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19. Mai 2016
Lighting ›

HCL – Human Centric Lighting

In jüngster Zeit hat sich in der Marketingkommunikation zahlreicher Leuchtenhersteller der Begriff »Human Centric Lighting«, oder kurz: »HCL«, manifestiert – gerade in Verbindung mit LED-Produkten. Scheinbar gibt es neben der »Standard-Lichtplanung« also auch eine »HCL-Lichtplanung«. Ist das so? Was genau versteckt sich hinter diesem Schlagwort?

Zunächst einmal bedeutet der Begriff »Human Centric Lighting« wörtlich genommen, dass der Mensch im Mittelpunkt der Lichtplanung steht. Dies entspricht dem Leitsatz »form follows function«, der im Bereich der Architektur durch Louis Sullivan geprägt wurde. Die Gestalt und Formgebung von Architektur, aber auch von Alltagsgegenständen ist niemals Selbstzweck, sondern leitet sich aus der Funktion ab. Diese Denkweise sollte selbstverständlich für jede Lichtplanung ebenso gelten. Denn Ziel einer Lichtplanung ist es, dass der Mensch einer visuellen Tätigkeit am Arbeitsplatz ohne Probleme nachgehen kann, dass er sich in seiner Umgebung wohlfühlt, dass er sich leichter orientieren kann, dass Angstzonen vermieden werden, usw… Doch hinter dem Schlagwort HCL versteckt sich noch mehr. In Zusammenhang mit Lichtplanung bedeutet HCL, dass eine Kunstlichtplanung die circadiane Rhythmik des Menschen unterstützen soll. Ergebnis soll eine Beleuchtung sein, die der Gesundheit und dem Wohlbefinden des Menschen förderlich ist. Eigentlich müsste es daher genauer heißen »Human Health Centric Artificial Lighting«.

Viele Leuchtenhersteller haben erkannt, dass sich das Thema Gesundheit extrem gut vermarkten lässt. Im Jahr 2013 wurden allein in Deutschland insgesamt 314,9 Milliarden Euro für Gesundheit ausgegeben. (Quelle: Statistisches Bundesamt). Das Gesundheitswesen in Deutschland war im Jahre 2013 lt. Robert Koch-Institut mit 11,2 % des Bruttoinlandsproduktes einer der umsatzstärksten Wirtschaftsbereiche. Es gibt viele Indikatoren, die darauf hinweisen, dass das Thema Gesundheit – insbesondere die Prävention – von großem Interesse für private Haushalte, aber auch Arbeitgeber ist. Somit verspricht sich auch die Leuchtenbranche, von diesem Wirtschaftsbereich profitieren zu können.

Wie funktioniert HCL?

Die Netzhaut des menschlichen Auges enthält neben den Zapfen und Stäbchen, die maßgeblich der visuellen Wahrnehmung dienen, auch sog. intrinsische photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGC). Man hat im Jahr 2007 herausgefunden, dass diese Zellen Melanopsin enthalten, somit lichtsensitiv sind. Das Empfindlichkeitsmaximum für die melanopische Lichtwirkung liegt bei einer Wellenlänge von 490 nm (blau). Das bedeutet, dass Melanopsin bei dieser Wellenlänge besonders gut angeregt wird.

Abb. 01: Wirkungsspektrum für die melanopische Lichtwirkung Smel (λ), gem. DIN SPEC 5031-100: 2015-08, Grafik: DIAL

Diese Anregung hat wiederum zur Folge, dass unmittelbar eine Unterdrückung (Suppression) der Ausschüttung des Hormons Melatonin in der Zirbeldrüse stattfindet. Das Hormon Melatonin spielt im circadianen Rhythmus des Menschen eine große Rolle. Insbesondere am Abend, wenn man müde wird, enthält unser Blut eine hohe Melatoninkonzentration. Melatonin wird während des Schlafes abgebaut, so dass der Melatoninspiegel am Morgen wesentlich geringer ist. Zur Melatoninsuppression trägt aber auch das Tageslicht (insbesondere in den Morgenstunden) mit seinem hohen Blauanteil bei.

