Phantome, die unser Wissen beherrschen VII

Dass dieses Phantom schon tot sei, erzählte mein Doktorvater, als ich noch Student war. Das war so etwa 1969. Prof. Krochmann, einer der besten Tageslichttechniker, erzählte in seiner Vorlesung zu Tageslichttechnik, wir sollten den Begriff Tageslichtquotient nicht mehr benutzen, weil dieser unbrauchbar wäre. Seitdem sind fast sechs Jahrzehnte vergangen, ohne dass sich etwas Besseres eingebürgert hätte.

Dieses Phantom gehört zu den ältesten „Altlasten“ der Lichttechnik und wurde einst von einem Elektrotechniker, Alexander Pelham Trotter, „erfunden“. Alexander Pelham Trotter, ein britischer Elektroingenieur, hat Ende des 19. und Anfang des 20. Jahrhunderts Pionierarbeit auf dem Gebiet der Beleuchtungstechnik geleistet. Er gilt als einer der Gründerväter des Konzepts des Tageslichtquotienten (engl. Daylight Factor). Vor Trotters Arbeit war es extrem schwierig, die Innenraumbeleuchtung objektiv zu bewerten, da sich das Tageslicht ständig ändert. Trotter erkannte, dass man nicht die absolute Helligkeit (Beleuchtungsstärke) messen sollte, sondern das Verhältnis zwischen innen und außen. Zu dieser Ansicht war Trotter durch umfangreiche Messungen in verschiedenen Gebäuden gekommen.

Der Tageslichtquotient (D) beschreibt das Verhältnis der Beleuchtungsstärke an einem Punkt im Innenraum (E_p) zur Beleuchtungsstärke im Freien bei unverbauter Himmelskugel (E_a). Seit der besagten Vorlesung 1969 hat sich daran nur die Bezeichnung geändert, früher hieß „D“ anders, man schrieb es als „T“. Trotter bemerkte, dass die absolute Helligkeit in einem Raum (gemessen in Lux oder damals Foot-candles) wertlos war, um die Qualität der Architektur zu beurteilen, da sie sich minütlich mit dem Wetter änderte. In seinem Vortrag "The Physics of Artificial Lighting" (und ergänzenden Arbeiten) im Jahr 1895 legte er dar, dass das Verhältnis zwischen Innen- und Außenlicht eine Konstante der Architektur sei. Über ein Jahrzehnt später wurde seine Methode durch das britische National Physical Laboratory (NPL) offiziell für die Planung von Schulen und Fabriken übernommen. Somit wurde das Tageslicht planbar und messbar.

Ansonsten blieb es bei der Bedeutung: Da sich beide Werte bei wechselnder Bewölkung proportional ändern, bleibt der Quotient weitgehend konstant. Das macht den Tageslichtquotient zu einer verlässlichen Messgröße für die architektonische Qualität eines Raumes. Allerdings so lange der Raum so bleibt, wie er ist und nicht etwa durch einen Baum verschattet wird, der später gepflanzt wurde. Die Sache mit der unverbauten Himmelskugel ist wirklich auch so eine Sache. Was sie bedeutet, merkt man, wenn man D tatsächlich gerichtsfest messen muss.

Seit 1895 bis zur Norm DIN EN 17037:2019 hat sich der Begriff, also das Konzept, gehalten. Nur die Anforderungen haben sich geändert.

Was alles an dem Konzept Bauchweh verursacht

Das Problem des "Grauen Himmels"

Der Tageslichtquotient basiert per Definition auf dem CIE-Standardhimmel (vollständig bedeckt). Es gibt keine direkte Sonne, das Licht ist absolut gleichmäßig verteilt. Zu diesem Problem habe ich meine Kommentare in dem Beitrag „Warum ist unser Himmel so grau?” erläutert.

Die Realität zeigt ein anderes Bild: In Regionen mit viel Sonnenschein (z. B. Südeuropa oder an klaren Wintertagen) liefert der Quotient völlig falsche Werte, da er die enorme Leuchtdichte der direkten Sonne ignoriert.

Die Problematik hat eine Lichtplanerin, Paulina Villalobos, die aus Chile stammt, wunderbar bildhaft dargestellt. Dieses Land erstreckt sich zwischen dem 17. Breitengrad fast bis zur Antarktis über 4200 km. Es reicht also von den Tropen in die Polarregion. Sie hat den Höchstsand der Sonne in verschiedenen Städten der Welt wie unten abgebildet.

