Depuis la découverte de l’incandescence, le plus gros bouleversement dans l’industrie de l’éclairage a été l’arrivée de la technologie des diodes électroluminescente (LED) comme source lumineuse.
Peu énergivore et présentant de longues durées de vie, l’éclairage LED est séduisant. Mais de nombreuses questions se posent…
Faut-il aujourd’hui, dans les établissements scolaires, investir dans du LED? La technologie est-elle assez mature? Est-elle réellement plus performante que la technologie fluorescente en termes d’efficacité énergétique et de durée de vie? Est-elle financièrement accessible? Les produits d’éclairage à LED sont-ils réellement plus écologiques ? Qu’en est-il des risques pour la santé ?
Parmi les produits d’éclairage LED, faisons la distinction entre une puce LED, une lampe à LED et un luminaire à LED.
La première, la puce LED, est la source lumineuse à proprement parler. C’est elle qui émet la lumière (similairement au filament de la lampe à incandescence).
La lampe à LED est quant à elle un système complet qui intègre des puces LED et est conçu de manière à permettre le remplacement aisé des lampes traditionnelles moins efficaces, comme les lampes à incandescence. Pour ce faire, ces lampes adoptent les formes et les culots normalisés des lampes traditionnelles. Elles ne demandent, en principe, pas de modification du luminaire.
Enfin, le luminaire à LED est un système complet également composé de puces LED mais comprenant aussi l’électronique, l’enveloppe, le câblage et les optiques nécessaires à la bonne diffusion de la lumière dans l’espace. Tandis que les technologies traditionnelles à incandescence et fluorescence font la distinction entre la source et le luminaire, la technologie LED n’en fait plus : source et luminaire ne font qu’un.
L’efficacité lumineuse réelle des produits à LED : certains luminaires LED plus efficaces qu’un luminaire FLUO, d’autres moins
L’efficacité lumineuse est le rapport entre la quantité de lumière produite par une source de lumière et l’énergie électrique consommée. Un des grands avantages des produits à LED mis en avant par les fabricants est leur caractère peu énergivore. Qu’en est-il réellement ?
Les puces LED affichent actuellement des efficacités lumineuses allant jusque 150 lm/W, à 25°C (température de la puce). Par comparaison à un tube fluo T5 qui affiche, dans les catalogues fabricants, une efficacité lumineuse de 120 lm/W à 35°C ambiant (ce qui correspond à 100 lm/W à une température ambiante plus réaliste de 25°C), elles peuvent paraître particulièrement efficaces … mais il faut garder en tête que lorsqu’elles sont en fonctionnement dans une lampe ou un luminaire, les puces LED s’échauffent bien au-delà des 25°C pour atteindre une température proche de 85°C … Or, lorsqu’elles s’échauffent, leur flux lumineux (la quantité de lumière qu’elles produisent) diminue, et donc leur efficacité lumineuse chute. En conditions réelles de fonctionnement (~85°C), une puce LED a finalement une efficacité lumineuse d’environ 120 lm/W.
Similairement à l’éclairage fluorescent qui nécessite un ballast pour fonctionner, les lampes et luminaires à LED nécessitent un driver, qui consomme lui aussi de l’énergie. Et pour que la lumière soit correctement distribuée dans l’espace et ne soit pas source d’éblouissement, les puces LED doivent être placées dans un luminaire muni de lentilles, de réflecteurs, de diffuseurs...
Au final, en fonction de la qualité du produit, l’efficacité lumineuse initiale de la puce LED peut être réduite de 20 à 50%. Certains luminaires LED se retrouveront ainsi plus efficaces qu’un luminaire FLUO, d’autres moins… (voir figure ci-contre).
Comme illustré dans le graphe ci-contre, on s’attend à ce que l’efficacité lumineuse des lampes et luminaires à LED continue à croître durant encore au moins une quinzaine d’années, pour atteindre un pallier de 200 lm/W dans les années 2030. La technologie à LED sera alors probablement toujours plus performante que la technologie fluorescente.
