Tageslichtplanung bei öffentlichen und gewerblichen Gebäuden

Sonnenstrahlen: Ihre biologische Wirkung und unvergleichliches Licht sind für uns so wichtig wie Essen, Trinken und Schlafen. Da wir heute etwa 90 % unserer Zeit drinnen verbringen, hat die Versorgung von Innenräumen mit Tageslicht eine große Bedeutung bei der Planung von Bauprojekten. Vor allem öffentliche und gewerblich genutzte Gebäude, wie Büros oder Produktionsstätten, haben besondere Ansprüche und sehr spezifische Anforderungen an Architektur und die damit verknüpfte Lichtversorgung. Bei der Tageslichtplanung gibt es diverse Faktoren, die man beachten sollte, um ein sinnvolles und ganzheitliches Konzept zu erstellen. Verschiedene Hilfsmittel und Instrumente können den Planungsprozess erleichtern.

Der zentrale Aspekt, warum Tageslicht vor allem in gewerblichen Gebäuden intensiv genutzt werden sollte, ist wortwörtlich augenscheinlich: Sonnenlicht schafft Helligkeit – und dadurch eine wesentliche Bedingung, damit die Nutzer ihre Arbeit ausführen können. Dies ist alleine schon wirtschaftlich sinnvoll: In der Regel steht Tageslicht dann zur Verfügung, wenn es gebraucht wird – nämlich tagsüber – und das kostenlos. Daher wird die Verfügbarkeit von Tageslicht in Nachhaltigkeitszertifizierungen positiv bewertet. So hat der Einsatz der Velux Modular Skylights einen wichtigen Faktor zur LEED-Zertifizierung der Siemens-Zentrale in Kopenhagen beigetragen: Dank Simulationstools konnte nachgewiesen werden, dass das Glasdach mit viel Tageslicht, Sonnenschutz und natürlicher Lüftung positiv auf die Aspekte des Zertifizierungsstandards einwirkt.

Tageslicht ist aber deutlich mehr als nur ein Helligkeitslieferant: Eine ausreichende Versorgung mit Tageslicht ist besonders wichtig für den menschlichen Körper. Auch außerhalb des sichtbaren Bereichs hat es eine extrem positive Wirkung auf das Wohlbefinden und die Leistungsfähigkeit des Menschen. Neben der Ausschüttung des „Glücks“-Hormons Serotonin werden über die Aufnahme von Tageslicht beispielsweise andere Hormone gesteuert, die für Wachheit und Konzentration sorgen. Studien zeigen, dass die Produktivität in Büroräumen durch ausreichendes Tageslicht um bis zu 15 % steigt. Aufgrund der Einzigartigkeit des Tageslichts bezüglich Intensität, Farbspektrum und Richtung kann diese Wirkung durch Kunstlicht keinesfalls ersetzt werden.

Vorgaben zum Tageslicht

Die gesetzlichen Vorgaben zur Tageslichtversorgung werden der Wichtigkeit des Themas nicht gerecht.

Die Landesbauordnungen sehen je nach Bundesland als Mindestanforderung Rohbaufensterflächen von 10 − 12,5 % der Grundfläche eines Raumes vor. In der Regel reicht das jedoch bei weitem nicht aus, um einen Innenraum quantitativ und qualitativ hinreichend mit Tageslicht zu versorgen.

Die Arbeitsstättenrichtlinien machen Vorgaben zu den Beleuchtungsstärken in Innenräumen: Für Büroarbeitsplätze werden beispielsweise je nach Art der Arbeit und Art des Raums auf der Arbeitsfläche zwischen 300 lx für „einfache Arbeiten“, 500 lx für all­gemeine Arbeiten und Computerarbeit sowie 1 000 lx für Zeichenarbeiten empfohlen.

Die DIN 5034 empfiehlt außerdem, dass die Fensterbreite 55 % der Raumbreite betragen soll. Weiterhin soll an zwei Punkten in der halben Raumtiefe mit je 1 m Abstand
von den Seitenwänden ein Tageslichtquotient von mindestens 0,75 % vorhanden sein. Im Durchschnitt müssen beide Punkte mindes-tens 0,9 % aufweisen.

Tageslichtberechnungen oder Lichtkonzepte sind trotz der hohen Relevanz des Themas jedoch kein Teil von Baugenehmigungsverfahren. Somit liegt es in erster Linie an den Architekten und Planern, das Thema im Sinne der späteren Nutzer zu integrieren – nur so kann auch in öffentlichen und gewerblichen Räumen schließlich eine produktive, angenehme und gesunde Versorgung mit ausreichend Tageslicht sichergestellt werden.

