固定式山型及中東型LED燈具照明效率及品質研究

固定式山型及中東型

LED 燈具

照明效率及品質研究

內 政部建 築研 究所自 行研 究報告

中華民國

104 年 12 月

（本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

104301070000G0045 PG10405-0105

固定式山型及中東型

LED 燈具

照明效率及品質研究

研 究 人 員：蔡介峰 副研究員

內 政部建 築研 究所自 行研 究報告

中華民國104 年 12 月 （本報告內容及建議，純屬研究小組意見，不代表本機關意見）

ARCHITECTURE AND BUILDING RESEARCH INSTITUTE

MINISTRY OF THE INTERIOR

RESEARCH PROJECT REPORT

A Study on the Energy Efficiency and

Lighting Quality of Fixture LED

Triangular Type and Batten

Luminaires

BY

Chieh-Feng ,Tsai December, 2015

I

目

次

目次

... I

表次

... III

圖次

... VI

摘要

... XI

第一章

緒論 ... 1

第一節

研究動機與目的 ... 1

第二節

研究內容 ... 5

第三節

研究流程與步驟 ... 6

第二章

資料蒐集與文獻分析 ... 7

第一節

照明基本概念 ... 7

第二節

白光 LED 發光原理及燈具介紹 ... 17

第三節

LED 相關標準推展概況 ... 25

第三章

實驗儀器與流程簡介 ... 38

第一節

積分球量測系統 ... 38

第二節

配光曲線系統 ... 48

第四章

山型及中東型

LED 燈具照明效率及品質分析 . 58

第一節

65 公分以下山型及中東型 LED 燈具測試結果

與分析 ... 59

第二節

65 公分以上山型及中東型 LED 燈具測試結果

與分析 ... 84

第三節

山型及中東型 LED 燈具照明模擬與分析 ... 110

II

第四節

山型及中東型螢光燈具更換不同類型光源分析

... 136

第五節

討論與小結 ... 145

第五章

結論與建議 ... 156

第一節

結論 ... 156

第二節

建議 ... 158

附錄一

中東及山型 LED 燈具在各空間之模擬數據(65 公分

以下產品) ... 161

附錄二

中東及山型 LED 燈具在各空間之模擬數據(65 公分

以上產品) ... 179

附錄三

試驗燈具更換不同燈管模擬數據 ... 209

附錄四

期中會議記錄及處理情形 ... 229

附錄五

期末會議記錄及處理情形 ... 233

參考書目

... 235

III

表

次

表1-2.1 研究內容與進度說明 ... 5 表2-1.1 教育建築場所照度建議值 ... 8 表2-1.2 光色之色溫 ... 11 表2-1.3 UGR眩光指數與感受關係 ... 12 表2-2.1 LED燈管特性比較表 ... 21 表2-3.1 我國近年來有關LED公佈之國家標準 ... 25 表2-3.2 室內照明燈具節能標章能效基準 ... 29 表2-3.3 UL提出相關LED照明安全規範 ... 32 表2-3.4 美國能源之星「固態照明要求」對應的相關規範 ... 32 表2-3.5 IEC TC-34相關LED照明規範... 33 表2-3.6 大陸強制性產品認證 ... 36 表3-1 本所人工光與自然光實驗室通過TAF認證項目 ... 38 表3-2.1 燈具（源）量測環境需求表 ... 52 表3-2.2 燈具或光源尺寸與滑門移動距離關係表 ... 57 表4-1.1 試驗燈具(A)、(B)及(C)之比較表 ... 59 表4-1.2 樣本燈管(具)購買來源及價格資料 ... 60 表4-1.3 Ota 10W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 64 表4-1.4 Eve 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 65 表4-1.5 Wtc 10W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 65 表4-1.6 Age 10W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 66 表4-1.7 Tat 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 66 表4-1.8 Ene 12W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 67 表4-1.9 Mod 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 67 表4-1.10 Ltu 10W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 68 表4-1.11 Dan 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 68 表4-1.12 Chd 10W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 69

IV 表4-1.13 Eve(L) 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 69 表4-1.14 Wtc(L) 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 70 表4-1.15 Tat (L) 9W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 70 表4-2.1 試驗燈具(D)、(E)及(F)之比較表... 84 表4-2.2 樣本燈管(具)購買來源及價格資料 ... 85 表4-2.3 For 16W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 89 表4-2.4 Ine 20W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 90 表4-2.5 Age 21W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 90 表4-2.6 Est 20W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 91 表4-2.7 Est(L) 20W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 91 表4-2.8 Wtc 20W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 92 表4-2.9 Eve 18W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 92 表4-2.10 Ora 19W LED燈管放入不同燈具數據資料... 93 表4-2.11 Sol 18W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 93 表4-2.12 Tio 16W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 94 表4-2.13 Phi 16W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 94 表4-2.14 Eve (L) 18W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 95 表4-2.15 Tat 18W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 95 表4-2.16 Tat(L) 18W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 96 表4-2.17 Ota 20W LED燈管放入不同燈具數據資料 ... 96 表4-3.1 模擬空間尺寸 ... 110 表4-3.2 Ota 10W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) .... 114 表4-3.3 Eve 9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間)... 114 表4-3.4 Wtc 10W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 115 表4-3.5 Age 10W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 115 表4-3.6 Tat 9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 116 表4-3.7 Ene 12W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) .... 116 表4-3.8 Mod 9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) .... 117

V 表4-3.9 Ltu 10W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 117 表4-3.10 Dan 9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 118 表4-3.11 Chd 10W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 118 表4-3.12 Eve(L)9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) . 119 表4-3.13 Wtc(L)9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) . 119 表4-3.14 Tat (L)9W LED燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間).. 120 表4-3.15 省電型T8螢光燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) .. 120 表4-3.16 三波長T8螢光燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) . 121 表4-3.17 T5螢光燈管搭配不同燈具模擬數據(NO01空間) ... 121 表4-5.1 中東及山型LED燈具能源效率評析結果 ... 145 表4-5.2 中東及山型LED燈具功率因數評析結果 ... 147 表4-5.3 中東及山型 LED燈具均勻度評析結果 ... 149 表4-5.4 中東及山型LED燈具照明功率密度評析結果 ... 151 表4-5.5 中東及山型燈具運轉5年總成本評析結果(空間NO01) . 152 表4-5.6 中東及山型燈具運轉5年總成本評析結果(空間NO02) . 153 表4-5.7 中東及山型燈具運轉5年總成本評析結果(空間NO03) . 154

VI

圖

次

圖1-3.1 研究流程與步驟 ... 6 圖2-1.1 照度示意圖及量測儀器 ... 8 圖2-1.2 輝度示意圖及量測儀器 ... 10 圖2-1.3 8種彩度中等標準色板 ... 11 圖2-1.4 直接眩光 ... 12 圖2-1.5 反射眩光 ... 12 圖2-1.6 朗伯特餘弦定律示意圖 ... 16 圖2-2.1 LED 發光機制圖 ... 17 圖2-2.2 藍光LED＋黃色螢光粉光譜圖 ... 18 圖2-2.3 一體化RGB白光LEDs光譜圖 ... 19 圖2-2.4 單顆LED封裝後示意圖 ... 20 圖2-2.5 LED照明系統模組照片 ... 20 圖2-2.6 LED燈管 ... 22 圖2-2.7 LED燈管安裝示意圖 ... 22 圖2-2.8 中東型LED燈具圖面 ... 23 圖2-2.9 山型LED燈具圖面 ... 24 圖3-1.1 積分球球體... 40 圖3-1.2 光度計感測頭... 40 圖3-1.3 光度計感測頭所貼之濾片 ... 41 圖3-1.4 U1000電子顯示單元 ... 41 圖3-1.5 遮敝裝置 ... 42 圖3-1.6 輔助燈泡 ... 42 圖3-1.7 積分球剖面示意圖 ... 43 圖3-1.8 積分球量測系統線路 ... 43 圖3-1.9 歸零設定 ... 44 圖3-1.10 點亮標準燈20分鐘以上 ... 45 圖3-1.11 調整衰減器電位計 ... 45

