Risparmio energetico con l’illuminazione

Un impianto di illuminazione deve corrispondere ai requisiti di illuminazione di un particolare luogo senza che venga sprecata energia. Tuttavia, questo deve avvenire senza compromettere l’aspetto visivo di un impianto di illuminazione, e per ottenere ciò occorre un esame approfondito dei sistemi più appropriati di illuminazione, delle apparecchiature, dei comandi e dell’uso della luce diurna disponibile.
La problematica del risparmio energetico è sempre più pressante a livello mondiale e l’illuminazione può contribuire in maniera determinante nel ridurre i consumi energetici. Alcuni Stati si stanno già muovendo per disincentivare o addirittura impedire l’utilizzo delle lampade a incandescenza che sono quelle a minore efficienza luminosa. Anche il nostro Paese si sta muovendo in questa direzione; ne è un esempio la legge 296/06, la quale, al comma 354 prevede, per il settore commerciale, una detrazione delle spese del 36% per la sostituzione di apparecchi illuminanti e lampade a incandescenza con altri/e ad alta efficienza e per l’installazione di regolatori di flusso luminoso:

“Ai soggetti esercenti attività d\'impresa rientrante nel settore del commercio che effettuano interventi di efficienza energetica per l\'illuminazione nei due periodi d\'imposta successivi a quello in corso al 31 dicembre 2006, spetta una ulteriore deduzione dal reddito d\'impresa pari al 36 per cento dei costi sostenuti nei seguenti casi:
a) sostituzione, negli ambienti interni, di apparecchi illuminanti con altri ad alta efficienza energetica, maggiore o uguale al 60 per cento;
b) sostituzione, negli ambienti interni, di lampade ad incandescenza con lampade fluorescenti di classe A purché alloggiate in apparecchi illuminanti ad alto rendimento ottico, maggiore o uguale al 60 per cento;
c) sostituzione, negli ambienti esterni, di apparecchi illuminanti dotati di lampade a vapori di mercurio con apparecchi illuminanti ad alto rendimento ottico, maggiore o uguale all\'80 per cento, dotati di lampade a vapori di sodio ad alta o bassa pressione o di lampade a ioduri metallici;
d) installazione o integrazione, in ambienti interni o esterni, di regolatori del flusso luminoso”.

Le tecniche di risparmio energetico degli impianti di illuminazione si muovono in quattro direzioni:

1. Utilizzo di lampade ad alta efficienza luminosa
2. Utilizzo di alimentatori per lampade fluorescenti a consumi ridotti
3. Utilizzo di apparecchi illuminanti ad alta efficienza energetica
4. Utilizzo di sistemi di controllo dell’illuminazione

1. Lampade ad alta efficienza luminosa. Poiché le tradizionali lampade ad incandescenza sono quelle che hanno la peggiore efficienza luminosa e la vita media inferiore, logica (energetica) vuole che esse siano progressivamente sostituite da lampade fluorescenti o ancora meglio da lampade fluorescenti compatte, o in futuro da lampade a LED. La tabella 1 mostra il confronto energetico ed economico, impietoso nei confronti delle lampade a filamento, tra i principali tipi di lampada utilizzabili in un ambiente interno. Attualmente come si nota, la soluzione a maggior risparmio energetico e quindi anche economico è quella che utilizza le lampade fluorescenti compatte. In un futuro non troppo lontano (cinque - dieci anni) probabilmente l’ago della bilancia si sposterà verso la soluzione con lampade a LED, le quali hanno consumi veramente irrisori. Per il momento però questo tipo di lampada, oltre a avere ancora costi di acquisto troppo elevati, presenta ancora qualche problema di diffusione del fascio luminoso che non la rende una alternativa applicabile all’illuminazione di ogni ambiente. Le lampade fluorescenti da utilizzare per un efficace risparmio energetico devono essere di classe A conformemente alla direttiva 98/11/CE (DM 10/07/01) che prevede una classificazione di efficienza energetica per le lampade ad uso domestico. La classificazione prevede sette classi diverse, dalla lettera A che corrisponde ad “altamente efficiente alla lettera G che corrisponde a “poco efficiente”. Lo schema classifica le lampade come segue:
2. lampade fluorescenti trifosforo, sia lineari che compatte. Fluorescenti compatte integrali con reattore elettronico;
3. lampade fluorescenti lineari agli alofosfati con reattore elettronico: Fluorescenti compatte integrali con reattore magnetico;
4. lampade alogene ad alta efficienza;
5. altri tipi di lampade alogene;
6. lampade standard ad incandescenza;
7. lampade standard ad incandescenza;
8. lampade decorative ad incandescenza e altre.

