Human Centric Lighting (HCL) in Büro und Industrie – darauf sollte man achten

| Autor / Redakteur: Dieter Lang * / Hendrik Härter

Der Mensch im Mittelpunkt: Bei Human Centric Lighting (HCL) in Büro und Industrie unterstützen intelligent gesteuerte LED-Beleuchtung den Menschen nicht nur visuell, sondern auch biologisch.
Der Mensch im Mittelpunkt: Bei Human Centric Lighting (HCL) in Büro und Industrie unterstützen intelligent gesteuerte LED-Beleuchtung den Menschen nicht nur visuell, sondern auch biologisch. (Bild: beerphotographer – stock.adobe.com)

Bei Human Centric Lighting (HCL) steht der Mensch bei der künstlichen Beleuchtung im Mittelpunkt. Ziel ist es, ein möglichst natürliches Lichtumfeld zu bieten, das dem Tagesverlauf folgt.

Viele Menschen aus Industrie und Dienstleistung verbringen rund 90% ihrer Zeit in Innenräumen. Allerdings konterkariert diese vergleichsweise junge Entwicklung bestimmte über Jahrmillionen entwickelte biologische Prozesse im menschlichen Körper. Fundierte wissenschaftliche Studien der letzten zwei Jahrzehnte haben klar erwiesen, dass das Auge nicht nur dem Sehen dient. Es enthält auch Lichtrezeptoren, die wichtige biologische Prozesse anstoßen. Helles Licht am Tag mit hohem Blauanteil am Morgen und über den Tag, sowie weniger intensives, gelblich-rötliches Licht am Abend sind für den Organismus notwendig. Bei künstlicher Beleuchtung ist die biologische Wirkung am Tag zu gering und in der Nacht zu stark.

Eine klug gesteuerte LED-Beleuchtung kann Menschen nicht nur visuell, sondern auch biologisch wirksam unterstützen. Ähnlich wie angemessene Ernährung und Bewegung kann das richtige Licht zur richtigen Zeit dabei helfen, gesund und leistungsfähig zu bleiben.

Die Grundprinzipien der HCL-Beleuchtung

Biologisch am stärksten wirkt großflächiges Licht von oben, das den von der Sonne erhellten blauen Himmel imitiert. Zum Start in den Tag bis zur Mittagszeit sowie nach der Mittagspause sollte daher helles, kaltweißes Licht mit hohem Blauanteil mit 6500 K bei einer Beleuchtungsstärke von 300 lx am Auge verwendet werden. Hierfür bietet sich indirektes Licht an, das sowohl Decken als auch Wände miteinbezieht. Je mehr Tageslicht desto besser.

Zum Abend hin gilt es auf warmweißes, direktes Licht ohne Blauanteile mit 2700 bis 3000 K umzustellen, das unserem Körper erlaubt, sich zu entspannen und auf die Nacht vorzubereiten. In technischer Hinsicht beginnt die Konzeption der HCL-fähigen Leuchten mit der Auswahl und Spezifikation der LEDs. Hierbei muss die erforderliche Spektralverteilung des Lichts auch in Hinsicht auf die biologisch wirksamen Anteile des Spektrums bewertet werden. Neben Faktoren wie der Energieeffizienz müssen Zielwerte und Toleranzen bei der Lichtfarbe und deren Veränderung festgelegt werden, damit am Ende alle Leuchten den gleichen Farbeindruck liefern.

Für eine hohe Lichtqualität benötigen die Leuchten zudem geeignete Treiber. Die Entwickler wählen eine Betriebsart, meist mit Gleichstrom oder Pulsweitenmodulation, damit kein Flickern und keine stroboskopischen Effekte auftreten. Außerdem muss das Licht der LED mithilfe von Optiken wie Mikrolinsen oder Prismen gut und blendfrei verteilt werden. Für die HCL-Lichtplanung ist es außerdem wichtig zu verstehen, wie die einzelnen Parameter wie Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur zusammenspielen. So kann eine sehr helle warmweiße Lichtfarbe die gleiche aktivierende Wirkung haben wie ein kaltweißes Licht mit geringer Beleuchtungsstärke. Bei Farbtemperaturen zwischen 2700 und 6500 K steigt die biologische Wirkung mit zunehmender Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke nahezu linear an. Verdoppelt sich die Farbtemperatur bringt das ungefähr die gleiche biologische Wirkungssteigerung wie eine Verdoppelung der Helligkeit am Auge.