Eine komplexe Aufgabe

Die Planung beginnt schon bei den Rahmenbedingungen. Eine Herausforderung bei der Tageslichtplanung ist vor allem der ständig wechselnde Charakter des Lichts infolge veränderlicher Wetterlagen, Jahres- und Tageszeiten. Wieviel Tageslicht zur Verfügung steht, hängt von zahlreichen Rahmenbedingungen wie dem Breitengrad des Standorts, der Ausrichtung eines Gebäudes und vielen weiteren Punkten ab. Auch die Positionierung und Umgebung beeinflusst die Planung: Umstehende Gebäude, Bäume oder Sträucher können den Lichteinfall deutlich beeinflussen. Pflanzen haben dazu noch einen besonderen Status, wenn sie ihr Laub verlieren: Im Sommer verschaffen Blätter Sonnenschutz, im Winter lassen die kahlen Zweige das wenige Tageslicht ungehindert in das Gebäude.

Außerdem wird die Planung von Tageslicht stark von seinem Einsatzzweck bestimmt: Dient das Licht der Helligkeit an einem Arbeitsplatz oder der Inszenierung des Raums? Gibt es bestimmte Anforderungen,  z. B. zum Schutz vor Sonnen- und UV-Strahlung?  Tageslichtplanung gestaltet sich als sehr komplexe Aufgabe, die aber gleichzeitig eine hohe Bedeutung für die Akzeptanz und Nutzbarkeit eines Gebäudes genießt.

Teil der integralen Gebäudeplanung

Aufgrund der Komplexität und hohen Bedeutung des Themas ist es ratsam, die Lichtplanung bereits in den frühen Phasen eines
Projekts einzubinden. Wünsche und Entscheidungen zur Lichtverteilung müssen innerhalb des architektonischen Konzepts berücksichtigt werden. Mit der ganzheitlichen Einbindung im Rahmen einer integralen Gebäudeplanung erreicht man letztendlich die besten Ergebnisse in allen Bereichen.

Ein Beispiel für eine sehr präsente Inte­gration der Tageslichtplanung in die gesamte Objektplanung gibt das Green Solution House auf der Insel Bornholm. Das Team verfolgte das Ziel, einen Großteil der Räume intensiv von Tageslicht durchfluten zu lassen. Die Planung von Licht und Fensterflächen spielte daher schon von Beginn an eine zentrale
Rolle. Heute wird das Ergebnis den Besuchern bereits beim Eintreten ins Foyer klar: Nach dem Durchschreiten der Eingangstüren scheint sich das Gebäude nach oben hin zu öffnen. Ein gefaltetes Glasdach aus vier Sattellichtbändern sorgt für eine helle und einladende Atmosphäre im zentralen Empfangsbereich des modernisierten Hotels.

Auch die Hotelzimmer und Flure wurden in die Tageslichtplanung miteinbezogen. Flachdach-Fenster und Tageslicht-Spots sorgen für zusätzliches Licht von oben und
tragen gleichzeitig dazu bei, Energie einzusparen. Zudem wurden die Balkone der Hotelzimmer mit neuen Glasbrüstungen versehen und so die Tageslichtverhältnisse in den Räumen zusätzlich optimiert. Die Lichtplanung bezog auch die Präsentationstechnik mit ein: Anstelle herkömmlicher Projektoren machen LED-Monitore eine Verdunklung des Raums überflüssig.

Fensterflächen und Sonnenschutz

Fenstern kommen als transparenten Bauteilen eines Gebäudes die größte Bedeutung bei der Tageslichtversorgung eines Raums zu. Die Position und Proportion von Fenstern sind dabei oftmals wichtiger als die Größe der Fensterfläche. Geneigte oder horizontale Fenster z. B. haben durch die günstige Neigung in Richtung Himmel ca. die doppelte Lichtausbeute wie senkrechte Fenster der gleichen Größe.

Die Firmenzentrale des Logistikspezia-

listen DSV in Hedehusene zeigt beispielsweise, wie man mit großflächigen Dachfensterlösungen Tageslicht auch in tiefen Gebäuden möglichst gut nutzen kann: Neben großen Fensterfronten an den äußeren Fassaden wurde das Gebäude mit einem rund 900 m² großen Innenhof konzipiert. Das Glasdach sorgt nicht nur für ein lichtdurchflutetes Atrium mit wechselnden Tageslichtsituationen, sondern versorgt auch die innenliegenden Büros mit Sonnenlicht.

