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 Human Centric Lighting
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 Autorin: Diana Hornung

Wie beleuchtet man effizient und menschenfreundlich? Im Fokus der Tagung von Electrosuisse 2018 stand die Anpassung der LED-Beleuchtung an das Bedürfnis nach Tageslicht.

Licht zum Sehen


Wir sind es gewohnt, dass wir bei Tageslicht im grün-gelben Teil des Lichtspektrums dank den farbempfindlichen Zäpfchen am besten sehen und dass, wenn es dunkel wird, wir die Farbunterscheidbarkeit verlieren.

Tages-Licht ist nicht nur Voraussetzung für gutes Sehen, sondern steuert auch unsere «innere Uhr», daher spricht man von Circadianem Licht. Unsere Uhr gibt es dank der lichtabhängigen schlaffördernden Melatonin-Produktion aus der Zirbeldrüse, die gegen 19.30 Uhr beginnt und zwischen 1 und 3 Uhr nachts ihren höchsten Wert erreicht, dann abnimmt, bis das Tageslicht uns weckt.

Helles Licht abends oder im ersten Abschnitt der Nacht, also zu einer Zeit, in welcher die Produktion von Melatonin beginnt, bewirkt, dass die Betroffenen später zu Bett gehen und auch später wach werden.

Nicht-visuelle Reaktionen beim Sehen

Die Chronobiologie beschäftigt sich mit den nicht-visuellen Wirkungen von Licht. Seit einigen Jahren nimmt sowohl die Forschung als auch die Industrie die neu entdeckten nicht-visuellen Reaktionen beim Sehen ins Visier.

Licht trifft zuerst auf sogenannte Melanopsin-haltige Zellen und erst dann auf die bekannten RGB-Zellen. In der Netzhaut des Auges wird in einer Untergruppe der retinalen Ganglienzellen das Melanopsin produziert. Dieses Hormon dient zur Wiedergabe der Umgebungshelligkeit und steuert die lichtabhängige Unterdrückung der Melatonin-Ausschüttung. Seine maximale Empfindlichkeit liegt im blauen bis violetten Bereich des sichtbaren Lichtspektrums.

Diese Zellen können Licht detektieren, selbst wenn sie vom Rest der Netzhaut isoliert sind. Die Ganglienzellen senden über Nervenzellen, die direkt zum Hypothalamus zielen, Signale und dienen somit als Taktzeichen endogener Rhythmen.

Selbst nach Verlust der Stäbchen und Zapfen bleibt eine gewisse Photosensitivität. Dies erklärt, warum Licht die Herzfrequenz und Körpertemperatur erhöht, die Cortisol-Produktion stimuliert und als neurophysiologisches Stimulans wirkt.

Da Nerven altern und sich die Linse ab einem Alter von 25 Jahren immer mehr trübt, wird man auch immer langsamer in der Reaktion. Die geforderten 5 bis 700 Lux gelten für 25- bis 32-Jährige. Für Ältere müssen die Werte korrigiert werden.

Fussgängertunnel sollten eleganter und kreativer beleuchtet werden, wie das in Tallinn dank EinwohnerInnen-Beteiligung realisiert wurde.

Beleuchtung unterstützt Erkenntnisse

Der Auftrag an die Lichtplanung stellte bis heute das Wohlbefinden und die Gesundheit der Nutzer nicht in den Fokus. Die dynamische Beleuchtung kann eine circadiane Wirkung haben, wenn Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke nach dem Vorbild des Tageslichts varieren.

Die Erforschung der nicht-visuellen Aspekte der Beleuchtung hat mit dem Aufkommen der LED-Beleuchtungstechnologie neuen Auftrieb erhalten. Die Hersteller von LEDs sind heute in der Lage, die Lichtleistung ihrer Module so einzustellen, dass sie künstliche Lichtquellen erzeugen, die uns helfen, unsere Aufmerksamkeit für Details zu behalten, z. B. um Schichtarbeiter bei der Erfüllung ihrer Aufgaben zu unterstützen.

Für angenehme Lichtverhältnisse steht der Begriff HCL als Abkürzung für Human Centric Lighting. Man erreicht das technisch mit der Anpassung der Lichttemperatur (von Kaltweiss, dem bläulicherem Weisslicht bei 6500 K bis zu rötlicherem Warmweiss bei 2700 K) mittels Parametrierungs-Software wie der Farbsteuerung im DALI-System = Digital Illumination Interface Alliance, der bei Gerätetypen 8 einen konstanten Farb-Ort beim Dimmen erlaubt und den Stand-by-Energieverbrauch senkt.

