Energiesparoption LED Technik und Wirtschaftlichkeit Fachtagung der ABGnova und des Energiereferats Frankfurt Beispiel: LED-Retrofit als Ersatz für Glühlampen Kolben + -+ - LED Vorschaltelektronik Kühlkörper Referenten: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh Dipl.-W irtsch.-ing. Christoph Schiller Fassung
Inhalt 1. Kurze historische Betrachtung der Lichtquellentechnologien 2. Straßenbeleuchtungs-Teststrecke in Darmstadt 3. Innenraumbeleuchtung Private Beleuchtung Büroraumbeleuchtung 4. Schlussbetrachtung 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 2
1. Lichtquellentechnologien Ein historischer Rückblick Öllampe Asien Kerze Ägypten Glühlampe USA Luxeon LED USA 10000 v. Chr. 4000 v. Chr. 1880 1999 Technologischer Durchbruch 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 3
1. Lichtquellentechnologien LED-Beispiel: SMD-Gehäuse SMD Surface Mount Device Komponenten High Power LED Chip Chipverklebung Kühlkörperanschluss Spritzgussgehäuse, Leitungen Bonddrähte Silkonverguss (Linse) Substrat Kühlkörper Quelle: Osram, Single Standard Chip Packages 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 4
1. Lichtquellentechnologien LED: weiße Strahlung und Farbwiedergabe Weißes Licht: Möglichkeiten der Erzeugung Direkt mit RGB LEDs Höchste Effizienz Sehr großer Farbbereich möglich Einstellbarer Weißpunkt Blaue LED + Phosphor Einfach Mäßige Farbwiedergabe (R a 75) mit einem Phosphorsystem, hoher R a -Wert bei Mehrfachphosphor 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 5
1. Lichtquellentechnologien LED: weiße Strahlung durch Leuchtstoffkonversion Blaue LED (Chip) und gelber Leuchtstoff (z.b. YAG) 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 6
1. Lichtquellentechnologien Farbwiedergabe: Farbinformation / Objektidentifikation Farbwiedergabe-Index R a > 90 (HMI-Lampe) Farbwiedergabe-Index R a < 20 (Na-Lampe) 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 7 Quelle:Osram
1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger Entladungslampen 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 8
1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger LEDs Lichtausbeute [lm/w] 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 9
1. Lichtquellentechnologien Lichtausbeute heutiger LEDs > 110 lm/w unter realen Bedingungen erreichbar 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 10
1. Lichtquellentechnologien Stand der weißen LED-Technik (Tageslicht) Die kaltweiße LED: bis 10W bis 120 lm/w bei 350 ma und T=60 C T c > 5000K Farbwiedergabeindex CRI = 70-82 (93) schlechte Farbwiedergabe roter Farbtöne Y Yttrium Gd Gadolinium Tb Terbium Lu Lutetium Ce - Cerium Quelle: Th. Jüstel 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 11
1. Lichtquellentechnologien Stand der weißen LED-Technik (warmweiss) Warmweiße LED für die Innenbeleuchtung: 35 65 lm/w T c = 2600 3500 K(4200 K) CRI = 70-97 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 12
1. Lichtquellentechnologien LED: Lichtausbeute und Kosten von Lichtquellen Lichtausbeute [lm/w] Preis [ /klm] Glühlampe 13 0,5 Leuchtstofflampe 83 0,6 Hochdruck-Entladungslampe 100 1,1 LED weiß 65-120 ca. 10-15 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 13
2. Straßenbeleuchtung Anteil der Lichtquellen für Deutschland 2006 In Deutschland: Ein Großteil der bisher verwendeten Lampentechnologien in der Straßenbeleuchtung sind Quecksilberdampfhochdrucklampen Ab 2015 dürfen diese aufgrund ihrer schlechten Effizienz in Europa nicht mehr vertrieben werden Quelle: Osram 2006 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 14
2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung LED-Vorteile für die (Straßen-)Beleuchtung: lange Lebensdauer, i. d. R. kein plötzlicher Ausfall, langsame Degradation sehr gute Temperaturcharakteristik (Effizienz, wenn Temp. ) Zündverhalten/Anlaufzeit unproblematisch (sehr schnell) kein UV-Anteil (Insektenschutz) zweckmäßige Farbwiedergabe R a = 65 bis 80 Einfache, schnelle und verlustfreie Dimmbarkeit zwischen 0 % und 100 % 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 15
