3 Lichtsimulationsprogramm: Tests und Ergebnisse

Die Arbeit mit Lichtsimulationsprogrammen zur Berechnung und Visualisierung von Beleuchtungssituationen ist tägliche Praxis im Bereich der Architekturlichtplanung. Für eine Betrachtung der aktuellen Simulations- und Darstellungsmöglichkeiten wurde eine dem Messaufbau ähnliche Situation in Relux nachgebaut. Dabei verwendete man die digitalen Lichtstärkeverteilungskurven der zur realen Messung benutzen Leuchten.

Für die Simulation wurde ein Standardraum von 3 x 6 m mit einer Höhe von 2,80 m verwendet. Die Reflexionsgrade von Boden, Decke und Wänden blieben bei den Standardeinstellungen von 20, 70 und 50. Als schattengebendes Element dient eine Fläche mit einer Breite von 15 cm und einer Länge von 5 m sowie ein im Abstand von 40 cm eingefügter langgezogener Quader. Dieser hat eine Breite und Höhe von jeweils 15 cm bei ebenfalls einer Länge von 5 m. Auch hier beträgt der Abstand zum Boden 15 cm (Abb. 22). Eine zusätzliche Messfläche in Form eines parallel zur kurzen Seite des Raumes ausgerichteten Streifens wurde auf einer Höhe von 1 cm über dem Boden eingefügt.

Für die Simulation wurde die Flächenleuchte von Rentex so eingesetzt, dass sich die Unterkante auf einer Höhe von 2,70 m befand. Damit war der Abstand zwischen den schattenwerfenden Objekten und der Lichtaustrittsfläche erheblich höher als bei den realen Messungen. Um trotzdem eine Vergleichbarkeit herzustellen, wurden die Maße der Leuchte in der digitalen Lichtstärkeverteilungskurve auf die neunfache Fläche mit den Abmessungen 3 x 3 m angepasst. Äquivalent dazu multiplizierte man die Werte der Leuchte mit 9. Zudem lässt sich im Expertenmodus die Lichtquellenunterteilung anpassen. Diese Anpassung ist bei der Simulation einer Flächenleuchte wichtig, da diese sonst als flächige Lichtquelle behandelt wird (Relux Informatik AG, 2017).

3.1 Messmethoden und Ergebnisdarstellung

Die gängigsten Lichtsimulationsprogramme Relux und DIALux rechnen beide nach der Radiosity Methode. Hierbei wird vor allem für eine bessere Visualisierung ein adaptives Meshing verwendet. So wird an den Stellen mit höherem Beleuchtungsstärkegradienten eine feinere Auflösung des Messrasters erzeugt, während weniger beleuchtete Flächen mit einer gröberen Auflösung berechnet werden.

Nach DIN EN 12464-1 für die Beleuchtung von Arbeitsstätten müssen jedoch die Rasterpunkte eines Messrasters für Berechnungsflächen einen festen, gleichmäßigen Abstand beibehalten (DIN Deutsches Institut für Normung e. V., 2011, S.13). Dies wird in beiden Programmen unterschiedlich umgesetzt.

DIALux löst diese Anforderung, indem für eingefügte Berechnungsflächen die Werte für diese festen Messpunkte interpoliert werden (Witzel, 2014, S.1). Die einzige Möglichkeit die tatsächlichen Werte an den Punkten zu ermitteln, ist durch Einsatz von einzelnen Berechnungspunkten möglich, was allerdings in der Praxis einen erheblichen Mehraufwand bedeutet. Relux hingegen bietet die Möglichkeit, das adaptive Raster auf ein starres umzustellen. Zudem wird hier für jede eingefügte virtuelle Messfläche ein festes Messraster erzeugt, dessen Abstände je nach Planungsanforderung angepasst werden können (Heiß, 2018).

