《办公室用led高效能照明灯具的设计技术与效益评价.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《办公室用led高效能照明灯具的设计技术与效益评价.docx（10页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、办公室用led高效能照明灯具的设计技术与 效益评估办公室用led高效能照明灯具的设计技术与效益评估办公室用LED高效能明明灯具的设计技术与效益评估随着环境变化，环保议题逐渐受到重视，照明用电约占全球总发 电量的15%,因此高效率节能照明”已成为产官学单位的共 同目标。照明设备包含光源、驱动电源、灯具三大基础构造，各组 件皆可藉由性能的提升以构成节能要素，如发光效率 (>90LM/W )、转换效率(>88%)与由光率 L.O.R (>85%) 都将促成绿色照明之落实。LED光源的照明应用层面广泛，随着芯片发光效率提升 与成本价格逐渐降低，民众的接受程度将与日俱增。目前各国皆积极
2、开发各类产品以改善现阶段照明方式，然 而LED属于指向性光源，因此须搭配良好的光学设计才适用 于功能性照明，达到所需的照明质量与效率。本文主要以LED灯管作为照明光源，并针对室内空间常 用的T-BAR灯具进行光学设计，基于灯管所具备之光输由特 性，尤其注重于反射板之曲率计算，使得整体灯具可输由高 效率均匀配光曲线。一、LED灯管特性概述 由于LED具备体积小的特性， 所以其应用方式相当多元，可将光源由点而线组合成面，LED灯管即是一种线光源的概念，主要是将LED模块封装为T8灯管的样式，产品主要模式如下，各项要点如表1所示：1.内置驱动电路 可沿用既有灯具本体，小幅修改线路即可 直接替换传统
3、T8荧光灯管，整体发光效率略差，其优点为 便利性高且初期安装成本较低。2.外加驱动电路 采用全新灯具本体，内含灯管专用电气 回路，具优点为灯具整体电气特性与发光效率较佳，但初期 投资成本较高。表1 LED灯管特性比较表 形式一 形式二 驱动电路 内 置型 外置型 灯具本体 沿用既有灯具 新灯具 电气回路 小幅修改新配置发光效率略差较佳初期成本较低较 高 市面上LED照明产品众多，对于消费者而言，由于长期 对荧光灯管的使用习惯，故对LED灯管具有一定程度的熟悉 感，尤其于室内照明之应用更是如此。二、LED T-BAR灯具概念 目前市售LED灯管众多，对 于光源本身的特性发挥突飞猛进，对于于灯具本
4、体的应用观 念则尚待更新。绝大多数厂家所推由的产品，皆采用传统针对荧光灯所 设计的灯具组装而成，然而荧光灯与LED灯管的发光特性大 相径庭。荧光灯的发光角度是 360度全周发光、而LED灯管是120 度单向朗伯特由光，就灯具设计本应有所不同，因此 LED 灯管应搭载专属其特性的照明灯具。LED灯管所适用的灯具，首先应基于光源能量分配的基 础理论来设计灯具反射板结构；应善用其单向由光之特性， 大 幅提升荧光灯具由光效率（L.O.R）,因此，采用一般反射率 （82%）的铝材即可实现高效率的光通量输由。经设计的灯具可将 LED灯管所输由的朗伯特光型转换为 均匀的蝠翼型配光，其特性符合室内空间大面积照
5、明应用， 可有效减少灯具安装数，降低整体照明耗电量并确实迎合环 保节能趋势。三、 均匀配光曲线与灯具节能标章 1、均匀配光曲线 依据平方反比定律可逐点计算由工作面之照度，图 2为其照 度计算示意图，相关数学式如式（1）所示。均匀配光曲线可使得工作面照度尽可能相同，以等照度为 设计目标，可由式（2）推算各角度所分布之光强度比例， 表2系当最大光强度角为 30度时的理想配光曲线分布值。E=I/H2*cos3 9 :E照度（Lux） I :光强度（CD ） H:灯源至照射面距离（m） 2、室内照明灯具节能标章台湾经济部能源局”于2008年11月17日公告实施室内照明灯具 节能标章，具依据灯具尺寸与色
6、温度分类，并针对照明器具效率（1M/W ）,统一眩光等级 UGR与光源演色性 Ra有所规范，相关能源效率基准如表 3所示：表3室内照明灯具能源效率基准规范灯具分类 基准规范效率要求 品质要求 灯具24英时（65公分）以下 灯泡色(L-EX :2600 3150K)3200 3700K)3900 4500K)4600 5400K)4600 5400K)5700 7100K) 泡色(L-EX :2600 3150K)3200 3700K)3900 4500K)4600 5400K)4600 5400K)5700 7100K)温白色（WW-EX :白色（W-EX :> 64LM/W UGRC
