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Tecnica
dicembre 2014
LA TERMOTECNICA
Illuminazione & Energia
di P. Pastore
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Analisi illuminotecnica di un deposito costiero
L’analisi energetica di un impianto rappresenta un elemento fondamentale al fine di individuare le criticità e i possibili interventi di miglioramento. In tale ambito gli impianti illuminotecnici occupano un ruolo determinate. L’obiettivo del presente lavoro consiste nell’analisi
di un deposito costiero dal punto di vista energetico, evidenziando le criticità e i possibili interventi migliorativi. In particolare l’analisi si
sofferma sull’aspetto illuminotecnico, proponendo le soluzioni e i vantaggi.
LIGHTING ANALYSIS OF DEPOSIT COASTAL
Energy analysis of a system is a key element in order to identify the critical issues and possible improvements. That includes lighting systems
occupy a certain role. The objective of this work is the analysis of a coastal warehouse from the point of view of energy, highlighting the
critical issues and possible improvements. In particular, the analysis focuses appearance lighting, proposing solutions and advantages.
INTRODUZIONE
Il risparmio energetico può essere definito come quella operazione
tecnologica con la quale si intende conseguire l’obiettivo di produrre
gli stessi prodotti o servizi con un minor consumo di energia primaria
ed eventualmente con un maggior impegno di risorse d’altro tipo.
Questa definizione distingue il “risparmio energetico” dal cosiddetto
“sacrificio energetico”, che è invece un’operazione economico -sociale con la quale si intende incentivare gli utenti a modificare le loro
abitudini di consumo, nel senso di soddisfare i propri bisogni finali
con modalità che comportino minori consumi di energia primaria.
In un discorso più ampio possiamo far comprendere nella definizione di risparmio energetico anche il ricorso all’integrazione
delle fonti di energia rinnovabile. In questo senso gli interventi di
risparmio energetico mirano a conseguire un’economia di energia
da fonte fossile, che rappresenta oggi la fonte critica sulla cui
disponibilità futura si iniziano a nutrire preoccupazioni.
Obiettivo di questo lavoro è la descrizione delle caratteristiche
degli interventi da realizzare nel settore illuminotecnico per un
deposito costiero, sottoposto ad analisi energetica. In particolare,
si affronta il problema della sostituzione dei centri luminosi a bassa
efficienza (vapori di mercurio) con centri luminosi con armature
dotate di sorgenti ad alta efficienza luminosa.
CARATTERISTICHE DELLE LAMPADE A VAPORI DI MERCURIO
La lampada a vapori di mercurio ad alta pressione ha una forma
compatta, per resistere alle sollecitazioni della pressione interna.
Come materiale è impiegato il quarzo, maggiormente resistente
rispetto al vetro utilizzato in altri tipi di lampada. In questo tipo di
lampade, la luce è prodotta da una scarica elettrica attraverso vapori di mercurio, con una piccola aggiunta di argon, ad alta pressione, che facilita l’innesco. I vapori di mercurio, la cui emissione
luminosa avviene nella regione dell’ultravioletto, sono contenuti nel
tubo di scarica a una pressione, durante il funzionamento della
lampada, che assume un valore compreso fra 0,1 e 2,5 Mpa. Alle
estremità del tubo di scarica sono situati i due elettrodi. La lampada produce radiazioni sia visibili sia ultraviolette. Essi vengono
peraltro trasformati in luce visibile, con aumento dell’efficienza,
tramite polveri fluorescenti depositate sulla parete interna dell’ampolla esterna di protezione termica e meccanica della lampada.
Tale ampolla è in vetro borosilicato, solitamente costituito da vanadato di ittrio attivato con europio per aumentare la resa cromatica.
Talvolta si aggiungono altre sostanze, per migliorare la resa e
provvedere all’emissione di una temperatura di colore più bassa.
Perché la lampada vada a regime bisogna attendere almeno 4 - 5
minuti; dopo ogni spegnimento è necessario, affinché si abbia la
riaccensione, che trascorra un tempo di raffreddamento che vari
da 3 a 5 minuti, in quanto l’elevata pressione esistente nell’ampolla
non consente l’innesco a tensioni di rete.