VII 圖3-1.12 輔助燈泡移入積分球內 ... 46 圖3-1.13 輔助燈泡之間接照度值 ... 46 圖3-2.1 測角儀示意圖... 48 圖3-2.2 試件中心點位置 ... 54 圖3-2.3 EN 13032-1-2002試件中心點位置 ... 55 圖3-2.4 8個接頭端子（電源供應器側） ... 56 圖3-2.5 8個接頭端子（配光曲線儀側） ... 56 圖4-1.1 試驗燈具(A) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 61 圖4-1.2 試驗燈具(A) 安裝螢光燈管配光曲線圖（極座標） ... 61 圖4-1.3 試驗燈具(B) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 62 圖4-1.4 試驗燈具(B) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 62 圖4-1.5 試驗燈具(C) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 63 圖4-1.6 試驗燈具(C) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 63 圖4-1.7 試驗燈具(A)、(B)及(C) ... 64 圖4-1.8 LED燈管放入試驗燈具(A)、(B)及(C)之能源效率分佈圖 72 圖4-1.9 LED燈管放入試驗燈具(A)、(B)及(C)之燈具效率分佈圖 72 圖4-1.10 LED燈管放入試驗燈具(A)、(B)及(C)峰值光強度分佈圖73 圖4-1.11 LED燈管光通量與LED燈具(A)光通量關係圖 ... 74 圖4-1.12 LED燈管光束角與LED燈具(A)光束角關係圖 ... 74 圖4-1.13 LED燈管光束角與LED燈具(A)光束角關係圖 ... 75 圖4-1.14 LED燈管峰值光強度與LED燈具峰值光強度關係圖 ... 75 圖4-1.15 LED燈管眩光指數與LED燈具眩光指數關係圖 ... 75 圖4-1.16 LED燈管眩光指數與LED燈具眩光指數關係圖 ... 77 圖4-1.17 LED燈管功率因數與LED燈具功率因數關係圖 ... 78 圖4-1.18 LED燈具光通量與眩光指數關係圖 ... 78 圖4-1.19 LED燈具光通量與眩光指數關係圖 ... 79 圖4-1.20 LED燈具光通量與峰值光強度關係圖 ... 80 圖4-1.21 LED燈具峰值光強度與眩光指數關係圖 ... 80 圖4-1.22 LED燈具峰值光強度與眩光指數關係圖 ... 81

VIII 圖4-1.23 LED能源效率分佈圖 ... 82 圖4-1.24 LED燈具價格與能源效率關係圖 ... 82 圖4-1.25 單位價格LED燈具能源效率直方圖 ... 83 圖4-1.26 LED燈具價格與功率因素關係圖 ... 83 圖4-2.1 試驗燈具(D) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 86 圖4-2.2 試驗燈具(D) 安裝螢光燈管配光曲線圖（極座標） ... 86 圖4-2.3 試驗燈具(E) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 87 圖4-2.4 試驗燈具(E) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 87 圖4-2.5 試驗燈具(F) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 88 圖4-2.6 試驗燈具(F) 安裝LED燈管配光曲線圖（極座標） ... 88 圖4-2.7 試驗燈具(D)、(E)及(F) ... 89 圖4-2.8 LED燈管放入試驗燈具(D)、(E)及(F)之能源效率分佈圖 . 98 圖4-2.9 LED燈管放入試驗燈具(D)、(E)及(F)之燈具效率分佈圖 . 98 圖4-2.10 LED燈管放入試驗燈具(D)、(E)及(F)峰值光強度分佈圖 99 圖4-2.11 LED燈管光通量與LED燈具(D)光通量關係圖 ... 100 圖4-2.12 LED燈管光束角與LED燈具(D)光束角關係圖 ... 100 圖4-2.13 LED燈管光束角與LED燈具(D)光束角關係圖 ... 101 圖4-2.14 LED燈管峰值光強度與LED燈具峰值光強度關係圖 ... 102 圖4-2.15 LED燈管眩光指數與LED燈具眩光指數關係圖 ... 102 圖4-2.16 LED燈管眩光指數與LED燈具眩光指數關係圖 ... 103 圖4-2.17 LED燈管功率因數與LED燈具功率因數關係圖 ... 104 圖4-2.18 LED燈具光通量與眩光指數關係圖 ... 104 圖4-2.19 LED燈具光通量與眩光指數關係圖 ... 105 圖4-2.20 LED燈具光通量與峰值光強度關係圖 ... 106 圖4-2.21 LED燈具峰值光強度與眩光指數關係圖 ... 106 圖4-2.22 LED燈具峰值光強度與眩光指數關係圖 ... 107 圖4-2.23 LED能源效率分佈圖 ... 108 圖4-2.24 LED燈具價格與能源效率關係圖 ... 108 圖4-2.25 單位價格LED燈具能源效率直方圖 ... 109

IX 圖4-2.26 LED燈具價格與功率因素關係圖 ... 109 圖4-3.1 DIALux空間設定畫面 ... 112 圖4-3.2 DIALux等照度模擬圖及結果數據畫面 ... 113 圖4-3.3 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO01) ... 123 圖4-3.4 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO01) ... 123 圖4-3.5 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO02) ... 124 圖4-3.6 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO02) ... 124 圖4-3.7 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO03) ... 125 圖4-3.8 配置不同燈具之均勻度分佈圖(空間編號NO03) ... 125 圖4-3.9 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO01) .. 128 圖4-3.10 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO01) .. 128 圖4-3.11 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO02) .. 129 圖4-3.12 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO02) 129 圖4-3.13 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO03) .. 130 圖4-3.14 配置不同燈具之照明功率密度分佈圖(空間編號NO03) .. 130 圖4-3.15 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO01) 132 圖4-3.16 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO01) 133 圖4-3.17 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO02) 133 圖4-3.18 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO02) 134 圖4-3.19 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO03) 134 圖4-3.20 配置不同燈具之運轉5年總成本分佈圖(空間編號NO03) 135 圖4-4.1 試驗燈具(A)更換為不同種類光源之平均照度分佈圖 ... 137 圖4-4.2 試驗燈具(A)更換為不同種類光源之均勻度分佈圖 ... 138 圖4-4.3 試驗燈具(A)更換為不同種類光源之LPD分佈圖 ... 140 圖4-4.4 試驗燈具(D)更換為不同種類光源之平均照度分佈圖 ... 141 圖4-4.5 試驗燈具(D)更換為不同種類光源之均勻度分佈圖 ... 142 圖4-4.6 試驗燈具(D)更換為不同種類光源之LPD分佈圖 ... 144

XI

摘 要

關鍵詞：發光二極體、照明、山型及中東型 LED 燈具 一、研究緣起 照明是人類生活的基本需求，也幾乎是文明生活水準的重要 指標之一，長期以來由於人造光源的使用，使人們突破了黑暗的 限制，拓展了活動的時間與空間，從而也加速了人類文明的進步， 而伴隨著科技發展所帶來蓬勃的經貿活動及生活水準的提高，更 提升了整體照明用電的需求。依據經濟部能源局統計，臺灣照明 年用電量約為260億度占總用電之11.3%；若依建築使用分類，室 內照明約佔辦公室總用電之40%，佔住宅總用電之30%，因此合理 的減少照明用電在節能項目中為極具成效之選擇。

而發光二極體（Light Emitting Diodes,LEDs）光源具有諸多 特色，如體積小、冷發光、啟動快、無鉛汞、色飽和度高，常被 廣泛應用於交通號誌、通訊、顯示、車用電子等產業，近年來隨 著白光LED發光效率與演色性不斷的提升，至102年底LED晶片之 光效已經達到250 lm/W以上，且製造成本持續下降，性價比已與 高效率型螢光燈管、安定器內藏式螢光燈泡相當，未來有機會可 能成為室內照明主流產品之一。因此，有必要在應用面進一步解 析與評估。 為瞭解LED產品相關性能並與傳統光源比較，已於前期研究 針對嵌入式(T-BAR) LED燈具產品，共計完成97件LED燈管樣本及 114件T-BAR LED燈具之能源效率、燈具效率(LOR)、眩光指數、 峰值光強度、光束角、演色性及光譜等性能測試，並輔以DIALux 照明軟體分析252件模擬案例，探討T-BAR LED燈具在不同空間之 照度、均勻度、全年耗電量、照明功率密度、設置燈具成本、運 轉5年總成本分析，囿於目前直管系列之山型及中東型燈具仍常見 於住宅、教室、大型賣場、地下停車場等場所，因此，本(104)年 度賡續探討山型及中東型LED燈具，並進行大規模且有系統的研

XII 究分析，俾供應用參考。 二、研究方法及過程 本研究採用之方法及過程概述如下： （一）資料收集法： 賡續蒐集國內外有關 LED 照明應用規範與 LED 燈具技 術文獻，包括我國LED 標準發展概況、我國節能標章發展概 況、以及美國、日本及大陸等之 LED 標準發展概況。 （二）調查分析法 實際選定市售山型及中東型 LED 燈具及傳統燈具合計 102 件進行試驗，分析其照明效率及品質數據，包括能源效 率、功率因數、燈具效率(LOR)、眩光指數、峰值光強度、 光型、光束角等性能，並將試驗測試結果進行產品之相關性 能比對分析。 （三）電腦模擬法: 針對試驗調查結果，輔以 DIALux 電腦軟體分析設計， 探 討 上 開 燈 具 在 模 擬 空 間 NO01 （ 長 × 寬 × 高 為 5m×4.1m×3.2m）、模擬空間NO02（長×寬×高為 9m×7.2m×3m） 及模擬空間 NO03（長×寬×高為 24m×12m×3m）等共 306 件 模擬案例之不同空間之照度、均勻度、全年耗電量、照明功 率密度、設置燈具成本、運轉 5 年總成本分析等。 （四）比較分析法： 綜合資料蒐集、實驗量測及電腦模擬結果進行比較分析， 俾供後續未來制(修)訂規範或照明設計建議參考。 三、重要發現 本計畫依據挑選的試驗樣本及DIALux模擬結果分析，初步成 果與發現摘錄如後： （一）在燈具效率分析部分，前期T-BAR LED 燈具產品全體平均 值為 86.21％，而本次研究收集山型及中東型燈具產品，其全 體平均值為 96.93％，且由測試樣本實際測試配光曲線圖可以

