Beleuchtung in Innenräumen - Human Centric Integrative Lighting

Tran Quoc Khanh ist Universitätsprofessor und Leiter des Labors für Beleuchtungstechnik an der TU Darmstadt. Er hat an der TU Ilmenau in Lichttechnik promoviert und habilitierte sich dort. Er sammelte Industrieerfahrung als Projektleiter bei ARRI CineTechnik in München. Tran Quoc Khanh ist Autor und Koautor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und hält mehrere Patente in verschiedenen Bereichen der Beleuchtungstechnik. Peter Bodrogi arbeitet für den Leuchtenhersteller ERCO im Bereich Lichttechnik. Davor war er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Darmstadt. Dr. Bodrogi hat auf dem Gebiet der Informationstechnologie promoviert. Er ist Autor und Koautor zahlreicher wissenschaftlicher Publikationen und hält Patente über Erfindungen im Bereich selbstleuchtender Anzeigetechnik sowie der Lichttechnik. Quang Trinh Vinh ist Senior Research Fellow am Laboratorium für Lichttechnik der TU Darmstadt, von der er 2013 seinen Dr.-Ing. erhalten hat. Sein Forschungsgebiet ist die mathematische Modellierung von Hochleistungs-LEDs (phosphorkonvertierte LEDs), einschließlich ihres elektrischen, thermischen und optischen Verhaltens sowie ihrer Lichtqualität und Farbqualität. Er ist Autor und Koautor mehrerer wissenschaftlicher Publikationen und Erfinder von Patenten in der LED-Beleuchtungstechnik.

• Vorwort und Danksagung v1 Einleitung und Motivation 11.1 Einfuhrung: ein historischer Ruckblick und aktuelle Fragestellungen 1Literatur 42 Grundlagen der Lichttechnik – visuelle und nicht visuelle Grundaspekte 52.1 Das menschliche Sehsystem: visuelle und nicht visuelle Signalverarbeitung 52.2 Lichttechnische und farbmetrische Kenngrosen 102.2.1 Lichttechnik und Farbmetrik 102.2.2 Farbmetrik: CIE-Normvalenzsystem und CIE-Normfarbtafel 112.2.3 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbraume, Farbdifferenzformeln 142.2.4 Das CIECAM02-Farberscheinungsmodell 162.2.5 CAM02-UCS-Farbraum 192.3 Grundlagen der nicht visuellen Aspekte 192.3.1 Melatoninunterdruckung in der Nacht 192.3.2 Modellierung der Melatoninunterdruckung in der Nacht mit dem zirkadianen Stimulus (CS) und dem melanopischenWirkungsfaktor 212.3.3 Spektrale Aktivitatsfunktionen nach der CIE 242.3.4 Mathematische Zusammenhange zwischen circadian stimulus (CS), melanopischer Beleuchtungsstarke und D65-aquivalenter Beleuchtungsstarke 25Literatur 263 Grundprinzipien von Human Centric Lighting/integrativer Beleuchtung 293.1 Grundsatzliche Fragestellungen, allgemeine Aspekte 293.2 Eingangsgrosen – eine Systematik 313.3 Gehirnverarbeitung zur Bildung subjektiver und objektiver Verhaltensgrosen 343.3.1 Visuelle Verarbeitungssysteme 343.3.2 Verarbeitungszentren und Ubertragungsbahnen fur nicht visuelle Lichtwirkungen 403.4 Timing-System, zirkadianer Rhythmus und Schlafverhalten 443.4.1 Fragestellungen 443.4.2 Timing-System: Entrainment, Zeitgeberrolle 453.4.3 PRC-Funktion, Phasenverschiebung 463.4.4 Chronotypen, Schlafverhalten 473.5 Ausgangsgrosen des visuellen und des nicht visuellen Gehirnverarbeitungsapparats: eine Systematik 493.6 Grundaspekte von Human Centric Lighting – Integrative Lighting 493.7 Werkzeuge und Methoden fur die Ermittlung der subjektiv und objektiv messbaren Lichtwirkungen 