L’accensione della lampada è realizzata tramite un gas inerte (tipicamente argon), con l’apporto di un elettrodo ausiliario. La distanza tra gli elettrodi principali della lampada è troppo elevata per
permettere il passaggio degli elettroni nel gas di innesco avviando
così la scarica. L’elettrodo ausiliario è collegato al conduttore che
alimenta il secondo elettrodo principale (posto nella parte superiore della lampada vista con l’attacco in basso) con un’elevata
resistenza elettrica in serie (fino a 25 kW). Nella fase di accensione
la prima ionizzazione del gas avviene tra l’elettrodo ausiliario e
l’altro elettrodo principale, a esso prossimo. La ionizzazione si
propaga poi nel tubo fino a raggiungere il secondo elettrodo, che
viene quindi attivato ed è attraversato dalla corrente di lampada.
A questo punto l’elettrodo ausiliario non svolge più alcuna funzione, restando isolato per mezzo della resistenza in serie, mentre la
scarica nel gas si mantiene tra i due elettrodi principali. Il tempo
necessario per erogare l’80% del flusso luminoso per questo tipo
di lampada mediamente è intorno a 4 minuti.
Le lampade a vapori di mercurio ad alta pressione hanno avuto
ampia diffusione in passato negli impianti di illuminazione esterna. Il loro principale vantaggio è la semplicità dell’apparato di
alimentazione. L’elettrodo ausiliario all’interno della lampada
risparmia la necessità di un accenditore per l’innesco delle prime
scariche. L’apparato di alimentazione comprende un reattore
elettromagnetico e un condensatore di rifasamento.
Dott. Paolo Pastore - Dipartimento Energia e Innovazione - CESAB Centro Ricerche Scienze Ambientali e Biotecnologie
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Nelle valutazioni energetico-economiche va tenuto presente che la
potenza nominale della lampada non corrisponde però alla potenza complessiva effettivamente richiesta dall’apparato illuminante.
CARATTERISTICHE DELLE LAMPADE
AD ALOGENURI METALLICI
Le lampade agli alogenuri metallici sono costituite da un tubo ai
vapori di mercurio con aggiunti degli ioduri metallici (tipo il sodio,
sodio/scandio, tallio, cesio, ecc.), che contribuiscono ad aumentare
l’efficienza delle lampade. Dal punto di vista dell’inquinamento luminoso, l’impatto delle lampade agli alogenuri metallici è significativo in quanto la luce è bianchissima e copre tutto lo spettro visibile, e
ciò porta ad interferenze negative nelle osservazioni astronomiche.
L’impatto di queste lampade è aggravato dal fatto che le lampade
agli alogenuri, in genere, vengono adoperate per potenze elevate.
Le lampade agli alogenuri sono molto compatte e vengono usate, in
genere, negli impianti sportivi e industriali, presentano una tonalità di luce diurna o bianchissima, e hanno un’ottima resa dei colori
(tonalità di luce fra i 4.000 e oltre i 5.000 gradi Kelvin, grado e
indice di colore pari a 1A/Ra 90-100). Le lampade ad alogenuri
necessitano, in genere, di un dispositivo chiamato accenditore che
crea elevate tensioni di innesco (fino a 4 kV). Nell’illuminazione
esterna queste lampade vengono prevalentemente utilizzate per illuminare statue, monumenti e facciate, parcheggi, giardini, piazze
e strade nella quali la resa del colore sia un requisito essenziale.
Data la loro bassa efficienza, durata limitata e forte impatto luminoso si raccomanda l’impiego solo ove strettamente necessario.
CARATTERISTICHE DELLE LAMPADE A VAPORI DI SODIO
ALTA PRESSIONE (NA-AP)
Questo tipologia di lampade sono usate prevalentemente in ambienti esterni e presentano una buona efficienza luminosa e una
lunga durata. La tonalità calda della luce emessa corrisponde alle
alte lunghezze d’onda, con prevalenza di quelle comprese tra il
giallo e l’arancione, a causa della presenza di sodio. In questo tipo
di lampade il tubo di scarica è solitamente realizzato in ossido di
alluminio sinterizzato (allumina). Si tratta di un materiale ceramico
traslucido che può sostenere condizioni elevate di temperatura
e pressione e il deterioramento chimico provocato dai vapori di
sodio. Il tubo di scarica è contenuto in un bulbo protettivo ovoidale
o tubolare sotto vuoto spinto, realizzato in vetro borosilicato. La
lampada non presenta emissioni di raggi ultravioletti e quindi non
occorre trattare il bulbo con polveri fluorescenti.
