HCL – Das richtige Licht zur richtigen Zeit

Human Centric Lighting (HCL) – Von der Wissenschaft über die Normung zu Lichtkonzepten und zur praktischen Anwendung

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Lichtkonzepte, die sich am Verlauf des Tageslichts und seinen Wirkungen auf den Menschen orientieren, können maßgeblich zu unserem Wohlbefinden beitragen. Sie fördern Leistung und Konzentration ebenso wie den Schlaf-Wach-Rhythmus, was mittlerweile durch wissenschaftliche und praktische Studien nachgewiesen ist [1]. Der Beitrag geht auf die Entwicklung und den Stand von Forschung, Technik und Normung im Bereich nicht-visueller Lichtwirkungen ein und zeigt die aktuellen Anwendungsmöglichkeiten auf.

Dieser Artikel erscheint um ein Jahr zu früh, um ein „Jubiläumsartikel“ zu sein. Aber es sind bald schon 20 Jahre vergangen, seit durch die Arbeiten von Brainard [2] und Thapan [3] im Jahr 2001 nachgewiesen wurde, dass es im menschlichen Auge eine vorher unbekannte Art von Lichtrezeptor gibt.

Einleitung (Grundlagen)

Dieser damals entdeckte Lichtrezeptor bewirkt unter anderem, dass Licht mit hohen Blauanteilen in der Nacht die Ausschüttung des Hormons Melatonin ins Blut verhindert. Damals eine unglaubliche Entdeckung, da man dachte, vom Auge schon alles zu wissen. Diese sogenannten „intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen“ (ipRGC) wurden inzwischen nicht nur beim Menschen, sondern bei nahezu allen Wirbeltieren nachgewiesen.

Hormonelle Wirkung

Melatonin wirkt beim Menschen als Schlafhormon. Die beobachtete Melatoninunterdrückung funktioniert am stärksten mit Licht, das – ähnlich wie natürliches Tageslicht – hohe Anteile bei Wellenlängen um 440 – 540 nm aufweist. Das Wort „intrinsisch“ soll verdeutlichen, dass die Lichtempfindlichkeit dieser Ganglienzellen von einem eigenen in diesen Zellen enthalten lichtempfindlichen Protein herrührt – dem Melanopsin. Etwa 2 – 3 % aller Ganglienzellen in der Netzhaut enthalten das Photopigment Melanopsin und sind damit selbst lichtempfindlich.

Das Absorptionsspektrum von Melanopsin (Bild 1b) ist die Basis für die Bewertung von Licht hinsichtlich seiner nicht-visuellen Wirkungen. Nicht-visuelle Wirkungen von Licht werden daher auch melanopische Wirkungen genannt. Nur blaue und grüne Spektralanteile tragen zu den melanopischen Wirkungen bei.

Lage und Empfindlichkeit 
der Zellen

Auch die Lage der retinalen Ganglienzellen im Auge ist anders als die der Zapfen, welche für Helligkeits- und Farbsehen am Tag verantwortlich sind. Während letztere im Zentrum der Netzhaut in der Sehgrube (Fovea) konzentriert sind, um ein scharfes Abbild von Objekten zu ermöglichen, sind die melanopsinhaltigen Ganglienzellen, welche die biologische Wirkung vermitteln, über die gesamte Netzhaut verteilt und tragen nicht direkt zur Wahrnehmung eines Bildeindrucks bei.

Die Empfindlichkeit der ipRGC ist im unteren und nasalen Bereich der Retina höher als im oberen Bereich. Sie werden daher von dem natürlichen Tageslicht, das von oben und aus einem großen Raumwinkelbereich kommt, besonders gut stimuliert [4].

Um die Rezeptoren im unteren Bereich anzuregen, muss das Licht somit bevorzugt aus dem oberen Halbraum kommen (Bild 2). Dies entspricht genau dem Gesichtsfeld, aus dem im Freien auch der größte Teil des Tageslichts ins Auge fällt.

Kunstlicht, das eine hohe melanopische Wirkung haben soll, muss somit neben dem hohen Blauanteil auch diese räumliche Lichtverteilung simulieren. Dafür sind größere helle Lichtflächen, wie sie durch indirekte Beleuchtung erreicht werden können, erforderlich. Flächenhafte Leuchten an der Raumdecke oder helle, angestrahlte Wände sind dafür geeignet. Insbesondere zum Ausschluss von Störungen wie Blendung muss auch berücksichtigt werden, dass Auge und Kopf nicht statisch sind, sondern sich in ständiger Bewegung befinden.

Lichtexposition und Zeit

Ein dritter wesentlicher Gesichtspunkt ist die zeitliche Struktur der Lichtexposition für nicht-visuelle Wirkungen. Die natürliche Aufgabe des nicht-visuellen Systems ist es, die biologischen Funktionen des Körpers mit den Verläufen von Tag und Nacht in der Natur zu synchronisieren.

So bewirkt helles Licht am Morgen und Vormittag eine Synchronisierung der biologischen Rhythmen mit dem Tag-Nacht-Verlauf. Wir sind am Tag wach und leistungsfähig und werden zum Abend hin müde, um zu schlafen.

Darüber hinaus bewirken die hohen blauen Anteile und die Helligkeit am Tag die Aufrechterhaltung der Aktivierung und Leistungsfähigkeit über den Verlauf des Tages. Ohne entsprechendes Licht besteht das Risiko, müde und unkonzentriert zu werden.

