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Targeted daylight and optimised artificial lightingProjektinfo 09/2012

Placing rooms in the right lightRegardless whether in the office, at home or in school, too little daylight or unfavourable lighting impair visibility in rooms and strain the eyes. Based on the example of schools and homes for the elderly, it was investigated how new lighting concepts and new lamp, luminaire and ballast technology can help to improve the situation. A measurement system was used to monitor the lighting and energy properties. The new lighting systems and optimised technology enabled the electrical energy requirements in a school to be reduced by around two thirds.

Natural daylight is essential for ensuring wellbeing. Although rooms sufficiently illuminated with artificial light can support people’s day and night rhythm, they cannot replace daylight. This rhythm is determined by a kind of inner clock that is considerably influenced by light. If the effective radiation is insufficient, this throws the inner clock out of kilter. This results in less pronounced sleep-wake phases and has a considerably negative effect on people’s health and wellbeing. In order to keep this chronobiological rhythm in balance when insufficient daylight is provided, artificial lighting can be dynamically adjusted during the course of the day. In addition, new, optimised lighting and ballast technologies enable considerable energy savings to be made. In a joint project, researchers first of all determined how and to what extent the lighting efficiency can be improved. The existing antiquated systems were replaced with new lamp, luminaire and ballast technology as well as with energy-optimising control systems. This enabled them to reduce the energy required by an impressive two thirds.

Quality parameters and light-related valuesGood lighting requires that a lighting system takes into account all relevant quality parameters and does not just limit itself to one particular feature, for example the illuminance. Reading a book, assembling complicated components or working on the computer: different recreational or work activities determine the tasks that the eyes have to cope with. This in turn determines the requirements regarding the quality of the lighting. The brightness level and distribution, glare control, light colour and direction as well as the colour rendering are all light-related quality parameters. The European standard DIN EN 12464-1 “Lighting of work places – Part 1: Indoor work places” has expanded the quality definition. The standard quality parameters are now supplemented with aspects concerned with daylight use and the energy efficient generation of light.

The illuminance is measured horizontally and vertically in Lux (Ix) and indicates the luminous flux that hits a specific area from a light source: around 100,000 Lux (lx) is measured in sunlight, roughly 10,000 lx is measured in the shade of a tree, 0.2 lx is measured on a moonlit night and even less from starlight. In interior spaces,the illuminance varies between 50 and 500 lx.

Geist und Auge schulenIn den vergangenen Jahren konzentrierten sich Experten verstärkt auf die Beleuchtung in Schulgebäuden. Sie gilt inzwischen als ein wesentlicher Faktor zur Förderung von Gesundheit und Wohlbefinden und trägt zum Lernerfolg bei. So war der Energiebedarf der untersuchten Königin-Luise-Schule in Berlin-Dahlem bisher mit 74,5 MWh/a mehr als doppelt so hoch wie der Vergleichswert des Referenzgebäudes nach der Energieeinsparverordnung (EnEV 2009). Daher wurde die Schule für eine modellhafte Sanierung ausgewählt. Eine neu entwickelte dezentrale Messtechnik half dabei, diese Untersuchung in einem Monitoring über ein Jahr in 8 Klassenräumen durchzuführen. Auf dem Schulgelände befinden sich vier Gebäude: Ein Altbau mit Unterrichtsräumen und Internatsbereich, eine Turnhalle, ein weiterer Anbau für Unterrichtsräume und ein Neubau mit Grundschule. Untersucht wurden Klassenraumpaare im Altbau, die paarweise baulich so ähnlich wie möglich waren. Die verschiedenen Raumpaare unterscheiden sich in der Orientierung und im Grad der Verbauung. Mit rund 32 m² und durchschnittlich 20 Schülern pro Klasse sind die Klassenräume im Vergleich zu Räumen anderer Schulen relativ klein. Bisher waren in diesen Klassenräumen Rasterleuchten mit Leuchtstofflampen und verlustarmen konventionellen Vorschaltgeräten (VVG) installiert (Abb. 1); eine Tafelbeleuchtung gab es bis dato nicht.

