Tageslichtbeleuchtung in Gebäuden

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1 Tageslichtbeleuchtung in Gebäuden S. Aydinli Technische Universität Berlin Fachgebiet Lichttechnik, Sekr. E6 Einsteinufer Berlin

2 Innenraumbeleuchtung mit Tageslicht / gestern 50er und 60er Jahre: Weiterentwicklung und breiten Einsatz von L-LampenL Lampen - Gebäude mit ständiger Kunstlichtbeleuchtung in USA - fensterlose Schulräume ume in Berlin Ständige Tageslichtergänzungsbeleuchtung (STEB) Permanent Supplementary Artificial Lighting of Interior (PSALI) E PSALI? E STEB?

3 Innenraumbeleuchtung mit Tageslicht / heute Tageslichtabhängige Beleuchtungskontrolle

4 Inhalt Einleitung - Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / gestern und heute Zurzeit geltende Regelwerke Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden - Psychologische Aspekte - Physiologische Aspekte / lichttechnische Aspekte - Gesundheitliche und ergonomische Aspekte - Störende Wirkungen / Blendung - Energetische Aspekte / Wirtschaftlichkeit - Architektonische Aspekte / solares Bauen Tageslichtabhängige Beleuchtungskontrolle und Energieeinsparpotential Tageslichtquotient

5 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / gestern Ausgangspunk: Psychologische Aspekte - Sichtverbindung nach außen - Helligkeitseindruck des Innenraumes (subjektive Bewertung) Arbeitsstättenverordnung - ArbStättV ASR 7/1 Sichtverbindung nach außen DIN 5034 Tageslicht in Innenräumen

6 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / gestern Arbeitsstättenverordnung - ArbStättV 7: Beleuchtung Sichtverbindung nach außen ASR 7/1 Regelung der Sichtverbindung nach außen Beschaffenheit Lage und Abmessungen von Fenstern Gesamtfläche der Sichtverbindungen

7 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / gestern DIN 5034 Wohn- und Arbeitsräume - Sichtverbindung nach außen - ausreichende Helligkeit (Helligkeitseindruck, subjektive Bewertung) Ausreichende Helligkeit wird über Tageslichtquotient (D in %) bei vollkommen bedecktem Himmelszustand bestimmt.

8 DIN 5034 Tageslichtquotient Die ausreichende Helligkeit in Innenräumen wird über den Tageslichtquotient bestimmt. Der Tageslichtquotient D (Daylight factor) wird als Verhältnis der Beleuchtungsstärke E P in einem Punkt einer gegebenen Ebene, die durch direktes und/oder indirektes Himmelslicht bei angenommener oder bekannter Leuchtdichteverteilung des Himmels erzeugt wird, zur gleichzeitig vorhandenen Horizontalbeleuchtungsstärke E a im Freien bei unverbauter Himmelskugel definiert. D = E E P a 100% Für den Anwendungsbereich nach dieser Norm gilt der Tageslichtquotient für die Beleuchtung durch den vollkommen bedeckten Himmel. In diesem Fall ist der Tageslichtquotient für jeden Raumpunkt eine konstante Größe.

9 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / gestern Beleuchtung mit künstlichem Licht war die eigentliche Beleuchtung in Innenräumen.

10 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / heute Tageslichtnutzung in Gebäuden Nichtwohngebäude Visuelle und thermische Behaglichkeit Sicherheit / Gesundheit / Wohlbefinden Energie Energieeffizienz EU-Richtlinie 89/654/EWG Mindestvorschriften für f Arbeitsstätten tten Arbeitsstättenverordnung ttenverordnung - ArbStättV ttv 2004 Tageslichtnutzung und Beleuchtung EU-Richtlinie 2002/91/EG EU-Richtlinie 2010/31/EU über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden uden Energieeinsparverordnung EnEV EnEV 2007 / EnEV 2009 / EnEV 2012

11 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / heute EU-Richtlinie 89/654/EWG Mindestvorschriften für Arbeitsstätten Arbeitsstättenverordnung - ArbStättV 2004 Die Arbeitsstätten müssen möglichst ausreichend Tageslicht erhalten und mit Einrichtungen für eine der Sicherheit und dem Gesundheitsschutz der Beschäftigten angemessenen künstlichen Beleuchtung ausgestattet sein.