Par ailleurs, les produits LED présentent déjà les avantages indéniables suivants:
- un allumage instantané ;
- une faible sensibilité aux cycles allumage/extinction ;
- une émission nulle d’UV (sauf pour quelques produits spécifiques) ;
- une émission nulle de chaleur par IR ;
- la possibilité d’être dimmé à 0%.
A l’aube de l’automne 2015, les lampes à LED semblent être devenues concurrentielles aux lampes halogènes éco et fluo-compactes grâce à leur haute efficacité énergétique et leur qualité de lumière. Néanmoins, pour ne pas être déçu, les produits à LED anormalement bon marché sont à éviter. Par ailleurs, si des informations sont manquantes dans la documentation du fabricant, orientez-vous vers une autre marque car généralement, cela suggère que le fabricant a préféré ne pas les renseigner car elles lui sont défavorables.
Quant aux luminaires à LED, avant de devenir totalement incontournables dans le domaine de l’éclairage, ils doivent encore relever le défi non-négligeable de tenir leurs promesses d’efficacité et de très longue durée de vie. Et c’est leur bonne gestion thermique qui est primordiale pour ce faire.
Comparaison des efficacités lumineuses (lm/W) d’un luminaire à LED et d’un luminaire FLUO T5
Évolution prévue par l’US Department of Energy de l’efficacité lumineuse des applications LED
Dans les catalogues des fabricants, les luminaires à LED affichent des rendements de 100 % ... qu’est-ce que ça signifie ? Par comparaison à un luminaire FLUO ayant un rendement de 91%, est-ce que ça veut dire que le luminaire à LED est d’office plus efficace ?
Le rendement d’un luminaire est le rapport entre le flux lumineux (la quantité de lumière) émis par celui-ci et le flux lumineux de la lampe (la source lumineuse). Pour connaître l’efficacité lumineuse réelle d’un luminaire fluo T5, il faut multiplier son rendement (par exemple 91%) par l’efficacité lumineuse du tube fluo T5 (~100lm/W) et les pertes dues au ballast (un ballast électromagnétique affiche une perte d’environ 10%).
Exemple : 0.91 * 100 lm/W * 0.90 = 82 lm/W
Certains fabricants se plaisent à afficher dans leurs catalogues des rendements de 100% pour leurs luminaires à LED. Ils considèrent en fait que la source lumineuse (la puce LED) fait partie intégrante du luminaire. Dans le catalogue du fabricant, vous devriez trouver le flux lumineux du luminaire (par exemple 3100 lm) et sa puissance raccordée (par exemple 37 W). Déduisez-en l’efficacité du luminaire, en lm/W. Si ces informations ne sont pas précisées, demandez au fabricant l’efficacité lumineuse du luminaire, driver inclus.
Exemple : 3100 lm / 37 W = 84 lm/W
Comme illustré dans cet exemple, à l’heure actuelle, la plupart des luminaires LED affichent des efficacités lumineuses similaires à celles des luminaires FLUO comparables.
Gestion thermique et maintien des performances : les LED produisent aussi de la chaleur
Contrairement, à ce que beaucoup pensent, les LED produisent de la chaleur, et cette chaleur doit être évacuée. A la différence de l’incandescente qui émet principalement sa chaleur par rayonnement infra-rouge, la puce LED émet sa chaleur par convection, c’est pourquoi on entend parfois que la LED ne chauffe pas.
La chaleur produite par la puce LED influence négativement ses performances puisque lorsque sa température augmente, la quantité de lumière qu’elle produit diminue. De plus, à partir d’un certain seuil de température, la durée de vie de la puce est impactée. Une bonne régulation de la température du produit est donc primordiale pour assurer le maintien de ses performances dans le temps et sa longue durée de vie. La présence d’un dissipateur thermique et d’un flux d’air libre autour du luminaire sont des indices d’une bonne gestion thermique.
Mais les LED… ça ne chauffe pas, si ?!
