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Sep 04, 2023

Codes de rétrofit LED, normes

Les rénovations d'éclairage LED deviennent populaires en raison de leur énergie et de leur fonctionnement

Les rénovations d'éclairage LED deviennent populaires en raison de leurs économies d'énergie et de fonctionnement. Les rénovations LED peuvent économiser 40% ou plus d'énergie par rapport aux sources lumineuses traditionnelles telles que l'incandescence, l'halogène et la décharge à haute intensité (HID).

Des ressources telles que l'US Energy Information Administration indiquent que l'éclairage représente environ 26 % de la consommation d'énergie dans les bâtiments commerciaux. Il est également bien connu que les bâtiments consomment plus de 40 % de l'énergie aux États-Unis, selon le Département américain de l'énergie.

La loi américaine sur l'indépendance et la sécurité énergétiques de 2007 a marqué le 1er janvier 2014 comme la date à laquelle les lampes à incandescence de 100, 75, 60 et 40 W ne peuvent plus être fabriquées par les entreprises américaines. En conséquence, les sources lumineuses à LED sont une alternative intéressante aux lampes traditionnellement utilisées pour remplacer les lampes à incandescence telles que les lampes halogènes et fluorescentes.

Pourquoi utiliser des LED ?

Pourquoi les rénovations LED sont-elles populaires auprès des clients ? Les LED ont un impact environnemental réduit par rapport aux autres sources lumineuses. Cela est attribuable aux économies d'énergie réalisées grâce à l'utilisation des LED ainsi qu'à la longévité des sources lumineuses à LED, ce qui entraîne beaucoup moins de remplacements de lampes au fil du temps. Les LED ne contiennent pas non plus de matériaux dangereux tels que le mercure, qui est utilisé dans les lampes fluorescentes.

Les LED n'émettent pratiquement aucun rayonnement ultraviolet (UV) ou infrarouge (IR). Cela rend les sources lumineuses à LED idéales pour les lieux où les UV et les IR sont indésirables, comme dans les musées et les galeries d'art. Les UV et les IR peuvent dégrader les matériaux sensibles trouvés dans ces installations.

Les sources lumineuses à LED fonctionnent bien dans les applications où il y a de fréquents cycles d'interrupteurs marche-arrêt. La durée de vie des lampes fluorescentes est réduite lorsqu'elles sont utilisées avec des ballasts à allumage instantané et qu'il y a des commutations fréquentes. Les lampes HID ont un délai de réamorçage (généralement de 2 à 20 min) lorsqu'elles sont éteintes afin qu'elles puissent refroidir avant de se rallumer. Cela rend les lampes HID inefficaces pour les applications de cycle de commutation. À l'inverse, il n'y a pas d'effets néfastes avec le cycle marche-arrêt fréquent des LED, ce qui les rend populaires dans les espaces qui utilisent des capteurs de présence pour économiser de l'énergie.

Lorsqu'elles sont allumées, les LED s'allument instantanément avec une sortie lumineuse complète et ne nécessitent pas de période de préchauffage pour atteindre une sortie lumineuse complète, contrairement à de nombreuses lampes fluorescentes compactes (CFL) et lampes HID. Les LED fonctionnent également bien à des températures froides, tandis que d'autres sources lumineuses telles que les lampes fluorescentes présentent une dégradation de la lumière à des températures plus basses.

La durée de vie nominale de la plupart des sources lumineuses à LED est supérieure à celle des sources lumineuses comparables, notamment les lampes halogènes, HID et la plupart des lampes fluorescentes. De plus, le coût du cycle de vie des LED est favorable par rapport aux autres sources lumineuses en raison de leur longue durée de vie et de leur efficacité énergétique.

Options de rétrofit LED

Il existe plusieurs options de mise à niveau avec des sources lumineuses à LED. Les rénovations populaires incluent une lampe A19 à vis LED auto-ballastée ou une lampe à vis LED PAR. Une source lumineuse LED A19 typique utilise 13 W par rapport à une lampe à incandescence A19 de 60 W avec un flux lumineux similaire. Cela se traduit par une réduction de 78% de la consommation d'énergie.

La source lumineuse LED A19 dans l'exemple ci-dessus a une durée de vie typique de 25 000 h contre 1 000 h pour une lampe à incandescence standard A19.

