Tageslichtquotient – Umfassendes Glossar zur Beleuchtung in Luftfahrt und Architektur

Tageslichtquotient (DF)

Der Tageslichtquotient (DF) ist eine grundlegende Messgröße in der Architektur- und Luftfahrtbeleuchtung. Er beschreibt das Verhältnis der Innenbeleuchtungsstärke an einem bestimmten Referenzpunkt zur gleichzeitigen Außenbeleuchtungsstärke unter einem standardisierten bedeckten Himmel. Ausgedrückt wird der DF in Prozent und definiert sich durch die Formel:

[ DF = \left( \frac{E_i}{E_o} \right) \times 100% ]

wobei Ei die Innenbeleuchtungsstärke (in Lux) an einem bestimmten Punkt (meist auf einer waagerechten Arbeitsebene) und Eo die horizontale Außenbeleuchtungsstärke unter dem CIE-Standard-bedeckten Himmel ist. Dieser standardisierte Ansatz isoliert diffuses Tageslicht und schließt absichtlich direktes Sonnenlicht und künstliche Beleuchtung aus, um eine belastbare Bewertung unter anspruchsvollen Tageslichtbedingungen zu ermöglichen.

Der DF ist zentral für das Tageslichtdesign in Gebäuden wie Flughafenterminals, Towern und großen öffentlichen Räumen. Er stellt sicher, dass Innenräume auch bei bedecktem Wetter visuellen Komfort und Energieeffizienz bieten. Vorschriften und Nachhaltigkeitszertifikate (wie LEED, BREEAM oder EN 17037) fordern häufig Mindestwerte des Tageslichtquotienten für verschiedene Raumtypen. Beispielsweise werden für allgemeine Arbeitsbereiche meist mindestens 2 % DF verlangt.

DF ist einfach zu berechnen und konservativ, weshalb er sich ideal für Entwurfsphasen, die Einhaltung von Vorschriften und rechtliche Bewertungen zum Lichtrecht eignet. Allerdings berücksichtigt er weder jährliche Klimaschwankungen noch direktes Sonnenlicht, welche durch weiterführende Kennzahlen wie die spatiale Tageslichtautonomie (sDA) erfasst werden.

Beleuchtungsstärke (Ei, Eo)

Beleuchtungsstärke ist der Lichtstrom, der auf eine Fläche trifft, gemessen in Lux (lx). In der Analyse des Tageslichtquotienten sind zwei Typen entscheidend:

• Ei (Innenbeleuchtungsstärke): Die gemessene oder simulierte Beleuchtungsstärke an einem bestimmten Punkt im Innenraum, meist auf einer waagerechten Arbeitsebene (z. B. Tisch, Boden). In Luftfahrtgebäuden umfasst dies Check-in-Schalter, Wartebereiche und Sicherheitszonen.
• Eo (Außenbeleuchtungsstärke): Die horizontale Beleuchtungsstärke, gemessen im Freien an einem unverschatteten Ort unter dem CIE-Standard-bedeckten Himmel. Eo dient als Referenzwert für die DF-Berechnung.

Die Beleuchtungsstärke ist entscheidend für die Sichtbarkeit von Aufgaben und die Sicherheit, insbesondere in komplexen Umgebungen wie Flughäfen. Sie wird durch Faktoren wie Fensterfläche, Lichttransmission des Glases, Himmelsleuchtdichteverteilung, Raumgeometrie und Oberflächenreflexion bestimmt. Simulationswerkzeuge können den Himmel und das Fenster in einzelne Felder unterteilen, um die Beiträge mehrerer Himmelsfelder zur Gesamtbeleuchtungsstärke präzise zu berechnen.

CIE-Standard-bedeckter Himmel

Der CIE-Standard-bedeckte Himmel ist ein international anerkanntes Modell für die Himmelsleuchtdichte, definiert von der Commission Internationale de l’Éclairage (CIE). Er wird als Referenz für Tageslichtquotienten-Berechnungen genutzt, um Konsistenz und eine konservative, worst-case-basierte Bewertung der Tageslichtleistung zu gewährleisten. Das Leuchtdichteprofil lautet:

[ L(\varphi_{sky}) = L_z \frac{1 + 2 \sin \varphi_{sky}}{3} ]

wobei Lz die Zenitleuchtdichte und φsky der Höhenwinkel des Himmelselements ist. Der Zenit ist dreimal so hell wie der Horizont und die Leuchtdichte ist in allen Himmelsrichtungen bei gleichem Höhenwinkel konstant.

