• Efficienza energetica e progettazione dell'illuminazione

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20 anni fa, quando ho iniziato la mia carriera di progettista di impianti elettrici, la densità di potenza luminosa (LPD) più comune era almeno di 3 W/piede quadrato e un progetto che arrivasse a 2 W/piede quadrato era considerato “efficiente”. Oggi, densità di potenza luminosa così alte non sarebbero ammissibili; nella maggior parte delle applicazioni riguardanti gli edifici, si parla di valori tipici di 1 W/piede quadrato o meno. Questo significa una riduzione del 66% del consumo di energia rispetto ai sistemi installati 20 anni fa. Pochi altri settori possono vantare un miglioramento così drastico dell'efficienza nello stesso periodo di tempo.

Negli ultimi 20 anni, abbiamo assistito a una notevole evoluzione di tecnologie di illuminazione, lampadine e sistemi di controllo ma anche le normative sul rendimento energetico e la bioedilizia hanno contribuito a definire ciò che oggi consideriamo efficiente. Non ci limitiamo più a installare apparecchi di illuminazione a 4 luci da 60x120 cm a distanze di 240x300 cm. Chi progetta gli impianti di illuminazione lavora insieme ad architetti e ingegneri per bilanciare estetica, qualità della luce ed energia, in modo da ottenere una soluzione di illuminazione che funzioni bene e rispetti le normative applicabili. Non è necessario sacrificare la qualità o ridurre i livelli di illuminazione per conformarsi alle normative.

L'illuminazione può contribuire a ridurre il consumo di energia

Gli edifici consumano molta energia. E molta di questa energia viene utilizzata per l'illuminazione artificiale. Secondo la Energy Information Administration statunitense, negli edifici commerciali, il 21% dell'energia totale e il 38% dell'elettricità vengono utilizzate per l'illuminazione artificiale (v. Figura 1).

Figura 1: l'elettricità utilizzata per l'illuminazione è superiore a quella destinata a qualsiasi altro uso. L'illuminazione assorbe il 38% dell'elettricità mentre i sistemi di raffrescamento e ventilazione ne consumano solo il 12% ognuno. In questo esempio, il consumo totale di elettricità è di 3.037 trilioni di Btu. Fonte: Energy Informat

Nell'illuminazione artificiale “originale” sviluppata da Thomas Edison più di 100 anni fa, la luce visibile incandescente era semplicemente un sottoprodotto. Le lampadine a incandescenza generano luce facendo passare una corrente elettrica attraverso un filamento di tungsteno, fino a quando diventa così caldo da illuminarsi. Le sorgenti a incandescenza sono essenzialmente riscaldatori resistivi in cui il 10% dell'energia in ingresso genera luce visibile mentre il restante 90% produce calore. Le moderne fonti di illuminazione come quelle fluorescenti e a LED sono molto più efficienti, in termini di energia, ma producono comunque calore che deve poi essere estratto dall'edificio aumentando la capacità di raffreddamento del sistema HVAC. Per ogni 100 W di illuminazione che NON vengono installati, si risparmiano 50 W circa di energia di raffreddamento (a seconda della regione) e l'illuminazione ad alta efficienza energetica è quindi un ottimo metodo per ridurre il consumo complessivo dell'edificio.

Illuminazione e normative sul rendimento energetico

L'illuminazione è una componente primaria dell'impianto elettrico di un edificio commerciale. Negli Stati Uniti, esistono una serie di normative energetiche e standard di sostenibilità che aiutano a gestire il rendimento energetico globale degli edifici, inclusa l'efficienza dell'illuminazione.

Il problema è che ognuno di tali standard e normative ha obiettivi propri e prende in considerazione aree ed applicazioni differenti. Applicarli tutti può risultare molto difficile. La Tabella 1 riepiloga i vari standard sulle prestazioni degli edifici e ne confronta i requisiti in termini di energia luminosa per i tipici edifici adibiti a ospedali, uffici commerciali e scuole/università.

Lo Standard ASHRAE 90.1 è generalmente considerato la base di riferimento per il rendimento energetico degli edifici ed è integrato, in qualche modo, nella maggior parte delle normative energetiche e degli standard di bioedilizia. Lo Standard ASHRAE 90.1 tratta il tema dell'energia luminosa in due modi:

  1. 1. Per ridurre il consumo di energia, stabilisce dei limiti alla densità di potenza luminosa (LPD), misurata in W/m2, in base all'uso previsto dello spazio.
  2. 2. Impone l'uso di sistemi di controllo per lo spegnimento automatico delle luci quando non sono necessarie.

