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Licht 4 | 2019

Intelligente Wohnraumbeleuchtung – Akzeptanz und Herausforderungen

Forschungsprojekt OLIVE – Biologisch wirksame Leuchten im Wohnraum

Für die Integration von HCL in die Wohnraumbeleuchtung sind intelligente Beleuchtungslösungen mit vorgegebenen Werten für Farbtemperatur, Beleuchtungsstärke und Abstrahlcharakteristik erforderlich. Während es z. B. für die Bürobeleuchtung bereits entsprechende Systeme gibt, verläuft die Integration im Wohnraumbereich aufgrund vielfältiger Faktoren langsamer (u. a. Nutzerverhalten, Marktbedingungen). In einer zweistufigen Untersuchung wurden daher zunächst subjektive Beleuchtungsanforderungen bei verschiedenen Tätigkeiten (Beleuchtungssituation) ermittelt, um die Akzeptanz für automatisierte HCL-Leuchten zu erhöhen. Dabei konnten signifikante Unterschiede zwischen den untersuchten Situationen für die ähnlichste Farbtemperatur sowie die horizontale Beleuchtungsstärke ermittelt werden.

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1. Zielstellung des Teilprojektes im Verbundprojekt OLIVE

Die vorgestellten Untersuchungen wurden im Rahmen des Teilprojektes »Biologisch wirksame und energieeffiziente Leuchten in der Applikation Wohnraum – Produktspezifische Integration technischer Komponenten und Verbesserung der Nutzerakzeptanz« im Verbundprojekt OLIVE (Optimierte Lichtsysteme zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Gesundheit) vom Lichtforum NRW durchgeführt (Laufzeit 08/2014 – 07/2017) [1]. Das Hauptaugenmerk lag dabei auf dem Applikationsbereich Wohnraum, der sich stark von Bereichen des technischen Lichts unterscheidet (Büro, Schule usw.). Neben Markt- und Wettbewerbsbedingungen sind hierbei vor allem auch die Nutzungsheterogenität von Räumen sowie das Verhalten oder die Erwartung von Nutzern in Betracht zu ziehen. Wohnraumleuchten werden im Normalfall vom Nutzer nicht nur selbst zusammengestellt – meist dekorativ motiviert –, sondern auch selbst installiert. Planer und Installateure, und damit mögliche beratende Instanzen, haben folglich keinen Einfluss auf die Beleuchtungssituation der Wohnräume. Darüber hinaus stehen die Leuchtentypen und ihre jeweilige Zweckbestimmung nicht im unmittelbaren Zusammenhang mit ihrer Nutzungsart. Ein Küchentisch kann ebenso als Esstisch dienen oder für die Zubereitung von Speisen genutzt, gleichzeitig jedoch auch z. B. für Bürotätigkeiten oder zur Ausführung von Hobbys verwendet werden.

Daraus ergeben sich unterschiedliche technologische und akzeptanzorientierte Fragen, wie intelligente Beleuchtung im Wohnraum umgesetzt werden kann. Für einen ersten Zugang wurden im Projekt zum einen verschiedene Leuchtendemonstratoren mit unterschiedlichen Steuerungsmöglichkeiten entwickelt – u. a. Gestensteuerung mittels Hand, Fingern oder Körper, Gesichtserkennung zur Detektion des Alters sowie die Steuerung mittels Tablet. Zum anderen wurde die Nutzerakzeptanz untersucht, um herauszufinden, ob Beleuchtungskriterien für verschiedene Tätigkeiten und Szenen vordefiniert werden können. Insbesondere wurden hierbei die ähnlichste Farbtemperatur und die Beleuchtungsstärke sowie die Abstrahlcharakteristik betrachtet.

