Beleuchtung

Der Begriff Beleuchtung bezeichnet die Lichterzeugung mit Hilfe einer künstlichen Lichtquelle ( Beleuchtungsanlage ) sowie die folgende Sichtbarmachung von Objekten, die nicht selbst leuchten. Dieses Kunstlicht macht den Menschen unabhängig von natürlichen Lichtquellen (in erster Linie der Sonne ) und dient der Verbesserung der Sehleistung (physische Wirkung) und der Steigerung des Wohlbefindens und des Sicherheitsgefühls (psychische Wirkung). ^[1]

Die frühgeschichtliche Nutzung des offenen Feuers stellt die erste und gleichzeitig einfachste Form der Beleuchtung dar. Im weiteren Verlauf der Menschheitsgeschichte wurden insbesondere ab dem 18. Jahrhundert, verbunden mit der Entwicklung neuer Technologien und Werkstoffe, zusätzliche Formen der Beleuchtung entwickelt (beispielsweise Glühlampe ). In der Gegenwart wird versucht, Beleuchtung hinsichtlich Energieverbrauch , Wirkungsgrad und Lebensdauer zu optimieren.

In der Beleuchtungstechnik wird grundsätzlich zwischen der Innen- und der Außenbeleuchtung unterschieden. Die Innenbeleuchtung umfasst sowohl Wohnräume als auch Arbeitsstätten aller Art sowie öffentliche Räume, wie etwa Restaurants oder Theater. Zur Außenbeleuchtung gehören im Wesentlichen die Straßenbeleuchtung und die Beleuchtung von Sportstätten . Verschiedene Normen, die zum größten Teil auf europäischer Ebene harmonisiert sind, regeln die einzelnen Anwendungsgebiete und legen quantitative und qualitative Anforderungen für Beleuchtungsanlagen fest. ^[2]

Geschichte

Die Entdeckung und Nutzbarmachung des Feuers in der Frühzeit markierte den Beginn der Beleuchtung. Neben Wärme spendete das offene Feuer auch ausreichend Licht, um Behausungen und Höhlen zu erhellen. Über die Zeit entwickelten sich daraus weitere Beleuchtungsmittel, wie etwa der Kienspan , die Wachskerze sowie die Öllampe . Entscheidenden Fortschritt in der Beleuchtungstechnik brachte die Entdeckung der Gaslampe im Jahre 1785 durch den Niederländer Johannes Petrus Minckeleers . ^[3] Mit dem Aufkommen der Elektrizität Mitte des 19. Jahrhunderts wurde versucht, auch Strom für die Beleuchtung ( elektrische Bogenlampe ) zu nutzen. Thomas Alva Edison meldete schließlich 1879 die Glühlampe zum Patent an und legte damit den Grundstein für die Nutzung moderner Beleuchtungsmittel. ^[4]

Bestandteile der Beleuchtung

Moderne Beleuchtungsanlagen bestehen grundsätzlich aus Lampe und Leuchte . Die Leuchte dient dazu, eine oder mehrere Lampen aufzunehmen und mit der Stromquelle zu verbinden. Des Weiteren lenkt und verteilt die Leuchte das Licht der Lampe. Im alltäglichen Sprachgebrauch werden die beiden Begriffe fälschlicherweise oftmals gleichgesetzt. Folgende Lampen kommen heute in der Beleuchtungstechnik zum Einsatz (Auswahl):

Glühlampe

Gasgefüllter Glaskolben mit innenliegender Glühwendel aus Wolfram . Elektrischer Strom erhitzt die Glühwendel, sodass neben Wärme auch Licht emittiert wird. Aufgrund der geringen Effizienz – nämlich einem Bruchteil der Lichtausbeute anderer Verfahren – wurde u. a. in der EU ein Herstellungs- und Vertriebsverbot von simplen Glühlampen für die Allgemeinbeleuchtung erlassen, das in diesen Jahren schrittweise wirksam wird.

