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Illuminazione Led: i nuovi scenari e le norme tecniche

La diffusione dei sistemi di illuminazione Led ha mutato radicalmente il modo di concepire l'illuminotecnica, richiedendo anche un sensibile adeguamento normotecnico. Il punto

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di Danilo Giannetti – Coordinatore UNI/CT 23 GL 7 Fotometria e colorimetria

Fino a poco tempo fa, quando si comprava una lampada, o un lampadario, o un apparecchio di illuminazione per illuminare un ufficio, si pensava anche che, dopo un certo tempo, la lampadina all’interno dell’apparecchio sarebbe bruciata e quindi occorreva considerare, tra i parametri che potevano influenzare la scelta, anche la vita media della lampadina e la facilità della sua sostituzione. I più attenti consideravano se fosse possibile ottenere un risparmio nel consumo di energia sostituendo la lampadina suggerita dal costruttore con lampade “a risparmio energetico”.

Pochi ponevano attenzione anche al colore della luce prodotta da quelle lampadine, cercando di evitare una luce troppo “bianca”, che fa ospedale, o troppo gialla, che pareva illuminare meno. Quasi nessuno era poi in grado di sapere se la lampadina scelta avrebbe permesso di distinguere correttamente i colori degli oggetti illuminati, ed anche operatori professionali, su questo punto, rischiavano di commettere errori grossolani. È capitato a tutti di scegliere un maglione del colore preferito in un grande emporio, all’interno del quale difficilmente la luce solare arriva, per poi scoprire, una volta all’aperto, che era in realtà di un colore diverso.

Con l’avvento dell’illuminazione LED lo scenario è cambiato radicalmente. Se pensate agli apparecchi LED che conoscete, vi renderete conto che non è possibile cambiare la lampadina. I primi, e quindi più diffusi, apparecchi LED che abbiamo conosciuto sono le armature stradali che hanno via via sostituito le armature installate lungo le vie delle nostre città. Basta un’occhiata per rendersi conto che non è possibile sostituire la “lampadina”.

La struttura schematica degli apparecchi di illuminazione prima dell’avvento dei LED era la seguente:
• il corpo – che garantiva le caratteristiche meccaniche;
• l’ottica – che indirizzava la luce deve necessario;
• l’apparato di alimentazione – che garantiva l’erogazione della corretta potenza elettrica;
• la sorgente luminosa o lampadina – che trasformava la potenza elettrica in potenza luminosa.

È chiaro che alimentatore e lampadina sono legati tra loro e non si può usare una lampada incandescente in un apparecchio per fluorescenti, ma in ogni caso l’elemento più deperibile è la lampadina, che dove essere facilmente sostituibile. Quante volte vi è capitato di dover cambiare un alimentatore e quante volte avete cambiato una lampadina? Se ora pensate a come è fatto un apparecchio LED vi accorgerete che non è possibile identificare facilmente le parti che abbiamo descritto prima: non esiste più la lampadina, sostituita da matrici di LED, che per rimanere accesi devono stare a stretto contatto con un dissipatore di calore che spesso costituisce anche il corpo stesso dell’apparecchio, rendendo indistinguibile il corpo dalla sorgente; sui singoli LED o sull’intera matrice sono montati lenti o microriflettori per dirigere la luce dove necessario, quello che sopra abbiamo chiamato ottica, che, di nuovo, è difficilmente distinguibile dalla sorgente stessa, e sicuramente si presenta in modo molto differente dalla vecchie parabole.

Se poi pensassimo di cambiare la matrice LED in un apparecchio, dovremmo smontarlo dalla sua posizione di funzionamento, per esempio dovremmo rimuoverlo dal palo a lato della strada, e portarlo in officina per poter effettuare la sostituzione: sicuramente non è possibile un intervento “in loco”, magari con l’ausilio di un’autoscala, come si faceva con le vecchie lampadine. Ma anche se portassimo in officina l’apparecchio, a causa dell’evoluzione velocissima che hanno avuto i LED negli ultimi anni, non troveremmo più, o non sarebbe più conveniente, utilizzare la stessa matrice LED che andrebbe sostituita con una più performante: questo ci costringerebbe a cambiare anche l’alimentatore e a questo punto dovremmo intervenire anche sul dissipatore, l’elemento che tiene alla corretta temperature i singoli LED in modo che non brucino ed emettano la giusta luce: se anche il corpo partecipa alla dissipazione potrebbe darsi che dovremmo intervenire anche sul corpo e a questo punto otterremmo un nuovo, e diverso, apparecchio di illuminazione.

Quindi non è più possibile cambiare la lampadina; ma forse questo non è molto importante, perché un apparecchio o un modulo LED ha una vita media, senza dilungarci in definizione tecniche abbastanza complicate, di almeno 25.000 ore con ragionevoli previsioni di arrivare a 50.000 ore. Ricordo che in un anno ci sono convenzionalmente 8.760 ore e che una tradizionale lampada incandescente, la classica lampadina di Edison, ha una vita media tra le 1.000 e le 2.000 ore.

