Tages- und Kunstlichtsysteme
Stand: Oktober 2023Die Wahrnehmung von Licht beeinflusst das Behaglichkeitsgefühl in Gebäuden. Zugleich ist durch eine fachmännische Planung lichttechnischer Systeme ein Plus an Energieeffizienz möglich.
Licht
Die Verfügbarkeit von Sonnenstrahlung ist im Laufe der Evolution für die Entwicklung von Leben auf der Erde entscheidend gewesen. Auch in Form von rein sichtbarem Licht ist es heute immer noch von hoher Bedeutung für die Gesundheit und das Wohlbefinden des Menschen.
Der Sehbereich des menschlichen Auges liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen 380 und 780 Nanometer und bestimmt, wie wir unsere Umwelt wahrnehmen. Der Versuch, die Ausbreitung und Verteilung von Licht ausgehend von einer oder mehrerer Lichtquellen zu beschreiben, hat schon die Griechen beschäftigt und ist ein durchaus komplexes Unterfangen.
Zur Beschreibung der Ausbreitung und unserer Wahrnehmung von Licht werden folgende Grundgrößen definiert:
Wahrnehmung von Licht und ihre Bedeutung für die Lichtplanung in Gebäuden
Die Wahrnehmung von Licht ist essentiell für den Menschen und beeinflusst durch die gezielte Produktion von Melatonin und Cortisol im Körper biologische Prozesse. Dies geschieht in Abhängigkeit der vorhandenen Beleuchtungsstärken sowie der spektralen Farbanteile des Lichts (circadiane Rhythmik). Die Temperatur des Lichts beeinflusst die wahrgenommene Farbe des Lichts und wird als Farbtemperatur bezeichnet. Der hohe Blauanteil im Tageslicht behindert die Produktion von Melatonin und fördert auf diese Weise die Wirkung des Stresshormons Cortisol. Hierdurch wird unser natürlicher Schlaf-Wach-Rhythmus beeinflusst und gesteuert. Die Farbe des Tageslichts variiert in Abhängigkeit der Sonnenhöhe und des Himmelszustandes. Das direkte Sonnenlicht wird für gewöhnlich anhand der Normlichtart D55 mit einer Farbtemperatur von 5.500 K angegeben, was einem klaren sonnigen Tag in den Morgen- oder Mittagsstunden entspricht. Sonnenlicht kann jedoch auch unangenehm für unsere Wahrnehmung sein und zu Blendungen führen. Grundsätzlich wird zwischen zwei Arten von Blendung unterschieden:
- die physiologische und
- die psychologische Blendung.
Während physiologische Blendung die Sehleistung schmälert, beeinflusst die psychologische Blendung hauptsächlich das Wohlbefinden. All diese Aspekte sind bei der Lichtplanung von Gebäuden von Bedeutung, dabei wird in der Regel differenziert zwischen der Tageslicht- und Kunstlichtplanung. Darüber hinaus gibt es moderne ganzheitliche Ansätze der Lichtplanung nach dem HCL-Konzept (Human Centric Lighting), die den Nutzer in den Vordergrund stellen und in der Lage sind, auch die biologischen Prozesse des menschlichen Körpers zu berücksichtigen und auf diese Weise unseren circadianen Rhythmus, den Schlaf-Wach-Rhythmus, zu stärken.
Planungsrelevante Normen in Bezug auf Licht
Die lichttechnisch planungsrelevanten Normen im Gebäudebereich werden in Tageslicht und Kunstlicht unterschieden. Zusätzlich ist für die Bilanzierung von Nichtwohngebäuden in der aktuellen DIN V 18599-4, Ausgabe 09-2018 die energetische Bewertung des Nutz- und Endenergiebedarfs für Beleuchtungen festgelegt. Darüber hinaus wird die Beachtung der Arbeitsstättenregel ASR A3.4 (Beleuchtung und Sichtverbindung) zur Einhaltung der Arbeitsstättenverordnung empfohlen.
Die wichtigsten lichttechnisch planungsrelevanten Normen sind:
Tageslicht:
- DIN EN 17037: 2019-03: Tageslicht in Gebäuden.
