Anwendung und Funktion von Lichtmanagement

Die Motivationen ein Lichtmanagement zu planen, zu installieren und anzuwenden sind im Einzelfall so unterschiedlich, wie die elektronischen Systeme, die am Markt zur Verfügung stehen. Häufige Gründe sind:

  • Erhöhung des Beleuchtungskomforts,

  • Individualisierung der Beleuchtung,

  • multifunktionale Räume, Anpassung des Lichtes an die Beleuchtungsaufgabe,

  • Energieeinsparung,

  • Gesundheitsförderung,

  • Erhöhung der Wirtschaftlichkeit,

  • Erfüllung geltender Vorschriften und Regeln.

Um die jeweils geforderten Ziele zu erreichen, ist es wichtig, sich für die richtigen Funktionalitäten zu entscheiden. Diese wiederum hängen in hohem Maße von den eingesetzten Technologien ab. Insofern ist es für die Entscheidungsfindung unerlässlich, sich sowohl mit dem Rahmen der anwendungsbezogenen Bedürfnisse der Nutzer zu befassen, wie auch mit den technischen Details der elektronischen Komponenten. Dieser einleitende Abschnitt soll daher den genannten Rahmen abstecken, während die weiteren Abschnitte (ab Kapitel „Anwesenheitserfassung") die Aspekte der technischen Lösungen beschreiben.

Erhöhung des Beleuchtungskomforts

Die klassische Aufgabe des Lichtmanagements ist die Variation der Einstellung einer Beleuchtungsanlage mit dem Ziel, das Licht wechselnden visuellen Bedürfnissen des Nutzers bzgl. der Behaglichkeit, der Wirkung des Raumes und der Erfüllung der Sehaufgabe anzupassen. Dies kann durch das Schalten von Lichtquellen, das Ausrichten ihrer Lichtaustritte oder die Regulierung des Lichtstroms erfolgen. Insofern ist es nicht verwunderlich, dass die ersten elektronischen Lichtsteuerungskomponenten für den Einsatz im Wohnbereich sowie dem Hotel- und Gastgewerbe entwickelt wurden. Dort hält sich der Nutzer zu unterschiedlichen Tageszeiten auf und geht in besonderem Maße unterschiedlichen Tätigkeiten nach. Die Bereitstellung von voreingestellten Lichtszenen erhöht dabei den Bedienkomfort, indem die Lichtquellen nicht einzeln geschaltet und gedimmt werden müssen.

In der Zweckbeleuchtung, also der Beleuchtung von Arbeitsstätten, war eine variable Beleuchtung bis in die 80er Jahre hinein eine absolute Ausnahme. Nur an hochspezialisierten Arbeitsplätzen, z. B. der CAD-Konstruktion, war sie vorzufinden. Erst seit den 90er Jahren spielt Lichtmanagement in Arbeitsstätten zunehmend eine Rolle. Dies ist wesentlich den sich ändernden Arbeitsbedingungen zuzuschreiben, aber auch erweiterten arbeitsmedizinischen Erkenntnissen und der erleichterten Umsetzung auf Grund des technischen Fortschritts.

Von Beleuchtungskomfort spricht man auch heute noch überwiegend im Zusammenhang mit wählbaren Lichtszenen. Die Behaglichkeit spielt dabei heute jedoch eher eine untergeordnete Rolle. Die  Lichtszenensteuerung dient heute viel mehr zur Individualisierung und zur Unterstützung wechselnder Sehaufgaben.

Individualisierung der Beleuchtung

Unter Individualisierung des Lichts versteht man im Allgemeinen die Möglichkeit, die Beleuchtungssituation an persönliche Bedürfnisse und Erfordernisse anzupassen (siehe Abbildung). Insbesondere der demografische Wandel rückt diesen Aspekt in den Fokus der Experten für Arbeitsproduktivität und Arbeitssicherheit. Grund dafür sind wesentlich die sich mit dem Lebensalter ändernden Faktoren des Bedarfs an Beleuchtungsstärke und des Blendungsempfindens (siehe auch Kapitel, „Sehen im Alter”).

