Forschung für die Leuchtenindustrie Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid- State-Lighting

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1 Forschung für die Leuchtenindustrie Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid- State-Lighting Projektpartner: TUD (Khanh), KIT (Neumann), TUI (Schierz), TUB (Völker) Leipzig, 26. November 2014 Prof. Dr.-Ing. habil. Stephan Völker Fachgebiet Lichttechnik

2 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting Welche Hemmnisse gab und gibt es? 1. Höherer Preis 2. Fehlender bzw. nicht benötigter Mehrwert 3. Fehlendes Know-How im Bereich Elektronik und Thermomanagement 4. Ungenügendes Know-how im Bereich Messtechnik 5. Fehlendes Vertrauen der Kunden (Zuverlässigkeit) 6. Fehlende Planungswerkzeuge 7. Ungenügende Bewertungskriterien 8. Fehlende Vergleichbarkeit Seite 2

3 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting Welche Hemmnisse gab und gibt es? 1. Höherer Preis 2. Fehlender bzw. nicht benötigter Mehrwert 3. Fehlendes Know-How im Bereich Elektronik und Thermomanagement 4. Ungenügendes Know-how im Bereich Messtechnik 5. Fehlendes Vertrauen der Kunden 6. Fehlende Planungswerkzeuge 7. Ungenügende Bewertungskriterien 8. Fehlende Vergleichbarkeit Seite 3

4 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Messgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung II. Nicht-visuelle Gütemerkmale und ihre Messgrößen >> Melatoninunterdrückung III. Technische Gütemerkmale und ihre Messgrößen >> Thermomanagement >> Dimmbarkeit >> Steuerung >> Effizienz IV. Messung von LED Leuchten Seite 4

5 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung II. Nicht-visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Melatoninunterdrückung III. Technische Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Thermomanagement >> Dimmbarkeit >> Steuerung >> Effizienz IV. Messung von LED Leuchten Seite 5

6 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung Seite 6

7 Problem 1: Korrekte Bewertung der Helligkeit Kunde: Die LED-Leuchte ist viel teuerer als der Austausch der NAV-Lampe. Warum sollte ich wechseln? LED Leuchte HPS Leuchte... Seite 7

8 Antwort: um Energie zu sparen. Zudem können Sie durch die Nutzung von weißem Licht, das Beleuchtungsniveau absenken und so weitere Energie sparen! Hintergrund:... Seite 8

9 Antwort: um Energie zu sparen. Zudem können Sie durch die Nutzung von weißem Licht, das Beleuchtungsniveau absenken und so weitere Energie sparen! Was wurde nicht berücksichtigt? Gültigkeit nur für peripheres Sehen [CIE 191] Für foveales Sehen gilt immer noch V(λ) E (lx) Welchen Einfluss E (lx) hat für die RBeleuchtungsniveauabsenkung a 60 entsprechend des S/P Verhältnisses auf foveales der Sehen? Lampen for Achtung gültig für mittleren Leuchtdichtekoeffizient q 0 =0,07; Benchmark: HPS R a <60 Gültigkeit 0,6 nur 0,8 für peripheres 1,0 1,2Sehen 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 Für foveales Sehen gilt immer noch V(λ) S1 15 Welchen 15,0 14,7 Einfluss 14,4 hat die 14,1Beleuchtungsniveauabsenkung 13,8 13,5 13,3 13,0 auf 12,8 foveales 12,5 12,3 12,1 S2 10 Sehen? 10,0 9,8 9,5 9,2 9,0 8,7 8,5 8,3 8,1 7,9 7,7 7,6 Bisher unklar wie Adaptationszustand geschätzt werden soll S3 7,5 7,5 7,3 7,1 6,8 6,6 6,4 6,2 6,0 5,9 5,7 5,6 5,4 S4 5,0 5,0 4,8 4,6 4,4 4,3 4,1 4,0 3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 S5 3,0 3,0 2,9 2,7 2,6 2,5 2,3 2,2 2,1 2,1 2,0 1,9 1,8 S6 2,0 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,3 1,2 1,2 1,1 Seite 9 9

