Con costi energetici in costante aumento e un’attenzione crescente alle credenziali ambientali, la spinta verso operazioni più efficienti non è mai stata così forte. Questo vale per tutti i settori, ma le opportunità di riduzione energetica, e di conseguenza l’approccio più adatto per raggiungerle, variano spesso da caso a caso.
Tuttavia, un tema che ritorna con regolarità è l’illuminazione.
L’illuminazione dei parcheggi (o di qualsiasi altro spazio) rappresenta spesso uno dei principali costi operativi correnti. Grazie ai continui progressi tecnologici, i prodotti più recenti sul mercato possono ridurre drasticamente questi costi a una frazione di quelli originali, sollevando la domanda ovvia: è meglio aggiornare ora, o attendere che sia disponibile la tecnologia successiva?
Qual è, dunque, il modo migliore per ridurre i costi totali dell’installazione e l’impronta carbonica? I costi iniziali, e in particolare l’energia incorporata nei materiali, nella produzione, nel trasporto e nell’installazione degli apparecchi, possono rappresentare una quota significativa dei costi complessivi nel ciclo di vita. Per questo motivo è necessaria una strategia di aggiornamento intelligente, che garantisca la sostituzione dei soli componenti obsoleti; in altre parole, una strategia di aggiornamento in modalità retrofit.
Nel contesto dei prodotti di illuminazione, il retrofit è un prodotto compatibile con un sistema esistente e che offre prestazioni superiori rispetto a ciò che sostituisce. Il retrofit consente di sfruttare le nuove tecnologie senza dover procedere alla sostituzione completa dell’apparecchio, e in molti casi si concretizza nella semplice sostituzione della lampada (senza necessità di ricablaggio o modifica al circuito esistente). In effetti, il retrofit non è affatto un’idea nuova: l’uso di lampade agli alogenuri metallici in sostituzione del sodio è un buon esempio di come si siano ottenuti vantaggi concreti da una semplice soluzione retrofit.
Gli apparecchi sono generalmente composti da tre parti principali: il corpo, la sorgente luminosa (la lampada, o LED) e il reattore o driver. Mentre il corpo è generalmente un componente a bassa tecnologia che può invecchiare molto bene, le ultime due componenti mostrano miglioramenti delle prestazioni nel tempo grazie alle innovazioni del settore. Le innovazioni possono essere sia trasformative (solitamente attribuite a un cambiamento tecnologico, come il passaggio dal fluorescente al LED) sia incrementali (determinate da piccoli guadagni di efficienza, derivanti da miglioramenti della tecnologia esistente o dei processi produttivi).
Adozione tecnologica
In generale, i cambiamenti trasformativi sono associati a salti prestazionali significativi. Al contrario, i cambiamenti incrementali producono miglioramenti regolari che innalzano progressivamente l’efficienza. Una nuova tecnologia richiede tempo per superare quella precedente in termini di prestazioni, ed è qui che è necessaria la pazienza. Si ricordi quando Apple cercò di proporre il Newton come dispositivo PDA nel 1993: per via dell’ingombro e del prezzo, non si riteneva che offrisse vantaggi rispetto a un’agenda cartacea, e l’iniziativa non decollò. Chi acquistò in quella fase non lo fece per le prestazioni, ma perché era un appassionato di tecnologia (questi individui fanno parte del cosiddetto «mercato iniziale» descritto da Geoffrey Moore nel suo libro Crossing the Chasm). Quando una tecnologia offre vantaggi prestazionali immediati (piuttosto che la promessa di benefici futuri), le sue possibilità di essere adottata dal mercato di massa aumentano enormemente. Negli ultimi anni i LED hanno superato questa barriera di mercato. Si pensi a com’erano i LED di dieci anni fa, quando offrivano 60 lumen per watt, rispetto a oltre 200 lumen per watt oggi[i].
Figura 1 Curva di adozione tecnologica
Con queste possibilità prestazionali sempre crescenti emerge l’opportunità di sostituire la sorgente luminosa e/o il driver all’interno dell’apparecchio esistente per ottenere vantaggi economici concreti, garantendo un ritorno sull’investimento per l’acquirente. Se ogni volta che si desiderasse fare questo fosse necessario sostituire anche l’apparecchio, gli incentivi sarebbero molto più contenuti.
