# La LED peut devenir le composant d'éclairage de l'avenir pour le bâtiment

Christophe Martinsons

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Christophe Martinsons. La LED peut devenir le composant d'éclairage de l'avenir pour le bâtiment. Revue Technique du Bâtiment et des Constructions Industrielles, 2010, 258. hal-04695442

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# LA LED PEUT DEVENIR LE COMPOSANT D'ÉCLAIRAGE DE L'AVENIR POUR LE BÂTIMENT

Christophe Martinsons,
Responsable du Pôle 3e « Éclairage - Électricité
Électromagnétisme » au CSTB

## I. INTRODUCTION

Les LED sont des composants électroniques (diodes électroluminescentes) utilisés pour générer de la lumière. Le principe d'émission lumineuse consiste à convertir au sein d'une « puce » constituée de matériaux semiconducteurs, un courant électrique en lumière. Schématiquement, le fonctionnement d'une LED est l'inverse de celui d'une cellule photovoltaïque, qui utilise également des matériaux semiconducteurs pour effectuer la conversion directe de la lumière en électricité. Les LED ont été largement utilisées dès les années 1960 mais leur faible puissance et leur lumière colorée ne leur permettaient d'être utilisées que pour des applications d'indication lumineuse. L'invention des LED bleues en 1989 a marqué un tournant important dans cette technologie. À l'aide de celles-ci, il est devenu possible de produire de la lumière blanche, soit par l'utilisation de luminophores (improprement appelés « phosphores »), soit par association avec des LED de couleurs complémentaires.

L'évolution des LED blanches est très soutenue depuis dix ans. Les flux lumineux émis par les LED ont doublé à peu près tous les 18 à 24 mois. L'efficacité lumineuse des LED blanches (paramètre exprimé en lumen par watt, qui traduit la quantité de lumière émise par rapport à la puissance électrique utilisée) a doublé en quatre ans et va probablement encore doubler d'ici à 2015.

Avec l'avènement des LED blanches, le domaine de l'éclairage connaît actuellement une phase de rupture technologique unique dans son histoire. On trouve maintenant des composants miniaturisés de quelques mm³ seulement qui émettent des flux supérieurs à 100 lm (lumen) et dépassant parfois 1 000 lm, ce qui leur permet d'être intégrées à des lampes ou des luminaires d'éclairage général.

À l'inverse des lampes traditionnelles utilisant des ampoules ou des tubes de verre, les LED sont compactes, robustes et particulièrement bien adaptées au montage automatique robotisé. Les paramètres les plus prometteurs pour leur utilisation en éclairage sont leur durée de vie et leur efficacité lumineuse. Les fabricants annoncent couramment des durées de vie supérieures à 50 000 heures, ce qui pourrait amener à considérer les LED comme les sources d'éclairage les plus durables qui soient. L'efficacité lumineuse des LED blanches de forte puissance progresse quant à elle régulièrement. Elle dépasse à présent le seuil de 100 lm/W (lumen par watt) pour les teintes « blanc chaud », une efficacité comparable à celle des meilleurs tubes fluorescents.

Malgré ces performances remarquables, on constate que les LED ne se sont pour l'instant impo-sées que dans des applications d'éclairage très particulières, pour lesquelles les sources classiques n'étaient pas les plus adaptées: production de nouvelles teintes, éclairage avec variations com-binées de couleur et de puissance, dispositifs éclairants de petite taille, éclairages directionnels. À côté de ces applications spécifiques en plein essor, c'est pourtant le remplacement des sources traditionnelles (lampes à incandescences, lampes fluorescentes, lampes à décharge) pour l'éclai-rage dit « général » qui représente le plus gros marché potentiel.
## 2. LES DIFFÉRENTES FAMILLES DE PRODUITS D'ÉCLAIRAGE À LED

La LED est un composant électronique qui doit être intégré dans un dispositif d'éclairage. Les dispositifs d'éclairage à LED sont les modules LED, les lampes LED et les luminaires LED.

### 2.1 LE MODULE LED

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Le module de LED comprend une ou plusieurs LED, ainsi que d'autres composants (optique, mécanique, thermique, électronique) à l'exclusion de l'alimentation. Seul un module de LED dit « autoballasté » est conçu pour le raccordement direct au secteur. Les modules LED sont destinés principalement aux fabricants de luminaires à LED qui les utilisent comme composant et les intègrent dans leurs produits.

### 2.2 LA LAMPE LED

Contrairement aux modules LED, utilisés par les industriels de l'éclairage, les lampes à LED sont destinés à être utilisées par le grand public et les installateurs éclairagistes ou électriciens. De nombreuses lampes à LED apparaissent sur le marché en vue d'offrir une alternative aux lampes à incandescence et aux lampes fluorescentes compactes. Ces lampes sont munies d'un culot standard

(vis, baïonnette, GU 3.5, GU 10, etc.) pour permettre le remplacement de lampes a priori plus énergivores.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Lampe LED de type non ballastée G U3-10.</figcaption></figure>

Les lampes à LED dites « non ballastées » sont généralement utilisables avec les transformateurs délivrant de la très basse tension (TBT), notamment en remplacement des lampes halogènes dichroïques GU 3.5. Les lampes dites « autoballastées » peuvent, quant à elles, être branchées directement sur le secteur.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Lampe à LED autoballastée à culot GU 10.</figcaption></figure>

### 1.3 LE LUMINAIRE LED

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Luminaire à LED de type dwonlight.</figcaption></figure>

Un luminaire à LED est constitué au moins d'un module de LED, de connecteurs et de parties assurant la fixation mécanique et la protection de l'ensemble.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Luminaire à LED de type projecteur.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Luminaire de table à LED.</figcaption></figure>

Il ne comporte pas nécessairement son appareillage d'alimentation. La plupart des luminaires à LED ont la propriété d'être intégré: la source de lumière fait partie du luminaire et n'est pas forcément démontable ou rem-

plaçable, à l'inverse des luminaires conçus pour les tubes fluorescents et les lampes fluocompactes par exemple. Dans les applications du bâtiment, il existe de nombreux types de luminaires à LED, correspondant à des applications très différentes.

