Es werde Licht - Solare Beleuchtungskonzepte für den Innenraum

Denn bei Licht betrachtet ist es mehr als naheliegend, den Anteil des Eigenverbrauchs selbsterzeugten Stroms aus Photovoltaik auf die Beleuchtungstechnik im Innenraum zu beziehen. Sowohl Wärme als auch Licht werden auch am Abend und in der Nacht benötigt, wenn die Sonne nicht mehr scheint. Tagsüber versorgt uns die Sonne mit Tageslicht, das wir mit solarer Anlagentechnik einsammeln und der gebäudeintegrierten Bereitstellungstechnik (Energiespeicherung) zuführen, um diese Energie in jener Zeit nutzen zu können, wenn die Sonne nur sehr schwach oder gar nicht scheint.
Die Solarthermie ist in diesem Anwendungsgebiet schon sehr weit, da bei dieser Technologie schon immer primär die dezentrale Autarkie eines Gebäudes im Fokus stand. Die Photovoltaik steht erst am Beginn einer nachhaltigen Gebäudeintegration in diesem Sinne und kann dabei von der Solarthermie noch viel lernen, sich gar zur solaren Kraft-Wärme-Kopplung vereinen. Führt man sich die Vielzahl von konkreten Anwendungsfeldern vor Augen, die sich Dank der aktuellen Entwicklungen auf einen Schlag ergeben, ist die Photovoltaik gut beraten, diese Chancen zu erkennen und als zukunftsrelevante Herausforderung anzunehmen.

Unterschiedliche Gebäude und Nutzungsprofile
Natürlich müssen auch hier die unterschiedlichen Gebäude und die daraus resultierenden Nutzungsanforderungen beachtet werden, wobei man sehr schnell feststellen wird, dass es nun gilt, den Spieß umzudrehen. Es wird nämlich nicht mehr zuerst nach der Dachfläche und Ausrichtung geäugt, sondern nach den konkreten Bedürfnissen, die sich allein aus der Nutzung ergeben – in diesem Fall die Leuchtmittel als elektrische Verbraucher.
Das dementsprechende Anforderungsprofil ist – als unverzichtbare Planungsgrundlage – das Maß der Dinge. Aber ganz gleich um welches Gebäude es sich handelt, verhält es sich beim Licht genauso, wie mit allen elementaren Dingen wie beispielsweise mit  Wasser, Luft oder Wärme – ohne all dies kann ein Gebäude nicht auskommen.Dafür ist unser Tag-Nacht-Rhythmus schon mehr als verschoben.
Das Wechselspiel aus Bedarf und Ertrag verlangt die Definition eines Stromspeicherkonzepts mit einer entsprechenden Speicher- und Entladestrategie, die aus einer oder mehreren Batterien bzw. Akkumulatoren bestehen kann.

Am Anfang steht das Lichtkonzept für den Innenraum
Nun geht es heute mehr denn je darum, die Photovoltaik in das Gebäude zu integrieren. Dies verlangt jedoch einen Schritt nach dem anderen, der entgegengesetzt dem Altgewohnten verläuft. Den Anfang markiert allein das Lichtkonzept, stellvertretend für einen dezentralen Bedarf, woraus sich das Anforderungsprofil jener elektrischen Verbraucher ergibt, welche bei unzureichendem Tageslicht künstliches Licht erzeugen. Die Auflistung und Bezeichnung der elektrotechnischen Komponenten bzw. elektrischen Verbraucher stellen als Wattagen die Grundlage eines Lastprofils dar, aus dem sich entsprechend den Spannungsverhältnissen die Betriebsströme ergeben.
Neben den elektrischen Leistungsangaben der Leuchtmittel sind daher freilich auch die Spannungsversorgung und Differenzierung in Hoch- und Niedervolt sowie die daraus resultierenden Nenn-Ströme zu ermitteln. Auch der Begriff Niedervolt (12, 24 usw.) ist im Rahmen der Detailplanung zu differenzieren.  Das Resultat dieses Lastprofils zeigt die Qualität der Tageslichtausbeute und macht sehr greifbar, was allzu oft recht flapsig allein mit „hohe Tageslichtausbeute“ tituliert wurde.

