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
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
ESPERTI
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
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
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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 2.1 Indici illuminotecnici .......................................................................................................................... 24 3 INDICI ENERGETICI DEI SISTEMI DI ILLUMINAZIONE IN GALLERIA ............................................................ 28 3.2 Indici elettrici globali ......................................................................................................................... 28 3.3 Indici elettrici specifici ....................................................................................................................... 31 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 4.2.2.3 Intervento SAP-‐LED .............................................................................................................. 52 4.2.2.4 Intervento SAP New + Regolatori ........................................................................................ 54 4.2.3 Confronto interventi ................................................................................................................... 56 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 4.3.2.3 Intervento SAP-‐LED .............................................................................................................. 65 4.3.2.4 Intervento SAP New + Regolatori ........................................................................................ 67 4.3.3 Confronto interventi ................................................................................................................... 70 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 4.4.2.3 Intervento SAP-‐LED .............................................................................................................. 78 Pag. 5
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
4.4.2.4 Intervento SAP New + Regolatori ........................................................................................ 80 4.4.3 Confronto interventi ................................................................................................................... 82 5 Ringraziamenti .......................................................................................................................................... 85 6 BIBLIOGRAFIA ........................................................................................................................................... 85
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1 IL PROBLEMA CONGIUNTO DI RISPARMIO MIGLIORAMENTO DELLE PRESTAZIONI
ENERGETICO
E
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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 Pag. 9
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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. Pag. 10
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig.4 : Schema a blocchi del modello E.S.T.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Inserimento dati geometrici della galleria
Inserimento dati impianti
Calcolo ed elaborazione indici energetici e prestazionali
Calcolo ed elaborazione indici economici
Presentazione dei risultati
Fig.5: Flow chart del modello E.S.T.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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:
Pag. 14
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
-‐
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
!!" =
!!"# + !!"# ∙ 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: Pag. 16
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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); Pag. 17
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
–
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. Pag. 18
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Tab. 1 - Ei_SAP per galleria con singola, doppia e tripla fila di apparecchi
Parametri comuni a tutti i casi Pd_SAP [W]
114
Pn_SAP [W]
73
td [h/giorno]
13
tn [h/giorno]
11 Regime diurno:
2
Luminanza del tratto interno [cd/m ]
3
Regime notturno: 1
Galleria con singola fila di apparecchi Interdistanza [m]
10
NSAP apparecchi per km
100
Ei_SAP [kWh/km/anno] RSL [tep/km/anno]
83.403 -3
0.187·10 · (83.403 - 365· (Pd·13+Pn·11) = 0
Galleria con doppia fila di apparecchi Interdistanza [m]
9
NSAP apparecchi per km
222
Ei_SAP [kWh/km/anno] RSL [tep/km/anno]
185.154 -3
0.187·10 · (185.154 - 365· (Pd·13+Pn·11) = 0
Galleria con tripla fila di apparecchi Interdistanza [m]
9
NSAP apparecchi per km
333
Ei_SAP [kWh/km/anno] RSL [tep/km/anno]
277.730 -3
0.187·10 · (277.730 - 365· (Pd·13+Pn·11) = 0
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: Pag. 19
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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.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Si
riporta
per
completezza
il
documento
precedentemente citata.
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originale
della
scheda
tecnica
n.28
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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:
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
•
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.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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”.
!! =
!"#$[!"ℎ/!""#] !"#[!"ℎ/!""#]
Valori di MR minori o maggiori di uno, indicano che l’impianto consuma meno o più energia
attiva di quanta dovrebbe consumare se tutte le sue parti funzionassero ai valori progettuali. Possibili cause possono essere lo spegnimento progressivo dei corpi illuminanti o il malfunzionamento dei sistemi di regolazione. Tale indice può anche essere visto come un valore proporzionale al grado di manutenzione reale dell’impianto. Il valore di Earm in kWh/anno, cioè l’energia attiva reale media, deriva dalla media delle energie attive annualmente consumate7, può essere preso come riferimento, cioè come anno medio. Il valore di Eap, cioè dell’energia attiva progettuale, è il risultato dei calcoli condotti sulle apparecchiature installate da progetto(5). Deriva quindi dalla potenza installata per il tempo di funzionamento, che è determinata in base ai sistemi di controllo adoperati per il rinforzo e la parte permanente. È calcolata secondo la relazione seguente: 6
UFR: Unità Fisica di Riferimento, si intende 1 km di galleria illuminato secondo quando stabilito dalla norma UNI 11095. 7 Se non si hanno a disposizione i consumi relativi a più anni si può utilizzare l’energia attiva realmente consumata in un anno “Ear”.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
!!" = 365 ∗ (!! ∗ !! + !! ∗ !! ) Dove: Pp: potenza in kW installata dell’impianto permanente, Pr: potenza in kW installata dell’impianto di rinforzo8, tp: tempo espresso in ore in cui l’impianto permanente è in funzionamento nell’arco delle 24h. tr: tempo espresso in ore in cui l’impianto di rinforzo è in funzionamento nell’arco delle 24h. •
Indice reale assorbimento En. Reattiva "Ir": Rappresenta il rapporto tra l'energia reattiva reale annua “Err” e l'energia attiva reale annua “Ear” dello stesso anno. !! =
!""[!"#$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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
!"# = 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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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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.
!!,! =
!!" !
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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: Pag. 32
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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: Pag. 33
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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: Pag. 34
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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 Pag. 35
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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!"! !
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Dove V è il modulo della tensione concatenata. 9
Il dimensionamento del sistema di rifasamento può essere condotto sulle potenze e non sulle energie. Si assume in genere un cos(φR)=0.9
10
Pag. 36
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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 Pag. 37
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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 Pag. 38
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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:
Pag. 39
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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.
