Räume ins richtige Licht rücken

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Räume ins richtige Licht rücken
Mehr Tageslicht und optimierte Beleuchtung
Projektinfo 09/2012
Ganz gleich, ob im Büro, zu Hause oder in der
Schule: Zu wenig Tageslicht oder ungünstige Beleuchtung schränken die Sicht in Räumen ein und belasten die
Augen. Beispielhaft für Schulen und Pflegeheime wurde untersucht, wie sich mit neuen Lichtkonzepten sowie
neuer Lampen-, Leuchten- und Vorschalttechnik die Situation verbessern lässt. Eine Messanlage erfasste dazu
die lichttechnischen und energetischen Eigenschaften. Dank neuer Beleuchtungsanlagen und optimierter Technik
ließ sich dann der elektrische Energiebedarf in einer Schule um rund zwei Drittel reduzieren.
Natürliches Tageslicht ist für das Wohlbefinden unerlässlich. So können Räume, die ausreichend mit künstlichem
Licht beleuchtet sind, zwar den Tag-Nacht-Rhythmus des Menschen unterstützen aber das Tageslicht nicht
ersetzen. Dieser Rhythmus ist durch eine Art innere Uhr geprägt, auf die das Licht entscheidenden Einfluss hat.
Reicht die effektive Strahlung nicht aus, gerät die innere Uhr aus dem Takt. Die Folge sind weniger ausgeprägte
Schlaf-Wach-Phasen und das Wohlbefinden sowie die Gesundheit werden deutlich gestört. Um diesen
chronobiologischen Rhythmus im Gleichgewicht zu halten, bietet es sich bei nicht ausreichender
Tageslichtversorgung an, die künstliche Beleuchtung dynamisch dem Tagesverlauf anzupassen. Mit neuen,
optimierten Leuchten- und Vorschalttechniken können außerdem deutliche energetische Einsparungen erzielt
werden. Im Verbundprojekt stellten Forscher hierzu zunächst fest, wie und in welchem Umfang die Effizienz der
Beleuchtung verbessert werden kann. Die vorhandenen veralteten Anlagen werden durch neue Lampen-,
Leuchten- und Vorschalttechnik sowie durch energieoptimierende Steuerungs- und Regelsysteme ersetzt.
Eindrucksvoll dabei ist die Reduzierung des Energieumsatzes um zwei Drittel.
Gütemerkmale und lichttechnische Größen
Gutes Licht setzt voraus, dass eine Beleuchtungsanlage alle relevanten Gütemerkmale berücksichtigt und sich
nicht nur auf ein Merkmal – etwa die Beleuchtungsstärke – beschränkt. Ein Buch lesen, diffizile Montageteile
zusammenbauen oder Arbeit am Computer: Unterschiedliche Tätigkeiten in Freizeit oder Beruf bestimmen,
welche Sehaufgaben die Augen bewältigen müssen. Daraus leiten sich die Anforderungen an die Qualität der
Beleuchtung ab. Helligkeitsniveau und -verteilung, Blendungsbegrenzung, Lichtfarbe und -richtung sowie die
Farbwiedergabe gehören zu den lichttechnischen Gütemerkmalen. Die europäische Norm DIN EN 12464-1
„Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen“ hat den Qualitätsbegriff erweitert. Seither werden die
klassischen Gütemerkmale ergänzt durch die Aspekte der Tageslichtnutzung und der energieeffizienten
Lichterzeugung.
Die Beleuchtungsstärke wird horizontal und vertikal in der Maßeinheit Lux (Ix) gemessen und gibt den Lichtstrom
Die Beleuchtungsstärke wird horizontal und vertikal in der Maßeinheit Lux (Ix) gemessen und gibt den Lichtstrom
an, der von der Lichtquelle auf eine bestimmte Fläche trifft: Bei Sonnenlicht etwa wird rund 100.000 Lux (lx)
gemessen, im Schatten unter einem Baum ungefähr 10.000 lx, in einer mondhellen Nacht 0,2 lx und beim
Sternenlicht noch weniger. In Innenräumen liegen die Beleuchtungsstärken zwischen 50 und 500 lx.
