ALMA MATER STUDIORUM - UNIVERSITÀ DI BOLOGNA
FACOLTA’ DI INGEGNERIA
CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRICA
TESI DI LAUREA
in
Metodologie e Progettazione di Impianti Elettrici
OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI DI ENERGIA ELETTRICA NELLE
GALLERIE STRADALI
CANDIDATO
Andreas von Lutz
RELATORE
Prof. Gianni Pattini
CORRELATORI
Prof. Alberto Burchiani
Ing. Mario Paolone
Anno Accademico 2006/07
Sessione II
Ai miei genitori, alla mia famiglia
ed a tutti coloro che mi hanno
sostenuto e creduto in me
You reap what you sow
OTTIMIZZAZIONE DEI CONSUMI DI ENERGIA ELETTRICA
NELLE GALLERIE STRADALI
INDICE
Introduzione
La ventilazione in galleria
1 Fondamenti di fluidodinamica
2 Il ventilatore assiale
2.1
Tipologie di ventilatori assiali
2.2
Il ventilatore nell’impianto
3 Concetti di ventilazione nelle gallerie stradali
L’illuminazione in galleria
4 Fondamenti di illuminazione stradale
4.1
Criteri tecnici dell'illuminazione stradale
5 Concetti di illuminazione nelle gallerie
5.1
Dimensionamento e grandezze caratteristiche per
l’illuminazione di una galleria lunga
5.2
Criteri installativi nell’illuminazione di gallerie
5.3
Distribuzione fotometrica degli apparecchi di
illuminazione normalmente impiegati
5.4
Tipologie di corpi illuminanti
L’analisi della galleria di San Giacomo
6 La galleria di San Giacomo
6.1
Impianto di ventilazione
6.1.1 Criteri di dimensionamento dell’impianto di
ventilazione
6.1.2 Impianto di ventilazione installato
6.1.3 Controllo dell’impianto di ventilazione
6.2
Impianto di illuminazione
6.2.1 Impianto di rinforzo
6.2.2 Impianto di illuminazione permanente
L’ottimizzazione dei consumi di energia elettrica
7 Concetti di risparmio energetico nelle gallerie
7.1
Ventilatori ad impulso con silenziatori inclinati
7.2
Illuminazione con LED
7.3
Manto stradale chiaro
7.4
Illuminazione naturale nella zona di ingresso
7.5
Regolatori di flusso luminoso
Conclusione
Riferimenti bibliografici
Allegati1
Analisi illuminotecnica, impianto inforzo Sud
Analisi illuminotecnica, impianto rinforzo Nord
Analisi illuminotecnica, impianto permanente
Analisi costi di gestione, impianto esistente
Risultati illuminotecnici, LED
Analisi costi di gestione, impianto LED
Risultati illuminotecnici, manto chiaro, rinforzo Sud
Risultati illuminotecnici, manto chiaro, permanente
Analisi costi di gestione, manto chiaro
Analisi costi di gestione, regolatori di flusso
1
Allegati disponibili su richiesta
Introduzione
Le
gallerie
stradali
sono
infrastrutture
che
svolgono
un
ruolo
fondamentale nel funzionamento e sviluppo del paese, ma anche nella
comunicazione
con
transeuropea
dei
la
comunità
di
trasporti,
paesi
TERN,
ha
confinanti.
La
un
cruciale
ruolo
rete
nell’assicurare la libera circolazione delle persone e delle merci
nell’Unione Europea. Tale rete è costituita dai percorsi principali
di scambio e comprende complessivamente oltre 510 gallerie stradali,
dove l’Italia sola possiede circa il 50% di queste gallerie, come
riportato in tabella.
Riguardo
alla
Autonoma
di
Bolzano,
sia
l’elevato
intuire
situazione
delle
gallerie
l’ubicazione
numero
di
stradali
geografica
gallerie
nella
della
stradali
Provincia
stessa,
fa
presenti,
sia
l’importanza di un’elevata scorrevolezza del traffico.
Gallerie appartenenti alla rete TERN(*)
300
246
250
200
150
100
64
55
45
50
35
25
12
11
5
3
3
3
2
2
1
e
direttamente
legate
dell’automobilista.
fluidità
al
del
visivo
da
la
n
Ir
ll
o
o
ga
Po
nella
visivo
e
rt
o
lg
i
a
Be
ez
i
Sv
ur
go
Lu
traffico
benessere
Benessere
mb
ss
e
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Un
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Scorrevolezza
Pa
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c
Fr
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i
a
a
Gr
ni
rm
a
Ge
st
r
Au
It
al
i
a
ia
0
confort
ed
galleria
al
sono
sono
confort
proprietà
fondamentali di una galleria, e sono il risultato di un impianto di
illuminazione e di ventilazione adeguato.
Il
quadro
normativo
prevede
fondamentalmente
per
l’impianto
di
illuminazione, l’applicazione della UNI 11095, “Illuminazione delle
gallerie” (2003) ed il dimensionamento dell’impianto di ventilazione
secondo le direttive PIARC, “Road Tunnels: Vehicle Emissions and Air
Demand for Tunnel Ventilation” (2003). I requisiti dettati da queste
normative
permettono
molteplici
soluzioni,
esse
discendono
dalle
unicità di ciascuna galleria, come la tipologia di strada, l’entità
di
traffico,
l’orientamento
dimensionamento
ventilazione
della
dell’impianto
non
può
sia
di
prescindere
corrispondenza
ai
requisiti
continuità,
la
minimizzazione
e
galleria
minimi
così
via.
Il
illuminazione
che
di
da
di
un
e
compromesso,
sicurezza,
tra
affidabilità
dei
costi
di
investimento
è
quella
di
fornire
e
e
di
gestione.
La
finalità
strumento
del
per
ventilazione
il
di
seguente
progetto
una
lavoro,
di
un
galleria,
impianto
con
di
particolare
un
illuminazione
attenzione
valido
e
di
ad
un
contenuto consumo di energia elettrica.
(*) Sandro Fusari, Matteo Lorenzi
Autostrade per l’Italia, Sistemi e Servizi per Reti Viarie, Nuove
Opere, Iniziative, Gallerie.
1. Fondamenti di fluidodinamica
Nell’ambito della tecnica di ventilazione il fluido considerato è
aria in forma gassosa. Le caratteristiche dell’aria sono determinate
dalle proprietà di stato e dalle proprietà del mezzo. Le principali
proprietà di stato sono la temperatura assoluta T [K] e la pressione
P [Pa], mentre le principali proprietà del mezzo sono, la costante
dei gas R [Nm/(kg K)], la viscosità ν [m2/s] e la densità ρ [kg/m3].
La relazione tra, le proprietà di stato e le proprietà del mezzo, è
data dall’equazione dei gas:
ρ=
La
costante
dei
gas
per
P
RT
l’aria
1.1
vale
R=287
Nm/(kg
K),
per
la
temperatura ambiente, Tamb=20 ºC, ovvero T=293 K. Si evince che a
Tamb=0 ºC e ad una pressione assoluta di p=101325 Pa, la densità
dell’aria vale:
ρ0 =
101325
kg m3 = 1, 29 kg m3
287 ⋅ 273
1.2
La dipendenza della densità dalla pressione, nel range di differenze
di
pressione
che
si
verificano
nell’ambito
della
tecnica
di
ventilazione, è minima e può essere trascurata, in tal modo l’aria è
vista come fluido incomprimibile. La dipendenza dalla temperatura
invece è rilevante. Secondo l’equazione dei gas, risulta per due
temperature diverse, a pressione costante:
ρ1 T0
=
ρ0 T1
1.3
In questo modo si ottiene la densità dell’aria per una temperatura
qualsiasi Tx, considerando le seguenti condizioni di stato, T0=273 K,
e ρ0=1,29 kg/m3:
ρ x = 1, 29
Quanto
detto
vale
per
aria
273
kg m3
273 + x
secca,
la
1.4
densità
dell’aria
umida
è
generalmente più bassa. Ma tale influenza è trascurabile in questa
trattazione.
Se il ventilatore non è montato in aree a bassa quota, ma esercitato
in montagna, allora la densità dell’aria è diversa e deve essere
ricalcolata tenendo conto della quota del sito di installazione.
Riguardo a questa problematica esiste una convenzione internazionale
per calcolare la pressione assoluta in funzione della quota:
287 − 0, 0065H
pa = pa 0
287
5,255
1.5
Dove pa0 è la pressione assoluta al livello del mare, ed H è la quota
di
interesse
l’opportuna
data
in
m.
temperatura,
Tramite
si
l’equazione
determina
la
dei
densità
gas,
inserendo
dell’aria
alla
quota di installazione del ventilatore.
Il flusso d’aria è definito dalle seguenti proprietà di stato:
-
Velocità dell fluido
-
Pressione statica
-
Quota geodetica
Queste proprietà sono correlate tra di loro attraverso l’equazione
di Bernoulli, secondo la quale per ogni punto del flusso d’aria,
considerando
un
flusso
stazionario
(la
condizione
di
flusso
stazionario si verifica, quando tutte le grandezze che influenzano
il
flusso
tempo),
la
sono
ritenute,
somma
tra
in
energie
un
determinato
cinetica,
punto,
energia
di
costanti
nel
pressione
e
energia potenziale è costante.
ρ
2
c 2 + ps + ρ gh = k
1.6
Essendo c [m/s] la velocità media del flusso,
ps [Pa] la pressione
statica, g=9,81 m/s2 l’accelerazione gravitazionale ed h [m] la quota
geodetica. Nell’ambiente della ventilazione il termine che riguarda
la quota geodetica viene tipicamente trascurato. Così l’equazione di
Bernoulli si riduce a:
ρ
2
c 2 + ps = k
1.7
Il termine relativo all’energia cinetica viene nominato pressione
dinamica, mentre la somma di pressione dinamica e pressione statica
dà la pressione totale pt:
pt =
ρ
2
c 2 + ps = pd + ps
1.8
L’equazione di Bernoulli dice che la pressione totale, in qualunque
punto della sezione, è costante, come schematizzato in figura 1, nel
caso
di
un
flusso
d’aria
che
attraversa
un
canale
di
sezione
variabile:
Fig. 1.1: Distribuzione di pressione
La seconda equazione fondamentale è l’equazione di continuità, che
stabilisce che in ogni punto del sistema, in assenza di diramazioni
ed a densità invariabile, il flusso volumetrico è costante.
V&= cA
Dove
V&[m3/s]
è
il
flusso
1.9
volumetrico
dell’aria,
c
[m/s]
è
la
velocità di flusso ed A [m2] è l’area attraversata dall’aria.
Fig. 1.2: Tubo a sezione variabile
Contrariamente al flusso ideale, nella problematica reale del flusso
d’aria si hanno delle perdite di pressione dell’aria nel passaggio
per il ventilatore. Tali perdite sono dovute principalmente a due
tipologie di resistenza, una dovuta all’attrito, l’altra dovuta alla
forma del ventilatore. Questo argomento riguarda più il costruttore
dei ventilatori, che non il progettista, perciò non viene approfondito in questa trattazione. Al progettista interessa la somma delle
varie perdite di pressione in quanto è elemento fondamentale nella
charatteristica
dell’impianto di ventilazione.
La somma delle varie perdite di un impianto di ventilazione, sia dal
lato di aspirazione, sia dal lato di spinta, fornisce la complessiva
differenza di pressione ∆pt, per un determinato flusso volumetrico
V&. La coppia di valori ∆pt e V& fornisce un punto sulla caratteristica dell’impianto (chiamata anche parabola d’attrito). Dato che le
perdite,
considerando
un
moto
turbolente,
sono
proporzionali
al
quadrato della velocità, risp. del flusso volumetrico, la caratteristica
risulta
essere
una
parabola
quadratica,
rappresentando
in
ascissa ∆pt, ed in ordinata V&(Fig. 1.3-a). Impiegando una carta a
doppio logaritmo, si ottiene al posto della parabola una retta di
pendenza 2 (Fig. 1.3-b).
∆pt = 2 log V&+ log k
1.10
Dove k è una costante relativa all’impianto.
a)
b)
Fig. 1.3: Caratteristica pressione – flusso volumetrico
2. Il ventilatore assiale
Il ventilatore assiale è composto da getto di aspirazione con carcassa, il girante e motore con deflettore posteriore risp. adeguato
supporto (in caso di assenza di deflettore). Ventilatori assiali di
elevata potenza sono dotati di un diffusore, per minimizzare le
perdite
nella
conversione
dell’elevata
pressione
dinamica
in
pressione statica. Le modalità di costruzione del diffusore variano
a seconda del tipo di deflettore.
Il getto di aspirazione ha il compito di distribuire uniformemente
la
velocità
a
monte
del
girante,
in
modo
tale
da
garantire
un
alimentazione del girante che interessa l’intera estensione delle
palette.
Nell’intera
palettatura
avviene
poi
la
conversione
dell’energia, ergo viene generata pressione statica e dinamica.
Fig. 2.1: Rappresentazione schematica ventilatore assiale
A valle del girante si forma un flusso di moto molto turbolente e
spiraliforme. L’aria in uscita del girante ha una componente di
velocità non trascurabile di direzione tangenziale.
Fig. 2.2: Andamento linee di flusso
La
componente
tangenziale,
energetica
peggiora
il
legata
alla
rendimento
pressione
del
dinamica
ventilatore.
Per
di
moto
ridurre
questa componente si inseriscono deflettori, che possono essere a
monte o a valle del girante, e si chiamano deflettori anteriori
risp.
posteriori.
Il
deflettore
è
costituito
da
una
corona
di
palette, fissata rigidamente alla carcassa. I deflettori causano una
deviazione del flusso d’aria che lo rende possibilmente assiale.
2.1 Tipologie di ventilatori assiali
Esistono
varie
dell’impiego
e
tipologie
delle
di
condizioni
ventilatori
di
assiali,
servizio,
a
seconda
principalmente
si
distinguono in due categorie:
a) Ventilatori assiali per impianti di areazione
b) Ventilatori
assiali
di
elevata
assiali
per
impianti
potenza
per
applicazioni
industriali
a)
Ventilatori
di
areazione
si
distinguono
ulteriormente a seconda della disposizione dei deflettori:
-
Ventilatori assiali senza deflettori
-
Ventilatori assiali con deflettori anteriori
-
Ventilatori assiali con deflettori posteriori
Inoltre c’è una distinzione in base alla disposizione delle palette:
-
Ventilatori assiali con palettatura fissa, senza la possibilità
di
orientare
l’angolo
pale.
Tale
tipologia
hanno
un'unica
caratteristica, differenze di pressione-flusso d’aria, per ogni
singola velocità di rotazione.
-
Ventilatori
assiali
con
angolo
pale
orientabile,
presentano
diverse caratteristiche, differenze di pressione-flusso d’aria,
funzione dell’orientamento delle pale. Hanno il vantaggio di un
ottimizzazione
nell’addattamento
alle
varie
condizioni
di
servizio.
Lo
standard
di
ventilatori
assiali
impiegati
in
impianti
di
areazione, sono i ventilatori assiali con angolo pale orientabile a
macchina ferma e con deflettore posteriore.
Fig. 2.3: Ventilatore assiale
b)
Ventilatori
assiali
di
elevata
potenza
per
applicazioni
industriali. Questi ventilatori assiali sono tipicamente suddivisi
in tre diverse tipologie:
b.1) Ventilatori assiali con angolo pale orientabile e deflettore
posteriore fisso
b.2) Ventilatori
assiali
con
deflettore
anteriore
orientabile
angolo pale non orientabile
b.3) Ventilatori assiali con velocità di rotazione variabile
e
b.1) Ventilatori assiali con angolo pale orientabile e deflettore
posteriore fisso
Questo
genere
di
ventilatore
assiale
è
disponibile
nelle
seguenti variante:
-
Angolo pale singolarmente orientabile, con macchina ferma
-
Angolo pale orientabile in modo centralizzato, con macchina
ferma
-
Angolo pale orientabile in modo centralizzato, con macchina
in movimento
Suddetti
flusso
ventilatori
volumetrico
offrono
d’aria
vantaggi
e
copre
nella
un
regolazione
ampia
del
banda
di
funzionamento. La variazione dell’orientamento dell’angolo pale
in modo idraulico, con macchina in rotazione è l’attuale stato
della tecnica.
b.2) Ventilatori
assiali
con
deflettore
anteriore
orientabile
e
angolo pale non orientabile
Questo tipo di ventilatore assiale, nel funzionamento a carico
parziale presenta una caratteristica intrinseca molto peggiore
rispetto al ventilatore assiale con angolo pale orientabile. Il
girante però, dotato di pale fisse e non orientabili, è molto
robusto e addatto a condizioni di servizio estreme, come può
essere
una
temperatura
ambiente
molto
elevata
oppure
la
presenza continua di polveri.
b.3) Ventilatori assiali con velocità di rotazione variabile
Tenendo conto dell’attuale stato della tecnica di regolazione
della velocità di rotazione tramite l’elettronica di potenza,
si ottiene una combinazione ideale con la gestione di impianti
di ventilazione. In particolare per ventilatori assiali con
angolo pale orientabile a macchina ferma e alimentati da motore
elettrico, controllato tramite inverter, si ottengono notevoli
vantaggi:
-
Posizionamento
ottimale
del
punto
di
lavoro
sulla
caratteristica del ventilatore assiale.
-
Comportamento ottimale per carichi parziali considerando la
caratteristica
quadratica dell’impianto.
-
Caratteristiche accustiche buone anche per carichi parziali.
-
La
composizione
meccanica
semplice
garantisce
un
funzionamento affidabile.
2.2 Il ventilatore nell’impianto
Fig. 2.4: Ventilatore assiale per gallerie
Di
seguito
ventilatore
sono
elencate
assiale
per
le
proprietà
gallerie
(Fig.
di
funzionamento
2.4),
sia
di
un
secondo
la
rappresentazione lineare, sia secondo la rappresentazione a doppio
logaritmo.
Fig. 2.5: Caratteristica ventilatore
Confrontando i due punti di lavoro, B1 e B2, si ha che il rapporto
delle differenze di pressione equivale al quadrato del rapporto dei
flussi volumetrici, secondo il legame:
∆pt1 V&
= 1
∆pt 2 V&
2
L’incremento di pressione complessivo
2
2.1
di un ventilatore è composto
dall’incremento di pressione statica risp. dinamica. La componente
di pressione dinamica è riferita al getto di aspirazione del ventilatore.
La
pressione
dinamica
viene
determinata
secondo
la
nota
espressione,
pd =
ρ
2
c2
2.2
dove c [m/s]è la velocità media nel getto d’aspirazione. Che si
determina con la
c=
V&
A
2.3
dove A [m2] è l’area del getto di aspirazione. Queste considerazioni
permettono di inserire nel diagramma dell’impianto la caratteristica
relativa alla pressione dinamica (caratteristica C in figura 2.6),
in funzione del flusso volumetrico.
Il
comportamento
di
un
ventilatore
è
descritto
attraverso
la
caratteristica che lega la differenza di pressione totale ad un
certo flusso volumetrico. Questa caratteristica risulta dalle misure
fatte su ventilatori, secondo le prescrizioni della ISO 13350.
Fig. 2.6: Caratterisica ventilatore comprendendo
anche la pressione dinamica
La
prova
misurando
consiste
le
coppie
nella
di
determinazione
valori
∆pt − V&,
dei
punti
parzializzando
di
lavoro,
il
flusso
volumetrico d’aria in entrata del ventilatore. Contemporaneamente si
misura la potenza elettrica assorbita dal motore, necessaria per la
determinazione
del
rendimento.
La
potenza
elettrica
assorbita
determina la coppia sviluppata sull’albero e la velocità angolare.
In sintesi il rendimento è il quoziente tra la potenza emmessa P [W]
([kW]se la pressione pt [kPa]) e la potenza motrice all’albero PM
[kW]:
P = ∆pt ⋅ V&
PM = CM ⋅ ω
2.4
Dove CM è la coppia motrice sviluppata sull’albero e ω è la velocità
angolare. In questo modo si ottiene per il rendimento del ventilatore:
η=
Conoscendo
trova
la
il
valore
potenza
del
P ∆pt ⋅ V&
=
PM CM ⋅ ω
rendimento
elettrica
2.5
del
assorbita
ventilatore
relativa
ai
assiale,
vari
punti
si
di
lavoro ∆pt − V&.
Il
punto
di
lavoro
del
ventilatore
nell’impianto
si
ottiene
dall’intersezione tra la caratteristica del ventilatore (curva V,
figura 2.7) con la caratteristica dell’impianto (curva A, figura
2.7).
L’intersezione
caratteristica
della
tra
la
caratteristica
pressione
dinamica,
del
ventilatore
fornisce
il
e
la
valore
di
flusso massimo, in altre parole, la portata d’aria che il ventilatore sarebbe in grado di mandare, inserito in un impianto ideale,
senza perdite.
Fig. 2.7: Caratteristica ventilatore e
caratteristica impianto
Variazione della velocità di rotazione
Per
variazioni
della
velocità
di
rotazione,
le
grandezze
caratteristiche del ventilatore seguono delle leggi di proporzionalità. Dalla caratteristica quadratica dell’impianto risultano le
seguenti variazioni delle grandezze caratteristiche:
Il flusso volumetrico varia in modo direttamente proporzionale alla
variazione delle velocità di rotazione.
V&
n
1
= 1
V&
n2
2
2.6
L’incremento totale di pressione varia in modo quadratico rispetto
alla variazione della velocità di rotazione.
∆pt1 n1
=
∆pt1 n2
La
potenza
velocità
di
all’albero
rotazione
2
2.7
necessaria
per
svilluppare
l’incremento
presenta
una
dipendenza
dal
cubo
di
della
velocità di rotazione.
PW 1 n1
=
PW 2 n2
3
2.8
Nella figura sottostante è riportato a titolo di esempio un incremento della velocità di rotazione da n1=1400 min-1 a n2=1600 min-1,
che corrisponde ad uno spostamento del punto di lavoro da B1 a B2.
Fig. 2.8: Incremento di velocità
Parallelo di due ventilatori
Un elevato flusso volumetrico d’aria può richiedere il montaggio in
parallelo
possono
di
due
essere
o
più
commandati
ventilatori.
I
singolarmente
ventilatori
o
come
in
unica
parallelo
unità,
ciò
dipende dalla tipologia di regolazione del flusso d’aria. Per determinare
la
caratteristica
di
un
parallelo
di
ventilatori,
è
sufficiente sommare i flussi volumetrici a parità di differenza di
pressione, come è riportato a titolo di esempio in figura 2.9. Dove
V1
è
la
caratteristica
di
un
singolo
ventilatore,
mentre
V2
corrisponde al complesso parallelo. B1 è il punto di lavoro relativo
ad un singolo ventilatore, che si sposta in B2 con l’inserimento del
secondo ventilatore.
Fig. 2.9: Parallelo di due ventilatori
Serie di ventilatori
In
presenza
di
elevate
resistenze
può
esistere
la
necessità
di
realizzare un collegamento in serie di due o più ventilatori. Idealmente si ha nel complesso la somma delle differenze di pressione
∆pt , mentre il flusso volumetrico V& rimane costante. Questa condizione non si verifica nella pratica, per l’inevitabile presenza di
perdite
lungo
il
tragitto
del
flusso
d’aria.
Come
si
evince
da
figura 2.10 si ha comunque un notevole incremento della differenza
di pressione rispetto ad un contenuto incremento di portata. La
caratteristica V1 corrisponde all’esercizio di un unico ventilatore,
mentre V2 è la caratteristica relativa al collegamento in serie di
due ventilatori, con i rispettivi punti di lavoro B1 e B2.
Fig. 2.10: Serie di due ventilatori
Regolazione di ventilatori assiali
Il
termine
regolazione
regolazione
di
del
volumetrico
flusso
ventilatori
assiali
d’aria
si
in
riferisce
mandata
del
alla
venti-
latore. Esistono varie modulità di regolazione.