Bedeutung für den Menschen

Zwar dachte man in den ersten Jahren nach Entdeckung dieser Wirkungsmechanismen, dass es möglich sei, mit hellem Licht auch in der Nacht die Leistungsfähigkeit aufrecht zu erhalten. Das geht jedoch nicht ohne negative Auswirkungen auf das Schlafverhalten. Ein stabiler Tag-Nacht-Rhythmus erfordert neben der Helligkeit einer tageslichtähnlichen Beleuchtung auch Ruhe und möglichst Dunkelheit in der Nacht.

In der heutigen 24-h-Gesellschaft entfernen wir uns in zunehmendem Maße vom natürlichen Tag-Nacht-Rhythmus. Menschen verbringen im Durchschnitt etwa 90 % der Zeit in Innenräumen ohne klaren Bezug zum Tageslicht – insbesondere in der dunkleren Jahreszeit. Am Abend hingegen sind wir häufig hohen Lichtniveaus ausgesetzt, die das biologische System durcheinanderbringen können. Müdigkeit, Antriebslosigkeit und verringerte Leistungsfähigkeit am Tag – gleichzeitig Schlafstörungen in der Nacht – mit Folgen bis hin zu Depressionen oder Burnout kommen vor. Daher ist eine ausreichende Helligkeit und ein am natürlichen Tageslichtverlauf orientiertes Lichtniveau auch im Innenbereich von hoher Bedeutung für Gesundheit und Wohlbefinden. Dies ist mit der bisher üblichen Beleuchtung, die nur auf eine Unterstützung von ausreichendem Sehen ausgelegt ist, im Allgemeinen nicht erreichbar.

Für die praktische 
Anwendung

Was in der Praxis benötigt wird, ist ein Beleuchtungssystem, welches am Tag hohe Beleuchtungsstärken mit hoher melanopischer Wirkung ermöglicht. Dies erfolgt im Allgemeinen mit kaltweißem Licht und einer eher indirekt wirkenden Lichtverteilung. Es ist nicht ausreichend, nur die Tisch- oder Arbeitsflächen zu beleuchten, sondern am Auge des Nutzers ist eine hohe Beleuchtungsstärke erforderlich.

In der Nacht ist das andere Extrem gefordert: eine melanopisch gering wirksame Beleuchtung. Dafür wird üblicherweise warmweißes Licht verwendet und eine eher direkt wirkende Beleuchtung, welche hauptsächlich die Sehaufgabe beleuchtet, aber wenig indirektes Licht, das ins Auge des Nutzers gelangt.

Zwischen diesen beiden Lichtszenarien wird durch eine intelligente Lichtsteuerung ein dynamischer Wechsel realisiert. Die Dynamik sollte vom Nutzer nicht als störend wahrgenommen werden. Daher sind harmonische Übergänge von Helligkeit und Lichtfarbe notwendig. Diese sollten wie die natürliche Dämmerungsphase auch im Bereich von etwa einer Stunde liegen.

Außerdem muss sich die Dynamik am natürlichen Tag-Nacht-Verlauf orientieren. Das heißt: kein helles, kaltweißes Licht vor Sonnenaufgang und nach Sonnenuntergang. Eine Ausnahme davon bilden zu kurze Tage im Winter, bei denen der „Sonnenaufgang“ der künstlichen Beleuchtung soweit nach vorne und der „Sonnenuntergang“ soweit nach hinten verlegt werden, dass eine Tageslänge von etwa 10 Stunden erreicht wird.

Mit LED geht alles leichter

In den ersten Jahren nach Entdeckung dieser Zusammenhänge war es noch relativ aufwändig, geeignete Beleuchtungsanlagen zu realisieren. Man brauchte fast eine „doppelte“ Installation, um verschiedene Lichtfarben und verschiedene Helligkeiten über den Tag zu realisieren und eine sehr aufwändig zu programmierende Steuerungsanlage. Mit der Entwicklung der LED wurde es deutlich einfacher, Leuchten mit verschiedenen Lichtfarben bereitzustellen als mit traditionellen Lichtquellen wie Leuchtstofflampen. Auch die Steuerung von dimmbaren und in ihrer Lichtfarbe veränderlichen Leuchten ist mit LED wesentlich einfacher geworden.


Leuchten und Lichtplanung

Werden beispielsweise warmweiße und kalt- bzw. tageslichtweiße LED in einer Leuchte gemischt angeordnet und getrennt angesteuert, können beliebige Lichtfarben zwischen den beiden Grenzen für warm und kalt eingestellt werden. Dies nennt man „Tunable White“. Übliche Farbtemperaturbereiche beginnen bei 2 700 – 3 000 K und reichen bis zu 5 000 – 6 500 K.

Eine gutes HCL-Konzept muss neben den biologischen auch alle Anforderungen an eine energieeffiziente und für visuelle Aufgaben hochwertige Beleuchtung erfüllen: hohe Energieeffizienz, gute Lichtqualität, Blendfreiheit und ausreichende Beleuchtungsstärken auf der Sehaufgabe bleiben wichtige Ziele bei der Planung von Beleuchtung, welche zu erreichen sind.

Es gelten aber darüber hinaus noch weitere Regeln bei der Gestaltung einer Beleuchtungsanlage für biologisch effiziente Beleuchtung.

Hohe melanopische Wirksamkeit ist nur über die Abbildung heller, leuchtender Flächen auf die relevanten Netzhautbereiche möglich. Große wirksame Lichtflächen können z. B. als Flächenleuchten, in Form von LED-Panelleuchten oder als Lichtdecken realisiert werden (Bild 3).