Geist und Auge schulen
In den vergangenen Jahren konzentrierten sich Experten verstärkt auf die Beleuchtung in Schulgebäuden. Sie gilt
inzwischen als ein wesentlicher Faktor zur Förderung von Gesundheit und Wohlbefinden und trägt zum Lernerfolg
bei. So war der Energiebedarf der untersuchten Königin-Luise-Schule in Berlin-Dahlem bisher mit 74,5 MWh/a
mehr als doppelt so hoch wie der Vergleichswert des Referenzgebäudes nach der Energieeinsparverordnung
(EnEV 2009). Daher wurde die Schule für eine modellhafte Sanierung ausgewählt. Eine neu entwickelte
dezentrale Messtechnik half dabei, diese Untersuchung in einem Monitoring über ein Jahr in 8 Klassenräumen
durchzuführen.
Auf dem Schulgelände befinden sich vier Gebäude: Ein Altbau mit Unterrichtsräumen und Internatsbereich, eine
Turnhalle, ein weiterer Anbau für Unterrichtsräume und ein Neubau mit Grundschule. Untersucht wurden
Klassenraumpaare im Altbau, die paarweise baulich so ähnlich wie möglich waren. Die verschiedenen
Raumpaare unterscheiden sich in der Orientierung und im Grad der Verbauung. Mit rund 32 m² und
durchschnittlich 20 Schülern pro Klasse sind die Klassenräume im Vergleich zu Räumen anderer Schulen relativ
klein. Bisher waren in diesen Klassenräumen Rasterleuchten mit Leuchtstofflampen und verlustarmen
konventionellen Vorschaltgeräten (VVG) installiert (Abb. 1); eine Tafelbeleuchtung gab es bis dato nicht.
In jeweils einem Raum der untersuchten Raumpaare wurde eine sogenannte lernfördernde Beleuchtung mit
besonders hoher Farbtemperatur (8.000 K) und Beleuchtungsstärke (500 lx) geplant. Dazu wurden vier Leuchten
(Leuchtenbetriebswirkungsgrad: 69%) mit je drei T5-Leuchtstofflampen à 35 W installiert. In dem benachbarten
Raum hingegen wurde eine besonders energieeffiziente Beleuchtung mit normgerechtem Beleuchtungsniveau
von 300 lx auf den Arbeitstischen vorgesehen (Abb. 2). Hierzu wurden vier energieeffiziente Leuchten
(Leuchtenbetriebswirkungsgrad: 94%) mit je einer T5-Lampe à 35 W angebracht. In allen Räumen wurde eine
Tafelbeleuchtung nachgerüstet, welche bei Bedarf manuell hinzugeschaltet werden kann. Die
Beleuchtungsanlagen aller Räume wurden mit einer Präsenz- und tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.
Die Regelung ist dabei auf eine Beleuchtungsstärke von 300 bzw. 500 lx programmiert und schaltet die
Beleuchtung nach 10-minütiger Abwesenheit von Personen automatisch ab.
Mit der neu geplanten Beleuchtungsanlage unterschritt der errechnete jährliche Energiebedarf mit 24,8 MWh/a
den vorgeschriebenen Wert von 35,2 MWh/a (nach EnEV 2009) um rund ein Drittel. Gegenüber der alten
Beleuchtungsanlage spart die neu geplante Anlage so zwei Drittel der Beleuchtungsenergie ein. Dabei verteilt
sich die Energieeinsparung in dieser Schule wie folgt auf die einzelnen Maßnahmen: Das größte Einsparpotenzial
lag in der energieeffizienten Lampen-, Leuchten- und Vorschalttechnik. Sie machten weit über die Hälfte der
Einsparung aus (ca. 60%). Rund ein Drittel der Einsparungen wird allein durch die Installation der Präsenzmelder
erzielt. Die tageslichtabhängige Regelung trägt mit rund 10% zum Spareffekt bei.
