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建築研究簡訊第97期 《專題報導》

內政部頒105年度自辦研究乙等獎-圓型LED嵌燈之照明效率及品質研究

一、研究緣起與背景

  依據經濟部能源局統計,臺灣照明年用電量約為260億度佔全國總用電之11.3%;若依建築使用分類,室內照明約佔辦公室總用電之40%,佔住宅總用電之30%,因此如何在不影響照明品質下減少用電為節能改善的重點項目之一。而發光二極體(Light Emitting Diodes, LEDs)光源具有諸多特色,如體積小、冷發光、啟動快、無鉛汞、色飽和度高,常被廣泛應用於交通號誌、通訊、顯示、車用電子等產業,近年來隨著白光LED發光效率與演色性提升,至102年底LED晶片之光效已經達到250 lm/W以上,且製造成本持續下降,性能與價格比已與高效率型螢光燈管、安定器內藏式螢光燈泡相當,未來有機會可能成為室內照明主流產品之一。

  為瞭解LED之特性並與傳統光源比較,因此,有必要在應用面進一步解析與評估,本所乃於近年來積極進行相關研究,歷年已辦理3個自辦研究針對室內常見嵌入式(T-BAR)燈具、山型及中東型燈具產品進行探討,囿於目前圓型嵌燈仍常見於住宅、會議室、大型賣場、地下停車場等室內場所,同時也是綠建築照明節能評估之效率係數表列舉燈具之一,因此,本研究賡續圓型LED嵌燈產品探討,俾供應用參考。

二、研究內容與成果

  本研究首先蒐集國內外有關LED照明應用規範與基準等文獻資料進行歸納整理,包括我國LED標準發展概況、我國節能標章發展概況、以及美國、日本及大陸等之LED標準發展概況,其次挑選市售LED燈泡12件、安定器內藏式螢光燈泡4件、無外加玻璃罩圓型嵌燈38件、以及有外加玻璃罩圓型嵌燈32件樣本,利用本所性能實驗中心之全光束積分球及配光曲線測定儀進行相關試驗,包括能源效率、燈具效率(Di)、配光曲線、眩光指數、峰值光強度、光束角、演色性及光譜等項目,並輔以DIALux照明軟體分析210件模擬案例,以探討圓型嵌燈在不同空間之照明效率及品質,最後再與前期之資料進行系統化分析比較。研究成果摘述如下:

(一)能源效率分析部分:光源之效率比(ri)越高表示其發光效率越好,本研究試驗統計市售LED燈泡效率比為1.58,長度未達100cm LED燈管為1.44,長度100cm以上 LED燈管為1.47,各種光源效率比評析結果彙整如表1所示。

(二)光譜分佈及配光分析部分:不同公司之LED燈泡(管)可能因螢光粉塗佈或光學設計技術差異有些許不同,但基本上光譜均為二波長分布,其中晝光色系產品約在藍光區(450 nm)及黃光區(550 nm)各有一個主成分波,而暖色系產品約在藍光區(450 nm)及橙光區(609 nm或593nm)各有一個主成分波,所測LED燈泡(管)之光型均接近朗伯特(Lambertian)向下出光,垂直角120°內之光通量占整體燈泡(管)試驗值約在92%~100%之間,與傳統螢光光源約67%之數值明顯不同,故應用上,應瞭解光型特性並搭配適當的燈具,以提升各種光源產品整體之效益。

(三)燈具效率(Di)分析部分:燈具效率為燈具發出之光通量與內含光源所發出光通量比值,一般用來評判燈具轉換光學效率優劣之主要參考指標,LED燈泡(管)安裝於不同類型燈具,其燈具效率(Di)之平均數值為山型及中東型燈具(97%)>T-BAR燈具(86%)>無外加玻璃罩圓型嵌燈(80%)>有外加玻璃罩圓型嵌燈(53%)。

(四)眩光分析部分:控制眩光可以減少眼睛不舒適或避免降低視覺能力,為一項照明品質重要指標,目前CNS12112-2012建議燈具之不舒適眩光等級可以用CIE統一眩光指數(UGR)評價,本研究依能源局2013年公告實施之「室內照明燈具節能標章能效基準」之試驗條件(天花板反射係數為0.5,牆面反射係數為0.5,地面反射係數為0.2,以及室內環境模擬係數為長度4H、寬度3H(H為高度))進行量測,各類燈具安裝燈泡(管之控制眩光效果為格柵設計T-BAR燈具>有外加玻璃罩圓型嵌燈>無外加玻璃罩圓型嵌燈≒山型及中東型燈具,與所安裝之LED燈泡(管)比較,眩光指數整體平均值分別下降約3.3、2.6、1.4、1.4。

(五)燈具運轉5年總成本分析部分:以一般國中小教室為模擬情境,模擬空間尺寸長9m、寬7.2m、高度3m,室內裝修材設定為礦纖花板、白色調和漆牆面及白色釉地面磚,空間材質反射率參照「學校教室照明與節能手冊」裝修材料反射率參考表之建議,天花板、牆面及地板分別設定為69%、70%、80%,每年2,000小時點燈(每天用電8小時,年用電250天),每度流動電費以4元概算,在符合設定目標照度500 lx條件下,以安裝T5具有節能標章之T-BAR 燈具為最經濟選擇方案,各種燈具運轉5年總成本彙整如表2~表4所示。

