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05. Februar 2014

Effizienz und Nutzerakzeptanz

Lesezeit: ca. 7 Minuten

Kapitel 1

1 Einführung

Die energetische Optimierung der Beleuchtung von Büroarbeitsplätzen bei gleichzeitiger Verbesserung der Akzeptanz ist mit spezifischen Fragestellungen verbunden, die sich aus dem Nutzerprofil und dem Gebäudetyp ergeben. Das untersuchte Verwaltungsgebäude (Baujahr 1954) wurde im Jahre 2011 beleuchtungstechnisch saniert. In insgesamt 322 einachsigen Büroräumen mit Seitenfenstern an der Längsseite wurden neuartige LED-Stehleuchten für die Arbeitsplatz- und Raumbeleuchtung eingesetzt.

In dem vom Bundesinstitut für Bau-, Stadt- und Raumforschung (BBSR) geförderten Forschungsprojekt (Förderkennzeichen: SF – 10.08.17.7 – 11.23) wurden relevante lichttechnische, farbmetrische und energetische Messungen durchgeführt. Dazu wurde unter anderem ein Messsystem aufgebaut, das in 40 repräsentativ ausgewählten Büroräumen ein Jahr lang die entsprechenden Größen in 5-Minuten-Intervallen ermittelte. Der nach DIN V 18599 berechnete jährliche Energiebedarf Q ist dann mit dem Referenzwert nach EnEV 2009 und dem Bedarf der Altanlage verglichen worden. Weitere Schwerpunkte der energetischen und lichttechnischen Bewertung der LED-Beleuchtungsanlage lagen auf experimentellen Untersuchungen vor Ort. Gegenstand waren hier der Tageslichtquotient, die Leuchtdichteverteilung, der Einfluss der Raumbegrenzungsflächen auf die Farbwiedergabeeigenschaften sowie eine Nutzerbefragung sämtlicher circa 400 Mitarbeiter.

Als wesentlicher Zusammenhang zwischen der Beleuchtungstechnik und der Nutzerakzeptanz gilt heute der Bezug zum Tageslicht. Dabei spielen die nutzerbezogenen Kontrollsysteme eine wichtige Rolle. Das Ergebnis der umfangreichen Befragung zu diesem Themenkomplex wird bei der Gesamtbeurteilung der Beleuchtungsanlage neben der Erfüllung gültiger Normen und Empfehlungen mit berücksichtigt.

2 Lichttechnische Bewertung

Die LED-Leuchten mit einem Direkt- und einem Indirektanteil sind das Ergebnis einer Kooperation der Firmen Osram und Trilux. Sie sind gut durchkonstruiert; die Länge des Leuchtenkopfes beträgt 0,40m, die Breite 0,20m und der Abstand zwischen dem Zentrum des Leuchtenkopfes und dem Leuchtenständer ist 0,46m groß. Die 18 LEDs für den Direktanteil sind mit jeweils unterschiedlichen optischen Systemen kombiniert und lassen sich zur gezielten gleichmäßigen Ausleuchtung des Arbeitsplatzes einstellen. Die LEDs für den Indirektanteil strahlen dagegen frei nach oben ab. Die Leuchte weist damit eine Lichtstärkeverteilung (LVK) sowohl für den oberen als auch für den unteren Halbraum auf, die für die Arbeitsplatzbeleuchtung gut geeignet ist (Abb. 1a-1c). Die Leuchten sind mit Präsenzmeldern und mit einer tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet.
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LVK der LED-Leuchte; Lichtbänder im unteren Teil horizontal (Bild oben), Lichtbänder im unteren Teil nach außen gekippt (Bild Mitte), Abstrahlung nach oben (Bild unten)
Abbildung 1a-1c:

Die Arbeitsplatzbeleuchtung für den meist fensternahen Arbeitsplatz ist sehr gut, der gesamte Büroraum ist allerdings in Nebenflächen zum Teil nur unbefriedigend beleuchtet.

Der Mittelwert der ähnlichsten Farbtemperatur mit 6400K kommt dem Wert des Tageslichtes D65 sehr nahe, sodass kaum Zwielicht auftreten kann. Der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra ist mit 71 allerdings deutlich unter dem in DIN EN 12464 geforderten Wert von Ra ≥ 80. Die befragten Mitarbeiter haben dies allerdings nicht als Mangel bewertet. Die Raumerschließungsflächen haben auf die Farb- und Farbwiedergabeeigenschaften der LED-Beleuchtung kaum einen Einfluss.

