Abhängig von der Jahreszeit und der Trübung der Erdatmosphäre variiert die Beleuchtungsstärke auf der Erdoberfläche E_a zwischen 3000 lux an trüben Winternachmittagen und ca. 100.000 lux an sonnigen Sommertagen.

Bereits lange vor den Schildbürgern haben die Menschen festgestellt, dass sich ihre Zelte oder Hütten nur durch offene oder zumindest lichtdurchlässige Flächen in Wänden und Dächern mit Tageslicht beleuchten lassen. Da diese immer Schwachstellen der Behausung darstellten und die Menschen ohnehin die meiste Tageszeit im Freien verbrachten, fielen Größe und Anzahl solcher Fensteröffnungen früher gering aus.

Erst mit der industriellen Herstellung moderner Verglasungsmaterialien und der Verlagerung vieler Arbeitsplätze in geschlossene Gebäude wuchs die Forderung nach einer bedarfsgerechten Ausleuchtung von Innenräumen mit Tageslicht.

Beleuchtungsstärke in Räumen

Die erforderliche Beleuchtungsstärke in Innenbereichen hängt also wesentlich von der Nutzung der Räume ab. In DIN EN 12464-1 „Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten“ wird für verschiedene Raumarten und Nutzungen der erforderlichen Beleuchtungsbedarf als Wartungswert der Beleuchtungsstärke Ē_m angegeben. Die folgende Beispiele zeigen die Bandbreite der Beleuchtungsbedarfe:

• 100 lux für untergeordnete Räume wie Flure und Lager und Pausenräume
• 200 lux für Kantinen und Sanitärräume sowie grobe Montagearbeiten
• 300 lux für Versand und Verpackungsbereiche, Backen und Schweißen
• 500 lux für medizinische Behandlungsräume, Lese- und Schreibtätigkeiten
• 1000 lux für feine Montagearbeiten, Lackierarbeiten und Qualitätskontrollen

Diese Beleuchtungsstärken sind zu jeder Tages- und Nachtzeit während der Nutzung der Räume bereitzustellen und bilden für die Kunstlichtplaner die Vorgabe für die zusätzlich vorzuhaltende elektrische Beleuchtung.

Diese Beleuchtungsstärken sollten tagsüber schon aufgrund des Energieverbrauchs von elektrischem Licht durch Dachoberlichter und Fenster als natürliches Tageslicht zur Verfügung gestellt werden. Um diese Forderung an möglichst vielen Tagen mit üblichen Witterungsbedingungen zur erfüllen, definiert die DIN 5034-6 eine Außenbeleuchtungsstärke E_a von 5000 lux als Vorgabe für den Tageslichtplaner. Dies entspricht etwa der Außenbeleuchtungsstärke in Höhe Kassel bei gleichmäßig bedecktem Himmel am 10. Dezember gegen 10 Uhr.

Die nachfolgenden Übersichten listen für viele Anwendungen die Anforderungen an die Beleuchtung mittels verschiedener Kenngrößen auf.

Als Mindestwerte für eine ausreichende Beleuchtung mit natürlichem Tageslicht sollten daher nach DIN 5034-6 die in folgender Übersicht angegebenen, erforderlichen Tageslichtquotienten in Abhängigkeit der angestrebten Beleuchtungsqualität für die Tageslichtbemessung zugrunde gelegt werden.

Tageslichtquotient

Aufgrund der großen Schwankungen der Helligkeit im Außenbereich erfolgt die Auslegung bei Tageslichtberechnungen anhand des Tageslichtquotienten D (für dessen englische Bezeichnung „daylight-factor“). Dieser wird aus dem Verhältnis der Beleuchtungsstärke an einem Punkt im Innenraum E_p zur Außenbeleuchtungsstärke E_a wie folgt ermittelt:

[Tageslichtquotient in %]

Der Tageslichtquotient gibt in Prozent den Anteil der Außenbeleuchtungsstärke an, der durch die Tageslichtöffnungen in einen Innenraum gelangt. An trüben Tagen ist er aufgrund der Proportionalität der Beleuchtungsstärken E_p und E_a und der rotationssymmetrischen Leuchtdichteverteilung des bedeckten Himmels unabhängig sowohl von der Tages- und Jahreszeit als auch von der horizontalen Orientierung der Tageslichtöffnungen und damit des Gebäudes.