533.7.1 Fragebogen zur umfassenden subjektiven Bestimmung der Beleuchtungsqualitat von Innenraumen 533.7.2 Fragebogen zum Schlafverhalten, Schlafrigkeit,Wachheit – subjektive Basis 543.7.3 Objektive Methoden undWerkzeuge 55Literatur 564 Sehleistungen – Arbeitsleistungen 594.1 Stand der Normung fur Innenraumbeleuchtung am Beispiel der DIN EN 12464 594.2 Sehleistungen 644.2.1 Definition und Einflussfaktoren 644.2.2 Das RVP-Modell von Rea, 1991 664.2.3 Das Modell von Kokoschka auf der Datenbasis vonWeston 704.3 Arbeitsleistungen 734.3.1 Zuordnung der Arbeitsleistungsaspekte 734.3.2 Modell zur Beanspruchungsregulation bei schlechter Beleuchtung 744.3.3 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die geistige Arbeit 764.3.4 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die Arbeitsleistung an Industriearbeitsplatzen 814.3.5 Zusammenfassung der Aussagekraft der Sehleistungs- und Arbeitsleistungsergebnisse – vorlaufige Konsequenzen fur dieInnenraumbeleuchtung 84Literatur 855 Moderne Aspekte der Helligkeit und der visuellen Klarheit im Kontext der Lichtqualität und visuelle Leistung 875.1 Einfuhrung 875.2 Versuchsmethode der Probandenstudie 925.3 Modellierung der Helligkeit und der visuellen Klarheit 945.4 Zusammenfassung 99Literatur 1006 Farbqualität und psychophysisch-emotionale Aspekte, Laborexperimente 1036.1 Einleitung 1036.2 Bevorzugte horizontale Beleuchtungsstarken 1046.3 Bevorzugte Leuchtdichten von derWand am Monitorarbeitsplatz 1066.3.1 Einfuhrung 1066.3.2 Versuchsmethode 1076.3.3 Auswertung der Ergebnisse 1126.3.4 Zusammenfassung 1126.4 Bevorzugte Farbtemperaturen 1146.4.1 Einfuhrung 1146.4.2 Experimentelle Methode 1156.4.3 Ergebnisse und Diskussion 1206.5 Bevorzugte Bereiche von Farbtemperaturen und Beleuchtungsstarken 1226.5.1 Das Wesen der Beleuchtungsstarke und der Farbtemperatur 1226.5.2 Beleuchtungsstarke und Farbtemperatur in der Literatur 1236.5.3 Visuelle Experimente zum kombinierten Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 1256.5.4 Ergebnisse: kombinierter Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke 1276.5.5 Abhangigkeit der bevorzugten Farbtemperatur und Beleuchtungsstarke von Alter und Geschlecht fur Aktivierung und Entspannung 1286.6 Bevorzugte Farborte (Weistone) 1306.6.1 Einfuhrung 1306.6.2 Versuchsmethode 1326.6.3 Ergebnisse 1326.7 Farbqualitat 1346.7.1 Wahrnehmungsaspekte der Farbqualitat 1346.7.2 Modellierung der Farbpraferenz, der Naturlichkeit und der Lebhaftigkeit 1396.7.3 Berucksichtigung von roten Objektfarben im Farbpraferenzmodell 1446.8 Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 1476.8.1 Einfuhrung 1476.8.2 Methode des Versuchs zur Farbpraferenz fur die Beleuchtung des Hauttons 1476.8.3 Ergebnisse der subjektiven Skalierung der Farbpraferenz fur den Hautton und optimale Sattigungsstufen 1526.9 Farbwiedergabeindizes und deren semantische Bedeutung 1556.9.1 Einfuhrung 1556.9.2 Methodik des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 1556.9.3 Ergebnisse des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes 1586.10 Zusammenfassung des Kapitels 6: Vorlaufige Konsequenzen fur die Innenraumbeleuchtung 159Literatur 1607 Neue Lichtqualitätsmodelle aus Laborexperimenten und Validation in Feldversuchen 1637.1 Einfuhrung 1637.2 Eingangs- und