2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung Lebensdauer der LEDs als Funktion der pn-übergangstemperatur Lichtstrom rel. [%] 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 Lichtstromabfall bei LEDs TJ = 55 C TJ = 100 C TJ = 80 C TJ = 125 C Bei T j = 55 C ca. 60.000 h möglich (15 Jahre) 0,2 0,1 0 0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 Brennstunden [h] Quelle: Seoul Semiconductor 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 16
2. Straßenbeleuchtung LEDs: Vorteile in der Straßenbeleuchtung Relative Lichtstromerhöhung mit geringerer Substrattemperatur Temperaturabhängigkeit einer kaltweißen LED 100 Lichtstrom rel. [%] 95 90 85 80 75 70 0 20 40 60 80 100 Substrattemperatur der LED [C ] 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 17 Quelle: Lichtlabor TU Darmstadt 2010
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt 2009-2010 Teststraße 2009 Direkter Vergleich unterschiedlicher Technologien Energie / Effizienz Lichtqualität / DIN EN 13201 Praxistest Akzeptanz Sicherheit Lichtfarbe 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 18
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz HME SON-H HST LED 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 19
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz Urzustand: die Straße ist mit 80 W HME-Lampe bestückt (Koffer AEG) Bestückung der vier Messfelder: 1. Alte Leuchte, geputzt, neue HME 125 W 2. Alte Leuchte, geputzt, SON-H 68 W 3. SR50, HST 70 W, EVG 4. LED-Leuchte DL10,dimmbare Elektronik 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 20
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Effizienz Ergebnisse der Installation und Messung auf der Fahrbahn Berechnung für die gleiche Geometrie der 4 Straßenabschnitte Lampe Dimmung Mittlere Beleuchtungsstärke [lx] Leistung der Leuchte [W] HME 125 W KVG Nicht möglich 5,4 134,2 SON-H 68 W KVG Nicht möglich 6,3 80,0 HST 70 W EVG 77 % 6,3 62,7 LED EVG 43 % 6,3 68,0 Jahr 2009 45 W für das Jahr 2010 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 21
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Durchgeführte Befragungen: 1. Anwohnerbefragung - Verteilen von je 2 Fragebögen an insgesamt 330 umliegende Haushalte - Rücklaufquote: ca. 12 % = 39 Antworten (sehr hoch), Alter um 64 Jahre 2. Test als Autofahrer - 21 Testpersonen, Alter im Mittel 29 Jahre - Fahrt durch die Teststraße mit Schrittgeschwindigkeit (Abblendlicht aus) - Fahrer und Beifahrer füllen Fragebogen für jeden Abschnitt aus 3. Test als Fußgänger - 21 Testpersonen, Alter im Mittel 29 Jahre - Ablaufen der Teststrecke zu Fuß - Ausfüllen eines Fragebogens zu jedem Abschnitt 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 22
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Fußgängertest: Insgesamt: 21 Personen als Versuchsteilnehmer Kleingruppen à 4-5 Personen (davon: 1 eingewiesene Aufsichtsperson) Alle Testpersonen wurden vor dem Versuchsdurchlauf über ihre Aufgabenstellung informiert 2 Personen mit Warnweste laufen im Abstand von ca. 30m vor der Gruppe (Frage 4 im Fragebogen) 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 23
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Natriumdampfbeleuchtuchtung Fußgängertest: Testpersonen mit Warnwesten (links im Bild ) und Verkehrsschilder LED-Beleuchtuchtung 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 24
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Start Fragebogen ausfüllen (kein Zeitlimit) 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 25
