Valutazione dei costi di installazione e di esercizio di un impianto domotico di illuminazione per un auditorium

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"Roma non è stata costruita in un giorno" Proverbio

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Indice

1 I sistemi a cablaggio integrato 8

1.1 Generalità sui sistemi BUS a cablaggio integrato per impianti

civili . . . 9

1.1.1 Gli standard per edifici ”intelligenti” . . . 9

1.2 Lo standard EIB - Konnex . . . 12

1.2.1 Mezzi di trasmissione . . . 13

1.3 Struttura della rete e gestione del BUS con twisted pair . . 14

1.4 Indirizzamento, collisioni e pacchetti . . . 16

1.5 Progettazione di un sistema a cablaggio integrato EIB - Konnex 18 1.5.1 Flusso di progetto . . . 19

1.6 Tool di progetto: ETS 3 . . . 21

2 Illuminotecnica 26 2.1 Le grandezze fotometriche . . . 26 2.2 Sorgenti luminose . . . 28 2.2.1 Lampade a incandescenza . . . 29 2.2.2 Le lampade a scarica . . . 29 2.2.3 Lampade fluorescenti . . . 31

2.2.4 Lampade fluorescenti a bassa pressione . . . 32

2.2.5 Individuazione delle proprietà degli apparecchi di il-luminazione . . . 32

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Indice

2.3 Tecnica dell’illuminazione . . . 34

2.3.1 Requisiti illuminotecnici . . . 35

2.4 Illuminamento diretto prodotto da sorgenti puntiformi . . . 36

3 Simulazione degli edifici: Energy+ 39 3.1 Struttura del programma . . . 40

3.2 Il calcolo dell’illuminazione in Energy+ . . . 41

3.2.1 Le funzioni . . . 43

3.2.2 Il calcolo dettagliato dell’illuminamento naturale . . 43

3.2.3 La mappa di illuminamento . . . 45

4 Progetto di un impianto domotico di illuminazione 46 4.1 Il flusso di progetto . . . 46

4.1.1 Individuazione dei requisiti . . . 46

4.1.2 Valutazione delle possibili configurazioni progettuali 48 4.1.3 Simulazione dell’edificio senza illuminazione artificiale 48 4.1.4 Simulazione dell’edificio con illuminazione artificiale 49 4.1.5 Possibili criteri di scelta del progetto . . . 49

4.2 Il caso in esame: l’auditorium de "La Sterpaia" . . . 50

4.2.1 Planimetria . . . 50

4.2.2 Destinazione d’uso e requisiti illuminotecnici . . . . 52

4.2.3 Simulazione dell’illuminazione naturale . . . 53

4.2.4 Scelta degli apparecchi illuminanti . . . 54

4.3 Progetto del BUS . . . 55

4.3.1 I componenti . . . 55

4.3.2 Il BUS . . . 56

5 Simulazione dell’illuminazione artificiale con Matlab 58 5.1 Il calcolo necessario per la simulazione . . . 58

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Indice

5.2 L’algoritmo utilizzato . . . 60

5.2.1 Acquisizione dei dati . . . 61

5.2.2 I parametri degli apparecchi di illuminazione . . . . 61

5.2.3 La matrice di trasformazione . . . 62

5.2.4 Requisiti della risoluzione del sistema e soluzione . 64 5.3 Calcolo dettagliato dell’illuminamento . . . 66

5.3.1 Illuminamento naturale: interpolazione . . . 67

5.3.2 Illuminamento artificiale . . . 67

5.4 Risultati . . . 68

5.4.1 esportazione dei dati . . . 68

6 Risultati: costi di installazione e di gestione dell’impianto 69 6.1 I progetti considerati . . . 69

6.1.1 Le configurazioni adottate . . . 70

6.2 Il costo di ciascuna configurazione . . . 71

6.2.1 Altre alternative . . . 72

6.2.2 Costi fissi . . . 73

6.2.3 Preventivi di massima . . . 73

6.3 Simulazione dell’illuminazione artificiale . . . 74

6.3.1 Calcolo della potenza dissipata . . . 74

6.3.2 Valutazione dell’illuminamento per ciascuna config-urazione . . . 75

6.4 Valutazione dei costi di gestione . . . 82

6.4.1 Andamento dei costi di gestione al variare del nu-mero dei punti luce . . . 83

6.5 Alternative . . . 83

6.5.1 Impianto Tradizionale . . . 85

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Indice

6.5.3 Impianto controllato da un numero limitato di sensori 90 6.6 Conclusione sui costi degli impianti a cablaggio integrato . 90

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Introduzione

In questa tesi sarà affrontato il tema del risparmio energetico e, nello speci-fico, verrà valutata la possibilità di risparmiare energia in un impianto di illuminazione sfruttando le tecnologie elettroniche disponibili, in particolare utilizzando i sistemi BUS a cablaggio integrato.

Dopo una rapida presentazione dei sistemi BUS domotici, con partico-lare riferimento allo standard europeo Konnex, li analizzeremo dal punto di vista del progettista, presentando un possibile modo di procedere nella progettazione di un impianto generico e un ambiente software realizzato per questo scopo.

Per poter adeguatamente studiare i problemi legati alla progettazione di un impianto di illuminazione, introdurremo alcune grandezze e relazioni fondamentali di illuminotecnica. Queste ci serviranno anche per sviluppare un algoritmo di calcolo e controllo della potenza necessaria alle lampade per ottenere la giusta illuminazione in un ambiente. Introdurremo anche alcune tecniche per la valutazione delle specifiche di progetto proprio per questo tipo di impianto.

L’idea che seguiremo sarà quella di sfruttare al meglio la luce naturale proveniente da finestre e lucernari, limitando la potenza delle lampade al minimo indispensabile per illuminare i punti dello spazio non raggiunti dalla luce naturale.

Per poter valutare correttamente l’andamento della luce naturale, du-rante il giorno e al variare delle stagioni, all’interno di un ambiente, occorre

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Indice

un simulatore in grado di fornire questi dati in formato testo, per poterli comodamente elaborare. A questo fine verrà presentato e poi utilizzato Energy+.

Infine, verranno utilizzate le tecniche analizzate e sviluppate sul caso prati-co dell’auditorium de ”La Sterpaia”, per il quale verranno dimensionati diver-si tipi di impianti di illuminazione controllati dal BUS, dei quali diver-si valuteran-no e confronteranvaluteran-no i costi di installazione, le prestazioni illumivaluteran-notecniche e i costi di gestione, calcolando l’energia dissipata.

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1 I sistemi a cablaggio integrato

Nei moderni edifici vi sono un certo numero di impianti indipendenti, nei quali è presente una componente sempre più importante di sistemi elettronici di controllo. Questo è il caso dei sistemi di riscaldamento, ventilazione, condizionamento, illuminazione, sicurezza e comunicazione.

L’obbiettivo dei sistemi a cablaggio integrato, ai quali di solito si fa riferi-mento con il termine di domotica, è quello di integrare in un sistema unico, tutti gli impianti dell’edificio, per un controllo più efficace, al fine di ottenere i seguenti vantaggi:

• Migliorare la qualità della vita, con particolare attenzione per i

mi-nori, gli anziani o le persone diversamente abili, attraverso sistemi di telesoccorso, teleassistenza e con la completa automazione di alcune funzioni dell’edificio.

• Risparmiare energia partendo dalla riduzione degli sprechi, riducendo il

più possibile i consumi, con la disattivazione automatica degli impianti non necessari (eliminazione degli sprechi dovuti a dimenticanze) e una più semplice programmazione dell’utilizzo delle utenze

• Semplificare la progettazione, l’installazione, la manutenzione e

l’uti-lizzo di tutti gli impianti dell’edificio permettendo minori costi per i cablaggi, introducendo semplici interfacce utente, sistemi di controllo carichi e una facile programmabilità di scenari d’uso.

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1 I sistemi a cablaggio integrato

• Consentire, in modo più semplice, una riconfigurazione della

strut-tura degli impianti all’incorrere di nuove esigenze da parte dell’utente, flessibilità garantita dalla programmabilità dei componenti.

Tutto questo vale sia per edifici ad uso abitativo sia per edifici del settore terziario e industriale.

Per raggiungere questi obbiettivi occorre integrazione tra i diversi com-ponenti costituenti i vari impianti, anche di produttori diversi, inoltre è necessaria un’adeguata copertura delle esigenze, inserendo nel sistema in-tegrato il maggior numero possibile di utenze di tipo diverso. Infine, per garantire la diffusione dei sistemi a cablaggio integrato, è necessario favorire l’ingresso nel mercato di nuovi produttori e di nuovi installatori. Per tutti questi motivi è opportuno il diffondersi di uno standard definito a livello internazionale, che sia adottato dal maggior numero possibile di produttori di componenti per l’home automation.