Ce n’est pas parce qu’il n’émet pas de rayonnement infrarouge que l’éclairage LED ne chauffe pas ! Son rayonnement ne contient pas de chaleur (pas de rayon infra-rouge), mais le LED produit de la chaleur qui doit être évacuée par convection par un dissipateur de chaleur afin de ne pas compromettre sa durée de vie. D’où l’intérêt de choisir des produits de qualité qui évacuent au mieux cette chaleur générée par la puce LED.
La présence d'un dissipateur de chaleur est
un indice d'une bonne gestion thermique
La durée de vie des produits à LED : des longues durées de vie, mais accompagnées d’une chute de flux lumineux à ne pas négliger lors du dimensionnement
La très longue durée de vie des produits LED est le second grand avantage mis en avant par les fabricants de luminaires à LED. Que signifie-t-elle exactement ? Qu’après 40 000 h le luminaire produit la même quantité de lumière qu’au premier jour ? Ces longues durées de vie sont-elles nécessaires dans les écoles, dont la plupart des locaux sont finalement peu occupés ? L’occupation d’une salle de classe est, de fait, d’environ 1500h/an, l’éclairage y est allumé durant environ 1000h/an. Si l’installation est dimmable et le local bien éclairé naturellement, le nombre d’heures d’utilisation peut être réduit à 500h/an.
Notre éclairage traditionnel à incandescence ou fluorescence nous a fait prendre l’habitude de choisir un luminaire pour des années et d’y remplacer régulièrement la source lumineuse (la lampe, familièrement appelée ampoule). Avec la technologie LED, la durée de vie de la source lumineuse s’allonge fortement jusqu’à rattraper celle des luminaires. A l’avenir, il ne sera donc plus nécessaire de remplacer la source lumineuse de son luminaire. Les fabricants ne prévoient d’ailleurs pas leur remplacement puisque, avec la technologie LED, luminaire et source lumineuse ne font désormais généralement plus qu’un.
Lorsque la source lumineuse n’émettra plus la quantité de lumière souhaitée, c’est tout le luminaire qui devra être changé. Une difficulté consistera à évaluer le moment où la quantité de lumière est devenue insuffisante pour assurer le confort visuel. De fait, contrairement aux lampes à incandescence qui n’émettent plus de lumière d’un coup après un millier d’heures, ou aux tubes fluorescents T5 dont le flux chute légèrement (d’environ 10%) avant de ne plus éclairer du tout après environ 20 000 h, les luminaires à LED émettront encore et encore de la lumière (voir graphe ci-dessous). Après les x milliers d’heures de vie annoncées par le fabricant, le luminaire à LED semblera donc encore fonctionner… mais comme il émettra beaucoup moins de lumière qu’au premier jour, et que la différence sera visible, il devra être remplacé car le niveau d’éclairement dans le local ne sera plus assuré.
Dans les établissements scolaires, la durée de vie moyenne actuelle d’une installation d’éclairage est d’environ 30 ans. Trente ans, cela correspond, pour une salle de classe, à entre 15 000 h et 45 000 h d’allumage (en fonction de la taille des fenêtres et du type de gestion de l’éclairage). Soit, en T5, à entre 1 et 5 remplacements des tubes fluorescents sur toute la durée de vie de l’installation. Quel avantage d’avoir des produits ayant des durées de vie encore plus longues? D’autant plus que les règles de bonnes pratiques, et les hypothèses prises lors du dimensionnement de l’installation, promeuvent un dépoussiérage régulier des luminaires.
La durée de vie communiquée dans les catalogues
Les fabricants ne sont pas toujours très clairs sur ce qu’ils entendent par « durée de vie » d’un luminaire à LED. La plupart d’entre eux considèrent la durée de vie d’un luminaire à LED comme la période après laquelle le luminaire émet moins de 70% de son flux lumineux initial.
Certains fabricants indiquent clairement le maintien de flux lumineux associé à la durée de vie annoncée. Par exemple, 50 000h L70B50 signifie qu’après 50000h, 50% des luminaires (B50) risquent d’émettre moins de 70% (L70) du flux lumineux initial. Le taux de défaillance catastrophique (le risque qu’un luminaire n’émettent plus du tout de lumière) est quant à lui très rarement précisé.
