Le LED pour éclairer les bâtiments tertiaires ... LED... · Introduction Technologie LED...

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LEDs, caractéristiques, avantages et inconvénients 24/10/2014 Page 1 Le LED pour éclairer les bâtiments tertiaires : Technologie mature ou le meilleur est à venir ? La LED, qu’est-ce que c’est? Caractéristiques, avantages et inconvénients Bertrand Deroisy 24 octobre 2014 Laboratoire Lumière Centre Scientifique et Technique de la Construction

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Le LED pour éclairer les bâtiments tertiaires :

Technologie mature ou le meilleur est à venir ?

La LED, qu’est-ce que c’est?

Caractéristiques, avantages et inconvénients

Bertrand Deroisy

24 octobre 2014

Laboratoire Lumière

Centre Scientifique et Technique de la Construction

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◘ Introduction

◘ Technologie LED

◘ Principales caractéristiques Efficacité énergétique

Spectre et rendu des couleurs

Diagramme photométrique

Durée de vie et dimensionnement

Gestion de l’éclairage

Recyclage

◘ Conclusions et recommandations

Contenu:

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Introduction

Prix Nobel de Physique 2014

◘ Isamu Akasaki

◘ Hiroshi Amano

◘ Shuji Nakamura

Pour invention de la diode

électroluminescente bleue.

Vers la lumière blanche

La « révolution » LED

Source: Nature

Source: Le Monde / Sciences

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Introduction

Le marché des LEDS et l’éclairage

La « révolution » LED

Source : Yolé Développement, 2013

Secteur de l’éclairage: 20 à 45% du chiffre d’affaire pour des produits LED (2013)

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Introduction

◘ L’éclairage = poste de dépense énergétique le plus important!

Consommation d’énergie des bâtiments tertiaires

Bâtiment neuf

2013

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Introduction

◘ La part relative de l’éclairage augmente

Consommation d’énergie des bâtiments tertiaires

Induit par le renforcement des réglementations énergétiques

Bâtiment neuf

2020

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◘ 75 % installations d’éclairage sont dépassées (Age moyen > 20 ans)

◘ Ratio de rénovation < 1.0 %

(Objectif 2020 : 2 à 3%)

Quelques chiffres

Introduction

Enorme potentiel d’économie d’énergie en rénovation

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Jonction de matériau semi-conducteurs dopés. Matériau cristallin solide dopé P/N (donneur ou récepteur d’électrons)

Avec une alimentation électrique, émission de photons dans une zone active.

Spectre d’émission quasi-monochromatique (~ type de matériau)

Principe de fonctionnement

Technologie LED

Source : LIF LED Brochure, 2013

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Chip LED, le substrat, l’alimentation, le boîtier mécanique,

l’optique primaire (la lentille),...

Composantes

Technologie LED

Source : CREE

Les chip LED sont des sources ponctuelles de haute brillance.

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Assemblage de chip/modules LED + éléments optique

Maitriser la conception optique des luminaires

Luminaire LED

Technologie LED

IMPORTANT : Gestion optique et thermique du luminaire.

Source : PHILIPS

Diagramme photométrique du luminaire

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chip led : Jusqu’à 200 lm/W

modules led : 120 à 150 lm/W (10/2014)

Efficacité énergétique luminaires led (10/2014): 50 à 100 lm/W

(y compris éléments optiques, mécaniques et électriques)

Chip LED / Module LED / Luminaire LED

Efficacité énergétique

Source : CREE

Moyenne 105 lm/W

Maximum 115 lm/W

Minimum 92 lm/W

Source : Données fabricant

Exemple:

Luminaire dalle

encastre 60x60cm

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Efficacité énergétique luminaires :

Exemple: Downlight

DOE CALIPER Programme

Snapshots (04/02014)

Luminaires LED

Efficacité énergétique

Source : DOE / Snapshot Indoor LED Luminaires, April 2014

Moyenne 57 lm/W

Maximum ~ 100 lm/W

Minimum ~ 10 lm/W

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C’est quoi une lumière blanche?

Lumière dont le spectre contient

une proportion de chaque longueur

d’onde du domaine visuel.

