DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING WHITE PAPER INLEIDING Tijdens de levensduur van een verlichtingsinstallatie vermindert de hoeveelheid licht op het werkvlak door vervuiling en veroudering van de installatie en de ruimte. Om deze vermindering mee in rekening te brengen werd de zogenoemde behoudfactor (ook wel onderhoudsfactor of depreciatiefactor ) in het leven geroepen. Voor fluorescentieverlichting worden doorgaans waarden toegepast die gebaseerd zijn op onafhankelijke studies, zoals CIE97 en TNO (TNO 2004- GGI-R027). Deze waarden zijn grotendeels onafhankelijk van de nuttige levensduur van een verlichtingsinstallatie (d.i. de periode waarover een installatie effectief gebruikt wordt). Voor ledverlichting bestaan er voor de bepaling van een correcte behoudfactor nog weinig studies en ook geen marktconsensus. Er wordt nog vaak gewerkt met dezelfde behoudfactor als voor fluorescentieverlichting, wat na verloop van tijd nefaste gevolgen kan hebben voor uw ledinstallatie, aangezien de nuttige levensduur hier wel een cruciale factor speelt. In dit artikel behandelen we het onderscheid tussen de behoudfactor voor fluorescentie- en ledverlichting. De behoudfactor voor fluorescentieverlichting wordt eerst aangehaald, om vervolgens de verschilpunten met ledverlichting te benadrukken. www.etaplighting.com
Behoudfactor Fluorescentieverlichting Ledverlichting Besluit Behoudfactor De norm EN12464-1 bepaalt de vereiste verlichtingssterkte. Dit is het minimale verlichtingsniveau dat moet gewaarborgd worden, onafhankelijk van het aantal branduren en de levensduur van de installatie. Tijdens deze levensduur zal de hoeveelheid licht op het werkvlak verminderen. Dit kan het gevolg zijn van afnemende lichtstroom van lichtbronnen, defecte lichtbronnen, vervuiling van armaturen of vervuiling van het lokaal. Voor berekeningen van het verlichtingsontwerp moet er daarom een overschot voorzien worden, en om deze te berekenen werd de behoudfactor of onderhoudsfactor ingevoerd. (CIE 97). Deze behoudfactor (MF) is een reductiefactor die bij de dimensionering van de installatie gecombineerd wordt met de initiële verlichtingssterkte (E i ) om de vereiste verlichtingssterkte (E m ) te verkrijgen: E m = E i x MF (CIE 97) Vb: 500lx = 625lx x 80% LLMF: (1) Om de vereiste verlichtingssterkte van 500lx te handhaven,dient men een initiële verlichtingssterkte van 625lx te installeren. EN12464-1 vermeldt dat bij de bepaling van de behoudfactor rekening gehouden moet worden met volgende factoren: Vermindering van de lichtstroom van de lamp (1) Frequentie van de defecten aan de lampen zonder onmiddellijke vervanging (2) Vermindering van het rendement van de armaturen door vervuiling (3) Vervuiling van de ruimte (4) LSF: (2) LMF: (3) RSMF: (4) 2 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper Deze vier parameters zitten in de definitie van de behoudfactor vervat onder de vorm van vier vermenigvuldigingsfactoren: MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF (CIE97) Waarbij: LLMF: LSF: LMF: RSMF: behoudfactor van de lichtstroom van de lichtbron (Lamp Lumen Maintenance Factor) houdt rekening met levensduur van de lamp zonder onmiddellijke vervanging (Lamp Survival Factor behoudfactor van het armatuur (Luminaire's Maintenance Factor) behoudfactor van de wanden van de ruimte (Room Surface Maintenance Factor) Documenteren van de behoudfactor EN12464-1 schrijft voor dat diegene die de verlichtingsstudie maakt, melding moet maken van de veronderstellingen (betreffende zowel de lichtterugval van de lampen als vervuiling van de armaturen en ruimte ) die hij gemaakt heeft om een bepaalde behoudfactor te nemen. Die veronderstellingen moeten in de studie opgenomen worden. Het gevaar bestaat immers dat bij berekeningen verkeerde vergelijkingen tussen fabrikanten gemaakt worden door verschil in aannames betreffende de behoudfactor. www.etaplighting.com 3
