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05. Februar 2014

Neukonzipierter Lichtsimulator

Lesezeit: ca. 6 Minuten

Kapitel 1

Aufgrund der exakten Lichtlenkung sind mit LEDs prinzipiell völlig neue Lichtverteilungen und Beleuchtungskonzepte vorstellbar, die aber von der bestehenden Normung nicht vollständig abgedeckt werden. In der DIN EN 12464-1:2011 werden Mindestbeleuchtungsstärken auf Raumbegrenzungsflächen und in Arbeitsbereichen vorgegeben. Insbesondere die Mindestbeleuchtungsstärken auf Wänden und Decke können mit konventioneller Beleuchtung kaum unterschritten werden. Mit an die Beleuchtungsaufgabe angepassten LED-Leuchten ist eine genaue Einhaltung der Mindestwerte jedoch ohne weiteres möglich. Die Helligkeit und Helligkeitsverteilung der Flächen im Gesichtsfeld hat aber erheblichen Einfluss auf die Qualität der Beleuchtung.
Diese Problematik ist Gegenstand des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojektes UNILED. Im Rahmen des zugehörigen Teilprojektes Energieeffizienz am Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin werden klassische Gütekriterien der Beleuchtung aufgearbeitet und auf ihre Relevanz für Solid-State-Lighting überprüft. Vor diesem Hintergrund wurde dort ein Lichtsimulator eingerichtet. Ziel ist es, allgemeingültige Aussagen zur Qualität verschiedener Lichtverteilungen im Raum beim Einsatz von LED-Leuchten zu erhalten.

Forschungsstand

Die Wirkung verschiedener Lichtverteilungen ist oft nur aus Lichtsimulationsprogrammen und von Bildern bekannt, die eine wahrgenommene Lichtumgebung nicht vollständig wiedergeben können und damit für eine subjektive Bewertung der Beleuchtungssituation nicht optimal sind. Schon seit einigen Jahrzehnten werden Lichtumgebungen in Probandenversuchen hinsichtlich ihres Einflusses auf die empfundene Beleuchtungsqualität untersucht. Bisherige Versuchsaufbauten und Lichtsimulatoren sind aber in ihrer Funktion oft eingeschränkt, da Lichtverteilungen nicht völlig frei gestaltet und angepasst werden können. Im Folgenden werden einige Beispiele genannt, die Schwierigkeiten und Probleme bisheriger Versuchsaufbauten hinsichtlich der Trennung unabhängiger wissenschaftlicher Variablen aufzeigen.

Pellegrino führte in einem Büro-Aufbau Studien zur Nutzerakzeptanz verschiedener Lichtlösungen durch [1]. Im Versuchsraum, ausgestattet mit zwei Leuchtenbändern, wurden drei Beleuchtungssituationen dargeboten, die von Probanden bewertet wurden. Die drei Lichtszenen unterschieden sich in der Lichtverteilung der Leuchten (direkt, direkt/indirekt, indirekt). Im Ergebnis der Studie wurde eine rein direkte Beleuchtung besser (»good«) bewertet als die direkt/indirekte (»acceptable«) bzw. rein direkte Lösung (»acceptable«). Diese Bewertung lässt sich jedoch nicht auf einzelne Variablen zurückführen, da sich in allen drei Szenen sämtliche Parameter wie Leuchtdichte- und Beleuchtungsstärkeverteilungen änderten. So waren für die rein direkte Beleuchtungsszene Leuchtdichte und Beleuchtungsstärke des Schreibtisches um ca. 35% höher als in den anderen Szenen, was einen erheblichen Einfluss auf den Helligkeitseindruck haben kann. Damit wurde in der Studie die Akzeptanz der drei Beleuchtungsarten nicht allgemeingültig bewertet, sondern nur Aussagen über diesen konkreten Beleuchtungsfall gewonnen, die nicht ohne weiteres auf andere Szenarien übertragbar sind.

Fisheye-Aufnahmen verschiedener Lichtszenen, lichttechnische Variablen wie Leuchtdichteverteilung im Gesichtsfeld und Beleuchtungsstärkeverteilung auf der Nutzebene können unabhängig voneinander eingestellt werden.