Alcuni ingegneri considerano lunga e complessa la procedura di calcolo della LPD per dimostrare la conformità agli standard energetici. Tuttavia, l'uso del Building Area Method di ASHRAE semplifica il calcolo applicando un solo valore di LPD per tutto l'edificio e calcolando il numero di watt totali ammissibili moltiplicando il valore di LPD per l'area totale dell'edificio. Ad esempio, se in un ospedale da 500.000 piedi quadrati è ammesso un valore di LPD di 1,2 W/piede quadrato, il budget di potenza luminosa totale è di 500.000 piedi quadrati x 1,2 W/piede quadrato = 600.000 W. Progettare gli impianti di illuminazione senza considerare l'impatto sul rendimento energetico totale dell'edificio è come se un architetto progettasse un edificio senza tener conto dei sistemi strutturali.

Lo si può fare, ma alla fine andrà rifatto. Chi progetta l'illuminazione, ingegneri e architetti devono progettare considerando la LPD.

Figura 2: con i suoi sei piani su un'area di 55000 metri quadrati circa, l'ospedale pediatrico Nemours recentemente completato a Orlando, in Florida, è riuscito a ottenere una riduzione del 40% di potenza luminosa rispetto ai requisiti ASHRAE 90.1 2007, con un risparmio di oltre 270 kW di potenza luminosa totale. Superfici verticali di illuminazione e

I requisiti ASHRAE 90.1 sono basati, almeno in parte, sulle raccomandazioni relative al livello di illuminazione della Illuminating Engineering Society (IES) e sulle moderne tecnologie di efficienza energetica che si sono dimostrate economicamente convenienti. Essenzialmente, ciò significa che tra i parametri progettuali di base per l'illuminazione interna della maggior parte degli spazi commerciali rientrano le lampadine fluorescenti T8 o T5 e le lampadine fluorescenti compatte (CFL), anche se l'uso di sorgenti a LED continua ad aumentare. Significa anche l'utilizzo sistematico di sensori di presenza e di altri sistemi di controllo dell'illuminazione a livello di edificio per spegnere automaticamente le luci dopo un certo numero di ore o quando l'illuminazione non è necessaria.

Qualità dell'illuminazione ed efficienza energetica

Per alcuni progettisti e ingegneri che si occupano di illuminazione, le normative sul rendimento energetico rappresentano un ostacolo per un buon progetto. Io credo che sia vero il contrario. Queste normative possono aiutare i progettisti ad adottare approcci personalizzati e a progettare soluzioni specifiche, adatte alle esigenze di ogni ambiente. Selezionando lampadine e apparecchiature adeguate, integrando la luce naturale e installando sistemi di controllo automatico dell'illuminazione, i progettisti possono facilmente soddisfare, se non superare, i requisiti delle normative. Alcune strategie per bilanciare efficienza energetica e qualità dell'illuminazione possono includere:

  • Utilizzo di sorgenti luminose ad alta efficienza energetica. Le lampadine fluorescenti lineari e compatte sono ormai uno standard ma, negli ultimi anni, sono notevolmente migliorate anche le tecnologie a LED. Oltre a garantire una buona intensità luminosa (lumen) per tutta la loro vita nominale, durano a lungo e usano pochissima energia. Se una sorgente fluorescente compatta usa 18 W per produrre 1200 lumen e dura 10.000 ore, una sorgente a LED usa 11 W per produrre gli stessi 1200 lumen e ha una durata di 100.000 ore. Va però ricordato che, anche se usano meno energia, i LED non sono la “bacchetta magica” che molte persone potrebbero pensare; non vanno bene per ogni applicazione.
  • Non utilizzare luci a incandescenza. Anche la più efficiente delle sorgenti a incandescenza ha un'efficienza di solo il 10% e un'efficacia molto bassa, nella gamma da 10 a 20 lumen/W. Le sorgenti fluorescenti compatte e i LED odierni possono produrre la stessa intensità luminosa e avere l'identica temperatura di colore e quasi la stessa resa cromatica della maggior parte delle lampadine a incandescenza ma con livelli di efficacia e durata molto superiori. L'efficacia tipica delle sorgenti fluorescenti va da 85 a 95 lumen/W; l'efficacia dei LED può arrivare a oltre 100 lumen/W e continua a migliorare.
  • Illuminare dove serve. Usare più luce dove occorre e meno dove non serve può sembrare un approccio semplice e ovvio ma non è così. IES pubblica una serie di standard sui corretti livelli di illuminazione (footcandle) dei tipici spazi di un edificio, in base all'uso a cui sono destinati, alla riflettanza delle superfici, al contrasto e all'età degli occupanti. In un ripostiglio o in un corridoio, ad esempio, è possibile ridurre i livelli di illuminazione rispetto a un ufficio o una classe. Usare meno luce, e quindi meno energia, in queste aree consente ai progettisti di aumentare l'energia luminosa in altre zone rimanendo entro i limiti prescritti di energia luminosa totale dell'edificio.
  • Illuminare in modo mirato. Illuminare dove serve significa anche considerare quanto segue. Gli uffici progettati come "open space" e gli altri spazi occupati da gruppi di persone che lavorano a “compiti” precisi possono trarre vantaggio da un impianto di illuminazione che fornisca livelli inferiori di illuminazione generale e livelli superiori di luci individuali. Questo elimina il bisogno di illuminare grandi aree a 50 footcandle quando sono solo parzialmente occupate permettendo, inoltre, agli occupanti di controllare individualmente l'illuminazione della propria zona.
  • Controllare le luci. Con gli adeguati sistemi di controllo dell'illuminazione, è possibile ottenere significativi risparmi energetici. I sensori di presenza, conosciuti anche come sensori di movimento o sensori di occupazione, possono essere usati praticamente in tutti gli ambienti per spegnere le luci quando le aree sono vuote. I sensori di presenza richiedono l'attivazione manuale anziché quella automatica e sono richiesti da ASHRAE 90.1-2010. Le sale multiuso come quelle destinate alle conferenze e alla formazione - ma anche gli uffici - dovrebbero essere dotate di comandi di attenuazione o multilivello per ridurre il grado di illuminazione, e quindi l'energia, quando la massima illuminazione non è necessaria o desiderata. È possibile attenuare del 10% l'illuminazione generale di un'area senza che la maggior parte delle persone noti alcuna differenza. Può essere una cosa molto utile da fare durante i periodi di domanda di picco (ad es. nei pomeriggi estivi) quando le tariffe elettriche sono alte (tariffe orarie). In questo modo, si risparmia elettricità ma anche denaro sulla bolletta elettrica. Con dei semplici sensori di luce naturale, infine, è possibile attenuare o spegnere le luci quando la luce diurna è sufficiente. Il cosiddetto "daylight harvesting" può far risparmiare notevoli quantità di energia.
  • Usare superfici di colore chiaro. Architetti e designer di interni possono contribuire a migliorare il rendimento energetico semplicemente specificando superfici chiare e riflettenti. Gli spazi con pareti e pavimenti scuri, oltre a dare una sensazione di buio, non riflettono abbastanza luce e riducono i livelli di illuminazione effettivi. Per rimediare, chi progetta l'illuminazione deve usare più luce e più energia. Gli spazi con superfici chiare, invece, richiedono meno illuminazione e permettono di soddisfare i requisiti di efficienza senza pregiudicare l'estetica.