Bei geeigneter Raumhöhe können auch abgependelte Leuchten verwendet werden, die einen Direktanteil auf die Arbeitsflächen und einen Indirektanteil zur Raumdecke hin abstrahlen. Auch die gezielte Anstrahlung von hellen Wänden mit Wallwashern oder Spots erhöht die nicht-visuelle Wirkung. Selbst leistungsstarke Stehleuchten, die neben der Arbeitsfläche auch die Raumdecke anstrahlen und damit hohe Indirektanteile erzeugen, sind geeignet, hohe melanopisch wirksame Beleuchtungsstärken am Auge des Nutzers zu erreichen. Eine eher direkte Beleuchtung reduziert die melanopische Wirkung.

Bewertungskriterien und 
Normung

Die Bewertung von Licht hinsichtlich seiner melanopischen Wirkung erfordert zunächst Bewertungskriterien, nach denen Licht gemessen und bewertet wird. Geeignete lichttechnische Größen, deren Maßeinheiten, Begriffe und Messmethoden müssen in Grundlagennormen festgelegt werden. Ist das erfolgt, können in Anwendungsnormen Zielgrößen festgelegt werden, die in einer Anwendung erreicht werden sollen – oder auch nicht überschritten werden sollen.

Zum Erarbeiten von Normen müssen immer mehrere Voraussetzungen erfüllt sein. Es beginnt damit, dass eine ausreichend gesicherte technisch-wissenschaftliche Grundlage gegeben ist, auf der eine Norm aufbauen kann. Weiterhin müssen sogenannte „Interessierte Kreise“ vorhanden sein, die an der Erarbeitung einer Norm interessiert sind und bereit sind, den erforderlichen Aufwand hinsichtlich Kosten und Arbeitseinsatz zu erbringen.

Und zuletzt muss natürlich die Bedingung erfüllt sein, dass die genannten interessierten Kreise in der Lage sind, einen Normentwurf auszuarbeiten, dem sie auch alle zustimmen können. Ziel einer Norm ist es, Zustimmung auf einer möglichst breiten Basis zu erreichen, damit auch die spätere Anwendung der Norm nicht auf Widerstände stößt.

Wie alles begonnen hat

Als im Jahr 2001 die retinalen Ganglienzellen nachgewiesen wurden, war noch keine dieser Bedingungen erfüllt. Aber zumindest wurden die wissenschaftlichen Erkenntnisse sehr schnell auf breiter Basis anerkannt, da zwei unabhängige Gruppen zeitgleich ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten und diese in wesentlichen Punkten übereingestimmt haben. In den Folgejahren sind diese durch zahlreiche weitere Arbeiten bestätigt und ergänzt worden. Auch erste Anwendungsforschung insbesondere im Umfeld der Alten- und Krankenpflege hat vielversprechende Ergebnisse gebracht, sodass in der Folge das Interesse am Thema der „biologischen“ oder „nicht-visuellen“ Wirkung von Licht auf Menschen stark gestiegen ist. Die Lichtindustrie hat relativ frühzeitig das Potential erkannt, dass Licht mehr Möglichkeiten bietet, als nur die Sehaufgabe zu beleuchten. Ein neues Verständnis von Licht und vom Potential, mit Licht Menschen in ihrem täglichen Leben zu unterstützen, ist entstanden.

So wurde dann aus einer Gruppe von Lichtexperten heraus im Jahre 2007 die Initiative für ein erstes Normungsgremium im DIN, Deutsches Institut für Normung, gestartet, mit dem Ziel, die Grundlagen für eine Beschreibung, Messung und Bewertung von Licht im Hinblick auf seine nicht-visuellen Wirkungen zu erarbeiten. Der DIN-Normenausschuss FNL 27 „Wirkung des Lichts auf den Menschen“ wurde gegründet. Fachexperten seitens der Lichtindustrie und von lichttechnischen Instituten an Universitäten, Mediziner, Chronobiologen, Arbeitsschutzexperten, Ergonomen, Lichtplaner und andere arbeiten seither in diesem interdisziplinären Normenausschuss zusammen.

Melanopische Bewertung 
von Licht

Aus der Photometrie ist bekannt, wie lichttechnische Größen (z. B. Lichtstrom oder Leuchtdichte) bestimmt werden: Das Spektrum (spektrale Strahlungsverteilung) wird mit der spektralen Hellempfindlichkeit V(λ) gefaltet. Das Ergebnis wird mit dem photometrische Strahlungsäquivalent Km = 683 lm/W multipliziert.

Genau analog dazu ist das Vorgehen bei der melanopischen Bewertung. Man geht wieder von der Spektralverteilung X(λ) aus. Das Wirkungsspektrum ist nun nicht mehr die Hellempfindlichkeit, sondern das Absorptionsspektrum von Melanopsin für Licht, welches auf die Augendurchlässigkeit eines 32-jährigen bezogen und auf ein Maximum von 1 normiert wird. So wurde es 2015 in der DIN SPEC 5031-100 [5] und im Jahr 2018 international in der CIE S 026 [6] zur Bewertung von Licht hinsichtlich seiner melanopischen Wirkungen festgelegt.

Die Faltung der spektralen Strahlungsverteilung X(λ) mit dem Wirkungsspektrum smel(λ), das in Bild 1b als blaue Kurve dargestellt ist, ergibt die melanopische Strahlungsgröße Xe, mel:

Formel

Für das in Bild 1a gezeigte Spektrum entspricht die Größe der dargestellten blau-grünen Fläche im Bild 1b der melanopischen Strahlungsgröße. Multipliziert man die so bestimmte melanopische Strahlungsgröße mit dem melanopischen Tageslichtäquivalent

Kmel, D65 = 753,86 lm/W,

so ergibt sich daraus eine melanopisch äquivalente lichttechnische Größe wie z. B. die melanopisch äquivalente Tageslicht-Beleuchtungsstärke, die international mit MEDI abgekürzt wird:

Xv, mel, D65 = Kmel, D65Xe, mel

Das melanopische Tageslichtäquivalent
Kmel, D65 ist so definiert, dass sich für eine Spektralverteilung, welche dem natürlichen Tageslicht (D65) entspricht, für die melanopischen und die visuellen (photopischen) Größen gleiche Zahlenwerte ergeben. Bei Tageslicht sind 1 000 lx photopisch auch 1 000 lx melanopisch bewertet.

