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Feuer und Rauch

 
 
Licht - Strahlung Die Beleuchtungsstärke E
Die Sonne, unser Energielieferant! Tageslichtquotient „D“
Strahlungsspektrum der Sonne Natürliche Farben – die Mischung macht’s!
Sichtbares Licht und angrenzende Bereiche Wirkung des Tageslichtes auf den Menschen
Schwächung des Strahlungsspektrums Lumen und Lux
Streuung Der Lichtstrom Φ
Absorption Standardwert: 5000 Lux nach DIN 5034-6
Trübung Empfohlene Beleuchtungsstärken
Globalstrahlung Gleichmäßigkeit
   
  Licht - Strahlung

 
Schon die alten Griechen entwickelten Theorien über diese allgegenwärtige Naturerscheinung. Aristoteles glaubte, Licht bewege sich ähnlich wie Wasserwellen, die pythagoreische Schule ließ jeden sichtbaren Gegenstand Lichtpartikel ausströmen. Jahrtausende dauerte der Lehrmeinungsstreit. Heute weiß man:
Das Phänomen "Licht" oder "Strahlung" wird am geeignetsten durch den Dualismus von Welle und Korpuskel beschrieben. Die Ausbreitung des Lichts kann durch ein Wellenmodell (Christiaan Huygens) und der Photoeffekt, also die Auslösung von Photoelektronen aus angestrahlten Stoffen, durch ein Korpuskelmodell (Isaac Newton) veranschaulicht werden. Die beiden Modelle lassen sich nebeneinander benutzen, ohne dass es zu logischen Widersprüchen kommt.

Die Wellennatur des Lichts wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts durch die Einsteinsche Theorie der Lichtquanten modifiziert. Danach ist Licht eine Welle, die in kleinen Stößen, (den Quanten), ausgesandt wird.

Diese Lichtquanten oder Photonen bewegen sich geradlinig mit Lichtgeschwindigkeit von der Lichtquelle weg. Dabei breiten sie sich "kugelförmig" nach allen Richtungen oder "in den vollen Raumwinkel" aus.
Maxwell entwickelte die Theorie der elektromagnetischen Wellen ("Maxwellsche Gleichungen"). Darin reihte er als erster das Licht in die elektromagnetischen Wellen ein.
Heinrich Hertz wies 1886 nach, dass elektromagnetische Wellen die Eigenschaften von Lichtwellen haben. Nach ihm wurde die Maßeinheit für die Frequenz (Hz) benannt - die Anzahl der Schwingungen einer elektromagnetischen Welle pro Sekunde.

Elektromagnetische Wellen unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge und ihre Frequenz. Unter Wellenlänge bezeichnet man den Abstand von Wellenberg zu Wellenberg, unter Frequenz die Anzahl Schwingungen pro Sekunde. Alle elektromagnetischen Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km/sec) aus.

       
 
Die Sonne, unser Energielieferant!


Die Licht- und Strahlungsquelle für das auf der Erde ankommende Tageslicht ist bekanntlich die Sonne. Nackte Zahlen zur größten Lampe unseres Sonnensystems hier!
       
 

Strahlungsspektrum der Sonne

Das Energie-Spektrum der Sonne umfasst einen Wellenlängenbereich von 10-15 m ≤ λ ≤ 105 m,
dessen obere Grenze die mehrere Kilometer langen Radiowellen und dessen untere Grenzen die
billiardstel Meter kurzen Wellen der kosmischen Strahlung sind. Man bezeichnet die außerhalb der
Erdatmosphäre gemessene Strahldichte aller Wellenlängen bei mittlerer Entfernung Erde – Sonne als Solarkonstante Io, die heute mit Io = 1361 ± 7 W/m2 (lt. DIN 5034-2: Io = 1,37 kW/m2) angegeben wird.

Der die Gesamtenergie tragende Bereich liegt bei etwa:
0,2 x 10-6 m  ≤ λ ≤ 3,0 x 10-6 m

Sichtbares Licht und angrenzende Bereiche

Der betreffende Spektralbereich lässt sich in kleinere Schritte unterteilen:

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Unser kostbares Tageslicht erweist sich also bei näherem Hinsehen als „Wellenzwerg“: ganze vierzehntausendstel Millimeter sind ihm auf der kosmischen Energiewellen-Skala eingeräumt.

       
 

Schwächung des Strahlungsspektrums

Bevor die Sonnenstrahlung zur Erdoberfläche gelangt, unterliegt sie der Schwächung durch verschiedene Einflüsse. Zur Vereinfachung wird die Erdatmosphäre zunächst als wolkenlos angenommen, Wolken verringern zusätzlich den zur Erde gelangenden Strahlungsanteil.
Die Schwächung erfolgt durch Streuung an Luftmolekülen und Dunsttröpfchen sowie durch Absorption an atmosphärischen Gasen.

