Introduction

En matière de conception d’éclairage, il est plus important de garantir qu’un site respecte les normes d’éclairement tout au long de sa durée de vie opérationnelle que de simplement calculer la luminosité initiale d’un système nouvellement installé. Cependant, avec le temps, l’éclairement fourni par les luminaires diminue inévitablement en raison de facteurs tels que la dépréciation du flux lumineux des sources lumineuses, l’accumulation de poussière et la salissure environnementale. Pour quantifier ce phénomène, nous introduisons le facteur de perte de flux lumineux (FPL), un concept issu des normes IESNA.

Le facteur de maintien (FM) est, en substance, le même concept que le FPL, la seule différence résidant dans le cadre réglementaire spécifique auquel il se rapporte : le FM correspond aux normes CIE. La définition de base commune aux deux est identique : le rapport entre l’éclairement maintenu sur une surface éclairée après une période d’utilisation et l’éclairement initial (un rapport généralement inférieur à 1). En intégrant le LLF ou le MF, les concepteurs peuvent, dès la phase de conception initiale, allouer une marge de flux lumineux suffisante (qu’est-ce que le flux lumineux d’un luminaire LED ?) pour compenser les pertes futures dues à la dégradation de la lumière et à la contamination, garantissant ainsi que le système d’éclairage respecte constamment les exigences minimales d’éclairement tout au long de son cycle de maintenance. Poursuivons notre exploration du texte principal afin d’en apprendre davantage sur le LLF, notamment sur ses méthodes de calcul et sa relation avec le MF.

Qu’est-ce que le facteur de perte de flux lumineux ?

En termes simples, le facteur de perte de flux lumineux (LLF) désigne la réduction du flux lumineux émis par un luminaire après une période d’utilisation, généralement avant la fin d’un cycle de maintenance, pour diverses raisons. Plus précisément, le LLF est défini comme le rapport entre l’éclairement moyen d’une surface après une période d’utilisation et son éclairement initial. Il est calculé comme le produit de plusieurs coefficients de perte indépendants, notamment la dépréciation du flux lumineux de la lampe (LLD), la dépréciation due à l’encrassement du luminaire (LDD) et des facteurs liés à l’équipement (dont le facteur de durée de vie de la lampe). Contrairement au facteur de maintenance, le LLF ne tient pas compte de facteurs tels que les variations de réflectance des surfaces de la pièce. Parmi ces composantes, la LLD et la LDD correspondent aux paramètres définis dans les normes CIE, tandis que le facteur de durée de vie de la lampe correspond au facteur de survie de la lampe également défini dans les normes CIE. De plus, les normes IESNA pour le calcul du LLF intègrent des paramètres supplémentaires, tels que le facteur de température ambiante du luminaire, le facteur de tension du luminaire et le facteur de ballast. Une fois les valeurs spécifiques de chacun de ces paramètres déterminées, la valeur finale du LLF peut être calculée. L’objectif principal de l’introduction du facteur de luminosité initiale (LLF) est de permettre aux concepteurs d’éclairage d’augmenter proactivement le flux lumineux initial, compensant ainsi la dégradation lumineuse ultérieure (qu’est-ce que la dégradation lumineuse ?) pendant le fonctionnement, et de garantir que le système d’éclairage maintienne les niveaux d’éclairement requis tout au long de son cycle de vie. Le chapitre suivant abordera les différents facteurs influençant l’amplitude du LLF, ainsi que les méthodes de calcul utilisées.

