Tageslicht modellieren: Verglasungen für unterschiedliche Anforderungen

Die Tageslichtnutzung innerhalb von Gebäuden wird nur durch die Architektur und ihre Umgebung definiert – Tageslichtplanung ist Architekturplanung! Diese provokante Aussage lässt sich leicht begründen: Ein Raum ohne Fenster bleibt dunkel. Ein Erdgeschoss im Hochhausdickicht düster – ebenso wie die fassadenfernen Bereiche eines tiefen Geschosses. Oder die Hütte im dichten Wald, das Chalet in der Schlucht. Heißt das, wir können mit einer dezidierten Tageslichtplanung nichts bewirken? Die Dinge sind, wie sie sind? Natürlich nicht! Die Ansatzpunkte sind vielfältig, das Maß der Einflussnahme unterschiedlich.

Zunächst – und hier geht es dann doch wieder um die Architektur – kann in der Konzeptionsphase der Architekt hinsichtlich einer sinnvollen Kubatur und Anordnung von Tageslichtöffnungen, unter Berücksichtigung der städtebaulichen und topografischen, aber auch normativen und wirtschaftlichen Gegebenheiten, beraten werden. Der Einfluss auf das Tageslichtangebot im Innenraum ist so zweifelsfrei am größten – aber auch der Einfluss auf das Erscheinungsbild der Architektur.

Jedoch gibt es bei Weitem nicht für alle Projekte das Potential, nennenswert Einfluss auf die Architektur zu nehmen. Oft wird der Lichtplaner erst hinzugezogen, wenn Kubatur und Raumprogramm festgeschrieben sind, eine Vielzahl an Stakeholdern übergeordnete Ziele verfolgt oder wirtschaftliche Zwänge recht klare Rahmen setzen. Welche Einflussnahme bleibt dann? Ist die Hülle des Gebäudes erst definiert, dann sind die Eigenschaften der transparenten Flächen – Fenster und Oberlichter – maßgeblich für das Tageslichtangebot im Innenraum. Verdoppeln wir die Lichttransmission der Verglasung, so verdoppelt sich der Tageslichteintrag im Innenraum. Erhöhen wir den Reflexionsgrad der Raum­um­gebungsflächen, verbessern wir zwar die Tageslichtversorgung in der Raumtiefe, absolut gesehen bleibt der Einfluss aber eher gering.

Was zunächst einfach klingt, ist es nicht. Denn die Lichtmenge allein ist nur ein Aspekt, der bei der Tageslichtplanung beachtet werden muss. Weitere Kriterien sind beispielsweise Wärmeeintrag, Lichtverteilung und Kontrastverhältnis, Farbwiedergabe und -temperatur oder die Anpassung des Eintrags durch zusätzliche Verschattungs- und Verdunklungssysteme. Es liegt in der Natur der Sache, dass die Kriterien je nach Gebäudenutzung unterschiedliche Gewichtung und Zielsetzung haben. Im Folgenden wird die Bedeutung der Verglasung für den Innenraum und dessen Wahrnehmung an Hand einiger Beispiele erläutert.

Chancen und Risiken der Tageslichtnutzung

Die Potentiale des Tageslichts liegen, neben der Nutzung als kostenlose Energiequelle, in der emotional und physiologisch präferierten Wahrnehmung der Innenräume in dynamischem und natürlichem Licht. Helligkeit beziehungsweise Beleuchtungsstärke, Lichtverteilung und Vorzugsrichtung sowie Farbtemperatur verändern sich im Tages- und Jahresverlauf ständig. Dem Nutzer werden damit wechselnde Perspektiven und Wahrnehmungen geboten, der Bezug zur Außenwelt bleibt erhalten. Auch verfügt Tageslicht per se über ideale Farbwiedergabeeigenschaften: Menschen, Möbel, Objekte und Räume können also im bestmöglichen Licht erscheinen. Für nahezu alle Objekttypen, vom Flughafen über Büros bis hin zu Museen, hat sich diese Herangehensweise – die intensive, aber differenzierte Nutzung von Tageslicht – als Vorzugsvariante etabliert.

Dem stehen jedoch große Herausforderungen gegenüber, die in erster Linie in der hohen Intensität, die insbesondere das direkte Sonnenlicht vorzuweisen hat, begründet sind. Im Fokus stehen dabei hohe Kontraste und Beleuchtungsstärken, die sich aus besonnten und nicht besonnten Zonen oder bei wechselhaftem Himmel ergeben. Zudem hat der massive Wärmeeintrag bei direkter Sonne entsprechende Konsequenzen für die Klimatisierung bzw. Aufenthaltsqualität des Innenraums.