Lorsque l'on compare les coûts du cycle de vie, les faibles coûts d'exploitation et de maintenance des sources lumineuses à LED les rendent très attrayantes par rapport à la lampe à incandescence A19. Dans notre exemple, une lampe à incandescence devrait être changée 25 fois avant que la lampe à LED ne doive être changée.

Une autre option de rénovation LED consiste à remplacer les lampes fluorescentes tubulaires T8 et T12 (généralement linéaires de 4 pieds) par des lampes LED tubulaires. Les lampes T8 et T12 sont omnidirectionnelles, ce qui signifie que la lumière est émise dans toutes les directions hors de la lampe. La lumière omnidirectionnelle peut ne pas être souhaitable ; des réflecteurs dans les appareils d'éclairage sont utilisés pour aider à fournir une distribution plus uniforme de la lumière.

Bon nombre des premières rénovations LED tubulaires linéaires avaient des angles de faisceau étroits, ce qui présentait des problèmes de bonne distribution de l'éclairage.

Plusieurs fabricants proposent un kit de rénovation LED complet avec le pilote LED et les lampes LED tubulaires. La conversion impliquerait de retirer le ballast magnétique existant, les douilles des lampes fluorescentes et les lampes fluorescentes elles-mêmes. Une autre option est un kit de mise à niveau complet avec des LED et un pilote qui sont livrés sous forme d'ensemble et se montent directement dans le boîtier du luminaire existant. L'un des avantages de ce style de kit de mise à niveau est que la photométrie est disponible pour l'analyse.

Les LED tubulaires peuvent réduire la consommation d'énergie d'environ 40 % par rapport aux lampes T8 standard de 32 W avec un facteur de ballast normal (0,88) tout en produisant un niveau de lumière similaire dans la zone cible. Cependant, la plupart des nouvelles lampes LED tubulaires ont un angle de faisceau large (tel que 160 degrés) qui a corrigé ce problème.

Une autre application de rénovation LED populaire concerne l'éclairage public et l'éclairage des parkings. De nombreux appareils d'éclairage existants dans ces applications utilisent des lampes HID telles que le sodium haute pression (HPS) et les halogénures métalliques (MH).

L'utilisation de l'éclairage LED pour les rues et les parkings par rapport à l'éclairage HID présente de nombreux avantages significatifs. Ceux-ci incluent une consommation d'énergie et une longévité réduites, ce qui réduit le nombre de remplacements de lampes (ce qui permet d'économiser des coûts de maintenance élevés avec de grands mâts d'éclairage). Les LED réduisent également les risques liés aux espaces mal éclairés lorsque les lampes HID sont grillées (en raison de leur durée de vie nominale plus courte) et que les zones deviennent dangereuses. Les LED sont également flexibles en ce qui concerne la contrôlabilité, comme la gradation ou la détection de présence, l'économie d'énergie et la conformité aux codes énergétiques.

Considérations relatives au code

Quelles sont certaines des considérations liées au code lors de la modernisation d'appareils d'éclairage existants avec des sources lumineuses à DEL ? Dans la plupart des cas, un luminaire existant est répertorié UL en fonction d'un type de lampe particulier (comme les T8). Très probablement, le luminaire qui est modernisé n'a pas de liste UL avec une source de lumière LED modernisée.

Il est important de vérifier auprès de l'autorité compétente (AHJ) pour déterminer si les kits de rénovation de luminaires nécessitent une inspection et comment la conformité est établie. Dans un document en ligne, UL implique que la modification d'un luminaire en remplaçant les lampes et les ballasts existants sur le terrain pourrait annuler la liste UL. Les AHJ peuvent exiger qu'un kit de mise à niveau LED soit classé UL dans la catégorie de produits "Conversions de luminaires, mise à niveau (IEUQ)". Selon UL, "ces produits ont été étudiés pour déterminer que, lorsqu'ils sont utilisés conformément aux instructions du fabricant, ils n'affectent pas le fonctionnement de l'unité complète".

Un luminaire qui est modifié de sorte qu'il ne peut plus accepter la lampe d'origine doit avoir une étiquette apposée (fournie par le fabricant du kit de conversion) indiquant que le luminaire a été modifié et ne peut plus faire fonctionner la ou les lampes initialement prévues. L'étiquette est un moyen facile pour l'AHJ d'identifier si un kit de mise à niveau de conversion est conforme à la marque de classification UL.

