Der vom Beratungsunternehmen A.T. Kearny implementierte Begriff Human Centric Lighting resultierte aus einer 2013 vom europäischen Branchenverband Lighting-Europe und ZVEI in Auftrag gegebenen Marktstudie. Eine klare Definition, welche Art der Beleuchtung damit gemeint ist, ist jedoch ausständig. Bis dato beschreibt der Begriff jede Art der Lichtintervention, die eine positive Auswirkung auf das Wohlergehen, die Arbeitsfähigkeit und die Gesundheit des Menschen hat.

Positive Lichtwirkungen

Bild 1: Großraumbüro in Aldrans (Österreich) mit tageszeit- und wetterabhängig zuschaltbarer Kunstlichtbeleuchtung 4000 K (linke Bildhälfte) und mit Kunstlichtbeleuchtung 2200 K am Abend (rechte Bildhälfte).

Bild 1: Großraumbüro in Aldrans (Österreich) mit tageszeit- und wetterabhängig zuschaltbarer Kunstlichtbeleuchtung 4000 K (linke Bildhälfte) und mit Kunstlichtbeleuchtung 2200 K am Abend (rechte Bildhälfte). Bartenbach

Die Entdeckung eines neuen Rezeptors im Auge, der die Ausschüttung des Hormons Melatonin (Schlafhormon) im Gehirn steuert und damit den zirkadianen Rhythmus des Menschen triggert, weckte große Erwartungen in der Lichtbranche, was die Bedeutung des Lichts für die menschliche Gesundheit anbelangt. Der Fokus der Lichtwirkungsforschung richtet sich dabei derzeit einerseits auf die Vermeidung der schädlichen Wirkungen von Licht in der Nacht (Unterdrückung des Schlafhormons Melatonin), wo eindeutige nicht-visuelle Lichtwirkungen nachgewiesen wurden, andererseits beschäftigt sie sich immer häufiger mit den positiven Effekten von Licht am Tag. In diesem Bereich liegen allerdings noch keine eindeutigen Forschungsergebnisse vor.

Eck-daten

HCL-Lichtlösungen sind hochkomplexe Systeme, welche für die Gesundheit des Menschen in Zukunft zunehmend an Bedeutung gewinnen können. Zur Realisierung dieser Systeme ist jedoch eine gewerkübergreifende Zusammenarbeit erforderlich, um den hohen geforderten Ansprüchen Rechnung zu tragen. Derzeit gilt es jedoch noch einige grundlegende Probleme im Bereich HCL zu lösen, wie zum Beispiel einer klaren Begriffsdefinition. Die Ergebnisse der Forschung in den Laboren von Bartenbach sollen bei der Lösung noch offener Fragestellungen bei HCL-Konzepten helfen.

Zeitgleich existiert mit der LED ein digitales Leuchtmittel, mit dem sich (fast) beliebige spektrale Verteilungen erzeugen lassen. Diese technischen und wissenschaftlichen Errungenschaften legten den Grundstein für eine Human-Centric-Lighting-Lichtlösung. Durch die zusätzliche Integration von Sensortechnologien und die Implementierung von komplexen Regelalgorithmen können sich gegenwärtige Beleuchtungssysteme in intelligente und anpassungsfähige Lichtlösungen (personalisierte Beleuchtung) verwandeln.

Warum HCL sinnvoll ist

Viele Menschen leben heute entfremdet von einer natürlichen Lichtsituation, in der hohe Intensitäten während des Tages und kaum Lichtexposition während des Abends und in der Nacht vorherrschen. Die meiste Zeit des Tages verbringen sie in Innenräumen unter nach Norm ausgeführtem kunstlicht. Häufig wird darüber hinaus die Nacht zum Tag gemacht, sodass viele Menschen vermehrt Licht in der natürlichen Dunkelphase ausgesetzt sind.

Dies wirkt sich destabilisierend auf die natürliche Tag-Nacht-Rhythmik (zirkadiane Rhythmik) und damit längerfristig negativ auf die Gesundheit aus. Eine HCL-Lichtlösung soll helfen, dies zu vermeiden.

Bild 2: Tageslichtsysteme an der seitlichen Gebäudeöffnung des Großraumbüros.