Regolazione a strozzamento
La
regolazione
a
strozzamento
è
il
metodo
di
regolazione
più
semplice, ma al contrario economicamente non conveniente. Consiste
nell’inserimento, a monte del girante, di un diaframma orientabile
che
regola
il
caratteristica
flusso
d’aria
e
di
conseguenza
modifica
la
∆pt − V& e porta a nuovi punti di lavoro, che si
trovano a sinistra della caratteistica originale, cioè a valori di
V& minori. Dalla caratteristica mostrata in figura 2.11 si evince
che l’abbassamento del flusso volumetrico porta ad un incremento
della
differenza
contrastato
dallo
di
pressione,
strozzamento.
rendimento del ventilatore.
che
a
Questo
sua
porta
volta
ad
deve
un
essere
calo
del
Fig. 2.11: Regolazione a strozzamento
Regolazione della velocità di rotazione
La regolazione della velocità di rotazione dell’albero motore è più
conveniente da un punto di vista economico, ma necessità di motori
elettrici appositamente regolabili. Il vantaggio di questa regolazione è il mantenimento di un rendimento elevato del ventilatore per
qualsiasi condizione di servizio. La caratteristica dell’impianto
rimane inalterata, mentre la caratteristica del ventilatore varia
secondo le leggi di proporzionalità. Difetto di questa regolazione
sono i costi elevati dei modulatori di frequenza per la variazione
della velocità angolare, nonché l’abbassamento del rendimento del
motore
per
carichi
parziali.
In
questo
modo
un
calo
del
flusso
volumetrico da mandare porta ad un altrettanto calo delle potenza
elettrica assorbita.
Fig. 2.12: Regolazione di velocità
Variazione orientamento angolo pale
Ventilatori assiale permettono una regolazione del flusso volumetrico tramite una variazione dell’orientamento angolo pale. Questo
metodo di regolazione non raggiunge un rendimento elevato quanto si
ottiene
con
la
variazione
della
velocità
di
rotazione,
però
scompaiono le perdite elettriche, cioè il calo di rendimento del
motore elettrico.
Fig. 2.13: Regolazione ad orientamento pale
Motori elettrici
I motori per l’azionamento dei ventilatori ad impulso sono, tipicamente, motori asincroni con rotore a gabbia di scoiattolo avviati in
modo diretto. Il motore risponde alle direttive IEC.
La potenza necessaria dei motori è determinata dal rendimento, dalla
differenza
di
pressione
e
dalla
portata
che
si
vuole
ottenere.
Tipicamente la potenza del motore supera del 5-10% la potenza di
dimensionemanto per ottenere una riserva di potenza.
La caratteristica della coppia motrice relativa alla velocità di
rotazione (in figura 2.14 è riportata la caratteristica CM-ω di un
motore asincrono a gabbia di scoiattolo), mostra che la coppia di
spunto deve essere sufficentemente grande per contrastare la coppia
resistente. Questo almeno fino a raggiungere la velocità nominale.
Fig. 2.14: Caratteristiche motore elettrico
L’andamento della corrente assorbita e della coppia sviluppata fino
a
raggiungere
la
velocità
nominale
di
rotazione
è
mostrato
in
figura. La velocità effettiva sarà di poco inferiore del 100 % per
via dello scorrimento.
Un criterio fondamentale nella scelta dei motori è la coppia di
avviamento. Essa deve corrispondere ad un certo momento d’inerzia
delle
masse
in
rotazione,
che
deve
essere
superato
in
fase
di
avviamento. L’equazione fondamentale della dinamica delle macchine
fornisce come tempo di avviamento, che tipicamante è di circa ta=10s.
ta =
J ⋅ω
CM − C R
2.9
Dove J [kgm2] è il momento d’inerzia delle masse rotanti, CM [Nm] è
la coppia motrice e CR [Nm] è la coppia resistente.
Nel caso di un elevato momento d’inerzia delle masse rotanti oppure
una coppia resistente elevata si possono verificare dei problemi di
avviamento. Questo problema può essere ovviato tramite l’impiego di
rotori
particolari
(rotore
a
doppio
strato
di
cave),
tramite
l’impiego
di
motori
di
potenza
maggiore,
i
quali
però
vengono
sfruttati solo parzialmente a funzionamento nominale oppure tramite
apposite procedure di avviamento. Tali procedure possono essere:
-
Avviamento stella-triangolo
-
Avviamento stella-triangolo a più stadi
-
Trasformatore o resistenza di avviamento
-
Avviamento con modulazione in frequenza tramite inverter
Avviamento stella-triangolo
L’avviamento stella-triangolo è impiegato per motori con rotori a
gabbia
di
scoiattolo
se
sono
necessarie
basse
correnti
di
avviamento, come può essere una condizione del fornitore di energia.
Coppia
di
spunto,
coppia
massima
nonché
la
corrente
di
spunto
assumono valori del cira 25÷30 % dei rispettivi valori con avviamento diretto.
Avviamento stella-triangolo a più stadi
Questa tipologia di avviamento è adottata in presenza di motori di
elevata potenza. Attraverso ulteriori contatti negli avvolgimenti
sono possibili due stadi intermedi tra il collegamento a stella
risp. a triangolo.
Trasformatore o resistenza di avviamento
Trasformatori
oppure
resistenze
di
avviamento
permettono
un
calo
quadratico della caratteristica di coppia ed un calo lineare della
corrente assorbita.
Avviamento con modulazione in frequenza tramite inverter
Tale tipologia di avviamento permette una corrente di avviamento
nominale, mantenendo elevati valori di coppia.
3. Concetti di ventilazione nelle gallerie stradali
I primi impianti di ventilazione di gallerie sono state progettate
come ventilazione semitrasversale (Fig. 3.1) per lunghezze medie e
ventilazione
trasversale
(Fig.
3.2)
per
gallerie
di
lunghezza
elevata. Più avanti le due tipologie di ventilazione sono state tra
loro combinate. L’ampio range di regolazione dei ventilatori veniva
coperto tramite l’orientamento angolo pale combinato ad una variazione a gradini della velocità di rotazione dell’albero.
Fig. 3.1: Ventilazione semitrasversale
Fig. 3.2: Ventilazione trasversale
Ventilazione semitrasversale con ventilatori assiali
La ventilazione semitrasversale fornisce alla galleria la quantità
di aria pura minima necessaria, per diluire le particelle nocive
comprese
nell’aria
all’interno
della
galleria.
L’aria
diluita
fuoriesce dai portali della galleria. L’aria pura viene mandata in
un apposito canale d’aria, dal quale vengono immessi nella galleria
principale,
attraverso
cosidetti
canali
secondari,
i
necessari
volumi parziali d’aria pura.
Per poter influenzare, in caso d’incendio, la direzione del flusso
d’aria vengono impiegati ventilatori assiali reversibili. I quali
fungono nell’esercizio nominale come ventilatori di mandata, mentre
in caso di emergenza aspirano l’aria nociva.
Rispetto ad una ventilazione puramente longitudinale si ottengono i
vantaggi di avere una minore velocità del flusso d’aria, per il
fatto
che
galleria.
l’aria
Questo
viane
mandata
vantaggio
verso
permette
di
entrambi
i
ventilare
portali
in
della
questo
modo
anche gallerie di notevole lunghezza. Un difetto di questa tipologia
di ventilazione è la riduzione della sezione utile della galleria
per la presenza dei canali d’aria. Questo svantaggio a sua volta
porta al vantaggio di poter lavorare con una minore velocità del
flusso d’aria.
Ventilazione trasversale con ventilatori assiali
Fondamentalmente
nel
caso
di
una
ventilazione
trasversale
viene
immessa nella galleria esattamente la quantità d’aria pura quanta
aria inquinata viene aspirata. L’aria pura viene immessa
attraverso
canali d’aria paralleli alla galleria. Mentre l’aria inquinata viene
aspirata
attraverso
apposite
aperture
di
aspirazione
poste
al
soffitto della galleria, e poi portato all’esterno attraverso uno o
più camini.
Ventilazione longitudinale
Negli
ultimi
puramente
anni
si
è
sviluppata
longitudinale,
tramite
una
tendenza
ventilatori
di
ad
ventilazione
impulso,
per
gallerie stradali di lunghezza media fino a 3 km. Questa tipologia è
favorita
rispetto
investimento,
ad
altri
servizio
e
sistemi
manutenzione.
per
i
bassi
Ventilatori
costi
ad
di
impulso
montati sul soffitto o sulle pareti della galleria, singolarmente
oppure
in
gruppi,
ad
una
distanza
opportuna
tra
di
loro
cedono
energia cinetica alla colonna d’aria della galleria per metterla o
mantenerla in moto. Nella progettazione bisogna porre particolare
attenzione per garantire uno scambio efficace tra il getto d’aria
mandato dal ventilatore e la colonna d’aria della galleria. Nonché
ad
una
l’intera
ventilate
velocità
distribuzione
sezione
uniforme
della
puramente
dell’aria,
della
galleria.
longitudinale
imposto
dalle
La
è
spinta
d’aria
lunghezza
limitata
direttive.
attraverso
delle
da
un
Questo
gallerie
massimo
massimo
di
è
determinato dalla sicurezza e dal benessere delle persone presenti
all’interno della galleria.
Fig. 3.3: Ventilazione longitudinale
Un
ulteriore
sviluppo
della
ventilazione
longitudinale
è
l’aspirazione dell’aria inquinata al centro della galleria. Questa
tipologia di ventilazione prevede ventilatori assiali di notevole
potenza posti nella zona centrale della galleria, tali ventilatori
aspirano l’aria inquinata e la mandono nell’ambiente. In questo modo
non
si
ha
nessuna
emmissione
di
aria
inquinata
nella
zona
dei
portali, questo può essere necessario in caso di gallerie situate
nei
pressi
galleria
di
viene
sull’opacità
centri
abitati.
dimmezzata,
dell’aria
e
fatto
sulla
Inoltre
che
la
si
colonna
ripercuote
concentrazione
di
d’aria
della
positivamente
CO
all’interno
della galleria. Questo sistema prevede comunque l’installazione di
ventilatori
ad
impulso
che
servono,
in
caso
d’incendio,
per
asportare i fumi, e per garantire una via di fuga libera di aria
inquinata.
Fig. 3.4: Ventilazione longitudinale con
camino centrale d’aspirazione
La scelta del sistema di ventilazione è influenzata fondamentalmente
dai seguenti fattori:
-
Fabbisogno di aria pura in funzione di emissione di CO, Nox,
opacità, secondo le direttiva PIARC
-
Affidabilità dell’impianto
-
Sicurezza in caso d’incendio (Direttiva 2004/54/CE)
-
Consumo di energia
-
Costi di investimento
-
Manutenzione
A livello europeo, si fa riferimento alla direttiva 2004/54/CE del
29 aprile 2004, relativa ai requisiti minimi di sicurezza per le
gallerie della rete stradale transeuropea (TEN):
“…
2.9. Ventilazione
2.9.l.Nella progettazione, costruzione e esercizio dell'impianto
di ventilazione si deve tenere conto dei seguenti elementi:
-
controllo degli inquinanti emessi dagli autoveicoli, nel caso di
flussi di traffico normali e nei picchi di traffico,
-
controllo degli inquinanti emessi dagli autoveicoli in caso di
arresto del traffico per incidenti,
-
controllo del calore e del fumo in caso di incendio.
2.9.2. In tutte le gallerie di lunghezza superiore a 1000 m e
con un volume di traffico superiore a 2000 veicoli per corsia deve
essere installato un impianto di ventilazione meccanica.
2.9.3.Nelle
unidirezionale
gallerie
con
congestionato,
la
traffico
bidirezionale
ventilazione
e/o
longitudinale
e'
consentita solo se l'analisi di rischio di cui all'articolo 13 del
decreto indica che essa e' accettabile e/o sono adottate misure
specifiche,
come
ad
esempio
un'adeguata
gestione
del
traffico,
minori distanze tra le uscite di emergenza, estrazioni intermedie
dei fumi
2.9.4.Nelle
ventilazione
gallerie
meccanica
in
e
cui
non
e'
e'
necessario
consentita
un
la
impianto
di
ventilazione
longitudinale ai sensi del punto 2.9.3., devono essere utilizzati
impianti
di
ventilazione
trasversale
o
semitrasversale.
Tali
impianti devono permettere di evacuare i fumi in caso di incendio.
2.9.5.Nelle
gallerie
di
lunghezza
superiore
a
3000
m
con
traffico bidirezionale, con un volume di traffico superiore a 2000
veicoli per corsia, con un centro di controllo e con un impianto di
ventilazione trasversale o semitrasversale, devono essere adottate
le seguenti misure minime per quanto concerne la ventilazione:
installazione
di
dispositivi
di
estrazione
dell'aria
e
del
fumo
azionabili separatamente o a gruppi;
controllo
costante
della
velocità
longitudinale
dell'aria
e
conseguente regolazione del processo di controllo dell'impianto di
ventilazione (estrattori, ventilatori, ecc.).
…”
Queste
sono
i
dimensionamento
requisiti
bisogna
minimi
seguire
di
sicurezza,
riferimenti
più
mentre
per
il
dettagliati.
Ma
attualmente in Italia non sono vigenti normative che regolamentano
la ventilazione nelle gallerie, per cui si seguono le seguenti guide
tecniche europee:
“Road tunnels: Emission, Ventilation, Environment” (PIARC, Montreal
1995
e
successivi
concentrazione
aggiornamenti):
degli
inquinanti,
riferimento
per
caratteristiche
del
i
limiti
di
traffico
in
esercizio e criteri di verifica dell’impianto di ventilazione in
esercizio;
“Road
Tunnels:
Vehicle
Emissions
and
Air
Demand
for
Tunnel
Ventilation” (PIARC, giugno 2003): riferimento per i coefficienti di
emissione dei veicoli;
“Longitudinal jet fans system: concept for longitudinal fan system“
(PIARC WG2, 20/02/03): riferimento per il calcolo delle prestazioni
dell’impianto di ventilazione in funzionamento longitudinale.
Sistemi di regolazione
Il compito dei sistemi di regolazione è l’adeguamento del concetto
di ventilazione scelto, alle esigenze del sistema di ventilazione
della galleria, con lo scopo primario di mantenere i livelli di aria
inquinata entro i limiti stabiliti. In tal modo avviene uno scambio
continuo tra aria fresca ed aria inquinata, in base alle condizioni
del traffico. Nella maggiore parte delle gallerie di media lunghezza
(lunghezza
inferiore
a
3
km),
tale
adeguamento
di
gestione
del
flusso d’aria avviene, attraverso l’inserimento o l’esclusione di
ventilatori risp. gruppi di ventilatori ad impulso.
Fig. 3.5: Gruppo di ventilatori assiali
4. Fondamenti di illuminazione stradale
Illuminare
una
galleria
stradale
garantendo
la
sicurezza
del
traffico ed il benessere dei guidatori è una questione di non facile
soluzione
Durante
e
il
richiede
giorno,
sistemi
in
di
illuminazione
presenza
di
luce
molto
solare,
si
sofisticati.
presenta
un
costante ed elevato rischio di incidenti, dovuti al disagio visivo
creato dalla differenza di flusso luminoso esterno ed interno alla
galleria. Oltre alla sicurezza sulla strada, va tenuto conto anche
del benessere fisico dei conducenti, legato ad un flusso scorrevole
del
traffico,
pregiata
dato
comporta
che
una
un’illuminazione
buona
veduta
che
adeguata
a
sua
e
di
volta
qualità
influisce
positivamente sulla scorrevolezza del traffico.
Da
molti
anni
la
soluzione
a
questo
problema
trova
nel
mondo
applicazioni e riferimenti diversi, che alcuni suggerimenti della
CIE ( CIE, Commission Internationale Eclairage, Commissione Internazionale di Illuminotecnica), pubblicati nel 1990, hanno tentato di
riordinare.
4.1 Criteri tecnici dell'illuminazione stradale
I requisiti tecnici cui un impianto di illuminazione stradale deve
rispondere per assicurare soddisfacenti condizioni di visibilità,
sono:
-
adeguata luminanza della strada, in modo che essa sia chiaramente
riconoscibile dal guidatore e che sia realizzato un sufficiente
contrasto fra possibili ostacoli e sfondo;
-
uniformità della luminanza della strada, allo scopo di consentire
in
qualsiasi
punto
il
necessario
contrasto
di
luminanza
fra
ostacoli e sfondo;
-
limitazione dell'abbagliamento da parte dei centri luminosi: la
loro presenza nel campo visivo del guidatore non deve portare ad
una luminanza d’adattamento troppo elevata per l'occhio umano, e
quindi
eccessivamente
discosta
da
quella
corrispondente
alla
luminanza media della carreggiata; in tali condizioni, infatti,
l'occhio necessiterebbe di contrasti di luminanza fra oggetto e
sfondo ben maggiori di quelli normalmente conseguibili;
-
idoneità,
per
sufficiente
la
strada
guida
nel
visiva,
suo
ossia
complesso,
a
a
permettere
costituire
al
una
guidatore
di
riconoscere il tracciato che deve seguire. Questa condizione, in
genere, è realizzata con accorgimenti che esulano dall’illuminazione stradale: strisce bianche tratteggiate, bordure chiare,
guardrail
colorati
di
bianco,
L'impianto
d’illuminazione
segnali
stradale
deve
rifrangenti,
anch'esso
ecc.
favorire
la
guida visiva, in altre parole il riconoscimento del tracciato da
seguire, specialmente nei punti complessi, dove il guidatore sia
chiamato a decidere la via da imboccare.
Per
ottenere
uniforme,
che
in
la
pratica
strada
per
presenti
far
sì
una
che
la
luminanza
strada
elevata
appaia
ed
luminosa,
occorrerà che all'occhio dell'osservatore da tutti i punti della
strada siano rinviati flussi luminosi quanto più costanti possibile
e di un certo valore. A tale scopo la strada dovrà ricevere dalle
sorgenti luminose flussi d’intensità e direzione opportune.
L’uniformità
guidatore,
Riguardo
di
luminanza
dipende
dalle
alla
riflessione
del
manto
proprietà
si
stradale
di
possono
percepita
riflessione
distinguere
della
due
dal
strada.
situazioni
limite, riflessione perfetta (specchio) e riflessione diffondente.
Le proprietà riflettenti di una strada sono miste rispetto alle due
situazioni limite.
Riflessione
qualunque
sia
perfetta:
la
un'immagine
del
carreggiata.
Il
recchio
è
sua
l'osservatore,
posizione,
centro
raggio
riflesso
vede
riflesso
emesso
verso
solo
sulla
dall'appa-
l'osservatore
secondo la nota legge elementare dell'ottica:
l'angolo di riflessione r è uguale a quello d’incidenza i. Alcune
carreggiate
lisce
si
avvicinano,
con
tempo
piovoso,
a
questa
condizione limite; le irregolarità del suolo, tuttavia, danno luogo
ad
una
successione
di
immagini
della
sorgente
luminosa,
che
costituisce una striscia praticamente continua dalla base del centro
luminoso fino all'osservatore.
Nel
caso
di
carreggiate
molto
lisce,
si
costata
che
le
strisce
luminose, o zone di massima luminanza, non si estendono mai oltre
l'apparecchio
luminosi
illuminante.
emessi
nella
Ciò
si
spiega
direzione
osservando
opposta
che
i
raggi
all'osservatore
sono
riflessi nella stessa direzione e non possono quindi essere ricevuti
dall'occhio. Quando l'osservatore si sposta, la striscia luminosa si
sposta con lui.
Diffusione
battuta,
perfetta:
ad
Le
esempio,
strade
possono
in
terra
considerarsi
assai simili ad una superficie perfettamente
diffondente. In tal caso, il flusso luminoso
che raggiunge la carreggiata è uniformemente
distribuito in tutte le direzioni. Qualunque
sarà
alla
carreggiata,
la
posizione
un’uguale
dell'osservatore
componente
del
flusso
rispetto
riflesso
raggiungerà il suo occhio: la luminanza della carreggiata è quindi
indipendente
dalla
posizione
dell'osservatore.
Se
l'apparecchio
d’illuminazione ha una ripartizione luminosa simmetrica rispetto al
piano
verticale
perpendicolare
all'asse
della
carreggiata,
quest’ultima sarà illuminata in modo simmetrico nelle due zone di
qua e di là del centro luminoso. In ogni punto, la luminosità sarà
proporzionale all'illuminamento.
In realtà, le caratteristiche ottiche delle carreggiate risultano
una combinazione delle due caratteristiche limite sopra riportate:
una parte del flusso luminoso è diffusa, un'altra rinviata in una
direzione preferenziale. Quest' ultima direzione è prossima a quella
del raggio riflesso secondo le leggi dell'ottica. La riflessione
avviene
secondo
rappresentato,
un
nel
diagramma
piano
che
verticale
incidente, come nello schema seguente.
può
che
indicativamente
comprende
il
essere
raggio
Fig. 4.1: Fenomeno combinato di riflessione e di diffusione su una
carreggiata stradale
Al
posto
quindi
dell'immagine
delle
macchie
del
centro
chiare
in
luminoso,
l'osservatore
corrispondenza
di
ciascun
vedrà
centro
luminoso, di luminosità massima pressappoco in corrispondenza della
posizione dell’immagine riflessa, decrescente a mano a mano che ci
si
allontani
da
tale
posizione.
Per
realizzare
una
luminanza
sufficientemente uniforme, i centri dovranno essere disposti in modo
tale da rendere contigue fra loro le macchie che ciascuno di loro
crea sulla strada.
Si
consideri
ora
la
porzione
di
strada
verso
cui
è
diretto
lo
sguardo del guidatore durante la sua marcia: essa si estende da
qualche decina di metri davanti al suo automezzo ad oltre 100 ÷ 150
metri. Da questa porzione di strada vengono rinviate all'occhio del
guidatore intensità luminose assai radenti rispetto la superficie
stradale: si può costatare che la loro inclinazione media rispetto
l'orizzontale è dell'ordine di 1°, variando da un minimo di 0.50° ad
un massimo di 1.50°. Poiché abbiamo visto nella figura precedente
che i raggi riflessi dalla carreggiata hanno direzioni preferenziali,
presentano
un
massimo
all'incirca
in
corrispondenza
della
direzione speculare al raggio incidente, è chiaro che la superficie
di strada considerata dovrà essere illuminata con intensità luminose
assai radenti, se si vorranno sfruttare al massimo le proprietà
riflettenti
incidente,
della
la
pavimentazione.
strada
apparirà
A
tanto
parità
più
d’intensità
luminosa,
luminosa
quanto
più
l'angolo d’incidenza si avvicinerà ad 1°, che rappresenta l'angolo
medio di riflessione utile all'automobilista.
Fig. 4.2: Schematizzazione geometrica della visuale del guidatore
Le
intensità
luminose
che
raggiungono
l'occhio
dell'osservatore,
dalla porzione di carreggiata che costituisce il suo campo visuale
principale, hanno direzioni inclinate rispetto l'orizzontale di un
angolo compreso fra 0.50° e 1.50°.
Tale condizione contrasta con il terzo dei fattori sopra citati per
una buona illuminazione: la limitazione dell'abbagliamento. Se le
intensità
luminose
emesse
dai
centri
non
sono
schermate
nelle
direzioni prossime a quelle d'irradiazione, il guidatore risulterà
abbagliato, come si vedrà meglio più avanti.
Particolare
deve
importanza
essere
tale
da
riveste
l'uniformità
assicurare
in
ogni
della
punto
luminanza,
della
strada
che
un
contrasto sufficiente con gli oggetti da individuare. Si suole distinguere in generale l'uniformità di luminanza trasversale, vale a
dire
lungo
una
retta
trasversale
alla
strada,
e
l'uniformità
longitudinale, lungo una retta parallela all'asse stradale.
Le direttive fissano i valori minimi di uniformità di luminanza. Si
considerano i rapporti tra valori di luminanza minima e massima,
lungo varie rette, sia nel senso longitudinale, sia trasversale. Il
più
piccolo
di
questi
rapporti
viene
paragonato
con
i
valori
prescritti dalle direttive. Dal punto di vista esclusivamente della
visibilità, in altre parole del potere di percepire un sufficiente
contrasto fra oggetto e sfondo, l'esperienza suggerisce la necessità
di una elevata uniformità trasversale, più ancora di quella in senso
longitudinale. In effetti, data la forte riduzione delle dimensioni
longitudinali
scure
che
determinano
della
si
la
strada
alternano
nella
lungo
disuniformità
visione
lo
prospettica,
sviluppo
longitudinale
della
sono
le
strada
viste
strisce
e
sotto
che
un
angolo assai piccolo, per questo l'effetto della disuniformità di
luminanza longitudinale sulla visibilità degli oggetti risulta in
genere trascurabile. Un oggetto che non sarà di dimensioni minime
sarà percepito dall'osservatore mediante il contrasto fra la sua
luminanza e quella di una delle strisce chiare che si succedono a
distanze
ravvicinate.