Aufgrund dieser Untersuchungen kann nunmehr ein Leitfaden in Normungsgremien des Normungsausschusses
Lichttechnik (FNL) und der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft e. V. (LiTG) erarbeitet werden.
Lichttechniker, Architekten und Mediziner haben dafür gemeinsam eine wissenschaftliche Grundlage für die
deutsche lichttechnische Industrie entwickelt. Eine Querschnittsanalyse über 48 Schulen mit 86 Gebäuden zeigte
überdies, dass ein erheblicher Sanierungsbedarf bei Schulgebäuden besteht, die vor 1990 gebaut wurden.
Training minds and eyes
In recent years experts have increasingly focussed on the lighting in school buildings. This is now considered to
be an essential factor in promoting health and wellbeing and contributes to successful learning. For example, with
74.5 MWh p.a. the energy requirements at the investigated Königin Luise School in Berlin-Dahlem were more
In recent years experts have increasingly focussed on the lighting in school buildings. This is now considered to
be an essential factor in promoting health and wellbeing and contributes to successful learning. For example, with
74.5 MWh p.a. the energy requirements at the investigated Königin Luise School in Berlin-Dahlem were more
than double as high as the comparison value for a reference building designed in accordance with the German
Energy Saving Ordinance (EnEV 2009). The school was therefore selected for an exemplary refurbishment. As
part of the investigation, newly developed decentralised measurement technology was used to monitor eight
classrooms for more than a year.
Four buildings are situated on the school premises: an old building with teaching spaces and boarding facilities, a
sports hall, a further extension with teaching spaces and a new building that houses the primary school. The
investigation focussed on classroom pairs in the old building that were as similar as possible in terms of their
construction. The various room pairs differ in terms of their orientation and the degree of lighting obstructions.
With around 32 m2 and an average of 20 pupils per class, the classrooms are relatively small in comparison with
the teaching spaces in other schools.
Grid luminaires were previously installed in these classrooms with fluorescent lamps and low-loss, conventional
ballast devices (Fig. 1); there was no blackboard lighting. In one room in each of the room pairs being
investigated, so-called learn-promoting lighting was planned with a particularly high colour temperature (8,000 K)
and illuminance (500 lx). For this purpose four luminaires (light output ratio: 69 %) were installed, each of which
has three 35 W T5 fluorescent lamps. In the neighbouring room, on the other hand, particularly energy-efficient
lighting was planned with a standard-conforming illuminance of 300 lx above the worktables (Fig. 2). For this
purpose, four energy efficient luminaires (light output ratio: 94 %) were installed, each of which has a 35 W T5
lamp. Blackboard lighting was retrofitted in all rooms, which can be switched on manually as required. The lighting
systems in all rooms were equipped with a presence- and daylight responsive lighting control system. The control
system is programmed to an illuminance of 300 and 500 lx and automatically switches off the lighting ten minutes
after people have left the room.
With 24.8 MWh p.a., the annual energy requirement of the newly planned lighting system undercuts the stipulated
value of 35.2 MWh p.a. (according to EnEV 2009) by around one third. The newly planned system therefore saves
two thirds of the lighting energy used by the old lighting system, whereby the energy savings in this school are
spread across various measures: The greatest savings potential lay in the energy efficient lamps, luminaires and
ballast technology. They made up more than half of the savings (approx. 60 %). Around a third of the savings
were achieved just through installing presence detectors. The daylight responsive lighting control system provides
around 10 % of the savings. Based on these investigations, guidelines will now be drawn up by the respective
standardisation bodies in the DIN Lighting Technology Standards Committee (FNL) and the Deutsche
Lichttechnische Gesellschaft (LiTG). For this purpose, lighting designers, architects and medical practitioners
have developed a scientific basis for the German lighting industry. Moreover, a cross-sectional analysis of 48
schools with 86 buildings has shown that there is a considerable need for refurbishment among school buildings
built before 1990.
