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Un progetto innovativo nell’illuminazione di gallerie

Un progetto innovativo nell’illuminazione di gallerie
Il metodo della luminanza dinamica

La ristrutturazione in corso dell’illuminazione della zona di rinforzo delle gallerie di Autostrade per l’Italia SpA, progettata e realizzata secondo il metodo delle luminanze dinamiche con misurazioni in loco, consegue gli obiettivi legali e normativi, confermando i vantaggi attesi per sicurezza, energia e ambiente.

Immagini

  • La galleria Melarancio è illuminata completamente a LED
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    La galleria Melarancio è illuminata completamente a LED
  • La galleria Melarancio è illuminata completamente a LED
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    La galleria Melarancio è illuminata completamente a LED
  • Il confronto tra le luminanze debilitanti durante l’avvicinamento al fornice per alcune gallerie con i rapporti percentuali fra le luminanze finali ed iniziali nelle zone di entrata
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    Il confronto tra le luminanze debilitanti durante l’avvicinamento al fornice per alcune gallerie con i rapporti percentuali fra le luminanze finali ed iniziali nelle zone di entrata
  • Il confronto tra le luminanze stradali calcolate con le luminanze cautelative della UNI 11095 e dinamiche. Le aree tra le curve e l’asse delle ascisse sono proporzionali alle potenze installate
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    Il confronto tra le luminanze stradali calcolate con le luminanze cautelative della UNI 11095 e dinamiche. Le aree tra le curve e l’asse delle ascisse sono proporzionali alle potenze installate
  • Gli impianti di illuminazione con SAP e LED: le previsioni su potenze installate
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    Gli impianti di illuminazione con SAP e LED: le previsioni su potenze installate
  • La distribuzione delle luminanze stradali medie di entrata in funzione della lunghezza degli oltre 600 formici esaminati, svincoli esclusi. La media delle luminanze di entrata è 92,5 cd/m2
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    La distribuzione delle luminanze stradali medie di entrata in funzione della lunghezza degli oltre 600 formici esaminati, svincoli esclusi. La media delle luminanze di entrata è 92,5 cd/m2
  • Le luminanze stradali di rinforzo, calcolate con il metodo delle luminanze dinamiche, per la galleria con luminanza di entrata media della figura precedente (linea rossa) e per quelle con luminanze massima e minima (linee magenta). Le luminanze calcolate per la galleria media con i dati cautelativi ed il metodo in deroga della UNI 11095 (linea blu) mostra consumi maggiori della galleria con luminanza dinamica massima
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    Le luminanze stradali di rinforzo, calcolate con il metodo delle luminanze dinamiche, per la galleria con luminanza di entrata media della figura precedente (linea rossa) e per quelle con luminanze massima e minima (linee magenta). Le luminanze calcolate per la galleria media con i dati cautelativi ed il metodo in deroga della UNI 11095 (linea blu) mostra consumi maggiori della galleria con luminanza dinamica massima
  • La galleria Delle Cave sx (A27) da 160 m (a sx), la precedente ridotta per simulare la distanza di 20 m (al centro) e da 20 m (a destra)
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    La galleria Delle Cave sx (A27) da 160 m (a sx), la precedente ridotta per simulare la distanza di 20 m (al centro) e da 20 m (a destra)
  • La galleria Roccadarme sx (A26) da 170 m (a sx), la precedente ridotta per simulare la distanza di 20 m (al centro) e da 20 m (a destra)
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    La galleria Roccadarme sx (A26) da 170 m (a sx), la precedente ridotta per simulare la distanza di 20 m (al centro) e da 20 m (a destra)

In proposito, nel Febbraio 2011, “Strade & Autostrade” descrisse il sistema innovativo di illuminazione della galleria Monte Veilino sx (A12), denominato “luminanze dinamiche”, con le sue prestazioni avanzate per sicurezza, costi di installazione e consumi energetici. Tre anni di servizio in sicurezza, con eccellente compatibilità energetica ed ambientale, confermano la validità del programma di Autostrade per l’Italia SpA.