1.1 Generalità sui sistemi BUS a cablaggio

integrato per impianti civili

Un sistema a BUS permette di raggiungere ogni componente dell’impianto domotico una sola volta, indipendentemente da quanti siano i componenti con cui esso deve comunicare, inoltre permette che le risorse (per esempio sensoriali) siano condivise da più componenti o più sistemi.

1.1.1 Gli standard per edifici ”intelligenti”

Il primo standard a essere introdotto sui sistemi BUS per applicazioni do-motiche fu l’X10, messo a punto a metà degli anni ’70 dalla Pico Electronics. Esso è tutt’ora molto diffuso negli Stati Uniti. In seguito nacquero, in questo

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settore, un gran numero di tecnologie proprietarie tra loro incompatibili. Di conseguenza il progettista o l’installatore era costretto ad una scelta in-iziale alla quale rimaneva vincolato per tutte le scelte successive. Si avvertì, pertanto, l’esigenza di creare uno standard. In Europa si affermarono tre standard:

• Batibus, creato dall’associazione francese BCI (Batibus Club

Interna-tional) e supportato soprattutto da grandi aziende francesi del settore, quali Marlin Gerin, EDF, Schneider Electric, AIRLEC, LANDIS & GYR.

• EHS, creato dalla HESA (European Home System Association) di cui

fan parte Bosch, Philps ed Electrolux.

• EIB, dell’associazione EIBA (European Installation Bus Association),

diffuso nelle regioni germanofone e sostenuto da Siemens, Insta, Merten, ABB.

Dal 1996 le associazioni dei costruttori hanno iniziato un processo di conver-genza in un unico standard che permettesse anche impianti misti, cioè con una vasta compatibilità con gli standard precedenti. Nasce così il progetto Konnex.

Altri standard sono, invece, diffusi negli altri continenti: negli Stati Uniti sono attualmente diffusi, oltre al già citato standard X10, che sfrutta, come mezzi di trasmissione, la rete elettrica oppure infrarosso e onde radio, il LonTalk (LonWorks), standard più moderno e versatile; mentre in Giappone si usano i sistemi HBS (Home Bus System), che sfruttano due cavi coassiali per la trasmissione di dati analogici (audio e video) e otto cavi twisted pair, utilizzati come BUS di trasmissione bidirezionale.

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Figura 1.1: Esempio di sistema a cablaggio integrato

Facendo riferimento agli standard di maggior interesse per noi (quelli europei), vediamo quali sono le possibilità offerte per l’installazione di un sistema a BUS integrato.

In linea di principio sono necessarie due linee separate: una che fornisce energia al sistema (230 V AC) e una per la trasmissione dei dati. La prima non deve necessariamente raggiungere tutti gli elementi del sistema, ma solo quelli che possiamo classificare come elementi di potenza (per esempio prese di corrente e punti luce). In un sistema così concepito, infatti, un interruttore è un semplice trasmettitore che invia il comando di accensione o spegnimento. Per poter funzionare, le linee dati hanno bisogno di un loro alimentatore, che dà energia, oltre che alla linea, anche agli elementi ad essa connessi.

Di solito, per la trasmissione dei messaggi, di utilizza una linea twisted pair(tranne EHS), ma si può utilizzare anche la rete elettrica (powerline) e, nello standard Konnex, è staa anche inseritauna modalità di trasmissione a

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radiofrequenza ed una che sfrutta la LAN. La struttura del BUS può essere ad albero, a stella, ad anello o filare[1].

1.2 Lo standard EIB - Konnex

Konnex (KNX) fa riferimento alle normative EN 50090, EN 13321-1 e ISO/IEC 14543 ed è lo standard europeo di convergenza per i sistemi di home automation. Esso è interamente compatibile con EIB e presenta una compatibilità molto alta con Batibus e EHS.

I sistemi Konnex supportano diversi mezzi di comunicazione (twisted pair, power line, radiofrequenza ed Ethernet) e prevedono diverse modalità per soddisfare sia le esigenze di un piccolo edificio residenziale, sia della grande costruzione con esigenze complesse, quali ospedali, aeroporti, hotel, ecc.

In particolare, per assecondare le diverse esigenze delle strutture, lo stan-dard prevede tre diversi modi di configurazione:

S-mode System mode, offre il più alto grado di flessibilità per la re-alizzazione di funzioni di controllo nell’edilizia e, per l’installazione, prevede l’uso del tool software ETS 3 Professional per la configu-razione dei componenti. Esso si connette ai singoli moduli installati e li configura utilizzando i dati contenuti in un database fornito dal produttore.

E-mode Easy mode, prevede l’uso di componenti preprogrammati che non necessitano di un tool di configurazione. Pertanto l’installazione è più semplice e veloce e, utilizzando ETS 3 Starter, consente anche una configurazione personalizzata, anche se limitata nelle funzioni.

A-mode Automatic mode, pensato per i piccoli impianti domestici è in-teramente plug & play. I componenti hanno inserito al loro interno

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un set di istruzioni prefissato per comunicare con gli altri componenti A-mode.

A ognuna di queste modalità è associata anche una figura professionale di installatore corrispondente, comunque molti componenti sono compatibili con tutte e tre le modalità [2].

1.2.1 Mezzi di trasmissione

Oltre alle tre modalità di configurazione lo standard Konnex prevede anche diversi mezzi di trasmissione dati, ognuno dei quali può essere utilizzato con una o più delle modalità precedentemente descritte.

In dettaglio abbiamo:

Twisted pair il doppino telefonico incrociato può essere usato in due modal-ità, TP-0e TP-1, con bitrate rispettivamente di 4800 e 9600 bits/s. Il primo deriva dal Batibus e garantisce la compatibilità con esso. Il secondo deriva direttamente da EIB.

Power line anche la rete elettrica può essere sfruttata in due modalità, PL-110(a 110 kHz) e PL-132(a 132 kHz), derivanti da EHS e EIB rispettivamente. La velocità di trasmissione è di 1200 bits/s per la PL-110 e 2400 per la PL-132. Siccome il segnale nella power line è fortemente disturbato, c’è una notevole necessità di ripetitori per i segnali trasmessi.

RF trasmissione a radiofrequenza a 868 MHz, il bitrate è di 38,4 kbits/s e funziona esclusivamente con componenti dello standard Konnex. KNXnet/IP utilizza la rete ethernet e fornisce un indirizzo IP a ciascun

elemento del BUS. I pacchetti vengono inviati incapsulati nei frame dell’IP.

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Tutti questi mezzi di trasmissione costituiscono un fattore di notevole flessibil-ità e permettono l’installazione di un sistema Konnex in ogni tipo di strut-tura edilizia, dai moderni edifici in costruzione ai palazzi antichi [2].

1.3 Struttura della rete e gestione del BUS con

twisted pair

Dal punto di vista topologico, come accennato, la rete Konnex prevede dif-ferenti possibilità di configurazione. Infatti essa può avere struttura lineare, ad albero, a stella o mista tra queste.

Dal punto di vista gerarchico, invece, l’elemento base del sistema è la linea, che può avere un massimo di 64 elementi senza l’uso di ripetitori e fino a 256 con ripetitori (bridge). Nei sistemi di nuova installazione si preferisce utilizzare linee senza ripetitori, anche perché la struttura complessiva può essere comunque molto vasta. Infatti le linee possono essere unite tra loro con gli accoppiatori di linea (LC, line coupler) e possono essere connesse tra loro fino a 12 linee in un’unica zona (area). La linea che connette tra loro le singole linee si chiama linea principale. Infine più zone (fino a un massimo di 15) possono essere connesse tra loro con accoppiatori di zona (routero Bbc) attraverso una dorsale (backbone).

In questo modo si possono avere fino ad un massimo di 11.520 elementi, compresi bridge, line coupler e router. Il vantaggio di separare il BUS in linee e zone è quello di far sì che i messaggi tra due elementi della stessa linea restano circoscritti a quella linea e solo i messaggi tra elementi di zone diverse devono passare attraverso la dorsale principale.

Oltre al numero degli elementi ci sono anche delle limitazioni da osservare sulle distanze tra elementi, che sono comuni a tutti i segmenti elettrici possibili (linee, zone e dorsali), e sono:

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Figura 1.2: schema di gestione di una rete Konnex

• La lunghezza complessiva del cavo di un segmento elettrico non può

mai essere maggiore di 1000 m

• La massima distanza tra un dispositivo (nodo) e l’alimentatore è di

350 m

• La massima distanza tra due nodi è di 700 m (con in mezzo un

alimentatore)

• Tra due alimentatori ci devono essere almeno 200 m di cavo elettrico

Nonostante queste limitazioni di distanza (teniamo sempre conto del fat-to che non c’è ridondanza di percorsi per i cavi), si può apprezzare la

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grande flessibilità dei sistemi Konnex. Quanto detto, naturalmente vale con l’utilizzo del twisted pair [3].