Licht an Bord
Die meisten Kabinen eines Kreuzfahrtschiffes befinden sich im Inneren – künstliche Beleuchtung muss dann das
Tageslicht ersetzen. Nicht regelbare Halogenglühlampen und (Kompakt-)Leuchtstofflampen vernachlässigen
dabei den natürlichen Lichtrhythmus. Diese herkömmliche Beleuchtung hat auch den Nachteil, dass eine Vielzahl
von verschiedenen Ersatzlampen mitgeführt werden muss. Ersetzen der herkömmlichen Beleuchtung durch
moderne LED-Lösungen kann den Energiebedarf für die Beleuchtung um ca. 25% reduzieren. Bei einem Schiff
mit 4 Dieselgeneratoren könnte somit auf einen verzichtet werden.
Ziel dieses Teilprojektes der energieoptimierten Beleuchtung war es vor allem, den zeitlichen Verlauf des
Tageslichts in innenliegenden Schiffskabinen zu imitieren. Zum Start in den Tag soll das Licht die Gäste an Bord
aktivieren, abends dagegen eine ruhige Atmosphäre schaffen, die den Tag ausklingen lässt. Beleuchtungsstärke,
Leuchtdichteverteilung und Lichtfarbe werden dazu variabel angesteuert. Die Lichtfarbe wird kontinuierlich
zwischen warmweißem (2.700 K) und tageslichtweißem (6.500 K) Licht gesteuert. Voraussetzung ist, dass Decke
und Wand hell und farbneutral sind, damit die indirekte Beleuchtung „funktioniert“ und farblich nicht verfälscht
wird. Eine getrennte Ansteuerung der Wand- und Deckenleuchten ermöglicht, die Lichtverteilung im Raum zu
verändern.
Light on board
Most cabins in cruise ships are situated on the inside, which means that artificial light has to replace daylight.
However, non-controllable halogen bulbs and (compact) fluorescent lamps ignore the natural light rhythm. This
conventional lighting also has the disadvantage that a diverse range of different replacement bulbs has to be
transported as well. Replacing conventional lighting with modern LED solutions can reduce the energy
requirement of the lighting by around 25 %. This means that a ship with four diesel generators would be able to
dispense with one of them.
A particular aim of the sub-project on energy-optimised lighting was to imitate the change in daylight during the
day in internally located ship’s cabins. At the start of the day the light is designed to animate the guests on board,
whereas in the evening it is designed to bring the day to a close with a relaxed ambience. To achieve this, the
lighting strength, light density distribution and light colour are variably adjusted. The light colour is continually
changed between warm white (2,700 K) and daylight white (6,500 K) light. A prerequisite is that the ceiling and
walls are bright and neutral in colour so that the indirect lighting “functions” and is not distorted in terms of the
colour. A separate control of the wall and ceiling lamps enables the light distribution to be changed in the room.
„Pflegebedarf“ für Beleuchtung
Viele Pflegeheime für ältere und gebrechliche Menschen sind nicht saniert und oft mit ineffizienten
Beleuchtungssystemen ausgestattet; sie genügen weder den energetischen Anforderungen noch den
gesundheitlichen Aspekten. In diesem Teil des Verbundprojektes untersuchten und bewerteten die Forscher die
Beleuchtungssituationen von zwei Berliner Seniorenheimen. Das Konzept der Heime ist es, dass die Bewohner
tagsüber möglichst wenig Zeit in den eigenen Räumen zu verbringen. Daher halten sich die meisten fast den
gesamten Tag in zentralen großen Aufenthaltsräumen auf. In den Seniorenheimen wurden quantitative
Untersuchungen mit den Bewohnern zum Wohlbefinden und zur Erfüllung von Sehaufgaben durchgeführt. Die
Auswertungen basierten dabei auf Befragungen bei verschiedenen Szenarien der Allgemeinbeleuchtung mit zwei
unterschiedlichen Farbtemperaturen der eingesetzten Lampen (warmweiß: 3.000 K und kaltweiß: 6.500 K). Dabei
zeigte sich, dass das warmweiße Licht bereits bei einer vertikalen Beleuchtungsstärke von 100 lx sowohl im
Winter als auch im beginnenden Frühjahr am Vormittag und am Nachmittag als angenehm empfunden wurde.