Jeder Punkt in einem Raum hat seinen individuellen Tageslichtquotienten, wobei dieser vom Abstand des Punktes zur Tageslichtöffnung abhängt. Bei einem Raum mit nur einer mittigen Oberlichtöffnung ist der Tageslichtquotient direkt unter ihr am größten und es ist am hellsten. Zu den Seitenwänden hin sinkt die Helligkeit und der Tageslichtquotient fällt ab. Der Helligkeitsverlauf im Raum ähnelt einer Glockenkurve mit Zenit direkt unter der Öffnung. Der Tageslichtquotient und damit auch die Helligkeit im Raum wird bei dem Beispiel durch folgende wesentliche Faktoren beeinflusst:

• wird der Raum höher, verringert sich die Helligkeit im Raum insgesamt
• wird der Raum verbreitert, fällt die Helligkeit zum Rand hin stärker ab
• wird Oberlicht oder Lichtdurchlass vergrößert, nimmt die Helligkeit zu
• wird Oberlicht oder Lichtdurchlass verkleinert, nimmt die Helligkeit ab
• werden Wände und Schacht der Oberlichtöffnung dunkel gestrichen, verringert sich die Helligkeit im Raum durch die geringere Reflektion

Der Tageslichtquotient kann also in einem Raum enorm schwanken und ist in den dunkeln Ecken, die am weitesten von den Tageslichtöffnungen entfernt sind am geringsten, D_min, während er direkt im Bereich von Tageslichtöffnungen seine maximalen Werte D_max erreicht. Bei tiefen Räumen mit Fenstern in nur einer Wandfläche sticht dieser Effekt besonders stark hervor. Der mittlere Tageslichtquotient D̅, welcher als Mittelwert der Tageslichtquotienten von gleichmäßig über die Raumgrundfläche verteilten Punkten ermittelt wird, hat insbesondere für solche Räume aufgrund der ungleichmäßigen Lichtverteilung wenig Aussagekraft. Gut ausgeleuchtete Räume zeichnen sich also durch einen hohen Tageslichtquotienten mit einer möglichst geringen Schwankung aus. So ausgestattet bieten sie einen besonders hohen Nutzungskomfort.

Leuchtdichteabfall

Der Leuchtdichteabfall des gleichmäßig bedeckten Himmels zum Horizont hin hat einen wesentlichen Einfluss auf die Intensität der Einstrahlung auf die verschiedenen Gebäudeoberflächen.

Setzt man die Helligkeit im Zenit – also senkrecht über uns – zu 100 %, so sinkt die Leuchtdichte L_y immer tiefer, je mehr man zum Horizont heruntergeht. Am Horizont selbst erreicht der so gleichmäßig wirkende Himmel noch ganze 33 %, also 1/3 der Helligkeit vom Zenit. Diese Eigenschaft ist jahreszeitunabhängig. Grund hierfür ist der Leuchtdichteabfall, denn die rotationssymmetrische Leuchtdichteverteilung folgt der Funktion:

Lz	=	Leuchtdichte im Zenit
γ	=	Höhenwinkel

Die Leuchtdichte und damit die horizontale Einstrahlung (Höhenwinkel = 0°) beträgt die also nur ein Drittel der Leuchtdichte im Zenit und damit der vertikalen Einstrahlungsintensität.

Licht von oben ist also heller, und das über das ganze Jahr! Schon im Vergleich kleine Dachoberlichtöffnungen geben einem Raum somit genauso viel Licht wie wesentlich größere Fenster in unverbauten Außenwänden. Selbst wenn der Himmel bedeckt ist bekommen sie 100 % des verfügbaren Himmelslichts, wo Fenster in der Fassade nur 33 % erhalten.

Verbauung

Als Verbauungen werden alle Arten von feststehenden Hindernissen vor Tageslichtöffnungen verstanden, die die Lichteinfall durch Beschattung der Öffnung vermindern. Hierzu zählen beispielsweise:

• Berge und Hügelketten
• Sträucher, Bäume und andere Pflanzen
• Gebäude, Brücken und andere Bauwerke

Verbauungen mindern den Lichteinfall, indem sie den Bereich der möglichen Lichtquelle „Himmel“ verkleinern und meist aufgrund eines geringeren eigenen Reflexionsgrades selbst wenig zur Beleuchtungsstärke durch Reflexion beitragen.