In questa sede si espongono i risultati ottenuti e quelli attesi, realizzati in conformità con Leggi e Norme.

Il compito visivo minimizzando costi e consumi

La CIE 88/04 e la UNI 11095 suddividono la galleria in tre zone: entrata (“Threshold zone”), transizione, interna. La denominazione “Threshold” chiarisce le funzioni di questa zona: “soglia”, tra illuminazione diurna esterna e artificiale interna, quando occorre percepire, della marcia in avvicinamento, la eventuale presenza di un ostacolo posto alla distanza di arresto di fronte al conducente. La CIE 88/04 dichiara in proposito: “Come sopra riportato, il livello di illuminazione necessaria nella zona di entrata è determinato da criteri di visibilità o, in altre parole, da sufficiente contrasto. 

Un conducente può identificare altri utenti della strada o oggetti nella zona di entrata dalla distanza di arresto se il contrasto percepito è maggiore o uguale al minimo contrasto richiesto.

Il compito del conducente è determinare la presenza di altri utenti della strada o oggetti nella relativamente scura zona di entrata mentre sta guidando in un ambiente relativamente luminoso ad una distanza pari alla distanza di arresto corrispondente alla velocità di progetto della galleria”.

Un concetto ribadito nella definizione stessa della zona di entrata, riportata al punto 3.6.4 della UNI 11095: “Tratto interno alla galleria, a partire dalla sezione di entrata, lungo il quale l’illuminazione deve garantire un valore medio di luminanza tale da consentire al conducente di un veicolo in avvicinamento di individuare l’ostacolo di riferimento dalla distanza di visibilità per l’arresto”.

Ulteriore conferma arriva dalle prime righe del punto 5.1.4: “Per l’intera lunghezza della zona di entrata, pari alla distanza di riferimento, la luminanza stradale deve garantire la percezione di un eventuale ostacolo da parte del conducente in avvicinamento”.

Per la corretta determinazione della luminanza stradale nella zona di entrata, occorre misurare, durante la visita in loco “essenziale” secondo il punto 9 della UNI 11095, la luminanza debilitante Lv in vari punti durante l’avvicinamento al fornice, calcolando successivamente la luminanza stradale media nelle sezioni della zona di entrata, situate alla distanza di riferimento (di arresto) dalle varie posizioni di misura, con la formula riportata al punto 5.1 della UNI 11095. La UNI 11095 prevede inoltre, al punto 9 “Risparmio energetico”, le misurazioni in loco delle luminanze ambientali, compresa quella dell’atmosfera, come segue: “Garantite tutte le condizioni di sicurezza, il progetto illuminotecnico di una galleria stradale deve essere orientato verso il massimo risparmio energetico, esigenza qui tanto più importante in quanto da un lato le luminanze coinvolte sono maggiori di quelle tipiche dell’illuminazione stradale, dall’altro l’impianto di illuminazione funziona, sia pur parzialmente, per 24 ore al giorno”.

A tal fine è quindi essenziale che “Il progetto sia basato su di una visita in loco per verificare le condizioni locali ed effettuare le misurazioni delle luminanze ambientali per la determinazione della luminanza di velo progettuale Lv75”. L’illuminazione della zona di entrata di una galleria ricopre quindi un ruolo fondamentale per la sicurezza degli utenti della strada e per la compatibilità energetica ed ambientale dell’impianto di illuminazione, il cui compito è rendere visibile un ostacolo. A questo provvede nel percorso di avvicinamento, il “processo neuronale rapido” adattando alle luminanze debilitanti in diminuzione l’occhio del conducente e, se l’impianto di illuminazione realizza le luminanze stradali calcolabili con la formula del punto 5.1 della UNI 11095, gli consente di percepire un eventuale ostacolo situato sulla strada, di fronte a lui ed alla distanza di riferimento (di arresto).