Déterminants du facteur de perte de flux lumineux

Le facteur de perte de flux lumineux (LLF) n’est pas une valeur fixe, mais le produit de plusieurs coefficients de perte indépendants qui varient dans le temps. Ces facteurs peuvent généralement être regroupés en un seul multiplicateur pour les calculs de conception d’éclairage (solutions de conception d’éclairage ZGSM). Le facteur d’équipement (FE) fait exception : il dépend principalement du choix initial de l’équipement plutôt que de son évolution. En termes de mécanismes de contrôle, les différentes composantes du FPL se répartissent en trois groupes : celles contrôlées par le choix de l’équipement (comme les caractéristiques de performance intrinsèques des luminaires et des sources lumineuses, relevant du facteur d’équipement) ; celles contrôlées par la maintenance (comme le nettoyage périodique et le remplacement des lampes) ; et celles hors du contrôle du propriétaire (comme les fluctuations de tension du réseau électrique et les variations des émissions environnementales). Le concepteur lumière doit déterminer et appliquer une valeur de FPL globale réaliste et adaptée. Le facteur de perte lumineuse global est calculé en multipliant tous les coefficients indépendants. Si une perte spécifique est négligeable (c’est-à-dire si son coefficient est proche de 1,0), elle peut être ignorée. Dans le cas contraire, elle doit être estimée à partir de données empiriques issues d’installations, d’équipements et de procédures de maintenance similaires. Dans tous les cas, la dépréciation du flux lumineux de la lampe (LLD) et la dépréciation due à l’encrassement du luminaire (LDD) sont les facteurs minimaux à prendre en compte. Si le facteur de perte de flux lumineux (LLF) global calculé est excessivement faible (indiquant un niveau de perte de lumière inacceptable), il est nécessaire de revoir la sélection des luminaires ou des sources lumineuses, ou d’adapter les protocoles de nettoyage et de maintenance. Par exemple : LLF = LLD × LDD × BF (où tous les coefficients sont généralement inférieurs à 1,0).

Qu’est-ce que la dépréciation du flux lumineux d’une lampe (LLD) ?

La dépréciation du flux lumineux (LLD) désigne le phénomène de diminution progressive du flux lumineux (en lumens) de la plupart des luminaires au cours de leur durée de vie. La LLD est généralement représentée par une courbe de maintien du flux lumineux, qui illustre le pourcentage du flux lumineux actuel du luminaire par rapport à son flux initial à un instant précis de sa durée de vie. Pour les lampes à décharge à haute intensité (HID), les tests de durée de vie sont réalisés sur la base de cycles d’allumage supérieurs à 10 heures et dans des conditions de ballast spécifiques. En effet, la durée de fonctionnement est un facteur clé influençant les niveaux de flux lumineux, et les variations de performance du ballast peuvent également entraîner des écarts importants dans le flux lumineux des lampes HID. Les technologies d’éclairage traditionnelles représentant actuellement une part de marché décroissante, nous ne les aborderons pas plus en détail ici.

Pour les sources lumineuses LED, le taux de maintien du flux lumineux est influencé par de nombreux facteurs, notamment la température de fonctionnement, le courant d’alimentation, les procédés de fabrication et la composition des matériaux. Si une LED fonctionne à des températures (environ la température de fonctionnement des LED et de leur driver) ou à des niveaux de courant supérieurs aux recommandations du fabricant, la dégradation du flux lumineux s’accélérera considérablement et sa durée de vie nominale sera réduite. Cette conséquence est clairement visible lors du calcul de la durée de vie en flux lumineux (LLD) d’un luminaire à l’aide de la méthode TM-21. La durée de vie en flux lumineux d’une LED est généralement indiquée par la notation Lxx ; par exemple, L70 représente le nombre d’heures de fonctionnement cumulées après lesquelles le flux lumineux a diminué de 70 % (ou d’un pourcentage spécifié) par rapport à sa valeur initiale. Les caractéristiques de la LLD peuvent varier considérablement d’un fabricant à l’autre, et même entre différents modèles de LED d’un même fabricant. Lors de la conception, il est essentiel de choisir une valeur de LLD appropriée en consultant les tableaux et les courbes fournis par le fabricant, tout en tenant compte des paramètres de fonctionnement spécifiques, tels que la durée de chaque cycle de fonctionnement, et des conditions environnementales. Le tableau ci-dessous présente la courbe de LLD des composants LED Osram. Étant donné que la durée réelle du test a été de 9 000 heures, la valeur L70 rapportée est plafonnée à 54 000 heures (la valeur L70 projetée étant limitée à un maximum de six fois la durée réelle du test).

Qu’est-ce que la dépréciation due à l’encrassement des luminaires (LDD) ?