Halogenglühlampe

Halogenglühlampen stellen eine Weiterentwicklung der Glühlampe dar. Der Glaskolben ist mit einem Halogen gefüllt, wodurch die Lebensdauer und die Effizienz der Glühlampe verbessert wird.

Leuchtstofflampe

Langes, zylindrisches Glasrohr, innen mit Leuchtstoffpulver beschichtet, das UV-Licht durch Fluoreszenz umwandelt. Die Gasentladung erfolgt in der Niederdruckfüllung, die auch etwas Quecksilberdampf enthält und an einem elektronischen Vorschaltgerät betrieben, das alte Starter plus Magnetdrossel ersetzt. Außer bei Wintertemperaturen fast so effizient wie LEDs. Kleine, nämlich gefaltete Typen zum Einstecken werden Kompaktleuchtstoffröhren, gewendelte zum Einschrauben (samt Vorschaltgerät) auch Energiesparlampen genannt.

Quecksilberdampflampe

Mit Leuchtstoff beschichteter Glaskolben, in dessen Inneren ein kleiner dickwandigerer aus Quarzglas die Gasentladung umfasst. Diese wird durch ein Vorschaltgerät gestartet und geregelt. Wegen suboptimaler Lichtausbeute und Quecksilbergehalt in der EU seit 2015 mit Herstellungs- und Vertriebsverbot belegt.

Halogen-Metalldampflampe

Weiterentwicklung der Quecksilberdampflampe auf Basis anderer niedrigsiedender Metalle, wobei durch die Zugabe von Halogenen die Lichtausbeute erhöht wird. Mit Vorschaltgerät zu betreiben.

Natriumdampflampe

Glaskolben oder Glasrohr mit Keramikbrenner, an Vorschaltgerät. Nieder- oder Hochdruck-Typ. Höchste Lichtausbeute aller Systeme, doch ausgeprägt monochrom gelb (nach neon-rosaroter Zündphase), was bei Tunnelbeleuchtung als Abwechslung erzeugender Farbakzent genutzt wird.

LED-Lampe

Lampe, die aus Leuchtdioden in unterschiedlicher Anordnung besteht. Beste Lebensdauer und Lichtausbeute (Effizienz) sind die Vorzüge, eine Einschaltverzögerung von typisch 1/10 s durch das Hochfahren der Elektronik ist charakteristisch. Die Leuchtdiode selbst wird als Halbleiter durch Überhitzung zerstört, weshalb sie nur bis zu bestimmten elektrischen Leistungen gebaut, an Kühlflächen gekoppelt wird und nicht neben einer heißen Glühlampe betrieben werden darf.

Daneben gibt es noch Glimmlampen (Bügeleisenbetriebsanzeige, Spannungsprüfer), Xenon- Fotoblitz – und – Stroboskop -Röhre sowie Elektrolumineszenz .

Anwendungsgebiete

Außenbeleuchtung

Beleuchtungsanlagen, die unter freiem Himmel oder im Außenbereich betrieben werden, gehören zur Außenbeleuchtung. Gegenüber der Innenbeleuchtung weist die Außenbeleuchtung eine höhere Schutzart auf, da sie besser vor Berührung und Eindringen von Fremdkörpern sowie Feuchtigkeit geschützt werden muss.

Zu den Anwendungsbereichen zählen Straßen, Wege und Plätze sowie Parkanlagen und Gärten. Sie dient jedoch auch der Beleuchtung von Sportstätten, Tunneln und Unterführungen sowie der Anstrahlung von Fassaden. Ein weiterer wichtiger Bereich sind Arbeitsstätten im Freien, wie beispielsweise Container-Bahnhöfe, Hafenanlagen, Baustellen, Chemieanlagen oder Tankstellen.

