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Lichttechnische Größen

Lichtstrom Φ in Lumen (lm) und Lichtausbeute η in lm/W

Neben den schon beschriebenen Begriffen Lichtstrom und Lichtausbeute ist für die Beleuchtungsplanung noch zwischen dem Lampenlichtstrom Φ0 und dem Nutzlichtstrom ΦNutz zu unterscheiden.

Lampenlichtstrom Φ0 ist die Lichtleistung, die eine Lichtquelle nach allen Seiten hin abstrahlt, sie kann den Katalogangaben der Lampenhersteller entnommen werden.

Nutzlichtstrom ΦNutz ist die Lichtleistung, die vertikal auf die zu beleuchtende Nutzebene (Arbeitsebene) trifft und wird mit Hilfe der Beleuchtungsstärke berechnet.

Beleuchtungsstärke E in Lux (lx)

Beleuchtungsstärke E ist das Verhältnis zwischen dem Nutzlichtstrom ΦNutz auf einer beleuchteten Fläche und der Größe A der beleuchteten Fläche.

Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist das Lux (lx). Eine Beleuchtungsstärke von 1 lx liegt vor, wenn die Lichtstromdichte auf der beleuchteten Fläche 1 lm pro m² beträgt. Wird diese Beleuchtungsstärke auf eine waagerechte Fläche wie einen Tisch bezogen spricht man von der horizontalen Beleuchtungsstärke Eh. Wird sie auf eine vertikale Fläche wie eine Wand bezogen nennt man sie vertikale Beleuchtungsstärke Ev, diese kann sich auch auf eine gedachte vertikale Ebene im Raum beziehen.

Die Beleuchtungsstärke bewertet nur die Dichte der Strahlung, die auf eine Fläche trifft und gibt deshalb keine brauchbare Aussage über die Helligkeit. Als Helligkeit wahrgenommen wird nämlich die Strahlung, die in Richtung des beobachtenden Auges von einer angeleuchteten Fläche zurückgestrahlt oder von einer selbst leuchtenden Fläche abgestrahlt wird. Das geeignete Maß zur Bewertung der Helligkeit ist die Leuchtdichte L.

Da sich die Beleuchtungsstärke aber im Vergleich zur Leuchtdichte relativ einfach messen lässt und die entsprechenden Messgeräte deutlich preiswerter sind, wird sie in der Praxis ersatzweise als Helligkeitsbegriff herangezogen, z.B. bei der Beleuchtungsplanung für Innenräume. Dies ist allerdings nur zulässig, wenn weitere Raumbedingungen festliegen, wie z.B. die Reflexionsgerade der Flächen des Raumes.

Beispiele für unterschiedliche Beleuchtungsstärken sind:

  • Etwa 100.000 lx werden in Norddeutschland unter freiem Himmel im Sommer bei Sonnenschein zur Mittagszeit in Bodenhöhe erreicht
  • Etwa 6.000 lx sind es im Winter unter denselben Bedingungen
  • 0,25 lx herrschen bei Vollmond und klarem Himmel
  • 300-750 lx beträgt die mittlere horizontale Beleuchtungsstärke in den meisten Arbeitsstätten
  • 200 lx müssen an ständig besetzten Arbeitsplätzen mindestens erreicht werden
  • ca. 20 lx sind nötig, um ansatzweise Gesichtszüge erkennen zu können

Kennwerte der Beleuchtungsstärke für die Planung, Wartung oder Prüfung

Ein einzelner Messwert der Beleuchtungsstärke hat praktisch keine Aussagekraft, da sich die Beleuchtungsstärke auf einer beleuchteten Fläche von Punkt zu Punkt ändert. Deshalb ermittelt man an möglichst vielen, gleichmäßig verteilten Punkten die Beleuchtungsstärke und errechnet daraus den arithmetischen Mittelwert der Beleuchtungsstärke Ē. Aus diesem Mittelwert der horizontalen Beleuchtungsstärke Ē kann der Nutzlichtstrom ΦNutz errechnet werden, der in Höhe der Arbeitsebene verfügbar ist.