Figura 2 Miglioramenti delle prestazioni con le nuove tecnologie
Abbracciare questa filosofia è possibile adottando fin dall’inizio una strategia retrofit: investire in apparecchi predisposti al retrofit con l’intenzione di aggiornare i componenti interni con maggiore frequenza rispetto all’apparecchio stesso. In linea di massima, si tratta di una strategia di utilizzo degli asset che garantisce il massimo valore e offre flessibilità rispetto agli sviluppi tecnologici futuri o ai requisiti in evoluzione. Assicura che esista sempre un’opzione per aggiornarsi all’ultimo livello prestazionale a costo contenuto.
Progettazione di prodotti retrofit
Se è tutto così semplice, perché non tutti adottano il retrofit?
Integrare una nuova tecnologia in formato retrofit aggiunge complessità. La cosa fondamentale per qualsiasi componente elettronica è progettare il sistema per garantire una temperatura di esercizio adeguata e prolungare la vita del prodotto. Il punto di partenza di qualsiasi progetto deve quindi essere la gestione termica, che può essere più difficile nella progettazione di prodotti retrofit perché solitamente non esiste un percorso termico conduttivo diretto verso l’ambiente esterno. Ciononostante, attraverso simulazioni termiche e test approfonditi in una varietà di apparecchi chiusi, è possibile essere certi che la temperatura di esercizio dei chip LED rientri ampiamente nel range stabilito dai produttori di chip per garantire una lunga durata operativa.
Un altro ambito che richiede un’attenta valutazione è la corrispondenza delle prestazioni ottiche. La fotometria di un tubo fluorescente differisce da quella di un tubo LED retrofit. Tuttavia, come si vedrà più avanti, quando si considera l’efficienza dell’apparecchio questo fattore di solito gioca a favore del retrofit LED.
Esistono anche alcuni comuni malintesi sull’uso dei retrofit LED, che spaziano da preoccupazioni economiche a questioni di conformità e ri-certificazione.
A condizione che la lampada retrofit sia certificata per l’uso previsto, non vi sarà alcuna necessità di ri-certificare l’apparecchio una volta installato. Così come non è necessario ri-certificare la lampada sul comodino quando si sostituisce una lampadina a incandescenza con una a risparmio energetico, raramente è necessario farlo quando si utilizzano tubi LED al posto dei fluorescenti.
Costi nel ciclo di vita
Dal punto di vista economico, l’uso di retrofit LED è vantaggioso. I risparmi sono più elevati nelle installazioni in cui l’accesso all’apparecchio è difficile e l’utilizzo di tecnologia a lunga durata consente di ridurre il numero di sostituzioni delle lampade. Shae Gilbert, ingegnere capo per l’illuminazione e l’innovazione della London Underground, ha spiegato di recente come l’uso di retrofit a lampade LED stia generando risparmi di milioni di sterline sulle spese di manutenzione. La sostituzione di un singolo tubo sopra una scala mobile può costare quasi 1.000 sterline, quindi il ritorno sull’investimento ottenuto evitando la sostituzione della lampada è straordinario[ii]. Risparmi considerevoli possono essere ottenuti in altri contesti dove i costi di manutenzione sono elevati, ad esempio dove è necessaria la gestione del traffico in gallerie, sottopassaggi e sottopassi pedonali.
A prescindere dai costi di manutenzione, il risparmio energetico è tipicamente del 50% rispetto al wattaggio del sistema fluorescente, a parità di luminosità, e ciò significa che un ritorno sull’investimento può essere raggiunto anche in scenari dove i costi di sostituzione della lampada sono trascurabili. Si consideri una lampada fluorescente da 58W su reattore magnetico (potenza circuito 65W) sostituita da un tubo LED da 30W. A un costo energetico prudente di £0,10/kWh, il risparmio per ogni ora di funzionamento è di 0,35 pence, il che significa che anche dopo sole 20.000 ore di funzionamento (una frazione della vita nominale per tubi LED di alta qualità) il risparmio energetico ammonta a £70; ben superiore al costo della lampada LED.
Prestazioni migliorate
Naturalmente, a questo punto ci si chiederà come sia possibile ottenere una riduzione energetica del 50% mantenendo i livelli di luminosità, quando il rendimento luminoso dei fluorescenti per watt di circuito è di circa 75 lm/W e quello dei tubi LED è tipicamente di 105 lm/W. Uno dei motivi riguarda l’efficienza dell’apparecchio, o rapporto di flusso luminoso.
