Im Zusammenhang mit Baubiologie und Ökologie

Beleuchtungen setzen wir überall dort ein, wo Menschen sich öfters auch bei fehlendem Tageslicht aufhalten oder das vorhandene Tageslicht nicht ausreicht. Erst durch Licht werden für das menschliche Auge Objekte erfassbar. Licht hat aber auch so genannte „biologische Wirkungen“. Sie beeinflussen das vegetative Nervensystem, also unwillkürliche, biologische Abläufe. Sie werden nicht über den für das Sehen verantwortlichen neuronalen Pfad vermittelt, sondern via Hypothalamus, einem der ältesten Teile des menschlichen Gehirns.

Was ist Licht?
Licht stellt einen Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen dar. Das Auge setzt aber nicht das ganze Lichtspektrum in neuronale Bildsignale um.
Der Bereich (780 nm - 1 mm) mit Frequenzen unterhalb des für Menschen sichtbaren Lichtes bis hin zur Mikrowelle wird als Infrarot (IR) bezeichnet. IR-Wellen werden von Lebewesen als Wärmestrahlung wahrgenommen. Auf die Unterteilung des IR wird an dieser Stelle verzichtet.
Ein Teil dieses langwelligen Lichtes von der Sonne erreicht uns kaum, weil dieser Bereich des IR weitgehendst von der Atmosphäre absorbiert wird. Diese Begebenheit wird von technischen Anwendungen gerade deshalb genutzt, weil das Nutzsignal, stammend von einer IR-Diode oder der Wärmestrahlung eines Körpers, nicht vom Sonnenlicht überstrahlt wird. Aktive IR-Sensoren (z.B. Lichtschranken) arbeiten oft mit einer Wellenlänge um die 900nm und mit einer IR- LED, die gepulstes IR- Licht aussendet.
Der Bereich mit Frequenzen oberhalb des sichtbaren Lichts bis hin zur Röntgenstrahlung wird als Ultraviolett (UV) bezeichnet. Dieses kurzweilige Licht wird in UV-A (Wellenlängen von 400 - 320 nm), UV-B (Wellenlängen von 320 - 280 nm) und UV-C (Wellenlängen von 280 - 100 nm) unterteilt.

Synchronisation der inneren Uhr.
Jedes Lebewesen hat eine eigene innere Uhr. Auch im Dunkeln bleibt ein regelmäßiger Schlaf-Wach-Rhythmus erhalten. Hormonspiegel und andere Körperfunktionen stehen in Abhängigkeit zur inneren Uhr. So schüttet die Zirbeldrüse in der Nacht das Hormon Melatonin aus, am frühen Morgen geht die Produktion zurück. Der Tagesrhythmus des Menschen entspricht jedoch nicht genau 24 Stunden, er ist etwas länger. Damit sich die innere Uhr nicht gegenüber der Außenzeit verschiebt, wird sie täglich mit externen Bedingungen synchronisiert. Diese Rolle fällt in erster Linie dem Lichtwechsel zu. Am Morgen vermag Licht den Tagesrhythmus am effektivsten zu „synchronisieren“, gegen Abend hingegen bewirkt es eher eine gegenteilige Reaktion, dies vor allem bei Licht in der Nacht. Licht hemmt auch die Melatonin-Ausschüttung. Untersuchungen haben ergeben, dass Beleuchtungsstärken zwischen 90 und 180 Lux am Auge bereits solche Reaktionen auslösen und dass sich der Tagesrhythmus durch blaues Licht am stärksten beeinflussen lässt.

