Human Centric Lighting

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Human Centric Lighting (HCL) erweitert das Konzept der biologisch wirksamen Beleuchtung um eine ganzheitliche Planung und umfasst die visuellen, emotionalen und biologischen Wirkungen des Lichts. HCL unterstützt langfristig Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen.[1]

Eine biologisch wirksame Beleuchtung ist eine tageslichtähnliche Beleuchtung mit nicht-visueller, melanopischer Lichtwirkung. Sie wurde basierend auf den Erkenntnissen der Chronobiologie seit den frühen Zweitausender Jahren entwickelt. Beleuchtungsanlagen nach diesem Prinzip variieren Beleuchtungsstärke, Flächigkeit, Lichtrichtung, Farbtemperatur und die Dynamik im Tages- sowie Jahreszeitenverlauf. Ziel ist eine Stabilisierung des circadianen Systems des Menschen mit einem günstigen Einfluss auf Leistungsvermögen und Konzentration am Tag und eine langfristige Verbesserung der Regeneration in der Nacht. Wissenschaftler empfehlen, HCL in das betriebliche Gesundheitsmanagement zu integrieren.[2] Planungsempfehlungen für Arbeitsstätten und Nichtarbeitsstätten gibt DIN SPEC 67600:2013-04.

Wirkungsweisen des Lichts[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Visuelle Lichtwirkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Beleuchtung ermöglicht die Erfüllung von Sehaufgaben. Funktionale Kriterien für unterschiedliche Arbeitsbereiche und Anforderungen sind in lichttechnischen Regelwerken festgelegt:

Grundsätzliche Gütemerkmale für Beleuchtungsanlagen sind:

Emotionale Lichtwirkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das emotionale Wohlbefinden kann durch Licht positiv beeinflusst werden. Im Gegensatz zur rein melanopischen Lichtwirkung ist hierbei die psychologische Komponente der Lichtwahrnehmung relevant. Die Lichtplanung muss daher auch architektonische, formal-ästhetische und wahrnehmungspsychologische Kriterien berücksichtigen.

Biologische Lichtwirkungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Biologisch wirksame Beleuchtungsanlagen verändern im Tagesverlauf und abhängig von der Jahreszeit Beleuchtungsstärke, Flächigkeit, Lichtrichtung, Farbtemperatur und Dynamik.

Funktionsweise biologisch wirksame Beleuchtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Lichtverteilung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die biologisch wirksame Beleuchtung wird entweder zugeschaltet oder abhängig vom Einfall des Tageslichts in den Innenraum stufenlos hinzugeregelt. Die Nutzung von Tageslicht erhöht die Beleuchtungsqualität, stärkt das Wohlbefinden und optimiert den Energieeinsatz.[3] Große Fensterflächen, Oberlichter und Tageslicht lenkende Systeme ermöglichen den Lichteinfall.

Eine Voraussetzung für melanopische Lichtwirkungen ist, dass die lichtempfindlichen fotosensitiven Ganglienzellen in der unteren, nasalen Netzhaut erreicht werden, die das lichtempfindliche Molekül Melanopsin tragen. Das Licht muss demnach aus dem oberen Halbraum ins Auge fallen.[4] Dafür sind großflächige Leuchten und Lichtdecken geeignet. Leuchten mit einem hohen Anteil an flächigem, indirekten Licht hellen Decke und das obere Drittel der Wände als Sekundärreflektoren auf.

Beleuchtungsstärke[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Lichttechnik kopiert das natürliche Tageslicht nicht, sondern setzt für den Körper relevante Impulse. Die Lichtstärke im Freien beträgt an einem Sonnentag 100.000 Lux, in Innenräumen können jedoch schon Beleuchtungsstärken zwischen 500 und 1.500 Lux biologisch wirksam sein.[5] Die Beleuchtung bildet die für eine melanopische Lichtwirkung nötigen Parameter nach. Die vertikalen Beleuchtungsstärken am Auge werden vor allem durch die Leuchtdichten der Oberflächen im Raum erreicht.