Bild 2: Tageslichtsysteme an der seitlichen Gebäudeöffnung des Großraumbüros. Bartenbach

Beleuchtungen mit nicht-visuellen Wirkungen sind am Tage vor allem dort sinnvoll, wo zu wenig Tageslicht verfügbar ist. Am Abend und in der Nacht können auch geringe Lichtmengen zu Störungen der zirkadianen Rhythmik führen, weshalb auch bei kurzen Expositionen hier ein HCL-Beleuchtungs-Konzept sinnvoll erscheint. Als Anwendungsgebiete bieten sich derzeit vor allem Kliniken, Pflege- und Altenheime und Wohnungen an, aber auch Bürogebäude lassen sich damit aufwerten.

HCL-Lichtlösung erforschen

Die Mitarbeiter von Bartenbach planen und realisieren HCL-Beleuchtungsanlagen für verschiedenste Anwendungen. Dabei untersuchen Wissenschaftler in verschiedenen Forschungsprojekten, welche psychischen und gesundheitlichen Auswirkungen die Art von Beleuchtung auf den Menschen hat. Ein interdisziplinäres Team aus den Bereichen Medizin, Wahrnehmungspsychologie, Physik und Technik befasst sich mit den Grundlagen von HCL und bewertet die wissenschaftliche Belastbarkeit.

Bild 3: Tageslicht durchfluteter Innenraum des Büros.

Bild 3: Tageslicht durchfluteter Innenraum des Büros. Bartenbach

In einem 194 Quadratmeter großen Großraumbüro (Bilder 1, 2, 3), das 30 Arbeitsplätze für die Mitarbeiter der Forschungs- und Entwicklungsabteilung Bartenbachs bereitstellt, entwickelten Forscher im Jahr 2016 ein biologisch wirksames Lichtkonzept. Über 81 installierte Leuchten können, in 14 Gruppen einzeln geschaltet, die Lichtfarbe in Abhängigkeit von der Tageszeit und dem Vorhandensein von Tageslicht zwischen 2200 und 5000 K variieren sowie die horizontale Beleuchtungsstärke auf bis zu 1200 lux hochfahren. Funktaster ermöglichen die individuelle Steuerung des Tages- und Kunstlichts getrennt für jeden Arbeitsplatz. Daneben erfassen bis zu 37 Sensoren kontinuierlich zentrale Umgebungsparametern (zum Beispiel im Innenbereich: Präsenz-, Helligkeits-, Temperatursensoren; im Außenbereich: Helligkeits-, Temperatur-, Wind- und Regensensoren). Diese Werte regeln die Verschattung der Seiten- und Oberlichter und die Zuschaltung des Kunstlichts.

Planung der Lichtlösung

Unter Nutzung von Tageslicht ist es bei richtiger Anwendung möglich, ohne visuelle oder thermische Belastung von Menschen in Innenräumen, möglichst viel Tageslicht in weite Innenraumbereiche des Gebäudes zu bringen. Zusätzlich ermöglicht der ergänzende Einsatz von hochwertigen Kunstlichtsystemen eine Modifikation der Lichtintensität, Lichtfarbe und Lichtverteilung bei einem tageszeitlich bedingten Mangel an natürlichem Tageslicht. Dabei ist zu beachten, dass die visuelle Qualität immer erhalten bleibt. Das Kunstlicht sollte idealerweise in Abstimmung mit den Raumoberflächen zum Einsatz kommen.

Sensortechniken (zumindest zur Erfassung der Präsenz beziehungsweise Aktivität von Personen und der Lichtmenge in spezifischen Raumbereichen) dienen einer geregelten energieeffizienten Zuschaltung des Kunstlichts mit dem Ziel, den dauerhaften Betrieb durch größtmögliche Einfachheit und anwenderfreundliche Bedienung sicherzustellen. Außerdem erlauben leicht bedienbare Nutzerschnittstellen dem Endnutzer, das Kunstlichtsystem ein- und auszuschalten, zu dimmen, vordefinierte Szenen abzurufen und die Menge des einfallenden Tageslichts manuell zu regeln.