Licht und Wohlbefinden
Licht hat nicht nur auf das Auge einen Einfluss, auch die Haut hat eine „Lichtempfindlichkeit“, vor allem im Bereich unter und oberhalb des sichtbaren Lichtes. Schlussendlich beeinflusst das Licht aber auch unsere Psyche. Epidemiologische Studien zeigen, dass in Mitteleuropa etwa 10 % der Bevölkerung im Winter unter Symptomen wie Müdigkeit, Niedergeschlagenheit, Energielosigkeit Konzentrationsschwäche und Depressionen leiden. Man geht davon aus, dass Licht die Serotonin-Produktion positiv beeinflusst. Dieses Hormon hat einen Einfluss auf die Stimmung.
Umweltpsychologische Untersuchungen zeigen, dass Licht aktivierend wirkt. Eine Beleuchtungsstärke von über 100 Lux macht munter und die Leistungsfähigkeit steigt mit zunehmender Beleuchtungsstärke. Auch wechselnde Lichtstärken stimulieren den Menschen. Für diese Wirkung zählt die auf das Auge auftreffende Lichtmenge. Nicht allein die Helligkeit auf der Arbeitsfläche, sondern auch diejenige der Umgebung ist von Bedeutung für die Lichtmenge die zum Auge gelangt. Nach Christoph Schierz vom Institut für Hygiene und Arbeitsphysiologie der ET Zürich soll bei rein künstlicher Beleuchtung das Verhältnis zwischen Beleuchtungsstärke am horizontal blickenden Auge und auf der Arbeitsfläche mindestens 1:3 betragen. Aber auch zu viel Licht wirkt unangenehm. Über dem Optimum wirken die Personen gereizt und können sich nicht konzentrieren, darunter werden sie müde und schläfrig. Das Optimum kann je nach Tätigkeit, individuellen Vorlieben oder Tageslichteinflüssen unterschiedlich sein.
Nicht nur die Beleuchtungsstärke, auch Kontraste haben ihren Einfluss. Zu schnelle Lichtstärkenänderungen bedeuten in der Regel Stress für den Menschen, Stroboskope können gar Epilepsie auslösen. Ein weiterer Faktor ist die Lichtfarbe, genauer das Farbspektrum des Lichtes. Es gibt Studien, die starkem UV und blauem Licht eine Stressbelastung im Energiestoffwechsel der Netzhaut attestieren. Dagegen soll langwelliges Licht (Rot und nahes IR) eine reparative Wirkung haben.

Lichterzeugung in Innenräumen
Heute werden in Gebäuden vor allem Glühlampen und Gasentladungslampen eingesetzt. LED-Leuchten werden bis heute kaum für Raumbeleuchtungen verwendet, dafür aber immer mehr in Schreibtisch- und Leseleuchten.

Die guten alten Glühlampen
Seit der Erfindung von Thomas Edison ist die Glühlampe aus dem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. In einer Glühlampe wird ein elektrischer Leiter, der Glühwendel, durch Stromfluss so stark erhitzt, dass er glüht. Die aufgenommene elektrische Leistung wird zu einem Teil in Form elektromagnetischer Strahlung (Infrarot- und sichtbares Licht) abgestrahlt. Der Rest wird über Wärmeleitung und Wärmekonvektion an Füllgas und Glaskolben sowie Zuleitungs- und Haltedrähte der Glühwendel abgegeben.
Eine modifizierte Glühlampe ist die Halogenglühlampe. Dabei bewirkt die Zugabe des Halogens Brom oder Jod eine Steigerung der Betriebstemperatur, was ein „weißeres“ Licht bewirkt und zu einer höheren Lichtstärke bei gleicher Gesamtleistung führt. Mit einer Glasabdeckung wird der für die Augen problematische UV-Strahlungsanteil stark reduziert.

