HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

9.4 Lichtberechnung

Kapitel: 09 Lichttechnik
9.1 Lichttechnische Grundlagen
9.2 Lichterzeugung
9.3 Leuchten
9.4 Lichtberechnung

9.4.1 Faustregel

9.4.1 Faustregel – 9.4.2 Wirkungsgradmethode – 9.4.3 Computerberechnung – 9.4.4 Energiesparmassnahmen

Will man zunächst überschlägig abschätzen, wie viele Lampen für einen bestimmten Raum benötigt werden, so kann man für durchschnittlich grosse Räume mit heller Farbgebung von maximal 3 W/m2 pro 100 Lux ausgehen (Lampen-Nennleistung).

Für Büroräume gilt:

  • kleine Zellenbüros ca. 2,7 W/m2 pro 100 Lux
  • Mehrpersonenbüros ca. 2,5 W/m2 pro 100 Lux
  • Gruppen- und Grossraumbüros ca. 2,3 W/m2 pro 100 Lux

9.4.2 Wirkungsgradmethode

9.4.1 Faustregel – 9.4.2 Wirkungsgradmethode – 9.4.3 Computerberechnung – 9.4.4 Energiesparmassnahmen

Im Allgemeinen versteht man darunter die Berechnung der mittleren Beleuchtungsstärke in einem Raum oder einer Raumzone auf der Nutz­ebene. Die Höhe der Nutzebene über Boden wird in der Regel mit 0,85 m angenommen. Die mittlere Beleuchtungsstärke ist der Quotient aus dem Lichtstrom, der auf die Nutzfläche fällt (Nutzlichtstrom), und der Grösse der Nutzfläche:

Ē   mittlere Beleuchtungsstärke in lx
ΦN   Nutzlichtstrom in lm
A   Nutzfläche in m2
 

Der Nutzlichtstrom ΦN errechnet sich wie folgt aus dem Lichtstrom ΦLe, der von den Leuchten ausgestrahlt wird:

Der Proportionalitätsfaktor ηR heisst Raumwirkungsgrad und hängt von den Raumproportionen (ausgedrückt durch den Raumindex k), den Reflexionsgraden der Raumbegrenzungsflächen und der Lichtstärkeverteilung der Leuchten ab (dabei wird von einer gleichmässigen Leuchtenverteilung im Raum ausgegangen).

l, b   Raumlänge und -breite
h   Leuchtenhöhe über Nutzebene im Normalfall (Leuchtentypen A, B, C nach Anhang 11.7) bzw. Deckenhöhe über Nutzebene bei vorwiegend indirekt strahlenden Leuchtentypen (D, E)
 

Der Raumwirkungsgrad kann mithilfe von Anhang 11.7 bestimmt werden. Für alle Tabellen gelten Voraussetzungen, die im konkreten Fall meist nicht vollständig erfüllt sind. Deshalb ist die Berechnung des Raumwirkungsgrades mit einer Unsicherheit behaftet, die meist mehr als 10 % beträgt. Der Leuchtenlichtstrom ΦLe lässt sich mit dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad ηLB aus der Summe der Nennlichtströme ∑ Φ0 der Lampen errechnen:

Somit ergibt sich die mittlere Beleuchtungsstärke:

ηR   Raumwirkungsgrad, Anhang 11.7
ηLB   Leuchtenbetriebswirkungsgrad, Anhang 11.7
Φ0   Nennlichtstrom einer Lampe (Neuzustand) in lm
 

Das Produkt aus Raumwirkungsgrad ηR und Leuchtenbetriebswirkungsgrad ηLB heisst Beleuchtungswirkungsgrad ηB. In Leuchtenkatalogen wird oft für jeden Leuchtentyp die zugehörige Wirkungsgradtabelle angegeben. Diese bezieht sich dann meist auf den Beleuchtungswirkungsgrad. In der Regel interessiert nicht der Neuwert der Beleuchtungsstärke, sondern der Wartungswert. Das ist der Wert, unter den die mittlere Beleuchtungsstärke nicht absinken darf. Der Neuwert muss deshalb noch mit dem Wartungsfaktor multipliziert werden:

En   Nennbeleuchtungsstärke (Wartungswert) in lx
fv   Wartungsfaktor, i.d.R. 0,6 bis 0,9
Ē   mittlere Beleuchtungsstärke (Neuzustand) in lx
 

Da der Lichtstrom stark von der Verschmutzung und den Wartungsintervallen abhängt, muss für jede Anlage ein Wartungsplan erstellt werden. Aus diesem geht der zu verwendende Wartungsfaktor hervor [CIE 97]. Werden in einer Anlage Lampen gleichen Typs und gleichen Lichtstroms verwendet, so kann die Nennbeleuchtungsstärke aus dem Nennlichtstrom Φ0 der einzelnen Lampen und der Lampenzahl n ermittelt werden:

Ist umgekehrt eine bestimmte Nennbeleuchtungsstärke verlangt, so liefert die Gleichung die notwendige Lampenzahl.