Was dies bedeutet, habe ich mit Hilfe dieses Bildes illustriert:

Das Bild zeigt deutlich, dass die architektonische Qualität eines Raums allenfalls sehr mäßig durch den Tageslichtquotienten beschrieben werden kann.

Ignoranz gegenüber der Dynamik

Ein Gebäude steht 365 Tage im Jahr in verschiedenen Lichtsituationen. Der D ist ein fester Prozentwert. Er sagt nichts darüber aus, wie viele Stunden am Tag es im Raum tatsächlich hell genug ist, um ohne Kunstlicht zu arbeiten. Der Tageslichtquotient gilt auch in der Nacht, obwohl man dann mit der Bestimmung noch mehr Probleme hätte. So gesehen, entspricht D eher der Vorstellung von Architekten, wenn sie von einem gut belichteten Raum sprechen. Zwar ändert sich die Beleuchtungsstärke wie die Lichtqualität über den ganzen Tag, aber man weiß, was ein „heller“ Raum ist.

Die Ignoranz kommt an anderer Stelle zur Geltung. So versuchen Lichttechniker, möglichst hohe Beleuchtungsstärken im Raum über einen möglichst langen Teil des Tages zu erreichen, indem sie das Licht aus dem Teil des Himmels in den Raum holen, der am längsten gleich hell bleibt. Das ist das blaue Himmelslicht. Dass es im Innenraum eher grau gesehen wird, wurde hier erklärt: Künstliche Beleuchtung bildet das Tageslicht nach

Wie man das Licht des Himmels in den Raum führt, zeigt ein Bild von Bartenbach

Dieses Bild verschleiert bewusst die reale Physik. Zum einen wird niemand in der angegebenen Position in Fensterrichtung sitzen. Wenn überhaupt, ist der wahrscheinlichste Punkt etwa 4 m im Rauminneren, wo früher der Azubi saß. Wenn jemand wirklich so sitzt, wie der Augpunkt eingezeichnet ist, sieht der Raum wie unten aus, wo ich die ganzen Spiegel eingetragen habe, die das Licht lenken. Im oberen Teil des Fensters sind die Prismen angebracht, die das Himmelslicht holen. Dicht über dem Kopf des Mannes ragt ein sog. Lichtschwert etwa 1 m in den Raum hinein. Dort darf man nicht stehen.

Das Bild ist ein prägnantes Beispiel dafür, wie man Unmögliches für Fortschritt verkauft. Mehrere Jahrzehnte vor Erscheinen dieses Bildes war diese Blickrichtung für Arbeitsräume ausgeschlossen worden. Sie macht erst recht keinen Sinn, wenn einer mit einem Bildschirm arbeitet. Wenn ein Arbeitgeber jemanden zwingt, in dieser Sitzposition zu arbeiten, verstößt er gegen den Arbeitsschutz. Der Kommentar des Protagonisten dieser Szene zu seinem gesamten Wirken in einer Zeitschrift wirkt da besonders lustig:

Abgesehen vom Arbeitsschutz: Was ist das für eine Raumästhetik, wenn die Decke voller Spiegel hängt? Und die gesamte Fensterfront mit einem Spiegel in  etwa Stehhöhe versehen ist, der in den Raum hineinragt?

Zu demselben Trick mit dem Nordlicht griffen früher Maler, die ihre Ateliers in Nordzimmern hatten. Dort ist die Dynamik des Tages am geringsten. Dummerweise hilft dies nur deswegen, weil man damit möglichst konstante Verhältnisse schaffen wollte. Wie sein Bild unter realen Verhältnissen ausschaut, muss sich der Maler selbst ausmalen.

Bei der Tageslichtbeleuchtung zählt die Dynamik zu den Qualitätsmerkmalen. Gleichbleibendes Licht mit stets gleichen Eigenschaften erzeugt man besser elektrisch, wenn es gebraucht wird.

Vernachlässigung der Orientierung

Für den klassischen Tageslichtquotienten ist es egal, ob ein Fenster nach Norden oder nach Süden zeigt. In der Berechnung nach Trotter liefern beide Himmelsrichtungen das gleiche Ergebnis (da man ja vom trüben Standardhimmel ausgeht). Jeder Bewohner weiß jedoch, dass ein Südzimmer eine völlig andere Lichtcharakteristik und Wärmelast hat als ein Nordzimmer.

