DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

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1 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG Weißbuch Einführung Während der Lebensdauer einer Beleuchtungsanlage reduziert sich die Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche sukzessive. Ursache dafür ist die Alterung der Lichtquelle (LED) sowie die Verschmutzung der Leuchten und der Raumflächen. Um diesen Rückgang bei der Planung einer Beleuchtungsanlage entsprechend zu berücksichtigen, hat man den sogenannten Wartungsfaktor geschaffen. Für Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen verwendet man in der Praxis die entsprechenden Werte auf der Grundlage unabhängiger Studien wie CIE97 und TNO (TNO 2004-GGI-R027). Diese Werte sind im Wesentlichen unabhängig von der Nutzungsdauer der Beleuchtungsanlage (also dem Zeitraum, in denen eine Anlage effektiv genutzt wird). Für LED-Beleuchtung gibt es nur wenige Untersuchungen zur Ermittlung des korrekten Wartungsfaktors und daher auch kein einheitliches Vorgehen am Markt. Als Ergebnis wird bei LED-Leuchten häufig der gleiche Wartungsfaktor verwendet, wie bei Leuchten mit Leuchtstoff- Lampen. Durch die deutlich längere Lebensdauer von LED Leuchtmitteln kann sich dies jedoch bei Lichtberechnungen mit LEDs fälschlicherweise negativ auf das Ergebnis auswirken, da bei LEDs die lange Nutzungsdauer entscheidend ist. In diesem Weißbuch verdeutlichen wir die Differenzen beim Wartungsfaktor zwischen Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen und Leuchten mit LEDs. Dabei beschäftigen wir uns zuerst mit dem Wartungsfaktor für Leuchtstoff-Lampen, und zeigen anschließend die Unterschiede zur LED-Beleuchtung auf.

2 Wartungsfaktor Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen Leuchten mit LEDs Zusammenfassung Wartungsfaktor Die EN definiert die erforderliche Lichtstärke für die jeweiligen Anwendungen. Dies ist die minimale Beleuchtungsstärke, die die Beleuchtungsanlage unabhängig von der Anzahl der Brennstunden und der nutzbaren Lebensdauer leisten muss. Während dieser nutzbaren Lebensdauer wird sich die Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz durch den Rückgang des Lichtstroms der Lichtquellen, defekte Lichtquellen und Verschmutzung von Leuchten und des Raumes reduzieren. Deshalb muss der sogenannte Neuwert der Anlage diesen Lichtstrom-Rückgang berücksichtigen. Um diesen Überschuss in die Lichtberechnungen mit einzubeziehen, wurde der Wartungsfaktor eingeführt (CIE 97). Dieser Wartungsfaktor (Maintenance Factor = MF) ist ein Reduktionsfaktor, der bei der Dimensionierung der Beleuchtungsanlage mit der anfänglichen Beleuchtungsstärke (E i ) multipliziert wird, um die erforderliche Lichtstärke (E m ) zu ermitteln: LLMF: (1) E m = E i x MF (CIE 97) z. B.: 500lx = 625lx x 80% Um die erforderliche Beleuchtungsstärke von 500lx einzuhalten muss eine Beleuchtungsanlage mit einem Neuwert von 625lx installiert werden. LSF: (2) EN schreibt vor, dass bei der Bestimmung des Wartungsfaktors folgende Faktoren berücksichtigt werden müssen: Rückgang des Lampen-Lichtstroms (1) Häufigkeit des Lampen-Ausfalls ohne sofortigen Ersatz (2) Lichtstrom-Rückgang durch Verschmutzung der Leuchte (3) Raum-Verschmutzung (4) LMF: (3) RSMF: (4) 4 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