Im Forschungsprojekt hat sich gezeigt, dass, während intelligente Beleuchtung ohne HCL funktionieren kann, HCL ein intelligentes Beleuchtungssystem voraussetzt. Erst wenn die Gesamtbeleuchtung – mit einem Raum als kleinste Einheit – auf die Bedürfnisse des Menschen abgestimmt ist, werden alle Aspekte von HCL berücksichtigt. Soll die Beleuchtung »intelligent – d. h. unter anderem mit Sensorik und automatischer Steuerung ausgestattet – werden, müssen diese Einzelleuchten im System agieren. Für eine automatisierte Szenenerkennung, die jeweils das »optimale« Licht liefern soll, kann sich jedoch bei Nichtbeachtung der psychisch-emotionalen Aspekte des Lichts bei den Nutzern Unbehagen und Ablehnung einstellen.

In einer zweistufigen Untersuchung wurden daher subjektive Wünsche und Anforderungen an die Beleuchtung in verschiedenen Situationen ermittelt.

2. Beleuchtungsarten in verschiedenen Situationen – Umfrage

Zu Beginn des Forschungsprojektes wurde eine zweiteilige Onlineumfrage durchgeführt. Der erste Teil der Umfrage »Zukunft der Wohnraumbeleuchtung« (Postervortrag LICHT 2016, Karlsruhe [2]) befasste sich mit Fragen nach »intelligenter« Beleuchtung und allgemeinen Akzeptanzfragen. Nach Beantwortung dieses ersten Umfrageteils stand es den Teilnehmern frei, die Umfrage zu verlassen oder den zweiten Teil »Beleuchtungsarten in verschiedenen Situationen« zu beantworten.

2.1 Durchführung und Methodik

Die nichtrepräsentative Umfrage wurde online von 183 Teilnehmern beantwortet. Den Teilnehmern wurden nacheinander fünf Tätigkeiten im Haushalt vorgestellt, für die Beleuchtungsarten nach ihrer Attraktivität bewertet werden sollten: »Essen/Frühstück«, »Abendessen«, »Haus- und Handarbeit«, »Kochen/Zubereitung von Speisen« und »gemütliches, abendliches Zusammensitzen«. Zur Auswahl standen dabei »diffuses« und »gerichtetes Licht«, »warmweißes«, »neutralweißes« und »kaltweißes Licht«, »helles« und »gedimmtes Licht« sowie »atmosphärisches Licht«. Für jede dieser acht Beleuchtungscharakteristiken sollten die Teilnehmer auf einer fünfstufigen Skala die Attraktivität bewerten: »gar nicht«, »wenig«, »mittel«, »ziemlich« oder »sehr attraktiv«.

Zur Auswertung wurden neben der Bestimmung der relativen Häufigkeit die arithmetischen Mittelwerte und Streuungen berechnet sowie eine Varianzanalyse durchgeführt.

2.2 Ergebnisse

In dieser Umfrage konnten für fünf spezifische Situationen im Wohnraum Beleuchtungspräferenzen ermittelt werden. Dabei ergaben sich für alle Situationen aussagekräftige Ergebnisse. So wird beispielsweise beim »gemütlichen, abendlichen Zusammensitzen« warmweißes, gedimmtes und atmosphärisches Licht als attraktiv empfunden (Abb. 1b). Diese drei Beleuchtungsarten korrelieren darüber hinaus bei allen Situationen (Abb. 2a). Ihre Attraktivität wird also von den Teilnehmern ähnlich bewertet.

Für alle fünf Situationen gibt es nur wenige geschlechts- und altersspezifische Unterschiede. Die Ergebnisse dieser Umfrage sind somit universell einsetzbar.

3. Beispiel Küchentischleuchte – Laborstudie

Auf Basis dieser Ergebnisse wurde eine Laborstudie durchgeführt, um die Aussagen zu verifizieren und herauszufinden, ob für verschiedene Situationen ein Konsens zur Beleuchtungseinstellung zwischen Testpersonen gefunden werden kann. Ziel der Untersuchungen war es, herauszufinden, ob Testpersonen für gegebene Situationen im Wohnraum vergleichbare Beleuchtungseinstellungen auswählen, die sich von Situation zu Situation signifikant unterscheiden.