La dépréciation due à l’encrassement des luminaires (LDD) désigne le phénomène d’accumulation progressive de poussière sur divers composants d’un luminaire, notamment les surfaces internes et externes de l’optique (lentille), la surface interne du réflecteur et la lampe (source lumineuse) elle-même. Cette accumulation entraîne une réduction supplémentaire du flux lumineux total du luminaire. Cette réduction est indépendante de la dépréciation naturelle du flux lumineux de la lampe au fil du temps ; ces deux facteurs déterminent conjointement la performance à long terme d’un système d’éclairage. L’importance de la LDD dépend principalement de la propreté de l’environnement d’installation du luminaire (classée en cinq niveaux, allant de très propre à très sale) et du programme de nettoyage et d’entretien établi. Pour les sources lumineuses traditionnelles non LED, le facteur LDD correspondant peut être déterminé à l’aide de courbes de référence standard. Cependant, la norme RP-8-21 (Plus d’informations sur la norme RP-8-21) fournit des indications limitées concernant les luminaires LED.

Nous approfondissons ici ce sujet en nous référant aux normes CIE pertinentes. Ces normes reconnaissent que la conception structurelle des luminaires LED diffère de celle des sources lumineuses traditionnelles : par exemple, les LED sont généralement dépourvues de surfaces orientées vers le haut et présentent souvent une conception fermée, ce qui réduit la surface disponible pour l’accumulation de poussière. Par conséquent, l’impact de la saleté liée à la lumière (SDL) est moins important pour les LED que pour les sources lumineuses traditionnelles. Selon la norme CIE 154:2003 (Extérieur), le facteur de maintenance des luminaires (FML) pour les luminaires LED doit être déterminé en tenant compte de trois facteurs principaux : l’indice de protection IP, les conditions environnementales (niveau de pollution) et l’intervalle de nettoyage. Par exemple, pour un lampadaire LED (Éclairage public à LED ZGSM) avec un indice de protection IP66, situé dans un environnement très pollué et soumis à un cycle de nettoyage de trois ans, la consultation des tableaux pertinents donne un FML de 0,83. En revanche, si l’on consultait les tableaux correspondants fournis par l’IESNA, le coefficient pour ce scénario se situerait entre 0,55 et 0,75, soit un écart significatif. Si vous avez besoin d’aide supplémentaire pour déterminer les valeurs LDD, veuillez contacter ZGSM pour obtenir des informations complémentaires.

Qu’est-ce que le facteur de surchauffe des luminaires (LBF) ?

La norme IESNA inclut un « facteur de défaillance des lampes » (FDL) ; cependant, les descriptions détaillées concernant ce paramètre sont relativement rares. Forts de notre expérience, nous savons que ce facteur est essentiel au calcul du facteur de maintenance (FM). Nous constatons fréquemment des lampadaires dont certains luminaires ont cessé de fonctionner, ou dont des puces LED (ampoules) sont défectueuses, ce qui impacte inévitablement la luminosité et l’éclairement de la chaussée. Dans ces cas, il est nécessaire de remplacer ces sources lumineuses défectueuses. La norme IESNA stipule simplement qu’il convient de consulter les données statistiques du fabricant concernant les taux de défaillance pour chaque type de lampe afin de déterminer le FDL approprié. De plus, elle recommande, pour les applications d’éclairage routier critiques et continues, de surveiller régulièrement les performances des lampes – par exemple, par des inspections nocturnes ou des systèmes de surveillance automatisés (comme les systèmes de contrôle intelligents – système d’éclairage public intelligent) – afin de faciliter l’élaboration d’un calendrier de remplacement permettant d’atténuer au plus tôt les effets néfastes du FDL.

À l’inverse, la CIE propose une analyse plus détaillée de ce sujet, bien qu’utilisant une terminologie différente : le « facteur de survie de la lampe » (FSL). Le FSL représente la probabilité qu’une source lumineuse et/ou un luminaire continue de fonctionner pendant une durée spécifiée ; ce facteur peut être déterminé par une analyse de la durée de vie des différents composants du luminaire. Par exemple, dans un luminaire LED, la probabilité de défaillance d’une puce LED individuelle est généralement relativement faible, tandis que la probabilité de défaillance du pilote LED est comparativement plus élevée ; par conséquent, le FSL est souvent extrapolé à partir de la durée de vie prévue du pilote LED. Prenons l’exemple de l’alimentation Inventronics série EUM DG : elle affiche un temps moyen entre les pannes (MTBF) de 473 000 heures. Grâce à des calculs appropriés, nous pouvons déterminer que les luminaires équipés de cette alimentation présentent un taux de défaillance d’environ 4,6 % après cinq ans de fonctionnement (en supposant 12 heures d’utilisation quotidienne) ; sur la base de ce chiffre, nous établissons un FSL de 95,4 %. Pour plus d’informations concernant le MTBF et son importance, veuillez consulter notre article de blog : « Temps moyen entre les pannes des drivers LED et l’importance du MTBF ».

