en- Biodynamische Beleuchtung

Ein Adjektiv, das sich aus den griechischen Wörtern βίος (bios: Leben, Lebendigkeit) und δύναμις (dynamis: Kraft, Potential, Veränderlichkeit) bezieht sich nicht nur auf die künstliche Beleuchtung, deren Veränderlichkeit das Tageslicht imitiert, sondern auch auf die Einwirkung äußerer Kräfte auf lebende Organismen (neben der Biomechanik) oder auf die Anbaumethode Rudolf Steiners (neben dem ökologischen Landbau) oder zum Beispiel auf Signale aus dem Universum, die auf das Vorhandensein von Leben hinweisen.

en- Das Attribut, das sich aus den griechischen Wörtern βίος (bios: Leben, Lebendigkeit) und δύναμις (dynamis: Kraft, Potential, Veränderlichkeit) zusammensetzt, wird nicht nur für künstliches Licht verwendet, das mit seiner Veränderlichkeit das Tageslicht imitiert, sondern auch für die Wirkung äußerer Elemente auf lebende Organismen (bezogen auf die Biomechanik) oder eine Form der Landwirtschaft nach Rudolf Steiner (bezogen auf die umweltfreundliche Landwirtschaft) oder zum Beispiel Signale aus dem Weltraum, die ein Hinweis auf die Anwesenheit von Leben wären.

LICHT VOM HIMMEL

Die Variabilität des Tageslichts ist auf die Umlaufbahn der Erde um die Sonne, ihre Drehung um die eigene geneigte Achse und das Vorhandensein einer Atmosphäre zurückzuführen. Das Sonnenlicht wird beim Durchgang durch die Atmosphäre teilweise gestreut, und die direkte und die Himmelskomponente setzen sich für den Beobachter je nach den atmosphärischen Bedingungen des Augenblicks neu zusammen.

Abb. 1 Azimut und Höhe der Sonne während des Tages und des Jahres bei 50°N und 15°E [5].

LICHT IN INNENRÄUMEN

Aufgrund seiner Variabilität kann das Tageslicht allein in den meisten Fällen nicht die für die Ausführung von Sehaufgaben erforderliche kontinuierliche Beleuchtung bieten. Die heute übliche künstliche Beleuchtung ist fluoreszierend und statisch. Es lässt sich nur ein- und ausschalten - oft in Abschnitten - und selten dimmen. Die Farbtemperatur des typischen Kunstlichts ist festgelegt.

DIE NOTWENDIGKEIT DER BELEUCHTUNGSVIELFALT

Der Mensch ist sich bewusst und empfindet unbewusst das Bedürfnis nach unterschiedlichen Lichtverhältnissen bei verschiedenen Tätigkeiten und zu verschiedenen Tageszeiten. Statistiken zufolge bevorzugen wir bei der Büroarbeit etwa 2.000 lx neutrales oder kühles Licht (die Norm [1] fordert mindestens 500 lx mittlere Beleuchtungsstärke). Am Abend hingegen entspannen wir uns bei einigen Dutzend Lux warmem Licht. Wir versuchen also, die Variabilität des Tageslichts im Rahmen der verfügbaren Mittel zu emulieren.

NICHT-VISUELLE WIRKUNGEN DES LICHTS

Licht hat nicht nur Auswirkungen auf unser Sehvermögen - es stimuliert unser Nervensystem und synchronisiert unsere innere biologische Uhr. Die lichtempfindlichen retinalen Ganglienzellen (ipRGCs), die diese Wirkung vermitteln, sind am empfindlichsten für die blaue Komponente des Lichts und überwiegen im unteren Teil der Netzhaut, wo der Himmel nach außen projiziert wird. Dieses Signal stellt unsere zentrale Uhr auf den Beginn des Tages ein. Es steuert den Wach-Schlaf-Zyklus, den Hormonspiegel, die Körpertemperatur und synchronisiert die inneren Uhren der verschiedenen Organe. Die Länge des Tages dient als Lichtkalender für photoperiodische Tiere, der ihre jährlichen Lebenszyklen steuert, sei es Winterschlaf, Fellwechsel oder sogar Fruchtbarkeit. Saisonale Stimmungsschwankungen, ein erhöhter Lichtbedarf im Winter oder ein Energieschub im Vorfrühling legen nahe, dass auch der Mensch eine jährliche Photoperiode hat. Die Norm [2] sieht die Berücksichtigung der außersinnlichen Wirkungen des Lichts bei einer künftigen Überarbeitung der Norm [1] für künstliche Beleuchtung vor, und ein Vorschlag für eine solche Erweiterung ist in der Norm [3] beschrieben.

