Helles Licht ins Dunkel bringen - Moderne Tageslichtlenk- und -leitsysteme

Die Ausleuchtung von Gebäuden spielte in der Architektur fast immer eine zentrale Rolle. So wurde bekanntlich das
Pantheon in Rom bereits durch eine 9 m große Öffnung im Gewölbe mit Tageslicht versorgt. Heutige Wohn- und Gewerberäume oder öffentliche Bauten nutzen oft nur zu selten natürliches Tageslicht. Kommt dann im Sommer noch der Sonnenschutz ins Spiel, geht unnötig oft die elektrische Beleuchtung an. So werden nach Angaben des Fraunhofer Institutes für Bauphysik ca. 10% des Gesamtstromverbrauchs in Europa für Beleuchtungszwecke benötigt.

Technologien für Tageslichtnutzung
Ein konsequenter Einsatz von Tageslichtsystemen würde nicht nur der Energieeinsparung helfen, vielmehr böte dies auch gesundheitliche Vorteile für die Nutzer: So verfügt das natürliche Sonnenlicht bekanntlich über die Eigenschaft, das Immunsystem zu stärken, die Stimmung zu heben und es trägt insgesamt zur Produktivität des Menschen bei.
„Tageslichtsysteme sind in praktisch jedem Gebäude einsetzbar – vom Wohnhaus über Bürokomplexe und Schulen bis hin zu Krankenhäusern“, erklärt Professor Dr.-Ing. Helmut F.O. Müller, der in Düsseldorf das Beratungsbüro „Green Building Research and Development“ leitet und seit vielen Jahren Erfahrungen auf dem Gebiet der natürlichen Beleuchtung sammelt.

Oberlichter als Basisausstattung
Die einfachste Möglichkeit, zusätzlich Licht ins Gebäude zu bringen, sind Dach-Oberlichter, von denen eine Vielzahl an Serienprodukten auf dem Markt ist. Punktuell sind es Lichtkuppeln, Lichtpyramiden oder sogenannte Doppelklappen. In ausreichender Anzahl und passendem Abstand angeordnet, ermöglichen sie eine flächige Ausleuchtung des darunter liegenden Raumes.
Lineare Lichtbänder in Sattel- oder Raupenform dienen dazu, Produktionslinien oder wichtige Wegeverbindungen innerhalb einer Halle optimal mit Tageslicht zu versorgen. Ausgestattet mit automatischen Hebeeinrichtungen können diese Oberlichter zudem zur Belüftung eingesetzt beziehungsweise als Rauchabzug zum Bestandteil des Brandschutzes werden.

Vielfalt der Tageslichtsysteme
Neben diesen einfachen Vorrichtungen für Dächer gibt es eine Vielzahl spezieller Tageslichtsysteme für Fassaden, die zur Verschattung und dem Tageslichtgewinn oder aber der Lichtlenkung und dem Lichttransport beitragen können.
Zu den konventionellen Verschattungssystemen zählen dabei die Jalousien. Sie schützen zwar vor der Sonne, lassen dafür aber auch weniger Tageslicht in den Raum, wodurch der Beleuchtungsbedarf weiter steigt. Eine Alternative sind daher reflektierend beschichtete Tageslichtjalousien: Sie lenken das Licht über die Zimmerdecke tief in den Raum hinein. Dabei können die unteren Lamellen geschlossen und die oberen auf Lichtdurchlass gestellt werden.

Lichtborde strukturieren Fassaden
Nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren Lichtborde vor der Fassade: breite Großlamellen sind dazu waagerecht auf etwa drei Viertel der Fensterhöhe montiert. Die Oberseite besteht aus hoch reflektierendem Material. Das einfallende Licht wird von dort an die Decke und tief in den Raum geleitet und ermöglicht ganzjährig eine optimierte Ausleuchtung. Das durch die Bartenbach LichtLabor GmbH realisierte Projekt an einem Bürokomplex von Architekt Herzog und Partner in Wiesbaden besitzt dazu beispielsweise unterschiedliche flügelartig geschwungene Lamellen an den Nord- und Südfassaden.