3 White paper Diese vier Parameter werden als Multiplikatoren bei der Ermittlung des Wartungsfaktors berücksichtigt: MF = LLMF x LSF x LMF x RSMF (CIE97) Dabei stehen die Abkürzungen für: LLMF: LSF: LMF: RSMF: Lampen-Lichtstrom-Rückgang Einfluss der Lampen-Lebensdauer (Nutzungsdauer der Lampe ohne sofortigen Austausch) Einfluss der Verschmutzung auf die Leuchte Einfluss der Verschmutzung auf den Raum (Reduzierung der Reflektionsgrade von Wänden, Decke und Boden) Dokumentation des Wartungsfaktors EN schreibt vor, dass bei einer Lichtberechnung die Annahmen, die zur Ermittlung des Wartungsfaktors geführt haben (sowohl in Bezug auf die Reduzierung des Lampen-Lichtstroms, wie auch der Verschmutzung von Leuchten und Raum) offen gelegt, und in der Berechnung genannt werden müssen. Dies dient unter anderem dazu, zu verhindern, dass bei vergleichenden Lichtberechnungen mit unterschiedlicher Leuchten oder Hersteller Fehler durch unterschiedliche Annahmen bei den Wartungsfaktoren entstehen. 5

4 Wartungsfaktor Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen Leuchten mit LEDs Zusammenfassung Beleuchtung mit Leuchtstoff-Lampen Bei der Beleuchtung mit Leuchtstoff-Lampen werden unabhängige Untersuchungen (wie CIE97 und TNO2004-GGI-R027), zusammen mit langjähriger Erfahrung eingesetzt, um den richtigen Wartungsfaktor zu ermitteln. LLMF für Leuchtstoff-Lampen Durch Alterung nimmt der Lampen-Lichtstrom im Verlauf der Brenndauer sukzessive ab. Der LLMF (= Rückgang des Lampen- Lichtstroms) ist das Verhältnis des Lampen-Lichtstroms während der nutzbaren Lebensdauer einer Lampe zur Ausgangsleistung am Beginn der Nutzungsdauer. Die entsprechenden Werte werden den Lampen-Herstellern ermittelt und in Abhängigkeit der geleisteten Brennstunden bereitgestellt. Die LLMF in einer Lichtberechnung hängt vom Austausch-Zyklus der Lampen ab. Der LLMF, der dabei verwendet wird, ist der Wert bis zum geplanten Lampenwechsel. Als Ergebnis hängt der gesamte Wartungsfaktor (MF) damit hauptsächlich vom Ersatz-Zyklus der Lampen, und nicht so sehr von der Nutzungsdauer der Leuchte ab. Abb. 1: LLMF Grafik am Beispiel einer T5 Leuchtstoff-Lampe 6 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

5 White paper LSF für Leuchtstoff-Lampen Alle Lampen einer Beleuchtungsanlage leben unterschiedlich lang. Dies wird durch den LSF ausgedrückt. Der LSF ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte (relative) Menge der Leuchtmittel nach einer bestimmten Zeit noch funktionieren. In dem TNO-Bericht TNO2004-GGI-R027 werden zwei verschiedene Arten von Lampenwechseln unterschieden: o Gruppen-Ersatz: alle Lampen werden gleichzeitig ausgetauscht, sobald sie einen vorher definierten, reduzierten durchschnittlichen Lampen-Lichtstrom erreicht haben o Kombinierter Gruppen- und Einzel-Ersatz: ist eine Lampe defekt, bevor der geplante Gruppen-Ersatz fällig ist, so wird sie sofort ausgetauscht Bei kombiniertem Gruppen- und Einzel-Ersatz kann der LSF = 1 verwendet werden, da alle Lampen immer funktionieren. LMF für Leuchtstoff-Lampen Der Lichtstrom der Lampe und das Reflektionsvermögen der Leuchte werden mit der Zeit durch Verschmutzung reduziert. Der LMF beziffert den, durch Schmutz-Ablagerung auf der Lampe und/oder auf der Leuchte, reduzierten, relativen Lichtstrom einer Leuchte über einen bestimmten Zeitraum. Je nach Einsatzbereich der Leuchte (z. B. Büro oder Industrie) und Wartungsfrequenz wird ein entsprechender Wert festgelegt. Beide, CIE97 und TNO-Bericht, liefern hierfür Beispiel- Werte in tabellarischer Form. RSMF für Leuchtstoff-Lampen Auch der Raum (Decke, Wände, Boden) und die Einrichtungsgegenstände verschmutzen im Laufe der Zeit und reflektieren dadurch weniger Licht; die indirekte Reflektion wird also reduziert. Der RSMF(=Raum-Wartungsfaktor) ist das Verhältnis des, durch Schmutz-Ablagerungen auf den Flächen im Raum, reduzierten Raum-Wirkungsgrades zum ursprünglichen Wirkungsgrad. Neben dem Wartungsintervall und dem Verschmutzungsgrad der Raumluft, spielen die Reflexionswerte der verschiedenen Flächen bei der Bestimmung des RSMF eine entscheidende Rolle. Hierfür bieten sowohl die CIE97, wie auch der TNO-Bericht Beispielwerte in tabellarischer Form. 7

