Energie sparende Beleuchtungssysteme

Mit den Klimaschutzkonferenzen verfolgen die daran beteiligten Regierungen das Ziel, den Ausstoß von sogenannten Treibhausgasen bzw. die CO₂-Emissionen zu reduzieren. CO₂ ist ein Abfallprodukt, das während der Energieerzeugung anfällt.

Die Beleuchtung benötigt in Deutschland etwa 3% des Primärenergiebedarfs (Energiedaten: Gesamtausgabe Stand: Oktober 2015, BMWi). Der Stromverbrauch für alle Innen- und Außenbeleuchtungsanlagen wird im Mittel weltweit auf etwa 19%, in Westeuropa auf etwa 11% des gesamten Stromverbrauchs geschätzt. Die Beleuchtung nimmt jedoch in einigen Gebäuden einen wesentlichen Anteil an den jährlichen Betriebskosten ein. Nach Angaben der Europäischen Kommission beträgt der Anteil der Beleuchtung am Strombedarf in der Industrie ca. 9%, in Wohnungen bzw. Wohnhäusern ca. 10% und in Gewerbe, Handel und Dienstleistung ca. 28% (Quelle: „Optionen und Potenziale für Endenergieeffizienz und Energiedienstleistungen - Kurzfassung“).

Andere Erhebungen nennen für die Beleuchtung in Gewerbe, Handel und Dienstleistung sogar 40% des Stromverbrauchs (Energieeffizienzdaten für den Klimaschutz, Umweltbundesamt, 2012.).

Große Einsparpotentiale sind dort nutzbar, wo veraltete Technologie das erforderliche Licht ineffizient erzeugt, verteilt und steuert. Dabei gibt es jedoch keine Patentlösung. Eine optimierte Lösung bezieht sich stets auf die individuelle Anwendungssituation. Sie ist daher sorgfältig zu planen, in Bezug auf

• die Sehaufgabe,

• die Nutzungsbedingungen,

• die baulichen Voraussetzungen,

• die räumliche Umgebung,

• die Möglichkeiten der Tageslichtnutzung.

Die zu installierende Beleuchtungsanlage ist insofern immer weit mehr als die Summe ihrer Komponenten, da erst deren sinnvolles Zusammenwirken die gestellte Aufgabe lösen kann.

Bei allen energetischen Betrachtungen der Beleuchtung darf jedoch nicht übersehen werden, dass – wie EN 12464-1 ausdrücklich hervorhebt – die Gütemerkmale der Beleuchtung in ihrer Wichtigkeit vor die zweifellos ebenfalls wichtige Frage der Minimierung des Energieeinsatzes gestellt werden müssen.

Das Ergebnis der Planung ist im Idealfall also eine Beleuchtungsanlage, welche die lichttechnischen Anforderungen der Beleuchtung bei minimalem Energieaufwand optimal erfüllt. Nur diese kann nicht nur als sparsam, sondern auch als effizient bezeichnet werden.

Effiziente Leuchtmittel

Die zentralen Komponenten einer Beleuchtungsanlage sind ihre Lichtquellen, denn sie liefern den „Rohstoff”, der im weiteren Prozess verteilt und gesteuert werden soll.

Für die effiziente Erzeugung des Lichts ist zu beachten:

• Hohe Lichtausbeuten geben an, wie viel Licht (Lumen) bezogen auf die aufgewendete elektrische Leistung (Watt) zur Verfügung steht.

• Für LED-Leuchten wird dieser Wert für den Neuzustand der Leuchte als “Bemessungslichtausbeute der Leuchte” angegeben

• Für Leuchtstofflampenleuchten ergibt sich die Lichtausbeute der Leuchte aus der System-Lichtausbeute der Lampe ϕ_Lampe/P_Sys und dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad η_LB (siehe unten, Abschnitt „Raumeigenschaften" und Kapitel „Leuchtenbetriebswirkungsgrad"). Die System-Lichtausbeute der Lampe ihrerseits ist dabei in hohem Maße vom Vorschaltgerät abhängig, mit dem die Lampe betrieben wird (einen Hinweis darauf kann der sogenannte „Handy-Test” geben, siehe Kapitel „Induktive Vorschaltgeräte”).

• Zusätzlich ist das Degradationsverhalten des Leuchtmittels (Lichtstromrückgang der Leuchtstofflampe bzw. der LED-Leuchte im Laufe der Lebensdauer) zu berücksichtigen, das den Wartungsfaktor für die Planung der Leuchten bestimmt (siehe Kapitel, „Beispiel für die Bestimmung des Wartungsfaktors aufgrund technischer Daten von LEDLeuchten und Raum”).