Tecnologia Lampada
Efficienza [lm/W]
Incandescenza
16 ÷ 18
Vapori di mercurio alta pressione
40 ÷ 60
Sodio bassa pressione
130 ÷ 200
Sodio alta pressione
95 ÷ 120
Alogenuri metallici
65÷ 120
LED
100 ÷ 150
Dalla tabella 2 emerge che le Sodio bassa pressione sono le più efficienti, tuttavia il loro utilizzo è compromesso dalle pessime proprietà illuminotecniche, come ad esempio la temperatura di colore e la resa cromatica. La tecnologia più promettente è rappresentata dai LED, offrono infatti una buona efficienza e una buona resa cromatica, a scapito del coefficiente di abbagliamento. Secondo i casi si realizzano risparmi sull’energia attiva annualmente consumata che vanno dal 25 al 40%. Pag. 40
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Può inoltre essere valutata la possibilità di sostituire la sola lampada all’interno dell’apparecchio. Tuttavia l’intervento così realizzato è solo in apparenza semplice, in quanto anche un’azione di tale genere richiede la conformità dell’impianto rispetto a quanto previsto dalle normative UNI. Si aggiunga anche il fatto che la sostituzione molto probabilmente avviene su un apparecchio obsoleto, di cui non si conosce il comportamento fotometrico per poter fare delle verifiche illuminotecniche relative alla sostituzione, e dotato di un’efficienza sicuramente degradata dall’usura del riflettore in ambiente inquinato. Inoltre, sono di solito necessari importanti interventi anche a livello di ausiliari elettrici. Anche se la nuova attrezzatura non presenta un costo importante, richiede una consistente spesa a livello di istallazione: si opera infatti ad altezze di vari metri da terra e, oltre al costo della manodopera, si deve includere quello dell’attrezzatura per effettuare l’intervento. Nel caso in cui la lampada si trovi all’interno di un corpo illuminante ormai obsoleto, l’intervento viene a costare più dell’apparecchio stesso, senza considerare che si rischia di agire su un’apparecchiatura il cui rendimento è ormai minimo. Sostituzione timer crepuscolari del sistema di rinforzo con regolatori di flusso Le tecnologie utilizzate durante la realizzazione dei sistemi di illuminazione delle gallerie di molti anni fa, risultano oggi obsolete. Infatti, per assicurare la luminanza di ingresso era dimensionato l’impianto di rinforzo ai valori di massima luminanza esterna e comandato da un semplice timer crepuscolare in grado di accendere e spegnere tutti gli apparecchi di rinforzo. Tale metodo, oltre a non ottimizzare i consumi, non regola opportunamente i livelli di luminanza di ingresso in funzione della luminanza di velo, con ripercussioni sulla sicurezza stradale. Le aziende del settore offrono oggi diversi dispositivi di regolazione e rilievo dei dati fotometrici esterni, come ad esempio la Reverberi Enetec, la quale ha sviluppato un sistema di regolazione dei circuiti di rinforzo costituiti da un regolatore di flusso luminoso (Fig.9) e una sonda della luminanza di velo (Fig.10).
Pag. 41
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig.9: Vista interna di un modulo regolatore di flusso luminoso Reverberi SEC STP.
Fig. 10:: Sonda Reverberi per la misurazione della luminanza di velo.
Il segnale in uscita dalla sonda Lv è elaborato opportunamente, il regolatore allora riceverà in ingresso un segnale proporzionale alla luminanza che bisogna garantire all’interno della galleria. Pag. 42
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
In conformità a questo segnale il flusso verrà ad esempio ridotto, diminuendo la tensione di alimentazione degli apparecchi luminosi fino al valore minimo, per poi passare all’esclusione progressiva dei circuiti. Si realizza in questo modo una variazione continua dal 100% al 50% del valore massimo della luminanza di ingresso. Inoltre, il modulo di controllo è in grado di supportare e gestire in modo completo due sonde, una interna ed una esterna, con elaborazione dei valori misurati e controllo del rapporto tra interno ed esterno della galleria, tramite una costante K impostabile dall’utente, per verificare l’influenza del decadimento del flusso luminoso e lo stato di pulizia degli apparecchi. L’utilizzo del regolatore di tensione comporta un ulteriore vantaggio relativo alla stabilizzazione della tensione, eventuali sovratensioni non interessano gli apparecchi luminosi garantendo così meno stress elettrici, quindi una durata di vita media maggiore. I risparmi in termini di energia annualmente consumata rispetto all’utilizzo di semplici timer crepuscolari, in funzione del tipo di lampada e delle condizioni dell’impianto vanno dal 20 al 50%. Realizzazione ex novo dell’impianto con criteri innovativi In alcuni casi, specialmente se le condizioni generali dell’impianto sono precarie, ad esempio
apparecchi
obsoleti,
armature
deteriorate,
linee
con
problemi
di
isolamento,
sottodimensionate o eccessive cadute di tensione, l’intervento migliore può essere il rifacimento ex novo dell’impianto con criteri innovativi. Infatti, sfruttando al meglio le opportunità offerte dalla tecnologia
e scegliendo un buon apparecchio illuminante con alto rendimento, ottimizzando i
parametri geometrici d’installazione, si può ricercare la configurazione d’impianto che comporta consumi minori, ottenendo così impianti altamente efficienti. Il rifacimento degli impianti comporta investimenti iniziali più alti, ma nella maggior parte dei casi i vantaggi ottenibili sono tali da ripagare la spesa in un tempo ragionevole. Per questa tipologia di interventi è molto difficile stimare la percentuale dell’energia annualmente ottimizzata, poiché dipende fortemente dallo stato dell’impianto e dalle caratteristiche che si vuole conferire al nuovo. Nella tabella 3 sono riepilogati gli interventi di ottimizzazione in funzione delle stime sui risparmi di potenza ed energia conseguibili:
Pag. 43
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Tab.3 - Efficacia stimata degli interventi di Ottimizzazione.
Intervento
Ottimizzazione
Rifasamento
Non generalizzabile
Installazione regolatori di flusso sul circuito permanente
20% < En. Att. Ottimizzata < 50%
Schiarimento pareti
15% < Pot. Att. Inst. Ottimizzata < 23%
Schiarimento asfalto
22% < Pot. Att. Inst. Ottimizzata < 25%
Sostituzione apparecchi illuminanti con tipologie simili a efficienza maggiore
25% < En. Att. Ottimizzata < 40%
Sostituzione timer crepuscolari del sistema di rinforzo con regolatori di flusso
20% < En. Att. Ottimizzata < 50%
Realizzazione ex novo dell’impianto con criteri innovativi
Non generalizzabile
11
I risparmi in termini di energia reattiva dipendono unicamente dai dispositivi utilizzati.