Innenbeleuchtung

Beleuchtungsanlagen, die im Inneren von Gebäuden betrieben werden, zählen zur Innenbeleuchtung. Ein wesentliches Anwendungsgebiet stellen dabei die Arbeitsstättenbeleuchtung und die Wohnraumbeleuchtung dar. In den zugehörigen Normen sind je nach Anwendungsfall bestimmte Kenngrößen definiert, die bei der Lichtplanung eingehalten werden müssen. So werden beispielsweise die Beleuchtungsstärke , die Leuchtdichteverteilung oder die Lichtfarbe vorgegeben. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die korrekte Festlegung der Sehaufgabe. Fehler bei der Planung von Innenbeleuchtungsanlagen können die Sehleistung beeinträchtigen oder zu einer Überanstrengung der Augen oder der Nackenmuskulatur führen.

Eigenständige Anwendungsgebiete

Ausleuchtung bei Veranstaltungen

Man unterscheidet bei der Veranstaltungsbeleuchtung (Ausleuchtung) zwischen Theaterlicht , Fernsehlicht und dem bei Bühnenveranstaltungen verwendeten Showlicht . Alle drei unterscheiden sich hinsichtlich der Beleuchtungsart sehr, dennoch bestehen Gemeinsamkeiten.

Beim Theaterlicht (→ Theaterbeleuchtung ) wird die Ausleuchtung meist in Szenen dargestellt, die wiederum ein hohes Maß an künstlerischer Freiheit genießen. Dabei können viele Farben benutzt werden, z. B. kann ein Theaterschauspieler auch mal gelb, oder blau „ausgeleuchtet“ werden. Die Beleuchtung des vorderen Teils einer Bühne bezeichnet man auch als Rampenlicht .

Fernsehlicht ist dagegen meist weiß, dort tauchen Farben nur als Effekte oder Akzente auf und werden zum Beispiel von Moving Heads dargestellt. Tiefe, harte Schatten sind ungeeignet, da kein hoher Kontrast beziehungsweise Dynamikumfang übertragen werden kann. Die Ausleuchtung beim Fernsehen wird zum Beispiel mit großflächigen Fresnellinsen -Scheinwerfern erreicht, die einen Raum oder Gegenstand gleichmäßig aufhellen. Die Fernsehlicht-Beleuchtungsstärke ( Lux ) muss bestimmte Werte erreichen, die je nach Technik des Ü-Wagens (Übertragungswagen Digital oder Analog) höher (analog bis 1500 Lux) oder niedriger (digital zwischen 400 und 800 Lux) sein sollten. Die Ausleuchtung von Fernsehstudios kann auch mit diffusem Kunstlicht und Tageslicht kombiniert sein.

Das Showlicht ähnelt wiederum eher dem Theaterlicht, es werden farbliche Akzente gesetzt, typische Geräte sind Blinder , Moving Heads und PAR-Scheinwerfer (gut bündelnde Scheinwerfer). Die Ausleuchtung wird ab und an von der Bühnenkante aus mit 2–5 Kilowatt erreicht.

Fahrzeugbeleuchtung

Ein eigenes, weitläufiges Anwendungsgebiet bildet die Fahrzeugbeleuchtung. Zu den Beleuchtungseinrichtungen von Fahrzeugen zählen alle Leuchten, Scheinwerfer und rückstrahlenden Einrichtungen (wie Rückstrahler und Leuchtfarben ), die nach außen wirken. ^[5] Deren Größe und Anbringung ist gesetzlich festgelegt.

Beleuchtung in der Fotografie

In der Farbfotografie muss Licht mit besonders gutem Farbwiedergabeindex eingesetzt werden. Diesen Ansprüchen genügen Glühlampen mit besonders hoher Glühfadentemperatur (Fotolampen) oder auch Xenon-Blitzlicht.

Um den Rote-Augen-Effekt bei Blitzlicht aus Aufnahmerichtung zu verringern, muss das Auge durch helle Beleuchtung oder einen Vorblitz hell adaptieren (geringe Pupillenöffnung). Ein Aufhellblitz kann bei Gegenlichtverhältnissen helfen, das Objekt auszuleuchten.