Werte für Beleuchtungsstärken als Bemessungsgrößen für unterschiedliche Sehaufgaben:

20 - 30 - 50 - 75 - 100 - 150 - 200 - 300 - 500 - 750 - 1000 - 2000 - 3000 - 5000 jeweils in lx

Diese Werte erhöhen sich von links (20 lx → Gesichtszüge sind ansatzweise erkennbar) nach rechts jeweils um ungefähr den Faktor 1,5, da dies der geringste Beleuchtungsstärkeunterschied ist, den das menschliche Auge wahrnimmt. Diese Bemessungsgrößen sind in der DIN EN 12 464 (Beleuchtung von Arbeisstätten) als Wartungswerte speziellen Räumen, Sehaufgaben oder Tätigkeiten zugeordnet.

Der Wartungswert der Beleuchtungsstärke Ēm gilt als Mittelwert, der auf der Nutzfläche nicht unterschritten werden darf. Wird bei einer Messung eine Unterschreitung ermittelt, muss die Beleuchtungsanlage gewartet werden. Dabei ist die Höhe des Wartungswertes Ēm von der Art des jeweiligen Arbeitsraumes bzw. von der Sehaufgabe und/oder der vor Ort ausgeführten Tätigkeit abhängig. Umso höher die Anforderungen sind, die an eine Sehaufgabe gestellt werden, desto größer muss der Wartungswert gewählt werden. Der DIN EN 12 464 sind aus Tabellen allgemein anerkannte Wartungswerte der Beleuchtungsstärke zu entnehmen. Beispiele dafür sind:

Arbeitsräume, Arbeitsplätze, Tätigkeiten Mindestwert der Beleuchtungsstärke in lx Mindestwert der Farbwiedergabe RA
Verkehrswege
Verkehrsflächen und Flure ohne Fahrzeugverkehr 50 40
Treppen, Fahrtreppen, Fahrsteige, Aufzüge 100 40
Allgemeine Bereiche, Tätigkeiten und Aufgaben
Pausenräume, Warteräume, Aufenthaltsräume 200 80
Erste Hilfe Räume 500 90
Haustechnische Anlagen, Schaltgeräteräume 200 60
Büros und büroähnliche Arbeitsbereiche
Ablegen, Kopieren 300 80
Schreiben, Lesen, Datenverarbeitung 500 80
Technisches Zeichnen (Handzeichnen) 750 80
Archive 200 80

Der Wartungswert der Beleuchtungsstärke Ēm muss nicht für den gesamten Arbeitsraum eingehalten werden. Er darf außerhalb des Bereichs der eigentlichen Sehaufgabe, im so genannten unmittelbaren Umgebungsbereich, um eine Stufe niedriger gewählt werden. Dieser unmittelbare Umgebungsbereich befindet sich außerhalb der eigentlichen Sehaufgabe, aber noch im Gesichtsfeld der arbeitenden Person und ist mindestens 0,5 m breit.

Da ein Mittelwert nur bedingt aussagefähig ist, ist auch auf eine hohe Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke zu achten. Unter der Gleichmäßigkeit g1 versteht man das Verhältnis zwischen der niedrigsten Beleuchtungsstärke Emin und der mittleren Beleuchtungsstärke Ē innerhalb eines Bereiches. Folgende Werte der Gleichmäßigkeit sollen in Arbeitsstätten eingehalten werden:

  • im Bereich der Sehaufgabe g1 > 0,7
  • in der unmittelbaren Umgebung g1 > 0,5

Neben einer hohen Gleichmäßigkeit muss, um akzeptable, schattenarme Sehverhältnisse zu gewährleisten, auch eine ausreichende zylindrische Beleuchtungsstärke Ez erreicht werden. Dabei handelt es sich um die Erweiterung des Begriffs „vertikale Beleuchtungsstärke“. Definiert ist sie als der an einem Punkt innerhalb eines Raumes vorhandene Mittelwert der vertikalen Beleuchtungsstärken. Am simpelsten wird dieser Wert als Mittelwert aus vier Einzelmessungen der vertikalen Beleuchtungsstärke errechnet, die an einem Punkt in vier Himmelsrichtungen gemessen wurde, im Idealfall mit Hilfe eines rotierenden Messfühlers direkt.