10 Simulation zur Kontrastverläufen

11 Fahrversuche zum Adaptationszustand L B L t 11 Seite 11

12 Laborversuche zur fovealen Sehleistung Mesopische Bedingungen S. Völker, J. Winter EW-Medien 2014 Seite 12

13 Zusammenfassung der Ergebnisse Gefahr der Tarnzonenvergrößerung Typische Fixationsbereiche: 10 Kreis or 10 / 20 Ellipse Einfluss von Inhomogenitäten auf die foveale Sehleistung hängt von der Lokaladaptation ab negativer Einfluss von Blendquellen auf die foveale Leistung wird verringert, wenn helle Bereiche im Gesichtsfeld sind Visuelle Leistung hängt von der Globaladaptation ab Adaptationszustand der mesopischen Leuchtdichte muss aus der peripheren Position der Blendquelle geschätzt werden Signifikante Verringerung der fovealen Sehleistung bei Reduktion des Leuchtdichteniveaus Vergrößerung der Tarnzonen Periphere Sehleistung geringer als nach CIE 191 vorhergesagt LED besser als HS -> Beleuchtungsniveau sollte bei Verwendung von weißem Licht nicht gesenkt werden! Mesopische Bedingungen S. Völker, J. Winter EW-Medien 2014 Seite 13 Seite 13

14 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung (Wiederholung) Seite 14

15 Problem 1: Blendung (Niedling) Kunde: LED-Leuchte blendet mehr als Leuchten mit konventionelle Lampen LED luminaire HPS luminaire... Seite 15

16 Antwort: Stimmt nicht, schließlich können wir rechnen! DIN EN a. physiologisch Lv TI 65 * in 0, 8 L b % Lv n E n 2 n k * 1 E I r cos( 2 2 ) * * 0 b. phsychologisch Blendindex I A 85 0,5... Seite 16

17 Was wird nicht berücksichtigt? a. Spektrum z.b. LED und HPS b. Lichtverteilung der leuchtenden Fläche LED Leuchtstofflampe Seite 17

18 Ergebnisse zum Spektrum Erkannte Graustufe Störempfindung Seite 18

19 Konsequenzen für Sie als Hersteller 0,38 = 23 0,4 m 8 m 6,2 Quelle: 60 m LEDs Abstand LEDs < 2 Seite 19

20 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung II. Nicht-visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Melatoninunterdrückung III. Technische Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Thermomanagement >> Dimmbarkeit >> Steuerung >> Effizienz Seite 20

21 Problem 3: Energetische Bewertung (Kirsch) Erfahrener Kunde: Plane 2 Büros: Gleiche Anschlussleistung + Gleiche Steuerung; Ergebnis: gleicher Energiebedarf in Realität anders Seite 21

22 Antwort: Kann gar nicht sein, wir haben uns ja nicht verrechnet (DIN V 18599!) Was wurde nicht berücksichtigt?... Seite 22

23 Konsequenzen für Sie als Hersteller 1. Dimmcharakteristik: wichtiges technisches Gütemerkmal einer Leuchte! 2. Alle betrachteten LEDs führen im Vergleich zu T8-Lampen (gleicher Anschlussleistung) zu erheblichen Energieeinsparungen 3. Nur Änderung des Bilanzierungsverfahren, Beleuchtungsanlage bleibt gleich Seite 23

24 Problem 4: Fehlende Maßzahlen für die Lichtverteilung (Kirsch) Erfahrener Kunde: LED-Beleuchtung führt häufig zu einer Verschlimmbesserung der Beleuchtung. hoher Streulichtanteil helle Raumbegrenzungsflächen effiziente Lichtlenkung zielgerichtete Beleuchtung Seite 24

