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Die softwaregestützte Berechnung natürlicher und künstlicher Beleuchtung vereint Design mit Technik, gibt mehr Planungssicherheit und unterstützt Fachplaner bei der Entwicklung schlüssigerer und wirtschaftlicherer Lichtkonzepte.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Lichtplanungsprogramme sind in der Lage, alle für die Bewertung einer Beleuchtungsanlage erforderlichen lichttechnischen Kenngrößen sehr exakt zu berechnen.
■ Programme, die neben Kunst- auch Tageslicht berechnen können, unterstützen Planer auch bei der Entwicklung energieoptimierter Beleuchtungskonzepte, die das Tageslicht einbeziehen und anzeigen, wie viel man mit einer tageslichtabhängig gesteuerten Beleuchtungsanlage einsparen kann.
■ Visualisierungen zeigen anschaulich, wie Räume im Tages- oder Kunstlicht wirken, wo Lichtakzente im Raum gesetzt werden sollten oder wo Verschattungszonen entstehen.
■ Auch wenn sich Lichtplanungsprogramme inzwischen sehr intuitiv bedienen lassen, so setzen sie dennoch lichttechnisches Grundwissen voraus. Sie müssen zu einem möglichst frühen Planungszeitpunkt eingesetzt werden.
Mit Lichtplanungsprogrammen lassen sich nicht nur technische Kenngrößen etwa für eine ausreichende Arbeitsplatzbeleuchtung ermitteln, sondern auch andere grundlegende Fragen beantworten: Sorgt die geplante Leuchtenverteilung für eine ausreichende Ausleuchtung? Welche gestalterische Wirkung haben ein Downlight oder ein Deckenfluter? Wo entstehen störende Reflexionen? Wie wirkt eine bestimmte Lichtfarbe? Welches Lichtkonzept ist wirtschaftlicher?
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Tageslicht-Simulationsprogramme unterstützen Lichtplaner darüber hinaus auch bei der Überprüfung des Tageslichteinfalls, einer ausreichenden Versorgung mit Tageslicht, der Lokalisierung von Verschattungszonen, der Erstellung von Tageslicht- oder energieoptimierten Beleuchtungskonzepten.
Lichtplanung früher und heute
Technische und gestalterische Aspekte künstlicher Beleuchtung in einer frühen Planungsphase zu berücksichtigen, war früher schwierig und aufwendig. Die „Wirkung“ von Licht musste mithilfe maßstabsgerechter Modelle nachgebildet werden, die Lichtverhältnisse jedoch nur unzureichend nachbilden konnten.
Das liegt daran, dass die Abstrahlungscharakteristik der Beleuchtungskörper bzw. die Reflexionseigenschaften der raumumschließenden Flächen im Modell nicht der Realität entsprechen und zum Modellmaßstab passende Leuchtenmodelle praktisch nicht nachgebildet werden können.
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Zudem wurde aus Gründen der Aufwandsminimierung die Möblierung und damit Aspekte wie Materialwirkung oder Blendung durch Reflexion vernachlässigt. 1 : 1-Modelle kennen diese Probleme zwar nicht, der Nachbau in Originalgröße ist allerdings aufwendig und nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich vertretbar.
Heute können praktisch an jedem aktuellen 3D-CAD-fähigem PC auch Lichtplanungen durchgeführt werden. Mit dem PC und entsprechender Software lassen sich natürliche und künstliche Beleuchtung und Beleuchtungsvarianten einfacher und wirtschaftlicher planen.
Online abrufbare Lichtdatenbanken der Hersteller ermöglichen einen komfortablen Zugriff auf aktuelle Leuchten-Modelle, inklusive aller lichttechnischen Daten im nativen Format der jeweiligen Software oder den Import von standardisierten photometrischen Daten wie IES oder Eulumdat (steht für das Europäische Lumen Datenformat). Lichtplanungsprogramme sind damit in der Lage, die Lichtausbreitung im Raum binnen weniger Minuten oder Stunden zu berechnen – je nach Komplexität des Raumes oder des Beleuchtungskonzepts.