Heutzutage besteht HCL in erster Linie aus Kunstlichtlösungen mit variabler Lichtfarbe. Die Integration von Tageslicht, Sensortechnologie und personalisierter Beleuchtung erfolgt heute in HCL-Konzepten nur sehr eingeschränkt. Bei derzeitigen HCL-basierten Lichtplanungen kommen fast ausschließlich Kunstlichtsysteme zum Einsatz, die vorrangig die Lichtfarben gemäß einer vorprogrammierten tageszeitlichen Steuerkurve verändern. Nicht-visuelle Lichtwirkungen sind vielfältig, fallen individuell stark unterschiedlich aus und sind bis dato noch nicht im Detail beschrieben. Die verschiedenen Anbieter schlagen derzeit ganz unterschiedliche und gegensätzliche Steuer- und Regelalgorithmen vor. Dem Lichtplaner fehlen zur Zeit Vorgaben, an die er sich halten kann, um die erwarteten positiven Wirkungen sicherzustellen.

Anforderungen und Steuerstrategien

Eine Lichtplanung zur Erzielung nicht-visueller Wirkungen bedarf in Zukunft vorrangig einer intensiven Auseinandersetzung mit den vorliegenden objektspezifischen Rahmenbedingungen (zum Beispiel Tageslichtöffnungen, Gebäudelage, Raumgröße, Klimadaten) und den personenspezifischen Anforderungen in diesem Umfeld (zum Beispiel Arbeitsplatz, Wohnraum, Klinik, Pflegeeinrichtung). Daraus leiten sich Anforderungen an die einzusetzenden Tages- und Kunstlichtsysteme und deren Ansteuerung ab.

Aufgrund von aufwendigen Planungs- und Umsetzungsprozessen und fehlenden Planungsvorgaben blieben HCL-Anwendungen bisher weit hinter den Erwartungen zurück. Wurden vor wenigen Jahren noch extreme Hoffnungen in HCLLösungen gesetzt, so hat mittlerweile eine gewisse Ernüchterung eingesetzt.

Eine HCL-Kunstlichtlösung erfüllt idealerweise die folgenden drei Anforderungen. Erstens sollte die Intensität und Farbtemperatur des Kunstlichts über 24 Stunden hinweg variieren, insbesondere in der Nacht wird die Farbtemperatur auf 3000 K und weniger abgesenkt. Zweitens generiert der Einsatz ausgedehnter Strahlungsflächen eine erhöhte vertikale Beleuchtungsstärke bei möglichst geringer Blendung. Zuletzt muss sich das Licht intelligent über Sensoren entsprechend der Nutzung und den Tageslichtbedingungen steuern lassen, wobei die Möglichkeit von Nutzereingriffen vorgesehen werden muss.

Bild 4: Ein Typische HCL-Paneel von Bartenbach.

Bild 4: Ein Typische HCL-Paneel von Bartenbach. Bartenbach

Diese Anforderungen sind heute am Markt in der Regel durch (diffus) strahlende Panels mit steuerbarer Lichtintensität und Lichtfarbe, die großflächig an der Decke montiert oder abgehängt sind (Bild 4), erfüllt.

Des Weiteren ist die Steuerung von HCL-Leuchten ein wesentlicher Bestandteil ihrer Wirksamkeit. Applikationsunabhängig lassen sich heute zwei Steuerstrategien differenzieren.

Bild 5: Tageszeitabhängige Steuerstrategie (schematisch)

Bild 5: Tageszeitabhängige Steuerstrategie (schematisch). Bartenbach

Einerseits lässt sich zur Erzielung längerfristiger gEesundheitsorientierter Lichtwirkungen die Lichtintensität und Farbtemperatur nach Tageszeit variieren (Bild 5). Es gibt zu dieser Steuerstrategie derzeit jedoch keine Empfehlung, ob und wie saisonale Effekte (Tageslänge) sich in die Lichtsteuerung integrieren lassen, sodass zumeist eine einheitliche Steuerkurve für 365 Tage zur Anwendung kommt.

Bild 6: Akute Steuerstrategie mittels Lichtpulsen (schematisch).

Bild 6: Akute Steuerstrategie mittels Lichtpulsen (schematisch). Bartenbach

Um kurzfristige nicht-visuelle Wirkungen zu erzielen, lassen sich andererseits Lichtpulse (mit relativ kurzfristig veränderter Lichtintensität und Lichtfarbe, zum Beispiel „Lichtduschen“) mit einer relativen kurzen Dauer zur akuten Aktivierung oder Verbesserung der Entspannungsfähigkeit implementieren. Diese Lichtpulse (Bild 6) lassen sich entweder tageszeitabhängig automatisch (zum Beispiel am Vormittag und Nachmittag) oder vom Nutzer individuell starten.