Lichtquellen im Vergleich

Bild4 gibt einige Beispiele, wobei jeweils eine visuell bewertete Beleuchtungsstärke von 1 000 lx zugrunde gelegt wird. Die Interpretation in der Praxis bedeutet, dass bei einer gemessenen Beleuchtungsstärke von 1 000 lx die melanopisch äquivalente Beleuchtungsstärke einer Beleuchtungssituation die gleiche ist, die mit einer Tageslichtbeleuchtung der entsprechenden visuellen Beleuchtungsstärke erreicht wird. So entspricht beispielsweise eine Beleuchtung mit 1 000 lx aus warmweißen LED mit 2 700 K einer Beleuchtung durch Tageslicht mit 400 lx.

Für verschiedene Spektralverteilungen ergeben sich unterschiedliche Werte. Sind die melanopisch wirksamen Anteile im blauen Bereich des Spektrums kleiner als bei Tageslicht, sind die Werte der melanopisch äquivalenten Größen geringer als für Tageslicht und umgekehrt. Dies erlaubt auch eine Vergleichbarkeit von Planungswerten bei Tageslichtplanung und der Planung mit künstlichen Lichtquellen, da Tageslicht die Referenz ist.

Das Verhältnis aus melanopischer und visueller Beleuchtungsstärke wird in der DIN SPEC 5031-100 [5] als Umrechnungsfaktor
γmel, v, D65, international auch als „Melanopic Daylight Efficacy Ratio“ (MDER), bezeichnet. Misst man die visuelle Beleuchtungsstärke und kennt MDER für die entsprechende Lichtart, so kann durch Multiplikation beider Werte die melanopisch äquivalente Tageslichtbeleuchtungsstärke bestimmt werden.

Altersabhängige Korrekturen

Nicht-visuelle Wirkungen sind in besonderem Maße auch in Anwendungen relevant, bei denen ältere Menschen betroffen sind, z. B. in der Beleuchtung von Alten- und Pflegeheimen ([1], [7], [8]). Aber auch im Arbeitsumfeld steigt der Anteil älterer Mitarbeiter.

Es wurden daher zwei weitere altersabhängige Korrekturfaktoren für die melanopische Bewertung definiert: der erste, kmel, trans, berücksichtigt die reduzierte spektrale Lichtdurchlässigkeit des menschlichen Auges mit zunehmendem Alter. Die Augenlinse vergilbt, was zu einer reduzierten Transmission im blauen Spektralbereich führt. Die exakte Bewertung hängt von der Spektralverteilung ab und ist daher anders für jede Lichtquelle. Solange jedoch kein farbiges, sondern weißes Licht zum Einsatz kommt, gilt die Näherung nach Tabelle 1.

Da auch hier die Definitionen auf einen 32-jährigen Normbeobachter bezogen sind, ergibt sich für ein anderes Lebensalter ein Korrekturfaktor, um den die melanopische Wirkung bei älteren Personen reduziert wird. Zu beachten ist, dass sich für jüngere Menschen auch eine erhöhte Wirkung ergeben kann, da deren Augenmedien transparenter sind.

Ein zweiter Korrekturfakor, kPupille, beruht darauf, dass auch der Pupillendurchmesser bei älteren Menschen kleiner ist als bei jüngeren. Bei gleicher Helligkeit der Umgebung gelangt somit weniger Licht auf die Netzhaut älterer Menschen, da eine kleinere Pupille, vergleichbar der kleineren Blende eines Fotoapparates, weniger Licht durchlässt. Die Bewertung wurde in DIN SPEC 5031-100 [5] festgelegt. Auch hier sind die Korrekturen relativ zu einem 32-jährigen Standardbeobachter (Tabelle 2).

Beide Effekte multiplizieren sich. Bei einem 75-jährigen gelangt nur etwa 1/3 des melanopisch wirksamen Lichts auf die Netzhaut wie bei einem 32-jährigen. Er benötigt also in etwa drei Mal so viel Licht wie ein 32-jähriger für die gleiche Stimulation des nicht-visuellen Systems.

Beeinflussung des Lichts durch 
Materialien

Bei Materialien gilt im Prinzip das gleiche wie beim alternden Auge. Viele Materialien, Möbel oder Wandfarben können z. T. erhebliche Anteile der blauen melanopisch wirksamen Lichtanteile absorbieren. Das ist nicht nur bei der Planung künstlicher Beleuchtung von Bedeutung, sondern auch bei Tageslichtnutzung.

Hinsichtlich der melanopischen Bewertung kann für Materialien aus deren spektraler Absorptions- oder Transmissionscharakteristik ein weiterer Korrekturfaktor bestimmt werden, mit dem die Zielgrößen der Lichtplanung zu korrigieren sind. Dies erfolgt in Analogie zur altersabhängigen Korrektur, wie oben beschrieben und ist relevant, wenn wesentliche Anteile des Lichts an Flächen reflektiert oder durch Materialien transmittiert werden. Bei roten, braunen, gelben oder auch den grauen Farbtönen von Sichtbeton ist mit einer erheblichen Reduzierung der melanopischen Anteile im reflektierten oder transmittierten Licht zu rechnen.

Anwendungsnormen 
und Zielvorgaben

Mit diesem Gerüst zur Bewertung von Licht können Zielwerte als Planungsgrundlagen für neue Anlagen erarbeitet werden. Dies erfolgte 2013 mit der DIN SPEC 67600 [9].