Aber auch Aspekte jenseits des Gesundheits-und Arbeitsschutzes spielen eine zunehmend große Rolle. In den offenen Bürolandschaften moderner Coworking-Bereiche ist die arbeitszonale Beleuchtung z. B. ideal geeignet, dem Raum Struktur und damit den häufig wechselnden Nutzern Orientierung zu geben (siehe Absatz „Coworking und New Work"). Die Konzentration des Lichtes an den jeweiligen Arbeitsplätzen unterstützt die Nutzer, ihre Tätigkeit auf das Zentrum Ihres Bereiches auszurichten und ein gewisses Maß an Privatheit in dem offenen Raum zu schaffen. Arbeitsplatz-Leuchten mit indirektem Lichtaustritt ermöglichen andererseits hohe vertikale Beleuchtungsstärken. Diese unterstützen damit auch die zweite, scheinbar widersprechende Anforderung an das moderne Büro: Offenheit und Kommunikation.

Ein geeignetes Lichtmanagement sollte diese Tendenzen aufnehmen und die individuelle Anpassung des Lichtes am Arbeitsplatz an die gegebene Arbeitssituation und die persönlichen Gewohnheiten und Vorlieben wechselnder Nutzer ermöglichen. Die detaillierten Funktionen des Lichtmanagements sind im Einzelfall zu bestimmen, um ein ausgewogenes Verhältnis zwischen der individuellen Freiheit des Nutzers und dem Einfluss auf die Wirkung des Gesamtraumes zu gewährleisten.

Die Individualisierung der Beleuchtung findet auch im LEED Zertifizierungsverfahren Berücksichtigung. Dies ist ein Verfahren, mit dem die umwelt- und menschengerechte Gestaltung von Gebäuden bewertet werden kann, und basiert auf einem US-amerikanischen Bewertungssystem (siehe auch Kapitel „Gebäude-Zertifizierung").

Abbildung 3.216: Mit arbeitsplatzbezogenen Leuchten und deren lokaler Steuerung bzw. Regelung kann Licht individualisiert werden. Durch die Individualisierung erhöht sich auch das Einsparpotential durch Abschalten bei Abwesenheit. Ein reduziertes Lichtniveau sollte auch bei Abwesenheit erhalten bleiben, um ein normgerechtes Leuchtdichteverhältnis im Raum zu erhalten (siehe Kapitel, „Leuchtdichteverteilung”).

Anpassung des Lichtes an wechselnde Beleuchtungsaufgaben

Anpassungen des Lichtes an wechselnde Beleuchtungsaufgaben sind mit modernem Lichtmanagement flexibler und einfacher umzusetzen, als das in früheren Zeiten der Fall war. Dimmbare elektronische Betriebsgeräte und Steuerkomponenten haben sich zum Standard entwickelt und sind damit erschwinglich geworden. Darüber  hinaus tragen die gute, wirtschaftliche Dimmbarkeit und die Schaltunempfindlichkeit von LED-Leuchten zur Verbreitung von Lichtmanagement bei.

Das sind maßgebliche Gründe, warum Lichtszenensteuerungen heute nicht mehr allein den hochspezialisierten Arbeitsbereichen (siehe oben) vorbehalten sind, sondern auch in Besprechungs- und Seminarräumen, in Fachräumen von Ausbildungsstätten und in Sporthallen Eingang gefunden haben.

Für diese klassischen Aufgaben des Lichtmanagements können zwei Ziele unterschieden werden: Im Fall der Seminar- und Unterrichtsräume dient die Absenkung des Beleuchtungsniveaus der Verbesserung der Sehbedingungen, z. B. der Erkennbarkeit einer Projektion. In der Sporthalle hingegen dient die Absenkung des Beleuchtungsniveaus der Energieeinsparung, indem die Beleuchtungsstärke ggf. auf das gemäß der ausgeübten Sportart in der Norm EN 12193 festgelegte Niveau abgesenkt wird.