Behoudfactor Fluorescentieverlichting Ledverlichting Besluit Fluorescentieverlichting Voor Fluorescentieverlichting wordt er gebruik gemaakt van onafhankelijke studies (zoals CIE97 en TNO2004-GGI-R027) in combinatie met vele jaren ervaring voor het bepalen en berekenen van de behoudfactor. LLMF voor fluorescentieverlichting LLMF is de relatieve lichtopbrengst gedurende de levensduur van een brandende lamp ten opzichte van zijn initiële lichtopbrengst. De LLMF wordt opgegeven door de fabrikant en is uitgedrukt in functie van het aantal branduren. De LLMF in lichtstudies is afhankelijk van de vervangingscyclus van de lampen; de LLMF is de waarde tot aan de vervanging van de lamp. Daaruit volgt zal ook de totale behoudfactor (MF) afhankelijk zijn van de vervangingscyclus van de lampen en niet van de nuttige levensduur van een lichtinstallatie. Een typische waarde die gebruikt wordt voor LLMF van een fluorescentieverlichting is 90%. Figuur 1: voorbeeldgrafiek LLMF voor fluorescentieverlichting 4 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper LSF voor fluorescentieverlichting LSF is de waarschijnlijkheid dat de lampen blijven branden gedurende een bepaalde tijd. In het TNO2004-GGI-R027 rapport wordt er onderscheid gemaakt tussen 2 verschillende lampvervangingsschema s: o alle lampen worden gelijktijdig vervangen bij een gedefinieerde o gemiddelde lichtterugval van de lampen individuele vervanging in combinatie met groepsvervanging: indien er een defecte lamp is voor het tijdstip van de groepsvervanging, wordt deze onmiddellijk vervangen In het geval van een individuele vervanging in combinatie met groepsvervanging kan men rekenen met LSF=1 LMF voor fluorescentieverlichting LMF is de relatieve lichtopbrengst van het armatuur door vuilafzetting op de lamp en op (of in) het armatuur over een bepaalde periode. Afhankelijk van de toepassing en frequentie van onderhoud wordt een specifieke waarde toegepast. Zowel het CIE97 als het TNO rapport geeft hiervoor voorbeeldwaarden op in tabelvorm. RSMF voor fluorescentieverlichting De verhouding tussen het reflectievermogen van de vlakken in de ruimte op een bepaald tijdstip en hun oorspronkelijke reflectievermogen. Naast het onderhoudsinterval en het toepassingsgebied spelen de reflectiewaarden van de verschillende oppervlaktes eveneens een rol in de bepaling van de RSMF. Zowel het CIE97 als het TNO rapport geeft hiervoor voorbeeldwaarden op in tabelvorm. www.etaplighting.com 5
Behoudfactor Fluorescentieverlichting Ledverlichting Besluit Ledverlichting Voor ledverlichting vraagt het bepalen en onderbouwen van de behoudfactor meer zorg. Het bepalen van de vervuilingsgraad voor het armatuur (LMF) en de ruimte (RSMF) verloopt analoog aan deze voor fluorescentieverlichting, maar vooral de terugval van de lichtstroom van de lichtbron (LLMF) vereist een specifieke aanpak. Gezien de lange levensduur van leds worden de meeste ledarmaturen gebruikt zonder dat er één lamp-, of in dit geval ledvervanging aan te pas komt tijdens de nuttige levensduur van het armatuur. In tegenstelling tot fluorescentieverlichting zal de LLMF, en bijgevolg ook de behoudfactor, hier afhankelijk zijn van de nuttige levensduur van het armatuur. Voor de behoudfactor in lichtberekeningen met ledarmaturen, moet daarom wél duidelijk aangegeven worden met welke nuttige levensduur gerekend werd. Deze parameter is van cruciaal belang in de bepaling van het initieel geïnstalleerd lichtniveau en het aantal geïnstalleerde armaturen, opdat het nodige lichtniveau op het einde van de nuttige levenduur nog gegarandeerd kan worden. Een berekening met een nuttige levensduur van 20.000 u zal dus een ander resultaat geven dan een berekening met een nuttige levensduur van 50.000 u. In tegenstelling