Wer sich als Investor oder Bauherr mit der Frage beschäftigt, ob er Tageslicht als wesentlichen Beitrag zur Raumbeleuchtung einplanen sollte, denkt vermutlich zunächst nur daran, dass eine Tageslichtversorgung helfen kann, Kosten bei der elektrischen Beleuchtung zu sparen. Diese Betrachtungsweise ist zwar richtig, greift aber zu kurz.
Natürliches Tageslicht spendet Leben!
Dieser Satz ist wohl in jeder Beziehung gültig, in der er verstanden werden kann, denn Tageslicht ist die treibende Kraft für das Leben auf unserer Erde. Bei uns Menschen fördert es direkt das Wohlbefinden und die Gesundheit, steuert unseren Schlaf-Wach-Rhythmus und hebt unsere Stimmung.
Eine gute Ausleuchtung von Arbeitsplätzen mit natürlichem Tageslicht hebt aber nicht nur das Wohlbefinden und die Stimmung der dort arbeitenden Menschen. Ihre Konzentrationsfähigkeit und ihr Leistungsvermögen steigen und die Fehlerrate sinkt. Die Ermüdung der Mitarbeiter setzt langsamer ein und der Krankenstand fällt geringer aus.
Eine gute Ausleuchtung von Verkaufsstätten mit natürlichem Tageslicht wirkt sich nachweislich positiv auf das Kaufverhalten der Kunden in den darunter liegenden Geschäften aus. Die Kunden sind entspannt und gut gelaunt.
Die Investition in Dachoberlichter zur Raumausleuchtung mit natürlichem Tageslicht bietet also viele wirtschaftliche Vorteile. Von diesen lässt sich die Energieeinsparung gegenüber künstlicher Beleuchtung im Regelfall am einfachsten ermitteln und beziffern.
Das größte ökonomische Potential der Beleuchtung mit natürlichem Tageslicht ist aber in den meisten Fällen durch die Wirkungen des Tageslichts auf die Menschen im Gebäude begründet – egal ob Mitarbeiter, Kunden oder Bewohner.
Tageslicht – Lebenselixier der Sonne
Die Sonne versorgt als Licht- und Strahlungsquelle unsere Erde mit der nötigen Energie, um das Leben zu ermöglichen. Vom Strahlungsspektrum der Sonne mit einem Wellenlängenbereich von 10-15 m ≤ λ ≤ 105 m bildet des Tageslicht jedoch nur einen winzigen Bruchteil. Es reicht von den billiardstel Meter kurzen Wellen der kosmischen Strahlung bis hin zu den mehrere Kilometer langen Radiowellen.
Die außerhalb der Erdatmosphäre gemessene Strahldichte aller Wellenlängen bei mittlerer Entfernung der Erde zur Sonne wird mit 1361 ± 7 W/m2 angegeben und als Solarkonstante Io bezeichnet (lt. DIN 5034-2: Io = 1,37 kW/m2). Die von der Sonne auf die Erde abgestrahlte Energie beträgt daher jährlich ca. 1,6 x 1018 kWh.
Zum Licht wird neben dem für Menschen sichtbaren Anteil auch die kurzwelligere ultraviolette (UV) Strahlung sowie die langwelligere infrarote (IR) Strahlung gezählt. Ein Großteil der Energie wird im Wellenlängenbereich von 200nm bis etwa 3,0µm abgestrahlt. Dieser umfasst neben dem sichtbaren Tageslicht von 380nm bis 780nm auch die UV-Strahlung sowie Teile der IR-Strahlung.
Wellenlängenbereich Licht
Sonneneinstrahlung auf der Erde – Globalstrahlung
Mit dem Begriff Globalstrahlung wird die gesamte Sonneneinstrahlung auf einer horizontalen Fläche auf der Erdoberfläche bezeichnet. Sie umfasst also neben der direkten Sonneneinstrahlung auch alle diffusen Strahlungsanteile durch Lichtstreuung. Neben der Streuung wird die Einstrahlungsintensität auf der Erde auch durch die Reflektion an der Atmosphäre und der Erdoberfläche sowie durch die Absorption in der Atmosphäre reduziert.
Streuung
Bei der Streuung (Rayleigh-Streuung) werden die Lichtstrahlen abgelenkt, ohne dass Energie umgewandelt wird oder eine Wellenlängenänderung eintritt.