Moderne Beleuchtungsanlagen sollten jedoch auch für eine gezielte Erhöhung des Beleuchtungsniveaus im Bedarfsfall ausgelegt sein. Für Büros, Besprechungs- und Seminarräume, sowie in einigen Bereichen in Bildungsstätten und weiteren Anwendungen empfiehlt sich ein um 2 Stufen erhöhtes Beleuchtungsniveau (siehe Kapitel „Beleuchtungsstärke”). Ein hoher Bedienkomfort kann dabei durch die Einrichtung wählbarer Lichtszenen erreicht werden. Eine Optimierung des Energieverbrauchs ist möglich, wenn die Lichtszenen für alle Lichtniveaus auf entsprechende Sollwerte tageslichtabhängig geregelt sind (siehe Kapitel „Tageslichtabhängige Regelung”).

Gesundheitsförderung

Durch Unterstützung des circadianen Rhythmus des Menschen kann der Einsatz geeigneter Beleuchtungssysteme eine positive Auswirkung auf die Gesundheit haben. Dies ist ein wichtiger Bestandteil des HCL-Konzeptes (Human Centric Lighting). Dabei handelt es sich immer um eine dynamische, also zeitlich variierende, Beleuchtung, für die  ein geeignetes Lichtmanagement unerlässliche Voraussetzung ist. Die Voraussetzungen und Wirkungen so einer  Beleuchtungsanlage und ihres Lichtmanagements sind im Kapitel, „Licht und nicht-visuelle Wirkungen”, insbesondere im Abschnitt, „Anforderungen an die Lichtsteuerung” beschrieben.

Energieeinsparung

Abbildung 3.217:

Energie-Einsparpotentiale durch Lichtmanagement. Ausschalten bei Abwesenheit und tageslichtabhängige Konstantlichtregelung ergeben kombiniert ein hohes Einsparpotential.

An die Stelle der Komfortsteigerung als häufigstem Anlass für die Entscheidung für ein Lichtmanagement ist heute längst die Energieeinsparung getreten. Die Fülle der Anwendungen, in denen hohe Einsparpotentiale liegen, führen dabei zu einem hohen Bedarf entsprechender Installationen, was seinerseits in der jüngeren Vergangenheit zu einem Entwicklungsschub und zu drastischen Kostenreduzierungen geführt hat, und damit wiederum die Verbreitung von Lichtmanagementsystemen weiter beschleunigt.

Wie oben im Beispiel der Sporthalle erwähnt, kann in einigen Anwendungen durch Einstellen des Niveaus der künstlichen Beleuchtung auf den zur Zeit erforderlichen Wert anstelle eines permanenten 100%-Betriebes bereits Energie eingespart werden. Während dies früher häufig in Stufen durch eine Serienschaltung mehrerer Leuchtmittel oder Leuchten realisiert wurde, erweist sich heute das gleichmäßige Dimmen aller Leuchtmittel, insbesondere das Dimmen von LED-Leuchten, als die rationellere und wirtschaftlichere Lösung (siehe Kapitel, „Dimmung durch Betriebsstromregulierung und Pulsweitenmodulation”). Jedes beliebige Beleuchtungsniveau kann eingestellt und aufgerufen werden, ohne die weiteren Lichttechnischen Gütemerkmale, wie z. B. die Gleichmäßigkeit oder die Blendung negativ zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Dimmen beim Nutzer im Allgemeinen eine höhere Akzeptanz genießt. Stufenschaltungen werden häufig als irritierend empfunden. Dimmvorgänge finden unbemerkt statt und beeinträchtigen den Sehkomfort nicht.

Zusätzlich ist nun prinzipiell nur noch ein Sensor zur Erfassung der momentanen Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz erforderlich, um auch Fremdlicht, dass am Ort der Sehaufgabe zur Verfügung steht, zu berücksichtigen und durch eine Konstantlichtregelung den Energieverbrauch der Beleuchtungsanlage weiter zu senken. An vielen Arbeitsplätzen steht Tageslicht in hohem Maße zur Verfügung, so dass große Einsparpotentiale genutzt werden können (siehe auch Kapitel, „Tageslichtnutzung”).