XIII 發現，不同公司可能因光學設計技術差異有些許不同，但基 本上 LED 燈管直接安裝於山型或中東型燈具下方試驗燈具 之光型，均與前期研究所蒐集 LED 燈管產品類似，均接近朗 伯特(Lambertian)向下出光。 （二）另統計本次山型及中東型燈具樣品之能源效率84 件中有 41 件約 49％達到經濟部能源局 2013 年公告修訂實施之「室內 照明燈具節能標章能效基準」，明顯高於原訂定20 至 30%的 產品（或銷售量）能通過標準為原則，似乎有再調整檢討空 間。 （三）控制眩光可以減少眼睛不舒適或避免降低視覺能力，前期 T-BAR LED 燈具產品與 LED 燈管比較 UGR 眩光指數平均下

降約 3.3，而山型及中東型燈具產品與 LED 燈管比較 UGR 眩 光指數平均下降約 1.4，顯見 T-BAR LED 燈具之格柵設計， 可避免人眼直視高輝度光源，較能發揮控制眩光之效果。 （四）在符合設定目標照度500 lx 條件下，前期 T-BAR LED 燈具 產品全體均勻度 0.759；而本次研究收集山型及中東型燈具產 品，在相同模擬條件下，全體均勻度0.787，明顯在照明均勻 化部分較 T-BAR LED 燈具產品好。 （五）在運轉總成本分析部分，本研究模擬條件採用目標照度500 lx、 螢光燈管壽命 7,000 hr、LED 燈管壽命 20,000 hr，流動電費 以每度 4 元概算，以每年 2,000 小時點燈（每天用電 8 小時， 年用電 250 天）時間計算，模擬結果運轉 5 年總成本（含照 明器具費用及電費），彙整如表4-5.5～4-5.7，雖本次收集 LED 燈具能源效率較佳，但因市場價格因素，仍以安裝三波長 T8 或T5 為最佳方案，囿於既有建築約每 20 年進行大規模整建， 經初步估算在該段期間內，更換 LED 燈管成本目前仍難以攤 平。 （六）本研究探討既有山型及中東型螢光燈具之燈管更換為LED 燈 管，在空間照度、均勻度方面確實會有差異，尤其在 65 公分

XIV 以上產品，40 W 省電型 T8 更換為 LED 燈管，各空間工作面 之平均照度明顯下降，模擬案例工作面之全體照度平均值下 降約 53 lx，顯見 LED 廠商宣稱可以直接汰換螢光燈管並不 可行，需重新檢討空間照明環境品質參數，或者更改 LED 燈 管光通量之設計，避免過量設計或不足情況發生。 四、主要建議事項 （一）LED 光源效率衰減及耐久性實驗研究：立即可行建議 主辦機關：內政部建築研究所 協辦機關：經濟部能源局 市售之LED 光源產品除節能效率佳外，產品的高壽命也是 許 多 廠 商 主 要 之 訴 求 重 點 ， 目 前 很 多 產 品 標 稱 壽 命 從 15,000~60,000 小時不等，約有近 4 倍的壽命差異，而目前國內 似乎未有相關耐久性實驗分析研究資料供參，致現行照明節能 設計的效益評估，仍存在相當不確定性，亟待蒐集相關驗證資 料，輔以達成推動照明節能的策略目標。 本(104)年度本研究已延續先期挑選 12 件安定器內藏式 LED 燈泡產品，以每點燈 500 小時量測 1 次光通量、色溫及演 色性數值，目前已進行至10,500 小時，因此，擬賡續探討 LED 光源效率衰減及耐久性，期能有效提供政府在推行制訂節能減 碳及優質照明相關政策之依據，以及消費者響應政府政策汰換 更新節能光源或燈具產品之參考。 （二）高效率均勻化之LED 照明產品協助開發與推廣：中長期建議 主辦機關：經濟部能源局 協辦機關：內政部建築研究所 經濟部能源局為鼓勵廠商生產高效率商品，引導消費者買 到真正省能的產品，藉以創造出經濟性的誘因，積極推動「節 能標章」認證，取得認證之產品，代表能源效率比國家認證標 準高 10-50%，不但品質有保障，更省能省錢。惟 2013 年修訂 公告實施之「室內照明燈具節能標章能效基準」，目前僅針對燈

XV 具之能源效率、眩光指數及演色性進行規範，而照度均勻度要 求則付之闕如，尤其近年來，照明均勻度逐漸受到重視，配光 不佳之燈具為追求良好照明均勻度，往往必須過量設計，使的 空間照度偏高，產生照明耗電量增加之情況。因此建議研訂相 關基準，俾利高效率均勻化之 LED 照明產品開發與推廣。 （三）LED 燈管性能標準規範研(修)訂：中長期建議 主辦機關：經濟部標準檢驗局 協辦機關：內政部建築研究所 經 查 國 家 標 準 關 於 LED 燈 管 性 能 部 分 ， 目 前 僅 有 CNS15438-2010「雙燈帽直管型 LED 光源-安全性要求」，其他 付之闕如，且LED 燈管重量約 T5 燈管 2～3 倍，在汰換上恐有 問題，建議比照 CNS15630「一般照明用安定器內藏式 LED 燈 泡 (供應電壓大於 50 V)－性能要求」，進行 LED 燈管性能檢 測標準制定之可行性研究，俾確保室內照明環境品質。

XVII

Abstract

Keywords: Light Eemitting Diodes(LEDs), lighting, Triangular Type and Batten luminaires

Light-emitting diodes(LEDs) have come to be regarded as an important light source in recent years due to their many advantages such as compact forms, cold lighting, faster switching, lead-free mercury-free, high color saturation…etc. LEDs have gradually replaced traditional light sources such as traffic signals, display, automotive lighting. In 2012, the luminous efficacy of LEDs is almost equivalent to those of high efficiently fluorescent tubes, compact fluorescent lamps and compact fluorescent light bulb. So we can forecast in the future the LEDs lighting fixtures will become the mainstream of indoor lighting merchants.

However, at present there is still no enough information provided for differentiating the energy efficiency and lighting quality of LED tube lamps or Triangular Type and Batten LED luminaries on the market. In particular, LEDs due to its highly directional luminescence and spotlight lighting, there are potential problems applied to general lighting systems such as uniformity, glare…etc. Standardization of LED tube lamps or Triangular Type and Batten LED luminaries’ performance requirements is an important first step towards comparison LED luminarie manufacture claims. But the CNS (Chinese National Standards) up to now only published one about Triangular Type and Batten LED luminaries performance requirement documents: CNS 15438-2010 「Double-capped LED tubular lamps – Safety requirements」. The documents was mainly developed on safety norm and measuring

XVIII

methods of LED tube lamps. At the moment there are no correlated lighting quality criteria to follow suit.

The purpose of this study is experimental analysis of energy efficiency and lighting quality for LED tube lamps and Triangular Type and Batten LED luminaries. The energy efficiency includes luminous efficiency, light output ratio (LOR) and lighting power density (LPD). The lighting quality includes glare, illuminance and beam angle. In addition, the lighting design software “DIALux” is applied to evaluate the indoor lighting parameters, including the average illuminance, illuminance uniformity, contrast uniformity and lighting power density etc. Based on this study, the immediate and long-term suggestions are proposed as follows:

1.For immediate suggestion: The luminous efficiency decay and durability of LED were crucial to assess the lighting energy saving design. The author suggested to investigate and analyze the efficiency decay and durability of LED in the future.

2.For long-term suggestion: Bureau of Energy 2013 「 Energy Conservation Labeling Program requirements for interior luminaires 」 specified luminous efficiency, glare and color rendering index (CRI) for interior luminaires. But the illumination uniformity was not included in the above document. The author suggested subsuming it into the code to improve the interior lighting quality.

3.For long-term suggestion: The current CNS 15438-2010 was mainly developed on safety norm and measuring methods of LED tube lamps. The author suggested to amend the above document and included performance requirements for LED tube lamps.

These informations shall provide a frame of reference when the government sets up the relevant polices.