"KÜNSTLICH" VERSUS "NATÜRLICH"

Das Tageslicht ist von Natur aus unersetzlich, und wir können uns ihm nur mit technischen Mitteln auf verschiedene Weise nähern. Wir reagieren auf künstliches Licht anders als auf Tageslicht. Wir können gewöhnliches Kunstlicht in Innenräumen von Tageslicht unterscheiden, ohne nach der Quelle zu suchen. Zu den unbewussten Kriterien können die folgenden gehören:

• Beleuchtungsstärke - ist sie dem erwarteten Niveau angemessen?
• Kontrast - liegt die Helligkeitsverteilung in einem akzeptablen Bereich?
• Farbigkeit - passt sie zu dieser Tageszeit?
• Farbwiedergabe - stimmen die Erinnerungsfarben (Haut, vertraute Gegenstände) überein?
• Wiedergabe von Formen - sind die Schatten von Objekten natürlich (oder zu scharf/weich oder mehrfach)?
• Richtung des Schattens - kann der Einfallswinkel mit dem tatsächlichen Sonnenstand übereinstimmen?

Wenn die meisten Antworten Nein lauten, ist es schwer zu glauben, dass der Raum durch Tageslicht beleuchtet wird. Manchmal kommt es jedoch vor, dass Menschen den Eindruck haben, dass es in einem künstlich beleuchteten Raum kein Licht gibt und nur Tageslicht in den Raum eindringt. Vielleicht gibt es also einen gewissen Grad der Annäherung, ab dem wir künstliches Licht als Tageslicht betrachten würden.

ZOOM I - INTENSITÄT

Die Beleuchtungsstärke im Freien kann an einem klaren Sommertag mittags etwa 100.000 lx betragen. Im Gegensatz dazu ist die künstliche Beleuchtung in Innenräumen um zwei bis drei Größenordnungen geringer. Die Hersteller bieten inzwischen die meisten Leuchten in dimmbaren Versionen an. Solche Leuchten können an ein spezielles Kommunikationsnetz angeschlossen werden, das der Nutzer über Taster, Dimmer, Szenenwahlschalter, Bedienfelder oder über eine App auf dem Computer oder Smartphone steuern kann. So können sie die Lichtverhältnisse für verschiedene Tätigkeiten oder Tageszeiten im Voraus festlegen oder die gewünschte Beleuchtungsstärke individuell einstellen. Neben den Leuchten können auch Präsenzmelder, Lichtsensoren oder Beschattungselemente an ein solches Netzwerk angeschlossen werden. Die automatische Beleuchtungssteuerung kann eine Quelle erheblicher Energieeinsparungen sein [2]. DALI- und KNX-Systeme sind weit verbreitet. Die biodynamische Beleuchtung kann über ein Steuergerät oder einen Computer mit einem Programm erfolgen, das die Intensität der künstlichen Beleuchtung über den Tag hinweg anpasst. Der Algorithmus berechnet die theoretische horizontale Außenbeleuchtungsstärke für die aktuelle Uhrzeit und das aktuelle Datum und kann auch die geometrische Anordnung und Ausrichtung des Raums, die Arbeitszeiten der Nutzer, die Einstellungen der Steuerungen und Sensoren berücksichtigen oder eine variable Komponente aus einem Pseudo-Zufallszahlengenerator (Wolkensimulation) hinzufügen. Anschließend sendet es die berechnete Helligkeitsanforderung an das Beleuchtungsnetz.

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Abb. 2 Modellierte Wellenform der Beleuchtungsstärke im Außenbereich für den 21. Juni; der DALI-Steuerungscode für die Simulation der Wellenform im Innenbereich ist in rot dargestellt.

ZOOM II - CHROMATIZITÄT

Je nach Höhe der Sonne über dem Horizont durchläuft das Sonnenlicht unterschiedliche Schichten der Atmosphäre: um die Mittagszeit ist sie dünn, tief über dem Horizont ist sie dicker. An Molekülclustern (oder Druckschwankungen) kommt es zur Rayleigh-Streuung von Licht (einem Spezialfall der Mie-Streuung), deren Wirkungsquerschnitt umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge der Strahlung ist. Violettes Licht der Wellenlänge λ = 380 nm wird 16-mal stärker gestreut als rotes Licht der Wellenlänge λ = 760 nm (die Ränder des sichtbaren Spektrums). Aufgrund der Kombination aus dem Spektrum des Sonnenlichts über der Atmosphäre, der Streuung und der spektralen Empfindlichkeit unseres Sehvermögens sehen wir den Himmel und die Erde aus dem Weltraum blau. Bei gutem Wetter erscheint die Sonne zur Mittagszeit gelblich-weiß, bei Sonnenauf- oder -untergang golden und bei verschmutzter Luft sogar rot. An einem wolkenlosen Tag variiert die Farbtemperatur der direkten Komponente ungefähr wie in Abbildung 3 dargestellt. Der Tc-Wert des nördlichen Himmels liegt in den Zehntausenden von Kelvin, und bei gleichmäßig bewölktem Himmel beträgt der Tc-Wert tagsüber etwa 6 500 K.