La qualité colorimétrique des LEDs

Spectre et rendu des couleurs

Diagramme colorimétrique CIE 1931 Source: OSRAM

Courbe du corps noir

Courbe Iso CCT

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Comment faire de la lumière blanche?

1. Mélanger du Rouge/Vert/Bleu (RGB)

La qualité colorimétrique des LEDs

Spectre et rendu des couleurs

Source: Toyoda Gosei Corp.

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CCT 3000K

Le spectre de la lumière = Signature de la source

La qualité colorimétrique des LEDs

Spectre et rendu des couleurs

Source : Mesures CSTC

CCT 3000K / 4000K

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Comment obtenir un bon rendu des couleurs?

La qualité colorimétrique des LEDs

Spectre et rendu des couleurs

Source: XICATO XSM Artist Series

Ra = 82

Demandez et vérifier le spectre d’émission.

Ra = 98

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Quid des indicateurs de qualité de la lumière?

◘ Température de couleur corrélée (CCT)

◘ Indice de rendu des couleurs (CRI ou Ra)

La qualité colorimétrique des LEDs

Spectre et rendu des couleurs

Source: Rong-Jun Xie, Naoto Hirosaki, "White light-emitting diodes using (oxy)nitride phosphors"

Ra = 82

ATTENTION : Des LEDs avec la même valeur CCT peuvent avoir une perception visuelle différente L’indice CRI n’est qu’une valeur moyenne du rendu de 15 couleurs standards

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Diagramme photométrique

◘ Exemple : Lampe LED de remplacement à culot E27

Principe et stratégies

Max 145 cd/klm Max 90 cd/klm

400 lm 400 lm

Les leds sont des sources ponctuelles directives. La répartition du flux lumineux peut varier fortement

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Diagramme photométrique

Conception optique du luminaire : Dalle 60x60cm

Pour confort visuel : sources non-ponctuelles et distribution plus diffuse favorable.

Faisceau lumineux abrupte Faisceau lumineux orienté Faisceau lumineux plus diffus

45°

Angle de protection 30°

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Diagramme photométrique

Conception optique du luminaire : Downlight

Les LEDs sont mieux adaptés pour l’éclairage d’accentuation que les CFL

Faisceau lumineux concentré Faisceau lumineux plus large

MAIS Intensité lumineuse dans l’axe identique

Source : Osram

Source : ZUMTOBEL

CFL

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Durée de vie

Qu’est ce que la durée de vie d’une LED?

Les Luminaires à LED se dégradent progressivement .

Source : Ridi Source : Paulmann

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Durée de vie

Qu’est-ce que la durée de vie d’une LED?

La bonne gestion thermique d’un luminaire est essentielle pour sa durée de vie.

Source : MechaTronix

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Durée de vie

◘ Causes multiples de défaillance

Diminution « naturelle » du flux lumineux émis

(influencé par le courant transmis et la température)

Ruptures mécaniques (solidité des connections)

Défaillance de composantes électroniques (ex. driver)

Vieillissement des optiques (p. ex. jaunissement lentille)

Norme IEC 62722-2-1 Luminaire performance – Part 2-1:

Particular requirements for LED luminaires,

Publication prévue début 2015

Durée de vie chip LED ≠ durée de vie Luminaire LED

Nota: Les essais prescrit dans la norme sont réalisés sur 25 % de la durée de vie assignée et 6000 h au maximum et ensuite extrapolés.

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Durée de vie

◘ Maintient du flux (x) = Pourcentage entre le flux lumineux à un instant donné et le flux lumineux initial

(La lampe fonctionnant dans des conditions spécifiques)

◘ Proportions de défaillance (y) = Pourcentage y d’un nombre de lampes à LED qui n’atteint pas le flux lumineux

à la durée de vie assignée

◘ Durée de vie assignée (LxFy) (unité h) = Durée pendant laquelle une population de lampe génère au moins le

pourcentage de flux lumineux x et au plus le pourcentage de défaillance y.