12 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden / heute Tageslichtbeleuchtung ist die eigentliche Beleuchtung in Innenräumen. Beleuchtung mit künstlichem Licht ist eine Ergänzung dazu.

13 Zurzeit geltende Regelwerke Arbeitsstättenverordnung - ArbStättV 2004 ASR A3.4: Beleuchtung DIN 5034: Tageslicht in Innenräumen Sichtverbindung nach außen ausreichende Helligkeit BGR 131: Natürliche und künstliche Beleuchtung von Arbeitsplätzen BGI 7007: Tageslicht am Arbeitsplatz leistungsfördernd und gesund

14 Technische Regel für Arbeitsstätten ASR A3.4 Sichtverbindung: nicht mehr berücksichtigt Ausreichendes Tageslicht: am Arbeitsplatz: D > 2% Räume mit Dachoberlichter: D > 4% oder mindestens Verhältnis lichtdurchsichtiger Fenster-, Tür- oder Wandfläche bzw. Oberlichtfläche zur Raumgrundfläche von mindestens 1:10 (entspricht etwa 1:8 Rohbaumaße)

15 Sichtverbindung nach außen (DIN 5034) Beschaffenheit Lage und Abmessungen von Fenstern Gesamtfläche der Sichtverbindungen

16 Ausreichende Helligkeit (DIN 5034) Tageslichtquotient D in % D = p 100% E E a D 1 1 m R t /2 D 2 1 m 0,85 m D 1 und D 2 0,75% und (D 1 + D 2 ) / 2 0,9% 30 Jahre alte Untersuchungen (Wohnräume) Modellraumuntersuchungen (ohne Felduntersuchungen) Für größere Arbeitsräume gibt es bisher keine Angaben

17 Ausreichende Helligkeit (DIN 5034) Arbeiträume mit Oberlichtern mittlerer Tageslichtquotient auf der Nutzebene : D _ > 4% D min 2% D _ 10% Erfahrungen Thermischen Belastung durch Sonnenstrahlung Neuartige Verglasungen und Tageslichtsysteme nicht berücksichtigt

18 Bedeutung des Tageslichtes im Gebäude Psychologische Aspekte - Sichtverbindung nach außen / DIN 5034, LBO, MBO - ausreichende Helligkeit / DIN Besonnung von Wohnungen / DIN 5034 Physiologische Aspekte / beleuchtungstechnische Aspekte - dynamisch / Beleuchtungsniveau und Farbe - seitlicher Lichteinfall (Fester) - hohes Beleuchtungsniveau - ungleichmäßige Beleuchtung durch Seitefenster Gesundheitliche Aspekte - Kunstlichtbeleuchtung = biologische Finsternis - Tageslicht gegen Winterdepression Störende Wirkungen - Wärme- und Strahlungsbelastung - Blendung / direkt und indirekt / Bildschirmarbeitsplätze Energetische Aspekte Architektonische Aspekte

19 Bedeutung des Tageslichtes im Gebäude Psychologische Aspekte - Sichtverbindung nach außen / DIN 5034, LBO, MBO, - ausreichende Helligkeit / DIN Besonnung von Wohnungen / DIN 5034 Physiologische Aspekte / beleuchtungstechnische Aspekte - dynamisch / Beleuchtungsniveau und Farbe - seitlicher Lichteinfall (Fester) - hohes Beleuchtungsniveau - ungleichmäßige Beleuchtung durch Seitefenster Gesundheitliche Aspekte - Kunstlichtbeleuchtung = biologische Finsternis - Tageslicht gegen Winterdepression Störende Wirkungen - Wärme- und Strahlungsbelastung - Blendung / direkt und indirekt / Bildschirmarbeitsplätze Energetische Aspekte Architektonische Aspekte