6 Wartungsfaktor Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen Leuchten mit LEDs Zusammenfassung Leuchten mit LEDs Bei LED-Beleuchtung erfordert die Bestimmung und Untermauerung des Wartungsfaktors deutlich mehr Überlegungen. Die Bestimmung des Grades der Verschmutzung der Leuchte (LMF) und des Raumes (RSM) ist analog zu der von Leuchtstofflampen. Allerdings erfordert die reduzierte Lampen- Lichtstrom (LLMF) einen völlig anderen Ansatz. Durch die lange Lebensdauer von LEDs, kommen die meisten LED-Leuchten während ihrer nutzbaren Lebensdauer ohne einen Lampen-Ersatz - oder in diesem Fall LED Ersatz - aus. Im Gegensatz zu Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen, hängt der LLMF bei LED-Leuchten, und folglich auch der Wartungsfaktor, von der Nutzungsdauer der Leuchte ab. Für die Verwendung des Wartungsfaktors in Lichtberechnungen ist es deshalb unerlässlich anzugeben, welche nutzbare Lebensdauer der LED- Leuchte zugrunde gelegt wurde. Dieser Parameter ist letztendlich von entscheidender Bedeutung für die Bestimmung des Neuwertes der Beleuchtungsstärke und damit auch für die erforderliche Anzahl der zu installierenden Leuchten. Nur so kann die erforderliche Mindest- Beleuchtungsstärke am Ende der Lebensdauer gewährleistet werden. Eine Berechnung mit einer Nutzungsdauer von Stunden wird daher ein völlig anderes Ergebnis zeigen, als eine Berechnung mit einer Nutzungsdauer von Stunden. Im Gegensatz zu Leuchtstoff-Lampen kann deshalb für LED-Beleuchtung nicht mit einem einzelnen Standard- Wartungsfaktor, der unabhängig von der Lebensdauer der Installation ist, gearbeitet werden. Abb. 2: LLMF für LED Beleuchtung im Vergleich zu Leuchtstoff-Lampen 8 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

7 White paper LLMF für LED Beleuchtung Bei der LED-Beleuchtung kann die Lichtquelle nicht mehr unabhängig von der Leuchte gesehen werden. Der Hersteller der LED-Leuchte wählt die Marke und Typ der LED. Leistung, Lebensdauer und Wartung der Lichtstroms (LLMF) werden durch die Kombination aus LED (Hersteller und Typ: Low / Medium / High Power) und Design der LED-Leuchte bestimmt. Die Kombination dieser beiden Parameter ist einzigartig für jede Leuchte. 1. Auswahl der LEDs Um wirklich valide Werte für Lebensdauer und LLMF von LED- Leuchten (siehe Anhang 1) veröffentlichen zu können, arbeitet ETAP ausschließlich mit Herstellern zusammen, die die notwendigen Daten bereit stellen, um Lebensdauer und Erhaltung des Lichtstroms der verwendeten LEDs in einer bestimmten Leuchte definieren zu können. Dabei müssen die erforderlichen Daten mit Hilfe von zwei weltweit anerkannten Messmethoden ermittelt worden sein: die LM80 und die TM21: 2. Thermisches Design Wärme hat einen negativen Einfluss auf den Betrieb der LEDs. Gutes Wärme-Management ist erforderlich, um zu verhindern, dass die Sperrschicht-Temperatur (Tj) der LEDs steigt. Hohe Temperaturen wirken sich auch negativ auf die Leistung der LEDs und der betreffenden Leuchten aus und kann zu Farbverschiebungen führen. ETAP erreicht niedrige Sperrschicht-Temperaturen durch eine Kombination aus sehr geringer Leistungsaufnahme der LEDs und modernstem thermischen Design. 9

