Le novità tecnologiche nel controllo dell’illuminazione degli edifici evoluti

Le novità tecnologiche nel controllo dell'illuminazione degli edifici evoluti

Andrea Tamagnini

Copyright 2013 by InfoComm International®

Il relatore

• Ing.Andrea Tamagnini• Lighting Manager di Crestron Italia• Docente Master in Lighting Design –

Facoltà di Architettura -Roma• Associato AIDI

Sommario

In questo webinar parleremo di:

• Brevi cenni sulla sorgenti di luce • I sistemi di controllo e regolazione • Standard attuali• Tecnologia cablate e wireless• L’innovazione delle soluzioni basate su LED• Light Automation negli edifici• Cosa ci riserva il futuro prossimo



Cenni sulla sorgenti di luce


• Temperatura di colore

• bianco caldo tra i 3 000 e i 3 500 K,• bianco neutro tra i 3 500 e i 4 500 K,• bianco freddo tra i 4 500 e i 7 000 K.

La temperatura è importanza non solo per la "gradevolezza " della luce ma risulta di fondamentale importanza per il contesto lavorativo

Cenni sull’evoluzione delle sorgenti di luce

• Tipi di sorgenti di Luce


Incandescente

(2600 K ‐3000 K )

TungstenAlogene

(2800 K ‐3200K )

Efficienza luminosa <12 lm/W Efficienza luminosa <27 lm/W


• Tipi di sorgenti di Luce


Fluorescente

(3000 K ‐ 6000 K )

standard, warm white (3.000 K) standard, cool white (4.000 K) standard, daylight (6.500 K) standard extra, cool white (4.000 K) standard extra, daylight (6.500 K)

Efficienza luminosa <104 lm/WCFL

FL



warm comfort light (2.500 K) extracalda (2.700 K)warm white (3.000 K) white (3.500 K) cool white (4.000 K) daylight (6.500 K) skywhite (8.000 K)

Trifosforo ‐ Pentafosforo



A parità di temperatura di colore la differenza tra una lampada trifosforo e una pentafosforo è appena percettibile, infatti le lampade pentafosforo, di recente introduzione, hanno una resa cromatica leggermente migliore, poiché hanno uno spettro più ampio e omogeneo e una luminosità lievemente minore.Il codice di colore a tre cifre è utilizzato anche per altre sorgenti luminose. In tal caso,la prima cifra indica la resa cromatica. Ad es.

8 indica una resa compresa tra l'80 e l'89% (come effettivamente accade per le lampade fluorescenti trifosforo),9 indica una resa non inferiore al 90% (come effettivamente accade per le lampade fluorescenti pentafosforo);



(4000 K ‐5600 K).

Lampade a scaricaHID

Neon / Catodo freddo CC

Efficienza luminosa <95‐150 lm/W

E’ un tipo di FL : CCFL o CC



Induzione

Efficienza luminosa <70‐90 lm/W

( 2700‐8000 k )



• Durata tra 65.000 ore per i modelli a induttore interno e 100.000 ore per quelli a induttore esterno;• Efficienza elettrica media del 97% grazie alle alte frequenze in gioco;• Efficienza luminosa tra 70 e 90 lm/W rispettivamente per lampade a ballast integrato e a ballast separato;• Invecchiamento della luce ridotto rispetto alle lampade a incandescenza (che soffrono di evaporazione del filamento) e alle lampade a scarica convenzionali;• Avvio istantaneo rispetto a tutte le forme di illuminazione industriale convenzionale, a vapori di mercurio, a vapori di sodio, a alogenuri metallici;• Riciclabilità a causa della separazione dell'amalgama di mercurio dal resto dei materiali, bassa dispersione di mercurio in ambiente per unità di tempo dovuta al lungo ciclo di vita.