Dall’altro lato il consumo energetico è sicuramente a favore dei LED, perché oggi un apparecchio LED ha una efficacia maggiore di 100 lm/W, cioè vengono emessi 100 lumen per ogni W fornito complessivamente al sistema; se consideriamo il consumo di una lampadina incandescente troviamo un valore di circa 12 lm/W, ma se consideriamo la luce che effettivamente esce dall’apparecchio con lampada incandescente, valutando quindi anche le perdite nell’apparecchio stesso, scendiamo a 8 lm/W, mentre il valore di 100 lm/W per gli apparecchi LED già considera tutte le perdite.

Per un apparecchio con lampade fluorescenti l’ordine di grandezza dell’efficacia è di circa 60 lm/W, mentre per le lampade a scarica si va da 60 a 120 lm/W: risulta quindi evidente che gli apparecchi LED permettono un effettivo risparmio energetico, senza tuttavia penalizzare altri aspetti fondamentali per l’illuminazione, come la temperatura di colore della luce o la resa dei colori. Infatti, fino all’avvento dei LED, per avere un risparmio energetico, si sacrificavano altri aspetti connessi all’illuminazione e tutti ricordano le luci “gialle” sulle strade, che permettevano di risparmiare energia, assicuravano il riconoscimento degli ostacoli che potevano intralciare la circolazione, garantendo la sicurezza, ma sacrificavano totalmente la percezione dei colori, anche in situazioni in cui sarebbe stato desiderabile avere una luce più naturale, più vicina alla luce del sole.

Con la tecnologia LED abbiamo la possibilità di ottenere un reale risparmio energetico, considerando anche gli aspetti fino a poco tempo fa ritenuti secondari per l’illuminazione, come la pienezza dello spettro, la temperatura di colore e la resa dei colori degli oggetti illuminati. Tutto quanto è stato illustrato ha cambiato il modo di lavorare e di comunicare i dati degli esperti di illuminotecnica. Per decenni abbiamo avuto apparecchi in cui si cambiava la lampadina, così tutte le nostre tecniche per misurare e descrivere le caratteristiche dell’apparecchio erano calibrate in modo da essere indipendenti dalla lampadina stessa.

Si forniva un dato indipendente dal flusso della lampadina usata, che dipendeva solo dalle caratteristiche dell’apparecchio in misura, svincolandosi dalla lampadina: si parla quindi di fotometria relativa, cioè le misure erano fatte in modo da non essere vincolate ad una specifica lampadina. Posso mettere nell’apparecchio la lampada che preferisco e posso scegliere se installare nell’apparecchio una sorgente che privilegia la luce emessa a scapito della durata o viceversa e non devo essere obbligato a ripetere la misura per questo.

Se la lampada è intercambiabile a parità di tutte le altre condizioni il rapporto tra la luce emessa dall’apparecchio e la luce fornita dalla lampadina – il rendimento luminoso dell’apparecchio – non dipende dalla lampadina utilizzata ma solo dalle caratteristiche costruttive dell’apparecchio stesso. Negli apparecchi LED il flusso emesso dalla matrice LED, l’equivalente della lampadina, dipende in modo significativo dall’apparecchio stesso, che fa da dissipatore, e spesso non è possibile accendere la matrice LED fuori dall’apparecchio, perché si scalderebbe troppo o comunque funzionerebbe in maniera diversa da quando è inserita nel prodotto: diventa difficile calcolare il rendimento, per farlo occorre imporre una serie cospicua di condizione che ne limitano il significato. In ogni caso non è possibile cambiare la lampadina, dunque non ha senso una fotometria relativa. Gli altri aspetti dell’emissione luminosa, temperatura di colore e resa cromatica, usando apparecchi tradizionali, erano considerati ma spesso non misurati, perché non erano sotto il controllo del produttore di apparecchi, ma venivano ereditati dalla lampadina scelta: di nuovo con l’avvento dei LED questi parametri non solo dipendono dalle scelte del produttore di apparecchi, ma spesso sono settabili in fase di progetto e addirittura, in molti casi, modificabili dall’utente che li può regolare.

Ci siamo così trovati con una generazione di prodotti (apparecchi di illuminazione LED) con caratteristiche che ci obbligavano a riconsiderare completamente tutte le convenzioni e i metodi che avevamo sempre usato per la caratterizzazione degli apparecchi stessi:
• non è più possibile cambiare lampadina – devo usare una fotometria assoluta, non posso più usare la fotometria relativa;
se uso la fotometria assoluta, non ha più senso il rendimento dell’apparecchio, cioè il rapporto tra luce emessa dall’apparecchio e luce emessa dalle lampadine utilizzate dell’apparecchio stesso – non ho più lampadine intercambiabili dovrei usare la luce emessa dall’apparecchio e il rendimento sarebbe sempre 100%;
• devo trovare un diverso metodo per valutare l’impatto energetico del mio prodotto – vale la pena di andare all’origine e calcolare il rapporto tra luce emessa e potenza fornita (lm/W);
• posso regolare parametri che prima ereditavo dalla lampadina, per esempio la temperatura di colore – devo misurare anche questi parametri;
• lavorando in termini assoluti devo migliorare molto i miei apparati di misura – ho bisogno di tarature assolute che mi permettano dati immediatamente confrontabili con altre misure;
• devo trovare un valido metodo di confronto tra misure – occorre valutare attentamente l’incertezza di misura;
• devo riuscire a valutare anche la vita media del mio apparecchio – non posso cambiare la lampadina e inoltre la vita dipenderà da come uso nell’apparecchio i componenti.