Generelle Anforderungen für Industrie- und Büroarbeitsplätze

Eine Beleuchtungsanlage für die Industrie wie auch im Büro muss verschiedene Normen und Richtlinien erfüllen, insbesondere die Anforderungen des Arbeitsschutzes. Zentral ist unter anderem ein weitgehend blendfreies Licht bei der Bildschirmarbeit, für Büroanwendungen ist beispielsweise eine Entblendung mit einem Unified Glare Rating (UGR) ≤19 vorgeschrieben. Ebenso wichtig sind eine gleichmäßige Lichtverteilung und eine ausreichende Beleuchtungsstärke. Stand heute sind Beleuchtungslösungen im Arbeitsbereich unabhängig vom Tätigkeitsfeld noch fast ausschließlich darauf ausgerichtet, gutes Sehen zu ermöglichen.

Die biologische Lichtwirkung wird nur selten berücksichtigt. Derzeit entählt beispielsweise die technische Regel für Arbeitsstätten nur die Forderung nach gewissen Mindestbeleuchtungsstärken und einem Mindestanspruch an Lichtqualität – ohne jede Vorgaben für die Tages- und Nachtzeit oder biologisch wirksames Licht. Bestehende Lichtanlagen reichen tagsüber nicht für eine optimale Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter aus und strahlen häufig in puncto Helligkeit und Blauanteilen zu intensiv für Abend- oder Nachtarbeiten. Geprüft wird,, ob und wie der Stand der chronobiologischen Forschung in die Regeln für Arbeitsstätten und in die Normung integriert werden kann.

Ziel der Beleuchtung am Arbeitsplatz ist es den Anwesenden ein möglichst natürliches Lichtumfeld zur Verfügung zu stellen, das dem natürlichen Tageslichtverlauf folgt. Hierfür empfiehlt sich eine automatische Steuerung der großflächigen Raumbeleuchtung, die während des Vor- und Nachmittags über Decken und Wände indirektes und helles Licht mit hohem Blauanteil erzeugt und so aktivierend wirkt. Die Leuchten, die direkt auf den Arbeitsplatz strahlen, wie eine Schreibtischleuchte, sollte dagegen in der Helligkeit auch vom einzelnen Mitarbeiter individuell gesteuert werden können. Idealerweise folgt auch hier die Farbtemperatur dem natürlichen Tageslichtverlauf, um auch abends oder nachts keine Störung des Tag-Nacht-Rhythmus zu bewirken. Denn zu dieser Zeit sind Menschen besonders empfindlich für die nicht-visuelle Wirkungen von Licht.

Arbeitsräume, Tätigkeitsprofile und Blickrichtungen

In Produktionshallen beispielsweise haben die meisten Mitarbeiter einen räumlich definierten Arbeitsplatz, an dem sie sich viel bewegen und häufig wechselnde Blickrichtungen haben. Das individuelle Licht am Arbeitsplatz dient primär dazu, die Aufgabe visuell bestmöglich zu unterstützen. Gegebenenfalls sind abhängig von der Tätigkeit höchst unterschiedliche Beleuchtungsstärken nötig. Für die biologischen Lichtwirkungen hingegen ist eine HCL-Grundbeleuchtung für die gesamte Werkshalle gefragt. Weil es hierbei darauf ankommt, welches Licht im menschlichen Auge ankommt, muss das HCL-Konzept einen gleichmäßigen Lichteinfall aus unterschiedlichen Richtungen ermöglichen, um den häufig wechselnden Blickrichtungen der Mitarbeiter Rechnung zu tragen. Dafür ist unter anderem die sogenannte zylindrische Beleuchtungsstärke maßgeblich, also das Licht, das aus unterschiedlichen Richtungen messbar ins Auge des Nutzers fällt.

