辦公室用led高效能照明燈具的設(shè)計技術(shù)與效益評價

1、辦公室用led高效能照明燈具的設(shè)計技術(shù)與 效益評估辦公室用led高效能照明燈具的設(shè)計技術(shù)與效益評估辦公室用LED高效能明明燈具的設(shè)計技術(shù)與效益評估隨著環(huán)境變化，環(huán)保議題逐漸受到重視，照明用電約占全球總發(fā) 電量的15%,因此高效率節(jié)能照明”已成為產(chǎn)官學(xué)單位的共 同目標(biāo)。照明設(shè)備包含光源、驅(qū)動電源、燈具三大基礎(chǔ)構(gòu)造，各組 件皆可藉由性能的提升以構(gòu)成節(jié)能要素，如發(fā)光效率 (>90LM/W )、轉(zhuǎn)換效率(>88%)與由光率 L.O.R (>85%) 都將促成綠色照明之落實。LED光源的照明應(yīng)用層面廣泛，隨著芯片發(fā)光效率提升 與成本價格逐漸降低，民眾的接受程度將與日俱增。目前各國皆積極

2、開發(fā)各類產(chǎn)品以改善現(xiàn)階段照明方式，然 而LED屬于指向性光源，因此須搭配良好的光學(xué)設(shè)計才適用 于功能性照明，達到所需的照明質(zhì)量與效率。本文主要以LED燈管作為照明光源，并針對室內(nèi)空間常 用的T-BAR燈具進行光學(xué)設(shè)計，基于燈管所具備之光輸由特 性，尤其注重于反射板之曲率計算，使得整體燈具可輸由高 效率均勻配光曲線。一、LED燈管特性概述 由于LED具備體積小的特性， 所以其應(yīng)用方式相當(dāng)多元，可將光源由點而線組合成面，LED燈管即是一種線光源的概念，主要是將LED模塊封裝為T8燈管的樣式，產(chǎn)品主要模式如下，各項要點如表1所示：1.內(nèi)置驅(qū)動電路 可沿用既有燈具本體，小幅修改線路即可 直接替換傳統(tǒng)

3、T8熒光燈管，整體發(fā)光效率略差，其優(yōu)點為 便利性高且初期安裝成本較低。2.外加驅(qū)動電路 采用全新燈具本體，內(nèi)含燈管專用電氣 回路，具優(yōu)點為燈具整體電氣特性與發(fā)光效率較佳，但初期 投資成本較高。表1 LED燈管特性比較表 形式一 形式二 驅(qū)動電路 內(nèi) 置型 外置型 燈具本體 沿用既有燈具 新燈具 電氣回路 小幅修改新配置發(fā)光效率略差較佳初期成本較低較 高 市面上LED照明產(chǎn)品眾多，對于消費者而言，由于長期 對熒光燈管的使用習(xí)慣，故對LED燈管具有一定程度的熟悉 感，尤其于室內(nèi)照明之應(yīng)用更是如此。二、LED T-BAR燈具概念 目前市售LED燈管眾多，對 于光源本身的特性發(fā)揮突飛猛進，對于于燈具本

4、體的應(yīng)用觀 念則尚待更新。絕大多數(shù)廠家所推由的產(chǎn)品，皆采用傳統(tǒng)針對熒光燈所 設(shè)計的燈具組裝而成，然而熒光燈與LED燈管的發(fā)光特性大 相徑庭。熒光燈的發(fā)光角度是 360度全周發(fā)光、而LED燈管是120 度單向朗伯特由光，就燈具設(shè)計本應(yīng)有所不同，因此 LED 燈管應(yīng)搭載專屬其特性的照明燈具。LED燈管所適用的燈具，首先應(yīng)基于光源能量分配的基 礎(chǔ)理論來設(shè)計燈具反射板結(jié)構(gòu)；應(yīng)善用其單向由光之特性， 大 幅提升熒光燈具由光效率（L.O.R）,因此，采用一般反射率 （82%）的鋁材即可實現(xiàn)高效率的光通量輸由。經(jīng)設(shè)計的燈具可將 LED燈管所輸由的朗伯特光型轉(zhuǎn)換為 均勻的蝠翼型配光，其特性符合室內(nèi)空間大面積照

5、明應(yīng)用， 可有效減少燈具安裝數(shù)，降低整體照明耗電量并確實迎合環(huán) 保節(jié)能趨勢。三、 均勻配光曲線與燈具節(jié)能標(biāo)章 1、均勻配光曲線 依據(jù)平方反比定律可逐點計算由工作面之照度，圖 2為其照 度計算示意圖，相關(guān)數(shù)學(xué)式如式（1）所示。均勻配光曲線可使得工作面照度盡可能相同，以等照度為 設(shè)計目標(biāo)，可由式（2）推算各角度所分布之光強度比例， 表2系當(dāng)最大光強度角為 30度時的理想配光曲線分布值。E=I/H2*cos3 9 :E照度（Lux） I :光強度（CD ） H:燈源至照射面距離（m） 2、室內(nèi)照明燈具節(jié)能標(biāo)章臺灣經(jīng)濟部能源局”于2008年11月17日公告實施室內(nèi)照明燈具 節(jié)能標(biāo)章，具依據(jù)燈具尺寸與色