Gerade bei solch großen Fensterflächen ist die Planung von Sonnen-, Wärme- und Blendschutz wichtig. Innenliegende, witterungsgeschützte und leicht bedienbare Rollos und Jalousien eignen sich dazu, den Tageslichteinfall in einem Raum zu regulieren und somit die Blendwirkung zu reduzieren. Zudem lässt sich das Licht auch mit Hilfe von Jalousien in den Raum lenken.

Als Hitzeschutz sind aber vor allem außenliegende Sonnenschutzsysteme, wie Markisen, Lamellen, Fensterläden oder Sonnensegel sinnvoll. Auch bestimmte Verglasungen und UV-Folien dienen diesem Zweck. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen feststehenden und beweglichen Sonnenschutzvorrichtungen. Letztere können bei Bedarf abhängig von Tages- und Jahreszeit gesteuert werden und sind dadurch flexibler. Wichtig ist, dass der Innenraum trotzdem mit ausreichend Tageslicht versorgt wird.

Weitere Einflüsse auf die Lichtverteilung

Auch Aspekte im Inneren spielen eine wichtige Rolle. Das Tageslicht wird nach Eintritt durch das Fenster durch Böden, Wände und Decken mehrfach weiter reflektiert. Diese
Reflektionen sind abhängig von Farbe und Struktur der Oberflächen. Während dunkle Oberflächen nur ca. 30 % des Lichts reflektieren, ist der Anteil bei hellen Oberflächen mit ca. 70 % deutlich höher, so dass das Licht im Raum weitergeleitet wird. Je rauer eine Oberfläche ist, desto ungerichteter erfolgen die Reflektionen, was zu einer geringeren, aber weichen Lichtverteilung im Raum führt. Die unterschiedlichen Stellschrauben an Fenstern und Innenraum werden bei der Planung des Kunstmuseums Maximum in Palling deutlich. Um die Lichtausbeute zu optimieren, Schlagschatten zu vermeiden und durch den Verzicht auf Fassadenfenster die Wandfläche für die Präsentation der Kunstwerke zu maximieren, wurde das Museum ausschließlich über das Dach belichtet.

Die weißen Wände und Decken, der helle Parkettboden und der freigelegte, hölzerne Dachstuhl schaffen eine zurückhaltende Grundfläche für die Werke der Künstler. Die beschichtete 3-Scheiben-Isolierverglasung weist neben hervorragenden U-Werten deutlich geminderte τV-, τUV- und g-Werte auf: Der niedrige g-Wert gewährleistet den sommerlichen Hitzeschutz. Der niedrige τUV-Wert senkt die eingehende UV-Strahlung und schützt damit auch die Kunstwerke vor schädigenden Alterungsprozessen.

Kunstlicht als wichtige Ergänzung

Zu bestimmten Jahres- und Tageszeiten reicht das Tageslicht jedoch nicht aus, um die Innenräume ausreichend zu belichten. Mit „Tageslichtautonomie“ wird der Anteil der Betriebszeit beschrieben, in dem keine Verwendung von Kunstlicht nötig ist. Ein Wert von ca. 75 % ist hier bereits ein Optimum. Das zeigt aber auch, wie wichtig die parallele Planung von Tageslicht und Kunstlicht ist: Prinzipiell wächst die Bedeutung von Kunstlicht mit steigendem Abstand zu den Fensterflächen. Zielführender und nachhaltiger als die klassische, gleichmäßige Rasterbeleuchtung ist daher ein flexibler, im Optimalfall bedarfsgerechter Einsatz von Kunstlicht, der sich an den jeweiligen Lichtbedarf anpassen lässt bzw. sogar automatisch anpasst.

Messen und Bewerten von Tageslicht

Es gibt verschiedene physikalische Kennwerte, die zur Bewertung der Lichtmenge und -verteilung simuliert und gemessen werden können und damit je nach Anforderung an die untersuchten Räume in den Entscheidungsprozess einbezogen werden:

– Die Beleuchtungsstärke (Illuminanz) benennt den Lichtstrom pro Flächeneinheit, der auf eine Oberfläche trifft. Sie wird in Lux (lm/m²) angegeben. Ein sonniger Himmel im Sommer kommt auf 100 000 Lux, ein bedeckter Himmel auf etwa 5 000 − 10 000 Lux. Für Arbeitsplätze sind wenige Hundert Lux vorgeschrieben.