Durch eine geringe zylindrische Beleuchtungsstärke innerhalb eines Raumes wird allgemein die Orientierung erschwert und so können dann, trotz ausreichender horizontaler Beleuchtungsstärke, u.U. Buchrücken oder Aktendeckel, wenn sie vertikal gehalten werden, nicht oder nur schwer gelesen werden. Weiterhin treten in Gesichtern von Personen Schatten auf und im Extremfall werden Personen und Gegenstände nur noch scherenschnittartig wahrgenommen. Sie wird meist in einer Höhe von 1,2 m über dem Fußboden gemessen und sie gilt als ausreichend, wenn sie mindestens 30 % der horizontalen Beleuchtungsstärke entspricht. Wenn eine vertikal verlaufende Fläche, z.B. eine Tafel, jedoch als häufig genutzte Arbeitsebene anzusehen ist, muss diese Fläche als Sehaufgabe betrachtet werden, auf der ein bestimmter Wartungswert Ēm einzuhalten ist.

Durch Alterung und Verschmutzung aller Komponenten, die der Lichterzeugung und -verteilung innerhalb eines Raumes dienen, kommt es nach einiger Zeit zu einer Abnahme der Beleuchtungsstärke. Aus diesem Grund muss eine Beleuchtungsanlage so geplant werden, dass der Neuwert der Beleuchtungsstärke Ēi (Mittelwert der Beleuchtungsstärke, der bei einer neuen Beleuchtungsanlage vorhanden sein soll) deutlich über dem Wartungswert Ēm liegt.


Lichtstärke I in Candela (cd) und Lichtstärkeverteilungskurven

Die Lichtstärke I beschreibt quasi die Intensität eines einzelnen „Lichtstrahls“ einer Lampe, Leuchte, sie ist also ein Maß für den von einer Lichtquelle in eine bestimmte Richtung abgestrahlten Teillichtstrom. Die Einheit für die Lichtstärke I ist Candela (cd), welche eine der sieben Basiseinheiten des SI-Systems ist. Mit Hilfe der Candela und der übrigen Basiseinheiten sind alle weiteren Einheiten der Lichttechnik abgeleitet.

Man kann sie wie folgt beschreiben: Ordnet man im Zentrum einer Hohlkugel, die einen Radius 1 m und eine schwarze Innenwand besitzt, eine punktförmige Quelle mit der Lichtstärke I = 1 cd an, dann beträgt die Beleuchtungsstärke E auf jedem Punkt der Innenwand 1 lx. Die Strahlungsintensität der punktförmigen Lichtquelle lässt sich also mit Hilfe eines einzelnen Lichtstärkewertes präzise beschreiben. Tatsächliche Lichtquellen sind allerdings nicht punktförmig, da sie eine Halterung wie den Lampensockel für die Aufhängung besitzen, die die Lichtabgabe in bestimmte Richtungen behindert, oder durch Reflektoren die Lichtstrahlen gezielt in eine Richtung gelenkt werden. Dort ist dann eine erhöhte Lichtstärke wirksam, da die reflektierten Lichtstrahlen sich den direkt abgestrahlten überlagern. weiterhin besitzen praktische Lichtquellen keine punktförmige „Ausdehnung“, sonder eher eine lang gestreckte Form, wie der Glühfaden einer Glühlampe oder das auf seiner Innenseite mit Leuchtstoff beschichtete Glasrohr einer Leuchtstofflampe.

Die Lichtstärkewerte einer praktischen Lichtquelle unterscheiden sich in Abhängigkeit der Ausstrahlungsrichtung deshalb stark voneinander. Die Strahlungsverteilung solcher Lichtquellen kann also nur mit einer Vielzahl von Einzel-Lichtstärkewerten beschrieben werden, denen jeweils ihr Ausstrahlungswinkel zugeordnet werden muss. Die einzelnen Lichtstärkewerte kann man in Lichtverteilungskurven (LVKs) ablesen. Diese reichen meistens von 0° (nach unten strahlend) bis 180° (nach oben strahlend), da die Form der LVK im Bereich zwischen 0° und -180° spiegelbildlich den gleichen Verlauf aufweist, wird dieser Teil aufrgund der Übersichtlichkeit häufig weggelassen.