Ausgangsparameter der Lichtqualitatsmodelle 1657.2.1 Eingangsparameter 1657.2.2 Ausgangsparameter 1657.3 Versuchsanordnungen fur die Lichtqualitatsmodelle 1667.4 Gleichungen der Lichtqualitatsmodelle 1707.4.1 Helligkeit 1707.4.2 Visuelle Klarheit 1717.4.3 Farbpraferenz 1737.4.4 Szenenpraferenz 1757.5 Modellierung mit dem circadian stimulus (CS) 1757.5.1 Berechnungsmethode 1787.5.2 Helligkeit 1787.5.3 Visuelle Klarheit (VC) 1797.5.4 Farbpraferenz (CP) 1797.5.5 Szenenpraferenz (SP) 1817.5.6 Visualisierung der VC-, CP- und SP-Modelle in Konturdiagrammen 1817.6 Validation der Lichtqualitatsmodelle in drei Museen in Japan 1837.7 Zusammenfassung 185Literatur 1878 Korrelationsanalyse der HCL-Kenngrößen und Konsequenzen für die Messtechnik nicht visueller Effekte 1918.1 Generelle Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 1918.1.1 Einfuhrung 1918.1.2 Bewertung der Farbwiedergabeindizes 1958.1.3 Bewertungen der Helligkeitskenngrosen 1978.1.4 MelanopischeWirkung und Farbwiedergabe 1998.2 Spezifische Betrachtung der Korrelation der Kenngrosen fur visuelle Leistung, Farbqualitat und nicht visuelle Wirkungen 2008.3 Struktur und Kategorien der Eingangskenngrosen im HCL-System 202Literatur 2079 Psychophysisch-emotionale Aspekte – visueller Komfort und nicht visuelle Wirkungen 2099.1 Psychologisch-emotionale Aspekte der Lichtwirkung 2099.1.1 Einfuhrung 2099.1.2 Psychologische Wirkung der veranderlichen Lichtsituationen, Raumwirkung 2129.2 Raumeindruck, Raumhelligkeit und Gesichtsfeldleuchtdichte 2199.3 Visueller Komfort – Flimmern und stroboskopische Effekte 2219.3.1 Pulsweitenmodulation und Konstantstromregelung 2219.3.2 Flimmern und stroboskopische Effekte 2219.3.3 Stand der Forschung 2229.3.4 Untersuchung 2249.3.5 Ergebnisse 2289.3.6 Fazit 2329.4 Nicht visuelle Lichtwirkungen in den nachtlichen Stunden 2329.4.1 Einfuhrung 2339.4.2 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit polychromatischem weisem Licht 2339.4.3 Lichtwirkungen in nachtlichen Stunden mit quasimonochromatischem Licht 2389.4.4 Bildung einerMetrik zur Charakterisierung der zeitabhangigen Melatoninunterdruckung 2419.4.5 Bestimmung der potenziellen Ursachen fur dieMelatoninunterdruckung in nachtlichen Stunden 2449.4.6 Beleuchtungstechnische Aspekte fur die Schichtarbeiten 2469.5 Psychologische und gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 2529.5.1 Psychologische Aspekte 2539.5.2 Gesundheitliche Aspekte von Tageslicht 2559.5.3 Quantitative Charakteristik von Tageslicht und elektrischem Licht – ein Vergleich 2589.6 Einflusse von Lichtintensitat und Zeitpunkt der Lichtexposition auf das Schlafverhalten 2649.7 Lichtwirkungen auf dieWachheit – Literaturanalyse verschiedener Publikationen 2679.7.1 Wachheit in den abendlichen und nachtlichen Stunden 2679.7.2 Wachheit in der Tageszeit 2689.8 Ergebnisse der Lichtwirkung auf dieWachheit in der Fruhschicht in einem Industriebetrieb 2729.8.1 Ergebnisse der Datenauswertung 2739.8.2 Zusammenfassung und Diskussion 274Literatur 27510 Praktische HCL-Lichtmesstechnik im Innen- und Außenbereich 28110.1 Einfuhrung 28110.2 Arbeitsthesen und Fragestellungen fur die HCL-Lichtmesstechnik 28310.3 Lichtmesstechnische Aspekte 28610.3.1 Gesichtsfeldeinteilung 28610.3.2 Derzeitige Definitionen der zirkadian