3.1 Küchentischleuchte

Angesichts der vielseitigen Nutzbarkeit eines Küchentisches (z. B. Ess-, Schreib-, Spiel- und Arbeitstisch) wurde für die Studie dieser beispielhafte Ort im Wohnraum ausgewählt. Die entsprechende Küchentischleuchte (Abb. 3a) wurde vom Lichtforum NRW im Rahmen des Forschungsprojektes entwickelt, um für verschiedenste Anforderungen mittels drei Lichtaustrittsebenen das gewünschte Licht zu liefern:

• LT1: direkte Spotbeleuchtung der Tischoberfläche (Tunable-White, 2 Kanäle)

• LT2: indirekte Beleuchtung über ein Deckensegel (VSO-OLIVE-Module1, 4 Kanäle)

• LE1: indirekte Grundbeleuchtung des Raumes (Tunable-White, 2 Kanäle)

Die Grundbeleuchtung LE1 ist dabei in den Demonstrator mit aufgenommen worden, weil die Beschaffung des Raumes bzw. der Decke (Oberflächen, Reflexion, zusätzliche Beleuchtung) im Allgemeinen nicht bekannt und gerade im persönlichen Umfeld nicht definiert ist.

Aufgrund dieser drei Beleuchtungsebenen ist eine Steuerung von mindestens acht Kanälen erforderlich. Die vielen Freiheitsgrade (CCT, Dimmlevel, amel hoch/niedrig) machen eine manuelle Steuerung durch den Endanwender sehr aufwendig. Dies kann dazu führen, dass die Möglichkeiten der Leuchte nicht genutzt werden und eine passende Beleuchtung für jede Tätigkeit nicht eingestellt wird. Stattdessen würden sich die Nutzer, wie es in vielen Haushalten derzeit der Fall ist, mit einer gegebenen statischen Beleuchtung arrangieren. Für HCL ist somit eine (teil-)automatisierte Steuerung erstrebenswert, insbesondere, wenn eine tagesdynamische Beleuchtung erwünscht ist. Dabei sind jedoch zu jeder Zeit eine manuelle Eingriffsmöglichkeit und ein Überstimmen der Steuerung zu gewährleisten, wie die erste Umfrage »Zukunft der Wohnraumbeleuchtung« deutlich gezeigt hat.

Zur Durchführung der Studie wurde vom Lichtforum NRW eine Steuerung über ein Graphical User Interface (GUI, Abb. 3b) entwickelt und programmiert, mit dem die Farbtemperatur und das Dimmlevel für die Lichtaustrittsebenen LT1 und LT2 über das Touchdisplay eines Raspberry Pi von den Versuchspersonen einfach eingestellt werden konnten.

3.2 Versuchsaufbau und -ablauf

Für ein Höchstmaß an ökologischer Validität der Laborstudie wurde die Teeküche des Lichtforum NRW als Versuchsraum gewählt. Dieser Raum hat infolge seiner Lage keinen Tageslichteintrag. Um eine natürliche, gleichwohl kontrollierte Atmosphäre zu schaffen, wurde mit einer Jalousie vor einer von hinten beleuchteten Leinwand gearbeitet. Die Küchenleuchte wurde über einer neutralen Tischgruppe aufgehängt (ein Tisch, zwei Stühle). Die Probanden saßen mit dem Rücken zur Küchenzeile mit Blick auf den Tisch und eine weiße Wand.

Für die Lichtaustrittsebenen ergaben sich folgende beleuchtungstechnische Werte:

• LT1: 2700 bis 4000 K, max. mittlere horizontale Beleuchtungsstärke auf Tisch bei 100 % ca. 6000 lx

• LT2: 2800 bis 6400 K, max. mittlere horizontale Beleuchtungsstärke auf Tisch bei 100 % ca. 175 lx

Nach einer kurzen Einführung durch die Versuchsleitung, während der die Probanden die Steuerung der Leuchte testen und Fragen stellen konnten, wurde die Untersuchung von den Teilnehmenden ohne Begleitung durchgeführt. Das Steuerungsprogramm führte die Teilnehmer selbstständig durch den Versuch und speicherte die Einstellungen in einer Log-Datei.