LVKs sind meist, bezogen auf eine 1000-lm-Lampe, normiert, um die Zahl zu begrenzen, gerade in Lampen- oder Leuchtenkatalogen. Aus der normierten LVK können dann bei abweichendem Lichtstrom Φ0 die Lichtstärkewerte linear umgerechnet werden.

Mit Hilfe der LVK lässt sich die Punkt-Beleuchtungsstärke auf eine Fläche nicht nur für 1 m Entfernung von der Quelle, sondern für jede beliebige Entfernung und jeden Ausstrahlungswinkel der LVK berechnen. Zu beachten sind dabei:

  • Die Fläche befindet sich im reflexionsfreien Raum und enthält nur direkte Strahlung.
  • Die Beleuchtungsstärke nimmt mit dem Quadrat des Abstands von der Lichtquelle ab, da sich die bestrahlte Fläche jeweils mit dem Quadrat der Entfernung von der Lichtquelle vergrößert. Deshalb verteilt sich ein Lichtbündel auf eine immer größer werdende Fläche, je weiter es von der Lichtquelle entfernt ist. Somit lässt sich für die Punktbeleuchtungsstärke auf einer rechtwinklig angestrahlten Fläche folgende Formel aufstellen:

  • Für eine rechtwinklig zum Ausstrahlungswinkel 0° angeordnete Fläche, die auch von schräg anfallender Strahlung getroffen wird gilt:

Leuchtdichte L in cd/m²

Die Leuchtdichte L (in Candela pro Quadratmeter, cd/m²) ist ein Maß zur Beurteilung der Helligkeit von angestrahlten oder selbst leuchtenden Flächen und damit auch Maßstab bei der Bewertung der Blendung. Im Gegensatz zur Beleuchtungsstärke E, die die Strahlungsdichte auf einer beleuchteten Fläche bewertet, wird durch die Leuchtdichte L die Strahlungsdichte bewertet, die von einer solchen beleuchteten Fläche ausgeht und vom Menschen wahrgenommen wird. Dabei gilt je höher die Leuchtdichte einer Fläche, umso heller wirkt diese.

Bei einer angestrahlten Fläche wird die Leuchtdichte immer kleiner als die Beleuchtungsstärke sein, da von der Fläche nicht das komplette Licht in Richtung des Beobachters reflektiert wird, es wird auch ein Teil absorbiert und ein weiterer Teil in andere Richtungen abgestrahlt. Dabei ist die Leuchtdichte immer mindestens um den Reflektionsgrad ρ der beleuchteten Fläche kleiner als die Beleuchtungsstärke.

  • Bei gerichteter Reflexion, z.B. bei einem Spiegel gilt:

  • Bei gestreuter Reflexion, z.B. auf einem Tisch gilt:

Bei einer gestreuten bzw. diffusen Reflexion ist auf der reflektierenden Fläche kein Spiegelbild erkennbar im Gegensatz zur gerichteten Reflexion. So kommt es auch, dass die Leuchtdichte bei gerichteter Reflexion ca. 3,5-mal so groß ist.

Durch hohe Leuchtdichten entstehen Direkt- oder Reflexblendungen, die man vermeiden sollte. Vergleichsgrößen für Leuchtdichten sind:

  • 130 cd/m² beträgt in etwa die Leuchtdichte einer weißen Fläche, auf der 500 lx Beleuchtungsstärke herrscht
  • Ab einer Leuchtdichte von ca. 200 cd/m² können auf einem PC-Bildschirm störende Spiegelungen auftreten
  • Leuchtdichten ab 4000 cd/m² im unmittelbaren Blickfeld werden von den meisten Menschen als unangenehme Direktblendung wahrgenommen

Reflexionsgrad ρ

Durch Reflexionen an beleuchteten Flächen wird der Raumwirkungsgrad einer Beleuchtungsanlage beeinflusst. Der Reflexionsgrad ρ beschreibt dabei das Verhältnis zwischen dem von einer Fläche zurückgestrahlten Lichtstrom und dem Lichtstrom, der auf diese Fläche trifft.