In jeweils einem Raum der untersuchten Raumpaare wurde eine sogenannte lernfördernde Beleuchtung mit besonders hoher Farbtemperatur (8.000 K) und Beleuchtungsstärke (500 lx) geplant. Dazu wurden vier Leuchten (Leuchtenbetriebswirkungsgrad: 69%) mit je drei T5-Leuchtstofflampen à 35 W installiert. In dem benachbarten Raum hingegen wurde eine besonders energieeffiziente Beleuchtung mit normgerechtem Beleuchtungsniveau von 300 lx auf den Arbeitstischen vorgesehen (Abb. 2). Hierzu wurden vier energieeffiziente Leuchten (Leuchtenbetriebswirkungsgrad: 94%) mit je einer T5-Lampe à 35 W angebracht. In allen Räumen wurde eine Tafelbeleuchtung nachgerüstet, welche bei Bedarf manuell hinzugeschaltet werden kann. Die Beleuchtungsanlagen aller Räume wurden mit einer Präsenz- und tageslichtabhängigen Regelung ausgestattet. Die Regelung ist dabei auf eine Beleuchtungsstärke von 300 bzw. 500 lx programmiert und schaltet die Beleuchtung nach 10-minütiger Abwesenheit von Personen automatisch ab.Mit der neu geplanten Beleuchtungsanlage unterschritt der errechnete jährliche Energiebedarf mit 24,8 MWh/a den vorgeschriebenen Wert von 35,2 MWh/a (nach EnEV 2009) um rund ein Drittel. Gegenüber der alten Beleuchtungsanlage spart die neu geplante Anlage so zwei Drittel der Beleuchtungsenergie ein. Dabei verteilt sich die Energieeinsparung in dieser Schule wie folgt auf die einzelnen Maßnahmen: Das größte Einsparpotenzial lag in der energieeffizienten Lampen-, Leuchten- und Vorschalttechnik. Sie machten weit über die Hälfte der Einsparung aus (ca. 60%). Rund ein Drittel der Einsparungen wird allein durch die Installation der Präsenzmelder erzielt. Die tageslichtabhängige Regelung trägt mit rund 10% zum Spareffekt bei.

Aufgrund dieser Untersuchungen kann nunmehr ein Leitfaden in Normungsgremien des Normungsausschusses Lichttechnik (FNL) und der Deutschen Lichttechnischen Gesellschaft e. V. (LiTG) erarbeitet werden. Lichttechniker, Architekten und Mediziner haben dafür gemeinsam eine wissenschaftliche Grundlage für die deutsche lichttechnische Industrie entwickelt. Eine Querschnittsanalyse über 48 Schulen mit 86 Gebäuden zeigte überdies, dass ein erheblicher Sanierungsbedarf bei Schulgebäuden besteht, die vor 1990 gebaut wurden.

Training minds and eyesIn recent years experts have increasingly focussed on the lighting in school buildings. This is now considered to be an essential factor in promoting health and wellbeing and contributes to successful learning. For example, with 74.5 MWh p.a. the energy requirements at the investigated Königin Luise School in Berlin-Dahlem were more than double as high as the comparison value for a reference building designed in accordance with the German Energy Saving Ordinance (EnEV 2009). The school was therefore selected for an exemplary refurbishment. As part of the investigation, newly developed decentralised measurement technology was used to monitor eight classrooms for more than a year. Four buildings are situated on the school premises: an old building with teaching spaces and boarding facilities, a

Four buildings are situated on the school premises: an old building with teaching spaces and boarding facilities, a sports hall, a further extension with teaching spaces and a new building that houses the primary school. The investigation focussed on classroom pairs in the old building that were as similar as possible in terms of their construction. The various room pairs differ in terms of their orientation and the degree of lighting obstructions. With around 32 m2 and an average of 20 pupils per class, the classrooms are relatively small in comparison with the teaching spaces in other schools. Grid luminaires were previously installed in these classrooms with fluorescent lamps and low-loss, conventional ballast devices (Fig. 1); there was no blackboard lighting. In one room in each of the room pairs being investigated, so-called learn-promoting lighting was planned with a particularly high colour temperature (8,000 K) and illuminance (500 lx). For this purpose four luminaires (light output ratio: 69 %) were installed, each of which has three 35 W T5 fluorescent lamps. In the neighbouring room, on the other hand, particularly energy-efficient lighting was planned with a standard-conforming illuminance of 300 lx above the worktables (Fig. 2). For this purpose, four energy efficient luminaires (light output ratio: 94 %) were installed, each of which has a 35 W T5 lamp. Blackboard lighting was retrofitted in all rooms, which can be switched on manually as required. The lighting systems in all rooms were equipped with a presence- and daylight responsive lighting control system. The control system is programmed to an illuminance of 300 and 500 lx and automatically switches off the lighting ten minutes after people have left the room.