Que sont les facteurs d’équipement (EF) ?

Les facteur de perte de flux lumineux non variables dans le temps sont principalement déterminés par les caractéristiques inhérentes à l’équipement du luminaire lui-même. Même si certaines de ces pertes ne peuvent pas être corrigées, elles peuvent avoir un impact significatif sur le flux lumineux du luminaire et, par conséquent, réduire les niveaux d’éclairement réels. La norme RP-8-21 classe les facteur de perte de flux lumineux non variables dans le temps en trois types : le facteur de température ambiante du luminaire (LATF), le facteur de tension du luminaire et le facteur de ballast. ZGSM considère le facteur de température ambiante du luminaire comme le plus critique des trois, car la température ambiante exerce une profonde influence sur le rendement de la source lumineuse (lampadaire LED avec thermistance NTC et protection contre la surchauffe). Le facteur de tension du luminaire occupe le deuxième rang en importance ; cependant, étant donné que la grande majorité des luminaires grand public actuels sont à base de LED, le facteur Ballast ne nécessite généralement aucune considération supplémentaire.

Concernant le facteur de température ambiante du luminaire, les professionnels de l’industrie LED connaissent bien le rapport LM-82, une norme utilisée pour évaluer les performances de flux lumineux d’un luminaire à différentes températures ambiantes (Ta). Citant à titre d’exemple les rapports de tests pertinents du ZGSM, il a été observé que le flux lumineux d’un luminaire diminuait respectivement de 3 % et 5 % dans des conditions de fonctionnement de Ta +25°C et Ta +40°C. Ainsi, lors de la phase de conception de l’éclairage, il est essentiel de définir clairement la plage de température de fonctionnement du luminaire et de sélectionner le paramètre LATF approprié en faisant référence au rapport LM-82 correspondant. En ce qui concerne le facteur de tension du luminaire, des fluctuations de tension mineures dans une plage de ± 5 % de la tension nominale du réseau électrique ont un impact négligeable sur le flux lumineux des luminaires LED ; cependant, ils peuvent affecter considérablement les luminaires traditionnels, tels que les lampes au sodium haute pression, qui utilisent des ballasts. En règle générale, si un pilote de LED (En savoir plus sur le pilote de LED) est conçu pour s’adapter à une large plage de tension d’entrée, la fluctuation du flux lumineux qui en résulte sera minime. Il existe néanmoins une exception spécifique : certains luminaires sont conçus pour une plage de tension nominale de 100 à 277 VCA, mais sont conçus pour réduire automatiquement leur puissance de sortie lorsqu’ils fonctionnent dans la plage réelle de 100 à 180 VCA. Une telle conception n’est pas entièrement dénuée de mérite ; Lorsque la tension du réseau chute nettement en dessous de la tension nominale, le circuit pilote réduit activement la puissance, une mesure qui sert efficacement de mécanisme de protection électrique, bien que les opinions concernant les mérites de cette conception spécifique varient selon l’industrie.

Comment calculer le LSF ?

Les normes IESNA stipulent que si l’impact de certains coefficients est négligeable, ils peuvent être omis des calculs. Généralement, pour calculer le facteur de perte de flux lumineux (LLF), trois composantes clés doivent être multipliées : la dépréciation du flux lumineux de la lampe (LLD), la dépréciation due à l’encrassement du luminaire (LDD) et le facteur de défaillance du luminaire (BF). Par exemple, si un projet met en œuvre une stratégie de remplacement ponctuel (voir la section sur la maintenance de l’éclairage public et ses avantages), consistant à remplacer les lampes défectueuses au fur et à mesure de leur défaillance, le BF peut être ignoré. Dans de nombreuses applications, les clients connaissent mal le paramètre LDD, voire l’ignorent complètement, ce qui les amène à ne considérer que le LLD. Or, en pratique, le remplacement ponctuel peut s’avérer très coûteux ; de plus, la fréquence de maintenance des luminaires suit souvent des schémas prévisibles. C’est pourquoi ZGSM recommande de prendre en compte ces trois facteurs clés.

