Licht im Innenraum Optimierung von Tageslicht in Gebäuden

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Licht im Innenraum Optimierung von Tageslicht in Gebäuden
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25.01.2007
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Optimierung von Tageslicht in Gebäuden
Prof. Christian Bartenbach; Bartenbach LichtLabor GmbH
Licht im Innenraum
Die Tagesbelichtung von Gebäuden, die vorwiegend mehrgeschoßig sind, erfolgt fast ausschließlich durch Seitenfenster.
Die „Kriterien“ für ein lichttechnisches Konzept von Seitenfenstern, das als Lichtsystem bewertet werden muss, sind:
• absolute Tageslichtmenge (Quantität)
• Verlauf bzw. Verteilung des Tageslichts im Raum (Tageslichtquotienten)
• Sonnenschutz (Qualität)
• optische Wahrnehmungsbedingungen
• Direktblendung, Reflexblendung
• visueller Bezug nach Außen (Transparenz)
• Energiefaktoren
- g-Wert (Sonnenschutzwirksamkeit)
- Abschaltzeiten des Kunstlichts
Fotos: Peter Bartenbach, München
Abb. 1: Die Kriterien einer seitlichen Tageslichtöffnung zeigen, dass die Tageslichtverläufe eines durchgehend großen Seitenfensters zwar mit der mittleren
Helligkeitswerten ausreichen, jedoch eine starke Ungleichmäßigkeit zum Rauminneren hin aufweisen. Zusätzlich ist die Leuchtdichte am Fenster in Bezug zum
Arbeitsplatz zu hoch.
Abb. 2: Typische Verteilung des Tageslichts mit und ohne Blendschutzsystem.
Die Gesamtheit dieser Kriterien, die auch in die EU-Normen aufgenommen wurden, lassen sich
mit dem herkömmlichen Stand der Technik nicht mehr erfüllen.
Der Bildschirmarbeitsplatz, der bei heutigen Büroarbeiten im Wesentlichen die visuellen Anforderungen bestimmt, benötigt ausreichend Licht mit abgestimmten Leuchtdichten im Infeld und
im Umfeld. Ebenso geeignete Horizontal- und Vertikalbeleuchtungsstärken und eine ausreichende Ausblendung von Fensteröffnungen.
Durch den Tageslichtquotienten (siehe Abbildung 2) wird das Verhältnis zwischen Außenbeleuchtungsstärke und punktueller Innenbeleuchtungsstärke angegeben und die Verteilung des
Tageslichts im Raum veranschaulicht.
Abbildung 2 zeigt, dass das Problem eines Seitenfensters ohne Lichtumlenksystem im ungünstigen Verlauf bzw. in einer ungleichmäßigen Verteilung des Lichtes innerhalb des Raumes
liegt.
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Abb. 3: Bildschirmarbeitsplatz mit direkter und Reflexblendung.
Abb. 4: Mittlere statistische Tageslichtmenge im Jahresablauf für den geographischen Ort München.
Die Lichtmenge in Fensternähe ist zu hoch und fällt mit zunehmender Raumtiefe zu stark ab. Deshalb ist es kaum möglich, tiefere Räume trotz hoher Lichtquantität ohne künstliche Ergänzungsbeleuchtung (für die Raumtiefe) zu nutzen.
Bedingt durch den ungünstigen Tageslichtverlauf ergibt sich auch
die typische Zuordnung des Mobiliars zur Fensternähe hin, wobei
die fensterabgewandte Zone als Verkehrszone verwendet wird.
Man erkennt die klassische Raumnutzung am Tageslichtverlauf
und damit verbunden dennoch eine Beschränkung der Raumnutzung. Und dies, obwohl die Menge des einfallenden Tageslichts ausreichen würde (Abbildung 4) um bei einer vorgegebenen Beleuchtungsstärke von 400–500 lx eine Raumtiefe von 8–10
m auszuleuchten, wenn dafür gesorgt werden würde, dass das
vorhandene Licht besser verteilt wird.