Lichtfarbe[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Tageslichtweiße LED-Leuchtmittel mit einer Farbtemperatur ab 5.300 Kelvin weisen einen hohen Blauanteil (480 Nanometer Wellenlänge) auf, regen die Fotorezeptoren an und haben eine aktivierende Wirkung. Die melanopische Wirkung ist am Morgen besonders hoch.[6] Zum Abend hin variiert die Lichtfarbe zu Warmweiß (2.700 bis 3.300 Kelvin) mit höheren Rotanteilen und die Beleuchtungsstärke wird reduziert, um den Körper auf die nächtliche Ruhephase vorzubereiten (s. Grafik Circadiane Beleuchtung). Gerichtetes Licht am Abend verhindert die zu dieser Zeit unerwünschte Ansprache der Rezeptoren.

Circadiane Beleuchtung.jpg

Dynamik[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lichtkonzept A (s. Grafik) ist für Räume ohne oder nur unzureichendem Tageslicht (z. B. Arbeitsplätze, Schichtarbeit, Gesundheits- und Pflegeeinrichtungen) und für eine langfristige Wirkung geeignet: Beleuchtungsstärke und Anteil des blauen Lichts nehmen bis zum Mittag zu und nehmen zum Abend hin wieder ab.

Tagessynchronisation.jpg

Lichtkonzept B (s. Grafik) aktiviert kurzfristig zur Mittagszeit oder am frühen Nachmittag, um die Konzentration zu erhöhen (z. B. Schule, Büro). Solche Lichtduschen sind auch Bestandteil der Lichttherapie.

Aktivierung.jpg

Technische Umsetzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Biologisch wirksames Licht braucht intelligente Steuerungstechnik. Lichtmanagementsysteme steuern den bedarfsgerechten Farbtemperaturverlauf (Warm- bis Tageslichtweiß) und variieren die Beleuchtungsstärken (500 bis ≥ 1.500 Lux). Sensoren messen das einfallende Tageslicht. Die Leuchten werden einzeln und stufenlos angesteuert, sodass die Veränderung nicht unmittelbar wahrgenommen wird.

Lichtquellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

LED-Lichtquellen sind gut steuerbar und besitzen ein weites Lichtspektrum.[7] Blau- und Gelbanteile können fast beliebig verändert werden. Die LED-Technik wird vorwiegend bei biologisch wirksamen Beleuchtungslösungen eingesetzt. DIN V 5031-100 beinhaltet eine vergleichende Bewertung für Lichtquellenspektren.

Effizienz[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Je höher der Automatisierungsgrad einer Beleuchtungsanlage, desto energieeffizienter ist sie. Tageslichtsteuerung mit Zeit- und Anwesenheitssensoren sparen bis zu 55 Prozent des Energieverbrauchs ein.[8] Beleuchtungslösungen mit Tagessynchronisation können bis zu 30 Prozent mehr Energie als ungeregelte, moderne LED-Anlagen verbrauchen, bieten dafür aber eine höhere Lichtqualität. Mindestanforderungen für den energieeffizienten Betrieb von Beleuchtungsanlagen legt die Energiesparverordnung (EnEV) fest.

Anwendungsgebiete[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Büro[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Räume, in denen sich Mitarbeiter über längere Zeit aufhalten, eignen sich für Beleuchtungslösungen mit nicht-visueller Lichtwirkung. Dazu zählen Büros, Konferenzräume, Kantinen und Räume mit geringer Tageslichtversorgung wie Großraumbüros. Aktivierend wirken nach DIN SPEC 67600 zum Beispiel zwischen 8 und 10 Uhr eine vertikale Beleuchtungsstärke am Auge von 250 Lux und eine Farbtemperatur von 8.000 Kelvin. Sie kann auch zwischen 13 und 14 Uhr anregende Impulse setzen. Am Abend zwischen 18 und 20 Uhr sollte die Beleuchtung mit etwa 200 Lux vertikal am Auge und maximal 3.000 Kelvin zur Entspannung beitragen. In den übrigen Arbeitsstunden ist das Beleuchtungsniveau entsprechend den Erfordernissen der jeweiligen Sehaufgaben auszuführen.[9]

