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Jul 30, 2023

LED-Retrofit-Codes, Standards

LED-Beleuchtungsnachrüstungen erfreuen sich aufgrund ihrer Energie- und Betriebseinsparungen immer größerer Beliebtheit. LED-Retrofits können im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glühlampen 40 % oder mehr Energie einsparen.

LED-Beleuchtungsnachrüstungen erfreuen sich aufgrund ihrer Energie- und Betriebseinsparungen immer größerer Beliebtheit. LED-Retrofits können im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen wie Glühlampen, Halogenlampen und Hochdruckentladungslampen (HID) 40 % oder mehr Energie einsparen.

Quellen wie die US Energy Information Administration weisen darauf hin, dass die Beleuchtung etwa 26 % des Energieverbrauchs in Gewerbegebäuden ausmacht. Es ist auch allgemein bekannt, dass Gebäude nach Angaben des US-Energieministeriums mehr als 40 % der Energie in den Vereinigten Staaten verbrauchen.

Mit dem US Energy Independence and Security Act von 2007 wurde der 1. Januar 2014 als Datum festgelegt, an dem 100-, 75-, 60- und 40-W-Glühlampen von US-Unternehmen nicht mehr hergestellt werden dürfen. Dadurch sind LED-Lichtquellen eine attraktive Alternative zu den Lampen, die traditionell als Ersatz für Glühlampen wie Halogen- und Leuchtstofflampen verwendet werden.

Warum LEDs verwenden?

Warum sind LED-Retrofits bei Kunden beliebt? Im Vergleich zu anderen Lichtquellen haben LEDs eine geringere Umweltbelastung. Dies ist auf die Energieeinsparungen durch den Einsatz von LEDs sowie auf die Langlebigkeit von LED-Lichtquellen zurückzuführen, was dazu führt, dass im Laufe der Zeit deutlich weniger Lampen ausgetauscht werden müssen. LEDs enthalten außerdem keine gefährlichen Stoffe wie Quecksilber, das in Leuchtstofflampen verwendet wird.

LEDs geben praktisch keine ultravioletten (UV) Strahlen oder infraroten (IR) Wärmestrahlung ab. Dadurch eignen sich LED-Lichtquellen ideal für Orte, an denen UV- und IR-Strahlung unerwünscht sind, beispielsweise in Museen und Kunstgalerien. UV- und IR-Strahlung kann empfindliche Materialien in diesen Einrichtungen beschädigen.

LED-Lichtquellen eignen sich gut für Anwendungen, bei denen es zu häufigem Ein- und Ausschalten kommt. Die Lebensdauer von Leuchtstofflampen verkürzt sich, wenn sie mit Vorschaltgeräten mit Sofortstart verwendet werden und häufig umgeschaltet wird. HID-Lampen verfügen beim Ausschalten über eine Wiederzündzeitverzögerung (normalerweise 2 bis 20 Minuten), damit sie vor dem erneuten Einschalten abkühlen können. Dies macht HID-Lampen für Switch-Cycling-Anwendungen unwirksam. Umgekehrt gibt es keine nachteiligen Auswirkungen, wenn LEDs häufig ein- und ausgeschaltet werden, weshalb sie in Räumen beliebt sind, in denen Anwesenheitssensoren zur Energieeinsparung eingesetzt werden.

Nach dem Einschalten schalten sich LEDs sofort mit voller Lichtleistung ein und benötigen keine Aufwärmphase, um die volle Lichtleistung zu erreichen, wie dies bei vielen Kompaktleuchtstofflampen (CFLs) und HID-Lampen der Fall ist. LEDs funktionieren auch bei kalten Temperaturen gut, während andere Lichtquellen wie Leuchtstofflampen bei niedrigeren Temperaturen einen Lichtstromverlust aufweisen.

Die Nennlebensdauer der meisten LED-Lichtquellen ist höher als bei vergleichbaren Lichtquellen, einschließlich Halogen-, HID- und den meisten Leuchtstofflampen. Auch die Lebenszykluskosten von LEDs sind im Vergleich zu anderen Lichtquellen aufgrund ihrer langen Lebensdauer und Energieeffizienz günstig.

