CONVEGNO NAZIONALE AIPCR ROMA 2014 QUADERNI AIPCR TEMA– INFRASTRUTTURE STRADALI CT 4.1 ESIGENZE AMBIENTALI NELLA GESTIONE DELLE RETI STRADALI: L’EFFICIENTAMENTO PRESTAZIONALE ED ENERGETICO DEI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA ISBN 9788899161071 ISBNA 10.978.8899161/071
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CONVEGNO NAZIONALE AIPCR
ROMA 2014
QUADERNI AIPCR
TEMA– INFRASTRUTTURE STRADALI
CT 4.1
ESIGENZE AMBIENTALI NELLA GESTIONE DELLE RETI STRADALI: L’EFFICIENTAMENTO PRESTAZIONALE ED ENERGETICO DEI SISTEMI
DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA
ISBN 978-‐88-‐99161-‐07-‐1
ISBNA 10.978.8899161/071
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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COMPOSIZIONE DEL COMITATO TECNICO 4.1 “GESTIONE DEL PATRIMONIO STRADALE”
PRESIDENTE Prof. Ing. Vittorio NICOLOSI Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”
VICE PRESIDENTI Ing. Dario BELLINI Provincia di Pisa - Servizio Viabilità
Ing. Michele MORI Lene Prova e Controlli - SINECO
SEGRETARIO Prof. Ing. Mauro D'APUZZO Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale
MEMBRI Prof. Ing. Francesco ANNUNZIATA Università degli Studi di Cagliari
Ing. Anna Maria ATZORI Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti
Ing. Barbara BIANCHINI Anas spa
Ing. Francesco CAPORASO Anas S.p.A.
Ing. Tullio CARAFFA Anas S.p.A.
Ing. Luca CHIRIZZI ANAS S.p.A.
Prof. Ing. Maurizio CRISPINO Politecnico di Milano
Prof. Ing. Paola DI MASCIO Università di Roma "La Sapienza"
Prof. Ing. Lorenzo DOMENICHINI Università di Firenze
Ing. Adriana ELENA ASTRAL
Prof. Ing. Bruna FESTA Università degli Studi di Napoli “ Federico II”
Prof. Ing. Francesco PINNA Università degli Studi di Cagliari
Prof. Ing. Pietro GIANNATTASIO già Università degli Studi di Napoli “ Federico II”
Ing. Domenico GRECHI
Ing. Antonio INCERTI RISORSE S.p.A.
Prof. Ing. Francesca LA TORRE Università di Firenze
Ing. Marcello LUMINARI Autostrade per l’Italia
porf. Francesca MALTINTI Università degli Studi di Cagliari
Prof. Ing. Aurelio MARCHIONNA Università degli Studi di Trieste
Ing. Fabbrizio MAZZENGA Roma Capitale
Ing. Giuseppe MONTANINO Provincia di Napoli
Ing. Michele MONTECUOLLO ANAS S.p.A.
Ing. Alessandro MUSMECI AISCAT
Ing. Gabriele OLIVARI Provincia di Milano
Ing. Enrico PAGLIARI Automobil Club Italia
Ing. Pietro PIGNATARO Aeronautica Militare
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Ing. Claudia PIRAS Università degli Studi di Cagliari
Ing. Francesco Saverio
STICCHI DAMIANI
PRO.SAL. Srl
Ing. Enea SOGNO Sineco
Ing. Giacomo TUFFANELLI Agenzia Roma Servizi per la Mobilità S.r.l.
Ing. Flavio VECCHI
Prof. Ing. Paola VERDE Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale
Dott. Ivo VERNIERI ASTRAL
Ing. Pasquale ZOPPOLI Provincia di Napoli
ESPERTI Ing. Azzurra EVANGELISTI Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale
Prof. Ing. Pietro VARILONE Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale
GRUPPO DI LAVORO Bilanciamento delle esigenze tecniche ed ambientali nella
gestione della rete stradali Prof. Ing. Paola Verde (Coordinatore) Ing. Barbara Bianchini Ing. Francesco Caporaso Ing. Sticchi Damiani Ing. Domenico Grechi Ing. Michele Montecuollo Prof. Ing. Pietro Varilone Ing. Flavio Vecchi
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico
dei sistemi di illuminazione in galleria
F. Caporaso (*), M. Montecuollo(**), P. Varilone (°), P. Verde (°)
(*) ANAS S.p.A., Compartimento della viabilità per la Basilicata
(**) ANAS S.p.A., Compartimento della viabilità per la Campania
(°) Università degli studi di Cassino e del Lazio Meridionale
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Sommario 1 IL PROBLEMA CONGIUNTO DI RISPARMIO ENERGETICO E MIGLIORAMENTO DELLE PRESTAZIONI .......... 7
1.1 Definizione del problema .................................................................................................................... 7
1.2 Il modello E.S.T. ................................................................................................................................... 7
1.3 Definizione del caso di baseline ......................................................................................................... 14
1.4 La scheda tecnica 28T dell’AEEGSI ..................................................................................................... 16
2 INDICI PRESTAZIONALI DEI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA ...................................................... 24
3.4 Miglioramento indici elettrici e illuminotecnici ................................................................................. 32
3.5 Ottimizzazione indici elettrici e illuminotecnici ................................................................................. 34
4 CASI STUDIO ............................................................................................................................................. 45
4.2 Galleria A ........................................................................................................................................... 45
4.2.1 La condizione attuale .................................................................................................................. 45
4.2.2 Interventi per l’ottimizzazione .................................................................................................... 47
4.2.2.1 Intervento SAP-‐SAP New ..................................................................................................... 47
4.2.2.2 Intervento Regolatori di flusso ............................................................................................ 49
4.3 Galleria B ........................................................................................................................................... 58
4.3.1 La condizione attuale .................................................................................................................. 59
4.3.2 Interventi per l’ottimizzazione .................................................................................................... 61
4.3.2.1 Intervento SAP-‐SAP New ..................................................................................................... 61
4.3.2.2 Intervento Regolatori di flusso ............................................................................................ 63
4.4 Galleria C ............................................................................................................................................ 72
4.4.1 La condizione attuale .................................................................................................................. 72
4.4.2 Interventi per l’ottimizzazione .................................................................................................... 74
4.4.2.1 Intervento SAP-‐SAP New ..................................................................................................... 74
4.4.2.2 Intervento Regolatori di flusso ............................................................................................ 76
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1 IL PROBLEMA CONGIUNTO DI RISPARMIO ENERGETICO E MIGLIORAMENTO DELLE PRESTAZIONI
1.1 DEFINIZIONE DEL PROBLEMA Nelle strategie di gestione delle infrastrutture stradali sono sempre più importanti le esigenze
ambientali in termini di risparmio energetico congiunto al miglioramento delle prestazioni,
soprattutto in termini di sicurezza.
I dati relativi al costo annuale dei consumi di 'energia elettrica mostrano aumenti significativi di
anno in anno. L’incremento annuale dei costi e la crescente sensibilità per la tutela dell'ambiente
spingono sempre più i gestori delle infrastrutture stradali ad elaborare modalità di gestione e
pianificazione per ridurre i consumi di energia elettrica. Per le strade primarie, come le autostrade
e le arterie principali, i carichi elettrici più significativi sono in genere i sistemi di illuminazione
utilizzati nelle gallerie, i quali se da un lato sono carichi energivori, dall’altro sono essenziali per la
sicurezza dei conducenti. La gestione attuale dei sistemi di illuminazione in galleria, inoltre, rivela
che non sempre costi elevati di esercizio corrispondono a standard prestazionali e di sicurezza
adeguati. Tale aspetto, tutt’altro che trascurabile, dipende da numerosi fattori quali il degrado delle
prestazioni delle sorgenti luminose, dei sistemi di alimentazione o anche da condizioni di
overdesign.
Nascono, di conseguenza, due esigenze contrapposte poiché è vero che il consumo di energia
elettrica deve essere ridotto ma, nel contempo, bisogna garantire la sicurezza della guida. Alla luce
di queste considerazioni, è stato sviluppato un modello chiamato E.S.T. (Energy Screening of
Tunnel) che consente appunto di rappresentare congiuntamente, e in modo immediato, sia i
consumi energetici sia le prestazioni di un Sistema di Illuminazione in Galleria (SIG).
1.2 IL MODELLO E.S.T. Con riferimento a Sistemi di Illuminazione in Galleria (SIG), gli obiettivi del modello E.S.T. sono:
− analizzare il consumo di energia elettrica;
− analizzare le prestazioni;
− individuare possibili interventi sostitutivi o non sostitutivi per migliorare consumi e
prestazioni;
− stimare gli investimenti attraverso indici finanziari;
− comparare SIG diversi e diversi interventi.