• Für Leuchtstofflampenleuchten ergibt sich die Lichtausbeute aus der Lampen-Lichtausbeute Φ_Lampe/P_Sys und dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad η_LB (siehe auch Kapitel). Die System-Lichtausbeute der Lampe ihrerseits ist dabei in hohem Maße vom Vorschaltgerät abhängig, mit dem die Lampe betrieben wird (einen Hinweis darauf kann der sogenannte „Handy-Test” geben, siehe Kapitel „Induktive Vorschaltgeräte”).

• Zusätzlich ist das Degradationsverhalten des Leuchtmittels (Lichtstromrückgang im Laufe der Lebensdauer) zu berücksichtigen, das den Wartungsfaktor für die Planung der Leuchten bestimmt (siehe Kapitel, „Wartungsfaktoren in Beispiel-Anwendungen”).

• Die anwendungsspezifischen Anforderungen an die Lichtfarbe und den Farbwiedergabe-Index sind zu berücksichtigen.

In der jüngeren Vergangenheit haben sich hochentwickelte Formen der LED als moderne Lichtquellen etabliert. Fest in Leuchten integriert erreichen sie ihre höchste Effizienz und Zuverlässigkeit (siehe auch Kapitel „Leuchtmittel-Eigenschaften").

Energiekennzeichnung

Wird eine Lampe im Einzelhandel angeboten, so ist der Händler heute gesetzlich verpflichtet, dem fachlich nicht ausgebildeten Endkunden zu verdeutlichen, wie gut diese den elektrischen Strom zur Lichterzeugung ausnutzt.

Dazu sind von der Europäischen Union Richtlinien zur Energiekennzeichnung von Lampen erlassen worden:

• EU-Richtlinie 2010/30/EU [162] über die Angabe des Verbrauchs an Energie mittels einheitlicher  Etiketten und Produktinformationen

• Richtlinie 874/2012/EU [182] betreffend der Energieverbrauchskennzeichnung von elektrischen Lampen und Leuchten.

Diese EU-Richtlinien, die in Deutschland als Energieverbrauchskennzeichnungsverordnung
(EnVKV) umgesetzt sind, regeln die Etikettierung elektrischer Lampen und Leuchten. Die zu kennzeichnenden Lampen sind seit der Novellierung im Jahr 2012 grundsätzlich alle Lampen für den Haushaltsgebrauch und den professionellen Gebrauch, wie z. B.:

• Glühlampen,

• Leuchtstofflampen,

• Hochdruckentladungslampen,

• LED-Lampen und LED-Module.

Ausgenommen von der Kennzeichnung sind

• Lampen und LED-Module mit einem Lichtstrom von unter 30 Lumen (lm);

• Lampen und LED-Module, die für den Betrieb mit Batterien vermarktet werden;

• Lampen und LED-Module, die für Anwendungen vermarktet werden, deren primärer Zweck nicht die Beleuchtung ist;

• Lampen und LED-Module, die als Teil einer Leuchte vermarktet werden und nicht dafür bestimmt sind, vom Endnutzer entfernt zu werden, außer wenn sie dem Endnutzer getrennt (z. B. als Ersatzteile) zum Kauf, zur Vermietung oder zum Ratenkauf angeboten oder ausgestellt werden;

• Lampen und LED-Module, die als Teil eines Produkts vermarktet werden, dessen primärer Zweck nicht die Beleuchtung ist. Wenn sie jedoch getrennt (z. B. als Ersatzteile) zum Kauf, zur Vermietung oder zum Ratenkauf angeboten oder ausgestellt werden, fallen sie unter diese Verordnung;

• Lampen und LED-Module, die nicht die Anforderungen erfüllen, die aufgrund von Verordnungen zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates ab 2013 und 2014 anzuwenden sind;

• Leuchten, die für den ausschließlichen Betrieb mit den in den unter den ersten drei Punkten aufgeführten Lampen und LED-Modulen ausgelegt sind.