Si
può
anzi
affermare
che
una
relativa
disuniformità longitudinale può essere utile per ottenere una certa
profondità nel campo visivo e consentire una migliore valutazione
delle distanze dei vari oggetti, a condizione che le dimensioni
apparenti delle strisce più scure siano sufficientemente ridotte.
Tuttavia, dal punto di vista del benessere visivo la disuniformità
longitudinale va limitata, onde evitare che il continuo alternarsi
di strisce chiare e scure lungo la marcia dell’autoveicolo, provochi
fastidio e stanchezza visiva al guidatore. Al contrario, una disuniformità trasversale può rendere invisibili anche ostacoli di rilevanti dimensioni, quali pedoni e ciclisti, come accade nei giorni di
pioggia
nelle
installazioni
di
illuminazione
stradale
ad
una
semplice fila di lampade, che danno luogo ad una lunga striscia
longitudinale a forte luminanza cui si affiancano strisce scure.
Per un soddisfacente risultato complessivo, si considera attualmente
soddisfacente raccomandare dei valori limite soltanto per le due
seguenti grandezze:
-
l'uniformità di luminanza Um, rapporto tra luminanza minima di
tutta la carreggiata e luminanza media Lmin/Lm, suggerendo un
limite di 0,40, sotto al quale la visibilità nella parte più
scura sarebbe compromessa;
-
l'uniformità
longitudinale
di
luminanza
U1,
rapporto
tra
luminanza minima e massima lungo la mezzeria di una stessa corsia
di marcia, per questa grandezza il valore limite raccomandato
varia da 0,7 a 0,5 a seconda dell'importanza della strada.
Un ulteriore criterio di qualità di un impianto, è costituito da una
soddisfacente limitazione dell'abbagliamento, provocato dai centri
luminosi: i centri devono essere opportunamente schermati, in modo
che le intensità luminose emesse in direzione dell'osservatore siano
limitate. Tale limitazione deve essere tanto più rimarcata quanto
più le intensità sono ravvicinate alla direzione normale d'osservazione del guidatore (le intensità più ravvicinate alla direzione
normale d'osservazione sono quelle prodotte dai centri più lontani
dall'osservatore).
Le
intensità
più
pericolose
nei
riguardi
dell'abbagliamento sono quelle inclinate rispetto l'orizzontale da
0°
a
circa
stradale,
10°.
Le
infatti,
Raccomandazioni
limitano
la
zona
in
tema
di
d'emissione
illuminazione
degli
apparecchi
nell'intervallo da 80° a 90°, rispetto alla verticale, (ammettendo
un'intensità massima rispettivamente di 30 cd ogni 1.000 lm a 80° e
10 cd ogni 1.000 lm a 90°), e consigliano che l'intensità massima
non sia diretta oltre i 65° rispetto alla verticale.
La presenza di centri luminosi poco schermati nel campo visivo del
guidatore ne innalza la luminanza media, e corrispondentemente eleva
la
luminanza
di
adattamento
dell'occhio
discostandola
da
quella
della carreggiata: in tali condizioni i contrasti fra ostacolo e
sfondo sono più difficilmente percepibili. Per riportare la percezione nelle condizioni che si realizzerebbero in assenza delle sorgenti abbaglianti, occorrerebbe una luminanza della carreggiata più
elevata.
Da quanto sopra si constata che la limitazione dell'abbagliamento,
portando
a
limitare
le
intensità
«radenti»
emesse
dai
centri
luminosi, contrasta con l'esigenza del massimo sfruttamento delle
intensità ai fini della luminanza della carreggiata, di cui s'è
detto
sopra,
in
conseguenza
delle
proprietà
riflettenti
delle
pavimentazioni di tipo «preferenziale». Fra le due opposte esigenze:
sfruttamento
delle
intensità
luminanza
della
carreggiata
occorrerà
ricercare
contenere
l'abbagliamento
un
per
e
l'ottenimento
limitazione
compromesso.
in
limiti
Un
di
un’elevata
dell'abbagliamento,
metodo
accettabili
aggiornato
è
indicato
per
nel
seguito.
L'insieme dei fenomeni che turbano la buona visibilità nell'illuminazione
stradale
e
che
sono
definiti
con
il
generico
nome
di
abbagliamento, si distinguono in:
-
abbagliamento fisiologico, comporta una riduzione delle capacità
di percezione;
-
abbagliamento psicologico, produce una sensazione di «discomfort»
e di fatica visiva.
Il primo tipo di abbagliamento, più grave del secondo, si valuta
generalmente mediante la luminanza velante equivalente, che esprime
la
misura
in
cui
gli
apparecchi
illuminanti
presenti
nel
campo
visivo dell'osservatore provocano la formazione in questo campo di
un velo di luminanza parassita, che annebbia i contorni e riduce i
contrasti di luminanza fra oggetti e sfondo. La luminanza velante
equivalente Lve [ cd/m2 ]si valuta con la seguente formula,
n
Lve = 9, 2∑
i =1
Evi
Θi2
4.1
dove Evi [lux] è l'illuminamento nel piano verticale dove si trova
l'occhio dell'osservatore prodotto dal generico centro luminoso i.
Mentre Θi, espresso in gradi, è l'angolo formato fra la direzione di
osservazione (che si assume diretta verso l'asse della corsia di
marcia, inclinato di 1° verso il basso rispetto l'orizzontale) e la
congiungente l'occhio dell'osservatore con la sorgente luminosa i.
Nel caso di illuminazione di strade oppure gallerie, in cui i centri
sono disposti in fila continua, si usa la formula seguente, di più
rapida calcolazione:
Lve =
dove
2,81⋅10−6 12
Φ ∑ Yi
h12
i =1
4.2
h12 [m] è l'altezza dei centri rispetto a quella dell'occhio
dell'osservatore,
l’altezza
perciò
dall’altezza
corrispondente
alla
assoluta
bisogna
posizione
sottrarre
dell’occhio,
convenzionalmente: h1 = h-1,5; Φ [lumen] è il flusso luminoso delle
lampade
di
un
centro,
gli
Yi
si
valutano
in
base
alla
curva
fotometrica degli apparecchi nel piano longitudinale passante per
l'occhio dell'osservatore.
Il limite dell'abbagliamento fisiologico è espresso in termini di
incremento percentuale relativo del contrasto di soglia, che esprime
quanto è cresciuto il contrasto, tra la luminanza di un oggetto e
quella del suo sfondo, minimo necessario per la visibilità su strada
(o contrasto di soglia), per effetto del velo di luminanza parassita
provocato dai centri luminosi. Tale incremento è quindi funzione sia
della luminanza velante equivalente, sia della luminanza media della
carreggiata
stradale.
Con
il
2%
di
incremento
si
ha
l'inizio
dell'abbagliamento fisiologico.
Il secondo tipo di abbagliamento, quello psicologico, dipende, oltre
che
dalle
caratteristiche
d'emissione
dei
centri
luminosi,
dal
numero dei centri visibili (o dalla loro interdistanza), dall'area
della
superficie
emittente
degli
apparecchi,
ecc..
Il
criterio
seguito attualmente per la sua valutazione consiste nel determinare,
per una data installazione, il corrispondente indice G di abbagliamento psicologico: quest’indice può variare in pratica tra un valore
minimo di 1, al quale corrisponde la valutazione di «abbagliamento
non
tollerabile»,
ed
un
massimo
di
9:
«abbagliamento
non
avvertibile». Per semplificare la valutazione dell'indice G è stato
predisposto un grafico.
Un altro fattore di qualità di un impianto è la guida visiva, ossia
la possibilità che il guidatore ha a riconoscere con immediatezza il
tracciato
della
strada
che
deve
seguire.
Le
indicazioni
che
si
possono dare in proposito sono solo di carattere geometrico. Occorre
che i centri siano installati in modo da indicare prospetticamente
il
tracciato
della
strada,
specialmente
in
presenza
di
svincoli o di situazioni poco chiare del tracciato stradale.
curve,
5. Concetti di illuminazione nelle gallerie
L'illuminazione di una galleria durante le ore diurne ha lo scopo di
garantire
al
traffico
che
l'attraversa
condizioni
di
sicurezza,
velocità e comfort almeno pari a quelle che si hanno nei tratti di
strada prima e dopo la galleria.
Poiché non è, né tecnicamente né economicamente possibile realizzare
in galleria un'illuminazione pari a quella esistente all'esterno,
occorre individuare i livelli d'illuminazione minimi indispensabili
di cui dotare ogni tratto di galleria per ottenere le sopraddette
condizioni di sicurezza e fluidità del traffico. Le difficoltà da
superare possono distinguersi nelle seguenti:
-
quale livello di luminanza occorre realizzare nel tratto iniziale
della galleria (tratto di adattamento o di soglia) e per quale
lunghezza
di
galleria,
all'esterno
possa
all'interno
del
affinché
percepire
la
manufatto
ad
il
guidatore
presenza
una
di
che
si
eventuali
distanza
utile
trova
ostacoli
per
poter
governare di conseguenza il suo veicolo,
-
in che modo ridurre il livello iniziale di luminanza a valle del
primo
tratto
adattamento
di
galleria,
dell’occhio
in
al
modo
da
passaggio
consentire
dalle
il
elevate
graduale
luminanze
esterne a quelle necessariamente più modeste interne,
-
quale
livello
galleria,
di
luminanza
allorché
si
è
adottare
ottenuto
nel
tratto
l'adattamento
finale
della
dell'occhio
ai
bassi livelli di luminanza della illuminazione artificiale.
La
difficoltà
concernente
notevolmente
l'illuminazione
più
del
importante
tratto
è
la
iniziale
prima:
di
quella
galleria
per
potervi accedere in tutta sicurezza durante il giorno. Dal momento
in cui il guidatore di un automezzo si trova, all'esterno della
galleria, ad una distanza dall'imbocco pari alla distanza di arresto
del
suo
veicolo,
fino
a
quando
perviene
in
corrispondenza
dell'imbocco, egli ha bisogno di controllare un tratto di strada
all'interno del traforo. Essendo gli occhi del conducente adattati
all'elevata
luminosità
esterna,
condizioni
tale
discernere
da,
bisogna
mettere
all'interno
il
della
guidatore
in
costruzione
l'andamento della strada e la presenza (o l'assenza) di eventuali
ostacoli. Per ottenere ciò, occorre che l'interno della galleria sia
sufficientemente luminoso, in rapporto alla luminosità esterna. Nel
caso di una luminosità interna eccessivamente inferiore a quella
esterna,
l'interno
apparirà
al
guidatore
come
un
“buco
nero”,
all'interno del quale non è possibile percepire alcun dettaglio.
Occorre
individuare
soluzioni
che
minimizzino
l'uso
dell'energia
elettrica richiesta per tali impianti e che garantiscano un'elevata
affidabilità, in modo da contenere al minimo gli interventi del
personale per manutenzione.
Le
gallerie
si
distinguono
generalmente,
ai
fini
della
loro
illuminazione, in “lunghe” e “corte”; le prime sono quelle per le
quali un guidatore, posto ad una distanza pari alla distanza di
arresto del veicolo, prima dell'imbocco ed in condizioni normali di
traffico, non vede il portale d'uscita. In questa trattazione si
considerano solamente le gallerie lunghe.
5.1 Dimensionamento e grandezze caratteristiche per l’illuminazione
di una galleria lunga
Il
parlamento
2004/54/CE
sicurezza
del
per
europeo
29
le
e
del
aprile
gallerie
consiglio
2004,
della
definisce
relativa
rete
ai
nella
requisiti
stradale
direttiva
minimi
di
transeuropea,
in
corrispondenza all’impianto di illuminazione, quanto segue:
“…
2.8. Illuminazione
2.8.1. L’illuminazione ordinaria deve essere prevista in modo tale
da assicurare una visibilità adeguata ai conducenti
nella zona di ingresso e all’interno della galleria, di giorno e di
notte.
2.8.2. L’illuminazione di sicurezza deve essere prevista in modo
tale da fornire un minimo di visibilità agli utenti della
galleria, per consentire loro di abbandonare quest’ultima con i loro
veicoli in caso di interruzione dell’alimentazione
elettrica.
2.8.3. Le illuminazioni di evacuazione, quali segnali luminosi di
evacuazione, posti a un’altezza non superiore a 1,5 m,
devono guidare gli utenti della galleria che sgombrano la galleria a
piedi, in caso di emergenza.
…”
Nell’esercizio nominale, l’impianto di illuminazione delle gallerie
lunghe
consiste
illuminazione
l'estensione
d'accesso
verso
nel
di
rinforzo
dipendono
prevista
l’interno
permanente.
realizzare
Le
dimensionamento
per
della
il
cui
dalla
data
galleria
sistema
valore
luminanza
quella
grandezze
del
all'accesso
che
di
della
iniziale,
esterna
arteria
si
galleria
e
l'andamento
dalla
affinché,
raggiunge
e
velocità
procedendo
l’illuminazione
fondamentalmente
illuminazione,
una
influenzano
sono
stabilite
il
a
livello nazionale dall’UNI (Unificazione Italiana) con la Norma UNI
11095
“Illuminazione
dalla
CIE
nelle
(Commission
gallerie”
ed
Internationale
a
livello
Eclairage)
internazionale
con
un
ultimo
aggiornamento della pubblicazione CIE 88. Sia la UNI che la CIE
identificano le condizioni principali di sicurezza nella zona di
entrata di una galleria, con la visibilità di un ostacolo tipo,
costituito da un cubo con spigoli di 20 cm e facce diffondenti con
fattore di riflessione pari a 0,10. Si tratta a tutti gli effetti,
di un oggetto molto scuro che si ritiene rappresentativo del più
piccolo ostacolo potenzialmente pericoloso che potrebbe trovarsi sul
piano stradale. In particolare, se un ostacolo di questo tipo fosse
presente
nella
sezione
di
entrata
di
una
galleria,
per
evitare
incidenti, esso dovrebbe essere visto da una distanza tale da detto
punto, in modo da permettere il conducente di arrestare il proprio
autoveicolo
in
tempo.
Come
visibile
in
figura,
la
distanza
di
arresto effettiva è molto maggiore di quella riportata sulle riviste
specializzate nel settore degli autoveicoli: infatti non solo in
realtà pneumatici e strade non sono quasi mai in condizioni ottime,
ma bisogna tener conto di tempi di reazione del guidatore medio,
normalizzato in 1,5 s.
Distanza di arresto [m]
Velocità [km/h]
Fig. 5.1: Distanze di arresto in funzione della
velocità per strade con pendenza nulla
Inoltre, le norme considerano cosa vede il conducente dalla distanza
di arresto entro il campo di visione ±30° orizzontalmente e ±20°
verticalmente. Risulta evidente che le luminanze del campo visivo
sono completamente diverse per le varie velocità di approccio alla
galleria.
L’effetto
della
luminanza
ambientale
è
la
formazione
di
una
luminanza di velo (luminanza velante), che riduce il contrasto di un
ostacolo e quindi anche la sua visibilità. Secondo le norme, la
luminanza
stradale
all’entrata
della
che
l’impianto
galleria,
per
di
illuminazione
rendere
visibile
deve
un
fornire
eventuale
ostacolo, deve essere proporzionale alla luminanza di velo, secondo
il
tipo
di
impianto
che
si
desidera
realizzare.
La
luminanza
stradale deve scendere avanzando verso l’interno della galleria in
quanto l’occhio pian piano si adatta all’oscurità e deve raggiungere
il valore minimo nella zona interna. Il valore della luminanza della
zona interna della galleria è l’elemento di differenziazione tra la
nuova CIE 88 e la UNI 11095. La prima prescrive valori molto ridotti
rispetto all’impostazione della vecchia CIE, senza però fissare un
riferimento oggettivo, la norma italiana invece pone un riferimento
inequivocabile al valore minimo consigliato. Prescrive una luminanza
pari a 1,5 o 2 volte quella prevista per la strada di accesso,
valutata secondo i dettami della norma UNI 10439. Di fatto pone in
relazione la zona interna o di illuminazione permanente con i valori
che sono riconosciuti validi per le zone all’aperto in situazione
notturna
in
consente
presenza
peraltro
di
di
un
adeguata
evitare,
illuminazione
durante
le
ore
pubblica.
Ciò
notturne,
il
verificarsi dell’effetto contrario che si ha di giorno, vale a dire
uscendo dalla galleria si cade nel buio con i pericoli conseguenti.
La
luminanza
interna,
dovuta
al
solo
impianto
di
illuminazione
2
permanente, tipicamente vale 3 ÷ 4 cd/m .
Per passare dalla luminanza di entrata a quella interna, le norme
prevedono una lunga zona di transizione in cui la luminanza scende
secondo la curva normalizzata riportata in figura.
alla
zona
di
entrata,
con
una
luminanza
prima
Come si vede,
costante
e
poi
decrescente fino al 40% del valore massimo a una distanza dalla
sezione di entrata pari alla distanza di arresto, segue una zona di
adattamento, la cui lunghezza è valutata in secondi di percorrenza,
e ciò perché l’occhio impiega sempre lo stesso tempo per adattarsi
al buio. La scala in lunghezze deve essere valutata in base alla
velocità massima, che nell’esempio riportato in figura 5.2 è pari a
130 km/h.
Fig. 5.2: Andamento delle luminanze stradali
nella zona di transizione
La norma UNI 11095 richiede inoltre:
-
luminanza
pareti
pari
ad
almeno
il
60%
della
luminanza
sulla
strada,
-
uniformità di luminanza (generale U0>0,4),
-
indice di abbagliamento (TI<15%),
-
coefficiente di qualità del contrasto qC (rapporto tra luminanza
del
manto
stradale
e
illuminamento
verticale
al
centro
di
un
ostacolo campione di dimensioni 0,2 m x 0,2 m),
-
assenza di farfallamento.
Per realizzare le condizioni richieste dalle norme, il sistema di
illuminazione è costituito da due o tre impianti:
-
impianto di rinforzo, spento di notte, che fornisce i livelli
adeguati nella zona dell’imbocco risp. di transizione durante le
ore diurne,
-
impianto
di
illuminazione
permanente,
esteso
su
tutta
la
lunghezza della galleria, che fornisce di giorno i livelli di
luminanza adeguati nella zona interna e di notte i livelli di
illuminazione notturna per l’intero sviluppo della galleria,
-
impianto di pre-uscita eventualmente presente, nel tratto finale
di gallerie percorse in modo unidirezionale.
Nella figura successiva è rappresentato qualitativamente l’andamento
di luminanza da realizzare. E’ tenuto conto anche dal tratto finale
della galleria, nella quale si ha l’impianto di rinforzo di preuscita.
stradali
Tale
impianto
percorsi
in
diventa
modo
superfluo
bidirezionale,
nel
in
caso
tale
di
caso
entrambi gli imbocchi una luce di rinforzo in entrata.
gallerie
si
ha
su
Fig. 5.3: Andamento qualitativo di luminanza lungo la galleria
Dove le lettere indicano le singole tratte di diversa luminanza:
A
Zona
di
entrata
(lunghezza
corrispondente
alla
distanza
di
arresto del veicolo, relativo ad una certa velocità limite)
B
C
Zona visibile dall’esterno della galleria
Zona
transitoria
Zona
transitoria
tra
luminanza
di
rinforzo
e
luminanza interna
D
Zona interna
E
Zona transitoria di uscita (assente in gallerie con senso di
marcia bidirezionale
5.2 Criteri installativi nell’illuminazione di gallerie
La tipologia ottica dell’apparecchio di illuminazione da impiegare è
fortemente legata ai vincoli installativi imposti dal tipo di volta
e
dalla
sagoma
limite
della
galleria
(definita
quella
parte
di
sezione nella quale può essere presente alcun ostacolo al traffico
veicolare).
Volta ad arco
Volta quadra
Fig 5.4. Esempi applicativi di montaggio per volta quadra
A tal proposito si distinguono gallerie in volta quadra e gallerie
in volta ad arco; per la seconda tipologia, in relazione ai criteri
con i quali è eseguita la ventilazione (longitudinale, trasversale o
semitrasversale),
disposizione
per
si
può
avere
una
l’installazione;
riduzione
questo
dello
comporta
spazio
le
a
stesse
problematiche di installazione presenti nelle gallerie quadre.
Se la sezione è di forma quadrata, si è, spesso, vincolati ad una
installazione laterale dei corpi illuminanti; con la volta circolare
si
possono
canalina
invece
installare
direttamente
in
gli
volta,
apparecchi
avendo
così
di
la
illuminazione
su
possibilità
di
centrare i corpi illuminanti sulle corsie di marcia e utilizzare
meglio il flusso luminoso emesso dagli apparecchi di illuminazione.
5.3
Distribuzione
fotometrica
degli
apparecchi
di
illuminazione
normalmente impiegati
Concentrando l’attenzione sui due impianti di illuminazione sempre
presenti, ovvero l’impianto di rinforzo ed il permanente (l’impianto
di
pre-uscita
importanza
è
solo
nella
nelle
pratica
una
gallerie
con
scelta
unico
progettuale
senso
di
e
assume
percorrenza),
riassumiamo qui di seguito quelle che sono le possibilità ottiche
degli apparecchi di illuminazione presenti sul mercato.
Nel caso dell’impianto di rinforzo si distinguono:
Ottica asimmetrica (installazione dei corpi illuminanti in volta)
Esempio di diagramma fotometrico di
un
con
corpo
illuminante
lampada
pressione,
al
400
(proiettore
sodio
W)
ad
dotato
alta
di
riflettore asimmetrico.
Questa
ottica
asimmetrica
può
essere
utilizzata
in
due
modi
distinti:
-
Illuminazione nel senso della circolazione dei veicoli
-
Illuminazione nel senso contrario alla circolazione
Si spiegherà più avanti in modo più dettagliato i particolari di
questi differenti modi di montaggio.
Ottica simmetrica-stradale (installazione dei corpi illuminanti in
volta)
Esempio di diagramma fotometrico di
un
corpo
con
illuminante
lampada
al
pressione,
150
(proiettore
sodio
W)
ad
alta
dotato
di
riflettore simmetrico.
Ottica simmetrica e asimmetrica a disposizione laterale ( impiegato
nelle gallerie con sezione quadra)
Visti i livelli di illuminazione da garantire, per quest’impianto,
sono utilizzate solo lampade al sodio ad alta pressione.
Esempio di diagramma fotometrico di
un corpo illuminante da montaggio a
parete
sodio
dotato
lungo
(proiettore
ad
alta
di
lampada
pressione,
riflettore
l’asse
asimmetrico
con
W)
simmetrico
210°/330°
lungo
150
al
l’asse
mentre
è
90°/270°
(perpendicolare alla parete).
Nel caso dell’impianto di illuminazione permanente si distinguono:
-
Ottica simmetrica-stradale (installazione dei corpi illuminanti
in volta);
-
Ottica
simmetrica
(installazione
e
asimmetrica
laterale
dei
corpi
per
lampade
illuminanti
al
con
sodio
eventuale
inclinazione);
-
Ottica
simmetrica
(installazione
ed
asimmetrica
laterale
dei
per
corpi
lampade
illuminanti
fluorescenti
con
eventuale
inclinazione). Per quest’impianto sono utilizzate sia lampade al
sodio alta pressione che lampade fluorescenti lineari.
5.4 Tipologie di corpi illuminanti
Per
l’illuminazione
delle
gallerie
stradali,
sia
nel
caso
dell’illuminazione di rinforzo, sia per l’illuminazione permanente,
si possono impiegare vari tipi di corpi illuminanti. Tipicamente si
usano lampade a scarica HID (High Intensity Discharge):
-
Lampade al sodio a bassa pressione,
-
Lampade al sodio ad alta pressione,
-
Lampade al mercurio ad alta pressione.
Le lampade a scarica ad alta pressione si distinguono nella forma e
nella potenza, e presentano notevoli differenze nella costruzione e
nel servizio.