Typischerweise werden diese Aspekte durch eine Kombination von Verschattungssystem und Verglasung adressiert. Die Verschattung wird zumeist durch Behang- oder Lamellensysteme sichergestellt, die dynamisch an die Tageslichtsituation angepasst werden oder als starres System wirksam sind. Im Fokus soll hier aber die Verglasung stehen, ist ihr Einfluss nach Einbau doch
omnipräsent und lässt sich nur durch einen teuren Austausch anpassen.

Modellierung des Kontrasts

Eine klare Verglasung hat keinen spürbaren Einfluss auf die Lichtverteilung im Innenraum. Das Licht wird ohne Streuung transmittiert, was bei entsprechendem Wetter und Sonnenstand zu besonnten und nicht besonnten Bereichen sowie zur Bildung von Schlagschatten führt. Die resultierenden, extrem hohen Kontraste erschweren die Wahrnehmung für den Nutzer massiv. Das Auge muss die unterschiedlichen Lichtverhältnisse adaptieren, was mitunter etliche Minuten dauert. In dieser Phase ist unsere Wahrnehmung eingeschränkt, was auch das Farbsehen und die Erkennbarkeit von Details in dunklen Umgebungen beeinflusst – genau das Gegenteil von dem, was wir von einer guten und ausgewogenen Beleuchtung erwarten. Daneben kann der Raum durch Licht und Schatten in Segmente zerfallen, Aufmerksamkeit falsch gelenkt und von der eigentlichen Sehaufgabe abgelenkt werden. Andererseits ermöglicht nur die klare Verglasung einen transparenten Blickbezug nach Außen – eben das, was wir von einem Fens-ter, aber in der Regel nicht von einem Oberlicht erwarten. Wir müssen bezüglich der Verglasungseigenschaften, also zwischen diesen beiden Tageslichtöffnungen, Fenster und Oberlicht, unterscheiden.

Oberlichtverglasung

Oberlichter spielen insbesondere bei Museen eine zentrale Rolle, denn sie ermöglichen eine natürliche Belichtung der vielfach fensterlosen Ausstellungssäle. Die Oberlichter sind direkt einsehbar oder durch eine darunterliegende Lichtdecke verdeckt. Die gängigste Oberlichtlösung sind Verglasungen mit diffus transmittierenden PVB-Folien oder Geweben im Glasverbund. Direkte Schlagschatten in der Ausstellung oder auch auf der Lichtdecke werden damit vermieden, das parallele Sonnenlicht aufgeweicht und Kontrast und Beleuchtungsstärke massiv reduziert. Durch Art und Anzahl der Folien oder einer zusätzlichen Bedruckung lässt sich das Maß der Streuung kontrollieren. Dabei gilt, dass je stärker die Streuung, desto weißer erscheint die Verglasung und geringer ist die Lichttransmission. In Abb. 3 ist exemplarisch die Leuchtdichte­indikatrix für zwei unterschiedliche Verglasun-gen abgebildet. Die keulenförmige Verteilung zeugt von einem höheren Direktanteil als die eher runde Verteilung. Bei ersterer würde sich ein Dachtragwerk in wenigen Metern Entfernung noch schemenhaft erkennen lassen, bei der anderen ist davon nicht mehr auszugehen – allerdings auf Kosten einer deutlich geringeren Lichttransmission von nur 40 % gegenüber 51 % (relativ -20 %). Das klare Basisglas hätte als Sonnenschutz eine Lichttransmission von knapp 70 %, die Reduzierung durch die Streuung ist also in jedem Fall erheblich. Welche Streuung im konkreten Fall die passende ist, hängt vom gewünschten Innenraumkonzept, der Oberlichtkonstruktion und den spezifischen Anforderungen an das Tageslicht ab. Ein klarer Blick nach Außen ist aber in keinem Falle möglich, je nach Streuung noch ein schemenhafter.

Als Alternative zur Reduzierung des Kontrasts kommen Verglasungen in Frage, die durch einen im Scheibenzwischenraum eingebrachten Layer das direkte Sonnenlicht reflektieren und nur diffuses Himmelslicht transmittieren. Damit wird die Intensität des direkten Sonnenlichtes – die etwa 5 mal höher ist als die des restlichen Himmels – ausgeblendet. Auch bei wechselhaftem Himmel mit ziehenden Wolken entstehen so viel geringere Helligkeitsschwankungen im Innenraum als bei einer klaren oder diffusen Verglasung. Das Prinzip basiert auf Waben, die geneigt angeordnet sind und in die nördliche Himmelshemisphäre ‚schauen‘. Durch die Ausblendung der Sonne liegt der Gesamt­energiedurchlassgrad g (die Summe aus direkter Strahlungstransmission und sekun-därer Wärmeabgabe durch Absorption) unter 10 % – ein nahezu idealer Wert – bei einer oft noch angemessenen, diffusen Lichttransmission um 20 %. Im Gegensatz zur diffusen Verglasung ist auch ein direkter Ausblick durch die Waben möglich, jedoch nur in den nördlichen Himmelsraum, alle anderen Blickrichtungen sind verstellt. Geometrisch unterliegt das System jedoch signifikanten Einschränkungen, da die Waben nur begrenzt geneigt werden können. So scheidet es bei geneigten Dächer oft aus, ebenso, wenn der Sonnenstand zum Äquator hin immer höher wird.