Ma anche adottando le nuove tecnologie di illuminazione e un approccio sinergico al design, fino a dove è possibile arrivare? Qual è il valore minimo di LPD? 0,5 W/piede quadrato? 0,2 W/piede quadrato? 0,1 W/piede quadrato? Ci sono rendimenti decrescenti per LPD ultrabasse; i progettisti hanno ancora bisogno di usare energia per produrre luce artificiale. Fino a quando non verrà scoperta una sorgente luminosa rivoluzionaria o una nuova tecnologia, è improbabile che le normative sul rendimento energetico richiedano LPD molto più basse di quanto fanno attualmente. Con un buon progetto sinergico, è comunque possibile ottenere LPD incredibilmente basse.

Figura 3: i nuovi appartamenti del residence “The Stack”, vicino alla Texas A&M University in College Station, Texas, hanno ottenuto una LPD di 0,53 W/piede quadrato, ovvero una riduzione del 50% rispetto alla normativa locale applicabile, ASHRAE 90.1-2010. Questa incredibile

Oltre che il rendimento energetico, diverse normative e standard di bioedilizia - LEED incluso - si occupano anche della riduzione dell'inquinamento luminoso, della dispersione luminosa e dei sistemi di controllo dell'illuminazione. La riduzione dell'inquinamento luminoso, ottenuta dirigendo l'illuminazione verso il basso (e non verso il cielo) e mantenendo la luce nei confini dell'edificio (e non sulle zone circostanti) non riduce solo i fenomeni di abbagliamento ma anche il consumo di energia e il costo.

Molte normative locali contemplano inoltre requisiti per l'uniformità di illuminazione, richiedendo il rispetto di certi rapporti max/min o media/min footcandle e prevedono una serie di requisiti per le luci notturne o il controllo dell'illuminazione. Sono tutte strategie che progettisti e ingegneri dovrebbero comunque implementare. Le normative sul rendimento energetico non sono quindi un ostacolo a un buon progetto di illuminazione ma aiutano a prevenire progetti inadeguati.

Illuminazione ad alta efficienza energetica non è sinonimo di scarsa qualità dell'illuminazione. Le normative non fanno altro che assicurare che, in fase di progetto, i parametri relativi a rendimento energetico, densità di potenza luminosa, luce naturale e sistemi di controllo vengano considerati alla stessa stregua dei livelli di luce, della resa cromatica e dell'estetica. Efficienza energetica e illuminazione di qualità possono camminare di pari passo. Dobbiamo solo cambiare l'approccio ai progetti di illuminazione.

Mark A. Gelfo è responsabile della sostenibilità presso TLC Engineering for Architecture. Laureato in ingegneria edile presso l'università statale della Pennsylvania, Gelfo ha 20 anni di esperienza in progettazione dell'illuminazione, ingegneria elettrica, sostenibilità e messa in servizio.

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