Oggi, le lampade presentano un rivestimento con polvere bianca,
come il pirofosfato di calcio, che permette di rendere la tonalità
della luce emessa più chiara. Le sostanze di riempimento comprendono gas rari (xenon e argon), sodio e mercurio. Diversamente
dalla versione a bassa pressione, la lampada a vapori di sodio
ad alta pressione presenta il fenomeno dell’auto-assorbimento,
ossia dell’assimilazione delle radiazioni prodotte dalla scarica
da parte del vapore di sodio a minor temperatura presente presso
le pareti. L’energia viene riemessa in forma di calore e radiazioni
visibili, che vanno a colmare i vuoti dello spettro di emissione.
Mentre nella lampada a vapori a bassa pressione si hanno solo
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due righe di emissione, nella lampada a vapori ad alta pressione
l’auto-assorbimento origina parecchie altre righe spettrali. Per
valori crescenti di pressione la temperatura di colore aumenta e la
tonalità tende al bianco dorato, ma si avrebbe un effetto negativo
sull’efficienza luminosa. In questo tipo di lampade l’innesco avviene nel modo consueto delle lampade a scarica nei gas ad alta
pressione, in altre parole con impulsi ad alta tensione, compresi tra
1,5 kV e 5 kV a seconda della potenza assorbita. Il gas usato per
l’innesco è lo xenon, che emette luce bianca. Dopo 20 secondi, per
il coinvolgimento del sodio nel processo di scarica, la luce inizia
ad assumere la tipica colorazione gialla.
ANALISI ENERGETICA
Il deposito costiero è dotato di un impianto di illuminazione notturna
composto da 8 torri faro di cui 6 con 7 proiettori e 2 con 6 proiettori.
Ciascun proiettore impiega lampade a ioduri metallici della potenza
di 1.000 W. La potenza totale installata risulta pari a circa 54 kW.
Da una campagna di misure effettuata in situ è stato possibile
mappare, tramite luxmetro, i valori di illuminamento in varie zone;
i valori riscontrati sono tali da assicurare condizioni di sicurezza,
sia negli spazi dove sono ubicati i serbatoi sia nelle zone adibite
alle operazione di carico/scarico e di manovra e stazionamento.
Nella zona in cui sono ubicati i serbatoi i valori di illuminamento
variano tra 20 lux, in prossimità delle torri faro, e 10 lux, alle
maggiori distanze da essi. Nei pressi delle rampe di carico si
sono riscontrati valori intorno ai 12 lux, mentre negli spiazzali di
manovra si raggiungono valori minimi intorno ai 5 - 10 lux.
Di seguito, in maniera sintetica, le risultanze delle analisi condotte
proponendo due differenti criteri di sostituzione:
- il primo prevede la sostituzione dell’apparecchio illuminante con
corpo lampada a vapori di mercurio con apparecchio illuminante
con corpo lampada a vapori di sodio-AP;
-il secondo prevede la sostituzione dell’apparecchio illuminante
con corpo lampada a ioduri metallici con apparecchio illuminante con corpo lampada a vapori di sodio-AP.
CONSIDERAZIONI ECONOMICHE
Prima di procedere alla sostituzione delle lampade con altre ad alta
efficienza o all’installazione di un nuovo impianto di illuminazione,
è sempre opportuno procedere a dei preventivi conti di convenienza
economica, per verificare che la soluzione prescelta abbia tempi di
ritorno compatibili con gli obiettivi dell’azienda. In questo senso
riportiamo una metodologia per la valutazione del risparmio specifico lordo di energia primaria per lampada ottenibile a seguito
della sostituzione. La metodologia proposta, riportata nella Scheda
Tecnica dell’Autorità dell’Energia Pubblica e del Gas, consente di valutare secondo un criterio standardizzato il risparmio specifico lordo
(RSL), senza richiedere eccessivi dati e dettagli tecnici ai proponenti.