Tabella 1 – Simulazione dei consumi energetici fra diversi tipi di lampade a parità di illuminamento

1. Alimentatori ad alta efficienza energetica. La direttiva Ballast 2000/55/CE concernente i requisiti di efficienza energetica degli alimentatori per lampade fluorescenti è stata recepita a livello nazionale attraverso il DM 26 marzo 2002. Ricordiamo che gli alimentatori sono i dispositivi che collegano la lampada alla rete di alimentazione elettrica. Mentre le lampade ad incandescenza non hanno generalmente bisogno di questi dispositivi, le lampade fluorescenti, per innescarsi e poi mantenere un livello di corrente non autodistruttivo, hanno bisogno di un reattore cioè un circuito induttivo, che insieme allo starter costituiscono il dispositivo di alimentazione. Il reattore nel suo normale funzionamento assorbe una certa potenza che si va a sommare a quella assorbita dalla lampada vera e propria.

L’obiettivo è quello della riduzione dei consumi e per questo il decreto non si applica agli “alimentatori integrati nelle sorgenti luminose” cioè alle lampade fluorescenti compatte che hanno già un’alta efficienza energetica. Il decreto non si applica nemmeno agli alimentatori destinati ad essere montati in mobili e che non sono separabili dall’apparecchio di illuminazione.
Le perdite sulla reattanza induttiva del reattore sono state definite dal CELMA (la Federazione Europea delle associazioni dei costruttori di apparecchi di illuminazione e di componenti elettrici ed elettronici per essi) in base all’alimentazione del circuito, con diversi livelli di alimentazione della lampada e del reattore. Il risultato è la suddivisione in sette classi di efficienza energetica degli alimentatori per lampade fluorescenti (vedi tabella 2) a partire da quella a maggior efficienza (A1, A2, A3, B1, B2, C e D).
Le classi A1, A2 e A3 corrispondono ai reattori elettronici che fanno funzionare le lampade fluorescenti ad una frequenza di circa 30 kHz, le classi B1 e B2 corrispondono ai rettori a bassa perdita realizzati con bobine di rame su nuclei laminati con acciaio ad alta qualità, la classe C corrisponde ai reattori convenzionali (che la direttiva 2000/55/CE ha messo fuori commercio a partire dal 20/11/2005), ed infine la classe D corrisponde ai reattori ad alte perdite realizzati con materiali di bassa qualità: le lampade classificate D dal CELMA sono fuori commercio dal 21/05/2002. Lo schema di classificazione è il seguente:

A1: alimentatori elettronici dimmerabili
A2: alimentatori elettronici con perdite ridotte
A3: alimentatori elettronici
B1: alimentatori magnetici con perdite molto basse
B2: alimentatori magnetici con basse perdite
C: alimentatori magnetici con perdite moderate
D: alimentatori magnetici con perdite molto elevate

La classe di efficienza energetica viene indicata dai costruttori tra i dati di targa degli alimentatori attraverso la sigla EEI (Energy Efficiency Index) con un riferimento esplicito alla sorveglianza di una parte terza (figura 3). Le prescrizioni della direttiva si possono riassumere nei seguenti termini: le lampade con una potenza assorbita dal circuito alimentatore-lampada corrispondenti alla classe di efficienza C hanno potuto essere commercializzate fino al 20/11/2005. Dal giorno dopo, 21/11/2005 i limiti di consumo sono diventati più stringenti e corrispondono a quella che è la classe di efficienza B2, la quale è attualmente la peggiore accettabile in commercio.

