Störungsfrei im circadianen Rhythmus - Nachhaltige Lichtkonzepte und Vermeidung von Elektrosmog

Das eingeschossige Bestandsgebäude mit einer Nutzfläche von etwa 105 m² wurde vollständig entkernt, die Raumordnung den Anforderungen der der zukünftigen Nutzung angepasst. Diese Nutzung wird in drei Zonen dargestellt:

• Erdgeschoss: Baubiologische Musterwohnung,
• Besprechungs- bzw. Ausstellungsraum,
• und im Obergeschoss eine Büroeinheit, bestehend aus Einzelbüros und einem Gemeinschaftsbüro des IBN.

Auf das massive Erdgeschoss wurde ein Obergeschoss in Holzbauweise als Büroeinheit gesetzt und somit die Nutzfläche auf etwa 210 m² verdoppelt. Verwendet wurden ausschließlich nachwachsende und mineralische Baustoffe. Das Ergebnis der Heizlastberechnung wurde gemäß PHPP mit 4500 W berechnet.

Die Wärmebereitstellung zur Wärmeübertragung an den Raum erfolgt über einen wassergeführten Pellet-Primärofen – mit Pufferspeicher als Lastausgleich – sowie über Fußboden- und Wandflächentemperierung. Die Trinkwassererwärmung wurde von der „klassischen Heizung“ entkoppelt und als elektrische Warmwasserversorgung mit der PV-Anlage kombiniert. Die Elektroinstallation wurde gemäß dem SBM durchgeführt. Zu der PV-Anlage wurde auch eine Elektro-Ladestation installiert, um ein klares Zeichen im Sinne der Elektro-Mobilität im urbanen Raum zu setzen.

Die Baubiologische Messtechnik, die sich seit Jahren auch explizit mit der Wirkung des Lichts auf den Menschen auseinandersetzt, ist integraler Bestandteil der Baubiologie. Die zentralen Leitgedanken des Standards Baubiologischer Messtechnik (SBM) lauten: „Jede Risikovermeidung ist anzustreben“ und „Maßstab ist die Natur“. Obgleich die Qualität des Tageslichts technisch nie erreicht werden kann, ist besonders der letztgenannte Leitgedanke für ein Beleuchtungskonzept in Innenräumen dennoch grundlegend.

Ein weiterer wesentlicher Faktor für das Innenraumklima wurde in der Anordnung der transparenten Flächen umgesetzt, um eine maximale Tageslichtausbeute mit lichtdurchfluteten Räumen zu realisieren. Auf diesen Grundlagen wurde ein den Anforderungen des Menschen entsprechendes Beleuchtungskonzept mit einem Maximum an Energieeffizienz und Wohlbefinden für Mitarbeiter und Gäste entwickelt und umgesetzt.

Die aus dem natürlichen Kontext resultierenden Anforderungen an die Lichtplanung von Innenräumen, wo Menschen ihren Arbeitstag verbringen, wirken fraglos lebensqualifizierend, weil sie den Menschen nicht nur aktiviert, sondern gleichsam auch zur Ruhe kommen lässt. Die Leistungsfähigkeit steigert sich durch dieses Wohlgefühl eines individuellen Bedürfnisses nach Regeneration in einem stressfreien Raum.

Im Zentrum der Lichtplanung steht der circadiane Rhythmus des Menschen, der sich an dem Tag-Nacht-Rhythmus der Natur orientiert und die Physiologie des Menschen maßgeblich beeinflusst. Das bedeutet, dass zu Beginn des Tages andere Lichtverhältnisse bestehen als am Nachmittag bzw. am Abend. Diese Lichtsignale stehen im direkten Wechselspiel mit dem Menschen.