Fensterscheiben mit Mehrwert
Ein anderes System, um Tageslicht zu gewinnen, sind Fenstergläser mit integrierten Mikrostrukturen . Letztere sind nur jeweils 50–500 Nanometer groß und kostensparend als dünne Schicht auf die mittlere Scheibe des Isolierglases aufgebracht. Sie werfen das Sonnenlicht nahezu ungeachtet des Einfallwinkels an die Zimmerdecke und weit in den Raum. Ein Sonnen- und Blendschutz ist für diesen Fensterbereich nicht notwendig.
Tageslichtexperte Professor Müller hebt hervor: „Ein weiterer Vorteil solcher Systeme ist, dass sie anders als Jalousien nicht nachgeführt werden müssen“. Er optimiert die Technik kontinuierlich und macht sie in Zusammenarbeit mit der Industrie und Forschungseinrichtungen marktreif. Bei einer Raumhöhe von ca. 3 m ermöglichten solche speziell ausgerüsteten Gläser im oberen Fensterbereich, einen 7 bis 10 m tiefen Raum ausreichend mit Sonnenlicht zu erhellen.

Prismensysteme verhindern Überhitzung
Blendschutz und Tageslicht für den dahinter liegenden Raum bieten auch Prismenplatten. Doch diese können noch mehr: Indem sie konsequent das direkte Sonnenlicht abweisen und nur den diffusen Anteil zur Beleuchtung durchlassen, verhindern sogenannte Lichtlenkprismen auch sommerliche Überhitzung. Im Modell wird das direkte Licht mit dem Laser simuliert und fast komplett reflektiert. Das weiße diffuse Licht gelangt hingegen in den Raum.
Damit die direkte Sonnenstrahlung im rechten Winkel auf die Oberfläche trifft, wird das Element beweglich gelagert und dem Sonnenstand nachgeführt. Aber auch stationär können Platten aus Acrylglasprismen dies leisten – vorausgesetzt, einzelne Partien sind mit reflektierenden Oberflächen zusätzlich beschichtet. Der Plenarsaal des Bayerischen Landtages wurde 2005 mit Prismenplatten von einer Fläche von 470 m² ausgestattet – was 60% Energieeinsparung bei Beleuchtung und Klimatisierung ermöglichte.

Hologramme – nicht nur auf Geldscheinen
Die nächste Generation der Verschattungs- und Belichtungstechnik könnte in den Startlöchern stehen: Wer Hologramme nur von Geldscheinen kennt, wird sich vielleicht wundern, dass holografisch-optische Oberflächen selbst Prismenplatten eines Tages Konkurrenz machen könnten. Sind sie doch leichter als Prismen aus Acryl oder Glas, viel dünner, da keine Wölbung benötigt wird – und zu alledem viel präziser. Doch genau dies könnte ihrer Verbreitung entgegenstehen. Denn um den Zweck zu erfüllen, müssten sie besonders präzise und somit aufwendig nachgeführt werden. Auch ist das Material noch sehr teuer und empfindlich.

Von Lichtröhren, -kaminen und -trompeten
Wer Tageslicht tief ins Gebäude bringen will, findet für jedes Budget das passende System. Eines, das sicherlich geeignet ist, zum Massenprodukt zu werden, sind sogenannte „Lichtröhren“: Badezimmer und Treppenaufgänge ohne natürliches Tageslicht könnten damit bald der Vergangenheit angehören. Bei der Montage wird ein Ziegel auf dem Dach durch eine Acrylglaskuppel ersetzt. Lichtbündelnde Linsen darin befördern das Tageslicht über eine verspiegelte Röhre zu einer Streuscheibe als Lichtauslass – welche ähnlich aussieht wie eine Deckenlampe.
Die Lichtmenge, die solch eine Röhre transportiert, ist beachtlich: 30 cm Durchmesser reichen oft aus, um etwa einen 16 m² großen Raum zu beleuchten. Bei Röhren einer Länge von 4 bis 7 m bleibt nahezu die komplette Beleuchtungsintensität erhalten – längere benötigen für dieselbe Leistung größere Querschnitte. Um ein ganzes Lichtband im Flur zu erhellen, nutzt man etwa im Rocky-Mountain-Institute des US-Effizienz-Papstes Amory Lovins in Snowmass/Colorado gleich zwei Lichtröhren nebeneinander.