Solche Verbauungen können bereits vorhanden sein, sich durch Wachstum von selbst entwickeln oder erst später errichtet werden. Vorhandene oder in Zukunft zulässige, mögliche Verbauungen müssen bei der Planung berücksichtigt werden, führen sie doch zu einer erheblichen Beeinträchtigung des möglichen Tageslichteintrages.

Generell gilt aber, dass die Häufigkeit von Verbauungen umso stärker ansteigt, je niedriger die Tageslichtöffnungen im Gebäude eingeplant werden. Kellerfenster sind daher fast zwangsläufig von Verbauung betroffen während Dachoberlichter aufgrund ihrer Einbaulage von Verbauung fast ausschließlich durch nahe stehende noch höhere Gebäude oder Berge und Hügelketten betroffen sein können, was aber in der Realität nur in Einzelfällen vorkommt.

Dachoberlichter in flachgeneigten Dächern

Dachoberlichter sind ausschließlich zum Einbau in flach geneigte Dächer vorgesehen, wobei sie idealerweise nicht in den Dachrandzonen eingebaut werden, um die in diesen Bereichen stark erhöhten Beanspruchungen an das Dach zu meiden. Auch für eine optimale Raumausleuchtung macht der Einbau direkt am Dachrand wenig Sinn, da sich das Licht gleichmäßig unter der Oberlichtöffnung in allen Richtung verteilt und somit in Abhängigkeit zur Raumhöhe auch ein entsprechender Bereich zu den Wänden hin noch gut beleuchtet wird.

Durch ihre nahezu horizontale Einbaulage sind sie voll dem Himmel zugewandt und der Leuchtdichtefall, der für die geringen Einbauneigungen berücksichtigt werden muss, ist vernachlässigbar. Das Licht steht in seiner vollen Intensität am Dachoberlicht zur Verfügung.

Der größte Vorteil von Dachoberlichtern gegenüber Fenstern ist die Möglichkeit sie frei in der Dachfläche zu platzieren und somit eine optimale Ausleuchtung mit Tageslicht in beliebigen Bereich der Innenräume zur Verfügung stellen zu können.

Bei Dachoberlichtöffnungen sind als Verbauungen nur umliegende Gebäude zu berücksichtigen, die deutlich höher sind, was manchmal in stark bebauten innerstädtischen Gebieten vorkommt. In der Regel steht aber für Oberlichter der ganze Himmel als Lichtquelle zur Verfügung.

Fenster in Außenwänden

Da die Lage von Fenstern zum Einlass von natürlichem Tageslicht auf die den Raum umgebenden Außenwände beschränkt ist, besitzen die meisten Räume nur nur auf einer oder bestenfalls auf zwei Seiten Fensteröffnungen. Diese leuchten die unmittelbar angrenzenden Bereiche an diesen Wänden auch gut aus. Berechnet man aber die Horizontalbeleuchtungsstärken eines Fensters in Abhängigkeit von der Raumtiefe, stellt man fest, dass die Beleuchtungsstärke rapide mit der Tiefe abnimmt. Bei üblichen Raumhöhen von etwa 2,50 m ist etwa ab einem Abstand von 2,50 m vom Fenster weg ein Arbeiten nur noch durch Anordnung eines Oberlichts in der Decke oder mit Kunstlicht möglich.

Durch ihre vertikale Einbauposition stehen den Fenstern durch den Leuchtdichteabfall auch nur 33% der Intensität des Himmelslichts zur Beleuchtung des Raumes zur Verfügung.

Die Berechnung der Horizontalbeleuchtungsstärke an einem üblichen Schreibtischarbeitsplatz zeigt daher:
Ein Arbeitsplatz, der vom Seitenfenster ebenso weit entfernt ist wie von einem Oberlicht darüber, muss ein 5 ½ -mal so großes Seitenfenster im Vergleich zum Oberlicht zum Erreichen der gleichen Helligkeit haben.