Reduzierung des Wärmeeintrages

Die Solarstrahlung bringt nicht nur sichtbares Licht, sondern auch energiereiche ultraviolette Strahlung (UV) und langwellige, energieärmere infrarote Strahlung (IR). Zwar hat Licht mit knapp 50 % den größten Anteil, die Wärmestrahlung steht dem aber kaum nach. Holen wir uns also Tageslicht ins Haus, dann auch Wärme – und hätte unsere Verglasung keine Sonnen- oder Wärmeschutzeigenschaften, dann beides quasi in gleichen Anteilen. Im Winter ist dies erwünscht, im Sommer nicht. Das photometrische Strahlungsäquivalent von Tageslicht, also der Anteil Lichtstrom pro Watt Solarstrahlung, liegt zwischen 100 lm/W und 140 lm/W. Damit ist das Tageslicht vergleichbar zu hochwertigen LEDs, weist im Gegensatz zu denen allerdings eine perfekte Farbwiedergabe auf – ein für Wohnräume und insbesondere Museen entscheidendes Kriterium. Nun könnte argumentiert werden, dass die Beleuchtung mit dem kostenlosen Tageslicht bei gleicher Helligkeit die gleiche Wärme im Innenraum freisetzt wie bei einer Beleuchtung mit LED. Also Alles gar kein Problem? Aber doch! Die Beleuchtung mit Kunstlicht ermöglicht eine differenzierte und objektorientierte Beleuchtung, Streulicht in ungewünschte Richtungen kann weitgehend vermieden werden. Bei unseren klassischen Fenstern oder Oberlichtern geht das leider nicht, gezielte Umlenkmaßnahmen sind kompliziert, teuer und wartungsintensiv. Wir ernten demnach viel Tageslicht und einen guten Teil davon können wir gar nicht nutzen, die hohe Effizienz wird zunichte gemacht.

Beschichtungen für Fenster und Oberlichter

Die Lösung sind Wärme- oder Sonnenschutzbeschichtungen, welche die langwellige IR-Strahlung reflektieren und erst gar nicht in den Innenraum transmittieren. Die Wirksamkeit dieser auf Edelmetallen basierenden Beschichtungen sind enorm. Beträgt der g-Wert einer unbeschichteten Doppelverglasung gut 75 % bei einer Lichttransmission von über 80 %, so erreichen Wärmeschutzverglasungen einen g-Wert von gut 50 % bei einer Lichttransmission um die 70 % und Sonnenschutzverglasungen sogar einen g-Wert um die 30 % bei einer Lichttransmission von etwa 60 %. Der Energieeintrag kann bei einer hochwertigen Verglasung demnach über 60 % reduziert werden, der Lichteintrag verringert sich jedoch nur um gut 25 %. Unser Tageslicht im Innenraum weist nun ein Strahlungsäquivalent von etwa 250 lm/W auf – das Doppelte von LEDs!

Leider hat diese Technologie auch eine Schattenseite, die insbesondere in Museen eine große Rolle spielt. Spielt die Farbwiedergabe im kommerziellen Büro- und Verwaltungsbau eher eine untergeordnete Rolle – hier ist eine hohe Lichttransmission aus normativen und ergonomischen Aspekten höher zu bewerten – ist sie im Museums- und hochwertigen Wohnbau ein entscheidendes Kriterium. Und darauf haben die Beschichtungen einen maßgeblichen Einfluss, denn die Undurchlässigkeit für IR-Strahlung wirkt auch auf das sichtbare Rot. Je nach Beschichtung unterschiedlich stark, aber in jedem Fall signifikant.

Zur Bewertung der Farbechtheit von Licht werden 14 Testfarben in der DIN 6169 definiert. Die Farben 1 bis 8 werden zum allgemeinen Farbwiedergabeindex R_a zusammengefasst, der üblicherweise als Referenzwert für Lichtquellen und Verglasungen angegeben wird. Für Tageslicht liegt R_a bei 100, Temperaturstrahler (Glüh- und Halogenlampen) können diesen auch erreichen, LEDs kommen auf über 95. Die Reduzierung von R_a auf die Testfarben 1 bis 8 war seinerzeit einer geschickten Lobbyarbeit der Industrie zu verdanken, denn Leuchtstofflampen haben ab der Testfarbe 9 schlecht abgeschnit-ten – ebenso wie viele Beschichtungstypen heute.

