Sistemi di illuminazione intelligenti

Un felice connubio fra innovazione “green” e integrazione con i servizi di rete.

di Mario Vellano, RCDD – SPRING

Introduzione

I sistemi di illuminazione sono presenti ovunque, negli uffici come negli ambienti residenziali, per le strade come all’interno dei data center ed in ciascuno di questi ambienti svolgono un ruolo cruciale che però paga un costo importante in termini energetici ed economici, tanto da costituire una frazione importante dei costi totali sostenuti per l’energia. Per esempio nel tipico ambiente d’ufficio, fino ad un terzo (33%) dei consumi di elettricità vengono assorbiti dai sistemi di illuminazione. E nonostante da molti anni vengano utilizzati elementi illuminanti relativamente ‘a basso consumo’ come i tubi fluorescenti, le inefficienze che pesano sul bilancio economico – ma anche sull’impatto ambientale e sulle emissioni di CO2 – sono numerose e sensibili: dalla carenza di controllo sull’effettiva utilità di tutti gli elementi illuminanti che risultano accesi in un determinato istante all’efficienza energetica intrinseca degli stessi dispositivi, che in realtà disperdono nell’ambiente circostante, sotto forma di calore, buona parte dell’energia con cui vengono alimentati.

Da qualche tempo, tuttavia, si sono affacciati sul mercato dispositivi e sistemi di illuminazione basati su LED (Light Emitting Diodes – Diodi ad emissione di luce) alimentati a bassissima tensione, e nell’arco degli ultimi 2 – 3 anni abbiamo assistito ad un proliferare di prodotti che rendono di fatto disponibili soluzioni che stanno rapidamente e completamente rivoluzionando gli scenari applicativi.

Ci proponiamo qui di esaminare alcuni degli aspetti più interessanti della tecnologia di illuminazione a LED e di spiegare come i sistemi che la utilizzano possano da un lato introdurre tutta una serie di benefici negli ambienti dove vengono impiegati e dall’altro rappresentare un’enorme opportunità per i progettisti e gli installatori ITS (Information Transport Systems – Sistemi di trasporto dell’informazione) di ampliare, senza bisogno di sconvolgere il proprio patrimonio di competenze, il campo d’azione attraverso l’integrazione di un’intera nuova branca di sottosistemi nel familiare mondo delle infrastrutture di cablaggio strutturato per gli edifici.

Una tecnologia “verde”

Implementare un sistema di infrastruttura intelligente dell’edificio, a partire da un nuovo sistema di illuminazione – efficiente e dotato di una serie di sofisticati sensori ambientali – è un metodo molto efficace per ridurre il costo complessivo per l’energia negli edifici e nelle strutture di servizio. Un sistema complessivo che agevoli la realizzazione del paradigma di ‘edificio intelligente’ consiste nella cooperazione di numerose applicazioni e servizi, fra cui sistemi di video-sorveglianza, sistemi di sicurezza, impianti di climatizzazione e ventilazione (HVAC) , di trasmissione dati e di illuminazione.

Sotto il profilo dell’illuminazione d’ambiente ciò richiede molto di più che accendere e spegnere le luci da un unico punto centrale di gestione. Il controllo centralizzato dell’intero ambiente da gestire può oggi diventare una realtà proprio tramite il sistema di illuminazione. Sensori del sistema di illuminazione possono essere utilizzati per assicurarsi che il sistema di riscaldamento o di raffreddamento di una determinata area sia in funzione solo quando questa viene effettivamente utilizzata, per determinare se una sala conferenze è disponibile o addirittura per verificare quanto efficientemente gli spazi dell’edificio vengono utilizzati e climatizzati. Tutte queste informazioni forniscono al responsabile dell’edificio (facility manager) la capacità di minimizzare i costi di gestione complessivi incrementando al tempo stesso la produttività delle risorse umane e degli spazi lavorativi.

Alcuni costruttori di sistemi e di soluzioni di cablaggio stanno cooperando per offrire soluzioni compelte per il controllo in rete del sistema di illuminazione: i facility manager potranno implementare una completa piattaforma in grado di gestire e controllare molteplici differenti aspetti funzionali degli edifici, inclusi sistemi di illuminazione a LED, che a loro volta contribuiscono significativamente a ridurre i consumi energetici.

Complessivamente, assommando tutti i contributi diretti e indiretti all’incremento di efficienza oltre al controllo accurato dei parametri ambientali, si può stimare fino al 75% il risparmio energetico che può offrire una soluzione di illuminazione intelligente a LED.