Le lampade che fanno uso di induttore interno e che utilizzano ballast ad alta frequenza possono produrre interferenze radio (RFI) ed interferiscono con le comunicazioni radio nell’area limitrofa. Le lampade più nuove con induttore esterno, usano ballast a bassa frequernza che hanno le certificazioni FCC e sono in linea con le regolamentazioni RFILe lampade ad induttore esterno tendo ad essere ingombranti , specialmente per alti wattaggi e quindi non sono adatte in applicazioni dove la compattezza della lampade è importante.Alcuni tipi di lampade ad induzione utilizzano il mercurio, che è altamente tossico se rilasciato nell’ambiente.



LED

Efficienza luminosa <60 lm/W

( 2700‐8000 k )

a) Efficienza in continuo aumentob) Dimmerizzazione senza variazione di temperatura di

colorec) Accensione istantanea



L’importanza è nella sua vita media alta, selettività nell’emissione eQuindi minore dispersione in calore etc.. e la miglior risposta nella Dimmerazione unita ad una notevole compattezza e flessibilità installativa.

Risulta anche importante la possibilità di realizzare luce dinamica e il «tunable white»

2700K

5600K

Le persone sono influenzate dall’alternarsi del giorno e

della notte. La luce naturale influenza il

benessere personale



E’ il componente che sta rivoluzionando non solo l’illuminazione negli edifici ma il nostro vivere quotidiano

Cenni sulle sorgenti di Luce


• Vita media delle differenti famiglie di lampade

Tipo Durata

Incandescenti 1.000 ore

Alogene 2.000 – 5.000 ore

Fluorescenti 12.000 ‐79.000 ore

Scarica compatte 6.000 – 15.000 ore

Scarica non compatte 10.000 – 32.000 ore

Induzione 89.000 ore

Led 40.000 ore



• Vita media delle differenti famiglie di lampade



• Ra – indice di Resa Cromatica o CRI

La norma UNI 10380 suddivide l'indice della resa del colore (Ra) in cinque gruppi:

1A…....RA>90 (raccomandata per abitazioni,, musei, studi di grafica, ospedali e studi medici)1B…....80<Ra>90 (raccomandata per uffici, scuole, negozi, palestre, teatri, industrie tessili e colorifici)2……..60<Ra>80 (raccomandata per aree di servizio, corridoi, passaggi, scale)3……..40<Ra>60 (raccomandata per officine, magazzini, depositi)4……...20<Ra>40 (raccomandata per parcheggi, banchine, cantieri, scavi)

Un buon prodotto basato su tecnologia LED ha un CRI > 90

La regolazione come risparmio e non solo energetico


Forward Phase Dimming:La maggior parte delle lampade in app.residenziali sono resistive o induttive e verranno dimmerati utilizzando forward phase dimming.

Maximum Voltage

Zero Crossing point

Dimming Leading EdgeOvvero taglio di fase sul

fronte di salita

Maximum Voltage


Reverse Phase Dimming:

Molti dei trasformatori elettronici hanno carichi capacitivi e e viene utilizzato il reverse phase dimming.

Maximum Voltage

Zero Crossing point

Maximum Voltage


Dimming Trailing EdgeOvvero taglio di fase sul

fronte di discesa

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Aumento della vita media della lampada dovuto al minor stress termico del filamento in accensione e spegnimento ( valido per incandescenti e alogene )


PWM Dimming:

I LED non possono utilizzare direttamente il taglio di fase come regolazione.La tensione continua va “modulata” come un segnale morse per generare l’effetto della variazione del livello luminoso



La regolazione come risparmio e non solo energeticoCome dimmerare I differenti corpi illuminanti basati su tecnologie LED

Per dimmerare le striscie LED, che lavorano a tensione costante ( VC ) vanno utilizzati i dimmer che lavorare in PWM direttamente sullla tensione ( 12‐24‐48)

Per dimmerare gli spot LED abbiamo due possibilità :A) Se ci troviamo di fronte a Spot LED a 12‐24 VDC con alimentatori a corrente

costante , vanno sostituiti gli alimentatori con analoghi del tipo DIMMABLE , allo stesso tempo va precisato che normalmente i “Costant Current dimmable powersupply” vanno utilizzati con dimmer del tipo TRAILING EDGE e quindi dovresti utilizzare i nostri dimmer

B) Se ci troviamo di fronte a spot led a 230VAC ( purchè dimmable ) possono essere dimmerati da dimmer Leading Edge PREVIO TEST.