Gerade in Werkshallen besteht die Herausforderung jedoch darin, dass meist keine homogenen, großflächig hellen Flächen wie Decken oder Wände vorhanden sind, die für indirektes Licht benötigt werden, damit es über Reflexion möglichst von oben ins Auge des Nutzers fallen soll – wie das natürliche Tageslicht. Aus diesem Grund sollte bei der farblichen Gestaltung der Oberflächen alles getan werden, was möglich ist. Als reflektierende Flächen können beispielsweise auch Maschinen genutzt werden. Wenn das nicht ausreicht, können im Raum zusätzliche helle Flächen angebracht werden oder HCL-Leuchten mit speziellen segelartigen Reflektoren. Auch großflächige Lichtquellen können eine Lösung sein. Oftmals einfacher ist die Lichtplanung in Büros, wo in der Regel mehrere Mitarbeiter am Schreibtisch sitzen und eine ähnliche Blickrichtung haben, so dass bei der Lichtverteilung die Längsrichtung wichtiger ist als die Querrichtung.

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Licht mit biologischer Wirkung auf den Menschen

Beleuchtungslösungen mit biologischer Wirkung helfen den Mitarbeitern am Arbeitsplatz, dass sie wach und dauerhaft aufmerksam sind. Hinzukommen die geistige und körperliche Leistungsfähigkeit, Vitalität, Stimmung, der Schlaf-Wach-Rhythmus sowie die allgemeine Gesundheit, die durch eine HCL-Beleuchtung positiv beeinflusst werden können. Auch wenn die Messbarkeit einer Produktivität im Büro schwieriger ist als in der industriellen Fertigung, sind positive Wirkungen von HCL nachweisbar. So haben aktuelle Studien gezeigt, dass die Zufriedenheit der Mitarbeiter mit ihrer eigenen Leistung und mit der geleisteten Qualität steigt.

Studien belegen ebenso, dass selbst wenn die am Ende des Tages geleistete Arbeit nicht mehr wird, dennoch eine andere Art der Produktivitätssteigerung nachgewiesen werden kann: Die Arbeit fällt den Beschäftigten leichter. Grund dafür ist, dass die geistige Anstrengung für konzentriertes Arbeiten zurück geht und die Leistungsfähigkeit langfristig erhalten bleibt [1]. Eine Studie von A.T. Kearney zu unterschiedlichen Szenarien in der Industrie und in Büros beziffert mögliche betriebswirtschaftliche und volkswirtschaftliche Vorteile: Steigerung der Produktivität, sinkende Fehlerraten oder nicht zu unterschätzen: weniger Krankheitstage [2]. So ergeben sich viele gute Gründe, in ein HCL-Konzept zu investieren. Schließlich spart man mit der LED auch Energie im Vergleich zu den energieeffizienten konventionellen Beleuchtungssystemen.

Lichtschalter passt das Licht automatisch an

Auf der Light & Bulidng 2018 präsentierte Ledvance einen intelligenten Lichtschalter, der drahtlos über ZigBee 3.0 mit Deckenleuchten in einem Büroraum verbunden ist. Der Schalter sorgt vollautomatisch abhängig von Ort und Tageszeit dafür, dass das künstliche Licht dem natürlichen Tageslichtverlauf folgt. Gleichzeitig ermöglicht er es, bestimmte Lichtmodi, beispielsweise für kreatives oder konzentriertes Arbeiten, über einen Drehschalter einzustellen. Diese Steuerungseinheit wird derzeit zum marktreifen Produkt weiterentwickelt.

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Referenzen

[1] SSL-erate Consortium (2014). Lighting For Health And Well-Being In Education, Work Places, Nursing Homes, Domestic Applications, And Smart Cities. Verfügbar unter http://lightingforpeople.eu/2016/wp-content/uploads/2016/03/SSLerate-3.2-3.4-v4.pdf [03.03.2018].
[2] A.T.Kearney. (2015). Human Centric Lighting: Quantified benefits of Human Centric Lighting. Verfügbar unter https://www.lightingeurope.org/images/publications/general/150420_From_Barriers_to_Meas ures_-_Final_Results_-_Complete_vF_004.pdf [03.03.2018].

* Dieter Lang arbeitet bei Ledvance in der Forschung und Entwicklung und befasst sich seit 15 Jahren mit HCL.

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