Tecnologia delle sorgenti luminose a LED

Sono sicuro che tutti abbiamo ormai incontrato nei negozi e nei supermercati delle lampadine a LED e molto probabilmente ne abbiamo già installata qualcuna in casa al posto delle vecchie lampadine ad incandescenza, alogene ma anche delle più recenti (e brutte!) sorgenti luminose a basso consumo. Vediamo però più da vicino quali sono le caratteristiche che differenziano le luci a LED dalle sorgenti luminose più tradizionali.

Risparmio di energia

L’adozione di lampade a tecnologia LED, già di per sé, porta dei consistenti e tangibili vantaggi: i consumi di energia, a parità di intensità di luce emessa, si riducono anche di più del 40% rispetto alle lampade a basso consumo e molto di più ancora (dal 50 fino all’80 %) rispetto alle sorgenti ad incandescenza, alogene o, per quanto riguarda l’illuminazione pubblica, ai vapori di sodio.

Durata

Inoltre anche la durata degli elementi illuminanti è decisamente superiore: si stimano tempi intorno alle 50.000 – 100.000 ore, che corrispondono a circa 10-20 anni di utilizzo (per una media di 12 ore al giorno), prima di arrivare ad una riduzione del 30% rispetto all’intensità luminosa iniziale (nominale). Un dato che corrisponde ad oltre un ordine di grandezza in più rispetto alle lampade di tipo tradizionale.

Figura 1 – Emissione luminosa di alcuni tipi di LED rispetto allo spettro di sensibilità dell’occhio umano: in particolare i LED a fosfo-arseniuro di gallio (GaAsP), ad emissione di luce bianca, risultano perfettamente centrati con tale spettro.

Qualità luminosa

Un’altra caratteristica importante dei LED, che contribuisce ad elevarne ulteriormente l’efficienza, è la qualità della luce emessa. Mentre la maggior parte delle altre sorgenti presenta uno spettro di emissione tipicamente spostato, anche sensibilmente, rispetto alla sensibilità dei recettori dell’occhio umano, i LED usati per illuminazione emettono una luce bianca fredda, particolarmente ben centrata nello spettro dell’occhio umano. Questo comporta una maggiore resa luminosa a parità di energia impiegata e una superiore fedeltà dei colori.

Direzionalità

Da non dimenticare, infine, che la maggiore direzionalità dei LED (che emettono tipicamente un fascio con apertura di 90°), rispetto alla maggior parte delle altre sorgenti di luce (omnidirezionali), fa si che l’illuminazione possa essere indirizzata esattamente dove serve, mentre la frazione di luce che viene dispersa in direzioni non utili si riduce (tipicamente di oltre la metà). Anche questo aspetto ha come effetto un aumento di efficienza e, in ambiente esterno, una drastica riduzione dell’inquinamento luminoso.

Figura 2 – Un esempio di lampadina a LED alimentata a 12V, consumo 7W, emissione

Convergenza e nuove opportunità

Ancora più interessante, dal punto di vista della progettazione e realizzazione di sistemi di illuminazione, è la possibilità di collegare, alimentare e controllare ogni singolo elemento di un impianto a LED utilizzando semplicemente i componenti di un sistema di cablaggio strutturato. Sono state recentemente introdotte soluzioni per sistemi di illuminazione low voltage a LED nativamente predisposti per funzionare appoggiandosi ad una infrastruttura cablata in Categoria 5e, in Categoria 6 o superiore, invece di richiedere un cablaggio apposito come solitamente avveniva.

Questo tipo di approccio rappresenta uno straordinario elemento facilitatore sia per consentire un rapido accesso al mondo delle applicazioni illuminotecniche da parte di tecnici che provengono dal settore del cablaggio strutturato – a fronte di un modesto adeguamento delle proprie competenze – ma anche per consentire l’apertura di scenari applicativi completamente nuovi e derivanti dalla progressiva convergenza dei sistemi di illuminazione con le numerose altre applicazioni che già oggi si appoggiano all’infrastruttura cablata per il traffico di dati e lo scambio di informazioni.

La possibilità, offerta da alcuni sistemi di illuminazione a LED per ambienti commerciali, industriali, residenziali, nei data center, di sfruttare la diffusione capillare degli elementi illuminanti per affiancarli di volta in volta con sensori ed attuatori dei tipi più diversi, consente di realizzare sofisticate soluzioni di monitoraggio dei parametri ambientali e delle informazioni relative alla sicurezza, sfruttando una piattaforma già in essere e largamente collaudata; in alcuni casi viene offerta, inoltre, anche la compatibilità con sistemi di gestione intelligente dell’infrastruttura fisica (IIMS – Intelligent Infrastructure Management System) per mettere il possessore del sistema in condizione di controllare, pianificare e gestire operativamente da una postazione centrale (ed eventualmente remota) l’intero sistema in modo continuo e sistematico. Questo tipo di implementazione realizza di fatto, per la prima volta in modo davvero completo, il concetto di Edificio Intelligente (Intelligent Building).