Licht für öffentliche Einrichtungen
Größere Lichtmengen liefern Lichtschächte und Lichtkamine. Ein aktuelles Bartenbach-Projekt ist die im vergangenen Jahr fertiggestellte „Lichtkrone“ in der Kapelle des Caritas-Seniorenzentrums „Sankt Hedwig“ in Königsbrunn bei Augsburg: Die Tageslichtöffnung über dem Altar besitzt 300 in eine Rahmenkonstruktion eingehängte hochreflektierende Lichtlenkungselemente. Die gleichschenkligen Dreiecke sind mit Reinstaluminium eloxiert. Tagsüber wirft die Sonne effektvolle Muster in den Raum – abends sorgen umlaufende LED-Lichtlinien für eine energieeffiziente Beleuchtung.
Auch an der Neuen Stadtbibliothek in Augsburg waren die Tageslichtexperten aus Österreich aktiv und installierten drei sogenannte „Lichttrompeten“ im Dach. Auch diese sind innen mit hoch reflektierenden Dreiecken ausgekleidet, die selbst diffuses Licht optimal verteilen. Weitere integrierte Glasprismen zerlegen bei direkter Sonneneinstrahlung einen Teil des Lichtes effektvoll in seine Spektralfarben. Abends lassen LEDs hier die „Trompeten“ hell leuchten.

Heliostate als spektakuläre Hingucker
Während Tageslichtnutzung noch immer oft unbemerkt eingesetzt wird, schafft es ein einzelnes System die vergangenen Jahre immer wieder in die Schlagzeilen: Sonnenspiegel oder Heliostate. „In Viganella geht jetzt auch die Sonne auf“ titelte zur Inbetriebnahme das Magazin „Stern“, als das kleine Bergdorf nahe des Lago Maggiore einen 40 m2 großen Spiegel auf dem benachbarten Berghang erhielt. Der im Tal gelegene Ort bekommt im Winter drei Monate gar kein direktes Sonnenlicht – nun wird der kleine Marktplatz künstlich besonnt – wovon Bewohner und Touristen gleichermaßen angetan sind. In Norwegen ging ein vergleichbares System in Betrieb und etliche könnten folgen.
Wer einen ähnlichen – wenngleich kleineren – Spiegel in Aktion sehen will, braucht nur das Deutsche Technikmuseum in Berlin zu besuchen: Auf einem Turm folgt ein Heliostat dem Sonnenstand und lenkt das Licht durch ein Fens­ter ins Innere eines Ausstellungsgebäudes. Die direkte natürliche Strahlung kann dort an Experimentierstationen genutzt werden. Dies ist eine Möglichkeit, tiefe Räume, die vom Sonnenlicht nicht erreicht werden, mit Sonnenlicht zu versorgen.

Individuell programmierbar
Die Steuerung solcher Systeme wird einmalig mit den Daten zur geografischen Lage, Datum und Uhrzeit sowie dem Ziel für das Licht programmiert. Der Spiegel richtet sich dann automatisch nach der Sonnenposition aus. Die Programmierung ermöglicht, mehrere Beleuchtungssituationen hintereinander vorzusehen. Je nach Nutzung der Räume können diese auch unterschiedlich mit Helligkeit versorgt werden.
Zur Weiterverteilung des Tageslichtes können mobileartig aufgehängte Spiegel, sogenannte „Chandeliers“, dienen. Sie bewegen sich mit der thermischen Luftbewegung im Raum, brechen das Licht nach Wunsch in die Spektralfarben und werfen es wie zufällig an verschiedene Stellen des Raumes. Sie eignen sich besonders für Innenhöfe bzw. Atrien großer und repräsentativer Gebäude. Heliostate benötigen aber stets direktes Sonnenlicht. Und da in Deutschland jährlich von einer mittleren Sonnenscheindauer von rund 1500 Stunden auszugehen ist, sollte der Ertrag genau durchgerechnet werden.

