阿森纳vs南安普敦录像:高效率均匀配光之LED T-BAR节能灯具设计研究

摘要
本研究以LED燈管作為主要光源，並以均勻配光曲線為主體目標，設計高效率室內照明燈具，該燈具已獲得台灣經濟部能源局所頒佈之節能標章，藉由實際安裝可提供室內空間良好之照明品質，並達成優良之光環境。
基於光源能量分配之基礎理論設計燈具反射板結構，利用一般反射率之鋁板材質即可達成高效率之光通量輸出，並可將既有LED燈管所輸出之朗伯特光型轉換為均勻之蝠翼型配光，該燈具之特性符合室內空間大面積應用，可有效減少燈具安裝數量並確實迎合環保節能趨勢。燈具設計程序以光學軟體TraceProv6.0為主軸，用以作為結構繪製並模擬燈具效率與配光曲線，並藉由實際開模製作驗證燈具特性指標，最後配合照明模擬軟體DIALux v4.8輸出室內空間之各項照明參數，用以做為整體照明環境之性能評估。
一、前言
今日照明用電約佔全球發電量15 %，故照明節能技術上已被視為重要課題[1]，近年來由於全球暖化現象頻傳，故環保減碳之議題逐漸受到重視[2]。LED光源於照明市場應用備受矚目，隨著芯片發光效率提升與成本價格之降低，LED對於未來照明市場潛力無窮，使其成為新一代照明光源，
目前各國皆積極開發LED照明燈具，並大力推廣其應用層面以改變現階段照明方式，當LED燈具欲使用於功能性照明時則須搭配良好之光學設計，以達到所需之照明品質與效率[3]。本研究係以LED燈管為照明光源，針對室內空間常用之T-BAR燈具進行設計，尤其注重於反射板之曲率計算，使得整體燈具可輸出均勻且高效率之理想配光曲線。
二、均勻配光曲線
均勻配光曲線是指工作面照度儘可能相同[4]，依據平方反比定律之照度計算示意如圖1，其數學式則如式(1)所示；為達成工作面各角度之照度值皆相同，則推算出式(2)，如此即可得知燈具配光曲線於各角度所分布之光強度比例；表1係當最大光強度角為35°時之理想配光曲線分布值，曲線示意如圖2。
                                               (1)
式中E：照度（lux）
I：光強度（cd）
h：燈源至照射面距離（m）
當工作面為等照度時 
                                          (2)
表1 等照度配光曲線各角度之光強度比例值
出射
角度 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35°

理想值 1 1.012 1.047 1.11 1.205 1.343 1.54 1.82

三、室內照明燈具節能標章
台灣經濟部能源局於西元2008年11月17日公告實施室內照明燈具節能標章[5]，適用範圍、試驗條件說明如下，相關能源效率基準如表2所示：
1. 適用範圍
室內照明燈具產品符合CNS 14335規範或經由經濟部能源局認定核可者。
2. 測試方法
（1）配光曲線
使用CIE 70之方式進行測試，能源效率(lm/W)之計算為燈具總光輸出(lm)除以燈具總功率(W)。
（2）統一眩光指數UGR
符合CIE 117規範要求，測試條件之天花板、牆面、地面之反射係數分別為0.3、0.3、0.2，且室內長寬尺寸為4H：3H。

四、LED T-BAR燈具設計
本研究之燈具係針對LED燈管所設計，傳統螢光燈管(T8/T5)為360°發光特性，故有部分能量於燈管上端出光時已產生耗損，使得整體燈具效率大幅降低；反觀大多數LED燈管裸光源之出光角僅為120°之朗伯特光型，其燈具設計概念應與既有燈具有所不同，且出光效率可有效提升。
1. 光源能量分配
針對本研究之燈具設計目標，其最大光強度輸出角設定為30°，故依據表1所列之數值進行光束照射範圍之能量分配，用以做為燈具反射罩之設計依據，各角度範圍之目標光通量比例如表3所示：
表3 燈具設計之能量分配表
出射角度 0° 5° 10° 15° 20° 25° 30°