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Luminaire à LED plafonnier.</figcaption></figure>

Citons par exemple, l'éclairage intérieur général (downlight), l'éclairage intérieur général indirect, l'éclairage intérieur secondaire et d'ambiance (spots et réglettes linéaires), éclairage d'appoint intérieur (luminaires sur pied, lampes de bureau), éclairage extérieur architectural et décoratif (projecteurs, éclairage de type « lèche-murs »).

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Luminaire à LED de type spot encastré.</figcaption></figure>

## 3. CONDITIONS À RESPECTER POUR UNE INTÉGRATION RÉUSSIE DES LED DANS LE BÂTIMENT

Pour s'imposer comme la source de lumière universelle de demain, la LED devra pouvoir s'intégrer parfaite-ment dans les bâtiments. La garantie d'une bonne intégration passe par la maîtrise d'un ensemble de critères

très différents. Ces critères sont d'abord liés à la sécurité des produits et à leurs performances. Mais, au-delà des caractéristiques des seuls produits, la qualité de l'installation d'éclairage est fondamentale pour offrir aux

usagers de bonnes conditions de confort visuel et la quantité de lumière suffisante selon les usages.

Par ailleurs, l'installation électrique des produits à LED doit être effectuée de manière à garantir l'intégrité des com-

posants du bâtiment et ne pas compromettre la sécurité des occupants.

Le tableau 1 donne la liste des critères à examiner pour tout système d'éclairage, qu'il soit à LED ou non, installé dans un bâtiment.
<table><caption>Tableau 1 : critères à examiner pour les systèmes d'éclairage dans le bâtiment.</caption><thead><tr><td>Sécurité des produits</td><td>Performances des produits</td><td>Performances de l'installation</td><td>Sécurité de l'installation</td></tr></thead><tbody><tr><td>Sécurité électrique<br>Sécurité thermique<br>Sécurité mécanique<br>Exposition des personnes<br>aux rayonnements optique<br>et électromagnétiques</td><td>Efficacité lumineuse<br>Caractéristiques électriques<br>Compatibilité électromagnétique<br>Caractéristiques photométriques<br>et colorimétriques<br>Durée de vie et maintien des<br>performances dans le temps</td><td>Performance visuelle<br>Confort visuel<br>Qualité de la lumière<br>Efficience énergétique</td><td>Sécurité thermique<br>Sécurité électrique</td></tr></tbody></table>

## 4. SÉCURITÉ DES SYSTÈMES D'ÉCLAIRAGE À LED

La conformité réglementaire des produits électriques vendus en Europe est attestée par le marquage CE. Le marquage CE est un marquage auto-déclaratif qui atteste de la conformité du dispositif aux exigences de sécurité de la directive basse tension mais aussi à la directive sur la santé et la sécurité des travailleurs. Le marquage CE atteste également de la conformité à la directive de compatibilité électromagnétique et à la directive EuP (« energy using product »). La directive basse tension couvre les risques résultant de l'utilisation de matériel électrique. Les appareils doivent permettre un raccordement fiable, disposer d'une isolation et d'une protection adaptée, ne pas produire des températures, arcs ou rayonnements dangereux. Pour l'éclairage à LED, les exigences de sécurité rendues obligatoires par la directive basse tension sont décrites dans les normes électrotechniques propres à chaque famille de produit. Les exigences de sécurité des modules de LED sont décrites dans la norme NF EN 62031. La norme s'applique aux modules de LED sans appareillage d'alimentation et aux modules de LED autoballastés s'alimentant en courant continu jusqu'à 250 V ou en courant alternatif 50 Hz ou 60 Hz jusqu'à 1000 V. Les contrôles correspondant à cette norme sont les suivants: mise à la terre de protection, protection contre le contact accidentel avec des parties actives, résistance à l'humidité et isolement, rigidité diélectrique, résistance à la chaleur, au feu et aux couleurs de cheminement, résistance à la corrosion.

Le module de LED ne doit pas altérer la sécurité lorsqu'il fonctionne sous des conditions de défaut qui peuvent se produire pendant l'utilisation. Un essai en condition de surpuissance est donc prévu pour tester la résistance du module au bout de 15 minutes de surpuissance (150 % de la tension, du courant ou de la puissance nominale) et l'absence de production de feu, de fumée ou de gaz inflammable. Certains marquages doivent figurer sur les produits. En plus du marquage des paramètres électriques, la valeur de la température maximale sur la surface extérieure du module doit être marquée. Le point particulier auquel se rapporte cette température doit être indiqué dans la documentation technique. Notons que la norme proscrit l'utilisation de certains matériaux inflammables pour l'isolation du module (bois, coton, papier, etc.).

Les exigences de sécurité des lampes à LED autoballastées sont décrites dans le projet de norme NF EN 62560 qui devrait être finalisé à la fin de 2010. Pour les lampes à LED non ballastées, destinées notamment à remplacer les lampes halogènes dichroïques, à culot GU 5.3 par exemple, un avant-projet de norme est en cours d'élaboration (PR CEI 62663-1) dont la version définitive ne devrait pas être finalisée avant 2011.

Les prescriptions de sécurité des luminaires à LED sont couvertes par la norme « luminaires » NF EN 60598-1 ainsi que par la série de normes NF EN 60598-2. Ces normes sont applicables à tous les types de luminaires, selon

leur usage et indépendamment de la technologie des lampes. Les luminaires à LED ne font donc pas l'objet d'un traitement spécifique. Cependant, ils sont couverts au même titre que d'autres luminaires comportant des lampes intégrées et non remplaçables. Ces normes décrivent les exigences, les essais et les marquages relatifs à la sécurité électrique, thermique et mécanique des luminaires. La partie 2-22 spécifique sur l'éclairage de secours comprend également des exigences de performance visuelle, quantifiée avec des mesures de luminances.

La norme « luminaires » donne une classification des luminaires basée sur les indices de protection électriques (chocs électriques) et mécaniques (humidité, choc, poussières, etc.). On y trouve toutes les exigences en termes d'isolement, de rigidité diélectrique, de lignes de fuite et distances dans l'air, de résistance à la chaleur, au feu, etc. Un protocole d'essais d'endurance est décrit.