Als Zielwert für eine ausreichende melanopische Wirkung des Lichts, wie sie tagsüber anzustreben ist, wurde eine melanopisch tageslichtäquivalente Beleuchtungsstärke von 240 lx definiert. Dieser Wert gilt für Tageslicht und ist am Auge des Nutzers zu messen, also nicht wie bei der visuellen Bewertung auf der Oberfläche der zu beleuchtenden Sehaufgabe. Für andere Lichtquellen ergeben sich andere Zielwerte.

Beispiel nach DIN SPEC 5031-100

In einem Rechenbeispiel für Beleuchtung mit LED würde dies bedeuten, dass sich mit kaltweißen LED vom Typ CIE 6 500 K, wie in Bild 4 dargestellt, ein erster Zielwert für die visuelle Beleuchtungsstärke von

240 lx/0,855 = 281 lx ergibt.

Dieser gilt für einen 32-jährigen Nutzer. Beträgt das mittlere Alter der Nutzer 50 Jahre, so ist dieser Wert nochmals mit den Faktoren 1/0,84 und 1/0,79 zu korrigieren, woraus sich ein Zielwert von 423 lx für die vertikale am Auge gemessene Beleuchtungsstärke ergibt.

Licht am Tag

Zum Erreichen solch hoher Werte sind helle Räume mit hellen reflektierenden Flächen erforderlich. Würde statt tageslichtweißen LED eine neutralweiße Lichtfarbe mit 4 000 K verwendet, wären über 570 lx notwendig. Aus diesem Grund ist am Tag eine kaltweiße Beleuchtung sinnvoll. Mit indirekter Beleuchtung oder Flächenleuchten lassen sich dann Werte von ca. 0,5 bis 0,6 für das Verhältnis von vertikaler zu horizontaler Beleuchtungsstärke erreichen.

Man braucht also in etwa 800 – 1 000 lx auf der Schreibtischfläche, damit eine ausreichend hohe Beleuchtungsstärke am Auge erreicht wird. Diese hohe Beleuchtungsstärke entspricht einer Simulation von Tageslicht und ist daher auch nur am Tage einzusetzen.

Licht in der Nacht

Am frühen Morgen, zum Abend hin und sowieso in der Nacht sind deutlich reduzierte melanopische Wirkungen anzustreben. Dies erfolgt durch Übergang auf warmweißes Licht und reduzierte Beleuchtungsstärken.

Da insbesondere die indirekte Beleuchtung für melanopische Wirkungen verantwortlich ist, muss diese zum Abend hin reduziert werden. Eine melanopisch äquivalente Tageslicht-Beleuchtungsstärke von ca. 20 – 30 lx am Auge wird als nicht wirksam auf das biologische System angesehen – zumindest dann, wenn am Tag eine ausreichend hohe Beleuchtungsstärke verfügbar war.

Solch niedrige Werte sind in der Praxis kaum realisierbar, wenn gleichzeitig die Notwendigkeit für gutes Sehen am Arbeitsplatz gefordert ist. Dennoch kann man diesen Wert als erstrebenswert für nächtliche Beleuchtung ansehen, z. B. in Fluren, oder in Bereichen, bei denen kein besonders hoher Anspruch an Sehqualität besteht.

25 lx als melanopisch äquivalente Beleuchtungsstärke am Auge entsprechen bei einer warmweißen LED, wie CIE 2 700 K in Bild 4, etwa 60 lx visuell. Wird die Beleuchtung für die Abend- und Nachtstunden so geplant, dass im Wesentlichen direkte Beleuchtung auf der Sehaufgabe realisiert wird und nur geringe Indirektanteile ins Auge gelangen, können dabei ohne Weiteres Beleuchtungsstärken von 250-300 lx auf der Sehaufgabe erreicht werden, da bei direkter Beleuchtung das Verhältnis von vertikaler zu horizontaler Beleuchtungsstärke deutlich kleiner ist. Wände und Decken sollen dann – im Gegensatz zur Beleuchtung am Tage – nicht mehr besonders hell sein, um hohe Indirektanteile zu vermeiden. Tisch- oder Stehleuchten sind dafür gut geeignet.

Allgemeine Empfehlungen 
für die Realisierung

Man kann dies relativ einfach abstrahieren: vor Sonnenaufgang sollte die Beleuchtung nur den normativen Mindestanforderungen hinsichtlich der Beleuchtungsstärke auf der Sehaufgabe genügen.

Die Farbtemperatur sollte warmweiß sein, und die Beleuchtungsstärke am Auge möglichst gering, um die nicht-visuellen Wirkungen zu minimieren.

Nach Sonnenaufgang steigt das Beleuchtungsniveau schnell auf biologisch wirksame Werte an, die bei etwa 400 – 500 lx am Auge des Nutzers liegen – wir gehen hier von einem mittleren Alter von etwa 50 Jahren aus. Dafür sind üblicherweise rund 800 – 1 000 lx am Schreibtisch notwendig. Die Farbtemperatur steigt gleichzeitig auf Tageslichtweiß mit etwa 6 500 K an.

Zur Stabilisierung des circadianen Systems sollte dieses Niveau mindestens für 2 – 3 Stunden gehalten werden. Sinnvollerweise wird es aber auch über den Tag gehalten, um nicht nur circadian, sondern auch während der Arbeitszeit aktivierend zu wirken. Abweichungen davon sind auf Wunsch des Nutzers zeitweise zulässig und stehen nicht im Widerspruch zum Prinzip einer am Tageslicht orientierten Beleuchtung.