Natürlich müssen die Steuergeräte dann diesen Gerätetyp 8 und die Befehle der gewünschten Farbdarstellung unterstützen, was man bei einer Ausschreibung nicht vergessen darf und während der Inbetriebnahme mit den Nutzern überprüfen muss. Zusammen mit dem Internet der Dinge können Lichtsteuerung, Datenerfassung und Sicherheit erfasst werden.

Lichtfarbe wirkt

Die Studie der CBRE Amsterdam und Universität Twente belegte Produktivitätssteigerungen von 18 % durch geeignete Beleuchtung. Nun soll ein Licht-Dosimeter 2.0 in einem interdisziplinärem Projekt in den kommenden drei Jahren mit neuster spektraler Sensorik entwickelt werden, damit die circadian wirksame Strahlung aufgezeichnet werden kann (Bei Interesse Velux-Stiftung fragen, die visuelle, nichtvisuelle und emotionale Wirkung von Licht untersucht.).

Den Mehrwert zeigen folgende Beispiele:

•  Circadiane Beleuchtung im Kassenbereich und
   in den Pausenräumen (Personal und Kundschaft)
•  Geringere Sturzneigung in Spitälern,
   Stimmungsverbesserung in Demenzpatienten,
   deutliche Verkürzung (10 %) der Behandlungszeit
   in der Schmerztherapie (bis zu 2000 lx vertikal am
   Auge), besserer Schlaf auf Flügen
•  für die Mitarbeitenden aktivierende Beleuchtung
   im Zentralbereich (in der Frühschicht aktivierend –
   die Postangestellten sind begeistert vom neuen
   Licht nach Erfahrungen mit der FL-Beleuchtung)
   und in der Spätschicht entspannend
•  Warengruppenbezogene Beleuchtung
•  für die Unternehmer positive Effekte bezüglich
   Krankenstatistik, Fehlerquote, Kosten, Mitarbeiter-
   und Kunden-Zufriedenheit, Umsatzentwicklung,
   LED-Lebensdauerverlängerung durch Lichtregelung,
   schnelle Umsetzbarkeit von individuellen
   Konfigurationen
•  Prof. Dr. Tran Quoc Khanh hat die Wirkung von
   Licht bei Unfällen untersucht. Die demographische
   Entwicklung bewirkt, dass viel mehr ältere
   Menschen auf den Strassen fahren. Ihr Anteil
   an den Unfällen ist überproportional, lässt sich
   aber aufgrund der Physiologie erklären.

Vorteile einer vernetzten Beleuchtung

In Zukunft erlauben programmierbare und intelligente LED-Module und digital vernetzte Decken in Gebäuden natürlicheres Licht mit hoher Farbwiedergabe und stabile Lichtfarbe über die gesamte Lebensdauer (Desk-sharing, Fehlersuche, Sicherheit).

Auch im Aussenbereich sind LEDs nicht mehr wegzudenken: adaptive Lichtverteilungen für die vernetzten Strassenleuchten ermöglichen auch Parkraum- oder Verkehrsmanagement und vom Verkehrsvolumen abhängige Beleuchtungssteuerung, samt Reduktion der Beleuchtung in verkehrsärmeren Zeiten.

Möglich sind dank innovativer Sensoren und Aktoren in der Leuchte viele Angebote wie Fernwartung, Energiereports, analysierbare Betriebsdaten über Monate, automatische Inbetriebnahme usw. Dies alles sollte schon in der Planung / Renovation von Gebäuden bedacht werden.

Aufwand für Planer

In einer Umfrage unter Lichtplanern wurde der Zeitaufwand (von Claude Hidber, matí AG Lichtgestaltung) für die einzelnen Schritte im Alltag evaluiert.

Einige warnende Bemerkungen:

•  Dank geringerer Anschlussleistungen der LEDs
   werden noch mehr Leuchten installiert.
•  Wegen Preiszerfall werden mehr billig LED-
   Produkte für temporäre Installationen eingebaut
   und nachher weggeworfen.
•  Benötigt einen weiteren Planungsspezialist,
   weitere Schnittstelle, höhere Gesamtkosten.
•  Mit der LED sind neue Leuchtmittelhersteller
   aufgekommen, grösstenteils aus Asien.
•  LED-Lampen leben 25 Jahre lang, stimmt das?