Ein Reflexionsgrad ρ = 1 ergibt sich, wenn der gesamte Lichtstrom von der Fläche reflektiert wird und ein Reflexionsgrad ρ = 0, wenn der gesamte Lichtstrom absorbiert wird. Spiegelflächen kommen mit einem Reflexionsgrad von 0,88 dem Idealwert recht nah, schwarze Flächen im Gegensatz dazu dem schlechtesten Wert, genau wie Fensterscheiben wenn es dunkel wird. Reflexionsgrade verschiedener Farben/Baustoffe:

FarbeReflexionsgrad ρ
Gelb0,4 - 0,6
Grün0,15 - 0,55
Blau0,1 - 0,5
Rot0,1 - 0,5
Braun0,1 - 0,4
Grau0,15 - 0,6
Schwarz0,05 - 0,1
Weiß0,7 - 0,8
gebrochenes Weiß0,6 - 0,65
MaterialReflexionsgrad ρ
Sichtbeton:
je nach Ausführung

0,25 - 0,45
Sichtmauerwerk:
rote Ziegel
gelbe Ziegel
Kalksandstein

0,15 - 0,3
0,3 - 0,45
0,5 - 0,55
Holzflächen:
dunkel
mittel
hell

0,1 - 0,2
0,2 - 0,3
0,4 - 0,5
Bodenbeläge:
dunkel
mittel
hell

0,1 - 0,15
0,15 - 0,25
0,25 - 0,4
Fenster0,05 - 0,1

Es reicht meist für die Planung von Beleuchtungsanlagen die Reflexionsgrade anhand solcher Tabellen abzuschätzen. Bei der Planung der Beleuchtung für Innenräume unterscheidet man:

  • den Reflexionsgrad der Decke ρDecke
  • den Reflexionsgrad der Wände ρWand
  • den Reflexionsgrad der Nutzebene ρNutz

Raumwirkungsgrad ηR

Der Raumwirkungsgrad ηR beschreibt das Verhältnis des in der Höhe der Nutzebene vorhandenen Nutzlichtstroms ΦNutz zu dem Gesamtlichtstrom ΦL der im Raum installierten Leuchten. Mit ihm werden die gesamten Lichtverluste innerhalb eines Raumes erfasst. Man kann ihn aus Tabellen auslesen, die vom LiTG (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e.V.) veröffentlicht werden. Nach diesen Tabellen hängt er ab von:

  • der Art der im Raum installierten Leuchten
  • den Abmessungen des Raumes, beschrieben durch den Raumindex k
  • den Reflexionsgraden ρDecke, ρWand und ρNutz

Der Raumindex k wird dabei wie folgt bestimmt:

Beleuchtungswirkungsgrad ηB

Der Beleuchtungswirkungsgrad ηB ist der Gesamtwirkungsgrad einer Beleuchtungsanlage und das Produkt aus Leuchtenbetriebswirkungsgrad ηLB und Raumwirkungsgrad ηR.

Wartungsfaktor WF

Der Wartungsfaktor WF einer Beleuchtungsanlage ist das Verhältnis aus dem Wartungswert der Beleuchtungsstärke Ēm und dem Neuwert Ēi und damit normalerweise kleiner als eins. Er ist umso kleiner, je mehr Zeit zwischen zwei Wartungsintervallen liegt und je stärker die nachteiligen Umgebungseinflüsse auf die Komponenten sind. Er muss nach DIN 12 464-1 vom Planer der Beleuchtungsanlage angegeben werden.

Nach der DIN EN 12 665 errechnet er sich aus mehreren einzelnen Wartungsfaktoren, die allerdings in der Praxis meistens nicht umfassend erhältlich sind und zu einem relativ kleinem WF führen und damit zu einer Überdimensionierung der Anlage. Aus bisherigen Erfahrungen und der Vorraussetzung, dass eine Wartung spätestens alle drei Jahre stattfindet, können folgende Wartungsfaktoren als Orientierung dienen:

  • für Beleuchtungsanlagen mit eloxierten Spiegelrasterleuchten und T5-L-Lampen bei normaler Verschmutzung ca. 0,8
  • für Beleuchtungsanlagen mit Spiegelrasterleuchten oder Rasterleuchten mit weißen Reflektoren und Rastern für T8-L-Lampen bei normaler Verschmutzung ca. 0,7

Siehe auch