Das Konzept ergibt für alle Jahreszeiten den gleichen Wert. Ob die Qualität eines Raums vom 21. Dezember die gleiche ist wie die vom 21. Juni? Man vergleiche die Daten, z.B. den Höchststand der Sonne am Mittag (14° gegen 61°) oder die Tageslänge.

Wo steht das Phantom noch hoch im Kurs?

Die Frage lässt sich nicht zuverlässig beantworten, ohne jedes Regelwerk im Detail abzuprüfen. Trotzdem kann man davon ausgehen, dass relevante Regelwerke wie DIN 5034-1: 2021-08 den Tageslichtquotienten nicht nur definieren, sondern auch mit Anforderungen verbinden.

Auf jeden Fall wird D in der ASR A3.4 von 2023 definiert und mit einer Anforderung (5.1 Ausreichendes Tageslicht) verbunden. Das Gebäudezertifizierungssystem DGNB nennt die neueste Norm zur Tageslichtbeleuchtung (DIN EN 17037) in Verbindung mit D ≥ 1,0 bis 2,0 für diverse Typen von Bauten. Nach der Bewertung nach LEED (USA) werden unter Daylight (Indoor Environmental Quality) Werte für D angeführt, um Punkte zu erhalten. Auch BREEAM führt unter Daylighting D als eine Alternative zu moderneren Methoden an.

Das Deutsche Architektenblatt hebt bei der Vorstellung der neuen Norm zu Tageslicht in Innenräumen ebenfalls auf den Tageslichtquotient ab. (hier) Allerdings geben die Architekten selbst nicht allzu viel auf den Tageslichtquotient. Denn bei den Regelwerken, die die Qualität der Architektur in Deutschland am stärksten bestimmen, den Landesbauordnungen, steht nichts davon. Stattdessen liest man z.B. in der Muster-LBO: “Aufenthaltsräume müssen ausreichend belüftet und mit Tageslicht belichtet werden können. Sie müssen Fenster mit einem Rohbaumaß der Fensteröffnungen von mindestens 1/8 der Netto-Raumfläche des Raumes einschließlich der Netto-Raumfläche verglaster Vorbauten und Loggien haben.“ Die LBO sprechen nicht einmal von Beleuchtung, sondern von Belichtung. Allerdings scheint die Betrachtungsweise der LBO nicht unbedingt logischer. Denn jedes Zimmer mit einer identischen Fenstergröße in Burj Khalifa (828 Meter hoch, 163 Etagen) in einer der 163 Etagen ist nach dieser Denke gleich mit Tageslicht belichtet. Dabei gilt das nicht einmal für drei Etagen eines freistehenden Einfamilienhauses in Deutschland.

Totgesagte leben lange. So wird dem Phantom Tageslichtquotient unter allen lichttechnischen Begriffen möglicherweise das längste Leben zuteil. Geboren 1895, immer noch wichtig in einer Arbeitsschutzvorschrift in 2023 – das muss man können.

Wer kann das Phantom beerben?

Es gibt eine Reihe methodischer Ansätze, die das starre System des Tageslichtquotienten ablösen können. So wird in DIN EN 17037 auch die geografische Lage eines Gebäudes einbezogen. Es wird geprüft, ob an einer bestimmten Anzahl von Stunden (z. B. 2.190 Stunden pro Jahr) eine Zielbeleuchtungsstärke erreicht wird. Dabei werden reale Klimadaten des Standorts (EPW-Dateien) verwendet, sodass ein Gebäude in Madrid anders bewertet wird als ein identisches Gebäude in Oslo.

Zunehmend werden klimabasierte Tageslichtmodellierungen (kurz CBDM für Climate-Based Daylight Modelling) benutzt. Im Gegensatz zu statischen Methoden nutzt CBDM sogenannte Meteorologische Datensätze (z. B. EPW-Dateien). Diese enthalten für einen spezifischen Standort (z. B. Berlin oder München) stündliche Informationen über die direkte Sonneneinstrahlung, diffuse Himmelsstrahlung und Sonnenstand.

So neu ist diese Denke nicht. Wir haben auf diese Art und Weise die Belichtung der Münchner Olympia-Sportstätten berechnen müssen. Das war allerdings seinerzeit in 1968-1969 ein wissenschaftlicher Akt. Heute kann man auf fertige Methoden und verlässliche Zahlen zurückgreifen.