Pag. 44
11
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
4 CASI STUDIO In questa sezione si riporta lo studio effettuato su alcuni SIG in esercizio attraverso E.S.T. proponendo possibili azioni di ottimizzazione. I risultati fanno riferimento alle condizioni di esercizio esistenti nel periodo temporale dello studio (anni 2011 e 2012).
4.2 GALLERIA A La galleria stradale denominato “A” è situata in Campania lungo una strada extraurbana secondaria, di competenza di Anas S.p.A. (Compartimento della Campania). L’impianto di illuminazione è stato realizzato negli anni ‘80, si estende per tutta la lunghezza della galleria ed è interessato da un traffico giornaliero medio di circa 20000 veicoli. Gli impianti elettrici sono alimentati da una cabina di trasformazione MT/BT propria ed il sistema di illuminazione è costituito dai corpi illuminanti riportati nella tabella 4. Tab. 4 - Corpi illuminanti installati Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
130
433 W
SAP
70
170 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
200
433 W
Le ripartenze dal quadro BT che costituiscono la distribuzione interna alla galleria sono otto, e il sistema di controllo della luminanza è presente solo sull’impianto di rinforzo, il quale è costituito da tre crepuscolari tarabili che determinano tre livelli della luminanza di rinforzo. L’impianto è attualmente sprovvisto di sistemi di illuminazione di emergenza e sicurezza.
4.2.1 La condizione attuale Per la galleria in esame è stato possibile effettuare una analisi energetica relativa al solo anno 2011, Inseriti i valori di energia attiva e reattiva mensili nella tabella di inserimento dati, i risultati ottenuti sono nel grafico di Fig. 11. La Fig. 11 evidenzia che nell’anno considerato, l’impianto di illuminazione ha assorbito solo il 38% dell’energia nominale che avrebbe dovuto assorbire in base alla scheda di censimento, conseguentemente il valore di illuminamento medio reale IMR è stato pari a circa il 45% dell’illuminamento medio di baseline ricavato dalla scheda tecnica n. 28T AEEGSI. La riduzione di energia attiva ha inoltre provocato un innalzamento dell’indice Ir, che indica un assorbimento di energia reattiva del 123% rispetto l’energia attiva. Dal diagramma predetto emerge anche che l’energia attiva realmente assorbita è paragonabile all’energia di baseline EaB, tale considerazione risulta tanto esser corretta quanto fuorviante. Infatti, anche se i consumi si avvicinano al riferimento, i valori di illuminamento sono inferiori a quelli di baseline. Pag. 45
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1200
4,00
1008
3,50
1000
MWh/anno
3,00 800
2,50
600
2,00
385
382
400
1,50
0,78 0,38
200
1,00
0,44
0,50
0
Earm [kWh/anno] Eap [kWh/anno] EaB [kWh/anno] MR Ir Indice illuminotecnico Reale/Baseline "Kr"
0,00 0
1
2
3
4
5
6
7
Fig. 11 – Indici prestazionali energetici dell’attuale esercizio
Nel diagramma prestazionale IMR - IAR la galleria in studio si colloca in un settore esterno alla fascia di buon funzionamento, come mostrato in Fig. 12, confermando quanto detto in
IMR [lm/mq]
precedenza. 1100 Illuminamento KO Illuminamento KO 1000 Assorbimento KO Assorbimento OK 900 800 700 600 500 400 Max ammissibile 300 200 Illuminamento OK Illuminamento OK 100 Assorbimento OK Assorbimento KO 0 Illuminamento KO Illuminamento KO -‐100 Assorbimento KO Assorbimento O K -‐200 -‐300 -‐400 -‐500 -‐600 -‐700 -‐700 -‐550 -‐400 -‐250 -‐100 50 200 350 500 650 800 950 1100 1250 1400 IAR [MWh/anno*Km] Fig. 12 – Diagramma consumi-prestazioni dell’attuale esercizio
Dall’analisi effettuata si nota un divario energetico tra le condizioni nominali e quelle di riferimento
dovuto
essenzialmente
all’utilizzo
di
tecnologie
ormai
obsolete
ed
al
sovradimensionamento dell’impianto stesso. In particolare l’indice IAB, in Fig. 13, fornisce una stima dell’energia attiva da risparmiare al fine di uguagliare i consumi di baseline.
Pag. 46
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
62
70 60 50 40
IAB [%]
30 20 10 0 1
Fig. 13 – Energia attiva da risparmiare per uguagliare i consumi di baseline
4.2.2 Interventi per l’ottimizzazione Con tale tipologia di interventi si cerca di avvicinare i consumi e le prestazioni al baseline, con l’obiettivo ultimo di contenere i consumi al di sotto del riferimento, nel soddisfacimento di prestazioni adeguate. Analizzando gli indici di impianto riferiti alla scheda di censimento, quali Eap, Pp, Erp, Qp e IMP si determinano gli interventi più consoni, nel caso in esame le proposte sono le seguenti: -‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza, nel seguito SAP-SAP New;
-‐
Inserimento di regolatori di flusso luminoso sui circuiti permanenti e rinforzo, nel seguito Regolatori;
-‐
Sostituzione apparecchi SAP con apparecchi a tecnologia LED, nel seguito SAP-LED;
-‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza e introduzione di regolatori di flusso luminoso, nel seguito SAP New+Regolatori.
4.2.2.1 Intervento SAP-SAP New Sostituendo le vecchie lampade SAP ad efficienza bassa
con lampade SAP di nuova
generazione si cerca di avvicinare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento, ovvero avvicinare KP all’unità. Con questa sostituzione i valori di potenza installata necessari all’illuminamento in galleria risultano più bassi, consentendo il risparmio energetico auspicato. Inoltre, si considera la sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi, ormai logori e compromessi nel funzionamento degli ausiliari. Si precisa che i risultati ottenuti derivano dall’aver considerato le altre parti del sistema elettrico in buon funzionamento, quindi MR unitario. Cioè si assumeranno uguali gli indici di Pag. 47
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
esercizio reali con i rispettivi nominali. Tale assunzione risulta necessaria al fine garantire la reale valutazione dell’intervento, indipendentemente dallo stato attuale delle restanti parti dell’impianto. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 5 riassume in dettaglio le modifiche apportate. Tab. 5 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-SAP New)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
120
120 W
SAP
30
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
200
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig.14. Da tal figura emerge che l’energia attiva annua è molto simile all’energia di baseline, più nello specifico è leggermente superiore, mentre l’illuminamento progettuale è doppio rispetto a quello di baseline. È possibile asserire che l’obiettivo non è stato pienamente raggiunto.