La modellazione in E.S.T. di un SIG consente di ottenere diversi indici di esercizio relativi sia ai
consumi, sia alle prestazioni; gli indici sono meglio descritti nelle sezioni a loro dedicate.
Tra le caratteristiche più interessanti del modello E.S.T è la possibilità di caratterizzare
contestualmente ogni SIG nel piano {consumi di energia elettrica, prestazioni} introducendo anche
opportuni indici specifici1, ossia indici normalizzate su unità fisiche di riferimento (come lunghezza
1 Indici globali ed indici specifici per consumi e prestazioni sono descritti nella sezione 2..
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della galleria o area illuminata della galleria) che consentono utili comparazioni tra i diversi SIG.
Per descrivere la potenzialità di E.S.T. , si assuma che siano introdotti i seguenti indici 2:
− per i consumi di energia elettrica: un generico indice di consumo annuale per km di
galleria, nominalmente EPCI (Electric Power Consumption Index);
− per le prestazioni: un generico indice di prestazione luminosa per km2, nominalmente
LPI (Light Performance Index);.
Il piano cartesiano ottenibile per la visualizzazione dei risultati ottenibili da ES.T. è riportato in
Fig.1.
Fig. 1: Esempio di piano cartesiano (consumi, prestazioni)
Per gli indici EPCI e LPI, è sempre possibile introdurre i corrispondenti valori di riferimento che
sono, rispettivamente, EPCI* e LPI*. Tali grandezze corrispondono a consumi e prestazioni del
SIG di baseline ottenuti anche attraverso opportune simulazioni illuminotecniche. Il SIG di baseline
è il SIG che ha i consumi massimi accettabili per il tipo di strada su cui insiste la galleria ed ha le
2 Come descritto anche nelle sezioni seguenti del documento, E.S.T. prevede un elevato numero di indici sia per i consumi sia per le prestazioni. Nei casi studio, ad esempio, saranno usati IA ed IM, Indice di assorbimento di energia Attiva, Illuminazione Media.
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prestazioni minime accettabili per il tipo di sistema di illuminazione, in base alle risoluzione di
AEEGSI .
Per EPCI, è allora possibile quantificare il consumo di energia elettrica del SIG come differenza
tra EPCI e EPCI* (ΔEPCI). Se ΔEPCI è maggiore di zero, il consumo deve essere ridotto;
altrimenti, il consumo è accettabile. In modo analogo, il corrispondente indice della prestazione è la
differenza tra LPI e LPI* (ΔLPI). Se ΔLPI è minore di zero, la prestazione illuminotecnica deve
essere migliorata, altrimenti è accettabile.
La Fig.2 riporta il piano cartesiano definito dai due indici ΔEPCI ,ΔLPI
Fig.2: Piano cartesiano (consumi, prestazioni) definite in base agli indici ΔEPCI, ΔLPI
Le coordinate cartesiane di ciascun punto rappresentabile sul piano della Fig.2 sono il valore
di ΔEPCI per l'asse X e il valore di ΔLPI per l'asse Y.
Il piano cartesiano della Fig.2 è stato poi suddiviso in sei settori, le cui ampiezze dipendono
della caratteristiche della galleria; i valori limite degli indici per la suddivisione in settori del piano
sono stati derivati da norme internazionali, come quelle della Commission Internationale de
l'Eclairage (CIE), per le prestazioni, e dalle delibere dell'Autorità italiana per l'Energia Elettrica, il
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Gas e i Sistemi Idrici (AEEGSI), per i consumi. I valori degli indici di resa illuminotecnica sono stati
verificati attraverso un software di illuminotecnica free-share, il Dialux. La Fig.3 riporta la
suddivisione in settori del piano.
Fig. 3: Suddivisione in settori del piano definito da ΔEPCI, ΔLPI
In base al funzionamento del SIG analizzato si possono avere i seguenti casi, distinti in sei
settori:
1. Il punto cade nel primo settore: si hanno valori di illuminamento maggiori del limite
massimo ammissibile, accompagnati da assorbimenti di energia attiva minori del
riferimento. Questo caso descrive il funzionamento di una galleria illuminata in modo
eccessivo ma con consumi minori del baseline, una possibile causa è una errata
progettazione dell’impianto di illuminazione;
2. Il punto cade nel secondo settore: si hanno valori di illuminamento superiori al limite
massimo ammissibile, accompagnati da assorbimenti di energia attiva maggiori del
baseline. Questo descrive il funzionamento di una galleria illuminata in modo eccessivo e
con consumi superiori al riferimento, possibili cause sono una errata progettazione
dell’impianto di illuminazione (overdesign) od il malfunzionamento dei componenti del
sistema;
3. Il punto cade nel terzo settore: si hanno valori di illuminamento maggiori del baseline,
accompagnati da assorbimenti di energia attiva inferiori al riferimento. Questo caso
descrive il funzionamento di una galleria ben illuminata e con consumi minori del baseline
così da poter essere incentivata dalle autorità.
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4. Il punto cade nel quarto settore: si hanno valori di illuminamento superiori al baseline,
accompagnati da assorbimenti di energia attiva maggiori del baseline. Questo descrive il
funzionamento di una galleria ben illuminata ma con consumi superiori al riferimento, una
possibile causa è il malfunzionamento dei componenti del sistema. Si presta bene ad
essere ottimizzato nei consumi;
5. Il punto cade nel quinto settore: si hanno valori di illuminamento minori del baseline,
accompagnati da assorbimenti di energia attiva minori del riferimento. Questo caso
descrive il funzionamento di una galleria mal illuminata e con consumi minori del baseline,
possibili cause sono una errata progettazione dell’impianto di illuminazione, un
malfunzionamento dei componenti del sistema (es. malfunzionamento del sistema di
regolazione) oppure lo spegnimento di molte lampade;
6. Il punto cade nel sesto settore: si hanno valori di illuminamento minori del baseline,
accompagnati da assorbimenti di energia attiva maggiori del riferimento. Questo caso
descrive il funzionamento di una galleria mal illuminata e con consumi superiori al baseline,
possibili cause sono una errata progettazione dell’impianto di illuminazione o un
malfunzionamento dei componenti del sistema (es. malfunzionamento del sistema di
regolazione);
Dalle considerazioni appena condotte emerge che un SIG per funzionare in maniera
ottimale in termini di prestazioni e consumi deve trovarsi ad operare nel terzo settore del piano
predetto. In tale settore, infatti, i consumi sono minori del baseline e l’illuminamento è maggiore del
minimo ammissibile.
Lo stesso procedimento è utilizzato per la valutazione energetica delle gallerie a seguito
degli interventi di contenimento dei consumi energetici. Pertanto sugli stessi grafici è possibile
visualizzare lo stato degli indici prima dell’intervento e dopo l’intervento. Il metodo restituisce quindi
un feedback esaustivo sul raggiungimento degli obbiettivi dell’azione simulata. Successivamente,
agli indici di efficacia così determinati, si affiancano gli indici di analisi economica.
La Fig.4 riporta lo schema a blocchi del modello E.S.T.; la Fig. 5 il flow chart e la Fig. 6 i
principali dati di input al modello.
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Fig.4 : Schema a blocchi del modello E.S.T.
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Fig.5: Flow chart del modello E.S.T.
Inserimento dati geometrici della
galleria
Inserimento dati impianti
Calcolo ed elaborazione indici energetici e prestazionali
Calcolo ed elaborazione indici economici
Presentazione dei risultati
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Fig.6: Dati di input al modello E.S.T.
1.3 DEFINIZIONE DEL CASO DI BASELINE
Come detto nel paragrafo precedente, per la stima delle prestazioni e dei consumi di un
generico SIG è stato definito un SIG di riferimento, detto di baseline. Il SIG di baseline è quel
sistema di illuminazione di riferimento che, per l’assegnata strada su cui insiste la galleria in esame
e per assegnata distribuzione delle sorgenti di illuminazione della galleria in esame, fornisce le
prestazioni minime ed i consumi massimi accettabili. A tale SIG sono associati i due indici, di
prestazione e di consumo, ai quali riportare i corrispondenti indici del SIG in esame.
Con riferimento alle prestazioni, è possibile definire l’indice di Illuminamento medio di
baseline IMB; esso ha una duplice funzione.
