advanced lighting and lighting controls ... - energy exchange

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Rhode Island Convention Center • Providence, Rhode Island

LED and Smart Controls: Lessons Learned

Advanced Lighting and Lighting Controls Technologies

Binh Nguyen P.E., CEMAmec Foster Wheeler

August 11, 2016

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

Speaker Biography

• Binh Nguyen, PE, CEM– Senior Energy Engineer– Lighting Design Group LeaderCareer BSEE – University of Florida Licensed Professional Engineer (PE) – FL, GA, AL, MS Certified Energy Manager (CEM) – AEEHobbies “Internet of Things”‐ Thermostats, etc Cycling to work…only in fair conditions Sports – GO Gators!

2

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• What are the LED lighting options today?• TLEDs• Retrofit Kits• New Luminaires

• Smart Lighting Controls Case Studies• Examples of actual installations

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Overview

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type A

• Easy installation, works with majority of T8 electronic ballasts on the market 

• Costs per lamp between $10 and $20, may be cheaper in volume

4

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type A

• Easy installation, works with majority of T8 electronic ballasts on the market 

• Costs per lamp between $10 and $20, may be cheaper in volume

• Lower efficacy (lm/W) vs. other options, rated life between 50,000 and 70,000 hours, weak link is T8 ballasts 

4

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type A

• Easy installation, works with majority of T8 electronic ballasts on the market 

• Costs per lamp between $10 and $20, may be cheaper in volume

• Lower efficacy (lm/W) vs. other options, rated life between 50,000 and 70,000 hours, weak link is T8 ballasts 

• Many major manufacturers offer products in this category, easy future maintenance

• Recent recalls by major manufacturers

4

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type B

• Integrated driver and tube that requires line voltage to operate 

• Costs per lamp between $5 and $15, may be cheaper in volume but requires more labor, T8 bi‐pin sockets not rated for line voltage

5

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type B

• Integrated driver and tube that requires line voltage to operate 

• Costs per lamp between $5 and $15, may be cheaper in volume but requires more labor, T8 bi‐pin sockets not rated for line voltage

• Lower efficacy (lm/W) vs. other options, rated life between 30,000 and 60,000 hours

5

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type B

• Integrated driver and tube that requires line voltage to operate 

• Costs per lamp between $5 and $15, may be cheaper in volume but requires more labor, T8 bi‐pin sockets not rated for line voltage

• Lower efficacy (lm/W) vs. other options, rated life between 30,000 and 60,000 hours

• Not recommended due to electrical dangers and future maintenance replacement and lack of standard

• Tens of thousands of inferior products on the market

5

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type C

• LED Tube with dedicated LED driver • Costs per lamp between $10 and $15 plus $30 per driver, equivalent labor to replace traditional  T8 lamps and ballasts

6

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type C

• LED Tube with dedicated LED driver • Costs per lamp between $10 and $15 plus $30 per driver, equivalent labor to replace traditional  T8 lamps and ballasts

• Best efficacy (lm/W) for TLED, rated life between 50,000 and 100,000 hours

6

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• TLED Options– UL Type C

• LED Tube with dedicated LED driver • Costs per lamp between $10 and $15 plus $30 per driver, equivalent labor to replace traditional  T8 lamps and ballasts

• Best efficacy (lm/W) for TLED, rated life between 50,000 and 100,000 hours

• Best option for longest life, best reliability, and warranty

• Safe for future maintenance 

6

TLED

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• CALiPER Test Results

7

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install

8

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– LEDs have directional beam– TLEDs have 180‐ to 300‐degree beam

8

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– LEDs have directional beam– TLEDs have 180‐ to 300‐degree beam– Light level under TLED fixture, 15‐fc– Light level under T8 fixture, 25‐fc

8

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– LEDs have directional beam– TLEDs have 180‐ to 300‐degree beam– Light level under TLED fixture, 15‐fc– Light level under T8 fixture, 25‐fc

– Lamp beam side ways

8

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– Light beam or streaks behind traditional lens

9

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– Light beam or streaks behind traditional lens– Poor light diffusion– Uneven illumination of the space

9

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Real TLED World Install– Light beam or streaks behind traditional lens– Poor light diffusion– Uneven illumination of the space– Lower light levels at the ground

9

TLED – Poor Optics

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Provides the best optics for existing fixtures

