Autoren
Heinrich Kaase
Berlin
Deutschland
Alexander Rosemann
Eindhoven
Niederlande
Titelbild Kuppel des Pantheons
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Umschlaggestaltung: Stefanie Eckart – stilvoll
Satz: le-tex publishing services GmbH, Leipzig, Deutschland
Print ISBN: 978-3-433-03188-9
ePDF ISBN: 978-3-433-60821-0
ePub ISBN: 978-3-433-60819-7
oBook ISBN: 978-3-433-60822-7
Das Wissen über das Weltall, die Sonne und die Gestirne ist wohl die älteste Wissenschaft. Sie reicht in ihren Anfängen bis weit in das Altertum der Menschheit zurück. Die alten Völker wie die Chinesen in Asien, die Ägypter in Afrika und die Mayas in Amerika besaßen bereits hochentwickelte astronomische Kenntnisse und haben ihre Spuren in der Geschichte hinterlassen, sie haben zur Entwicklung des Weltbildes und der technischen Entwicklung maßgeblich beigetragen.
Der Strahlung der Sonne kommt dabei für das Leben auf der Erde die allergrößte Bedeutung zu. Eine Einführung in die Grundlagen der Solarstrahlung und eine vertiefte Beschreibung der Eigenschaften des Tageslichtes sollen in dieser Publikation behandelt werden. Auf Themen der Solarenergiewandlung, zu denen eine Vielzahl an Übersichts- und Fachliteratur vorliegt, wird hier verzichtet.
Mit diesem Buch haben wir uns nach langem Zureden endlich dazu entschlossen, die Grundprinzipien der Solarstrahlung im Zusammenhang zu erläutern und eine Vorstellung von der Wirkungsweise in einer Buchform aufzustellen. Die mathematische Behandlung ist dabei auf das grundsätzlich Notwendige beschränkt. Dieses Buch enthält Inhalte aus Vorlesungen an der Technischen Universität Berlin und an der Eindhoven University of Technology sowie aus Forschungsprojekten der Autoren, die aus öffentlichen Mitteln von BMFT, BMWi, BMU, EU und BBSR sowie von Industriefirmen gefördert worden sind. Besonderer Dank gilt Herrn Dr. Jan de Boer, der die Bearbeitung des Kapitels „Planungsprogramme“ übernommen hat. Mit ihm haben wir den kompetentesten deutschen Experten zu diesem Thema gewinnen können.
Die langjährige Forschungstätigkeit über interdisziplinäre Themen mit einer intensiven Mitarbeit in nationalen Gremien (DIN, DKE, SLS, SSK und VDI) und in internationalen Gremien (CIE, IEA, IMEKO, ISO und PEP) war Garantie für eine praxisorientierte Betrachtung von Themen zur Wirkung der Solarstrahlung. Wenn es nunmehr gelingt, neben den Studenten auch diesem oder jenem Physiker, Biologen, Ingenieur, Architekten oder Mediziner in Forschung und Lehre Einblicke in physikalisch wie technisch interessante Entwicklungen der Solarstrahlung und der Tageslichttechnik zu vermitteln, so ist der Zweck des Buches völlig erreicht.
Prof. em. Dr. rer. nat. Heinrich Kaase studierte Physik an der Technischen Universität Braunschweig und war von 1970 bis 1980 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Laboratorium für Radiometrie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Ab 1980 leitete er das neugegründete Laboratorium „Optoelektronik“ der PTB als Regierungsdirektor. 1987 erhielt er den Ruf auf den Lehrstuhl „Lichttechnik“ der TU Berlin. Seit 2008 ist Prof. Kaase im Ruhestand.
Die wissenschaftlichen Arbeiten zur Forschung über Spektralradiometrie, Synchrotronstrahlung, Plasmastrahlung, Solarstrahlung, Tageslicht, Lichtmesstechnik, Optohalbleiter, Fotobiologie, Fotomedizin und elektrische Installationstechnik waren stets praxisorientiert und interdisziplinär angelegt. Die Ergebnisse wurden in mehr als 200 Publikationen veröffentlicht. Auf Grund dieser Tätigkeiten wurde Heinrich Kaase in eine Vielzahl von nationalen Gremien (DIN, DKE, SLS und SSK) und internationalen Komitees (CIE, IEA, IMEKO und PEP) berufen.
Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Rosemann leitet das Fachgebiet Building Lighting an der Eindhoven University of Technology (TU/e). Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Licht & Energie, Licht & visuelle Umgebung sowie Licht & Gesundheit. Nach dem Studium der Elektrotechnik an der TU Berlin promovierte und habilitierte er sich bei Prof. Kaase auf dem Gebiet der Tageslichttechnik. Im Anschluss an seine Tätigkeiten am Fachgebiet Lichttechnik und in der Firma schüco International KG ging er für 10 Jahre nach Kanada. Dort war er nach einer Postdoc-Anstellung an der University of British Columbia in Vancouver bei dem Energieunternehmen BC Hydro im Bereich Energieeffizienz tätig. Sein Verantwortungsgebiet umfasste die Entwicklung und Anwendung von energieeffizienten Standards und Building Codes auf kommunaler, regionaler und nationaler Ebene. Rosemann ist Vorstandsmitglied der NSVV (Nederlandse Stichting Voor Verlichtingskunde) und Mitglied der LiTG (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft).
σ | Stefan-Boltzmann-Konstante: 5,76 ⋅ 10−8 Wm−2 K−4 |
AU | astronomische Längeneinheit: 1 AU = 150 ⋅ 109 m |
c0 | Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: 2,997925 ⋅ 108 ms−1 |
EEx | extraterrestrische Bestrahlungsstärke (Solarkonstante): 1356 W/m2 |
h | Planck’sches Wirkungsquantum: 6,626 07 ⋅ 10−34 J s |
k | Boltzmann-Konstante: 1,380 66 ⋅ 10−23 J K−1 |
α | Azimutwinkel für einen Punkt am Himmel |
αi | Strahlungsabsorptionsgrad |
αS | Sonnenazimut |
βA | Trübungskoeffizient nach Ångström |
βi(λ) | spektraler Strahldichtefaktor |
γ1 | Lichteinfallswinkel im EUMELDAT-Koordinatensystem |
γ2 | Beobachtungsrichtung im EUMELDAT-Koordinatensystem |
γs | Höhenwinkel der Sonne |
δ(λ) | vertikale optische Dicke |
δS | Sonnendeklination |
ε | Winkel zwischen Zenit und dem Punkt P |
εF | Neigungswinkel für die Einbaulage eines Tageslichtsystems |
εFh | Fensterhöhenwinkel |
εi | Lichteinfallswinkel |
εinnen | Emissionsgrad der inneren Oberfläche |
η | Wirkungsgrad |
ηlern | Lernrate eines neuronalen Netzes |
ϑL | Leuchtenumgebungstemperatur |
θ1 | Winkel zur Beschreibung der Lichteinfallsrichtung im IEA-System |
θ2 | Winkel zur Beschreibung der Beobachtungsrichtung im IEA-System |
λ | Wellenlänge |
λB | geografische Länge |
ΔλH | Halbwertsbreite des spektralen Durchlassprofils |
λm | Mittenwellenlänge |
λmax | Wellenlänge der maximalen Empfindlichkeit |
ν | Frequenz |
ρ0 | Luftdichte bei Meereshöhe |
ρ | Strahlungsreflexionsgrad |
ρv | Lichtreflexionsgrad |
σi(λ, z) | Extinktionskoeffizient für den Extinktionseffekt i |
τ(λ) | spektraler Transmissionsgrad |
τ | Strahlungstransmissionsgrad |
τs | Stundenwinkel |
τv | Lichttransmissionsgrad |
φ1 | Lichteinfallswinkel im IEA-Koordinatensystem |
φ2 | Beobachtungswinkel im IEA-Koordinatensystem |
φB | geografische Breite |
Φ | Strahlungsleistung |
Φp | Photonenfluss |
Φv | Lichtstrom |
χ | Wellenlängenexponent nach Mie |
Ω | Raumwinkel |
A | Fläche |
dA | Flächenelement |
AM | relative Luftmasse |
C | Ozongehalt der Atmosphäre |
Cth | Wärmekapazität |
CTL,Vers, j | Tageslichtversorgungsfaktor |
d | Abstand |
D | Tageslichtquotient |
D65 | Normlichtart D65 |
Da | Außentageslichtquotient |
Di | Innentageslichtquotient |
Dkost | Kostenfunktion eines neuronalen Netzes |
Dn | Kalendertag |
DGI | Tageslichtblendungsindex (Daylight Glare Index) |