Dieses Modell ist essenziell für die Einhaltung von Vorschriften und bildet die Grundlage aller Tageslichtquotienten-Berechnungen – insbesondere in der Flughafenarchitektur und bei rechtlichen Lichtgutachten.

Himmelsanteil (SC)

Der Himmelsanteil (SC) ist der Teil des Tageslichtquotienten, der direkt vom sichtbaren Himmel durch Fenster oder andere Öffnungen – ohne Zwischenreflexionen – empfangen wird. Der SC hängt von Größe, Lage, Ausrichtung des Fensters und äußeren Hindernissen ab.

Der SC wird typischerweise mit geometrischen Projektionen oder grafischen Werkzeugen (z. B. Waldram-Diagramm) berechnet, um festzustellen, welche Himmelsfelder vom Referenzpunkt im Innenraum aus sichtbar sind. Jedes sichtbare Feld trägt entsprechend seinem Raumwinkel und seiner Leuchtdichte gemäß dem CIE-Modell bei. In großen, unverschatteten Flughafenterminals ist der SC oft die dominierende Tageslichtquelle, nimmt aber in urbanen oder verschatteten Lagen ab.

Extern reflektierter Anteil (ERC)

Der extern reflektierte Anteil (ERC) erfasst das Tageslicht, das von äußeren Oberflächen (z. B. Vorplätzen, Rollbahnen oder benachbarten Gebäuden) ins Innere reflektiert wird. Dieser Anteil ist besonders in der Luftfahrt relevant, wo große, helle Flächen oder Dächer das Tageslicht zusätzlich ins Gebäude lenken.

ERC wird berechnet, indem der sichtbare Anteil externer Flächen vom jeweiligen Fenster aus, deren Reflexionseigenschaften und die einfallende Himmelsleuchtdichte analysiert werden. Die Formel summiert die Beiträge aller externen Felder, angepasst an die Lichttransmission der Verglasung und den jeweiligen Raumwinkel. Der ERC ist besonders bedeutsam, wenn die direkte Himmelsicht eingeschränkt, aber viele reflektierende Flächen vorhanden sind.

Intern reflektierter Anteil (IRC)

Der intern reflektierte Anteil (IRC) beschreibt das Tageslicht, das nach Eintritt in den Raum durch eine oder mehrere Reflexionen an Innenoberflächen (Wände, Decken, Böden) den Referenzpunkt erreicht. IRC ist in tiefen Räumen oder bei geringer Fensterfläche oft der maßgebliche Anteil am gesamten DF.

IRC hängt ab von:

• Oberflächenreflexionen (höhere Werte führen zu mehr IRC)
• Raumgeometrie und Offenheit
• Platzierung und Größe der Fenster

Helle Oberflächen (z. B. weiße Decken, helle Wände) maximieren den IRC, verbessern die Tageslichtdurchdringung und sorgen für gleichmäßige Lichtverteilung. Simulationswerkzeuge modellieren mehrere Reflexionen für eine genaue IRC-Berechnung, während empirische Ansätze grobe Schätzungen für einfache Räume erlauben.

Sichtbare Lichttransmission (τvis)

Sichtbare Lichttransmission (τvis) ist der Anteil des sichtbaren Tageslichts, der durch die Verglasung hindurchtritt – typischerweise zwischen 0,3 (getöntes oder beschichtetes Glas) und etwa 0,8 (Klarglas). τvis wird durch Glaszusammensetzung, Beschichtungen und Dicke bestimmt und ist ein wichtiger Parameter für die Berechnung des Tageslichtquotienten.

Ein hoher τvis-Wert erhöht den Tageslichteintrag, kann aber auch Blendung und den Wärmeeintrag steigern. In Luftfahrtgebäuden ist die Wahl eines geeigneten τvis-Werts entscheidend, um Tageslichtversorgung, Komfort und Energieeffizienz auszubalancieren.