Attraverso tale indice è possibile:
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-‐ in primo luogo, stimare la rispondenza del SIG in studio ai requisiti minimi di illuminamento
atti a garantire la sicurezza stradale, ovvero volti a garantire la possibilità da parte del
guidatore di distinguere, in tempi idonei, eventuali ostacoli sulla carreggiata così da poter
agire di conseguenza. Ciò vuol dire che, se l’illuminamento medio reale o progettuale è al di
sotto di questo limite inferiore, il SIG in esame va attenzionato, ovvero è necessaria una
revisione dell’impianto di illuminazione in quanto non è in grado di garantire i requisiti
minimi di luminanza richiesti nel galleria;
-‐ in secondo luogo, essendo costruito seguendo le specifiche riportate nella scheda tecnica
n. 28T, almeno relativamente all’illuminazione permanente, rappresenta quello standard
minimo di prestazione luminosa richiesta in galleria al fine di poter accedere alle
incentivazioni derivanti dal rilascio dei certificati bianchi (Titoli di Efficienza Energetica).
Quando ci si riferisce all’illuminamento medio si considera un parametro caratterizzante
l’intera estensione della galleria:
!!" =!! ∙ !! ∙ !!! ∙ !!"#
dove εB è l’efficienza luminosa dei dispositivi di baseline, FM è il fattore di manutenzione, L
rappresenta la lunghezza della galleria, lint rappresenta la larghezza della galleria, infine PB è la
potenza attiva di baseline annua in W, strettamente collegata ai consumi massimi accettabili, come
descritto in seguito.
Con riferimento ai consumi, si è utilizzata la scheda tecnica n. 28T. Essa è stata impiegata
per quantificare i risparmi energetici anche su gallerie poste su strade extraurbane secondarie,
determinando i valori di benchmark necessari alla caratterizzazione energetica ed illuminotecnica
delle gallerie. I valori di illuminamento infatti sono molto simili in regime notturno rispetto le
extraurbane principali, e poco inferiori in regime diurno, approssimazioni quindi a favore della
sicurezza. Inoltre è possibile inserire nel calcolo anche la quota parte dei circuiti di rinforzo,
considerando il reale rapporto esistente tra potenze di rinforzo e potenza permanente, così come
riportato nelle eventuali schede di censimento del gestore3.
In base alla scheda tecnica n. 28T, l’Energia Attiva di baseline annua EAB è pari a:
3 In assenza di informazioni di dettaglio, è possibile stimare il rapporto della potenza di rinforzo rispetto alla potenza dell’impianto permanente pari al valore di 1,4, così come derivato da una media condotta su un cospicuo numero di gallerie in esercizio.
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!!" = !!"# + !!"# ∙ 13 + !!"# ∙ 11 ∙ 365
Le potenze dell’illuminazione permanente che compaiono in questa relazione sono ottenute
consultando la scheda e adottando un numero di apparecchi illuminanti adattato alla lunghezza
della galleria in studio, ovvero estrapolato tramite proporzione. Per ottenere la potenza di baseline
quindi si considera un’illuminazione di rinforzo attiva solamente per 13 ore mentre la permanente
per l’intera giornata, a questo punto basta dividere EAB per il numero di ore annue, ovvero 8760.
1.4 LA SCHEDA TECNICA 28T DELL’AEEGSI L’Autorità per l’Energia Elettrica, il Gas e il Sistema Idrico (di seguito AEEGSI) ha
partecipato attivamente allo sviluppo di nuove procedure di quantificazione del risparmio di energia
primaria da utilizzarsi nel quadro degli adempimenti previsti dal meccanismo dei certificati bianchi.
In tema di promozione del risparmio energetico negli usi finali, l’AEEGSI ha previsto lo sviluppo di
“schede tecniche” contenenti metodologie semplificate per la quantificazione dei risparmi
energetici; l’utilizzo delle schede tecniche è funzionale al rilascio dei Titoli di Efficienza Energetica
(TEE, noti come Certificati Bianchi), che costituiscono lo strumento attraverso il quale i Distributori
obbligati di elettricità e di gas dimostrano di aver conseguito l’obbiettivo di efficienza energetica
loro assegnato per l’anno di riferimento.
Nel corso del 2010 si è attuato un riordino delle procedure riguardanti l’efficienza
nell’illuminazione pubblica tenendo conto delle caratteristiche delle nuove sorgenti luminose ad
elevata resa cromatica, le quali permettono, a discrezione del progettista, di adottare requisiti di
illuminamento ridotti rispetto a lampade di tipo tradizionale.
Tutto ciò ha portato, tramite la delibera dell’AEEGSI n.4 del 2011, all’emanazione della
scheda tecnica n.28T “Realizzazione di sistemi ad alta efficienza per l’illuminazione di gallerie
autostradali ed extraurbane principali” il cui scopo è quello di valutare la riduzione dei consumi
energetici conseguibile grazie alla realizzazione di sistemi ad alta efficienza per l’illuminazione di
gallerie stradali (basati ad esempio sull’utilizzo di sorgenti e corpi illuminanti di ultima generazione
e sull’adozione di ipotesi progettuali innovative, quale la riduzione dei requisiti illuminotecnici in
presenza di sorgenti luminose ad alta resa cromatica).
La scheda promuove interventi di contenimento dei consumi energetici nelle gallerie
attraverso interventi “semplici”, cioè azioni consolidate che non hanno bisogno di procedimenti
basati su misure o algoritmi di calcolo evoluti per quantificare i risparmi di energia consumata per
l’illuminazione (misurati in tonnellate equivalenti di petrolio, tep).
L’applicabilità del procedimento è sottoposto a vincoli, i quali assicurano una valutazione
uniforme e univoca. I vincoli posti sono:
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1. Strade di classe A e B, così definite nella classificazione contenuta nel Decreto
Ministero Infrastrutture e Trasporti n. 6792/01 “Norme funzionali e geometriche
tecniche per la costruzione delle strade” del 5 Novembre 2001. Quindi alle sole
gallerie asservite al traffico veicolare delle autostrade e delle strade extraurbane
principali.
2. Il risparmio contemplato nella presente proposta si applica al solo impianto di
illuminazione permanente.
3. Nel caso di gallerie già in esercizio i sistemi preesistenti devono essere basati su
sorgenti luminose a mercurio o a sodio ad alta pressione.
4. Le nuove lampade installate siano caratterizzate da un’efficienza minima
complessiva del sistema lampada più ottica e ausiliari almeno pari a 61 lm/W.
Le motivazioni che spingono al vincolo del punto 1 sono da attribuire al fatto che per la
restante parte delle gallerie stradali si applicherebbero dei criteri diversi per il calcolo, in quanto
sono diversi e variegati i requisiti illuminotecnici richiesti.
Le motivazioni che spingono al vincolo del punto 2 sono da attribuire al fatto che per
l’impianto di illuminazione di rinforzo le scelte tecnologiche possibili si ritengono più limitate e
comunque i risparmi sono più difficilmente quantificabili, in quanto dipendenti da altri fattori quali
l’orientamento della galleria e la sua locazione.
Le motivazioni che spingono invece al vincolo del punto 3 sono da attribuire a problemi di
addizionalità dei risparmi, cioè evitare che per una medesima galleria possano venire presentate
più richieste di verifica e certificazione a distanza di pochi anni una dall’altra, a seguito di eventuali
interventi di ulteriore ottimizzazione degli impianti luminosi.
Il vincolo del punto 4 nasce attraverso delle valutazioni condotte dall’Autority (AEEGSI) su
tutte le gallerie autostradali ed extraurbane principali presenti sul territorio nazionale. Nello
specifico il limite di 61 lm/W deriva da una media delle efficienze luminose delle lampade
attualmente installate in tali gallerie.
Il calcolo dei risparmi energetici è condotto a partire dai consumi di “baseline”. Sono, infatti,
incentivati tutti gli interventi che producono risparmi di energia elettrica attestanti consumi minori
dei baseline. Il Risparmio Specifico Lordo di energia primaria, RSL, [tep/km/anno] è espresso
come:
!"# = !! ∙ !!_ !"# − 365 ∙!!!! + !!!!
!
dove:
– fE = 0.187·10-3 tep/kWhe, è il fattore di conversione dell’energia elettrica in energia primaria
(ai sensi della deliberazione 28 Marzo 2008, EEN 3/08);
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– Ei_SAP, è il consumo annuo di energia elettrica per l’illuminazione permanente di 1 km di
galleria nei casi di riferimento (baseline) [kWh/km/anno];
– Pd, Pn sono rispettivamente le potenze diurna e notturna complessive (comprensive gli
ausiliari) degli apparecchi per l’illuminazione permanente estesa a tutta la galleria, misurate
nella fase di collaudo successiva all’intervento [kW];
– td, tn sono le ore giornaliere medie di funzionamento diurno e notturno dell’impianto
permanente [h/giorno];
– L è la lunghezza della galleria [km] come risultante dal collaudo.