Neben den Luftmolekülen befinden sich in der Atmosphäre noch eine ganze Reihe anderer Aerosolteilchen, auch Dunst genannt, die das Sonnenlicht streuen können.
Wie die Erfahrung zeigt, ist der Dunstgehalt der Atmosphäre wetterabhängig und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Allgemein gilt wegen der besonders starken Streuung des kurzwelligen Lichts, dass der relative UV-Anteil am Tageslicht mit abnehmender Bestrahlungsstärke aufgrund des wachsenden Einflusses der Streustrahlung zunimmt.
Absorption
Einige Aerosolteilchen können Strahlung aufnehmen und in Wärme umwandeln und so die Energie absorbieren. Neben Luftmolekülen und Aerosolteilchen ist die Atmosphäre mit Gasen wie O3, CO2 und H2O angefüllt. Auch diese Gase absorbieren in bestimmten Bereichen des Wellenlängenspektrums, den sogenannten Absorptionsbanden, die Strahlung und wandeln sie in andere Energieformen um.
Für den UV-Bereich ist die nach Hartley benannte Bande des Ozons (O3) von großer Bedeutung, denn sie grenzt bei 290 nm das Strahlungsspektrum nach unten ab. Dies bedeutet, dass energiereiche und schädigende Strahlung durch Ozon abgehalten wird. Deshalb ist die schützende Ozonschicht für die Erde so wichtig und die Bekämpfung des wachsenden „Ozonlochs“ lebensnotwendig.
Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Luftmolekülen, Aerosolteilchen und Gasen treten die oben beschriebenen Vorgänge gleichzeitig auf und man bezeichnet diese Wirkung als Trübung der Atmosphäre. Die auf die Erdatmosphäre treffende Sonneneinstrahlung in Höhe der Solarkonstante Io wird also durch diese Effekte stark abgeschwächt. Die resultierende Bestrahlungsstärke auf der Erdoberfläche ist deshalb wetter- und ortsabhängig und variiert somit stark.
Trübungsindex
Linke versuchte, den Einfluss des Wasserdampfes und des Dunstes zu einem Trübungsfaktor oder Trübungsindex zusammenzufassen. Der Trübungsfaktor „T“ gibt dabei an, wie viele dunst- und absorptionsfreie Rayleigh-Atmosphären übereinander geschichtet werden müssten, um die gleiche über die Wellenlänge l integrierte Strahlungsintensität am Boden ankommen zu lassen, wie es die wirkliche Atmosphäre gestattet.
Der Trübungsfaktor schwankt tages- und jahreszeitlich, gestattet aber den Vergleich verschiedener Messungen an unterschiedlichen Orten. Die Trübung wirkt dabei z. B. auf die UV-Strahlung so ein, dass schon lange vor Mittag ein starker Abfall der UV-Intensität eintritt.
Bestrahlungsstärke
Der Bestrahlungsstärke entspricht der auf der Erdoberfläche ankommenden Einstrahlungsintensität zu einem bestimmten Zeitpunkt in W/m². Sie ist daher sehr stark vom Wetter und und dem Gehalt von Aerosolteilchen und Gasen in der Atmosphäre abhängig.
Außerdem ist die Bestrahlungsstärke generell auch stark ortsabhängig. Während am Äquator der Weg des Lichtes durch die Atmosphäre relativ kurz ausfällt, ist der Weg in Nähe der Polkappen deutlich größer und damit auch die Auswirkung der Trübung. Auch der Einstrahlungswinkel auf die Erdoberfläche nimmt im Jahresmittel mit zunehmender Entfernung zum Äquator ab, wodurch der Energieeintrag je m² reduziert wird.
Zur Ermittlung der Globalstrahlung wird für einen bestimmten Ort die eingestrahlte Energie für einen bestimmten Zeitraum (beispielsweise Tag oder Jahr) aufsummiert, der sich ergebende Energieeintrag in kWh/m² erlaubt Rückschlüsse auf den mittleren Energieeintrag für diesen Ort.
Sichtbares Tageslicht – Lumen und Lux
Das Tageslicht hat vielfältige Wirkungen auf Lebewesen. Beim Menschen erhöht es die Leistungsfähigkeit und stärkt die Abwehrkräfte gegen Erkrankungen. Tageslicht ermöglicht die Produktion von Vitamin A und D und unterdrückt die Melatonin-Produktion (Schlafhormon). So steuert es auch den circadianen Rhythmus des Menschen. Tagtäglich sorgt es für einen „Reset“ unserer inneren Uhr.
