[ Forschung und Entwicklung ]

Einfangen und Transport von natürlichem Licht

Bei „Lighting Technology: LightFocus 2002“ im Jahr 2002 in Frankfurt vorgestellter Bericht
 
1988 nahm iGuzzini die eigenen Forschungsarbeiten in Sachen Fotobiologie auf und beteiligte sich an einem vom nationalen Forschungszentrum CNR finanzierten Projekt.
Diese Forschungsarbeit war speziell an der Entwicklung eines variablen Beleuchtungssystems mit automatischer Regelung – kurz SIVRA (Sistema di Illuminazione Variabile a Regolazione Automatica) – für fensterlose Räume ausgerichtet.
Mit SIVRA schufen wir eine Leuchte, die „natürliche“ Beleuchtungssituationen erzeugen und den zeitlichen Rhythmus mittels des Lichtes nachvollziehen kann.
Die zweite Phase unserer Untersuchung betraf die Art und Weise, auf die sich künstliches Licht mit dem Licht der Sonne zur Beleuchtung fensterloser Räume kombiniert.
So wurde 1998 mit einer neuen Untersuchung unter dem Namen „Teletransportsystem für natürliches Licht“ begonnen, die vom italienischen Ministerium für wissenschaftliche und technologische Forschung finanziert wird; heute werde ich Ihnen einen allgemeinen Überblick über die ersten Ergebnisse geben.
Es geht demnach darum, den Tiefentransport des Lichtes mit guten Gleichmäßigkeitswerten für die Beleuchtungsstärke zu gewährleisten, ohne die Sichtbarkeit des Außenbereichs zu behindern.
Die angestrebten Ergebnisse sind folgende:
- die Gewährleistung eines geeigneten Beleuchtungsstärkewertes für die durch die verschiedenen Anwendungsarten bedingten Sehaufgaben;
- eine maximale Energieeinsparung in Verbindung mit einer sorgfältigen Kosten-Nutzen-Analyse und maximaler Systemeffizienz.
Diese Untersuchung wurde ausgearbeitet, um das Eindringen von Tageslicht ins Innere von Gebäuden zu verbessern. Die Qualität einer beleuchteten Umgebung ist nämlich für das körperliche und geistige Wohl des Menschen von grundlegender Bedeutung, insbesondere wenn eine Person gezwungen ist, sich über einen längeren Zeitraum in geschlossenen Räumen aufzuhalten (z. B. Büros, Krankenhäuser oder Schulen).
Der Sehkomfort steht in Zusammenhang mit der für die Ausführung spezieller Tätigkeiten notwendigen Lichtmenge sowie auch der allgemeinen Qualität der beleuchteten Umgebung.
Das Ergebnis dieser Untersuchung soll ein System sein, das in der Lage ist, das Tageslicht in solchen Räumen zu verteilen, in denen das Licht häufig zur Vermeidung störender Blendungseffekte abgeschirmt wird (beispielsweise durch Jalousien) und dann durch künstliches Licht ersetzt wird.
Durch äußerst innovative integrierte Systeme möchten wir folgende Resultate erzielen:
1 – Einen Tiefentransport des Lichtes mit guter Gleichmäßigkeit der Beleuchtung mittels konzentrierten Lichts, insbesondere wenn die Systeme an sonnigen Orten eingesetzt werden. Es wäre dadurch auch die Erzielung einer Energieeinsparung mit geeigneten Kontrolleinrichtungen möglich.
2 – Eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtung in Innenräumen; das natürliche Licht wird in die Tiefe geleitet, sodass die deutlichsten Kontraste zwischen dem vorderen und hinteren Teil von Innenräumen vermindert werden.
3 – Eine Kontrolle der direkten Ausstrahlung ohne Abschirmung der Fenster und Behinderung der Sicht nach draußen.
4 – Eine Beschränkung der direkten Blendung.
 
Das System zur Tagesbeleuchtung setzt sich aus drei Elementen zusammen: Im Innenbereich des Gebäudes befindet sich der Kollektor und innen ist der Lichtdiffusor.
In unserem Fall entspricht die Einheit zur Leitung und zum Transport des Lichtes der Diffusionseinheit.
Die Fokussiereinheit ist ein Verbindungselement zwischen dem Kollektor und dem Diffusor, dessen Funktion darin besteht, das Tageslicht im Inneren der Transporteinheit zu fokussieren und zu lenken;
Im Außenbereich ist der Empfänger angebracht: Er fängt das Tageslicht mit seinem direkten und indirekten Anteil ein und befördert es;
Besonderes Interesse war auf Systeme zur linearen Erfassung und Konzentration mittels Fresnel-Linsen gerichtet; solche Systeme verwenden eine Folie mit Fresnel-Linsen 3M-21X.