Il consumo annuo di energia elettrica di riferimento (baseline) è calcolato secondo la
classificazione contenuta nel D.M. 6792/01: galleria con singola fila di apparecchi, galleria con
doppia fila di apparecchi, galleria con tre file di apparecchi. Le principali caratteristiche adottate nei
casi baseline sono le seguenti:
-‐ la composizione e le caratteristiche geometriche e funzionali delle varie parti della sede
stradale in galleria (es. carreggiata, banchine, corsie di emergenza) e l’altezza delle gallerie
stesse sono regolate secondo quanto previsto dal DM 6792/01;
-‐ senso di marcia: semplice (unica direzione);
-‐ luminanza iniziale del tratto di soglia: indifferente;
-‐ altezza pareti imbiancate 3,0 m;
-‐ orientamento della galleria: indifferente;
-‐ il calcolo prescinde dalla forma e dalla sezione della galleria;
-‐ l’illuminazione con file di lampade poste lateralmente viene assimilata ai fini del calcolo dei
casi di riferimento a quella con lampade poste in linea sopra la carreggiata;
-‐ le caratteristiche dell’impianto illuminotecnico della zona interna (potenza delle lampade,
interdistanza etc.) rimangono invariate in tutto il circuito di illuminazione permanente, cioè
per tutta la lunghezza della galleria;
-‐ potenza nominale delle lampade SAP pari a 100 W con prelievi ausiliari di 14 W;
-‐ in regime notturno si assume una potenza nominale ridotta pari a 59 W con prelievi ausiliari
invariati rispetto all’esercizio diurno;
-‐ durata media delle ore di illuminazione in regime notturno pari a 11 ore/giorno;
-‐ durata media delle ore di illuminazione in regime diurno pari a 13 ore/giorno;
-‐ durata di esercizio pari a 365 giorni/anno;
-‐ luminanza del tratto interno “Li” in regime diurno pari a 3 cd/m2;
-‐ luminanza del tratto interno “Li” in regime notturno pari a 1 cd/m2.
Attraverso le caratteristiche predette si ottengono i valori di consumo di energia annua
Ei_SAP (parametrizzati per numero di file di apparecchi) riportati in tabella Tab. 1.
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Tab. 1 - Ei_SAP per galleria con singola, doppia e tripla fila di apparecchi
La scheda tecnica così definita si presta bene per valutare i risparmi conseguibili a seguito
degli interventi su due fronti. Infatti avendo un riferimento sui consumi attesi, funzione delle
tecnologie attualmente presenti sul mercato, è possibile intervenire sui consumi della galleria
avendo come obbiettivo RSL = 0, oppure RSL > 0. La differenza tra i due casi sta nell’incentivo:
-‐ con RSL = 0 non è possibile richiedere i TEE ma gli interventi effettuati hanno comunque
ottimizzato i consumi ed eguagliato quelli di baseline;
-‐ con RSL > 0 c’è possibilità di richiedere i TEE in quanto gli interventi intrapresi hanno
conseguito dei risparmi maggiori dei baseline.
Tuttavia esistono delle soglie minime da soddisfare per accedere ai TEE, in particolare
l’AEEGSI ha introdotto i seguenti indici per definire una soglia minima di risparmi incentivabili:
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-‐ RNc = Risparmio netto contestuale conseguito nel corso della vita utile dell’impianto,
misurato in [tep/anno].
!"# = ! ∙ !"# ∙ !
dove:
a = Coefficiente di addizionalità, percentuale intero positivo minore o uguale al 100%, pari
al rapporto tra il valore del risparmio netto e il valore del risparmio lordo, specificato dalla
delibera EEN 9/11 a seconda delle applicazioni.
-‐ RNa = Risparmio netto conseguito dal termine della vita utile al termine della vita tecnica
dell’intervento stesso, misurata in [tep/anno].
!"# = (! − 1) ∙ !"#
dove:
τ, specificato dalla delibera EEN 9/11 a seconda dell’intervento, è il coefficiente di durabilità
intervento e valuta il decadimento annuo dei risparmi.
-‐ RNI = Risparmio netto integrale, è il risparmio netto che si stima venga conseguito
nell’arco della vita tecnica di un intervento applicando il tasso di decadimento annuo
dei risparmi, misurato in [tep/anno].
!"# = !"# + !"# = !"# ∙ ! ∙ ! ∙ !
La quota minima per ricevere i TEE è calcolata sul RNI ed è fissata dall’Autority a 20
tep/anno.
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Si riporta per completezza il documento originale della scheda tecnica n.28
precedentemente citata.
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Pag. 24
2 INDICI PRESTAZIONALI DEI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA
Nello studio del comportamento energetico di un qualsiasi sistema, è di fondamentale
importanza definire e analizzare indici che ne descrivono il funzionamento. Tali indicatori devono
essere riferiti a parametri comuni della classe di sistemi che si vuole analizzare. Infatti, nell’ambito
dell’ottimizzazione dei consumi, si procede spesso al confronto dei consumi riguardanti l’impianto
esaminato con i consumi di baseline, cioè con consumi di un impianto simile di riferimento (il
Benchmark), derivante da statistiche e studi approfonditi nel settore. Emerge di conseguenza la
necessità di rendere confrontabili impianti che, seppur accumunati dalla stessa mission4,
differiscono nelle modalità operative. Gli indicatori prestazionali rappresentano quindi lo strumento
che unisce i sistemi energetici accumunati dalla stessa mission, rendendoli confrontabili e pronti
per essere adeguatamente ottimizzati nelle prestazioni illuminotecniche e nei consumi energetici.
Negli impianti d’illuminazione delle gallerie stradali gli indici prestazionali si dividono in due
tipologie ben distinte; illuminotecnica ed elettrica. I primi possono essere catalogati anche come
parametri, poiché forniscono una parametrizzazione delle caratteristiche illuminotecniche
dell’impianto. Sono quindi, nel caso in esame, valori di output. I secondi invece sono dei veri e
propri indici che forniscono informazioni sui consumi del sistema. Dualmente alla categoria
precedente sono quindi valori di input. La funzione di trasferimento che lega i valori in input ai
valori in output dipende da molti fattori, ed è proprio su questi che si andrà ad agire, facendo
attenzione a non penalizzare i parametri illuminotecnici oltre i dettami delle norme.
2.1 INDICI ILLUMINOTECNICI
La caratterizzazione delle proprietà illuminotecniche di un impianto e dei dispositivi
illuminati utilizzati può essere condotta utilizzando diversi indicatori. Nel seguito sono richiamati e
definiti quelli maggiormente acclarati.
• Illuminamento medio “IM”: Parametro caratterizzante l’intera estensione della galleria,
calcolato come media dei valori di illuminamento puntuali. L’illuminamento medio in
assenza di misure reali sull’impianto o simulazioni software, può essere valutato dai dati
4 La mission di un impianto o più in generale di un sistema è rappresentata da quell’insieme di obiettivi che devono essere raggiunti attraverso la progettazione, realizzazione, e manutenzione del sistema stesso.
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Pag. 25
disponibili al fine di avere un riscontro veloce (anche se poco accurato) della situazione
illuminotecnica. In particolare si definiscono i seguenti indici di illuminamento:
• Illuminamento medio da baseline “IMB” in lm/m2: Indica il valore medio
dell’illuminamento di riferimento AEEGSI lungo l’intera galleria.
!!" =!! ∗ !! ∗ !!! ∗ !!"#
Dove:
PB: Potenza Attiva di baseline in W, deriva dai dati sui consumi di riferimento
specificati dall'AEEGSI sulla scheda tecnica n. 28T comprensivi di rinforzo;
εB: Efficienza luminosa dei dispositivi di baseline, (110 lm/W);
FM: Fattore di manutenzione.
• Illuminamento medio da Progetto “IMP” in lm/m2: Indica il valore medio
dell’illuminamento di progetto lungo l’intera galleria.
!!" =!! ∗ !! ∗ !!! ∗ !!"#
Dove:
PP: Potenza Attiva di Progetto in W;
εP: Efficienza luminosa dei dispositivi utilizzati;
FM: Fattore di manutenzione.
• Illuminamento medio Reale “IMR” in lm/m2: Indica il valore medio dell’illuminamento
reale lungo l’intera galleria.
!!" =!! ∗ !! ∗!! ∗ !! ∗ !!
! ∗ !!"#
Dove:
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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PP: Potenza Attiva di Progetto in W5;
εP: Efficienza luminosa dei dispositivi utilizzati;
“MR”: Rappresenta il rapporto tra l'energia attiva media annua realmente consumata
e l'energia di progetto5 ( si veda par. 3.2)
FM: Fattore di manutenzione;
FD: Fattore di decadimento del flusso luminoso, calcolato come regressione lineare
di:
!! = −2 ∗ 10!! ∗ !" + 1
Con “Ai” pari agli anni di funzionamento delle lampade.