tot fluorescentieverlichting kan er dus voor ledverlichting niet gewerkt worden met één standaard behoudfactor, onafhankelijk van de levensduur van de installatie. Figuur 2: LLMF van ledarmaturen in vergelijking met fluorescentieverlichting 6 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper LLMF voor ledverlichting In het geval van ledverlichting kan de lichtbron niet meer onafhankelijk van het armatuur beschouwd worden. De producent van het ledarmatuur kiest het merk en het type led. De performantie, de levensduur en het behoud van de lichtstroom (LLMF) worden bepaald door de combinatie van de keuze van leds (fabrikant en type Low /Medium/High Power) en het ontwerp van het ledarmatuur. De combinatie van deze twee parameters is uniek voor elk armatuur. 1. Keuze van leds (package design & materialen) Om valabele waarden te kunnen publiceren betreffende de levensduur en de LLMF van ledarmatuur, kiest ETAP uitsluitend voor fabrikanten die de nodige data kunnen bezorgen die toelaat de levensduur en het lumenbehoud van de gebruikte leds in een specifiek armatuur te bepalen. De gevraagde data moet worden opgesteld met behulp van 2 wereldwijd aanvaarde meetmethodes: de LM80 en de TM21. 2. Thermisch ontwerp Warmte heeft een negatieve invloed op de werking van leds. Een goed thermisch management is noodzakelijk om de junctietemperatuur( Tj) aan de leds niet te laten oplopen. Een hoge temperatuur heeft namelijk nefaste gevolgen voor de performantie van de leds en bijhorende armaturen en kan kleurverschuivingen veroorzaken. ETAP bekomt een lage junctietemperatuur door gebruik te maken van een zeer lage stroom voor de aansturing van de leds in combinatie met een doorgedreven thermisch ontwerp. www.etaplighting.com 7
De junctietemperatuur wordt niet rechtstreeks gemeten, maar kan worden afgeleid uit volgende vergelijking : T J = T SP + ( [R th j-sp ] x [V F ] x [I F ] ) T SP : temperatuur soldeerpunt [R th j-sp ] : thermische weerstand tussen de ledjunctie en het soldeerpunt van de led V F : voorwaartse spanning I F : voorwaartse stroom Figuur 3: ledcomponent De specifieke junctietemperatuur samen met de LM-80/TM-21 resulteert in een representatieve curve voor de LLMF van elk type armatuur. (curve volgens Weibull-verdeling). Figuur 4: LLMF-curve van een U7-armatuur met Cree XPG leds, Ta=25 C 8 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper LSF voor ledverlichting Als de effectieve uitval van leds tijdens de nuttige levensduur kleiner is dan 0,5% en deze uitval niet gecorreleerd is, kan de LSF =1 worden beschouwd. De invloed van een defecte led is afhankelijk van het elektrische ontwerp. Indien de leds in serie worden geschakeld, en we ervan uit gang dat een defecte led resulteert in een kortsluiting (wat bij led in de praktijk het geval blijkt in 99% van de gevallen) zal een defecte led geen invloed hebben op de werking van de andere leds. Voor andere topologieën (bv. meerdere parallele kringen) geldt dit echter niet meer. De meest kritische component in een ledarmatuur is de driver. In de meeste gevallen wordt er rekening gehouden met een individuele lampvervanging voor de driver, zodat deze geen invloed heeft op de LSF. Kort ledcircuit in serie geschakeld Stroom blijft ongewijzigd Geen versnelde veroudering van de andere leds 1 Defect Kort ledcircuit parallel geschakeld Geen gelijkmatige stroom meer Versnelde veroudering van de andere leds 1 Defect LMF voor ledverlichting Onderhoudsfactor van het armatuur : deze kan op dezelfde manier bepaald worden als voor fluorescentieverlichting. De LMF waarde die we gebruiken in annex 1 = 95%. Deze waarde is gebaseerd op onafhankelijke studies (CIE97, TNO2004-GGI-R027) in combinatie met eigen ervaring en metingen. www.etaplighting.com 9
