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Solarstrahlung und Tageslicht

Heinrich Kaase und Alexander Rosemann

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Autoren

Heinrich Kaase

Berlin

Deutschland

Alexander Rosemann

Eindhoven

Niederlande

Vorwort

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.

Über die Autoren

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).

Liste ausgewählter Naturkonstanten

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

Liste der Symbole

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
images 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

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Einleitung

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.