Umfassender Vergleich von natürlichem Licht und elektrischen Lichtquellen | Pflichtlektüre für Beleuchtungsfachleute

Knoop, M., Stefani, O., Bueno, B., et al. (2020). Daylight: What makes the difference? Lighting Research & Technology, 52(3), 423-442.

Tageslicht ist die ganzheitliche Kombination der lichttechnischen Eigenschaften des Sonnenlichts aus direkter Solarstrahlung und des Himmelslichts aus diffuser Solarstrahlung (Abbildung 1). Im Gegensatz zur elektrischen Beleuchtung ist Tageslicht hochdynamisch und ändert sich innerhalb und zwischen Tagen, im Jahresverlauf und mit den Wetterbedingungen in Intensität, Farbe, Diffusität und Richtung. Tageslichtnutzung bezieht sich auf die Beleuchtung von Innenräumen durch Tageslicht, das durch Öffnungen in der Gebäudehülle geliefert wird.

Dieser Artikel entstand aus Diskussionen zwischen den Autoren bei einem Seminar in Berlin im Juni 2018 und ist nicht als umfassende Übersichtsarbeit gedacht. Zweck des Seminars war es, eine interdisziplinäre Diskussion über die verschiedenen wissenschaftlichen, technischen und kreativen Aspekte der Unterschiede zwischen Tageslicht und elektrischem Licht widerzuspiegeln. Als erster Schritt soll dieser Überblick eine Grundlage für weitere, spezifischere Diskussionen und Forschungen bieten.

Zahlreiche umfragebasierte Studien haben gezeigt, dass Tageslicht in den meisten Umgebungen gegenüber der elektrischen Beleuchtung bevorzugt wird[1-5]. Boyce et al [6] stellen fest, dass ‘Es besteht kein Zweifel, dass Menschen Tageslicht gegenüber elektrischer Beleuchtung als ihre primäre Lichtquelle bevorzugen’, und geben einen Überblick über die Literatur, der zeigt, dass ein hoher Prozentsatz der Befragten lieber bei Tageslicht arbeitet. Die meisten Studien wurden in Breiten um 50°N durchgeführt [2,3,7]; eine Studie in den Tropen deutet darauf hin, dass die Mehrheit der Nutzer auch lieber bei Tageslicht arbeitet [8].

Viele Übersichtsarbeiten dokumentieren die Bedeutung des Tageslichts für Gesundheit, Wohlbefinden und Nachhaltigkeit sowie die Auswirkungen auf die Architektur [5-13]. Veitch und Galasiu [11] fassen zusammen: 'Die Übersichten [5,14] kamen zu dem Schluss, dass die meisten Mitarbeiter Fenster und Tageslichtbeleuchtung wünschen und dass diese zur Gesundheit und zum Wohlbefinden beitragen’. Hier zeigen wir, dass die spezifischen Eigenschaften und damit verbundenen Vorteile des Tageslichts, wie in Tabelle 1 zusammengefasst, die diese menschliche Reaktion hervorrufen, über subjektive Präferenzen für natürliches Licht hinausgehen, wie von Haans [15] diskutiert.

Viele Übersichtsartikel dokumentieren die Bedeutung des Tageslichts für Gesundheit, Wohlbefinden und Nachhaltigkeit sowie dessen Auswirkungen auf die Architektur. Veitch und Galasiu fassen zusammen: „Die meisten Mitarbeiter in Büroräumen wünschen sich Fenster und natürliche Beleuchtung, die positiv zur Gesundheit und zum Wohlbefinden beitragen.“ Dieser Artikel weist ferner darauf hin, dass die spezifischen Eigenschaften des Tageslichts und ihre Vorteile (zusammengefasst in Tabelle 1) über die subjektiven Präferenzen der Menschen für natürliches Licht hinausgehen, wie von Haans diskutiert.

Tabelle 1 Eigenschaften von Tageslicht und elektrischer Beleuchtung

Der menschlichen Präferenz für Tageslicht liegen Erfahrungen zugrunde, die unmittelbare physische Reize transzendieren, die oft von ihrer Natur so orchestriert werden, dass sie mit kontextbezogenem Wissen verwoben sind. Die Sonne wurde in vielen Kulturen verehrt, wobei Sonnenlicht und die Qualitäten von Schatten und Dunkelheit allgemein als Quelle spiritueller und ästhetischer Erfahrung sowie von Gesundheit und Wohlbefinden empfunden werden.

Der zugrunde liegende Grund für die Präferenz der Menschen für Tageslicht sind Erfahrungen, die unmittelbare physische Reize transzendieren, die oft mit kontextbezogenem Wissen verflochten sind. Die Sonne wird in vielen Kulturen verehrt, und Sonnenlicht sowie die Qualitäten von Schatten und Dunkelheit gelten allgemein als Quellen spiritueller und ästhetischer Erfahrung sowie von Gesundheit und Wohlbefinden.

Im Gegensatz zum Tageslicht ist die elektrische Beleuchtung eine kontrollierbare künstliche Lichtquelle, die mit Fortschritten in Wissenschaft und Technologie verbunden ist und die sowohl leichter zu untersuchen als auch zu konstruieren ist, um spezifische Ergebnisse zu erzielen. Im Gegensatz dazu ist Tageslicht als natürliche Quelle schwerer zu kontrollieren, und die täglichen, saisonalen und jährlichen Dynamiken des Tageslichts erzeugen an verschiedenen Orten unterschiedliche Ergebnisse, die zusätzlich durch Wetterbedingungen beeinflusst werden. Aufgrund dieser geografischen Unterschiede kann die angemessene Tageslichtnutzung von der Exposition gegenüber Sonnen- und Himmelslicht bis zum vollständigen Ausschluss von Sonnenlicht aus Gebäuden variieren.

Im Gegensatz zum Tageslicht ist Elektrische Lichtquelle eine kontrollierbare künstliche Lichtquelle, ein Produkt der Wissenschaft und Technik, das leichter zu studieren, zu entwerfen und anzuwenden ist, um spezifische Ergebnisse zu erzielen. Im Gegensatz dazu ist Tageslichtnutzung als natürliches Produkt schwerer zu kontrollieren, und ihre täglichen, saisonalen und jährlichen dynamischen Veränderungen führen an verschiedenen Orten zu unterschiedlichen Ergebnissen, die zusätzlich durch Wetterbedingungen beeinflusst werden. Aufgrund dieser geografischen Unterschiede variiert die angemessene Tageslichtnutzung stark: von der Exposition gegenüber Sonnen- und Himmelslicht bis zur vollständigen Blockierung direkter Sonneneinstrahlung.

Darüber hinaus hängt die Nutzung von Tageslichtöffnungen in der Gebäudehülle von der Funktion des Innenraums sowie von den Anforderungen der Nutzer an Privatsphäre, Aussicht, Blendungsschutz und Management der solaren Wärmegewinne ab. Individuen reagieren auch unterschiedlich auf Tageslicht, wie beispielsweise von Pierson et al. [16] überprüft. Ein komplexes Gefüge aus individuellen, physiologischen, kulturellen, geografischen und saisonalen Präferenzen und Eigenschaften liegt dem Wunsch nach Tageslicht zugrunde, sowie der darauffolgenden menschlichen Reaktion und den Umwelt- und monetären Vorteilen.

