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气特性与发光效率较佳，但初期投资成本较高。

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LED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*cos3θ
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，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
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：
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(93.75LM/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 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。

1、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
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。

表7 LED灯具安装间距照明质量分析表
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，其安装间距采用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。

9.4M
12M
15.6M
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/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灯具多出1倍。

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出之窄角配光。

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。