Die Kennzeichnung der Lampen bzw. deren Verpackung erfolgt, ähnlich wie z: B. auch bei Kühlschränken, mit einem Energieeffizienz-Etikett, das die Farbskala der Energieeffizienzklasse A⁺⁺ (sehr effizient) bis E (ineffizient) und ggf. auch Angaben über den Lampenlichtstrom, die Lampenleistung und die mittlere Lebensdauer trägt. Die Messverfahren zur Bestimmung der Energieeffizienzklasse sind in EN 50285 „Energieeffizienz von elektrischen Lampen für den Hausgebrauch – Messverfahren“ festgelegt. Für LED-Lampen wird grundsätzlich die Klassifizierung A bis A⁺⁺ angegeben.

Eine diesem Schema folgende Energiekennzeichnung von Leuchten ist auf Grund der oben aufgezeigten Abhängigkeit ihrer Effizienz von der spezifischen Anwendung nicht sinnvoll. Bis Ende 2019 wurden im
Einzelhandel jedoch Leuchten mit den Effizienzklassen der in ihnen betreibbaren Leuchtmittel ausgewiesen. Die Pflicht zu solch einer Kennzeichnung ist mit der „Delegierte Verordnung (EU) 2019/2015 der Kommission vom 11. März 2019 zur Ergänzung der Verordnung (EU) 2017/1369 des Europäischen Parlaments und des Rates in Bezug auf die Energieverbrauchskennzeichnung von Lichtquellen und zur Aufhebung der Delegierten Verordnung (EU) Nr. 874/2012 der Kommission” (auch „Single Lighting Regulation" genannt) aufgehoben worden. Eine neue Kennzeichnung wird ab September 2020 folgen.

Effiziente Leuchten

Mit dem optischen System der Leuchten wird der Lichtstrom der Leuchtmittel so verteilt, dass die gestellte Beleuchtungsaufgabe bestmöglichst erfüllt wird. Für Energiebetrachtungen sind der Leuchtenbetriebswirkungsgrad und die Lichtstromverteilung bzw. die Lichtstärkeverteilung wichtige Kenngrößen von Leuchten.

Der Leuchten-Betriebswirkungsgrad η_LB gibt an, welcher Anteil des Lampenlichtstroms die Leuchte verlässt. Die Art der Lenkung des Lampenlichtstromes und die thermischen Bedingungen innerhalb der Leuchte bestimmen den Leuchten-Betriebswirkungsgrad. Die Angabe eines Leuchtenbetriebswirkungsgrades erfolgt nur für Leuchten, in denen auswechselbare Leuchtmittel (Lampen) betrieben werden, für die ihrerseits eine Angabe des Lampenlichtstroms angegeben wird. Für Leuchten mit fest integrierten LED erfolgt die Angabe des Bemessungslichtstroms der Leuchte. Formal wird für LED-Leuchten der Lampenlichtstrom mit dem Bemessungslichtstrom der Leuchte gleichgesetzt. Der Leuchtenbetriebswirkungsgrad wird damit per Definition auf den Wert 1 festgelegt (siehe auch Kapitel „Leuchtenbetriebswirkungsgrad").

Die Lichtausbeute der Leuchte wird im Allgemeinen als Produkt der Lampenlichtausbeute mit dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad verstanden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Lampen unter den Betriebsbedingungen in der Leuchte die gleiche elektrische Leistungsaufnahme aufweisen, wie außerhalb der Leuchte unter Normbedingungen (siehe Kapitel „Leuchtenbetriebswirkungsgrad”). Die Lichtausbeute von LED-Leuchten wird Bemessungslichtausbeute genannt (siehe auch Kapitel „Lichtausbeute von LED-Leuchten”).

Die Lichtstromverteilung einer Leuchte bestimmt deren beleuchtungstechnische Wirkung im Raum. Der gesamte Leuchtenlichtstrom besteht aus den Teillichtströmen in den oberen und den unteren Halbraum. Der Teillichtstrom in den oberen Halbraum wird an der Decke bzw. an Teilen der Wände reflektiert und trägt zur Indirektbeleuchtung bei. Der Teillichtstrom in den unteren Halbraum erzeugt die direkte Beleuchtungsstärke auf der Nutzebene und erhöht zusätzlich mittels Reflexion an Boden und Wänden den Indirektanteil der Beleuchtungsstärke. Direkt strahlende Leuchten konzentrieren den Leuchtenlichtstrom bevorzugt auf die zu beleuchtende Fläche und führen dort zu hohen Beleuchtungsstärken.