Darüber hinaus hängt die Nutzung von Tageslichtöffnungen in der Gebäudehülle von der Funktion des Innenraums sowie von den Anforderungen der Nutzer an Privatsphäre, Aussicht, Blendungsschutz und Management der solaren Wärmegewinne ab. Individuelle Reaktionen auf Tageslichtnutzung variieren ebenfalls, wie von Pierson et al. überprüft. Die Gründe hinter dem Wunsch der Menschen nach Tageslichtnutzung und ihrer Reaktion darauf sind komplex: sie integrieren individuelle, physiologische, kulturelle, geografische und saisonale Präferenzen und Merkmale sowie Umwelt- und wirtschaftliche Vorteile.

2. Visuelle Leistung

Das Sehen ist der am weitesten entwickelte Sinn beim Menschen, und daher ist unsere Spezies erheblich auf die Bereitstellung von Licht ausreichender Qualität angewiesen. Die Sehleistung, definiert als die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Verarbeitung visueller Informationen, wird durch die Beleuchtungsbedingungen beeinflusst [17]. Tageslicht ist eine sehr gute Lichtquelle zur Unterstützung der Sehleistung. Es ist eine flimmerfreie Lichtquelle mit einer kontinuierlichen spektralen Leistungsverteilung, die den gesamten sichtbaren Bereich abdeckt (Abbildung 2).

Das Sehen ist der am weitesten entwickelte Sinn beim Menschen, daher sind wir stark auf Licht angemessener Qualität angewiesen. Die Sehleistung wird als die Geschwindigkeit und Genauigkeit der Verarbeitung visueller Informationen definiert und wird durch die Beleuchtungsbedingungen beeinflusst. Natürliches Licht ist eine hervorragende Lichtquelle, die die Sehleistung unterstützt; es ist eine flimmerfreie Lichtquelle mit einer Leistungsverteilung eines kontinuierlichen Spektrums, die den gesamten sichtbaren Spektralbereich abdeckt (Abbildung 2).

Die hohen Beleuchtungsstärken (Abbildung 3) ermöglichen die Unterscheidung feiner Details und unterstützen so die Sehschärfe. Blendung muss sowohl bei Tageslicht als auch bei elektrischem Licht kontrolliert werden. Die spektrale Leistungsverteilung des Tageslichts bietet eine optimale Farbwiedergabe und ermöglicht eine bessere Farbunterscheidung als die meisten elektrischen Beleuchtungen, während die Richtungscharakteristik sowohl von Tageslicht als auch von elektrischem Licht Schatten erzeugen kann, die Details für dreidimensionale Aufgaben hervorheben.

Hohe Beleuchtungsstärke (Abbildung 3) unterstützt die Sehschärfe, indem sie die Unterscheidung von Details ermöglicht. Blendung durch sowohl natürliches Licht als auch elektrische Lichtquellen muss kontrolliert werden. Die spektrale Leistungsverteilung des natürlichen Lichts bietet eine optimale Farbwiedergabe und ermöglicht eine bessere Farbunterscheidung als die meisten elektrischen Lichtquellen; die Richtungscharakteristik sowohl natürlicher als auch elektrischer Lichtquellen kann Schatten erzeugen, die Details hervorheben und so dreidimensionale Sehaufgaben unterstützen.

3. Gutes Sehvermögen

Ein Mangel an Tageslichtexposition scheint mit der Entwicklung von Kurzsichtigkeit oder Myopie verbunden zu sein. Myopie ist die häufigste Sehstörung, die junge Menschen betrifft; sie hat in Ostasien epidemische Ausmaße erreicht und nimmt auch anderswo zu. Myopie wird normalerweise erstmals bei Kindern im Schulalter diagnostiziert. Neuere Studien haben die Idee wiederbelebt, dass es die Umgebung ist, in der Kinder lernen, die bestimmt, ob sie kurzsichtig werden oder nicht [18]. Es scheint, dass Kinder, die sich im Freien aufhalten, geringere Myopie-Werte aufweisen [19]. Daher kann die Tageslichtexposition auf Niveaus, die deutlich höher sind als die typischerweise in Innenräumen anzutreffenden (Abbildung 3), wichtig für die Prävention von Myopie sein.

Ein Mangel an natürlichem Licht scheint mit der Entwicklung von Kurzsichtigkeit verbunden zu sein. Kurzsichtigkeit ist die häufigste Sehstörung, die junge Menschen betrifft; sie hat in Ostasien epidemische Ausmaße erreicht und nimmt auch anderswo zu. Kurzsichtigkeit wird normalerweise erstmals bei Kindern im Schulalter diagnostiziert. Neuere Studien haben die Ansicht wiederbelebt, dass es die physische Lernumgebung ist, die bestimmt, ob sie kurzsichtig werden (iLLab-Hinweis: Lange Zeit ging die Wissenschaft davon aus, dass Kurzsichtigkeit durch übermäßige Augenbelastung verursacht wird und wenig mit der Umwelt zu tun hat.). Kinder mit ausreichenden Outdoor-Aktivitäten haben ebenfalls niedrigere Werte an Kurzsichtigkeit. Daher kann die Exposition gegenüber natürlichem Licht bei Beleuchtungsstärken, die deutlich höher sind als die typischen Innenraumwerte (Abbildung 3), eine wichtige Rolle bei der Prävention von Kurzsichtigkeit spielen.

Die genauen biologischen Mechanismen, durch die der Aufenthalt im Freien die Sehkraft von Kindern schützen kann, sind noch nicht vollständig verstanden. Die Hypothesen sind, dass (i) helles Licht die Freisetzung des retinalen Neurotransmitters Dopamin stimuliert, der das axiale Wachstum des Auges hemmt, das Kurzsichtigkeit verursacht; (ii) da zirkadiane Rhythmen im Auge das okuläre Wachstum beeinflussen, wurde die Störung solcher Rhythmen durch niedrige Lichtpegel auch als Entwicklungsfaktor vorgeschlagen [20] und (iii) es gibt eine geografische und saisonale Komponente, da sowohl die Augenverlängerung als auch das Fortschreiten der Myopie zunehmen, wenn die Tageslänge kürzer wird [21]. Der komplexe Schutzeffekt des Tageslichts kann von vielen miteinander verknüpften Aspekten abhängen, einschließlich der Dauer und des Zeitpunkts der Tageslichtexposition, der Wellenlänge und der Intensität.

Die genauen biologischen Mechanismen der schützenden Wirkung von natürlichem Licht auf die Sehkraft von Kindern sind noch nicht klar, aber es gibt drei verwandte Hypothesen: (i) Helles Licht kann die Freisetzung des retinalen Neurotransmitters Dopamin stimulieren und dadurch das axiale Wachstum des Auges hemmen, das zu Myopie führt; (ii) Da zirkadiane Rhythmen im Auge das Wachstum des Augapfels beeinflussen, werden niedrige Lichtpegel, die diese Rhythmen stören, ebenfalls als Entwicklungsfaktor angesehen; (iii) Es gibt geografische und saisonale Faktoren, da sowohl die axiale Verlängerung als auch das Fortschreiten der Myopie zunehmen, wenn die Tageslichtstunden kürzer werden. Der komplexe Schutzeffekt von natürlichem Licht kann von vielen miteinander verbundenen Aspekten abhängen, einschließlich der Dauer und des Zeitpunkts der Exposition gegenüber natürlichem Licht sowie seiner Wellenlänge und Intensität.