Diese Wirkungen setzen aber immer eine ausreichende Beleuchtungsintensität voraus. Wie bewertet man aber die „Beleuchtungsqualität“?
Der Lichtstrom
Der Lichtstrom Φ gemessen in Lumen (lm), ist die von einer Lichtquelle abgegebene und vom Auge wahrgenommene Strahlungsleistung im sichtbaren Bereich des gesamten Spektrums. Bei heute gebräuchlichen Lampen zur künstlichen Beleuchtung variieren die abgegeben Lichtströme von 100 lm bis zu mehreren tausend lm je Lichtquelle. Beim Tageslicht mit der Sonne als Lichtquelle ist dieser Wert so unvorstellbar groß und kommt so wenig davon auf der Erde an, dass der Lichtstrom für die Sonne nicht genutzt wird.
Die Beleuchtungsstärke
Die Beleuchtungsstärke E gemessen in Lux (lx) gibt das Verhältnis des Lichtstroms je beleuchteter Fläche an. 1 lx = 1 lm/m²
Im Gebäudesektor wird zwischen der Innenbeleuchtungsstärke Ei und der Außenbeleuchtungsstärke im Freien Ea unterschieden. Um eine Vorstellung von der Beleuchtungsstärke E zu bekommen, hier zwei Beispiele für Außenbeleuchtungsstärken:
- wolkenloser Sommertag: Ea = ca. 100.000 lx
- trüber Winternachmittag: Ea = ca. 3.000 lx
Natürliche Farben – die Mischung macht’s!
Die Sonne sendet uns den Strahlencocktail aus rot, orange, gelb, grün, blau, indigo und violett gleichmäßig gemischt. Keine der Regenbogenfarben färbt das Sonnenlicht. Das sich aus dieser Farbenmischung ergebende, neutral weiße Licht selbst können wir nicht sehen. Aber es lässt unserem Auge die Gegenstände in natürlichen Farben erscheinen.
Natürliche Farben sind relativ. Im Grunde genommen hat kein Gegenstand natürliche Farben. Wir sehen immer die Farben, die von den Gegenständen unter der jeweiligen Beleuchtung reflektiert werden (zu sehen an den wechselnden Farben des Meeres).
Alle Gegenstände unserer Umwelt sind durch ihre Eigenschaften für eine bestimmte Farbreflexion vorprogrammiert. Sie reflektieren nur Licht bestimmter Wellenlänge. Ob sie das können, hängt von dem Wellenangebot ab, das die Beleuchtung bietet. Bekommen sie von der Beleuchtung ihre Reflexionsfarbe nicht geboten, reflektieren sie nichts mehr.
Beispielsweise überwiegt im Angebotsspektrum von elektrischen Glühlampen bei weitem rot und gelb zu Lasten von blau. Dadurch erscheinen Gegenstände unter Glühlampen- oder Neonlicht farblich anders als unter Tageslicht.
Glühlampe
Leuchtstofflampe
Energiesparlampe
Das Tageslicht mit seiner gleichmäßigen Farbmischung ist in jedem Fall unübertroffen, denn jeder Gegenstand findet in dem gut sortierten Spektrum seine Reflexionsfarbe. So gesehen kann man mit Recht sagen, dass Tageslicht natürliche Farben produziert.
FVLR e.V. – Tageslicht auch in Gebäuden
In ihrem täglichen Leben verbringen die meisten Menschen einen Großteil ihrer Tage in geschlossenen Räumen von Gebäuden, sowohl berufsbedingt als auch privat. Die Ausleuchtung von Gebäuden mit natürlichem Tageslicht spart daher nicht nur Energie für künstliche Beleuchtung, sondern sie bildet auch eine wesentliche Grundlage für den natürlichen Biorhythmus der darin lebenden Menschen und fördert damit deren Gesundheit.
Die ausreichende Beleuchtung der Innenräume von Gebäuden mit Tageslicht, insbesondere auch bei großen Grundflächen ist die Mission der Mitglieder unseres Fachverbandes FVLR!
Unsere Mitglieder bieten sowohl die Beratungs- und Planungskompetenz als auch optimale Lösungen für die Ausleuchtung von Gebäuden durch das Dach.
Beratungskompetenz – Tageslichtplanung
Detailliertere Informationen rund um das Thema Tageslicht aus Ausleuchtung von Innenräumen mit Tageslicht finden Sie auch im nachfolgenden FVLR Fachwissen zu diesem Thema.