8 Die Sperrschicht-Temperatur kann zwar nicht direkt gemessen werden, lässt sich jedoch durch die folgende Formel ermitteln: T J = T SP + ( [R th j-sp ] x [V F ] x [I F ] ) T SP : Arbeitstemperatur am Löt-Kontakt [R th j-sp ] : thermischer Widerstand zwischen Sperrschicht und dem Löt-Kontakt der LED. V F : Vorwärtsspannung I F : Vorwärtsstrom Abb. 3: Komponenten einer LED Die spezifische Sperrschicht-Temperatur ergibt zusammen mit dem LM- 80/TM-21 Daten eine repräsentative Kurve des LLMF für jeden Typ von Leuchte (Kurve gemäß Weibull-Verteilung). Abb. 4: LLMF-Kurve einer U7 Leuchte mit Cree XPG LEDs, Ta=25 C (Umgebungstemperatur) 10 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

9 White paper LSF für LED Beleuchtung Wenn die effektive Fehlerrate von LEDs während ihrer Nutzungsdauer weniger als 0,5% beträgt, und Defekte nicht miteinander in Zusammenhang stehen, kann der LSF = 1 verwendet werden. Der Einfluss einer defekten LED hängt von der Art der elektrischen Schaltung ab. Sind die LEDs in Reihe geschaltet sind und wir nehmen an, dass die defekte LED einen Kurzschluss hatte (dies ist bei LEDs in Praxis bei 99% die Fehlerursache), dann hat diese defekte LED keine Auswirkungen auf den Betrieb der verbleibenden LEDs. Für andere Schaltungen (z. B. mehrere parallele Stränge) gilt dies jedoch nicht. Die problematischste Komponente in einer LED-Leuchte ist der Driver. In den meisten Fällen geht man hier von einem Einzel-Ersatz des Treibers aus, so dass dies keinen Einfluss auf den LSF hat. Kurzschluss einer LED in Reihenschaltung Strom bleibt gleich Kein beschleunigtes Altern der anderen LEDs 1 Defekt Kurzschluss einer LED in Reihenschaltung Strom ist nicht mehr ausgeglichen Beschleunigtes Altern der anderen LEDs 1 Defekt LMF für LED Beleuchtung Der Wartungsfaktor der Leuchte kann in der gleichen Weise wie für Leuchtstoff-Lampen bestimmt werden. RSMF für LED Beleuchtung Der Raumwartungsfaktor kann in der gleichen Weise wie für Leuchtstofflampen bestimmt werden. 11

10 Wartungsfaktor Leuchten mit Leuchtstofflampen Leuchten mit LEDs Zusammenfassung Zusammenfassung Im Gegensatz zu Leuchtstoff-Lampen, kann bei LED-Beleuchtung kein einheitlicher Standard-Wartungsfaktor verwendet werden. Bei LED-Beleuchtung müssen die Lichtquelle und die Leuchte immer zusammen betrachtet werden. Leistung, Lebensdauer und der Rückgang des Lichtstroms (LLMF) der Leuchte werden durch beides, die Wahl der LEDs und die thermischen Konstruktion der LED- Leuchte, bestimmt. Die Kombination dieser beiden Parameter ist einzigartig für jede Leuchte. Zum korrekten Vergleich zwischen verschiedenen Arten von LED- Leuchten in einer Beleuchtungsberechnung müssen Sie ihren spezifischen Wartungsfaktor ermitteln. Der Unterschied beim Wartungsfaktor ist fast ausschließlich auf den jeweiligen LLMF zurück zu führen, da die anderen Parameter (Verschmutzung von Leuchte und Raum) für alle Leuchten in dem Projekt gleich sind. Die erwartete Nutzungsdauer ist ein kritischer Parameter, um den Wartungsfaktor zu bestimmen und muss deshalb auch zwingend in Lichtberechnungen von LED-Leuchten mit aufgenommen werden. 12 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