• Indice illuminotecnico Reale/baseline “Kr”: Esprime il rapporto tra l’illuminamento reale nella
galleria e l’illuminamento di riferimento baseline.
!! =!!"!!"
Valori minori di 0,9 indicano l’insufficienza dell’illuminazione rispetto i dettami delle
normative. Valori compresi tra 0,9 e 1,2 un buon illuminamento, conforme alle normative.
Valori maggiori di 1,2 indicano un sovradimensionamento dell’impianto.
• Indice illuminotecnico Progettuale/baseline “Kp”: Esprime il rapporto tra l’illuminamento
nominale della galleria e l’illuminamento di riferimento baseline.
!! =!!"!!"
• Luminanze “L” delle sezioni della galleria: rapporto tra l’intensità luminosa emessa, riflessa
o trasmessa dalla sorgente primaria o secondaria nella direzione assegnata e la superficie
apparente della sorgente che emette la luce [cd/m2], calcolato in ciascuna sezione della
galleria.
5 Nel documento si farà riferimento a dati e valori “di progetto”, intendendo dati e valori ricavati da schede di censimento, come le schede di accatastamento utilizzate da ANAS S.p.A.
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Pag. 27
• Temperatura di colore: Rappresenta la temperatura in °K alla quale deve essere portato un
corpo nero per produrre una radiazione luminosa uguale a quella della lampada
considerata. Determina il colore emanato dal corpo luminoso, quindi il colore complessivo
dell’illuminamento in galleria. Si distingue così tra tonalità calde (luce gialla e temperatura
minore di 3800°K), tonalità neutre (luce bianca e temperatura compresa tra 3800°K e
5000°K), tonalità fredde (luce azzurra e temperatura maggiore di 5000°K). Le normative
non specificano valori da realizzare in galleria.
• Resa cromatica “Ra”: Quantifica attraverso una scala da 0 a 100, la capacità di una
sorgente luminosa di rendere fedelmente i colori. Il riferimento stabilito è la lampada a
incandescenza (Ra=100). Si avrà all’interno della galleria un indice di resa cromatica
complessivo dato dall’interazione dei corpi illuminati utilizzati. Valori compresi tra 90 e 100
indicano un’ottima resa cromatica, tra 89 e 70 buona, tra 69 e 40 sufficiente, minore di 40
scarsa. Anche in questo caso le norme non prescrivono valori minimi da realizzare.
• Flusso luminoso “φ”: Si riferisce al singolo apparecchio luminoso e ne indica la quantità di
energia luminosa emessa nell’unità di tempo. Si misura in lm e comprende solo il campo
delle radiazioni luminose visibili (380nm<λ<780nm). È un indice che determina i valori di
illuminamento in galleria.
• Efficienza luminosa “ε”: Espressa in lm/W indica il reale rendimento della sorgente
luminosa.
• Durata di vita media: Teoricamente è definita come il numero di ore di funzionamento dopo
il quale il 50% delle lampade rappresentative di un campione si spegne. Si misura in h e
dipende dagli stress meccanici, chimici ed elettrici cui sono sottoposte le lampade.
• Tempo di accensione/riaccensione: Indica il tempo necessario all’accensione della
lampada partendo da “fredda” o da “calda”, cioè accesa dopo un numero di ore di
spegnimento tale che la lampada può considerarsi fredda o accesa dopo pochi minuti da
uno spegnimento.
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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3 INDICI ENERGETICI DEI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA
Descrivono il funzionamento del sistema in relazione agli assorbimenti di energia elettrica,
sia attiva che reattiva. Possono essere suddivisi in due categorie, indici elettrici riferiti
all’estensione totale della galleria (globali) e indici riferiti all’unità di lunghezza (UFR6). I primi sono
utili per analizzare lo stato di funzionamento attuale del sistema, mentre i secondi sono utili per
confrontare le gallerie tra loro.
3.2 INDICI ELETTRICI GLOBALI
• Indice di funzionamento ai valori di progetto “MR”: Rappresenta il rapporto tra l'energia
attiva media annua realmente consumata “Earm” e l'energia di progetto(5) che dovrebbe
consumare “Eap”.
!! =!"#$[!"ℎ/!""#]!"#[!"ℎ/!""#]
Valori di MR minori o maggiori di uno, indicano che l’impianto consuma meno o più energia
attiva di quanta dovrebbe consumare se tutte le sue parti funzionassero ai valori progettuali.
Possibili cause possono essere lo spegnimento progressivo dei corpi illuminanti o il
malfunzionamento dei sistemi di regolazione. Tale indice può anche essere visto come un valore
proporzionale al grado di manutenzione reale dell’impianto.
Il valore di Earm in kWh/anno, cioè l’energia attiva reale media, deriva dalla media delle
energie attive annualmente consumate7, può essere preso come riferimento, cioè come anno
medio.
Il valore di Eap, cioè dell’energia attiva progettuale, è il risultato dei calcoli condotti sulle
apparecchiature installate da progetto(5). Deriva quindi dalla potenza installata per il tempo di
funzionamento, che è determinata in base ai sistemi di controllo adoperati per il rinforzo e la parte
permanente. È calcolata secondo la relazione seguente:
6 UFR: Unità Fisica di Riferimento, si intende 1 km di galleria illuminato secondo quando stabilito dalla norma UNI 11095. 7 Se non si hanno a disposizione i consumi relativi a più anni si può utilizzare l’energia attiva realmente consumata in un anno “Ear”.
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!!" = 365 ∗ (!! ∗ !! + !! ∗ !!)
Dove:
Pp: potenza in kW installata dell’impianto permanente,
Pr: potenza in kW installata dell’impianto di rinforzo8,
tp: tempo espresso in ore in cui l’impianto permanente è in funzionamento nell’arco delle
24h.
tr: tempo espresso in ore in cui l’impianto di rinforzo è in funzionamento nell’arco delle 24h.
• Indice reale assorbimento En. Reattiva "Ir": Rappresenta il rapporto tra l'energia reattiva reale annua “Err” e l'energia attiva reale annua “Ear” dello stesso anno.
!! =!""[!"#$ℎ/!""#]!"#[!"ℎ/!""#]
Tale indice è importante per controllare l’assorbimento di energia reattiva, quindi per
analizzare eventuali anomalie di funzionamento e controllare lo stato del rifasamento se presente o
diversamente valutarne l’installazione.
I parametri Err, Ear devono essere reperiti dalle fatturazioni o da una campagna di
acquisizione dati.
Al fine di avere un fattore di potenza ottimale per il funzionamento del sistema, Ir deve
essere compreso tra 0 e 0.5, valori maggiori di 0.5, cioè Err maggiore del 50% di Ear, implicano un
cos(φ) minore di 0.9.
• Indice energia Attiva totale Ottimizzata “IAO”, rappresenta la percentuale di energia attiva realmente risparmiata per anno dopo gli interventi di Ottimizzazione (sostitutivi e non sostitutivi), è quindi un valore che può essere usato per confrontare l’efficacia degli interventi di ottimizzazione dei consumi rispetto le condizioni di progetto.
8 Pp e Pr derivano dalla potenza attiva installata “Pi”, somma in kW di tutti gli apparecchi installati. Si riferisce quindi allo stato di progetto ed è la somma della potenza della lampada più la potenza degli ausiliari.
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Pag. 30
!"# = 1 −!!"!!"
∗ 100
Dove:
!!" è l’energia attiva totalmente consumata a valle degli interventi di ottimizzazione,
misurata in kWh/anno.
• Indice Energia Attiva da risparmiare per eguagliare i consumi di baseline “IAB”, rappresenta
la percentuale di energia attiva da risparmiare per anno dopo gli interventi di Ottimizzazione
(sostitutivi e non sostitutivi), al fine di eguagliare i consumi di baseline.
!"# = 1 −!!"!!"
∗ 100
Dove:
!!" è l’energia attiva totale consumata dalla baseline, misurata in kWh/anno e determinata
come segue;
!!" = 365 ∗ ((!! + !!"#) ∗ 13 + !! ∗ 11)
Con:
Prin, valore di potenza elettrica assorbita dagli apparecchi di rinforzo [kW];
Pd, Pn, valori di potenza elettrica (compresi gli ausiliari) assorbita rispettivamente in regime diurno e notturno dagli apparecchi per l’illuminazione permanente, misurati nella fase di collaudo successiva all’intervento [kW].
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3.3 INDICI ELETTRICI SPECIFICI
• Indice Potenza Attiva installata a Km "IPI": indica la potenza installata a chilometro [kW/Km], in fase di ottimizzazione dei consumi deve essere minimizzato senza compromettere i valori d’illuminamento interni alla galleria.