Shepherd [2] verwendete für die Evaluierung subjektiver Lichtqualität einen Versuchsraum mit zwölf direktstrahlenden Deckenanbauleuchten und fünf Wallwashern in drei Reihen. In den drei dargebotenen Lichtszenen wurden bei konstanter direkter Beleuchtungskomponente unterschiedliche Wand- und Deckenleuchtdichten eingestellt. Die einzelnen Szenen wurden von Probanden mittels Fragbogen bewertet. Allerdings änderten sich neben Wand- und Deckenleuchtdichte auch die Leuchtdichten in den Arbeitsbereichen um bis zu 85%. Auch hier können nur Aussagen über den Spezialfall getroffen werden, allgemeingültige Ergebnisse gibt es nicht.

Collins und Plant [3] verwendeten ein Modell im Maßstab 1:12, bei dem bei gleicher Beleuchtung die Reflexionsgrade der Wände durch Hineinschieben unterschiedlicher Papiere verändert wurden. Eine Trennung der horizontalen und vertikalen Leuchtdichte- und Beleuchtungsstärkeverteilungen war in diesem Versuchsaufbau annähernd möglich, allerdings konnte durch den kleinen Maßstab die Lichtsituation nicht innerhalb des Raumes erlebt werden, da die Probanden von außerhalb in den Aufbau hinein schauten.

Tenner et al. [4] führten Probandenbefragungen in einem Versuchsraum durch, der durch Tageslicht und Kunstlicht beleuchtet wurde. Es wurden Präferenzen für bestimmte Beleuchtungsstärken im Arbeitsbereich herausgefunden. Durch die stark variierende Beleuchtung änderten sich aber vermutlich auch vertikale Leuchtdichten auf den Raumbegrenzungsflächen. Diese werden in der Versuchsauswertung aber nicht berücksichtigt und konnten auch nicht unabhängig variiert werden. Die Ergebnisse der Akzeptanzuntersuchung ausschließlich auf den Einfluss der Beleuchtungsstärke zurückzuführen, ist also nicht möglich.

Es wird klar, dass die Lichtsituation durch die Beleuchtung mit verschiedenen Leuchtentypen zwar geändert werden kann. Da sich aber meist sämtliche wahrnehmungsrelevante Parameter ändern, ist es schwierig, Änderungen in Präferenz und Akzeptanz direkt auf eine Variable zurückzuführen, um allgemeine Aussagen zu treffen.

Ein Beispiel für kontrollierte wissenschaftliche Variablen ist der Aufbau von van Ooyen et al. [5], bei dem drei identische Büroräume mit verschiedenen Leuchten ausgestattet wurden. Die Raumbegrenzungsflächen wurden mit Farben unterschiedlicher Reflexionsgrade gestrichen, die Schreibtischoberflächen konnten durch verschiedene Materialien verändert werden. Leuchten und Reflexionsgrade wurden angepasst, so dass die Beleuchtungsstärke auf der horizontalen Nutzebene in allen drei Räumen konstant war. Die mittlere Leuchtdichte der Wände (12…92cd/m2) und der Schreibtische (20…200cd/m2) wurden variiert.

Die Variabilität dieses Aufbaus ist jedoch auf eine Auswahl von Leuchten begrenzt, beliebige Änderungen der Lichtverteilung sind nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich. Insbesondere komplexere Leuchtdichteverteilungen, wie sie mit LED-Leuchten erreicht werden können, sind nicht über einen Wandanstrich zu realisieren. Um diese Lücke zu schließen und eine Rückführung von Akzeptanzstudien auf einzelne Beleuchtungsparameter zu erlauben, wurde am FG Lichttechnik ein neuer, frei konfigurierbarer Lichtsimulator in Form eines Doppelbüroarbeitsplatzes aufgebaut.

Unterschiedliche Lichtszenen werden einem Probanden dargeboten und von diesem bewertet. Die Ergebnisse ermöglichen ein besseres Verständnis des Einflusses verschiedener Lichtverteilungen auf den Raumflächen auf die subjektiv empfundene Beleuchtungsqualität.

Konzept des konfigurierbaren Lichtsimulators

Im neukonzipierten Lichtsimulator können beliebige Lichtverteilungen unabhängig von Leuchten im Raum dargestellt werden. Wichtig ist die saubere Trennung lichttechnischer Variablen wie Leuchtdichteverteilung auf den Raumoberflächen und Beleuchtungsstärkeverteilung in der Nutzebene. Ein möglichst großes, einstellbares Intervall dieser Größen bietet die Grundlage für zukünftige Versuche. Sämtliche Verteilungen können unabhängig voneinander und örtlich wie zeitlich aufgelöst eingestellt werden. So lässt sich z.B. die Beleuchtungsstärke auf einer Nutzebene variieren, während alle Leuchtdichten auf Raumbegrenzungsflächen durch Nachregeln konstant gehalten werden. Im umgekehrten Fall können Leuchtdichten auf den Wänden variiert werden, ohne die horizontale Beleuchtungsstärkeverteilung im Raum zu ändern.