Bei der Schwarz-Weiß-Fotografie können zum Beispiel auch Rotfilter eingesetzt werden, um bei Porträtaufnahmen Hautunreinheiten zu verbergen.

Der Fotograf gestaltet die Beleuchtung mittels indirekter Beleuchtung (Streuschirm oder streuende Reflexionsflächen) derart, dass zum Beispiel eine seitliche Beleuchtung die Plastizität hervortreten lässt, zugleich aber die Schatten aufgehellt werden. Typisch ist auch die Gestaltung von Gegenlicht-Effekten mit vom Objekt verdeckten Lichtquellen. Alle diese Effekte und Gestaltungen sind auch mit Blitzlicht möglich, indem am Ort der Mutter- und Tochter -Blitzlichtquellen konventionelle Lichtquellen installiert sind, um die Ausleuchtung zu simulieren.

Kenngrößen und Messung

In der Beleuchtungstechnik gibt es verschiedene Kenngrößen, mit deren Hilfe die Eigenschaften und die Anforderungen der Beleuchtung beschrieben werden. Folgende Tabelle zeigt eine Auswahl der wichtigsten Kenngrößen:

Größe	Symbol	SI -Einheit (Zeichen)	Beschreibung
Lichtstrom		Lumen (lm)	Strahlungsleistung einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve
Lichtmenge		Lumensekunde (lms)	Strahlungsenergie einer Lichtquelle, gewichtet mit der Empfindlichkeitskurve
Lichtstärke		Candela (cd)	Lichtstrom pro Raumwinkel , gemessen in großer Entfernung von der Lichtquelle; gibt an, wie intensiv eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung leuchtet. Für eine räumlich isotrop strahlende Lichtquelle ist der Lichtstrom gleich der Lichtstärke multipliziert mit , dem vollen Raumwinkel
Beleuchtungsstärke		Lux (lx)	Lichtstrom pro beleuchteter Fläche; gibt an, wie intensiv die Fläche beleuchtet wird
Lichtausbeute		Lumen pro Watt (lm/W)	Quotient aus Lichtstrom und elektrischer Leistung; gibt die Effizienz eines Lichtquelle an
Leuchtdichte		Candela pro Quadratmeter (cd/m²)	Lichtstärke einer Lichtquelle, bezogen auf deren projizierte Fläche (senkrecht zur Betrachtungsrichtung); diese Größe nimmt der Mensch als Helligkeit einer Licht abstrahlenden Fläche wahr

Die Messung des Lichts ( Photometrie ) beschäftigt sich im Allgemeinen mit der Menge an nutzbarem Licht auf einer Oberfläche oder mit dem Licht aus einer Quelle, gemeinsam mit den daraus wiedergegebenen Farben. Das menschliche Auge reagiert unterschiedlich auf verschiedene Farben des sichtbaren Spektrums, weshalb photometrische Messungen stets die Empfindlichkeitsfunktion miteinbeziehen müssen. ^[6] Die Standardmesseinheit ( SI-Wert ) für photometrische Lichtstärkeberechnungen ist die Candela (cd), die eine Intensität beschreibt. Alle anderen Kenngrößen in der Photometrie werden von der Candela abgeleitet (z. B. Leuchtdichte mit der Einheit Candela pro Quadratmeter). Der Lichtstrom, der aus einer Quelle ausgesandt wird, wird in Lumen angegeben.

Es wurden einige Messmethoden entwickelt, um die Blendung einer Innenraumbeleuchtung zu messen, wie z. B. das Unified Glare Rating , die Visual Comfort Probability oder der Daylight Glare Index . ^[7] Zusätzlich zu diesen Methoden sind vier Faktoren für eine unangenehm wahrgenommene Beleuchtung verantwortlich: die Leuchtdichte der Lichtquellen, der Raumwinkel der belichteten Oberflächen, die Hintergrundbeleuchtung und die Position der Lichtquellen im Sichtfeld. ^{[8] [9]}