Gasentladungslampen
Bei Gasentladungslampen erfolgt die Lichterzeugung über die Rekombinationsstrahlung, eines durch elektrische Entladung erzeugtes Plasma.
Gasentladungslampen finden im Innenraum vor allem in Form von Leuchtstoffröhren (FL) und Energiesparlampen Anwendung. Diese Geräte sind mit Glühkathoden aus gerüstet. Durch Glühemission sinkt die erforderliche Betriebsspannung auf Werte ab, die einen Betrieb über ein kompaktes Vorschaltgerät direkt an der Netzspannung ermöglicht. Als Gasfüllung dient Quecksilberdampf (Emission von UV) und zusätzlich meist Argon. Die Ultraviolettstrahlung wird von der Leuchtstoff-Beschichtung in sichtbares Licht umgewandelt.
Heute wird bereits 70% des künstlichen Lichtes mit solchen Fluoreszenzlampen erzeugt, die bei gleichem Stromverbrauch wesentlich mehr sichtbares Licht abgeben als Glühlampen (herkömmliche Glühlampe ca. 5-12 lm/W, Halogenglühlampen 10-25 lm/W, Leuchtstofflampe 40-90 lm/W, Kompaktleuchtstofflampen 40-60 lm/W).
Die Entladung bei Gasentladungslampen erfolgt im Rhythmus der anliegenden Wechselspannung, was zum bekannten Flimmern im 100 Hz-Takt von Leuchtkörpern führt, die mit einer 50 Hz-Wechselspannung betrieben werden. Mit den üblichen elektronischen Vorschaltgeräten wird die Frequenz auf 20 bis 60 kHz erhöht, was zu einem Flimmern führt, das der menschliche Sehsinn nicht mehr bewusst als wechselndes Licht wahrnimmt. Ob das hochfrequente Flackern zu biologischen Effekten führt, kann bisher nicht nach gewiesen werden.
Elektronische Vorschaltgeräte (EVG) sind im Gegensatz zu konventionellen Vorschaltgeräten (KVG) dimmbar und energieeffizienter, haben dafür aber andere, nicht unbedeutende Nachteile. Die Schaltregelkreise von EVG´s erzeugen durch den darin befindlichen Schaltregler breitbandige hochfrequente Strahlung, die von der Lampe und deren Zuleitungen abgestrahlt werden. Die billig produzierten EVG´s mit Leistungen bis zu 25 W — dies betrifft vor allem die als Energiesparlampen bezeichneten Kompaktleuchtstofflampen — sind wahre „Dreckschleudern“. Sparlampen strahlen im Bereich von niederfrequenten Wellen über Lang-, Mittel-, bis zur Kurzwelle einiges mehr ab als TCO-zertifizierte Bildschirme. Eine hohe Dichte mit Leuchten, die mit EVG´s ausgerüstet sind, hat zur Folge, dass die Qualität des Starkstromnetzes stark beeinträchtigt wird (Dirty Power), so dass die Lebensdauer der EVG´s und anderer empfindlicher Geräte am Netz massiv reduziert wird. Flimmerarme Leuchtstofflampen sind auch ohne EVG machbar. Zwei parallele Röhren mit KVG oder besser mit VVG lassen sich phasenverschoben betreiben, so dass immer nur eine der beiden Röhren in dem gemeinsamen Leuchtenkörper dunkel ist und somit das Flimmern stark reduziert wird.
Ein großer Nachteil von Leuchtstoffröhren ist auch, dass sie im Gegensatz zur Glühlampe kein kontinuierliches Farbspektrum aufweisen. Bereits eine Verbesserung zu den billigsten Produkten hinsichtlich Farbwiedergabe und dem erzielten Lichtstrom sind die heute weit verbreiteten „Drei-Banden-Leuchtstofflampen“.
Hierbei besteht die Leuchtstoffbeschichtung aus einer Mischung von drei Leuchtstoffen, die im roten, grünen, und blauen Bereich des sichtbaren Spektrums relativ scharfbandige Emissionen zeigen und deren Spektren sich in der Lampe zu weißem Licht addieren. Die beste Farbwiedergabe haben so genannte Vollspektrum-Leuchtstofflampen. Das Spektrum ist tageslichtähnlich, deckt beinahe das ganze Spektrum ab. Dies wird durch Einsatz von mindestens vier unterschiedlichen und möglichst breitbandigen Leuchtstoffen er reicht. Aber auch diese speziellen Lampen zeigen je Leuchtmittel eine unnatürliche, ausgeprägte Emissionsspitze. Weil bei Kompaktgeräten nicht so breitbandige Leuchtstoffe eingesetzt werden können, erreichen Energiesparlampen nicht die Qualität der spektralen Abdeckung wie Vollspektrum-Röhrenlampen.