wirksamen Bestrahlungsstarke 28710.3.3 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und Normfarbwertanteile z 29210.3.4 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstarke und die ahnlichste Farbtemperatur CCT 29410.4 Zirkadian wirksame Bestrahlung im Ausen- und Innenbereich durch integrale Feldmessungen 29610.4.1 Die Feldmessungen im Winter 29710.4.2 Feldmessungen an einem Sommertag 29810.4.3 Feldmessungen am Abend eines Herbsttages 30010.5 Tageslichtmessung – fundamentale und praktische Ansatze 30410.5.1 Fundamentale spektrale Messung der Tageslichtspektren 30410.6 HCL-Lichtmessungen an Buroarbeitsplatzen 31010.6.1 BenotigteMessgrosen sowie verwendeteMesstechnik 31010.6.2 Messaufbau 31110.6.3 Messraume 31210.6.4 Messergebnisse an verschiedenen Buroarbeitsplatzen 313Literatur 31611 Technologische Aspekte der HCL – Beleuchtung in Gebäuden 31911.1 Einfuhrung in die Thematik Smart Lighting 31911.2 Technische Grundlagen von Smart Lighting 32311.3 Struktur von Cloud-Software und Applikationsfalle 33111.4 Lichtregelung und spektrale Optimierung fur hochqualitatives und gesundes Licht 33411.4.1 Stufen der Realisierungsmoglichkeiten der Leuchten fur die HCL-Beleuchtungstechnik 33411.4.2 Stufen 1 und 2 mit konstanter Farbtemperatur 33511.4.3 Entwicklungsstufen 3 und 4 mit variabler Farbtemperatur und variable Beleuchtungsstarke 34311.4.4 Entwicklungsstufe 5 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und mit einer hohen Farbqualitat 34411.4.5 Entwicklungsstufe 6 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstarke und Tageslichtberucksichtigung 34611.5 Farb- und Lichtsensorik 352Literatur 35612 HCL-Orientierte Beleuchtungsplanung – Grundaspekte und Umsetzung 35912.1 Einordnung von HCL-Konzeption des Prozesses der Beleuchtungsqualitat 35912.1.1 Konzeptionen und Gedankenprozesse uber die Beleuchtungsqualitat bis ins Jahr 2002 35912.1.2 Derzeitiger Literaturstand und neue Gedanken uber die Beleuchtungsqualitat 36612.1.3 Zusammenfassende Konzeption uber HCL und Beleuchtungsqualitat – ein Konzeptentwurf 36812.2 Prozess und Einflussfaktoren zur Erzielung der Beleuchtungsqualitat – Lichtplanung 37012.2.1 Ziele und Einordnung der HCL-orientierten Lichtplanung 37012.2.2 Prozessschritte der HCL-orientierten Lichtplanung 37112.3 Tageslicht und Tageslichtplanung 37712.3.1 Einfuhrung 37712.3.2 Tageslicht in lichtplanerischer Sicht – Tageslichtplanung im Rahmen der Normung 37812.3.3 Tageslichtplanung fur nicht visuelle Effekte 38012.3.4 Einige Daten uber Tageslichtwirkungen 38112.4 Spezifikation der HCL-Beleuchtungsanlagen fur Tageszeit – Entwurf fur eine Empfehlung 38212.4.1 Einfuhrung 38212.4.2 Beleuchtungsniveau, zirkadian wirksame Beleuchtungsstarken 38312.5 Dynamisches Licht – Steuerkurven 39212.6 Beleuchtung fur Nutzer/-innenmit hoherem Lichtbedarf 39812.6.1 Das Sehen im Alter – einige Aspekte 39912.6.2 Beleuchtung fur Altenheime und an Demenz erkrankten Menschen 40312.6.3 Vorschlag fur die Beleuchtungsplanung fur Altenheime und Pflegeheime 406Literatur 40813 Zusammenfassung und Ausblick 41313.1 Zusammenfassung 41313.2 Ausblick 417Anhang A Einheitliche Bewertung von Lichtsituationen mit dem LiTG-Fragebogen (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e. V.) 419Literatur 422Stichwortverzeichnis 423