Es ist naheliegend, das „Zuviel an Fensterlicht“ in die Raumtiefe zu bringen, um dort ohne Kunstlicht Arbeitsplätze (nicht nur
Verkehrszonen) einrichten zu können. Die Lichtlenkung ist dafür
ein geeignetes Prinzip (Abbildung 6, 7).
Abb. 5: Prinzip der Lichtlenkung durch ein Prismensystem.
Abb. 6: Schematische Darstellung einer Lichtlenkmaßnahme.
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Abb. 7: Prismenumlenkung mit Spiegeldecke.
(Schweizerischer Bankverein Biel; Arch. Mark + Yvonne Hausamman)
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Abb. 8: Nutzung der Spiegeldecke als Sekundärreflektor für Kunstlicht.
Abb. 9: Simulation des Strahlenganges im Fischchen-Umlenksystem,
mit Hilfe von Laserlicht.
Die physikalischen Komponenten der Lichtlenkung sind zum einen das optische System in Form
eines Prismas und die Reflexionsgesetze eines Spiegelreflektors. Die Realisierbarkeit hängt von
der Art der Fensteröffnung, der Fassade, von ästhetischen Vorstellungen und von der Komplexität der lichttechnischen Vorgaben ab.
Abbildung 11 zeigt die Anwendung einer Prismenumlenkung für die Nutzung von Bildschirmarbeitsplätzen. Die Lichtumlenkung erfolgt im oberen Bereich des Fensters, im unteren
Teil ist durch den blendfreien Rollscreen der visuelle Bezug nach Außen gewährleistet. Da in
den Einzelräumen die Arbeitszonen nach hinten erweitert werden, ist eine Spiegelumlenkdecke
notwendig. Diese wird zur Optimierung des Kunstlichts genutzt, wobei die Spiegeldecke als
Sekundärreflektor dient (Abbildung 8).
Abb. 10: Detail einer gelochten Umlenklamelle.
Abb. 11: Beispiel einer Tagesbelichtung durch Umlenklamellen und
Spiegeldecke. (Bücherturm Neuburg an der Donau; Arch. N. Gänsler)
Lichtumlenksysteme die auf der Basis der Reflexion funktionieren sind die sogenannten „Fischchenlamellen“ (Abbildung 9) und die Reflektorlamellen (Abbildung 10). Beide Systeme reflektieren das Zenitlicht und bringen es an die Raumdecke, von wo es durch die Sekundärreflexion in die Raumtiefe transportiert wird.
Der Vorteil der Fischchen besteht darin, dass im unteren Halbraum, d.h. unterhalb der horizontalen Blickrichtung, keinerlei Blendung auftreten kann, so dass auch Reflexionsstörungen
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am Bildschirm eliminiert sind. Lamellensysteme können zudem gelocht werden, um deren Transparenz für den Sichtkontakt nach Außen zu verbessern (Abbildung 10).
Durch geeignete Lichtumlenkmaßnahmen mittels Prismen oder Umlenklamellen ist es möglich,
Raumtiefen bis zu 20 m ausreichend mit Tageslicht zu beleuchten (Abbildung 11, 12). Die
Abbildung 18 macht ersichtlich, dass Raumtiefen von 3,5–4 m mit Umlenklamellen ohne Maßnahmen an der Decke (weißer Anstrich) blendungsfrei und geeignet für Bildschirmarbeit
ausgeleuchtet werden können.
Abb. 12: Modellsimulation im Künstlichen Himmel eines Raumes mit 3 m Höhe.
Abb. 13: Messwerte des Lichtverlaufes zur Modellsimulation von Abbildung 12 bei
beidseitiger Belichtung.
Abb. 15: Textiles Blendschutzrollo, welches die Leuchtdichte des Außenraumes auf die geforderten 200–300 cd/m2 reduziert. Es verhindert jedoch
eine Sicht nach Außen und reduziert das einfallende Licht auf ca. ein
1/10 des Außenraumes, wodurch im Inneren das Helligkeitsniveau zu
niedrig ist.
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Abb. 14: Lichtmenge und Lichtverteilung mit Umlenklamellen bei
spiegelnder und diffuser Decke.