With 24.8 MWh p.a., the annual energy requirement of the newly planned lighting system undercuts the stipulated value of 35.2 MWh p.a. (according to EnEV 2009) by around one third. The newly planned system therefore saves two thirds of the lighting energy used by the old lighting system, whereby the energy savings in this school are spread across various measures: The greatest savings potential lay in the energy efficient lamps, luminaires and ballast technology. They made up more than half of the savings (approx. 60 %). Around a third of the savings were achieved just through installing presence detectors. The daylight responsive lighting control system provides around 10 % of the savings. Based on these investigations, guidelines will now be drawn up by the respective standardisation bodies in the DIN Lighting Technology Standards Committee (FNL) and the Deutsche Lichttechnische Gesellschaft (LiTG). For this purpose, lighting designers, architects and medical practitioners have developed a scientific basis for the German lighting industry. Moreover, a cross-sectional analysis of 48 schools with 86 buildings has shown that there is a considerable need for refurbishment among school buildings built before 1990.

Licht an BordDie meisten Kabinen eines Kreuzfahrtschiffes befinden sich im Inneren – künstliche Beleuchtung muss dann das Tageslicht ersetzen. Nicht regelbare Halogenglühlampen und (Kompakt-)Leuchtstofflampen vernachlässigen dabei den natürlichen Lichtrhythmus. Diese herkömmliche Beleuchtung hat auch den Nachteil, dass eine Vielzahl von verschiedenen Ersatzlampen mitgeführt werden muss. Ersetzen der herkömmlichen Beleuchtung durch moderne LED-Lösungen kann den Energiebedarf für die Beleuchtung um ca. 25% reduzieren. Bei einem Schiff mit 4 Dieselgeneratoren könnte somit auf einen verzichtet werden.

Ziel dieses Teilprojektes der energieoptimierten Beleuchtung war es vor allem, den zeitlichen Verlauf des Tageslichts in innenliegenden Schiffskabinen zu imitieren. Zum Start in den Tag soll das Licht die Gäste an Bord aktivieren, abends dagegen eine ruhige Atmosphäre schaffen, die den Tag ausklingen lässt. Beleuchtungsstärke, Leuchtdichteverteilung und Lichtfarbe werden dazu variabel angesteuert. Die Lichtfarbe wird kontinuierlich zwischen warmweißem (2.700 K) und tageslichtweißem (6.500 K) Licht gesteuert. Voraussetzung ist, dass Decke und Wand hell und farbneutral sind, damit die indirekte Beleuchtung „funktioniert“ und farblich nicht verfälscht wird. Eine getrennte Ansteuerung der Wand- und Deckenleuchten ermöglicht, die Lichtverteilung im Raum zu verändern.

Light on boardMost cabins in cruise ships are situated on the inside, which means that artificial light has to replace daylight. However, non-controllable halogen bulbs and (compact) fluorescent lamps ignore the natural light rhythm. This

Most cabins in cruise ships are situated on the inside, which means that artificial light has to replace daylight. However, non-controllable halogen bulbs and (compact) fluorescent lamps ignore the natural light rhythm. This conventional lighting also has the disadvantage that a diverse range of different replacement bulbs has to be transported as well. Replacing conventional lighting with modern LED solutions can reduce the energy requirement of the lighting by around 25 %. This means that a ship with four diesel generators would be able to dispense with one of them.

A particular aim of the sub-project on energy-optimised lighting was to imitate the change in daylight during the day in internally located ship’s cabins. At the start of the day the light is designed to animate the guests on board, whereas in the evening it is designed to bring the day to a close with a relaxed ambience. To achieve this, the lighting strength, light density distribution and light colour are variably adjusted. The light colour is continually changed between warm white (2,700 K) and daylight white (6,500 K) light. A prerequisite is that the ceiling and walls are bright and neutral in colour so that the indirect lighting “functions” and is not distorted in terms of the colour. A separate control of the wall and ceiling lamps enables the light distribution to be changed in the room.