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第一章

緒 論

第一節

研究動機與目的

照明是人類生活的基本需求，也幾乎是文明生活水準的重要 指標之一，長期以來由於人造光源的使用，使人們突破了黑暗的 限制，拓展了活動的時間與空間，從而也加速了人類文明的進步， 而伴隨著科技發展所帶來蓬勃的經貿活動及生活水準的提高，更 提升了整體照明用電的需求。依據經濟部能源局統計，臺灣照明 年用電量約為260億度占總用電之11.3%；若依建築使用分類，室 內照明約佔辦公室總用電之40%，佔住宅總用電之30%，因此合理 的減少照明用電在節能項目中為極具成效之選擇。 在節能減碳的趨勢下，美、英、日及歐盟等國家相繼宣布， 將自2014年起全面禁用與禁止生產白熾燈。我國已於民國100年1 月1日起對指定能源用戶實施第二階段的禁用白熾燈泡規定。依據 經濟部能源局99年「能源技術白皮書」內容，我國已於101年1月1 日全國禁止生產及銷售白熾燈泡。此外，中國大陸已由2009年至 2015年分三階段積極推動「十城萬盞」計畫，在中國21個試點城 市使用100萬盞LED 燈具，以全面落實節能用電目標。事實上， 我國也在96年宣佈「照明節能推動計畫」，第一階段目標為使用 省電燈泡取代傳統照明(白熾燈泡)。第二階段則是以LED 燈泡做 為最終解決照明(耗能)的方案，並預估在LED普及之後可大幅降低 我國的照明用電約40%，相當於107億度電。

由於發光二極體（Light Emitting Diodes,LEDs）光源具有諸 多特色，如體積小、冷發光、啟動快、無鉛汞、色飽和度高，常 被廣泛應用於交通號誌、通訊、顯示、車用電子等產業，目前依 據其使用特性可概分為替代光源產品（Replacement Lamps）、字 型燈（Channel Letter）、建築照明（Architectural Lighting）、零

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售展示用照明（Retail Display）、消費者手持式照明（Consumer

Portable）、居住用照明（Residential）、娛樂用照明（Entertainment）、

機械影像/檢查（Machine Vision）、安全/保全（Safety/Security）、

屋 外 用 照 明 （ Outdoor Area ） 、 商 業 / 工 業 照 明

（Commercial/Industrial）、離網型照明（Off-Grid）等12類，而根 據Strategies Unlimited （2007）統計，建築照明（Architectural Lighting）應用約占總應用比率45%，其次為字型燈（Channel Letter） 約占15%，之後為消費者手持式照明（Consumer Portable）約占13%， 其餘應用領域皆在0%~6%間。 近年來隨著白光LED發光效率與演色性不斷的提升，至去 (102)年底LED晶片之光效已經達到250 lm/W以上，且製造成本持 續下降，性價比已與高效率型螢光燈管、安定器內藏式螢光燈泡 相當，未來有機會可能成為室內照明主流產品之一。因此，有必 要在應用面進一步解析與評估。 為瞭解LED產品相關性能並與傳統光源比較，已分別於102 年度及103年度參酌經濟部能源局2008年公告「室內照明燈具節能 標章能效基準」燈具長度之分類，針對嵌入式(T-BAR) LED燈具產 品，共計完成97件LED燈管樣本及114件T-BAR LED燈具之能源效 率、燈具效率(LOR)、眩光指數、峰值光強度、光束角、演色性及 光譜等性能測試，並輔以DIALux照明軟體分析252件模擬案例， 探討T-BAR LED燈具在不同空間之照度、均勻度、全年耗電量、 照明功率密度、設置燈具成本、運轉5年總成本分析，前期研究成 果摘錄如後： 1.前期研究收集的15類共計45件市售長度65公分以上LED燈管產 品，其發光效率之平均值約為88 lm/W，13類共計52件市售65 公分以下LED燈管產品之平均值約為85 lm/W，另從統計資料顯 示，LED燈管之發光效率與價格及色溫無絕對的對應關係。 2.由LED燈管測試樣本實際測試配光曲線圖可以發現，不同公司 可能因光學設計技術差異有些許不同，但基本上光型均接近朗

3 伯特(Lambertian)向下出光。 3.由實測結果可以發現，晝光色系產品約在藍光區（450 nm）及黃光 區（550 nm）各有一個主成分波，而屬於暖色系產品約在藍光區 及橙光區各有一個主成分波，另從統計結果可發現45件市售長度 65公分以上LED光源產品之平均演色性指數約在87.0~69.5，其 中有30件LED燈管之演色性可達80以上，另有24件產品無標稱 該項數值，52件市售65公分以下LED燈管產品之平均值約為 79.7，但亦有20件產品無標稱該項數值，顯見目前LED燈管市 場標稱相當混亂，建議主管機關盡速訂定相關標準，俾供消費 者選購參考。 4.前期所選取的52件65公分以下LED燈管產品，其眩光指數約在 25～20之間，平均值約為23，而依續將LED燈管放入組成之39 件T-BAR LED燈具產品，其眩光指數平均值約為19.4，顯見 T-BAR LED燈具之格柵設計，可避免人眼直視高輝度光源，除 了T8或T5螢光燈管，對於LED燈管亦可發揮控制眩光之效果， 另65公分以上LED光源放入T-BAR LED燈具產品，眩光指數亦 有相同下降趨勢。 5.在符合設定目標照度500 lx條件下，目前T-BAR LED燈具在照明 均勻度部分與一般T-BAR螢光燈具相當，而在燈具形狀因子分 析部分，以正方形T-BAR LED試 驗 燈 具 之 均 勻 度 最 佳 。 6.在舊有T-BAR螢光燈具之燈管更換為LED燈管分析部分，依整 體試驗結果來看，廠商宣稱可以直接汰換舊有T-BAR螢光燈具 之T5或T8螢光燈管並不可行，需重新檢討空間照明環境品質參 數，包括照度、均勻度及眩光等，避免過量設計或不足情況發 生。 囿於目前直管系列之山型及中東型燈具仍常見於住宅、教室、 大型賣場、地下停車場等場所，因此，本(104)年度擬賡續探討山 型及中東型LED燈具，並進行大規模且有系統的研究分析，俾供 應用參考。

4 本研究採用之方法主要包括以下項目： （一）資料收集法： 賡續蒐集國內外有關LED 照明應用規範與 LED 燈具 技術文獻。 （二）調查分析法 實際選定市售山型及中東型 LED 燈具至少各 30 件 進行試驗，分析其照明效率及品質數據，包括能源效率、 功率因數、燈具效率(LOR)、眩光指數、峰值光強度、光 型、光束角、演色性及光譜等性能。 （三）電腦模擬法: 針對試驗調查結果，輔 以 DIALux 電腦軟體模擬設 計，探討中東及山型LED 燈具在不同空間之照度、均勻 度、照明功率密度、全年耗電量、設置燈具成本、運轉5 年總成本分析等。 （四）比較分析法： 綜合資料蒐集、實驗量測、電腦模擬及前期研究成 果進行比較分析，俾供後續未來制(修)訂規範或照明設計 建議參考。

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第二節

研究內容

表1-2.1 研究內容與進度說明 月 工作項目 第 一 月 第 二 月 第 三 月 第 四 月 第 五 月 第 六 月 第 七 月 第 八 月 第 九 月 第 十 月 備註 相關文獻資料蒐集與 整理 國內LED 照明標準 之探討 國外LED 照明應用 規範與基準之探討 山型LED 燈具之照 明效率與品質試驗 期中簡報 中東型LED 燈具之 照明效率與品質試驗 光學軟體模擬設計 提出國內相關照明標 準及設計建議 期末簡報 期末報告修正並完成 成果報告 預定進度 (累積數) 10 % 20 % 30 % 40 % 50 % 60 % 70 % 80 % 90 % 100 % 說明：研究進度以粗線表示其起訖日期。

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第三節

研究流程與步驟

與規範建議值 分析比較 光譜分佈、色溫及演 色性等量測 燈具消耗功率量測 照明模擬設計 相關文獻與標準之收集 界定研究範圍及條件 燈具光學性質量測 DIAlux軟體模擬 燈管光學性能量測 配光曲線及眩光量測 模擬實驗模型建立 提出國內相關照明標準 及設計建議 結論與建議 研究緣起與目的 期末報告 國內外照明標準規範分析 結果分析評估 圖1-3.1 研究流程與步驟

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第二章

資料蒐集與文獻分析

自從愛迪生發明了白熾燈，掀開了人類照明史的第一頁，隨著科 技的發展，從日光燈到節能燈，從水銀燈到高壓鈉燈、複金屬燈等氣 體放電燈的相繼問世，以及 LED 新光源的推出，照明領域取得了一 個又一個的進步，本章主要介紹、照明基本概念、白光 LED 的發光 基本原理，並概略性的介紹現階段市面上所出產有關T-BAR LED 燈 具照明產品，及LED 相關標準發展現況，俾供參考。