Abb. 16: Das Spiegelreflektorprinzip für Lichtumlenkung und gleichzeitigen Blendschutz reduziert die Außenleuchtdichte am Fenster auf 200–300 cd/m2. Durch
Lochung ist die Sicht nach Außen ausreichend möglich und liefert eine gleichmäßig verteilte Lichtmenge von TQ 3 % als Mittelwert.
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Blendschutz
Fenster vermitteln dem Betrachter die gebäudeexterne Umwelt, wobei dadurch unmittelbar
die Himmelsleuchtdichte als mögliche Blendleuchtdichte auftritt. Die Leuchtdichtebereiche des
Himmels betragen je nach Außenhelligkeit bis zu 8.000 cd/m2. Da sich solche Leuchtdichten
über große Flächen (eben über die Fensterflächen) ausdehnen und durch die aktive Raumwahrnehmung und die Art der Raumgeometrie in den Gesichtsfeldbereich kommen, tritt eine
Störung des stabilen optischen Wahrnehmungszustandes ein. Die damit verbundenen Blendungserscheinungen verursachen die Hauptbelastung der visuellen Wahrnehmung. Beim Auftreten solcher Leuchtdichtebereiche, wird die Nutzung von Datensichtgeräten durch Direktund Reflexblendung in Frage gestellt. Geeignete Blendschutzmaßnahmen, die einerseits die
Fensterleuchtdichte reduzieren und andererseits die Tageslichteinbringung ermöglichen, sind
notwendig.
Abb. 17: Vergleich von Lichtmenge und Lichtverteilung (TQ) eines Blendschutz- und Tageslichtumlenksystems mit dem unbehandelten klaren Fenster.
Abb. 18: Vergleich der visuell-mentalen Ermüdung bei klarem Fenster, Blendschutz (Stoffrollo) und gelochter Umlenklamelle (Kybernetische Flimmer-Verschmelzung-Frequenz-Analyse, Bartenbach LichtLabor)
Es zeigen sich sehr unterschiedliche – zum Teil sehr unausgeglichene TQ-Verläufe für die genannten Systeme (Abbildung 17), wobei insbesondere das klare Fenster (ohne System) an der Fensterseite zu viel und in der Raumtiefe eher zu wenig Licht liefert.
Ein textiler teiltransparenter Blendschutz zur Reduzierung der Fensterleuchtdichte ist jedoch zu
dunkel, d.h. er verursacht im Raum ein viel zu niedriges Beleuchtungsniveau. Für Büroräume
muss ein mittlerer TQ von 3% gefordert werden, wobei es auf die Ausgeglichenheit der Verteilung im Raum besonders ankommt.
Eine Umlenklamelle, die durch ihre reduzierte Leuchtdichte auch als Blendschutz funktioniert
und mit einer Umlenkdecke kombiniert ist, kann die 3 % Forderung am besten erfüllen. Auch
die Ermüdungsmessungen (Abbildung 18) erbringen eine eindeutige Bevorzugung der Umlenklamelle.
Während das klare Fenster und der konventionelle Blendschutz aufgrund ihrer zu hohen bzw.
zu niedrigen Helligkeiten das Auge übergebührlich belasten, bewirkt das Umlenksystem (gelocht
oder ungelocht) Ermüdungswerte, die einem konstanten und entspannten Aktivitätsniveau entsprechen.
Mit dem Instrument des semantischen Differentials ist es möglich, den allgemeinen „menschlichen Charakter“ eines Raumes, wie er von Benützern erlebt wird, zu erfassen. Die subjektiven Beurteilungsdimensionen sind inhaltlich so gewählt, dass der Raum gewissermaßen als
lebendiges Ganzes gesehen werden muss, dem der Beurteiler sozusagen begegnet. Es wird
damit die gefühlsmäßige Bereitschaft zur Akzeptanz des Raumes gemessen, so dass unbewusste psychologische Bezüge zum Raum herauskommen.
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Abb. 19: Subjektive Beurteilung der betrachteten Tageslichtsysteme. Methode:
Semantisches Differential, Bartenbach LichtLabor.
Abb. 20: Sonnenschutzsystem auf der Grundlage der Retroreflexion
von Prismen.