LED-Retrofit-Optionen

Es gibt mehrere Nachrüstmöglichkeiten mit LED-Leuchtmitteln. Zu den beliebten Nachrüstungen gehören eine vorschaltbare LED-Einschraublampe A19 oder eine LED-PAR-Einschraublampe. Eine typische LED-A19-Lichtquelle verbraucht 13 W im Vergleich zu einer 60-W-A19-Glühlampe mit ähnlicher Lumenleistung. Dies entspricht einer Reduzierung des Energieverbrauchs um 78 %.

Die A19-LED-Lichtquelle im obigen Beispiel hat eine typische Lebensdauer von 25.000 Stunden im Vergleich zu 1.000 Stunden bei einer Standard-A19-Glühlampe.

Beim Vergleich der Lebenszykluskosten sind LED-Lichtquellen aufgrund ihrer geringen Betriebs- und Wartungskosten im Vergleich zur A19-Glühlampe sehr attraktiv. In unserem Beispiel müsste eine Glühlampe 25 Mal ausgetauscht werden, bevor die LED-Lampe ausgetauscht werden müsste.

Eine weitere LED-Retrofit-Option besteht darin, T8- und T12-Röhrenleuchtstofflampen (normalerweise 4 Fuß linear) durch röhrenförmige LED-Lampen zu ersetzen. T8- und T12-Lampen sind omnidirektional, das heißt, dass das Licht in alle Richtungen aus der Lampe abgestrahlt wird. Omnidirektionales Licht ist möglicherweise nicht wünschenswert. Reflektoren in Beleuchtungskörpern sorgen für eine gleichmäßigere Lichtverteilung.

Viele der frühen linearen röhrenförmigen LED-Retrofits hatten schmale Abstrahlwinkel, was Probleme mit einer guten Lichtverteilung verursachte.

Mehrere Hersteller bieten ein LED-Nachrüstset komplett mit LED-Treiber und LED-Röhrenlampen an. Bei der Umrüstung würden das vorhandene magnetische Vorschaltgerät, die Lampenfassungen der Leuchtstofflampen und die Leuchtstofflampen selbst entfernt. Eine weitere Option ist ein Nachrüstsatz komplett mit LEDs und Treiber, die als Baugruppe geliefert und direkt in das vorhandene Leuchtengehäuse montiert werden. Ein Vorteil dieser Art von Nachrüstsatz besteht darin, dass für die Analyse eine Photometrie zur Verfügung steht.

Röhrenförmige LEDs können den Energieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen 32-W-T8-Lampen mit einem normalen Vorschaltfaktor (0,88) um ​​etwa 40 % senken und gleichzeitig im Zielbereich ein ähnliches Lichtniveau erzeugen. Die meisten neuen röhrenförmigen LED-Lampen verfügen jedoch über einen breiten Abstrahlwinkel (z. B. 160 Grad), wodurch dieses Problem behoben wurde.

Eine weitere beliebte LED-Retrofit-Anwendung ist die Straßen- und Parkplatzbeleuchtung. Viele vorhandene Beleuchtungskörper in diesen Anwendungen verwenden HID-Lampen wie Hochdrucknatrium (HPS) und Metallhalogenid (MH).

Die Verwendung von LED-Beleuchtung für Straßen und Parkplätze gegenüber HID-Beleuchtung hat viele erhebliche Vorteile. Dazu gehören ein geringerer Energieverbrauch und eine längere Lebensdauer, was zu weniger Lampenwechseln führt (was hohe Wartungskosten bei hohen Lichtmasten einspart). LEDs verringern auch das Risiko unzureichend beleuchteter Räume, wenn HID-Lampen durchgebrannt sind (aufgrund ihrer kürzeren Nennlebensdauer) und Bereiche unsicher werden. LEDs sind auch flexibel, wenn es um die Steuerbarkeit wie Dimmen oder Anwesenheitserkennung geht, sie sparen Energie und helfen bei der Einhaltung von Energievorschriften.