52 % hatten schon sogenannte BIM-Software im Büro installiert. Dieser Trend ist nicht aufzuhalten.

Integrale und kollaborative Methode

Das Building Information Modeling (BIM, Merkblatt SIA 20151) ist ein intelligenter, auf einem 3D-Modell basierender Prozess, der ArchitektInnen, IngenieurInnen und Bauunternehmen Informationen und Werkzeuge für effiziente Planung, Entwurf, Konstruktion und Verwaltung von Gebäuden und Infrastruktur bereitstellt. Die SIA anerkennt es (Vernehmlassung).

Der LED-Anteil erreicht schon 80 % vom Gesamtumsatz der Lichtindustrie. Das Facility Management ist mit BIM in der Lage, Umzüge, Beteiligte sowie entsprechende Dienstleistungsunternehmen mühelos zu koordinieren, weil unterschiedliche Systeme hoffentlich nahtlos zusammenzuarbeiten. Es erlaubt mehr Einblick und Kontrolle über die Kosten.

Insgesamt verändert sich zurzeit die Licht-Infrastruktur rasant. Statt Jahre sind neue Technologien und Software zwei Mal pro Jahr da. Die Planung muss Netzwerkkomponenten, Cloud, Speicher, Terminals, Computer, Leuchten und Sensoren und digitale Assistenten beinhalten (Tablets und Sprachassistenten).

Neue Geschäftsmodelle kommen auf: Ein Unternehmen zahlt fürs Licht, dessen optimierte Produktion im Besitz einer Firma bleibt, die sich auch um Aussetzer, Verzögerungen oder sonstige Unterbrechungen kümmern muss.

LED dominiert den Lichtmarkt

Immerhin 15 % des Stromverbrauchs in der Schweiz entfallen auf die Beleuchtung. Das sind 8,5 Mrd. kWh im Jahr 2017 à 1,3 Milliarden Franken. Völlig einleuchtend also, dass auf diesem Feld der Umwelt und dem Portemonnaie zuliebe gespart werden kann. LED ist in der Anschaffung teurer, die propagierte Lebensdauer von 25 Jahren ist noch nicht bewiesen. Die Preise sinken, die Effizienz (Lichtausbeute in Lumen pro Watt) steigt immer noch.

Normen

Die SIA 387/4 Elektrizität im Gebäude ersetzt die bisherige Schweizer Norm SIA 380/4, ist an den Stand der Technik angepasst worden (LED-, Leuchten-, Lichtausbeute-Grenzwert 70 lm/W und Zielwert = 100 lm/W, reduzierte Energiebedarf) und ist obligatorisch bei allen Förderprogrammen für Innenraumbeleuchtung (wie www.prokw.ch, bis 2000 m² (www.minus60.ch, www.effeled.ch ab 2000 m², die somit viele GWh sparen).

Verbesserungsbedarf

Die LED-Technik kann zur Verringerung der Lichtimmission durch die effiziente Dimmbarkeit, den flexiblen Betrieb und die besseren Möglichkeiten der Lichtlenkung beitragen. Aber die Technik muss auch optimal angewendet werden – sowohl auf der Seite der Hersteller als auch auf der Seite der Anwender.

•  In der öffentlichen Beleuchtung hat die digitale
   Transformation bereits 2010 mit Einführung der
   digital ansteuerbaren elektronischen Lichtquelle
   LED angefangen.
•  In jeder Leuchte gibt es aufgrund unterschiedlicher
   Bedürfnisse unterschiedliche LEDs, darum braucht
   es intelligente Vorschaltgeräte, die den Strom zur
   LED regulieren.
•  Ein LED-Ersatz ist herstellergebunden.
•  Recycling ist komplizierter als zu Glühlampen-
   Zeiten. Die Bestandteile: Anode, Kathode und slug,
   Kupfer / Stahl / Silberanodisiert / Gold; Farbe
   (Halbleiterkristall), InGaN_Encapsulation
   (Phosphor), Ytrium / Silikon / Europium / Luac,
   Gehäuse (Kunststoff), Kleber (Silber-Epoxy-
   Klebstoff), Bonddraht (Gold 50 bis 200 µg),
   Lötzinn (Ti/ Ca/C usw.).
•  "Kinderkrankheiten" bei Lichtverteilungen: Die
   Lichtimmission von Sportplatzbeleuchtungen lassen
   zu wünschen übrig. Viele neue LED-�Scheinwerfer
   haben eine symmetrischer Lichtverteilung, was bei
   niedrigen Masthöhen in Sportplatzbeleuchtung nicht
   akzeptabel ist. Es braucht asymmetrische LED-
   Scheinwerfer mit guter Abschirmung nach oben.
   Die SIA 491 gibt Hinweise und Empfehlungen zu
   Leuchten und der Planung, aber darin stehen keine
   Richt- oder Grenzwerte. Das wirkt sich auch auf
   private Beleuchtungen aus.
•  Die Stadt Genf verschob dieses Jahr die
   Öffnungszeiten von Bibliotheken in den Abend hinein.