Si les informations ne sont pas claires ou sont manquantes, demandez des précisions aux fabricants. Ces données vous permettront de dimensionner de manière optimale l’installation.
Quid en cas de matériel défectueux ?
Les fabricants communiquent actuellement très peu sur le taux de défaillance abrupte de leurs produits (apparemment très faible avec la technologie LED). Posez-leur des questions. En cas de problème, le fabricant s’engage-t-il à remplacer le produit par un luminaire identique ou à le réparer ? Dans les catalogues, on a observé que les luminaires à LED se succèdent à une vitesse impressionnante. Or, avec la technologie LED c’est, a priori, tout le luminaire qui doit être remplacé en cas de dysfonctionnement. Le luminaire que vous avez acheté sera-t-il encore disponible en cas de panne ? Sera-t-il possible d’en trouver un ayant une finition identique, ou au moins similaire ?
L’éclairage LED … un éclairage financièrement accessible par les établissements scolaires : malgré un investissement parfois plus conséquent, le bénéfice sur la durée de vie de l’installation est plus grand … et les consommations en électricité fortement réduites
En même temps que leur efficacité énergétique et que leur qualité vont continuer à croître, le prix des LED va continuer à diminuer. Mais actuellement, tandis que les lampes à LED se sont démocratisées, les luminaires restent coûteux.
Dans certains cas, les couts liés à la maintenance sont réduits pour l’éclairage LED puisque le remplacement des lampes n’est plus nécessaire. Néanmoins, pour la plupart des applications, un dépoussiérage régulier doit être prévu d’autant plus qu’il a probablement été pris comme hypothèse lors du dimensionnement.
Calcul de la rentabilité du remplacement de 6 luminaires à nid d’abeilles équipés de 2 tubes T8 sur ballast électromagnétiques par :
- des luminaires T5 sans dimming
- des luminaires T5 avec dimming
- des tubes LED sans dimming
- des luminaires LED avec dimming
L’hypothèse que le confort visuel est atteint avec ces luminaires est prise.
Ce calcul simple de rentabilité illustre le fait que :
- la gestion de l’éclairage en fonction de la lumière du jour est source d’énormes économies d’énergie et qu’il est inexcusable de passer à côté en plaçant du matériel qui ne permet pas ce type de gestion.
- le calcul du temps de retour sur investissement doit être couplé à l’analyse des bénéfices sur toute la durée de vie attendue de l’installation
L’éclairage LED et les yeux des enfants : un risque potentiel. En attendant les résultats des recherches en cours, appliquons le principe de précaution, faisons en sorte que les enfants ne soient pas éclairés 8h par jour par de l’éclairage LED
On entend parfois que l’éclairage LED est dangereux pour nos yeux et notre santé ? Qu’en est-il vraiment ? Que risquent les enfants ?
Comme toute source lumineuse (naturelle comme le soleil, ou électrique comme les lampes à incandescence), les lampes et luminaires à LED présentent des risques potentiels sur la santé. Ces risques sont multiples et vont du simple inconfort visuel lié à l’éblouissement à des lésions irréversibles de la rétine en passant par le vieillissement prématuré de la rétine. Ces risques sont principalement le résultat de la combinaison entre la très forte luminosité des puces LED et leur spectre constitué d’une forte composante bleue.
Risques liés à la forte luminosité des puces LED
A cause de leur petite taille et de leur forte puissance lumineuse, les puces LED sont beaucoup plus lumineuses que nos sources traditionnelles. Tandis que certaines lampes à LED présentent des puces LED apparentes, d’autres sont placées dans des luminaires dont les diffuseurs sont peu performants ou inadaptés. Ces produits sont à éviter, le risque qu’ils soient des sources d’inconfort visuel pour l’occupant étant très élevé. Même si l’éblouissement n’est pas un risque pour la santé, l’inconfort visuel peut de fait non seulement entraîner des situations dangereuses, mais également des maux de tête et une fatigue visuelle.