L’adattamento fisiologico successivo, più lento, alle basse luminanze della zona interna, interviene nella zona di transizione. L’adattamento neuronale rapido, descritto da numerosi Autori, è definito nell’IES Handbook: “L’adattamento neurale (adattamento di transizione) è una veloce variazione della sensibilità (meno di 1 s), probabilmente dovuto a interazioni inibitorie tra retina e vie nervose. L’adattamento di transizione è complesso e di solito di entità relativamente limitata, di cui tuttavia è stata dimostrata l’influenza sulle soglie visive durante rapidi cambiamenti nei livelli di illuminazione. In alcuni livelli di adattamento, ai processi neurali possono essere attribuiti virtualmente tutti i cambiamenti della sensibilità dell’occhio”. I gradienti di luminanza ottenuti con il metodo della luminanza dinamica hanno andamenti e luminanze al termine della zona di entrata diversificati (dal 12% al 125% della luminanza nella sezione di entrata), incompatibili con una curva unica per tutte le gallerie.

Risultati e aspettative

Da quanto detto, il progetto illuminotecnico basato sulla misurazione in loco delle luminanze debilitanti in avvicinamento ad un fornice è un’opzione progettuale che assicura la realizzazione del compito visivo previsto da Leggi e Norme minimizzando costi, consumi energetici ed emissioni di CO2. Viceversa, nel secondo capoverso del punto 5.1.4 della UNI 11095, in forma ipotetica ed in deroga ai criteri energetici prescritti al punto 9 della Norma, è ammesso un metodo che non ottimizza al massimo i criteri energetici fondamentali. 

Il confronto tra potenze installate e risparmi energetici previsti con la sostituzione delle lampade SAP con sorgenti LED per tre ipotesi di luminanza debilitante di progetto osserva:

  • tabellari secondo l’appendice E della UNI 11095 (riferimento);
  • misurate dalla sola distanza di arresto;
  • determinate con misure dinamiche.
Lo stato del programma di aggiornamento

Autostrade per l’Italia SpA ha completato i rilievi dell’andamento della luminanza debilitante e definito gli andamenti della luminanza stradale nelle zone di rinforzo in oltre 450 fornici. Il confronto tra la galleria con luminanza dinamica media e la stessa calcolata impiegando le luminanze cautelative della UNI 11095 ed il metodo ammesso in deroga dalla Norma, mostra potenze installate più elevate di quelle della galleria con luminanze dinamiche massime.

Progettare con le luminanze dinamiche

Il metodo delle luminanze dinamiche richiede una progettazione accurata: visite in loco, fotografie da diverse distanze, laboratorio fotometrico mobile, strumentazione adeguata per la misura delle luminanze ambientali e dell’atmosfera.

Il Progettista valuterà le immagini significative in relazione alla variazione dell’influenza delle varie zone del campo visivo conseguenti al percorso stradale ed all’avvicendamento dei secondi piani, determinando la luminanza stradale nelle corrispondenti sezioni della zona di entrata. Non proponibile l’utilizzo di una sola fotografia eseguita dalla distanza di arresto, ingrandita via via per simulare l’avvicinamento al fornice. Evidenze sperimentali provano che simile procedura produrrebbe risultati inaffidabili, a causa della variabilità dei secondi piani, particolarmente impattanti nella grande maggioranza delle nostre gallerie in percorsi di montagna e con entrata in curva.

Ai fini del risparmio energetico dovrà essere particolarmente curato il programma di parzializzazione, pilotato da un luminanzometro posizionato esternamente alla distanza di arresto dal fornice in grado di misurare la luminanza debilitante: l’accuratezza di questo sensore condizionerà la minimizzazione dei consumi.

La maggiore complessità progettuale può essere disturbante per alcuni, ma è compensata a nostro avviso dai vantaggi derivanti dal rispetto, sempre prioritario, della sicurezza degli utenti e dalla riduzione delle spese di installazione e dei consumi energetici che, particolarmente in questa fase del nostro Paese, vanno opportunamente valutati.

L’alternativa indicata al punto 5.1.4 della UNI 11095 è un metodo empirico e ovviamente forzatamente cautelativo. Altri metodi sono possibili “purché vengano rispettati e documentati, con assunzione di responsabilità, i livelli di sicurezza e di prestazioni attesi fissati dalla Norma” (D.M. 14/09/2005, art. 1, comma 2).