Übermäßige Naharbeit kann auch die Sehkraft von Kindern schädigen; obwohl die Beweise dafür uneinheitlich sind, berichtete eine aktuelle Übersicht zur Myopieprävention von Lagrèze und Schaeffel [22], dass „Eine Person mit geringer Tageslichtexposition ein fünffach erhöhtes Risiko hat, an Myopie zu erkranken, das auf das 16-fache ansteigen kann, wenn diese Person auch Naharbeiten verrichtet“.

Übermäßige Naharbeit (iLLab-Hinweis: visuelle Aufgaben) kann auch die Sehkraft von Kindern schädigen; obwohl die einschlägigen Beweise uneinheitlich sind, berichtete eine aktuelle Übersicht zur Myopieprävention von Lagrèze und Schaeffel: „Menschen mit geringer Exposition gegenüber natürlichem Licht haben ein fünfmal höheres Myopierisiko als der Durchschnitt, und wenn sie auch Nah-Sehaufgaben ausführen, kann das Risiko bis zu 16-mal höher sein.“

Die spektrale Komponente der Tageslichtexposition (Abbildung 2) kann die visuelle Farbleistung beeinflussen. Reimchen [23] zeigte, dass Farbsehschwächen in nördlichen Breitengraden häufiger vorkommen, wo die Dämmerung einen größeren Teil des Tages einnimmt als am Äquator, wo Farbsehschwächen sehr selten sind. Eine Studie zur visuellen Wahrnehmung bei Personen, die unterhalb und oberhalb des Polarkreises in verschiedenen Jahreszeiten geboren wurden, zeigte, dass eine Verringerung des Tageslichts und eine erhöhte Exposition gegenüber Dämmerung und elektrischer Beleuchtung im Säuglingsalter die Farbempfindlichkeit veränderte; Teilnehmer, die im Herbst oberhalb des Polarkreises geboren wurden, zeigten die niedrigste Gesamtfarbleistung [24].

Die spektrale Komponente des natürlichen Lichts (Abbildung 2) kann die visuelle Effizienz in Bezug auf Farbe beeinflussen. Die Forschung von Reimchen zeigt, dass Farbsehstörungen in nördlichen Breitengraden häufiger und in äquatorialen Regionen selten sind. Im Vergleich zu äquatorialen Regionen nimmt die Dämmerung in nördlichen Breitengraden einen längeren Teil des Tages ein. Eine Studie zur visuellen Wahrnehmung bei Personen, die in verschiedenen Jahreszeiten in der Nähe des Polarkreises geboren wurden, zeigte, dass eine verringerte Exposition gegenüber natürlichem Licht und eine erhöhte Exposition gegenüber Dämmerung und elektrischen Lichtquellen im Säuglingsalter die Farbsehsensitivität verändern; Säuglinge, die im Herbst geboren wurden und außerhalb des Polarkreises lebten, hatten die niedrigste Farbseheffizienz.

4. Zirkadiane Synchronisation

Richtig getimtes Licht kann den zirkadianen Rhythmus synchronisieren, was wichtig ist, um die Schlafqualität, Gesundheit, Stimmung und kognitiven Fähigkeiten einer Person positiv zu beeinflussen [25]. Tageslicht ist aufgrund seiner zeitlichen Schwankungen in der spektralen Leistungsverteilung und Intensität (Abbildung 4) der natürliche Zeitgeber („Zeitgeber“) zur Synchronisation des zirkadianen Rhythmus und des Schlaf-Wach-Zyklus. Morgendämmerung und Abenddämmerung sind wichtige Signale für die Synchronisation, wobei hohe Lichtpegel tagsüber und Dunkelheit nachts für einen optimalen Schlaf unerlässlich sind.

Der Lichteintrag in das System des zirkadianen Rhythmus erfolgt über intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGC), die besonders empfindlich auf die kurzwellige „blaue“ Komponente des Lichts reagieren. Diese 2002 entdeckten Zellen [26,27] sind mit der zirkadianen Uhr und anderen Teilen des Gehirns verbunden und beeinflussen hauptsächlich nicht-visuelle Funktionen [28]. Zur Unterstützung der zirkadianen Funktionalität ist die Exposition gegenüber hellem und kurzwelligem Licht tagsüber wichtig, zusammen mit der Vermeidung von Licht in der Nacht. Eine Studie in der Antarktis zeigte eine bessere Schlafqualität des Basispersonals während der Jahreszeit mit Tageslicht und seinen vorherrschend höheren Lichtpegeln im Vergleich zur Schlafqualität während des Polawinters mit nur elektrischer Beleuchtung. Beim Vergleich der elektrischen Beleuchtungsbedingungen war blau-angereichertes Licht (17.000 K) effizienter als helles Weißlicht (5.000 K) bei der Unterstützung guter Schlaf-Wach-Zyklen [29]. In Innenräumen kann eine reduzierte Sonnenlichtexposition tagsüber zusammen mit der Exposition gegenüber elektrischem Licht nach Sonnenuntergang das Timing der zirkadianen Uhr verzögern, was zu Schwierigkeiten beim Einschlafen in der Nacht und Problemen beim pünktlichen Aufstehen am Morgen führt.

Die Wirkung von Licht auf das zirkadiane Rhythmus-System wird hauptsächlich durch intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGCs) vermittelt, die besonders empfindlich auf kurzwellige „Blaulicht“-Komponenten reagieren. Diese Zellen wurden im Jahr 2002 entdeckt; sie sind mit der biologischen Uhr und anderen Gehirnregionen verbunden und beeinflussen vorwiegend nicht-visuelle Funktionen. Um den zirkadianen Rhythmus aufrechtzuerhalten, ist tagsüber helles, kurzwelliges Licht erforderlich, während nachts Lichtexposition vermieden werden sollte. Eine in der Antarktis durchgeführte Studie zeigte, dass das Personal der Basis während Perioden mit natürlichem Licht (höhere Lichtwerte) eine bessere Schlafqualität und während der Polarnacht (nur elektrische Lichtquellen) eine schlechtere Schlafqualität hatte. Beim Vergleich der Bedingungen elektrischer Lichtquellen unterstützte lichtreiches Blaulicht (17.000 K) einen guten Schlaf-Wach-Rhythmus effektiver als helles Weißlicht (5.000 K). In Innenräumen kann eine reduzierte Sonnenlichtexposition tagsüber, kombiniert mit der Verwendung elektrischer Lichtquellen nach Sonnenuntergang, die Phase des zirkadianen Rhythmus verzögern, was zu Einschlafschwierigkeiten in der Nacht und Aufwachschwierigkeiten am Morgen führt.

Die ausschließliche Exposition gegenüber Tageslicht synchronisiert das zirkadiane Rhythmus-System mit der Solarzeit [30,31]. Roenneberg und Merrow [32] schlugen vor, zirkadiane Fehlausrichtungen zu behandeln und zu verhindern, indem sie ‘Lichtumgebungen stärken (mehr Licht tagsüber und weniger Licht nachts). Dies erfordert die Nutzung dynamischer Änderungen der spektralen Zusammensetzung und die Anwendung architektonischer Lösungen, um mehr Tageslicht in Gebäude zu bringen’. Die künstliche Bereitstellung der hochamplitudigen zeitlichen Dynamik des Tageslichts mittels elektrischer Beleuchtung erfordert einen erheblichen Energieaufwand. Es wird angenommen, dass Tageslicht die beste und geeignetste Lichtquelle für die zirkadiane Synchronisation ist, obwohl es an schlüssigen Forschungsergebnissen dafür mangelt.