Illuminazione Led per un’architettura esterna

L’Italia, prima in Europa, aveva affrontato questi argomenti e aveva dato una risposta normativa, anche se non esaustiva e in qualche punto incompleta, con la norma UNI 11356:2010 Luce e illuminazione – Caratterizzazione fotometrica degli apparecchi di illuminazione a LED. Da allora è stato portato avanti un imponente lavoro normativo a livello europeo che ha portato all’emissione della norma UNI EN 13032-4:2015 Luce e illuminazione – Misurazione e presentazione dei dati fotometrici delle lampade e apparecchi di illuminazione – Parte 4: Lampade a LED, moduli e apparecchi di illuminazione che da una risposta chiara e condivisa ai problemi esposti precedentemente e la cui uscita ha determinato il ritiro della precedente norma Italiana.

La UNI EN 13032-4 prende in considerazione tutti gli aspetti del nuovo scenario determinato dall’avvento dell’illuminazione LED e fornisce le regole per affrontare le problematiche emerse in modo condiviso, tenendo bene in mente che l’evoluzione tecnologica è probabilmente solo all’inizio e occorre un lavoro di monitoraggio del panorama tecnologico che comporta un “tuning” continuo dell’ambito normativo. L’esempio più calzante riguarda la nascita dell’automobile, che all’inizio non era che una carrozza su cui era stato montato un motore a scoppio. La tecnologia e le tecniche costruttive erano quelle delle carrozze, solo si erano sostituiti i cavalli con il motore. Fino agli anni ’60 del secolo scorso le automobili avevano ancora le pedane sotto le portiere, pensate al maggiolino, e solo dopo un lungo processo abbiamo avuto una vera automobile, svincolata dalla carrozza e con caratteristiche proprie.

Adesso abbiamo apparecchi a LED, ma non sempre riusciamo a sfruttare e neanche a immaginare completamente le potenzialità offerte dalla nuova tecnologia: siamo ancora alla carrozza a motore, non alla vera automobile. La nuova norma ha dato risposte chiare ed univoche ai nuovi scenari, chiarendo molti dubbi degli operatori e soprattutto introducendo per la prima volta in una norma del settore illuminotecnico metodi dettagliati per la valutazione dell’incertezza di misura, utilizzando sistemi già consolidati in altri ambiti, come la meccanica e le misure elettriche. La valutazione puntuale dell’incertezza di misura permette di dare specifiche meno stringenti sugli apparati e sui sistemi di misura ed eventualmente di utilizzare metodi di correzione delle procedure metrologiche a patto di valutare l’impatto di ogni strumento o passaggio funzionale sull’incertezza complessiva.

Questo permetterà di migliorare molto le informazioni contenute nelle schede tecniche dei prodotti e chiarirà in modo definitivo i valori e le tolleranze che ci possiamo aspettare nel nostro settore, che sono diversi da quelli di altri settori industriali, poiché il misurando (la sorgente di luce) ha una instabilità intrinseca elevata. Questo grande lavoro di apertura verso le nuove tecnologie e di riallineamento dei metodi in modo da uniformarli agli altri settori industriali ha naturalmente comportato la necessità di riconsiderare anche la normativa esistente alla luce di queste novità, portando all’ordine del giorno l’esigenza di ripensare i metodi e le procedure fin qui consolidati per tener conto del nuovo approccio.

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Si discute di mettere in revisione la normativa in vigore per uniformarla alle novità emerse con la UNI EN 13032-4. Restano inoltre aperti una serie di problemi che vanno sicuramente affrontati, il primo dei quali è di concordare un formato dati che possa permettere di comunicare in modo semplice ed aggiornabile tutti i parametri che i produttori sono in grado ora di misurare, per utilizzarli non solo come documentazione di prodotto ma anche all’interno dei programmi di calcolo e simulazione illuminotecnica per migliorare la progettazione dell’illuminazione artificiale. Occorre anche considerare che è possibile che si ritorni ad una struttura di apparecchi modulare, in cui è consentito cambiare le matrici LED fermi restando gli altri componenti: sarebbe il ritorno al concetto di sorgenti (lampadine) intercambiabili, con conseguente ritorno alla fotometria relativa. Questo fatto richiederebbe un importante aggiornamento normativo, che non sarebbe, tuttavia, un ritorno al passato, perché i concetti che sono venuti alla ribalta in questa fase, come l’efficacia (lm/W), non perderanno la loro importanza e manterranno il loro valore anche se si tornasse ad usare parametri e tecniche ora in ombra; inoltre si continuerà ad avere sempre maggiore attenzione per la qualità della luce artificiale, come ci hanno indicato gli apparecchi LED ed è stato recepito nella normativa.

Estratto dal Dossier Uni pubblicato su U&C n. 7 – luglio/agosto 2016.

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