Lichtstrom-Klassifizierung von Leuchten und Wirkungsgradverfahren

Ein in der Praxis wichtiger Aspekt der lichttechnischen Wirkung einer Leuchte ist der Anteil ihres Gesamt-Lichtstromes, der in der Nutzebene auftrifft. Oft wird er auch als Nutzlichtstrom bezeichnet. Denn nur dieser trägt zur Bereitstellung einer erforderlichen mittleren Beleuchtungsstärke in einer Nutzebene, in der eine Sehaufgabe stattfindet, bei. Das Verhältnis aus Nutzlichtstrom und Gesamtlichtstrom der Leuchte ist sowohl von der Lichtstromverteilung der Leuchte als auch von der Geometrie des Raumes und den Reflexionsgraden der Raumoberflächen abhängig. Es wird wird als Raumwirkungsgrad ηR der Leuchte bezeichnet.

Für Leuchten mit auswechselbaren Lampen ist der Gesamtlichtstrom der eingesetzten Leuchtmittel noch mit dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad ηLB zu gewichten, um den Lichtstrom der Leuchte zu bestimmen.

Für die zusammenfassende Berücksichtigung der Raumwirkung und des Leuchtenbetriebs ist daher der Beleuchtungswirkungsgrad ηB definiert worden.

Für LED-Leuchten sind ηB und ηR identisch.

Auf Basis der Angabe der genannten Wirkungsgrade lässt sich die Anzahl an Leuchten bestimmen, die erforderlich ist, um auf der Nutzebene eines Raumes eine geforderte mittlere Beleuchtungsstärke Em bereitzustellen (siehe auch Kapitel  „Beleuchtungsplanung").

Die allgemeine Wirkungsgradformel lautet:

In der Formel bedeuten

Ē m

Wartungswert der Beleuchtungsstärke in lx, z.B. nach EN 12464-1

A

Grundfläche des Raumes in m2

n

berechnete Anzahl der Leuchten

z

Anzahl der Lampen je Leuchte

Φ

Lichtstrom einer Lampe in lm

ηB

Beleuchtungswirkungsgrad in %. Er erfasst den Leuchtenbetriebswirkungsgrad und die lichttechnisch wirksamen Eigenschaften des Raumes, wie Reflexionsgrade von Decke, Wänden und Boden und die Raumgeometrie.

WF

Wartungsfaktor (siehe auch Kapitel „Wartungsfaktor aufgrund von Referenzwerten von Leuchtmitteln, Leuchten und Raum")

Zur Bestimmung des Beleuchtungswirkungsgrades, bzw. des Raumwirkungsgrades, haben sich historisch in Europa unterschiedliche Verfahren etabliert. Sie alle setzen eine Klassifizierung der Lichtstärkeverteilung der Leuchte bzgl. ihrer Verteilung des Lichtstroms in eine überschaubare Anzahl festgelegter Raumsegmente voraus. Die Beiträge zum Nutzlichtstrom werden dann je Raumsegment bewertet und aufsummiert. Die Klassifizierung nach DIN 5040 ist beispielhaft in Tabelle gezeigt.

Tabelle 3.136: Klassifizierung der Lichtstromverteilung von Leuchten nach DIN 5040. Das Beispiel der Lichtstromverteilung mit der Klassifizierung B41 der abgebildeten LVK ist in der Tabelle markiert.

Die unterschiedlichen Verfahren zur Bestimmung des Beleuchtungswirkungsgrades sind z. B.