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Fragen des Fragebogens: 1. Generelle Helligkeit 2. Erkennbarkeit von Bordsteinkanten 3. Erkennbarkeit von Hindernissen 4. Erkennbarkeit der Warnwesten 5. Gefühlte Sicherheit 6. Farbwiedergabe 7. Farbe des Lichtes 8. Ranking: Bester Abschnitt 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 26
2. Straßenbeleuchtung Teststrecke in Darmstadt: Nutzerakzeptanz Mittelwerte Ausreichend 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 27
2. Straßenbeleuchtung weitere Tests von LED-Straßenleuchten: 2010-2013 Umwandlung der vorhandenen Teststrecke in eine Deutsche Referenzstrecke mit den besten 6 LED-Straßenleuchtentypen (gemessen nach dem Stand August 2010) Untersuchung der Langzeitstabilität von LED-Straßenleuchten: über 3 Jahre (12.000 Stunden) auf einem großen Testgelände in der Nähe von Frankfurt mit 12-15 LED-Straßentypen und 30 Straßenleuchten. 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 28
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Übersicht der Rahmenbedingungen Politische und technologische Rahmenbedingungen Seit 1.09.2009: - Verbot von Glühlampen ab 100 W - Verbot von mattierten Glühlampen Seit 1.09.2010 Verbot von Glühlampen ab 75 W Die verbleibenden Halogenglühlampen haben nur eine Lichtausbeute von max. 25 lm/w alle anderen Lampentypen für Haushalt, Büro und Verkaufsräume sind quecksilberhaltig die Kompaktleuchtstofflampen haben - nur eine Lichtausbeute von maximal 48-67 lm/w, - eine Lebensdauer von ca. 10.000 Stunden sowie - eine lange Einschaltzeit von über einre Minute 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 29
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Retrofit LEDs als Ersatz für Glühlampen Aufbau Retrofit LED Ersatz für Glühlampen Kolben + - + - LED Vorschaltelektronik Kühlkörper Fassung 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 30
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Entwicklung von Lampen und Leuchten 1. Entwicklung von Retrofit-LED-Lampen Vorteile: gleiche Sockel wie die Glühlampen E14, E27, E40 warmweiße Retrofit-LED-Lampen mit R a = 85 Nachteile: noch teuer, das thermische Problem nicht gelöst 2. Entwicklungen von LED-Büroleuchten und LED-U-Bahn-Leuchten - mit LED-Farbwiedergabe von R a > 80, meistens um R a = 85 - dimmbar und steuerbar mit Sensorik (Meldesensor, Helligkeitssensor) - bisher überwiegend als Prototypen oder Kleinserie 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 31
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Retrofit-LEDs: Messergebnisse TU Darmstadt 3/2010 Lampentyp bzw. Hersteller El. Leistung [W] Lichtstrom [lm] Lichtausbeute [lm/w] 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 32 Farbtemperatur CCT [K] FaCC-5W-ww 4.9 105.8 21.6 3584 FaCC-5W-kw 4.9 149 30.4 7660 FaCC-5W-skw 5.0 130.6 26.1 9440 FaOm-2W-kw 2.2 51.6 23.4 6041 FaOm-8W-ww 8.1 374.4 46.2 3247 FaPs-7W-ww 6.7 238.2 35.7 2916 FaPs-6W-M-ww 6.7 263 39.3 2758 FaPs-6W-MG-ww 8.1 449.1 55.4 2760 FaPx-6W-ww 6.6 441.7 67.3 2892 FaLx-3,7W-kw 3.7 137.7 37.2 7192 FaRm-PAR-0,8W-kw 1.0 29.7 29.7 6728 FaRm-PAR-4W-ww 4.4 135 30.7 3035 FaSl-TRL4W-ww 4.2 168.6 40.1 2875 FaSl-8W-ww 7 293 41.9 2800 Fasl-4W-A55-ww 4.4 172.6 39.2 2852 FaSl-8W-A60-kw 7 363.1 51,9 5498 FaSl-PS-8,1W-ww 8.1 389 48.0 3010 FaSl-ZWC-7W-ww 6.3 244.2 38.8 2547 FaSl-ZWSL-7W-ww 6.4 248.5 38.8 2719
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Vergleich: (Halogen-)Glühlampen, Energiesparlampen Lampentyp bzw. Hersteller El. Leistung [W] Lichtstrom [lm] Lichtausbeute [lm/w] Farbtemperatur CCT [K] Glühlampe 60W 64.1 768 12.0 2693 Halogen-Glühlampe 20.1 367.5 18.3 2836 FaP-KLL-12W-ww 12.5 799.3 63.9 2665 FaP-KLL-15W-ww 14.4 817.2 56.8 2737 FaP-KLL-20W-ww 20.8 1398.1 67.1 2757 FaP-KLL-8W-kw 8.8 523 59.4 6086 FaP-KLL-12W-kw 11.8 690.8 58.5 6188 FaP-KLL-15W-kw 16.4 1100 67.1 5816 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 33