Lichtplanung Schritt für Schritt
Im Unterschied zum sogenannten Wirkungsgradverfahren, mit dem nur durchschnittliche Beleuchtungsstärken ermittelt werden können, sind aktuelle Lichtplanungsprogramme in der Lage, für jeden definierten Messpunkt im Raum die Beleuchtungsstärke exakt zu berechnen.
Erco / Axel Groß, ElectricGobo
Die betrachteten Räume können dabei in Zonen, beispielsweise Arbeits- und Umgebungsbereiche, eingeteilt und deren Beleuchtungsstärken separat bewertet werden. Anschließend werden die Beleuchtungsstärke ermittelt und dabei für jeden Punkt in der Messebene die Einflüsse aller Lichtquellen berücksichtigt: Dazu gehören sowohl die Beleuchtung der nächstgelegenen Leuchte, Anteile von entfernteren Leuchten sowie weitere, durch Reflexion an den Wänden und der Decke generierte Anteile.
Bei Verwendung lichttechnischer Daten in programmspezifischen Datenformaten wie ULD oder ROLF (Dialux, Relux) kann darüber hinaus die Wirkung ausgedehnter oder unterteilter, respektive zusammengesetzter Lichtaustrittsflächen der Leuchten berücksichtigt werden.
Neben der Verteilung der Beleuchtungsstärke können bei der photometrischen Planung auch die im Raum und an den Leuchten auftretenden Leuchtdichten und die damit verbundenen Blendwirkungen ermittelt werden.
Die Berechnungsergebnisse werden in Form von Projektbeschreibungen, Punktbeleuchtungsstärken, Leuchtdichteverteilungen, Graustufendiagrammen, Falschfarbdarstellungen oder Isolux-Linien präsentiert. Alternativen lassen sich damit anschaulich darstellen. Mit einige Lichtplanungsprogrammen lassen sich auch exakte Investitions- oder Betriebskostenanalysen durchführen sowie Mengen und Stücklisten ausgeben.
Die Anzeige der Berechnungsergebnisse erfolgt wahlweise in Tabellen, Diagrammen, sowie in 2- oder 3-dimensionalen Darstellungen oder fotorealistischen Visualisierungen.
Erco / Axel Groß, ElectricGobo
Licht als Ergonomie- und Gestaltungsfaktor
Insbesondere in Produktionsstätten, Büro-, Ausstellungs- oder Verkaufsräumen ist gutes Licht essenziell, da nur unter guten Lichtbedingungen die geforderte Arbeits- oder Präsentationsqualität gewährleistet werden kann. Deshalb werden wichtige Parameter und Vorgaben in zahlreichen Normen zur Tages- und Kunstlichtbeleuchtung von Innenräumen, zur Arbeits- und Sportstättenbeleuchtung etc. definiert und von Lichtplanungsprogrammen berücksichtigt, etwa DIN EN 12464-1 [1], die Mindestanforderungen an die Beleuchtung von Arbeitsstätten definiert.
Die Lichtplanung am PC berücksichtigt neben Lumen- und Luxwerten für den Lichtstrom und die Beleuchtungsstärke auch gestalterische und „emotionale“ Gesichtspunkte. Das spielt insbesondere dort, wo es um Präsentation oder Repräsentation geht, eine wichtige Rolle – etwa bei Verkaufsräumen, Empfangshallen, Messeständen oder Firmengebäuden.
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Mit fotorealistischen Visualisierungen der Beleuchtungssituation erhalten Planer einen realistischen Eindruck von der visuellen Wirkung des jeweiligen Lichtkonzepts. Auch bei Beratungsgesprächen sind Visualisierungen ein sehr wirkungsvolles Werkzeug: Bauherren sehen unmittelbar, wie Räume im Tages- oder Kunstlicht wirken, an welchen Stellen eine gleichmäßigere Lichtverteilung sinnvoller ist, wo Lichtakzente im Raum gesetzt werden sollten oder wo im Innen- oder Außenbereich unerwünschte Verschattungsbereiche entstehen.