Baubiologische Elektroinstallation

Nach den Kriterien der Baubiologie wurde eine bestmögliche Reduzierung von Elektrosmog (Nieder- und Hochfrequenz) umgesetzt und messtechnisch begleitet. In diesem Sinne bildete bei der Planung und beim Bau des neuen IBN-Gebäudes eine elektrosmogarme Elektroinstallation und eine professionelle Abschirmung gegen hochfrequente Wellen eine wichtige Rolle. Dabei war es wichtig, bereits während der Installation in der Rohbauphase, fortwährend zu kontrollieren, ob die gewünschten Zielwerte (gem. SBM) auch erreicht werden. Die wesentlichen Komponenten dieser Zielsetzung waren:

• Abgeschirmte Elektroinstallation mit halogenfreien Leitungen (NHXMH-J) und geschirmte Dosen (die freilich auch luftdicht eingebaut wurden, einschließlich Verlängerungskabel, z. B. für Computer.
• Elektrosmogarme und vor allem flimmerfreie Beleuchtung (Halogen und LED).
• Einbeziehung der Abschirmung in den Funktionspotenzialausgleich.
• Positionierung des Sicherungskastens, der Unterverteilungen, des PV-Wechselrichters und des Servers abseits von Daueraufenthaltsplätzen.
• Kabelgebundenes Computernetzwerk (statt WLAN).
• Hochfrequente Abschirmung im Obergeschoss (Holzbauweise).
• Schnurgebundene Telefone an jedem Arbeitsplatz.

Messtechnische Begleitung der Elektroinstallation

Nach Fertigstellung und Inbetriebnahme der Elektroinstallation wurden die elektrischen Wechselfelder mit einer TCO-Sonde potenzialgebunden sowie zusätzlich mit einem Messwürfel potenzialfrei gemessen. Das Schlafzimmer in der Musterwohnung (das auch als Laboratorium genutzt wird) wurde zusätzlich als Rastermessung mit neun Messpunkten vermessen, um den Anforderungen des Menschen zur störungsfreien Regeneration in diesem sensiblen Bereich zu entsprechen.

Es waren zum Zeitpunkt der Messungen keine Elektrogeräte in Betrieb. Lediglich ein Schalter im Ausstellungsraum und einige Steckdosen im Obergeschoss (Büro)  ergaben höhere Werte. Um diese zu reduzieren, müsste man hier andere Steckdosen verwenden, bei welchen die Tragrahmen mit dem Schutzleiter verbunden sind. Solche Steckdosen waren zum Zeitpunkt der Installation noch nicht im Handel. Da an den Arbeitsplätzen in bereits 1 m Entfernung unauffällige Werte gemessen wurden (0,18 V/m), wird vorläufig auf einen Austausch dieser Steckdosen verzichtet.

Im Schlafzimmer wurden überall Werte zwischen 0,1 – 0,6 V/m gemessen. Auf Netzabkoppler wurde verzichtet, da sämtliche Leitungen in abgeschirmter Ausführung installiert wurden. Der Wechselrichter der PV-Anlage befindet sich außerhalb des Gebäudes auf dem Dach. Im Abstand von 1 m wurden Werte zwischen 36 nT (magnetische Wechselfelder) und 0,4 V/m (elektrische Feldstärke) im eingeschalteten und 6 nT und 0 V/m im ausgeschalteten Zustand (nachts) gemessen. Entsprechend des SBM sind dies unauffällige Werte (< 20 nT bzw. < 1 V/m), nur das magnetische Wechselfeld im eingeschalteten Zustand ist schwach auffällig (20 – 100 nT). Alle Aufenthaltsplätze sind aber mehr als 4 m vom Wechselrichter entfernt, zudem ist noch das geerdete Edelstahldach dazwischen.