25 Antwort: Wir machen Ihnen die Lichtverteilung schon wieder diffuse genug! Falsche Weg? Sollten wir nicht darüber nachdenken wo benötige ich wieviel Licht? Fläche Arbeitsbereich Mindestbeleuchtungsstärke (Wartungswert) nach DIN EN : lux Umgebungsbereich 300 lux Decke 50 lux, Wand 75 lux Seite 25

26 Erfassung und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting I. Visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Helligkeit und Lichtverteilung >> Lichtfarbe und Farbunterschiede >> Farbwiedergabe und Schattigkeit >> Blendung II. Nicht-visuelle Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Melatoninunterdrückung III. Technische Gütemerkmale und ihre Meßgrößen >> Thermomanagement >> Dimmbarkeit >> Steuerung >> Effizienz IV. Messung von LED Leuchten Seite 26

27 Problem 5: Charakterisierung von LED-Leuchten (Bensel) Hersteller: Was und wie soll ich messen? Photometrische Größen Elektrische Größen Thermische Größen + Seite 27

28 Antwort: Nutze vorhandene Normen und Empfehlungen Φ, CCT, R a Φ, CCT, R a, LVK, η LB LVK, η LB Seite 28 28

29 Forschungsfragen zum Messen von LED-Leuchten Was wird dort nicht bzw. ungenügend berücksichtigt? Integrale oder spektrale Messtechnik Notwendige Winkelauflösung Winkelabhängige spektrale Verteilung Lichtstärkeverteilung getrennt emittierender Bereiche Seite 29 29

30 Notwendige Untersuchungen: Versuchsaufbau Drehspiegelgoniophotometer mit longitudinal verschiebbarem Spektrometer LED V(λ) VIS CAS 12 m 13 m Seite 30 30

31 Notwendige Untersuchungen: Versuchsaufbau Seite 31 31

32 Ergebnisse I. zur Frage spektral oder integrale Messung Bei Verwendung von Photometern der Klasse L oder A ist die Vermessung weißer phosphorkonvertierter LED-Leuchten unkritisch (Fehlbewertung < 2 %) Bei der integralen Vermessung schmalbandiger Spektren (Bsp. blaue LED) sollte unbedingt der spektrale Korrekturfaktors SMCF verwendet werden! Seite 32 32

33 Hinweise zur Winkelauflösung Ergebnisse II. zur Frage der Winkelauflösung Besonders wichtig ist eine sehr kleine Winkelschrittweite für den Elevationswinkel ϑ bzw. im C, -System Reduktion der Schrittweite von 2.5 auf 0.1 bei engstrahlenden LED-Modulen (Straßenbeleuchtung): Änderung des Gesamtlichtstroms von 15% Seite 33 33

34 III. Untersuchung zur winkelabhängigen spektralen Verteilung Versuchsaufbau 14 Retrofit LED-Leuchten mit K und K 13 LED-Leuchten für die Innenraumbeleuchtung mit K und K 12 LED-Leuchten für die Außenbeleuchtung mit K Ergebnisse Farbabweichungen der Kategorie störend : 1/3 der gemessenen warmweißen Leuchten 2/3 der neutralweißen Leuchten Seite 34 34

35 IV. Untersuchung zu getrennt emitierenden Bereichen Ergebnisse Einbeziehung des Abstrahlwinkels zur Berechnung der erforderlichen Grenzentfernung notwendig Messung in mehreren Schritten wird aufgrund der veränderten thermischen Bedingungen nicht empfohlen Untersuchungsergebnisse werden aktuell im CEN/TC 169/WG7 diskutiert und fließen ggf. in die zukünftige Normung ein Seite 35 35

36 Bau von Musterleuchten WE-EF VFL540 [S65] IP66: LED-42/84W/4K Seite 36

37 Bau von Musterleuchten WE-EF VFL540 [S65] IP66: LED-42/84W/4K 5 LVKs MIXER Verschiedene Geometrien und Beläge Optimale LVK Seite 37

38 Danke allen beteiligten Mitarbeitern! Vielen Dank! Seite 38 38