Farbeigenschaften und Exposition

Um die Farbeigenschaften eines Lichts zu definieren, greift die Beleuchtungsindustrie hauptsächlich auf zwei Messgrößen zurück: die korrelierende Farbtemperatur (auch Kelvin-Farbtemperatur, oder Correlated Color Temperature – CCT), um die „Wärme“ oder „Kälte“ eines Lichts zu beschreiben, und der Farbwiedergabeindex ( Color Rendering Index – CRI), der die Fähigkeit einer Lichtquelle wiedergibt, Oberflächen natürlich aussehen zu lassen. ^[10] Die Farbtemperatur wird in Kelvin angegeben und von der Industrie zur besseren Verständlichkeit für den Verbraucher auch oftmals mit Warmweiß , Kaltweiß oder Tageslicht beschrieben. Weitere Messgrößen, wie z. B. der Gamut Area Index, befinden sich zurzeit noch in Diskussion, um den neuen Anforderungen durch neue Technologien ( LEDs ) gerecht zu werden. ^[11]

Für die Messung der Exposition eines Individuums oder einer Oberfläche gegenüber Licht werden Lichtdosimeter verwendet. Um die spezifische Lichtmenge zu messen, die das menschliche Auge wahrnehmen kann, wurde ein individuelles zirkadianes Messgerät, das Daysimeter, entwickelt. ^[12] Es handelt sich dabei um ein Gerät, das Licht messen und charakterisieren kann (Intensität, Spektrum, Timing und Dauer), welches vom Auge wahrgenommen wird und damit Einfluss auf die zirkadiane Rhythmik des Menschen haben kann. ^[13]

Probleme

Energieverbrauch

Mit einem hohen Anspruch an Beleuchtung geht ein hoher Stromverbrauch einher. Als Maßnahme zur Verringerung der CO ₂ -Emissionen von Kraftwerken, die mit fossilen Energieträgern betrieben werden, gab es eine Kampagne zum Ersatz von Glühlampen durch Leuchtstofflampen und Leuchtdioden und zum mittelfristigen Verbot des Verkaufs von Glühbirnen, die schließlich in politischen Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz mündeten. Infolgedessen setzte sich die LED schließlich durch. Während Glühbirnen nur ca. 5 % der Energie in Licht umwandeln, liegt der Anteil bei LEDs bei ca. 30 % und steigt weiter stark an. ^[14] Andere Arbeiten nennen deutlich größere Unterschiede: Demnach liegt die Lichtausbeute von herkömmlichen Glühbirnen bei ca. 12 Lumen/Watt, bei Fluoreszenzlampen bei ca. 80 Lumen/Watt und bei weißen LEDs bei 150 Lumen/Watt und mehr. ^[15]

Weltweit betrachtet entfallen ca. 19 % des gesamten Stromverbrauchs auf die Beleuchtung. ^[16] Im Jahr 2007 wurden in Deutschland 54 TWh elektrischer Energie für Beleuchtungszwecke aufgewandt, womit die Beleuchtung über 10 % des gesamten Stromverbrauches ausmachte. Im Sektor Gewerbe, Handel und Dienstleistungen machte der Anteil der Beleuchtung an den Stromkosten über 20 % aus, während in der Industrie mit 5 % und den Privathaushalten mit 8 % der Anteil niedriger war. Dennoch kommt der Umstellung der Beleuchtung auf effiziente Technik eine große Bedeutung zu, da hiermit bis zu 80 % der Energie eingespart werden können. Das wirtschaftliche Einsparungspotenzial wird zwischen 44 und 56 % eingeschätzt, womit 24 bis 30 TWh elektrischer Energie eingespart werden könnten. ^[17]

Die Stadt Essen hat 2008 die Beleuchtung der Essener Lichtwochen auf Leuchtdioden umgestellt und damit eine Verringerung des Stromverbrauchs für diesen Zweck um 80 Prozent erreicht. Viele Städte betreiben zumindest versuchsweise Straßenbeleuchtungen mit Leuchtdioden. Die Effizienz (Lumen pro Watt) ist zwar derzeit noch geringer als diejenige von bisher üblichen Natriumdampflampen , aufgewogen wird dies jedoch durch längere Lebensdauer (längere Wartungszyklen), bessere Bündelung des Lichtes, das problemlose Aus- und Einschalten bzw. Dimmen nach Bedarf und den besseren Farbwiedergabeindex .