Autor: Frank Hartmann

Bilder: IBN

Literatur:
Frank Hartmann, „Baubiologische Haustechnik“ VDE-Verlag, Berlin ISBN 378-3-8007-3494-8
(siehe www.baubiologie.de/baubiologische-dienstleistungen/hausuntersuchung-schadstoffanalyse)

Baubiologische Messungen und Bewertungen der Beleuchtung im IBN-Gebäude

Einige Begrifflichkeiten der Lichtplanung im neuen IBN-Gebäude werden im Folgenden aus den Messergebnissen kurz erläutert (Quelle: Dipl.-Ing. Joachim Gertenbach, Baubiologie und Umweltanalytik, Wuppertal):

Lichtspektrum (Wellenlänge-Wert)

Ein Lichtspektrum zeigt die Intensität der einzelnen abgegebenen Farben in ihrer Wellenlänge (Nanometer). Es kann kontinuierlich sein, wie bei der Glühlampe oder nur aus drei einzelnen Farben bestehen, wie bei einer Energiesparlampe. Für viele LEDs typisch ist ein kontinuierliches Spektrum mit einer blauen Spitze, einem türkisfarbenen Tal und einer orangefarbenen Kuppe. Je nach Lichtfarbe variiert der Blau-Anteil stark.

Lichtflimmern (Frequenz- und %-Wert)

Unter dem Begriff Lichtflimmern versteht man periodische Helligkeitsunterschiede im abgegebenen Licht einer Leuchte. Je nach verbauter Elektronik kann das Flimmern sehr stark ausgeprägt sein. Besonders kritisch sind hierbei die schnell reagierenden LED-Lampen, weil sie zum einen auch die unerwünschten Oberwellen in der Netzversorgung weitergeben können und zum anderen oft auch bei reduzierter Helligkeit in biologisch sehr relevanten Frequenzen flimmern können. Der Flimmeranteil der eingesetzten Deckenleuchten liegt hier erfreulicherweise unterhalb der Nachweisgrenze.

Beleuchtungsstärke (Lux-Wert)

Im Gegensatz zum Lichtstrom, der das in alle Richtungen abgegebene Licht charakterisiert, wird das auf eine bestimmte Fläche (z.B. unter dem Leuchtmittel) abgestrahlte Licht, als Beleuchtungsstärke definiert. Ältere Menschen benötigen hierbei mehr Licht als jüngere, um Kontraste gut erkennen zu können. An Arbeitsplätzen wird eine Mindestbeleuchtungsstärke von 500 lx vorgeschrieben. Die in Tischhöhe gemessene Beleuchtungsstärke unter der Deckenbeleuchtung liegt im ungedimmten Zustand bei rund 1000 lx und dürfte also ausreichend sein, um gut lesen und arbeiten zu können.

Farbwiedergabe (Ra-Wert)

Dieser Wert ist eine dimensionslose Zahl und besagt, wie naturgetreu die Farben von Oberflächen erscheinen. Zum Vergleich: Glühlampenlicht liegt beim Maximum von 100. Während bei der Definition des Ra-Wertes lediglich acht gedeckte Farben berücksichtigt werden, werden bei einem R1-15-Wert auch kräftige Farben zugrunde gelegt. Eine Farbwidergabe mit einem R1-15 ist daher deutlich aussagekräftiger, speziell auch was Rot-Töne anbetrifft. Die Herstellerangabe der Deckenbeleuchtung mit einem Ra > 80 konnte bestätigt werden und liegt bei Berechnung mit R1-15 nur knapp darunter. Für komplexe Sehaufgaben empfiehlt sich jedoch ein Mindestwert von 90. Insofern muss bei der Deckenleuchte mit Farbeinbußen von betrachteten Objekten gerechnet werden. Derzeit werden von LED-Leuchten Ra-Werte > 90 noch nicht erreicht; entsprechend dem aktuellen Entwicklungsstand ist der Ra-Wert > 80 ein vergleichsweise guter Wert.