Raumwinkel (Ω)

Der Raumwinkel (Ω) quantifiziert die scheinbare Größe eines Objekts oder Himmelsfeldes, wie sie von einem bestimmten Punkt aus gesehen wird, gemessen in Steradiant (sr). Im Tageslichtdesign bestimmt der Raumwinkel, wie viel Himmel oder Außenumgebung durch ein Fenster vom Referenzpunkt aus sichtbar ist.

Je größer der vom Fenster aufgespannte Raumwinkel, desto größer ist der mögliche Tageslichteintrag. Die Maximierung des Ω aus wichtigen Innenraumpositionen ist ein zentrales Entwurfsziel in Terminalgebäuden und großen öffentlichen Bauten.

Leuchtdichte

Leuchtdichte ist die messbare Helligkeit einer Oberfläche (in Candela pro Quadratmeter, cd/m²), wie sie von einem Beobachter wahrgenommen wird. In der Tageslichtquotienten-Analyse bezeichnet sie die Helligkeit von Himmelsfeldern (gemäß CIE-Modell) und Fensterelementen aus dem Innenraum.

Die Leuchtdichte beeinflusst sowohl die Menge als auch die Qualität des Tageslichts und wirkt sich auf den Sehkomfort, Blendung sowie die Lesbarkeit von Beschilderungen und Anzeigen in Flughafengebäuden aus. Die Planung muss hohe Leuchtdichte für ausreichendes Tageslicht gegen das Risiko von Blendung abwägen.

Interreflexion

Interreflexion bezeichnet den Prozess, bei dem Tageslicht nach Eintritt in den Raum mehrfach von den Raumoberflächen reflektiert wird, bevor es den Beobachter oder Referenzpunkt erreicht. Dieser Vorgang erhöht den IRC und bestimmt, wie tief Tageslicht in das Gebäude eindringt.

Helle Oberflächen (weiße oder helle Flächen) und offene Geometrien maximieren die Interreflexion, fördern eine gleichmäßige Tageslichtverteilung und verringern die Abhängigkeit von künstlicher Beleuchtung. Eine genaue Modellierung der Interreflexion erfordert fortgeschrittene Simulationswerkzeuge.

Spatiale Tageslichtautonomie (sDA)

Spatiale Tageslichtautonomie (sDA) ist eine dynamische, klimaabhängige Kennzahl, die angibt, welcher Prozentsatz der Bodenfläche eines Raumes für mindestens 50 % der jährlichen Nutzungszeit eine Mindestbeleuchtungsstärke (meist 300 Lux) erhält. Die sDA berücksichtigt sowohl diffuses als auch direktes Sonnenlicht sowie jahreszeitliche Wettervariationen und liefert eine ganzheitliche Bewertung der Tageslichtversorgung.

Die sDA wird zunehmend von modernen Vorschriften und Zertifikaten gefordert und ergänzt den konservativen DF-Ansatz. Hohe sDA-Werte stehen für erfolgreiches Tageslichtdesign; jedoch muss übermäßiges direktes Sonnenlicht kontrolliert werden, um Blendung und Überhitzung zu vermeiden.

Jährliche Sonneneinstrahlung (ASE)

Jährliche Sonneneinstrahlung (ASE) misst den Prozentsatz eines Bereichs, der für mehr als 250 Stunden pro Jahr mehr als 1000 Lux direktes Sonnenlicht erhält. Die ASE identifiziert Zonen mit erhöhtem Blend- und thermischem Unbehagen und unterstützt Planer dabei, Tageslichtangebot (sDA) und Nutzerkomfort auszubalancieren.

Ein optimales Design erreicht hohe sDA-Werte bei gleichzeitiger Begrenzung der ASE (oft <10 %), um sowohl ausreichend Tageslicht als auch visuellen und thermischen Komfort in stark verglasten Umgebungen wie Flughafenterminals sicherzustellen.

Durch das Verständnis und die Anwendung dieser Tageslichtkonzepte – insbesondere des Tageslichtquotienten und seiner Komponenten – können Planer und Ingenieure visuell komfortable, energieeffiziente und vorschriftskonforme Räume sowohl in der Luftfahrt als auch in der allgemeinen Architektur schaffen. Das garantiert eine bessere Nutzererfahrung, geringere Energiekosten und unterstützt Nachhaltigkeitsziele.