Die elektronische Kontrolle der LED-Leuchten ist optimal. Die Einstellung auf den gewünschten Wert der Beleuchtungsstärke auf bis zu 1100lx in der Arbeitsplatzebene ist unproblematisch. Die Dimmung der LED-Leuchte erfolgt nach der Methode der Pulsweitenmodulation (PWM) mit einer Modulationsfrequenz von 400Hz. Die Zeitdiagramme des Lichtstroms für drei Dimmstufen zeigt Abbildung 2. Ein Flimmern ist bei dieser Frequenz der Lichtwelligkeit für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar. Auch die stroboskopischen Effekte beim Dimmen auf niedrige Niveaus sind in diesem Fall nicht auffällig, da der größte Teil der Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz hier durch Tageslicht (also Gleichlicht) erzeugt wird. Dies ließ sich durch die Ergebnisse der Nutzerbefragung bestätigen.
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Lichtwelligkeit bei Dimmstufe 100% (Bild oben), bei Dimmstufe 50% (2. Bild v. oben), bei Dimmstufe 30% (3. Bild von oben) und bei Dimmstufe 10% (Bild unten).
Abbildung 2:

3 Ergonomische Bewertung

Aufgrund der teilgerichteten Lichtstärkeverteilung der LED-Leuchte hat die Aufstellung im Raum einen entscheidenden Einfluss auf die Ausleuchtung. Während bei einer Anordnung der Leuchte parallel zur Raumachse im Raum eine relativ gleichmäßige Beleuchtungsstärkeverteilung in der Nutzebene und eine ausgewogene Leuchtdichteverteilung auf den Raumerschließungsflächen erzielt werden (Abb. 3), sind die Werte bei einer Anordnung der Leuchte senkrecht zur Raumachse ungleichmäßig (Abb. 4).

) auf den Raumbegrenzungsflächen; Seitenansicht; LED-Stehleuchte senkrecht zur Raumachse; Leuchtenmodule für den Direktanteil nach außen gekippt.
Abbildung 3: Gemessene Verteilung der Leuchtdichte (cd/m2) auf den Raumbegrenzungsflächen; Seitenansicht; LED-Stehleuchte parallel zur Raumachse; Leuchtenmodule für den Direktanteil nach außen gekippt.
Abbildung 4: Gemessene Verteilung der Leuchtdichte (cd/m2

4 Gesundheitliche Bewertung

Ein Modul der hier vorgenommenen Evaluierung widmete sich den nichtvisuellen Wirkungen des Lichts auf den Menschen. Hier wurden die in DIN 5031-10 definierten Größen circadianer Wirkungsfaktor acv und das Bluelight-Hazard-Schädigungspotential abv untersucht. Die experimentell ermittelten Ergebnisse liegen etwas unter den Größen des Normlichtes D65. Die gesundheitsschädigenden UV-Strahlungsanteile und die wirksamen IR-Bestrahlungsstärken sind vernachlässigbar. Daher ist eine gesundheitliche Schädigung durch diese künstliche Beleuchtung nicht zu erwarten.

5 Energetische Bewertung

Zum Monitoring der Beleuchtung in 40 ausgewählten Räumen wurde zunächst eine Aufnahme lichttechnischer Größen, die sowohl durch die künstliche Beleuchtung als auch durch das Tageslicht erzeugt werden, durchgeführt. Das Monitoringsystem ist so ausgelegt, dass an den Bezugspunkten die horizontale Beleuchtungsstärke, der Einschaltzustand des Indirektanteils sowie die Raumtemperatur in einem Messintervall von fünf Minuten gemessen und für eine spätere Auswertung registriert werden können.

Zur dauerhaften Erfassung der lichttechnischen Größen wurde ein kleines, flexibel einzusetzendes Messsystem eingesetzt, das nach Möglichkeit ohne Eingriff in die örtlichen Gegebenheiten installiert wurde. Dazu wurde eine im Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin entwickelte modular aufgebaute dezentrale Messtechnik eingesetzt. Die elektrische Leistungsaufnahme wurde zeitgleich für jede zu vermessende Leuchte aufgenommen.

Die aus Messungen in 40 ausgewählten Büroräumen mit einer Einteilung in drei etwa gleichgroße Teile (Abb. 5) ermittelten Werte des Jahresenergieumsatzes für den Zeitraum April 2012 bis März 2013 ergaben geringere Werte als die des nach DIN V 18599-4 berechneten Jahresenergiebedarfs (Tabelle 1 und Abb. 6).