396828 381651
1000000
4,00
kWh/anno , kWi
100000 10000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
3,00
EaB [kWh/anno]
2,50
2,19
1000
3,50
2,00
186,9 84,6
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 14 – Indici prestazionali post intervento (SAP-SAP New)
In Fig. 15 viene mostrato il risparmio energetico conseguito IAO a seguito dell’intervento, con il risparmio da conseguire per eguagliare il baseline. Si nota una leggera differenza che conferma quanto espresso in precedenza.
Pag. 48
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
62
70
61 Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
60 50 40
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
30 20 10 0 1
Fig. 15 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-SAP New)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig. 16, dove il punto di esercizio è leggermente esterno al settore di funzionamento ottimale.
Fig. 16 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-SAP New).
4.2.2.2 Intervento Regolatori di flusso L’intervento prevede l’installazione dei regolatori di flusso nei circuiti che alimentano gli apparecchi luminosi, lasciando inalterato il numero e le potenze installate dei corpi illuminanti. Le potenze installate determinano l’adozione di due regolatori da 40 kVA nell’impianto permanente e Pag. 49
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Si richiede inoltre l’integrità del sistema di distribuzione interno al tunnel e la verifica della caduta di tensione a fine linea, per evitare lo spegnimento non voluto delle ultime lampade in condizioni di deflussaggio. I regolatori incidono sulle ore equivalenti annue di funzionamento degli impianti, quindi il beneficio è implementato attraverso una diminuzione del 25 % delle ore di funzionamento che si avrebbero senza i regolatori12. I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati in Fig. 17. 756196 381651
1000000
4,00
kWh/anno , kWi
3,50
3,06
100000
3,00 10000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
2,50
1000
186,9
2,00
186,9
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 17 – Indici prestazionali post-intervento (Regolatori di flusso)
Dalla figura emerge che l’energia attiva annua rilevata dai dati censiti nella scheda non corrisponde al baseline, nello specifico è nettamente superiore; inoltre, anche l’indice illuminotecnico è maggiore di uno. Questo indica come l’obiettivo dell’intervento non è stato raggiunto. Quanto detto è confermato dalla Fig. 18, in cui si evidenzia come la differenza tra l’indice IAO e IAB non è stata colmata, ovvero non si sono eguagliati i consumi di baseline.
12
Questi dati sono valori medi ricavati da statistiche condotte dalle aziende produttrici dei regolatori di flusso.
Pag. 50
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
70
62
60
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
50 40 24
30
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
20 10 0 1
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).
Pag. 51
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
LED
190
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
LED
300
150 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati nel grafico di Fig. 20. 305067 381651
1000000
4,00
kWh/anno , kWi
100000 10000
3,50
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
3,00
EaB [kWh/anno]
2,50 1,95
1000
2,00
186,9 67,0
100
1,50 1,00
10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 20– Indici prestazionali post-intervento (SAP-LED)
Dal diagramma precedente emerge come l’energia attiva annua derivata dalla scheda di censimento risulta inferiore ai valori di baseline, mentre l’indice di illuminamento è circa pari a due. Questo consente di evidenziare come l’obiettivo dell’intervento risulta raggiunto parzialmente,
Pag. 52
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
tant’è che in Fig. 21 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline.
70
62
70
60 50 40
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%] Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
30 20 10 0 1
Fig. 21 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-LED)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riconoscibile dal grafico in Fig. 22, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Fig.22 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-LED)
Pag. 53
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
4.2.2.4 Intervento SAP New + Regolatori Con questo tipo di intervento si cerca di unire i benefici apportati sia dalla sostituzione di lampade SAP a bassa efficienza che dall’introduzione di regolatori del flusso luminoso. Sostituendo le vecchie lampade SAP con lampade SAP di nuova generazione si cerca di avvicinare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento, ovvero avvicinare KP all’unità. Con questa sostituzione i valori di potenza installata necessari all’illuminamento in galleria risultano più bassi, consentendo il risparmio energetico auspicato. Inoltre si considera la sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi, ormai logori e compromessi nel funzionamento degli ausiliari. Le potenze installate determinano l’adozione di due regolatori da 40kVA nell’impianto permanente e due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Si richiede inoltre l’integrità del sistema di distribuzione interno al tunnel e la verifica della caduta di tensione a fine linea, per evitare lo spegnimento non voluto delle ultime lampade in condizioni di deflussaggio. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 7 riassume in dettaglio le modifiche apportate. Tab. 7 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP New + Regolatori)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
120
120 W
SAP
30
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
200
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig. 23.
Pag. 54
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
297621 381651
1000000
4,00
kWh/anno , kWi
100000 10000
3,50
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
3,00
EaB [kWh/anno]
2,50
1000
186,9
2,00
1,65 84,6
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 23 – Indici prestazionali post-intervento (SAP New + Regolatori)
Osservando il diagramma precedente si nota come l’energia attiva annua progettuale è inferiore a quella di baseline, inoltre l’indice illuminotecnico assume valori abbastanza vicini all’unità. Tutto ciò permette di affermare che l’intervento proposto soddisfa l’obiettivo auspicato, tant’è che in Fig. 24 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline.
80 70
62
70
60 50 40
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%] Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
30 20 10 0 1
Fig. 24 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP New + Regolatori)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig.25, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Pag. 55
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig. 25 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP New + Regolatori)
4.2.3 Confronto interventi
La tabella 8 fornisce un riepilogo dei risultati conseguiti attraverso la realizzazione dei diversi interventi proposti in precedenza. Per l’analisi economica dell’intervento analizzato si procede utilizzando valori di costo di manutenzione e dei materiali derivati da dati forniti dal gestore, ove possibile; in alternativa sono stati derivati da informazioni reperibili pubblicamente, inoltre i costi ausiliari considerati comprendono tutte le parti che compongono l’impianto di illuminazione a partire dal quadro BT ad eccezione delle lampade. I risultati sono espressi in valore percentuale rispetto alla soluzione SAP-SAP New. Tab. 8 - Riepilogo risultati economici interventi proposti per A
Intervento SAP-SAP New Regolatori SAP-LED SAP New + Regolatori
Indice “IAB”
62
Indice “IAO” 61 24
Investimento 100%
RNA 100%
Pay-back period 100%
62
21% 179%
56% 65%
42% 220%
70
121%
124%
98%
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 Pag. 56
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
stesso avviene circa in sei anni e mezzo. 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 su 20 anni maggiori di circa un 19 %. 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. Il confronto degli indici per metro lineare è mostrato in Fig. 26.