(六)均勻度分析部分:均勻度是空間照度最小值與平均值間的比值。照度應當是漸變的,應盡可能均勻地照亮作業區,以免影響視覺舒適,各類燈具安裝LED燈泡(管)之均勻度經實驗統計結果為山型及中東型燈具>方形T-BAR燈具>有外加玻璃罩圓型嵌燈>矩形T-BAR燈具>無外加玻璃罩圓型嵌燈。

(七)既有圓型螢光嵌燈具更換LED光源分析部分:依整體試驗結果來看,無論有外加玻璃罩嵌燈或無外加玻璃罩嵌燈,以不變原燈具數量及位置調整方式,更換前後在空間照度、均勻度方面確實會有顯著差異,以LED燈泡汰換Osr 20W省電燈泡之圓型嵌燈為例,更換之LED燈泡額定功率至少要大於10W以上,才能達到原設定目標照度。

三、結語

  本研究為國內首次針對室內常見LED燈具產品,進行一系列大規模且有系統的實驗研究分析,並探討在不同空間之照明效率及光環境品質,期能提供政府據以制訂推行節能減碳相關政策,同時供業界照明設計以及消費者汰換更新節能光源產品之評估參考。

表1. 各種光源效率比

燈管長度 光源種類

光源效率(lm/W)

效率比ri

光源圖示

長度達100cm以上

一般型(註1) 70~84 1.20
節能標章燈管(註1) 90~ 1.50
LED燈管(註2) 70~110 1.47

長度未達100cm

一般型(註1) 50~69 1.00
節能標章燈管(註1) 81~ 1.35
LED燈管(註2) 70~110 1.44
鹵素燈泡(註1) 18~20 0.30

球型安定器內藏式螢光燈泡(1)

(附玻璃罩緊湊型螢光燈)

30~50 0.65

螺旋型安定器內藏式螢光燈泡(1)

(螺旋式緊湊型螢光燈)

55~60 0.90
LED燈泡(註2) 80~110 1.58

註1:2012版綠建築解說與評估手冊

註2:本研究試驗所得數據

 

表2.  圓型嵌燈運轉5年總成本

燈具名稱

外加玻璃罩

直徑尺寸(cm)

使用光源

運轉5年總成本

平均值(元)

最佳方案
試驗燈具(A) 15 LED 38,893
省電燈泡 55,640  
試驗燈具(B) 12 LED 39,597  
省電燈泡 58,082  
試驗燈具(C) 8 LED 57,955  
省電燈泡 91,174  
試驗燈具(D) 15 LED 64,751  
省電燈泡 86,670  
試驗燈具(E) 12 LED 59,640  
省電燈泡 84,044  

註1:試驗燈具(A)、(B)、(C)、(D)及(E)為圓型嵌燈

註2:標註”*”為圓型嵌燈最經濟之選擇方案

 

表3.  T-BAR 燈具運轉5年總成本

燈具名稱

燈具尺寸

使用光源

燈管數量

運轉5年總成本

平均值(元)

節能標章

最佳方案

試驗燈具(a) 120cm*30cm LED 2 48,408 -  
T5 2 43,960 -  
試驗燈具(b) 120cm*60cm LED 3 52,472 -  
T5 3 37,376  
試驗燈具(c) 120cm*60cm LED 2 48,591 -  
一般型T8 2 41,580 -  
試驗燈具(d) 60cm*60cm LED 4 59,291 -  
T5 4 32,768 **
一般型T8 4 59,850 -  

註1:試驗燈具(a)、(b)、(c)及(d)為T-BAR 燈具

註2:標註”**”為T-BAR燈具及本研究最經濟之選擇方案

 

表4.  中東及山型燈具運轉5年總成本

燈具名稱

燈具種類

燈具尺寸

使用光源

燈管數量

運轉5年總成本

平均值(元)

最佳方案
試驗燈具(1) 中東 60cm*6cm LED 1 60,083  
一般型T8 1 61,950  
三波長T8 1 56,994  
T5 1 73,125  
試驗燈具(2) 山型 60cm*12cm LED 1 62,483  
一般型T8 1 63,388  
三波長T8 1 58,476  
T5 1 71,595  
試驗燈具(3) 山型 60cm*16cm LED 2 58,419  
一般型T8 2 68,661  
三波長T8 2 55,340  
T5 2 58,392  
試驗燈具(4) 中東 120cm*6cm LED 1 47,080  
一般型T8 1 45,300  
三波長T8 1 38,288  
T5 1 52,437  
試驗燈具(5) 山型 120cm*12cm LED 1 48,827  
一般型T8 1 44,500  
三波長T8 1 37,712
T5 1 48,940  

試驗燈具(6)

山型 120cm*16cm LED 2 43,629  
一般型T8 2 51,972  
三波長T8 2 41,427  
T5 2 38,290  

註1:試驗燈具(1)、(2)、(3)、(4)、(5)及(6)為中東及山型燈具

註2:標註” ◎”為中東及山型燈具最經濟之選擇方案