• Fluorescente– Alimentati tramite 5 tipi di reattori

• Due fili non‐dimmerabile: disponibili con reattori magnetici o elettronici.

• Due‐fili dimmerabile elettronicamente: I cavi fase e neutro sono connessi al reattore l’informazione per il dimming è inviata sulla potenza

• Tre‐fili : l’informazione per il dimming è inviata tramite un cavo dedicato ad alta tensione

• quattro‐fili: l’informazione per il dimming è inviata tramite un circuito a bassa tensione 0‐10VDC

• DALI (digital addressable lighting interface): reattori

contengono un indirizzo digitale ed è parte di una rete.




• Fluorescente– Ricordiamoci che la vita media di un tubo fluorescente è direttamente collegato al numero di accensioni e spegnimenti


Carichi Dim InterfacciaIncandescenti ( 230v ) Si Dimmer Tipo Leading edge o Trailing edge

Bassa Tensione con trasformatore magnetico (MLV) – Incandescenti o Alogene

Si Dimmer Tipo Leading edge

Bassa Tensione con trasformatore elettronico (ELV) – Incandescenti o Allogene

Si Dimmer Tipo Trailing edge

Fluorescenti con Reattore Elettronico standard( …es. Fluorescenti Compatte )

no ON‐OFF

Fluorescenti con Reattore Elettronico concontrollo analogico 0‐10V

si Dimmer per fluorescenti con 0‐10V

Fluorescenti con Reattore Elettronico concontrollo analogico DSI

si Dimmer per fluorescenti con DSI ( poco diffuso in Europa )

Fluorescenti con Reattore Elettronico concontrollo analogico DALI

si Interfaccia DALI

LED ( Lampade o Strips ? ) Si(*) PWM,0‐10V, DMX,DALI, Alim CC dimmerabili TE

Neon/Catodo Freddo ( CC) si Dimmer Tipo Leading edge




Quali sono le conclusioni su questa sezione dedicata alla regolazione…

……..trovare il giusto bilanciamento tra circuiti con necessità di dimmerazione e circuiti da gestire in ON‐OFF anche in base alla tipologia per contenere i costi di refit o per nuovi impianti.

Tutti i circuiti , regolabili o no, devono essere sotto una gestione globale e condizionati da sensori di presenza , sensori di compensazione luce naturale e temporizzati.

Standard nei sistemi di regolazioni luci


Quali sono gli standard in uso nei sistemi di regolazione luci e metering ?

A) DALIB) 0‐10VdcC) DMXD) DSI ( non diffuso in europa )E) KNXF) M‐BusG) EnOceanH) 3DIM ( per illuminazione stradali ) I) PowerLine (ISO/IEC 14908)J) Bacnet




A) 0‐10V : Semplice controllo in tensione analogico a due fili

B) DSI : Controllo Digitale a due fili non indirizzabile

C) DALI : Controllo Digitale Indirizzabile

Nei sistemi luci per uffici e terziario, lo standard di controllo è il DALI che nasce prettamente per il controllo dei fluorescenti ma sono ancora in uso metodi precedenti




International standard IEC 62386




Vantaggi : diagnostica evoluta, controllo puntuale senza utile negli spazi riconfurabili,bus non invertente e quindi di facile cablaggio,funzioni utili di emergenza in caso diInterruzione del bus, notevole diffusione tra i marchi di apparecchi di illuminazione

Svantaggi : costo decisamente alto dei reattori e degli alimentatori dotati di questoBus, manutenzione effettuabile solo da personale specializzato, bus lento (1200 b/s.)e poco adatto agli scenari dinamici. Pur essendo uno standard alcuni marchi ne fanno un uso proprietario per ragioni di mercato. Numero limitato di dispositivi per universo




Nel mondo teatrale e dello spettacolo lo standard di controllo è chiamato DMX‐512

DMX 512 ( derivato da RS-485 )Protocollo per sistemi di lighting systemPuo indirizzare fino a 512 dispositiviComunica a 250kbpsConnettori XLR-5 sono lo standard di connessione

I trasmettitori usano connettori femmina

Altamente immune alle interferenze EMF

Connettori Robusti




Vantaggi : Bus molto stabile e di pronta risposta, connettori robusti, possibilità diAssegnare gli stessi canali a più dispositivi per operazioni sincroni

Svantaggi : limitato ad uso teatrale e spettacolo e poco diffuso in ambito architetturale,Necessità di inserimento di splitter per creare topologia a stella.