Planungsvorgaben

Die Planer hatten erstmals 2013 HCL-Planungsempfehlungen in der technischen Regel DIN SPEC 67600 („Biologisch wirksame Beleuchtung – Planungsempfehlungen“) veröffentlicht. Diese Empfehlungen lehnten die Verantwortlichen allerdings aufgrund nicht ausreichend gesicherten Erkenntnisse als Grundlage für eine HCL-Lichtplanung ab.

Das International Well Building Institute formuliert bereits heute spezifische Richtlinien zur Bewertung des Gebäudes hinsichtlich seiner nicht-visuellen Wirksamkeit, obwohl eine wissenschaftliche Rechtfertigung der Vorgaben bisher aussteht.

Zwei Jahrzehnte Forschung zum Thema nicht-visuelle-Lichtwirkungen lassen viele Fragen offen. Trotzdem besteht derzeit großes Bestreben darin, das bereits vorhandene Wissen in Form von Empfehlungen und Standards in die Praxis umzusetzen.

Nicht-visuelle-Lichtwirkungen sind ein komplexer Forschungsgegenstand und beschäftigen sich mit Reaktionen des gesamten Körpers. Das momentane Bestreben zur Etablierung eines mathematischen Modells zur Quantifizierung der Auswirkungen der Beleuchtung auf die Gesundheit ist ein hohes Ziel. Es stellt sich diesbezüglich die Frage, inwieweit exakte Modelle (vor allem nach heutigem Erkenntnisstand) praxistauglich und zielführend sind.

Für eine Weiterentwicklung des Themas HCL ist es wichtig Leuchtturmprojekte mit aktuellen Erkenntnissen aus Forschung und visionären technologischen Möglichkeiten bereits heute umzusetzen, die somit Wissenschaftlern, Endnutzern und Vertretern der Lichtindustrie als Inspirationsquelle dienen können.

Das Thema HCL ist sehr umfangreich und komplex. Zukünftige Fortschritte sind nur durch enge Zusammenarbeit aller Interessengruppen (Wissenschaft, Leuchtenindustrie, Planer, Endnutzer) möglich. Eine diesbezügliche Neuorientierung und gemeinsame Zieldefinition ist notwendig, um das Potenzial einer HCL-Lichtlösung voll auszuschöpfen.

IoT und HCL

Derzeitige HCL-Umsetzungen genügen den hohen Anforderungen des Konzeptes einer auf menschliche Bedürfnisse zentrierte Beleuchtung nur kaum bis gar nicht. Hier wäre eine Rückbesinnung auf die Wünsche der Endanwender von enormer Wichtigkeit.

Da automatisierte Lichtsteuerungen individuelle Nutzerbedürfnisse kaum implementieren können, braucht es zukünftig neue Steuerungslogiken. Die technologischen Voraussetzungen hierfür schaffen gegenwärtig die zunehmende Integration von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) in die Beleuchtung. Auf Basis von Nutzerdaten lassen sich Nutzermodelle abbilden, welche Produkte und Dienstleistungen automatisch den Bedürfnissen der Nutzer anpassen. Die dafür notwendigen Informationen sammelt die integrierte Sensorik der Lichtsysteme. Die Integration der Beleuchtung ins IoT kann dann zu einer nachhaltigen Veränderung der gesamten Beleuchtungsindustrie führen. Lichtsysteme sind zukünftig modular aufgebaut, um eine langfristige Erweiterbarkeit der Serviceleistungen zu ermöglichen.

Technologisch gesehen ist vieles bereits heute schon umsetzbar. Die Herausforderung besteht vielmehr darin sich neuen Steuerungskonzepten (informations- und kommunikationstechnologischen Konzepten) zu öffnen, welche eine grundlegend neue Einbringung von Expertenwissen erfordert. Die Erforschung und Umsetzung von Lichtsteuerungssystemen erweist sich hierbei als Grundbedingung zur Befriedigung der individuellen Nutzerbedürfnisse.