Basierend auf den aktuellen Berechnungsmethoden würde sich für die virtuelle Ermittlung des Härtegrades von Licht in einer Raumlichtsituation eine adaptive Messmethode anbieten. Diese adaptiven Raster am Rand eines Lichtkegels müssten dann allerdings nicht nur zur Berechnung einer besseren Visualisierung dienen, sondern sollten dann auch durch die Auswertung der Messwerte zu einer Aussage über den Härtegrad führen. Eine solche Auswertungsmethode würde allerdings nur für Simulationsprogramme Sinn ergeben, nicht für Messungen in der Realität.

Aktuell bietet Relux als Visualisierungsmöglichkeit ein 3D-Gebirge über die Beleuchtungsstärke an. Dieses lässt sich über das Raster auf der Messfläche in der Auflösung einstellen und berücksichtigt bei einer feinen Rastereinstellung die erzeugten Schatten (Abb. 22). Die Rasterabstände der Messfläche wurden auf 1 cm heruntergesetzt. Dadurch ergibt sich eine hohe Auflösung, so dass ein Verlauf der Helligkeit ähnlich zu den realen Messergebnissen sichtbar wird.

Relux bietet zudem die Möglichkeit die Messwerte einer Berechnungsfläche als Excel-Datei zu exportieren. DIALux bietet eine Darstellung der Beleuchtungsstärke oder Leuchtdichte als 3D-Gebirge in seinen aktuell verfügbaren Versionen gar nicht an, weder in DIALux 4 noch in DIALux evo 8.1. Wie schon unter 2.3 vorgeschlagen (s. vorherige Ausgabe LICHT 1 I 2022), wäre ebenso eine Scatter-Graph-ähnliche Darstellung denkbar. Hierbei ist eine Abbildung des Härtegrades über die z-Achse sinnvoll. Je gerichteter das Licht, desto höher wäre der Wert an dem jeweiligen Messpunkt, so dass die durch gerichtetes Licht gesetzten Akzente deutlich sichtbar werden. Mit einer farblichen Zuordnung der Messpunkte zu den durch Leuchten mit gerichtetem Licht verursachten Peaks ist auch eine leichte Identifizierung zwischen Verursacher und Wirkung möglich.

4 Entwicklungsmöglichkeiten

Die Messbarkeit des Härtegrades wurde mit der vorgestellten Messmethode und der dazugehörigen Auswertung bewiesen. Die darauf aufbauende Weiterentwicklung des Messgerätes sowie die Möglichkeiten einer Skalenfestlegung wird im folgenden Abschnitt diskutiert. Auch eine Etablierung des Härtegrades als feste Planungsgröße wird betrachtet.

4.1 Automation von Messgerät und Bildauswertung

Die Vision für eine Weiterentwicklung des Messgerätes sieht vor, dass man ein kompaktes Gehäuse hat, welches auf einen Messpunkt gestellt werden kann, die Bildaufnahme selbstständig durchführt und direkt das gesuchte Bild ausgibt.

Der Bildsensor befindet sich dabei in dem Messgehäuse auf welchem, parallel zum Bildsensor angeordnet, ein fester Schatter verbaut ist. Das Messgehäuse ist auf einem drehbaren Untersatz fest installiert. Die Ansteuerung des drehbaren Untersatzes sowie die Kommunikation zwischen Messgerät und Drehscheibe (Auslösen der Aufnahme nach jedem Rotationsschritt) müssen ebenfalls in dem Gehäuse untergebracht werden.

Die Belichtungseinstellungen sollten automatisch für jeden Messpunkt vom Messgerät festgelegt werden, so dass eine gute Belichtung gewährleistet ist und keine zusätzlichen Kenntnisse diesbezüglich für die Nutzung des Gerätes notwendig sind. Da eine Automation in der Einstellung von Belichtungsparametern heutzutage in fast jeder Kamera möglich ist, sollte dies auch hier umsetzbar sein. Unabdingbar ist ein von außen zugänglicher Anschluss für ein Speichermedium (zum Beispiel SD-Card, USB) um die erfassten Daten zu übertragen. Eine weiterentwickelte Lösung könnte so aussehen, dass ein eingebauter Microcontroller mit Hilfe eines Bildauswertungsprogrammes wie in Kapitel 1.4.1 (s. LICHT 1 I 2022) vorgestellt, das gesuchte Bild aus den 180 Messbildern ermittelt.