1.473 1.163
1.500
637
1.000
500
527 534
299
363
64
RNA in 20 anni
0
Costo invespmento
Fig. 26 – Confronto degli investimenti e dei risparmi netti attualizzati per metro lineare
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. Se, invece, l’investimento migliore è determinato dal valore del Pay-back Period, con un vincolo di al più 3 anni, la scelta ricade sull’intervento denominato “Regolatori”, come evidenziato in Fig.27, mentre l’investimento SAP-LED risulta il più penalizzato. In ogni caso l’intervento SAP New + Regolatori comporta un ritorno in circa due anni e mezzo con un risparmio netto attualizzato molto maggiore delle altre soluzioni 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. 28.
Pag. 57
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 SAP New
Regolatori
LED
SAP New + Regolatori
Fig. 27 – Pay-back Period per i diversi investimenti per A Sinistra
Fig. 28 – Diagramma consumi-prestazioni riepilogativo dei vari interventi per A
4.3 GALLERIA B La galleria
denominata B è situata in Campania lungo una strada extraurbana di
competenza di Anas S.p.A. (compartimento della Campania). L’impianto di illuminazione è stato realizzato negli anni ‘90 e si estende per tutta la lunghezza della galleria. Gli impianti elettrici sono alimentati da una cabina di trasformazione MT/BT propria e trasformatore in resina da 250 kVA. Il sistema di illuminazione è costituito dai corpi illuminanti riportati nella tabella 9. Pag. 58
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Tab. 9 - Corpi illuminanti installati
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SBP
272
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
180
433 W
SAP
144
270 W
SAP
40
102 W
Le ripartenze dal quadro BT che costituiscono la distribuzione interna alla galleria sono venti, e il sistema di controllo della luminanza è presente solo sull’impianto di rinforzo, il quale è costituito da un crepuscolare che ne determina l’accensione diurna. L’impianto è attualmente sprovvisto di sistemi di illuminazione di emergenza e sicurezza.
4.3.1 La condizione attuale Per la galleria in esame è stato possibile effettuare una analisi energetica estesa su più anni. Dai dati di energia attiva e reattiva si ottengono i valori riportati nel grafico di Fig.29. Dalla Fig.29 emerge che nell’anno medio, l’impianto di illuminazione ha assorbito circa il 20% in più dell’energia che avrebbe dovuto assorbire in base ai dati della scheda di censimento, nonché il doppio rispetto ai valori di baseline. Il valore dell’illuminamento medio reale IMR è tre volte superiore al valore di baseline Si osserva quindi come tale sistema di illuminazione ben si presta ad essere adeguatamente ottimizzato nei consumi energetici superando presumibili condizioni di overdesign. Nel diagramma prestazionale IMR - IAR la galleria in studio si colloca in un settore esterno alla fascia di buon funzionamento in quanto risulta critico sia da un punto di vista prestazionale che nei consumi, come mostrato in Fig.30.
Pag. 59
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1000
4,00
863
900
3,50
800
705
2,83
3,00
MWh/anno
700 600
429
500 400
1,22
2,50
Eap [kWh/anno]
2,00
EaB [kWh/anno]
1,50
300
Earm [kWh/anno]
MR
1,00
200
0,50
100 0
Indice illuminotecnico Reale/Baseline "Kr"
0,00 0
1
2
3
4
5
6
7
IMR [lm/mq]
Fig. 29 – Indici prestazionali energetici dell’attuale esercizio
1100 Illuminamento KO Illuminamento KO 1000 Assorbimento OK Assorbimento KO 900 800 700 600 500 400 Max ammissibile 300 200 Illuminamento OK Illuminamento OK 100 Assorbimento OK Assorbimento KO 0 -‐100 Illuminamento KO Illuminamento KO Assorbimento OK Assorbimento KO -‐200 -‐300 -‐400 -‐500 -‐600 -‐700 -‐700 -‐560 -‐420 -‐280 -‐140 0 140 280 420 560 700 840 980 1120 1260 1400 IAR [MWh/anno*Km]
Fig. 30 – Diagramma consumi-prestazioni dell’attuale esercizio
L’indice IAB in Fig. 31 fornisce una stima dell’energia attiva da risparmiare al fine di uguagliare i consumi di baseline.
Pag. 60
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
39 40 35 30 25 20 15 10 5 0
IAB [%]
1 Fig. 31 – Energia attiva da risparmiare per uguagliare i consumi di baseline
4.3.2 Interventi per l’ottimizzazione Gli interventi considerati sono: -‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza (ε = 130 lm/W), nel seguito SAP-SAP New;
-‐
Inserimento di regolatori di flusso luminoso sui circuiti permanenti e rinforzo, nel seguito Regolatori;
-‐
Sostituzione apparecchi SAP con apparecchi a tecnologia LED, nel seguito SAP-LED;
-‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza e introduzione di regolatori di flusso luminoso, nel seguito SAP New+Regolatori.
4.3.2.1 Intervento SAP-SAP New Sostituendo le vecchie lampade SAP ad efficienza bassa con lampade SAP di nuova generazione si cerca di avvicinare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento, ovvero avvicinare KP all’unità. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 10 riassume in dettaglio le modifiche apportate.
Pag. 61
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Tab. 10 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-SAP New)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
166
114 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
182
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig.32. 398944 428666
1000000
4,00 3,50
100000
kWh/anno , kW/km
3,00 10000
146,1
100
2,00 73,2
1,50 1,00
10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
EaB [kWh/anno]
2,50
1,96 1000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
4
5
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km]
6
Fig.32 – Indici prestazionali post intervento (SAP-SAP New)
Dalla figura precedente emerge che l’energia attiva annua è molto simile all’energia di baseline, più nello specifico è leggermente inferiore, mentre l’illuminamento ricavato dalla scheda di censimento è doppio rispetto a quello di baseline. È possibile asserire che l’obiettivo è stato raggiunto, tant’è che in Fig.33 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline.