E | elektrische Feldstärke |
E | Bestrahlungsstärke |
Ev,ex | extraterrestrische Beleuchtungsstärke |
Ebiol | fotobiologisch wirksame Bestrahlungsstärke |
Edir | direkte Sonnenbestrahlungsstärke |
Echem | chemisch wirksame Sonnenbestrahlungsstärke |
Edif | diffuser Anteil der Bestrahlungsstärke |
Emed | medizinisch wirksame Bestrahlungsstärke |
Edif | diffuser Anteil der Bestrahlungsstärke |
Ea | Bestrahlungsstärke außen vor der Verglasungsfläche |
Ei | Bestrahlungsstärke im Innenraum |
Ev,g | globale Beleuchtungsstärke |
Eg | Bestrahlungsstärke der Globalstrahlung |
Em,g | globale Beleuchtungsstärke bei mittlerem Himmel im Freien ohne Verbauung |
Em,H | Beleuchtungsstärke bei mittlerem Himmel durch den Himmel |
Em,S | Beleuchtungsstärke bei mittlerem Himmel durch die Sonne |
Ev | Beleuchtungsstärke |
Ev,B,F | Reflexionsanteil der Beleuchtungsstärke auf einer beliebig geneigten und orientierten Fläche F |
Ev,dif | diffuse Beleuchtungsstärke in der horizontalen Ebene |
Ev,dif,F | Himmelslichtanteil der Beleuchtungsstärke auf einer beliebig geneigten und orientierten Fläche F |
Ev,dir | direkte Beleuchtungsstärke in der Ebene senkrecht zur Einfallsrichtung |
Ev,dir,F | direkter Anteil der Beleuchtungsstärke auf einer beliebig geneigten und orientierten Fläche F |
Ev,F | Beleuchtungsstärke auf einer beliebig geneigten und orientierten Fläche F |
Ev,g | Horizontalbeleuchtungsstärke der Globalstrahlung |
FPrä, j | Teilbetriebsfaktor zur Berücksichtigung der Präsenz im Berechnungsbereich j |
FPrä, j | Teilbetriebsfaktor zur Berücksichtigung der Anwesenheit in dem Berechnungsbereich j |
FTL, j | Teilbetriebsfaktor zur Berücksichtigung der Tageslichtversorgung im Berechnungsbereich j |
g | Gesamtenergiedurchlassgrad |
G | Gelbwert |
hm | Höhe über Meeresniveau |
hNe,j | Höhe der Nutzebene |
hR,j | lichte Raumhöhe des Berechnungsbereiches mit Dachoberlicht |
H | magnetische Feldstärke |
H | Bestrahlung (Dosis) |
Hbiol | fotobiologisch wirksame Bestrahlung |
Hmed | medizinisch wirksame Bestrahlung |
I | Strahlstärke |
IES/GI | IES-Blendungsindex |
Iv | Lichtstärke |
k1,n | Versprossungsfaktor |
k2,n | Verschmutzungsfaktor |
k3,n | Abminderungsfaktor zur Berücksichtigung des nicht senkrechten Lichteinfalles |
K | fotometrisches Strahlungsäquivalent |
mittleres fotometrisches Strahlungsäquivalent | |
KD | Bedeckungsgrad |
Km | Maximum des fotometrischen Strahlungsäquivalentes |
L | Strahldichte |
Lv | Leuchtdichte |
Lv,P | Leuchtdichte an der betrachteten Himmelsposition P |
Lv,sky | Leuchtdichte des durch das Fenster gesehenen Himmels |
Lwp | Leuchtdichte der Fensterebene |
Lv,Z | Zenitleuchtdichte |
M | spezifische Ausstrahlung |
MED | minimale erythemwirksame Dosis |
MEZ | mitteleuropäische Zeit |
Mv | spezifische Lichtausstrahlung |
MOZ | mittlere Ortszeit |
n | Brechzahl |
n1, n2 | Flächennormale |
ns(λ) | Brechzahl der Luft unter Standardbedingungen |
p | Positionsindex |
p(hm) | Luftdruck in der Höhe hm |
p0 | Luftdruck auf Meereshöhe |
pj | spezifische Bewertungsleistung für die Kunstlichtbeleuchtungsanlage |
P | elektrische Leistung |
q | Strahldichtekoeffizient |
qv | Leuchtdichtekoeffizient |
qi | sekundäre Wärmeabgabe nach innen |
Q | Energie |
Qel | über die Lebensdauer der Lampe umgesetzte elektrische Energie |
Ql,b,n | Energiebedarf für Beleuchtung für die Gebäudezone n |
Qv | Lichtmenge |
Qw | Wärmeentwicklung |
r | Abstand |
