LED als Lichtquelle im Stall

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1 Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft LED als Lichtquelle im Stall Prof. Klaus Reiter & Maike Müller Weiterbildungskurs Baufachleute Tänikon, 3. November 2015 Quelle:

2 Gliederung Licht & dessen Kenngrößen Bedeutung von Licht LED als Leuchtmittel Vorteile von LED-Licht Lichtplanung im Stall 2

3 Was ist Licht? Licht ist eine elektromagnetische Strahlung von der Sonne Sichtbarer Bereich für den Menschen von 380 bis 780 nm. (Quelle: Licht in der Rinderhaltung, Holsteg) Sonnentag: Lux; Sommertag im Schatten: Lux Bürobeleuchtung: 500 Lux, Mondlicht 0,25 Lux

4 Bedeutung von Licht Verarbeitung von visuellen Informationen im Sehzentrum (visuelles Sehen) und von nicht-visuellen Informationen im Hypothalamus (Innere Uhr, circadianes Sehen ) Dabei sind die Wellenlängen des Lichtes die Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte und Farbwiedergabe die Dauer der Lichteinwirkung von Bedeutung

5 Kenngrößen des Lichts Lichtstrom in [Lumen] Alles Licht, das die Lampe nach allen Seiten abgibt Lichtstärke in [Candela] In einer bestimmten Richtung ausgesendetes Licht Beleuchtungsstärke in [Lux] Licht, das auf einer bestimmten Fläche ankommt 5

6 Kenngrößen des Lichts Leuchtdichte in [Candela pro m²] Helligkeit einer Fläche, die das Auge wahrnimmt 6

7 Messinstrumente Beleuchtungsstärkemessgerät Messhöhe bodennah (20 cm) Messung horizontal Messstativ verwenden Messraster an Stall anpassen gut messbar Leuchtdichtemessgerät Messgerät in Augenhöhe und Blickwinkel des Tieres ausrichten Szenarien definieren schwieriger messbar

8 Kenngrößen des Lichts: Farbwiedergabeindex R a Unterscheidung der 14 Testfarben, R a = 100 bei Sonnenlicht eingeschränkt messbar in Stallumgebung, Messungenauigkeit gut messbar im Labor mittels Nahfeldgoniometer & Ulbricht-Kugel 8 Lichtmessung in der Stallumgebung Daniel Werner FH Bielefeld Fachbereich IuM FSP ITES

9 Kenngrößen des Lichts Farbtemperatur in [Kelvin] < K warmweißes Licht bis K neutralweißes Licht > K kaltweißes / tageslichtweißes Licht download.e-bookshelf.de 9

10 Messstrategien orientierende Messung für Landwirte horizontale Beleuchtungsstärke grobes Messraster wissenschaftliche Messung für Berater und Lichttechniker horizontale Beleuchtungsstärke vertikale Beleuchtungsstärke Leuchtdichte Farbwiedergabeindex feines Messraster

11 Bedeutung von Licht zur Orientierung bei den Tieren Licht auf Transportfahrzeuge In vielen Ställen ist es für die Tiere zu dunkel

12 Bedeutung von Licht für den Landwirt Tierkontrolle und Tierbeobachtung Arbeitssicherheit -atmosphäre Erkennen von Verletzungen und Schäden (Farbwiedergabe)

13 Wie sehen Rinder? 13

14 Sehfeld des Rindes Binokulares Sehen Monokulares Sehen Blinder Bereich Rind Mensch

15 Sehschärfe beim Rind etwa 30 % der Sehschärfe des Menschen Die Sehschärfe sinkt mit der Beleuchtungsintensität kaum Akkommodation (nur scharf im Nahbereich) Verhalten der Rinder, Mounaix,

16 Bewegungssehen bis zu 60 Bilder pro Sekunde (Mensch Hz) keine hektischen Bewegungen & keine flimmernden Lampen 16

17 Dämmerungssehen verbessert durch Restlichtverstärkung mittels Tapetum lucidum (reflektierende Schicht im Auge) keine Nachtbeleuchtung notwendig fürs Rind langsame Adaptation an Hell & Dunkel gleichmäßige Ausleuchtung im Stall Schatten vermeiden 17

18 Rinder sind Dichromaten Farbensehen 2 Zapfen (Rezeptoren) sehen grün, gelb, blau gut, aber rot schlecht Nach Jacobs et al

19 Die Lichtwirkung ist mehr als Sehen Licht wirkt auf photosensitive Ganglienzellen in der Retina Impuls wird weitergeleitet zur inneren Uhr im Hypothalamus Einfluss auf: Tag/Nacht- & Jahres-Rhythmus Stoffwechsel Hormone Wachstum Fruchtbarkeit Milchbildung Wohlbefinden 19

20 Die Beleuchtungsstärke und -dauer (Spektrum) beeinflussen die Milchbildung und das Wachstum innere Uhr Durch lange Lichttage > 12 Stunden mit hohem Blauanteil im Licht (150 LUX) wird mehr Prolaktin und IGF-1 (Leber) gebildet. Diese steigern die Milchbildung und das Wachstum

21 Sensitivität für circadianes Sehen

22 Einfluss der Beleuchtungsdauer auf die Milchleistung September bis April 16 Stunden Licht, Lux Milchleistung (kg/tag) 1 = Peters et al., = Peters et al., = Marcek & Swanson, = Stanislewski et al., = Evans & Hacker, 1989 Milchleistung war im Mittel um 2,0 kg je Tag erhöht Die Milchzusammensetzung blieb unbeeinflusst