Gehört den LED-Leuchten die Zukunft?
Eine Leuchtdiode, auch LED (Light Emitting Diode) genannt, ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlassrichtung, so strahlt sie sichtbares Licht, IR- oder UV-Strahlung mit einer vom Halbleitermaterial abhängigen Wellenlänge ab. Sie emittieren Licht in einem begrenzten Spektralbereich; das Licht ist nahe zu monochrom. Die Leuchtkraft von LED´s nimmt mit zunehmender Alterung merklich ab. Rote, grüne und gelbe LED´s kommen in der Elektronik schon seit langem zur Anwendung. Blaue und UV-LED konnten erst in jüngster Zeit wirtschaftlich hergestellt werden. Bei einer weißen LED wird eine blaue oder UV-LED mit einem Fluoreszenzfarbstoff (Leuchtstoff) kombiniert. Wie bei Leuchtstofflampen kann so kurzwelliges (Blau und UV) in langwelliges Licht umgewandelt werden. Die spektrale Bandbreite ist aber breiter als bei Leuchtstoffröhren. Die Verwendung mehrerer Farbstoffe ergeben zwar ein qualitativ besseres Weiß, verteuert aber die Herstellung und reduziert die Lichtausbeute. Preiswerte weiße LED´s bestehen in der Regel aus einer blauen LED mit einer darüber liegenden gelblich fluoreszierenden Schicht.
Eine andere Technologie ist die Erzeugung von weißem Licht aus der Kombination mehrerer Dioden unterschiedlicher Farbe in einem Gehäuse, die aber einzeln angesteuert werden können. Die Addition dieser schmalbandigen Einzelfarben lässt dann auch ein als weiß interpretiertes Licht zu, dessen Farbe, wie bei einem Farbbildschirm über die Ansteuerung verändert werden kann. Die spektrale Lichtverteilung der RGB-LED ist dabei vergleichbar mit einer dreibandigen Leuchtstofflampe.
Heute erhältliche LED-Leuchten fallen durch eine stark gerichtete Lichtverteilung auf. Auf Grund des spitzen Abstrahlkegels müssen wir im Vergleich mit anderen Arbeitsleuchten den Abstand zur Arbeitsfläche vergrößern, um eine genügend große Arbeitsfläche zu beleuchten. Dabei ist zu beachten, dass Lichtstärke in quadratischer Abhängigkeit zur Distanz steht. Auch sind LED-Leuchten mit größerer Leistung im Handel noch nicht verfügbar.
Die Lichtausbeute weißer Standard LED´s ist um die 60 lm/W und somit ca. viermal so hoch wie die einer Glühlampe. Um eine 60 W-Glühlampe zu ersetzen, benötigen wir also eine Leuchte, deren LED-Array 15 W ergibt (noch sehr teuer).

Der gute Mix
Auf künstliche Beleuchtung kann in unserer Gesellschaft nicht mehr verzichtet werden. Es gilt aber, so viel wie möglich Sonnenlicht zu nutzen. Mit genügend Fensterfläche und intelligenter Beschattungslösung lässt sich der Einsatz von Kunstlicht in Bauten reduzieren.
Selbst an einem nebligen Tag herrschen draußen am Mittag Beleuchtungsstärken von bis zu 3000 Lux. Mit der besseren Nutzung von Tageslicht ist vor allem in gewerblichen und öffentlichen Bauten ein großes Sparpotential vorhanden. Eines, das weitaus größer ist, als der Ersatz von Glühlampen mit Energiesparlampen. Leuchtstofflampen haben ihre Berechtigung, besonders als Grundbeleuchtung in Arbeitsräumen und öffentlichen Bauten. Dabei sollten aus baubiologischer Sicht möglichst Röhrenlampen mit kompensiertem VVG und elektronischen Startern in Duoschaltung verwendet werden. Die Emission niederfrequenter elektrischer Wechselfelder ist mit einem geeigneten Leuchtengehäuse zu minimieren. In Schreibtisch- oder Leselampen sind Halogenglühlampen, die ohne Netzgerät und Transformator auskommen, den Kompaktleuchtstofflampen klar vorzuziehen. In diesem Einsatzbereich stellen LED-Leuchten eine beschränkte Alternative dar. Obwohl schon vereinzelt Projekte mit auf Leuchtdioden basierenden Lampen als Grundbeleuchtung realisiert wurden, stellen LED- Raumbeleuchtungen in naher Zukunft noch keine wirkliche Alternative zu den heute eingesetzten Leuchtkörpern dar. Ob allerdings in ein paar Jahren LED-Leuchten als Innenraumbeleuchtung aus baubiologischer Sicht zu empfehlen sind, wird nicht zuletzt davon abhängen, wie die Emission von elektrischen und magnetischen Felder dieser Leuchtkörper sein wird. Mit der Verwendung von billigster Elektronik zur Beschaltung der LED´s wird dieses Ziel wohl kaum erreicht werden. Wenn die Entwickler aber nebst der Ökologie und Ökonomie auch baubiologische Kriterien berücksichtigen, dürfen wir interessante LED-basierende Lösungen mit Spannung erwarten.Weiterhin sollen Glühlampen am Essplatz für behagliches Licht sorgen. Noch mehr Gemütlichkeit schafft nur Kerzenlicht, das weitaus weniger energieeffizient ist, Sauerstoff verbraucht und die Raumluft mit Ruß belastet.

Quelle: Markus Durrer, W+G 12/07