Zusätzlich ist die Verbauung von Fenstern wohl eher der Normalfall als eine Ausnahme, denn je niedriger die Fenster in einem Gebäude eingebaut sind, desto wahrscheinlicher werden sie durch umliegende Gebäude, Bäume etc. beschattet.

Aufenthaltsräume nach Landesbauordnungen (LBO)

Die grundlegende, in der Musterbauordnung stehende Anforderung, dass das Rohbaumaß der Fensteröffnungen mindestens 1/8 der Netto-Grundfläche des Raumes entsprechen muss, wird in einigen Landesbauordnungen so übernommen, in anderen wiederum abgewandelt und konkretisiert.

In Bundesländern, welche die Regel der Musterbauordnung unverändert übernommen haben, müssen mindestens 12,5 % der Raumgrundfläche als Fläche für Tageslichtöffnungen (Rohbaumaß) zur Verfügung stehen.

§ 34 der LBO Baden-Württemberg beispielsweise besagt: „Aufenthaltsräume … müssen unmittelbar ins Freie führende Fenster von solcher Zahl, Lage, Größe und Beschaffenheit haben, dass die Räume ausreichend mit Tageslicht beleuchtet werden können (notwendige Fenster). Das Rohbaumaß der Fensteröffnungen muss mindestens ein Zehntel der Grundfläche des Raumes betragen; … Ein geringeres Rohbaumaß ist bei geneigten Fenstern sowie bei Oberlichtern zulässig, wenn die ausreichende Beleuchtung mit Tageslicht gewährleistet bleibt.“

In Baden-Württemberg müssen mindestens 10 % der Raumgrundfläche als Fläche für Tageslichtöffnungen zur Verfügung stehen oder eine ausreichende Ausleuchtung durch Oberlichter oder Dachfenster wird anderweitig beispielsweise mittels Berechnung der Tageslichtquotienten nachgewiesen.

Räume mit Arbeitsplätzen (ASR A3.4)

Nach ASR A3.4 (3) fordert für die Beleuchtung mit Dachoberlichtern einen Tageslichtquotient größer als 4 % oder alternativ ein Verhältnis der gesamten Oberlichtfläche zur Raumgrundfläche von mindestens 1:10 (entspricht ca. 1:8 bezogen auf Rohbaumaße). Für die Ermittlung des Tageslichtquotienten an den einzelnen Arbeitsplätzen kann das weiter unten beschriebene Verfahren zur Fachplanung angewandt werden. Vor allem in frühen Projektstadien (in der Entwurfsphase) liegen die hierfür erforderlichen Daten häufig noch nicht vor.

Nach dem alternativen Flächenverfahren müssen mindestens 12,5 % der Raumgrundfläche als Fläche für Tageslichtöffnungen (Rohbaumaß) zur Verfügung stehen.

Weiterhin fordert die die ASR A3.4 eine gleichmäßige Verteilung der eingebauten Dachoberlichter (2) sowie Verglasungsmaterialien, welche den Farbeindruck des Lichtes möglichst wenig verändern (3).

Um die gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten darf der Abstand der Dachoberlichter voneinander nicht größer als die lichte Raumhöhe sein. (Der Wert sollte auch zu Wänden sinngemäß eingehalten werden.)

Die Verglasung muss farbneutral sein, zum Beispiel klar, opal oder weiß.

1. Die Gesamtfläche der Tageslichtöffnungen sollte in jedem normal genutzten Raum mindestens 10 % der Raumgrundfläche betragen. Sollen Fenster oder Oberlichter mit breiten Rahmen in der Lichtfläche oder schräg gestellte Aufsetzkränzen eingesetzt werden, sollte der Anteil mindestens auf 12,5 % der Raumgrundfläche erhöht werden.
2. Der Abstand zwischen Dachoberlichtern und zu Wänden mit Fenster sollte nicht größer als die Raumhöhe sein. Zu Wänden ohne Fenster sollte die halbe lichte Raumhöhe nicht überschritten werden.
3. Die Verglasung von Fenstern sollte klar ausgeführt werden, um Durchsicht nach außen zu ermöglichen. Die Verglasung von Dachoberlichtern sollte opal oder weiß eingefärbt ausgeführt werden, um die Lichtstreuung und Blendfreiheit zu verbessern.