Die Exposition gegenüber reinem natürlichem Licht kann das zirkadiane Rhythmus-System mit der Solarzeit synchronisieren. Roenneberg und Merrow schlugen vor, Störungen des zirkadianen Rhythmus zu behandeln und zu verhindern, indem sie „die Lichtumgebung stärken“ (mehr Licht tagsüber, weniger Licht nachts). Dies erfordert die Nutzung dynamischer Änderungen der Spektrumzusammensetzung und die Übernahme architektonischer Gestaltungslösungen, um mehr natürliches Licht in Gebäude einzubringen. Die Bereitstellung einer hochamplitudigen Dynamik, die dem natürlichen Licht ähnelt, durch künstliche Beleuchtung erfordert einen hohen Energieverbrauch. Die Standardprämisse hier ist, dass natürliches Licht (iLLab: bedeutet alles natürliche Licht, einschließlich Tages- und Nachtperioden, einschließlich Zhuge Liang und Zhuge An) die perfekte Lichtquelle zur Regulierung des zirkadianen Rhythmus ist, aber es fehlen klare Forschungsergebnisse.

Dämmerungs- und Abenddämmerungssignale sind die stärksten Zeitgeber, die kein Licht hoher Intensität erfordern, sondern ein Muster tageszeitlicher Veränderungen mit Sonnenaufgang und Sonnenuntergang. Sie hängen vom Tag des Jahres und vom Breitengrad ab. Simulationsstudien haben eine schnelle Phasenvorverlagerung bei einem einzelnen Dämmerungsimpuls gezeigt [33], und die Exposition gegenüber natürlicher Morgen- und Abenddämmerung positioniert den Schlaf sofort wieder innerhalb der Nacht [31]. Im Vergleich zur statischen Beleuchtung führte dynamische Beleuchtung, die einen natürlichen Sonnenaufgang durch eine Änderung der Farbtemperatur (von 1090 K bis 2750 K) und der Beleuchtungsstärke am Auge (0–250 lx) simulierte, zu einer besseren subjektiven Stimmung und Wohlbefinden [34], einer besseren kognitiven Leistung [35] und könnte ein potenzieller Schutz vor kardialer Vulnerabilität in den kritischen Morgenstunden sein [36]. Dynamische Beleuchtung, die morgens und abends niedrigere Beleuchtungsbedingungen und Farbtemperaturen beinhaltete, führte im Vergleich zu statischem Licht zu einer signifikant höheren Melatoninproduktion 1 Stunde vor dem Schlafengehen [37].

Dämmerungs- und Abenddämmerungssignale sind die stärksten Zeitgeber, die kein Licht hoher Intensität erfordern, sondern ein Muster der Veränderung während des Tageszyklus mit Sonnenaufgang und Sonnenuntergang. Diese Signale hängen vom Tag des Jahres und vom geografischen Standort ab. Simulationsstudien zeigen, dass ein einzelner Dämmerungsimpuls die Phase des zirkadianen Rhythmus schnell vorverlagern kann; die Exposition gegenüber natürlicher Morgen- und Abenddämmerung kann den Schlafzyklus sofort auf die Nacht zurücksetzen. Im Vergleich zur statischen Beleuchtung kann dynamische Beleuchtung, die einen natürlichen Sonnenaufgang simuliert (durch Änderungen der Farbtemperatur von 1090-2750 K und der Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe von 0-250 lx), die subjektive Stimmung und das Wohlbefinden verbessern, die kognitive Leistung steigern und kann vor kardialer Vulnerabilität in den kritischen Morgenstunden schützen. Dynamische Beleuchtung, die morgens und abends niedrige Beleuchtungsstärken und niedrige Farbtemperaturen bietet, kann den Sekretionsspiegel von Melatonin eine Stunde vor dem Schlafengehen im Vergleich zur statischen Beleuchtung signifikant erhöhen.

Tageslicht im Freien bietet von Natur aus zeitliche Dynamik. Daher ist die einfachste Lösung, um ausreichend zirkadianen Stimulus zu erhalten, nach draußen zu gehen. Dennoch verbringen Menschen in der modernen, industrialisierten Gesellschaft bis zu 90 % ihrer Zeit in Innenräumen [38–41]. In Gebäuden verändern die Form und die Fassade sowie die Wahl des Verglasungsmaterials der Fenster und des Beschattungssystems die Intensität, Farbe und Verteilung des Tageslichts im Inneren. Die für den Raumnutzer verfügbaren Tageslichtbedingungen hängen auch von seiner Entfernung zum Fenster, der Geometrie des Raums und den Oberflächenreflexionen ab. Je nach Tageslichtplanung kann das Innentageslicht oft einen ausreichenden Stimulus und Unterstützung für das zirkadiane System bieten und bleibt somit die übliche Lichtquelle zur zirkadianen Unterstützung. Büroangestellte mit Zugang zu Fenstern haben eine bessere Schlafqualität berichtet als solche ohne Fenster [42]. Die Schlafqualität steigt mit höherer Tageslichtverfügbarkeit im Sommer [43], wobei die Dauer über einem Schwellenwert von 1000 lx oder 2500 lx auf Augenhöhe ein Indikator für eine bessere Schlafqualität ist [44].

Natürliches Licht im Freien kann intrinsische zeitliche dynamische Veränderungen bieten. Daher ist die einfachste Lösung, um zirkadianen Lichtstimulus zu erhalten, „nach draußen gehen“. In modernen industrialisierten Gesellschaften verbringen Menschen jedoch bis zu 90 % ihrer Zeit in Innenräumen. Der Gebäudetyp, die Fassade, die Verglasungsmaterialien der Fenster und die Beschattungssysteme verändern alle die Intensität, Farbe und Verteilung des natürlichen Lichts, das in den Innenraum eindringt. Die für die Raumnutzer verfügbaren natürlichen Lichtbedingungen hängen auch von ihrer Entfernung zum Fenster, der Raumgeometrie und dem Oberflächenreflexionsgrad ab. Je nach Tageslichtplanung ist das natürliche Licht im Innenraum oft ausreichend, um den zirkadianen Rhythmus anzutreiben und zu regulieren, sodass die Innenbeleuchtung immer als übliche Lichtquelle zur Aufrechterhaltung des zirkadianen Rhythmus gedient hat (iLLab-Hinweis: was bedeutet, dass zusätzliches sogenanntes „zirkadianes Lighting“ nicht wirklich benötigt wird) . Arbeitnehmer in Büroräumen mit Fenstern haben eine bessere Schlafqualität berichtet als solche ohne Fenster. Wenn die Lichtexposition, die länger als ein bestimmter Schwellenwert von 1000 oder 2500 lx (Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe) dauert, als Indikator im Zusammenhang mit der Schlafqualität verwendet wird, dann verbessert sich die Schlafqualität mit zunehmenden Tagesstunden im Sommer (iLLab-Hinweis: dies ist auch das Prinzip hinter der künstlichen Lichtinterventionstherapie bei saisonaler affektiver Störung in hochgelegenen Regionen Nordeuropas im Herbst und Winter) .