6、溫度分類，并針對照明器具效率（1M/W ）,統(tǒng)一眩光等級 UGR與光源演色性 Ra有所規(guī)范，相關(guān)能源效率基準(zhǔn)如表 3所示：表3室內(nèi)照明燈具能源效率基準(zhǔn)規(guī)范燈具分類 基準(zhǔn)規(guī)范效率要求 品質(zhì)要求 燈具24英時（65公分）以下 燈泡色(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)溫白色（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 晝光色（D-EX :>60LM/W燈具24英時（65公分）以上 燈溫白色（WW-EX :白色（W-EX :> 74LM/W 晝白色（N-EX :冷白色（CW-EX :> 72LM/W 晝光色（D-EX :A70LM/W四、LED T-BAR燈具設(shè)計 傳統(tǒng) 熒光燈管（T8/T5 ）為360度全周發(fā)光特性，故約有 20燈管上端能量無法有效輸由，使得整體燈具由光效率（ L.O.R）大幅降低；針對具有120度朗伯特光型的LED燈管設(shè)計如下， 并可依據(jù)各種光型的燈管修正反射板曲率以達最佳光學(xué)特 性輸由1、燈具設(shè)

8、計應(yīng)就其輸由光型進行各角度的能量分析，以 作為總體設(shè)計目標(biāo)，本文將配光曲單邊最大光強度輸由角設(shè) 定為30度，因此以表2的比例數(shù)值為依據(jù)，各角度范圍的 目標(biāo)光通量比例如表 4所示：表4燈具設(shè)計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 光強度 均勻值 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、 光學(xué)反射罩設(shè)計 燈具設(shè)計之初，應(yīng) 先分析光源的能量配比，并藉由反射罩結(jié)構(gòu)以達成表4之能量目標(biāo)值。如圖3

9、所示，光源安裝于燈具后將區(qū)分為亙接由光”與 反射由光”兩類，以前者所輸生的能量為基準(zhǔn)，后者需考慮材質(zhì)反射系數(shù)與反射后由射角度，綜合兩者而成。3、LED燈管光學(xué)特性 本文采用的LED燈管尺寸如圖4 所示，并搭載外置型驅(qū)動電路，LED芯片為標(biāo)準(zhǔn)朗伯特光源， 圖5則為其實際檢測的原始光型。單一燈管光電特性為1500LM/16W(93.75LM/W)總體光效已可達到三波長 T5熒光燈管的水平。4、LED T-BAR燈具光學(xué)仿真本文所設(shè)計的燈具將采用3只LED燈管，整體燈具耗能含驅(qū)動電路共58.5W,經(jīng)由上述光源能量分析、反射罩基礎(chǔ)設(shè)計概念與光源參數(shù)之說明， 圖6為燈具設(shè)計的立體圖，采用TracePro

10、 v6.0進行光學(xué)仿真，并將每只燈管設(shè)定1000000根光束輸由，運用反射率82%的鏡面鋁板材質(zhì)，并搭配12組眩光格柵鋁片，燈具仿真的配光曲線如圖7所示，燈具由光效率 L.O.R可達91.8%且符合 均勻配光曲線的能量分布，整體照明器具效率為 70.61LM/W五、LED T-BAR燈具效益評估本文采用照明仿真軟件DIALUX V4.9 進行LED T-BAR燈具的性能評估，并采用市 售知名大廠所設(shè)計同樣安裝3只燈管的T5與T8熒光燈具作為對照組綜合分析，各燈具相關(guān)特性參數(shù)如表5所示，由表中數(shù)值可知LED燈管之初始光通量雖不及既有熒光燈管，經(jīng)由良好光學(xué)設(shè)計的燈具可大幅提升其有效光通量，且整體器

11、 具效率可高達70.61LM/W。由于本文所設(shè)計燈具之 C0度-180度光型已均勻展開，故 可兼顧照明質(zhì)量并減少燈具安裝數(shù)量，達成節(jié)能減碳之效。表5燈具特性分析比較表照明品質(zhì)參數(shù) LED T-BAR燈具市售T5燈具 市售T8燈具 燈具特性 配光曲線 初始光 通量（lm） 1500*3=4500 2550*3=7650 3350*3=10050 燈具效 率 L.O.R（%） 91.8 69 58 有效光通量（Lm） 4131 5279 5829 燈具耗電量（W）16*3+10.5=58.5 28*3+6=90 36*3+12=120整體效率（lm/w ） 70.6 58.7 48.6 1、設(shè)定軟