!"! =!"[!"]![!"]
• Indice energia Attiva annua consumata a Km "IAR": rappresenta l'energia attiva realmente
consumata per chilometro e per anno, è quindi un valore che può essere usato per
confrontare i consumi reali delle gallerie. L'unita di misura è kWh/anno*km.
!"# =!"#$[!"ℎ/!""#]
![!"]
• Indice energia Attiva Progettuale annua a Km "IAP": rappresenta l'energia attiva
annualmente consumata per chilometro dall'impianto nelle condizioni progettuali, è quindi
un valore che può essere usato per confrontare i progetti dei sistemi di illuminazione delle
gallerie. L'unita di misura è kWh/anno*km.
!"# =!"#[!"ℎ/!""#]
![!"]
• Energia Attiva totale di baseline per km “EB,k”: rappresenta l'energia attiva realmente
consumata per chilometro e per anno dal riferimento suggerito dalla scheda tecnica
AEEGSI n.28T, compresi i consumi dei rinforzi. L'unita di misura è kWh/anno*km.
!!,! =!!"!
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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INTERVENTI PER IL MIGLIORAMENTO DELLE PRESTAZIONI E LA RIDUZIONE DEI CONSUMI
Gli interventi implementabili sui sistemi d’illuminazione delle gallerie non hanno tutti gli
stessi risultati finali, essi dunque modificano in modo e quantità indici diversi. È possibile, infatti,
distinguere le azioni per il miglioramento delle prestazioni dell’impianto di illuminazione con le
azioni per l’ottimizzazione dello stesso. L’obiettivo comune è rappresentato dall’adeguamento dei
valori d’illuminamento interni alla galleria secondo quanto stabilito dalle normative. La differenza
tra i due procedimenti risiede nelle modifiche che si apportano ai consumi. Negli interventi di
miglioramento si ha infatti una tendenza a ripristinare i valori di assorbimento di energia, che nella
maggioranza dei casi sono scesi rispetto quelli di progetto a seguito di un’errata manutenzione
dell’impianto. Si ha quindi un aumento o adeguamento dei valori di illuminamento a fronte di un
aumento dei consumi di energia attiva e reattiva.
Negli interventi di ottimizzazione si cerca invece di aumentare o adeguare i valori di
illuminamento diminuendo i consumi di energia attiva e reattiva.
3.4 MIGLIORAMENTO INDICI ELETTRICI E ILLUMINOTECNICI
Il miglioramento delle condizioni operative delle gallerie avviene essenzialmente attraverso
interventi di manutenzione. Essa può essere del tipo ordinaria o straordinaria. I sistemi di
illuminazione richiederebbero una manutenzione programmata al fine di conservare le prestazioni
iniziali, tuttavia gli impianti interni alle gallerie sono doppiamente penalizzati sotto questo punto di
vista. Infatti, date le condizioni operative, cioè ambiente fortemente concentrato di smog e
sostanze che aggrediscono le ottiche degli apparecchi, portano ad un veloce decadimento delle
prestazioni. Resta inoltre difficile aumentare la frequenza della manutenzione, in accordo ai
requisiti di continuità di servizio degli impianti e della galleria. Le motivazioni esposte costringono a
implementare un coefficiente di manutenzione molto basso. Gli indici elettrici e illuminotecnici che
descrivono l’efficacia degli interventi di manutenzione sono:
ü Indice di funzionamento ai valori di progetto “MR”
ü Indice reale assorbimento En. Reattiva "Ir"
ü Illuminamento medio reale "IMR"
Gli interventi di manutenzione ordinaria, secondo le normative tecniche CEI attualmente in
vigore sono:
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Ø Pulizia delle ottiche degli apparecchi luminosi,
Ø Controllo e programmazione del corretto funzionamento dei sistemi di regolazione,
Ø Ripristino del colore delle pareti se chiare,
Ø Sostituzione della lampada non funzionante con una dello stesso tipo.
La pulizia delle ottiche degli apparecchi luminosi in prima analisi può sembrare poco
efficace come metodo di miglioramento delle condizioni operative del sistema. Tuttavia è
dimostrato dai gestori degli impianti stessi, che, in alcuni casi l’oscuramento del sistema di
convogliamento dei raggi luminosi provocava un’attenuazione del flusso luminoso di oltre il 40%.
Ne consegue un decadimento delle prestazioni in termini di efficienza luminosa e distorsione del
colore della luce stessa.
Il controllo e la programmazione del corretto funzionamento dei sistemi di regolazione è
essenziale in quanto rappresenta l’anello più debole dell’intero sistema. La maggior parte delle
gallerie presenti attualmente in Italia regolano l’illuminazione interna attraverso un timer
crepuscolare, cioè attivano e disattivano il rinforzo agli imbocchi attraverso un controllo del tempo
e della luce esterna su due livelli, giorno/notte. È necessario quindi verificare il funzionamento del
controllo al fine di evitare un continuo mantenimento dei rinforzi agli imbocchi anche durante la
notte, o nel caso inverso, lo spegnimento continuo anche durante le ore diurne. In termini di
consumi energetici, un malfunzionamento di questa tipologia di controllo può portare una
variazione energetica annuale dal ±30% al ±50%.
Il ripristino del colore delle pareti se chiare è l’intervento più comune e frequente che nelle
gallerie viene condotto. La particolarità dell’ambiente, caratterizzato da polveri sottili scure che
hanno un peso specifico maggiore dell’aria, determina un precoce oscuramento delle pareti, anche
maggiore rispetto gli apparecchi luminosi che si trovano sulla volta della stessa. L’intervento può
essere implementato attraverso l’utilizzo di solventi capaci di sciogliere le sostanze depositate sulle
pareti e sulla segnaletica stradale ivi inserita. Il risultato dell’intervento comporta un maggior
coefficiente di riflessione sulle pareti, quindi un’illuminazione migliore in galleria.
La sostituzione delle lampade non funzionanti con lampade dello stesso tipo è un intervento
di manutenzione che generalmente è classificato come ordinario, giacché non modifica le
caratteristiche funzionali del sistema. Tuttavia, nelle gallerie questo tipo di intervento richiede
modalità di svolgimento speciali, ad esempio la temporanea sospensione del traffico veicolare e
l’utilizzo di apposite attrezzature.
Degli interventi straordinari, secondo quanto stabilito dalle normative tecniche, fanno parte
tutte le azioni che necessitano di una sostituzione di una parte dell’impianto o della modifica del
progetto stesso, gli interventi possibili sono:
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Ø Sostituzione del sistema di regolazione non funzionante,
Ø Sostituzione di parti attive dell’impianto (cavi, trasformatori, interruttori ecc.).
Differentemente dall’intervento precedente, la sostituzione del sistema di regolazione non
funzionante è molto più semplice. Il controllo si trova nel quadro principale BT delle ripartenze linee
di alimentazione, la sostituzione quindi richiede la sola sospensione temporanea dell’impianto per
l’intero tempo di manutenzione.
La sostituzione di parti attive dell’impianto deve essere valutata a valle dello studio dei
problemi che occorrono sull’impianto. Generalmente i problemi più frequenti sono la perdita di
isolamento dei cavi, che provoca l’intervento dei sistemi di protezione, e l’eccessiva caduta di
potenziale a fine linea, dovuta al sottodimensionamento e invecchiamento dei conduttori.
3.5 OTTIMIZZAZIONE INDICI ELETTRICI E ILLUMINOTECNICI
L’ottimizzazione delle condizioni operative delle gallerie avviene essenzialmente attraverso
interventi sostitutivi e non sostitutivi. Gli indici elettrici che descrivono l’efficacia degli interventi di
ottimizzazione sono:
ü Indice energia Attiva totale Ottimizzata “IAO”,
ü Indice Potenza attiva Installata a Km "IPI",
ü Indice energia Attiva annua Realmente consumata a Km "IAR",
ü Indice reale assorbimento en. reattiva "Ir",
ü Illuminamento medio reale "IMR",
ü Indice illuminotecnico di funzionamento ai valori di baseline “Ki”.
Gli interventi non sostitutivi prevedono che l’ottimizzazione del sistema sia raggiunta
attraverso l’adozione di uno o più accorgimenti, aggiuntivi allo stato in cui si trova la galleria.
Si considerano non sostitutivi i seguenti provvedimenti:
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Ø Rifasamento,
Ø Installazione regolatori di flusso sul circuito permanente,
Ø Schiarimento pareti,
Ø Schiarimento asfalto.