„Pflegebedarf“ für BeleuchtungViele Pflegeheime für ältere und gebrechliche Menschen sind nicht saniert und oft mit ineffizienten Beleuchtungssystemen ausgestattet; sie genügen weder den energetischen Anforderungen noch den gesundheitlichen Aspekten. In diesem Teil des Verbundprojektes untersuchten und bewerteten die Forscher die Beleuchtungssituationen von zwei Berliner Seniorenheimen. Das Konzept der Heime ist es, dass die Bewohner tagsüber möglichst wenig Zeit in den eigenen Räumen zu verbringen. Daher halten sich die meisten fast den gesamten Tag in zentralen großen Aufenthaltsräumen auf. In den Seniorenheimen wurden quantitative Untersuchungen mit den Bewohnern zum Wohlbefinden und zur Erfüllung von Sehaufgaben durchgeführt. Die Auswertungen basierten dabei auf Befragungen bei verschiedenen Szenarien der Allgemeinbeleuchtung mit zwei unterschiedlichen Farbtemperaturen der eingesetzten Lampen (warmweiß: 3.000 K und kaltweiß: 6.500 K). Dabei zeigte sich, dass das warmweiße Licht bereits bei einer vertikalen Beleuchtungsstärke von 100 lx sowohl im Winter als auch im beginnenden Frühjahr am Vormittag und am Nachmittag als angenehm empfunden wurde. Werte von 500 lx und mehr erschienen als zu hell. Im Fall der kaltweißen Beleuchtung tendierten die Probanden im Frühjahr dazu, diese als zu kalt zu empfinden, in den anderen Monaten als gerade richtig. Allerdings war vom Sommer bis zum Dezember für die Bewohner die vertikale Beleuchtungsstärke von 100 lx zu dunkel.

Das Lesevermögen wurde von allen Probanden im Fall der Vorlage großformatiger Texte (Arial, 14 pt) unter allen Beleuchtungsbedingungen unisono mit „gut“ bewertet, d. h. sowohl für das warmweiße als auch für das kaltweiße Licht bei allen angewandten Horizontalbeleuchtungsstärken von 150 bis hin zu 1.000 lx. Bei mittel- und kleinformatigen Schriftgrößen (Arial, 12 und 10 pt) waren die Einschätzungen differenzierter: Während das Lesevermögen des Textes mit 12-pt-großer Schrift noch für 80 bis 90% der Befragten unter allen Beleuchtungsbedingungen für „gut“ bezeichnet wurde, zeigte sich im Fall der kleineren Schrift (10 pt) die Überlegenheit der Beleuchtung des kaltweißen gegenüber des warmweißen Lichts.

Lighting in need of careMany homes for elderly people have not been refurbished and are often equipped with inefficient lighting systems that do not accord with energy requirements or health aspects. In this part of the joint project researchers investigated and assessed the lighting situation in two retirement homes in Berlin. The concept behind the homes is that the residents should spend as little time as possible in their own rooms during the day. For this reason most spend almost the entire day in centrally located, large-sized common rooms. Quantitative surveys were conducted with the residents in the retirement homes in regards to their comfort and meeting visual tasks. The evaluations were based on surveys with various scenarios for general lighting with two different colour temperatures for the lamps used (warm white: 3,000 K and cool white: 6,500 K).

Here it was shown that warm white light with a vertical illuminance of just 100 lx was felt to be pleasant during the mornings and afternoons both in winter and early spring. Values of 500 lx and more were felt to be too bright. In

Here it was shown that warm white light with a vertical illuminance of just 100 lx was felt to be pleasant during the mornings and afternoons both in winter and early spring. Values of 500 lx and more were felt to be too bright. In the case of the cool white lighting, the respondents tended to find this too cool at the beginning of the year but found it just right during the other months. However, the residents found the vertical illuminance of 100 lx to be too dark from summer to December.

When presented with large-sized texts (Arial, 14 pt), all respondents assessed their reading ability as „good“ under all lighting conditions, i.e. for both the warm and cool white light, and with all applied horizontal illuminance from 150 to 1,000 lx. However, with small and medium font sizes (Arial, 12 and 10 pt), the appraisals were more differentiated: whereas 80 to 90 % of the respondents described their ability to read texts with 12-pt fonts as „good“ for all lighting conditions, in the case of the smaller text (10 pt) the cold white lighting was found to be better than the warm white lighting.