Planer können ihre Ideen anschaulich und überzeugend vermitteln oder auf Problembereiche aufmerksam machen: auf eine ungenügende Ausleuchtung, Blendung, Reflexbildung oder störende Helligkeitskontraste. Ferner kann die Lichtwirkung exakt jener Leuchtenmodelle überprüft werden, die Bauherren ausgewählt haben. Ein weiterer Vorteil liegt in der Vergleichsmöglichkeit verschiedener Beleuchtungsvarianten. Dazu müssen lediglich die Leuchtenmodelle ausgetauscht werden.
Mit Lichtplanungsprogrammen an den Kostenschrauben drehen
Auch aus wirtschaftlicher Sicht spielt Licht eine bedeutende Rolle – schließlich macht die künstliche Beleuchtung, je nach Gebäudenutzung, etwa 10 bis 40 % der Stromkosten aus. Damit hat sie einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch von Gebäuden. Wird vor der Leuchten-Montage die optimale Leuchtenverteilung und Raumausleuchtung ermittelt, lässt sich ein Teil der späteren Betriebskosten einsparen.
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Ob insbesondere energiesparende LED-Leuchten auch die erforderliche Lichtstärke liefern, die gewünschte Atmosphäre schaffen, sowohl für die Grundausleuchtung als auch für die Gestaltung und Akzentuierung von Räumen eignen, kann man im Vorfeld mithilfe von Lichtplanungsprogrammen überprüfen.
Programme, die neben Kunst- auch Tageslicht berechnen können, unterstützen den Planer auch bei der Entwicklung energieoptimierter Beleuchtungskonzepte, die das Tageslicht einbeziehen und möglichst effizient nutzen. Neben der Überprüfung der Norm-Mindestanforderungen an die Beleuchtungsverhältnisse in Wohn- oder Büroräumen, können die Programme beispielsweise berechnen, wann das Tageslicht im Jahresverlauf optimale Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz liefert, durch welche Maßnahmen das Tageslicht im Raum optimiert werden kann oder welche Verschattungsmaßnahmen erforderlich sind. Zusätzlich kann auch mit einer geschickten Anordnung sowie im intelligenten Zusammenspiel mit der Tageslichtnutzung elektrische Energie eingespart werden.
Einige Kunst- und Tageslichtprogramme zeigen auch an, wie viel man mit einer tageslichtabhängig gesteuerten Beleuchtungsanlage einsparen kann. Dabei wird für jede Stunde und jeden Tag eines Jahres das Tageslicht ermittelt, das durch die Fenster einfällt und berechnet, wie viel Kunstlichtanteil jeweils benötigt wird, um die erforderliche Beleuchtungsstärke zu erreichen. Das Ergebnis zeigt an, wie viel Energie, CO2 und Geld pro Jahr eingespart werden, wenn eine geregelte Beleuchtung eingeplant wird.
Welche Programme gibt es?
Bei den Lichtplanungsprogrammen dominieren die Programme Dialux und Relux den europäischen Markt. Sie werden von Architekten, Lichtplanern, Lichttechnikern, Händlern, Elektroplanern und -Fachbetrieben sowie und vielen Leuchtenherstellern eingesetzt. Auch wenn sie sich inzwischen intuitiv bedienen lassen, so setzen sie dennoch lichttechnisches Grundwissen voraus.
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Daneben gibt es auch englischsprachige Open-Source-Anwendungen (z. B. Radiance) oder speziell für Lampen- und Leuchtenhersteller entwickelte Anwendungen (z. B. Litestar 4D oder TracePro, siehe auch: Programm-/Anbieterliste).
So unterschiedlich die Programme im Detail auch sind, so ähneln sich doch die Arbeitsabläufe: Vor der eigentlichen Berechnung muss die Raumgeometrie von einem CAD-Programm per DXF-, DWG-, oder IFC-Schnittstelle importiert, alternativ mit einem integrierten 3D-Editor dreidimensional konstruiert oder über die Eingabe von Raumparametern (Abmessungen, Nutzung etc.) definiert werden. Die meisten Lichtplanungsprogramme enthalten dazu einfache Werkzeuge, um für einen Raum Boden, Wände und Decke „nachzubauen“.