D’altro canto se è inevitabile che i cicli tecnologici comportino una fase in cui la professionalità e le competenze fino a ieri apprezzate e remunerate dal mercato, finiscano oggi per svalutarsi quando sono incentrate su soluzioni e prodotti maturi, è altrettanto vero che nuove tecnologie o nuove modalità di impiego di tecnologie già presenti, permettono di creare nuove applicazioni che sfruttano infrastrutture e competenze esistenti per fornire funzionalità e servizi innovativi. È proprio questo il caso dei sistemi di illuminazione low voltage integrati su infrastrutture di cablaggio strutturato: ai benefici diretti, sia funzionali che economici, si aggiungono innumerevoli possibilità di ottenere ulteriori vantaggi se si riescono a sfruttare le possibili sinergie con i sistemi di sicurezza degli accessi, di video-sorveglianza, di climatizzazione, di prevenzione ed allarme anti-incendio e così via.

Il solo mercato degli impianti di illuminazione è enorme e, soprattutto in un momento come quello attuale in cui per motivi economici ma anche di maggiore attenzione verso l’ambiente, c’è una maggiore predisposizione a sostituire i sistemi esistenti e per installarne di più efficienti. Ciò è particolarmente evidente in ambienti evoluti e potenzialmente a rischio di enormi inefficienze, come i data center, dove infatti si osserva la più alta richiesta di implementazione di sistemi di illuminazione intelligenti.

Architettura

Uno degli aspetti positivi che riscontriamo nell’avvicinarci ai sistemi integrati di illuminazione a LED, nuovi per chi proviene dal mondo delle infrastrutture cablate, è che l’architettura con la quale si implementano è piuttosto semplice. I suoi elementi principali sono:

  • Le apparecchiature centrali per il controllo e l’alimentazione, in CC a bassa intensità, degli elementi illuminanti (Engines)
  • Gli alimentatori in AC (PDU – Power Distribution Unit) per fornire energia agli engines
  • Il sistema di cablaggio cui sono collegati tutti i dispositivi periferici (LED Gateways)
  • I sensori per il monitoraggio dei diversi parametri ambientali
  • Gli elementi illuminanti a LED

Figura 3 – Un tipico ‘engine’: questo apparato, connesso alla rete, serve per distribuire l’alimentazione a basso voltaggio in continua verso le lampade a LED

Gli engines si presentano in modo molto simile a degli switch e sono un po’ il cuore di questo tipo di sistema: alimentati da una normale presa elettrica standard, distribuiscono alimentazione in continua verso le lampade LED tramite cablaggio standard in categoria. Sono forniti di numerose porte, dette anche ‘canali’, ciascuno in grado di erogare fino a 20W in bassissima tensione, sui cavi a quattro coppie. Tipicamente un canale è in grado di alimentare una intera plafoniera a LED, sufficiente per illuminare un’area di 280 – 300 m2.

Dal punto di vista dell’architettura di rete, la configurazione degli elementi può essere realizzata in un’infinita varietà di modi, a seconda dell’estensione del sistema: ogni engine controlla un certo numero di elementi illuminanti e più engine possono essere organizzati in gruppi (cluster) e coprire zone più ampie. Un intero gruppo di engine, che può essere sufficiente per coprire un edificio, può essere gestito a partire da un singolo indirizzo IP. Nel caso di sistemi di maggiore estensione, anche dell’ordine di decine di migliaia di m2, può essere impiegato un apparato di livello gerarchici superiore, chiamato ‘director’, per gestire un ampio numero di engines e fornire un’unica interfaccia verso la postazione di controllo.

Gli engines si intallano come normali pannelli di permutazione (patch panel), preferibilmente in telai rack aperti. Sia i cavi per il collegamento all’infrastruttura che i cordoni di permutazione devono essere rigorosamente standard (in Cat.5e, Cat.6 o Cat.6A).

Figura 4 – Esempio di architettura di un sistema di illuminazione a LED integrato su structured cabling. (Fonte: Redwood)

Il sistema di cablaggio

La buona notizia è che, come già accennato in precedenza, possiamo implementare qualunque sistema di illuminazione low voltage a LED su un cablaggio strutturato standard, per cui non è necessario alcun accorgimento particolare. Si conferma quindi il valore dell’affermazione originaria secondo cui il cablaggio strutturato è universale: in effetti continua ad esserlo anche rispetto a questa nuova classe di sistemi alimentati.