Schließlich sollte der Nutzer auch die Option haben, eine entspannende Lichtsituation für Pausen oder zur Regenerierung auszuwählen. Sowohl Beleuchtungsstärke als auch Farbtemperatur dürfen daher am Tag zeitweise auch zurückgenommen werden.

Mit dem Sonnenuntergang geht die Beleuchtungsstärke wieder auf das normative Mindestniveau zurück und die Farbtemperatur ändert sich zu warmweiß. Bei reduzierter Helligkeit sollte gleichzeitig auch die Farbtemperatur reduziert werden, da kaltweißes Licht bei niedrigen Beleuchtungsstärken eher fahl und unangenehm wirkt.

Bei den hohen Beleuchtungsstärken am Tag ist es besonders wichtig, auf eine gute Lichtqualität zu achten. Geringe Blendung sollte durch hochwertige Leuchten sicher gestellt werden. Ein UGR-Wert < 19 ist ein Muss. Auch eine hohe Farbqualität mit einem hohen Farbwiedergabeindex von mindestens 85 – 90 ist gerade bei hohen Farbtemperaturen zu bevorzugen, da Gesichtsfarben sonst auch mal blass aussehen können.

Wie geht es weiter in der 
Normung?

Es gibt inzwischen Empfehlungen seitens der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung [10] und des Ausschusses für Arbeitsstätten [11] der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, an Arbeitsplätzen kaltweiße Beleuchtung mit Farbtemperaturen über 4 100 K in der Nacht nicht einzusetzen.

Internationale Anwendungsnormen für die Beleuchtungsplanung hinsichtlich nicht-visueller Wirkungen liegen aktuell noch nicht vor. Es gibt aber bereits Entwicklungsarbeiten verschiedener internationaler Gruppen, sodass in Kürze damit zu rechnen ist.

Die DIN SPEC 67600 [9] soll 2020 in einer überarbeiteten Fassung als DIN/TS 67 600 erscheinen. Die Arbeiten im DIN-Normenausschuss FNL 27 haben die Messung und Bewertung von Licht hinsichtlich seiner nicht-visuellen Wirkungen stark vorangetrieben. Die internationale CIE-Norm S 026:2018 [6] hat die in der DIN SPEC 5031-100:2015 [5] definierten Größen und Definitionen weitgehend bestätigt. Die weitere Verbreitung von Beleuchtungskonzepten, wie sie unter dem Begriff „Human Centric Lighting“ verstanden werden, erfordert aber dringend die Definition von Zielvorgaben für die Anwendung, wie sie oben dargestellt sind.

Die DIN/TS 67600 wird nach wie vor keine „Norm“ sein, sondern eine „Technische Spezifikation“ – ein neues Format bei DIN. Die DIN/TS 67600 wird ebenso wenig wie die DIN SPEC 67600 den Status erreichen, dass sie als konsensbasiertes Dokument von allen Seiten akzeptiert ist.

Es ist zu erwarten, dass in absehbarer Zeit Spezifikationen auch von anderen Gruppen, wie z. B. kommerziellen Organisationen für Gebäude-Zertifizierung erscheinen. Diese werden neue De-facto-Normen schaffen, wenn es in Deutschland nicht gelingt, rechtzeitig einen Konsens auf Normungsebene zu erreichen.

Dann besteht das Risiko, dass diese weniger am Wohl der Nutzer als an kommerziellen Interessen orientiert sein könnten.

Human Centric Lighting

Der Begriff „Human Centric Lighting – HCL“ wurde im Jahre 2010 geprägt und hat sich zu einem viel gebrauchten „Buzzword“ entwickelt. Der Begriff „HCL“ alleine garantiert aber noch nichts. CIE und ISO haben extra den Begriff „Integrative Lighting“ geprägt, um sich davon abzugrenzen – meinen aber das gleiche.

Um den Begriff HCL auf eine solide Basis zu stellen, haben führende Lichtunternehmen, die im ZVEI und bei LightingEurope organisiert sind, HCL als ein Beleuchtungskonzept definiert, welches die menschlichen Bedürfnisse hinsichtlich visueller, biologischer und emotionaler Wirkungen von Licht berücksichtigt und langfristig positive Wirkungen auf die Gesundheit und das Wohlbefinden hat.

Der Nutzer sollte sich rückversichern, dass dieses Verständnis beim Anbieter von Lichtlösungen auch gewährleistet ist.

HCL als ein Beleuchtungskonzept besteht aus einem System von geeigneten Leuchten und einem Lichtmanagementsystem, das diese dynamisch ansteuert, sodass sich zu jedem Zeitpunkt eine angemessene Beleuchtungssituation einstellt.

Es basiert auf einer mit dem Nutzer abgestimmten Planung und ist auf eine langfristige Unterstützung von Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit ausgerichtet. Damit nicht jeder Nutzer, Planer oder Architekt zum Lichtexperten werden muss, bevor er dieses Wissen nutzen kann, haben verschiedene Lichtunternehmen Lösungen entwickelt, die dem Anspruch an Human Centric Lighting gerecht werden.

Beispiel: Biolux von Ledvance

Als Beispiel für eine zeitgemäße und die geschilderten Anforderungen berücksichtigende HCL-Lösung soll ein neues System dienen, das nutzerfreundlich vom Planer über den
Installateur bis zum Anwender ist.

Wesentliche Merkmale folgen in Stichpunkten.

  • Montage des Steuersystems auf einer Standard-Unterputzdose.

  • Automatisierte Inbetriebnahme und Einrichtung durch die Biolux HCL-App.

  • Standort und Zeit werden einmalig ortsgenau erfasst und eingespeichert.

  • Keine Programmierung erforderlich.