Unsere Lösung wurde schließlich mit dem Aktiven Empfänger mit Verschiebung in der vertikalen Ebene verwirklicht. Die Bewegung des Empfängers wird durch ein Informatikprogramm geregelt, dass die genaue Sonnenhöhe in Bezug auf den Tag, die Stunde und die Jahreszeit berechnet, sodass das Gerät die Sonnenstrahlung stets auf die präzise Brennlinie fokussieren kann.
Hierdurch wird die Bauteilzahl des Systems verringert, was klare Vorteile hinsichtlich der Steuerung und Wartung des Systems mit sich bringt.
Dieses System richtet sich nach der Sonne durch Verfolgung ihrer Bahn im Laufe des Tages, wozu allein eine Verschiebung in der vertikalen Ebene durch eine Bewegung von 10° bis 80° (einschließlich) ausgeführt wird.
Diese Lösung wurde aufgrund der einfachen Herstellung des Empfängers und zur Überprüfung der Systemeffizienz in den Stunden mit maximaler Sonneneinstrahlung bzw. von 10.00 Uhr bis 14.00 Uhr ausgewählt.
Ein Prototyp dieses aktiven Empfängers wurde gebaut und im Versuchslabor des Hauptsitzes von iGuzzini illuminazione in Recanati installiert.
Der Fokussierungspunkt befindet sich in einem Abstand von 40 cm von der unteren Fläche der Linse (Tiefe des Empfängers), die mit stark reflektierendem Material überzogen ist. […] Er besteht aus einer 180 cm breiten und 10 cm hohen Kastenstruktur mit veränderlicher Tiefe entsprechend der Tiefe der Wand, in der der Einbau erfolgt.
Der im Inneren des Raumes positionierte Diffusor ermöglicht den Transport, die Ausstrahlung und die Kontrolle des Lichtstromes.
Der Diffusor ist eine Kastenstruktur mit derselben Breite und Höhe wie die Zuleitung, während die Tiefe entsprechend der Größe des Raumes variiert, in dem das Tageslichtsystem installiert wird; bei unserem Prototyp betrug die Tiefe 6,60 Meter.
Die Größe, eine Höhe von etwa 25 cm im Querschnitt, ist im Vergleich zu analogen Systemen deutlich kompakter. Es ist offensichtlich, dass ein Aufbau mit solch reduzierten Abmessungen mit herkömmlichen Einbaulichtquellen verglichen werden kann.
Im Inneren der Diffusionseinheit wird eine optische Folie durch die Transportleitung bis zum Diffusor gebogen und berührt dabei die untere Fläche, die für die Lichtausstrahlung zuständige Fläche, die aus einer mit 3M OLF-Material überzogenen Polycarbonatplatte hergestellt ist.
Das System ist ziemlich flexibel, und das nicht nur in Bezug auf den Einsatz von Technologien, sondern auch im Hinblick auf die gegenseitige Ergänzung von Tageslicht und künstlichem Licht sowie die Größe der Diffusoren, die leicht an die unterschiedlichen Funktionen angepasst werden können.
Die innovativen Merkmale des Systems betreffen die Verwendung hoch entwickelter optischer Materialien, die speziell für den Transport, die Kontrolle und die Streuung des Lichtes in drei Elementen entwickelt wurden.
Eine weitere Innovation stellt die Integrierung künstlicher Lichtquellen im Inneren des Systems dar (und genauer gesagt in der Fokussierungseinheit); diese Lichtquellen werden durch ein elektronisches System überwacht, das sowohl die Einschaltung als auch die Lichtstärke reguliert. Auf diese Weise verbindet sich das künstliche Licht mit dem Tageslicht, um ein mögliches Absinken der Werte der natürlichen Beleuchtung auszugleichen.
 
Mit der Überwachung des Systems wurde in der ersten Juliwoche 2000 begonnen und gemäß den Prognosen müsste sie sich mindestens 6-8 Monate hinausziehen, sodass die Effizienz des Systems über einen längeren Zeitraum getestet werden kann.
Die Überwachung wurde in einem Raum mit einer Fläche von 30 Quadratmetern durchgeführt.
Wir verwendeten eine Reihe von Lux-Sensoren, die über einen Computer zur Datenerfassung angeschlossen sind:
15 Sensoren für die horizontale Beleuchtungsstärke am Boden in einem Abstand von etwa 240 cm von der Leuchte sowie 6 Sensoren an der Wand zur Kontrolle der vertikalen Beleuchtungsstärke.
Zwei verschiedene Wetterbedingungen wurden in Betracht gezogen: heiterer Himmel und teilweise bedeckt.
Die Daten wurden alle 5 Minuten während des berücksichtigten Tageszeitraums kontrolliert.
Selbstverständlich wurde das System für eine Anwendung in sonnigen Gebieten mit wolkenlosem Himmel (der gesamte Mittelmeerraum) konzipiert; die besten Ergebnisse werden bei heiterem Himmel mit maximalen Beleuchtungsstärkespitzen von über 500 Lux erzielt (durchschnittlicher Wert auf der Arbeitsfläche).
Die Werte, die am Boden des Raumes erfasst wurden, in denen das System installiert wurde, geben an, dass das System seine maximale Effizienz zwischen 10.00 Uhr und 13.00 Uhr mit einer mittleren Beleuchtungsstärke über dem Schwellwert von 300 Lux erreicht, welcher der mittleren Beleuchtungsstärke auf der Arbeitsfläche (gemäß den für die Forschungsarbeit festgesetzten Zielsetzungen) entspricht.
Eine erste allgemeine Beurteilung der Energieeinsparung, die mit dem obigen System erzielt werden könnte, ist auf der Grundlage folgender Überlegungen möglich:

- Der Wert der mittleren Beleuchtungsstärke, der bei diesem Forschungsprojekt als zufrieden stellend erachtet wird, beträgt 300 Lux.
- In einem typischen Büro – ähnlich unserer Bezugsumgebung –, das von 9.00 Uhr bis 17.00 Uhr geöffnet ist, bleibt das künstliche Licht im Allgemeinen während der gesamten Dauer des Arbeitstages eingeschaltet.

Der Bezugstag war der 1. Juli 2000 aufgrund der durchgeführten Messungen.
Zur Beibehaltung der Mindestbeleuchtungsstärke von 300 Lux könnte das System die künstlichen Lichtquellen während der ersten Morgenstunden zu 100 % nutzen, um anschließend allmählich die Zugabe des künstlichen Lichtes zu senken und den Anteil des natürlichen Lichtes zu erhöhen.
Dann, wenn der durch das natürliche Licht gewährleistete Beleuchtungsstärkewert 300 Lux erreicht, wird das künstliche Licht ganz ausgeschaltet und es wird erst wieder eingeschaltet, wenn das natürliche Licht die Einhaltung des Mindestschwellwertes nicht mehr sicherstellen kann.
Die künstlichen Lichtquellen bleiben etwa 3 Stunden lang ausgeschaltet, während sie circa 40 Minuten lang auf 50 % eingeschaltet werden.
Die Bewertungen der Energieaspekte für den Prototyp, der im Versuchslabor im Hauptsitz von iGuzzini in Recanati installiert wurde, müssen in jedem Fall in verschiedenen Situationen berechnet und/oder ermittelt werden:

1- Energieeinsparung an Tagen mit heiterem Himmel mit maximalem Sonnenlicht;
2- Energieeinsparung an teilweise heiteren Tagen (wechselhafte Bewölkung);
3- Verwendung künstlicher Lichtquellen (8 MASTERCOLOR 70 W) zum Ausgleich eines Absinkens der Beleuchtungsstärkewerte bei wechselhafter Bewölkung;
4- Vergleich des Energieverbrauchs mit einem „indirekten“ künstlichen Beleuchtungssystem mit derselben Leuchtdichte, die eine Mindestbeleuchtungsstärke von 300 Lux gewährleistet.

Die Summe dieser Anteile führt zu einer Einsparung von 1,867 kWh während des gesamten Tagesverlaufs, was als Prozentwert einer Nettoeinsparung von 41,7% beim Energieverbrauch entspricht.
 
Wollen wir die allgemeinen, durch die Verwendung dieses Systems entstehenden wirtschaftlichen Vorteile analysieren, müssen wir auch den Grad an Komfort berücksichtigen, den das System gewährleisten kann. Die möglichen „indirekten“ Vorteile, die sich auf einen erhöhten Sehkomfort zurückführen lassen, lassen sich nur schlecht wirtschaftlich bestimmen: Wir müssten eine Reihe eingehender Analysen und detaillierter Tests zu den verschiedenen Aspekten des Wohlbefindens durchführen.
Darüber hinaus müssen wir zur korrekten Beurteilung der Kosten/Nutzen auf energetischer Ebene auch die Vorteile hinsichtlich der Energieeinsparung für die Klimaanlage bewerten, zumal das System einen niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten besitzt und in Verbindung mit einem korrekten Sonneneinstrahlungssystem für die vertikalen Wände der Fenster eine beachtliche Senkung des Energieverbrauchs bewirkt.
Das System muss analysiert und untersucht werden, damit die möglichen Auswirkungen auf eine breite Palette von Systemen zur Gebäudebeleuchtung beurteilt werden können. Unser Ziel auf diesem Gebiet ist es, eine geeignete Beleuchtungsstärke für die Sehaufgaben zu gewährleisten, die für die verschiedenen Anwendungsarten bei der Gebäudebeleuchtung erforderlich sind, und dabei eine maximale Energieeinsparung in Verbindung mit einer sorgfältigen Kosten-Nutzen-Analyse und einer maximalen Systemeffizienz zu erreichen.