Ein weiteres Einsparpotential, das durch  Erfassung mittels Sensorik nutzbar gemacht werden kann, ist die Abwesenheit von Personen (siehe unten, Abschnitt). In vielen Anwendungen kann in den Abwesenheitszeiten das Licht ausgeschaltet oder drastisch gedimmt betrieben werden. Zum Energie sparenden Abschalten bei Abwesenheit gehört jedoch immer eine verlässliche Erfassung der Anwesenheit, damit keine Risiken bzgl. der Arbeitssicherheit entstehen. Bei sachgerechter Auswahl und Anordnung der Sensoren sind diese beiden Aspekte mit heutigen Mitteln sehr gut zu vereinen.

Welche Sensortechniken zur Verfügung stehen und welche Randbedingungen bei der Konzeption der  Anwesenheitserfassung und der tageslichtabhängigen Regelung zu beachten sind, wird in den nachfolgenden, technischen Absätzen dieses Kapitels behandelt.

Hinweise zu den Energie-Einsparpotentialen von Anwesenheitserfassung und tageslichtabhängiger Regelung (siehe Abbildung) befinden sich im Kapitel „Licht und Umwelt” im Abschnitt, „Deutsche Norm DIN V 18599”.

Erhöhung der Wirtschaftlichkeit

Ein wesentlicher Grund der hohen Attraktivität Energie sparender Maßnahmen in allen Lebensbereichen ist  heute der Preis, der für Energie zu zahlen ist. Insbesondere der Preis für elektrische Energie ist seit der Jahrtausendwende drastisch gestiegen. So hat sich z. B. im Zeitraum vom Jahr 2000 bis zum Jahr 2020 der Strompreis für einen typischen Industriebetrieb von 6,05 ct/kWh auf 18,55 ct/kWh, also um einen Faktor > 3, erhöht.

Die Entwicklung des Strompreises hat in dem genannten Zeitraum allerdings breite Schwankungen gezeigt. Eine Prognose der Entwicklung der Energiepreise ist deshalb immer mit einiger Unsicherheit verbunden, sodass es vielen Anwendern sinnvoll erscheint, mit Energieverbrauch senkenden Maßnahmen dieses Risiko zu minimieren.

Darüber hinaus ist bei der Betrachtung von Arbeitsstätten die Verbesserung der Umgebungsbedingungen immer auch ein Aspekt der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung. Dazu gehört in hohem Maße auch die Verbesserung des Beleuchtungskomforts und der Individualität der Beleuchtung, bzw. der allgemeinen Beleuchtungsqualität. Sie führen zu erhöhter Motivation und Konzentrationsfähigkeit und in Einzelfällen auch zur besseren Erfassung der Sehaufgabe (siehe oben, Abschnitt „Individualisierung der Beleuchtung”). Die wirtschaftlichen Auswirkungen gesundheitsfördernder, circadian wirksamer Beleuchtung sind ggf. mit einzuschließen (sieh Kapitel, „Human Centric Lighting”).

Diese Effekte in ihrer finanziellen Auswirkung in der Einheit einer Währung zu beziffern, erfordert jedoch die genaue Untersuchung des vorliegenden Einzelfalls, weshalb diese Betrachtungsweise In der Regel nicht erfolgt. Dennoch sollten die genannten Auswirkungen des Lichtmanagement bei seiner Einrichtung berücksichtigt werden, da sie als Zusatznutzen ohne, bzw. mit geringem Zusatzaufwand „mitgenommen” werden können (siehe auch Kapitel „Sanierungsbeispiele, Beispiel eines Büros").

Die finanziellen Effekte der Energieeinsparung auf die Gesamtwirtschaftlichkeit der Beleuchtungsanlage werden im Kapitel, „Licht und Wirtschaftlichkeit” behandelt.

Geltende Vorschriften und Regeln

Vorschriften und Regeln unterscheiden sich in Ihrer Art grundsätzlich in zwei Kategorien: Sie beziehen sich auf Produkte oder auf Anwendungen.

Eine typische Produktvorschrift ist die sogenannte „Ökodesign-Richtlinie” (ErP-Richtlinie, Energy-related Products), die als EU-Richtlinie 2009/125/EG im 20. November 2009 erlassen wurde. Die daraus resultierende für die technische Beleuchtung relevante Verordnung ist die No 245/2009, regelt das Verbot des Inverkehrbringens ineffizienter Beleuchtungskomponenten (siehe auch Kapitel, „Umweltgerechte Gestaltung von Produkten").