R | elektrischer Widerstand |
Ra | allgemeiner Farbwiedergabeindex |
Ri | spezieller Farbwiedergabeindex für die Testfarbe i |
Rr | Auflösungsvermögen |
s(λ) | spektrale Empfindlichkeit |
s(λ)rel | relative spektrale Empfindlichkeit (Wirkungsspektrum) |
s(λ)biol,rel | Wirkungsspektrum biologisch wirksamer Strahlung |
s(λ)med,rel | Wirkungsspektrum medizinisch wirksamer Strahlung |
S | Poynting-Vektor |
SAD | Seasonal Affective Disorder |
SED | Standarderythemdosis |
SSW | Sonnenscheinwahrscheinlichkeit |
STP | Standard Temperature and Pressure |
teff,Nacht,j | effektive Betriebszeit des Beleuchtungssystems zur Nachtzeit |
teff,Tag,KTL,j | effektive Betriebszeit des Beleuchtungssystems in dem vom Tageslicht nicht profitierenden Bereich der Zone n |
teff,Tag,TL,j | effektive Betriebszeit des Beleuchtungssystems in dem vom Tageslicht profitierenden Bereich der Zone n |
tNacht,j | Gesamtbetriebszeit des Berechnungsbereichs j zur Nachtzeit |
trel,TL,SA,j | relativer Anteil an der Gesamtbetriebszeit, während der der Sonnen-/Blendschutz aktiviert ist |
ts,biol | Schwellenbestrahlungsdauer des fotobiologischen Effektes |
ts,med | Schwellenbestrahlungsdauer des medizinischen Effektes |
tSA | Sonnenaufgangszeit |
tSU | Sonnenuntergangszeit |
tTag,j | Gesamtbetriebszeit des Berechnungsbereichs j zur Tageszeit |
T | Temperatur |
Tcp | ähnlichste Farbtemperatur |
TL | Linke-Trübungsfaktor |
U | U-Wert (früher k-Wert) |
Δ Uth | Thermospannung |
VS | Sichtweite |
V (λ) | relative spektrale Empfindlichkeitsfunktion des helladaptierten menschlichen Auges |
V′(λ) | relative spektrale Empfindlichkeitsfunktion des dunkeladaptierten menschlichen Auges |
Vth | Wärmeverluste |
WHe | Wechselhaftigkeit des Himmelszustandes |
wij | Gewichtsfaktoren eines neuronalen Netzes |
WOZ | wahre Ortszeit |
x, y, z | Normfarbwertanteile |
X, Y, Z | Normspektralwerte |
Zg | Zeitgleichung |
Das Interesse an elektromagnetischer Solarstrahlung ist außerordentlich groß, da diese nicht nur die primäre Energiequelle im Energiehaushalt der Erdoberfläche und der Erdatmosphäre ist, sondern auch unsere wichtigste Lichtquelle darstellt. Die jährliche Strahlungsmenge durch Solarstrahlung auf der Erdoberfläche ist rund 3000-mal größer als der Weltjahresenergiebedarf zu Beginn des 21. Jahrhunderts und ist nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich. Dagegen sind unter energetischen Aspekten die korpuskularen und die kosmischen Strahlungsanteile aus dem Weltraum, die die Erdoberfläche erreichen, gegenüber der Solarstrahlung, die die Erdatmosphäre trifft, ebenso zu vernachlässigen wie die geothermischen Wärmeströme aus dem Erdinneren oder die natürliche radioaktive Strahlung. Die für die Erde wichtigste natürliche Strahlungs- und Energiequelle ist also die Sonne. Durch sie werden das Erdklima und der Energiehaushalt auf der Erdoberfläche sowie die Verhältnisse in der Erdatmosphäre entscheidend bestimmt.
Neben der energetischen Bedeutung der Solarstrahlung sind ihre Wirkungen auf den Menschen lebensnotwendig. Dies trifft besonders auf das Auge als unser wichtigstes Orientierungs- und Kommunikationsorgan zu. Deshalb werden in diesem Buch Themen der Tageslichttechnik und Wirkungen der Solarstrahlung auf Organe des Menschen grundlegend behandelt. Dagegen wird bei Themen der Sonnenenergiewandlung und den technischen Anwendungen auf die umfangreiche Literatur verwiesen.