- DIN 5034 - 1 bis 6: 2021-08: Tageslicht in Innenräumen.
Bei den Normen handelt es sich um Empfehlungen, ihre Anwendung ist bislang nicht verpflichtend. Allerdings sind die Anforderungen der Landesbauordnung verpflichtend umzusetzen, welche sich aus der Musterbauordnung von 1960 ableiten. Sie stellen an die Versorgung von Räumen mit Tageslicht Forderungen auf Basis des prozentualen Fensterflächenanteils bezogen auf die Grundfläche. Die Forderungen werden nach heutigem Stand als weitgehend unzureichend bewertet. Empfohlen wird aus diesem Grund die Auslegung auf Grundlage der im Jahr 2019 erschienenen DIN EN 17037. Die Normenreihe DIN 5034 ergänzt sie um nationale Mindestanforderungen und enthält nur noch Inhalte der bisherigen Normenreihe, die in der DIN EN 17037:2019-03 nicht enthalten sind.
Kunstlicht:
- DIN EN 12464- 1: 2021-11: Beleuchtung von Arbeitsstätten – 1: Arbeitsstätten im Innenraum.
Bilanzierung von Nichtwohngebäuden nach dem Gebäudeenergiegesetz:
- DIN V 18599 - 4:2018-09: Energetische Bewertung des Nutz- und Endenergiebedarfs für Beleuchtungen.
Versorgung mit Tageslicht
Eine gute Tageslichtversorgung sorgt für Behaglichkeit und dient gleichzeitig gestalterischen Aspekten. Zusätzlich ist die Tageslichtversorgung auch von wirtschaftlicher Bedeutung beim Betrieb eines Gebäudes: Wer künstliche Beleuchtung von Außen- und Innenräumen einspart, kann Energiekosten und damit verbundene CO2-Emissionen reduzieren. Eine Fachplanung ist daher von Vorteil.
An einem hellen nicht bewölkten Sommertag können in unseren Breiten im Himmel Beleuchtungsstärken von bis zu 100.000 Lux gemessen werden, auch bei bedecktem Himmel sind es noch 20.000 Lux. Tageslicht bietet aufgrund seiner reinen Stärke und der freien Verfügbarkeit ein immenses Energieeinsparpotenzial. Um dieses Potenzial bestmöglich zu nutzen und gleichzeitig übermäßige Wärmeeinträge sowie Blendungseffekte im Inneren zu vermeiden, ist eine Planung von geeigneten Fassadenkomponenten notwendig.
Faktoren für die Verfügbarkeit von Tageslicht:
- Astronomische Zusammenhänge (Zeitgleichung & Deklination)
- Geografischer Standort des Betrachtungspunkts
- Himmelszustand und atmosphärische Einflüsse
- Saisonal sowie zeitlich wechselnde Verfügbarkeiten der Solarstrahlung: Von insgesamt 8.760 Stunden im Jahr weist Deutschland seit Beginn der Aufzeichnungen ein Angebot von ungefähr 1.500 bis 2.000 Sonnenstunden im Jahr auf. In den Sommermonaten liegen die mittleren Sonnenscheinwahrscheinlichkeiten zwischen 40 und 50 Prozent, während in den Wintermonaten lediglich 10 bis 20 Prozent erreicht werden.
- Anordnung von transparenten Bauteilen wie Fenstern und Oberlichtern sowie die genaue Position und Größe: Die genannten Faktoren sind ausschlaggebend dafür, wie viel Licht ins Innere eines Gebäudes gelangt. Das macht sie zu besonders wichtigen planungsrelevanten Größen.
- Verschattung der Fassade durch umstehende Bauten oder die eigene Kubatur
Die Versorgung eines Raums mit Tageslicht wird mit dem Tageslichtquotienten angegeben. Dieser setzt sich an einem gegebenen Messpunkt aus dem Verhältnis von Innenbeleuchtungs- zu Außenbeleuchtungsstärke bei bedecktem Himmel zusammen und stellt die wichtigste Tageslichtplanungsgröße dar.