Schule[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine dem Tageslicht nachempfundene Beleuchtung gibt den circadianen Rhythmus von Schülern wichtige Impulse. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie des Hamburger Universitätsklinikums (UKE)[10] aus den Jahren 2007/2008 sowie Untersuchungen an zwei Ulmer Gymnasien im Jahr 2012.[11] Die Schüler waren morgens wacher und dadurch leistungsstärker. Ihre Konzentrations- und Merkfähigkeit stieg, die Fehlerquote sank. Die kognitiven Fähigkeiten und die Lesegeschwindigkeit können sich um 35 Prozent erhöhen.[12]

Gesundheit und Pflege[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenig Aktivität führt zu Schläfrigkeit am Tag und Unruhe in der Nacht. Zu wenig Tageslicht verstärkt diesen Effekt bei Patienten oder Bewohnern von Pflegeeinrichtungen. Bei kranken und älteren Menschen wirkt sich Licht positiv auf den inneren Rhythmus und den Nachtschlaf aus; das Pflegepersonal wird entlastet. In Seniorenresidenzen wird HCL deshalb erfolgreich als Assistenzsystem zur Förderung des Gesundheitserhalts angewandt.[13] Einige Räume der Intensivstation der Berliner Charité sind mit innovativen Lichtlösungen ausgestattet, um den Heilungsverlauf zu verbessern.

Industrie und Nachtarbeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Bei höheren Schwierigkeitsgraden oder erhöhter Unfallgefährdung müssen Arbeitsplätze mit höheren Beleuchtungsstärken beleuchtet werden. Davon sind Industriearbeitsplätze im hohen Maß betroffen. Im Zusammenhang mit Schicht- und Nachtarbeit ist die Planung der Beleuchtung besonders komplex. Denn: Aufgrund des hohen Melatoninspiegels sind Stoffwechsel, Aufmerksamkeit und Leistungsfähigkeit nachts gering.[14] Da eine vollständige Synchronisation aufgrund der langen zeitlichen Verschiebungen bei rotierenden Schichtsystemen nicht möglich ist und eine tageslichtähnliche Beleuchtung in der Nacht den Rhythmus erheblich stören würde, soll das circadiane System auch bei rotierender Schichtarbeit möglichst gut an den natürlichen, äußeren Tag-Nacht-Rhythmus angepasst werden. Ausreichende Helligkeit während der Nachtschicht bei geringen Blauanteilen ermöglicht gutes Sehen und beugt Ermüdung vor.

Individuelle Einstellungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eine Nutzerstudie des Fraunhofer IAO in Stuttgart 2014 zu den Bedürfnissen in unterschiedlichen Arbeitssituationen kommt zu dem Ergebnis, dass individuelle Anpassungsmöglichkeiten bevorzugt werden.[15] Als angenehm empfunden werden vor allem höhere Beleuchtungsstärken und ein höherer Anteil indirekten Lichts.[16] Stehen subjektive Präferenzen indes nicht im Einklang mit den Anforderungen an Sehleistung und Sehkomfort, können sie sogar Ursache für visuellen Diskomfort sein.[17] So ist z. B. bei älteren Mitarbeitern ein höherer Lichtbedarf festgestellt worden.[18] Durch den Einsatz von Lichtmanagementsystemen mit Tageslichtsensoren berücksichtigen moderne Beleuchtungskonzepte auch die individuelle Umgebungssituation, wie zum Beispiel mehr Licht für Ältere oder höhere Beleuchtungsstärken für Arbeitsplätze mit hohen Sehanforderungen.

Perspektiven[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die nicht-visuellen Wirkungen von Licht wurden bislang von Wissenschaftlern unterschiedlicher Disziplinen erforscht und sind daher nicht durchweg miteinander vergleichbar. Seit 2015 läuft das Grundlagenforschungsprojekt „Nicht-visuelle Lichtwirkungen (NiviL)“, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Bis 2018 erheben Ingenieure, Ärzte und Sozialwissenschaftler im Verbund Parameter, die für die nicht-visuellen Wirkungen von Licht ursächlich sind.[19] Human Centric Lighting ist eines der Topthemen auf der internationalen Weltleitmesse Light + Building 2018[20].

