bisognerebbe che tutti gli apparecchi fossero prodotti al 99,99% - gli indici: di rifrazione dei vetri che debbono aumentare , mentre debbono diminuire gli indici di assorbimento e riflessione - forme del riflettore: rendendole più ottimali alle varie tipologie d’uso; si potrebbe andare oltre, sperimentando riflettori a “forma variabile” maggiormente direzionali - angoli di emissione: molte volte inferiori al 60%; gli angoli di emissione vanno aumentati per evitare di inclinare l’apparecchio ma nel contempo bisogna evitare un surriscaldamento e maggiori perdite per maggior flusso intrappolato all’interno dell’apparecchio - vetri: il problema dei vetri di cui sopra va affrontato con ottica diversa, sperimentando vetri con indici di rifrazione diversi lungo la loro superficie. Variando l’angolo di rifrazione , a parità di dimensioni dell’ottica, si riuscirà a raggiungere angoli d’emissione maggiori - il “rinculo dell’apparecchio”: questo è un problema tecnico irrisolto ed a cui si presta poca attenzione, mentre da luogo a due effetti indesiderati: 1) il flusso disperso nel retro dell’apparecchio, anche per venti trenta metri! 2) il flusso che penetra nelle abitazioni con gravi ripercussioni sul riposo delle persone. Pochissime aziende hanno uno schermo retrostante che risolve solo in parte i problemi. - la dispersione oltre l’area da illuminare: in questo caso si assiste ad una dispersione per aree illuminate con superficie di 5 – 10 – 50 volte la zona da illuminare, il valore massimo si ha nei casi delle torri faro con fari simmetrici, ad esempio dei depositi o scali - la disuniformità della luce: molte volte si vedono impianti che illuminano a “zebra”, qui il progettista ha errato - l’abbagliamento: questo caso è pericoloso e può creare incidenti anche mortali o comunque innesta problemi nell’igiene del lavoro e sua sicurezza - lo spettro d’emissione: quando non c’è bisogno dell’intero spettro si può ricorrere alla luce gialla o arancione/rosa delle lampade al sodio e questo purtroppo si fa poco - lo spegnimento dell’impianto o la riduzione del flusso luminoso: questo problema è importantissimo in quanto si dovrebbe illuminare quando e quanto serve ma i progettisti trascurano questo problema; mi domando a che serve un monumento illuminato a 300 lux, alle tre di notte in Inverno a – 5°C! ed una strada illuminata a 50 lux alle 2 di notte! Con le spegnimento o i riduttori si può risparmiare il 30 – 40% dell’energia! - La scelta dell’apparecchio, della lampada, del palo, sono fondamentali per ottenere un buon impianto - L’installazione dell’apparecchio: è fondamentale, infatti posso scegliere il miglior apparecchio sul mercato, fare il miglior progetto ma s epoi l’installatore procede a modo suo, allora è la fine; spesso si vedono fari a 90° - 60° - 0° rispetto al terreno! Con una dispersione elevatissima Torna alla pagina indice