Sono
costituite
da
un
contenitore,
generalmente
di
vetro
o
di
quarzo, nel quale si trova un aeriforme adatto (vapori di sodio o di
mercurio, gas rari, ecc.) avente un’opportuna pressione. Inoltre in
questo contenitore sono presenti due elettrodi.
In una massa di gas rarefatto esistono degli elettroni liberi dovuti
principalmente
ad
effetti
fotoelettrici.
Se
si
collegano
i
due
elettrodi posti all’interno del gas ad una sorgente di tensione
continua, per effetto di questa ultima gli elettroni si muovono
verso l’anodo. Lungo questo cammino potranno urtare gli atomi del
gas. L’urto può avvenire secondo le modalità seguenti:
A piccola velocità. La collisione si dice elastica e provoca la
deviazione dell’elettrone d’urto, che cede una piccola parte della
sua energia cinetica all’atomo di gas che si riscalda.
Ad alta velocità. L’urto provoca il salto d’orbita di uno degli
elettroni esterni ad un livello energetico superiore; in questo caso
l’atomo
del
gas
si
dice
eccitato.
Dopo
un
tempo
molto
breve
l’elettrone torna al suo livello iniziale. Nel passare da uno stato
energetico superiore E2 ad uno stato energetico inferiore E1, l’atomo
emette un quanto di luce (fotone):
E2 − E1 = hν
Dove
h
è
la
costante
di
Planck
e
5.1
ν[s-1]
è
la
frequenza
della
radiazione emessa.
Ad altissima velocità.
La
velocità
dell’elettrone
d’urto
è
tanto elevata che un elettrone è strappato dal sistema atomico,
l’atomo di gas diventa caricato positivamente (diventa uno ione)
l’elettrone
d’urto,
liberato
mentre
lo
si
ione
comporta
può
esattamente
ricombinarsi
con
come
un
un
elettrone
altro
elettrone
producendo luce oppure dare calore urtando contro le pareti.
Se si applica ora un adatta tensione continua al tubo si avrà una
formazione
di
ioni
che
si
sposteranno
verso
il
catodo
ed
una
produzione di elettroni che si sposteranno assai velocemente verso
l’anodo. La tensione minima capace di produrre questo processo si
chiama
tensione
d’innesco.
Sotto
il
bombardamento
degli
ioni
il
catodo si riscalda, di conseguenza la ionizzazione aumenta e si
produce un numero di elettroni sufficiente a far sì che la scarica
divenga indipendente dagli elettroni liberi originari. La tensione
ai morsetti sufficiente a mantenere la scarica è più bassa della
tensione d’innesco e si chiama tensione d’arco.
La tensione d’innesco (anche chiamata tensione d’accensione) dipende
dal prodotto della pressione per la distanza interelettrodica
A pressioni elevate. Il tempo libero medio delle particelle (tempo
tra due urti successivi) è piuttosto breve, per cui non riescono ad
acquistare energia cinetica sufficiente per produrre la ionizzazione
di
atomi
nelle
collisioni.
Solo
aumentando
la
differenza
di
potenziale si riesce ad accelerare adeguatamente le particelle in
modo che nelle collisioni avvenga la ionizzazione di altri atomi.
Per
tale
motivo
la
tensione
d’innesco
deve
essere
adeguatamente
elevata.
A pressione bassa. (Gas molto rarefatto) Il tempo libero medio è
molto grande, perciò la probabilità che avviene una collisione prima
che la particella arrivi sull’elettrodo di segno opposto è piuttosto
bassa. Solo aumentando la tensione si riesce a diminuire il tempo
libero medio producendo una maggiore agitazione delle particelle.
Anche in questo caso si ottiene tale effetto benefico, aumentando la
tensione d’innesco.
Affinché il fenomeno della scarica non si esaurisca è necessario che
il gas rimanga ionizzato, con spostamenti verso il catodo di ioni
positivi e di elettroni verso l’anodo. In tal modo si determina una
corrente
progressivamente
funzionamento
delle
più
lampade
a
elevata.
Per
regime
quindi
è
stabilizzare
il
indispensabile
impiegare dei limitatori di corrente, cosiddetti reattori, che sono
delle
resistenze
di
tipo
induttivo
per
limitare
le
perdite
di
potenza.
Quando
la
tensione
di
alimentazione
è
uguale
o
superiore
alla
tensione di innesco, può essere sufficiente utilizzare soltanto un
elemento
stabilizzatore,
che
essendo
di
carattere
induttivo,
va
rifasato con un opportuno condensatore per portare il cosφ a 0,9.
Nel
caso
che
la
tensione
di
rete
è
inferiore
alla
tensione
innesco può essere necessario adottare dispositivi più complessi.
di
I vantaggi delle lampade a scarica sono in generale riassumibili nei
seguenti:
-
elevata efficienza luminosa,
-
lunga durata di vita, costo annuo ridotto,
-
luminanze in genere non elevate.
Gli inconvenienti sono invece:
-
alimentazione
non
diretta
dalla
rete,
necessità
di
ausiliari
elettrici,
-
in alcuni casi, posizione di funzionamento obbligata,
-
accensione in genere non istantanea,
-
riaccensione a lampada calda in genere non immediata.
Alcuni
gas
e
vapori
caratterizzati
dall’emissione
dell’ultravioletto.
raggiante
è
utilizzati
Si
di
intuisce
inutilizzabile
nei
tubi
di
radiazione
che
questa
nell’ambito
scarica
sono
nella
zona
aliquota
della
di
energia
illuminazione
di
gallerie stradali. Per ovviare a questo inconveniente si è pensato
di
sfruttare
recupero
di
permette
il
fenomeno
questa
la
della
energia
correzione
fluorescenza,
emessa
del
fuori
colore
del
che
consente
visibile
della
luce
e
il
inoltre
emessa
con
l’ottenimento di indici di resa cromatica assai elevati.
Si può variare la tonalità ed il colore della luce, variando le
qualità
e
le
quantità
di
attivatori
fluorescenti
e
mantenendo
costante la lunghezza d’onda dell’energia emessa.
Le lampade a scarica in gas sono caratterizzate tutte dall’avere
efficienze specifiche (in termini di lm/W) superiori alle normali
lampade ad incandescenza. Anche la vita media è superiore rispetto
alle
lampade
generalmente
ad
incandescenza.
queste
sorgenti
Per
non
contro
rispondono
si
può
affermare
altrettanto
bene
che
ai
requisiti di resa cromatica. In particolare, mentre quasi tutte le
lampade fluorescenti hanno un buon indice di resa cromatica (Ra=85 ÷
90), le lampade al sodio a bassa pressione, sono le più sfavorite
sotto questo aspetto.
Le lampade a scarica di gas si suddividono principalmente in due
sottogruppi:
-
A bassa pressione di gas,
-
Ad alta pressione di gas.
Lampade a vapori di sodio a bassa pressione (SBP)
In queste lampade la scarica avviene in vapori di sodio a bassa
pressione
dentro
un
lungo
tubo
ad
U
di
vetro.
Raggiungere
un
efficienza luminosa elevata ed un controllo del campo di emissione
delle radiazioni delle lampade al sodio a bassa pressione, necessita
un controllo preciso della temperatura del bulbo. Tale temperatura
determina la pressione del gas. Valori ottimali di temperatura e
pressione del gas sono 270°C e 0,5 Pa.
Per ottenere questi valori diventa importantissimo raggiungere un
perfetto isolamento termico del tubo di scarica. Pertanto, il tubo è
inglobato in un secondo involucro ed è realizzato il vuoto fra i due
contenitori, questo accorgimento evita il passaggio di calore per
convenzione.
Infine la superficie interna del tubo contenitore è rivestita di uno
strato di ossido di indio, che ha la particolarità di far passare il
91% delle radiazioni luminose e di riflettere all’interno il 90%
delle radiazioni infrarosse.
Questi accorgimenti ed ulteriori particolari nell’isolamento e nei
circuiti elettronici di accensione, hanno portato ad ottenere valori
di efficienza specifica fino ad un massimo di 200 lm/W e rendimenti
molto elevati. La tensione di innesco è attorno all’ 1 kV, che è
molto inferiore rispetto alle lampade al gas ad alta pressione.
Mentre l’accensione della lampada non è immediata (occorrono circa
12 min), la riaccensione a lampada calda, avviene quasi subito per
il fatto che i vapori di sodio sono a bassa pressione.
L’inconveniente delle lampade al sodio a bassa pressione è dato dal
fatto che la luce prodotta ha un colore monocromatico giallo-verde.
Perciò queste sorgenti di luce possono essere usate solo nel caso in
cui la resa cromatica è meno importante ed è invece più importante
l’acuità visiva. In tal caso bisogna considerare che la pupilla
dell’occhio è costretta ad allargarsi molto, ed in presenza di luce
policromatica si presentano dei disturbi nella visione distinta. Con
lampade
al
sodio
a
bassa
pressione
questi
disturbi
sono
molto
ridotti, ed è più facile definire e distinguere oggetti che appaiono
nel cono visivo.
Lampade a vapori di sodio ad alta pressione (SAP)
Le lampade al sodio ad alta pressione sono nate per superare le
limitazioni all’impiego delle lampade al sodio a bassa pressione,
cioè
il
basso
valore
dell’indice
di
resa
cromatica
Ra.
Per
raggiungere valori di Ra maggiori è necessario aumentare la pressione
all’interno del tubo. Ciò porta ad un aumento della temperatura di
servizio, che a sua volta rende problematico l’impiego di vetro o
quarzo
per
realizzare
il
tubo,
essendo
il
sodio
alle
alte
temperature un elemento molto aggressivo. Al posto del vetro o del
quarzo si usano materiali ceramici costituiti da ossido di alluminio
sinterizzato, i quali consentono una buona trasparenza ed un punto
di rammollimento più alto rispetto al vetro.
I valori di pressione del sodio all’interno del tubo arrivano fino a
100 kPa. L’aumento della temperatura e della pressione consente di
ottenere una luce bianca dorata, temperatura di colore di 2500 K,
simile alla luce emessa dalle lampade ad incandescenza. L’indice di
resa cromatica varia da Ra=20 fino a Ra=80.
L’inconveniente di questa tipologia di lampade sta nel fatto che
l’efficienza specifica è ridotta rispetto alla tipologia a bassa
pressione. Anche la tensione di innesco è maggiore, ed a seconda
della potenza varia da 1,8 kV a 4,5 kV.
I vantaggi elencati ed il fatto che il tempo di accensione è breve
(meno di 5 min) ed il tempo di riaccensione a lampada calda è di
circa 1 min, fanno sì che le lampade al sodio ad alta pressione sono
largamente impiegate.
Esiste anche una tipologia di lampade SAP tubolari a due attacchi,
per montaggio in proiettori, che, munite di accenditore speciale,
hanno riaccensione istantanea a caldo.
Lampade al mercurio ad alta pressione
In questo tipo di lampada la scarica avviene in vapori di mercurio
ed
argon
ad
alta
pressione
entro
un
tubetto
di
quarzo
puro
di
piccole dimensioni disposto, attraverso opportuni sostegni, entro
un’ampolla
di
vetro
isotermico.
Tale
ampolla
è
ricoperta
internamente di sostanze fluorescenti, e riempita d’azoto con la
funzione di migliorare l’isolamento termico.
La pressione del gas è molto elevata, essa varia da 100 kPa fino a
2,5 Mpa. Il sistema di accensione è con elettrodi ausiliari.
Perché la lampada va a regime è necessario un tempo di 4 ÷ 5 min. In
caso di spegnimento della lampada si ha un tempo di riaccensione di
3
÷
5
min,
tempo
sufficientemente
lungo
per
far
diminuire
la
pressione e consentire il formarsi della nova scarica.
Le
radiazioni
ultraviolette
presenti,
trasformate
in
radiazioni
visibili per mezzo dello strato fluorescente depositato sulla parete
interna dell’ampolla, consentono di migliorare la qualità della luce
e della resa dei colori.
L’efficienza specifica di queste lampade è relativamente bassa, e
varia da un minimo di 35 lm/W ad un massimo di 60 lm/W. L’indice di
resa cromatica Ra varia da 35 a 60.
Lampade ad alogenuri metallici
Le
lampade
a
vapori
di
alogenuri
metallici
rappresentano
una
evoluzione delle sorgenti a vapori di mercurio ad alta pressione,
differendo
da
queste
per
la
natura
delle
sostanze
aeriformi
utilizzate nel riempimento del tubo di scarica.
Il
tubo
di
scarica,
realizzato
in
quarzo,
contiene,
oltre
che
mercurio ed argon, alogenuri di sodio, di tallio e di iodio. Altri
tipi di recente produzione, ad alta resa cromatica, contengono altre
terre rare come disprosio, olmio, tullio e cesio.
Durante il funzionamento a regime si ha una tale ricombinazione
degli alogenuri, che gli stessi non attaccano il quarzo ed inoltre
le temperature nella prossimità delle pareti sono modeste. Perciò il
tubo esterno funge solamente da protezione. Le tipologie esistenti
in
commercio
possono
differenziano,
oltre
essere
a
doppio
che
per
le
o
a
singolo
potenze
e
attacco
le
e
si
prestazioni
illuminotecniche, per forma e dimensione di ingombro.
Le lampade ad alogenuri richiedono un dispositivo accenditore che
crea
l’elevata
tensione
di
innesco
(fino
a
4
kV).
I
tempi
di
accensione sono simili a quelli delle lampade al mercurio ad alta
pressione, mentre quelli di riaccensione sono molto più lunghi (15 ÷
20 min). Esistono anche lampade a riaccensione istantanea realizzate
con
particolari
miscele
di
terre
rare,
fra
cui
anche
sostanze
radioattive, e con opportuni dispositivi di innesco (che forniscono
tensioni fino a 30 ÷ 60 kV).
Queste lampade hanno resa cromatica Ra da 65 a 95, i tipi con Ra
elevato e temperatura di colore tra 5200 e 6000 K danno una luce
vicina alla luce diurna, mentre quelle con temperatura di colore
intorno
ai
3000
K
danno
una
luce
molto
simile
alle
lampade
ad
incandescenza. L’efficienza luminosa raggiunge i 95 lm/W.
La durata di vita delle lampade
Le
indicazioni
sulla
vita
di
una
lampada
dipendono
da
varie
influenze e anche dalla tipologia di lampada:
Lampade ad incandescenza. Si considera la vita media determinata
secondo criteri statistici, essa vale per lampadine di uso comune
1000
h.
Dopo
questo
periodo
sono
ancora
in
funzione
(statisticamente) il 50%.
Lampada a gas ad alta e bassa pressione. In questo caso la durata di
vita è espressa come vita economica, che corrisponde al periodo di
tempo dopo il quale l’intensità luminosa dell’impianto si è ridotta
al
70%
oppure
installazioni
80%
(70%
per
all’interno)
installazioni
rispetto
all’esterno
all’intensità
e
80%
luminosa
per
nel
momento della messa in servizio. Tale periodo è determinato con
delle prove a cicli di 12 ore (acceso per 11 ore, spento per 1 ora).
La vita utile è influenzata da varie grandezze, come la frequenza di
accensione, la potenza della lampada, dal gas utilizzato, ecc. Per
questo motivo è difficile realizzare una stima precisa. Ma ciò non è
neanche necessario, dato che in impianti di una certa dimensione, la
sostituzione
stabiliti
possono
non
avviene
secondo
essere
a
criteri
misure
vita
utile
economici
e
dell’intensità
conclusa,
di
ma
servizio.
luminosa,
in
momenti
Tali
criteri
analisi
dei
costi
della procedura di manutenzione o anche in base alla possibilità di
accesso
all’impianto
di
illuminazione.
Secondo
questi
criteri
è
stabilito se effettuare sostituzioni singole oppure di gruppo.
Nella tabella seguente sono riportati i valori di vita utile per i
principali tipi di lampade al gas. Le indicazioni sotto riportate si
riferiscono ad un calo dell’intensità al 70% del valore iniziale.
Potenza
[W]
70
250
Tipo di lampada
Lampada ad alogenuri
Vita utile
[h]
6000
10000
16000
12000
16000
12000
Lampade al mercurio ad alta pressione
50 ÷ 70
150 ÷ 400
Lampade al sodio ad alta pressione
Lampade al sodio a bassa pressione
Fattori operativi che condizionano la durata delle lampade, sono
principalmente:
Aumenti di tensione. Per aumenti di tensione, rispetto al valore
della tensione nominale di alimentazione, la vita delle lampade si
accorcia
più
o
meno
drasticamente.
Nelle
lampade
a
scarica
al
crescere della tensione aumenta la corrente di lampada e la velocità
di
vaporizzazione
degli
elettrodi
a
causa
del
più
violento
bombardamento elettronico che si determina in queste condizioni. Il
metallo vaporizzato depositandosi sulle pareti del tubo di scarica
lo annerisce riducendo l’emissione luminosa e facendone aumentare la
temperatura.
Diminuzioni di tensione. Per diminuzioni di tensione le durate di
vita aumentano. Brevi interruzioni brusche di tensione, che superano
il 30 ÷ 40% (microinterruzioni), possono portare allo spegnimento di
alcune lampade a scarica HID. In questi casi la riaccensione non
avviene
immediatamente.
Frequenti
spegnimenti
e
riaccensioni
a
seguito di microinterruzioni portano a particolari sollecitazioni
sul tubo di scarica con conseguente accorciamento della vita delle
lampade.
Posizione
di
funzionamento.
Per
alcune
lampade
è
prescritta
una
posizione di funzionamento obbligata. Se questa non è rispettata, la
lampada non funziona correttamente e la sua durata di vita ne è
influenzata.
Le lampade HID nell’impianto
Le lampade a scarica hanno bisogno di apparecchiature ausiliarie a
cui sono affidate, in tutto o in parte, le seguenti funzioni:
-
determinare le condizioni per l’innesco della scarica,
-
stabilizzare la scarica.
L’insieme, lampada più accessori, deve essere rifasato con opportuni
condensatori atti a portare il cosφ ad almeno 0,9. Se invece si
usano alimentatori elettronici, cosiddetti reattori elettronici, non
serve il rifasamento, non essendoci il carico induttivo.
Gli impulsi di tensione necessari per l’accensione, creati per mezzo
di un circuito risonante comandato da un tiristore, sono amplificati
per
mezzo
di
un
trasformatore
di
impulsi.
In
dipendenza
del
trasformatore di impulsi questo tipo di accenditore è costoso e
richiede di una installazione la più vicina alla lampada per evitare
attenuazioni
agli
impulsi
in
dipendenza
della
capacità
dei
conduttori di connessione. Il dispositivo accenditore può essere di
tipo
serie,
in
derivazione
oppure
misto,
a
seconda
del
tipo
di
lampada e della relativa potenza. Per avere le migliori garanzie di
funzionamento
è
preferibile
che
il
complesso
lampada-reattore-
accenditore, siano di uno stesso costruttore.
Il dispositivo stabilizzante più economico e diffuso, per lampade
HID, è il reattore che consiste in una reattanza di ferro di valore
opportuno. Esso permette di stabilizzare la lampada con un valore di
perdite modesto (10 ÷ 12%). Con l’adozione del reattore si ha un
fattore di potenza di circa 0,6, che può essere rifasato inserendo
un condensatore di opportuna capacità in parallelo alla lampada. Il
rifasamento
ha
l’inconveniente
che
la
corrente
distorta per via di un notevole contenuto armonico.
primaria
risulta
Il maggior inconveniente dei dispositivi in esame sta nella cattiva
risposta
alle
variazioni
di
tensione
di
rete
ed
al
loro
comportamento durante il periodo di riscaldamento. Per i reattori in
commercio, per variazioni della tensione di alimentazione del -20%,
la lampada si spegne. Mentre per variazioni di tensione del ± 5%, si
ha una variazione del flusso luminoso di ± 10 ÷ 15%. I reattori che
garantiscono condizioni di funzionamento migliori, sono quelli che
lavorano lontano dalla saturazione.
Regolatori di flusso luminoso
Il flusso luminoso emesso da una lampada può essere regolato dal
valore massimo a un valore compatibile con il regolare funzionamento
della stessa per mezzo di opportuni dispositivi che riducono in modo
continuativo
oppure
a
gradini
la
corrente
di
lampada.
Tali
dispositivi possono essere costituiti da:
-
reattori aggiuntivi in serie o in parallelo a quello principale
con
la
finalità
di
aumentare
l’impedenza
che
porta
ad
una
e/o
con
diminuzione della corrente;
-
dispositivi
a
trasformatore
con
rapporto
variabile
booster di regolazione
-
dispositivi elettronici che impiegano triac o tiristori GTO per
realizzare
la
regolazione
della
tensione
de
lampada
e
la
sua
stabilizzazione.
I regolatori con reattore aggiuntivo sono di tipo monolampada o
bilampada ed il loro funzionamento è determinato da un circuito
pilota
che
regolatori
viene
a
controllato
trasformatore
dal
quadro
variabile
centrale
risp.,
i
di
comando.
regolatori
I
che
impiegano triac o tiristori sono in genere di tipo centralizzato e
permettono
una
riduzione
della
tensione
di
alimentazione
delle
lampade controllandone la stabilizzazione. Con la stabilizzazione
della tensione di alimentazione i regolatori assicurano condizioni
di funzionamento ottimale alle lampade determinando un allungamento
della loro vita media.
Ciclo
di
funzionamento
di
un
regolatore
centralizzato
di
flusso
luminoso
I
regolatori
centralizzati
di
flusso
luminoso
permettono
di
controllare la tensione di alimentazione delle lampade sulla base di
un
programma
preimpostato.
Nell’arco
di
tempo
di
accensione
dell’impianto di illuminazione il regolatore esegue automaticamente
un ciclo di funzionamento nel quale si distinguono le seguenti fasi.
Accensione. Alimentatore presettato ad un valore di tensione minima
durante la attesa di un segnale che comanda la connessione alle
lampade. Segnale che può derivare da una fotocellula oppure da un
interruttore orario.
Preriscaldamento. Il regolatore riceve il comando di accensione e
genera in uscita una tensione di 200 ÷ 205 V per un tempo che varia
dai 30 s ai 20 min. la tensione in questa fase è in ogni caso minore
alla
tensione
nominale,
onde
evitare
uno
shock
termico
iniziale
nelle lampade e consentire un regolare riscaldamento delle tali.
Rampa
di
salita.
Alla
fine
della
fase
di
preriscaldamento
il
regolatore porta la tensione ai capi della lampada alla tensione
nominale, seguendo una rampa di salita programmabile in base al tipo
di lampade installate. In questo modo si evita di avere brusche
variazioni d’illuminazione.
Funzionamento
nominale
a
flusso
affinché
non
nominale.
percepisce
Regolatore
il
comando
eroga
di
la
tensione
riduzione
di
tensione.
Rampa di discesa. La tensione viene fatta scendere, seguendo una
rampa in discesa, fino a raggiungere una tensione che può variare da
170 V a 200 V. Il calo progressivo ha un duplice pregio, prima non
fa notare brusche variazioni di illuminazione, secondo consente un
adeguamento
termico
delle
lampade
onde
evitare
un
prematuro
spegnimento.
Funzionamento a flusso ridotto. Il regolatore eroga una tensione che
varia da 170 V a 200 V per un tempo determinato dalla programmazione
del sistema di illuminazione.
Criteri di scelta delle sorgenti luminose
La scelta di sorgenti luminose opportune per illuminare una galleria
è
influenzata
da
vari
fattori.
Bisogna
determinare
la
tipologia
d’installazione, la luminanza del manto stradale necessaria secondo
le direttive e dimensionare l’impianto di rinforzo. Da questa prima
analisi seguono i criteri illuminotecnici.