Tabelle 1: Vergleich des gemessenen Energieumsatzes mit EnEV 2009
Abb. 5: Mittlerer Energieumsatz in den zum Monitoring ausgewählten Räumen[/caption]
[media type="image" id="8222" link="" caption=""] Abb 6: Gesamtleistung P und jährlicher Energiebedarf Q der drei Beleuchtungsanlagen
[media type="image" id="8226" link="" caption=""]

Der Vergleich der Bestandsanlage (Spiegelrasterleuchten mit 36W T8-Leuchtstofflampen und konventionelle Vorschaltgeräten) mit den neuen LED-Leuchten nach DIN V 18599 ergab eine Reduzierung des Jahresenergiebedarfs für die Beleuchtung in den Büroräumen um zwei Drittel (Abb. 6). Dies ist zu 64% auf die moderne Lampen- und Leuchtentechnik, zu 19% auf den Einsatz von Präsenzmeldern und zu 17% auf die Verwendung intelligenter Regelungstechnik mit einer tageslichtabhängigen Regelung zurückzuführen (Abb. 7).
[media type="image" id="8223" link="" caption="Relative Anteile der technischen Maßnahmen an der Energieeinsparung"] Abbildung 7:

6 Nutzerbewertung

Während der Laufzeit des Projektes wurden zwei Nutzerbefragungen erhoben: eine im Sommer (Juli – August) und eine im Winter (Dezember – Januar). Dabei hat sich entgegen den Erwartungen die jahreszeitliche Veränderung des Tageslichteintrages kaum in der Bewertung der Leuchte niedergeschlagen. Die Gesamtbefunde lassen erkennen, dass die Leuchte überwiegend positiv aufgenommen wurde. Dies spiegelt sich besonders in der signifikant besseren Gesamtbewertung gegenüber der vorherigen Beleuchtung wieder (Abb. 8).

Während die Bewertung der Arbeitsplatzbeleuchtung besonders positiv ausfällt, wird im Vergleich die Hintergrundbeleuchtung durch die LED-Stehleuchte als etwas zu dunkel bewertet. Sollten in diesen Bereichen Sehaufgaben erforderlich sein, z.B. an Besprechungstischen, so wird dort eine zweckmäßige zusätzliche Beleuchtung empfohlen (Abb. 9).
[media type="image" id="8224" link="" caption="Bewertung der Helligkeit am Arbeitsplatz und im gesamten Raum; Das Diagramm zeigt die Mittelwerte (-3 = zu dunkel, 0 = genau richtig, 3 = zu hell)"] Abbildung 8: Gesamturteil zur Beleuchtung; Das Diagramm zeigt die Mittelwerte (1 = sehr gut, 6 = ungenügend)

Abbildung 9:

7 Fazit

Vor dem Hintergrund des energetischen Einsparpotentials und dem gegenüber der Altanlage besseren Abschneiden in der Nutzerbewertung ist eine vermehrte Nutzung von LED-Arbeitsplatzleuchten eindeutig zu befürworten. Aus der Evaluierung kann geschlossen werden, dass die LED-Stehleuchten auch in Großraumbüros eingesetzt werden können, wenn nur für eine zusätzliche Hintergrund- und Allgemeinbeleuchtung (Verkehrsbeleuchtung) gesorgt wird.

Aufgrund der Evaluierung und der Nutzerbefragung mit der sehr positiven Einschätzung der neuartigen Beleuchtungsanlage mit LED-Stehleuchten für die Bürobeleuchtung sollte auch eine Anregung zur Aktualisierung von Normen und Vorschriften gegeben werden. Dabei sollten auch die Anforderungen an neue Arbeitsplätze mit verbesserter technischer Ausstattung Berücksichtigung finden. Dies gilt insbesondere für lichttechnische Werte in DIN EN 12464 und für BG-Vorgaben in ASR A3.4 zu beleuchtungstechnischen Angaben bei der Sicherheit am Arbeitsplatz und dem Gesundheitsschutz.

Weiterführende Infos

Autoren: Dr.-Ing. Sırrı Aydınlı, Dr. rer. nat. M. Böhm, Dipl.-Ing. Stefan Gramm, Prof. Dr. rer. nat. Heinrich Kaase und Prof. Dr.-Ing. Stephan Völker, Technische Universität Berlin, Fachgebiet Lichttechnik, www.li.tu-berlin.de