Die Teilnehmer wurden aufgefordert, sich in drei Situationen hineinzuversetzen und diese auch durchzuführen: »Essen« (Snacks), »Kreatives Arbeiten« (Zusammenbau eines Legosets), »Zubereitung von Speisen« (Schneiden und Schälen von Obst und Gemüse).

Drei mit den jeweiligen Situationen beschriftete und den zugehörigen Utensilien zur Durchführung der entsprechenden Tätigkeit bestückte Serviertabletts standen auf einer Küchenzeile für die Teilnehmer bereit. Die Abfolge der Tätigkeiten erfolgte randomisiert über das Steuerungsprogramm. Nach einem kurzen Einleitungstext pro Tätigkeit hatten die Teilnehmer minimal sieben Minuten Zeit, sich in eine Situation einzufinden und eine für sie angenehme/passende Lichtsituation einzustellen. Eine Maximalzeit war nicht festgelegt. Stattdessen waren die Teilnehmer aufgefordert, einen »Weiter«-Button zu drücken, sobald sie meinten, die angenehmste Einstellung gefunden zu haben.

Vor jeder neuen Situation wurde die Leuchte zurück in den Ausgangszustand gebracht. Am Ende des Versuchs wurden demographische Daten abgefragt und ebenfalls in der Log-Datei gespeichert.

3.3 Probanden und Zielgruppe

71 Probanden nahmen an der Studie teil, davon 34 Personen aus der Zielgruppe (19 bis 45 Jahre, männlich). Da in der Studie als Kovariat die Grundbeleuchtung (LE1 – warm- oder kaltweiß) untersucht werden sollte, wurde die Zielgruppe zunächst geschlechtlich begrenzt. Da jedoch auch Frauen an der Studie teilnahmen, wurde eine Kontrolle auf Unterschiede zwischen den Geschlechtern durchgeführt. Für die Kontrolle wurden alle Teilnehmer ohne Fehlsichtigkeit einbezogen, da die Anzahl der Frauen in der Zielgruppe mit 14 Teilnehmerinnen zu gering war. Diese Kontrolle zeigte keine Unterschiede (Abb. 4), sodass, auch im Hinblick auf die Ergebnisse der Umfrage (Abschnitt 2.2), die Zielgruppe auf Frauen und Männer zwischen 19 und 45 Jahren erweitert werden kann. Ältere Personen nahmen ebenfalls an der Studie teil, wurden jedoch aufgrund möglicher Veränderungen und Erkrankungen der Augen nicht berücksichtigt. Probanden, die eine Fehlsichtigkeit angaben, wurden ebenfalls nicht berücksichtigt.

3.4 Hypothesen und Ergebnisse

Für die Auswertung lagen zunächst die berechneten Werte für die Einstellungen der LED-Module vor, die auf theoretischen Werten aus Datenblättern und stichprobenartigen Messungen basierten. Anhand dieser Daten wurden Steuerungsalgorithmen berechnet. Im Anschluss an die Studie konnten nach einer Messung des Demonstrators in einer Ulbricht-Kugel die dort ermittelten Messergebnisse – unter Berücksichtigung von Messergebnissen der Beleuchtungsstärke zentral auf der Tischfläche – auf die theoretischen Werte abgebildet werden. Dadurch konnten die Gesamt-CCT und horizontale Gesamtbeleuchtungsstärke der Spots (LT1) und des indirekten Anteils (LT2) für beliebige Einstellungen der Leuchte über das GUI bestimmt werden.

Für die Gesamtwerte sind zwei Hypothesen aufgestellt worden.

• Hypothese 1: Es gibt zwischen den einzelnen Situationen Unterschiede bei der gewählten CCT.

• Hypothese 2: Es gibt zwischen den einzelnen Situationen Unterschiede bei der gewählten horizontalen Beleuchtungsstärke.

• Nullhypothese: Es gibt keine signifikanten Unterschiede.