Risques liés à la forte composante bleue des puces LED
La lumière est composée de l’ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain. Ces ondes varient entre 380 nm (violet) et 780 nm (rouge). On appelle « lumière bleue » le groupe d’ondes comprises entre 380 et 500 nm (voir figure ci-dessous).
La lumière bleue peut être décomposée en deux groupements d’ondes ayant des effets différents sur l’être humain. Les ondes comprises entre environ 415 nm et 455 nm (avec un pic aux alentours de 430 nm) sont celles présentant la plus haute nocivité. Ces ondes peuvent engendrer des dommages à la rétine pour certaines intensités et durées d’exposition, et contribuent à la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA). Les ondes lumineuses comprises entre environ 460 et 500 nm (avec un pic aux alentours de 480 nm) participent quant à elles à la régulation de notre horloge biologique, et sont donc de potentielles sources de perturbation de celle-ci si les dosages et moments d’exposition ne sont pas adaptés.
Comme la plupart des autres sources de lumière, les LED émettent de la lumière bleue. La proportion de lumière bleue émise par l’éclairage à LED est néanmoins plus grande que celle émise par les sources lumineuses traditionnelle. De fait, le spectre des sources à LED présente un pic de densité au niveau des longueurs d’ondes nocives pour la rétine, et un creux à hauteur des ondes activant le réflexe de contraction pupillaire (~480nm). Par conséquence à la vision directe d’une puce LED, la pupille ne se réduit pas comme elle le fait, par exemple, à la vision du soleil, et le flux pénétrant dans l’œil en est d’autant plus grand.
Les recherches actuelles menées sur les potentiels risques de l’éclairage à LED sur la santé différencient la vision directe et temporaire d’une source lumineuse à LED et l’exposition prolongée (exposition chronique) à un éclairage à LED.
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Vision directe et temporaire d’une source lumineuse à LED
La norme NBN EN 62 471 recommande des limites d’exposition à la radiation de diverses lampes, qu’elles soient à LED ou traditionnelles. Ces limites d’exposition visent à minimiser les risques de lésions dues à la vision directe des sources lumineuses et sont déterminées pour une distance de 20 cm entre l’utilisateur et le produit, ou pour la distance assurant un éclairement de 500 lx. Quatre groupes de risques sont définis dans la norme: les classes de risque nul (RG0), de risque faible (RG1), de risque modéré (RG2) et de risque élevé (RG3). Les fabricants de lampes sont tenus de marquer la classe de leurs produits, si ceux-ci appartiennent aux classes RG2 et RG3.
Les lampes et luminaires à LED destinés à l’éclairage intérieur ne présentent généralement pas de risque : ils appartiennent aux classes de risques RG0 ou RG1 et ne sont dès lors pas marqués.
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Exposition prolongée à un éclairage à LED (exposition chronique)
A l’heure actuelle, les effets d’une exposition prolongée à des éclairages présentant une forte composante bleue, dans des conditions normales de luminosité, sont toujours méconnus. Des études visant à déterminer si l’éclairage intérieur à LED accélère le vieillissement de la rétine sont en cours.
Selon une récente étude de l’INSERM, publiée début 2015 et menée sur des rats, sous la direction de la chercheuse Alicia Torriglia, la lumière émise par les LED pourrait être toxique pour notre rétine et pourrait entraîner une altération à long terme de celle-ci. De fait, dans le cadre de cette étude, les chercheurs ont observé que des nécroses apparaissaient sur la rétine des rats. La recherche doit se poursuivre afin de vérifier que ces observations sont transposables à l’être humain. Dans tous les cas, ces observations mettent en évidence que ce type d’éclairage a la capacité d’induire des lésions pouvant entraîner une accélération du vieillissement des cellules. Le risque est que, dans le futur, les populations souffrent de maladies liées à l’âge comme les dégénérescences maculaires liées à l’âge (DMLA) dès 50 ans, au lieu de la moyenne actuelle de 60 ans.