  • Kabellose Kommunikation zwischen Steuergerät und Leuchten dank Wireless-Technologie.

  • Einfache Installation. Nur Stromanschluss notwendig.

  • Das richtige Licht mit der richtigen Dynamik an jedem Tag für jeden Ort.

  • Intuitive Steuerung der Biolux HCL Leuchten und Einstellung der Lichtdynamik mit der Steuereinheit.

  • Einfache Auswahl der passenden Lichtdynamik für unterschiedliche Arbeitssituationen.

  • Fünf dynamische Modi mit jeweils sieben Feinabstufungen (siehe Bild 5).

Ein paar Einschränkungen gibt es natürlich auch:

  • Das System ist für kleinere Lösungen gedacht: Besprechungsräume, kleinere Büros, Gruppenarbeitsplätze oder auch Schulungs- und Seminarräume.

  • 20 Leuchten können drahtlos eingebunden werden. Diese sind alle einer Gruppe zugeordnet und werden gemeinsam angesteuert.

  • Das System ist autark, hängt nicht im Internet oder in einer Cloud und kann auch nicht in andere Lichtsteuerungs- oder Gebäudemanagement-Systeme eingebunden werden. Allerdings ist ein Abschalten der Leuchten über einen Anwesenheitssensor oder eine andere externe zentrale Schaltfunktion möglich, welche die Netzversorgung unterbricht. Nach dem Wiedereinschalten gehen die Leuchten sofort wieder auf die richtige Lichteinstellung.

Die vorgestellte HCL-Lösung erfordert keine Vorkenntnisse und kann intuitiv bedient werden. Das System bietet „das richtige Licht zur richtigen Zeit“ für jeden Tag und jeden Ort auf der Welt. Es ist sicher, weil es durch eine intelligente Software falsche Einstellungen ausschließt, die das biologische System stören könnten.

Diskussion von Risiken

Weil biologisch wirksames Licht höhere Blauanteile verwendet als die herkömmliche Beleuchtung, wird im Kontext mit nicht-visueller Wirkung von Licht oft von Blaulichtrisiko oder Blue Light Hazard gesprochen, einer möglichen Schädigung des Auges durch blaues Licht. Die mögliche Störung des nächtlichen Schlafs durch blaues Licht ist auch ein Risiko.

Blaulichtrisiko

Das Auge kann durch sehr hohe Bestrahlungsstärken auf der Netzhaut geschädigt werden. Das Risiko ist bei blauem Licht höher als bei anderen Wellenlängen. Ganz wesentlich ist aber, dass auch blaues Licht ungefährlich ist, wenn es nicht gleichzeitig sehr hell ist. Der blaue Himmel (ohne Blick in die Sonne) ist völlig ungefährlich. Nur sehr helle Lichtquellen, die auch ein entsprechend helles Bild auf der Netzhaut geben, können einen Blaulichtschaden verursachen.

Wenn es sich bei der Lichtquelle um weißes Licht handelt, kann man berechnen, dass bei einer warmen Farbtemperatur von 2 700 K die maximale Leuchtdichte ca. 20 000 000 cd/m2 betragen darf, bei 6 500 K immer noch ca. 5 000 000 cd/m2 und die Lichtquelle noch zu der als unkritisch eingestuften Risikogruppe 1 zählt. Bis 10 000 cd/m2 sind weiße Lichtquellen sogar in der unter allen Bedingungen risikolosen „Exempt Group“.

In der Allgemeinbeleuchtung werden diese Grenzwerte üblicherweise nicht erreicht. In der Bühnenbeleuchtung oder bei leistungsstarken Strahlern können sie bei geringen Abständen überschritten werden, wenn man direkt in die Lichtquelle blickt.

Ein Handy oder ein Bildschirm mit max. 500 bis 700 cd/m2 ist ungefährlich.

Bedeutung hat dieses Risiko für Personen, die beruflich mit freistrahlenden LED oder anderen sehr hellen Lichtquellen zu tun haben und an einem Arbeitstag kumuliert Expositionszeiten im Minutenbereich ansammeln, z. B. bei der Montage von Leuchten oder bei Prüfarbeiten.

Hier ist es Aufgabe der Arbeitsschutzexperten, die Einhaltung der bestehenden umfassenden Richtlinien am Arbeitsplatz sicher zu stellen. Bei einer gut geplanten HCL-Anlage besteht kein Blaulichtrisiko.

Blaues Licht bei Kindern und
Jugendlichen

Die Transmission der Augenlinsen von Kindern ist im blauen Bereich deutlich höher als bei Erwachsenen – je nach Alter – bei Babys bis zum Doppelten; bei sehr kurzwelligem Blau noch höher. Helle Lichtquellen, wie z. B. LED-Taschenlampen oder Laserpointer, sind kein Spielzeug für Kinder und die Wickelkommode sollte nicht mit einem Spot oder Downlight beleuchtet werden. Bei der üblichen Raumbeleuchtung kann jedoch davon ausgegangen werden, dass eine Schädigung der Augen durch die Allgemeinbeleuchtung im Innenraum auch bei Kindern auszuschließen ist. Dies wurde auch durch das von der EU-Kommission eingesetzte wissenschaftliche Komitee „SCHEER“ so bestätigt [12].