Pour garantir la sécurité des usagers qui sont susceptibles de manipuler le luminaire, la norme NF EN 60598-1 donne des prescriptions de températures de surface maximales admissibles des luminaires. Des protocoles d'essais d'échauffements, normal et anormal, sont proposés à cette fin. Les températures de surfaces maximales admissibles sont spécifiées selon la partie du luminaire considérée, l'accessibilité de ses parties à l'usager, la nature des matériaux utilisés. Par exemple, en fonctionnement normal, les parties destinées à être saisies

fréquemment à la main ne doivent pas dépasser 70 °C si elles sont métalliques et 85 °C si elles sont non-métalliques. Pour les luminaires à LED qui dissipent un flux thermique important, il est primordial que ces critères soient attentivement examinés.

### 4.1 COMPATIBILITÉ ÉLECTROMAGNÉTIQUE

Les prescriptions de compatibilité électromagnétique (CEM) valables pour les produits d'éclairage, qu'ils soient à LED ou non, sont données dans les normes européennes. Elles sont rendues obligatoires pour l'obtention du marquage CE. La norme NF EN 61000-3-2 incite les fabricants à limiter l'émission de courants harmoniques sur le secteur. L'amendement A14 de cette norme range dans une même classe (classe C) les équipements d'éclairage. L'amendement A2 de cette norme, paru en novembre 2009, concerne particulièrement les systèmes d'éclairage intérieur utilisant des LED. Cet amendement définit une exigence générale de limitation du taux de torsion harmonique (THD) du courant d'alimentation. Le texte donne une méthode d'essai simplifiée consistant à examiner que le THD reste inférieur à 15 %.

Pour les systèmes d'éclairage dont la puissance active d'entrée est inférieure à 25 W, il n'existait pas d'exigences normatives avant novembre 2009. L'amendement A2 de la norme NF EN 61000-3-2 a maintenant rendu obligatoire des critères précis sur la déformation du courant d'alimentation alternatif (forme générale du signal périodique).
Il convient à présent de vérifier que l'amplitude du courant harmonique de rang 3, exprimée en pourcentage du courant fondamental, ne dépasse pas 86 % et que l'amplitude du courant harmonique de rang 5 ne dépasse 61 %. Par ailleurs la forme d'onde du courant d'entrée doit être telle qu'elle atteigne le seuil de 5 % en courant à 60 °C ou avant, qu'elle ait sa valeur de crête à 65 °C ou avant et qu'elle ne retombe pas en dessous du seuil de 5 % en courant avant 90 °C, par référence à n'importe quel passage par zéro du fondamental de la tension d'alimentation. Le seuil en courant correspond à 5 % de la valeur absolue la plus élevée de la valeur de crête qui se produit dans la fenêtre de mesure, et les mesures de déphasages sont faites sur la période qui inclut cette valeur absolue de la valeur de crête.

Les lampes à LED n'étaient pas soumises à ces prescriptions avant novembre 2009, ce qui a pu poser un certain nombre de problèmes dans les réseaux et les systèmes de distributions électriques, monophasés ou triphasés: pas de maîtrise de la puissance réactive, défaillances et surchauffes d'équipements de puissance provoqués par les courants harmoniques, etc.

## 4.2 EXPOSITION DES PERSONNES AUX RAYONNEMENTS ÉLECTROMAGNÉTIQUES ET OPTIQUES ÉMIS PAR LES DISPOSITIFS D'ÉCLAIRAGE À LED

La directive BT devant également garantir la prise en compte de tous les risques non-électriques, les fabricants et les distributeurs de produits

d'éclairage à LED doivent examiner les problématiques d'exposition des personnes aux champs électromagnétiques et aux rayonnements optiques (risques photobiologiques). Comme tous les dispositifs rayonnants, les dispositifs d'éclairage à LED ne doivent pas exposer les usagers à des niveaux de champs électromagnétiques qui présentent des risques pour la santé. À l'inverse des exigences de compatibilité électromagnétique, les valeurs limites de champs ne dépendent pas de l'équipement considéré. Elles ont été définies au niveau international par l'ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection). Ces valeurs limites sont données pour les composantes électrique et magnétique du champ. Elles dépendent de la bande de fréquence considérée. Pour les dispositifs d'éclairage fluorescents (lampes fluocompactes, tubes) utilisant des ballasts électroniques, des champs électriques sont émis à des fréquences comprises entre 20 kHz et 300 kHz environ. À ces fréquences, les usagers ne doivent pas être exposés à plus de 87 V/m, ce qui a été vérifié à une distance de 30 cm par le CSTB pour un grand nombre de lampes fluocompactes grand public (étude effectuée pour le compte de l'ADEME au premier trimestre 2010). Les systèmes d'éclairage à LED sont également susceptibles, comme tout appareil électrique, d'émettre des champs électromagnétiques et il convient de vérifier les niveaux d'exposition des usagers.

La lumière émise par les sources utilisées en éclairage peut potentiellement présenter des risques d'endommagement de l'œil et de la peau.

Comme dans le cas des champs électromagnétiques, les limites d'exposition aux sources de rayonnement optique sont données dans une recommandation internationale de l'ICNIRP. Ce document est la référence internationale pour l'évaluation des risques qualifiés de « photobiologiques ». Il concerne les lampes, mais aussi les autres sources de rayonnement comme les fours industriels, les décharges électriques, etc. Les valeurs limites d'exposition ont été reprises dans la directive européenne 2006/25/CE visant à limiter l'exposition des personnes et à garantir la sécurité et la santé des travailleurs. Le respect de ces seuils d'exposition acquiert ainsi un caractère obligatoire. La lumière émise par les LED ne comportant pas de composantes infrarouge et ultraviolette, seuls les effets de la lumière visible sont à examiner. De manière générale, une exposition à une source de lumière visible intense est susceptible d'induire des lésions rétiniennes et cutanées de type thermique (brûlures). Toutefois, dans le cas des LED, le mécanisme d'endommagement à considérer est celui lié à une réaction photochimique produite par la composante bleue de la lumière qui dégrada la rétine (photorétinite). Deux constats justifient que les effets de la lumière bleue soient examinés pour les LED:

- La lumière émise par les LED blanches comporte une forte composante bleue

- le flux lumineux des LED blanches est compris typiquement entre 100 et 1000 lm par composant, il est émis sur des surfaces de l'ordre de quelques mm², ce qui conduit à des luminances dépassant 10⁷ ou 10⁸ cd/m². Ces valeurs sont de l'ordre de mille fois supérieures aux luminances des autres sources d'éclairage. La norme NF EN 62471 est le document normatif de référence dans ce domaine en Europe. Elle présente les méthodes d'application des valeurs limites de l'ICNIRP aux cas particuliers des systèmes utilisant des lampes. Cette norme rappelle les limites d'exposition et donne une procédure de mesure et d'analyse pour déterminer l'appartenance du dispositif étudié à un groupe de risque: groupe sans risque, groupe de risque 1 (faible risque), groupe de risque 2 (risque modéré), groupe de risque 3 (risque élevé). La dernière révision de la norme NF EN 62471 précise explicitement la prise en compte des dispositifs à LED. D'après les études effectuées par certains fabricants de LED et des laboratoires indépendants, il existe des composants appartenant au groupe de risque 2 et pour lesquels il convient d'après la norme, d'éviter la vision directe. L'agence française de sécurité sanitaire de l'environnement et du travail (AFSSET) a récemment effectué une expertise sur l'impact sanitaire de l'éclairage à LED. Le rapport d'expertise contient des évaluations de durées limites d'exposition et de groupe de risque relatifs à de nombreux dispositifs d'éclairage à LED.

# 5. PERFORMANCES DES DISPOSITIFS D'ÉCLAIRAGE À LED

Comme pour tous les équipements d'éclairage, il est important des connaître les performances des dispositifs utilisant des LED. Elles concernent plusieurs domaines:

* Quantité et qualité de lumière: caractéristiques photométriques et colorimétriques

* Performances énergétiques: efficacité lumineuse et consommation énergétique

* Durabilité: durée de vie et fiabilité

Les règlements européens EuP (directive européenne

sur les produits consommateurs d'énergie) ont imposé aux états de l'union européenne de faire disparaître du marché les dispositifs d'éclairage les moins efficaces sur le plan énergétique (certains ballasts ferromagnétiques, lampes à incandescence, lampes à vapeur de mercure, etc.). De ce fait, l'éclairage à LED de plus en plus utilisé en remplacement de lampes devenues obblètes. Il est fondamental que les performances des produits LED dit de « substitution » soient comparables à
celle des technologies plus anciennes.

## 5.1 PERFORMANCES PHOTOMÉTRIQUES

Comme dans le cas des autres technologies d'éclairage, on caractérise principalement les luminaires à LED par leur flux lumineux (exprimé en lumen) et leur diagramme angulaire d'intensité lumineuse (exprimée en candela). La luminance des sources d'éclairage à LED (modules, lampes, luminaire) est un paramètre additionnel très intéressant à connaître de manière à prévoir les phénomènes d'éblouissement.

Il est important de noter que les normes européennes en vigueur décrivant les méthodes de mesurages de ces paramètres photométrique ne sont pas toutes applicables aux systèmes à LED. En particulier, la norme de caractérisation photométrique des luminaires NF EN 13032-1 a été élaborée pour caractériser les luminaires munis de lampes démontables. Cette méthode est une méthode relative (photométrie relative) qui repose sur la connaissance des caractéristiques photométriques intrinsèques des lampes. Les données de mesures sont ainsi exprimées pour 1000 lumen de flux de lampe. La mesure permet de connaître le rendement du luminaire, rapport entre le flux lumineux émis par le luminaire muni de sa lampe et le flux lumineux émis par la lampe nue. On conçoit facilement l'impossibilité de caractériser un luminaire à LED

dans ces conditions, puisque ce sont généralement des produits intégrés. Il serait donc nécessaire de disposer d'une norme européenne de photométrie absolue pour les modules et les luminaires à LED.

Dans le marché des lampes à LED de substitution, destinées à remplacer les lampes à incandescence et les lampes fluocompactes, les LED peinent à fournir la même quantité de lumière que les technologies plus anciennes. Seules certains équivalents LED de lampes à incandescence de 20 W jusqu'à 35 ou 40 W fournissent actuellement le flux lumineux nécessaire. Par contre, les progrès sur les LED et leurs technologies de refroidissement permettent aux fabricants d'annoncer la disponibilité de lampes à LED de remplacement de lampes à incandescence de 50 W à 75 W dès la fin 2010.

### Performances colorimétriques

Les caractéristiques colorimétriques sont essentielles pour décrire la qualité de la lumière. Ces caractéristiques ne dépendent que du spectre de la lumière (énergie émise en fonction de la longueur d'onde). On utilise en pratique deux paramètres fondamentaux: la température de couleur et l'indice de rendu de couleur. La température de couleur décrit la teinte perçue de la lumière émise (blanc chaud ou blanc froid en éclairage) tandis que l'indice de rendu de couleur traduit la capacité d'une

source de lumière à pouvoir rendre discernable les nuances de couleur des objets éclairés.

A l'instar des premières générations de lampes fluocompactes, les premiers systèmes d'éclairage à LED étaient souvent critiqués pour leur lumière froide (température de couleur élevée) et leur mauvais rendu de couleur. Les fabricants proposent maintenant des éclairages à LED dans trois gammes de températures de couleurs: blanc chaud, blanc neutre et blanc froid. Des LED blanc chaud dont la température de couleur est de l'ordre de 2700 K sont à présent disponibles et sont bien adaptées à l'éclairage d'ambiance ou de tâche.

L'éclairage à LED a également souffert lors de son introduction dans les bâtiments d'un phénomène perçu très négativement par les usagers: la non-uniformité de la température de couleur sur la zone éclairée (lumière bleue au centre du faisceau et jainnissante en périphérie). Ce défaut a heureusement disparu sur les nouvelles générations de LED en raison des progrès réalisés par les fabricants dans la maîtrise des procédés de dépôts des couches de luminophores. Néanmoins, on constate encore la présence de ce phénomène sur de nombreux produits utilisant des modèles de LED plus anciens. La non-uniformité de couleur ne fait pas encore l'objet d'une norme européenne mais elle devrait être spécifiée par les fabricants et vérifiée lors de l'installation.