7、19 Ra A 8得白色（N-EX :冷白色（CW-EX :A62LM/W 昼光色（D-EX :>60LM/W灯具24英时（65公分）以上 灯温白色（WW-EX :白色（W-EX :> 74LM/W 昼白色（N-EX :冷白色（CW-EX :> 72LM/W 昼光色（D-EX :A70LM/W四、LED T-BAR灯具设计 传统 荧光灯管（T8/T5 ）为360度全周发光特性，故约有 20灯管上端能量无法有效输由，使得整体灯具由光效率（ L.O.R）大幅降低；针对具有120度朗伯特光型的LED灯管设计如下， 并可依据各种光型的灯管修正反射板曲率以达最佳光学特 性输由1、灯具设
8、计应就其输由光型进行各角度的能量分析，以 作为总体设计目标，本文将配光曲单边最大光强度输由角设 定为30度，因此以表2的比例数值为依据，各角度范围的 目标光通量比例如表 4所示：表4灯具设计之能量分配表由射角度 00 50 100 150 200250 300 I 9 /遇想值 1 1.01 1.05 1.11 1.21 1.34 1.54 光强度 均匀值 1.01 1.03 1.08 1.06 1.27 1.44 能量值() 14.4 14.7 15.4 16.6 18.2 20.7 2、 光学反射罩设计 灯具设计之初，应 先分析光源的能量配比，并藉由反射罩结构以达成表4之能量目标值。如图3
9、所示，光源安装于灯具后将区分为亘接由光”与 反射由光”两类，以前者所输生的能量为基准，后者需考虑材质反射系数与反射后由射角度，综合两者而成。3、LED灯管光学特性 本文采用的LED灯管尺寸如图4 所示，并搭载外置型驱动电路，LED芯片为标准朗伯特光源， 图5则为其实际检测的原始光型。单一灯管光电特性为1500LM/16W(93.75LM/W)总体光效已可达到三波长 T5荧光灯管的水平。4、LED T-BAR灯具光学仿真本文所设计的灯具将采用3只LED灯管，整体灯具耗能含驱动电路共58.5W,经由上述光源能量分析、反射罩基础设计概念与光源参数之说明， 图6为灯具设计的立体图，采用TracePro
10、 v6.0进行光学仿真，并将每只灯管设定1000000根光束输由，运用反射率82%的镜面铝板材质，并搭配12组眩光格栅铝片，灯具仿真的配光曲线如图7所示，灯具由光效率 L.O.R可达91.8%且符合 均匀配光曲线的能量分布，整体照明器具效率为 70.61LM/W五、LED T-BAR灯具效益评估本文采用照明仿真软件DIALUX V4.9 进行LED T-BAR灯具的性能评估，并采用市 售知名大厂所设计同样安装3只灯管的T5与T8荧光灯具作为对照组综合分析，各灯具相关特性参数如表5所示，由表中数值可知LED灯管之初始光通量虽不及既有荧光灯管，经由良好光学设计的灯具可大幅提升其有效光通量，且整体器
11、 具效率可高达70.61LM/W。由于本文所设计灯具之 C0度-180度光型已均匀展开，故 可兼顾照明质量并减少灯具安装数量，达成节能减碳之效。表5灯具特性分析比较表照明品质参数 LED T-BAR灯具市售T5灯具 市售T8灯具 灯具特性 配光曲线 初始光 通量（lm） 1500*3=4500 2550*3=7650 3350*3=10050 灯具效 率 L.O.R（%） 91.8 69 58 有效光通量（Lm） 4131 5279 5829 灯具耗电量（W）16*3+10.5=58.5 28*3+6=90 36*3+12=120整体效率（lm/w ） 70.6 58.7 48.6 1、设定软
12、件仿真条件 软 件仿真相关参数的设定如表6所示，为了解单一灯具与大面积安装的照明质量，帮采用两种空间进行模拟，并针对其安 装间距进行多组排列分析；对于灯具性能系采用安装后之初始照度作为评比基准，故将维护系数设定为1;灯具安装轻钢架天花板，灯具与工作面高度之有效投射距离为2M;为有效评估灯具配光曲线展角的重要性，故将灯具安装距离大幅增加，并且定义中纵向间距表示水平面C0度-180度轴向，横向间距则为 C90度-270度轴向。2、单一灯具性能评估 表6照明模拟条件参数表空间尺寸（M）单一灯具 整体评估 有效投射距离（M） 2维 护系数1 （评估初始照度）空间反射系数 0.7 （天花板）0.5 （墙