Um den Berechnungsaufwand gering zu halten, sollten die 3D-Modelle einfach konstruiert sein und etwa frei geformte Oberflächen vereinfacht darstellen. Das gilt auch für die Möblierung, die Definition von Materialeigenschaften und Materialoberflächen (opak, transparent, spiegelnd etc.). Hier besteht die Kunst darin, die Anforderungen an die Präzision und Authentizität des physikalischen Modells mit den durch die Rechnerkapazität auferlegten Beschränkungen in Einklang zu bringen.
Die Beleuchtungskörper werden als 3D-Symbol aus der Leuchten-Datenbank in die Zeichnung geladen und erhalten anschließend die gewünschten lichttechnischen Werte, wie Beleuchtungsstärke, Lichtstrom, Lichtfarbe etc. Alternativ besteht die Möglichkeit des Online-Downloads von Leuchten eines bestimmten Leuchten-Herstellers. Nahezu alle namhaften Hersteller bieten inzwischen entsprechende Plug-in-Software, mit deren Hilfe der Anwender online durch das Produktangebot navigieren und das passende Leuchtenmodell inklusive Produktfoto, technischer Zeichnung, kurzer Beschreibung und allen für die Lichtplanung wichtigen Leuchtendaten auswählen kann.
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Trotz mittlerweile hoher Prozessorleistung stellt die Lichtplanung besondere Anforderungen an die Hardware. Je höher die Bildauflösung des Ergebnisbildes sein soll, desto größer ist der Rechenaufwand. Befinden sich mehrere Beleuchtungskörper mit unterschiedlicher Abstrahl-Charakteristik im Raum, und sollen Oberflächentexturen von Decken-/Wandverkleidungen, Bodenbelägen oder Möbeln dargestellt werden, erhöht sich der Berechnungsaufwand entsprechend.
Anspruchsvolle Visualisierungen setzen daher leistungsfähige Rechner voraus. Die berechneten Bilder können als Datei gespeichert, auf Farbdruckern ausgegeben oder auf LCD-Flachbildschirmen als Standbild oder Animation wiedergegeben werden. Mit besonders schnellen Rechnern berechnete Bilder ermöglichen eine interaktive Simulation virtueller Räume (VR), was die Vermittlung unterschiedlicher Lichtlösungen im 3D-Raum noch authentischer macht.
Lichtplanung und BIM
Auch in der Lichtplanung ist die BIM-Planungsmethode (Building Information Modeling) inzwischen angekommen. Lichtplaner profitieren vor allem durch die Übernahme von dreidimensionalen BIM-Bauwerksdaten, sodass diese für Berechnungen und Visualisierungen nicht mehr neu eingegeben werden müssen. So können Gebäude- und Raumgeometrien, Raumbezeichnungen, Fenster und Türen, Oberflächen oder Leuchtenpositionen per IFC-, gbXML- oder STF-Schnittstelle vom Architekten oder Elektroplaner übernommen werden.
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Der Lichtplaner erarbeitet mit seinem Berechnungs- und Simulationsprogramm das Lichtkonzept, wählt Leuchten aus der BIM-Objektdatenbank mit allen lichttechnischen Daten und platziert diese in den Räumen. Nach Abschluss der Planung und Berechnung wird das Ergebnis an die CAD-Software zurückgegeben. Leuchten, deren Positionen, produkt- und lichttechnische Daten, Fotos, Grafiken, Texte und Berechnungsergebnisse können übernommen und vom Architekten oder Elektroplaner für Ausschreibungen weiterverarbeitet werden.
Viele Bauprodukt- und Leuchtenhersteller offerieren inzwischen parametrisierbare und konfigurierbare BIM-Objekte, inklusive allen Produktinformationen, wie den Abmessungen, verfügbaren Ausführungen, Ausstattungen und allen technischen Daten. Dadurch lassen sich weitere Rationalisierungspotenziale in der Lichtplanung ausschöpfen.