### Performances énergétiques des dispositifs d'éclairage à LED:

Un des principaux arguments marketing en faveur de l'éclairage à LED est leur faible consommation d'électricité. Il faut noter cependant que les LED blanches arrivent seulement depuis l'année 2008 à atteindre la même efficacité lumineuse (lumen par watt) que les meilleurs tubes fluorescents (T5) munis de balances électroniques. Dans le marché grand public, il n'existe actuellement que peu de lampes et luminaires à LED présentant la même efficacité lumineuse que les meilleures lampes fluocompactes.

Il convient de souligner que l'efficacité lumineuse d'un luminaire d'éclairage à LED est souvent très inférieure à celui d'une LED considérée de manière isolée. Le principal problème est que la LED est extrêmement sensible à la chaleur qu'elle dissipe. Contrairement à une idée couramment répandue, la LED n'est pas une source de lumière froide. Toute l'énergie électrique qui n'est pas convertie en lumière est dissipée en chaleur dans son boîtier. Cette chaleur doit être éliminée par conduction thermique et évacuée dans un radiateur ou un autre dispositif de refroidissement (ventilauteur, échangeur de chaleur, etc.). L'échauffement des lampes, modules et luminaires à LED est probablement le phénomène le plus critique pour leur efficacité lumineuse

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puisque celle-ci baisse rapidement en fonction de la température interne des LED. L'efficacité lumineuse des systèmes à LED ne fait pas l'objet en Europe d'exigences normatives. On trouve ainsi sur le marché des produits ayant des efficacités aussi médiocres que celle de la lampe à incandescence (10 à 15 lm/W) et, à l'inverse, d'excellentes valeurs proches de 100 lm/W. En l'absence d'exigences normatives, seules des mesures effectuées dans des laboratoires indépendants peuvent fournir les efficacités lumineuses réelles des systèmes à LED.

Les performances énergétiques des systèmes d'éclairage à LED ne sont pas uniquement liées à leur efficacité lumineuse. La consommation annuelle d'éclairage, exprimée en kWh, tient compte d'autres facteurs, dont on parle moins mais qui sont aussi importants que l'efficacité lumineuse :

* Facteur de maintenance.

* Facteur d'utilisation.

* Durée effective d'allumage. L'éclairage à LED permettra de réaliser des économies d'énergie si les facteurs de maintenance et d'utilisation sont meilleurs. Le facteur de maintenance dépend de la diminution du flux lumineux dans le temps. Ce paramètre est encore mal maîtrisé en éclairage à LED à cause du manque de recul sur les performances dans le temps des installations réelles. Le facteur d'utilisation est quant à lui lié à la quantité de lumière utile (lumière arrivant sur la zone à éclairer) par rapport à la quantité totale de lumière émise. Les LED étant des sources de petites dimensions, des gains significatifs peuvent être réalisés sur ce facteur en utilisant des systèmes optiques plus précis que ceux utilisés avec des lampes de plus grande taille.

Le contrôle de la durée effective d'allumage représente sans doute un des plus gros potentiels d'économie d'énergie réalisables avec les LED. Celles-ci étant des composants électroniques, il est naturellement possible de les coupler avec des systèmes de

gestion permettant de faire varier le flux lumineux sans aucune inertie, de couper et de rallumer instantanément les luminaires. Ainsi, il devient plus facile de procéder à un contrôle intelligent de l'éclairage, en fonction de l'occupation réelle des locaux, des zones effectivement occupées et des apports de lumière du jour.

## 5.2 DURABILITÉ ET FIABILITÉ

La durée de vie des LED est également un argument marketing « choc » utilisé pour promouvoir cette technologie d'éclairage. Il est vrai que les LED peuvent fonctionner pendant plus de 100 000 heures avec des courants d'alimentation et des températures parfaitement maîtrisés. Or, l'échauffement interne des LED, inhérent à leur mode de fonctionnement, dégrade considérablement leur durée de vie. Les variations de leur courant d'alimentation sont également responsables de certains modes de défaillance. L'évaluation de la durée de vie réelle des LED lorsque celles-ci sont intégrées dans des modules, des lampes ou des luminaires est un problème très complexe qui fait l'objet d'importants programmes de recherche et d'évaluation, tant au Etats-Unis (par exemple le programme CALIPER coordonné par le US Department of Energy) qu'en Europe (par exemple le projet CITADEL coordonné par le CSTB). Dans le domaine de l'éclairage, la durée de vie nominale d'une lampe ou d'un luminaire correspond à une diminution du flux lumineux spécifiée typiquement à 70% (L70), observée statistiquement pour au moins 50% des produits (B50). La fin de vie est donc typiquement définie à (L70, B50), durée au bout de laquelle 50% des lampes émettront un flux inférieur à 70% de la valeur à la mise en service.

Le problème avec les LED est qu'il faut généralement attendre très longtemps pour observer la baisse du flux lumineux à 70% de sa valeur initiale. La profession travaille

donc à élaborer des indicateurs de durée de vie basés sur des mesures de flux effectuées sur des durées plus courtes. Par exemple, le projet de norme CEI PAS 62612 propose une méthode basée sur la diminution du flux lumineux au bout de 25 % de la durée de vie nominale, avec un maximum de 6000 heures. Cinq catégories de maintenance du flux lumineux y sont proposées selon la diminution observée du flux. D'autres méthodes sont en cours d'élaboration et il n'existe actuellement aucune norme en vigueur permettant d'évaluer la durée de vie des lampes, modules ou luminaires à LED.

La fiabilité des dispositifs d'éclairage à LED est également un problème à l'ordre du jour puisque que plusieurs programmes d'évaluation menés par des laboratoires indépendants (CALIPER, CITADEL, etc.) ont mis en évidence de nombreuses défaillances prémaurées dont les causes sont multiples (composants électroniques de mauvaises qualité, défauts de conception électronique, défaut de conception thermique, qualité de montage et d'assemblage, etc.) et ne concernent généralement pas les LED elles-mêmes. Il est donc important de bien connaître le « taux de mortalité prémaurée » statistique des produits d'éclairage à LED. Or, cette information ne fait l'objet d'aucune exigence normative et ne peut être attestée à l'heure actuelle de manière indépendante que par des laboratoires tiers. Notons tout de même que le projet de norme CEI PAS 62612 fournit, dans le cas des lampes autoballastées, un protocole d'essais d'endurance destiné à vérifier le taux de défaillance des lampes. Les essais comprennent des cycles de chocs thermiques, des essais d'allumages-extinctions répétés et un essai de longue durée à température ambiante élevée (45°C). Ces essais visent essentiellement à tester le ballast électronique intégré, qui ne peut être démonté de la lampe.