Der Beleuchtungswirkungsgrad η_B ist definiert als das Verhältnis des auf die Nutzfläche gelangenden Lichtstroms zur Summe der Lichtströme aller installierten Leuchtmittel. Er ist umso höher, je höher der Leuchtenbetriebswirkungsgrad ist. Darüber hinaus ist der Beleuchtungswirkungsgrad auch - wie oben beschrieben - von der räumlichen Verteilung des Lichtstroms der Leuchten abhängig. Diese beeinflusst ebenfalls die Höhe des Energiebedarfs zur Erreichung der in der Nutzebene erforderlichen Beleuchtungsstärke.

Die Energieeffizienz der Beleuchtung ist damit von der Lichtausbeute der Leuchte und ihrem Beleuchtungswirkungsgrad in der gegeben Anwendung abhängig (siehe oben, Absatz „Energiekennzeichnung”).

Raumeigenschaften

Die Form und Gestaltung des Raumes haben durch das Reflexionsvermögen von Wänden, Fußboden, Decke und Einrichtungsgegenständen einen entscheidenden Einfluss auf die Ausbreitung des Lichtes und damit auch auf die Effizienz der Beleuchtung. Daraus ergibt sich, dass Leuchten hinsichtlich ihrer Effizienz in der Anwendung ausgesucht werden sollten.

Direkt strahlende Leuchten werden daher bevorzugt in Industrie, Handel und Handwerk mit meist schlechten Reflexionsgraden der Decke und Wände eingesetzt und entsprechend EN 12464-1 den Arbeitsbereichen zugeordnet.

Direkt-indirekt strahlende Systeme erfordern hohe Reflexionsgrade der Decke sowie eine begrenzte Raumhöhe, die eine Nutzung des reflektierten Lichtanteils ermöglicht. Direkt-indirekt strahlende Leuchten mit speziellen Optiken für den Direktanteil sind besonders in Büroarbeitsbereichen erwünscht. Hohe Anforderungen an die Begrenzung der Direkt- und Reflexblendung sind dafür ebenso Gründe wie die hohen Behaglichkeitswerte, die Beleuchtungssysteme mit hohen Deckenaufhellungen in Analogie zur natürlichen Beleuchtung durch den Himmel erreichen. Bei direkter Zuordnung der Leuchten zum Arbeitsbereich erreicht diese Beleuchtungsart häufig bessere Energiebedarfswerte als eine Allgemeinbeleuchtung des ganzen Raumes mit direkt strahlenden Leuchten (siehe auch Kapitel „Beleuchtungskonzepte”).

Indirekt, also ausschließlich an die Decke strahlende Systeme benötigen auch bei einem hohen Deckenreflexionsgrad mehr Energie als vergleichsweise direkt strahlende Systeme. Sie sollten nur solchen Fällen vorbehalten sein, bei denen es auf eine starke Deckenaufhellung in Ergänzung zu einer zonalen, direkten Beleuchtung ankommt. Beispiele für den Einsatz vollständig indirekter Beleuchtung sind repräsentative Räume, wie Empfangs- und Schalterhallen, sowie Museen, in denen wenig Schatten und Reflexe auf den Exponaten gewünscht sind. Auch können Flure und Aufenthaltszonen, insbesondere in Räumen des Gesundheitswesens, mit indirekt strahlenden Wandleuchten besonders akzeptabel und blendfrei beleuchtet werden.

Helle Flächen mit hohem Reflexionsgrad erhöhen grundsätzlich den Beleuchtungswirkungsgrad. Dies gilt auch für die Fenster, die nur einen Reflexionsgrad von etwa 10% haben. Helle Vorhänge können diesen auf 50% erhöhen. Aber auch dunkle Decken, Wände und Möbel absorbieren viel Licht und erfordern daher für die gleiche Beleuchtungsstärke höhere Lichtströme.

Dies gilt insbesondere in kompakten Räumen und engen Korridoren. Hier muss selbst das Licht rein direkt strahlender Leuchten zu einem großen Anteil - teilweise mehrfach - reflektiert werden, bis es die Nutzfläche erreicht.

Den Proportionen des Raumes wird in der lichttechnischen Planung durch den Raumindex k Rechnung getragen, der die geometrischen Verhältnisse des Raumes in der folgenden Form beschreibt (siehe auch Kapitel, „Beleuchtungsplanung” und Kapitel „Lichtstrom-Klassifizierung von Leuchten und Wirkungsgradverfahren”).

Bei Geometrien mit kleinem Raumindex beeinflussen die Reflexionsgrade der Begrenzungsflächen den Energieverbrauch für die Beleuchtung also in besonderem Maße. Das bedeutet mehr Lampen, Leuchten und mehr Energie.