Für die so ermittelten Werte ist ein t-Test unabhängiger Stichproben (einseitiges Signifikanzniveau α = 0,5) durchgeführt worden, und es sind signifikante Unterschiede zwischen den Situationen ermittelt worden. Dies lässt sich auch visuell durch Boxplots (Abb. 4 und Abb. 5) zeigen. Die Unterschiede zwischen »Zubereitung« und »Kreativität« sind jedoch nur für die horizontale Beleuchtungsstärke, nicht für die Farbtemperatur signifikant. Bei der Farbtemperatur gibt es signifikante Unterschiede zwischen den Situationen »Essen« und »Zubereitung« sowie »Essen« und »Kreativität«. Für die Beleuchtungsstärke gibt es hingegen für alle Kombinationen signifikante Unterschiede.

4. Fazit

Sowohl aus der Onlineumfrage als auch aus der Laborstudie geht hervor, dass es signifikante Unterschiede zwischen einer vorgegebenen Szene und einer präferierten (ähnlichsten) Farbtemperatur gibt. Die erste Hypothese lässt sich somit bestätigen. Auch die zweite Hypothese konnte in der Laborstudie bestätigt werden. In beiden Untersuchungen waren die Streuungen der Ergebnisse jedoch sehr hoch, was trotz der signifikanten Unterschiede auf sehr individuelle Präferenzen der Teilnehmer hindeutet.

Darüber hinaus konnten in beiden Untersuchungen nur einzelne Situationen für einen Ort im Wohnraum berücksichtigt werden. Dabei sind für den Küchentisch nur drei bzw. für den Wohnraum nur fünf Beispieltätigkeiten ausgewählt worden. Wie viele Anwendungsfälle es geben kann, zeigt das beispielhafte Nutzungsverhalten eines Tages für den Küchentisch (Tab. 1). Aufgrund der Vielfalt der Tätigkeiten und Situationen im Wohnraum sowie der hohen Streuungen, sind weitere Untersuchungen für die Vordefinition von Beleuchtungseinstellungen von Leuchten erforderlich.

KÜCHENTISCHLEUCHTE

Tätigkeit

Uhrzeit

Situation

Frühstück mit Zeitungslektüre

07:00-08:00

Essen

Haus- und Handarbeit (Bügeln, Nähen etc.)

08:00-10:00

Hausarbeit

Schreiben, Lesen (Briefe, Post,…)

10:00-10:30

Büroarbeit

Arbeit am Notebook

10:30-11:30

Büroarbeit

Kochen: Gemüse putzen und schneiden

11:30-13:00

Kochen

Mittagessen

13:00-14:00

Essen

Hausaufgaben

14:00-15:30

Büroarbeit

Malen, Spielen

15:30-17:00

Entspannung

Kochen: Zubereitung von Fleisch und Gemüse

17:00-19:00

Kochen

Abendessen mit Besuch

19:00-22:00

Essen

Gemütliches Zusammensitzen bei Wein

22:00-23:00

Entspannung

5. Weiterführende Literatur

[1] Appelhans, Silke et al.: Optimierte Lichtsysteme zur Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Gesundheit (OLIVE) : Schlussbericht der technischen Teilvorhaben im Verbundprojekt : Laufzeit des Vorhabens: 01.08.2014-31.08.2017, 
https://doi.org/10.2314/GBV:1015796109

[2] Appelhans, Silke; Köhler, Dennis: Intelligente Wohnraumbeleuchtung – Herausforderungen und Nutzerakzeptanz. In: LICHT 2016, Karlsruhe, 25. – 28. September; Tagungsband – Proceedings ; 22. Gemeinschaftstagung, ISBN: 978-3-7315-0564-8; S. 619–22
https://doi.org/10.5445/KSP/1000057817

1Die 4-Kanäle ermöglichen nicht nur einen sehr konstanten Abstand zum Planck’schen Kurvenzug bzw. die Nachbildung des Planck’schen Kurvenzuges für die mischbaren Farbtemperaturen, sondern ermöglicht es auch, zwischen zwei amel-Werten umzuschalten – bei (nahezu) gleichbleibenden Farborten.

Weitere Informationen:

Autoren und Abbildungen: Silke Appelhans, M.Sc.; Dipl.-Ing. Dennis Köhler, M.Sc.; Lichtforum NRW GmbH


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Licht 4 | 2019

Erschienen am 24. Mai 2019