## 5.3 EXIGENCES NORMATIVES DE PERFORMANCES

Il n'existe pas en Europe de normes décrivant des exigences de performance pour l'éclairage à LED. Cependant, confrontés à l'arrivée massive de lampes à LED à destination du grand public, les acteurs économiques impliqués dans l'éclairage à LED ont souhaité rendre accessible au public des documents provisoires décrivant des performances minimales. Dans le domaine des lampes à LED, il existe deux projets de norme: CEI PAS 62612 pour les lampes autoballastées et PR CEI 62663-1 pour les lampes non ballastées. Le document CEI PAS 62612 propose des exigences de performance assez strictes, à l'exception de l'efficacité lumineuse (lumen par watt) qui n'est pas retenu. Les notions de maintenance du flux lumineux, de fin de vie, de dérives colorimétriques sont traitées de manière adaptée à la technologie LED. Par ailleurs, ce projet de norme propose un marquage spécifique lié aux performances du produit. Ce marquage comprend les informations suivantes :

* Flux lumineux nominal en lumen ;

* durée de vie nominale avec le facteur de maintenance du flux lumineux correspondant ;

* taux de lampes défectueuses correspondant à la durée de vie nominale ;

* catégorie de maintien du flux lumineux ;

* température de couleur nominale ;

* tolérance sur la température de couleur ;

* indice de rendu de couleur. Le futur règlement européen établi dans le cadre de la directive EuP (EuP 4) est très attendu car il concernera toutes les sources d'éclairage général, dont les lampes LED, actuellement exclues en raison de leur faible puissance électrique. Cette réglementation, actuellement en chantier à Bruxelles, fournira des exigences minimales de performances, de manière à bannir du marché européen les lampes LED peu performantes.
# 6. PERFORMANCES DES INSTALLATIONS D'ÉCLAIRAGE À LED

Quelles que soient les technologies d'éclairage considérées, les installations d'éclairage doivent remplir des critères fondamentaux pour assurer le bien-être et la sécurité des usagers, tout en étant respectueuses des performances énergétiques et des possibles nuisances lumineuses occasionnées. Ces critères sont décrits dans les normes européennes et françaises d'éclairagisme qui constituent les meilleurs référentiels techniques pour garantir la qualité de l'éclairage selon l'usage considéré. Les normes d'éclairagisme spécifient notamment des critères d'éclairage moyen à maintenir, de confort visuel et de qualité de la lumière. La norme européenne d'éclairage intérieur des lieux de travail NF EN 12464-1 est un document très précis qui dé-

taille les exigences relatives à chaque type de local (bureau, salle de restauration, chambre d'hôpital, etc.). Les spécifications concernent les paramètres suivants :

* éclairage moyen à maintenir sur la tâche de travail

* indice d'éblouissementunié (UGR) maximal

* uniformité de l'éclairage

* indice de rendu des couleurs minimal

Il est primordial pour les développeurs et les prescripteurs de solutions d'éclairage à LED d'examiner l'ensemble de ces critères pour que les systèmes puissent un jour être installés couramment dans le secteur professionnel. Actuellement il existe très peu de solutions d'éclairage général à LED susceptible de fournir un éclairage conforme aux prescriptions

de la norme NF EN 12464-1. Les difficultés sont essentiellement dues à la quantité de lumière à fournir mais aussi à la limitation de l'éblouissement d'inconfort. La lumi-nance des LED étant intrinsèquement élevée, il est nécessaire de concevoir des systèmes optiques qui empêchent la vision directe de la source à certains angles, sans trop induire de pertes optiques lors de la formation des faisceaux.

Le phénomène d'éblouissement d'inconfort est quantifié par l'indice d'éblouissementunié UGR, qui fait actuellement l'objet de travaux à la CIE pour revoir son application à des sources de faible dimension angulaire comme les LED.

La norme NF EN 12464-1 tient compte de spécificités liées à l'âge et à la criticité de

certaines tâches visuelles à accomplir. Il existe également une norme française d'ergonomie visuelle, la norme NF X 35-103, qui décrit précisément les exigences de répartition spatiale de la lumière dans le champ de vision de la personne. Cette norme fait l'objet d'une révision importante qui va spécifier ces exigences en termes de luminances, ce qui est le plus pertinent pour la vision et posera certainement le plus de difficultés pour l'éclairage à LED.

Les certifications de qualité environnementale des bâtiments, comme la certification HQE en France, donnent également des critères très précis sur l'installation d'éclairage électrique, en termes de température de couleur, d'indice de rendu de couleur et d'éclairement à maintenir.

# 7. SÉCURITÉ DES INSTALLATIONS D'ÉCLAIRAGE À LED

Les installations électriques d'éclairage dans les bâtiments doivent être conformes aux prescriptions de la norme française NF C 15-100. De manière générale, les luminaires doivent être installés conformément aux marquages requis par les normes « luminaire » NF EN 60598-1 et suivantes. La norme NF C 15-100 fournit des prescriptions contre les effets thermiques qui peuvent être critiques pour les lampes et luminaires à LED: puissance maximale admise dissipée par les lampes, tenue au feu des matériaux à proximité, distance minimale entre les luminaires

et les matériaux combustibles, etc.

L'installation des dispositifs d'éclairage à LED est plus particulièrement traitée dans le guide pratique UTE C 15-559. Ce guide comporte des exigences importantes pour l'installation de luminaires à LED. En particulier, le montage de luminaires à LED n'est pas admis sur des surfaces d'appui de type « facilement inflammable » (classement M4). On veillera donc à respecter les épaisseurs minimales des panneaux de bois dans lesquels peuvent être montés les luminaires. Pour les matériaux de catégorie M1, M2 ou M3,

les luminaires à LED ne doivent pas dépasser une température de surface de 90 °C. Pour les matériaux incombustibles comme le métal, le verre ou le béton pas exemple, une température supérieure à 90 °C est autorisée. La norme précise que les dissipateurs thermiques de systèmes à LED doivent être correctement dimensionnés et mis en œuvre selon les indications du fabricant.