Lichtverschmutzung

Die Lichtverschmutzung entsteht durch künstliches Licht in der Umwelt. Es entstehen Umwelt- und physische Beeinträchtigungen sowie Probleme bei der Himmelsbeobachtung ( Astronomie ). Dabei ist neben der Gesamtmenge des Lichtes auch die schlechte Bündelung und die Lichtfarbe von Bedeutung. Kurzwelliges Licht wird in der Atmosphäre stärker gestreut als zum Beispiel das gelbe Licht der Natriumdampflampen. Ein guter Farbwiedergabeindex, zum Beispiel von Halogen-Metalldampflampen , Quecksilberdampflampen oder weißen Leuchtdioden wird mit einem hohen Blauanteil erkauft, der auch ein Umweltproblem aufgrund der Attraktivität für Insekten darstellt. ^[18]

Physiologie

Auf die menschliche Physis hat die Lichtfarbe, der Zeitverlauf des Lichtstromes sowie die Beeinflussung des Tag-Nacht-Rhythmus einen Einfluss. Die Lichtfarbe beeinflusst den Melatoninhaushalt des Gehirnes.

Viele künstliche Lichtquellen flimmern im Rhythmus der doppelten Netzwechselspannung (100 oder 120 Hertz entsprechend der 50 oder 60 Hertz Netzfrequenz). Diese Lichtstärkeschwankungen werden oft nicht bewusst wahrgenommen, stören aber bei der Arbeit an bewegten Maschinen oder verursachen Nervosität (Stroboskopeffekt ).

Normen und Standards

Europa

• DIN EN 1838: Angewandte Lichttechnik – Notbeleuchtung
• DIN EN 12193: Licht und Beleuchtung – Sportstättenbeleuchtung
• DIN EN 12464: Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten
• DIN EN 12665: Licht und Beleuchtung – Grundlegende Begriffe und Kriterien für die Festlegung von Anforderungen an die Beleuchtung
• DIN EN 13032: Licht und Beleuchtung – Messung und Darstellung photometrischer Daten von Lampen und Leuchten
• DIN EN 13201: Straßenbeleuchtung
• DIN EN 15193: Energetische Bewertung von Gebäuden – Energetische Anforderungen an die Beleuchtung
• DIN EN 60529: Schutzarten durch Gehäuse
• DIN EN 60598: Leuchten

Deutschland

• DIN 5034: Tageslicht in Innenräumen
• DIN 5035 : Beleuchtung mit künstlichem Licht
• DIN 67500: Beleuchtung von Schleusenanlagen
• DIN 67523: Beleuchtung von Fußgängerüberwegen mit Zusatzbeleuchtung
• DIN 67524: Beleuchtung von Straßentunneln und Unterführungen
• DIN 67526: Sportstättenbeleuchtung

Literatur

• Roland Baer: Beleuchtungstechnik. Grundlagen. 3. Auflage, Berlin: Huss-Medien, 2006, ISBN 978-3-341-01497-4
• Klaus Daniels: Gebäudetechnik, Ein Leitfaden für Architekten und Ingenieure. ISBN 3-7281-2727-2
• Max Keller: Faszination Licht, Ein Leitfaden für Theater und Bühnenlicht. Prestel Verlag, München 1999, ISBN 3-7913-2093-9 (mit sehr gutem Hintergrundwissen zu dem ganzen Thema)
• Marie-Luise Lehmann: Lichtdesign. Dietrich Reimer Verlag, 2002, ISBN 3-496-01252-8
• Roland Greule: Licht und Beleuchtung im Medienbereich. ISBN 978-3-446-43479-0 , Hanser Verlag