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: T5-Lampen bzw. LEDs Leuchtmittel T5 LED Leistung pro Leuchte [W] 170 47 Lichtstrom pro Leuchte [lm] 12300 3120 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 34
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 1 Parameter für Simulation: 5 x 5 Meter Reflektionsgrade - Wand: 0,5 - Boden: 0,2 - Decke: 0,8 LED: R a = ca. 80 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 35
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 1 Berechnungsergebnisse: - bei der LED-Leuchte wurde durch umgedrehte Montage einer zweiten Leuchte auch nach oben abgestrahlt Bezeichnung Leuchtenanzahl Leistung insgesamt [W] Lichtstrom [lm] E m [lx] E min [lx] E max [lx] g 1 g 2 Arbeitsbereich LED 3 x 2 282 18720 609 319 776 0,52 0,41 Umgebung 340 81 709 0,23 0,11 Arbeitsbereich T5 x 2 340 24600 664 343 851 0,51 0,40 Umgebung 328 101 833 0,30 0,12 Arbeitsbereich T5 x 2 282 20418 551 Arbeitsbereich T5 x 2 259 18720 505 Rot = gedimmt (auf gleiche Leistung bzw. gleichen Lichtstrom) 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 36
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 2 10 x 10 Meter 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 37
3. Innenraumbeleuchtung mit LEDs Simulation Innenraumleuchte: Raumgeometrie 2 Berechnungsergebnisse: - bei der LED-Leuchte wurde durch umgedrehte Montage einer zweiten Leuchte auch nach oben abgestrahlt Bezeichnung Leuchtenanzahl Leistung insgesamt [W] Lichtstrom [lm] E m [lx] E min [lx] E max [lx] g 1 g 2 AB 1 Mitte LED x 20 940 62400 621 407 659 0,656 0,618 UB 1 Mitte 412 69 647 0,165 0,105 AB 3 Mitte T5 x 6 1020 73800 528 408 580 0,773 0,703 UB 3 Mitte 326 109 590 0,334 0,184 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 38
4. Abschlussbemerkungen Grenzen der Effizienzsteigerung Keine große Steigerung der Effizienz durch thermische Strahler Langsame Steigerung bei Entladungslampen (130 140 lm/w) Entwicklung der LEDs: - bis 160 lm/w in den nächsten 3 Jahren - danach weitere Steigerung durch Phosphor bis 200 lm/w Große Potentiale: - durch die intelligente Steuerung und - die gezielte Lichtlenkung 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 39
4. Abschlussbemerkungen Ausblick Die Entwicklung von HL-LEDs schreitet weiter rasant voran Heute: Einzug der LED in viele Alltagsbereiche der Beleuchtung - Kfz-Beleuchtung - Straßenbeleuchtung - Innenraumbeleuchtung System-Funktionalität - das Gesamtsystem (Lichtquelle, Elektronik, Gehäuse) muss zuverlässig sein Eine Frage der Zeit.. - bis die LED alle wesentlichen Beleuchtungsaufgaben dominiert 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 40
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 41
Anhang Farbwiedergabe 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 42
Anhang UV-Schutz Quecksilberdampf- Hochdrucklampe (auch Leuchtstofflampen): Quelle: D. Beckmann Osram GmbH Publikation in Licht 92, S. 21 weiße LED: kein UV-Anteil, deutlich geringere Insektengefährdung Quelle: Lumileds Luxeon K2 Datenblatt 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 43
Anhang Dimmverhalten Dimmen der LED: - stufenlos - 0 100 % - Fast verlustfrei - Reaktion: sofort - Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Beleuchtung Entladungslampe: - nicht bis 0% dimmbar - starke Verluste - Verzögerung 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 44
Anhang LED-Retrofits in der Außenbeleuchtung LED-Retrofits Pro: Kostengünstig (auf den 1. Blick) Schnell umrüstbar Alte Leuchte beibehalten Contra: Schlechte thermische Anbindung LED-Retrofit für die Straßenbeleuchtung: zu schwer für die Leuchtenfassung nicht zugelassen Verkürzte Lebensdauer KEINE ZULASSUNG (zu hohes Gewicht für Fassung) Volles Potential (lange Lebensdauer, Dimmen, etc.) der LED nur in einem abgestimmten Gesamtsystem nutzbar 30.09.2010 Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Lichttechnik Prof. Dr.-Ing. Tran Quoc Khanh 45