Tout d’abord, la durée de vie résiduelle (LLD) est déterminée à partir du flux lumineux L70 du luminaire LED et de sa durée de vie opérationnelle prévue (Quelle est la durée de vie des luminaires LED ?). Par exemple, si un luminaire a une durée de vie L70 de 100 000 heures et, en supposant un modèle d’amortissement linéaire, il conserverait 85 % de son flux lumineux initial après 50 000 heures ; dans ce cas, la LLD serait de 0,85. Si la durée de vie prévue est de 5 ans (à raison de 12 heures de fonctionnement par jour), la durée totale de fonctionnement s’élève à 21 900 heures, ce qui donne une LLD calculée de 0,93. On peut également calculer la LLD directement en croisant les tables de données LM-80 et TM-21 — une méthode recommandée par l’IESNA — qui prend principalement en compte la température de fonctionnement et le courant d’alimentation des LED. Ensuite, il faut estimer le LDD (taux de dégradation lié à la saleté) en fonction des conditions environnementales, en se référant à des courbes telles que « Taux de dégradation moyen lié à la saleté vs. optiques LED ». Cependant, ces recommandations ne fournissent pas de détails précis sur la méthodologie de calcul du LDD. ZGSM suggère que pour les luminaires utilisant des lentilles en PMMA et des surfaces en verre, le LDD après 5 ans de fonctionnement peut être estimé à environ 0,96 × 0,885 = 0,85. Concernant le facteur de durée de vie (BF), nous l’avons déjà calculé pour nos alimentations courantes après 5 ans de fonctionnement dans une section précédente ; nous lui attribuons donc une valeur de 0,95. Enfin, en multipliant ces valeurs (LLF = 0,93 × 0,85 × 0,95), nous obtenons 0,75. Cela signifie qu’à l’échéance prévue, le système d’éclairage conservera 75 % de son flux lumineux initial.

Solutions de conception d’éclairage ZGSM

Résumé

Le facteur de perte de flux lumineux (LLF) et le facteur de maintenance (MF) sont des concepts fondamentalement identiques, dérivés respectivement des normes IESNA et CIE. Ils sont définis comme le rapport entre l’éclairement maintenu et l’éclairement initial après une période d’utilisation donnée. Le LLF est obtenu en multipliant plusieurs coefficients de perte indépendants, qui se répartissent principalement en trois catégories : la dépréciation du flux lumineux de la lampe (LLD) – la diminution naturelle du flux lumineux de la source lumineuse au fil du temps – qui correspond au facteur de maintenance du flux lumineux de la lampe (LLMF) dans les normes CIE ; la dépréciation due à l’encrassement du luminaire (LDD) – la perte de flux lumineux causée par l’accumulation de poussière sur les surfaces optiques, dont l’importance est directement influencée par la propreté de l’environnement et la fréquence de nettoyage du luminaire – qui correspond au facteur de maintenance du luminaire (LMF) dans les normes CIE ; et le facteur de durée de vie de la lampe (BF) – représentant la probabilité que la source lumineuse ou le driver continue de fonctionner normalement pendant une période donnée – qui correspond au facteur de survie de la lampe (LSF) dans les normes CIE. De plus, l’IESNA introduit des facteurs d’équipement (FE) qui restent constants dans le temps, tels que les facteurs de température ambiante, de tension et de ballast. Pour les luminaires LED, il convient d’accorder une attention particulière à l’impact de la température ambiante sur le flux lumineux (conformément aux rapports LM-82). Le calcul du LLF (facteur de maintien du flux lumineux) s’effectue généralement en multipliant les valeurs LLD (déficit de durée de vie), LDD (déficit de durée de vie) et BF (facteur de maintien du flux lumineux). Par exemple, si un luminaire LED fonctionne depuis cinq ans et que son LLD est de 0,93, son LDD de 0,85 et son BF de 0,95, alors le LLF est égal à 0,93 × 0,85 × 0,95 ≈ 0,75. Cela signifie que le système conserve 75 % de son flux lumineux initial. Pour plus d’informations sur le LLF et le MF (facteur de maintien du flux lumineux), veuillez nous contacter. Si votre projet fait référence aux normes CIE, consultez notre blog : « Facteur de maintenance ».

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