Per
una
data
installazione
bisogna
definire
i
vincoli
dati
da
temperatura di colore e indice di resa cromatica dei colori, di
conseguenza la scelta della sorgente luminosa dovrebbe essere fatta
minimizzando l’investimento iniziale e le spese annue. Per ottenere
questa minimizzazione bisogna prendere in considerazione le seguenti
valutazioni, per un definito flusso luminoso:
-
Costo delle lampade
-
Efficienza
luminosa
reale
delle
lampade
(tenendo
conto
delle
perdite dovute ai circuiti ausiliari)
-
Durata economica
-
Ammortamento
-
Spese di esercizio e di manutenzione
Tabella riassuntiva delle grandezze caratteristiche dei principali
tipi di lampade a scarica HID (sono indicati valori minimi e massimi
di una gamma di lampade tipica)
Unità
Sodio bassa
Sodio alta
Mercurio alta
Alogenuri*
pressione
pressione
pressione
220
220
220
220
220
220
220
220
Tensione nominale
V
Potenza
W
18
180
lm
1800
33000
100
183
Flusso luminoso
Efficienza
luminosa
Resa cromatica
Temperatura di
colore
Tonalità colore
lm/W
-
Vita economica
h
Tempo di
min
accensione
Tempo di
min
riaccensione
*tubolari biattacco
1000
50
1000
75
250
3500 120000
1800
5800
5500
20000
36
58
73
80
70
0
°K
-
50
Gialla verde
12000 12000
120
20 ÷ 80
35 ÷ 60
65 ÷ 95
2000 ÷ 2500
3000 ÷ 4200
3000 ÷ 6000
Gialla dorata
Bianca
12000
16000
16000
16000
Da diurna a
dorata
6000 10000
12
12
5
5
4-5
4-5
4-5
4-5
1
1
1
1
3-5
3-5
15-20
15-20
Per determinare la convenienza economica dell’impiego di un tipo di
lampada rispetto ad un altro occorre considerare, oltre al costo
dell’energia,
l’ammortamento
del
costo
iniziale
(correlato
alla
durata di vita) ed i costi di esercizio e di manutenzione.
Fra le diverse sorgenti esaminate, quelle a scarica presentano in
assoluti gli oneri annui minori. Questi poi tendono a diminuire al
crescere della potenza delle lampade. Per le sorgenti adoperate di
norma nell’illuminazione di esterni gli oneri annui delle lampade a
vapori di mercurio ad alta pressione e delle lampade ai vapori di
sodio ad alta pressione risultano rispettivamente superiori del 40 ÷
50%
e
del
pressione.
20
÷
25%
di
quelli
delle
lampade
al
sodio
a
bassa
6. La galleria di San Giacomo
La galleria di S. Giacomo ubicata nel comune di Laives (BZ), aperta
al traffico dal 2005, fa parte della variante SS 12 Bronzolo –
Bolzano,
ed
é
una
galleria
stradale
extraurbana,
fornice
unico,
traffico bidirezionale, con due corsie di marcia (una per senso di
percorrenza) della lunghezza di 2.444,25 m. Il traforo comprende,
oltre all’arteria principale, degli svincoli sotterranei, dai quali
in
futuri
lotti
saranno
realizzati
i
collegamenti
necessari
per
completare la variante SS 12 Bronzolo – Bolzano.
Al centro della galleria è situata la caverna di ventilazione, dalla
quale si dirama la galleria di ventilazione con una lunghezza di ca.
180 m. Alla fine della galleria di ventilazione diparte il pozzo di
ventilazione avente un’altezza complessiva di ca. 220 m. Attraverso
il ventilatore principale nella caverna di ventilazione, avente un
diametro delle pale di 2800 mm ed una potenza elettrica nominale di
320
kW,
vengono
espulsi,
lungo
la
galleria
ed
il
pozzo
di
ventilazione, i fumi nel caso di un incendio nella parte centrale
della galleria. Mentre per la ventilazione nominale è stato inserito
un impianto di ventilazione longitudinale, impiegando ventilatori
assiali ad impulso. L’illuminazione, sia permanente sia di rinforzo,
è stata realizzata seguendo le direttive UNI 11095.
L’impianto
di
ventilazione
risp.
di
illuminazione
sono
le
cause
principali dei consumi elevati di energia elettrica, perciò vengono
esaminate in modo più dettagliato più avanti.
Ulteriori impianti tecnici della galleria comprendono una tubazione
antincendio con dispositivi antincendio collocati in galleria ad una
distanza
di
ca.
200
m,
dispositivi
di
chiamata
di
emergenza,
collocati in apposite nicchie, anch’essi a una distanza di ca. 200
m. Un impianto radio con ricezione del servizio sulla situazione
della
viabilità,
traffico
garantire
e
la
cartelli
copertura
con
l’alimentazione
GSM,
un
l’indicazione
elettrica
impianto
della
ed
il
rilevamento
vie
di
fuga.
funzionamento
del
Per
degli
impianti tecnici di sicurezza in caso di un sinistro/guasto, è stato
previsto,
oltre
alle
due
forniture
distinte
di
corrente
sia
attraverso l’imbocco sud risp. l’imbocco nord, un sezionamento di
questi
impianti
attraverso
un
in
tratti
impianto
da
UPS
100
statico,
m.
Inoltre
viene
l’alimentazione
con
elettrica degli impianti tecnici di sicurezza per ca. 1h.
Geometria della galleria
Lunghezza
Area media sezione
Diametro idraulico
Pendenza media
Quota media s.l.m.
[m]
[m2]
[m]
%
[m]
2444,25
66
8,01
0,6
250
Fig. 6.1: Pianta galleria di San Giacomo
garantita
energia
6.1 Impianto di ventilazione
6.1.1 Criteri di dimensionamento dell’impianto di ventilazione
Per il dimensionamento dell’impianto di ventilazione, la grandezza
fondamentale è la portata di inquinanti emessi in galleria, essa è
funzione delle diverse condizioni di traffico che attraversano il
fornice, e dipende da:
-
velocità di percorrenza
-
il numero di veicoli in galleria,
-
composizione del traffico (VL , VP, % diesel, % benzina, massa
VP).
Inoltre si distinguono tre diverse condizioni di traffico
-
traffico fluido
-
traffico congestionato
-
traffico bloccato
Traffico fluido
Sono
stati
utilizzati
i
risultati
di
studi
statistici
sulle
condizioni del traffico che percorreva lungo il vecchio tracciato
della SS 12, tenendo conto anche del nuovo tracciato attraverso il
traforo.
Queste
ultime
considerazioni
servivano
per
prevedere
la
velocità media di percorrenza.
I risultati statistici sono riportati in tabella 6.1, e risultano
pressoché
uguali
per
le
due
direzioni
di
percorrenza,
così
da
ottenere una ripartizione bilanciata del traffico nei due sensi di
percorrenza. Per la condizione di traffico fluido si ipotizza una
velocità media di percorrenza di 60 km/h, considerando la velocità
massima ammessa in galleria di vMAX = 80 km/h.
Direzione Bolzano
Direzione Bronzolo
10.000
10.000
Veicoli leggeri
% sul TGM
% veicoli a benzina
% veicoli a diesel
85
72
28
85
72
28
Veicoli pesanti
% sul TGM
% veicolo < 10 t
% veicolo < 20 t
% veicolo > 20 t
15
65
20
15
15
65
20
15
TGM*
*Traffico giornaliero medio
Tab. 6.1 Distribuzione traffico
Traffico congestionato
Si prende come riferimento la pubblicazione “Road tunnels: Emission,
Ventilation, Environment” (PIARC, Montreal 1995), che specifica per
il
traffico
congestionato
un
volume
di
70
pcu/km
per
i
tunnel
extraurbani con velocità di 10 km/h e l’equivalenza 1VP (Veicolo
pesante) = 3 pcu (*).
(*) pcu = passenger car unit = veicolo leggero equivalente.
Traffico bloccato
Condizione che vede i veicoli fermi in galleria e si prende come
riferimento la pubblicazione “Road Tunnels: Vehicle Emissions and
Air
Demand
for
Tunnel
Ventilation”
(PIARC,
giugno
2003),
che
specifica per il traffico bloccato una densità di veicoli di 150
pcu/km per i tunnel extraurbani e 1’equivalenza 1VP = 3 pcu (*).
Per le diverse condizioni di flusso di traffico si ricavano, dalla
pubblicazione
appena
citata,
dove
i
valori
limite
per
la
concentrazione degli inquinanti riportati in tabella 6.2, sono stati
cautelativamente riferiti ai valori di soglia di concentrazione più
restrittivi
previsti
per
l’anno
2010.
Gli
inquinanti
considerati
sono quelli prodotti dal funzionamento dei veicoli che percorrono la
galleria, costituiti prevalentemente da monossido di carbonio (CO),
ossidi di azoto (NOx) e particolato (PM10) che influenza l’opacità.
CO
Condizioni di traffico
Opacità: k
NO2
-1
[ppm]
[km ]
[ppm]
fluido
70
5
1
congestionato
70
7
1
bloccato
100
9
1
Tab. 6.2: Soglia di concentrazione degli inquinanti
Nasce
quindi
la
necessità
di
una
ventilazione
forzata
delle
gallerie, per portare la concentrazione dei gas tossici al valore
tollerabile delle persone. Naturalmente, i disturbi provocati dai
gas
sulle
persone
variano
in
funzione
della
loro
concentrazione
nell'aria ed in funzione del tempo di permanenza delle persone nella
zona di aria nociva.
A titolo di esempio si riportano in figura 6.2 le curve di nocività
che l'ossido di carbonio esercita sulle persone in funzione del
tempo di esposizione e delle parti per milione [ppm] di ossido di
ppm CO in aria
carbonio presenti nell'aria.
A
Effetti letali
B
Effetti dannosi
C
Mal di testa e
nausea
D
Effetti percepibili
Ore di esposizione
Fig. 6.2: Effetti aria inquinata sull’essere umano
Grandezza fondamentale per un adeguato dimensionamento dell’impianto
di ventilazione è il flusso naturale dell’aria. Esso è il flusso
d’aria che si presenta in assenza dell’impianto di ventilazione
forzata, e dipende dai seguenti fattori:
-
autoveicoli
direzione
(questi
di
agiscono
marcia
come
predominante,
un
pistone;
questa
se
determina
c’è
in
una
certe
circostanze una direzione privilegiata del flusso d’aria);
-
pressione
del
vento
(dalle
rilevazioni
della
stazione
meteorologica di Bolzano risulta che vi sono frequentemente forti
venti da sud; il portale sud è orientato direttamente a 180° e
non si trova in una trincea);
-
spinta statica (il fatto che la densità dell’aria all’interno
della galleria sia diversa da quella all’esterno può determinare
un effetto di spinta);
-
differenze
portali
di
(in
pressione
questo
caso
meteorologiche
sono
abbastanza
in
corrispondenza
ridotte,
dato
che
dei
la
galleria non collega due zone climaticamente differenti).
Gli agenti suddetti possono avere effetti contrapposti tra loro. Per
calcolare la direzione del flusso dell’aria naturale bisogna quindi
considerare sempre la sommatoria risultante.
6.1.2 Impianto di ventilazione installato
Ventilatori ad impulso (VI)
Seguendo
i
criteri
nsionamento
di
dime-
sono
stati
installati ventilatori a getto
ed
un
ventilatore
assiale
centrale. In modo da produrre
la
spinta
sono
d’aria
stati
necessaria
installati
8
ventilatori assiali ad impulso,
di potenza nominale Pn = 25 kW
e
spinta
nominale
libera di 900 N.
in
aria
Elettroventilatore tipo CBJET 100/10 – RS
Diametro girante
[mm]
1000
24
Portata
[m3/s]
Spinta in aria libera
[N]
900±6%
Potenza installata
[kW]
25
Motore elettrico
Asincrono
gabbia di scoiattolo
Classe H
IP 55
Temp. di esercizio
[°C]
40
Temp. in emergenza
[°C]
400 per 90’
Velocità di rotazione
[r.p.m.]
1480
Alimentazione
3F / 400 V / 50 Hz
In base alla situazione dell’installazione si è assunto un fattore
di riduzione della spinta relativamente alto, pari a ca. 0,3. Tenuto
conto di ciò, la spinta totale netta disponibile da parte degli 8
ventilatori a getto installati (8 x 900 N) ammonta a ca. 5.000 N. Da
un calcolo approssimativo delle prevedibili perdite di pressione in
presenza di traffico, ma in assenza di altri effetti, è risultato
che anche in caso di totale blocco del traffico in galleria (code)
dovrebbe essere possibile raggiungere una velocità longitudinale di
ca. 2,5 m/s. Se la galleria fosse completamente piena di autoveicoli
solo su una corsia, si potrebbero raggiungere teoricamente ca. 3 m/s
di velocità longitudinale. Nel calcolo si dovrebbe tenere conto di
una
leggera
diminuzione
di
questi
valori
a
causa
dei
vari
allargamenti delle piazzole nonché delle diramazioni (svincoli) già
predisposte.
In base alle esperienze fatte attualmente con analoghi progetti è
stato calcolato un fabbisogno di apporto d’aria di ca. 120 m3/s.
La sezione di galleria riservata al traffico ammonta a ca. 67 m2. A
proposito di ciò, la velocità longitudinale massima necessaria per
una ventilazione longitudinale è stata calcolata pari a ca. 2,1 m/s.
Ventilatore trasversale
Per l’asportazione dei
fumi
in
caso
di
emergenza,
nella
zona
centrale
della
galle-
ria, è stato installato
un ventilatore assiale
di
Pn
=
320
kW,
3
portata di 200 m /s con
un diametro di girante
pari
a
Tale
d
2800
mm.
ventilatore
è
installato
=
in
una
nicchia posta al centro della galleria e collegato alla caverna di
ventilazione. La caverna di lunghezza 212,2 m è poi collegata ad un
camino di altezza 226,52 m che asporta i fumi all’esterno.
Le misure di collaudo hanno dimostrato che il ventilatore assiale è
in grado di garantire la portata nominale di 200 m3/s. Il ventilatore
assiale può funzionare solo ad un unica velocità. Questa è tuttavia
sufficiente per l’impiego come ventilatore di aspirazione in caso di
incendio.
6.1.3 Controllo dell’impianto di ventilazione
1a modalità di controllo
Nel concetto di regolazione dell’impianto di ventilazione è stato
tenuto conto della direttiva RABT (Richtlinie für die Ausstattung
und
den
Betrieb
von
Straßentunnels,
2003),
che
fondamentalmente
suggerisce:
Evitare
frequenti
eventi
di
inserimento/stacco
di
ventilatori.
Innanzi tutto non è sensato invertire il senso di percorrenza della
colonna d’aria, quando l’aria nella galleria non è stata del tutto
ripulita conseguentemente alla precedente inversione del senso di
percorrenza della colonna d’aria. Differire da questo concetto può
essere conveniente solamente nel caso che avviene un’inversione del
flusso
naturale
ventilatori
d’aria,
non
sono
con
in
velocità
grado
di
talmente
elevata
contrastarlo,
che
ottenendo
i
una
velocità dell’aria di almeno 1 m/s.
La velocità del flusso d’aria non dovrebbe scendere sotto 0,8-1 m/s,
onde evitare che l’impulso d’aria dovuto all’entrata nella galleria
di
un
veicolo
pesante
risp.
leggero
provochi
un
arresto
risp.
inversione del flusso d’aria.
Per
minimizzare
concentrazione
il
di
consumo
CO
di
nonché
energia
le
elettrica,
misure
di
le
opacità
misure
di
controllano
l’inserimento dei ventilatori che determinano la velocità del flusso
risp. la portata d’aria.
Scopo di questo controllo è di mantenere i valori di CO e di opacità
entro
i
valori
di
soglia
prescritti
dalle
norme,
riportati
in
tabella 6.3:
Concentrazione CO
[ppm]
15
50
70
100
Soglie
Opacità
[km-1]
2,5
4,5
7,0
9,0
1a Soglia
2a Soglia
3a Soglia
4a Soglia
5a Soglia
125
14
(Chiusura galleria)
Tab. 6.3: Soglie di taratura controllo ventilatori
Al
raggiungere
della
prima
soglia
di
concentrazione
CO
risp.
opacità, il controllo attiva una coppia di ventilatori ad impulso,
indipendentemente
dalla
direzione
del
traffico
risp.
del
flusso
d’aria naturale, che spinge l’aria verso sud. Per ogni successiva
soglia il controllo prevede l’inserimento di una successiva coppia
di ventilatori. Affinché, giunti alla soglia numero 5, avviene la
chiusura totale della galleria.
Conclusione
Dal
diagramma
si
riconosce,
considerando
un
giorno
lavorativo
tipico, che nel periodo mattutino le emissioni raggiungono i valori
più alti. In particolare tale punte si verificano in circa tra le
ore 8.30 e le ore 11. In questo periodo il principale flusso di
traffico
è
da
regolati
in
sud
modo
verso
tale
nord.
da
Ma
spingere
dato
che
l’aria
i
ventilatori
sempre
verso
sono
sud,
il
controllo cerca di areare contro la spinta della colonna d’aria
dovuta al traffico. In generale la ventilazione non è in grado di
invertire
la
direzione
di
percorrenza
della
colonna
d’aria,
l’effetto della ventilazione è semplicemente un rallentamento della
velocità dell’aria. Di conseguenze l’aria pura impiega sempre più
tempo
ad
attraversare
la
galleria,
e
segue
un
innalzamento
progressivo dei valori di emissione. Nella figura sottostante si
evince il tempo rilevante per asportare il picco d’aria inquinata
dalla galleria.
4
VI 1
VI 2
VI 3
VI 4
VI 5
VI 6
OP 1
OP 2
OP 3
OP 4
Soglia OP
VI 7
VI 8
Vibrazione Ventilatori
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
4
3,5
3
Opacità
2,5
2
1,5
1
0,5
12.00
11.00
10.00
9.00
8.00
7.00
6.00
0
Fig. 6.3: Avvio VI in corrispondenza con i valori di opacità
In
periodi
di
minor
traffico
invece,
la
ventilazione
riesce
a
invertire il senso di percorrenza dell’aria. Ma l’aria contaminata,
giunta al portale nord viene spinta verso sud, e perciò si ha che
l’aria
contaminata
deve
attraversare
una
seconda
volta
l’intera
galleria.
Di
conseguenza
si
ha
anche
con
meno
traffico
un
innalzamento delle emissioni.
In entrambi i casi sopra descritti si ha un aumento delle emissioni
presenti all’interno della galleria, che porta a sua volta ad una
ulteriore richiesta di portata d’aria che causa un elevato consumo
di energia e di costi di funzionamento.
2a modalità di controllo
Dato che nelle ore del mattino si ha prevalentemente il traffico da
sud verso nord, la colonna d’aria viene spinta nella direzione del
traffico, e perciò verso l’imbocco nord. Essendo il portale nord
situato
in
un
centro
abitato,
non
è
possibile
asportare
l’aria
inquinata da tale imbocco.
In base all’esigenza di ridurre fortemente la fuoriuscita di aria
inquinata
dal
portale
nord
è
necessario
prevedere
l’impiego
del
ventilatore trasversale in esercizio normale. La misura di opacità e
di
velocità
dell’aria
determinano
il
controllo
dell’impianto
di
ventilazione. Esso viene implementato da un algoritmo che prevede 3
differenti tipologie di servizio:
Ventilazione passiva dovuta al flusso naturale verso sud
N0
oppure verso nord
N1
Ventilazione attiva da nord verso sud
N2
Ventilazione attiva da sud verso nord
Servizio N0
La
ventilazione
della
galleria
è
puramente
passiva,
affinché
i
valori di inquinamento rimangono sotto le relative soglie. La prima
soglia
viene
fissata
concentrazione di CO a
per
l’opacità
a
2,5
km-1,
mentre
per
la
30 ppm. Successivamente la prima soglia di
opacità viene ridotta al valore di 2,2 km-1 per migliorare la qualità
dell’aria all’interno della galleria. Affinché in tutta la galleria
i valori di opacità risp. di concentrazione CO rimangono sotto le
suddette soglie, l’impianto di ventilazione rimane spento, e l’aria
inquinata viene asportata o dal portale nord oppure dal portale sud
a seconda del flusso naturale dell’aria.
Superate
le
soglie
di
opacità
di
2,5
risp.
2,2
km-1
oppure
di
concentrazione CO, la ventilazione forzata interviene per sostenere
il flusso naturale, e si passa al servizio N1 oppure N2 a seconda
della direzione del flusso d’aria.
N0
V∗ = 0m3 s
VIj = 0 ∀j
15 min
t1
Oj >OS
N
CCO >CCO,S
S
N
N1
Fig. 6.4: Servizio N0
1
(<ϑN,10 >+<ϑS,10 >) >0
2
S
N2
Simbolo
t1
t2
Ou
Os
CCO,u
Riferimento
2
5
2
2,5
28
CCO,s
30
Sg
66
V*
V(t)
VIj
Unità
[min]
[min]
[km-1]
[km-1]
[ppm]
Descrizione
Tempo di iterazione
Tempo di attesa in coda
Opacità da raggiungere
Soglia di opacità
Concentrazione
CO
da
raggiungere
[ppm] Soglia
di
concentrazione CO
[m2]
Sezione
idraulica
galleria
[m/s3] Riferimento
portata
ventilatore assiale
[m/s3] Portata
istantanea
ventilatore assiale
Stato
ventilatore
ad
impulso generico
Dove j = 1,..,4 indica l’anemometro generico, mentre per lo stato
del ventilatore ad impulso generico, si ha:
{
VIj =
-1
direzione sud
0
spento
1
direzione nord
Servizio N1
Nel
caso
che
il
controllo
richiede
un
supporto
meccanico
di
ventilazione, e la velocità naturale dell’aria è verso sud, allora
tutti
i
ventilatori
ad
impulso
vengono
accesi
nella
medesima
direzione, ed il picco di aria inquinata viene asportato, il più
veloce
possibile,
attraverso
l’imbocco
sud.
Se
successivamente
i
valori di opacità risp. di concentrazione CO relativi ad ogni punto
di misura scendono sotto i valori di soglia, allora ogni 5 minuti
viene spento un ventilatore ad impulso. In questo modo, in un tempo
pari a 15/25 min, l’aria inquinata viene diluita con una quantità di
aria
pura
tale,
da
permettere
ai
valori
di
opacità
risp.
di
concentrazione CO a stabilirsi entro il valore da raggiungere e la
prima soglia.
Punto di misura di opacità
O
U
A
N
M
Serranda non chiusa
Serranda chiusa
Ventilatore ad impulso
Punto di misura di velocità longitudinale
Piazzola di sosta
Uscita di emergenza
Piazzola di svolta
Ventilatore assiale spento/acceso
N
O
O
U
U
M
Sud
Nord
Fig. 6.5: Schema di funzionamento N1
Il
flusso
d’aria
stabilendosi
in
galleria
viene
alternato
dai
veicoli entranti in galleria. Significa che, anche se il flusso
naturale da nord a sud viene supportato dalla ventilazione forzata,
il valore assoluto di velocità dell’aria può scendere a zero. Ma
sarebbe
sbagliato,
invertire
anche
rischierebbe
che
per
la
il
inversioni
istantanee
ventilazione
picco
di
aria
di
meccanica.
flusso
In
inquinata
si
naturale,
tal
dirige
modo
avanti
si
e
indietro all’interno della galleria senza fuoriuscire da uno dei due
portali.
Per
solamente,
questo
quando
ventilazione
motivo
si
sa
naturale
si
è
è
fondamentale
con
certezza
invertita.
cambiare
che
la
Condizione
il
servizio
direzione
minima
per
di
il
cambiamento di servizio è la seguente: se per un tempo di 10 min la
velocità
della
dell’aria
velocità
misurata
all’interno
teoricamente
l’impiego
dei
ventilatori,
traffico,
allora
si
può
raggiunta
relativo
dire
con
ad
della
galleria,
(velocità
una
certezza
limite)
certa
che
è
la
minore
tramite
situazione
di
direzione
di
ventilazione naturale si è invertita.
Per
essere
indipendente
dal
traffico,
la
velocità
limite
viene
impostata in corrispondenza alla peggiore condizione di traffico,
ossia traffico bloccato.
