Illuminazione intelligente

ILLUMINAZIONE –

Considerazioni relative alle lampadine e ai dispositivi di illuminazione di prossima generazione sensibili alla luce naturale.

Da tempo i gestori di edifici sono consapevoli che gli utenti di uno spazio tendono ad affrontare le proprie esigenze di illuminazione adottando un approccio di tipo "impostato e dimenticato", che prevede ad esempio di accendere semplicemente le luci a soffitto dell'ufficio e lasciarle accese per il resto della giornata. Di conseguenza, all'interno degli uffici commerciali, i semplici interruttori aperto-chiuso sono stati da tempo sostituiti da sistemi di controllo automatizzati basati sulla rilevazione di presenza. Se un sensore di presenza consente di risolvere parte del problema, rimane ancora da risolvere un altro interrogativo: di quanta luce ha effettivamente bisogno l'utente? Molte persone regolano autonomamente la quantità di luce spegnendo le luci da soffitto e utilizzando lampade da tavolo o da scrivania, che possono servire per fornire un livello di illuminazione più gradevole, ma che a loro volta vengono lasciate accese anche quando la postazione è vuota. In ogni caso, le apparecchiature di illuminazione utilizzate attualmente non sono in grado di soddisfare la reale esigenza, che è quella di fornire una quantità di luce definita dall'utente solo quando lo spazio è in uso e mantenere tale livello di luce anche in caso di variazione delle altre fonti di luce ambientale e, in particolare, di quella naturale.

Risparmi di energia
e un maggiore comfort per l'utente


La soluzione è Cognitive Lighting: un sistema di illuminazione in grado di "pensare" e reagire autonomamente per mantenere un livello di illuminazione preferito dall'utente e più produttivo per il suo lavoro a seconda dei cambiamenti nella luce naturale presente nell'ambiente. Sebbene tramite alcuni dispositivi di illuminazione all'avanguardia si sia tentato di reagire alla luce naturale, o di "sfruttarla" in spazi più grandi, l'avvento di dispositivi di illuminazione controllabili con maggiore flessibilità ha aperto la strada a un controllo più diffuso, che implica risparmi di energia considerevolmente superiori, nonché un aumento del comfort e della produttività dell'utente.
Nella progettazione e nell'applicazione di sistemi di illuminazione sensibili alla luce naturale occorre prendere in considerazione diversi fattori importanti. La progettazione mediante Cognitive Lighting consente però di semplificarli enormemente, poiché indirizza direttamente i dispositivi di illuminazione o le lampadine, invece di tentare di applicare la risposta alla luce naturale a livello di edificio. Riducendo la questione ai minimi termini, la progettazione di un dispositivo di illuminazione (installazione fissa) o una lampadina di ricambio che sia correttamente sensibile alla luce ambientale rilevata (e la compensi), semplifica enormemente la gestione dell'illuminazione a livello di edificio.
Per implementare una struttura di Cognitive Lighting sono necessari tre fattori principali:

• Una sorgente luminosa attenuabile (soluzione a fluorescenza attenuabile o soluzione Led in cui siano stati presi adeguatamente in considerazione il design ottico, la circuiteria del driver e la gestione termica).

• Sensori di luce ambientale di precisione, ottimizzati specificamente per lo sfruttamento della luce naturale, come il sensore di luce naturale TSL4531 di ams

• Un controller dell'illuminazione intelligente o Ilc (Intelligent lighting controller) basato su un microcontrollore che funge da "motore decisionale" nella regolazione dell'illuminazione.