Im Vergleich von Tageslicht zu elektrischen Lichtbedingungen stellen Turner et al. [45] fest: „Die typische Beleuchtungsstärke in Wohnräumen [im Durchschnitt 100 Lux oder weniger aufgrund der elektrischen Beleuchtung] ist selbst für junge Erwachsene zu niedrig für die Bedürfnisse des zirkadianen Rhythmus. Eine richtig getimte Exposition gegenüber Sonnenlicht oder anderen hellen Lichtquellen ist für das geistige und körperliche Wohlbefinden in allen Altersgruppen von entscheidender Bedeutung. […] Im Allgemeinen profitieren die meisten Menschen von mehreren Stunden mit mindestens 2500 Lux blau gewichteter Lichtexposition (idealerweise Sonnenlicht), beginnend am frühen Morgen. Helles Licht verbessert unmittelbar und direkt Kognition, Wachheit, Leistung und Stimmung, sodass helle Umgebungen den ganzen Tag über zusätzliche Vorteile bieten, insbesondere für Menschen mittleren oder höheren Alters.“

In Bezug auf den Vergleich zwischen natürlichem Licht und elektrischen Lichtquellen stellen Turner et al. fest: „Typische Beleuchtungsstärken in Wohnräumen (durchschnittlich 100 Lux oder weniger, von elektrischen Lichtquellen) sind zu niedrig für die Bedürfnisse des zirkadianen Rhythmus, selbst für junge Menschen (iLLab-Hinweis: ältere Erwachsene benötigen höhere Lichtdosen). Eine richtig getimte Exposition gegenüber Sonnenlicht oder anderen hellen Lichtquellen ist entscheidend für die geistige und körperliche Gesundheit von Menschen aller Altersgruppen. […] Im Allgemeinen sind mehrere Stunden der blau gewichteten Lichtexposition über 2500 Lux (vorzugsweise Sonnenlicht), beginnend am frühen Morgen, für die meisten Menschen vorteilhaft. Helles Licht kann Kognition, Erregung, Leistung und Stimmung unmittelbar und direkt verbessern; daher kann der Aufenthalt in einer hellen Umgebung den ganzen Tag über zusätzliche Vorteile bieten, insbesondere für Menschen mittleren und höheren Alters.“

5. Akute, nicht-bildgebende Effekte

Zirkadiane Rhythmus-Reaktionen, wie die Regulation der Schlafzeit, hängen mit netzhautvermittelten Lichtreaktionen zusammen, die durch die ipRGCs vermittelt werden. Darüber hinaus können einige akute Effekte, wie Melatonin-Unterdrückung, Erhöhung der Herzfrequenz oder Wachheit, auch durch Licht über die ipRGCs oder eine Kombination von Photorezeptoren realisiert werden [46]. Sowohl die Intensität als auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts spielen eine Rolle bei der Auslösung oder Vermeidung dieser Effekte. Tageslicht kann hohe Beleuchtungsstärken liefern. Die spektrale Leistungsverteilung des Lichts aus bestimmten Himmelsregionen kann jedoch stark variieren [47]; in Innenräumen kann die Farbtemperatur des Lichts, da das empfangene Tageslicht von der Ausrichtung eines Raums abhängt, erheblich kühler sein als das oft angenommene Kaltweiß mit 6500 K. Die entsprechende spektrale Leistungsverteilung und der Kurzwellenanteil deuten darauf hin, dass Tageslicht ein hohes Potenzial hat, akute nicht-bildgebende Effekte zu unterstützen (Abbildung 5).

Reaktionen des zirkadianen Rhythmus (wie die Regulation der Schlafzeit) hängen mit netzhautvermittelten Lichtreaktionen zusammen, die hauptsächlich durch ipRGCs (intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen) erreicht werden. Darüber hinaus können einige unmittelbare Effekte (wie Melatonin-Unterdrückung, erhöhte Herzfrequenz oder gesteigerte Wachheit) auch durch Licht erzielt werden, das über ipRGCs oder eine Kombination mehrerer Photorezeptoren wirkt. Lichtintensität und Spektrum spielen eine wichtige Rolle bei der Auslösung oder Vermeidung dieser Effekte. Natürliches Licht kann die erforderliche Lichtintensität bereitstellen, aber die spektrale Leistungsverteilung aus bestimmten Himmelsregionen kann stark variieren; daher kann die Farbtemperatur der natürlichen Innenbeleuchtung aufgrund unterschiedlicher Raumausrichtungen kühler sein als das häufig angenommene Kaltweiß mit 6500 K. Die relevante spektrale Leistungsverteilung und die Kurzwellenkomponenten deuten darauf hin, dass natürliches Licht ein großes Potenzial hat, unmittelbare nicht-bildgebende Effekte zu unterstützen (Abbildung 5).

Untersuchungen zu diesen akuten nicht-visuellen Effekten des Lichts wurden größtenteils mit elektrischer Beleuchtung durchgeführt. Es wurde beispielsweise gezeigt, dass die selbstberichtete Tagesleistung, Wachheit und Konzentrationsfähigkeit sowie die Verringerung der Tagesschläfrigkeit sich unter statischer Beleuchtung mit hoher korrelierter Farbtemperatur verbessern[48,49]. Smolders et al. [50] fanden eine erhöhte subjektive Wachheit und Vitalität sowie eine verbesserte objektive Leistung und physiologische Erregung, wenn morgens auf Augenhöhe 1000 lx statt 200 lx angeboten wurden. Obwohl relevante Studien mit Tageslicht begrenzt waren, wird erwartet, dass Tageslicht aufgrund der Verfügbarkeit hoher Lichtstärken zusammen mit der ausgeprägten kurzwelligen Komponente in seinem Spektrum tagsüber sehr effektiv akute nicht-visuelle Effekte erzeugt. Obwohl Lampen speziell entwickelt wurden, um den zirkadianen Rhythmus und akute nicht-visuelle Effekte zu unterstützen, ist Tageslicht die natürliche Lichtquelle, um diese Effekte zu unterstützen, während kaum oder kein Energieverbrauch anfällt.

In Bezug auf diese akuten nicht-visuellen Effekte basieren die meisten Studien auf elektrischen Lichtquellen. Zum Beispiel zeigten zwei Studien, die auf statischer künstlicher Beleuchtung basierten, dass eine hohe Farbtemperatur die selbstberichtete tägliche Arbeitsleistung, Wachheit, Schläfrigkeit und Konzentration verbessern kann. Smolders et al. fanden heraus, dass als die Beleuchtungsstärke auf Augenhöhe morgens von 200 lx auf 1000 lx erhöht wurde, die subjektive Wachheit und Vitalität der Probanden zunahmen, während sich auch die objektive Leistung und die physiologische Erregung verbesserten. Obwohl es nur wenige Studien zu akuten nicht-visuellen Effekten gibt, die auf natürlichem Licht basieren, wird erwartet, dass natürliches Licht in diesem Aspekt eine wichtige Rolle spielt, da es tagsüber hohe Beleuchtungsstärken und kurzwellige spektrale Komponenten bereitstellen kann. Obwohl es derzeit elektrische Lichtquellenprodukte gibt, die speziell für den zirkadianen Rhythmus und akute nicht-visuelle Effekte entwickelt wurden, bleibt natürliches Licht die natürliche Lichtquelle, die diese Effekte mit null oder nahezu null Energieverbrauch unterstützen kann.

6. Erscheinungsbild von Raum, Objekten und Menschen

Die vielfältigen Eigenschaften des Tageslichts (sowohl Sonnenlicht als auch Himmelslicht) beeinflussen das Erscheinungsbild von Raum, Objekten und Menschen und schaffen eine spezifische wahrgenommene Raumatmosphäre, die den emotionalen Zustand der Bewohner beeinflussen kann. Es gibt keine schlüssigen Forschungen über die Auswirkungen dynamischer Änderungen der Richtungsabhängigkeit und Diffusität aufgrund von Variationen des Sonnen- und Himmelslichts, die in gebaute Umgebungen eindringen. Allerdings, Nutzer eines Raumes sind empfindlich gegenüber der Intensität, Richtung und Diffusität des Lichts in einem Raum [51].