»Human Centric Lighting« zielt nun darauf ab, mit verschiedenen Farbtemperaturen und teilweise auch Beleuchtungsstärken eine Art »Tageslichtverlauf« nachzustellen, um dem Menschen, der meist ohnehin unter chronischem Tageslichtmangel leidet, eine Art Ausgleich zu bieten. In erster Linie geht es hier um die Aktivierung des Menschen, d. h. um die Melatoninsuppression mittels neutral- oder kaltweißer Lichtfarben. Realisiert wird dies mit Leuchten, die unterschiedliche Farbtemperaturen enthalten, welche separat voneinander regelbar sind, häufig »tuneable white« genannt. Meist ist bei diesen Produkten eine entsprechende Steuerung hinterlegt, so dass sich Lichtfarbe und Beleuchtungsstärke entsprechend dem Tageslichtverlauf automatisch anpassen.

Grundsätzlich handelt es sich bei HCL nicht um eine Lichtplanung, die nur mit LEDs realisiert werden kann. HCL gab es auch schon vor 10 Jahren mit Leuchtstofflampen. LEDs bieten hier allerdings viele Vorteile, da sie in verschiedenen Farbtemperaturen verfügbar sind und sich diese aufgrund des meist sehr kompakten Bauraumes gut nebeneinander in Leuchten integrieren lassen.

Im Ansatz richtig, in der Umsetzung teilweise fragwürdig

Grundsätzlich ist der Ansatz, den HCL verfolgt, zu befürworten. Leider wird die HCL-Lichtplanung in der Praxis oft nur »halbherzig« umgesetzt und das Ziel verfehlt. Die folgenden Punkte sollten bei einer circadian wirksamen Lichtplanung daher beachtet werden.

LEDs mit tageslichtähnlichem Spektrum?

Man darf nicht den Fehler machen und annehmen, dass LEDs »Tageslicht« erzeugen könnten. Das Spektrum des Tageslichtes ist im Vergleich zum Spektrum von LEDs grundlegend verschieden – egal, um welche Farbtemperatur es sich handelt. Weiße LEDs haben im Spektrum einen Peak bei einer Wellenlänge von ca. 450–460 nm. Da dieser Bereich sehr nah am Maximum für die melanopische Lichtwirkung von 490 nm liegt, sind sie generell gut geeignet, um das Melanopsin anzuregen. Dies betrifft warmweiße LEDs in gleicher Weise, auch wenn der Peak umso ausgeprägter ist, je höher die Farbtemperatur ist.

Abb. 02: Spektrale Verteilung einer LED mit einer Farbtemperatur von 3.000 K, Grafik: DIAL

Abb. 03: Spektrale Verteilung einer LED mit einer Farbtemperatur von 5.000 K, Grafik: DIAL

Abb. 04: Spektrale Verteilung des blauen Himmels am Morgen mit einer Farbtemperatur von ca. 18.000 K, Grafik: DIAL

Zu geringe Beleuchtungsstärken

Außerdem darf man nicht vernachlässigen, dass an Arbeitsplätzen in Innenräumen nur ein Bruchteil der Beleuchtungsstärke herrscht, die im Außenraum vorkommt. Die Beleuchtungsstärke bei Tag im Freien schwankt von ca. 3.000 lx an einem trüben Wintertag bis hin zu mehr als 100.000 lx bei direktem Sonnenlicht. Ein Büroarbeitsplatz hingegen wird nach ASR A 3.4 und EN 12464-1 mit gerade einmal 500 lx beleuchtet. Höhere Beleuchtungsstärken tragen eher dazu bei, den Menschen zu aktivieren. Letztlich ist entscheidend, wie viel Beleuchtungsstärke tatsächlich auf der Netzhaut des menschlichen Auges ankommt. Ein Niveau, welches auch beim trüben Tag im Außenraum herrscht, lässt sich aus energetischen Gründen im Innenraum allerdings kaum realisieren. Dennoch muss man die obligatorischen 500 lx nur als absolute Mindestanforderung betrachten.