Bezüglich der Komponenten in elektronisch gesteuerten Beleuchtungsanlagen stellt die ErP-Richtlinie nur die Forderung, dass Vorschaltgeräte, die das Ausschalten angeschlossener Leuchtmittel ermöglichen, im Standby- Betrieb nicht mehr als 0,5 Watt Wirkleistung aufnehmen dürfen (siehe Kapitel „Leistungsfaktor"). Forderungen an die  Funktionsweise von Steuerkomponenten werden nicht erhoben.

Allerdings gibt es Anwendungsvorschriften, die sich in den europäischen Ländern unterscheiden, aber alle auf die jeweils nationale Umsetzung der europäischen EPBD-Richtlinie (Energy Performance of Buildings Directive), EU-Richtlinie 2010/31/EU, zurückzuführen sind.

In Deutschland ist dies die Energie-Einspar-Verordnung. In ihrer gültigen Fassung (EnEV 2014, siehe Kapitel „Energieeffizienz von Gebäuden (EPBD)") werden Lichtmanagementsyteme mit der Funktion der automatischen Anwesenheitserfassung oder  einer tageslichtabhängigen, dimmenden Beleuchtungssteuerung für Anwendungen in Arbeitsstätten (Nutzerprofile) als Referenztechnologie festgelegt. Damit ist festgeschrieben, dass ihr Energie-Einsparpotential bei der Ermittlung des für die Ausstellung einer Baugenehmigung eines Nichtwohngebäudes maximal zulässigen Energiebedarfs zu berücksichtigen ist.

Lichtmanagementsysteme

Abbildung 3.218: Schematische Darstellung: Lokales Lichtmanagement mit  Masterleuchte. Masterleuchte (Foto) mit integriertem Steuergerät und Sensoreinheit.

Funktionen eines Lichtmanagements sollten grundsätzlich immer raumbezogen definiert werden. Egal, ob es um einfaches Dimmen geht, oder um komplexe Steuerungsaufgaben. Denn das Licht ist Voraussetzung für das Sehen, mit dem der Mensch durchschnittlich über 80 % seiner Sinneswahrnehmungen erhält. Und das Sehen findet innerhalb eines Raumes statt.

Dabei kann der Raum ggf. in mehrere, individuell steuerbare Bereiche unterteilt sein (siehe Abbildung). Jedoch sind die Bereiche innerhalb eines Raumes permanent im Blickfeld jedes einzelnen Nutzers. Daher sollte sich erst bei Abwesenheit von Personen in allen Bereichen des Raumes das Licht komplett ausschalten. Bis dahin sollte im gesamten Raum eine Hintergrundbeleuchtung bestehen bleiben. Es muss also die Anwesenheitsinformation der Nachbarbereiche berücksichtigt werden. Ob dies innerhalb eines den vollständigen Raum übergreifenden Gesamtsystems oder mittels mehrerer untereinander verbundener Einzelsysteme geschieht, ist dabei unerheblich.

Von einander getrennte Räume hingegen stehen aus Sicht ihrer Nutzer in keinem Zusammenhang und können insofern von einander unabhängig gesteuert werden.

Viele raumbezogene Systeme eröffnen auch installationstechnische Vorteile, in dem Steuergerät und Sensoren in die Leuchte integriert werden. Dies vereinfacht die Leitungsführung, indem z. B. die Steuerleitungen zum Anschluss an die Schnittstellen des Steuergerätes nicht in die sich im Flur befindliche Unterverteilung geführt werden müssen (siehe Abbildung).

Sollen, z. B. in repräsentativen Anwendungen auf Grund des Erscheinungsbildes des Gesamtgebäudes, übergreifende Funktionen realisiert werden, so empfiehlt es sich, diese durch Vernetzung raumbezogener Einzelsysteme oder deren Ansteuerung mittels eines Gebäudemanagementsystems zu realisieren (siehe Abschnitt „Integrierbare Lichtmanagementsysteme"). Aber auch zentralisierte Fernwartungs- und Monitoring-Funktionen können heute mittels geeigneter Schnittstellen mit zunehmendem Komfort und geringer werdendem Aufwand realisiert werden.