Pag. 62
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
45
39
43
40 35 30
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
25 20
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
15 10 5 0 1
Fig. 33 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-SAP New)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig. 34, dove il punto di esercizio è interno al settore di funzionamento ottimale.
Fig. 34 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-SAP New).
4.3.2.2 Intervento Regolatori di flusso L’intervento prevede l’installazione dei regolatori di flusso nei circuiti che alimentano gli apparecchi luminosi, lasciando inalterato il numero e le potenze installate dei corpi illuminanti. Le potenze installate determinano l’adozione di due regolatori da 40 kVA nell’impianto permanente e due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Si richiede inoltre l’integrità del sistema di Pag. 63
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
distribuzione interno al tunnel e la verifica della caduta di tensione a fine linea, per evitare lo spegnimento non voluto delle ultime lampade in condizioni di deflussaggio. I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati in Fig. 35. 528540 428666
1000000
4,00 3,50
100000 kWh/anno , kWi
3,00 10000
2,50
1,90
1000
146,1
2,00
146,1
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
5
6
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"
Fig. 35 – Indici prestazionali post-intervento (Regolatori di flusso)
Dalla figura emerge che l’energia attiva annua progettuale non corrisponde al baseline, nello specifico è leggermente superiore; inoltre, anche l’indice illuminotecnico è maggiore di uno. Questo indica come l’obiettivo dell’intervento non è stato pienamente raggiunto. Quanto detto è confermato dalla Fig. 36, in cui si evidenzia come la differenza tra l’indice IAO e IAB non è stata colmata, ovvero non si sono eguagliati i consumi di baseline.
39 40
31
30
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
20 Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
10 0 1
Fig. 36 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (Regolatori di flusso)
La conferma di quanto affermato con i grafici precedenti la si ha consultando il diagramma consumi-prestazioni, in Fig. 37, in cui si apprezza come il punto di funzionamento del sistema è Pag. 64
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
LED
166
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
LED
220
150 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati nel grafico di Fig. 38.
Pag. 65
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
236564 428666
1000000
2,00
1,60
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
1,40
EaB [kWh/anno]
1,80
kWh/anno , kWi
100000 1,34 10000
1,20 1000
1,00
146,1
0,80
45,3
100
0,60 0,40
10
0,20 1
0,00 0
1
2
3
4
5
6
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"
Fig. 38 – Indici prestazionali post-intervento (SAP-LED)
Dal diagramma precedente emerge come l’energia attiva annua ottenuta dai dati della scheda di censimento risulta inferiore ai valori di baseline, mentre l’indice di illuminamento è vicino all’unità. Questo consente di evidenziare come l’obiettivo dell’intervento risulta pienamente raggiunto, tant’è che in Fig. 39 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline.
66
70
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
60 50
39
40 30
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
20 10 0 1
Fig. 39 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-LED)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig.40, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Pag. 66
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig. 40 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-LED).
4.3.2.4 Intervento SAP New + Regolatori Con questo tipo di intervento si cerca di unire i benefici apportati sia dalla sostituzione di lampade SAP a bassa efficienza che dall’introduzione di regolatori del flusso luminoso. Sostituendo le vecchie lampade SAP con lampade SAP di nuova generazione si cerca di avvicinare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento, ovvero avvicinare KP all’unità. Con questa sostituzione i valori di potenza installata necessari all’illuminamento il galleria risultano più bassi, consentendo il risparmio energetico auspicato. Inoltre si considera la sostituzione di tutto l’apparecchio luminoso, ormai logori e compromessi nel funzionamento degli ausiliari. I regolatori, invece, incidono sulle ore equivalenti annue di funzionamento degli impianti, quindi il beneficio è implementato attraverso una diminuzione del 25% delle ore di funzionamento che si avrebbero senza i regolatori apprezzando una ulteriore riduzione dei consumi. Le potenze installate determinano l’adozione di due regolatori da 40kVA nell’impianto permanente e due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Si richiede inoltre l’integrità del sistema di distribuzione interno al tunnel e la verifica della caduta di tensione a fine linea, per evitare lo spegnimento non voluto delle ultime lampade in condizioni di deflussaggio. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 12 riassume in dettaglio le modifiche apportate.
Pag. 67
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Tab. 12 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP New + Regolatori)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
166
114 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
180
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig. 41. 297286 428666
1000000
2,00 1,80
kWh/anno , kWi
100000
1,46
1,60 1,40
10000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
1,20 1000
146,1
100
1,00 0,80
72,6
0,60 0,40
10
0,20 1
0,00 0
1
2
3
4
5
Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,VS" [kW/Km] Indice Potenza Amva installata a Km "IPI,NS" [kW/Km]
6
Fig.41 – Indici prestazionali post-intervento (SAP New + Regolatori)
Osservando il diagramma precedente si nota come l’energia attiva annua progettuale è inferiore a quella di baseline, inoltre l’indice illuminotecnico assume valori abbastanza vicini all’unità. Tutto ciò permette di affermare che l’intervento proposto soddisfa l’obiettivo auspicato, tant’è che in Fig.42 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline,
Pag. 68
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
58
60 50
39
40
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
30 20
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
10 0 1
Fig. 42 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP New + Regolatori)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig.43, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Fig. 43 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP New + Regolatori).
Pag. 69
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
4.3.3 Confronto interventi La tabella 13 fornisce un riepilogo dei risultati conseguiti attraverso la realizzazione dei diversi interventi proposti in precedenza. Per le voci di costo considerate, valgono le stesse considerazioni fatte per la galleria A. Tab. 13 - Riepilogo risultati economici interventi proposti per la galleria B
Intervento
Indice “IAB”
Indice “IAO”
Investimento
RNA
Pay-back period
39
43 31 66 58
100% 37% 243% 137%
100% 63% 86% 139%
100% 62% 228% 99%
SAP-SAP New Regolatori SAP-LED SAP New + Regolatori
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 sei anni e mezzo. 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 27%. 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. Il confronto degli indici per metro lineare è mostrato in Fig.44.
