Lichtqualität und Energieeffizienz endlich vereint

Die zunehmend ausgereifte LED-Technologie in Kombination mit intelligenten Lichtsteuerungsmöglichkeiten macht zukünftig die perfekte Symbiose aus Erfüllung menschlicher Bedürfnisse und optimaler Energieeinsparung möglich. „Human Centric Lighting“ (HCL) ist in diesem Zusammenhang der neue Oberbegriff für biologisch wirksame und zugleich energieeffiziente Beleuchtungsszenarien in Innenräumen, speziell in der Büroarbeitsplatzumgebung.

Mit der wissenschaftlichen Entdeckung eines dritten Fotorezeptors im menschlichen Auge Anfang dieses Jahrtausends wurde endlich bewiesen, was viele Lichtexperten schon früher vermutet hatten: Licht ermöglicht uns nicht nur das Sehen und die Wahrnehmung unserer Umwelt, es beeinflusst darüber hinaus als wichtiger Taktgeber ebenso unsere innere biologische Uhr. Damit bestimmt Licht über die direkte Verbindung zwischen diesen neu entdeckten Fotorezeptorzellen und unserem Gehirn, wie wach und leistungsfähig wir sind oder wie gut wir ein- und durchschlafen können. Dies geschieht, indem unser Gehirn, angeregt durch die Lichtfarbe (Wellenlängenbereich) und die Intensität des Lichts (Leuchtdichte bzw. Beleuchtungsstärke), Hormone als Botenstoffe ausschüttet.

Licht unterstützt unsere Gesundheit und Leistungsfähigkeit
Tagsüber, unter normalen Tageslichtbedingungen, produziert unser Körper ausreichende Mengen des Stresshormons Cortisol, das unsere Körperfunktionen anregt und uns munter macht. Zusätzlich beeinflusst das Licht positiv die Ausschüttung des stimmung­aufhellenden Hormons Serotonin, das uns parallel motiviert und wach macht. Im Laufe des Nachmittags beginnt der Körper mit der schrittweisen Abnahme des Tageslichts, das müde machende Hormon Melatonin auszuschütten. Er schaltet damit die Körperfunktionen langsam auf Entschleunigung und stellt so schließlich die Bereitschaft zur Nachtruhe her. Dieses Spiel unseres Hormonhaushalts und damit die Leistungsbereitschaft des Menschen funktionieren problemlos, wenn es durch eine ausreichende Menge an Tageslicht getaktet wird. Problematisch wird es häufig, wenn dieser Rhythmus aus dem Takt kommt. So z. B. im Winter, wenn saisonal bedingt wenig Tageslicht zur Verfügung steht. Dann überwiegt die körpereigene Melatonin-Produktion, wodurch es zu Müdigkeit, Antriebslosigkeit und sogar saisonal abhängigen Depressionen (SAD) kommen kann. Diese Symptome können heute erfolgreich durch die Erhöhung der Intensität des Kunstlichts reduziert werden.
Neben dem Tageslicht hat die künstliche Beleuchtung also ebenfalls einen nachweislichen Einfluss auf die menschliche Leistungsfähigkeit und unser Wohlbefinden. Moderne Beleuchtungstechnik ermöglicht es heute sogar, die Dynamik des Tageslichts durch Kunstlichtlösungen in Innenräumen abzubilden. Sie bietet damit speziell für Büroarbeitsplätze einen hohen Mehrwert. Die dort gebräuchlichen konventionellen Leuchtmittel der letzten Jahrzehnte (vor allem Leuchtstofflampen, aber auch Halogenlampen) ermöglichen in der praktischen Anwendung eine Dynamik nur über Dimmen, also durch die Regulierung der Helligkeit der Beleuchtung im Raum.

Kunstlicht wird dynamischer
Moderne LED-Technologie bringt nun noch zwei weitere Komponenten ins Spiel, wie sie für die Dynamik des Tageslichts charakteristisch sind: die Veränderlichkeit der Farbtemperatur und der Lichtfarbe. Die Farbtemperatur definiert die unbunte Farbe des weißen Lichts und wird in Kelvin (K) gemessen. Unter 3000 K sprechen wir von warm-weißem, zwischen 3300 K und 5300 K von neutral-weißem und über 5300 K von tageslicht-weißem Licht. Die Lichtfarbe hingegen bezieht sich auf die bunte Farbigkeit einer Lichtquelle. Durch additive Farbmischung aus Rot, Grün und Blau (RGB) ist es möglich, mehr als 16 Mio. Einzelfarben zu mischen und damit absolut jede gewünschte Lichtfarbe zu erzeugen.
Mit LEDs ist es möglich, neben der Helligkeit auch die Lichtfarbe der Lichtquelle sowohl im weißen als auch im bunten Lichtbereich zu verändern und damit dynamische und tageszeitabhängige Lichtszenarien zu erzeugen, die dem Verlauf des natürlichen Lichts entsprechen können, aber nicht notwendigerweise müssen. Voraussetzung dafür ist natürlich, dass die ausgewählte Leuchte über RGB-Technologie und eine entsprechend intelligente Steuerung verfügt bzw. in diese eingebunden ist. So lässt sich z. B. bei Büroarbeitsplätzen die Beleuchtung über den Tag hinweg langsam variieren: Am Morgen startet der Tag mit einer milden goldenen Lichtstimmung und geht dann am späten Vormittag in ein kühles weißes Licht mit hoher Beleuchtungsintensität über. Am frühen Nachmittag reduziert sich die Intensität wieder etwas, und die Lichtfarbe geht in ein Neutralweiß mit zunehmendem sonnigen Gelbanteil über. Am späten Nachmittag mischt sich ein leichter Orangeanteil hinzu, bevor sich in den Abendstunden die Beleuchtungsintensität erneut stufenweise parallel zur Zunahme des Orangeanteils reduziert.