Streuung

Bei der Streuung (Rayleigh-Streuung) werden die Lichtstrahlen abgelenkt, ohne dass Energie umgewandelt wird oder dass eine Wellenlängenänderung eintritt.
Neben den Luftmolekülen befinden sich in der Atmosphäre noch eine ganze Reihe anderer Aerosolteilchen, auch Dunst genannt, die das Sonnenlicht streuen können. Nur wenn diese Teilchen absorbieren können, treten Umwandlungen in Form von Wärme ein.
Wie die Erfahrung zeigt, ist der Dunstgehalt der Atmosphäre wetterabhängig und jahreszeitlichen Schwankungen unterworfen. Allgemein gilt wegen der besonders starken Streuung des kurzwelligen Lichts, dass der relative UV-Anteil am Tageslicht mit abnehmender Bestrahlungsstärke aufgrund des wachsenden Einflusses der Streustrahlung zunimmt.

Absorption

Außer mit Luftmolekülen und Aerosolteilchen ist die Atmosphäre mit Gasen wie O3, CO2 und H2O angefüllt. Diese Gase absorbieren in bestimmten Bereichen des Strahlungsspektrums, den sogenannten Absorptionsbanden, die Strahlung unter Umwandlung in andere Energieformen. Für den UV-Bereich ist die nach Hartley benannte Bande des Ozons (O3) von Bedeutung, denn sie grenzt bei 290 nm das Strahlungsspektrum nach unten ab. Dies bedeutet, dass energiereiche und schädigende Strahlung durch Ozon abgehalten wird. Insofern ist die schützende Ozonschicht für die Erde so wichtig, und sind Maßnahmen gegen das weiter wachsende „Ozonloch“ lebensnotwendig.

Trübung

Durch das gleichzeitige Vorhandensein von Luftmolekülen, Aerosolteilchen und Gasen treten die oben beschriebenen Vorgänge gleichzeitig und zwar schwankend auf, und man bezeichnet diese Wirkung als Trübung der Atmosphäre.
Linke versuchte, den Einfluss des Wasserdampfes und des Dunstes zu einem Trübungsfaktor zusammenzufassen. Der Trübungsfaktor „T“ gibt dabei an, wie viele dunst- und absorptionsfreie Rayleigh-Atmosphären übereinander geschichtet werden müssten, um die gleiche über die Wellenlänge l integrierte Strahlungsintensität am Boden ankommen zu lassen, wie es die wirkliche Atmosphäre gestattet.
Der Trübungsfaktor schwankt tages- und jahreszeitlich, gestattet aber den Vergleich verschiedener Messungen an unterschiedlichen Orten. Die Trübung wirkt dabei z. B. auf die UV-Strahlung so ein, dass schon lange vor Mittag ein starker Abfall der UV-Intensität eintritt.

Globalstrahlung

Unter der Globalstrahlung bezeichnet man die Summe von direkter und diffuser Sonnenstrahlung. Die diffuse Sonnenstrahlung wurde früher als (diffuse) Himmelsstrahlung bezeichnet.

Natürliche Farben – die Mischung macht’s!

Die Sonne sendet uns den Strahlencocktail Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett gleichmäßig gemischt. Keine der Regenbogenfarben färbt das Sonnenlicht. Die Summe dieser tollen Farbenmischung ist ein neutrales weißes Licht, das wir selbst nicht sehen können, das aber unserem Auge die Gegenstände in natürlichen Farben erscheinen lässt.

Natürliche Farben sind relativ. Im Grunde genommen hat kein Gegenstand natürliche Farben, sondern immer nur die, welche die jeweilige aktuelle Beleuchtung diktiert. Wir sehen nur die Farben, die von den Gegenständen unter einer bestimmten Beleuchtungssituation reflektiert werden (z. B. wechselnde Farben des Meeres).

Alle Gegenstände unserer Umwelt sind durch ihre Eigenschaften für eine bestimmte Farbreflexion vorprogrammiert. Sie reflektieren nur Licht bestimmter Wellenlänge. Ob sie das können, hängt von dem Wellenangebot ab, das die Beleuchtung bietet. Bekommen sie von der Beleuchtung ihre Reflexionsfarbe nicht geboten, reflektieren sie nichts mehr. Beispielsweise überwiegt im Angebotsspektrum von elektrischen Glühlampen bei weitem Rot und Gelb zu Lasten von Blau. Dadurch erscheinen Gegenstände unter Glühlampen- oder Neonlicht farblich anders als unter Tageslicht.
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Spektrum Tageslicht Spektrum Leuchtstofflampe
tageslichtweiß
Spektrum Energiesparlampe Spektrum Glühlampe

Das Tageslicht mit seiner gleichmäßigen Farbmischung ist in jedem Fall unübertroffen: Jeder Gegenstand kann sich aus dem gut sortierten Spektrum seine Reflexionsfarbe aussuchen. So gesehen kann man mit Recht sagen, dass Tageslicht natürliche Farben produziert.