理想值 1 1.012 1.047 1.11 1.205 1.343 1.54
光強度均值   1.006 1.029 1.078 1.157 1.274 1.441
能量比值 14.4 % 14.7 % 15.4 % 16.6 % 18.2 % 20.7 %
2. 燈具反射罩設計
利用式(3)之拋物線方程式與光線反射原理，依據表3所述之能量分配，如圖4所示，首先將光源概分直接出光與一次反射出光之能量百分比，再利用非球面結構微調反射光束之出光角度，藉此達成理想配光曲線之輸出。

                                                     (3)
3. LED燈管光源參數
本研究所採用之LED燈管尺寸如圖5所示，圖6係經實際檢測之裸光源配光曲線，LED芯片為標準朗伯特光源，經燈管擴散結構後使得C0°-180°與C90°-270°水平面具有不同之分光特性，燈管耗電功率10 W、發光效率為80 lm/W，單一燈管輸出總光通量共800 lm，總體光效已可達到三波長T8螢光燈管之水平。

4. LED T-BAR燈具光學模擬
經由上述光源能量分析、反射罩基礎設計概念與光源參數之說明，本研究採用4只LED燈管作為照明光源，燈具設計之立體透視圖如圖7所示，採用TraceProv6.0進行光學模擬，每只燈管設定100,000根光束輸出並採用反射率82％之鋁板材質，燈具模擬之配光曲線如圖8所示，在燈具加裝5片格柵鋁片之條件下，整體燈具效率達91.4％且符合均勻配光曲線之能量分佈。

五、LED T-BAR燈具實測與性能分析
燈具以高效率與均勻配光曲線為目標，經由光學模擬軟體輔以效能分析，將此燈具規格實際開模試作，並將完成後之主體送至檢測中心測試，最後搭配照明模擬軟體驗證LED T-BAR燈具之性能分析。
1. LED T-BAR燈具實測數據
燈具經開模製作後採5片格柵板防止眩光，產品外觀如圖9所示，其效能經由量測中心認證符合表2所示之節能標章基準，整體燈具出光效率達90.3 ％，照明器具效率更可達65.4 lm/W，大幅超前節能標章之認證規範。燈具實際輸出之配光曲線如圖10所示，整體配光之功能需求符合圖8之模擬曲線，確實將朗伯特光型轉變為蝠翼型配光輸出，且光強分佈符合均勻配光之能量比例，適用於大面積高照明品質之優良光環境。