10

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Provides the best optics for existing fixtures– UL Type C compliant with dedicated LED driver

10

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Provides the best optics for existing fixtures– UL Type C compliant with dedicated LED driver– Generally easier to install than rewiring fluorescent sockets for line voltage or LED driver

10

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Provides the best optics for existing fixtures– UL Type C compliant with dedicated LED driver– Generally easier to install than rewiring fluorescent sockets for line voltage or LED driver

– Provides the best efficacy, 120+ lm/W– Provides the best light output

10

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Heat is properly managed 

11

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Heat is properly managed – Rated output and life more accurate

11

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Heat is properly managed – Rated output and life more accurate– Longer warranty

11

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Engineered Retrofit Kits– Heat is properly managed – Rated output and life more accurate– Longer warranty– Best option for long term reliability and cost

11

LED Retrofit

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• New LED Fixtures– Best for new construction or major renovation 

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LED Replacement Fixtures

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• New LED Fixtures– Best for new construction or major renovation – ROI generally not a factor in those situations

12

LED Replacement Fixtures

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• New LED Fixtures– Best for new construction or major renovation – ROI generally not a factor in those situations– Incremental LCCA usually favorable

12

LED Replacement Fixtures

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• New LED Fixtures– Best for new construction or major renovation – ROI generally not a factor in those situations– Incremental LCCA usually favorable– Money is no object, I want LEDs

12

LED Replacement Fixtures

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility– Over 500 LED high‐bay fixtures to replace 400W HID 

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LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility– Over 500 LED high‐bay fixtures to replace 400W HID – Wireless smart controls with dimming and sensors

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LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility– Over 500 LED high‐bay fixtures to replace 400W HID – Wireless smart controls with dimming and sensors– Estimated 3.5 year simple payback without rebates

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LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility– Over 500 LED high‐bay fixtures to replace 400W HID – Wireless smart controls with dimming and sensors– Estimated 3.5 year simple payback without rebates– National Grid rebate of over $600k, resulted in a simple payback of 1.5 years

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LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility Additional Savings– After commissioning the entire site, many areas had higher light levels than expected

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LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility Additional Savings– After commissioning the entire site, many areas had higher light levels than expected

– Some areas were dimmed as much as 60% of the full output using the wireless dimming controls

14

LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility Additional Savings– After commissioning the entire site, many areas had higher light levels than expected

– Some areas were dimmed as much as 60% of the full output using the wireless dimming controls

– All “zones” dimmed at least 5%

14

LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility Additional Savings– After commissioning the entire site, many areas had higher light levels than expected

– Some areas were dimmed as much as 60% of the full output using the wireless dimming controls

– All “zones” dimmed at least 5%– Clamshell portion of workroom has photocell sensors to dim from ambient light from clerestory windows

14

LED New Install Case Study

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Providence, RI Facility Historic Energy Usage

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LED New Install Case Study

600000

700000

800000

900000

1000000

1100000

1200000

1300000

kWh

kWh

Linear (kWh)

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

– LEDs are the Future of Lighting• Industry needs standards• Not all products are created equal• Efficacy and lumen output advances daily

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LED Lighting Conclusion

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

– LEDs are the Future of Lighting• Industry needs standards• Not all products are created equal• Efficacy and lumen output advances daily

– Other Considerations• Cost vs. benefits of investing now• Energy savings• ROI• Future maintenance implications

16

LED Lighting Conclusion

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade17

Smart Lighting Controls

• “The most efficient light is the one that is off or only on when it is needed” – a smart lighting engineer

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade17

Smart Lighting Controls

• “The most efficient light is the one that is off or only on when it is needed” – a smart lighting engineer

• The Light Switch – the most common lighting control device on the planet

• We’ve all been taught to turn off the light

• Payback is infinite if you turn off your light every time you leave the room…why spend $100 on a sensor for a single 60W light?