Das ist ein wichtiger Grund, warum, trotz aller Fortschritte der künstlichen Beleuchtung, ausreichendes Tageslicht in Wohn- und Arbeitsräume gelangen muss.

   
 
Tageslicht steigert Arbeitsproduktivität

Wirkung des Tageslichtes auf den Menschen

Tageslicht hat vielfältige Wirkungen auf Lebewesen. So steuert es auch den circadianen Rhythmus des Menschen. Tagtäglich sorgt es für einen "Reset" unserer inneren Uhr. Über die Funktionsweisen der inneren Uhr und die gravierenden Auswirkungen auf den Menschen berichtet ein Video der ZDF-heute-Redaktion, das sie sich hier ansehen können.

Weitere umfangreiche Informationen zu den Wirkungen des Lichtes auf den Menschen gibt es auf unserer Seite Aus Sicht des Mediziners.

       
  Lumen und Lux
 
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Die beiden wichtigsten Begriffe in der Tageslicht-Technik sind der Lichtstrom F und die Beleuchtungsstärke.

Der Lichtstrom Φ

gemessen in Lumen (lm), ist die von einer Lichtquelle abgegebene und vom Auge wahrgenommene Strahlungsleistung im sichtbaren Bereich des gesamten Spektrums.

Beispiele:
100 W Glühbirne - ca. 1.400 Lumen
  40 W Leuchtstofflampe - ca. 3.000 Lumen

Die Beleuchtungsstärke E

gemessen in Lux (lx), ist das Verhältnis von Lichtstrom Φ zu beleuchteter Fläche A.

In der Fachwelt wird zwischen der Innenbeleuchtungsstärke Ei und der Außenbeleuchtungsstärke Ea unterschieden. Um eine Vorstellung von der Beleuchtungsstärke E zu bekommen, hier zwei Beispiele für die bei uns im Freien herrschenden Außenbeleuchtungsstärken Ea:

Wolkenloser Sommertag (Juli):
Ea = ca. 100.000 lx

Trüber Winternachmittag (Dezember):
Ea = ca. 3.000 lx

Dies bedeutet, dass zwischen der hellen Julisonne und dem Dezember-Grau-in-Grau in unseren Breitengraden ein Lux-Unterschied von 30 : 1 liegen kann.
Die Außenbeleuchtungsstärke oder auch „Horizontalbeleuchtungsstärke Ea“ bei freiem Himmel lässt sich mit folgender Gleichung nach DIN 5034-2 berechnen:

Ea = (300 + 21000 sin γs) × lx,
wobei γs die Sonnenhöhe ist.

Standardwert: 5000 Lux nach DIN 5034-6

Für den Tageslichttechniker beginnt und endet der Tag, wenn die Außenbeleuchtungsstärke 5000 Lux beträgt, alles darunter ist Dämmerung. 5000 Lux entsprechen etwa der Außenbeleuchtungsstärke in Höhe Kassel bei gleichmäßig bedecktem Himmel am 10. Dezember gegen 10 Uhr.
Die tatsächliche Außenbeleuchtungsstärke ist allerdings breitengradabhängig.
Für genaue Lichtwertberechnungen kann man diese Unterschiede berücksichtigen.

Empfohlene Beleuchtungsstärken

Wie man weiß, ändern sich die natürlichen Lichtverhältnisse tages- und jahreszeitlich. Zudem beeinträchtigen meteorologische Ereignisse wie Wolken und Nebel oder Niederschläge wie Regen und Schnee eine kontinuierliche Beleuchtung mit einer über den Tag konstanten Beleuchtungsstärke. Aus diesem Grund haben bislang ausschließlich Kunstlichttechniker Vorgaben für einzuplanende Beleuchtungsstärken für die zusätzlich vorzuhaltende elektrische Beleuchtung gemacht.
In der Tabelle „Beleuchtungsbedarf“ haben wir eine Übersicht über den Beleuchtungsbedarf für den Wartungswert der Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit von der Nutzung zusammengestellt.
In der Tabelle „Tageslichttechnische Beleuchtungsanforderungen“ haben wir korrespondierend zu DIN EN 12464-1 eine Übersicht über den Anteil der notwendigen Dachoberlichtfläche an der Raumgrundfläche in Abhängigkeit von verschiedenen Anforderungsniveaus und Nutzungen zusammengestellt. Weitere Angaben finden Sie in der DIN-Normreihe 5035 „Beleuchtung mit künstlichem Licht“ oder in DIN EN 12464-1 „Licht und Beleuchtung - Beleuchtung von Arbeitsstätten - Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen; Deutsche Fassung EN 12464-1:08-2011“.