Le formule che di seguito si riportano sono derivate in base all’ipotesi che i valori di flusso luminoso della lampada sostituita e
di quella sostitutiva sono uguali, in coerenza con il principio di
provvedere il medesimo livello di servizio in modo più efficiente
dal punto di vista energetico. Nella valutazione si tiene, inoltre,
conto del consumo aggiuntivo dovuto agli ausiliari delle lampade
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FIGURA 1 - Valori del RSL per lampade Hg-Na-AP
distinguendo tra la potenza nominale unitaria delle lampade e la
potenza effettiva richiesta. Le formule adoperate per esprimere la
potenza complessiva dell’apparato in funzione di quella nominale
del solo corpo illuminante derivano da una valutazione media, effettuata dall’AEEG, dei dati forniti dai costruttori e sono le seguenti:
PE-Hg = 1,14 . P Hg - 0,0002 . P Hg
PE-Na-AP = 1,223 . P Na-AP - 0,00046 . P Na-AP
dove i termini di potenza, espressi in W, sono:
-PE-Hg potenza effettiva unitaria di una lampada a vapori di
mercurio, inclusi gli accessori;
- PHg potenza nominale unitaria di un corpo lampada a vapori di mercurio;
-PE-Na-AP potenza effettiva unitaria di una lampada a vapori di
sodio ad alta pressione, inclusi gli accessori;
- PNa-AP potenza nominale unitaria di un corpo lampada a vapori
di sodio ad alta pressione.
A parità di condizioni di flusso luminoso e in assenza di un regolatore di flusso il risparmio specifico lordo per lampada sostituita
è calcolato tramite la seguente relazione:
RSL = (P Hg - P E-Na-AP) . h . 0,22 . 10 -6 TEP/anno
dove h è il numero di ore annue di accensione, supposto pari a 4.200.
In presenza di un regolatore di flusso luminoso, che consenta una
riduzione di tensione da 220 V a 180 V per un numero di ore a funzionamento ridotto, pari a 2.000, la precedente formula diviene:
TEP/anno
RSL = (P Hg - P E-Na-AP) . 3.340 . 0,22 . 10 -6
Infine, va detto quando si compiono i suddetti interventi di ottimizzazione energetica di un impianto di illuminazione esterna bisogna
attenersi, in particolare, alle seguenti norme tecniche e disposizioni:
FIGURA 2 - Valori del RSL per lampade lod -Na-NP
-UNI 10439 (seconda edizione, luglio 2001) Illuminotecnica Requisiti illuminotecnica delle strade con traffico motorizzato;
-UNI 10671 (marzo 1998) Apparecchi di illuminazione - Misurazione dei dati fotometrici e presentazione dei risultati - Criteri
generali;
-UNI 10819 (marzo 1999) Luce e illuminazione impianti di illuminazione esterna - Requisiti per la limitazione della dispersione
verso l’alto del flusso luminoso;
-Disposto art. 6 decreti ministeriali 20 luglio 2004.
SOSTITUZIONE CORPO LAMPADA HG CON NA-AP
Riprendendo quanto indicato nel precedente paragrafo, si applica la metodologia riportata nella Scheda Tecnica dell’Autorità
dell’Energia Pubblica e del Gas che consente di valutare secondo
un criterio standardizzato il risparmio specifico lordo (RSL), senza
richiedere eccessivi dati e dettagli tecnici ai proponenti.
In Figura 1 è riportato la risultanza dell’applicazione del metodo
con cui si calcola il fattore RSL espresso in TEP/anno. A titolo
indicativo, si osserva come:
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 400
W (Hg) con uno da 50 W (Na-AP), determina un RSL di 0,249
TEP/anno;
-- la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 400 W
(Hg) con uno da 70 W (Na-AP), determina un RSL di 0,231 TEP/anno;
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 400
W (Hg) con uno da 100 W (Na-AP), determina un RSL di 0,204
TEP/anno;
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--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 400
W (Hg) con uno da 150 W (Na-AP), determina un RSL di 0,159
TEP/anno;
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 400
W (Hg) con uno da 250 W (Na-AP), determina un RSL di 0,070
TEP/anno.