Das Vorgehen zur Berechnung sowie Beurteilung der Tageslichtversorgung von Innenräumen wird in der DIN EN 17037 beschrieben. Die neue europäische Norm ersetzt die bisherigen nationalen Mindestanforderungen der DIN 5034 und stellt umfangreichere Anforderungen an die Auslegung von Innenräumen. Anzustrebende Tageslichtversorgungsraten für übliche Anforderungen liegen zwischen 4 und 10 Prozent. Aus dem Zusammenhang zwischen Tageslichtquotient und relativer Nutzbelichtung (Tageslichtautonomie) können potenzielle Energieeinsparungen durch eingespartes Kunstlicht berechnet werden, auch die Berechnungen nach der DIN V 18599-4 greifen im Wesentlichen auf dieses Grundprinzip zurück. Darüber hinaus wird in der DIN V 18599-4 auf Basis des Tageslichtquotienten und in Abhängigkeit eines aktivierten Sonnen- und Blendschutzes an der Fassade der Tageslichtversorgungsfaktor CT,L als essentielle Planungsgröße eingeführt.
Ein hoher Tageslichtquotient geht nicht nur mit steigenden Wärmegewinnen, sondern auch mit Blendungen einher. Eine Methode, um die Wahrscheinlichkeit von auftretenden Blendungserscheinungen durch Tageslicht zu beschreiben, ist die Beurteilung mittels der sogenannten DGP (Daylight Glare Probability) in der DIN 17037. Dabei kann zwischen vier verschiedenen Blendungsstufen unterschieden werden, wobei berechnete Werte kleiner als 0,35 als nicht bis kaum wahrnehmbar und Werte über 0,45 als unverträglich empfunden werden. Höhere Werte sind daher nicht immer erstrebenswert. Während Wärmegewinne durch Sonnenlicht im Winter häufig erwünscht sind, müssen im Sommer zusätzliche Fassadenkomponenten zur Reduktion und gleichzeitiger Verteilung geplant werden. Hierzu zählen Sonnen- und Blendschutz- bzw. Tageslichtlenksysteme, konkret können das beispielsweise Markisen, Raffstore- und Lamellen-Systeme, Folien, konventionelle Behänge, Lichtlenkglas, Lichtschwerter und schaltbare Verglasungen sein. Andersherum können für besonders sonnenarme Bereiche sogenannte Heliostaten oder Lichtleitröhren zur Lichtverteilung installiert werden. Eine gleichmäßige Verteilung des Tageslichts unter Vermeidung von Blendungseffekten ist für das Wohlbefinden und daher bei der Planung von großer Bedeutung.
Hinweis: Strahlenfalle Fensterglas
Für den sommerlichen Wärmeschutz ist es wichtig zu berücksichtigen, dass herkömmliche Fenstergläser als „Strahlenfallen“ betrachtet werden können: Sie lassen von außen kommende kurzwellige Wärmestrahlung der Sonne beinahe vollständig durch, aber gleichzeitig die aus dem Inneren zurückfallende langwellige Strahlung nicht wieder heraus. Deshalb ist auch ein außenliegender Sonnenschutz weitaus effektiver als ein innenliegender.
Begriffsdefinitionen und -erläuterungen zu Tages- und Kunstlicht
Von B wie Beleuchtungsstärke, über G wie Gesamtenergiedurchlassgrad und L wie Lichttransmissionsgrad, bis T wie Tageslichtversorgungsfaktor: Das Glossar des Gebäudeforums klimaneutral bietet umfangreiche Informationen zu vielen Begriffen aus dem Themenfeld Tages- und Kunstlicht.