In Europa, il bus Standard nei sistemi di controllo elettrico ( luci,clima e motorizzazioni ) è il sistema KNX, evoluzione del sistema EIB e amalgama di tre bus precedenti

In costante aumento nella diffusione e nelle proposte

Attualmente ci sono 300 produttori e circa 7000 prodotti certificati



Vantaggi : Sistema ad intelligenza totalmente distribuita, bus adottato da marchi diversi e quindi possibilità di scelta nell’acquisto dei prodotti, software di configurazione unico

Svantaggi : E’ un bus principalmente per la gestione dell’automazione elettrica, limitate funzioni e possibilità di implementazione di scenari o algoritmi complessi.



L’Enocean è uno standard emergente per tutto quello che riguarda i dispositivi wireless a bassissimo consumo e la Texas Instruments sta spingendo nelladivulgazione di kit di sviluppo per nuovi prodotti basati su tale tecnologia



I dispositivi wireless Enocean si ricollegano tramite un gateway alle dorsali esistenti basate sugli standard più diffusi



Vantaggi : comunicazione senza fili, basso consumo , collezione di energia innovativa,bassa manutenzione e ridotto rischio d’incendio bassa pollution elettromagnetica

Svantaggi : prezzo dei dispositivi, limitata offerta di prodotti, standard giovane e quindida verificarne i limiti nel tempo, difficile disponibilità di prodotti in Europa




Una tecnologia powerline molto diffusa in tutto il mondo ed anche in Italia è quella basata sul protocollo LonWorks, ora anche standard ISO 14908‐1‐2‐3‐4, infatti su questo protocollo è basato il contatore che Enel installa da qualche anno che è in grado di fare la telelettura e le modifiche contrattuali da remoto

Powerline

Fra i maggiori oppositori alla diffusione di questa tecnologia vi sono le emittenti radio. Anche se i cavi powerline sono intrecciati e schermati (grazie alla schermatura ed al fatto di essere molto vicini e non in linea retta producono un campo elettromagnetico debolissimo), essi sono sostanzialmente delle antenne (filari) che teoricamente disperdono (irradiano) e assorbono (ricevono) energia sulle frequenze radio.

Tecnologie cablate e wireless


Nell’ambito di un cablaggio di un sistema di controllo dell’edificio le scelte sono obbligateDai vincoli dell’edificio stesso e si risolvono in :

a) Utilizzo di una dorsale basata su una rete dati standard quale Ethernetb) Posa di uno o più bus specifici in tutto l’edificio o eventualmente

come appendice della dorsale in Ethernetc) Utilizzo di connessioni wireless standard o proprietarie in base alle distanze

e ai dispositivi da integrare

In base a queste considerazioni verrano passati cavi tipo Cat5e o di qualità superiore, cavi Bus a due fili o multipolari e verranno posizionati transceiver per una copertura ottimale wireless



Tecnologie cablate

Ethernet (IEEE 802.11)…….. Poco da dire valgono le considerazioni std

Bus Standard ….…. Quelli enumerati nelle slides precedenti

Bus Proprietari …… Pur nella proprietarietà hanno i loro vantaggi ………



Wifi (IEEE 802.11)

Bluetooth (IEEE 802.15)

ZigBee (IEEE 802.15.4 / ZigBee PRO)

Z‐Wave

Soluzioni Proprietarie in 2.4 GHz ( tipo InfinetEX )