Abbildung 19 zeigt die Beurteilungsprofile der Tagesbelichtungen eines Büroraumes. Man sieht,
dass jenes Lichtmilieu, dass die Umlenklamelle erzeugt, auf den meisten Beurteilungsdimensionen ein signifikant angenehmerer Charakter zugeschrieben wird, als dem Textilblendschutz
und dem klaren offenen Fenster.
Das Fenster ist im Wesentlichen als Bezugssystem zur Außenwelt gedacht und stellt damit
einen wesentlichen Faktor einer Raumöffnung nach Außen hin dar. Es ist sicher nicht möglich, auf die Bezugssituation nach Außen zu verzichten.
Eine ausführliche Forschungsarbeit über Öffnungsgrößen von Fenstern zeigt, dass mindestens
30 % der Raumgrundfläche als Fensteröffnung notwendig ist, wobei dieses Maß neben dem
visuellen Sichtkontakt nach Außen auch das sogenannte Fluchtbedürfnis, das dem Menschen
archaisch anhaftet, befriedigt.
Sonnenschutz
Mit dem einfallenden Tageslicht kommt Wärme in den Raum, die an Sonnentagen auf Höchstwerte ansteigt. Neben den damit auftretenden Blendungserscheinungen muss auch die Aufheizung des Raumes vermieden werden. Dies erfolgt durch Sonnenschutzsysteme.
Die Wirksamkeit eines Sonnenschutzes besteht in der Verminderung der Sonnenstrahlung. Also
je wirksamer der Sonnenschutz ist, desto geringer ist die Wärmeeinstrahlung der Sonne. Dadurch
wird allerdings auch die Lichteinstrahlung entsprechend reduziert. Es entsteht das Paradoxon,
dass an strahlenden Sonnentagen bei Wirksamkeit des Sonnenschutzes, Kunstlicht zugeschaltet wird.
Es ist also auf konventioneller Basis nicht möglich, die Sonnenschutzwirkung ohne Verzicht
auf Tageslichteinstrahlung zu erreichen. Wird jedoch das Prinzip der Retroreflexion angewandt,
ist es – wie in Abbildung 20 dargestellt – möglich, die wärmeintensive Parallelstrahlung der
Sonne wieder nach Außen zurück zu lenken, während das diffuse Tageslicht ungehindert in
den Raum gelangt.
Solche Systeme müssen der Sonne nachgeführt werden. Sie lassen sich auch in ein Umlenksystem integrieren und es ist möglich, sie hinter eine Verbundscheibe zu setzen, ohne die wärmeabhaltende Wirkung im Wesentlichen zu verlieren. Man erreicht eine Lichtdurchlässigkeit
von 70–75% und einen g-Wert von 0,08–0,1 außenliegend bzw. von 0,15–0,20 innenliegend.
Diese Tatsachen lassen den Schluss zu, dass bei der Trennung der Funktion des Tageslichts,
bezogen auf die Forderungen der optischen Wahrnehmung, neue Räume bzw. Raumgebilde
entstehen, die der Komplexität der Nutzung entsprechen, aber auch eine Gestaltungsbereicherung und -vielfalt zulassen.
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Retroreflektierende Sonnenschutzprismen eignen sich für Räume mit Bildschirmarbeitsplätzen,
und durch den optimierten g-Wert wird zusätzlich die Lüftungs- bzw. Klimaanlage entlastet
(geringere Betriebs- und Wartungskosten).
Kunstlicht als Ergänzungsbeleuchtung
In hauptsächlich tagesbelichteten Räumen ist die Aufgabe der künstlichen Beleuchtung, das
Tageslicht zu ergänzen bzw. in der Zeit des Tageslichtmangels zu ersetzen.
Die Tageslichtergänzungsbeleuchtung soll so konzipiert sein, dass sie ähnliche Leuchtdichteverhältnisse und Beleuchtungsstärkeverläufe aufweist wie der bei Tageslicht beleuchtete Raum.
Sollten die Tageslichtverhältnisse Mängel hinsichtlich der Wahrnehmungsstabilität aufweisen,
so sind diese durch eine permanente künstliche Ergänzungsbeleuchtung zu korrigieren. Bei
Räumen, in denen eine Nutzungszone von mehr als 3,5 m gefordert ist, also bei Raumtiefen
über 6 m, sind reflektierende Umlenkelemente an der Decke notwendig, die das einfallende
Tageslicht in die Raumtiefe lenken.