Certaines de ces sources lumineuses linéaires à LED tubulaires peuvent utiliser les ballasts électroniques des lampes T8 existantes. Cela facilite le remplacement des lampes T8 linéaires sans avoir à retirer le ballast existant et à installer un nouveau pilote LED.

Considérations sur la conception

Il existe d'autres éléments que les concepteurs d'éclairage doivent prendre en compte lors de l'évaluation des rénovations LED. Le concepteur doit étudier les spécifications de la LED pour vérifier si la lampe fonctionnera dans une application spécifique. Si une analyse de photométrie d'éclairage doit être effectuée, il est important de se rappeler que les informations de photométrie du luminaire ont été initialement développées à l'aide de lampes omnidirectionnelles. Si la rénovation est un remplacement de lampe, la photométrie du luminaire ne peut pas être utilisée si la nouvelle lampe à DEL n'est pas omnidirectionnelle, comme les remplacements tubulaires T8. Certains kits de rénovation qui se présentent sous la forme d'un assemblage qui s'insère dans la maison existante disposent d'informations photométriques.

Les lampes à LED auto-ballastées peuvent ne pas convenir aux luminaires totalement fermés en raison de la dissipation de la chaleur.

Les sources lumineuses à LED portant la mention "conviennent pour une utilisation dans des luminaires ouverts" peuvent être utilisées pour remplacer les lampes dans les applications où le luminaire est ouvert et ne nécessite pas de barrière de confinement de lampe supplémentaire.

Une autre considération est l'efficacité du système d'éclairage. Une source lumineuse LED n'a pas nécessairement besoin d'avoir les mêmes lumens que la lampe qu'elle remplace. Cela peut être acceptable dans certains cas, comme une modernisation à DEL d'un luminaire monté sur un poteau d'éclairage extérieur utilisé pour l'éclairage des rues et/ou l'éclairage des parcs de stationnement. La plupart des rénovations LED impliquent le remplacement de l'ensemble du luminaire tout en réutilisant le mât existant.

Pour l'éclairage extérieur, l'une des raisons pour lesquelles des lumens LED inférieurs sont acceptables est que l'uniformité de la lumière délivrée par les sources LED est souvent considérablement améliorée. L'énergie n'est pas dépensée pour créer des points chauds au sol. La conception de l'éclairage extérieur exige que l'éclairage fournisse le niveau de lumière minimum autorisé dans la zone éclairée et non la moyenne. Ainsi, avec une uniformité d'éclairage améliorée, le luminaire à LED peut fonctionner avec des niveaux de lumen globaux inférieurs.

Les lampes HID telles que HPS et MH semblent être très efficaces (100 lumens/W ou plus) lorsque l'on se concentre uniquement sur l'efficacité de la source. Cependant, l'efficacité de la source ne reflète pas avec précision la quantité de lumière réellement délivrée par la source lumineuse à la zone cible, comme dans une rue ou un parking.

Les luminaires avec des sources lumineuses à LED ont généralement une efficacité du système plus élevée par rapport aux autres sources lumineuses. L'efficacité du système est basée sur le nombre de lumens atteignant réellement la zone cible. Ce n'est pas la même chose que le nombre de lumens émis par la lampe (efficacité de la source).

Les lampes HID sont omnidirectionnelles et nécessitent des réflecteurs à l'intérieur d'un luminaire pour réfléchir la lumière vers la zone cible. Cependant, toute la lumière ne peut pas être efficacement redirigée. Généralement, 40 % ou plus de la lumière des lampes HID n'atteint pas la zone cible.

Les sources de lumière LED sont généralement directionnelles, ce qui signifie que les lumens atteignent la zone cible sans avoir besoin d'être réfléchis ou redirigés.

Un luminaire typique avec une source lumineuse LED (avec une efficacité de source d'environ 100 lumens/W) a une efficacité système de 50 à 75 lumens/W. Un luminaire typique avec une lampe HID a une efficacité système de 30 à 35 lumens/W. Les pilotes LED sont généralement plus économes en énergie que les ballasts HID.

La température de couleur et l'indice de rendu des couleurs (IRC) sont également des facteurs importants à prendre en compte lors de la sélection des sources lumineuses LED. La plupart des LED ont une efficacité accrue à mesure que la température de couleur augmente avec une sortie de lumière plus froide.