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Abb. 3 Modellläufe der Farbtemperatur und des circadianen Index der direkten Tageslichtkomponente für den 21. Juni.

Das Steuergerät kann auch die Farbtemperatur steuern - wenn die Leuchten dies zulassen. Bei Leuchtstofflampen ist die Farbtemperatur durch die Zusammensetzung des Leuchtstoffs festgelegt, und eine Tc-Steuerung ist nur durch Lichtquellen mit einer anderen Farbtemperatur möglich - entweder in derselben oder in einer anderen Leuchte. Bei LEDs ist die Situation viel besser: Es gibt Module und Streifen auf dem Markt mit Licht von zwei verschiedenen Farbtemperaturen oder RGBW oder RGBA (Rot - Rot, Grün - Grün, Blau - Blau, Weiß - Weiß oder Amber - Gelb), die vier Farbkomponenten enthalten, aus denen (im Gegensatz zu einfachem RGB) ein hochwertiges weißes Licht (Ra > 90) über einen großen Bereich von Farbtemperaturen zusammengestellt werden kann. Neu entwickelte abstimmbare OLED-Materialien ermöglichen die gleichzeitige Steuerung des Lichtstroms und der Farbtemperatur.

Zwischen den Kurven des Kruithof-Diagramms finden sich angenehme Kombinationen von Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke. Für den aktiven Teil des Tages sind höhere Beleuchtungsstärken (über 500 lx) geeignet, die kühleren Farbtönen (> 5 000 K) entsprechen. Hier ahmt die künstliche Beleuchtung das helle Sonnenlicht nach. Für die Entspannung und die Vorbereitung auf den Schlaf ist dagegen wärmeres Licht vorzuziehen, das bei niedrigeren Beleuchtungsstärken (einige zehn bis mehrere hundert Lux) angenehm ist und gleichzeitig ein Vielfaches weniger an biologisch aktivierender Komponente enthält als kühles Licht. Es ahmt also die untergehende Sonne oder das Feuerlicht nach.

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Abb. 4 Kruithof-Diagramm.

ZOOM III - LICHTRICHTUNG

Künstliche Beleuchtung kann auch die scheinbare Bewegung der Sonne über den Himmel nachahmen (siehe Abbildung 1). Durch Drehen von Teilen der Leuchten oder ihrer optischen Komponenten kann das Licht in den erforderlichen Winkeln gelenkt werden. Es ist auch möglich, zusätzliche Leuchten an den Wänden oder als Teil des Innenraums zu verwenden. Diese können im Vergleich zu den Deckenleuchten einen geringeren Lichtstrom, aber auch eine geringere Farbtemperatur haben, da das Steuerungssystem sie nur aktiviert, wenn die Sonne tief über dem Horizont steht (weniger intensives und wärmeres Licht). Sie kann zur Simulation realer Himmelsereignisse ebenso eingesetzt werden wie in einem "verlängerten Tag"-Programm im Büro, bei dem die biodynamische Beleuchtung als Lichtuhr fungieren kann, die dem Benutzer anzeigt, dass die Ruhezeit naht.

SCHLUSSFOLGERUNG

Tageslicht steuert unsere biologischen Rhythmen. Künstliches Licht ist im Moment noch weitgehend statisch. Alle Elemente zur Umsetzung einer biodynamischen künstlichen Beleuchtung sind heute vorhanden. Wir können also künstliches Licht so steuern, dass es eine ähnliche Wirkung auf unseren Biorhythmus hat wie das Tageslicht.

Schaubilder: Archiv des Autors, [5]

Literatur:

[1] EN 12464-1 Licht und Beleuchtung - Beleuchtung von Arbeitsstätten: Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen. ÚNMZ, 2012.

[2] EN 15193 Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden: Energieanforderungen für die Beleuchtung. CNI, 2008.

[3] DIN SPEC 67600 Biologisch wirksame Beleuchtung - Planungsempfehlungen, 2013.

[4] COELUX SRL: Experience the sky: Insubria University Spin-off. Online, abgerufen am 24. März 2015, verfügbar unter: http://www.coelux.com/.

[5] Programm zur Darstellung der Sonnenbahn. UNIVERSITÄT VON OREGON: Solar Radiation Monitoring Laboratory. Online, abgerufen am 24. März 2015, verfügbar unter: http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.html.

Autor: Antonín Fuksa Veröffentlicht in ERA21 2/2015