Tageslicht und künstliche Beleuchtung im Tandem
Es stellt sich ganz allgemein die Frage, ob die Anwesenheit eines Präsenz- und/oder Bewegungsmelders allein das Prädikat „bedarfsorientiert“ verdient, denn über die Lichtverhältnisse sagt dies kaum etwas aus. Natürlich ist es Bestandteil eines seriösen Lichtkonzepts, die nutzungsabhängige Mindest-Lichtqualität pro Raum zu definieren. Das bedeutet – sowohl zum Wohle der Energieeffizienz als auch zum Wohle des Menschen – die Notwendigkeit eines Tageslichtqualitätssensors als Wächter über die Lichtqualität mit Schaltausgängen für die Spannungsversorgung.
Dabei sollte die natürliche Dynamik des Lichts und dessen Wirkung auf die Physiologie des Menschen erste Priorität besitzen und einen „gleitenden Übergang“  als Ziel setzen, ohne allerdings dem Irrtum zu verfallen, künstliches Licht mit natürlichem Licht gleichzusetzen! Daraus resultiert dann ein bedarfsorientierter Verbrauch elektrischer Energie, denn der Strom kommt fortan nicht einfach aus der Steckdose, sondern aus dem Stromspeicher. Die Anforderungen an die Stromspeicherung sind keinesfalls im Vorfeld festlegbar und mitnichten banal, sondern resultieren allein aus den Anforderungen der Beleuchtungstechnik und deren Betriebsstunden.

Anforderung am Beispiel von Büroräumen
Beispielhaft für ein Bürogebäude gilt es also, gemäß dem auf Seite 60 dargestellten Lichtplan aus der Planungsphase, aus den Wattagen die Grundlagen des leis­tungsbezogenen Lastprofils zu generieren. Um daraus die notwendige Energiemenge zu generieren, sind die Betriebsstunden zu ermitteln bzw. zu simulieren. Die maximale Betriebsdauer ist entsprechend den Büro-Arbeitszeiten von beispielsweise 8.00 und 18.00 Uhr grundlegend. Da zwischen 18.00 und 08.00 Uhr maximal eine Notbeleuchtung ansteht, die kaum mehr als ein Zehntel der Gesamtlast beträgt, die fraglos während des Tages – je nach Jahreszeit – notwendig werden kann. Und wieder ist einmal mehr unser solares Klimadilemma spürbar, denn in den Sommermonaten ist der Bedarf an Lichtstrom fraglos am geringsten, möchte man meinen, wenn überhaupt vorhanden. Der Ertrag ist aber der größte und steht jedoch auch gerne anderen Prioritäten zur Verfügung, wie beispielsweise zur Kühlung oder für die Trinkwassererwärmung. Im Sinne des Photons soll aber an dieser Stelle die Beleuchtung im Innenraum mit Lichtstrom aus der Photovoltaik aufgrund der naheliegenden Verwandtschaft im Fokus stehen.

Solare Konsequenz
Und einmal mehr erscheint die Allegorie zur Solarthermie. Denn will man eine solare Heizungsunterstützung wirklich auf den Punkt bringen, verlangt dies für den Winter neben einer maximalen Ausbeute von passiver Solarnutzung (Tageslicht) eine Ausrichtung des Solarabsorbers (Solar-Kollektor /Photovoltaik-Modul) der Sonne, um eine maximale Deckungsrate zur Abdeckung des Heizwärmebedarfs zu erreichen.
Möchte man den Kühlbedarf im Sommer aber gleichfalls aus Solarerträgen decken, verlangt dies eine sommergerichtete Ausrichtung  des Generators, da in dieser Zeit auch die höchsten Kühllasten bestehen. Und einmal mehr stellt sich die Frage, ob es immer so richtig ist, alles über einen Kamm zu scheren oder vielleicht auch hier an dieser Stelle zu differenzieren und die Ausrichtung nach der Nutzung zu gestalten. Konsequenterweise bedeutet dies dann, unterschiedliche Generatoren mit ihren jeweiligen Stromspeichern und ihrem internen Verbrauchernetz – vielleicht auch als Insel-Insel-Anlage.
Aber so einfach ist es nun auch wieder nicht, denn nicht jeder Raum besitzt so eine ausreichende Tageslichtausbeute, wie es sich eigentlich für einen Arbeitsplatz gehört. Abgesehen von den vielen verschiedenen Aufgaben, die vielleicht auch bei Tage eine besondere Beleuchtung benötigen. Man denke dabei nicht nur an Werbung. Wie dem auch sei, solares Potenzial für Beleuchtung ist im Sommer mehr als vorhanden und bedarf kaum einer nennenswerten Speicherung, sondern kann auch bestens für die Kühlung genutzt werden. Doch zum Herbst hin, wenn die Tage kürzer werden, und im Winter bis in den Frühling hinein, wo man oft schon am frühen Nachmittag oder gar den ganzen Tag künstliches Licht benötigt, besteht die Hauptaufgabe eines Stromspeichers doch im Lastausgleich in recht überschaubarer Frequenz.
Das soll aber nicht heißen, dass der Speicher keinen Energiepuffer aufweisen sollte, zumal es gut angehen mag, übers Wochenende Strom einzusammeln, um auch sonnenarme Tage umso mehr kompensieren zu können.