20 Bedeutung des Tageslichtes im Gebäude Psychologische Aspekte - Sichtverbindung nach außen / ArbStättV, LBO, MBO, DIN ausreichende Helligkeit / DIN Besonnung von Wohnungen Physiologische Aspekte / beleuchtungstechnische Aspekte - dynamisch / Beleuchtungsniveau und Farbe - seitlicher Lichteinfall (Fester) - hohes Beleuchtungsniveau - ungleichmäßige Beleuchtung durch Seitefenster Gesundheitliche Aspekte - Kunstlichtbeleuchtung = biologische Finsternis - Tageslicht gegen Winterdepression Störende Wirkungen - Wärme- und Strahlungsbelastung - Blendung / direkt und indirekt / Bildschirmarbeitsplätze Energetische Aspekte Architektonische Aspekte

21 Gütemerkmale der Tageslichtbeleuchtung - Beleuchtungsniveau - Leuchtdichtverteilung - Lichtrichtung und Schattigkeit - Blendungsbegrenzung - Lichtfarbe und Farbwiedergabe

23 Beleuchtungsniveau 40% der Arbeitsplätze tze befinden sich in einer Entfernung von 1 m oder weniger zum nächsten n Fenster, weitere 30% in einer Entfernung bis zu 2 m.

25 Seitliche Lichteinfallsrichtung / Sichtbarkeit Die durch Tageslicht allein gegebene Beleuchtung in Arbeitsräumen mit Fenstern gilt solange als ausreichend, wie die Beleuchtungsstärke am ungünstigsten nstigsten Arbeitsplatz mindestens das 0,6-fache der in DIN EN angegebenen Werte der Beleuchtungsstärke beträgt. gt.

28 Aufbau der Netzhaut

29 Circadiane Wirkungen [Rudolph, LiLe 2007 ]

30 Verteilung der Ganglienzellen auf der Netzhaut

31 Bedeutung des Tageslichts in Gebäuden Gesundheitliche Aspekte - Dynamik im Beleuchtungsniveau und in der Farbe - Melatoninwirksame Wirkung des Tageslichts (Melatoninsupression) - Studien in Schulen (USA 1999; Schweden 1992) c(λ) Zirkadiane Wirkungsfunktion c(λ) im Vergleich zu V(λ) Strahlungsfunktion des mittleren Tageslichtes (D65)

32 Bedeutung des Tageslichtes im Gebäude Psychologische Aspekte - Sichtverbindung nach außen / ArbStättV, LBO, MBO, DIN ausreichende Helligkeit / DIN Besonnung von Wohnungen Physiologische Aspekte / beleuchtungstechnische Aspekte - dynamisch / Beleuchtungsniveau und Farbe - seitlicher Lichteinfall (Fester) - hohes Beleuchtungsniveau - ungleichmäßige Beleuchtung durch Seitefenster Gesundheitliche Aspekte -Kunstlichtbeleuchtung = biologische Finsternis - Tageslicht gegen Winterdepression Störende Wirkungen - Wärme- und Strahlungsbelastung - Blendung / direkt und indirekt / Bildschirmarbeitsplätze Energetische Aspekte Architektonische Aspekte

33 Beleuchtung Anforderungen an Beleuchtung: - Beleuchtungsniveau - Leuchtdichtverteilung - Lichtrichtung und Schattigkeit - Blendungsbegrenzung - Lichtfarbe und Farbwiedergabe Blendung: - durch direktes Sonnenlicht - durch den im Blickfeld liegenden Teil des Himmels - durch helle besonnte Fläche im Gesichtsfeld - durch glänzende bzw. spiegelnde Flächen (Reflexblendung) Bildschirmarbeitsplatz: Spiegelung von hellen Raumoberflächen auf dem Bildschirm

34 Blendungsbegrenzung Blendungsbegrenzung: - durch die Herabsetzung des Leuchtdichtkontrastes - durch Vermeidung der Blickrichtung am Arbeitsplatz auf das Fenster - Anwendung von Blend- zw. Sonnenschutzeinrichtungen

36 Bedeutung des Tageslichtes in Gebäuden Tageslichtnutzung in Gebäuden Nichtwohngebäude Visuelle und thermische Behaglichkeit Sicherheit / Gesundheit / Wohlbefinden Energie Energieeffizienz EU-Richtlinie 89/654/EWG Mindestvorschriften für f Arbeitsstätten tten Arbeitsstättenverordnung ttenverordnung - ArbStättV ttv 2004 Tageslichtnutzung und Beleuchtung EU-Richtlinie 2002/91/EG EU-Richtlinie 2010/31/EU über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden uden Energieeinsparverordnung - EnEV EnEV 2007 / EnEV 2009 / EnEV 2012