Tecnologie wireless



Tecnica Freq Range di Connettività

Transfer Rate Consumo Svantaggi Rete

WiFI 2.4 GHz – 5.4 GHz

100 mt 11Mb/s ‐ 3Gb/s alto Basso QoS Punto‐Multipunto

Bluetooth 2.45 Ghz 1‐10‐100mt *Tipico 10 mt

723,1 kbit/s –3Mb/s

Medio ‐ 1‐2.5‐100mW

Piconet ad hoc

ZigBee 868 MHz in Europa o 2.4GHz

10‐75mt 250 kbit/s Molto basso ‐ 1 mW

Stella,peer‐topeer, cluster‐tree

Z‐Wave 868.42 MHz(Europa)

30 mt 100 kbit/s Molto basso Mesh

InfinetEX 2.4 GHz Mesh

EnOcean 902 MHz,868.3 MHz e 315 MHz

30 mt 125 kbit/s Bassissimo




Soluzioni lighting wireless basate su ZigBee




Esempio di soluzioni wireless in ambito residenziale




Esempio di soluzioni wireless mesh

• Gli oggetti formano una rete– Ciascun oggetto funge da ripetitore– Più oggetti formano la rete, più la

rete risulta stabile• IEEE 802.15.4

– Interoperabilità con 802.11, etc• Prestazioni elevatissime


Light Automation negli Edifici

…passiamo ora alle soluzioni integrate per applicazioni «Building»



Problema : Nel 2006 il 72% del consumo elettrico del mondo è dovuto agli edifici,nel 2025 dovrebbe raggiungere il 75% di cui il 38% è attribuibile alle residenze private e il 36% agli edifici commerciali

Il DATO : Gli edifici Consumano la maggior parte dell’energia

Soluzione : Attraverso un uso coscenzioso, sia nel building che nel residenziale, si potrà avere uno sviluppo sostenibile


Light Automation negli EdificiIl DATO : L’illuminazione è il primo fattore ci consumo dell’energia

Problema : La maggior parte dell’elettricita è utilizzata per l’illuminazione

Soluzione : integrando metodi per il controllo luci con altre tecnologie quali clima,AV e controllo e gestione carichi si può ridurre il consumo energetico



Cook+Fox Architects | Primo Ufficio LEED Platinum in NYCIntegrando tutti i sistemi dell’edificioche consumano energia con software & logica per poter:

• Ridurre il consumo dei sistemidegli edificio

• Migliorare l’usabilità da parte del personale

• Fornire la potenza e il beneficiodi strumenti di lavoro intelligenti

Questo è quello che rende un edificio intelligente


Light Automation negli EdificiSfruttare un'infrastruttura comune per :

• Ridurre i costi di costruzione• Fornire il massimo del

risparmio energetico• Ridurre lo sforzo di

manutenzione• Fornire flessibilità per tutta la

vita dell'edificio



Sensore condiviso = Dati condivisi

Semplicemente aggiungendo un sensore ad ognisala …….. Un sensore per tutto.

• Gestione delle risorse• Modalità d’utilizzo degli ambienti: libero o

occupato• Lo stato corrente viene condiviso da tutti I sistemi• Le risorse utilizzate solo quando necessario• Luci, AV, Tende, Clima…• Il Calendario viene aggiornato automaticamente





Il Sistema di classificazione per gli edifici GREEN LEED individua sette parametri . Con un sistema di controllo si contribuisce nel raggiungimento di cinque di queste sette categorie di parametri di classificazione.


Light Automation negli EdificiLa norma EN15232 è la base di partenza per l’implementazione dell’Efficienza Energetica Attiva negli Edifici.Questa norma introduce una classificazione in 4 classi di efficienza energetica delle funzioni di controllo degli impianti tecnici degli edifici.Esistono due metodi di calcolo per stimare l’impatto dei sistemi di automazione e controllo sulle prestazioni energetiche degli edifici


Light Automation negli EdificiClasse D “NON ENERGY EFFICIENT”: comprende gli impianti tecnici tradizionali e privi di automazione e controllo, non efficienti dal punto di vista energetico;