Das Beleuchtungsprofil
Betrachtet man Licht im Innenraum separat, erscheint eine Energieautarkie schon in Reichweite: der längst überfällige Schritt von der Solar-Taschenlampe zur solaren Beleuchtungstechnik in Innenräumen. Zentraler Bedeutung kommt hierbei fraglos der Steuerungstechnik zu. Ebenso der Speichertechnik im Kontext effektiv-dynamisch gesteuerter Beleuchtungsstärken – je nach Anforderung von beispielsweise 500 Lux (die DIN EN 12464-1 „Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen“ definiert Mindestvoraussetzungen) –, um einen wie oben dargestellten „gleitenden Übergang“ optimal zu erreichen und damit der Dynamik des natürlichen Tageslichts bestmöglich als unerreichbares Vorbild dennoch nahezukommen. Auch eine Sensorik für bedarfsgerechten Farbtemperaturverlauf kann nicht schaden, besonders aber für Räume, die über den gesamten Tagesverlauf von Menschen genutzt werden.
Ein nachhaltiges Beleuchtungsprofil  für Innenräume muss steuerungstechnisch mit der Dynamik des Tageslichts kommunizieren, um eine effiziente Systemintegration zu erreichen. Für die Detailplanung ist es zu empfehlen, eine Tageslichtsimulation entsprechend des realen Tageslichteinfalls am Standort als Auslegungsgrundlage für die Stromspeicherung, Speicherbe- und entladestrategie zu entwickeln. Die daraus resultierenden Ergebnisse sind mit dem Nutzungsprofil (Betriebszeiten) der Büroräume abzugleichen, woraus sich jene Defizite von Beleuchtungsstärken im Raum abbilden. Diese gilt es sodann mit solarem Lichtstrom dynamisch auszugleichen.
Die tiefstehende Sonne im Herbst und im Frühling bildet durchaus einen geeigneten Mittelwert, um den Lastenablauf abzubilden. Eine Jahresbilanz ist dabei kaum mehr als das Papier wert. Je  aussagekräftiger eine Bilanzierung stattfinden soll, desto differenzierter muss diese vorgenommen werden. Auch aus Gründen kurzer Be- und Entladeintervalle des Speichers ist ein Tagesprofil der erste Schritt. Daraus entwickelt sich ein Wochenprofil und daraus wiederum ein Monatsprofil – jeweils im Jahreslauf. Etwaige Speicherreserven markieren sodann den zweiten Schritt.
Doch selbst wenn täglich die volle Last gefordert wird, um für den ungünstigsten Fall vom 21. Dezember auszugehen, sind es lediglich etwa 1500 W für die nebenstehenden Büroräume. Zuzüglich eines Sicherheitsaufschlags von beispielsweise 300 W ergeben sich 1,8 kW. Für einen vollen Arbeitstag von 10 Stunden Betriebszeit  bedeutet dies einen elektrischen Leistungsbedarf von 18,0 kWh. Aus den Spannungsbereichen ergeben sich die Nennströme für die Auslegung der Ladekapazität des Stromspeichers.

Nachhaltigkeit von Gebäuden beeinflussen
Stellvertretend für weitere Anwendungsfälle zeigt die Lichttechnik in Innenräumen die notwendige Vorgehensweise in Konzeptentwicklung, Auslegung und Dimensionierung von PV-Generatoren und Stromspeichern auf Basis eines objektspezifischen Lichtkonzepts, um die Photovoltaik nachhaltig in das System Gebäude zu integrieren. Gleicht man damit auch noch die elektrischen Spannungen ab oder teilt sie auf, können sich daraus weitere Effizienzpotenziale ergeben, die zweifellos in Zukunft die Nachhaltigkeit von Gebäuden wesentlich beeinflussen werden und zukunftsfähige Innovationen in Beleuchtungstechnik, Photovoltaik und Stromspeicherung einfordern.

Autor: Frank Hartmann