Die vielfältigen Eigenschaften des Tageslichts (einschließlich Sonnenlicht und Himmelslicht) beeinflussen das Erscheinungsbild von Räumen, Objekten und dem menschlichen Körper und schaffen eine spezifische wahrgenommene Atmosphäre, die den emotionalen Zustand der Nutzer beeinflusst. Derzeit gibt es keine schlüssigen Forschungen zu den Auswirkungen der dynamischen Veränderungen der Richtungsabhängigkeit und Diffusität von Sonnen- und Himmelslicht in der gebauten Umwelt. Allerdings sind Menschen sehr empfindlich gegenüber Lichtintensität, Richtungsabhängigkeit und Diffusität im Raum.

Elektrische Lichtsysteme liefern Licht normalerweise von mehreren Punkten, die über einen Raum verteilt sind, was zu Lichtstrahlen verschiedener Intensitäten und Richtungen führt, die sich überschneidende Schatten erzeugen, die als visuelles Rauschen wahrgenommen werden können. Im Gegensatz dazu wird Tageslicht durch ein Fenster oder ein Oberlicht eingeführt, das eine Hauptrichtung nach innen in den Raum von der Öffnung in der Gebäudehülle hat. Dies schafft visuelle Klarheit, die einen Eindruck von Ruhe im Raum vermitteln kann. Die räumliche Lichtverteilung beeinflusst auch das Erscheinungsbild des Raums sowie die wahrgenommene Darstellung von Objekten und menschlichen Gesichtern. Es wurde gezeigt, dass das Erscheinungsbild der Gesichter von Personen, die in der Nähe des Fensters sitzen und seitlich vom Tageslicht beleuchtet werden, mit positiven Attributen versehen wird, und hohe Leuchtdichtekontraste werden nicht als störend empfunden [52].

Systeme mit elektrischen Lichtquellen liefern Licht normalerweise durch mehrere im Raum verteilte Punkte mit unterschiedlichen Intensitäten und Richtungen, wodurch sich überschneidende Schatten entstehen, die als visuelles Rauschen wahrgenommen werden können. Im Gegensatz dazu tritt Tageslicht durch Fenster oder Oberlichter in den Raum ein und projiziert Licht mit einer Hauptrichtung von den Öffnungen in der Gebäudehülle nach innen. Dieses Licht schafft visuelle Klarheit und verleiht dem Raum somit ein Gefühl der Ruhe. Die räumliche Lichtverteilung beeinflusst auch das Erscheinungsbild des Raums sowie die visuelle Darstellung von Objekten und menschlichen Gesichtern. Studien haben gezeigt, dass Gesichtern von Personen in der Nähe von Fenstern, die seitlich vom Tageslicht beleuchtet werden, positive Eigenschaften zugeschrieben werden, und dieser hohe Leuchtdichtekontrast verursacht keine Belästigung (iLLab-Hinweis: Der Begriff „naohuo“ aus dem Sichuan-Chongqing-Dialekt ist präziser).

Aufgrund der Größe eines Fensters sind Schatten typischerweise ‘weich’, was als geeignet für eine gute Modellierung angesehen wird [53]. Darüber hinaus scheint Seitenlicht oder ein lateraler ‘Fluss’ von Licht bei der Wahrnehmung menschlicher Gesichter und Objekte bevorzugt zu werden; Tageslicht durch Fenster ist wirksam, um solche räumlichen Lichtverteilungen zu realisieren (Abbildung 6)[54–56].

Aufgrund der größeren Größe von Fenstern sind die entstehenden Schatten normalerweise ‘weich’, was als geeignet für eine gute Modellierung angesehen wird. Darüber hinaus scheint Seitenlicht oder der ‘Fluss’ von Licht bei der Wahrnehmung menschlicher Gesichter und Objekte bevorzugt zu werden, und Tageslicht durch Fenster kann diese Art der räumlichen Lichtverteilung effektiv erreichen (Abbildung 6).

Untersuchungen unter Bedingungen der elektrischen Beleuchtung zeigten, dass die Helligkeit der Raumoberflächen, vorzugsweise größer als 30–40 cd/m² in einem horizontalen Band von 20° über und unter der Sichtlinie, Büroräumen visuelle Leichtigkeit und Attraktivität verleihen [57–60]. Auch die Lichtmenge ist wichtig für die wahrgenommene Geräumigkeit [61,62], wobei eine wandorientierte Beleuchtung allein oder in Kombination mit einer geringen Deckenbeleuchtung scheinbar vorteilhaft für die Geräumigkeit ist [61,63]. Eine großmaßstäbliche Studie (Abbildung 7) zu einer Reihe von Raumqualitätsattributen zeigte, dass hohe Tageslichtniveaus aus großen Fenstern entscheidend sind, um einen angenehmeren, anregenden, komplexen, lesbaren, kohärenten und offenen Raum zu erreichen [64].

Studien unter Bedingungen der elektrischen Lichtquelle zeigen, dass die Leuchtdichte der Raumoberflächen (vorzugsweise größer als 30–40 cd/m² innerhalb eines horizontalen Bands von 20° über und unter der Sichtlinie) Büros ein Gefühl visueller Leichtigkeit und Attraktivität verleihen kann. Die Menge der Beleuchtungsstärke ist auch wichtig für das wahrgenommene Raumgefühl; eine wandorientierte Beleuchtung allein oder in Kombination mit einer niedrig水平的 Deckenbeleuchtung scheint vorteilhaft für das Gefühl der Geräumigkeit zu sein (iLLab-Hinweis: Gefühl der Geräumigkeit). Eine großmaßstäbliche Studie zu räumlichen Qualitätsattributen (Abbildung 7) zeigt, dass eine hohe Beleuchtungsstärke durch natürliches Licht aus großen Fenstern entscheidend ist, um einen Raum zu schaffen, der angenehmer, anregender, komplexer, kohärenter und klar lesbar ist.

Direktes Sonnenlicht beeinflusst das Erscheinungsbild des Raumes mit einem Lichtfleck sowie klar definierten Schatten, die durch parallele Strahlenbündel des Sonnenlichts erzeugt werden. Während der Lichtfleck als visueller Reiz gesehen wird, deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass eine angemessene Sonneneinstrahlung Entspannung fördern kann [65]. Es wurde festgestellt, dass die Sonneneinstrahlung einen positiven Effekt auf die Arbeitszufriedenheit und das allgemeine Wohlbefinden hat [66]. Eine soziale Umfrage in vier verschiedenen Gebäudetypen von Ne’eman et al. [67] zeigte, dass Sonnenschein ‘eine einzigartige nicht-physische Eigenschaft hat, die psychologisches Wohlbefinden hervorruft’.

Eine Studie verwendete einen künstlichen Himmel, um das Tageslicht eines klaren Himmels mit definierten (bläulichen) Schatten, einem Sonnenfleck (der ein Helligkeitsverhältnis zwischen sonnenbeschienenen und schattigen Bereichen erzeugt, wie es im Freien vorkommt), sowie eine helle Lichtquelle, die durch das Fenster sichtbar ist (mit der angemessenen wahrgenommenen Größe der Sonne), nachzuahmen [68,69]. Die Ergebnisse zeigten, dass diese Beleuchtungsmerkmale einen positiven Einfluss auf die Wahrnehmung des Raumeindrucks sowie auf die Stimmung, den Stress- und Angstlevel der Teilnehmer hatten. Direktes Sonnenlicht, das auf den Nutzer fällt oder von einer Oberfläche reflektiert wird, kann zu visueller und/oder thermischer Unbehaglichkeit führen. Dieses Unbehagen ist mit der Nutzung von Jalousien verbunden [70], die dann (einen Teil des) direkten Sonnenlichts und des Himmelslichts daran hindern, in das Gebäude einzudringen.