Rifasamento
Il rifasamento consiste nel ridurre l’angolo di sfasamento “φ” tra la tensione e la corrente, si
definisce fattore di potenza il coseno dell’angolo φ. Il problema nei sistemi di illuminazione nasce
dall’utilizzo di apparecchi illuminanti che inglobano circuiti di accensione e mantenimento del livello
della corrente, poiché questi circuiti ausiliari composti essenzialmente da trasformatori e induttanze
comportano uno sfasamento in ritardo della corrente rispetto la tensione. Segue quindi un
assorbimento di energia reattiva proporzionale al fattore di potenza:
! = ! ∗ tan !
Tale consumo di energia reattiva deve essere limitata in quanto non produce lavoro utile in
uscita, ma rappresenta solo un’energia di scambio tra i componenti attivi del sistema. Inoltre sono
associate maggiori correnti circolanti, quindi cadute di tensione maggiori a parità di potenza attiva.
Le normative vigenti impongono determinati parametri da rispettare sul reattivo se la
potenza attiva impegnata è maggiore di 15kW, in particolare:
• Se Ir è minore di 0.5 l’energia reattiva assorbita non è pagata al gestore,
• Per la quota di consumo di energia reattiva compresa tra il 50% e il 75%
dell’energia attiva (0.5<Ir<0.75) è addebitato un costo stabilito dal gestore.
• Per la quota di consumo di energia reattiva superiore al 75% dell’energia attiva
(Ir>0.75) è addebitato un costo maggiore del precedente,
• È necessario il rifasamento se il cos(φ) medio mensile è minore di 0.7, il che
corrisponde ad avere Ir maggiore di 1.03.
Il rifasamento dell’impianto deve essere valutato se Ir è maggiore di 0,5 e MR è compreso
tra 0,9 e 1. Questo perché MR minore di 0,9 indica un funzionamento anomalo dell’impianto in
termini di energia attiva, dovuto essenzialmente allo spegnimento di molte lampade o
all’invecchiamento dei condensatori ausiliari degli apparecchi. Rifasare non rispettando la
condizione MR comporterebbe problemi di energia reattiva capacitiva assorbita al ripristino delle
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Pag. 36
lampade non funzionanti, o alla sostituzione degli apparecchi con ausiliari invecchiati. In sintesi, Ir
maggiore di 0,5 può dipendere dal funzionamento a vuoto dei circuiti ausiliari degli apparecchi, ed
è risolvibile non tramite rifasamento ma tramite la sostituzione delle lampade non funzionanti. Se
dopo aver analizzato Ir e MR come illustrato, emerga la necessità di rifasare, la scelta da operare
riguarda l’utilizzo di un sistema di rifasamento centralizzato a potenza modulata, distribuito o per
gruppi. La soluzione più idonea a questo tipo di impianti è il rifasamento per gruppi. Inserendo una
quantità idonea di potenza reattiva capacitiva in derivazione ai circuiti di alimentazione degli
apparecchi si riesce a rifasare opportunamente un carico variabile. Il calcolo della capacità della
batteria di condensatori va quindi calcolata come segue.
La potenza necessaria al rifasamento è espressa dalla seguente relazione9:
!! = !!(tan!! − tan!!)
Dove:
Px è la potenza attiva del gruppo di apparecchi che si vuole rifasare,
φ0 è l’angolo di sfasamento tensione-corrente iniziale, calcolato come arcos(cos(φ0)),
φR è l’angolo di sfasamento tensione-corrente voluto, calcolato come arcos(cos(φR)),10
Determinata la potenza necessaria per l’intervento su ogni gruppo, si procede al calcolo e
scelta della batteria di condensatori.
! =!!
2!"!! (!"# !"##$%&'$()" ! !"#$$%)
! =!!
6!"!! (!"# !"##$%&'$()" ! !"#$%&'(')
Dove V è il modulo della tensione concatenata.
9 Il dimensionamento del sistema di rifasamento può essere condotto sulle potenze e non sulle energie. 10 Si assume in genere un cos(φR)=0.9
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Pag. 37
La scelta quindi è condotta sulla base della tensione concatenata e della frequenza, in
particolare il collegamento a triangolo consente di utilizzare dispositivi con capacità minore (1/3)
dei corrispettivi inseriti a stella. In bassa tensione si preferisce l’inserimento a triangolo,
sostenendo costi di isolamento maggiori (le capacità sono sottoposte alla piena tensione
concatenata).
Installazione regolatori di flusso sul circuito permanente
Il sistema di illuminazione permanente viene in genere concepito per assicurare livelli di
luminanza costanti durante l’intero periodo di funzionamento della galleria. Le nuove normative, in
particolare l’UNI 11095, consente una diminuzione della luminanza notturna fino a 1cd/m2. Per
questo motivo, ai fini dell’ottimizzazione dei consumi, è particolarmente interessante l’adozione di
tecniche in grado di raggiungere l’obiettivo descritto. Un primo metodo è lo spegnimento
sistematico di alcuni apparecchi luminosi, un secondo è la regolazione del flusso luminoso
attraverso la regolazione della tensione su tutti gli apparecchi permanenti . Il metodo 2 risulta il più
efficace in quanto:
I. Differentemente al metodo 1 consente di installare corpi illuminanti con inter
distanza maggiore, potenza maggiore, quindi efficienza maggiore.
II. Contrazione dei costi di manutenzione: Un regolatore, stabilizzando la tensione,
consente di aumentare la durata delle lampade, fino a raddoppiarla.
III. Aumento confort visivo: Rispetto al metodo 1 si realizzano uniformità di
illuminamento migliori.
IV. Facilità di installazione: Il sistema di regolazione è integrato direttamente nel quadro
BT ed è in grado di pilotare apparecchi di illuminazione con reattore magnetico.
V. Versatilità della strategia di controllo: I regolatori di flusso sono predisposti per il
funzionamento da timer o per il funzionamento tramite sensori di illuminamento
(Metodo B, figura II.12 cap. 2). Inoltre consentono la supervisione e controllo da
remoto tramite protocollo TCP/IP.
Il regolatore di flusso luminoso è costituito da una sezione di controllo e una di potenza
come illustrato in Fig.7. I dispositivi elettronici di potenza utilizzati sono in genere IGBT. La
strategia di controllo della tensione di uscita che meglio si adatta allo scopo è stata brevettata da
Elettronica Reverberi S.r.l. ed è denominata A.W.I. (Adaptive Waveform Intersection), cioè la
sequenza di accensione e di spegnimento degli IGBT dipende dalla corrente del carico, dal suo
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Pag. 38
sfasamento, dal tipo di lampada e dal fattore di potenza a valle del regolatore. Con la tecnologia
A.W.I. si controlla il livello di uscita applicando lo spegnimento degli IGBT solo durante la fase
discendente della sinusoide positiva della tensione di alimentazione (e durante la fase ascendente
di quella negativa). In questo modo, al momento critico della riaccensione dell’arco, che avviene
nella fase ascendente della semionda positiva (e in quella discendente di quella negativa), è
sempre applicata alla lampada la tensione di rete, qualunque sia il livello di parzializzazione
richiesto al fine di assicurare il mantenimento dell’accensione. Inoltre la strategia di controllo
descritta consente l’utilizzo di batterie di rifasamento a valle del regolatore stesso. Condizione resa
possibile grazie all’introduzione di frequenze armoniche lontane dalla frequenza di risonanza.
Fig.7 : Schema di principio funzionamento regolatore.
I risparmi in termini di energia annualmente consumata rispetto all’assenza di regolazione,
in funzione del tipo di lampada e delle condizioni dell’impianto vanno dal 20 al 50%.
Schiarimento pareti
Un metodo che consente di aumentare i valori di illuminamento nelle gallerie, a parità di
potenza installata dei corpi illuminanti, è aumentare il coefficiente di riflessione delle superfici
interne. Le pareti delle gallerie secondo le norme vigenti devono avere una luminanza media
almeno pari al 60% della luminanza media della carreggiata. Tale specifica deve essere garantita
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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per un’altezza da terra non inferiore a 2m. Per facilitare la prescrizione è utile quindi utilizzare un
colore chiaro, in grado di riflettere maggiormente i raggi luminosi e garantire un maggior confort
all’utente che attraversa la struttura. In termini di potenza installata si risparmia dal 15% al 23%.
Schiarimento asfalto
I motivi che spingono ad analizzare lo schiarimento dell’asfalto, come possibile intervento
per l’ottimizzazione dei consumi, sono da individuare in ambito illuminotecnico. Infatti, il contrasto
di un oggetto in galleria percepito dall’occhio umano risulta maggiore in corrispondenza di un
manto stradale chiaro, in accordo all’aumento del coefficiente di riflessione dell’asfalto.