Individuelle Planung
Studien belegen, dass sich Menschen unter dynamischer Beleuchtung, die ähnlich wie hier beschrieben verläuft, wohler fühlen und messbar leistungsfähiger sind. Zudem wirken sich die dynamisch veränderlichen Lichtfarben über den ganzen Tag hinweg positiv auf die Konzentration aus. Diese biologisch wirksame Beleuchtung wird als „Human Centric Lighting“ (HCL) bezeichnet. Sie sorgt dafür, dass Mitarbeiter sich wacher und produktiver fühlen. Dabei verändert sich das Licht im Tagesverlauf so fließend und langsam, dass die Mitarbeiter dies nicht bewusst wahrnehmen und sich damit im Gegenschluss auch nicht gestört fühlen. Die Lichtszenarien werden individuell geplant und sind so voreingestellt, dass sie dann im Betrieb den biologischen Rhythmus des Menschen sinnvoll unterstützen und automatisiert über den Tag ablaufen. Wichtig ist dabei, dass sich die einzelnen Arbeitsplätze trotzdem individuell beleuchten lassen, sodass die Mitarbeiter das Licht an ihren Plätzen anpassen können, falls der Bedarf dazu besteht.
Für eine optimale Nutzung des dynamischen Potenzials von LEDs an Büroarbeitsplätzen sollten idealerweise getrennt direkt-indirekt abstrahlende Leuchten gewählt werden, da hier zusätzlich eine Dynamik in der Lichtrichtung sowie die Lichtfarben getrennt nach direkter und indirekter Abstrahlrichtung eingestellt werden können. Dies ermöglicht eine sehr feine Abstimmung der Szenarien und damit auch eine optimale Anpassung an den vorhandenen Tageslichteintrag in das Gebäude.

Mit Tageslicht zusätzlich Energie einsparen
Durch eine zusätzlich integrierte tageslichtabhängige Steuerung verdoppeln sich die positiven Auswirkungen: Die dynamische künstliche Beleuchtung fördert nachweislich die menschliche Produktivität, und die zusätzliche tageslichtabhängige Steuerung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 35 % gegenüber nicht verbrauchsoptimierten Anlagen.
Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik in München konnte in Untersuchungen nachweisen, dass Beleuchtungsanlagen mit hohem Automatisierungsgrad die optimale Balance zwischen Beleuchtungsqualität und Energieeffizienz realisieren können. Tageslichtgesteuerte Beleuchtungsanlagen, die bedarfsgerecht einzelne Beleuchtungskomponenten zu- oder abschalten, senken den Energieverbrauch am deutlichsten. Wenn man bedenkt, dass laut einer Erhebung des Umweltprogramms der Vereinten Nationen aus dem Jahr 2014 15 % des weltweiten Bedarfs an elektrischer Energie für die Beleuchtung verwendet werden, ist der Beitrag, den intelligent gesteuerte Beleuchtungsanlagen zur Einsparung von Energie leisten können, doch sehr relevant. Dies gilt insbesondere für Bürogebäude, in denen annähernd 40 % des Stromverbrauchs für die Beleuchtung anfallen.

Breites planerisches Know-how gefragt
Der Übergang von konventionellen Leuchtmitteln zum Einsatz moderner LED-Technologie ermöglicht im Zusammenspiel mit immer ausgereifteren und leistungsfähigeren Lichtsteuerungen nach mehr als 130 Jahren elektrischen Lichts nun endlich die optimale Kombination von guter, biologisch wirksamer und ­effizienter Beleuchtung mit Tages- und Kunstlicht. Damit wird es möglich, Lichtqualität und Energieeffizienz in einer ­sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt optimalen Weise zusammenzubringen. Dies ist nicht nur für die Nutzer und den Klimaschutz eine sehr gute Nachricht, sondern darüber hinaus auch für alle, die Beleuchtungsanlagen planen. Schließlich rechnet der Zentralverband der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie (ZVEI) damit, dass biologisch wirksame ­Beleuchtung im Jahr 2020 einen Marktanteil von 7 % am allgemeinen Beleuchtungsmarkt erreichen wird. Doch ohne Rückgriff auf Fach- und Planungskompetenz wird sich das Konzept des „Human Centric Lighting“ in der Praxis nicht realisieren lassen.
Auf alle, die Beleuchtungsanlagen planen, kommen damit aber auch neue Herausforderungen zu, denn bei der Planung und Realisierung dieser neuen Beleuchtungslösungen ist ein breites planerisches Know-how gefragt: von Kenntnissen der einschlägigen Büroarbeitsplatz-Normen über Kompetenzen in Sachen LED- und Steuerungstechnologie bis hin zu Wissen über Tageslicht und die biologischen Bedürfnisse des Menschen.

Autor: Prof. Iska Schönfeld

Bilder: www.licht.de