Cette étude met par ailleurs en évidence que la lumière émise par les LED blanches est plus toxique que la lumière émise par la technologie fluorescente. Les dégâts observés sur la rétine des rats sont de fait apparus cinq fois plus rapidement avec l’éclairage LED qu’avec l’éclairage FLUO.
La méconnaissance des effets d’une exposition chronique à l’éclairage à LED dans des conditions d’exposition normales impose une prudence particulière, surtout pour les populations à risques : les enfants (et principalement les enfants de moins de 2 ans car leur cristallin est particulièrement transparent et filtre dès lors en moins grande partie la composante bleue de la lumière et offre à la rétine un rôle protecteur moins grand que le cristallin adulte, moins transparent), les personnes aphakes (personnes dont au moins un des yeux est dépourvu de cristallin), les personnes atteintes de maladies rétiniennes… Notons que dans les établissements scolaires, l’éclairage naturel est normalement très présent. L’éclairage artificiel n’est dès lors pas nécessaire la grande majorité de la journée.
Les LED, relativement écologique : ils ne contiennent pas de mercure certes, mais ils sont composés de métaux rares
Bien que les produits d’éclairage à LED ne contiennent pas de mercure (au contraire de la technologie FLUO), la disponibilité des métaux rares qui le composent pose question. Ces métaux rares sont du même type que ceux utilisés pour les écrans des GSM, des PC … Par ailleurs, actuellement, bien que des filières de collecte se mettent en place, il n’y a pas de recyclage organisé spécifiquement pour ces produits.
A l’aube de l’automne 2015 :
- des produits LED de toutes les qualités sont disponibles sur le marché ;
- certains luminaires LED sont plus efficaces qu’un luminaire FLUO;
- l’efficacité lumineuse des lampes et luminaires à LED va continuer à croître durant encore au moins une quinzaine d’années. La technologie à LED sera alors probablement toujours plus performante énergétiquement que la technologie fluorescente.
Par ailleurs, les produits LED présentent déjà les avantages indéniables suivants:
- un allumage instantané ;
- une faible sensibilité aux cycles allumage/extinction ;
- une émission nulle d’UV (sauf pour quelques produits spécifiques) ;
- une émission nulle de chaleur par IR ;
- la possibilité d’êtr dimmé à 0%.
Mais des questions restent posées concernant :
- la confiance aux durées de vie annoncées par les fabricants, et par conséquence le retour sur investissement de ces produits ;
- les dangers pour la rétine (risques d’accélération des dégénérescences rétiniennes). La méconnaissance des effets d’une exposition prolongée à l’éclairage à LED impose une prudence particulière dans les établissements scolaires, d’autant plus que les enfants ont des cristallins plus transparents que les adultes. En attendant que la recherche dans le domaine dissipe les doutes, on agira par prévention.
En conséquence,
dans les établissements scolaires :
- par précaution pour les yeux des enfants, on évitera avec ce type de technologie que les élèves soient baignés dans de l’éclairage artificiel à LED toute la journée ; on évitera donc d’éclairer avec la technologie LED les salles de classe peu éclairées naturellement (salles de classe dont l’éclairage artificiel est en quasi permanence allumé);
- pour des questions de maintenance réduite, on privilégiera le LED dans les espaces où les luminaires sont très difficiles d’accès ;
- l’éclairage à LED offre des avantages certains dans les espaces de circulation, dans les sanitaires et autres locaux où les cycles d’allumage/extinction sont fréquents ;
Et dans tous les cas, par précaution:
- on vérifiera que le produit n’appartient pas aux classes de risque RG2 ou RG3 ;
- on fera en sorte que les puces LED ne soient pas directement visibles par l’occupant (soit en plaçant les lampes dans des luminaires adaptés, soit en choisissant des luminaires à LED ayant des optiques adaptées aux LED) ;
- on préférera les produits ayant une température de couleur chaude (T°<3300K) car ils présentent un pic de lumière bleue moins prononcée.