Dem »Raum-im-Raum«-Prinzip folgend wurde im Großraumlabor des FG Lichttechnik ein Versuchsraum mit den Abmessungen 5m x 4m x 2,8m aufgebaut. Wände und höhenverstellbare Decke sind mit ca. 1500 einzeln ansteuerbaren LED-Panels und insgesamt über 50000 LEDs ausgestattet. Die Hinterleuchtung durch ein stark streuendes Acrylglas ermöglicht die Einstellung eines örtlich fein aufgelösten Leuchtdichtebereichs auf den Raumbegrenzungsflächen von 0…1000cd/m2 in 255 Stufen, ohne dass einzelne Lichtpunkte wahrgenommen werden. Sechs Hochleistungsprojektoren ermöglichen beliebige Beleuchtungsstärkeverteilungen auf horizontalen Nutzebenen und Arbeitsbereichen unterschiedlicher Höhe. Ähnlich dem aus der Veranstaltungstechnik bekannten »projection-mapping« wird ein zusammengesetztes Graustufenbild des Raumes mit verschiedenen Lichtverteilungen auf die jeweils eingestellte Nutzebene projiziert. Über einen Videoserver kann mit Hilfe einstellbarer Projektionsfenster die Beleuchtungsstärkeverteilung auf die horizontale Nutzebene beschränkt werden. Streulicht auf den anderen Raumbegrenzungsflächen wird weitestgehend vermieden und kann darüber hinaus durch Dimmen der Wandpaneele ausgeglichen werden.

Durch vorhandene Lichtmesstechnik kann eine pixelgenaue Anpassung auf beliebige Verteilung der Beleuchtungsstärke bei verschiedenen Wand- und Deckenleuchtdichten vorgenommen werden. Auch die Positionen von Probanden und Mobiliar im Raum lassen sich anpassen. Die Einstellung der verschiedenen Lichtverteilungen erfolgt über einen Lichtsteuercomputer, der LED-Panels und Videoserver zu verschiedenen Lichtszenen zusammenschaltet und diese speichert. Alle Szenen können über einen Tablet-Computer aufgerufen werden. Für Probandenversuche mit Fragebögen wurde eigens ein Programm entwickelt, welches die Einweisung der Probanden in den Versuch übernimmt, Fragebögen randomisiert oder in der gewünschten Reihenfolge abfragt und die Lichtszenen dem Versuchsablauf entsprechend aufruft. Neben dem Vorteil des »papierlosen Fragbogens« werden durch den immer gleichen, von Probanden und Präsentierenden unabhängigen Ablauf typische Einflüsse auf das Ergebnis (»experimenter’s bias«) systembedingt ausgeschlossen.

In den Probandenversuchen im Rahmen des UNILED-Projektes werden verschiedene Lichtverteilungen im Gesichtsfeld und auf der Nutzebene in einer Büroanordnung auf ihren Einfluss auf die subjektive Akzeptanz hin überprüft. Die Ergebnisse können helfen, durch optimierte Lichtverteilungen einen wichtigen Aspekt der Qualität der Beleuchtung energieeffizient zu verbessern.

Ausblick

Das System ist beliebig durch Sensorik und weitere Messtechnik erweiterbar. Auch nach der Nutzung für UNILED kann der Versuchsraum für weitere Probandenversuche und Studien zu Lichtverteilung, Lichtrichtung, Lichtqualität und Nutzerakzeptanz eingesetzt werden. Insbesondere die speziellen Eigenschaften und möglichen Lichtverteilungen zukünftiger LED-Leuchten können hinsichtlich ihrer Nutzerakzeptanz bewertet werden. In der Lehre entsteht ein Anschauungsobjekt, mit dem in spielerischer Weise Licht erfahrbar gemacht wird. Unterschiedliche Lichtverteilungen und Beleuchtungssituationen können direkt im Raum eingestellt und erlebt werden.

Weiterführende Infos

Autoren: Dipl.-Ing. Raphael Kirsch, MSc Dr.-Ing. Stephan Völker, Fachgebiet Lichttechnik, Technische Universität Berlin, www.li.tu-berlin.de

Grafiken: Raphael Kirsch