1.4 Indirizzamento, collisioni e pacchetti

La divisione in areae line si rispecchia anche nella modalità di indirizza-mento. Infatti ogni dispositivo ha un indirizzo fisico unico di 2 byte, valido per tutta la linea; però esso è composto da 4 bit che definiscono l’indirizzo di zona e da 4 che definiscono l’indirizzo di linea, mentre e i restanti 8 rappresentano l’indirizzo all’interno della linea.

Per quanto riguarda i dispositivi di connessione della rete, gli unici che non hanno un indirizzo (perché si limitano a ripetere ogni segnale che gli arriva) sono i bridge.

Oltre all’indirizzo fisico ogni dispositivo ha uno o più indirizzi di gruppo. Questo non è unico in quanto più dispositivi possono avere lo stesso indirizzo di gruppo e tutti i dispositivi appartengono anche ad un gruppo speciale, il gruppo zero. Anche l’indirizzo di gruppo è di 16 bits, divisi in 4 e 12, che sono indirizzi rispettivamente del gruppo principale e del sottogruppo.

La trasmissione, nel twisted pair, avviene in banda base, il dato è trasmes-so in modo differenziale e la gestione delle collisioni è affidata all’algoritmo CSMA/CA, con il bit 0 dominante.

I pacchetti (Telegram) sono formati da 4 campi, control field, address field, data field e checksum field. Possiamo schematizzare così la loro funzione:

control, checksum field servono a garantire il controllo della corretta trasmissione del dato e a gestire la priorità a livello di BUS.

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Figura 1.4: Struttura dei pacchetti

address field in esso sono contenuti l’indirizzo fisico del dispositivo, che trasmette, e l’indirizzo del dispositivo o del gruppo di dispositivi des-tinatari del pacchetto.

data field contiene il dato da inviare, esso può essere costituito da un messaggio di controllo, il risultato di una misura, nuovi settaggi, o comandi.

I pacchetti sono uguali anche nelle modalità RF e power line. Queste però si differenziano per la necessità di modulare il segnale e di un uso più frequente di ripetitori [3].

1.5 Progettazione di un sistema a cablaggio

integrato EIB - Konnex

Vediamo come dovrebbe operare, in generale, un progettista di impianti per l’edilizia, nel momento in cui decidesse di utilizzare la tecnologia EIB -Konnex.

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1.5.1 Flusso di progetto

Innanzitutto, come in tutti i tipi di progetto, compito del progettista è quello di individuare quali sono le specifiche da seguire nella realizzazione del pro-getto, sulla base delle necessità del cliente. Questo significa essenzialmente individuare quali sono le necessità in termini di sicurezza, quali sono le effet-tive possibilità di ridurre i costi di gestione, utilizzando opportune tecniche di risparmio energetico, come sono gli eventuali impianti già presenti; e in-fine occorre tenere conto di eventuali successive aggiunte all’impianto che si sta progettando. Dopodiché si procede per tipo di impianto prestando attenzione alle seguenti cose:

Illuminazione occorre individuare i punti in cui inserire gli interruttori, in-serire controlli di luminosità negli ambienti che ne necessitano l’uso per motivi sia di ambientazione che di consumo. Inoltre è bene verificare l’opportunità di inserire sensori di presenza, soprattutto negli ambienti all’aperto per evitare dimenticanze. Infine devono essere inserite, dove servono, anche le luci di sicurezza.

Prese di corrente individuare le prese di corrente che hanno bisogno del controllo da parte di un interruttore In questa fase devono essere inseriti i dispositivi per il controllo anti-bambini e per il controllo carichi.

Controllo temperatura ogni ambiente necessita del suo controllo di tem-peratura indipendente. In particolare, ogni dispositivo di riscaldamento di un determinato ambiente deve essere spento quando le finestre di quell’ambiente sono aperte. Inoltre è opportuno inserire uno schedul-ing configurabile del controllo della temperatura.

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Controllo dell’impianto di riscaldamento oltre ai singoli ambienti deve essere controllato anche il sistema centrale di riscaldamento, con rile-vamento della temperatura esterna, che permetta di prevenire la mag-giore o minore dispersione di energia, dovuta al brusco cambiamento della differenza tra temperature esterna e interna. Inoltre il sistema de-v’essere correttamente dimensionato in modo da ridurre il più possibile il consumo energetico.

Sistema di oscuramento tende, tapparelle, scuri e veneziane possono essere motorizzate e controllate per un accurato controllo della lu-minosità interna, inoltre possono essere chiuse automaticamente in caso di maltempo o forte vento affinché gli eventi climatici esterni non influenzino negativamente la temperatura interna.

Controllo delle aperture tutte le aperture (porte, finestre e cancelli) devono essere accuratamente monitorate con un’opportuna sensoriz-zazione. In questa fase devono essere prese in considerazione eventuali motorizzazioni e videocamere.

Monitoraggio grandezze inserire un sistema di controllo e monitoraggio dell’andamento dei consumi energetici e di altre grandezze di interesse all’interno dell’edificio.

Sicurezza devono essere inserite opportune misure per aumentare la si-curezza, quali un sistema di illuminazione esterno, un sistema antin-trusione con la possibilità si inviare chiamate d’emergenza in maniera rapida e automatica.

Centrale di controllo tutti quanti gli impianti possono essere controllati da un’unica centrale di controllo, che può essere anche un PC con

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installato un software appropriato per la building automation, oppure altri dispositivi di controllo dotati d’interfaccia utente.

Al termine di questa lista occorre verificare quanti dispositivi, in ogni ambi-ente, saranno connessi al BUS e decidere come saranno suddivisi, in linee, zone ed eventualmente gruppi. Questo potrebbe essere anche un lavoro molto oneroso, per grandi impianti, senza l’ausilio di un opportuno tool software. L’utilizzo di altri tool software (non Konnex) è naturalmente nec-essario per il corretto dimensionamento degli impianti di illuminazione, di riscaldamento e condizionamento [4].

1.6 Tool di progetto: ETS 3

La Konnex Association fornisce, dietro licenza, ETS, un tool software per il progetto, la configurazione e la messa in servizio degli impianti a cablaggio strutturato, costituiti da componenti con standard EIB - Konnex.

Questo esiste in due versioni, Starter e Professional. La versione Starter ha un’interfaccia grafica più intuitiva e gradevole che prevede l’uso di un wizard per la configurazione di una semplice rete domestica, ma presenta molte limitazioni sui settaggi e permette di configurare un sistema costituito da una sola linea (64 elementi).

ETS, arrivato alla release 3, è un software nato per lo standard EIB e si può connettere direttamente al BUS attraverso una porta RS-232 e, nell’ultimo aggiornamento, consente anche l’utilizzo della porta USB, attraverso un apposito nodo nella rete. Esso inoltre implementa anche la connessione alla rete Ethernet tramite il tool iETS per l’utilizzo e la configurazione della rete in modalità KNXNet/IP.

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Altri tool, con cui si interfaccia ETS 3 Professional, sono un server OPC e un tool per la creazione dei database (Falcon), tool, quest’ultimo, d’interesse esclusivamente per i produttori di componenti Konnex.

ETS gestisce la suddivisione in linee e zone dei componenti, la formazione di gruppi, l’assegnazione degli indirizzi e la verifica della correttezza del pro-getto dal punto di vista del BUS, verificando, in pratica, l’omogeneità dei gruppi, la quantità di elementi nelle linee e nelle zone, la quantità di alimen-tatori necessari, ecc. Inoltre esso permette il settaggio di tutti i parametri di interesse per ogni dispositivo e consente di stabilire quali saranno le possibili comunicazioni tra i vari nodi della rete.

Con ETS si può anche decidere di comunicare con un intero gruppo, inviando un pacchetto o leggendo i valori dei parametri dei componenti appartenenti a quel gruppo. Sempre tramite la connessione alla rete è possibile fare una diagnostica guasti e, ovviamente, riconfigurare il sistema settando diversamente i parametri dei dispositivi.

L’interfaccia grafica si presenta piuttosto scarna: Nella finestra principale si aprono tre finestre dove sarà inserito il progetto dai tre punti di vista possibili:

• la morfologia dell’edificio

• l’indirizzamento fisico, e quindi le zone e le linee • la suddivisione in gruppi

Nelle barra della finestra principale vi sono le icone per i comandi base, quali l’acquisizione delle librerie, il collegamento alla rete con il download nei dispositivi dei parametri di settaggio impostati. Vi sono anche i tasti delle funzionalità di diagnostica dei guasti e l’invio di singoli pacchetti di test.

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Figura 1.5: Interfaccia grafica di ETS 3

Si può facilmente comprendere che ETS deve in qualche modo conoscere a priori quali sono i parametri di settaggio possibili per i dispositivi., le cui singole particolarità dipendono, ovviamente, da marca e modello del componente. Questo in realtà è vero solo nella fase di progettazione, in quanto ETS può acquisire le informazioni del dispositivo direttamente dalla rete, quando si connette.