SOSTITUZIONE CORPO LAMPADA A IODURI METALLICI
CON NA-AP
Analogamente con quanto fatto in precedenza, si applica la metodologia riportata nella Scheda Tecnica dell’Autorità dell’Energia
Pubblica e del Gas, che consente di valutare secondo un criterio
standardizzato il risparmio specifico lordo (RSL), senza richiedere
eccessivi dati e dettagli tecnici ai proponenti.
In Figura 2 è riportato la risultanza dell’applicazione del metodo con
cui si calcola il fattore RSL espresso in TEP/anno. A titolo indicativo,
si osserva come:
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 1.000 W (Ioduri) con uno da 70 W (Na-AP), determina un RSL di 0,672 TEP/anno;
TABELLA 1
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--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 1.000
W (Ioduri) con uno da 100 W (Na-AP), determina un RSL di
0,645 TEP/anno;
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 1.000
W (Ioduri) con uno da 150 W (Na-AP), determina un RSL di 0,6
TEP/anno;
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 1.000
W (Ioduri) con uno da 250 W (Na-AP), determina un RSL di
0,511 TEP/anno;
--la sostituzione di un apparecchio con corpo illuminante da 1.000
W (Ioduri) con uno da 400 W (Na-AP), determina un RSL di
0,376 TEP/anno.
ANALISI ILLUMINOTECNICA
Partendo dall’analisi energetica del precedente paragrafo, si ricorda inoltre che l’altezza massima dei serbatoi è pari a 14 m.
Inoltre, per ragioni di sicurezza, l’impianto di illuminamento non
può trovarsi troppo vicino ai serbatoi che contengono materiale
di Categoria A. Per garantire un livello di illuminamento pari a 20
lux, proponiamo la sostituzione delle 8 torri faro, aventi lampade a
ioduri metallici, con un numero maggiore di torri, aventi lampade
a vapori di sodio ad alta pressione, poste ad altezza inferiore e
a una determinata distanza tra loro. Pertanto si applica il metodo
del flusso totale.
Se supponiamo di mettere delle torri alte 20 m, per la normativa
UNI-EN40 sulle lampade a vapori di sodio ad alta pressione, la
distanza minima a cui devono essere poste le torri è di 80 m.
Applicando il metodo del flusso totale, si ipotizzano alcune soluzioni, dove si suppone che:
1. le torri sono poste a distanze di 80/100 m tra loro;
2. si fissa un valore di illuminamento pari a 20/30 lux;
3. il numero delle torri è fissato nel numero di 14 unità e 19 unità
per distanze tra i pali rispettivamente di 100 m e 80 m.
Dalla Tabella 1 si osserva che:
-nel caso in cui poniamo i pali a una distanza di 80 m tra loro e
vogliamo garantire un illuminamento di circa 20 lux, sono necessarie 2 lampade a vapori di sodio da 1.000 W per ciascuna
torre, con un numero complessivo di torri pari a 19 unità. Si
risparmiano circa 58.000 KWh annui e si guadagneranno 13
TEP in efficienza energetica;
-se la distanza dei pali è pari a 100 m e vogliamo garantire
un illuminamento di circa 20 lux, sono necessarie 3 lampade
a vapori di sodio da 1.000 w per torre. Si avrà un numero di
torri pari a 14 unità, si risparmiano circa 44.000 KWh annui e
si guadagneranno 10 TEP in efficienza energetica. Inoltre in tal
caso è possibile aumentare l’altezza dei pali a 25 m per ragioni
di sicurezza senza alterare il livello di illuminamento ;
-aumentando il valore dell’illuminamento a terra (30 lux) e stabilendo una distanza tra le torri di 80 m, sono necessarie 3
lampade a vapori di sodio da 1.000 w per torre, con un numero
di pali pari a 19 unità. In tal caso, si consumano in più rispetto
alla situazione attuale circa 11.000 KWh annui e si avranno 3
TEP in più da contabilizzare in efficienza energetica.