23 Lichtanforderungen im Stall Beleuchtungsstärke (Dämmerungsschalter) 150 Lux in der Tagphase max. 10 Lux in der Dunkelphase (Orientierungslampe am AMS) Farbtemperatur bis Kelvin (tageslichtweiß) Beleuchtungsdauer (Zeitschaltuhr) Milchvieh >12 h Trockensteher 8 h Kälber, Jungvieh 16 h 23

24 Leuchten-Vergleich Natrium- Dampflampe Halogen- Metalldampflampe LED-Strahler Vorteile hohe Lichtausbeute weißes Licht gute Farbwiedergabe Kuh-gerechtes Spektrum hohe Lichtausbeute lange Lebensdauer umweltfreundlich schnelle Einschaltzeit Nachteile orangenes Licht schlechte Farbwiedergabe lange Einschaltzeit Entsorgung geringere Lichtausbeute hohe Anschaffungskosten 24

25 LED-Licht (Prinzip der Phosphorkonversion) Phosphormischungen Das Licht entsteht durch Umwandlung elektrischer Energie in Halbleiterdioden Das Licht ist monochromatisch Motifolio Inc. Farbtemperaturen von 2700 bis K möglich 25

26 Vor und Nachteile von LED Licht LED s sind die effizientesten Leuchtmittel (zz. 150 lm/watt) Der Einsatz ist sehr flexibel, dimmbar Lange Lebensdauer (> Stunden) Farbtemperatur, auch alle Lichtfarben sind einstellbar Farbwiedergabe sehr hoch keine umweltschädlichen Materialien oder Gase werden verwendet Vorschaltgeräte arbeiten niederfrequent Startverhalten in Nanosekunden, Schalten hat keinen Einfluss Hohe Temperaturen können Einfluss auf die Lebensdauer haben Zum thermischen Management ist ein Kühlkörper notwendig Bisher noch teurer als herkömmliche Leuchtmittel 26

27 Kuhgerechtes Farbspektrum LED s entsprechen besser dem Sehen der Rinder als Natriumdampflampen

28 Farbwiedergabe bei verschiedenen Lampen Sonnenlicht lässt die Farben natürlich aussehen. Bei Lichtquellen mit ungleichmäßiger Verteilung der Spektralfarben ist die Farbwiedergabe geringer. (Farbwiedergabeindex) Lichtquelle Farbwiedergabeindex Sonnenlicht 1,00 LED-Lampen 95 Halogen-Metalldampfl. 72 Na-Hochdrucklampen 35

29 LED-Strahler Hallenleuchte 1200 LED s im Strahler 100 W; 100 lm/w Abstrahlwinkel 120 Farbtemperatur 6500 Kelvin Schutzart IP Betriebsstunden Kosten 600 Euro

30 LED-Langfeldleuchten Feuchtraumwannenlampe 50 W Lichtleistung Farbtemperatur 4000 K 100 lm/w Optimiertes Wärmemanagement IP bis 300 Euro

31 Retrofit-Lampen und mögliche Gefahren (LED-Ersatzleuchtmittel für konventionelle Leuchtengehäuse) Gefahr durch elektrischen Schlag Unzulässige Erwärmung Schutzklasse II wird nicht eingehalten Beleuchtungsstärken zu gering (ASR - Technische Regeln für Arbeitsstätten) Blendungsgefahr Schutzart (IP) wird nicht erreicht Zu hohes Gewicht 31

32 Planungshinweise (kleiner Milchviehstall) Liegeboxenlaufstall mit 72 Kuhplätzen, 54 für Jungvieh, 30 Kälber Außenklimastall automatisches Melksystem

33 Beleuchtungssimulation (Lux) Stall: 53 m Länge und 26 m Breite 33

34 Verteilung der LED Strahler im Stall LED Strahler 8 m 3 m Langfeldleuchten 6 m 10 m 5 m 20 LED Strahler 18 Langfeldleuchten

35 Stall mit LED Licht

36 Planungshinweise (großer Milchviehstall) 120 laktierende Kühe Stall 50 x 36 Meter 40 LED Strahler Lampenabstand 5 m

37 Gemessene Beleuchtungsintensität 37

38 Lichtplanung in einem alten Stall Leuchtstoffröhren LED Jungviehstall Tierbereich 21,80 m x 4,70 m bei 2,60 m Deckenhöhe 95 Messpunkte (Rasterweite 1 m) 3 Messungen (vor & nach Reinigung der Leuchtstoffröhren, nach Umbau auf LED)

39 Beleuchtungssimulation Simulation mit der Software DIALux M. Pulfer Stallmaße und EulumDat der Leuchte notwendig Verwendung zur Lichtplanung optimale Auswahl und Verteilung der Leuchten

40 Ergebnisse der Lichtmessung Langfeldleuchte vor Reinigung Langfeldleuchte nach Reinigung LED Mittlere Beleuchtungsstärke 30,4 lx 42,0 lx 142,4 lx Minimale Beleuchtungsstärke 3 lx 5 lx 34 lx Maximale Beleuchtungsstärke 106 lx 126 lx 267 lx Gleichmäßigkeit 0,10 0,12 0,24

41 Kostenvergleich (Neser, 2012) 41

42 Zusammenfassung Bedeutung von Licht Sehen, Orientierung, Bewegung biologischer Rhythmus, Leistung Arbeitskomfort, Sicherheit Landwirt Vorteile von LED-Licht Spektrale Zusammensetzung optimal Hohe Beleuchtungsstärke und Farbwiedergabe Geringer Stromverbrauch Langlebigkeit LED ist Lichttechnik der Zukunft 42

43 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 43