Werte von 500 lx und mehr erschienen als zu hell. Im Fall der kaltweißen Beleuchtung tendierten die Probanden
im Frühjahr dazu, diese als zu kalt zu empfinden, in den anderen Monaten als gerade richtig. Allerdings war vom
Sommer bis zum Dezember für die Bewohner die vertikale Beleuchtungsstärke von 100 lx zu dunkel.
Das Lesevermögen wurde von allen Probanden im Fall der Vorlage großformatiger Texte (Arial, 14 pt) unter allen
Beleuchtungsbedingungen unisono mit „gut“ bewertet, d. h. sowohl für das warmweiße als auch für das kaltweiße
Licht bei allen angewandten Horizontalbeleuchtungsstärken von 150 bis hin zu 1.000 lx. Bei mittel- und
kleinformatigen Schriftgrößen (Arial, 12 und 10 pt) waren die Einschätzungen differenzierter: Während das
Lesevermögen des Textes mit 12-pt-großer Schrift noch für 80 bis 90% der Befragten unter allen
Beleuchtungsbedingungen für „gut“ bezeichnet wurde, zeigte sich im Fall der kleineren Schrift (10 pt) die
Überlegenheit der Beleuchtung des kaltweißen gegenüber des warmweißen Lichts.
Lighting in need of care
Many homes for elderly people have not been refurbished and are often equipped with inefficient lighting systems
that do not accord with energy requirements or health aspects. In this part of the joint project researchers
investigated and assessed the lighting situation in two retirement homes in Berlin. The concept behind the homes
is that the residents should spend as little time as possible in their own rooms during the day. For this reason most
spend almost the entire day in centrally located, large-sized common rooms. Quantitative surveys were
conducted with the residents in the retirement homes in regards to their comfort and meeting visual tasks. The
evaluations were based on surveys with various scenarios for general lighting with two different colour
spend almost the entire day in centrally located, large-sized common rooms. Quantitative surveys were
conducted with the residents in the retirement homes in regards to their comfort and meeting visual tasks. The
evaluations were based on surveys with various scenarios for general lighting with two different colour
temperatures for the lamps used (warm white: 3,000 K and cool white: 6,500 K).
Here it was shown that warm white light with a vertical illuminance of just 100 lx was felt to be pleasant during the
mornings and afternoons both in winter and early spring. Values of 500 lx and more were felt to be too bright. In
the case of the cool white lighting, the respondents tended to find this too cool at the beginning of the year but
found it just right during the other months. However, the residents found the vertical illuminance of 100 lx to be too
dark from summer to December.
When presented with large-sized texts (Arial, 14 pt), all respondents assessed their reading ability as „good“
under all lighting conditions, i.e. for both the warm and cool white light, and with all applied horizontal illuminance
from 150 to 1,000 lx. However, with small and medium font sizes (Arial, 12 and 10 pt), the appraisals were more
differentiated: whereas 80 to 90 % of the respondents described their ability to read texts with 12-pt fonts as
„good“ for all lighting conditions, in the case of the smaller text (10 pt) the cold white lighting was found to be better
than the warm white lighting.