Um die Verteilung der Tageslichtquotienten für bekannte Tageslichtöffnungen über einem Raum zu ermitteln, werden gegenüber der Grobplanung beispielsweise folgende Einflussfaktoren detaillierter berücksichtigt.

• Ausrichtung des Raumes / der Oberlichter zur Bahn der Sonne
• detaillierte Einbaupositionen und ggf. vorhandene Verbauungen
• Oberlichtform, Transmissionsgrad und Versprossung
• angenommener Verschmutzungsgrad der Verglasung
• Höhe, Neigung und Reflexionsgrad der Lichtschächte
• Raumproportionen und Reflexionsgrade der Raumoberflächen

Mittels einer entsprechenden Bemessungssoftware können anhand dieser Daten für eine gegebene Außenbeleuchtungsstärke die entsprechend zu erwartenden Innenbeleuchtungsstärken an verschiedenen Positionen des Raumes ermittelt und als Verteilung über die Raumgrundfläche visualisiert werden.

Blendschutz

ASR A3.4 – Beleuchtung und Sichtverbindung

§5.2 „Maßnahmen zur Begrenzung der Blendung“

„(1) Störende Blendung durch Sonneneinstrahlung ist zu vermeiden oder, wenn dies nicht möglich ist, zu minimieren. Zur Begrenzung störender Blendungen oder Reflexionen können z. B. Jalousien, Rollos und Lamellenstores dienen. Bei Dachoberlichtern können dies z. B. lichtstreuende Materialien oder Verglasungen mit integrierten Lamellenrastern sein.“

„(2) Die Anforderungen aus der ASR A3.5 „Raumtemperatur“ bezüglich übermäßiger Sonneneinstrahlung (siehe Abschnitt 4.3 sowie Tabelle 3 der ASR A3.5) sind zu beachten“

Sonnenschutz

Um das Innenraumklima an warmen Sommertagen zu verbessern, werden für Dachoberlichter häufig auch Sonnenschutzsysteme gewünscht.

Diese unterscheidet man in permanente und fahrbare Sonnenschutzsystem. Permanent wirken zum Beispiel stärkere Einfärbungen bei Kunststoffplatten oder auch matthelle Folien in Isolierglasscheiben. Diese verringern aber auch die Lichttransmission stark. Um Unterschied dazu bieten hochwertige Sonnenschutzbeschichtungen den Vorteil dass der Energieeintrag stark reduziert wird während die Lichttransmission nur geringfügig beeinflusst wird.

Mit fahrbaren Sonnenschutzsystemen kann der Licht- und Energieeintrag der Dachoberlichter je nach Bedarf geregelt werden und sie leisten dadurch immer den optimalen Beitrag für ein helles, angenehmes Innenklima.

Unsere FVLR Broschüre „Tageslicht kurzgefasst“ gibt Architekten, Planern und Errichtern Informationen an die Hand, ob und wie die Vorteile des Tageslichtes wahrgenommen und in der Beleuchtung von Innenräumen umgesetzt werden. Sie enthält die wichtigsten Fakten zu den Qualitätsmerkmalen einer Tageslichtbeleuchtung. Kurz und knapp wird beschrieben, wie Arbeitsplätze wirkungsvoll mit Tageslicht durch Fenster und Dachoberlichter versorgt werden können und welche Materialien und Produkte es ermöglichen, Tageslicht je nach Nutzungsanforderung in verschiedensten Gebäudetypen gezielt einzusetzen.

Die hochgelegenen Dachoberlichtöffnungen stehen aber nicht nur für die Versorgung mit gesundem, natürlichen Tageslicht zur Verfügung.

Mit Öffneraggregaten versehen sorgen sie als Lüftungsgeräte für frische Luft in Büros und Werkhallen und führen verbrauchte Luft energiekostenfrei ab.

Im Brandfall schaffen Dachoberlichter, die als natürliche Rauch- und Wärmeabzugsgeräte ausgerüstet sind, für eine raucharme Schicht, die Selbstrettung, Fremdrettung und den gezielten Löschangriff der Feuerwehr ermöglichten.