Obwohl die meisten Forschungen zum Erscheinungsbild von Räumen und Objekten mit kontrollierter elektrischer Beleuchtung durchgeführt wurden, sind die Ergebnisse auf Tageslichtbedingungen anwendbar. Die in diesem Abschnitt enthaltenen Forschungen wurden hauptsächlich in gemäßigten Klimazonen durchgeführt und zeigen, dass die durch Tageslicht realisierte räumliche Beleuchtung eine gute Wahrnehmung des Raum- und Objekterscheinungsbilds unterstützt. Direktes Sonnenlicht scheint die wahrgenommene Raumatmosphäre und den emotionalen Zustand des Nutzers zu verbessern, wenn visueller und thermischer Komfort gewährleistet sind. Überlegungen zur Fassadengestaltung zur Aufrechterhaltung des Komforts in tropischen Regionen wirken sich auf die Innenraum-Tageslichtbedingungen aus. Sowohl das daraus resultierende Erscheinungsbild von Raum und Objekten als auch die Häufigkeit sonniger Bedingungen können zu unterschiedlichen nachfolgenden Reaktionen der Nutzer führen.

Obwohl die meisten Studien zum Erscheinungsbild von Räumen und Objekten auf elektrischen Lichtquellen basieren, gelten diese Ergebnisse auch für natürliche Lichtverhältnisse. Die meisten in diesem Abschnitt enthaltenen Studien wurden in gemäßigten Regionen durchgeführt, daher zeigen die Ergebnisse, dass die durch natürliches Licht erreichte räumliche Lichtverteilung dazu beiträgt, eine gute Wahrnehmung des Erscheinungsbilds von Raum und Objekten zu bilden. Wenn der visuelle Komfort und der thermische Komfort nicht beeinträchtigt sind, scheint direktes Sonnenlicht die Wahrnehmung der räumlichen Atmosphäre und den emotionalen Zustand der Nutzer zu verstärken. Für tropische Regionen ist die Hauptüberlegung bei der Fassadengestaltung die Gewährleistung des Komforts, was die Bedingungen für natürliches Licht im Innenraum beeinflusst. Das daraus resultierende Erscheinungsbild von Raum und Objekten sowie die Wahrscheinlichkeit sonniger Tage können zu unterschiedlichen Reaktionen der Nutzer führen (iLLab-Hinweis: im Vergleich zu gemäßigten Regionen) .

Die spezifische spektrale Leistungsverteilung und die Helligkeit des Tageslichts können auch den physischen Komfort des Menschen beeinflussen. Physischer Komfort ist das Gefühl des Wohlbefindens, wenn die thermischen und Beleuchtungsbedingungen einer Umgebung als angenehm empfunden werden und mit Zufriedenheit verbunden sind. Die Helligkeit und der starke Infrarotanteil des Tageslichts (Abbildung 2) können ansprechend sein, aber visuelle und thermische Unannehmlichkeiten verursachen. Dennoch zeigten Interviews in Feldstudien, dass die Bewohner mit Tageslicht zufrieden sein können, obwohl sie manchmal visuelle Unannehmlichkeiten erfahren [71].

Das Eindringen von Sonnenlicht erwärmt einen Raum. Darüber hinaus sind Fenster eine Quelle für Wärmeübertragung von und nach außen. Unterschiede zwischen gemäßigten Zonen und den Extremen polarer oder äquatorialer Regionen spiegeln sich typischerweise in architektonischen Lösungen wider, da der Designansatz unterschiedlich sein sollte, um komfortable Innenraumbedingungen zu gewährleisten [72].

Thermisches Unbehagen aufgrund hoher oder niedriger Temperaturen aktiviert jeweils die biologische Kühlung (z. B. Schwitzen) oder Erwärmung (z. B. Zittern). Unbehagen kann auch aus der thermischen Asymmetrie zwischen den Temperaturen der kühlen Innenflächen von Fenstern und denen wärmerer Wände entstehen [73]. Eine Feldstudie von Chinazzo et al. [74] zeigt, dass die Zufriedenheit mit der Raumtemperatur von den Lichtverhältnissen beeinflusst wird, wobei die Zufriedenheit bei niedrigeren Beleuchtungsstärken geringer ist. Dies könnte auf eine größere Toleranz gegenüber thermischem Unbehagen in Situationen mit Tageslicht hindeuten, wie zuvor von Veitch und Galasiu vorgeschlagen [11].

Visuelles Unbehagen, bezogen auf „Unbehagen oder Schmerzen in oder um die Augen“ (laut Boyce und Wilkins [75]), kann mehrere Ursachen haben, darunter Blendung und Flimmern der Lichtquelle. Blendung kann die visuelle Leistung beeinträchtigen, aber selbst Blendung, die das Sehen von Objekten nicht unbedingt beeinträchtigt, kann zu Ermüdung führen. Forschungen zu discomfort blendung aufgrund hoher Leuchtdichten oder Leuchtdichtekontraste durch Tageslicht oder elektrische Beleuchtung zeigen eine größere Toleranz, wenn leichte discomfort blendung vom Tageslicht ausgeht [76,77] und/oder eine Vielfalt individueller Anforderungen an den visuellen Komfort durch Tageslicht [78] im Vergleich zu elektrischen Lichtquellen mit derselben Leuchtdichte. Es wird angenommen, dass Kultur und Klima die wahrgenommene Blendung durch Tageslicht beeinflussen [79]. Flimmern kann Kopfschmerzen, Augenbelastung oder Krampfanfälle verursachen und die visuelle Leistung verringern [80]. Elektrische Beleuchtung kann eine Quelle für Flimmern sein, während Tageslicht flimmerfrei ist.

Es gibt viele Auslöser für visuelles Unbehagen (von Boyce und Wilkins definiert als „Unbehagen oder Schmerz in oder um die Augen“), darunter Blendung und Flimmern von Lichtquellen. Blendung kann die visuelle Leistung beeinträchtigen; einige Blendungen können, auch wenn sie die Sichtbarkeit von Objekten nicht behindern, zu visueller Ermüdung führen. Studien zeigen, dass bei psychologischer Blendung, die durch hohe Leuchtdichte oder hohen Leuchtdichtekontrast sowohl von natürlichem Licht als auch von elektrischen Lichtquellen verursacht wird, die Toleranz der Menschen höher ist, wenn sie vom natürlichen Licht stammt. Gleichzeitig variieren die individuellen Bedürfnisse nach visuem Komfort durch natürliches Licht stärker als bei elektrischen Lichtquellen mit gleicher Leuchtdichte. Kulturelle und klimatische Bedingungen beeinflussen auch die Wahrnehmung von Blendung durch natürliches Licht. Flimmern kann Kopfschmerzen, Augenbelastung oder Krampfanfälle auslösen und die visuelle Leistung verringern. Elektrische Lichtquellen können eine Quelle für Flimmern sein, aber natürliches Licht ist flimmerfrei (iLLab-Hinweis: Natürliches Licht hat Vorteile in Bezug auf Blendung, und der Vorteil ist in Bezug auf Flimmern noch ausgeprägter).