Normen und Regeln[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • DIN SPEC 67600:2013-04: Biologisch wirksame Beleuchtung – Planungsempfehlungen.
  • DIN SPEC 5031-100:2015-08: Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik.
  • CEN/TR 16791:2017-08: Bewertung von Strahlung für nichtvisuelle Wirkungen von Licht bei Aufnahme über die Augen.

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

licht.wissen 12: Lichtmanagement. licht.de, Frankfurt 2016, ISBN 978-3-945220-06-1

licht.wissen 19: Wirkung des Lichts auf den Menschen. licht.de, Frankfurt 2014, ISBN 978-3-926193-97-1

licht.wissen 21: Leitfaden Human Centric Lighting (HCL). licht.de, Frankfurt 2018, ISBN 978-3-945220-21-4

  1. Vortrag Herbert Plischke, Hochschule München: HCL in verschiedenen Anwendungsfeldern.
  2. Herbert Plischke in Andreas Seidler, Ulrike Euler, Stephan Letzel, Dennis Nowak: Gesunde Gestaltung von Büroarbeitsplätzen. Ecomed-Storck, Landsberg 2015, ISBN 9783609100487, S. 52.
  3. licht.wissen 19: Wirkung des Lichts auf den Menschen. licht.de, Frankfurt 2014, ISBN 978-3-926193-97-1, S. 19.
  4. Kai Broszio, Mathias Niedling, Martine Knoop, Stephan Völker: Nicht-visuelle Beleuchtung: Reichen integrale Messgrößen aus? Technische Universität Berlin, Fachgebiet Lichttechnik. Vortrag Lux junior 2017.
  5. Frieder Piazena: Heiter bis Wolkig. Tagesspiegel.de, Berlin, 08.12.2015
  6. Carpe diem mit idealer Beleuchtung. In: DBZ. Ausgabe 03/2016. Bauverlag, Gütersloh, S. 82.
  7. Baer, Barfuß, Seifert: Beleuchtungstechnik. Huss, Berlin 2016, ISBN 978-3-341-016343, S. 283.
  8. licht.wissen 12: Lichtmanagement. licht.de, Frankfurt 2016, ISBN 978-3-945220-06-1, S. 9
  9. licht.wissen 19: Wirkung des Lichts auf den Menschen. licht.de, Frankfurt 2014, ISBN 978-3-926193-97-1, S. 34–35.
  10. Mark Spörrle: Das perfekte Licht. In: Zeit Wissen. 02/2010.
  11. Oliver Kreis: Neues Licht = helle Köpfe?. In: TransferZentrum für Neurowissenschaften und Lernen, Newsletter 05/2012, S. 10–11.
  12. Lichtkonzepte für biologisch wirksame Beleuchtung. In: FEEI.at
  13. Herbert Plischke. In: Stefan Pohlmann: Alter und Prävention. Springer Verlag, Wiesbaden 2016, ISBN 978-3-658-11991-1.
  14. Christian Cajochen: Sleep disruption in shift work and jet lag: The role of the circadian timing system. In: Rundschau für Medizin Praxis 94. Hogrefe, Schweiz, 2005, S. 1479–1483.
  15. Study Office Perceived Lighting Quality, S. 6, (PDF)
  16. Heliosity, S. 3 (PDF)
  17. Jan Krüger: Scoping Review zum Einfluss der Beleuchtung auf Faktoren der psychischen Gesundheit in der Arbeitswelt. In: Stephan Völker, Heike Schumacher: 9. Symposium Licht und Gesundheit. Universitätsverlag TU Berlin, 2016, S. 40.
  18. Christoph Schierz: Licht für die ältere Bevölkerung – Physiologische Grundlagen und ihre Konsequenzen. Tagung Licht, Ilmenau, 2008, S. 32.
  19. BMBF
  20. Dynamisches Licht steigert Gesundheit und Wohlbefinden. Messe Frankfurt, abgerufen am 2. Februar 2018.