Farbtemperatur (Kelvin-Wert)

Diese Temperaturangabe ist eine Vergleichsgröße, um die Farbe des Lichts von künstlichen und natürlichen Lichtquellen vergleichen zu können. Bei untergehender Sonne erscheint uns unsere Umgebung in einem warmen bis rötlichen Farbton während in der Mittagszeit das Licht der Sonne kalt und weiß-bläulich erscheint. Eine Farbtemperatur von 2700 K (Glühlampenlicht) kennzeichnet dabei warmes Licht, während Farbtemperaturen von über 5000 K eher bläulich kaltem Licht entsprechen und einen hohen Blau-Anteil enthalten. Die Farbtemperatur kann somit auch als Maß für den Einfluss auf den Tag-Nacht-Rhythmus des Menschen angesehen werden. Je höher sie ist, umso aktivierender ist das Licht und umso mehr wird die Produktion des „Schlafhormons“ Melatonin im Körper unterdrückt. Die im IBN-Gebäude geprüften Deckenleuchten können bei maximaler Helligkeit  in einem Bereich von 2950 – 5200 K eingestellt werden. Wird die Lampe jedoch gedimmt, reduziert sich der Einstellbereich der Farbtemperatur deutlich (3850 K bei maximaler Dimmung).

Prinzipiell ist eine einstellbare Farbtemperatur begrüßenswert, da sie die Möglichkeit bietet, den Tagesverlauf des Sonnenlichts tendenziell nachzuempfinden. Wünschenswert wäre allerdings, dass das volle Spektrum der Farbtemperatur auch im gedimmten Zustand zur Verfügung steht.

Fazit

Mithilfe baubiologischer Untersuchungen können Beleuchtungen auf „Herz und Nieren“ überprüft werden und die Lichtqualität objektiv beschrieben werden. Ebenso lässt sich gut beurteilen, inwieweit das Kunstlicht dem des natürlichen Sonnenlichts entspricht.

Architekten, Lichtplaner, Elektriker und Baubiologische Messtechniker müssen zusammenarbeiten
Der Architekt und IBN-Geschäftsführer Winfried Schneider (siehe Bild 4) stand der IKZ-ENERGY für Fragen zu diesem Leuchtturmprojekt zur Verfügung.

IKZ-ENERGY: Herr Schneider, im neuen Gebäude war Ihnen die Beleuchtungstechnik besonders wichtig, insbesondere die Anforderungen des Menschen sowie die Berücksichtigung des circadianen Rhythmus. Wie sind Sie vorgegangen, um diesen Anforderungen zu entsprechen?

Winfried Schneider:  Die Beleuchtung unseres IBN-Gebäudes, das wir als Leuchtturmprojekt der Baubiologie sehen, war einer der wichtigsten zu lösenden Teilaufgaben. Ziel war, bezüglich Lichtqualität (physiologisch wie auch atmosphärisch), Energie zu sparen und bei bestmöglicher Reduzierung von Elektrosmog (Nieder- und Hochfrequenz, Flimmern etc.) eine gute Lösung zu finden. Auch, weil derzeit rund um das Thema Beleuchtung eine Innovation die nächste jagt, haben wir nicht nur eine professionelle Tageslichtarchitektin MSc und Innenarchitektin engagiert, sondern auch Baubiologische Messtechniker. Bei aller Akribie gilt (nicht nur) in der Baubiologie: Vorrangiges Ziel ist die bestmögliche Nutzung von Tageslicht, was hier große Fenster, spezielle Tageslicht-Raffstores mit Lichtumlenkung und humane Arbeitszeiten ermöglichen.

IKZ-ENERGY: Welche Rolle spielte innerhalb des Beleuchtungskonzepts andere Lichtquellen, wie z.B. PC-Bildschirme, vor denen Menschen in Büros heute ja mehr als 90% ihres Arbeitstages verbringen und wie wurden diese in das Beleuchtungskonzept integriert?