In der Konsequenz bedeutet dies, dass die vorher exemplarisch aufgeführten Wärme- und Sonnenschutzverglasungen zwar einen R_a um 95 erreichen, beispielsweise der R9-Wert für die WSV aber nur bei etwa 80 und für die SSV sogar nur bei gut 60 liegt. Farbabweichungen sind dann deutlich sichtbar, was sich auch in der relativen, spektralen Transmission von zwei Glasmustern ablesen lässt. Insbesondere bei einer Sonnenschutzverglasung erkaufen wir uns also Effizienz für Qualität. Ein Balanceakt, der im Vorfeld gut bewertet und abgewogen werden will.

Glas als Gestaltungselement

Eine transparente Verglasung hat die Eigenschaft, visuell zu verschwinden. Technisch kann die Reflexion auf der Glasoberfläche auf unter 0,1 % reduziert werden. Damit wird sie quasi unsichtbar, die Erfahrung für Besucher mitunter schmerzhaft – wie sich auch in der neuen Apple Zentrale in Cupertino zeigt.

Ein anderer Umgang ist das bewusste Sichtbarmachen der Verglasung durch farbige Folien. Hier wird das Glas ganz bewusst zur Modellierung des Innenraums eingesetzt, zur Schaffung von Atmosphäre und Emotion. Verbietet sich so etwas für Wohn- und Bürobauten mit dauerhaftem Aufenthalt, ist es ein mögliches Mittel für Bauvorhaben, die durch ihre Attraktivität temporär Besucher anziehen sollen. Ein schönes Beispiel sind die Hallen am Borsigturm, eine Retail Mall unter dem Management der ECE. Um den Tageslichteintrag zu optimieren – was in diesem Fall Reduzierung bedeutete – haben wir in Zusammenarbeit mit dem Licht Team der ECE ein Farbkonzept entwickelt, dass den industriellen Charakter des denkmalgeschützten Bauwerkes unterstützt und den Innenraum bei Sonne in einmaliger Weise inszeniert. Ist das Basisglas geeignet, können Farbfolien mit vergleichsweise geringem Aufwand nachträglich aufgebracht und entfernt werden und den Innenraum in neuem und ungewohntem Licht erscheinen lassen.

Weiße Folien im laminierten Glas können jedoch auch noch einen ganz anderen Nutzen haben. Das Museum für Moderne und Zeitgenössische Kunst in Bozen, Italien, ist so ein Beispiel. Ziel war bereits im Wettbewerbsbeitrag 1999 die visuell-mediale Bespielung der Ost- und Westfassade des Hauses, ohne dass dies am Tage ablesbar sein sollte. LED Technologie war zu dieser Zeit noch kein Thema, schon gar nicht die Integration in das Verbundglas. Zudem standen einerseits die Qualität der projizierten Bilder, sichtbar von außen, wie auch die Tageslichtqualität im Museum, sichtbar von innen, im Fokus. Die komplexe Fassade besteht aus drei Layern – einer Prallscheibe gegen Wind und Wasser außen sowie der Wärme- und Gebäudehülle innen. Dazwischen sind wendbare, rahmenlose Glaslamellen angeordnet, die horizontal eine fast freie Sicht nach Außen ermöglichen. Im vertikal geschlossenen Zustand dienen sie als Rückprojektionsebene für die 2 x 16 Videoprojektoren, die im Innenraum an den vier Geschossdecken montiert sind.

In der Summe aller Ebenen ergibt sich ein Glasaufbau von über 60 mm. Ein Einfluss auf die Farbwiedergabe, sowohl nach außen wie auch innen, war unvermeidbar. Vielmehr ging es darum, diesen zu minimieren; aber auch Energieeintrag, Lichttransmission und – entscheidend für die mediale Bespielung – die Streuung entsprechend der jeweiligen Zielsetzung zu optimieren. Nach vielen Versuchen und Simulationen fiel die Wahl auf eine eisenoxidarme Verglasung für die äußere Verglasung und die Lamellen, sowie eine Wärmeschutzverglasung für die innerste Ebene. Das Resultat ist eine quasi ideale Farbwiedergabe, die Möglichkeit der Tageslichtlenkung und dessen Reduzierung im Innenraum sowie die perfekte Darstellung visueller Inhalte auf der Fassade – ohne sichtbaren Hotspot der Lichtquelle oder Farbverschiebung.