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Why Smart Network Controls?– Building automation

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Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Why Smart Network Controls?– Building automation– Analytics and trending

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Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

• Why Smart Network Controls?– Building automation– Analytics and trending– Energy conservation

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Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

Example –Wired Fixture Level Relay Retrofit– Each new or existing fixtures gets a relay device– Relays daisy chained via network communications

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Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

Example –Wired Fixture Level Relay Retrofit– Each new or existing fixtures gets a relay device– Relays daisy chained via network communications– Operates on time schedules or other passive devices– Ability to control fixtures down to fixture level for customization

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Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade

Example –Wired Fixture Level Relay Retrofit– Each new or existing fixtures gets a relay device– Relays daisy chained via network communications– Operates on time schedules or other passive devices– Ability to control fixtures down to fixture level for customization– Remote connectivity to monitor or control lights via internet 

connection or BACnet integration

19

Smart Lighting Controls

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade20

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade20

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

??? Communication Errors

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade21

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

– What Happened? 

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade21

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

– What Happened? – Time Schedules didn’t line up with operations (24/7)

• Lights turned off while workers in area• Zones no longer work due to equipment layout changes• Minimal training, maintenance staff didn’t know how to reprogram time 

schedules

– Unionized Labor Force• Complaints

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade21

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

– What Happened? – Time Schedules didn’t line up with operations (24/7)

• Lights turned off while workers in area• Zones no longer work due to equipment layout changes• Minimal training, maintenance staff didn’t know how to reprogram time 

schedules

– Unionized Labor Force• Complaints

– Controls default to “fail on” mode for safety– Lack of facility buy‐in on the system

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade21

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

– What Happened? – Time Schedules didn’t line up with operations (24/7)

• Lights turned off while workers in area• Zones no longer work due to equipment layout changes• Minimal training, maintenance staff didn’t know how to reprogram time 

schedules

– Unionized Labor Force• Complaints

– Controls default to “fail on” mode for safety– Lack of facility buy‐in on the system– System was reportedly unplugged weeks after installation– Result: $150k system with no payback

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade22

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

Requires Constant Monitoring (IT Specialist?)

No Communications

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade23

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years LaterActual As‐Built Drawing – What’s Wrong?

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade23

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years LaterActual As‐Built Drawing – What’s Wrong?

On Time

Off Time

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade24

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

How do we salvage the system?

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade24

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

How do we salvage the system?Retrofit with occupancy sensors

• Install new passive ceiling sensors to control small groups• Recommission system to operate on occupancy instead of 

time

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade24

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

How do we salvage the system?Retrofit with occupancy sensors

• Install new passive ceiling sensors to control small groups• Recommission system to operate on occupancy instead of 

time

Advantages of occupancy based• Should have less complaints…if you’re not under the 

fixture, you don’t need that light• New “zones” based on sensor coverage area should not 

impact future layout changes• Less tampering of system since sensors are 20‐ft in the air• Corporate can remotely monitor system through BACnet

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade24

Smart Lighting Controls

Case StudyWired Fixture Level Controls 5 Years Later

How do we salvage the system?Retrofit with occupancy sensors

• Install new passive ceiling sensors to control small groups• Recommission system to operate on occupancy instead of 

time

Advantages of occupancy based• Should have less complaints…if you’re not under the 

fixture, you don’t need that light• New “zones” based on sensor coverage area should not 

impact future layout changes• Less tampering of system since sensors are 20‐ft in the air• Corporate can remotely monitor system through BACnet

Disadvantages• Additional capital costs for sensors and recommissioning• Might be throwing good money after bad

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade25

Smart Lighting Controls

Conclusion

Research control types based on facility needs

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade25

Smart Lighting Controls

Conclusion

Research control types based on facility needs• Choose systems that cannot be overridden/disconnect 

easily• Get facility buy‐in and insure they keep it maintained

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade25

Smart Lighting Controls

Conclusion

Research control types based on facility needs• Choose systems that cannot be overridden/disconnect 

easily• Get facility buy‐in and insure they keep it maintained• Choose systems that will be supported in the future• Spend your money wisely

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade25

Smart Lighting Controls

Conclusion

Research control types based on facility needs• Choose systems that cannot be overridden/disconnect 

easily• Get facility buy‐in and insure they keep it maintained• Choose systems that will be supported in the future• Spend your money wisely• Passive technologies may be the best bang for the buck• Consult with a lighting professional

Energy Exchange: Federal Sustainability for the Next Decade26

Questions & Comments

Binh Nguyen, PE, CEMSenior Energy Engineer

Amec Foster Wheeler Environment & Infrastructure

404 SW 140th TerraceGainesville, FL 32669

binh.nguyen@amecfw.com352-333-3631

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