Winfried Schneider: Hierzu sind die Möglichkeiten bislang begrenzt. Schon immer achten wir auf möglichst strahlungsarme und qualitativ hochwertige Bildschirme, die zudem groß sind, um den Abstand zum Bildschirm zu vergrößern und mit großen und gut lesbaren Schriftgrößen arbeiten zu können. Wichtig sind zudem folgende Qualitätsmerkmale der Umgebungsbeleuchtung: natürliches Licht, gleichmäßige Leuchtdichteverteilung, optimierte Lichtstärke ≥ 500 Lux in Höhe des Arbeitstisches, Vermeidung von Blendungen, starken Kontrasten, Reflexionen und Spiegelungen auf dem Bildschirm. Ergänzend wurden alle Computer mit abgeschirmten Stromkabeln ausgestattet. Grundsätzlich gilt es, die Arbeitszeiten am Computer bestmöglich zu reduzieren.  Wir bemühen uns, das in unserem Arbeitsalltag auch umzusetzen.

IKZ-ENERGY: Der Markt von Leuchtmitteln ist seit den Jahren der Abschaffung von Glühbirnen in einem sehr großen Wandlungsprozess. Unterschiedliche Aussagen und Meinungen werden dazu postuliert. Fakt ist, dass Leuchtmittel einen wesentlichen Einfluss auf die Lichtqualität mit mehr oder weniger „Nebenerscheinungen“ und somit eine direkte Wirkung auf den Menschen besitzen. Welche Erfahrungen machten Sie bei der Auswahl von Leuchtmitteln?

Winfried Schneider: Wir haben im Vorfeld viel Aufwand (Ermittlung der Anforderungsprofile, Planung der Leuchten-Positionierung und Lichtszenarien, Messungen von Lichtqualität und Elektrosmog etc.) betrieben, um die für uns bestmöglichen Leuchtmittel auszuwählen. Unsere Erwartungen wurden in der Praxis weitgehend bestätigt, sowohl bezüglich der visuellen Wahrnehmung/Zufriedenheit als auch bezüglich der messtechnischen Kontrollmessungen. Ganz bewusst haben wir sowohl Halogen- als auch LED-Leuchtmittel verwendet, um praxisnahe Erfahrungen mit unterschiedlichen Leuchtmitteln sammeln zu können. Interessant ist, dass sowohl von Mitarbeitern als auch von Besuchern keine Qualitätsunterschiede wahrgenommen werden. Dies ist aber in unserem Institutsgebäude sicher nur deshalb so, weil wir auch bei LED-Beleuchtung auf bestmögliche Leuchtmittel mit einem guten Lichtspektrum und weitgehend flimmerfreiem Licht geachtet haben. Bei Kontrollmessungen im Vorfeld war interessant, dass LED-Leuchtmittel aus dem Fachhandelsbereich bzgl. Elektrosmog tendenziell deutlich besser abschnitten als preiswertere LED-Leuchtmittel, z.B. vom Baumarkt. Sicherheit bringen jedoch immer nur Kontrollmessungen oder der Kauf von Leuchtmitteln von Anbietern, die sich auf elektrosmogarme Leuchten mit gutem Lichtspektrum spezialisiert haben.

IKZ-ENERGY: Nun stellt sich in der Praxis doch auch immer die Frage, wie ein Konzept umzusetzen ist. Nach dem Motto: „Was nützt das schönste Konzept, wenn es an der Umsetzung scheitert?“ Was waren für Sie die Kriterien für die Elektroinstallation in der Umsetzung Ihres Lichtkonzeptes, welche Hindernisse oder Hürden waren da zu nehmen?

Winfried Schneider: Bei der Umsetzung der bereits beschriebenen Kriterien war uns klar, dass eine optimale Umsetzung nur mit professionellen Partnern möglich ist. Diese waren nicht nur eine professionelle Lichtplanerin und ein baubiologisch versierter und engagierter Elektriker, sondern auch eine messtechnische Begleitung von der Leuchtmittel- und Leuchten-Auswahl bis zur Kontrolle nach Montage durch einen Baubiologischen Messtechniker. Bei Planung und Ausführung muss auch auf eine insgesamt elektrosmogarme Elektroinstallation, z.B. mit abgeschirmten Kabeln, geachtet werden. 