Perciò
si
considera
invertita
la
direzione
del
flusso
d’aria
naturale, se il valore medio della velocità longitudinale, misurato
in
galleria,
calcolato
in
10
min,
scende
sotto
la
soglia
delle
rispettive velocità limite. Questo criterio viene applicato, solo se
nei
40
min
considerando
precedenti
l’intera
è
avvenuto
galleria.
un
Se
completo
in
40
min
scambio
non
di
avverrà
aria,
tale
scambio, è evidente che la velocità limite non è stata raggiunta. La
velocità limite da considerare è la velocità longitudinale che si
stabilizzerebbe in galleria dovuta alla spinta di un dato numero di
ventilatori,
con
traffico
bloccato
ed
in
assenza
di
influenze
meteorologiche. La tabella seguente riporta le velocità limite in
funzione del numero di ventilatori accesi.
n˚ di VI accesi, j
Velocità limite
[m/s]
1
0,71
2
1,00
3
1,22
4
1,41
5
1,58
6
1,73
7
1,87
8
2,00
Tab. 6.4: Velocità limite
N1
V ∗ = 0 m3 s
VI j = − 1 ∀ j
SN =
∑υ
i ,N
∆ti
i
SS =
∑υ
i ,S
∆ti
i
t2
S N > 2500m
∧
S N > 2500m
N
N
t > 40
S
1
(<υN,10 >+<υ S,10 > ) >
2
N
υ lim, j
S
S
S
VI j = − 1
j ∈ 1,...,8
N
O j >O U
N
S
∨
per t > 40 min
C CO,j >C CO,jU
N2
N2
O j <O U
S
VI j = 0
j ∈ 1,...,8
N
VI j = − 1
j ∈ 1,...,8
S
S
O j >O 0
VI j = 0
∀j
N
N
1
(<υN,10 >+<υ S,10 > )
2
> − 1m
s
N
Fig. 6.6: Servzio N1 (flusso naturale
Nord -> Sud)
S
N0
Servizio N2
Si
passa
al
necessario
servizio
una
N2
se
le
ventilazione
condizioni
meccanica
sono
in
tali
da
presenza
rendere
di
una
ventilazione naturale che va da sud a nord.
Nel
passaggio
al
funzionamento
N2
viene
inserito
il
ventilatore
assiale, il quale aspira ca. 200 m3/s dalla galleria per asportarla
all’esterno
attraverso
la
caverna
di
ventilazione.
Inizialmente
vengono accesi 2 ventilatori ad impulso nel ramo nord con spinta
verso sud. Dopo 2 min viene calcolato il valore medio della velocità
dell’aria
nei
due
rami
di
galleria
rispettivamente.
Se
le
due
velocità longitudinali differiscono di più del 20% del valor medio
dimezzato, allora viene inserito o espulso un altro ventilatore nel
ramo nord. Questo processo viene ripetuto ogni 2 minuti.
O
U
A
N
M
Serranda non chiusa
Serranda chiusa
Ventilatore ad impulso
Punto di misura di opacità
Punto di misura di velocità longitudinale
Piazzola di sosta
Uscita di emergenza
Piazzola di svolta
Ventilatore assiale spento/acceso
200
3
N
O
O
U
U
M
Nord
Fig. 6.7 Schema di funzionamento N2
Sud
N2
Serranda
aperta
∗
3
V = − 200 m s
VI j = − 1 VIk = − 1
j ≠ k j,k ∈ 1,...,8
SN =
∑υ
i ,N
∆ti
∑υ
i ,S
∆ti
i
SS =
i
O j <O U
∧
t1=5 min
S
C CO,j <C CO,jU
∀j
t2
N0
N
S N < − 1500m
∧
S S > 1500m
N
N
t > 20 min
N
S
< υ S,10 > <-
2
< υ N,10 >
3
N1
S
S
VI j = − 1
∀j
N
per t > 10 min
N1
S
VI j = 0
∀j
N
per t > 10 min
N0
VI j = − 1
j ∈ 1,...,8
S
< υ S,2 > >-
3
< υ N,2 >
2
N
VI j = 0
j ∈ 1,...,8
S
S
< υ S,2 > <-
2
< υ N,2 >
3
N
Fig. 6.8: Servzio N2 (flusso naturale Sud -> Nord)
Servizio N3
Il
servizio
N3
sostituisce
il
servizio
N2.
Se
la
ventilazione
naturale va da sud verso nord, convenzionalmente il sistema prevede
di far entrare in funzione la modalità di servizio N2. Tale modalità
di servizio comporta una espulsione dell’aria inquinata attraverso
il camino centrale, indotta dalla spinta del ventilatore assiale.
L’estremità del camino giunge nelle vicinanza di un centro abitato,
perciò
l’espulsione
dell’aria
nociva
da
tale
camino
è
piuttosto
problematica. La modalità di servizio N2 non è più applicabile e
viene
così
sostituita
dalla
modalità
N3.
Tale
modalità
prevede
l’impiego del ventilatore assiale solo in caso di incendio oppure in
caso di estrema opacità.
Inoltre è avvenuto un ampliamento dell’impianto di ventilazione, il
numero di ventilatori è stato portato da 8 a 18 unità. L’ampliamento
è stato necessario, perché in date condizioni meteo e di traffico
(traffico congestionato) il sistema di ventilazione non è stato in
grado
di
asportare
il
picco
di
aria
inquinata
dalla
galleria.
L’ampliamento non ha influenzato le modalità di funzionamento.
La modalità di servizio N3 dunque interviene se la ventilazione
naturale va da sud verso nord e induce il picco d’aria nociva a
fuoriuscire attraverso il portale nord.
Fig. 6.9: Schermata di controllo ventilatori
N3
V ∗ = 0 m3 s
VIj = 1
j=1,...,n n=8
SN =
∑υ
i ,N
n VI accesi direzione Nord,
selezione aleatoria
∆t i
i
SS =
∑υ
i ,S
∆t i
i
t1
SN < −2500m
∧
S S > 2500m
N
t > 40
min
N
S
VI j = 1
∀ j ∈ 1,...,n
N
S
S
S
VIj = 1
N
∀ j ∈ 1,...,8
O j >O 0
N
S
∨
C CO,j >C CO,0
N1
N1
O j <OU
S
C CO,j <C CO,U
VI j = 0
j ∈ 1,...,8
N
VI j = 1
j ∈ 1,...,8
S
O j >O 0
∨
C CO,j >C CO,0
N
S
1
(<υN,10 >+<υS,10 > )
2
<1m
s
N
Fig. 6.10: Servzio N3
VI j = 0
∀j ∈ 1,...,18
N
S
N0
12.50
12.49
12.48
12.47
12.46
12.45
12.44
12.43
12.42
12.41
12.40
12.39
12.38
12.37
12.36
12.35
12.34
12.33
12.32
12.31
12.30
12.29
12.28
12.27
12.26
12.25
12.24
12.23
12.22
12.21
12.20
VI dir. SUD
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
Ore
Fig. 6.11: Avviamento sequenziale VI
6.2 Impianto di illuminazione
L’impianto
di
illuminazione
della
galleria
di
San
Giacomo
è
realizzato in modo da rispondere a tutte le normative in vigore (UNI
11095, “Illuminazione delle gallerie”, 2003) che lega le grandezze
caratteristiche
ambientale
dell’impianto
all’esterno
della
di
illuminazione
galleria.
L’effetto
alle
luminanza
della
luminanza
ambientale è la formazione di una luminanza di velo, che riduce il
contrasto di un ostacolo e quindi anche la sua visibilità. Secondo
le norme, la luminanza stradale che l’impianto di illuminazione deve
fornire all’entrata della galleria per rendere visibile un eventuale
ostacolo (di riferimento) è proporzionale alla luminanza di velo, in
misura dipendente dal tipo di impianto.
La tabella 6.5 riporta le luminanze stradali tipiche nella zona di
entrata
delle
gallerie
in
condizioni
di
massimo
irraggiamento
solare, con asfalto asciutto ed in assenza di neve, in funzione
della velocità e della visibilità del cielo sopra l’orizzonte dalla
distanza di arresto dal fornice. Si noti la grande influenza della
percentuale
di
cielo
visibile
e
della
visibilità
meteorologica
orizzontale.
Velocità
[km/h]
70
130
Visibilità cielo sopra l’orizzontale [%]
100
50
Distanza visibilità meteorologica [km]
10
20
Luminanza zona di entrata [cd/m2]
130
320
200
Tab. 6.5: Luminanza all’imbocco di una galleria
0
75
-
La
luminanza
stradale
scende
avanzando
nella
galleria
in
quanto
l’occhio si adatta all’oscurità e raggiunge il minimo nella zona
interna, in cui la UNI 11095 prescrive una luminanza pari a 1,5 o 2
volte quella prevista per la strada di accesso dalla UNI 10439 e
dalla CEN 13201 (vedi tabella 6.6).
Classe della strada
Luminanza stradale
UNI 10493
CEN 13201
[cd/m2]
Autostrade urbane
A
M1
2,0
Scorrimento veloce
D1
Scorrimento
D2
M2
1,5
Interquartiere
E1
Quartiere
E2
M3
1
Locale interzonale
M4
0,8
F
Locale
M5
0,5
Tab. 6.6 Luminanza minime per tipologia di strada
Strada
L’impianto
di
illuminazione
realizzare
l’andamento
delle
deve
essere
luminanze
progettato
stradali
in
modo
previsto
in
da
base
alle caratteristiche ambientali. Altra caratteristica da rispettare
è
l’uniformità
minima
lungo
longitudinale
un’asse
dello
Ul,
ottenuta
stesso
dividendo
tratto
di
la
luminanza
galleria
per
la
luminanza massima, le prescrizioni normative prevedono Ul ≥ 0,6.
Inoltre sono da rispettare limiti in termini di abbagliamento.
Per realizzare le condizioni richieste il sistema di illuminazione è
costituito da due o tre impianti:
-
impianto di rinforzo, spento di notte, che fornisce i livelli
adeguati nella zona di soglia e transizione;
-
impianto
di
illuminazione
permanente,
esteso
su
tutta
la
lunghezza della galleria, che fornisce di giorno i livelli di
luminanza adeguati nella zona interna e di notte i livelli di
illuminazione notturna per l’intero sviluppo della galleria.
6.2.1 Impianto di rinforzo
Il
dimensionamento
dell’impianto
di
rinforzo
di
una
galleria
è
principalmente determinato dall’ambiente nel quale giace l’imbocco
del traforo e dalla tipologia di strada. Nel caso della galleria di
San
Giacomo
gli
caratterizzati
imbocchi
da
Nord
condizioni
(Bolzano)
ambientali
e
Sud
diverse
e
(Pineta)
di
sono
conseguenza
differiscono le esigenze agli impianti di illuminazione di rinforzo.
L’illuminazione
(impiegando
è
realizzata
proiettori
tramite
asimmetrici)
un
sistema
installato
su
controflusso
canalina
in
corrispondenza della corsia entrante, con apparecchi in volta quadra
per
l’imbocco
nord
risp.
in
volta
ad
arco
per
l’imbocco
sud,
impiegando lampade al sodio alta pressione di varie potenze. Le
potenze dei singoli apparecchi e le interdistanze tra i tali sono
relativi alla curva della luminanze da raggiungere.
Polare V
Polare H
Fig. 6.12: Diagrammi fotometrici dei proiettori controflusso
(Grechi, Luxgall/1C, Vap.NA a.p., 400W)
Portale Nord (Bolzano)
Il
portale
Nord
della
galleria
è
caratterizzato da un primo tratto, di
lunghezza
219
m,
costituito
da
una
galleria artificiale a volta quadra, la
strada
imbocco
urbana
che
(cerchiato
raggiunge
nella
tale
figura
a
destra)
giace
in
una
zona
industriale
abitata.
La
presenza
di
edifici riduce notevolmente la percentuale di cielo visibile. Le
seguenti grandezze caratterizzate dall’ambiente, dal tipo di strada
che giunge all’imbocco e dalla tipologia di impianto di rinforzo,
determinano la curva della luminanza da seguire.
Distanza di Arresto
[m]
100
Percentuale di cielo
%
3
Tipo Flusso Apparecchi
Contrario
Lum. Esterna
[cd/m²]
2650
Lum. Iniziale
[cd/m²]
133
Velocità Veicolo
[km/h]
80
Tratto Esaminato
[m]
0 ÷ 240
Condizioni Atmosferiche
Normale
Direzione di Guida
NORD -> SUD, (Emisfero NORD)
Tab. 6.7: Caratteristiche determinanti luminanza obbiettivo
140
130
120
110
Luminanza [cd/m2]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
00
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Distanza [m]
Fig. 6.13: Curva luminanza obbiettivo
Definita
la
curva
illuminotecnici
verifica
dei
di
per
i
parametri
luminanza
controlli
di
obiettivo
dei
qualità
sono
livelli
necessari
di
dell’impianto
calcoli
luminanza
come
e
la
uniformità
longitudinale Ul e coefficiente di abbagliamento TI%. In questa fase
occorre
creare
verificare
le
l’illuminazione
un
modello
scelte
di
calcolo
progettuali.
utilizzato
nelle
Il
dell’impianto,
software
verifiche
di
dei
al
fine
calcolo
di
per
parametri
illuminotecnici deve essere in grado di tenere in considerazione la
presenza
delle
pareti
(i
valori
di
luminanza
devono
essere
verificati anche su queste) e deve consentire di poter verificare
tutti i parametri di norma.
In questo modo possono essere messi a confronto vari sistemi di
illuminazione, in modo da giungere ad una soluzione che minimizzi la
totalità delle spese. Si è preso in considerazione e riprodotto
fedelmente l’impianto attuale della galleria di San Giacomo.
Nella figura sottostante è riportato un dettaglio della pianta
relativa all’impianto elettrico della galleria relativo al portale
nord. Si nota la fila di lampade di luce permanente posta sopra la
mezzeria della carreggiata e la fila di luce di rinforzo situata
sopra la mezzeria della corsia entrante.
Fig. 6.14: Dettaglio disegno impianto elettrico
Risultati della simulazione
Illuminamento orizzontale [lux]
Luminanza [cd/m2]
Uniformità longitudinale Ul
Abbagliamento molesto G
Incremento di soglia TI
Medio
Min
Max
Min/Medio
Min/Max
Medio/Max
483
41
5
0
1273
151
0,01
0,00
0,00
0,00
0,38
0,27
8,50
7,89%
UNI 11095
Ul > 0,6
G = 9, abbagliamento non avvertibile
TI < 15%
Tab. 6.8: Parametri di qualità dell’impianto sul manto stradale
I parametri di qualità di illuminazione rispettano pienamente le
prescrizioni delle normative. Nella figura sottostante è riportato
l’andamento della luminanza nella zona di rinforzo ed il confronto
con la curva di luminanza obbiettivo.
Fig. 6.15: Luminanza sul manto stradale
160
Risultato
140
Obbiettivo
120
100
80
60
40
20
0
24
5
22
5
0
5
0
5
0
5
0
21
19
18
16
15
13
12
10
90
75
60
45
30
15
0
0
Fig. 6.16: Confronto curva luminanza obbiettivo risp. risultato
simulazione
Dalla figura si evince che l’illuminazione nella zona di rinforzo
relativa al portale Nord è continuamente maggiore di quanto
richiesto dalla curva obbiettivo di luminanza.
Fig. 6.17: Simulazione luce di rinforzo imbocco nord
Portale Sud
Il portale Sud della galleria è a volta
d’arco, la strada urbana che raggiunge
tale
imbocco
destra)
giace
agreste.
Le
caratterizzate
(cerchiato
in
una
in
zona
seguenti
figura
di
a
luogo
grandezze
dall’ambiente,
dal
tipo
di strada che giunge all’imbocco e dalla
tipologia
di
impianto
di
rinforzo,
determinano
la
curva
luminanza.
Distanza di Arresto
[m]
100
Percentuale di cielo
%
18
Tipo Flusso Apparecchi
Contrario
Lum. Esterna
[cd/m²]
5300
Lum. Iniziale
[cd/m²]
265
Velocità Veicolo
[km/h]
80
Tratto Esaminato
[m]
0 ÷ 240
Condizioni Atmosferiche
Normale
Direzione di Guida
SUD -> NORD, (Emisfero NORD)
Tab. 6.9: Caratteristiche determinanti luminanza obbiettivo
della
270
260
250
240
230
220
210
200
Luminanza [cd/m2]
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Distanza [m]
Fig. 6.17: Curva luminanza obbiettivo
Da questi dati e dalla curva obbiettivo di luminanza, seguendo un
procedimento analogo a quello dell’impianto di rinforzo del portale
Nord, si giunge ai seguenti risultati.
Illuminamento orizzontale [lux]
Luminanza [cd/m2]
Uniformità longitudinale Ul
Abbagliamento molesto G
Incremento di soglia TI
Medio
Min
Max
Min/Medio
Min/Max
Medio/Max
859
76
13
1
2632
311
0,02
0,01
0,00
0,00
0,33
0,24
8,50
11,87%
UNI 11095
Ul > 0,6
G = 9, abbagliamento non avvertibile
TI < 15%
Tab. 6.10: Parametri di qualità dell’impianto sul manto stradale
Fig. 6.18: Luminanza sul manto stradale
350
Risultato
Obbiettivo
300
250
200
150
100
50
0
24
5
22
0
21
5
19
18
0
5
0
16
0
5
15
13
5
12
10
90
75
60
45
30
15
0
0
Fig. 6.19: Confronto curva luminanza obbiettivo risp. risultato simulazione
Considerando
il
portale
sud
si
nota
una
luminanza
notevolmente
maggiore rispetto alla luminanza del portale nord, questo è dovuto
al fatto che l’imbocco sud è diretto da sud a nord e percepisce in
questo modo un illuminazione solare molto maggiore. Seconda causa è
l’ambiente
che
circonda
l’imbocco,
una
zona
di
campagna
senza
edifici che provocano ombre, mentre all’imbocco Nord si ha proprio
una zona edificata.
Fig. 6.20: Simulazione luce di rinforzo imbocco sud
6.2.2 Impianto di illuminazione permanente
La strada nella quale è inserito il traforo è la strada statale che
collega
Bronzolo
e
Bolzano,
ed
è
una
strada
a
scorrimento,
classificata D2 secondo la UNI 10493 risp. M2 secondo la CEN 13201.
Una strada di questa tipologia richiede una luminanza stradale di
1,5 cd/m2, e la luminanza della galleria che interessa una strada di
questo
genere
richiede
una
luminanza
pari
a
1,5
÷
2
volte
la
luminanza della strada che la raggiunge. In questo modo si deduce
che
l’impianto
luminanza
media
permanente
è
di
di
illuminazione
ca.
costituito
3
da
permanente
2
cd/m .
L’impianto
proiettori
deve
di
simmetrici
fornire
una
illuminazione
montati
su
una
canalina posta in corrispondenza del centro della carreggiata ad
un’altezza di ca. 5,2 m.
Polare V
Polare H
Fig. 6.21: Diagrammi fotometrici dei proiettori controflusso
(Grechi, Luxgall/2S15, Vap.NA a.p., 150W)
La simulazione ha fornito i risultati riportati di seguito.
Illuminamento orizzontale [lux]
Luminanza [cd/m2]
Uniformità longitudinale Ul
Abbagliamento molesto G
Incremento di soglia TI
Medio
Min
Max
Min/Medio
Min/Max
Medio/Max
136
7
28
1
533
20
0,20
0,17
0,05
0,06
0,26
0,32
0,78
8,50
2,21%
UNI 11095
Ul > 0,6
G = 9, abbagliamento non avvertibile
TI < 15%
Tab. 6.11: Parametri di qualità dell’impianto sul manto stradale
Fig. 6.22: Simulazione luce permanente
In figura 6. 22 è illustrata l’illuminazione dell’impianto di luce
permanente, vista da un punto interno della galleria. Si possono
notare
le
discontinuità
longitudinali
di
illuminamento
risp.
di
luminanza, descritte dal parametro uniformità longitudinale.
Dai risultati si evince che l’illuminamento medio è di 7 cd/m2,
rispetto ai 3 cd/m2 richiesti dalla normativa.
7. Concetti di risparmio energetico nelle gallerie
7.1 Ventilatori ad impulso con silenziatori inclinati
Allontanando il getto d’aria a valle del ventilatore ad impulso (VI)
dalle pareti granulose della galleria, la prestazione dello stesso
VI aumenta notevolmente. La deviazione può essere ottenuta tramite
silenziatori inclinati di un angolo di 2,25˚ ÷ 11,25˚ (5 ÷ 25%)
rispetto
all’asse
longitudinale
del
ventilatore
(VI
tipo
Banana
Jet). Il concetto di base di questo miglioramento è non solo la
rilevante riduzione delle perdite direttamente a valle del VI, ma
anche l’aumento delle prestazioni aerodinamiche del getto d’aria su
tutta la sezione di galleria sotto il VI.
Le
perdite
silenziatore
dovute
alle
inclinato
perturbazioni
sono
trascurabili
del
getto
rispetto
urtando
agli
il
effetti
benefici dovuti al silenziatore inclinato (deviazione di 7˚ rispetto
l’asse longitudinale).
Fig. 7.1: Principio silenziatore inclinato
L’impiego
di
silenziatori
inclinati
porta
alla
diminuzione
delle
perdite fino al 25 ÷ 50% rispetto alle perdite di VI tradizionali,
percentuale variabile in funzione della tipologia di galleria. Il
calo delle perdite è dovuto essenzialmente ai seguenti fattori:
Perdite per attrito: Vortici del getto d’aria causati dal passaggio
del getto nelle vicinanze di una parete non
liscia, provocano un adesione del getto sulla
parete. A causa di questo effetto, chiamato
effetto
Coanda,
la
componente
più
veloce
dell’aria rimane situata nelle vicinanze delle
pareti.
Velocità di sfondo:
L’energia
interno
che
di
un
VI
una
cede
al
galleria,
flusso
d’aria
dipende
dalla
differenza tra velocità a monte ed a valle del
VI
stesso.
minore,
L’impulso
quanto
di
minore
è
energia
la
è
tanto
differenza
di
velocità. Il silenziatore inclinato, riducendo
l’effetto
Coanda,
aumenta
la
quantità
di
energia acquisibile del flusso d’aria.
Perdite d’impulso:
L’impatto dell’aria ad alta velocità con la
parete sulla quale è montato il VI, comporta
una riduzione della spinta, variabile secondo
la modalità d’installazione, del 10 ÷ 20%. Il
silenziatore
dalla
inclinato,
parete,
comporta
allontana
un
calo
il
di
getto
perdite
d’impulso.
Perdite varie:
I VI sono montati fuori della sezione utile al
traffico,
angoli
tipicamente
delle
in
gallerie,
nicchie
in
tali
oppure
spazi
in
sono
anche situate le apparecchiature tecniche come
gli
apparecchi
segnaletica
mostrate
per
verticale.
in
figura
l’illuminazione
In
queste
7.1.2,
o
la
situazioni,
un
getto
direzionabile porta ad un’ulteriore riduzione
delle perdite.
Fig. 7.2: Esempi di montaggio VI con silenziatori inclinati
La seguente tabella riassume i fattori di perdita dei VI tipo Banana
Jet e li mette in confronto con VI tradizionali.
VI tradizionali
VI con Banana Jet
Perdite per attrito (effetto Coanda)
30 ÷ 50%
25 ÷ 40%
Perdite di velocità di sfondo
8 ÷ 20%
5 ÷ 17%
0 ÷ 5%
Perdite d’impulso (effetto parete)
5 ÷ 35%
0%
5 ÷ 15%
- Montaggio su soffitto o su parete
0%
15 ÷ 25%
- Montaggio in un angolo
2 ÷ 5%
26 ÷ 35%
- Montaggio in nicchia
Perdite varie (dovute a curve, nicchie,
2 ÷ 20%
2 ÷ 17%
segnaletica verticale, ecc.)
Perdite di aspirazione e getto
15 ÷ 30%
15 ÷ 30%
Totale*
100%
50 ÷ 75%
*Ip.: Galleria vuota, effetto pistone dovuto al traffico trascurato
Tab. 7. 1: Confronto perdite VI tradizionali e VI con Banana Jet1)
A parità di spinta effettiva la velocità massima dei ventilatori con
silenziatori inclinati è su ca. 2/3 dell’altezza della galleria,
evidenziato
nella
figura
seguente2).
Di
conseguenza,
le
dovute al sinergismo tra getto e parete calano drasticamente.
VI trad.
Banana Jet
6
5
Quota [m]
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
10
Velocità aria [m/s^2]
Fig. 7.3: Distribuzione della velocità dell’aria
12
perdite
I ventilatori ad impulso con silenziatori inclinati tipo Banana Jet
sono
stati
testati
in
3
gallerie,
da
indipendenti3).
enti
Per
ottenere dei risultati utili sono stati impiegati ventilatori di
tipo
Banana
Jet,
nei
quali
è
stata
inserita
una
giunzione
particolare tra ventilatore e silenziatore, che li ha resi identici
a ventilatori con silenziatori tradizionali.