Überlegungen zum Code

Was sind einige der codebezogenen Überlegungen bei der Nachrüstung vorhandener Beleuchtungskörper mit LED-Lichtquellen? In den meisten Fällen ist ein vorhandener Beleuchtungskörper aufgrund eines bestimmten Lampentyps (z. B. T8) UL-gelistet. Höchstwahrscheinlich verfügt die Leuchte, die nachgerüstet werden soll, nicht über eine UL-Zulassung mit einer nachrüstbaren LED-Lichtquelle.

Es ist wichtig, sich bei der zuständigen Behörde (AHJ) zu erkundigen, ob Leuchten-Nachrüstsätze einer Inspektion bedürfen und wie die Konformität sichergestellt wird. In einem Online-Dokument deutet UL an, dass die Änderung einer Leuchte durch den Austausch der vorhandenen Lampen und Vorschaltgeräte vor Ort zum Erlöschen der UL-Listung führen könnte. AHJs verlangen möglicherweise, dass ein LED-Nachrüstsatz UL-klassifiziert in der Produktkategorie „Leuchtenumbauten, Nachrüstung (IEUQ)“ ist. Laut UL „wurden diese Produkte untersucht, um festzustellen, dass sie bei Verwendung gemäß den Anweisungen des Herstellers den Betrieb der gesamten Einheit nicht beeinträchtigen.“

An einer Leuchte, die so modifiziert wurde, dass sie die Originallampe nicht mehr aufnehmen kann, sollte ein Etikett angebracht sein (vom Hersteller des Nachrüstsatzes bereitgestellt), aus dem hervorgeht, dass die Leuchte modifiziert wurde und die ursprünglich vorgesehene(n) Lampe(n) nicht mehr betrieben werden kann. Anhand des Etiketts kann die AHJ leicht erkennen, ob ein Umbau-Nachrüstsatz das UL-Klassifizierungszeichen erfüllt.

Einige dieser röhrenförmigen LED-Linearlichtquellen können die elektronischen Vorschaltgeräte der vorhandenen T8-Lampen nutzen. Dies ermöglicht einen einfachen Austausch der linearen T8-Lampen, ohne dass das vorhandene Vorschaltgerät entfernt und ein neuer LED-Treiber installiert werden muss.

Entwurfsüberlegungen

Es gibt noch weitere Punkte, die Lichtdesigner bei der Bewertung von LED-Retrofits berücksichtigen sollten. Der Designer sollte die Spezifikationen der LED studieren, um zu überprüfen, ob die Lampe in einer bestimmten Anwendung funktioniert. Wenn eine Beleuchtungsphotometrieanalyse durchgeführt werden soll, ist es wichtig zu bedenken, dass die Informationen zur Leuchtenphotometrie ursprünglich mit omnidirektionalen Lampen entwickelt wurden. Wenn es sich bei der Nachrüstung um einen Lampenaustausch handelt, kann die Leuchtenfotometrie nicht verwendet werden, wenn die neue LED-Lampe nicht omnidirektional ist, wie z. B. die röhrenförmigen T8-Ersatzlampen. Für einige Nachrüstsätze, die als Baugruppe zum Einbau in das bestehende Haus geliefert werden, stehen photometrische Informationen zur Verfügung.

LED-Lampen mit eigenem Vorschaltgerät sind aufgrund der Wärmeableitung möglicherweise nicht für vollständig geschlossene Beleuchtungskörper geeignet.

LED-Lichtquellen, die als „geeignet für den Einsatz in offenen Leuchten“ gekennzeichnet sind, können als Ersatz für Lampen in Anwendungen verwendet werden, bei denen die Leuchte offen ist und keine zusätzliche Lampenschutzbarriere erforderlich ist.