9.4.3 Computerberechnung

9.4.1 Faustregel – 9.4.2 Wirkungsgradmethode – 9.4.3 Computerberechnung – 9.4.4 Energiesparmassnahmen

Heute werden Berechnungen meist mit dem Computer gemacht. Dabei entstehen oft eindrucksvolle Raumdarstellungen (Visualisierungen). Diese sind jedoch mit äusserster Vorsicht zu «geniessen». Die Ausgabemedien sind noch weit davon entfernt, die tatsächliche Lichtqualität abbilden zu können.

Um sich einen Überblick über die erforderlichen Lichtinstallationen zu verschaffen, genügt es im Allgemeinen, mithilfe des Wirkungsgradverfahrens (in den meisten Berechnungsprogrammen als Schnellmethode vorhanden) die erreichbare mittlere Beleuchtungsstärke zu berechnen oder – bei gegebener Beleuchtungsstärke – die erforderliche Lampenzahl.

9.4.4 Energiesparmassnahmen

9.4.1 Faustregel – 9.4.2 Wirkungsgradmethode – 9.4.3 Computerberechnung – 9.4.4 Energiesparmassnahmen

Der Elektrizitätsverbrauch für die Beleuchtung hängt von der Lichttechnik, den Tageslichtverhältnissen, der Steuerung und dem Nutzerverhalten ab. Er kann mit den Volllaststunden nach [SIA 380/4] abgeschätzt werden. Da Einsparungen beim Licht sehr oft zulasten der Beleuchtungsgüte gehen und damit leistungsmindernd wirken können, müssen bei jeder Mass­nahme Vor- und Nachteile sorgfältig gegeneinander abgewogen werden.

Lampen erhöhter Lichtausbeute

Sofern sich dadurch die Leuchtdichte der Lampen erhöht, wie z.B. bei Leuchtstofflampen mit vermindertem Durchmesser oder Leuchtdioden, kann vermehrt Blendung auftreten. Dies gilt insbesondere bei Leuchten mit Spiegelreflektoren, Spiegelrastern und direkt strahlenden Optiken.

Zeitweises Abschalten

Diese Massnahme ist oft ohne zusätzliche Investitionen möglich. Ist die Lampenlebensdauer von der Schalthäufigkeit abhängig, muss geprüft werden, wie lange eine Betriebspause mindestens dauern muss, damit die Stromersparnis die Lampenmehrkosten wegen verkürzter Lebensdauer kompensiert. Das Ausschalten der Beleuchtung in einem vorübergehend unbenutzten Raum durch Bewegungs- oder Anwesenheitssensoren ist oft zweckmässig.

Tageslichtabhängiges Schalten bzw. Regeln

Hiermit lassen sich beträchtliche Energieein­sparungen erzielen. Besonders wirksam ist diese Massnahme in Mehrpersonenbüros und dann, wenn die Arbeitszeit bei fehlendem oder ungenügendem Tageslicht beginnt. Einsparungen bis 30 % sind keine Seltenheit. Bei unterschiedlicher Verbauung der Räume oder Geschosse (z.B. durch Bäume oder gegenüberliegende Bauten) ist der geeigneten Positionierung der Sensoren besondere Beachtung zu schenken. Da die Bedürfnisse meist sehr unterschiedlich sind, sollte die Beleuchtung jederzeit individuell wieder eingeschaltet werden können. Kunstlicht sollte grundsätzlich als Ergänzung des Tageslichtes und nicht als dessen Ersatz angesehen – und auch so eingesetzt – werden. Zur Tageslichtnutzung siehe Band Bauphysik [Zür].

Verlustarme bzw. elektronische Vorschaltgeräte

Diese Massnahme hat keinen nachteiligen Einfluss auf die Beleuchtungsgüte. Bei Leuchtstofflampen lassen sich die grössten Energieeinsparungen mit elektronischen Vorschaltgeräten erzielen (EVG).

Erhöhter Beleuchtungswirkungsgrad

Obwohl es naheliegend ist, bei der Planung einen möglichst hohen Beleuchtungswirkungsgrad (also hohen Raumwirkungsgrad und hohen Leuchtenbetriebswirkungsgrad) anzustreben, ist hierbei die Gefahr gross, massive Einbussen an Beleuchtungsgüte zu erleiden. Die höchsten Beleuchtungswirkungsgrade werden mit tiefstrahlenden Leuchten erreicht, die bezüglich Beleuchtungsqualität speziell im Bürobereich sehr problematisch sind. Deshalb sollten bei der Planung alle möglichen Nebenwirkungen berücksichtigt werden, z.B. mithilfe einer Nutzwertanalyse.

Reduktion der Beleuchtungsstärke

Eine generelle Reduktion ist nur dann zulässig, wenn die Anlage überdotiert ist. Ansonsten besteht die Gefahr, dass die Leistungsfähigkeit sinkt und das Konzentrationsvermögen nachlässt, auch wenn die Sehobjekte noch gut erkennbar sind. Weniger problematisch ist es, das Beleuchtungsniveau zonenweise dort zu reduzieren, wo der Lichtbedarf ohnehin geringer ist, z.B. in Verkehrs- und Pausenzonen.

Leuchtenanordnung

Ein grosses Sparpotenzial liegt beim Ersatz der reinen Allgemeinbeleuchtung durch eine verstärkt arbeitsplatzorientierte Beleuchtung.