Per questo motivo, i produttori di componenti dovrebbero fornire al pro-gettista delle librerie (file .V3) in cui sono inseriti tutti i dispositivi Konnex in listino, con i loro parametri di default e con tutte le informazioni che servono a ETS per configurarli e verificare che le loro funzionalità siano correttamente utilizzate dal progettista.

I produttori che hanno prestato maggiore attenzione al supporto per ETS (Siemens su tutti, ma anche ABB, Gewiss e Merten) forniscono più librerie, dividendole per tipo di mercato (terziario, industriale e residenziale) e, in ogni libreria, dividono i dispositivi per tipologia e applicazione.

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Figura 1.6: Gestione delle lebrerie e selezione dei componenti

Gestione degli indirizzi

In ogni progetto creato all’interno di ETS occorre definire la costruzione in cui si opera dividendola per ambienti e per tipo di impianto che si intende connettere al BUS (illuminazione, riscaldamento, condizionamen-to. . . ). Dopodiché si definiscono le linee e le zone in cui saranno divisi i vari dispositivi e si inseriscono tutti i componenti.

I componenti vengono inseriti nell’ambiente dell’edificio in cui saranno installati fisicamente e dopo, con una semplice operazione di drag & drop, assegnati alle linee già create. in questo modo tutti i dispositivi hanno già l’indirizzo assegnato automaticamente, anche se gli ultimi 8 bit possono essere modificati manualmente.

Nella finestra dei gruppi si possono creare tutti i gruppi desiderati, at-tribuire loro un nome e, sempre per trascinamento, assegnare i dispositivi al gruppo.

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Figura 1.7: Settaggio dei parametri

Programmazione degli elementi

Infine, dopo aver inserito tutti i dispositivi e avere loro attribuito indirizzo fisico e di gruppo, occorre assegnare loro le funzionalità e programmarne i settaggi accuratamente.

In questa fase, occorre, per ogni singola funzione, selezionare i dispositivi di controllo e definire con quale gruppo o indirizzo fisico ciascuno di essi deve comunicare. Di solito ogni dispositivo ha più canali, per poter controllare o ricevere comandi da più dispositivi [4].

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2 Illuminotecnica

Nostro obbiettivo è quello di progettare un impianto di illuminazione, ac-curatamente dimensionato. Per far questo occorre acquisire alcune nozioni base di illuminotecnica.

L’illuminotecnica è quella branca della fisica tecnica che studia i problemi di illuminazione artificiale e naturale. Essa è utilizzata per migliorare il com-fort visivo e il benessere ambientale per l’uomo e risulta molto importante anche in ambito teatrale e dello spettacolo in genere.

Cerchiamo ora di definire quali sono le nozioni che ci occorrono per poter dimensionare un impianto di illuminazione, in generale per un grande ambi-ente. In questa fase verrà tralasciata tutta quella parte di teoria dell’illumi-nazione che riguarda l’illumidell’illumi-nazione naturale, in quanto, come vedremo essa è già ampiamente e dettagliatamente valutata dall’ambiente di simulazione che abbiamo utilizzato.

2.1 Le grandezze fotometriche

La luce è una radiazione elettromagnetica, pertanto si può quantificare la quantità di energia della radiazione emessa da un corpo illuminante come quantità di energia radiante. Di questa a noi interessa la componente nello spettro della luce visibile.

In particolare in illuminotecnica si definisce coefficiente di visibilità¯y(λ)il rapporto tra il flusso luminosoΦe e la potenza emessa dalla sorgente

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lu-2 Illuminotecnica

minosa ed è funzione della lunghezza d’onda. In questo modo, dato il coefficiente di visibilità di una sorgente luminosa, è noto anche il flusso luminoso che si misura in lumen(lm).

Consideriamo ora l’angolo solido elementare dΩ e definiamo l’intensità luminosa I la quantità:

I = dΦe

dΩ (2.1)

che si misura in candele (cd).

Definiamo, orailluminamentoE la quantità di flusso luminoso per unità di superficie:

E = dΦe

dS (2.2)

Quello che interessa maggiormente è la percezione visiva della luminosità di un ambiente. Si definisce, pertanto, luminanza, la quantità:

σ = I S

dove I è l’intensità luminosa di una sorgente di piccole dimensioni in una data direzione e S è l’area apparente della sorgente vista dalla direzione stessa. Dato l’illuminamento E della sorgente, e ∆Ω l’angolo solido formato dalla superficie S e il punto si osservazione, la luminanza risulta:

σ = E ∆Ω

Prendiamo ora una superficie illuminata con un illuminamento costante pari a E e caratterizzata da un coefficiente di rinvio δ (coefficiente che indica la riflettività, in termini di luce, di una superficie), la luminanza della superficie è data da:

σ = E δ π

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caratter-2 Illuminotecnica

istiche fisiche della superficie) dalla direzione di osservazione e dall’angolo di incidenza dei raggi luminosi incidenti sulla superficie, quindi risulta molto difficile da calcolare.

Infine definiamo il contrasto di luminanzaα:

α = σ1 − σ2 σ1

dove σ1 e σ2 sono i livelli di luminanza dell’oggetto e del suo contorno.

Siccome a parità di illuminamento, la luminanza è data solo dai coefficienti di rinvio δ1 e δ2 dell’oggetto e del suo contorno, il contrasto di

luminan-za dipende solo da essi. Quindi il contrasto di luminanluminan-za non dipende dall’illuminamento.

Queste sono le quantità fondamentali che ci interessano. Di solito si definiscono anche l’abbagliamento e la temperatura di colore per quantifi-care la qualità della luce in un ambiente, ma non approfondiremo questi aspetti in questa sede.

2.2 Sorgenti luminose

Vediamo ora quali sono le sorgenti luminose tipiche, tralasciando, come già detto le sorgenti naturali, quali finestre e lucernari.

Le più comuni sorgenti luminose artificiali sono le lampade a incandescen-za e quelle a scarica. Va ricordato, anche se non sono qui trattate, che stanno prendendo piede nel mercato le lampade con LED ad alta efficienza, che garantiscono, oltre ad un bassissimo consumo di energia, anche una particolare versatilità in termini di temperatura di colore. In ogni caso i risultati che si otterranno qui, sono validi per qualsiasi tipo di lampada si utilizzi.

(29)

2 Illuminotecnica

2.2.1 Lampade a incandescenza

Sono le classiche lampade con un filamento di tungsteno racchiuso in un bulbo di vetro.

L’idea di sfruttare l’incandescenza della materia di cui è fatto filamento, per ottenere luce, nacque da Edison, e molti altri nello stesso periodo. Il filamento, inizialmente fu fatto di carbone, ma furono tentati anche molti tipi di metalli e leghe, a causa della scarsa malleabilità di quello che è il più adatto, il tungsteno (che presenta una bassa velocità di sublimazione e la temperatura di fusione è di 3640°K), che Siemens riuscì ad utilizzare per primo. Negli anni le tecniche di trafilatura sono migliorate sempre di più, sfruttando sempre meglio il tungsteno.

Ulteriori perfezionamenti sono stati la sostituzione del vuoto con un gas inerte tipo argon e raramente kripton, a bassa pressione. Attualmente l’ef-ficienza luminosa delle lampade a incandescenza per uso comune va dai 13 ai 18 lm/W e la durata media è di 1000 ore. L’evoluzione della lampada a incandescenza è la lampada alogena che ne migliora sia in durata che in efficienza [5].

2.2.2 Le lampade a scarica

I primi modelli di lampada a scarica sono stati realizzati nello stesso periodo di quelli a incandescenza, ma hanno cominciato a diffondersi molto dopo. Essenzialmente, il principio su cui si basano è quello di sfruttare l’emissione di fotoni da parte del gas contenuto in un tubo di vetro o quarzo, quando è sottoposto ad una differenza di potenziale, per effetto della ionizzazione che ne consegue.

Per effetto della d.d.p. applicata, elettroni e ioni, naturalmente presenti tra gli atomi del gas, si mettono in moto, acquistando una certa energia

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2 Illuminotecnica

cinetica pari a e · V (con e carica dell’elettrone e dello ione e V d.d.p applicata). A causa della differenza tra massa ed energia, gli elettroni sono molto più veloci degli ioni. Sebbene le diverse particelle si muovano in tutte le direzioni, l’andamento medio degli elettroni è in direzione dell’anodo e degli ioni in direzione catodo. A causa della differenza di velocità tra le particelle la corrente risulterà prevalentemente elettronica.

In questa situazione alcune delle particelle cariche andranno ad interagire con l’elettrone di valenza degli atomi del gas contenuto nel tubo e, in conseguenza di tale interazione si possono verificare tre possibili eventi:

• Se l’energia dell’elettrone esterno è relativamente bassa, avviene un

urto elastico con cessione di energia dall’elettrone all’atomo. L’energia cinetica del sistema si conserva.