11 White paper Terminologie EN : Europäische Norm für die Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen. Diese Norm wurde von Arbeitsgruppe 2 des Technischen Komitees (TC) 169 des Europäischen Komitees für Normung (CEN) erstellt. CIE 97: Leitfaden zur Wartung von elektrischen Beleuchtungsanlagen im Innenraum LM-80-08: IES (Illuminating Engineering Society) anerkannte Methode zur Messung des Lichtstrom-Rückgangs bei LED- Lichtquellen mit repräsentativen Messungen alle Stunden und das über einen Zeitraum von mindestens Stunden. Sie umfasst ausschließlich die Messung des Lampen-Lichtstrom-Rückgangs für LED-Lichtquellen inklusive LED-Packages, Arrays und Module. Sie ist begrenzt auf die Messung von tatsächlichen Lichtstrom- Rückgängen und gibt keine Anleitungen oder Empfehlungen zur Schätzungen oder Hochrechnung von Lichtstrom-Rückgängen. TM-21-11: Dieses IES Dokument empfiehlt eine Methode zur Hochrechnung des Lichtstrom-Wartungsfaktors bei LED-Lichtquellen auf der Basis von Daten, die durch Messungen nach der im IES- Dokument LM anerkannten Methode zur Messung des Lichtstrom-Rückgangs bei LED-Lichtquellen ermittelt wurden. TNO-Bericht: 2004-GGI-R027 "Bestimmung des Wartungsfaktor für die EN Bericht von TNO, Building and Construction Research, im Auftrag von ETAP, Philips, Osram und Zumtobel. Sperrschicht-Temperatur: die höchste Temperatur des eigentlichen Halbleiters innerhalb der LED. Die Temperatur des PN-Übergangs in einer LED. 13

12 Anhang 1: Wartungsfaktor für ETAP LED-Leuchten (Stand Februar 2013) Alle Werte in %. Die neueste Version finden Sie über 14 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG

13 White paper Annahmen für die Ermittlung der Wartungswerte Für die Ermittlung der Wartungswerte (MF) in der Tabelle wurden folgende Annahmen getroffen: LMF: o o Für die Reinigung der Leuchten wurde ein Wartungsintervall von 3 Jahren oder ca h angenommen. Mögliche Farbänderungen von LED und Linse haben wir auf Basis eigener Messungen berücksichtigt. o Insgesamt ergibt sich daraus ein LMF von 0,95. RSF: Die Wartungswerte für Räume unterscheiden sich nicht von denen bei Leuchten mit Leuchtstoff-Lampen. Daher haben wir hier die korrespondierenden Werte aus der TNO-Studie herangezogen: o o RSMF von 0,94 für saubere Büro-Umgebungen bei einem Reinigungsintervall der Räume von 3 Jahren RSMF von 0,89 für normale Industrie-AnwendungenLM-80-08: IES (Illuminating Engineering Society) anerkannte Methode zur Messung des Lichtstrom-Rückgangs bei LED- Lichtquellen mit repräsentativen Messungen alle Stunden und das über einen Zeitraum von mindestens Stunden. Sie umfasst ausschließlich die Messung des Lampen-Lichtstrom-Rückgangs für LED-Lichtquellen inklusive LED-Packages, Arrays und Module. Sie ist begrenzt auf die Messung von tatsächlichen Lichtstrom-Rückgängen und gibt keine Anleitungen oder Empfehlungen zur Schätzungen oder Hochrechnung von Lichtstrom- Rückgängen. 15

14 Dieses Dokument wurde von ETAP mit größter Sorgfalt zusammengestellt. Die in dieser Veröffentlichung genannten Daten sind unverbindlich und können sich auf Grund der technischen Entwicklung ändern. ETAP übernimmt keine Haftung für Schäden, gleich welcher Art, die aus der Verwendung dieses Dokuments entstehen. Februar , ETAP NV ETAP Beleuchtung, NL der ETAP NV Maybachstraße Leverkusen Tel (0)2171/ Fax +49 (0)2171/ info.de@etaplighting.com 16 DER WARTUNGSFAKTOR FÜR LED BELEUCHTUNG