Tabella 2 - Circuiti lampada-alimentatore che rientrano nell’ambito della direttiva ballast

• Apparecchi illuminanti ad alta efficienza energetica. Le lampadine sono montate all’interno di un apparecchio di illuminazione. Il tipo di armatura illuminante che viene utilizzato ha un grande impatto sul risparmio energetico, infatti una parte della luce prodotta dalla lampada non arriva a fuoriuscire dall’apparecchio. Ciò a causa della forma e del materiale della superficie riflettente. Poiché una lampada produce luce a 360 gradi, l’apparecchio deve guidare e riflettere la luce stessa in modo da ottenere un fascio utile verso una zona designata. L’efficienza di un apparecchio di illuminazione è il rapporto tra la quantità di luce prodotta dalla lampada e la quantità di luce che lascia l’apparecchio. Ad esempio un’efficienza del 70% significa che il 70% del flusso totale emesso dalla lampada si rende disponibile per l’illuminazione verso l’area considerata.

Tabella 3 – Efficienza energetica per alcuni tipi di apparecchi illuminanti

Insieme all’efficienza, andrebbe sempre considerata la limitazione di luminanza introdotta dall’apparecchio. Per esempio, in un ufficio con molti schermi di computer un apparecchio con una efficienza elevata, ma una bassa limitazione della luminanza causerà riflessione e conseguente abbagliamento sui monitor. Avremo quindi un illuminamento con una buona efficienza, ma poco funzionale. In generale, più attenzione viene prestata nel proteggere il flusso di luce proveniente dall’apparecchio di illuminazione per evitare l’abbagliamento, e più bassa diventa l’efficienza dell’apparecchio.

• Sistemi di controllo dell’illuminazione. Il consumo di energia dei sistemi di illuminazione è direttamente collegato al numero di ore di utilizzo. In molti case ed uffici è consuetudine lasciare le luci accese senza che nessuna persona sia presente. Quasi nessuno spegne la luce quando esce da una stanza. È evidente che riducendo il numero di ore di accensione delle lampade si ridurrà la quantità di energia che viene usata. Quindi risparmiare energia può voler dire oscurare la luce artificiale quando vi è un segnale esterno (di tipo manuale, da sensore, da temporizzatore, dalla presenza di luce naturale) che fornisca un comando all’impianto di illuminazione. Si realizza così un sistema di controllo dell’illuminazione che può essere basato sulle seguenti tecniche, il cui uso può anche essere sovrapponibile (ad esempio sensori di presenza e sensori di luce diurna potrebbero coesistere e ottimizzare la gestione dell’illuminazione):

• Uso di interruttori manuali locali: l’accensione e lo spegnimento manuale di diverse sorgenti luminose poste in punti differenti di una stanza, creando una diversificazione dell’illuminazione dell’ambiente, permettono un aumento della qualità dell’illuminazione ed un risparmio energetico. Una soluzione del genere si adatta bene ad ambienti con grandi spazi dove viene richiesta l’illuminazione di una sola parte dell’ambiente od illuminazioni differenti per differenti compiti visivi. Anche in ambienti in cui le aree vicine alle finestre possono godere di una sufficiente luce naturale può essere conveniente utilizzare questo metodo manuale di controllo spegnendo file di lampade vicine alle finestre. La regolazione locale del livello di illuminamento può avvenire anche attraverso dei dimmer (del tipo a controllo di fase se si agisce su lampade ad incandescenza od alogene, oppure per reattori se si agisce su lampade fluorescenti con reattori elettronici) i quali consentono di ottenere una regolazione graduata della luce ottenendo parallelamente una regolazione energetica. La modalità di controllo localizzata, molto semplice, ha tuttavia come contraltare il fatto che, essendo manuale, dipende dalla volontà di chi lo utilizza;