Figura 3 Diagramma che illustra il principio del rapporto di flusso luminoso (LOR)
I tubi fluorescenti emettono luce da tutta la circonferenza della lampada, il che significa che si devono usare riflettori per indirizzare la luce emessa dalla parte «posteriore» verso l’area desiderata. Inevitabilmente, questo controllo ottico introduce inefficienze. Inoltre, nel tempo le particelle si depositano sulla superficie, riflettendo una quantità ancora minore della luce convogliata nell’apparecchio. In genere, il riflettore per un apparecchio da esterno (come quelli usati nei sottopassi) è realizzato in lamiera comune a bassa riflettività, e le perdite sono quindi significative. I LED, invece, emettono luce da una sola superficie del tubo, il che significa che non vi è riflessione interna all’apparecchio.
L’entità di questo cambiamento nell’efficienza dell’apparecchio può essere stimata scalando i livelli medi di illuminamento misurati per il flusso luminoso della lampada, prima con lampade fluorescenti e poi per la stessa installazione con lampade LED. Utilizzando una reale installazione in un sottopasso, il rapporto di flusso luminoso è risultato migliorato del 59,4% dopo il passaggio alle lampade retrofit LED (vedi Figura 6).
A questo si aggiunge la qualità della luce da considerare. L’utilizzo di luce bianca LED per sostituire le lampade fluorescenti standard bianche calde o fredde aumenta la luminosità percepita per watt, e questo è ciò che conta per sicurezza e comfort. Questo approccio è ampiamente riconosciuto, come indicato nell’Allegato A della BS 5489-1:2013 e nell’ILP PLG03 [34]. Il rapporto SP di una lampada fluorescente bianca fredda è di circa 1,48, mentre quello di una lampada LED bianca può superare 2 (il valore esatto dipende dal produttore e dalla classificazione dei chip)[iii].
Combinando questi tre ambiti di miglioramento (maggiori lumen per watt, efficienza migliorata dell’apparecchio e rapporto SP più elevato), è facile comprendere come si possano ottenere risparmi energetici significativi.
Aspetti relativi alla salute
Una questione di grande attualità che ha suscitato ampia discussione nel settore riguarda la salute e la sicurezza in relazione alle sorgenti luminose.
La rete elettrica nel Regno Unito opera a una frequenza di 50 Hz. Poiché la forma d’onda è approssimativamente sinusoidale, ci sono due punti nel ciclo in cui la tensione fornita è 0, generando il fenomeno dello sfarfallio (flicker) e della modulazione del flusso luminoso.
I tubi fluorescenti su reattore magnetico modulano a 100 Hz (corrispondenti ai due punti nel ciclo di rete in cui la tensione è 0), e verso fine vita possono presentare una modulazione severa a 50 Hz o inferiore.
Studi sull’effetto dello sfarfallio su pazienti con epilessia fotosensibile (che colpisce circa 1 su 4.000 persone) indicano che la frequenza di sfarfallio nell’intervallo da circa 3 a circa 70 Hz rappresenta un rischio di crisi convulsiva[iv]. Le registrazioni elettroencefalografiche dei pazienti durante lo studio evidenziano che circa il 50% di essi ha risposto a una frequenza di flash di 50 Hz[v].
Aspetto importante: i LED non presentano uno sfarfallio a 50 Hz verso fine vita. Nei circuiti LED collegati alla rete è solitamente presente una modulazione a 100 Hz, ma a seconda del circuito di pilotaggio può essere ridotta o completamente eliminata (per i LED alimentati con corrente continua).
Vi è inoltre il vantaggio aggiuntivo che il retrofit LED non fa uso di vetro o vapori di mercurio, che rappresentano un rischio in caso di rottura, ad esempio durante la pulizia o la sostituzione di una lampada.
I retrofit LED in azione
L’introduzione di nuove tecnologie sul mercato è di solito accolta con scetticismo e percezione del rischio. Una volta che le prestazioni e il prezzo raggiungono un punto in cui esiste una chiara opportunità di risparmio, e le grandi installazioni sono state realizzate e si sono dimostrate efficaci, questo rischio percepito tende inevitabilmente a ridursi.