– Der Tageslichtquotient oder -faktor beschreibt, wie groß die Beleuchtungsstärke an einem Punkt im Raum im Verhältnis
zur Beleuchtungsstärke draußen bei bedecktem Himmel ist. Er ist der meist genutzte und anerkannte Indikator zur Bestimmung des Tageslichts in Räumen. So gilt beispielsweise ein Raum mit einem Tageslichtquotienten von durchschnittlich 2 % zwar als ausreichend belichtet, muss aber für bestimmte Tätigkeiten zusätzlich mit Kunstlicht angereichert werden. Ein Raum mit über 5 % ist dagegen intensiv von Tageslicht durchflutet.

– Die Luminanz oder Leuchtdichte misst die von einer Fläche reflektierte Lichtmenge. Sie wird in cd/m² angegeben. Die Leuchtdichte beschreibt den Eindruck von Licht, den das Auge hat. Sie ist abhängig von der Beleuchtungsstärke und den Oberflächeneigenschaften der reflektierenden Oberflächen und kann Aussagen z. B. über das Blendrisiko treffen. Wünschenswert sind gute Sichtverhältnisse und eine gewisse Gleichmäßigkeit der Lichtstreuung auf der Arbeitsfläche – zu hohe oder zu geringe Kontraste verursachen Müdigkeit, Kopfschmerzen und Unbehagen.

Instrumente zur Tageslichtplanung

Auf Basis dieser Faktoren und Berechnungsmöglichkeiten stehen für die konkrete Lichtplanung von Gebäuden und Räumen verschiedene Vorgehensweisen zur Verfügung. Neben rechnerischen und grafischen Verfahren bieten sich für eine besonders haptische Darstellung des Gebäude- und Lichtkonzepts Modelle an. Damit lässt sich die Wirkung des Tageslichts zwar weniger wissenschaftlich, aber besonders realitätsnah darstellen.

Geeignet sind diese Instrumente vor allem, um Bauherren von Entwürfen zu überzeugen und ihnen Entwurfsvarianten, Konzepte und ggf. Problemstellungen begreiflich zu machen. Als meist genutztes Tool greifen Planer auf Computerprogramme zur Simulation zurück. Der Daylight Visualizer von Velux beispielsweise kann Tageslichtsituationen
innerhalb von Gebäuden analysieren und visualisieren. Mit einer Importfunktion von 3D-Modellen kann es den Einfluss von Dach- und Fassadenfenstern sowie von Innenraumoberflächen und Möbeln auf die Lichtverhältnisse im Gebäude simulieren und die drei oben genannten Messwerte berechnen. Zudem lassen sich die unterschiedlichen Lichtverhältnisse im Tagesverlauf simulieren und in einer Animation auch der Verlauf eines gesamten Jahres darstellen. So kann der Architekt den Bauherren einen realistischen Eindruck von den zu erwartenden Lichtsituationen im Gebäude vermitteln und bei Bedarf die Positionierung oder die Größe von Fenstern in Fassade und Dach optimieren.

Die Ingenieure von teamgmi nutzten solche Simulationen z. B bei der Planung einer Sporthalle für die Vorarlberger Gemeinden Klaus, Weiler und Fraxern. Bei dem Projekt vom Architekturbüro Dietrich | Untertrifaller Architekten sollte das Tageslicht nicht nur möglichst effektiv genutzt und gleichmäßig verteilt, sondern direkter Sonneneinfall auf das Spielfeld und Blendung der Nutzer der Halle verhindert werden. Als Ergebnis versorgen heute insgesamt 56 Velux Flachdach-Fenster die Doppelturnhalle mit viel natürlichem Licht und fördern zugleich die Leistungsfähigkeit der Kinder. Der Clou ist dabei die Lichtführung über die in der Neigung unterschiedlich ausgeführten, pyramidenförmigen Laibungen.

Das Projekt ist ein gutes Beispiel für die optimale Lichtplanung in einem öffentlichen Gebäude: Durch das gute Zusammenspiel von Architekten und Fachplanern, die frühe Einbindung der Tageslichtplanung, die Berücksichtigung von Rahmenbedingungen und besonderen Anforderungen sowie den Einsatz von aktuellen Hilfsmitteln wurde ein neues Bildungszentrum geschaffen, das Maßstäbe hinsichtlich Tageslichtergonomie und Ökologie setzt. Ein Beleg hierfür ist die Auszeichnung mit dem Vorarlberger Holz­baupreis 2015 in der Kategorie öffentliche Bauten.