Classe C “STANDARD” (riferimento): corrisponde agli impianti dotati di sistemi di automazione e controllo degli edifici (BACS) “tradizionali”, eventualmente dotati di BUS di comunicazione, comunque a livelli prestazionali minimi rispetto alle loro reali potenzialità;

Classe B “ADVANCED”: comprende gli impianti dotati di un sistema di automazione e controllo (BACS) avanzato e dotati anche di alcune funzioni di gestione degli impianti tecnici di edificio (TBM) specifiche per una gestione centralizzata e coordinata dei singoli impianti;

Classe A “HIGH ENERGY PERFORMANCE”: corrisponde a sistemi BAC e TBM “ad alte prestazioni energetiche” cioè con livelli di precisione e completezza del controllo automatico tali da garantire elevate prestazioni energetiche all’impianto.

NOTE:BACS : “Building Automation and Control Systems” – Sistemi di automazione e controllo degli edificiTBM : “Technical Home and Building Management” ‐ Gestione tecnica dell’edificio

La classe C è considerata dal normatore la classe di riferimento perché considerata lo standard tecnologico di partenza.



L’Efficienza Energetica Attiva negli Edifici

Un sistema di automazione è di classe D, C, B o A se tutte le funzioni che implementa sono rispettivamente almeno di Classe D, C, B o A



In ambito industriale la supervisione si chiama SCADA ed è basata s PLC e PC

In ambito edifici la supervisione si chiama BMS o IBT ed è basata su PLC, PC, gateway e processori dedicati



• Come collezionare i dati ?Server

dataVisualizzazioni Real‐Time



Da dove prelevare i dati e le informazioni ?

1) Dai dispositivi

2) Da misuratori centralizzati o remoti

3) Da sensori cablati o wireless




1) Dai dispositivi

I reattori DALI forniscono informazioni sul potenza assorbita

Sempre più apparati espongono i loro dati di consumo in tempo reale




2) Da misuratori centralizzati o remoti




3) Da sensori cablati o wireless





1. Tracciamento in real‐time dell’energia utilizzata2. Possibilità di visualizzazione storica del consumo di energia per giorno, settimana, mese o anno3. Controllo dei livelli di luce, stato tende, e clima in real time4. Definizione del set points pre‐meeting di temperatura, luce e stato motorizzazioni5. Cambio scenario per stati di ambienti occupati o vuoti6. Adjust demand response rules for luce e clima7. Schedulare lo shutdown a fine giornata8. Vista globale ed immediata dello stato degli ambienti per tutto o tutti gli edifici9. Il software deve essere modulare e integrato con altri sistemi ( es. TVCC )10. Architettura Server‐based scalabile e ridondante con bilanciamento dei carichi11. API per lo sviluppo di applicazioni custom per integrare applicazioni di differenti marchi

Quali sono le caratteristiche fondamentali di un buon sistema di supervisione ?

…e in particolare di un sistema di supervisione per l’efficientamento energetico ?



Tipica vista di un sistemadi supervisione per Energy Management








Cosa ci riserva il futuro ?

…. Ci riserva che finalmente si sta confluendo verso due‐tre standard a cui tutti si devouniformare o comunque si devo integrare….

…ci riserva che la misura dei consumi sta diventando un requisito di base e non un optional per pochi eletti ….

…ci riserva che la domotica e/o il building automation possono portare ad un risparmioanche se alcuni marchi danno valori di risparmio utopici che danneggiano il mercato

…ci riserva che anche per gli apparati video si sta andando verso alcuni standard di controllo che permetteranno un più semplice controllo dai software di supervisione…

…ci riserva che la crisi ha comunque generato una selezione naturale lasciando a disposizionedei clienti solo i marchi affidabili e strutturati, scartando le soluzioni casalinghe o a breve termine



…. Sarà mia premura aggiornare i partecipanti al Webinar sulle novità esu quanto di vostro interesse

Per qualsiasi chiarimento : [email protected]

Le novità tecnologiche nel controllo dell'illuminazione degli edifici evoluti

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Le novità tecnologiche nel controllo dell’illuminazione degli edifici evoluti