Ein weiterer Gesichtspunkt ist die Effizienz des Leuchtensystems. Eine LED-Lichtquelle muss nicht unbedingt die gleichen Lumen haben wie die Lampe, die sie ersetzt. Dies kann in einigen Fällen akzeptabel sein, beispielsweise bei der LED-Nachrüstung einer an einem Mast montierten Außenleuchte, die zur Straßenbeleuchtung und/oder Parkplatzbeleuchtung verwendet wird. Bei den meisten LED-Retrofits wird die gesamte Leuchte ausgetauscht und gleichzeitig der vorhandene Mast weiterverwendet.

Bei der Außenbeleuchtung sind niedrigere LED-Lumen unter anderem deshalb akzeptabel, weil die Gleichmäßigkeit des von LED-Quellen abgegebenen Lichts oft drastisch verbessert wird. Es wird keine Energie aufgewendet, um Hotspots am Boden zu erzeugen. Die Gestaltung der Außenbeleuchtung erfordert, dass die Beleuchtung im beleuchteten Bereich das minimal zulässige Lichtniveau und nicht das durchschnittliche Lichtniveau liefert. Aufgrund der verbesserten Gleichmäßigkeit der Beleuchtung kann die LED-Leuchte daher mit insgesamt geringeren Lichtstärken betrieben werden.

HID-Lampen wie HPS und MH scheinen sehr effizient zu sein (100 Lumen/W oder mehr), wenn man sich ausschließlich auf die Wirksamkeit der Quelle konzentriert. Allerdings spiegelt die Quelleneffizienz nicht genau wider, wie viel Licht tatsächlich von der Lichtquelle in den Zielbereich, beispielsweise auf eine Straße oder einen Parkplatz, abgegeben wird.

Leuchten mit LED-Lichtquellen weisen im Vergleich zu anderen Lichtquellen typischerweise eine höhere Systemeffizienz auf. Die Systemeffizienz hängt davon ab, wie viele Lumen tatsächlich den Zielbereich erreichen. Sie ist nicht dasselbe wie die Anzahl der von der Lampe abgegebenen Lumen (Lichtausbeute).

HID-Lampen sind omnidirektional und erfordern Reflektoren im Inneren einer Leuchte, um das Licht in den Zielbereich zu reflektieren. Allerdings kann nicht jedes Licht effektiv umgeleitet werden. Typischerweise erreichen 40 % des Lichts von HID-Lampen den Zielbereich nicht.

LED-Lichtquellen sind typischerweise gerichtet, was bedeutet, dass die Lumen den Zielbereich erreichen, ohne dass sie reflektiert oder umgeleitet werden müssen.

Eine typische Leuchte mit einer LED-Lichtquelle (mit einer Quelleneffizienz von etwa 100 Lumen/W) hat eine Systemeffizienz von 50 bis 75 Lumen/W. Eine typische Leuchte mit einer HID-Lampe hat eine Systemeffizienz von 30 bis 35 Lumen/W. LED-Treiber sind im Allgemeinen energieeffizienter als HID-Vorschaltgeräte.

Farbtemperatur und Farbwiedergabeindex (CRI) sind ebenfalls wichtige Faktoren, die bei der Auswahl von LED-Lichtquellen berücksichtigt werden müssen. Die meisten LEDs haben eine höhere Effizienz, da die Farbtemperatur bei kühlerer Lichtleistung steigt.

LEDs sind mit CRIs in den 80er und 90er Jahren erhältlich. Der aktuelle CRI ist ein Maß für die ersten acht (R1 bis R8) Farbreferenzmuster, die pastellfarben sind. Die aktuelle CRI-Metrik berücksichtigt jedoch keine gesättigten Farben wie kräftige Rottöne (R9). Abgesehen von Halogen geben die meisten typischen Lichtquellen die R9-Metrik nicht sehr gut wieder. Viele LED-Hersteller bieten mittlerweile Produkte mit verbesserter gesättigter Farbwiedergabe und Angabe von R9-CRI-Werten an.