In solchen Räumen ist es empfehlenswert, diese Reflexionselemente zusätzlich als Sekundärreflektoren zu verwenden, um auf diese Weise das Kunstlicht in die Nutzungsbereiche zu bringen (Abbildung 21).
Ergänzend zu dieser direkten Sekundärbeleuchtung empfiehlt sich eine Indirektkomponente
im hinteren Raumbereich, die jedoch die Deckenleuchtdichte nicht über 200 cd/m2 ansteigen
lässt.
Abb. 21: Doppelsystem mit Lichtlenkung und Ausblendung.
(Deutsche Bank Frankfurt; ABB Architekten)
Abb. 22: Psycho-physische Leistung in Abhängigkeit von der Leuchtencharakteristik.
In Einzelräumen mit Raumtiefen unter 5 m ist es möglich, ausschließlich eine Indirektbeleuchtung
zu verwenden, wobei die maximale Deckenleuchtdichte 200 cd/m2 nicht überschreiten darf.
Um damit ausreichende Beleuchtungsstärken zu erhalten, muss die Deckenoberfläche mit weißen
stark glänzenden Lacken versehen werden (Abbildung 21) und eine sehr ausgewogene Gleichmäßigkeit der Deckenhelligkeit gewährleistet sein. Unter diesen Voraussetzungen sind stabile
Wahrnehmungsbedingungen zu erreichen.
Eine Möglichkeit ist auch, direkte Spiegelreflektoren zu verwenden, wobei aufgrund der aktiven Wahrnehmungsvorgänge die Sekundärsysteme bevorzugt werden sollen.
Wie sehr die objektiven Leistungsparameter (Bearbeitungszeiten und Ermüdung) von der Charakteristik der Leuchte abhängt, zeigt Abbildung 22.
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Dazu ist zu erwähnen, dass diese Ergebnisse den
Untersuchungen von Einzelräumen (zwei Arbeitsplätze) entstammen, wo die Decke und damit auch
die Leuchten im Gesichtsfeld eher zurücktreten, d.h.
nicht so massiv wie in einem Großraum wirksam werden, wo die Raumdecke eine noch gewichtigere Rolle spielt.
Es kann somit davon ausgegangen werden, dass in
größeren Räumen mit mehr Arbeitsplätzen die Leistungsunterschiede noch stärker mit der Charakteristik der Beleuchtung zusammenhängen.
Abb. 23: Beurteilungsprofile mittels
semantischen Differentials von drei
unterschiedlichen Raumbeleuchtungen im Vergleich.
Dass ausgeblendete Direkt- und Sekundärsysteme vorteilhafter gegenüber direkt-indirekten oder rein indirekten Systemen sind, zeigt auch die begleitende
Befragung der Versuchspersonen über deren subjektiven Eindruck des Raummilieus, das eine bestimmte Beleuchtungsart vermittelt.
Abbildung 23 zeigt die Einschätzungsprofile drei verschiedener Beleuchtungssysteme. Das Lichtmilieu der Darklight-Rundleuchte wird dabei als einheitlich ruhiger eingestuft, während das
Direkt-Indirekt-System wesentlich uneinheitlicher und erregender beurteilt wird.
Dass durch Optimierung der Sonnen- und Blendschutzmaßnahmen mittels Prismen- und Lamellensystemen auch die Energiekostenbilanz hinsichtlich der Notwendigkeit einer permanenten
oder zeitweiligen Kunstlichtzuschaltung merkbar verbessert werden kann, geht aus Abbildung
24a, 24b hervor.
Abb. 24a, 24b: Energiebilanz hinsichtlich Abschaltzeiten des Kunstlichtes bei verschiedenen Sonnenund Blendschutzsystemen.
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Die Verwendung von Sonnenschutzprismen und Blendschutzlamellen erbringt gegenüber konventionellen Maßnahmen – die nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen – eine Reduzierung auf ein Drittel an Energiekosten für Kunstlichtzuschaltung.
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