Spinta VI trad.
Spinta Banana Jet
140%
Galleria 1
100%
147%
Galleria 2
100%
132%
Galleria 3
100%
Fig. 7.4: Confronto spinta effettiva
Dalla misura risulta che i VI con silenziatori inclinati generano a
pari
potenza
notevolmente
una
velocità
maggiore
d’aria
rispetto
ai
media
VI
su
tutta
tradizionali,
la
sezione
questo
fatto
implica una spinta effettiva maggiore. L’incremento di spinta dovuto
ai silenziatori inclinati effettiva varia dal 32% fino al 47%.
A
parità
di
spinta,
necessaria
per
muovere
in
modo
adeguato
la
colonna d’aria all’interno della galleria, la velocità dell’aria è
inferiore. Significa che a parità di spinta il consumo di energia è
inferiore del 32 ÷ 47%, questo comporta che la potenza totale dei VI
può essere ridotta.
Si traggono i seguenti vantaggi:
-
Riduzione del numero o della potenza dei ventilatori ad impulso,
proporzionale alla spinta necessaria;
-
Meno
cablaggio
oppure
una
riduzione
della
sezione
dei
cavi,
fattore non trascurabile considerando le distanze elevate nelle
gallerie;
-
Consumo di energia notevolmente inferiore;
-
Più flessibilità nella fase di progettazione;
-
Possibile incremento della portata d’aria in gallerie esistenti,
senza sostituzione dei cavi e dell’alimentazione.
Paragonando i costi complessivi di vita utile di VI tradizionali e
VI con Banana Jet si ottengono i risultati riportati in figura 7.5.
Ipotesi di calcolo: ore di funzionamento 1000 h/anno, costo energia
0,1 €/kWh, tasso di ammortamento 10%, costo cavi 25 ÷ 58 €/m per
cavi E90 inclusa l’installazione.
Costi servizio
Costo cablaggio
100%
Costo acquisto
100%
100%
70%
75%
65%
VI trad.
Ban. Jet
VI trad.
Galleria 1
Ban. Jet
VI trad.
Galleria 2
Ban. Jet
Galleria 3
Fig. 7.5: Confronto costi
L’impiego
di
VI
con
silenziatori
inclinabili
può
ridurre
significativamente i costi di installazione e di servizio in un
sistema di ventilazione longitudinale di una galleria.
Un
analisi
Giacomo
ha
dell’impianto
fornito
di
risultati
ventilazione
che
della
confermano
galleria
quanto
di
detto.
San
Nella
figura sottostante è riportato l’andamento della potenza istantanea
dell’intero
impianto
esistente,
sia
di
nel
ventilazione
caso
di
un
longitudinale,
impianto
con
sia
nel
caso
ventilatori
a
silenziatore inclinato.
600,00
Potenza istantanea
Potenza ist. ridotta
500,00
P [kW]
400,00
300,00
200,00
100,00
23.50
22.45
21.40
20.35
19.30
18.25
17.20
16.15
15.10
14.05
13.00
11.55
10.50
9.45
8.40
7.35
6.30
5.25
4.20
3.15
2.10
1.05
0.00
0,00
tempo [h]
Fig. 7.6: Potenze istantanee
Considerando un tempo di riferimento di 15 anni, si ottengono i
seguenti risultati per l’impianto di ventilazione esistente. I conti
dettagliati sono riportati negli allegati.
Costi di gestione annua
Manutenzione ordinaria
Manutenzione straordinaria
Consumo energia elettrica
€
€
€
2.397,78
239,78
93.307,14
Costi totali di gestione per anno
€
95.944,70
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto dell'inflazione annua
€
%
95.944,70
3,00
Costi totali di gestione durata 15 anni
€
1.784.467,18
Impiegando i ventilatori con silenziatori inclinati si ottengono i
risultati
sotto
trascurati
trascurabile
i
riportati.
costi
rispetto
Nell’analisi
dell’impianto,
agli
oneri
dei
costi
essendo
ottenuti
per
sono
tale
il
stati
differenza
risparmio
in
termini di energia.
Costi di gestione annua
Manutenzione ordinaria
Manutenzione straordinaria
Consumo energia elettrica
€
€
€
2.397,78
239,78
69.980,36
Costi totali di gestione per anno
€
75.015,69
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto dell'inflazione annua
€
%
75.015,69
3,00
Costi totali di gestione durata 15 anni
€
1.395.210,41
Impiegando
il
sistema
a
silenziatori
inclinati
si
ottiene
un
risparmio di energia elettrica consumata, cha ha come conseguenza un
calo delle spese di gestione del 22%.
7.2 Illuminazione con LED
L’illuminazione permanente delle gallerie stradali è in funzione 24
ore su 24, tutti i giorni dell’anno, segue un consumo energetico
notevole.
ridotti
I
costi
dovuti
impiegando
ai
metodi
consumi
e
di
tecnologie
energia
possono
essere
all’avanguardia.
Corpi
illuminanti basati su LED, acronimo di Light Emitting Diode (diodo
ad emissione di luce), costituiscono un alternativa alle metodologie
tradizionali per l’illuminazione di gallerie stradali.
Comparando
la
tecnologia
LED
con
i
sistemi
tradizionali,
come
l’illuminazione con lampade a scarica, HID, si ottengono una serie
di vantaggi:
-
risparmio energetico fino al 50 %;
-
efficienza luminosa elevata;
-
potenze minori, di conseguenza sezione cavi minori;
-
riduzione notevole nella manutenzione;
-
aumento notevole della vita utile.
Analizzando i seguenti passi basilari di progetto dell’illuminazione
permanente
si
confermano
i
vantaggi
elencati
ed
i
conseguenti
risparmi energetici.
a) Valori di luminanza dettati dalle normative
b) Scelta corpi illuminanti
b.1) Confronto LED – HID
c) Calcolo illuminotecnico
d) Analisi dei costi
a) Valori di luminanza
Occorre
mantenere
i
livelli
di
illuminazione
al
suolo,
o
sulle
superfici interessate, ai livelli effettivamente necessari per il
tipo di visibilità richiesta. I livelli suggeriti dalla normativa in
Italia sono quelli della norma UNI 10439 (Ottobre 1995) riportati
nel capitolo precedente e nella pubblicazione CIE 115 (1995). Altre
raccomandazioni appaiono nella pubblicazione CIE 92 (1992) (Guide
for lighting of Urban Areas) e nelle norme tedesche DIN 5044 parte
1. È interessante notare come la norma tecnica DIN 5044 parte 1,
fissa i livelli di illuminazione a seconda non solo del tipo di
strada ma anche dei livelli di traffico: per gran parte delle strade
urbane ed extraurbane (anche a due carreggiate o principali) qualora
il
traffico
vetture
nelle
all'ora,
ore
a
notturne
seconda
sia
del
inferiore
tipo,
i
alle
livelli
100-200-300
richiesti
non
superano le 0.5 cd/m2 .
Classe della
TI
G
Lm
strada
Strada
UNI
CEN
%
[cd/m2]
10493 13201
Autostrade urbane
A
M1
≤10
≥5
2,0
Scorrimento veloce
D1
≤10-20
≥5
Scorrimento
D2
M2
≤20
≥4
1,5
Interquartiere
E1
≤20
≥4
Quartiere
E2
M3
≤20
≥5
1
Locale interzonale
M4
≤20
≥5
0,8
F
Locale
M5
≤20
≥5
0,5
Tab. 7.2: Raccomandazioni sui livelli di illuminazione stradale e
sulla
limitazione
dell'abbagliamento
secondo
le
prescrizioni illuminotecniche.
Per quanto riguardano le caratteristiche riflettive rispettivamente
del manto stradale e delle pareti si considera quanto descritto nel
paragrafo precedente.
b) Scelta corpi illuminanti
In
questa
trattazione
illuminanti
basati
si
sulla
considerano
tecnologia
LED,
corpi
per
ottenere un paragone con sistemi tradizionali. La
ricerca
e
lo
impiegati
fornito
per
dei
un’alternativa
sviluppo
nell’ambito
applicazioni
risultati
valida
dei
industriali
tali,
alle
ad
lampade
LED
ha
avere
HID.
Il
rendimento ottimizzato dei LED ad alta efficienza è
dovuto
al
particolare
sistema
ottico.
Un
rifrattore
ottico, situato direttamente sul LED minimizza le perdite e
produce
un
aumento
notevole
del
rendimento,
rispetto
a
sistemi
tradizionali di riflessione, superando un rendimento del 85 %. La
singola unità di led e rifrattore ottico è inserito in un modulo
composto da 20 unità di LED, ciascuno da 1 W. Il corpo illuminante è
costituito da una quantità di moduli variabile, da 2 moduli (40 W)
fino a 12 moduli (240 W).
Alternando la forma di questi rifrattori e la quantità di moduli
LED, la luce può essere direzionata per ottenere una varietà di
distribuzioni
luminose,
a
seconda
delle
esigenze
istallativi.
Il
corpo illuminante contiene un convertitore elettronico che fornisce
alla singola unità la tensione continua nominale di funzionamento
per tensioni di rete comprese tra 120V e 277V.
Fig. 7.7: Corpo illuminante con 8 moduli à 20 LED.
N. moduli
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Potenza nominale
Potenza di sistema
Flusso luminoso
[W]
[W]
Lm effettivi
40
47
2800
60
71
4200
80
94
5600
100
118
7000
120
141
8400
140
165
9800
160
188
11200
180
212
12600
200
236
14000
220
259
15400
240
283
16800
Tab. 7.3: Caratteristiche tecniche app. illuminanti LED
Considerando un corpo illuminante con ottica simmetrica, come viene
usato in una galleria percorsa in senso bidirezionale, si ottiene la
distribuzione fotometrica ed il diagramma isolux mostrato in figura
7.8. I diagrammi di figura corrispondono ad un apparecchio con 8
moduli (160 W) installato ad un altezza di 6 m. Il diagramma isolux,
mostra le linee a illuminamento costante.
Fig. 7.8: Distribuzione fotometrica
L’efficienza luminosa di questi apparecchi luminosi vale 70 Lm/W,
valore paragonabile con l’efficienza delle lampade al sodio ad alta
pressione.
La luce generata è bianca e corrisponde ad una temperatura di colore
di 6000˚, mentre l’indice di resa cromatica vale ca. 75/100.
La durata di vita utile dei LED ad alta efficienza mette in pratica
la convenienza di tale sistema di illuminazione rispetto ai sistemi
tradizionali. Attualmente la vita utile è di 70.000 ore.
b.1) Confronto LED – HID
A
titolo
efficienza
di
esempio,
luminosa
e
da
di
un
punto
vita
di
utile,
si
vista
mette
esclusivamente
a
confronto
di
una
lampada HID ad alogenuri metallici, 400 W con una apparecchio di
illuminazione
a
LED.
In
questa
analisi
la
vita
utile
dell’apparecchio LED è considerata di 60.000 ore, che corrisponde a
Efficienza luminosa [Lm/W]
Efficienza luminosa [Lm/W]
tre cicli di vita della lampada HID.
Vita utile [h]
Fig. 7.9: Vita utile HID e LED
Vita utile [h]
Dal confronto riportato in figura 7.7 si evince che il decadimento
in termini di efficienza luminosa della lampada HID è più intenso
rispetto alle lampade LED. La lampada HID deve essere sostituita 3
volte nel periodo di vita di un apparecchio a LED.
Risulta
che,
nelle
60.000
ore
di
vita
degli
apparecchi
LED
si
ottiene un efficienza luminosa maggiore del 46 % rispetto ad una
Efficienza luminosa [Lm/W]
lampada ad alogenuri metallici.
Vita utile [10^3*h]
Fig. 7.10: Differenza efficienza luminosa
c) Calcolo illuminotecnico
L’impianto
illuminanti
tradizionale
HID
è
che
definito
impiega
dalle
esclusivamente
seguenti
apparecchi
caratteristiche.
La
trattazione dettagliata è riportata nell’allegato F.
Tipo proiettore
Pot. nom. proiettore [W]
Pot. eff. proiettore(4) [W]
Fattore pot. sist. / pot. nom.
Rinforzo sud
settore
Rinforzo nord settore
Permanente
portale
SAP
400
440
1,10
a
b
c
72
a
b
c
38
SAP
250
275
1,10
SAP
150
170
1,13
SAP
100
115
1,15
HQI
150
170
1,13
40
19
15
24
nord
36
Permanente
247
Permanente
sicurezza
Permanente
piazzola
23
sud
centro
nord 1
nord 2
Proiettori installati
Potenza installata effettiva [kW]
2
2
1
110
55
318
48,40 15,13 53,90
Potenza totale installata effettiva
[kW]
8
8
4
4
36
4,14
24
4,07
125,64
L’impiego di lampade LED limitato alla parte della illuminazione
permanente, sia ordinari che di sicurezza, impianto in funzione 24
ore su 24, determina un impianto con le seguenti caratteristiche.
Potenza installata per settore
Rinforzi
Permanente
Piazzole
Potenza totale installata effettiva
[kW]
[kW]
[kW]
70,84
23,43
2,06
[kW]
97,87
I
risultati
ottenuti
dall’analisi
illuminotecnica
confermano
l’adeguatezza di corpi illuminanti basati sulla tecnologia LED per
l’illuminazione
molesto
di
relativo
una
galleria.
all’impianto
Il
LED
è
valore
dell’abbagliamento
sensibilmente
inferiore,
ma
essendo comunque G>8 non è problematico.
Grechi SAP, 150 W
Beta Led, 60 W
Illuminamento Orizzontale (E)
Medio
Minimo
70 lux
39 lux
68 lux
44 lux
Massimo
92 lux
86 lux
Min/Medio Min/Max
0,56
0,42
0,64
0,51
Medio/Max
0,76
0,79
Luminanza (L)
Medio
3,30 cd/m²
3,06 cd/m²
Massimo
4,14 cd/m²
3,93 cd/m²
Min/Medio Min/Max
0,41
0,33
0,58
0,45
Medio/Max
0,80
0,78
Minimo
1,37 cd/m²
1,78 cd/m²
Luminanza - Uniformità Longitudinale
Uniformità Longitudinale
0,36
0,90
Comfort Visivo
Luminanza Velante (Lv)
Incremento di Soglia (TI)
Abbagliamento Molesto (G)
0,09 cd/m²
1,83%
8,50
0,02 cd/m²
0,61%
8,04
Nella
figura
sottostante,
dove
è
visualizzato
l’andamento
di
luminanza sul manto stradale, si può notare i benefici qualitativi
di un impianto LED.
Fig. 7.11: Luminanza sul pavimento
d) Analisi dei costi
L’analisi dei costi ha portato i risultati sottostanti
Ipotesi di calcolo:
-
Costo
trasformatore
MT/BT,
regolatore
di
potenza,
cablaggio
trascurato non essendoci una variazione del ordine di grandezza
della potenza installata;
-
Differenza
di
costo
tra
manto
stradale
di
costo
tra
proiettori
tradizionale
e
chiaro
trascurata;
-
Differenza
simmetrici
ed
asimmetrici
trascurata, perché ininfluente;
-
Funzionamento medio giornaliero dell’impianto di rinforzo pari a
ore 6;
-
Prezzo dell’energia 0,09 €/kWh, prezzo ragionevole considerando
le agevolazioni della Provincia Autonoma di Bolzano nell’acquisto
dell’energia elettrica;
-
Tasso
di
interessi
per
sull’investimento,
2
%
ed
inflazione
annuale di 3 %.
Di
seguito
viene
riportato
il
costo
complessivo
dell’impianto
esistente, il conto dettagliato è riportato in allegato F.
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto di inflazione
€
%
83.633,38
3,00
€
1.555.489,96
Costo impianto
Tasso di interesse annuale
Numero di rate
Rata
€
%
€
376.204,32
2,00
15
29.278,28
Totale rate
€
439.174,20
Costi totali di gestione durata 15 anni
Piano di ammortamento investimento
Costi complessivi dopo 15 anni
Costo impianto
Costo di gestione
€
€
439.174,20
1.555.489,96
Costi totali
€
1.994.664,16
Per l’impianto con corpi illuminanti LED si sono ottenuti i seguenti
risultati.
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto di inflazione
€
%
44.402,28
3,00
€
825.834,16
Costo impianto
Tasso di interesse annuale
Numero di rate
Rata
€
%
€
762.862,52
2,00
15
59.370,14
Totale rate
€
890.552,10
Costo impianto
Costo di gestione
€
€
890.552,10
825.834,16
Costi totali
€
1.716.386,26
Costi totali di gestione durata 15 anni
Piano di ammortamento investimento
Costi complessivi dopo 15 anni
I risultati confermano quanto detto. L’onero iniziale è maggiore,
dovuto
al
costo
degli
apparecchi,
ma
il
basso
consumo
rende
il
sistema conveniente, ottenendo un risparmio del 14 %.
I
corpi
illuminanti
LED
sono
caratterizzati
da
accensione
quasi
istantanea. In questo modo si può bypassare il gruppo di continuità,
accettando una interruzione dell’alimentazione per un periodo dello
stesso
ordine
procedura
di
permette
dell’impianto.
grandezza
di
del
tempo
incrementare
di
commutazione.
ulteriormente
il
Questa
rendimento
7.3 Manto stradale chiaro
Caratteristiche riflettive del manto stradale e delle pareti
In
illuminotecnica
si
definisce
coefficiente
di
luminanza
il
rapporto tra la luminanza di un area unitaria e il suo illuminamento
orizzontale. Tale coefficiente dipende non solo dall’intensità di
flusso luminoso che raggiunge il piano in considerazione, ma anche
dalla direzione dei raggi incidenti e dalla direzione dei raggi
uscenti.
Nel
coefficiente
caso
di
dell’illuminazione
luminanza
varia
col
delle
colore
gallerie
e
con
stradali
il
grado
il
di
levigatura del manto stradale. I tipi più comuni di pavimentazione
stradale si possono classificare in:
-
molto chiara e scabra,
-
chiara con scabrezza elevata o media,
-
scura con scabrezza elevata o media,
-
scura e levigata.
La CIE ha suddiviso le pavimentazioni in due classi a seconda del
valore di due parametri: la specularità S1 e la chiarezza Q0.
-
S1<0,4:
Pavimentazione chiara e scabra, con valori tipici S1=0,24
e Q0=0,10;
-
S1≥0,4:
Pavimentazione
scura
e
levigata,
con
valori
tipici
S1=0,97 e Q0=0,07.
Inoltre si definisce fattore di riflessione medio
il rapporto tra
2
la luminosità media di una superficie (in lm/m ) e l'illuminamento
medio (in lux). Esso, in pratica, esprime la percentuale di flusso
luminoso
riflesso.
Per
una
superficie
che
fosse
perfettamente
diffondente con una luminanza costante nelle varie direzioni, il
fattore di riflessione si otterrebbe moltiplicando il coefficiente
di luminanza
per π. Il fattore di riflessione medio va da circa il
45-26% per pavimentazioni molto chiare e molto scabre, a circa il
39-22% per pavimentazioni chiare a scabrezza elevata (calcestruzzo),
al 26-16% per pavimentazioni scure con scabrezza elevata, fino al
21-13% per pavimentazioni scure e levigate (asfalto). Il fattore di
riflessione medio dell'intonaco va da circa il 50% per l'intonaco
chiaro a 25% per quello scuro e 10% per quello sporco. Il cemento e
la pietra chiara hanno un fattore attorno al 40%, quelli scuri sullo
5-10%. Il marmo chiaro raggiunge il 60-65% ma il granito chiaro solo
il 10-15%.
Graniglia
nera
sottoposta
nel
bruciatore ad una temperatura di
1200°,
durante
tale
processo
questo
processo
dalla
graniglia
viene
espulso
tutto
l’acqua.
Tramite
questo
graniglia
ottiene
processo
una
la
struttura
cristallina
e
diventa
di
colore
bianco. La struttura cristallina aumenta il coefficiente riflessivo
di calore e di luce della pietra. La pietra così ottenuta viene
aggiunta al bitume utilizzato per realizzare il manto stradale, in
questo modo si ottiene una luminanza del manto stradale maggiore
rispetto
all’asfalto
tradizionale.
L’incremento
di
luminanza
permette una riduzione del numero di corpi illuminanti oppure una
riduzione delle potenze nominali dei tali.
Zona di rinforzo
Impiegando uno manto stradale nella zona di rinforzo porta ad una
notevole riduzione del numero di lampade impiegate e di conseguenza
anche della potenza assorbita.
L’analisi eseguita a titolo di esempio sull’impianto di rinforzo del
portale Sud della Galleria San Giacomo ha dimostrato la precedente
affermazione.
Si
considera
un
aumento
del
coefficiente
di
riflessione del manto stradale del 3%, portandolo a dal 7,01% a 10%,
come avviene adoperando una graniglia bruciata. In questo modo si
ottiene un notevole innalzamento della luminanza sul manto stradale,
come riportato nella figura seguente.
450
Coeff. Riffl. 7,01
400
Coeff. Riffl. 10,0
Luminanza [cd/m2]
350
300
250
200
150
100
50
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
Distanza [m]
Fig. 7.12:
Confronto luminanza manto stradale chiaro e manto
stradale tradizionale
L’aumento di luminanza nella zona di rinforzo è maggiore del 40%.
Questo
dato
permette
di
ridimensionare
l’impianto
di
rinforzo
riducendo numero e potenza di corpi illuminanti impiegati.
L’impianto è stato ridimensionato aumentando l’interspazio tra le
lampade.
La
lunghezza
totale
della
zona
di
rinforzo
è
rimasta
inalterata (260m), essendo la lunghezza imposta dalle normative, in
relazione alla massima velocità ammessa sulla strada in interesse.
Di
seguito
sono
dimensionamento
riportate
le
dell’impianto
grandezze
di
caratteristiche
illuminazione
nella
per
il
zona
di
rinforzo, seguito dalla legenda che riporta il significato delle
singole grandezze.
Settore
a
b
c
1
0
n
a1
5
2
a2
3
3
a3 3,5 3,5
b1 2,5 2,5
b2
4
4
c1 3,5 3,5
c2
4
4
46
3
4
24
8
10
4
d
[m]
95
9
14
60
32
35
16
P
[W]
400
400
400
250
250
150
150
nsett.
na= 53
dsett.
[m]
da= 118
Psett.
[kW]
Pa= 21,2
nb= 32
db= 92
Pb= 8
nc= 14
dc= 51
Pc= 2,1
dtot= 261
Ptot= 31,3
ntot= 99
Il confronto con l’impianto di rinforzo tradizionale, necessario per
soddisfare i requisiti dettate dalle norme in presenza di un asfalto
scuro, è riportato nella figura seguente.
450
Coeff. Riffl. 7,01
400
Coeff. Riffl. 10,00
Potenza ridotta
Luminanza [cd/m2]
350
300
250
200
150
100
50
0
0
30
60
90
120
150
180
210
240
Distanza [m]
Fig. 7.13: Confronto curva luminanza
All’aumento
dell’interdistanza
tra
le
lampade
segue
un
risparmio
energetico di oltre 10 kW, ottenendo, come si evince dalla figura,
qualitativamente lo stesso illuminamento.
Illuminazione permanente
Per
l’impianto
di
illuminazione
permanente
l’analisi
è
analoga.
Osservando il comportamento della luminanza stradale in relazione
con il tipo di manto stradale si traggono i seguenti risultati,
evidenziando ancora l’effetto benefico dell’aggiunta di graniglia
bianca al bitume.
Nel caso dell’illuminazione permanente non è possibile aumentare la
distanza
tra
rispettare
i
singoli
apparecchi
l’uniformità
illuminanti,
longitudinale
dato
che
dell’impianto.
bisogna
Per
questo
motivo i proiettori SAP 150 W sono stati sostituiti con proiettori
da
100
W,
diminuendo
l’interdistanza.
L’illuminazione
permanente
deve fornire la luminanza media richiesta dalla norma UNI 11095.
Le
due
simulazione
corrispondenti
sono
basate
all’impianto
sulle
con
apparecchi
D
[W]
100
P
[m]
2218
nsett.
d
[W]
150
P
[m]
2219
seguenti
SAP
grandezze,
100W
e
150
W
rispettivamente.