RSMF voor ledverlichting Onderhoudsfactor van de ruimte: deze kan op dezelfde manier bepaald worden als voor fluorescentieverlichting. De RSMF waarden die we gebruiken in bijlage 1 zijn verschillend voor kantoor- of industrie-toepassing; kantoor RSMF = 94% ; propere omgeving en met schoonmaak interval van 3 jaar en reflectiewaarden van 70/50/20. industrie RSMF = 89% ; normale omgeving en schoonmaak interval van 3 jaar en reflectiewaarden van 50/30/10 Deze waarden zijn onafhankelijk van het type verlichting, fluorescentie of led, en zijn gebaseerd op de onafhankelijke studies (CIE97, TNO2004-GGI-R027) in combinatie met eigen ervaring. 10 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper Behoudfactor Fluorescentieverlichting Ledverlichting Besluit Besluit In tegenstelling tot fluorescentieverlichting kan er voor ledverlichting niet gewerkt worden met één standaard behoudfactor. Voor ledverlichting kan de lichtbron niet meer onafhankelijk van het armatuur beschouwd worden. De performantie, de levensduur en het behoud van de lichtstroom (LLMF) worden bepaald door de combinatie van de keuze van leds en het thermisch ontwerp van het ledarmatuur. De combinatie van deze twee parameters is uniek voor elk armatuur. Om een valabele vergelijking te maken tussen verschillende ledarmaturen in een lichtstudie, moet je rekenen met hun specifieke behoudfactor. Het verschil in behoudfactor is te wijten aan hun eigen LLMF, aangezien de andere parameters (vervuiling van armatuur en ruimte) gelijk blijven voor verschillende armaturen in eenzelfde project. De verwachte nuttige levensduur is een cruciale factor bij de bepaling van de behoudfactor (MF) en moet daarom vermeld worden in lichtstudies met ledarmaturen. www.etaplighting.com 11
Terminologie EN12464-1: is een Europese toepassingsnorm voor verlichting. De oorspronkelijke norm werd geschreven door Werkgroep 2 van het Technisch Comité TC169 van het Europese Normeringsinstituut CEN. CIE 97: Guide on the maintenance of indoor electric lighting systems LM-80-08: IES (illuminating Engineering Society) goedgekeurde methode voor het meten van het lumen behoud van ledlichtbronnen met representatieve metingen om de 1000 uur en dit gedurende een periode van minimaal 6000 uur. Het richt zich op het meten van het lumen behoud voor ledlichtbronnen waaronder LED-packages, arrays en modules. Het maakt geen richtlijnen of aanbevelingen met betrekking tot voorspellingen of extrapolaties voor lumenbehoud buiten de grenzen van het lumenbehoud bepaald op basis van werkelijke metingen. TM-21-11: IES-document dat een methode aanbeveelt voor het projecteren van lumenbehoud van ledlichtbronnen uit de gegevens verkregen door de procedures zoals die in IES document LM-80-08 goedgekeurde methode voor het meten van lumenbehoud van ledlichtbronnen. TNO report: 2004-GGI-R027, Determination of the Maintenance Factor for EN12464. Verslag opgesteld door TNO, Building and Construction Research, op aanvraag van ETAP, Philips, Osram en Zumtobel Junctietemperatuur: de hoogste temperatuur van de daadwerkelijke halfgeleider in een elektronisch apparatuur. de temperatuur van het PN overgangsgebied in de led. 12 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING
White paper Bijlage 1: Behoudfactoren van ETAP-armaturen (status Februari 2013) U vindt de laatste versie van deze tabel terug op www.etaplighting.com www.etaplighting.com 13
Dit document werd door ETAP met de grootste zorg samengesteld. De gegevens in deze publicatie zijn echter niet bindend en kunnen wijzigen ten gevolge van technische evolutie. ETAP aanvaardt geen aansprakelijkheid voor schade, van welke aard dan ook, welke voort zou vloeien uit het gebruik van dit document. Februari 2013 2013, ETAP NV ETAP NV Antwerpsesteenweg 130 B-2390 Malle Tel. +32 (0)3 310 02 11 Fax +32 (0)3 311 61 42 e-mail: info.be@etaplighting.com www.etaplighting.com 14 DE BEHOUDFACTOR VOOR LEDVERLICHTING