Naturalmente occorre, se siamo in fase di progetto, considerare un certo numero di cavi aggiuntivi che saranno dedicati al sistema di illuminazione, esattamente come si considera – in fase di dimensionamento del progetto – anche il fabbisogno dei sistemi di building automation (BAS), wireless, ESS. È sempre buona pratica progettuale, in mancanza di chiare e precise previsioni riguardo all’implementazione nel tempo di nuovi sistemi e applicazioni, predisporre una certa quantità di cavi aggiuntivi rispetto allo stretto fabbisogno dettato dalla semplice copertura delle aree di lavoro.

A livello di permutatore i cavi vengono terminati come sempre su dei patch panel da 24 o 48 porte mentre, dal lato opposto del link, il collegamento verso le plafoniere viene realizzato tramite degli appositi ‘gateway’. Tali dispositivi passivi costituiscono l’interfaccia fra il cablaggio standard (cavo 4cp, connettore RJ45) e i corpi illuminanti che vengono connessi tramite cavo ribbon e connettor mini a 10 conduttori mentre i sensori sono connessi al gateway tramite un connettore RJ-25.

Figura 5 – I gateway permettono di interconnettere il cavo di distribuzione da un lato con la plafoniera e dall’altro con i sensori

Quanto più progettista e installatore si attengono ai consueti dettami (standard) per le infrastrutture di cablaggio, tanto migliore risulterà l’impianto in generale e nello specifico per il supporto del sistema di illuminazione a LED.

È invece un accorgimento raccomandabile, ai fini di una maggiore affidabilità del sistema di illuminazione, interlacciare elementi gli illuminanti adiacenti collegandoli alternativamente a dispositivi engine diversi, in modo che, nel caso di un singolo guasto, non ci sia il rischio di avere un intera serie di luci che non funziona più. Un’attenta pianificazione preliminare della sequenza di collegamenti aiuta ad organizzare il lavoro in modo ottimale e ad evitare errori in fase di installazione.

Figura 6 – Esempio di elemento illuminante in tecnologia LED

Integrazione con altri sistemi: i sensori

Una delle caratteristiche più qualificanti e senz’altro peculiari di questo nuovo approccio ai sistemi di illuminazione è rappresentata dalla possibilità di collegare dei sensori con le plafoniere, il che permette di integrare numerose funzionalità aggiuntive nell’ambito dello stesso sistema – e più in generale sulla stessa piattaforma di cablaggio – sfruttando la presenza uniforma e pervasiva degli elementi illuminanti all’interno di qualsiasi edificio.

I sensori possono essere collegati a ciascuna plafoniera e attraverso il gateway comunicano direttamente con il sistema centrale. Si tratta principalmente di sensori di movimento all’infrarosso (IR) ma possono essere anche di varia natura:

  • Sensori di intensità di luce
  • Sensori di temperatura
  • Sensori di corrente o di tensione

La loro funzione dipende dal tipo di sensore e dalle modalità operative, e può riguardare il conteggio/monitoraggio della presenza o assenza di persone all’interno dell’ambiente, l’analisi statistica dell’utilizzazione degli spazi, l’adeguamento dell’illuminazione al livello di luce ambientale per cercare di sfruttare l’illuminazione naturale quando è possibile, la rilevazione ed il monitoraggio dei parametri climatici (temperatura e umidità) per ottenere il controllo automatico del livello ottimale di comfort

Conclusioni

La tecnologia LED e le emergenti soluzioni di illuminazione intelligente implementate sulla piattaforma standard del cablaggio strutturato sono una recentissima realtà che è destinata rapidamente a diffondersi . Le ragioni sono molteplici e vanno dall’elevata efficienze energetica dei componenti all’eccezionale qualità luminosa alla semplicità di realizzazione alla possibilità di incorporare numerose funzionalità che permettono l’integrazione con altri sistemi. Questo nuovo tipo di soluzioni, che ben si adatta alle infrastrutture ITS, rappresenta un’eccellente opportunità per gli operatori del settore, in quanto con un modesto sforzo di aggiornamento professionale possono accedere ad un intero mondo di progetti e realizzazioni che in precedenza facevano capo agli specialisti del mondo elettrico. La capacità di offrire anche soluzioni illuminotecniche all’avanguardia, insieme a soluzioni di cablaggio generico, costituisce senz’altro un forte vantaggio per i professionisti più qualificati e intraprendenti. E la diffusione di sistemi di illuminazione intelligenti e di gran lunga più efficienti, comporta un significativo progresso nella direzione di un ottimale sfruttamento delle risorse disponibili.