1.000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
915 632 373
391 370
153 209
57
RNA in 20 anni Costo invespmento
Fig. 44 – Confronto degli investimenti e dei risparmi netti attualizzati per metro lineare
Pag. 70
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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. Se, invece, si adotta il criterio di un Pay-back Period, minore di tre anni, la scelta ricade sull’intervento denominato “Regolatori”, come evidenziato in Fig. 45, mentre l’investimento SAP-LED risulta il più penalizzato. In ogni caso l’intervento SAP New + Regolatori comporta un ritorno in circa due anni e mezzo con un risparmio netto attualizzato molto maggiore delle altre soluzioni 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. 46. 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 SAP New
Regolatori
LED
SAP New + Regolatori
Fig. 45– Pay-back Period per i diversi investimenti per la galleria B
Fig. 46 – Diagramma consumi-prestazioni riepilogativo dei vari interventi per la galleria B
Pag. 71
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
4.4 GALLERIA C La galleria
denominata C è situato in Campania lungo una strada extraurbana di
competenza di Anas S.p.A. (Compartimento della Campania). L’impianto di illuminazione è stato realizzato negli anni novanta e si estende per tutta la lunghezza della galleria Gli impianti elettrici sono alimentati da una cabina di trasformazione MT/BT propria e trasformatore in resina da 250 kVA. Il sistema di illuminazione è costituito dai corpi illuminanti riportati nella tabella 14. Tab. 14 - Corpi illuminanti installati
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SBP
140
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
88
433 W
SAP
72
270 W
SAP
20
102 W
Le ripartenze dal quadro BT che costituiscono la distribuzione interna alla galleria sono otto, e il sistema di controllo della luminanza è presente solo sull’impianto di rinforzo, il quale è costituito da un crepuscolare che ne determina l’accensione diurna. L’impianto è attualmente sprovvisto di sistemi di illuminazione di emergenza e sicurezza.
4.4.1 La condizione attuale Per la galleria in esame è stato possibile effettuare una analisi energetica su più anni. In base ai dati dei consumi di energia, si ottengono i risultati di Fig. 47. Dalla Fig. 47 emerge che nell’anno medio, l’impianto di illuminazione ha assorbito circa il 92% in più dell’energia che avrebbe dovuto assorbire in base ai dati della scheda di censimento, dato che conferma quanto mostrato nella figura precedente, nonché il doppio rispetto ai valori di baseline. Il valore dell’illuminamento medio reale IMR è sette volte superiore al valore di baseline. Si osserva quindi come tale sistema di illuminazione ben si presta ad essere adeguatamente ottimizzato nei consumi energetici.
Pag. 72
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
800
MWh/anno
700
8,00
7,08
671
7,00
600
6,00
500
5,00 350
400 300
4,00 209
2,00
100
1,00
0
0,00 1
2
3
4
Eap [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
3,00
1,92
200
0
Earm [kWh/anno]
5
6
MR Indice illuminotecnico Reale/Baseline "Kr"
7
Fig. 47 – Indici prestazionali energetici dell’attuale esercizio
Nel diagramma prestazionale IMR - IAR la galleria in studio si colloca in un settore esterno alla fascia di buon funzionamento in quanto risulta critico sia da un punto di vista prestazionale che
IMR [lm/mq]
nei consumi, come mostrato in Fig. 48
Illuminamento KO Illuminamento KO 1300 Assorbimento KO Assorbimento OK 1175 1050 925 800 675 Max ammissibile 550 425 Illuminamento OK Illuminamento OK 300 Assorbimento KO Assorbimento OK 175 50 -‐75 Illuminamento KO Illuminamento KO -‐200 Assorbimento KO Assorbimento OK -‐325 -‐450 -‐575 -‐700 -‐700 -‐550 -‐400 -‐250 -‐100 50 200 350 500 650 800 950 1100 1250 1400
IAR [MWh/anno*Km] Fig. 48 – Diagramma consumi-prestazioni dell’attuale esercizio
L’indice IAB, in Fig. 49, fornisce una stima dell’energia attiva da risparmiare al fine di uguagliare i consumi di baseline.
Pag. 73
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
40
50 40
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
30 20 10 0 1
Fig. 49 – Energia attiva da risparmiare per uguagliare i consumi di baseline
4.4.2 Interventi per l’ottimizzazione Le proposte di intervento, al pari delle gallerie studiate precedentemente, sono le seguenti: -‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza, nel seguito SAP-SAP New;
-‐
Inserimento di regolatori di flusso luminoso sui circuiti permanenti e rinforzo, nel seguito Regolatori;
-‐
Sostituzione apparecchi SAP con apparecchi a tecnologia LED, nel seguito SAP-LED;
-‐
Sostituzione lampade SAP con lampade SAP ad alta efficienza e introduzione di regolatori di flusso luminoso, nel seguito SAP New+Regolatori.
4.4.2.1 Intervento SAP-SAP New Sostituendo le vecchie lampade SAP ad efficienza bassa
con lampade SAP di nuova
generazione si cerca non solo di avvicinare i valori di illuminamento progettuali con quelli di riferimento, ovvero avvicinare KP all’unità ma anche di ridurre i valori di potenza installata necessari all’illuminamento in galleria, consentendo il risparmio energetico auspicato. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la Tab. 15 riassume in dettaglio le modifiche apportate. Tab. 15 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-SAP New)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
102
114 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
100
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig.50. Pag. 74
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1000000
4,00
229976 208802
kWh/anno , kWi
100000 10000
2,33
3,50
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
3,00
EaB [kWh/anno]
2,50
1000
2,00
148,5
85,3
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 50 – Indici prestazionali post intervento (SAP-SAP New)
Dalla figura precedente emerge che l’energia attiva annua è molto simile all’energia di baseline, più nello specifico è leggermente superiore, mentre l’illuminamento progettuale è doppio rispetto a quello di baseline. È possibile asserire che l’obiettivo non è stato raggiunto, tant’è che in Fig. 51 si nota come il risparmio energetico conseguito è inferiore a quello richiesto nel baseline.
45
40
40
34
35 30 25 20
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%] Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
15 10 5 0 1
Fig. 51 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-SAP New)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig. 52, dove il punto di esercizio è interno al settore di funzionamento ottimale.
Pag. 75
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig. 52 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-SAP New).