2. LED T-BAR燈具性能分析
對於本研究所設計之LED T-BAR燈具之性能評估，運用照明模擬軟體DIALux v4.8進行相關分析。由於燈具之C0°-180°水平面之配光已均勻展開，故可於兼顧照明品質之情況下減少燈具安裝數量，達成節能減碳之效。
（1）軟體模擬條件設定
性能分析之對象除了本研究所模擬燈具(圖8)與實測燈具(圖10)之外，另將LED燈管置入一般T8螢光燈所使用之T-BAR燈具作為第三參照對象，用以評估經光學設計之反射罩應用於LED燈管之效能。
軟體相關參數之設定如表4所示，為了解單一燈具與大量安裝之照明品質，故採用兩種空間進行模擬；對於燈具性能評比係採安裝後之初始照度為基準，故將維護係數設定為1；燈具安裝直接坎入天花板，故燈具與工作面高度之距離為1.9 m；為有效評估燈具配光曲線展角之重要性，故將燈具安裝距離大幅增加，其中縱向間距表示水平面C0°-180°軸向，橫向間距則為C90°-270°軸向；
表4 DIALux模擬軟體設定參數
空間尺寸(m) 單一燈具 7.2(L) × 6(W)× 2.7(H)
整體評估 13.8(L) × 11(W)× 2.7(H)
工作面高度(m) 0.8
維護係數 1
空間反射係數 0.7(天花板)  0.5(牆面)  0.2(地板)
燈具安裝方式 坎入式
燈具安裝間距(m) 縱向 3.6
橫向 3
等照度圖輸出方式 0.8Emax 0.63Emax  0.5Emax  0.25Emax  0.16Emax  0.1Emax
（2）單一燈具等照度圖
3組燈具之工作面照射範圍如圖11所示，由各燈具之等照度圖觀察0.5Emax以上之區域面積，其中模擬燈具約為7.38 m2(Emax＝278 lux)、實測燈具約7.05 m2(Emax＝283 lux)、參照燈具則僅約3.8 m2(Emax＝323 lux)。藉由光學單一燈具之均勻照度範圍可知，經光學設計之反射罩可大幅提昇有效照射範圍；反觀參照燈具僅於正下方得到最大照度，且工作面之照度分布將劇烈衰減。
（3）多燈具大面積等照度圖
藉由上述模擬可觀察單盞燈具之有效照射範圍，圖12係將3組燈具應用於大空間當中，為了減少燈具使用數量而加大燈具安裝間距，於151.8 m2之空間面積安裝16盞燈具，並藉此評估大量佈燈之照明品質。針對工作面之高度，其中模擬燈具為301 lux(均勻度0.707)、實測燈具為296 lux(均勻度0.731)、參照燈具則僅252 lux(均勻度0.518)。由此可知經光學設計之燈具於大面積安裝時除可維持整體空間極佳之均勻度，更有助於平均照度之全面提升；反觀參照燈具正下方雖具備最大照度，但由於有效照射範圍狹窄，使得整體環境之照明品質下滑，若欲達成與實測燈具相仿之照明水平，則需佈設為數眾多之燈具，唯有更加耗費能源之條件下才可實現。
（4）燈具性能整體評估
表5為單一燈具與多燈具大面積模擬數值之評估比較表，如此可清楚得知燈具配光曲線若未經光學設計均勻展開，則使得燈具正下方為照度極大值，周圍照度呈現急速衰減之現象，若欲於空間得到良好之照明品質，則需降低燈具安裝間距並增加總體數量，如此將提高初期投資成本與照明總耗能；反觀具備均勻配光曲線之燈具僅需單盞即可提供大範圍之有效照明範圍，更可於大空間的應用加大燈具安裝間距、減少燈具數量並具備良好照明品質，同時達到節能之效。
表5 燈具性能整體評估表 



六、結論
LED之優點有別於傳統光源，對於未來各種燈具設計皆需秉持「綠色照明」之信念，有效的利用其光束分佈之特色，並經良好之光學設計使其成為功能性之照明器具。
本研究所設計之LED T-BAR燈具俱備高效率與均勻配光之特性，其性能大幅超前目前市售窄角燈具，搭載既有LED燈管已可營造良好之照明品質，對於高光效LED時代的來臨，更能凸顯燈具卓越之優勢。
室內公共空間通常需要安裝龐大的燈具數量，這也代表耗電量的需求增加，倘若燈具可輸出大面積之均勻照射範圍，則將顛覆現有燈具佈設之概念，無須為了良好的平均照度與均勻度而縮短安裝間距，而是以燈具特性進行最佳化配置，有效減少燈具總體安裝數量，非但可達成優良且舒適之光環境，更降低照明耗能，響應全球目前極力推廣之「節能減碳」概念。
七、參考文獻
[1] 劉冠顯、蕭鈞毓、張智鴻，「新世代LED照明之發展與應用方向探討」，照明學刊，台灣照明學會，第25卷第3期，第36~44頁，2008年。
[2] 蕭弘清，照明節能技術篇，國立台灣科技大學電機系。
[3] 張智鴻，「人工智慧應用於室內照明最佳化設計之研究」，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程研究所，2006年7月。
[4] 陳保生，「LED燈管及反射罩之光學設計研究」，碩士論文，國立台灣科技大學電機工程研究所，2010年7月。
[5] 經濟部能源局，室內照明燈具節能標章能源效率基準及標示，能技字第09704023390號，2008年11月。