Tageslichtquotient „D“

Im Gegensatz zu einer künstlichen Lichtquelle leuchtet der Himmel über uns recht unterschiedlich, er ist Schwankungen unterworfen. Um für Tageslicht-Berechnungen eine konstante Basis zu erhalten, bedient man sich des Verhältnisses von Beleuchtungsstärke Ep in einem Punkt im Innenraum zu Außenbeleuchtungsstärke Ea. Dieser Quotient heißt nach dem englischen „Daylight Factor“ Tageslichtquotient „D“.

Der Tageslicht-Quotient besagt, wie viel Prozent der Außenbeleuchtungsstärke durch Öffnungen in einen Innenraum gelangen. Er ist aufgrund der Proportionalität der Beleuchtungsstärken Ep und Ea und aufgrund der rotationssymmetrischen Leuchtdichteverteilung des bedeckten Himmels unabhängig sowohl von der Tages- und der Jahreszeit als auch von der horizontalen Orientierung der Tageslichtöffnungen und damit des Gebäudes.

Jeder Punkt in einem Raum hat seinen individuellen Tageslichtquotienten. Stellen wir uns einen gegebenen Raum ohne Fenster nur mit einer Öffnung einer bestimmten Größe in der Decke vor, dann ist es in Höhe der Nutzebene genau unter der Öffnung im Raum am hellsten. Zu den Seitenwänden hin fällt die Helligkeit ab. Der Tageslichtquotient folgt dem Verlauf nach dabei in etwa einer Glockenkurve. Unter der Öffnung erhalten wir folglich den maximalen Tageslichtquotienten Dmax, am Rande den minimalen Tageslichtquotienten Dmin. Ermittelt man nun die Tageslichtquotienten an mehreren Punkten, z. B. in einem Raster von 2 Metern, summiert sie auf und teilt sie durch die Anzahl der Messungen, erhält man den mittleren Tageslichtquotienten . Vergrößern wir jetzt beim obigen Beispiel den Abstand der Decke vom Boden, so verringert sich die Helligkeit im Raum insgesamt.
Vergrößern wir jetzt den Raum bei gleichbleibender Höhe zu den Seiten hin, fällt die Helligkeit am Rand stärker ab.
Verändern wir die Größe der Oberlichtöffnung oder deren Eigenschaften hinsichtlich der Verglasung, vergrößert oder verkleinert sich die Helligkeit im Innenraum.
Streichen wir jetzt die vorher hellen Wände und den Schacht schwarz an, würde es auch im Raum dunkler.

Wir erkennen, im wesentlichen ist der Tageslichtquotient eine geometrische Kenngröße, denn Abhängigkeiten bestehen nur von:

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  • Raumproportionen (Höhe, Länge, Breite),
  • Oberlichtgeometrie (Fläche, Anordnung, Rahmen und Sprossen, Schachtform),
  • Verglasungsmaterial (Transmissionsgrad, Verschmutzung) und den
  • Reflexionsgraden der Raumbegrenzungsflächen und der Schächte.

Empfohlene Mittelwerte für den Tageslichtquotienten finden Sie hier.

Gleichmäßigkeit

Der Tageslichtquotient verläuft unter Lichtöffnungen wellenförmig. Senkrecht unter den Öffnungen liegen die Wellenberge (dort ist es heller, die Kurve steigt an), zwischen den Öffnungen liegen die Wellentäler (hier ist es weniger hell, die Kurve sinkt). Je größer der Unterschied zwischen Bergen und Tälern ist, desto ungleichmäßiger ist die Beleuchtung.
Da für das menschliche Auge starke Hell-Dunkel-Kontraste schädlich sind und Unfallgefahren hervorrufen können, müssen Räume gleichmäßig hell erscheinen.
Schlecht verteilte Einzellichtflächen erzeugen harte Wechsel zwischen Hell- und Dunkelzonen, leuchten einen Raum nur ungenügend aus und führen zu starken Kontrasten und Blendung.
Deshalb sollte die Gleichmäßigkeit g1 der Beleuchtung in der Nutzebene in ausschließlich durch Oberlichter beleuchteten Räumen mindestens 1 : 2 sein.
Die Definition der Gleichmäßigkeit finden sie hier.

Entscheidend für die Gleichmäßigkeit der Beleuchtung sind der Achsabstand der Einzellichtflächen und die Raumhöhe. Niedrige Räume verlangen mehr kleinere Lichtöffnungen. Höhere Räume vertragen größere Öffnungen mit größeren Abständen.

Faustregeln:

  • Die Breite eines Lichtbandes sollte nicht größer als die halbe Höhe des Raumes sein.
  • Die Abstände der Dachlichtbänder untereinander sollten mindestens die doppelte Lichtbandbreite betragen.