Un'esperienza per l'utente
basata sul suo punto di vista


Per implementare un'architettura in grado di fornire un'esperienza gratificante per l'utente, in primo luogo dobbiamo definire come il sistema si comporta dal punto di vista dell'utente, e come non dovrebbe comportarsi. Gli attuali sistemi basati sul rilevamento di presenza sono semplicemente degli interruttori aperto-chiuso automatizzati che si accendono quando viene rilevata la presenza di qualcuno e si spengono quando non viene rilevata alcuna presenza dopo un periodo di tempo predefinito. I sistemi attuali, specialmente quelli più comuni basati sulla fluorescenza, spesso richiedono l'impostazione di periodi di interruzione prolungati per evitare intervalli di cicli di accensione/spegnimento che potrebbero rivelarsi dannosi per le stesse fonti di illuminazione. La durata stimata di una lampadina di fatto comporta che il cambio di stato non avvenga più di 8 volte in 24 ore. Una frequenza di commutazione giornaliera superiore può comportare una notevole riduzione della vita utile della lampadina.
Il massimo che l'utente può ottenere nella maggior parte dei casi è una condizione di "tutto acceso" o "tutto spento", che è completamente opposta a un'esperienza ottimale per l'utente. L'attenuazione automatizzata sembrerebbe costituire una soluzione parziale alla duplice problematica della durata delle lampadine e delle preferenze dell'utente. Nei sistemi a fluorescenza più costosi che includono dimming ballast, l'utente potrebbe attenuare la luce fino a un livello - preimpostato. Tuttavia, generalmente, l'utente tenderà a impostare come predefinito il livello massimo necessario per un determinato compito, probabilmente senza più modificarlo in futuro. Ciò che l'utente desidera veramente è che la luce sia impostata a un particolare livello nello spazio, e che i dispositivi di illuminazione mantengano tale livello costante finché lo spazio è occupato. Diversamente da quando imposta effettivamente il livello desiderato, l'utente non vuole accorgersi della regolazione mentre questa è in corso. In un certo senso, il "dimmer" non dovrebbe essere percepito come un sistema che regola l'emissione luminosa (in realtà l'immissione luminosa) per i dispositivi di illuminazione che controlla, ma piuttosto come un controllore del livello di illuminazione complessivo dell'ambiente che imposta la luminosità dello spazio.

Struttura di controllo basata su sensori

Se definiamo la funzione di controllo dell'attenuazione come "l'impostazione del livello ambientale prestabilito", allora il dispositivo di illuminazione interessato ha un compito specifico da svolgere: mantenere costante il livello di illuminazione nella stanza. Il conseguimento di tale obiettivo dipende dall'utilizzo di un sensore di luce ambientale di elevata qualità in grado di misurare e integrare il livello di lux all'interno dello spazio e quindi adattare l'emissione del dispositivo di illuminazione affinché mantenga il valore prestabilito. È utile esaminare brevemente la natura del valore di lux che il sensore rileverà. L'emissione massima di un dispositivo di illuminazione specifico o di una lampadina sostitutiva è definita in "lumen", l'unità di misura della risposta dell'occhio umano all'energia fotonica. L'occhio umano reagisce in maniera differente alle diverse frequenze di luce; ad esempio, un numero X di fotoni nella regione verde dello spettro sembrerà più luminoso all'osservatore rispetto a quelli nella regione blu. I moderni Led bianchi producono tipicamente uno spettro di luce che corrisponde approssimativamente a quello dell'occhio umano, con un numero relativamente maggiore di fotoni blu e minore di fotoni verdi, per creare quello che noi chiamiamo bianco. Mentre i lumen registrano la quantità totale di luce visibile emessa da una fonte (di qualsiasi tipo), il "lux" rappresenta il flusso luminoso che colpisce o attraversa uno spazio specifico. Immaginiamo che la nostra fonte di luce di riferimento sia un dispositivo di illuminazione che chiameremo "torcia elettrica", che emette 100 lumen totali attraverso la sua lente in un tipico fascio a cono. Se tale lente progettata con precisione illumina 1 metro quadro di una grande superficie piatta, emette 100 lm/m2 o 100 lux di illuminamento. Spostando il fascio conico in modo che ora illumini un'area di 2 metri quadri, si avranno gli stessi 100 lumen, che però saranno diffusi lungo un'area doppia rispetto a quella precedente, fornendo quindi un illuminamento pari a 50 lux. Nella maggior parte dei casi, considerando lo stesso rapporto di frequenze/qualità della luce, i lux sono il valore più rilevante all'interno di un ambiente illuminato. I lux anglosassoni (foot candle - FC) sono un'altra unità di misura comune utilizzata da molti decenni e che segue la stessa metodologia di base con una conversione approssimativa di 1 FC = 10.764 lux. L'obiettivo dei dispositivi di illuminazione basati sul sistema Cognitive Lighting è la misurazione del valore di lux di ritorno dall'area interessata per un particolare punto definito. Tale compito viene svolto dal sensore di luce ambientale , che dovrebbe essere progettato specificamente per rispondere a contesti di luce naturale. È importante notare che il sensore di luce ambientale si occupa di percepire il valore di lux ambientale nello stesso modo in cui lo farebbe l'utente dello spazio. Questo prevede che funzioni in modalità fotopica e ciò significa che il sensore assegna un valore relativo ai fotoni che si riflettono nella propria direzione, fornendo così una valutazione accurata della luminosità ambientale che si avvicina alla percezione dell'occhio umano. Il sensore TSL4531 di ams è un esempio di sensore di luce ambientale specializzato per la luce naturale. Oltre alla modalità di rilevamento fotopico, è inoltre importante che il sensore di luce ambiente reagisca solo a un valore di lux medio realistico, e non ai picchi e alle valli ciclici da 60 Hz, che potrebbero essere generati da un apparecchio a fluorescenza nel corridoio vicino.
Occorre notare che, poiché le misurazioni sono eseguite su valori di lux riflessi, potrebbero essere introdotte variazioni dovute al diverso potere riflettente delle superfici presenti in una stanza. Un tavolo da conferenza lucido, ad esempio, rifletterebbe molta più luce rispetto alla pavimentazione in moquette. Per le applicazioni pratiche, considerato che l'altezza del soffitto è raramente di soli 8 piedi e che più probabilmente si aggira intorno ai 10-12 piedi in un edificio moderno, la dispersione della luce riflessa contribuisce a compensare questo fenomeno, consentendo che l'effetto maggiore derivi più correttamente dal fatto che la stanza sia dominata da piani di scrivanie, o da un pavimento vuoto, che determinano a loro volta l'effetto complessivo dell'illuminazione ambientale in tale spazio.
L'illustrazione precedente rappresenta un esempio della funzionalità di dispositivi di illuminazione basati sul sistema Cognitive Lighting in uno spazio adibito ad ufficio. In questa disposizione, ciascun dispositivo di illuminazione agisce indipendentemente in funzione del livello di illuminazione prescelto selezionato dall'utente. Quando nell'ambiente entra luce naturale, ogni apparecchio funziona in una modalità ad anello chiuso, rilevando il valore di lux e applicando leggeri cambiamenti con effetto di attenuazione o illuminazione per mantenere il livello prescelto. È importante notare come la rilevazione della presenza rimanga una funzione essenziale che, sebbene illustrata come unità montata alla parete in questo esempio (presumibilmente collocata nella stessa posizione del sistema di controllo del livello di illuminazione), potrebbe essere a sua volta integrata nei dispositivi di illuminazione stessi.