• Oltre ad una certa energia (potenziale V maggiore del potenziale di

eccitazione) l’energia dell’elettrone viene ceduta (tutta o in parte) al solo elettrone di valenza che si porta ad un livello energetico superiore. A questo punto l’atomo si trova in uno statoche è detto di eccitazione, in cui l’atomo, non essendo stabile, deve cedere energia per tornare nel suo stato normale di equilibrio. Spesso questa transizione passa attraverso uno stato metastabile dell’atomo, passaggio, questo, che dà una probabilità più alta di emettere un fotone nel visibile. In-oltre il passaggio dallo stato metastabile a quello stabile è piuttosto lento (10−3_{÷ 10}−4 _{s), il che permette il verificarsi di altri urti che nel}

complesso contribuiscono a mantenere la scarica.

• Infine, se l’energia è ancora più alta e quindi la tensione supera il livello

di ionizzazione, allora l’elettrone di valenza viene liberato dall’atomo ottenendo un nuovo ione positivo e un nuovo elettrone libero.

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2 Illuminotecnica

Di queste tre conseguenze quella desiderata maggiormente è la seconda, che è quella che comporta l’emissione di luce, ma anche le altre due sono desiderabili perché contribuiscono al mantenimento della scarica, il primo perché allunga il cammino degli elettroni e il terzo perché aumenta il numero di particelle libere.

Agli effetti esterni si osserva che all’interno di un tubo, la caduta di tensione nell’intorno del catodo è molto più elevata che nel resto del tubo e che, al variare della lunghezza del tubo la caduta catodica rimane costante. Per questo è facile intuire che si ha un aumento dell’efficienza all’aumentare della lunghezza del tubo. Questo comporta la necessità di aumentare la tensione cosa non consigliabile per un uso domestico. Per questo motivo esistono vari tipi di dispositivi di innesco.

Le lampade a scarica hanno il vantaggio di emettere in uno spettro molto ristretto e pertanto di non avere sprechi energetici nell’infrarosso elevati quanto quelli caratteristici della lampada a incandescenza [5].

2.2.3 Lampade fluorescenti

Le lampade fluorescenti sono le più comunemente utilizzate tra quelle a scarica. Sono costituite tubi di vetro di diametro variabile tra i 16 e i 38 mm, contenenti vapori di Hg a bassa pressione. L’energia raggiante emessa per effetto della scarica è per il 30% (componente più elevata) corrispondente alla lunghezza d’onda di risonanza posta nell’ultravioletto. La radiazione ultravioletta colpisce il rivestimento di materiale fluorescente, che riveste il tubo di vetro. I materiali fluorescenti impiegati assorbono l’energia ultravioletta per riemetterla con uno spettro più ampio e nel visibile (naturalmente questo avviene dipendentemente dalla natura del materiale fluorescente utilizzato).

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2 Illuminotecnica

Attualmente il rendimento delle lampade fluorescenti va, secondo il tipo, dai 40 ai 90 lm/W, mentre la durata raggiunge le 10.000 ore, anche se in realtà è molto influenzata dal numero di accensioni.

2.2.4 Lampade fluorescenti a bassa pressione

Evoluzione delle lampade fluorescenti sono le lampade fluorescenti a bassa pressione. Esse sono di dimensioni solitamente più contenute e hanno molti tipi di rivestimento che determinano diverse qualità di luce emessa. Esse sono anche caratterizzate da un’alimentazione a frequenza più alta della comune 50 Hz (fino a decine di migliaia di Hz). Questo comporta i seguenti vantaggi:

• Si diminuiscono le dimensioni e il peso di tutti i componenti elettrici • Si aumenta la facilità di innesco e si riducono gli effetti di

sfarfalla-mento della luce emessa

• Si aumenta l’efficienza del tubo

L’aumentare di questi vantaggi cresce al crescere della frequenza [5]. L’efficienza luminosa va da 80 a 120 lm/W e la durata è pari a quella delle lampade fluorescenti normali. Un ulteriore ed interessante vantaggio, per i nostri scopi è che sono regolabili.

2.2.5 Individuazione delle proprietà degli apparecchi di illuminazione

Per valutare obbiettivamente l’attitudine di un apparecchio di illuminazione a soddisfare determinate esigenze d’impiego, occorre disporre di sufficienti informazioni sia sulle caratteristiche elettriche e meccaniche, sia su quelle più

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2 Illuminotecnica

Figura 2.1: Esempio di curva fotometrica

strettamente di interesse illuminotecnico. Escludiamo le prime due da ques-ta tratques-tazione, tenendo conto che dal punto di visques-ta elettrico il parametro di interesse è la potenza massima della sorgente luminosa che può essere inserita nell’apparecchio luminoso.

Ai fini illuminotecnici le informazioni che più necessariamente si devono conoscere riguardano il flusso luminoso che esce dall’apparecchio, il modo con cui questo si distribuisce nello spazio e il rendimento totale dell’ap-parecchio.

In realtà, se la distribuzione spaziale del flusso uscente è rappresentabile con una superficie di rivoluzione, basta conoscerne la curva meridiana per ricavare tutti gli altri parametri.

Esistono, in letteratura, diversi metodi approssimati per calcolare il flus-so uscente, che si basano tutti sull’ipotesi semplificativa di flus-sorgente

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pun-2 Illuminotecnica

tiforme, in modo che sia ancora valida la relazione (come inversa della relazione nel paragrafo 2.1):

Φ = ˆ

Ω

I dΩ Metodi che ci limitiamo a elencare [5, 6]:

• Metodo di Russel • Metodo di Rousseau • Metodo dei flussi di zona

In genere le curve sono quotate con un riferimento convenzionale da una sorgente di flusso totale pari a 1000 lm, dette, quindi, IΦ e I1000 le intensità

luminose della sorgente di flusso Φ e di flusso 1000 lm, si ricava facilmente che:

IΦ = I1000·

Φ 1000

2.3 Tecnica dell’illuminazione

La tecnica dell’illuminazione ha lo scopo di indicare come debbono es-sere impostati e risolti i problemi di illuminazione degli ambienti al fine di ottimizzare quello che si potrebbe chiamare "benessere visivo".

Questo naturalmente passa attraverso a tutta una serie di considerazioni sulla percezione dell’occhio, sul modo con cui il nostro organo visivo rileva le immagini, sulla qualità della luce e su tante altre grandezze che non possiamo analizzare qui.

Per la risoluzione soddisfacente di questo tipo di problemi, occorre passare per due momenti successivi: prima occorre individuare quali sono i requisiti

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2 Illuminotecnica

delle condizioni di illuminazione richieste per un dato ambiente e poi studiare le modalità con cui tali condizioni possono essere realizzate.

2.3.1 Requisiti illuminotecnici

La percezione visiva di un oggetto dipende dalle sue dimensioni, dal suo liv-ello di luminanza, dal contrasto con il fondo o il contorno e dal tempo in cui esso rimane esposto alla vista. Inoltre l’illuminamento elevato, in certe cir-costanze può risultare controproducente per effetto dell’abbagliamento. E’ quindi opportuno considerare sorgenti adeguatamente diffondenti e direzioni di illuminamento ben studiate.

La quantità di riferimento più adatta a rappresentare il livello di illumi-nazione in un ambiente sarebbe la luminanza, perché è la quantità che effettivamente permette all’occhio di distinguere i contorni di un oggetto il-luminato. Ma essa dipende direttamente dall’illuminamento che è più facile da calcolare una volta noto il flusso luminoso incidente in una superficie (cfr. 2.1).

Il livello di illuminamento necessario per un dato ambiente è quantifi-cabile estrapolando il dato da opportuni coefficienti, i cui valori vengono ricavati sperimentalmente e si trovano tabulati nella letteratura specializ-zata. In pratica sono definiti dei livelli di luminanza necessari per il tipo di percezione visiva che si deve ottenere in quell’ambiente, di cui occorre conoscere le caratteristiche architetturali e i materiali utilizzati. Noto il liv-ello di luminanza richiesto e noto il coefficiente medio di rinvio, si ricava l’illuminamento.

Qualora non si ritengano sufficienti i dati delle tabelle, esistono altre tecniche per calcolare l’illuminamento raccomandato. Uno di uso generale

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2 Illuminotecnica

è dato dalla formula, fondata su informazioni sperimentali: E = 180.000

1, 5 · α · ρ

dove α e l’angolo (in minuti di arco) sotto il quale è visto il più piccolo dettaglio che deve essere percepito e ρ è il più elevato valore del coefficiente di riflessione (in percentuale) del dettaglio da rilevare. Quest’ultimo può essere stimato o misurato, mentre α va calcolato come:

α = 3, 44 d D

dove d è la dimensione reale dell’oggetto, misurata in mm e D la distanza di visione, misurata in metri.