• Uso di interruttori a tempo (timer): a tempi programmati (per esempio in base alle ore lavorative in un ufficio o all’orario delle lezioni in una scuola) le luci, tutte o solo alcune, vengono spente. L’accensione/spegnimento potrebbe anche essere collegato all’attivazione, ad esempio a causa di un furto, di un sistema di allarme. In ogni caso la modalità di controllo con timer va sempre accompagnata alla possibilità di controllo manuale per poter soddisfare esigenze differenti da quelle preimpostate. Ad esempio a Catania, in un fabbricato della ST Microelectronics adibito a laboratori e uffici, con permanenza del personale prolungata nella sera, in cui inizialmente non erano previsti temporizzatori per l’illuminazione interna, l’installazione di un sistema automatico di spegnimento delle luci (bypassabile, reparto per reparto, attraverso un pulsante che dà luce per un’ora ogni volta che viene azionato da chi rimane al lavoro) ha determinato un risparmio di 40.000 euro l’anno.

• Uso di sensori di presenza: Può essere usato per le stanze che sono usate raramente o in modo discontinuo o non prevedibile. Per esempio toilette, magazzini, ripostigli, etc. Le luci vengono accese o spente attraverso sensori che rilevano la presenza di persone nella stanza. Generalmente sensori ad infrarossi passivi o ad ultrasuoni sono adatti allo scopo. Nel primo caso le luci vengono accese quando il sensore rileva il movimento di una fonte di calore nell’area considerata, mentre nel secondo caso le luci vengono accese quando il sensore rileva una variazione nelle onde sonore emesse (f > 20 kHz) che vengono riflesse da un corpo in movimento. Dopo un certo tempo in cui non si notano più variazioni nell’ambiente, un temporizzatore inserito nel sensore disattiva l’illuminazione. Utilizzando questi tipi di sensori accade quindi spesso che l’illuminazione venga a mancare anche in presenza di persone nel locale, se queste per alcuni minuti non eseguono movimenti significativi (una persona davanti ad un PC, seduta ad un banco di scuola, etc.): per superare questo problema vengono utilizzati sensori di presenza ibridi che utilizzano entrambe le tecnologie infrarosso e ultrasuono. Naturalmente i sensori di presenza debbono poter essere esclusi per agire solo in maniera manuale, ad esempio nei casi in cui le persone entrano ed escono molte volte da una stanza, situazione che costringerebbe a continue accensioni e spegnimenti deleteri per il funzionamento ed il tempo di vita delle lampade. Proprio per questo motivo, dove vengono usati i sensori di presenza è meglio evitare l’utilizzo di lampade che hanno bisogno di un periodo di preriscaldamento per arrivare al regime luminoso finale;

• Sensori di luce diurna: L\'energia dedicata all’impianto di illuminazione può essere preservata quando è presente la luce del giorno. Spesso le luci rimangono accese nonostante ci sia sufficiente luce naturale all’interno dell’ambiente occupato. L’energia può allora essere risparmiata riducendo la quantità di luce artificiale parallelamente all’aumento della luce naturale. Si può ottenere questo effetto utilizzando dei sensori fotoelettrici installati o all’esterno o anche all’interno di un locale che “misurino” la quantità di luce diurna che entra nella stanza, ed in base a questa aumentino o diminuiscano la quantità di luce artificiale presente. La regolazione della luce artificiale può avvenire in modalità ON/FF, ovvero accendendo o spegnendo una o più sorgenti luminose (ma l’effetto sul comfort visivo delle persone è pessimo), oppure regolando in maniera graduale l’illuminamento delle sorgenti artificiali in modo da mantenere nell’ambiente un livello costante di illuminazione (figura 4). Questa seconda soluzione è la migliore sotto entrambi gli aspetti di risparmio energetico ed ottimizzazione della visione.

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