Notons également que le guide déroge à la norme NF C 15-100 en autorisant le collège direct sur les parois des conducteurs isolés lors de l'installation de luminaires à

LED. Par ailleurs, le guide décrit les modes de protection contre les courts-circuits dans les circuits primaire et secondaires. De même, les prescriptions d'accessibilité des installations à LED pour la maintenance ne sont pas obligatoirement applicables pour leurs circuits secondaires (câblage et luminaires à LED). Dans le cas de systèmes à LED encastrés, l'installation dans les coffrages et boîtes à rideaux ne doit pas nuire aux conditions de fonctionnement des luminaires. Des indications très utiles sont données à ce sujet dans le guide UTE C 15-801.

# 8. LA LED DANS LA RT 2012

La réglementation thermique actuellement en vigueur en France (RT 2005) porte sur les bâtiments neufs et la rénovation des bâtiments existants. Elle intègre les principaux postes de consommation énergétique, dont la consommation électrique annuelle de l'éclairage artificiel. Dans les bâtiments résidentiels conformes à la RT 2005, les consommations annuelles de

l'éclairage varient entre 7 et 10 kW Hep/M²/an (énergie primaire). Dans les bâtiments à usages professionnels, les consommations d'éclairage sont beaucoup plus importantes et moins maîtrisées. Dans les bâtiments de bureaux RT 2005 par exemple, les consommations d'éclairage sont typiquement de l'ordre de 30 à 50 kW Hep/M²/an. Pour des bâtiments existants

comportement des installations d'éclairage plus anciennes, ces valeurs peuvent facilement être multipliées par deux ou trois.

Les objectifs ambitieux de réduction des consommations énergétiques et des émissions de gaz à effet de serre dans le secteur du bâtiment ont conduit les pouvoir publics à mettre en place une nouvelle réglementation énergétique

très stricte, la RT 2012. La consommation énergétique annuelle y sera limitée à une valeur moyenne de 50 kW Hep/M²/an. La RT 2012 sera applicable pour les bâtiments neufs tertiaires dès l'année 2011. Le défi pour l'éclairage est d'importance puisqu'avec les pratiques traditionnelles en vigueur dans les locaux professionnels, les consommations d'éclairage risquent à
elles seules de dépasser le seuil maximal autorisé ! Il est d'ors et déjà admis que l'éclairage constituera le principal poste de consommation énergétique dans le tertiaire (à l'exception des équipements informatiques et bureautiques, hors du périmètre de la RT).

Dans la RT 2012, la consommation annuelle de l'éclairage sera calculée selon une méthode numérique dynamique au pas horaire à partir de la puissance électrique installée par unité de surface et pondérée par deux coefficients C1 et C2 qui dépendent respectivement du mode de contrôle de l'éclairage et du mode de prise en compte des apports de lumière naturelle. Ces deux coefficients pondérateurs seront évalués à partir de méthodes issues en partie de la norme européenne NF EN 15193 portant sur les exigences énergétiques de l'éclairage.

La RT 2012 précisera ainsi de manière plus détaillée que

dans la RT 2005, les gains énergétiques apportée par chaque mode de fonctionnement de la gestion d'éclairage, aussi bien au niveau de la commande de l'éclairage que de la prise en compte des apports de lumière naturelle et de l'occupation effective des locaux. En particulier, les modes de gestion suivant seront considérés :

* Fractionnement des locaux selon l'accès effectif à la lumière naturelle permettant la valorisation du zonage de l'éclairage artificiel et du contrôle séparé par zone

* Allumage et/ou extinction automatiques de l'éclairage artificiel selon l'occupation effective des locaux (détection de présence)

* Allumage et/ou extinction automatique de l'éclairage artificiel en fonction de l'éclairement naturel intérieur

* Gradation automatique de l'éclairage artificiel en fonction de l'éclairement naturel intérieur.

La RT 2012 permettra de prendre en compte un grand nombre de combinaisons possible de toutes ces fonctionnalités de contrôle-commande, de manière à valoriser la plupart des installations visant à optimiser la consommation énergétique de l'éclairage. Cette optimisation devra se faire sans compromettre l'économie et le confort visuels, en conformité avec les prescriptions de la norme d'éclairage intérieur des lieux de travail NF EN 12464-1.

Pour « contenir » les consommations d'éclairage dans des gabarits acceptables pour la RT 2012 (probablement autour de 10 à 15 kWhep/m²/an dans le tertiaire), il faudra à la fois diminuer les puissances électriques installées au m² et les durées effectives d'allumage. Les puissances électriques installées pourront être réduites grâce à une meilleure « efficience énergétique », qui représente le produit entre l'efficacité lumineuse, le facteur de

maintenance et le facteur d'utilisation. L'éclairage à LED est certainement le candidat le mieux placé sur ces trois facteurs, à condition cependant de pouvoir fournir les niveaux d'éclairement suffisants sans éblouissement et avec une qualité de lumière irréprochable.

La réduction des durées effectives d'allumage sera plus facilement réalisable avec l'éclairage à LED qu'avec n'importe quelle autre source de lumière. En effet, les luminaires à LED sont des ensembles électroniques qui se couplent naturellement à tous les modes de gestion automatique et semi-automatique décrits dans la RT 2012.

Les solutions d'éclairage à LED s'interfacent également de plus en plus avec les systèmes domotiques et de gestion technique du bâtiment qui apportent des fonctionnalités extrêmement pertinentes dans le pilotage et l'optimisation des consommations d'énergie.