Großflächig arbeiten

Entscheidend ist in diesem Zusammenhang auch, dass man bei der Beleuchtung größere Flächen im Gesichtsfeld des Menschen berücksichtigt. Circadiane Wirksamkeit kann sicherlich nicht mit einer Leuchte punktuell realisiert werden. Dieser Planungsansatz findet seine Entsprechung im Außenraum, da das diffuse Himmelslicht ebenfalls einen großen Teil im Gesichtsfeld des Menschen einnimmt. Gerade wenn es um die Aktivierung des Menschen mit neutral- oder kaltweißen Lichtfarben mittels indirekter Beleuchtung geht, sollte dies beachtet werden.

Berücksichtigung der Lichtrichtung

Bei der Aktivierung spielt die großflächige Beleuchtung im oberen Halbraum (z. B. durch eine Indirektbeleuchtung) eine große Rolle, da sie biologisch wirksamer ist, als im unteren Halbraum. Dieses Licht erreicht nämlich die untere Hälfte der Netzhaut, in der sich die meisten ipRGCs befinden. Dies ist mit dem diffusen, kaltweißen Himmelslicht im Freien vergleichbar (ähnlichste Farbtemperatur ca. 10.000 – 25.000 K). Nach Sonnenuntergang sollte man allerdings die flächige kaltweiße Beleuchtung im oberen Halbraum vermeiden, sofern man den Menschen nicht bewusst aktivieren möchte. In diesem Fall sollte man warmweiße Beleuchtung verwenden. Allerdings ist auch hier die Lichtrichtung zu beachten. Eine warmweiße Indirektbeleuchtung mit einer ähnlichsten Farbtemperatur von 3.000 K wirkt unnatürlich und befremdlich, da sie in der Natur – mit Ausnahme beim roten Sonnenuntergang – so nicht vorkommt. Hier kann es vorteilhaft sein, mit warmweißer Akzentuierung zu arbeiten, die den oberen Halbraum ganz bewusst dunkel erscheinen lässt – ähnlich wie der dunkle Himmel im Außenraum.

Dynamik berücksichtigen

Auch wenn in der Arbeitswelt in erster Linie die Aktivierung des Menschen durch künstliche Beleuchtung beabsichtigt ist, so sollte man auch zu bestimmten Tageszeiten versuchen, den Menschen zur Ruhe kommen zu lassen. Eine Aktivierung mit kaltweißer Beleuchtung in den Abendstunden kann zu Schlafstörungen bzw. zu einem wenig erholsamen Schlaf führen. Hier reicht schon eine Beleuchtungsstärke von ca. 30 lx am Auge aus, um die Melatoninkonzentration im Blut deutlich zu reduzieren.

Außerdem hat die permanente Aktivierung nichts mit dem natürlichen circadianen Rhythmus zu tun. Generell sollte das Tageslicht als Vorbild herangezogen werden. Hier herrscht eine permanente Dynamik in Bezug auf die Beleuchtungsstärke und die Farbtemperatur. Diese sollte man versuchen, auch bei einer HCL-Lichtplanung zu berücksichtigen. Allerdings sollten sich die Wechsel niemals abrupt, sondern langsam und unmerklich vollziehen, wie in der Natur auch.

Einige Ansätze zur biologisch wirksamen Beleuchtung bietet die DIN SPEC 67600: 2013-04 mit ihren Planungsempfehlungen. Statistisch signifikant konnte in Studien belegt werden, dass eine gut umgesetzte HCL-Beleuchtung im Bereich der Industrie die Produktivität der Mitarbeiter um bis zu 10 % steigern kann. Dennoch sollte man das »echte« Tageslicht nicht unterschätzen. Der Weg zur Arbeit in der Morgensonne, oder ein kleiner Spaziergang während der Mittagspause im Freien tragen zum Wohlbefinden des Menschen sicherlich mehr bei, als die beste HCL-Beleuchtung am Arbeitsplatz. Auch die beste HCL-Lichtplanung ist kein »Ersatz« für das echte Tageslicht.

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