Lichtdesigner sollten außerdem sicherstellen, dass die IES LM-79-, LM-80- und TM-21-Dokumentation für die angegebenen LEDs jederzeit verfügbar ist. Lesen Sie den Artikel „Verwenden Sie die richtigen Ressourcen zur Spezifikation von LEDs“ in der Augustausgabe 2012 von Consulting-Specifying Engineer.

Weitere hervorragende Ressourcen sind das Design Lights Consortium und Energy Star Qualified LED Lighting. Diese Ressourcen stellen sicher, dass die Produkte hohe Qualitäts- und Leistungsstandards erfüllen. Das CALiPER-Programm (Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting) des US-Energieministeriums testet und bewertet handelsübliche LED-Produkte, um festzustellen, ob sie tatsächlich die angegebene Leistung erbringen.

Betriebs- und Wartungseinsparungen

Bei der Bewertung der Lebenszykluskosten ist der Lumenverlust wichtig. Insbesondere Halogen-Metalldampflampen leiden in relativ kurzen Zeiträumen unter einem erheblichen Lichtstromverlust.

Die Nutzungsdauer von LEDs wird normalerweise als die Betriebszeit definiert, bevor der Lumenverlust um 30 % oder der Lumenerhalt um 70 % (L70) erreicht wird. Dieser Lichtstromverlust wird weithin als Standard für die Nutzungsdauer übernommen. Ein Rückgang der Lichtstärke um 30 % ist für die meisten Menschen normalerweise nicht erkennbar.

Viele LEDs haben eine L70-Lebensdauer von 50.000 bis 100.000 h und sind damit im Vergleich zu den meisten anderen Lichtquellen attraktiv.

Lebenszykluskostenanalysen für LEDs zeigen typischerweise, dass die 15-Jahres-Gesamtkosten sie in den meisten Szenarien attraktiv machen. Vergleiche der Lebenszykluskosten sollten die Anzahl der Jahre für die Analyse umfassen; die Anzahl der Leuchten; die Anschaffungskosten der Leuchte (einschließlich des Lampentyps); die anfänglichen Installationskosten; die jährlichen Betriebsstunden; die Stromkosten pro kWh; die Lampenwechselkosten im Vergleichszeitraum (z. B. 15 Jahre); die Kosten für den Austausch von Vorschaltgeräten/Treibern während des Vergleichszeitraums; die Kosten für den Austausch der Lampe/des Vorschaltgeräts während des Vergleichszeitraums; und die Kosten für die Lampenentsorgung.

In Tabelle 1 ist eine Lebenszykluskostenanalyse einer Studie aufgeführt, die im Oktober 2011 vom Office of Construction and Facilities Management des Department of Veterans Affairs durchgeführt wurde. Die Analyse vergleicht HID mit LED in einer Parkplatzanwendung.

Zu den weiteren Überlegungen gehört die Steuerbarkeit von LED-Lichtquellen im Vergleich zu Quellen wie HID-Lampen, die aufgrund der Aufwärmzeit der HID-Lampen nur begrenzte Steuermöglichkeiten haben. Dies ist besonders wichtig angesichts der erhöhten Anforderungen an die Lichtsteuerung im ASHRAE-Standard 90.1-2010 für Außenbeleuchtung und Parkhäuser. LED-Lichtquellen haben keine Aufwärmzeit und ihre Lebensdauer wird durch häufiges Wechseln nicht verkürzt, was sie im Vergleich zu mehreren anderen Lichtquellen (z. B. HID) ideal für eine effektive Zeitplan- und Belegungskontrolle macht.

LED-Retrofits bieten im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen Energieeinsparungen sowie Einsparungen bei den Betriebs- und Wartungskosten. LEDs bieten Lichtdesignern und Kunden Vorteile und Optionen, die in der Vergangenheit nicht möglich waren.

Michael Chow ist der Gründer und Inhaber von Metro CD Engineering. Er besitzt einen BSEE der Ohio Northern University, ist Mitglied des Redaktionsbeirats von Consulting-Specifying Engineer und Gewinner der 40 Under 40-Auswahl 2009.

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