Automatisierung und Digitalisierung – Daylight Harvesting
Dieses Aufgabengebiet wurde erstellt von Habbo Heinze.
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Aufgabe 1 von 1
KONSTANTLICHTREGELUNG MITTELS DAYLIGHT HARVESTING
Lesen und verstehen Sie folgenden Lückentext, in dem erläutert wird, wie natürliches Tageslicht auch in modernen Gebäuden mit technischen Mitteln gewinnbringend genutzt werden kann.
Für den nachhaltigen Betrieb von Gebäuden spielt die Nutzung von Tageslicht – das sogenannte „Daylight Harvesting“ – eine bedeutende Rolle. Der aus der Landwirtschaft entlehnte Begriff „Harvesting“, also „das Ernten“, soll hierbei eine ressourcenschonende Nutzung sich erneuernder Energieformen betonen. Die Grundidee besteht darin, Tageslicht künstlicher Beleuchtung zu verwenden, um so elektrische Energie einzusparen und angenehmere Lichtverhältnisse zu erzeugen. Die Umsetzung verlangt mindestens ein Beleuchtungssystem, das jederzeit die Tageslichtverhältnisse korrekt erfassen kann und aus Beleuchtungskörpern besteht. Eine Schwierigkeit besteht darin, dass sich das Tageslicht je nach Sonnenstand, Jahreszeit oder Wetterlage kurzfristig verändert. Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, dass gerade an durch Sonneneinstrahlung schnell ein unbehagliches Raumklima erzeugt wird. Beide Probleme können mit moderner Gebäudeautomation gelöst werden. Genutzt wird dazu das Grundprinzip der indirekten Beleuchtung. Sonnenlicht kann an einem klaren Sommertag leicht Helligkeitswerte deutlich oberhalb von 10.000 Lux mit Spitzenwerten bis 100.000 Lux annehmen. Aktuelle Arbeitsschutzrichtlinien fordern dagegen Werte von für Büroarbeitsplätze. Um Blendwirkung zu vermeiden, wird zunächst ein Teil des grellen Sonnenlichtes an die Zimmerdecke umgelenkt. Diese sorgt mit einer Oberfläche dafür, dass das Tageslicht diffus in viele Richtung gestreut wird und so den Raum insgesamt erhellt. Technisch geschieht dies durch spezielle Jalousien mit breiteren Lamellen, die mit einer an den Sonnenstand angepassten das einfallende Sonnenlicht im richtigen Winkel in den Raum reflektieren. Die Jalousien werden durch eine digitale Gebäudeautomation angesteuert, die dabei eine mögliche Erhöhung der Raumtemperatur mitberücksichtigt. Die Automation ermittelt über auch die damit erzielte Helligkeit an den jeweiligen Stellen im Raum und erzeugt über eine zusätzliche künstliche Beleuchtung eine konstante Helligkeit: Nahe am Fenster wird wenig Kunstlicht benötigt, weit entfernt dagegen mehr.
Das Konzept des Daylight Harvesting wurde zuerst im größeren Maßstab in den USA eingesetzt. Die dort erzielten Einsparungen an elektrischer Energie waren derart beeindruckend (Williams et al., 2011), dass im Bundesstaat automatisierte Tageslichtregelung seit 2010 für Neubauten (CEC, 2012) und seit 2016 auch bei Renovierungen von Bestandsbauten ab einer bestimmten Größe (CEC, 2015) verpflichtend vorgeschrieben sind.
Erklärung zur Lösung der gesamten Aufgabe
Das schwankende Sonnenlicht alleine genügt nicht, um eine ausreichend helle Beleuchtung weitab von Fenstern oder an bedeckten Tagen zu erzeugen. Deshalb wird beim Daylight Harvesting grundsätzlich mit einer Kombination aus natürlichem Sonnenlicht und künstlicher Beleuchtung geplant.
Um bei genügend hellem Sonnenlicht elektrischen Strom einzusparen, müssen die Leuchtmittel entweder einzeln in ihrer Helligkeit einstellbar – das Fachwort lautet „dimmbar“ – sein, oder aber einzelnen Leuchtmittel müssen gezielt ausschaltbar sein. Bei sehr kleinen LEDs kann letzteres sogar stromsparender sein.
Hauptsächlich an sehr heißen Sommertagen ist zu viel Sonnenlicht vorhanden, so dass hier dafür gesorgt werden muss, dass nur wenig Sonnenlicht indirekt in den Raum gelangt.
Die Arbeitsschutzrichtlinien geben nur Minimalwerte vor (DGUV, 2016).
Um aus strahlend hell leuchtenden Lichtbündeln ein diffuses Licht zu erzeugen, müssen die einzelnen Lichtstrahlen im Bündel in leicht unterschiedliche Richtung zerstreut werden. Dies geschieht, in dem die Lichtbündel an einer rauen Oberfläche wie beispielsweise einer Zimmerdecke reflektiert werden. Der Fachbegriff hierfür ist diffuse Reflexion.
Um die Lichtbündel an die Decke abzulenken, sind dagegen wieder möglichst glatte und breite Lamellen an den Jalousien notwendig. Diese Lamellen wirken wie ein Spiegel und müssen so verkippt werden, dass die Lichtbündel zur Decke abgelenkt werden.
Der Vorteil einer Gebäudeautomation besteht gerade darin, dass Messwerte über Sensoren aufgenommen werden können, um herauszufinden, wie die tatsächliche Situation vor Ort ist. Wenn auf Basis von tatsächlich vorliegenden Eingangswerten ein Ausgangswert festgelegt wird, so heißt dieser Vorgang in der Technik „Regelung“. In diesem Fall wird zunächst die tatsächliche Helligkeit durch Sonnenlicht gemessen und nur bei Bedarf zusätzliche Helligkeit durch Kunstlicht erzeugt, so dass an jedem Arbeitsplatz immer eine konstante Gesamthelligkeit vorhanden ist.
In den Vereinigten Staaten von Amerika ist der Bundesstaat Kalifornien seit langer Zeit Vorreiter bei der Nutzung regenerative Energiequellen in Gebäuden, so auch beim Daylight Harvesting (Williams et al., 2011).