4.4.2.2 Intervento Regolatori di flusso L’intervento prevede l’installazione dei regolatori di flusso nei circuiti che alimentano gli apparecchi luminosi, lasciando inalterato il numero e le potenze installate dei corpi illuminanti. Le potenze installate determinano l’adozione di un regolatore da 40 kVA nell’impianto permanente e due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Si richiede inoltre l’integrità del sistema di distribuzione interno al tunnel e la verifica della caduta di tensione a fine linea, per evitare lo spegnimento non voluto delle ultime lampade in condizioni di deflussaggio. Implementati i dati, i risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati in Fig. 53.
Pag. 76
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1000000
4,00
262634 208802
kWh/anno , kWi
100000 10000
3,50
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno]
3,00
EaB [kWh/anno]
2,50 1,94
1000
148,5
2,00
148,5 1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 53 – Indici prestazionali post-intervento (Regolatori di flusso)
Dalla figura emerge che l’energia attiva annua che corrisponde alla scheda di censimento non corrisponde al baseline, nello specifico è leggermente superiore; inoltre, anche l’indice illuminotecnico è maggiore di uno. Questo indica come l’obiettivo dell’intervento non è stato pienamente raggiunto. Quanto detto è confermato dalla Fig. 54, in cui si evidenzia come la differenza tra l’indice IAO e IAB non è stata colmata, ovvero non si sono eguagliati i consumi di baseline.
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
40 31
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%] Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
1
Fig. 54 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (Regolatori di flusso)
La conferma di quanto affermato con i grafici precedenti la si ha dal diagramma consumiprestazioni, in Fig. 55, in cui si apprezza come il punto di funzionamento del sistema è collocato in Pag. 77
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
un settore diverso da quello di buon funzionamento, nello specifico nella zona a valori di illuminamento soddisfacenti ma consumi energetici superiori al baseline.
Fig. 55 – Diagramma consumi – prestazioni (Regolatori di flusso).
4.4.2.3 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 16 riassume in dettaglio le modifiche apportate. Tab. 16 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP-LED)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
LED
110
55 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
LED
120
150 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono riportati nel grafico di Fig. 56.
Pag. 78
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1000000
138408
4,00
208802
3,50
100000
kWh/anno , kWi
3,00 10000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
2,50
1000
2,00
1,61
148,5
1,50
53,1
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
6
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"
Fig. 56 – Indici prestazionali post-intervento (SAP-LED)
Dal diagramma precedente emerge come l’energia attiva annua ricavabile dalla scheda di censimento risulta inferiore ai valori di baseline, mentre l’indice di illuminamento è vicino all’unità. Questo consente di evidenziare come l’obiettivo dell’intervento risulta pienamente raggiunto, tant’è che in Fig. 57 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline.
66
70
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
60 50
39
40 30
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
20 10 0 1
Fig. 57 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP-LED)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig.58, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Pag. 79
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig. 58 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP-LED).
4.4.2.4 Intervento SAP New + Regolatori Con questo tipo di intervento si cerca di unire i benefici apportati sia dalla sostituzione di lampade SAP a bassa efficienza che dall’introduzione di regolatori del flusso luminoso, singolarmente analizzati in precedenza. Le potenze installate determinano l’adozione di un regolatore da 40kVA nell’impianto permanente e due di ugual potenza nell’impianto di rinforzo. Le modifiche apportate sul sistema di illuminazione consistono nella sostituzione di tutti gli apparecchi luminosi e l’eliminazione di alcuni di essi, la tabella 17 riassume in dettaglio le modifiche apportate. Tab. 17 - Nuova configurazione impianto di illuminazione (SAP New + Regolatori)
Modello e Numero corpi illuminanti (Permanente) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Permanente)
SAP
102
114 W
Modello e Numero corpi illuminanti (Rinforzo) Modello
Numero
Potenza corpi illuminanti (Rinforzo)
SAP
110
270 W
I risultati ottenuti a seguito della simulazione dell’intervento sono mostrati in Fig. 59.
Pag. 80
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
1000000
4,00
182091 208802
3,50
100000
kWh/anno , kWi
3,00 10000
En. Amva annua progenuale "Eap,NS" [kWh/anno] EaB [kWh/anno]
2,50 1,84
1000
148,5
2,00
91,2
1,50
100
1,00 10
0,50
1
0,00 0
1
2
3
4
5
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"
6
Fig. 59 – Indici prestazionali post-intervento (SAP New + Regolatori)
Osservando il diagramma precedente si nota come l’energia attiva annua da scheda di censimento è inferiore a quella di baseline, inoltre l’indice illuminotecnico assume valori abbastanza vicini all’unità. Tutto ciò permette di affermare che l’intervento proposto soddisfa l’obiettivo auspicato, tant’è che in Fig. 60 si nota come il risparmio energetico conseguito è superiore a quello richiesto nel baseline
50
48
Indice En. Amva totale da risparmiare per la Baseline "IAB" [%]
40
40 30
Indice En. Amva totale Ommizzata "IAO" [%]
20 10 0 1
Fig. 60 – Confronto tra il risparmio di energia attiva di baseline e post intervento (SAP New + Regolatori)
L’efficacia dell’intervento è più facilmente riscontrabile dal grafico in Fig.61, dove il punto di esercizio è nella regione di funzionamento ottimale.
Pag. 81
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
Fig. 61 – Diagramma consumi – prestazioni (SAP New + Regolatori).
4.4.3 Confronto interventi La tabella 18 fornisce un riepilogo dei risultati conseguiti attraverso la realizzazione dei diversi interventi proposti in precedenza. Per le voci di costo considerate, valgono le stesse considerazioni fatte per le precedenti gallerie.
Tab. 18 - Riepilogo risultati economici interventi proposti per la galleria C Intervento SAP-SAP New Regolatori SAP-LED SAP New + Regolatori
Indice “IAB” 40
Indice “IAO” 34 31 60 48
Investimento
RNA
100% 46% 246% 155%
100% 91% 77% 150%
Pay-back period 100% 56% 223% 103%
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.
Pag. 82
Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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.
686 700 425
600
381
500
447
400 300 200 100
182
128
281
84 RNA in 20 anni
0
Costo invespmento
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.
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 SAP New
Regolatori
LED
SAP New + Regolatori
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
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Esigenze ambientali nella gestione delle reti stradali: l’efficientamento prestazionale ed energetico dei sistemi di illuminazione in galleria
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.
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