办公室用LED高效能照明灯具的设计技术与效益评估

1、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%）与出光率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

2、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出特性，尤其注重于反射板之曲率计算，使得整体灯具可输出 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，其优点为灯具整体电

3、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咼市面上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，对于于灯具本体的应用 观念则尚待更新。绝大多数厂家所推出的产品，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L

4、ED灯管是120度单向朗伯特出光，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 应善用其单向出光之特性，大幅提升荧光灯具出光效率（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出。经设计的灯具可将LED灯管所输出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出工作面之照度，图2为其照度计算示意图，相关数学式如

5、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*cos3BE: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，其依 据灯具尺寸与色温度分类，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英吋（65公分）以下灯泡色(L-

6、EX : 26003150K) 温白色(WW-EX : 3200 3700K) 白色(W-EX : 39004500K) 64LM/WUGR 80昼白色(N-EX : 4600 5400K) 冷白色(CW-EX : 4600 5400K) 62LM/W昼光色(D-EX : 57007100K) 60LM/W灯具24英吋 （65公分）以上灯泡色(L-EX : 26003150K) 温白色(WW-EX : 3200 3700K) 白色(W-EX : 39004500K) 74LM/W昼白色(N-EX : 4600 5400K) 冷白色(CW-EX : 4600 5400K) 72LM/W昼光色（D

7、- 70LM/EX : 57007100K)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 出，使得整体灯具出光效率（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出。1、灯具设计应就其输出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出角设定为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出射角度0050100150200250300I 0 /I0理想 值11

8、.011.051.111.211.341.54光强 度均匀值1.011.031.081.061.271.44能量 值（%）14.414.715.416.618.220.72、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所示，光源安装于灯具后将区分为“直接出光”与“反射出光”两类，以前者 所输出的能量为基准，后者需考虑材质反射系数与反射后出射角度，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.

9、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 v6.0进行光学仿真，并将每只灯管设定1000000根光束输出，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，灯具出光效率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

10、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 灯市售T5灯具市售T8灯具具/、灯 具特性配光曲线初始光通量（Im）1500*3=45002550*3=76503350*3=100

11、50灯具效率L.O.R（%）91.86958有效光通量（Lm）413152795829灯具耗电量（W）16*3+10.5=58.528*3+6=9036*3+12=120整体效率（lm/w）70.658.748.61、设定软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CO度-

12、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等照度图输出方式0.8Emax 0.63Emax0.5Emax0.25Emax 0.16Emax0.1Emax3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

13、）、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（Eav=589lux

14、），借以提升公共空间照度。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/平均最小/ 最大3.634253395060.80.673.62.45123865850.750.66334963875890.780.6632.45894916810.820.722.435994277900.710.542.42.47255349120.740.594、 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

15、条件下共安装18盏灯具，其安装间距采9.4M用Sa=3.6M/Sb=2.4M排列，并设定照明质量观察面，借此评估大面积布灯的照明质量。A_3.6M12 4M12M15.6M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/M 2 ）、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/M 2）.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

16、同灯具数量的条件下，T8灯具的耗电量将较LED灯具多出1倍。表8各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）541695769最小照度（lux）377404455最大照度（lux）6389751001最小/平均照度（lux）0.6970.5810.592最小/最大照度（lux）0.5930.4140.455单位用电密度2（W/M）7.3711.0814.73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灯具可输出均匀配光曲线，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，灯具出光率 L.O.R远高于传统灯具, 其灯具设计概念已