Exemple : L80F10 – 50.000 h

Définitions (Suivant IEC 62612 : 2013) – Lampes LED

La règlementation européenne impose un maintient de flux minimal de 80% à 6000h (Commission Regulation EC N°1194/2012 12 December 2012)

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Durée de vie

Distinction entre dégradation progressive et brutale

◘ Dégradation progressive (By) Exemple : L80B50 – 50.000 h

= Après 50.000h, au moins 50% des échantillons atteignent un flux

lumineux relatif de 80% du flux initial.

Par défaut une valeur B50 est supposée

◘ Dégradation brutale (Cy) Exemple : L0C10 – 50.000 h

= Après 50.000h, 10% des échantillons ne fonctionnent plus

Valeurs métriques recommandées:

L70B10 / L80B10 / L90B10 ou L70B50 / L80B50 / L90B50 et L0C10 / L0C50

Définitions (Suivant IEC 62612 : 2013 – ANNEXE E)

Les proportions de défaillance avec le facteur F correspond à la dégradation progressive et brutale combinée!

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Durée de vie

Comment comparer des données produit? ◘ LLMF : Lamp Lumen Maintenance Factor

◘ LSF : Lamp Survival Factor

Exemple : Durée de vie assignée 50.000h

Et en pratique …le facteur de maintenance (MF)

Surdimensionner mène à des consommation d’énergie plus importantes! Pour dimensionnement : Facteur de maintenance MF = LLMF x LSF x LMF x RMF Exemple: L80B10 – 50.000h : MF = 0,85 x 0,77 x 0,90 = 0,59!

Lx By LLMF LSF LLMF x LSF

L80 B10 0,85 1 0,85 -

L80 B50 0,80 0,99 0,79 +8%

L70 B10 0,74 0,99 0,73 +16%

L70 B50 0,70 0,99 0,69 +23%

Référence

Source : Trilux

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La gestion de l’éclairage

◘ Contrôle en courant à privilégier pour les leds.

Typiquement courant entre 350 mA ou 1A et basse tension (2 à 10 V)

Fournit un flux lumineux constant

Généralement les LEDs branché en série

Alimentation électrique des LEDs

h Source : LEDmagazine

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La gestion de l’éclairage

◘ Modulation flux (‘Dimming’) Réduction du courant ou pulsions haute fréquence de courant (PWM)

Réduction importante des consommation d’énergie

Amélioration du confort visuel

Permet d’atténuer le surdimensionnement des installations

Améliore la durée de vie de l’installation

◘ Modulation du spectre

Modulation des LEDs

Les LEDS offrent la possibilité d’adapter le spectre de la lumière Quelle spectre de lumière lors du dimming?

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La gestion de l’éclairage

◘ Fonction de la présence

◘ Fonction de l’apport de lumière naturelle

Principe et stratégies

X =

kW / m2 h

kWh / m2

X X FA FD

Présence/ Absence

Eclairage naturel

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La gestion de l’éclairage

Quel potentiel d’économie?

14 %

30 %

10 %

6 %

Avec dimming Avec extinction

◘ Exemple : Espaces de bureaux

Système de gestion avec allumage manuel

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Recyclage

◘ Les LED sont considérés pour le recyclage comme

des composantes électroniques.

Contiennent des matériaux précieux /dangereux (?)

Source: European Lamp Companies Federation

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Conclusions et recommendations

◘ Performances des produits très variable

Informez-vous et comparez!

◘ Distribution de lumière importante pour le confort visuel

Bonne conception de l’éclairage (lumière direct/indirecte)

Attention à l’éblouissement

◘ Soyez vigilant à la qualité de la lumière

Rendu des couleurs, température des couleurs,…

◘ Utiliser une gestion intelligente de l’éclairage

Choisissez le bon système pour votre application

Le bon réglage du système est essentiel (‘commissioning’)

L’éclairage bâtiments tertiaires et LEDs

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Source d’information – Site web CSTC

www.cstc.be

Publications éclairage : www.cstc.be/go/publications_eclairage

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Sources d’information – Site IBE/BIV

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Merci de votre attention

Wooden LED bulb (Designer: Ryosuke Fukusada)