Zudem arbeiten Dial und Relux derzeit gemeinsam an der Entwicklung eines neuen, BIM-konformen Datenformats für Leuchten und Sensoren, dem Global Lighting Data Format (GLDF). Dieses Format wird unter anderem in den Lichtplanungsprogrammen Dialux und Relux zum Einsatz kommen. GLDF ist ein offenes, freies Format, das in der gesamten Beleuchtungsindustrie eingesetzt werden kann und auch Anforderungen von BIM-Planungsprozessen erfüllen soll.
Virtuelles Licht hat auch Schattenseiten
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So sehr der Fotorealismus mancher Computervisualisierungen begeistern kann – man sollte sich stets bewusst sein, dass jede Bildwiedergabe nur eine Abstraktion der Realität ist: Ein dreidimensionaler Raum erscheint in perspektivischer Projektion auf einer zweidimensionalen Fläche, der Betrachter blickt auf ein Abbild, während er sich in der Realität im Raum befindet.
Das Abbild ist zudem in der Regel wesentlich kleiner als der reale Raum und auch die Betrachtungsabstände sind kleiner. Hinzu kommt, dass Darstellungen auf dem Bildschirm selbst strahlen, während reale Oberflächen meist den Lichtstrom reflektieren.
Entscheidend sind aber insbesondere im Hinblick auf Tageslichtsimulationen die Leuchtdichten: Sie sind auf dem Bildschirm weitaus geringer, als in der Realität. Während bei realen Simulationen mit physikalischen Modellen und künstlichem Himmel Leuchtdichtenkontraste von 1 : 4000 den natürlichen Helligkeitsdifferenzen (bis zu 1 : 10 000) zumindest nahe kommen, schaffen gute PC-Monitore lediglich einen Leuchtdichtenkontrast von etwa 1 : 1000. Eine realistische Wiedergabe von Blendwirkungen, oder Relativblendungen ist damit nicht möglich.
Auch feine Farbnuancen in Innenräumen können mit der aktuellen Technik nicht vermittelt werden, ganz abgesehen von Raumqualitäten, wie Behaglichkeit, Atmosphäre oder Lichtstimmung. Licht muss physisch erlebt werden – es lässt sich weder beschreiben, noch kann es über audiovisuelle Medien oder Computersimulationen authentisch nachempfunden werden. Deshalb sollte man die Visualisierung natürlicher und künstlicher Beleuchtung richtig einordnen und die Einschränkungen kennen und benennen. Marian Behaneck
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Literatur, Quellen, Infos
[1] DIN EN 12464-1: Beleuchtung von Arbeitsstätten – Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen, 2021-11, Beuth, Berlin
[2] DGUV (Hrsg.): Natürliche und künstliche Beleuchtung von Arbeitsstätten, DGUV Information 215-210, Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung e.V., Berlin, 2016-09
[3] Verordnung über Arbeitsstätten (Arbeitsstättenverordnung) vom 12. August 2004 (BGBl. I S. 2179, zuletzt geändert durch Artikel 361 VO vom 19. Juni 2020
[4] Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (Hrsg.): Technische Regeln für Arbeitsstätten ASR A 3.4 Beleuchtung, Dortmund, April 2011
[5] Fördergemeinschaft Gutes Licht (Hrsg.): Licht.Wissen 05: Industrie und Handwerk, Eigenverlag, Frankfurt, 2007
[6] Weitere Informationen:
www.baunetzwissen.de Rubrik Tageslicht
www.erco.com Rubrik „Lichtplanung, Lichtwissen“
www.gldf.io GLDF-Infoseite
www.licht.de Lichtportal des ZVEI
www.lichtnet.de Lichtportal + Magazin
www.lichtsoftware.de Lichttechnik-Infos / Software
www.on-light.de Lichtportal
www.schorsch.com Software, Infos, Glossar
www.trilux.de Rubrik Innenraumbeleuchtung
Programme / Anbieter (Auswahl)
3DS Max www.autodesk.de
Daylight Visualizer www.velux.de
DIALux www.dialux.com
LightTools www.synopsys.com
Litestar 4D www.oxytech.it
Rayfront www.schorsch.com
Relux www.relux.com
TracePro, RayViz www.lambdares.com