Noch einen Entwicklungsschritt weiter könnte eventuell auch die weiterführende Bildauswertung des gesuchten Bildes im Messgerät implementiert werden, so dass das Messgerät nur noch den Wert des Härtegrades an dem Messpunkt ausgibt. Hierfür wäre natürlich eine Anzeige des Wertes über ein Display sinnvoll, jedoch sollte auch weiterhin eine Bildausgabe über ein Speichermedium möglich sein. Um ein zugeführtes Speichermedium überflüssig zu machen, müsste eine drahtlose Kommunikation implementiert werden, so dass der Zugriff auf das Messgerät über eine Programmoberfläche von einem Computer aus möglich ist. Zumindest ein Abrufen der Daten des Messgeräts sollte realisierbar sein.

Des Weiteren ist eine Videoaufnahme der 180 Messwerte an einem Messpunkt möglich. Hierbei wäre es dann unerheblich an welchem Punkt die direkte Lichtrichtung eingefangen wird, da die einzelnen Winkelpositionen schon zusammengefügt sind. Das Video müsste in seine Einzelbilder zerlegt werden, welche dann den vorher beschriebenen Bildauswertungsprozess durchlaufen. Ein Vorteil dieser Methode wäre eine Beschleunigung der Messdurchführung, da nicht abgewartet werden muss, bis 180 Bilder ausgelöst werden.

Die Implementierung einer Positionserkennung, zum Beispiel mit Distanzmessern (Laser) in vier Richtungen, bietet die Möglichkeit, die Koordinaten des Messpunktes im Raum zu erkennen. So könnte man die Messwerte von mehreren Messpunkten als Grafik über die Raumlichtsituation ausgeben. Diese hypothetischen Weiterentwicklungen des Messgerätes beziehen sich auf die Annahme der horizontalen Messung.

4.2 Überprüfung der Skala

Wie in Kapitel 2.2 (s. LICHT 1 I 2022) beschrieben, gilt es, die vorgeschlagenen Skalen auf ihre Anwendbarkeit hin zu überprüfen. Dabei hat es den Anschein, dass eine prozentuale Einteilung einer Skala nicht notwendig ist. Ausgehend von der Ermittlung des Härtegrades über die normierte Steigung des Helligkeitsanstieges, wie in Kapitel 1.4.3 (s. LICHT 1 I 2022) beschrieben, bietet sich eine Skala mit Werten von 0 bis 100 an, wobei die Grenzwerte als theoretische Werte zu betrachten sind.

Inwieweit eine lineare Abstufung innerhalb der Skala sinnvoll ist, muss durch Messung verschiedener Lichtcharakteristika mit einem weiterentwickelten Messgerät geprüft werden. Da die Steigung über den normierten Helligkeitsanstieg pro Pixel ermittelt wird, lässt sich hier schon eine Vermutung über die Bewertung der Skala durch Probanden äußern. Geht man von der Wahrnehmung der Helligkeit durch das menschliche Auge aus, ist eine logarithmische Einteilung der Skala denkbar. Wäre dies der Fall müssten die Werte der Steigung auf die Werte der Skala normiert werden.