第一節照明基本概念

一、 照度（Illuminance）： 物體或被照面上被光源照射所呈現的光亮程度，稱為照度， 單位為勒克斯(lux，或簡寫 lx)。一般來說，要求事物看得越清楚， 越需要有高的照度。要使照度之質越好，則照度要求越高。雖然 照度之強度是視覺之基本條件，但並非意味著強度愈大，對視覺 愈有利。強度增加視覺靈敏度也增加，強度低靈敏度也低，但強 度高到某種程度時，視力即停止增進，而低於某一限度時，視力 亦會呈緩慢減退。 我國 CNS 12112-2012「室內工作場所照明標準」訂有照度 標準，此標準依據各場所之空間、作業與活動性質不同，訂定不 同照度標準，列舉包括「一般建築」等 31 類 244 種室內作業空 間或活動種類照度基準，以「教育建築」類為例，照度建議值如 表2-1.1 所示。 而照度值係以目視作業面之水平面為量測基準（若無特別指 定作業面高度，以距地板上0.85m 為準，走廊、屋外以地面高度 計算），量測方法採用CNS 5065-1988「照度測定法」，將受測區

8 域等分為大小相同之面積，以切割交點為測點，總數為 10~50 點。 圖2-1.1 照度示意圖及量測儀器 （資料來源：內政部建築研究所，2013） 表2-1.1 教育建築場所照度建議值 室內、作業或活動種類 Em(lux) UGR Ra 備註 （1）遊戲室 500 19 80 （2）托兒所 500 19 80 （3）托兒所勞作室 500 19 80 （4）教室 500 19 80 建議可調光 （5）夜校教室、成人教育教室 500 19 80 （6）演講廳 500 19 80 建議可調光 （7）黑板 750 19 80 防止鏡面反射 （8）實習桌 500 19 80 於講座廳750 lux （9）美術、手工教室 500 19 80 （10）美術學校美術室 750 19 90 Tcp至少5,000 K （11）製圖室 750 16 80 （12）實習室、實驗室 500 19 80 （13）教學實習工廠 500 19 80 （14）音樂練習室 300 19 80 lux

9 （15）電腦教室 500 19 80 （16）語言實習室 300 19 80 （17）準備室、討論室 500 22 80 （18）學生討論室、集合廳 200 22 80 （19）教師辦公室 300 22 80 （20）體育館、游泳池 500 19 80 （資料來源︰CNS12112-2012） 二、輝度（Luminance）： 輝度係指光源體在某方向上，每單位投影面積所發出的光強 度，可用來評估發光體對眼睛的刺激程度，單位為 cd/m2，空間 中良好平衡之輝度分佈可以提昇視覺敏銳性、對比敏感性及視覺 功效；然視野內多變的輝度分佈可能會產生下列照明效果影響視 覺舒適度，宜予以避免： (1)太強的輝度會引起眩光 (2)太強的輝度對比會引起眼睛的反復適應調節而造成視覺疲勞 (3)太低的輝度和太低的輝度對比會使工作環境枯燥乏味 (4)宜注意在建築物內不同區域間走動的視覺適應問題 由於視覺輝度與室內表面裝修材料反射率與照度有關， CNS12112-2012 建議表面實效反射率範圍： (1)天花板：0.6~0.9 (2)牆 面：0.3~0.8 (3)作業面：0.2~0.6 (4)地 面：0.1~0.5

10 圖2-1.2 輝度示意圖及量測儀器 （資料來源：內政部建築研究所，2013） 三、均勻度（Uniformity）： 均勻度是空間照度最小值與平均值間的比值。照度應當是漸 變的，應盡可能均勻地照亮作業區。CNS12112-2012 建議作業面 照度均勻度不應小於0.7，周邊環境的照度均勻度不應小於 0.5。 四、顏色特性（Colour aspects） 燈光源之顏色品質係來自二大特性：(1)燈光源本身的光色(2) 演色能力，它會影響受照物體和人的顏色呈現 1.光色（Colour appearance） 燈光源的光色與其射出的光線的外觀顏色(燈色)有關。光色 得以與其相關的色溫(Correlated Color Temperature)形容之其射

出的光線的。而色溫是以絕對溫度K (kelvin)來表示，乃是將一 標準黑體加熱，溫度升高至某一程度時顏色開始由深紅→淺紅→ 橙黃→白→藍白→藍，逐漸改變，利用這種光色變化的特性，某 種光源的光色與黑體的光色相同時，我們將黑體當時的絕對溫度 稱為該光源之色溫。 目前 CNS12112-2012 依其對應之色溫(Tcp)區分為三種光色 類別，如表2-1.2 所示。 cd/m2 cd/m2

11 表2-1.2 光色之色溫 光色 色溫 暖色 色溫＜3,300 K 中間色 3,300 K＜色溫＜5,300 K 冷色 色溫＞5,300 K （資料來源︰CNS12112-2012） 2.演色性（Colour rendering） 為提供光源演色性有客觀表現方式，採用平均演色性指數 Ra，演色指數 Ra 之最大值為 100，其數字隨著演色品質之降低 而減小。而演色指數係以 8 種彩度中等的標準色樣來檢驗，比 較 在 測 試 光 源 下 與 在 同 色 溫 的 基 準 光 源 下 此 8 色 的 偏 離 (deviation)程度，取平均偏差值，計算所得。 圖2-1.3 8 種彩度中等標準色板 （資料來源：內政部建築研究所，2013） 五、眩光（Glare） 眩光係指對視野內之高輝度區域的一種視覺感受，會呈現不 舒適眩光或失能眩光。眩光亦可由鏡面表面引起，稱為光幕反射 或反射眩光。控制眩光對於避免差錯、疲勞和事故尤為重要。 在室內工作場所，不舒適眩光通常是由明亮的光源或窗直接 引起的，若符合不舒適眩光限制之要求，則失能眩光並非為主要 問題。CNS12112-2012 建議燈具之不舒適眩光等級可以用 CIE 統一眩光指數(UGR)求出，根據下列公式：

12       _   



2 ₂ b p L L 25 . 0 log 8 UGR (2-1.1 式) 式中，Lb：背景輝度(cd/m2) L：觀察者眼睛方向的每個燈具之發光部分的輝度(cd/m2) ω：觀察者眼睛方向的每個燈具之發光部分的立體角 P：每個獨立光源相對於其距離視線偏移量高斯位置指數 圖2-1.4 直接眩光 圖2-1.5 反射眩光 表2-1.3 UGR眩光指數與感受關係 等級 UGR值 剛無法容忍 31 不舒適的 28 剛不舒適 25 不被接受的 22 剛可接受 19 可察覺出 16 不可察覺出 10

13 六、電磁相容（Electromagnetic Compatibility，EMC） 電機設備和電子產品在使用過程中可能產生電磁輻射，以致 干擾其他設備之正常運作，甚至影響人體健康。因此全球主要經 濟體的國家已先後立法規範，要求任何產品所產生的電磁輻射必 須符合電磁干擾/相容的法規標準，以我國為例，目前本(103)年 9 月 29 日新修訂公告 CNS15437「輕鋼架天花板(T-BAR)嵌入型 發光二極體燈具」，已將電磁雜訊相關規定納入，測試結果需符 合CNS 14115 「電氣照明與類似設備之射頻擾動限制值與量測 方法」之規定。 七、藍光可能危害及光生物安全性 目前 LED 照明產品有一大塊應用藍光激發黃色(YAG)螢光 粉產生白光之技術，因此對於藍光危害方面時有疑慮，國內外相 關研究持續進行中，惟至今尚無定論。 而隨著 LED 光效、亮度不斷的提升，應用逐漸廣泛，它的 安全性就顯得更重要，目前CNS 15592「光源及光源系統之光生 物安全性」，已將相關規定納入，主要測量光源/燈具的「光幅照 度(Irradiance) 」和「光幅亮度(Radiance) 」，用以評估光輻射對 眼睛及皮膚所產生的危害，並分為無風險類別(0)、低度風險(1)、 中度風險(2)及高度風險(3)等 4 個級別，評估光源波長範圍 200nm ～3000nm，內容包括： (1)皮膚及眼睛光化學 UV 危害暴露限制(200 nm-400 nm)-ES