Les LED sont disponibles avec des IRC dans les années 80 et 90. L'IRC actuel est une mesure des huit premiers échantillons de référence de couleur (R1 à R8), qui sont de couleur pastel. Cependant, la métrique CRI actuelle n'inclut pas les couleurs saturées telles que les rouges intenses (R9). À part les halogènes, la plupart des sources lumineuses typiques ne rendent pas très bien la métrique R9. De nombreux fabricants de LED proposent désormais des produits avec un rendu des couleurs saturé amélioré et spécifiant des valeurs R9 CRI.

Les concepteurs d'éclairage doivent également vérifier que les LED spécifiées ont leur documentation IES LM-79, LM-80 et TM-21 facilement disponible. Voir l'article "Utiliser les bonnes ressources pour spécifier les LED" dans le numéro d'août 2012 de Consulting-Specifying Engineer.

D'autres excellentes ressources incluent le Design Lights Consortium et Energy Star Qualified LED Lighting. Ces ressources garantissent que les produits répondent à des normes de qualité et de performance élevées. Le programme CALiPER (Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting) du Département américain de l'énergie teste et évalue les produits LED prêts à l'emploi pour voir s'ils fonctionnent réellement comme prévu.

Économies d'exploitation et de maintenance

La dépréciation du lumen est importante lors de l'évaluation des coûts du cycle de vie. Les lampes aux halogénures métalliques, en particulier, souffrent d'une dépréciation substantielle du flux lumineux sur des périodes de temps relativement courtes.

La durée de vie utile des LED est généralement définie comme le temps de fonctionnement avant une dépréciation de 30 % du flux lumineux ou un maintien de 70 % du flux lumineux (L70). Ce niveau de dépréciation du lumen a été largement adopté comme norme de durée de vie utile. Une baisse de 30 % des niveaux de lumière n'est généralement pas détectable par la plupart des gens.

De nombreuses LED ont une durée de vie L70 de 50 000 à 100 000 h, ce qui les rend attrayantes par rapport à la plupart des autres sources lumineuses.

Les analyses des coûts du cycle de vie des LED montrent généralement que les coûts totaux sur 15 ans les rendent attrayantes dans la plupart des scénarios. Les comparaisons des coûts du cycle de vie doivent inclure le nombre d'années pour l'analyse ; le nombre de luminaires ; le coût initial du luminaire (y compris le type de lampe) ; les coûts d'installation initiaux ; les heures d'ouverture annuelles ; le coût de l'électricité par kWh ; les coûts de remplacement de la lampe pendant la période de comparaison (par exemple, 15 ans) ; les coûts de remplacement du ballast/pilote pendant la période de comparaison ; le coût de remplacement de la lampe/du ballast pendant la période de comparaison ; et les coûts d'élimination des lampes.

Le tableau 1 répertorie une analyse des coûts du cycle de vie d'une étude réalisée par le Bureau de la construction et de la gestion des installations du ministère des Anciens Combattants en octobre 2011. L'analyse compare HID à LED dans une application de stationnement.

Des considérations supplémentaires incluent la contrôlabilité des sources lumineuses LED par rapport aux sources telles que HID qui ont un contrôle limité en raison du temps de préchauffage des lampes HID. Ceci est particulièrement important avec les exigences accrues de contrôle d'éclairage dans la norme ASHRAE 90.1-2010 pour l'éclairage extérieur et les garages de stationnement. Les sources lumineuses à LED n'ont pas de temps de préchauffage et leur durée de vie n'est pas raccourcie par des cycles fréquents, ce qui les rend idéales pour un contrôle efficace de l'horaire et de l'occupation par rapport à plusieurs autres sources lumineuses (par exemple, HID).

Les rénovations LED permettent des économies d'énergie ainsi que des coûts d'exploitation et de maintenance par rapport aux sources lumineuses traditionnelles. Les LED offrent aux concepteurs d'éclairage et aux clients des avantages et des options qui n'étaient pas possibles dans le passé.

Michael Chow est le fondateur et propriétaire de Metro CD Engineering. Il est titulaire d'un BSEE de l'Université du Nord de l'Ohio et est membre du comité consultatif éditorial de l'ingénieur-conseil et lauréat 2009 de 40 Under 40.

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