Die Solarstrahlung wird auf dem Wege von der Sonne bis zum Erreichen der Erdoberfläche durch Absorption und Streuung reduziert. Die Verluste treten durch Atom- und Molekülabsorption in den Randzonen der Sonne, im interstellaren Raum, in der Erdatmosphäre und auf der Erdoberfläche auf. In der Erdatmosphäre und auf der Erdoberfläche führen Streuung und Reflexion an Aerosolteilchen, Wassertropfen und Wasserkristallen zu weiteren Strahlungsverlusten. Die Berechnung der auf der Erde zur Verfügung stehenden Solarstrahlung ist aufgrund der inhomogenen Verteilung und Zusammensetzung der Erdatmosphäre, die zusätzlich noch höhen- und temperaturabhängig sind, z. T. sehr aufwendig und erfordert Kenntnisse der theoretischen und der geometrischen Optik.
Mithilfe der Tageslichtbeleuchtung können heute sowohl die Energie eines Gebäudes als auch die Gesundheit der Menschen und die Aufenthaltsqualität entscheidend verbessert werden. Dabei lassen sich die Beleuchtungsverhältnisse im Innenraum durch Tageslicht von den örtlichen Gegebenheiten der terrestrischen Solarstrahlung, den lichttechnischen Eigenschaften der Verglasungen bzw. der Sonnenschutzeinrichtungen, der Raumumschließungsflächen und der Einrichtungsgegenstände bestimmen. Zur ausreichenden Beleuchtung fensterferner Zonen in Gebäuden werden zunehmend auch Lichtlenksysteme eingesetzt. Die sich hieraus ergebenden Arbeitsfelder der Lichttechnik behandeln also die zentralen Zukunftsthemen: Energie, Umwelt und Gesundheit. Dabei können Gebäude sowohl im Neubau als auch bei der Sanierung eine zentrale Rolle bei der Reduzierung der Energieumsetzung und der Verbesserung des Komforts spielen.
Heute werden am Markt eine Vielzahl von Systemen/Produkten für die Tageslichtbeleuchtung bei unterschiedlichsten Problemfeldern angeboten: Tageslichtlenkung, tageslichtabhängige Kunstlichtsteuerung, Sonnenschutz, Blendschutz, Sichtverbindung ins Freie, Ergonomie, passive Solarenergienutzung, Lüftung und Wärmedurchgang.
Die Entscheidung, ob der Einsatz dieser Systeme sinnvoll und wirtschaftlich ist, fällt jedoch oft ohne gesicherte Grundlagen. Auch ist dem Planer im Einzelfall nicht immer klar, welche Umgebungsparameter in dem System „Gebäude“ vorliegen müssen, damit sich die energetische oder tageslichttechnische Maßnahme sinnvoll in die Gebäudedynamik einfügt bzw. überhaupt funktioniert.
Der wirtschaftliche Einsatz von Tageslichtlenksystemen kann vor allem in Kombination mit der elektronischen Gebäudeautomatisierungstechnik, insbesondere mit einer tageslichtabhängigen Beleuchtungskontrolle, erreicht werden. So wird die Einsparung elektrischer Energie bei der künstlichen Beleuchtung durch energieeffiziente Lampen- und Vorschalttechniken, aber auch durch tageslichtabhängiges Schalten und Dimmen möglich.
Die Solarstrahlung und das Tageslicht beeinflussen aber nicht nur die Energiebilanz und den Sehvorgang, sie haben auch eine große Bedeutung für die Gesundheit und das Wohlbefinden des Menschen. Tageslichtlenksysteme sowie Sonnenschutzmaßnahmen beeinträchtigen häufig den Ausblick ins Freie; dies kann durch eine Verringerung der den für den freien Blick in die Außenwelt zur Verfügung stehenden Fensterfläche oder auch durch eine Verminderung der Transparenz geschehen. Es sind Fälle bekannt, bei denen Nutzer Einbußen in der Beleuchtungsqualität hinnehmen und die Tageslichtlenktechnik nicht verwenden, um einen besseren Ausblick ins Freie zu haben. Wenn Tageslichtsysteme den Innen- und Außenraum entkoppeln, so kann dies das Wohlbefinden des Nutzers beeinträchtigen. In diesem Zusammenhang ist auch die Arbeitsstättenverordnung von Bedeutung, die für Arbeitsplätze einen Ausblick ins Freie fordert. Zudem beeinflussen Tageslichtsysteme die Blendungsbegrenzung, die Lichtfarbe und die Farbwiedergabe sowie die Beleuchtungsstärkeverteilung im Innenraum. Sie bestimmen die Akzeptanz bzw. die gesundheitlichen und die ergonomischen Verhältnisse entscheidend.