Versorgung mit Kunstlicht
Die vollständige Versorgung sowie gleichmäßige Verteilung mit Licht lässt sich je nach Bedarf und Tageszeit nicht immer komplett per Sonnenlicht realisieren. Die Tageslichtintensität nimmt mit steigender Entfernung zum Fenster exponentiell ab und auch bewölkte Wetterlagen müssen ausgeglichen werden können. Mit Hilfe von Kunstlicht kann eine ausgeglichene Lichtverteilung sichergestellt werden. Das Ziel ist die Bereitstellung einer der Aufgabe entsprechenden Lichtverteilung bei gleichzeitiger möglichst guter Ausnutzung der eingesetzten Energie. Verschiedene Verteilsysteme mit Reflektoren und teilweise mit Blendschutz kommen hierfür zum Einsatz. Eine gute Beleuchtung wird durch folgende Eigenschaften charakterisiert:
- Sehkomfort (Farbwiedergabe und Harmonische Helligkeitsverteilung),
- Sehleistung (Beleuchtungsniveau und Blendungsbegrenzung) und
- Visuelle Ambiente (Schattigkeit, Lichtfarbe und Lichtrichtung).
Künstliches Licht kann grundlegend auf drei Arten erzeugt werden: mit Temperaturstrahlern, durch Gasentladungen oder mittels Halbleiterlichtquellen. Bis ins 18. Jahrhundert war die einzige Möglichkeit künstliches Licht zu erzeugen die offenen Flamme von Kerzen. Zum besonders effizienten Standard zählen heute die Halbleiterlichtquellen (LED). Diese zeichnen sich zusätzlich zur energieeffizienten Erzeugung von Licht durch ihre geringe Größe, eine lange Lebensdauer, niedrige Ausfallraten und ihre Stoßresistenz aus. Halbleiterlichtquellen strahlen außerdem keine IR- oder UV-Strahlung ab und sind stufenlos dimmbar. Die Lichtquellen können zur Beleuchtung verschieden eingesetzt werden. Grundsätzlich wird unterschieden zwischen den Beleuchtungsarten:
- direkte Beleuchtung,
- indirekte Beleuchtung und
- direkt/indirekte Beleuchtung.
Die Lichtverteilung durch eine direkt-indirekte Beleuchtung ist eine effiziente Art, Räume verträglich auszuleuchten. Bei vielen Anforderungen wird sie von Menschen auch als am angenehmsten wahrgenommen. Dabei werden Verhältnisse von etwa 70 Prozent direktem zu 30 Prozent indirektem Anteil angestrebt. Höhere Anteile von indirektem Licht bieten keinen wesentlichen Mehrwert, erhöhen aber hingegen den Energieverbrauch der Beleuchtungsanlage beträchtlich.
Zur Bewertung der Effizienz von Lichtquellen wird die Lichtausbeute bestimmt. Sie ist definiert durch das Verhältnis aus Lichtstrom zu Strahlungsfluss (Strahlungsleistung). Hochmoderne Lichtquellen erreichen heute Lichtausbeuten von bis zu 210 Lumen pro Watt (lm/W) für weiße LEDs. In der Praxis liegen die Werte von LED-Röhren häufig im Bereich von etwa 90 bis 160 lm/W während Leuchtstoffröhren etwa 45 bis 100 lm/W erreichen. Weitere maßgebende Auswahlkriterien von LEDs sind die Farbtemperatur, die Farbwiedergabe, die Lichtausbeute, die Leistung, der Lichtstrom, die Lebensdauer sowie die Abmessungen.
Das Lichtspektrum der Lichtquelle beeinflusst die vom Menschen wahrgenommene Farbe des angeleuchteten Objekts. Bei einer schlechten Farbwiedergabe erscheinen rote Gegenstände beispielsweise eher als orange. Dieser Umstand wird durch den Farbwiedergabeindex (Ra-Wert) auch CRI-Wert (Color Rendering Index) genannt ausgedrückt. Eine Farbwiedergabe, also ein Ra-Wert, von 100 ist das theoretische Optimum und Werte über 80 werden als gut empfunden.
Eine weitere planungsrelevante Größe ist der Wartungswert einer Leuchte. Dieser berücksichtigt den Rückgang des Lichtstroms über die Zeit hinweg aufgrund von Alterungs- und Verschmutzungsprozessen. Eine Hauptgröße für die Berechnung ist dabei der Lichtstromwartungsfaktor (L-Wert). Ein Wert von L80 sagt aus, dass die Leuchte nach angegebener Betriebsdauer (Industriestandard 50.000 h) noch 80 Prozent des angegebenen Lichtstroms vorweist.