(2)眼睛 UVA 危害暴露限制(315 nm-400 nm)-EUVA

(3)視網膜藍光危害暴露限制(300 nm-700 nm)-LB

(4)小型光源視網膜藍光危害暴露限制(300 nm-700 nm)-EB

(5)視網膜熱危害暴露限制(380 nm-1400 nm)-LR

(6)微弱視覺刺激視網膜熱危害暴露限制(780 nm-1400 nm)-LIR

14 (8)皮膚熱危害暴露限制(380 nm-3000 nm)-EH 國際間普遍要求 LED 照明產品須符合風險類別(0)或風險類別 (1)，而目前 LED 燈泡及 LED 燈管所對應之安全性檢測標準 CNS 15436 及 CNS 15438 均已要求須符合 CNS 15592 或 IEC 62471 中風險類別(0)或風險類別(1)，若 LED 產品評估果符合風險類別 (0)，則可確信光輻射對於視網膜及皮膚等人體組織之危害性極 低，惟 CNS 15592 僅針對光輻射對人體生理方面之評估，不涵 蓋對心理層面之影響。 八、照明其他重要物理量： 1.光通量(Luminous Flux)： 光通量用於測量一個非方向性的光源，在任意時刻，任意方 向上輸出可見光的總和，單位為流明(lm)，例如 60 瓦普通白熾 燈的光通量約700 lm、40 瓦 T8 螢光燈管的的光通量約 2,500 lm。 2.光強度(Luminous Intensity)： 在特定方向角上發出的可見光的強度稱之為光強度，單位為 燭光（candle，cd，lm/sr）。

3.配光曲線(Distribution Curve of Luminous Intensity)：

以極座標圖表示燈具(源)空間發光強度分佈情形，單位為 cd/klm 或直接以 cd 為單位。 4.光束角(beam angle)： 光束在兩方向的發光強度為尖峰光強度的 50％時，所涵蓋 的角度。 5.佈光角(field angle)： 光束在兩方向的發光強度為尖峰光強度的 10％時，所涵蓋 的角度。

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6.發光效率(Efficacy)：

單位電能點亮燈具(源)產生之流明數，單位: lm/W，其數值 越高，表示發光效率愈高。

7.燈具效率(Luminaire Efficiency; LOR=Light output ratio)

燈具實際發出之光通量佔內含光源所發出光通量比值，可在 細分ULOR(向上)、DLOR(向下)。 8.利用係數CU(coefficient of utilization)： 指到達作業面之光通量與光源輸出總光通量比率。 9.室指數RI（room index）： RI=L×W/(H×(L+W)) 式中，W：室寬 L：室長

10.空間比RCR(room cavity ratio) RCR=5H×(L+W)/(L×W)=5/RI 式中，W：室寬

L：室長 H：室高

11.眩光限制曲線(Glare Limitation Curves)：

在視角45~85 度範圍內，依據照度水平與視覺工作特性建立 之眩光限制臨界線，分為兩組六條曲線，其中第一組: 視覺工作 普通到困難、第二組: 視覺工作較簡易，以核對燈具安裝環境的 特性，選擇一條眩光限制曲線，再比較燈具亮度曲線是否皆位於 該曲線之左側。 12.朗伯特(Lambertian)餘弦定律： 不同角度的光強度與該角度和反射面法線的餘弦量成正 比，若假設法線上光強度為I，和法線夾 θ 方線之光強度為 Iθ， 則

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Iθ=I cosθ (2-1.2 式)

圖2-1.6 朗伯特餘弦定律示意圖 （資料來源：wikipedia網站）

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第二節

白光LED 發光原理及燈具介紹

發光二極體的英文名稱為Light Emitting Diodes，簡稱為 LEDs，

主要是由Ⅲ-Ⅴ半導體材料或是Ⅱ-Ⅵ材料製成的 P-N 二極體，而 PN 接面產生的電位能使導電帶（conduction band）和價電帶（valance band）

彎曲，阻止電子和電洞流動；若將順向偏壓的正電壓接於 P 型半導 體，負電壓接於N 型半導體，讓半導體內部的費米能階（Fermi level） 不再對齊，使PN 接面能階障礙降低，大量的電子和電洞會受到電場 的 驅 動 在 半 導 體 材 料 中 流 動 到 PN 接 面 空 乏 區 進 行 復 合 (recombination)而產生自發光(spontaneous emission)，如圖 2-2.1，可將 電能轉換成光能的高效率冷光發光元件。 圖 2-2.1 LED 發光機制圖 （資料來源︰本研究整理） LED 依使用材料的不同，其電子和電洞在傳導帶和價電帶中所 佔的能階也會不同，電子跟電洞之間的能階差高低會影響結合成光子

的能量，故LED 發出的波長主要會受材料能隙（energy bandgap）的

影響，可以利用能量守恆原理，以下式簡易計算發光的波長。

λ=1240/Eg(nm) (2-2.1 式)

18 一、白光LED 發光原理 目前LED 發出的光色是單一的，需靠一些混光方式，才能 得到所要的白光，故現階段的高功率白光LEDs 製程可分為下面 幾種： 1.藍光LED＋黃色螢光粉 自日本 Nichia(日亞)公司成功開發氮化銦鎵(InGaN)藍光 LED 後，藍光發光二極體加上黃色螢光粉已成為白光 LED 製作 方式的主流，其發光原理主要利用藍光二極體發出 460nm 波長 的藍光，激發黃色螢光粉體吸收藍光轉換成 555nm 的黃光，再 與未被吸收的藍光相互混合，得到混色的白光，目前最常見的黃 色螢光粉係由釔鋁石榴石(yttrium aluminum garnet, YAG)所製成

的，其化學式為Y3Al5O12。 目前此方法所生產製白光 LEDs 之光通量會比其他技術要 高，且價格較便宜，廣為業界採用。然該方法也有部分缺點，例 如若螢光粉之效率未達到完全能量轉換，會使許多能量轉換成熱 能釋放，造成LED 整體溫度升高，使光轉換效率變差及產生波 長飄移現象，造成 LED 光源色溫會隨著垂直角之變化，而有所 不同的色偏現象。 圖2-2.2 藍光 LED＋黃色螢光粉光譜圖 （資料來源︰高功率白光LED 照明之光學設計，2009）

19 2.UV LED＋RGB螢光粉 UV 發光二極體搭配 RGB 螢光粉方法的原理，跟目前家用 的日光燈發光原理是一樣的，利用 UV 二極體發出紫外線波段的 光，去激發塗佈在 UV 二極體外圍的 RGB 三色螢光粉，完全吸 收紫外光轉換成 RGB 三原色，得到白光，由於它是利用 RGB 三種顏色混合變成白光，所以色再現性很高。但目前由於UV 二 極體的發光效率不高，且所使用的螢光粉並非針對紫外光作激發， 使光轉換效率較低，及考量紫外光會使封裝樹脂與螢光粉劣化， 需額外開發抗紫外光材料等因素，目前業界較少應用產品。 3.一體化 RGB 白光 LED 將 RGB LED 二極體直接封裝在一起，調整 RGB 二極體發 出的光通量比例，直接配成白光，此方法是最早被用於製造白光 的方式，因為是由二極體發光直接混成白光，不需經過螢光粉轉 換，會有較佳的發光效率，而且可利用電路控制，達到全彩的效 果。但一體化RGB 的混光目前存在一些問題須克服： (1) 受限於施加的電流量受到限制，不易獲得高輸出效果。 (2)RGB 二極體為個別獨立個體，故需給一段的混光距離才能得 均勻白光，否則易見 RGB 三光色。 (3) RGB 二極體因時間的衰減量不一，混出的白光會隨時間變化 而改變，需配合感測器適時的調整片電流量，維持穩定的光 色。

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圖2-2.3 一體化 RGB 白光 LEDs 光譜圖

（資料來源︰高功率白光LED 照明之光學設計，2009）

二、LED 照明系統架構

LED 照明系統由 LED 光源、LED 驅動電路、控制系統、反 射罩或透鏡等二次光學機構、散熱機構所構成。LED 光源如同 螢光燈、複金屬燈、省電燈泡般，是負責提供光線輸出的光源體； LED 驅動電路，是將市電或其他來源提供的電力，轉換成適合 驅動LED 的電壓或電流，提供 LED 適當的電力。控制系統主要 控制 LED 光源的亮度、顏色等功能；二次光學機構則是透過折 射或反射的原理，將 LED 光源所發出的光線投射到適當的照明 空間，或者變成特殊的光線輸出角度，達到聚光或散光等功能。 散熱機構則是藉由導熱機構及散熱機構，將 LED 光源所發出的 熱傳導至外界環境。 圖2-2.4 單顆 LED 封裝後示意圖

21 圖 2-2.5 LED 照明系統模組照片 （資料來源：內政部建築研究所，2013） 三、直管型 LED 燈管種類與應用 囿於長久以來，消費者使用習慣對螢光燈管較為熟悉，故 LED 應用也以採燈管模式，俾讓使用者具有一定程度的熟悉感。 一般傳統螢光燈(T8/T5)為 360°全周發光，而 LED 燈管係將小體 積之點光源由點而線組合，成為一種線光源，大都為 120°單向朗 伯特(Lambertian)出光，且大多數廠商為了降低生產成本皆將自 家公司 LED 燈管搭配既有傳統螢光燈具上市，或建議直接用 LED 燈管汰換舊有螢光燈管。就其結構與電氣特性而言，市售產 品主要可分為以下兩類，其特點如表 2-2.1 所示，目前主要應用