4.3 Bewertung und Einführung des Härtegrades als Planungsgröße

Ist eine Skala festgelegt, muss diese bewertet werden. Eine einheitliche Bewertung für alle Raumlichtsituationen erscheint hierbei nicht sinnvoll, da unterschiedliche Räume nicht die gleichen Anforderungen haben. So ist ein Lichtkonzept für ein Büro zum Beispiel nicht unbedingt passend für einen Shop, ebenso unterscheiden sich die Anforderungen für ein Restaurant oder den Eingangsbereich eines Hotels. Eine Festlegung von vorgeschlagenen Härtegraden für die Planung kann erst dann erfolgen, wenn die Bewertung der Skala im Rahmen eines empirischen Tests durchgeführt wurde. Dabei müssen die Härtegradabstufungen für die jeweilige Raumsituation bewertet werden. Hier wären in der Befragung Einteilungen von gut, schlecht, störend, irritierend, unterstützend, ermüdend, anregend und Ähnlichem denkbar. Zudem sollte bei der Bewertung des Härtegrades auch der Zusammenhang mit Erkennbarkeit von Gegenständen und Umgebung berücksichtigt werden.

Diese Erkennbarkeit wird heutzutage in Normen und Planungsempfehlungen meist als Modelling bezeichnet und in der Schrift der LiTG (Heft 35) wie folgt beschrieben (Dehoff & Tralau, 2017, S.105): »Modelling beschreibt die Ausgewogenheit zwischen diffusem und gerichtetem Licht. Das allgemeine Erscheinungsbild eines Innenraumes verbessert sich, wenn seine baulichen Merkmale, die Menschen sowie die Gegenstände im Raum so beleuchtet werden, dass Form und Struktur deutlich und gefällig vermittelt werden. Die Beleuchtung sollte nicht zu stark gerichtet sein, weil sich sonst zu harte Schatten bilden. Sie sollte auch nicht zu diffus sein, da sonst der Modelling-Effekt völlig verloren geht, was zu einer sehr ausdrucksarmen Lichtumgebung führt. Starke Mehrfachschatten, die durch gerichtetes Licht aus mehr als einer Position erzeugt werden, sind zu vermeiden, da sie zu verwirrenden visuellen Effekten führen können. Das Verhältnis zwischen zylindrischer und horizontaler Beleuchtungsstärke in einem Punkt ist ein guter Modelling-Indikator. Die Rasterpunkte für zylindrische und horizontale Beleuchtungsstärken müssen bei einer Lichtplanung übereinstimmen.

Grenzwerte:

• Für regelmäßige Anordnungen von Leuchten oder Dachoberlichtern ist ein Wert zwischen 0,30 und 0,60 ein Indikator für gutes Modelling.
• Von Fenstern breitet sich Tageslicht hauptsächlich horizontal aus. Die zusätzlichen Vorteile von Tageslicht können den Einfluss auf den Modelling-Wert kompensieren. Modelling-Werte für Tageslicht können daher von dem angegebenen Wertebereich abweichen.«

In derselben Schrift gibt es noch die zusätzliche Kategorie des Schlagschattens: »Schlagschatten werden durch starke punktförmige Lichtquellen erzeugt, die ein Objekt aus einer Richtung anstrahlen. Schlagschatten sind störend, wenn sie die Sichtbarkeit der Sehaufgabe oder den Eindruck des Raumes beeinträchtigen. Bei künstlicher Beleuchtung ist zu beachten, dass jede punktförmige Lichtquelle potenziell einen Schlagschatten erzeugt. Grenzwerte: Derzeit gibt es keine normativen Festlegungen« (Dehoff & Tralau, 2017, S.104).

Es ist also festzuhalten, dass derzeit keine normativen Vorgaben festgelegt sind, wie es etwa bei der mittleren Beleuchtungsstärke oder Gleichmäßigkeit der Fall ist. Es gibt jedoch in der Norm (DIN Deutsches Institut für Normung e. V., 2011) Planungsgrundlagen sowie die Vorschläge aus der Schrift der LiTG zur Lichtqualität, die versuchen das Thema zu fassen und auch Lösungen anzubieten. Jedoch fehlt es hier an quantitativen Aussagen für die Planung. Dadurch lassen sich Raumlichtsituationen nur durch einen gewissen Erfahrungswert reproduzieren. Um dies zu ändern, ist die Einführung des Härtegrades, abzukürzen mit HgF, als zusätzliche Planungsgröße sinnvoll.