Hiermit in Verbindung wird der B-Wert definiert, welcher wiederum ausdrückt wie viel Prozent der Leuchten diesen Wert unterschreiten. Wird kein B-Wert angegeben, gilt der Wert für mittelmäßige Ausfallraten B50. Den aktuellen Standard für die Lebensdauer von LEDs bilden Leuchten mit L80 und B10.
Schlussendlich gilt es auch für eine gute Beleuchtung mit Kunstlicht, Blendungserscheinungen zu vermeiden. Bei der Bewertung der Blendung im Innenraum geht man heute davon aus, dass nur die psychologische Blendung von Bedeutung ist, die durch eine unangenehm wirkende Verteilung von Leuchtdichten entstehen kann. Ein Verfahren zur Bewertung des Blendungsphänomens ist das sogenannte UGR-Verfahren (UGR - Unified Glare Rating), dass in der DIN 12646-1 (Norm zur Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen) geregelt ist. Hierbei werden die resultierenden Leuchtdichtenverteilungen im Raum in Abhängigkeit der Raumbeschaffenheit berechnet und die Position sowie Blickrichtung des Beobachters berücksichtigt. Der Einsatz von Planungssoftware hilft hierbei um zu garantieren, dass Beleuchtung bedarfsgerecht eingesetzt wird, Blendungen vermieden und technische Vorgaben ebenso wie die Anforderungen der Nutzerinnen und Nutzer berücksichtigt werden.
Nach erfolgreicher bedarfsgerechter Lichtplanung können zur weiteren Effizienzsteigerung, Lichtsteuerungs- / managementsysteme mit Sensorik wie bspw. Präsenzmeldern integriert werden. Möglich sind hierbei konventionelle separate Installationen oder die direkte Integration der Sensorik in die Leuchten. Das Einsparpotenzial in Innenräume, die nicht ständig genutzt und demnach nicht dauerhaft beleuchtet werden müssen, ist erheblich. Auch die automatische Anpassung des Kunstlichts an die gegebenen Tageslichtverhältnisse ist steuerbar (tageslichtabhängige Kontrolle) und spart häufig die größte Menge an Energie bei Beleuchtungssystemen ein.
Eine Konstantlichtkontrolle, welche dauerhaft gleichbleibende Beleuchtungsstärken in einem Raum gewährleistet und eine zu Beginn überdimensionierte Leistungszufuhr aufgrund der Lichtstromabnahme überflüssig macht, trägt ebenfalls zur Effizienzsteigerung der Beleuchtung bei. Konstantlichtkontrollen werden in der Regel in eine tageslichtabhängige Kontrolle integriert.
Darüber hinaus dienen Vorschaltgeräte zur Begrenzung der Stromzufuhr und teilweise noch als Einschalter für Leuchten. Es wird zwischen konventionellen Vorschaltgeräten (KVG), verlustarmen Vorschaltgeräten (VVG) und elektrischen Vorschaltgeräten (EVG) unterschieden. Das elektrische Vorschaltgerät ist im Vergleich zu den anderen Varianten am energieeffizientesten, bietet ein schnelles Einschalten ohne Flackern der Lampen und gilt heute allgemein als Stand der Technik.
Zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz besteht ebenfalls die Möglichkeit die Beleuchtung in die Gebäudeautomation mittels elektronischer Systeme wie KNX-Bussysteme zu integrieren. Auf diese Weise können unter anderem Fassadenkomponenten gesteuert, Leuchten verschiedenen Gruppen zugewiesen und unterschiedliche Gebäudenutzungspläne realisiert werden.
Förderung
Der Staat fördert den Einsatz energieeffizienter Beleuchtungssysteme gezielt im Rahmen bestehender Fördermöglichkeiten.
Förderung für Unternehmen:
- Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG)
- Weitere Informationen und Antragstellung beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)
Förderung für Kommunen:
- Im Rahmen der Kommunalrichtlinie
- Weitere Informationen bei der Nationalen Klimaschutzinitiative und der KfW
Förderung für Wohngebäude („Efficiency Smart Home“):
- Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG)
- Weitere Informationen und Antragstellung beim Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA)