Integrazione funzionale

A livello di architettura, il dispositivo di illuminazione basato sul sistema Cognitive Lighting illustrato di seguito avrà un'implementazione in gran parte assistita dal funzionamento intelligente e dalle capacità comunicative integrate nei suoi componenti all'avanguardia. In questo esempio, il sensore di luce ambiente è posizionato in modo da permettergli di avere una chiara visione dello spazio di competenza ed è collegato all'Ilc attraverso un bus seriale standard, come l'I2C. L'Ilc funge da motore decisionale e riceve dati dal sensore di luce ambientale, oltre agli input del sensore di presenza e del sistema di controllo del livello di illuminazione, che normalmente utilizza segnali di controllo standard 0-10 V. L'Ilc invia un segnale di uscita da 0-10 V verso qualsiasi dimming ballast o fonte luminosa Led che include sistemi di controllo dell'attenuazione in ingresso da 0-10V. In termini di funzionalità specifica, l'Ilc inizialmente compara i lux ambientali rilevati dal sensore di luce ambientale con il livello di illuminazione prestabilito selezionato dall'utente, come indicato nell'impostazione del dimmer, per determinare il corretto output da 0-10 V per azionare il dimming ballast o il driver Led. Nelle versioni in cui non è necessaria la regolazione da parte dell'utente (ad esempio un magazzino), l'attenuatore può essere sostituito da un potenziometro preimpostato. Quando la luce solare entra nella stanza, il sensore di luce ambientale rileva l'aumento di luce ambientale nella stanza, riducendo proporzionalmente il segnale da 0-10V al fine di mantenere un livello di lux ambientale costante così come determinato dal valore prestabilito programmato dall'utente. L'attenuazione della sorgente luminosa viene applicata su una scala non lineare ottimizzata per fornire un'attenuazione leggera, che possa costituire un'esperienza più piacevole per l'occhio umano, resa possibile attraverso tempi di rampa programmabili e obiettivi di lux regolabili. Nella modalità di sfruttamento della luce naturale, l'Ilc dovrebbe inoltre ridurre al minimo le variazioni improvvise dell'illuminazione che potrebbero derivare da una variazione a breve termine nelle condizioni di luce ambientale. L'utilizzo di timer a variazione rapida utilizzati per filtrare la rumorosità ambientale può raggiungere tale obiettivo consentendo all'Ilc di ricampionare l'ambiente; solo se viene rilevato lo stesso cambiamento di livello nel campionamento sequenziale, allora l'output da 0-10 V sarebbe regolato nella direzione indicata dalla variazione rilevata. Quando la rilevazione di presenza scatta, avvia un timer preimpostato all'interno dell'Ilc. Al termine del periodo prestabilito, l'Ilc spegnerà le luci, garantendo che il sistema di controllo della luce naturale funzioni solo quando lo spazio è occupato.

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