Architektonisch und energetisch optimierenEs gibt in Deutschland rund 12.000 Pflegeheime mit mehr als 840.000 Plätzen für ältere und pflegebedürftige Menschen. Etwa die Hälfte der Pflegeheime sind seit 20 Jahren nicht mehr modernisiert worden. Die Nachteile der Gebäude liegen vor allem in der veralteten Bausubstanz, den Beleuchtungssystemen, der technischen Gebäudeausrüstung und in der Anlagentechnik. Steigende Energiepreise sind auch zu einem spürbaren Kostenfaktor in Alten- und Pflegeheimen geworden und stellen Betreiber und Träger vor die Aufgabe – bei gleichem Qualitätsstandard – die Kosten zu senken und Energie effizient zu nutzen. Zeitgemäße Gebäude sind eine Voraussetzung, dass sich Pflegebedürftige möglichst wohl fühlen können in einer Einrichtung. Angesichts des demografischen Wandels und der Entwicklung der Pflegekosten sind Sanierungskonzepte für Pflegeunterkünfte ein Zukunftsansatz. Im Rahmen eines Verbundprojektes erarbeiten Forscher Konzepte, die zu ganzheitlich nachhaltigen und energetischen Sanierungsmaßnahmen sowie zur architektonischen Weiterentwicklung in Altenpflegewohnanlagen beitragen. In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Nachhaltige Energietechnik (zafh.net) an der Hochschule für Technik Stuttgart und weiteren Partnern sollen neben energetischen, gesundheitsfördernden, ökonomischen und ökologischen auch gestalterische Lösungen gefunden und in richtungsweisende Leitfäden zur Beurteilung der Machbarkeit und zur Bewertung nachhaltiger Sanierungskonzepte zusammengefasst werden.

Das laufende Vorhaben ist ein Projekt aus der Forschungsinitiative „Energieoptimiertes Bauen“ (EnOB). Zusammen mit Osram und dem evangelischen Altenzentrum Bruchsal wird das Projekt bis voraussichtlich 2016 realisiert. Es ist das zweite vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderte Leuchtturmprojekt im Bereich der Altenpflege und soll eine Vergleichsbasis für alle anderen Institutionen mit ähnlicher Nutzung vorgeben. Die Anlagentechnik wird in diesem Vorhaben ausgetauscht und durch neue, effiziente Komponenten ersetzt, die auf einem intelligenten Gebäudeautomationskonzept aufbauen und mit erneuerbaren Energieträgern arbeiten. So sinkt der Jahres-Primärenergiebedarf für die Heizung. Im Anschluss daran folgt ein Monitoring über 2 Jahre, womit Prognosen und Messwerte aus dem realen Betrieb verglichen werden und letztlich die Betriebsoptimierung vorgenommen werden kann.

Architectural and energy optimisationIn Germany there are around 12,000 homes for elderly people with more than 840,000 places for the elderly and people in need of care. Around half of these homes have not been modernised in the last 20 years. Particular disadvantages of the buildings include their antiquated construction, lighting systems, building services equipment and plant technology. Increasing energy costs have also become a tangible cost factor in retirement and nursing homes, and present operators and funding bodies with the task of reducing costs and using energy efficiently while maintaining the same quality standard. State-of-the-art buildings are essential if residents are to feel comfortable in an institution. Faced with the demographic change and the increase in nursing costs, refurbishment concepts for nursing accommodation are an essential task for the future.

As part of a joint project, researchers are therefore developing concepts that contribute to holistic, sustainable and energy-based refurbishment measures and to the further architectural development of residential care facilities. In collaboration with the Centre for Sustainable Energy Technology (zafh.net) at Stuttgart University of Applied

As part of a joint project, researchers are therefore developing concepts that contribute to holistic, sustainable and energy-based refurbishment measures and to the further architectural development of residential care facilities. In collaboration with the Centre for Sustainable Energy Technology (zafh.net) at Stuttgart University of Applied Sciences and further partners, the intention is to develop energy-based, health-promoting, economic, ecological and design-based solutions, and to compile them in formative guidelines for assessing the feasibility and evaluating sustainable refurbishment concepts.

The current project forms part of the „Energy-Optimised Construction“ (EnOB) research initiative. Together with Osram and the Evangelisches Altenzentrum in Bruchsal, the project is scheduled for completion in 2016. It is the second flagship project in the field of old-age care provision to be funded by the German Federal Ministry of Economics and Technology and is intended to provide a comparison basis for all other institutions with similar uses. In this project the building services will be replaced with new, efficient components that are based on an intelligent building automation concept and which work with renewable energy sources. This will therefore lower the primary energy requirements for heating. After implementing the new systems, they will be monitored for two years, which will enable forecasts and measurement values to be compared with the actual operation and ultimately enable the final operation to be optimised.