Licht in der Nacht

Helles, kaltweißes Licht hat das Potential, dem biologischen System vorzuspiegeln, dass es Tag sei. Damit kann es zur falschen Zeit den Tag-Nacht-Rhythmus stören. Im Allgemeinen gilt, dass in den letzten zwei Stunden vor der üblichen Zu-Bett-Geh-Zeit nur melanopisch gering wirksames Licht genutzt werden sollte. Einschlafstörungen können aber auch durch die abendliche Nutzung von Bildschirmgeräten wie PCs, Handys oder Tablets ausgelöst werden. Hier reicht die Helligkeit aus, um eine relevante melanopische Wirkung auf das biologische System des Menschen zu haben. Kann die Nutzung solcher Geräte am Abend oder in der Nacht nicht vermieden werden, sollte die Bildschirmhinterleuchtung in ihrer Helligkeit und Lichtfarbe auf eine melanopisch gering wirksame Einstellung umgestellt werden. Die meisten modernen Geräte erlauben dies durch integrierte Funktionen automatisch.

Am besten ist es, solche Geräte in der Nacht einfach mal wegzulegen.

Ausblick

Die hier vorgestellten Grundlagen sind inzwischen weit verbreitet, belegt und wissenschaftlich akzeptiert. Dass wir am Tag mehr Licht und besseres Licht brauchen, wird kaum bezweifelt. Ebenso wenig, dass nicht nur Menschen in der Nacht durch zu viel und störendes Licht beeinträchtigt werden. Die Lichtverschmutzung im Außenraum hat ihr Pendant in einem wenig verantwortungsvollen Umgang mit Licht auch im Innenbereich. Die gleiche Lichtsuppe zu jeder Zeit – zu wenig am Tag und zu viel in der Nacht – ist so schlecht für die Gesundheit und das Wohlbefinden, wie es wäre, immer nur die gleiche Suppe zu essen. Licht ist wie ein Nahrungsmittel, das nur in guter Qualität und zur richtigen Zeit genossen gesund ist.


Bilder:


(1) Für das im Bild a) gezeigte Spektrum entspricht die im Bild b) dargestellte blau-grüne Fläche der melanopischen Strahlungsgröße (Quelle: Lang/ep)

(2) Relevante Winkelbereiche für nicht-visuelle Lichtwirkungen (Quelle: Lang/ep)

(3) Beispiele für Leuchten mit Lichtverteilungen für hohe und geringe nicht-visuelle Wirkung a) eher indirekte Beleuchtung für hohe melanopische Wirkung b) eher direkte Beleuchtung für geringere melanopische Wirkung (Quelle: Lang/ep)

(4) Melanopisch äquivalente Tageslicht-Beleuchtungsstärke MEDI bei 1000 lx für LED, konventionelle Lichtquellen und Tageslicht (Quelle: Lang/ep)

(5) Die Auswahl der passenden Lichtdynamik für unterschiedliche Arbeitssituationen erfolgt im Biolux-System einfach über fünf dynamische Modi mit jeweils sieben Feinabstufungen (Quelle: Ledvance/ep)


Tafeln:

{1} (Quelle: HUSS-MEDIEN GmbH)

{2} (Quelle: HUSS-MEDIEN GmbH)

Literatur:

[1] [1] Siehe z.B. das EU-Projekt SSL-erate 2013-16: Lighting For Health And Well-Being In Education, Work Places, Nursing Homes, Domestic Applications and Smart Cities. Verfügbar unter: http://lightingforpeople.eu/ human-centric-lighting-downloads/
[2] [2] Brainard, G. C. et al.: Action Spectrum for Melatonin Regulation in Humans: Evidence for a Novel Circadian Photoreceptor; The Journal of Neuroscience, August 15, 2001, 21(16):6405–6412.
[3] [3] Thapan, K.; Arendt, J. and Skene, D. J.: An action spectrum for melatonin suppression evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans, The Journal of Physiology 2001, 535 (1) 261.
[4] [4] Glickman, G. et al.; Inferior Retinal Light Exposure Is More Effective than Superior Retinal Exposure in Suppressing Melatonin in Humans; Journal of Biological Rhythms, Vol. 18, No. 1, 71-79 (2003)
[5] [5] DIN SPEC 5031-100:2015; Strahlungsphysik im optischen Bereich und Lichttechnik – Teil 100 : Über das Auge vermittelt, nichtvisuelle Wirkung des Lichts auf den Menschen – Größen, Formelzeichen und Wirkungsspektren.
[6] [6] CIE S 026:2018; CIE System for Metrology of Optical Radiation for ipRGC-Influenced Responses to Light.
[7] [7] Riemersma-van der Lek, R. F., Swaab, D. F. et al. (2008): Effect of bright light and melatonin on cognitive and noncognitive function in elderly residents of group care facilities: a randomized controlled trial. JAMA 299(22): 2642-55.
[8] [8] Sust, C.A.; Lorenz, D.; Lang, D.; Dehoff, P.; Hallwirth-Spörk, C.; Mehr Licht! – Verbesserung des Wohlbefindens durch biologisch wirksame Beleuchtung bei Demenzkranken; 7. AAL-Kongress, Berlin, 2014.
[9] [9] DIN SPEC 67600:2013; Planungsempfehlungen für biologisch wirksame Beleuchtung.
[10] [10] DGUV Information 215-220; Nichtvisuelle 
Wirkungen von Licht auf den Menschen. https://publikationen.dguv.de/dguv/pdf/10002/
215-220.pdf
[11] [11] Empfehlung des Ausschusses für Arbeitsstätten (ASTA) – Künstliche biologisch wirksame Beleuchtung in Arbeitsstätten; www.baua.de/DE/Aufgaben/Geschaeftsfuehrung-von-Ausschuessen/ASTA/pdf/Beleuchtung.pdf?__blob=publicationFile&v=2
[12] [12] Scientific Committee on Health, Environmental and Emerging Risks (SCHEER) 2018: Final Opinion on potential risks to human health of Light Emitting Diodes (LEDs). https://ec.europa.eu/health/sites/health/files/
scientific_committees/scheer/docs/scheer_
o_011.pdf n

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