Technik
Licht 4 | 2022

Intelligent und nachhaltig

SusLight_works« bietet dynamische und menschzentrierte LED-Tageslicht-Beleuchtung

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat in Kooperation mit der Professur für Mikroelektronik am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg und Hahn-Schickard eine zuverlässige, bedarfsgerechte und ressourcenschonende LED-Beleuchtung für Arbeitsplatz- und Büro-Anwendungen entwickelt. Das Beleuchtungskonzept beinhaltet eine intelligente, energiesparende Licht- und Leuchtensteuerung, die sich an den Bedürfnissen des arbeitenden Menschen orientiert.

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Abb.: Die »SusLight_works« Office-Stehleuchte bietet dynamische und menschzentrierte LED-Tageslicht-Beleuchtung für zwei bis vier Arbeitsplätze. Fraunhofer IAF

Licht ist viel mehr als nur ein Mittel zur Wahrnehmung, es wirkt sich ungesehen auf die Motivation, Konzentration und das Wohlbefinden aus. Insbesondere die Beleuchtung am Arbeitsplatz hat einen enormen Einfluss auf die Gesundheit und Leistungsfähigkeit von Mitarbeitenden. Damit diese jedoch im richtigen Licht sitzen, bedarf es einer ganzheitlichen Betrachtung der Beleuchtung unter Berücksichtigung von Umwelteinflüssen und individuellen Bedürfnissen. All diese Faktoren hat das Forscherteam des Fraunhofer IAF gemeinsam mit ihren Projektpartnern IMTEK und Hahn-Schickard unter Beratung der Herbert Waldmann GmbH & Co. KG in einem Beleuchtungskonzept vereint.

Im erfolgreich abgeschlossenen Kooperationsprojekt »SusLight_works«, kurz für smart and sustainable LED lighting for workplace and office applications, sind zwei vollfunktionale Demonstratoren in Form einer Office-Stehleuchte und einer linearen Arbeitsplatzbeleuchtung entstanden. Die zuverlässigen, bedarfsgerechten und ressourcenschonenden LED-Beleuchtungen besitzen eine intelligente, energiesparende Licht- und Leuchtensteuerung, die sich an den Bedürfnissen des arbeitenden Menschen und seiner Umgebung orientiert. Ein besonderer Fokus lag auf der Nutzung der erweiterten Funktionalitäten von LEDs in Kombination mit innovativer Sensorik und Drahtlossteuerung.

»Die smarte und nachhaltige LED-Beleuchtung von »SusLight_works« kann wesentlich zur Energieeinsparung bei der Gebäudeausleuchtung beitragen und durch ihre Langlebigkeit wertvolle Rohstoffe und Produktionskosten sparen. Gleichzeitig hat sie das Potenzial, den arbeitenden Menschen hinsichtlich Ergonomie und Biorhythmus zu unterstützen, indem sie Licht bedarfsgerecht in unterschiedlicher Helligkeit und Farbtemperatur erzeugt sowie der Tätigkeit und dem Tagesgang angepasst werden kann«, betont Dr. Michael Kunzer, Projektkoordinator am Fraunhofer IAF. Als effiziente, umweltfreundliche und langlebige Lichtquelle ist die LED schon seit einigen Jahren auf dem Vormarsch. Infolge der zunehmenden Verbreitung zeigen sich allerdings auch eine Reihe von Herausforderungen. »Bei vielen kommerziellen LED-Leuchten erzeugt die Treiberelektronik Energieverluste und vorzeitige Ausfälle«, erklärt Dr. Kunzer.

Um die Nachhaltigkeit der LED-Beleuchtung zu fördern, wurde im Projekt ein hocheffizienter LED-Treiber in ASIC-Bauweise und mit der GaN-on-Si-Leistungselektronik des Fraunhofer IAF entwickelt. Dieser Treiber kommt ohne Elektrolytkondensatoren aus und somit ohne das kritische Element, welches die Lebenserwartung von gängiger Treiberelektronik einschränkt. Zusätzlich erreichen die GaN-basierten LEDs eine Lichtausbeute von bis zu 210 lm/W. Damit bietet die LED-Technologie von »SusLight_works« auch nach der neuen Ökodesign-Richtlinie für Leuchtmittel, die im September 2021 in Kraft getreten ist, eine der höchsten Energieeffizienzklassen.

»Das volle Potenzial von LEDs geht weit über Energiesparen hinaus. Als dynamische Lichtquelle bieten sie Funktionalitäten wie verlustfreies Dimmen, variable Farbtemperaturen und adaptive Lichtfelder – allesamt Funktionen, die für eine menschzentrierte Beleuchtung, auch Human Centric Lighting (HCL) genannt, entscheidend sind«, so Dr. Kunzer. Damit diese Vorteile der LED-Halbleiter-Lichtquellen voll genutzt werden, haben die Forschenden von »SusLight_works« einen integrierten Licht-Sensor entwickelt, der dem menschlichen Auge nachgebildet ist und die Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke des vorhandenen Umgebungslichts konstant überwacht. Die integrierte Sensorik erfasst automatisch die Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz. Außerdem passen eine Kontrollelektronik und ‑software die Leuchtstärke sowie die Farbtemperatur der Lampe gemäß einem vordefinierten Beleuchtungsprofil an. Die Profile lassen sich individuell und der Tätigkeit entsprechend per App anlegen. Die verbauten LED-Module verfügen über vier Kanäle, die eine Farbtemperatur von 2.200 bis 6.500 Kelvin liefern und so die Dynamik des Tageslichts im Gebäudeinneren nachbilden können. Der Farbwiedergabeindex mit CRI > 80 stellt dabei sicher, dass die Farbtreue des Lichtspektrums bestmöglich dem Ideal der Sonne entspricht.

Das Demonstratorprojekt »SusLight_works« ist 2019 im Rahmen des Leistungszentrums Nachhaltigkeit Freiburg gestartet und wurde im Sommer 2021 erfolgreich beendet. Dabei wurden interdisziplinäre Kompetenzen aus den Bereichen Mikroelektronik, Smart Sensorik, Chronobiologie und Konsumentenverhalten gebündelt, um ressourcenschonende und bedarfsgerechte LED-Arbeitsplatz- und Bürobeleuchtung zu demonstrieren. Das Projektkonsortium unter Leitung des Fraunhofer IAF bestand aus der Universität Freiburg (IMTEK), Hahn-Schickard und dem Industrieberater Herbert Waldmann GmbH & Co. KG. Im Projekt wurden zwei vollfunktionsfähige Demonstratoren entwickelt, die über eine eingebaute Erfassung, Steuerung und Closed-Loop-Nachführung von Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur verfügen. Das Projekt wurde durch das Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg, das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft Baden-Württemberg und die Fraunhofer-Gesellschaft gefördert.

Abb.: Aufbau einer dicht gepackten, 4-kanaligen LED-Platine aus dem Projekt »SusLight_works« zur Erzeugung einer menschzentrierten Arbeitsplatzbeleuchtung. Fraunhofer IAF

Weitere Informationen:

Projektbeteiligte: Fraunhofer IAF, www.iaf.fraunhofer.de; Universität Freiburg Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK), www.imtek.de; Hahn-Schickard, www.hanh-schickard.de; Herbert Waldmann GmbH & Co. KG, www.waldmann.com

Quelle/Fotos: Fraunhofer IAF

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Licht 4 | 2022

Erschienen am 25. Mai 2022