於嵌入式(T-BAR) LED 燈具、山型及中東型 LED 燈具：

(1) 內置驅動電路(Driver Inside)：燈管結構包含驅動電路，可沿 用既有燈具本體，小幅修改線路，即可直接替換T8 螢光燈管， 發光效率略差，便利性高、初期安裝成本低；但其經濟壽命 略短。 (2) 外加驅動電路(Driver Outside)：燈管需外接驅動電路點燈，通 常搭載全新燈具呈現，燈具內含燈管專用電氣迴路，燈具整 體電氣特性與發光效率較佳，使用壽命相對較長，但初期投 資成本較高。 表2-2.1 LED 燈管特性比較表 形式一 形式二 驅動電路 內置型 _外加型 燈具本體 沿用既有燈具 _新燈具 電氣迴路 小幅修改 _新配置 發光效率 _{略差 較佳} 初期成本 _{較低 較高} 經濟壽命 _{略短 較長}

22 （資料來源︰財團法人台灣綠色生產力基金會，2012） 圖 2-2.6 LED 燈管 （資料來源︰本研究拍攝） (3) 直管型 LED 燈管使用準則 a. 關閉燈具所有電源。 b. 除去舊有日光燈的安定器(Ballast)和起動器(Starter) c. 連接一條線導線(負載)到LED 燈管插口裝置的一端。 d. 連接另一條線導線(中性)到LED 燈管插口裝置的另一端。 e. 不要再連接其他設備到同一個插口。 f. 插入LED 燈管，開啟電源即安裝完成。 圖2-2.7 LED 燈管安裝示意圖 （資料來源︰http://led.seawlth.com/）

23 四、山型及中東型LED 燈具 「山型」及「中東型」LED 燈具，其用語係為照明業界俗稱， 主要「山型」燈具其外型像日本富士山，外銷時，暱稱為「山型」 燈具，後來一直沿用，而「中東型」燈具，主要以前該型燈具外 銷地點為中東國家，因此業界習慣稱之為「中東型」。 這二種燈具適用於吸頂式或吊桿式固定於天花板，目前仍常 見於住宅、教室、大型賣場、地下停車場、機房等場所，不適用 於潮濕環境，其主要結構與特性如下： (1) 本體：冷軋鋼板/白色烤漆。 (2) 反射板：冷軋鋼板/白色烤漆。 (3) 光源：LED/T5/T8。 (4) 安定器：T5/T8 需搭配匹配之安定器。 圖2-2.8 中東型 LED 燈具圖面 （資料來源︰某照明廠商 104 年型錄）

24

圖2-2.8 山型 LED 燈具圖面

25

第三節

LED 相關標準推展概況

由於 LED 欲從高輝度應用跨入高照度應用，技術門檻極高，產 業界咸都積極的建立產業之標準，目前看來，我國、美、日及大陸等 地區國家標準與產業標準所形成之聯集，大致已拼湊完成一個標準藍 圖，不過由於 LED 光源應用於照明燈具使用中除涉及光學性能外， 還有其燈具電源的特性、溫度(散熱)特性和器具安全特性等，因此若 能透過業界共識，達到大家都認同的標準，則未來在推動這些新產品 時，才能更順利導入消費市場。 一、我國LED 標準發展概況 由於我國LED 產業發展起步較早，因此早在民國 77 年就已 有針對發光二極體(指示用)及其量測法發布二項 CNS 標準，並於 89 年間公告 12 項發光二極體應用於交通號誌之 CNS 標準，當 時 CNS 標準中與 LED 相關者已達 34 項，而這些標準主要涉及 的範圍可大致分為六大類，包括交通號誌與看板資訊、戶外顯示 看板、通信用發光二極體、LED 磊晶，晶粒封裝、指示型 LED 以及自動控制用紅外線發光二極體等。 以發光二極體、燈及照明等關鍵字查詢近年來我國有關LED 相關國家標準整理如表2-3.1 所示。 表2-3.1 我國近年來有關 LED 公佈之國家標準 標準總號 類號 名稱 最新日期 15437 C4510 輕鋼架天花板（Ｔ－ｂａｒ）嵌入型發光 二極體燈具

Recessed LED luminaires for T-bar ceiling systems

103/09/29

15630 C4532

一般照明用安定器內藏式LED 燈泡 (供 應電壓大於50 V)－性能要求

Self-ballasted LED lamps for general lighting services with supply voltages > 50 V – Performance requirements

26

標準總號 類號 名稱 最新日期

15602 C4530

一般照明用LED 模組－性能要求 LED modules for general lighting – Performance requirements

101/11/15

15603-2-1 C4531-2-1

燈具性能－第2-1 部：LED 燈具之個別規 定

Luminaire performance – Part 2-1:

Particular requirements for LED luminaires

101/11/15

15436 C4509

安定器內藏式發光二極體燈泡(一般照明 用)－安全性要求

Self-ballasted LED-lamps for general lighting services – Safety specifications

101/11/15

15592 C4529

光源及光源系統之光生物安全性 Photobiological safety of lamps and lamp systems

101/11/15

15233 C4504

發光二極體道路照明燈具

Fixtures of roadway lighting with light emitting diode lamps

101/07/26

15532 C3235

發光二極體元件之靜電放電 試驗法 Methods of electrostatic discharge test on light emitting diode components

101/01/31

15531 C3234

發光二極體晶粒之品質試驗法

Methods of quality test on light emitting diode dies

101/01/31

15530 C3233

照明用發光二極體系統之環境試驗法 Methods of environmental test on light emitting diode systems (for general lighting service)

101/01/31

15529 C3232

發光二極體元件之環境及 耐久性試驗法 Methods of environmental and endurance test on light emitting diode components

101/01/31

15510 C4523

發光二極體元件及模組之加速壽命評估 法

Methods of accelerated life evaluation on light emitting diode components and modules

27

標準總號 類號 名稱 最新日期

15509 C4522

發光二極體晶粒之加速壽命評估法 Methods of accelerated life evaluation on light emitting diode dies

100/10/25

15498 C3231

發光二極體模組之熱阻量測法

Methods of measurement on light emitting diode modules for thermal resistance

100/10/19

15497 C4539

發光二極體投光燈具

Fixtures of project lighting with light emitting diode lamps

100/10/19

15490 C4521

發光二極體光源系統之量測法

Methods of measurement on light emitting diode systems

100/09/29

15489 C4520

發光二極體晶粒之光學與電性量測法 Methods of measurement on light emitting diode dies for optical and electrical

characteristics

100/09/29

15457 C4518

交流發光二極體模組之光學及電性量測 法

Methods of measurement on alternating current light emitting diode modules for optical and electrical characteristics

100/08/10

15456 C4517

交流發光二極體元件之光學及電性量測 法

Methods of measurement on alternating current light emitting diode components for optical and electrical characteristics

100/08/10

15438 C4511

雙燈帽直管型ＬＥＤ光源－安全性要求 Double-capped LED tubular lamps – Safety requirements

99/11/18

15357 C4507

一般照明用ＬＥＤ模組－安全性規範 LED modules for general lighting - Safety specifications

99/05/18

15250 C3223

發光二極體模組之光學與電性量測方法 Methods of measurement on light emitting diode modules for optical and electrical

28

標準總號 類號 名稱 最新日期

characteristics

15249 C3222

發光二極體元件之光學與電性量測方法 Methods of measurement on light emitting diode components for optical and electrical characteristics

98/01/22

15248 C3221

發光二極體元件之熱阻量測方法

Methods of measurement on light emitting diode components for thermal resistance

98/01/22

15247 C3220

照明用發光二極體元件與模組之一般壽 命試驗方法

Test methods on light emitting diode components and modules (for general lighting service) for normal life

98/01/22 （資料來源：本研究整理） 由表2-3.1 可知目前國家標準關於山型及中東型 LED 燈具部 分，目前僅有CNS15438-2010「雙燈帽直管型 LED 光源-安全性， 至於相關LED 燈管或燈具性能要求標準部份則付之闕如 。 二、我國節能標章發展概況 我國節能標章制度由經濟部於 2001 年正式開始推動，希望 推動節約能源、鼓勵廠商生產高效率商品，並促使消費者優先選 用，其基本精神在於透過授予省能高效率的產品節能標章，引導 消費者在選購產品的時候，能一眼辨認出哪些產品較為省能，引 導消費者買到真正省能的產品，藉以創造出經濟性的誘因，激發 廠商自發性持續提昇產品的能源效率，達到節約能源並降低二氧 化碳排放量的目標。為了落實節能標章的基本精神，基準研擬的 主要考量有三點：一是參考我國國家標準（節能標章基準約較我 國國家標準CNS 高 10 至 15%）；二是以市場現況的調查資料分 析評估，以20 至 30%的產品（或銷售量）能通過標準為原則； 三是考量廠商對該項產品能源效率提昇的技術能力與成本負擔。 審核的過程中，皆需經過完整的第三者驗證，且檢測報告須由國