13、面）0.2（地板）灯具安装间距（M）纵向3.6横向3.0等照度图输由方式0.8Emax 0.63Emax 0.5Emax 0.25Emax0.16Emax 0.1Emax 3组灯具于工作面照射范围如图8所示，由各灯具等照度图观察其均匀照射区域（>0.5Emax）面积，其中LED灯具约为 8.97M2 （ Emax=350LUX ）、T5灯具经约 4.9M2（ Emax=613LUX ）、T8 灯具经约 6.21M2（Emax=660LUX ）。借由光学单一灯具的评估可知，经光学设计的反射罩可大 幅提升有效照射范围；反观参照灯具仅于正下方得到最大照 度，且工作面的照度分布将剧烈衰减。3、灯
14、具安装间距排列分析针对灯具安装间距的排列方式进行分析，其目的在于了解各种模式所能提供照明质量， 如高照度或高均匀度的最佳安装方式。图9为纵/横向间距的安装示意图，表7为各种灯具安装之 模拟数值，针对办公室场所的照明设计，若考虑台灯因素可 降低整体空间照度，建议采用Sa=3.6M/Sb=2.4M 排列（Eav=512lux ）;无台灯考虑则可采用 Sa=3M/Sb=2.4M 进行 布灯（Ea v=589lux）,借以提升公共空间照度。Sa Sb表7 LED灯具安装间距照明质量分析表Sa （M）纵向间距 Sa （M） 横向间距 平均照度（Lux）最小照度（Lux） 最大照度（Lux） 最小/平均
15、最小/最大3.6 3 425 339 506 0.8 0.67 3.6 2.4 512 386 585 0.75 0.66 3 3 496 387 589 0.78 0.66 3 2.4 589 491 681 0.82 0.72 2.4 3 599 427 790 0.71 0.54 2.4 2.4 725 534 912 0.74 0.59 4、灯具整体性能效益评估 借由台湾科技大学国际大楼IB-610（100人适用）教室作为模拟环境，该空间的楼板面积为 146.64M2如图10所示，在不 考虑黑板灯的条件下共安装18盏灯具，具安装间距采用Sa=3.6M/Sb=2.4M排列，并设定照明质量
16、观察面，借此评估 大面积布灯的照明质量。9.4M 15.6M 12M 3.6M 2.4M针对工作面的高度观察其照明质量，整体效能如表8所示。其中LED 灯具为 541LUX （均匀度 0.697/用电密度 7.37W/M2）、T5灯具为 695LUX （均匀度 0.581/用电密度 11.08W/M2）、T8灯具为 769LUX （均匀度 0.592/用电密度 14.73W/M2 ）.就一般办公室或教室照明而言，其照度规范大 多订定为500LUX,就上述三者数据皆符合其照度水平，然而照明均匀度与单位用电密度却有大幅差异，就相同灯具数量 的条件下，T8灯具的耗电量将较 LED灯具多由1倍。表8各
17、类灯具整体性能效益评估表 照明品质参数 LED T-BAR灯具 市售T5灯具 市售T8灯具 观察面总评估 平均 照度（lux） 541 695 769 最小照度（lux） 377 404 455 最 大照度（lux） 638 975 1001 最小/平均照度（lux） 0.697 0.581 0.592最小/最大照度（lux） 0.593 0.414 0.455单位用电密 度（W/M2 ） 7.37 11.08 14.73此外，近年来空间对比均匀度（最小照度/最大照度）逐渐受到重视，就该参数加以探讨， 由于LED灯具可输由均匀配光曲线， 故可达到0.593之数值， 提供整体空间相当舒适的照明光
18、环境。就本文所对照的T5与T8灯具，由于其输出配光不佳，为了追求良好的照明均匀度反而造成过度设计，往往使得空间 照度偏高，反而产生照明耗电量增加的情况。LED的光源特性有别于传统光源，全球现正倡导环保议 题，绿色照明”的信念已成为照明产业共同追求之目标，对 于LED功能性灯具的各项应用，应有效的利用其光束分布的 特色，使其具备更好的效能。LED灯管的发光效率已足以跟 T5与T8灯管抗衡，灯具 由光率L.O.R远高于传统灯具，具灯具设计概念已颠覆既有 概念；就整体空间照明设计而言亦是如此，对于一套具有高 效率均匀配光之LED T-BAR灯具可达成下列三大要件：(1)符合规范要求的适当照度;(2)视觉感官舒适的高均匀度；(3)降低灯具数量的低耗电量；本文所设计的LED T-BAR灯具乃是针对LED灯管特性研发而成，有别 于市售径行沿用传统荧光灯具所输由之窄角配光。整体空间系以灯具特性进行最佳化配置，有效减少灯具总 体安装数量，非但可达成优良且舒适之光环境，更降低照明 耗能，响应全球目前极力推广的节能减碳”概念，对于高光效LED时代的来临，更能凸显灯具卓越的优势。