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

+