Architektonisch und energetisch optimieren
Es gibt in Deutschland rund 12.000 Pflegeheime mit mehr als 840.000 Plätzen für ältere und pflegebedürftige
Menschen. Etwa die Hälfte der Pflegeheime sind seit 20 Jahren nicht mehr modernisiert worden. Die Nachteile
der Gebäude liegen vor allem in der veralteten Bausubstanz, den Beleuchtungssystemen, der technischen
Gebäudeausrüstung und in der Anlagentechnik. Steigende Energiepreise sind auch zu einem spürbaren
Kostenfaktor in Alten- und Pflegeheimen geworden und stellen Betreiber und Träger vor die Aufgabe – bei
gleichem Qualitätsstandard – die Kosten zu senken und Energie effizient zu nutzen. Zeitgemäße Gebäude sind
eine Voraussetzung, dass sich Pflegebedürftige möglichst wohl fühlen können in einer Einrichtung. Angesichts
des demografischen Wandels und der Entwicklung der Pflegekosten sind Sanierungskonzepte für
Pflegeunterkünfte ein Zukunftsansatz. Im Rahmen eines Verbundprojektes erarbeiten Forscher Konzepte, die zu
ganzheitlich nachhaltigen und energetischen Sanierungsmaßnahmen sowie zur architektonischen
Weiterentwicklung in Altenpflegewohnanlagen beitragen. In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Nachhaltige
Energietechnik (zafh.net) an der Hochschule für Technik Stuttgart und weiteren Partnern sollen neben
energetischen, gesundheitsfördernden, ökonomischen und ökologischen auch gestalterische Lösungen gefunden
und in richtungsweisende Leitfäden zur Beurteilung der Machbarkeit und zur Bewertung nachhaltiger
Sanierungskonzepte zusammengefasst werden.
Das laufende Vorhaben ist ein Projekt aus der Forschungsinitiative „Energieoptimiertes Bauen“ (EnOB).
Zusammen mit Osram und dem evangelischen Altenzentrum Bruchsal wird das Projekt bis voraussichtlich 2016
realisiert. Es ist das zweite vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte
Leuchtturmprojekt im Bereich der Altenpflege und soll eine Vergleichsbasis für alle anderen Institutionen mit
ähnlicher Nutzung vorgeben. Die Anlagentechnik wird in diesem Vorhaben ausgetauscht und durch neue,
effiziente Komponenten ersetzt, die auf einem intelligenten Gebäudeautomationskonzept aufbauen und mit
erneuerbaren Energieträgern arbeiten. So sinkt der Jahres-Primärenergiebedarf für die Heizung. Im Anschluss
daran folgt ein Monitoring über 2 Jahre, womit Prognosen und Messwerte aus dem realen Betrieb verglichen
werden und letztlich die Betriebsoptimierung vorgenommen werden kann.
Architectural and energy optimisation
In Germany there are around 12,000 homes for elderly people with more than 840,000 places for the elderly and
people in need of care. Around half of these homes have not been modernised in the last 20 years. Particular
disadvantages of the buildings include their antiquated construction, lighting systems, building services equipment
and plant technology. Increasing energy costs have also become a tangible cost factor in retirement and nursing
homes, and present operators and funding bodies with the task of reducing costs and using energy efficiently
while maintaining the same quality standard. State-of-the-art buildings are essential if residents are to feel
comfortable in an institution. Faced with the demographic change and the increase in nursing costs, refurbishment
concepts for nursing accommodation are an essential task for the future.
As part of a joint project, researchers are therefore developing concepts that contribute to holistic, sustainable and
energy-based refurbishment measures and to the further architectural development of residential care facilities. In
collaboration with the Centre for Sustainable Energy Technology (zafh.net) at Stuttgart University of Applied
Sciences and further partners, the intention is to develop energy-based, health-promoting, economic, ecological
and design-based solutions, and to compile them in formative guidelines for assessing the feasibility and
evaluating sustainable refurbishment concepts.
The current project forms part of the „Energy-Optimised Construction“ (EnOB) research initiative. Together with
Osram and the Evangelisches Altenzentrum in Bruchsal, the project is scheduled for completion in 2016. It is the
second flagship project in the field of old-age care provision to be funded by the German Federal Ministry of
Economics and Technology and is intended to provide a comparison basis for all other institutions with similar
uses. In this project the building services will be replaced with new, efficient components that are based on an
intelligent building automation concept and which work with renewable energy sources. This will therefore lower
the primary energy requirements for heating. After implementing the new systems, they will be monitored for two
years, which will enable forecasts and measurement values to be compared with the actual operation and
ultimately enable the final operation to be optimised.