  • in England das CIBSE-Verfahrennach dem Technical Memorandum TM 5 (1980) „The calculation and use of utilisation factors“

  • in Deutschland das LiTG-Verfahrengemäß Publikation Nr. 3.5 (1988) „Projektierung von Beleuchtungsanla- gen nach dem Wirkungsgradverfahren“ bzw. DIN 5040 „Leuchten fur Beleuchtungszwecke“

  • in den nordeuropäischen Ländern die Methode nach der NB-Dokumentation, spezifiziert als Computerprogramm im NBDOC-Report

  • in Belgien die Norm NBN L 14-002(1975) „Methoden ter voorafbepaling van verlichtingssterkten, luminanties en verblindingsindices bij kunstmatige verlichting in gesloten ruimten“

  • in Frankreich die NF-Norm (UTE) C71-121 (1995) „Méthode simplifiée de prédétermination des éclairements dans les espaces clos et classification correspondante des luminaires“ und

  • das internationale Verfahren gemäß der CIE-Publikation No. 40 (1978) „Calculations for interior lighting: Basic method“ und No. 52 (1982) „Calculations for interior lighting: Applied method“.

In allen Wirkungsgradverfahren wird die Geometrie des Raumes durch den Raum index k repräsentiert, der wie folgt definiert ist:

Darin sind (siehe Abbildung)

a

Raumlänge in m

b

Raumbreite in m

h

Lichtpunkthöhe in m, berechnet nach

h

= H − lp − e

H

Raumhöhe in m

lp

Pendellänge bzw. Abhängung der Leuchte von der Decke in m

e

Höhe der Bewertungsebene über dem Boden, z.B. im Büro 0,75 m

Abbildung 3.156: Berechnungsparameter für den Raumindex k

Raumgeometrien mit identischem Raumindex k können in Hinsicht ihrer lichttechnischen Wirkung als gleichwertig betrachtet werden.

Die Bestimmung der Beiträge der oben genannten Teillichtströme (der Raumsegmente) zum Nutzlichtstrom erfolgt dann mit Hilfe von Faktoren, die in entsprechenden Tabellen in Abhängigkeit vom Raum index und den Reflexionsgraden der Raumbegrenzungsflächen dokumentiert sind.

Die bestehenden Wirkungsgradverfahren unterscheiden sich dabei in der Klassiizierung (Segmentierung) der Licht-stärkeverteilung wie auch den Tabelleneinträgen der Bewertungsfaktoren. Auch die errechneten Beleuchtungswirkungsgrade, und damit die Anzahl der für eine gegebene Beleuchtungsaufgabe benötigten Leuchten, weichen zum Teil merklich von einander ab (siehe auch Kapitel, „Überschlägige Planung mit dem Wirkungsgradverfahren").

Mit Erscheinen der Norm EN 13032-2 „Licht und Beleuchtung – Messung und Darstellung photometrischer Daten von Lampen und Leuchten – Teil 2: Darstellung der Daten für Arbeitsstätten in Innenräumen und im Freien“ wurde in Europa ein einheitliches Wirkungsgradverfahren festgelegt, das eine vereinheitlichte Bestimmung des Beleuchtungswirkungsgrades UF (utilisation factor) de iniert. Das einheitliche europäische Verfahren nach EN 13032-2 überwindet bisherige Differenzen in der Bestimmung des Beleuchtungswirkungsgrades und macht die aufgrund der Wirkungsgradformel ermittelte Anzahl von Leuchten für eine bestimmte Beleuchtungsstärke bzw. die zu erwartende Beleuchtungsstärke aufgrund der installierten Lampen und Leuchten vergleichbar.

In den frühen 2000er Jahren wurden die mit dem Berechnungsverfahren gemäß EN 13032-2 generierten Tabellen der Beleuchtungswirkungsgrade UF

  • für die jeweilige Leuchte (Lichtstromverteilung)

  • für unterschiedliche Raumgrößen (Raumindices k)

  • für die Reflexionsgrade von Decke, Wände, Boden

in den technischen Produktunterlagen vieler Hersteller veröffentlicht. Heute ist dies nicht mehr üblich und erforderlich, da die manuelle Anwendung des Verfahrens in der Praxis keine Rolle mehr spielt. Es ist in zahlreiche, frei verfügbare Computerprogramme implementiert (siehe auch Kapitel, „Überschlägige Planung mit dem Wirkungsgradverfahren")).