L’intervento si attua mescolando al bitume del manto stradale della graniglia bianca,
ottenuta attraverso un processo di cristallizzazione termica ( Fig. 8)
Di fatto l’intervento descritto non è adottato dai maggiori gestori delle gallerie Nazionali,
come ad esempio l’Anas, in quanto induce la fauna locale a transitare pericolosamente all’imbocco
della galleria, attratta dal colore e brillantezza dell’asfalto.
Fig. 8: Risultato del processo di cristallizzazione termica.
Si ottiene in media un aumento del coefficiente di riflessione del manto stradale del 3 %,
portandolo dal 7 % caratteristico dell’asfalto nero al 10 %. In questo modo si ottiene una miglior
caratteristica di uniformità di luminanza, e un notevole innalzamento della luminanza sul manto
stradale stimato di circa il 40 %. Ne consegue una riduzione della potenza installata che va dal 22
al 25 %.
Gli interventi sostitutivi prevedono che l’ottimizzazione del sistema sia raggiunta attraverso
la sostituzione di uno o più componenti dell’impianto con tecnologie più avanzate ed efficienti.
Si considerano sostitutivi i seguenti provvedimenti:
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Ø Sostituzione apparecchi illuminanti con tipologie simili a efficienza maggiore,
Ø Sostituzione timer crepuscolari del sistema di rinforzo con regolatori di flusso,
Ø Realizzazione ex novo dell’impianto con criteri innovativi.
Sostituzione apparecchi illuminanti con tipologie simili a efficienza maggiore
L’intervento sostitutivo più semplice, che assicura risultati soddisfacenti, è la sostituzione
della tecnologia utilizzata negli apparecchi di illuminazione con tecnologie più recenti.
Tecnicamente la sostituzione puntuale dei dispositivi è possibile se sono soddisfatti i requisiti di
illuminamento a valle dell’intervento. Il parametro da controllare è quindi il flusso luminoso dei
nuovi dispositivi, il quale a seconda dei valori di illuminamento precedenti all’intervento, potrà
essere uguale, maggiore o minore del precedente. La potenza assorbita dal nuovo sistema
lampada/ausiliari dovrà invece essere minore della precedente, al fine di assicurare un’efficienza
maggiore dell’apparecchio luminoso.
La tabella 2 illustra le efficienze delle tecnologie utilizzate nel passato e alcune utilizzabili.
Le lampade ai vapori di mercurio sono state vietate da direttive Europee al fine di limitare la
contaminazione ambientale dovuta al mercurio presente nelle lampade.
Tab. 2 - Confronto efficienze luminose delle lampade.
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km] Indice illuminotecnico Progenuale/Baseline "Kp"
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Fig. 18 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (Regolatori di
flusso)
Quanto affermato è confermato dal diagramma consumi-prestazioni, in Fig. 19, in cui si
apprezza come il punto di funzionamento del sistema è collocato in un settore diverso da quello di
buon funzionamento, nello specifico nella zona a valori di illuminamento non soddisfacenti e
consumi energetici superiori al baseline.
Fig. 19 – Diagramma consumi – prestazioni (Regolatori di flusso).
0
10
20
30
40
50
60
70
1
62
24
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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4.2.2.3 Intervento SAP-LED Sostituendo le vecchie lampade SAP ed efficienza bassa con lampade LED di nuova
generazione, si cerca di eguagliare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento,
quindi avvicinare KP all’unità. Si evidenzierà come i valori di potenza installata necessari
all’illuminamento della galleria risultano più bassi, consentendo il raggiungimento del risparmio
energetico prefissato.
Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli
apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 6 riassume in dettaglio le modifiche
apportate.
Tab. 6 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-LED)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente)
Potenza corpi illuminanti
(Permanente)
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo)
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo) Modello Numero Modello Numero
LED 190 55 W LED 300 150 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati nel grafico di Fig.
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km] Indice illuminotecnico Progenuale/Baseline "Kp"
0
10
20
30
40
1
39
31
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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collocato in un settore diverso da quello di buon funzionamento, nello specifico nella zona a valori
di illuminamento eccessivi e consumi energetici superiori al baseline.
Fig. 37 – Diagramma consumi – prestazioni (Regolatori di flusso).
4.3.2.3 Intervento SAP-LED Sostituendo le vecchie lampade SAP ed efficienza bassa con lampade LED di nuova
generazione, si cerca di eguagliare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento,
quindi avvicinare KP all’unità. Si evidenzierà come i valori di potenza istallata necessari
all’illuminamento della galleria risultano più bassi, consentendo il raggiungimento del risparmio
energetico prefissato.
Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli
apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 11 riassume in dettaglio le
modifiche apportate.
Tab. 11 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-LED)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente)
Potenza corpi illuminanti
(Permanente)
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo)
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo) Modello Numero Modello Numero
LED 166 55 W LED 220 150 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati nel grafico di Fig.
38.
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km] Indice illuminotecnico Progenuale/Baseline "Kp"
0
10
20
30
40
50
60
70
1
39
66 Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km] Indice illuminotecnico Progenuale/Baseline "Kp"
0
10
20
30
40
50
1
40 48 Indice En. Amva
totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
È possibile notare che la soluzione LED è quella che consente un risparmio energetico
maggiore richiedendo, però, un investimento iniziale molto importante, tant’è che il recupero dello
stesso avviene circa in quattordici anni. Per quanto riguarda le soluzioni SAP New e SAP New +
Regolatori il tempo di ritorno dell’investimento è circa lo stesso ma la seconda delle due consente
un risparmio energetico ed un RNA maggiori di circa un 33%. La soluzione con i soli regolatori
presenta un investimento abbastanza ridotto con un conseguente tempo di ritorno molto breve ma
non comporta risparmi energetici compatibili con il baseline.
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Se la scelta dell’investimento migliore è condotta sulla base dell’RNA, la figura precedente
suggerisce l’implementazione dell’intervento SAP New + Regolatori o SAP-SAP New. Laddove,
invece, si adotti il criterio di un Pay-back Period minore di tre anni, la scelta ricade sull’intervento
denominato “Regolatori”, come evidenziato in Fig. 62, mentre l’investimento SAP-LED risulta il più
penalizzato.
Fig. 62 – Confronto degli investimenti e dei risparmi netti attualizzati per metro lineare
In ogni caso l’intervento SAP New + Regolatori comporta un ritorno in circa quattro anni
con un risparmio netto attualizzato molto maggiore delle altre soluzioni, di Fig. 63, ed in più, a
differenza dell’introduzione dei soli regolatori, consente la realizzazione di un impianto ottimale sia
in termini di consumo che prestazioni, come si nota nel diagramma di Fig. 64.
Costo invespmento
RNA in 20 anni 0
100
200
300
400
500
600
700
182
84
447
281
425 381
128
686
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Fig. 63 – Pay-back Period per i diversi investimenti per la galleria C
Fig. 64 – Diagramma consumi-prestazioni riepilogativo dei vari interventi per la galleria C
0,00
2,00
4,00
6,00
8,00
10,00
12,00
14,00
16,00
SAP New Regolatori LED SAP New + Regolatori
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5 RINGRAZIAMENTI
Gli autori ringraziano tutti i membri del Comitato Tecnico 4.1 per la interessanti discussioni che
sono state di supporto ed aiuto per le attività collegate a questo quaderno. Inoltre, gli autori
ringraziano i propri studenti che hanno dato un contributo all’elaborazione del documento.
6 BIBLIOGRAFIA
[1] AEEG, Delibera EEN 4/11, 5 Maggio 2011, http://www.autorita.energia.it/allegati/docs/11/004-11een.pdf.
[2] http://www.autorita.energia.it/allegati/ee/scheda_28.pdf [3] Standard UNI 11095, “Illuminazione delle gallerie stradali,” Novembre 2011. [4] CIE88:2004, “Guide for the Lighting of Road Tunnels and Underpasses,” ISBN 3 901 906
31 2. [5] Norma CEI 315-4, “Guida all’efficienza energetica degli impianti di illuminazione pubblica:
aspetti generali”, Marzo 2012. [6] Standard UNI EN 13201-3:2004, “Illuminazione stradale - Parte 3: Calcolo delle
prestazioni,” September 2004. [7] Standard UNI 11248:2012, “Illuminazione stradale - Selezione delle categorie
illuminotecniche,” October 2012. [8] F. Caporaso, E. Cesolini, S. Drusin, P. Varilone, P. Verde, Integrated Modelling and
Experimental Verification of Energy Consumption and Performance of the Lighting Systems, of Tunnels, Convegno AEIT, Settembre 2014, Trieste (IT).
[9] F. Caporaso, M. Montecuollo, P. Verde , P. Varilone, Actual Cases of Energy Savings and Performance Modeling of Tunnel Lighting Systems for Investment Decision Making, accettato per la pubblicazione sulla rivista “Routes/Roads.