IKZ-ENERGY: Nach dem Vorbild des natürlichen Tageslichtes, dessen umfassende Qualität technisch niemals erreicht werden kann, ist es Ihnen dennoch gelungen, dieses mit einer dynamischen Kunstlichtplanung naturgerecht zu ergänzen. Welche Maßnahmen standen dabei zur nachhaltigen Vermeidung von Elektrosmog im Vordergrund?

Winfried Schneider: Aus Kostengründen, aber auch deshalb, weil Kunstlicht aufgrund der großen Fenster nur sehr selten benötigt wird, wurde dynamisches Kunstlicht nur im Ausstellungsraum realisiert. Hier wird zum Teil gearbeitet und es finden Beratungen, Vorträge und Ausstellungen statt. Parallel zum Baufortschritt wurde in Zusammenarbeit mit Baubiologen eine LED-Leuchte mit dynamischem Licht entwickelt, die mittlerweile von jedermann erworben werden kann. Umfassende Kontrollmessungen waren erst nach Montage möglich und dabei stellte sich glücklicherweise heraus, dass unsere hohen Erwartungen bezüglich Lichtqualität, manuellen Einstellmöglichkeiten von Lichtstärke und -farbe (Rot- bzw. Blauanteil) sowie Reduzierung von Elektrosmog (Nieder- und Hochfrequenz, Flimmern) erfüllt werden konnten.

IKZ-ENERGY: Welche Erfahrungen machten Sie dabei mit dem Elektro-Handwerk, bzw. war es schwer einen geeigneten Elektro-Fachbetrieb zu finden, der ihren Anforderungen gerecht wurde?

Winfried Schneider: Leider gibt es viel zu wenig Elektro-Handwerker, die sich professionell mit den Themen Licht und Elektrosmog auseinandersetzen, sich weiterbilden und den Kunden gute Lösungen anbieten können. Da wir aber Baubiologische Messtechniker ausbilden und sich unter diesen auch Elektriker befinden, wussten wir natürlich, wer unseren Ansprüchen gerecht werden kann. Wer eine gute Lichtplanung, auch nach baubiologischen Kriterien möchte, braucht nicht nur eine/n Lichtplaner/in, sondern auch eine/n Baubiologische/n Messtechniker/in bzw. eine/n Elektriker/in mit messtechnischer Zusatzausbildung.

IKZ-ENERGY: Durch die Arbeit Ihres Instituts haben sie auch sehr viele Kontakte zu Bauherren, Entscheidern, Fachplanern und Fachhandwerkern. An welchen Stellen sehen Sie welchen Nachhol- oder Informationsbedarf, um eine menschengerechte Beleuchtungstechnik und Elektroinstallation umzusetzen?

Winfried Schneider: Erst einmal herrscht selbst in Fachkreisen (Architekten, Elektriker etc.) vielfach immer noch die Meinung vor, dass es ausreicht, wenn genügend Licht vorhanden ist. Die Berücksichtigung baubiologischer Kriterien sollte aber heute für die gesamte Planung und Ausführung eines Gebäudes, also auch bei der Lichtplanung und -ausführung selbstverständlich sein. Wir wissen von vielen Bauherren, die gerne sanieren oder anderweitig in ihr Wohnumfeld investieren wollen, es aber nicht tun, weil sie keine gut ausgebildeten Planer und Handwerker finden. Somit macht es Sinn, dass Architekten, Lichtplaner, Elektriker und Baubiologische Messtechniker zusammen arbeiten oder noch besser, sich Architekten, Lichtplaner und Elektriker selbst baubiologisch weiterbilden. Aus meiner Sicht ist dies auch eine gute Chance, sich von der Konkurrenz im positiven Sinne abzuheben und einen noch viel zu wenig erschlossenen Markt zu erobern.

IKZ-ENERGY: Herr Schneider, vielen Dank für dieses Gespräch!