12、件仿真條件 軟 件仿真相關(guān)參數(shù)的設(shè)定如表6所示，為了解單一燈具與大面積安裝的照明質(zhì)量，幫采用兩種空間進行模擬，并針對其安 裝間距進行多組排列分析；對于燈具性能系采用安裝后之初始照度作為評比基準(zhǔn)，故將維護系數(shù)設(shè)定為1;燈具安裝輕鋼架天花板，燈具與工作面高度之有效投射距離為2M;為有效評估燈具配光曲線展角的重要性，故將燈具安裝距離大幅增加，并且定義中縱向間距表示水平面C0度-180度軸向，橫向間距則為 C90度-270度軸向。2、單一燈具性能評估 表6照明模擬條件參數(shù)表空間尺寸（M）單一燈具 整體評估 有效投射距離（M） 2維 護系數(shù)1 （評估初始照度）空間反射系數(shù) 0.7 （天花板）0.5 （墻

13、面）0.2（地板）燈具安裝間距（M）縱向3.6橫向3.0等照度圖輸由方式0.8Emax 0.63Emax 0.5Emax 0.25Emax0.16Emax 0.1Emax 3組燈具于工作面照射范圍如圖8所示，由各燈具等照度圖觀察其均勻照射區(qū)域（>0.5Emax）面積，其中LED燈具約為 8.97M2 （ Emax=350LUX ）、T5燈具經(jīng)約 4.9M2（ Emax=613LUX ）、T8 燈具經(jīng)約 6.21M2（Emax=660LUX ）。借由光學(xué)單一燈具的評估可知，經(jīng)光學(xué)設(shè)計的反射罩可大 幅提升有效照射范圍；反觀參照燈具僅于正下方得到最大照 度，且工作面的照度分布將劇烈衰減。3、燈

14、具安裝間距排列分析針對燈具安裝間距的排列方式進行分析，其目的在于了解各種模式所能提供照明質(zhì)量， 如高照度或高均勻度的最佳安裝方式。圖9為縱/橫向間距的安裝示意圖，表7為各種燈具安裝之 模擬數(shù)值，針對辦公室場所的照明設(shè)計，若考慮臺燈因素可 降低整體空間照度，建議采用Sa=3.6M/Sb=2.4M 排列（Eav=512lux ）;無臺燈考慮則可采用 Sa=3M/Sb=2.4M 進行 布燈（Ea v=589lux）,借以提升公共空間照度。Sa Sb表7 LED燈具安裝間距照明質(zhì)量分析表Sa （M）縱向間距 Sa （M） 橫向間距 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、燈具整體性能效益評估 借由臺灣科技大學(xué)國際大樓IB-610（100人適用）教室作為模擬環(huán)境，該空間的樓板面積為 146.64M2如圖10所示，在不 考慮黑板燈的條件下共安裝18盞燈具，具安裝間距采用Sa=3.6M/Sb=2.4M排列，并設(shè)定照明質(zhì)量

16、觀察面，借此評估 大面積布燈的照明質(zhì)量。9.4M 15.6M 12M 3.6M 2.4M針對工作面的高度觀察其照明質(zhì)量，整體效能如表8所示。其中LED 燈具為 541LUX （均勻度 0.697/用電密度 7.37W/M2）、T5燈具為 695LUX （均勻度 0.581/用電密度 11.08W/M2）、T8燈具為 769LUX （均勻度 0.592/用電密度 14.73W/M2 ）.就一般辦公室或教室照明而言，其照度規(guī)范大 多訂定為500LUX,就上述三者數(shù)據(jù)皆符合其照度水平，然而照明均勻度與單位用電密度卻有大幅差異，就相同燈具數(shù)量 的條件下，T8燈具的耗電量將較 LED燈具多由1倍。表8各

17、類燈具整體性能效益評估表 照明品質(zhì)參數(shù) LED T-BAR燈具 市售T5燈具 市售T8燈具 觀察面總評估 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單位用電密 度（W/M2 ） 7.37 11.08 14.73此外，近年來空間對比均勻度（最小照度/最大照度）逐漸受到重視，就該參數(shù)加以探討， 由于LED燈具可輸由均勻配光曲線， 故可達到0.593之?dāng)?shù)值， 提供整體空間相當(dāng)舒適的照明光環(huán)境。就本文所對照的T5與T8燈具，由于其輸出配光不佳，為了追求良好的照明均勻度反而造成過度設(shè)計，往往使得空間 照度偏高，反而產(chǎn)生照明耗電量增加的情況。LED的光源特性有別于傳統(tǒng)光源，全球現(xiàn)正倡導(dǎo)環(huán)保議 題，綠色照明”的信念已成為照明產(chǎn)業(yè)共同追求之目標(biāo)，對 于LED功能性燈具的各項應(yīng)用，應(yīng)有效的利用其光束分布的 特色，使其具備更好的效能。LED燈管的發(fā)光效率已足以跟 T5與T8燈管抗衡，燈具 由光率L.O.R遠