29 內具公信力之檢測單位依最新公告之標準檢測，再經由工研院能 資所節能標章申辦作業小組進行文件初審，初審結果再由經濟部 能源局召開之節能標章審議委員會審查確認。 目前我國節能標章制度是以家電用品為主要開放目標，希望 針對消費量大、省能潛力高的產品為初期的產品項目，目前已推 出冷氣機、電風扇、除濕機、電冰箱、電視機、螢光燈管、洗衣 機、乾衣機、吹風機、烘手機、溫熱型開飲機、冰溫熱型開飲機、 冰溫熱型飲水機、汽車、機車、安定器內藏式螢光燈泡、監視器、 燃氣台爐、即熱式燃氣熱水器、電鍋、貯備型電熱水器、電熱水 瓶、出口及避難指示燈、DVD 錄放影機、溫熱型飲水機、室內 照明燈具、組合音響、緊密型螢光燈管、影印機、印表機、空氣 清淨機、道路照明燈具、浴室用通風電扇、壁式通風電扇、筆記 型電腦及桌上型電腦等，共計 36 項產品。其中與 T-BAR LED 燈具有關之項目為室內照明燈具， 該燈具之節能標章係依經濟 部能源局能技字第10205019771 號令，102 年 12 月 20 日公告修 訂「室內照明燈具節能標章能源效率基準與標示方法」，並自即 日起生效，其中吸頂、嵌頂或懸吊式之燈具申請節能標章認證， 其產品需符合下列基準： 表 2-3.2 室內照明燈具節能標章能效基準 燈具分類 吸頂、嵌頂或懸吊式非LED基準規範 效率要求 品質要求 燈具24 英吋 (65 公分) 以下 燈泡色（L-EX：2600~3150K） 溫白色（WW-EX：3200~3700K） 白色（W-EX：3900~4500K） ≧64.0 lm/W UGR≦19.0 Ra ≧80.0 晝白色（N-EX：4600~5400K） 冷白色（CW-EX：4600~5400K） ≧62.0 lm/W 晝光色（D-EX：5700~7100K） ≧60.0 lm/W 燈具24 英吋 燈泡色（L-EX：2600~3150K） 溫白色（WW-EX：3200~3700K） ≧74.0 lm/W

30 (65 公分) 以上 白色（W-EX：3900~4500K） 晝白色（N-EX：4600~5400K） 冷白色（CW-EX：4600~5400K） ≧72.0 lm/W 晝光色（D-EX：5700~7100K） ≧70.0 lm/W 吸頂、嵌頂或懸吊式LED 基準規範 色溫分類 發光效率基準(lm/W) 品質要求 2700K、3000K、3500K、 4000K、4500K ≧80.0 UGR≦19.0 Ra ≧80.0 5000K、5700K、6500K ≧85.0 註: 1.室內照明燈具配光之測試條件及方法應符合「國際照明委員會 標準 CIE 70」規範內容要求，配光曲線量測之測試角度間距應 為 2.5 度(含)以下，室內照明燈具實測能源效率(lm/W)之計算為 燈具總光輸出(lm)除以燈具總輸入功率(W)。

2.統一眩光指數(UGR，Unified Glare Rating)測試條件及方法應符 合「CIE 117」規範內容要求，且 UGR 測試條件使用係數如下： a.天花板反射係數(Ceiling reflectance)：0.5

b.牆面反射係數(Wall reflectance)：0.5

c.地面反射係數(Floor cavity reflectance)：0.2

d.室內長寬尺寸(Room dimension)：4H：3H(其中 H 為室內高度) 3.節能標章能源效率之標示，應注意下列事項： a.標章使用者之名稱及住址須清楚記載於產品或包裝上。 b 標章使用者若為代理商，其製造者之名稱及地址須一併記載於 產品或包裝上。 c.產品型錄上應標示產品之色溫及能源效率值。 d.產品發光效率、統一眩光指數及演色性實測之計算值，計算小 數點後第一位，小數點後第二位四捨五入。

31 三、美國LED 標準發展概況 美國在制定 LED 標準規範方面，起步較早，發展很快，而 且 LED 量測標準主要著眼於未來固態照明市場之發展及應用， 其主導單位為美國能源局(DOE)，並已於 2008 年 9 月正式公布 能源之星固態照明燈具標準規範，根據規範將燈具發光效率分為 兩階段，第一階段最高光效需達到35 lm/W；第二階段則必須達 到70 lm/W 水準，其照明燈具泛指住商用一般照明燈具，如 T- bar 燈、廚房櫥櫃燈、檯燈、嵌燈、戶外步道燈、戶外洗牆燈等。此 另美國能源局也於2009 年 12 月公佈 LED 燈的整體標準。 由於美國政府認為現有傳統照明之量測標準並不適用於新 光源，加以節能環保政策的推動，對於導入節能固態照明產品的 態度也相對開放，因此近年來在推動 LED 量測標準十分積極。 目前由美國政府號召重要之相關單位，分別包括國際電工委員會 (IEC)、國際照明委員會(CIE)、北美照明委員會(IESNA)、美國 電器用品生產者協會(NEMA)、美國國家標準(ANSI)、美國國家 標準與技術研究所(NIST)、優力安全認證公司(UL)以及加拿大標 準協會(CSA)等單位召開會議，檢測現階段之 LED 量測標準及方 法，並找出不足之處，搭配能源之星(Energy Star)提出的固態照 明燈具規範，分別針對不同之相對應工業測試標準，推出相關的 量測標準的方式，如固態照明之安規、產品壽命、光學量測、色 度、電源供應(Power Supply)等等。 囿於LED 燈管之重量與現行 T5 或 T8 螢光燈管不同，在燈 座部分，國際電工委員會目前 IEC 60838-2-3「Miscellaneous

lampholders - Part 2-3: Lampholders for double ended linear LED lamps」刻正草擬中，該份草案架構包括適用範圍、用語及定義、 一般要求、一般試驗要求、電器額定、分類、標示、電擊防護、 端子、接地措施、構造、機械強度、耐久性…等 19 項。

32

表2-3.3 UL 提出相關 LED 照明安全規範

標準編號 名稱 最新日期 適用範圍

153 Portable Electric Luminaires 2002/03/25 移動式燈具 48 Electric Signs 2001/09/02 電子招牌 588 Standard for Seasonal and Holiday

Decorative Products 2000/08/21

季節性裝飾產 品 1838 Low Voltage Landscape Lighting

Systems 2003/01/13

低電壓景觀照 明系統 2108 Low Voltage Lighting Systems 2004/01/27 低電壓照明系

統 2388 Flexible Lighting Products 2002/07/03 可撓式燈具 1786 Nightlights 2005/09/12 小夜燈 1993 Self-Ballasted Lamps and Lamp

Adapters 2002/04/12

自整流燈及其 插座 879A Standard for LED Sign and Sign

Retrofit Kits 2012/12/12 LED 器具概述 1598 Standard for Luminaires 2008/09/17 燈具

8750

Standard for Light Emitting Diode (LED) Equipment for Use in Lighting Products 2009/11/18 LED 燈具概述 (安規標準) （資料來源：財團法人台灣綠色生產力基金會，2012） 表2-3.4 美國能源之星「固態照明要求」對應的相關規範 標準訂定 機構 標準編號 名稱 最新日期 ANSI C82.XXX

Electronic Drivers for LED Devices, arrays, or systems (In development)

發展中

ANSI C78.377

Specifications for the Chromaticity of Solid State Lighting (SSL) Products

33

標準訂定

機構 標準編號 名稱 最新日期

ANSI C82.77

Harmonic Emission Limits - Related Power Quality Requirements for Lighting Equipment

2009/06/24

ANSI/IEEE C62.41.2

Recommended Practice on Characterization of Surges in Low-Voltage (1000 V and less) AC Power Circuits

2003/04/11

ANSI/UL 153 Portable Electric Luminaires 2002/03/25

ASTM E283-4

Standard Test Method for

Determining Rate of Air Leakage Through Exterior Windows, Curtain Walls, and Doors Under Specified Pressure Differences Across the Specimen

2012/04/01

CIE 13.3

Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources

1995/01/01

IESNA LM-79

Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products

2008/01/01

IESNA LM-80 Measuring Lumen Maintenance of

LED Light Sources 2008/09/22 NFPA 70 National Electrical Code 2010/09/24 UL 1012 Power Units Other Than Class 2 2010/11/09 UL 1310 Class 2 Power Units 2011/08/26 UL 1598 Standard for Luminaires 2008/09/17 UL 1838 Low Voltage Landscape Lighting

Systems 2003/01/13

UL 1994 Luminous Egress Path Marking

Systems 2004/01/30