Settore
1
0
n
a
5
7,5
296
Settore
a
1
0
n
5
9
247
La
tabella
sottostante
na=
ntot=
dsett.
Psett.
[m]
[kW]
296
da= 2218
Pb= 29,6
296 dtot= 2218 Ptot= 29,6
nsett.
na=
ntot=
riporta
i
dsett.
Psett.
[m]
[kW]
247
db= 2219
Pb= 37,1
247 dtot= 2219 Ptot= 37,1
risultati
ottenuti
dalle
simulazioni. Si nota che con la combinazione manto stradale chiaro
ed
apparecchi
pressione
di
illuminanti
100
W
si
dotati
riesce
di
ad
lampade
ottenere
al
la
sodio
stessa
ad
alta
luminanza
rispetto al sistema tradizionale con manto scuro e lampade a 150 W.
Q0
[%]
7,01
10,00
SAP 150 W
SAP 100 W
Lm
[cd/m2]
3,48
3,42
U0
[1]
0,44
0,38
TI
[%]
1,66
1,04
L’uniformità di luminanza U0 è moderatamente più bassa, ma questo
fatto viene eguagliato proprio dalla chiarezza del manto stradale,
che
intrinsecamente
diminuisce
le
disuniformità
di
luminanza.
La
figura sottostante dimostra l’affermazione, a causa del coefficiente
di
riflessione
maggiore
uniformità di luminanza.
si
hanno
migliori
caratteristiche
di
Fig. 7.14: Distribuzione luminanza sul manto stradale
L’analisi
dei
costi
complessivi,
ossia
di
investimento
e
di
gestione, conferma quanto detto sinora.
Nel
caso
della
conseguente
seguenti
pavimentazione
riduzione
risultati,
della
dove
i
con
un
asfalto
chiaro
potenza
installata,
si
calcoli
dettagliati
sono
ed
giunge
una
ai
riportati
nell’allegato I.
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto di inflazione
€
%
72.399,54
3,00
€
1.346.552,80
Costo impianto
Tasso di interesse annuale
Numero di rate
Rata
€
%
€
370.197,00
2,00
15
28.810,76
Totale rate
€
432.161,40
Costo impianto
Costo di gestione
€
€
432.161,40
1.346.552,80
Costi totali
€
1.778.714,20
Costi totali di gestione durata 15 anni
Piano di ammortamento investimento
Costi complessivi dopo 15 anni
Si
evince
che
riflessione
l’impiego
maggiore
di
un
asfalto
con
comporta
un
risparmio
coefficiente
energetico
che
di
si
ripercuote sul costo della galleria con una differenza maggiore del
10 %.
Tenendo
galleria
conto
in
trasformatori
cavi.
della
fase
MT/BT,
minor
di
potenza
progetto,
delle
installa,
si
segue
riducono
apparecchiature
nonché
che,
le
la
per
una
taglie
dei
sezione
dei
7.4 Illuminazione naturale nella zona di ingresso
L’attenzione rivolta all’utilizzo della luce naturale nelle gallerie
discende, oltre che dagli indubbi vantaggi economici, connessi con i
minori costi di manutenzione e di esercizio, e con il contenimento
dei
consumi
energetici
possibilità
di
(con
evidenti
sfruttare
benefici
ambientali),
l’autoregolazione
dalla
dell’illuminamento
naturale.
Nelle
condizioni
illuminare
parametri
gli
che
dell’utente.
conducenti
più
usuali,
interni
di
determinano
una
la
Naturalmente
siano
la
luce
galleria
luce
ciò
naturale
non
automaticamente
è
utilizzabile
soggetta
necessaria
comporta
per
che
soddisfatte,
agli
stessi
l’adattamento
le
ma
per
esigenze
indica
che
dei
il
contributo della luce naturale risulta equivalente alla necessaria
regolazione dell’illuminamento.
In alcuni casi molto particolari, è possibile utilizzare la luce
esterna senza modificare neanche la lunghezza della galleria, ad
esempio,
realizzando
parietali.
Risulta
Tuttavia,
invece
porzione
delle
ciò
principale,
non
normalmente
aggiuntiva
avente
di
aperture
avviene
più
sola
che
viene
nella
fattibile
galleria,
la
laterali
nelle
generalità
la
di
dei
costruzione
antecedente
funzione
gallerie
alla
favorire
casi.
di
una
galleria
l’adattamento
visivo.
Si
tratta
di
ciò
propriamente
denominato
pregalleria
illuminotecnica, cioè un manufatto situato a monte del fornice di
ingresso,
di
lunghezza
adeguata
per
consentire
di
realizzare
in
esso, interamente o in parte, la zona di adattamento, previste per
le condizioni date. E’ evidente che la realizzazione di un’apposita
pregalleria,
incrementa
in
oltre
a
misura
porre
significativi
significativa
i
costi
problemi
costruttivi,
iniziali
dell’opera.
Tuttavia, in varie circostanze, una tale soluzione può risultare
l’unica
possibilità
praticabile
per
soddisfare
le
richieste
di
luminanza che discendono dall’esame delle condizioni esterne e dal
tipo di strada. Inoltre, l’ipotesi di costruzione della pregalleria,
anche in casi meno critici, deve essere sempre valutata attentamente
e senza alcun pregiudizio, perché può consentire un’ottimizzazione
progettuale. Infatti, l’indubbia validità tecnica della struttura,
la richiamata capacità di autoregolazione, e l’abbattimento certo
dei consumi energetici, può portare ad una valutazione economica
complessiva
(estesa
alla
vita
utile
dell’opera)
comparabile,
o
addirittura più vantaggiosa, rispetto alle soluzioni convenzionali,
che si basano soltanto sull’impianto di luce artificiale.
Elementi illuminanti e loro caratteristiche
La finalità di una pregalleria
illuminotecnica,
riuscire
a
progressiva
visione
è
quella
realizzare
schermatura
all’esterno,
riduzione
graduale
luminanza
della
di
una
della
ed
una
della
superficie
stradale nel tratto antistante
l’imbocco. Per tali scopi, ed
in
considerazione
delle
possibilità offerte dalle tecniche costruttive, una pregalleria è
costituita generalmente da una struttura portante, assimilabile ad
un’ossatura spaziale, e da ampie aperture (schermate o ricoperte da
varie
pannellature),
situate
in
sommità
e/o
sulle
superfici
laterali. La struttura può essere costituita, ad esempio, da una
serie di archi o telai in successione, disposti a forma di centine,
indipendenti
o
collegati
tra
loro
per
mezzo
di
correnti
longitudinali. Le luci poste tra gli archi possono essere coperte,
anche
in
maniera
progressiva
dell’adattamento
oculare),
visione
del
stradale.
diretta
sole
ed
mediante
da
incrementale
elementi
ciascun
punto
che
(in
funzione
impediscano
della
la
carreggiata
In una struttura completa si può far conto, in genere, sui seguenti
principali
elementi
“illuminanti”,
capaci
cioè
di
trasmettere
in
maniera controllata, la radiazione luminosa esterna:
-
un
graticcio
superiore
che
copre
la
volta
della
pregalleria,
costituito da elementi di forma e dimensione tali da impedire
l’accesso
diretto
ai
raggi
del
sole,
i
quali
altrimenti
proietterebbero sulle superfici interne, sulla pavimentazione e
sui parabrezza dei veicoli una zebratura di luci ed ombre assai
marcate,
ostacolando
l’uniformità
di
la
corretta
luminanza.
A
tal
visibilità,
fine
sono
influenzando
state
adottate,
talvolta, anche chiusure in materiale plastico diffondente, che
comportano
tuttavia
un
dimensionamento
strutturale
più
oneroso
(ad esempio per il possibile deposito di neve sulle superfici
sub-orizzontali,
struttura
delle
ne
ed
anche
permette
manutenzioni.
di
grandine
l’accumulo),
Più
o
e
acqua
piovana
complicano
frequentemente
si
se
la
l’esecuzione
adottano
graticci
aperti, costituiti da elementi cilindrici, aventi come direttrice
una
sezione
geometrica
elementare
piuttosto
semplice
(losanga,
esagono, ottagono, etc.), ripetuta indefinitamente a formare una
maglia
continua.
Il
principio
da
cui
discendono
soluzioni
di
questo genere, risiede nel fatto che il sole, alle latitudini
delle nostre regioni, non raggiunge mai lo zenit, ma nel suo moto
apparente
raggiunge
al
massimo
angoli
di
elevazione di circa 70°. Pertanto, è possibile
realizzare
graticci
schermanti
a
maglie
verticali, di semplice costruzione, se si
assume come base di calcolo la massima
altezza
solstizio
raggiungibile
d’estate.
Un
dal
sole
nel
tale
graticcio,
per
la
sua stessa geometria, riesce dunque ad interporsi e ad impedire
il passaggio diretto dei raggi solari, per tutte le possibili
posizioni del sole. Il graticcio aperto presenta, perciò, due
dimensioni prevalenti rispetto alla terza (quella verticale), è
abitualmente
es.:
realizzato
alluminio)
ed
è
in
materiale
caratterizzato
chiaro
da
un
o
specchiante
peso
contenuto.
(ad
Il
contributo all’illuminamento interno è dato dal flusso luminoso
che proviene direttamente dalle parti di cielo non coperte dal
graticcio, al quale si cumula quello fornito dai rinvii sulle
pareti metalliche delle sue maglie;
-
finestroni laterali, del tutto aperti nelle zone in cui non può
avvenire
l’intrusione
coperti
o
diretta
diffondenti
dei
negli
raggi
altri
solari,
casi.
I
parzialmente
primi
potranno
consentire l’ingresso in galleria del flusso luminoso proveniente
dal
cielo
rinviato
eventualmente
dalle
potenziare
superfici
il
loro
circostanti,
effetto
anche
potendosi
per
mezzo
di
costole riflettenti o setti inclinati, nonché rivestimenti chiari
delle superfici esterne circostanti o specchi. I secondi, invece,
saranno
schermati,
plastico
o
ricoperti
diffondente;
anche
con
per
pannellature
questi
si
in
può
materiale
pensare
a
potenziamenti con rivestimenti esterni;
-
il fornice d’imbocco della pregalleria, limitatamente al primo
tratto
successivo
contributo
di
carreggiata,
alla
sezione
illuminamento
può
essere
d’imbocco,
sul
che,
piano
assimilato
ad
ai
fini
orizzontale
una
comune
del
della
finestra
verticale posta su una parete piana.
Nonostante il ricorso agli elementi illuminanti sopra specificati,
può
accadere,
specialmente
nei
casi
più
critici
a
causa
del
particolare orientamento degli imbocchi, che non si raggiungano i
livelli minimi di luminanza prescritti in alcune delle condizioni di
progetto ipotizzate. Una tale circostanza può richiedere il ricorso
ad
un
modesto
funzione,
impianto
soltanto
artificiale
quando
lo
di
rinforzo,
squilibrio
tra
che
entri
luminanza
in
esterna
percepita (rilevabile per mezzo di un luminanzometro installato a
distanza opportuna dal fornice) e luminanza interna superi un certo
valore
di
soglia.
L’impianto
parzializzato
nelle
l’illuminazione
permanente
pregalleria.
artificiale
In
accensioni,
questo
soltanto
di
potrà
notturna,
modo,
una
rinforzo,
comunque
attribuendo
funzione
di
cioè
eventualmente
realizzare
necessaria
anche
nella
all’illuminazione
integrazione
della
luce
naturale, che risulterà necessaria in un numero limitato di ore di
esercizio e per una durata relativamente breve, la gran parte del
beneficio economico e ambientale (per i ridotti consumi di energia)
correlato
tale
alla
pregalleria
soluzione
viene
progettuale
comunque
rimane
preservato,
potenzialmente
e
pertanto
valida
e
competitiva rispetto alle soluzioni convenzionali.
Si
può
ritenere,
anche
in
considerazione
delle
caratteristiche
climatiche e meteorologiche prevalenti alle nostre latitudini, che
il ricorso ad installazioni di una pregalleria potrebbe utilmente
incrementarsi, con vantaggi significativi sia di tipo economico, sia
di tipo ambientale. Soprattutto nel caso di imbocchi giacenti lungo
l’asse sud-nord, dato che in questi casi, come accade con il portale
sud
della
galleria
di
San
Giacomo,
all’impianto di rinforzo è notevole.
la
luminanza
richiesta
7.5 Regolatori di flusso luminoso
L’andamento delle luminanza da realizzare nella zona di ingresso ed
in quelle immediatamente successive, così come quello della zona
interna è di per sé complesso e può essere realizzato in diversi
modi.
In Italia di solito si realizzano impianti nei quali si hanno tratti
in
cui
gli
apparecchi
differenziazione
installazione
tra
e/o
sono
i
la
installati
livelli
potenza
è
a
ottenuta
della
passo
costante
variando
lampada.
La
il
e
la
passo
di
variazione
dei
livelli di illuminazione interna rispetto a quell’esterna è ottenuta
variando sia l’accensione e lo spegnimento di alcuni circuiti in
relazione
alla
alimentazione
natura
delle
dell’impianto
lampade
mediante
e
variando
l’utilizzo
la
di
tensione
di
regolatori
di
flusso (o di tensione). Ottenendo così, in assenza di regolatori di
flusso, un impianto di illuminazione a più livelli di luminanza. Il
progressivo spegnimento di circuiti può influenzare negativamente la
qualità
della
luminanza
sul
manto
stradale
e
di
conseguenza
il
confort visivo.
I regolatori di flusso, variando la tensione di alimentazione della
lampada, causano un’emissione luminosa diversa e di conseguenza un
livello illuminotecnico diverso, permettendo una variazione continua
tra i vari livelli di illuminazione. Per poter gestire il livello di
tensione
poter
sul
circuito
essere
di
controllata
alimentazione,
e
quindi
la
tensione
stabilizzata
stessa
dallo
deve
stesso
apparecchio. Tale controllo genera inoltre quali la riduzione dello
stress sui componenti di accensione, sulla lampada e di conseguenza
sul corpo illuminante complessivo, allungando la vita media della
lampada, con ulteriori vantaggi non solo sui consumi ma anche sui
costi di manutenzione e di sostituzione.
Le lampade che meglio si prestano al suddetto tipo di regolazione
sono le lampade al sodio ad alta pressione. Presentano ovviamente un
limite inferiore di tensione sotto il quale avviene lo spegnimento.
L’impianto di illuminazione di rinforzo realizzato con più circuiti
indipendenti
e
regolatori
di
flusso,
permette
di
ridurre
la
luminanza di un livello del 20% prima di spegnere un circuito e
passare ad un livello di luminanza inferiore.
Fig. 7.15: Livelli di luminanza in presenza di regolatori di flusso
In questo caso si hanno due livelli di luminanza, mentre in assenza
di regolatore sarebbero necessari almeno quattro. La riduzione di
livelli di luminanza, in altre parole, di circuiti indipendenti,
comporta
un
notevole
risparmio
economico.
Inoltre
ci
sono
meno
rischi di non corrispondere ai valori di qualità di luminanza da
parte delle normative.
Nella zona interna l’illuminazione della galleria è assicurata dal
circuito permanente, che, però non è limitato a detta zona, ma corre
lungo tutta la galleria anche nella zona di rinforzo. Ha il compito
di garantire la luminanza stradale al livello minimo di sicurezza
lungo tutta la galleria, quando l’impianto di rinforzo è spento,
ossia di notte, all’alba, al tramonto oppure di giorno con cielo
coperto.
Come visto in precedenza, secondo la UNI 11095, la luminanza della
zona interna deve essere al minimo 1,5 ÷ 2 volte quella della UNI
10439 per la strada di accesso. Questo è vero se il flusso di
traffico orario è al livello massimo previsto per il tipo di strada,
quando invece il flusso di traffico scende al 50% e al 25% di tale
valore,
l’indice
della
categoria
illuminotecnica
è
declassato
rispettivamente di 1 e 2 unità. In pratica in dette condizioni la
luminanza stradale si riduce a circa il 75% ed al 50% del valore
prescritto dalle norme per il tipo di strada, con un conseguente
notevole risparmio energetico. Secondo la UNI 11095 in condizioni
notturne la luminanza stradale nell’intera galleria può scendere a 1
cd/m2.
L’impiego
dei
regolatori
del
flusso
luminoso
aumenta
inoltre
notevolmente la durata delle lampade e dei corrispondenti componenti
ausiliari elettrici. Questo è dovuto a essenzialmente a:
-
ciclo di accensione delle lampade a tensione ridotta (205 V), ed
incremento
della
tensione
fino
al
raggiungimento
del
valore
nominale stabilizzato (220 V): in tal modo le lampade lavorano in
condizioni ideali;
-
minor tensione di alimentazione delle lampade nelle condizioni
sopra
descritte,
che
consente
un
funzionamento
a
livelli
prestazionali ridotti e quindi un minor affaticamento.
Nella tabella sottostante è evidenziato il miglioramento in termini
di manutenzione e sostituzione dovuto all’impiego di regolatori di
flusso,
installati
in
questo
esempio
(Provincia
di
Bergamo)
a
gennaio dell’anno 2005.
Sostituzione
Sostituzione
Sostituzione
Sostituzione
Interventi
La
riduzione
notevole,
media
2003
2004
2005
574
634
94
238
182
35
200
108
19
66
25
6
37
19
4
Tab. 7.4: Statistiche di gestione gallerie
2006
90
12
10
0
1
SAP 150/250
reattori
accenditori
condensatori
degli
questo
delle
eventi
fatto
lampade
e
di
manutenzione
evidenzia
dei
proprio
componenti
risp.
sostituzione
l’incremento
ausiliari.
della
Il
è
vita
risparmio
energetico degli impianti di illuminazione dotati di regolatore di
flusso,
riferito
al
medesimo
studio
(Provincia
di
Bergamo),
è
riportato in tabella 7.5. Tale studio è stato condotto per tutto
l’anno 2006 su un lotto di 11 gallerie. La percentuale di risparmio
si
riferisce
all’intero
impianto
di
illuminazione,
comprendente
impianti di rinforzo, di illuminazione permanente e di sicurezza.
Id. Galleria
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Risparmio medio
I
risultati
mostrano
una
Risparmio
%
35,3
27,1
23,1
26,3
33,6
31,5
31,6
32,4
33,2
30,9
44,4
32,5
31,8
rilevante
potenzialità
di
risparmio,
impiegando riduttori di flusso. Attualmente in Italia nelle gallerie
di recente costruzione i regolatori di flusso sono previsti per
l’impianto
di
rinforzo,
ma
non
per
l’impianto
di
illuminazione
permanente.
Segue un analisi generica (conto dettagliato vedi allegato J) dei
consumi di energia nell’impianto di illuminazione della galleria di
San Giacomo adoperando regolatori di flusso e mantenendo il flusso
emesso
delle
lampade
ad
un
valore
tale
da
garantire
sul
manto
stradale la luminanza minima prevista dalla direttiva UNI 11095.
Nell’analisi si è tenuto conto solamente della riduzione di energia
elettrica consumata e non del calo degli interventi per manutenzione
e sostituzione. Inoltre la riduzione di flusso è stata applicata
solo
all’impianto
di
illuminazione
permanente,
essendoci
già
presente nell’impianto di rinforzo.
Ovviamente in un analisi più dettagliata bisogna tener conto del
costo sia iniziale, sia di manutenzione dei regolatori di tensione.
Manutenzione ordinaria
Manutenzione straordinaria
Sostituzione lampade (per anno)
Consumo energia elettrica
Costi totali di gestione per anno
€
€
€
€
9.643,68
1.446,55
5.732,58
43.427,91
€
69.894,40
€
%
69.894,40
3,00
€
1.299.959,97
Costi di gestione per 15 anni
Parametri
Costi annui
Valore presunto di inflazione
Costi totali di gestione durata 15 anni
L’impiego di regolatori di flusso non solo relativo all’impianto di
rinforzo,
ma
anche
per
l’impianto
di
illuminazione
permanente
comporta una riduzione delle spese per l’energia elettrica consumata
del 17%.
Conclusione
L’impianto
elettrico
principalmente
deve
essere
di
dall’impianto
progettato
in
una
galleria
di
stradale,
illuminazione
modo
da
e
di
corrispondere
costituito
ventilazione,
alle
relative
normative in vigore.
Tale obiettivo può essere raggiunto percorrendo diverse procedure di
dimensionamento, pur garantendo adeguatezza ai requisiti minimi di
sicurezza, affidabilità e continuità dell’impianto nella messa in
servizio. L’obiettivo del lavoro svolto è di ottenere una serie di
proposte
che
dimensionamento
permettono
che
di
minimizza
individuare
il
consumo
la
di
procedura
energia
di
elettrica
dell’intero impianto elettrico installato in galleria.
Le soluzioni proposte nella tesi permettono di ottenere notevoli
risparmi di energia, che di conseguenza portano a rilevanti risparmi
nei costi di gestione.
Di
seguito
sono
riportate
le
quote
di
risparmio
ottenibili,
impiegando le soluzioni proposte nell’elaborato.
Ventilazione
VI silenz. inclinati
App. ill. LED
Illuminazione
Manto stradale chiaro
Illuminazione
Regolatori di flusso
Illuminazione
0%
Si
evince
che,
22%
14%
10%
17%
5%
sfruttando
10%
i
pregi
15%
ottenibili
20%
con
25%
i
singoli
provvedimenti, si riesce a progettare una galleria, minimizzando le
spese di gestione.
Lo stesso vale per gallerie esistenti, in base alle singolarità di
ciascuna galleria esistente, sono applicabili in tutto od in parte
le soluzioni proposte, che, pur comportando un esborso iniziale,
permettono di ottenere un risparmio economico non trascurabile.
Nel caso della Galleria di San Giacomo si è visto addirittura, che
la
sostituzione
dell’impianto
di
illuminazione
esistente
con
un
impianto basato sulla tecnologia LED è economicamente conveniente,
anche se l’investimento iniziale è notevole.
La
trattazione
è
stata
eseguita
considerando
i
soli
risparmi
economici, non tenendo conto degli effetti benefici che comporta il
risparmio energetico per quanto concerne la tutela dell’ambiente.
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L’analisi della galleria di San Giacomo
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“Road
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(PIARC,
Montreal 1995 e successivi aggiornamenti);
-
“Road
Tunnels:
Vehicle
Emissions
and
Air
Demand
for
Tunnel
and
Air
Demand
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Tunnel
Ventilation” (PIARC, giugno 2003);
-
Road
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PIARC – 2003 per l’anno 2010;
PIARC “Tunnel routiers” – XXI Congrés mondial de la Route (
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Sistema
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comando
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Ufficio aria e rumore , Provincia Autonoma
S.
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Adige, 07.12.2005;
-
Auswertung
Tunnel
der
St.
Lüftersteuerung
Jakob,
Zivilschutz,
Abteilung
Provincia
für
den
Brand-
Autonoma
und
di
Normalbetrieb
1
Zivilschutz,
Bolzano
-
+
Amt
Alto
2,
für
Adige,
17.08.2005;
-
RELAZIONE SINTETICA DI VERIFICA DELL’IMPIANTO DI VENTILAZIONE IN
CONDIZIONI
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ESERCIZIO,
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SS
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Bronzolo
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Catalogo ufficiale Grechi illuminazione, 2007.
L’ottimizzazione dei consumi di energia elettrica
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Witt & Sohn Analyse, WITT & SOHN, IGW Ventilatoren;
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HBI & Witt Messungen, WITT & SOHN, IGW Ventilatoren;
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Ruud Lighting Europe, Via Dei Giunchi, 52/54 – 50145 Firenze
(FI);
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L’ILLUMINAZIONE NATURALE NEGLI IMBOCCHI DELLE GALLERIE STRADALI,
Antonio D’Andrea, Giuseppe Cantisani, Dipartimento di Idraulica
Trasporti e Strade - Università di Roma “La Sapienza”;
-
TELECONTROLLO TELESORVEGLIANZA TELEGESTIONE IMPIANTI ELETTRICI,
Dott.
Ing.
Gestione
Bergamo;
Alain
Viabilità
Mazzocchi
e
–
Ufficio
Protezione
Civile
Impianti
della
del
Settore
Provincia
di
-
Regolazione
del
flusso
luminoso,
risparmio
energetico,
manutenzione e la norma UNI 11095, S. Giua, Direttore tecnico
GIUAS Partners srl.