Noi, in questa sede, abbiamo fatto riferimento alle tabelle e a valori di coefficienti di rinvio stimati per tipologia di ambiente.

2.4 Illuminamento diretto prodotto da sorgenti

puntiformi

Ai fini del calcolo totale dell’illuminamento in un ambiente, occorre basarsi sul calcolo elementare dell’illuminamento prodotto da una sorgente pun-tiforme, infatti si possono considerare puntiformi tutte le sorgenti le cui dimensioni trasversali sono piccole rispetto alla distanza alla quale si trova la superficie illuminata. Questo è il caso della maggior parte delle sorgenti artificiali, ma non, per esempio, delle finestre e delle lampade fluorescenti tubolari.

Si consideri, pertanto, la generica situazione rappresentata in figura, con una sorgente puntiforme O, e calcoliamo l’illuminamento che esso produce su un elemento di superficie dS, nell’intorno di un punto P . L’elemento

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2 Illuminotecnica

di superficie elementare è da considerarsi tangente alla superficie S. Detto dΩ l’angolo solido individuato da O e dal contorno dS e detto dΦ il flusso elementare emesso da O nell’angolo solido dΩ, si potrà scrivere dalle [2.1] e [2.2] (cfr. 2.1): EP = dΦ dS = IOP dΩ dS

e indicando con R la distanza tra OP e ϕ l’angolo che il segmento OP forma con la superficie S, si ha che:

dΩ = dS cos ϕ R2 e quindi: EP = IOP cos ϕ R2

Con questa formula si può tracciare la curva di illuminamento di una sorgente puntiforme, considerando che R = h

cos ϕ , e che IOP sarà

fun-zione dell’angolo ϕ secondo la curva fotometrica della sorgente considerata, pertanto:

E(ϕ) = IO(ϕ) cos

3_ϕ

h2 (2.3)

La curva risultante è detta curva isolux e dipende unicamente dall’altezza a cui è posta la sorgente e dalla sua curva fotometrica [5, 6, 7].

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2 Illuminotecnica

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3 Simulazione degli edifici:

Energy+

Esistono in commercio simulatori che acquisiscono un file di CAD che rap-presenti un edificio e ne calcolano l’illuminamento in funzione del tempo e dello spazio in tutti gli ambienti. Questo è il caso di molti software pro-prietari di produttori di apparecchi di illuminazione. Naturalmente vanno specificati i materiali con i loro coefficienti di rinvio, ma non sempre acqui-siscono file da CAD per disegno standard, alcuni di essi hanno un loro CAD per disegnare l’edificio.

Oltre a questi vi sono anche dei software che simulano l’edificio nel suo complesso, compreso il bilancio termico e gli impianti di riscaldamento e condizionamento.

Per fare questo entrambi i tipi di simulatori hanno bisogno di un dettaglia-to database che contiene i dati dell’andamendettaglia-to climatico medio, stimadettaglia-to in funzione della coordinate geografiche, della quota e del tipo di territorio in cui l’edificio di trova o si troverà se la simulazione avviene prima dell’effet-tiva costruzione. Occorre anche inserire superfici esterne che rappresentino gli edifici intorno a quello oggetto della simulazione.

Tra tutti i simulatori disponibili, consideriamo Energy+, molto dettagliato nel calcolo e sviluppato dal DOE (Departement Of Energy) degli Stati Uniti. Abbiamo utilizzato Energy+ nell’ambito di un progetto più ampio, che prevede la simulazione energetica di un intero edificio, in tempo reale, in

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3 Simulazione degli edifici: Energy+

modo da controllare i consumi e poter valutare le differenze fra diversi tipi di politiche di gestione automatica degli impianti tecnologici dell’edificio.

Il software del DOE è stato scelto per i seguenti aspetti che facilitano il lavoro di sviluppo:

• Supporto multipiattaforma.

• Possibilità di download gratuito del binario del simulatore.

• Possibilità di ottenerne il codice sorgente (in Fortran90) dietro

paga-mento di licenza.

• Esistenza di interfacce grafiche per la creazione dello scenario della

simulazione.

• Mailing list gestita dagli sviluppatori stessi per chiarimenti e aiuto nelle

simulazioni.

3.1 Struttura del programma

Energy+ è un programma di simulazione energetica di edifici che consente la simulazione del bilancio termico, del bilancio di masse, dell’illuminamento e degli impianti di riscaldamento, raffreddamento e ventilazione. Basato sui simulatori BLAST e DOE-2, precedentemente sviluppati dal DOE, ne integra le funzionalità e ne include di nuove. Energy+ ha una struttura modulare, ogni aspetto fisico della simulazione è trattato in un modulo a sé stante e pochi moduli a un più alto livello richiamano opportunamente i moduli coinvolti nella simulazione.

La struttura descritta dovrebbe permette di aggiungere nuovi moduli e richiedere modifiche. Il programma non ha interfaccia grafica ma è un motore di calcolo che prende in input un file ASCII e produce in output

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molti file ASCII. Nel file di input viene specificata la geometria dell’edificio ed i parametri caratteristici dei materiali utilizzati.

In Energy+ è di fondamentale importanza il concetto di zona, che è un concetto di tipo termico e non geometrico. In particolare una zona viene definita come un volume d’aria a temperatura uniforme più tutte le superfici di trasferimento e di immagazzinamento di calore che circondano o fanno parte del volume stesso di aria. Per superfici di trasferimento di calore si intendono le interfacce che separano volumi di aria a differenti temperature, mentre per superfici di immagazzinamento di calore si intendono le interfac-ce che separano volumi di aria alla stessa temperatura. La zona rappresenta l’unità fondamentale per la quale si possono ottenere i dati sull’andamento della simulazione, il che può risultare restrittivo quando si ha a che fare con zone di medie e grandi dimensioni che vorremmo suddividere in più parti per ottenerne informazioni più dettagliate.

3.2 Il calcolo dell’illuminazione in Energy+

Per quanto riguarda l’illuminamento, Energy+ fa un accurato calcolo del-l’illuminamento naturale considerando non solo la luce diretta ma anche quella riflessa dal terreno o da ostruzioni nonché le ombre provocate da altre costruzioni. Inoltre, permette di simulare la luce che, attraverso le finestre esterne, penetra direttamente in una zona con una finestra interna. Non viene, quindi, considerato il contributo della luce riflessa nel calcolo dell’illuminamento entrante da una finestra interna.

Per ogni zona possono essere definiti al più due punti di riferimento per i quali il simulatore calcola in dettaglio l’illuminamento e la luminanza. Fino a un massimo di cento punti per ogni zona viene fornito l’illuminamento ottenuto da un calcolo appossimato, basato sui risultati già ottenuti per

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calcolare l’illuminamento nei due punti di riferimento.

Nel file di input è richiesta la specifica di molti parametri caratteristici, tra cui quelli del vetro della finestra, al fine di ottenere l’accuratezza più elevata possibile e, in particolare, sono da sottolineare:

• Trasmittanza della luce solare, dello spettro della luce visibile e di

quella infrarossa.

• Riflessività sia frontale sia posteriore con angolo di incidenza normale

alla superficie del vetro sia per quanto riguarda la luce solare sia per lo spettro della luce visibile.

• Emissività della luce infrarossa sia frontale sia posteriore. • Diffusività della luce attraverso il vetro.

• Conduttività del vetro stesso. • Divisori nella finestra.

• Presenza di dispositivi elettrici di oscuramento (e considerazione del

flusso dello strato fluido tra vetro e dispositivo di oscuramento) o di vetri con caratteristiche auto-oscuranti.

• Presenza di veneziane con indicazione della distanza dal vetro, degli

angoli che possono assumere le alette, e indicazione della possibilità di automatizzazione della chiusura e apertura delle stesse per aggiustarne l’inclinazione.

Tutti questi parametri permettono al simulatore l’accuratezza del calcolo della luce e del calore che penetra attraverso una finestra [9].

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3.2.1 Le funzioni

Le funzioni di Energy+, che si occupano del calcolo dell’illuminamento e dell’output di questi dati, sono molteplici. Infatti vi è una funzione per ogni tipo di interfaccia di quelle sopra elencate, con l’aggiunta dell’input (lettura dal file di testo) dei dati e dell’output.

Dal punto di vista esterno, comunque, l’utente deve definire il tipo di calcolo che intende utilizzare.