## 9. PRÉSENTATION DES CERTIFICATIONS APPLICABLES AUX DISPOSITIFS D'ÉCLAIRAGE À LED

Il n'existe actuellement en France qu'une seule certification portant sur les luminaires. Il s'agit de la certification NF-Luminaire, étendue en Europe avec la marque ENEC-Luminaire, sous l'impulsion du syndicat français de l'éclairage et du syndicat européen des fabricants de luminaires et de composants électrotechniques associés (CELMA). Ces deux marques sont applicables aux produits professionnels et ne concerne pas les applications domestiques. Cette certification délivre une marque de qualité portant sur la sécurité des produits. Le référentiel de certification repose sur la série de normes « luminaires »

NF EN 60598. Ce référentiel n'inclut pas de critère relatif à la lumière émise. Les luminaires à LED peuvent être certifiés mais les points sensibles comme la durée de vie, la maintenance du flux lumineux et les dérives colorimétriques ne sont abordés.

La certification nord-américaine Energy Star couvre quant à elle les luminaires à LED de manière très précise, dans des référentiels de certification élaborés par le ministère américain de l'énergie (DoE) et l'agence américaine de protection de l'environnement (EPA). Ces documents présentent des critères de certification qui

reposent sur des essais conformes à des normes américaines. Bien que ces normes ne soient pas applicables en France, les référentiels de certification Energy Star méritent de retenir notre attention car ils couvrent les points les plus critiques des systèmes d'éclairage à LED comme par exemple :

* L'efficacité lumineuse en lm/W ;

* Le flux lumineux, la température de couleur, l'indice de rendu des couleurs ;

* La maintenance du flux lumineux et les dérives colorimétriques ;

* L'uniformité spatiale de la couleur ;

* Les aspects électriques (facteur de puissance notamment) ;

* Les températures de surface.

Il existe une initiative comparable au Royaume-Uni mené sous l'égide de l'organisation indépendante Energy Saving Trust, subventionnée par le gouvernement britannique. Le référentiel de certification est applicable aux lampes et luminaires de substitution à LED. Il repose sur les normes en vigueur en Europe, tout en mentionnant que la plupart des normes pertinentes dans ce domaine sont encore à l'état de projet ou d'avant projet.

## CONCLUSIONS

Il existe à l'heure actuelle de nombreux produits d'éclairage à LED disponibles sur le marché. Il est important de rappeler ici que les normes destinées à garantir leurs performances et leur sécurité ne sont pas encore finalisées en Europe et en

France. Ainsi, il n'existe pas de normes de performances sur les modules de LED et sur les luminaires à LED. Les normes relatives aux lampes à LED sont à l'état de projet ou d'avant projet, alors que le marché est déjà ondéré de produits de ce type. Certains

manques sont à déplorer, comme l'absence de norme sur les dispositifs à barrettes de LED visant à remplacer les tubes fluorescents, qui peuvent poser des problèmes de sécurité lors de la substitution. Dans le domaine des performances colorimétriques des lampes, on spécifie des tolérances sur la température de couleur, mais pas sur la déviation du point de couleur par rapport à la courbe du corps noir. Ces déviations font apparaître des teintes de lumière souvent jugées indésirables. On rap-
pelle également que la plupart des lampes à LED que l'on trouve actuellement dans le segment domestique échappent à la classification et au marquage énergétique, ainsi qu'aux règlements européens en vigueur dans le cadre de la directive EuP. Le prochain règlement EuP 4 est attendu à la fin 2010 ou au début 2011 pour pallier à cette insuffisance.

La normalisation européenne est quelque peu en retard par rapport à la normalisation nord-américaine qui a notamment déjà produit les documents concernant les mesures photométriques et colorimétriques des dispositifs à LED. Le développement de l'éclairage à LED étant une problématique mondiale dont les industries sont des nationales, il semble aujourd'hui primordial d'harmoniser les normes au niveau international afin de promouvoir la qualité des produits de manière coordonnée dans chaque continent. En effet, la situation actuelle est que le marché de l'éclairage domestique est partout

confronté à un véritable foinsonnement de nouveaux produits à LED dont certains présentent des problèmes considérables. Les mesures effectuées dans plusieurs laboratoires et les retours des usagers révèlent que certains dispositifs d'éclairage à LED présentent des défauts de pluseurs natures :

* Confort visuel des lumières à LED: éclairement utile insuffisant, éblouissement;

* Qualité de la lumière: mauvais rendu des couleurs, température de couleur adaptée, papillotement;

* problèmes de qualité: dérives anormales des spécifications, courte durée de vie et défaillances prématurées;

* défauts de conception entraînant des problèmes de sécurité: compatibilité électronomagnétique, taux de dispersion harmonique sur le secteur, échauffement anormal;

* risques pour l'œil lors de l'observation directe.

Face à ces constats, les acteurs de la filière (fabricants,

distributeurs, prescripteurs, installateurs, usagers, pouvoirs publics) se mobilisent actuellement afin que la qualité des nouvelles solutions d'éclairage à LED s'améliore et que la technologie ne souffre pas d'un effet de rejet de la part des consommateurs, comme cela a pu se produire avec les premières lampes fluorescentes compactes. En parallèle à l'évolution et à l'harmonisation des normes, des initiatives sont soutenues par des organismes publics pour accompagner le développement de l'éclairage à LED et de sa normalisation. Ainsi, l'ADEME finance le projet CITADEL, coordonné par le CSTB, qui vise à fournir les connaissances scientifiques et techniques nécessaires à la caractérisation complète des dispositifs d'éclairage à LED en intégration dans le bâtiment.

Favoriser l'acceptation des technologies d'éclairage à LED est un enjeu également important dans les locaux professionnels. En France, l'éclairage à LED pourra bien-être relever le défi de la RT

2012 en mettant à profit son efficience énergétique intrinsèque et son couplage avec des modes de gestions intelligents. Une véritable mutation des pratiques de l'éclairage se dessine ainsi, avec de nouveaux luminaires à LED fonctionnant en association avec des capteurs, de l'intelligence embarquée, des bus de communication filaires ou basés sur des radiofréquences. Cette évolution va avoir d'importantes conséquences sur les métiers de concepteur et d'installateur qui vont devenir plus techniques et demander des compétences plus fines, à la fois en éclairagisme (optimisation entre éclairage général et éclairage d'appoint, qualité de lumière, confort visuel et limitation de l'éblouissement, etc.) et au-delà de l'éclairagisme (programmation des produits, connaissance des bus et protocoles de communication, technologies et pose des capteurs, réglages des paramètres de régulation, etc.).

Ch. M.

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