Kosten und Wirtschaftlichkeit
Die Kosten einzelner Tageslichtsysteme variieren nach Ausführung, Material und Hersteller. Ein günstiges Tageslichtsystem ist bereits für wenige Hundert Euro erhältlich – für aufwendigere gehen die Kos­ten schnell in die Tausende. Neben den Anschaffungskosten sind auch die Montage- sowie Folgekosten für Reinigung, Wartung und Reparatur zu berücksichtigen.
Tageslichtsysteme sparen allerdings auch Stromkosten für Beleuchtung und können die Kühllasten der Klimatisierung senken. Der Gesamtenergiebedarf kann sich so um 20 bis 40% verringern. „Pro Quadratmeter kann man so jährlich 20 bis 25 Euro sparen. Bei den steigenden Strompreisen bedeutet das Jahr für Jahr mehr Einsparung“, erwartet Dr. Helmut Köster, Architekt und Lichtplaner aus Frankfurt am Main, der einer der Vorreiter im Bereich der Tageslichtsysteme ist.
Maßgebend ist, dass Tageslichtsysteme den Einsatz künstlicher Lichtquellen tagsüber nur noch selten erforderlich machen. Bei der Bewertung der Energieeinsparung spielen beispielsweise weitere verschiedene Einflussfaktoren eine maßgebliche Rolle, wie die tägliche Nutzungsdauer des Kunstlichtes, der Einfluss eventuell vorhandener Fenster, etc.

Wirtschaftlichkeit überzeugt
Der Fachverband Tageslicht und Rauchschutz e.V. (FVLR) berechnet zur Wirtschaftlichkeit in der von ihm veröffentlichten „Tageslichtfibel“, dass sich die Dachoberlichter durchaus auch finanziell lohnen können: Als Beispiel wird eine 800 m² große Halle angeführt, die alternativ mit Kunstlicht oder mit Dachoberlichtern erhellt wird.
Es kam heraus, dass die jährlichen Kosten für die künstliche Beleuchtung mit rund 6000 Euro zu Buche schlagen, wohingegen die Nutzung des Tageslichtes nur etwa 1800 Euro kostet. Verzinsungen und Energiepreissteigerungen mit eingerechnet, kommt man auf eine Amortisationszeit von zwölf Jahren. „Sie liegt unter der normativen Nutzungszeit eines Fensters und weit unter der eines Gebäudes“, heißt es beim FVLR. Rechne man noch mögliche, durch das Tageslicht bedingte, Leistungssteigerungen bei den Mitarbeitern ein, verkürze sich die Amortisationszeit auf etwa drei Jahre (Tageslichtfibel).

Optische Glanzlichter
Neue Systeme zur Tageslichtnutzung sind weit mehr als nur effizient und innovativ – vielmehr bieten sie auch reichlich Genuss fürs Auge. Sind sie doch oft kunstvolle Architekturelemente, die jeder Baugestaltung den letzten Schliff geben. So zu sehen ist dies am U-Bahnhof Potsdamer Platz, wo spektakuläre Lichtröhren des schweizerischen Herstellers Heliobus den Besucher vor Betreten der Station gefangen nehmen. Mit solchen Projekten wird Tageslichtnutzung weit mehr als eine Ergänzung zur konventionellen Beleuchtung – vielmehr fast ein Signal für eine neue Zeitrechnung im Umgang mit Licht.

Autor: Martin Frey

Literaturtipp

• Fachverband Tageslicht und Rauchschutz e.V. (FVLR) (o.J.): Tageslicht kurz gefasst. Informationen für Architekten, Planer und Errichter. 16 S., Detmold.Download: www.fvlr.de/tageslicht.htm
• Köster, Helmut (2015): Tageslicht modulieren. Strategien adaptiver Fassaden. Wissenschaftszentrum Tageslicht (WITAG), 99 S., ISBN 978-3-00-048400-1. Frankfurt am Main. www.witag-verlag.de (Homepage wird bald freigeschaltet)
• Stephan Klammt, Helmut Müller, Andreas Neyer (2012): Mikrostrukturiertes Tageslichtsys­tem mit hoher Effizienz.
• Licht 2012, Berlin: www.greenbuilding-rd.de/download/Paper-Licht2012_v2.pdf