In particolare si possono inserire, nel calcolo dell’illuminamento le seguenti opzioni, ognuna della quali rappresenta un set di funzioni corrispondenti:

• Daylighting:DElight

• Daylighting:Detailed

• Daylighting:Simple

• Daylighting:Map

In particolare, Simple calcola l’illuminamento con un algoritmo semplificato e tenendo conto di un numero inferiore di fattori. DElight e Detailed hanno molto in comune ma hanno differenze fondamentali nel calcolo in presenza di geometrie particolari, per le quali DElight è più preciso eper il fatto che quest’ultimo usa un metodo basato sul calcolo dei raggi luminosi (raytrac-ing). Map funziona solo nel caso si usi Detailed e genera un file di output (si ha la possibilità di avere il file nei formati .txt, .tab e .csv) usando la funzione Daylighting:Illuminance Map Output.

3.2.2 Il calcolo dettagliato dell’illuminamento naturale

Energy+ usa un modello di simulazione che tiene conto della diffusività del cielo oltre che della posizione del sole e della situazione meteorologica.

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Figura 3.1: Riflessione del sole in Energy+

Pertanto, la fonte di luce naturale è rappresentata dal sole (con la sua posizione), dal cielo (una luminosità più bassa ma diffusa su tutta la cupola che rappresenta in cielo) e dall’orizzonte. L’orizzonte è considerato con luminosità positiva o negativa in base alla situazione di cieli limpidi o coperti. Oltre al modello di calcolo per la luminosità del cielo occorre anche una modellizzazione delle ombre. Questo prevede un accurato calcolo della po-sizione del sole (come distanza zenitale e angolo azimutale), in base a giorno dell’anno, ora del giorno, latitudine e longitudine, inoltre occorre tenere conto di ombre che si sovrappongono nonché delle riflessione sulle superfi-ci intorno e dentro all’edifisuperfi-cio, riflessioni che vanno considerate anche dal punto di vista diffusivo nel caso in cui la fonte non sia il sole.

Il calcolo dettagliato dell’illuminamento di Energy+ è in effetti molto complesso e di esso si può trovare una spiegazione molto dettagliata nella documentazione del software [11].

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3.2.3 La mappa di illuminamento

Come abbiamo precedentemente detto, il massimo numero di punti in cui Daylighting:Detailed calcola l’illuminamento è due. Questa limitazione è superata con la funzione Daylighting:Map che genera un massimo di 10 × 10 punti di riferimento aggiuntivi in cui viene fatto il calcolo dettagliato dell’illuminamento. La mappa viene definita con il numero di righe e il numero di colonne (X e Y), la posizione del primo e dell’ultimo elemento delle righe e delle colonne (X,Y Minimum Coordinate [m]) e dall’altezza da terra a cui saranno posizionati i punti. Essa, di solito, è posizionata a 80 cm, altezza tipica di piani di lavoro e scrivanie.

Il motivo per cui il numero massimo dei punti è fissato a 100, è stato individuato nella notevole quantità di operazioni da effettuare per ciascun punto della mappa. Tuttavia, affinché la funzione Daylighting:MapP sia utile per i nostri scopi, occorrerebbe poter ottenere una mappa con più punti, in modo poter fare valutazioni anche su impianti molto grossi con un gran numero di sensori.

È stato rilevato, dopo un’attenta analisi, che questo limite era fissato solo in due punti in tutto il programma, e in particolare, è indicato un numero massimo di punti di riferimento in X e Y, inserito nel file delle definizioni Energy+.idd. L’altra limitazione è nel modulo DataDalighting dove è definito il massimo numero totale di punti che può avere la mappa. Questa definizione viene utilizzata in istanze di controllo nelle funzioni di calcolo della mappa. Dopo aver portato a 20 × 20 questo limite sia sul file. che nel controllo, è stato sufficiente avere pazienza per ottenere i risultati desiderati.

Occorre considerare, tuttavia, che aumentare troppo questo numero provo-ca errori con conseguente crash del programma, almeno su normali personal computer (con piattaforma Linux).

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4 Progetto di un impianto

domotico di illuminazione

Nostro obbiettivo è quello di progettare un impianto di illuminazione con controllo automatico dell’illuminamento e, in seguito, valutarne i costi di installazione e i vantaggi in termini di consumo energetico e quindi in termini di costi di gestione.

Per far questo occorre utilizzare le conoscenze sopra illustrate, seguendo un appropriato flusso di progetto.

4.1 Il flusso di progetto

In linea di principio conviene seguire i criteri già illustrati nei paragrafi 1.5 e 2.3. Inizieremo, pertanto, con l’analisi dell’ambiente da illuminare, individ-uando i requisiti dell’illuminamento, per poi esaminare quali sono le possibili soluzioni tecniche per ottenere i risultati richiesti, analizzando i tipi di ap-parecchi illuminanti disponibili in commercio. Infine occorre dimensionare il BUS Konnex adatto per il controllo.

4.1.1 Individuazione dei requisiti

Per individuare i requisiti illuminotecnici per l’ambiente che esamineremo, trarremo spunto dalle considerazioni che al riguardo si trovano sul Manuale di Illuminotecnica [7], dove sono presenti tabelle di riferimento e criteri di

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4 Progetto di un impianto domotico di illuminazione

massima per il dimensionamento, il più delle volte basate sull’esperienza di progettisti, per poi essere giustificate con considerazioni scientifiche. In esso si trovano diverse considerazioni progettuali per moltissimi tipi di ambienti. Uno dei problemi che occorre affrontare e risolvere è valutare quanti punti luce occorrono per ottenere un certo illuminamento medio di massima, dato il flusso totale emesso dal singolo apparecchio illuminante considerato. Per far questa valutazione si utilizza la seguente formula empirica [7]:

N = E a b

Φ U M (4.1)

dove N è il numero di elementi illuminanti, E è l’illuminamento medio che si desidera ottenere , a e b sono le dimensioni (larghezza e lunghezza) del locale, Φ il flusso luminoso delle lampade, M è il fattore di manutenzione, che tiene conto dell’invecchiamento delle lampade. U è detto fattore di utilizzo, esso è tabulato in funzione delle dimensioni del locale, del tipo di materiale prevalente nel locale, delle superfici vetrate presenti e dell’ap-parecchio illuminante utilizzato. In particolare si definisce l’indice del locale come

k = a b h (a + b) dove h è l’altezza.

Questo si usa in apposite tabelle che si trovano sia in letteratura sia nella documentazione degli apparecchi di illuminamento, tabelle che indicano il fattore di utilizzo in base all’apparecchio in uso, al coefficiente di riflessione del pavimento rf e delle pareti rw.

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4 Progetto di un impianto domotico di illuminazione rf 30 20 0 rw 50 30 0 50 30 0 0 k 0 - 1 0,72 0,72 0,71 0,70 0,69 0,67 0,63 1 - 3 0,77 0,76 0,75 0,74 0,74 0,73 71 3 - 5 0,80 0,79 0,79 0,78 0,78 0,78 0,75

4.1.2 Valutazione delle possibili configurazioni progettuali Ogni ambiente può essere illuminato in molti modi, vi sono, infatti, molti tipi di lampade e per ognuno di essi sono disponibili con potenze diverse. In ogni caso, per i nostri scopi il requisito fondamentale è la possibilità di regolare la potenza della lampada e quindi il flusso luminoso emesso, che sfrutteremo per risparmiare energia.

Occorre notare, inoltre, che all’aumentare del numero dei punti luce, e quindi della loro densità, aumenta l’uniformità dell’illuminamento e, con-testualmente, diminuisce il flusso emesso da ciascun apparecchio illumi-nante. Quest’ultimo risultato contribuisce ad aumentare il comfort visivo perché diminuisce la probabilità di abbagliamento (almeno a parità di tipo apparecchio illuminante).

In questa fase occorre valutare quale potrebbe essere il numero di sensori e di dimmer nell’impianto. Per un controllo fine della luminosità, sarebbe opportuno avere ogni punto luce controllato indipendentemente dagli altri e quindi avere un sensore di luminosità e un dimmer per ogni apparecchio illuminante. Questo comporta, ovviamente, costi molto più alti.

4.1.3 Simulazione dell’edificio senza illuminazione artificiale Per studiare accuratamente il comportamento di un sistema di controllo del-l’illuminamento, occorre stimare l’andamento dell’illuminamento naturale al variare delle ore del giorno e delle stagioni.

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In questa fase utilizzeremo le funzioni di calcolo dell’illuminamento di Energy+ per la sola luce naturale e ne utilizzeremo il file di output della mappe per le fasi successive. Occorre pertanto, creare un file di ingresso dettagliato dell’ambiente da simulare.

4.1.4 Simulazione dell’edificio con illuminazione artificiale

I CAD prima citati prevedono, ovviamente, anche la simulazione dell’impianto di illuminazione e quindi i suoi effetti, ma non permettono di simulare il controllo dell’impianto in funzione dell’illuminamento naturale, al livello di dettaglio che ci interessa.