37 Tageslichtnutzung und Energieeffizienz von Gebäuden Energieeinsparverordnung und DIN V EU-Richtlinie 2002/91/EG EU-Richtlinie 2010/31/EU über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden Energieeinsparverordnung EnEV 2007/ EnEV 2009 / EnEV 2012 DIN V Energetische Bewertung von Gebäuden Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung Relativer jährlicher j Primärenergiebedarf renergiebedarf kwh/(m2 a)

38 Primärenergiefaktoren renergiefaktoren Energieträgergruppe Energieträger Primärenergie faktoren f p Brennstoffe (Bezugsgröße: unterer Heizwert): Heizöl 1,1 Erdgas H 1,1 Flüssiggas 1,1 Steinkohle 1,1 Braunkohle 1,2 Nah-/Fernwärme aus KWK (durchschnittliche Werte): Fossiler Brennstoff 0,7 Erneuerbarer Brennstoff 0 Nah- und Fernwärme aus Heizwerken: Fossiler Brennstoff 1,3 Erneuerbarer Brennstoff 0,1 Strom: Strom-Mix 3,0 Liersch, K. W., Langner, N.; EnEV-Praxis; 1. Aufl. Berlin: Bauwerk, ISBN ; 2002

39 Arbeitzeit und Tageslichtangebot Nutzungszeiten und Nutzbelichtung 93 % der Arbeitszeit 8:00 bis 18:00 Uhr 82 % der Arbeitszeit 6:00 bis 20:00 Uhr

40 Erhöhung hung des Tageslichtangebotes

41 Schaltverhalten der Nutzer Einschalten der Anlage beim ersten Eintreten in den Raum Die gesamte Anlage wird ein- und ausgeschaltet Ausschalten der Anlage bei längerem Verlassen des Raumes Wiedereinschalten der Anlage bei niedrigem Tageslichtniveau Eine effiziente Energieeinsparung bei Einhaltung der Mindestanforderungen ist nur mit TLBK möglich

42 Tageslichtabhängiges Beleuchtungskontrollsystem Installationsbussystem Gebäude-Management-System Tageslichtsystem Kombination von Tages- und Kunstlichtbeleuchtung mit tageslichtabhängigen Kontrollsystemen

43 Tageslichtabhängige Beleuchtungssteuerung

44 Tageslichtabhängige Beleuchtungsregelung

45 Tageslichtquotient D % Daylight factor

46 Ausreichende Helligkeit (DIN 5034) Wohnräume: Tageslichtquotient D D 1 1 m R t /2 D 2 1 m 0,85 m D = E p / E a 100% D 1 und D 2 0,75% und (D 1 + D 2 ) / 2 0,9% Arbeitsräume: Für Arbeitsräume, die in ihren Maßen Wohnräumen entsprechen, die oben geforderten Tageslichtquotienten eingehalten werden. Für andere Arbeitsräume gibt es bisher keine begründeten Forderungen in bezug auf ausreichende Helligkeit.

47 Tageslichtquotient 100% = a p E E D pr pv ph p E E E E + + = 100% + + = a pr a pv a ph E E E E E E D R V H D D D D + + = ) ( k k k D D D D D Rr Vr Hr + + = τ

48 Tageslichtquotient Verminderungsfaktor für Versprossung k 1 Rohbauöffnung Versprossung k 1 = = Rohbauöffnung DurchsichtigeFläche Rohbauöffnung h F Rohbauöffnung = b F x h F b F

49 Tageslichtquotient Verminderungsfaktor für Verschmutzung k 2 Abhängigkeit des Minderungsfaktors k 2 vom Maß der Verschmutzung (Anhaltswerte) Verschmutzung auf der k 2 Außenfläche gering mittel stark Innenfläche gering stark gering stark gering stark 0,9 0,7 0,8 0,7 0,7 0,5 Für Wohnräume kann im allgemeinen mit k 2 = 0,95 gerechnet werden.