Dimmen und Flickern

Flickern kann epileptische Anfälle auslösen. Was wir Dimmen nennen, ist beim LED eine ständige Veränderung des Lichts (es gibt verschiedene Methoden, crossdimming, Pulsebreitemodulation, CCR = bei konstanter Stromreduktion, oder hybrid mit variabler Frequenz sehr gut geeignet für niedrige Beleuchtung, kein Flickern. Daher ist die Vorschaltsteuerung sehr wichtig, um das Flickern zu vermeiden, siehe www.eldoled.com/�support/learning-center/flicker-performance-in-led-lighting).

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)

Bei <16 A Eingangsstrom (gemäss EN 61000-3-2) für Beleuchtungseinrichtungen (Klasse C):

•  Für LED-Beleuchtungseinrichtungen <25 W
   sind (noch) keine Grenzwerte vorgeschrieben.
   Normentwurf >5 W vorgesehen.
•  Für Beleuchtungseinrichtungen >25 W sind die
   Grenzwerte der Oberschwingungsströme über den
   Leistungsfaktor definiert, was eine aktive Schaltung
   mit Korrekturfaktoren erfordert.
•  Alle Frequenzanteile ausserhalb 50 Hz sind
   Blindleistung und verantwortlich für erhöhte
   Verluste (Thermische Überlast, behandelt in
   den Technischen Regeln zur Beurteilung von
   Netzrückwirkungen, (SN EN 61000-3-2:2014
   ist aktuell in der Überarbeitung).

Die externen oder internen Betriebsgeräte von LED-Leuchten zur Umwandlung von AC in DC verursachen Netzrückwirkungen:

•  Mit den dafür vorgesehenen normgerechten LED-
   Betriebsgeräten halten sich die Netzrückwirkungen
   in akzeptablen Grenzen. Konformitätserklärung
   einsehen.
•  Der Elektroinstallateur ist für normenkonforme
   Installationen verantwortlich. Er unterzeichnet den
   Sicherheitsnachweis. Probleme wenn Planer oder
   Kunde LED-Leuchten liefern oder zusammenstellen.
•  Vorsicht beim Ersatz von grösseren
   Beleuchtungsanlagen an alten Installationen
   am Neutralleiter.
•  Herstellerangaben der Leuchten- und
   Betriebsgerätelieferanten beachten
   (Überspannungsschutz).
•  Setzen Sie sich ein für normkonforme und
   qualitativ gute LED-Systeme, auch im Sinne
   von einem sparsamen Energieverbrauch.
•  Wir müssen Sorge tragen zu unseren Stromnetzen,
   sie werden immer stärker beansprucht!

Licht als Kunst

In einer halbstündigen Diashow gab es als Schlussbouquet Gerry Hofstetter himself mit den Geschichten seiner weltbekannten Lichtinstallationen. Er dankte Osram für die bisherigen Projektoren, die nur noch sieben Jahre hergestellt werden. «Licht ist die einzige Energie». Er hat mit viel Leiden seiner Leidenschaft gefrönt und uns wunderschöne Bilder auf unsere Netzhaut geschenkt.
   
  
 
 
 
 
 
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Mathias Wambsganss, Professor für Lichtplanung und Gebäudetechnologie zählte den Planern die Vorteile von HCL für den Mensch auf.
 
 
 
 
 
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Tageslicht kommt stets an erster Stelle: 600 Entscheidungsträger und Fachkräfte wie Lichtplaner und Lichtdesigner, Elektroplaner, Facility Manager, Architekten und Innenarchitekten, Verantwortliche Strassenbeleuchtung, Elektroinstallateure, Produktmanager und Entwickler erhielten in der Messe Basel Tageslicht und damit mehr Aufmerksamkeit.
(Bilder: Electrosuisse)
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