Il nostro approccio consisterà pertanto nell’estrarre i risultati forniti da Energy+, per quanto riguarda l’andamento dell’illuminamento naturale e, in un secondo momento, utilizzare questi dati per calcolare, ad ogni ora del giorno (e, in linea di principio, con il variare delle stagioni) la quantità di luce che deve essere fornita dall’impianto di illuminazione, al fine di ottenere un livello di illuminamento confortevole ad ogni ora del giorno. Per fare questo occorre implementare un algoritmo che sfrutti le conoscenze acquisite nel cap. 3 per calcolare il flusso luminoso necessario per ottenere un dato illuminamento, che, sommato a quello naturale, fornisca il livello di illuminamento richiesto dalle specifiche.

In questa fase verrà anche calcolata la potenza necessaria per ottenere questi risultati. Essa naturalmente sarà funzione del tipo di apparecchio illuminante che si intende utilizzare.

4.1.5 Possibili criteri di scelta del progetto

Durante le simulazioni si possono studiare diverse soluzioni progettuali e valutarne, quindi vantaggi e svantaggi. Per ogni impianto sarà possibile

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va-4 Progetto di un impianto domotico di illuminazione

lutare il costo di installazione, il costo di gestione (di quanta energia neces-sita per il suo funzionamento), quanto riesce a mantenere costante e quan-to sarà omogeneo, all’interno di ogni ambiente, il livello di illuminamenquan-to desiderato.

Un criterio di scelta potrebbe essere quello di estremizzare il risparmio en-ergetico.Intuitivamente questa scelta dovrebbe anche comportare un livello

di luminanza più omogeneo e quindi anche un numero di faretti e sensori più elevato.

Di solito, compito del progettista è quello di trovare il giusto compromesso tra prestazioni e costi.

4.2 Il caso in esame: l’auditorium de "La Sterpaia"

Come caso pratico abbiamo scelto un edificio esistente che deve essere ristrutturato, "La Sterpaia" del parco di San Rossore. Nella ristrutturazione è previsto l’inserimento di un auditorium. Abbiamo utilizzato questo ambi-ente per le nostre simulazioni.

4.2.1 Planimetria

L’auditorium de "La Sterpaia" è di 433 m2_{, largo 13,66 m e lungo 31,66}

m, presenta una grande quantità di finestre, che influenzano notevolmente la luminosità interna durante il giorno. Essendo un ambiente di grandi dimensioni permette di sperimentare l’uso di molte lampade e di verificarne l’efficacia.

Parte di questo ambiente è in realtà destinato all’accettazione e al guardaro-ba, ma, in questa sede, abbiamo considerato l’ambiente nella sua interezza.

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Figura 4.2: La Sterpaia

4.2.2 Destinazione d’uso e requisiti illuminotecnici

Essendo un auditorium, per sua natura, destinato ad essere utilizzato per conferenze e in generale per avvenimenti in cui tutti i presenti possono avere il bisogno di leggere o scrivere qualcosa. Questo comporta, da un punto di vista illuminotecnico, la necessità di distinguere particolari molto piccoli ma con un livello di contrasto elevato.

In letteratura si trovano valori di illuminamento medio necessari per questo tipo di applicazioni (scuole, uffici, aule conferenze, e auditorium) che vanno dai 300 ai 750 lux [5, 6, 7]. Tipicamente, nelle tabelle in letteratura di cui riportiamo un esempio in figura 4.3, sono riportati 3 valori.

Sempre in letteratura si trovano graficati andamenti ottimali dell’illumi-namento (per tipo di locale) in funzione dell’indice del locale(cfr. 4.1.1) e

del fattore finestrache è definito come il rapporto tra superficie vetrata e superifice in muratura. Il valore scelto in base a questi grafici è di 450 lux.

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Figura 4.3: Tabella dei valori di illuminamento consigliato in applicazioni civili

Altre considerazioni andrebbero fatte su abbagliamento, temperatura di colore, luci di sicurezza e illuminazione speciale per il palco, ma non sono di interesse, in questa sede, perché non strettamente legate al consumo di potenza.

4.2.3 Simulazione dell’illuminazione naturale

La simulazione effettuata con Energy+ ha dimostrato che l’auditorium, così com’è stato progettato, sfrutta molto l’illuminazione naturale grazie alla grande quantità di finestre.

Nella simulazione abbiamo tenuto conto direttamente del numero di sen-sori, quindi, ogni punto della mappa di illuminamento calcolata da Energy+ simula un sensore di illuminamento. Questo porta a fare una simulazione diversa per ogni configurazione di impianto che si intende valutare. La

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ulazione dell’auditorium è stata fatta per 15 ore del giorno (dalle ore 5 alle ore 20) di due giorni dell’anno diversi: 26 gennaio e 26 giugno, per matrici di dimensioni 9 × 5, 14 × 8 e 19 × 8.

I risultati di queste simulazioni vengono forniti in file di testo e, per sem-plificare l’elaborazione successiva, è stato scelto il formato .txt,più semplice da acquisire. Di questi file ne abbiamo un esempio qui sotto.

Date/Time,PISA-S GUSTO - ITA CUSTOM-161580 WMO#=161580:MAPPAILLUM:Illuminance [lux] (Hourly) RefPt1=(10.79:5.81:0.00)

06/29 05:00 x=-4.59 x=-0.88 x=2.83 x=6.54 x=10.26 x=13.97 x=17.68 x=21.39 x=25.10 y=-1.10 28 30 65 103 130 134 219 227 48 y=2.00 29 35 61 90 105 110 111 99 66 y=5.10 30 36 53 85 104 108 107 96 74 y=8.20 29 35 70 160 175 179 168 154 97 y=11.30 28 29 86 194 203 286 308 318 44 06/29 06:00 x=-4.59 x=-0.88 x=2.83 x=6.54 x=10.26 x=13.97 x=17.68 x=21.39 x=25.10 y=-1.10 45 47 71 92 104 104 144 145 51 y=2.00 46 50 62 73 77 77 77 70 56 y=5.10 46 53 67 81 87 88 84 75 60 y=8.20 46 57 105 151 160 162 155 136 78 y=11.30 44 50 225 412 447 558 570 564 80 06/29 07:00 x=-4.59 x=-0.88 x=2.83 x=6.54 x=10.26 x=13.97 x=17.68 x=21.39 x=25.10 y=-1.10 92 97 137 172 191 200 270 271 104 y=2.00 94 102 124 143 150 153 152 140 113 y=5.10 95 108 137 164 176 178 172 154 124 y=8.20 95 117 215 310 329 333 318 278 160 y=11.30 90 103 462 847 920 1148 1173 1160 165 06/29 08:00 x=-4.59 x=-0.88 x=2.83 x=6.54 x=10.26 x=13.97 x=17.68 x=21.39 x=25.10 y=-1.10 137 144 199 247 283 302 404 418 155 y=2.00 140 151 181 209 221 227 226 209 168 y=5.10 142 160 201 240 257 261 252 226 183 y=8.20 141 173 312 448 476 482 460 404 235 y=11.30 134 152 666 1215 1319 1644 1681 1662 241

4.2.4 Scelta degli apparecchi illuminanti

Nella scelta della lampada, il primo requisito da soddisfare è quello della re-golabilità del flusso luminoso. Inoltre, al fine di poter fare un realistico e

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umentato confronto di costi, sia di installazione che di gestione, occorrono informazioni sui prezzi oltre che dettagliate informazioni fotometriche.

In rete abbiamo trovato informazioni fotometriche molto dettagliate sui tutti i prodotti Zumtobel [8], in tutte le versioni disponibili (al variare di lampade, colori e opacità dei vetri diffondenti, forma dei riflettenti, ecc.).

Per quanto riguarda il loro costo, è stato possibile trovare il prezzo solo di alcuni dei modelli Zumtobel [9], che sono serviti comunque di riferimento. Per quando riguarda il modello, la cui scelta è già limitata dalla disponibilità dei prezziari, abbiamo fatto riferimento al tipo di apparecchi usati normal-mente nei grandi ambienti. I faretti downlight, da incasso, sono da preferirsi in queste applicazioni. In particolare, il downlightPanos Mdella Zumtobel ha molte varianti sia di dimensioni e sia di potenze massime possibili.

Essi sono dotati di lampade fluorescenti a bassa pressione regolabili di tipo TC-DEL, come quelle descritte in 2.2.4.

4.3 Progetto del BUS

Una volta deciso il tipo di apparecchio illuminante, affrontiamo il progetto del BUS, inserendo dimmer e sensori. Per far questo, consideriamo inizial-mente la situazione ottimale in cui ogni faretto è pilotato da un dimmer e un sensore dedicato.

A questo scopo utilizzeremo ETS 3 in modo da organizzare il sistema in maniera corretta automaticamente e le librerie Siemens, dettagliate e con il listino prezzi disponibili online.

4.3.1 I componenti

Scegliamo innanzitutto i componenti necessari per i nostri scopi. Nel cata-logo Siemens, è presente una serie di sensori di luminosità con un range di