Il momento di splendere per il retrofit LED è arrivato. Le prestazioni dei LED sono migliorate rapidamente negli ultimi anni e i LED sono ora in grado di offrire vantaggi significativi rispetto alle tecnologie precedenti. La fiducia nella tecnologia è cresciuta notevolmente, dando vita a frequenti annunci da parte di grandi aziende e organizzazioni che dichiarano il passaggio alle sorgenti LED.
Una di queste installazioni è il parcheggio multipiano di Captain Cook Square a Middlesbrough. INDO ha fornito oltre mille tubi retrofit LED T8 da installare nell’edificio multipiano, garantendo ritorni interessanti per il gestore del parcheggio. Oltre a questi vantaggi economici, la qualità della luce è migliorata, consentendo una maggiore resa cromatica e una luminosità aumentata. La Figura 4 mostra il miglioramento visivo, spiegabile con i guadagni in efficienza luminosa, rapporto SP e LOR discussi in precedenza.
Figura 4 Fotografie prima (sinistra, fluorescente) e dopo (destra, INDO LED) del parcheggio di Captain Cook Square
A seguito dell’installazione LED (eseguita nel Q1 2014), i contatori elettrici hanno registrato una riduzione del consumo energetico dell’intero edificio (compresi ascensori, barriere, sistemi di sicurezza, ecc.) del 45%. Si tratta di una riduzione mensile di circa 13.000 kWh. La Figura 5 mostra i dettagli.
Figura 5 Consumo energetico mensile dell’intero edificio, confronto anno su anno.
Grandi installazioni di retrofit LED INDO sono state realizzate in vari quartieri di Londra con risultati estremamente positivi. Un rapporto indipendente relativo a un’installazione in un sottopasso a Westminster ha rilevato che i retrofit LED avevano notevolmente migliorato l’aspetto complessivo dello spazio. I dati principali del rapporto, inclusa un’analisi dei risultati, sono riportati nella Figura 7.
Figura 6 Westminster: lampade LED INDO (circuito da 30W, sinistra) accanto alle lampade fluorescenti (circuito da 84W, destra)
Figura 7 Riepilogo dei risultati prestazionali dell’installazione di prova
L’illuminamento per watt di circuito e l’illuminamento per lumen di lampada si riferiscono ai livelli medi di illuminamento e sono calcolati a partire da un’installazione di prova in un sottopasso in cui è stato condotto un rilevamento illuminotecnico indipendente per lampade fluorescenti T8 e per lampade INDO LED T8. Le griglie di misura utilizzate per il rilevamento erano conformi all’ILP Technical Report 28 ‘Measurement of road lighting performance on site’.
Le prestazioni generali dei LED sono in continua crescita e una nuova tecnologia è sempre all’orizzonte. Il retrofit con la tecnologia più recente a costo contenuto offre flessibilità, garantendo che non si resti mai vincolati ai livelli tecnologici attuali. Se un prodotto migliorato dovesse essere lanciato qualche anno dopo l’installazione, non sarà necessario dismettere apparecchi costosi per aggiornarsi.
Combinare la tecnologia LED rivoluzionaria con questa filosofia pragmatica del retrofit è senza dubbio un approccio intelligente per valorizzare il panorama tecnologico attuale, migliorare gli standard di illuminazione e ridurre drasticamente i costi complessivi dell’installazione nel ciclo di vita.
Riferimenti:
[i] Miller, H. (2010) Creative Destruction, With a Nudge from the Top, [Online], Available: http://www.pcb007.com/pages/zone.cgi?a=56143 [27 Nov 2013]
[ii] Bain, R. (2013) ‘The light at the end of the tunnel’, Lux Magazine, Issue 31 – November 2013, pp. 54-59.
[iii] Lighting Research Center (2009), Outdoor Lighting: Visual Efficacy, Vol. 6, Is. 2, p. 6
[iv] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online], Available: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 Nov 2013]
[v] Wilkins, A., Veitch, J. and Lehman, B. (2010) LED Lighting Flicker and Potential Health Concerns: IEEE Standard PAR1789 Update [Online], Available: http://www.essex.ac.uk/psychology/overlays/2010-195.pdf [27 Nov 2013]