Ein Fenster bietet Tageslicht, Luftaustausch, einen Ausblick und Informationen über das Wetter und Aktivitäten draußen. Die Materialeigenschaften, das Design und die Nutzung der Fenster ermöglichen die Kontrolle über äußere Einflüsse wie Geruch, Schall und Wärme. Darüber hinaus können Fenster als Fluchtweg dienen. All diese Aspekte spielen eine Rolle für das Gefühl der Kontrolle und Sicherheit in Innenräumen. Abgeschlossenheit, Privatsphäre, Sicherheit und (unterbewusstes) Wissen über Fluchtwege hängen mit der Funktionalität eines Raumes zusammen. Stamps [81] stellt fest, dass die Helligkeit einer Szene mit der wahrgenommenen Sicherheit zusammenhängt („Fähigkeit sich zu bewegen und Fähigkeit wahrzunehmen“). Keine Informationen über das Wetter und das Fehlen eines Ausblicks waren die Gründe, warum weibliche Büroangestellte büros ohne Fenster nicht mögen und Gefühle der Isolation, Depression und Anspannung haben (Ruys, zitiert in Collins [1]).

Der Blick aus einem Fenster kann mehrere Aspekte des körperlichen und geistigen Wohlbefindens beeinflussen. Er kann beispielsweise restaurative Prozesse unterstützen, Stress abbauen oder die Arbeitszufriedenheit steigern. Untersuchungen zu den Auswirkungen des Blickinhalts deuten darauf hin, dass belebte und dichte städtische Gebiete mit Hindernissen, die einen kurzen Sichtbereich bieten, ständige Akkommodations- und Anpassungsprozesse der Augenmuskeln erfordern, um ein Bild auf der Fovea fixiert zu halten. Umgekehrt können Blicke in einen tiefen Raum das Auge und den Muskeltonus entlasten und den Kortex von der Informationsverarbeitung befreien, was zu kognitiver Entspannung führt. Das Betrachten einer Aussicht beschleunigt die physiologische Erholung von einer stressigen Erfahrung [82,83].

Die Landschaft außerhalb des Fensters kann mehrere Aspekte der physischen und psychischen Gesundheit beeinflussen. Zum Beispiel kann sie restaurative Prozesse unterstützen, Stress lindern oder die Arbeitszufriedenheit steigern. Forschungen zum Landschaftsinhalt deuten darauf hin, dass belebte und dichte städtische Gebiete, wenn sie blockiert sind und somit einen kurzen Sichtbereich bieten, eine ständige Anpassung und Adaptation der Augenmuskeln erfordern, um das Bild auf der Fovea centralis der Netzhaut fixiert zu halten. Im Gegensatz dazu kann der Blick in die Ferne die Augen und die Muskelspannung entspannen und den Kortex von der Informationsverarbeitung befreien, wodurch kognitive Entspannung erreicht wird. Das Betrachten der Landschaft kann den physiologischen Prozess der Erholung von Stress beschleunigen.

Es sind weniger Informationen verfügbar, die den relativen restaurativen Nutzen von Räumen mit Fensteraussicht, künstlichen Fenstern und fensterlosen Wänden vergleichen. Bürobesitzer bevorzugen echte Fenster oder ein künstliches Fenster mit einer dynamischen Naturansicht [84], aber der restaurative Effekt von künstlichen Fenstern mit dynamischen „Ansichten“ scheint geringer zu sein [85]. In fensterlosen Räumen scheinen die Bewohner den Mangel an Fenstern durch Naturelemente in Form von Pflanzen oder Bildern von Naturlandschaften auszugleichen. Heerwagen und Orians [86] fanden heraus, dass kleine fensterlose Büros mit doppelt so vielen visuellen Materialien dekoriert sind wie Räume mit Fenstern und Aussicht. Visuelles Material (in fensterlosen Büros) stellte keine „Ersatz“-Ansichten dar, beinhaltete jedoch natürliche Themen.

Fenster bieten auch kontextuelle Hinweise auf die Tageszeit und die Wetterbedingungen, die uns bewusst und unbewusst in Zeit und Raum verankern. Patienten auf einer Intensivstation mit einem transluzenten Fenster hatten ein genaueres Gedächtnis und eine bessere Orientierung sowie weniger Halluzinationen und Wahnvorstellungen als diejenigen in einer fensterlosen Station [87]. Eine Umfrage zum Verständnis der Präferenz für Fenster zeigte, dass der Ausblick, der zeitliche Informationen lieferte, zu den am häufigsten genannten günstigen Faktoren für Wohnräume und mehrere Nicht-Wohnräume gehörte [88]. Laut Veitch und Galasiu [11] „Diese Informationsbereitstellung ist eine anerkannte Funktion eines Fensters“.

Sowohl der Inhalt als auch die wahrgenommene Qualität eines Ausblicks können die menschlichen Reaktionen auf Tageslicht beeinflussen. Die Anzahl der Sichtebenen, die Breite und Entfernung des Ausblicks, die wahrgenommene Qualität der Landschaftselemente und die Komposition des Ausblicks sind wichtige Einflussparameter, wie in Abbildung 8 gezeigt [89]. Die Toleranz gegenüber blendendem Tageslicht durch ein Fenster wird teilweise davon bestimmt, wie interessant die Außenszene ist [90,91], ihrer Attraktivität [92] und ihrem Inhalt [93]. Ein Ausblick nach außen verbessert die wünschenswerte Wahrnehmung von Tageslicht, insbesondere bei natürlichen, attraktiven und interessanten Ausblicken, aber die Mechanismen dafür sind noch nicht vollständig verstanden. Obwohl die mit Tageslicht verbundenen kontextuellen Hinweise nachgeahmt werden können, deuten Forschungsergebnisse darauf hin, dass einige Vorteile durch elektrische Beleuchtung möglicherweise nicht reproduziert werden können.

窗景的内容和感知质量都会影响人类对天然光的反应。景观的层次、视野的宽度和距离、景观元素的感知质量及其构图，都是重要的影响参数（Figure 8）。对天然光眩光的容忍程度，部分取决于窗外景观的有趣程度、吸引力及其内容。尽管窗景可以提高人们对天然光感知的预期，尤其是对自然、吸引人且有趣的景观，但其背后的机制尚不明确。天然光所提供的部分信息是可以通过电光源模拟得到，但仍有研究表明有些天然光的好处是电光源复制不来的。

Die Bereitstellung von Tageslicht bietet kostenlose Innenbeleuchtung mit einer kontinuierlichen spektralen Leistungsverteilung von 320 nm bis 2600 nm, was Auswirkungen auf den Heiz-, Kühl- und Beleuchtungsenergiebedarf eines Gebäudes hat [94]. Tageslichtnutzung kann den elektrischen Energiebedarf zur Raumbeleuchtung direkt reduzieren. Das Ausmaß, in dem Tageslicht die Nutzungszeiten von Elektrizität verdrängen kann, ist offensichtlich spezifisch für das Design, den Standort, den Zweck und die Nutzung eines Raums innerhalb eines Gebäudes. Es sollte auf die geeignetste Platzierung von Aktivitäten geachtet werden; beispielsweise sollten stark visuelle Aufgaben in der Nähe des natürlich beleuchteten Gebäudeumrisses ausgeführt werden. Eine Tageslichtplanung sollte mit Steuerungen für die elektrische Beleuchtung kombiniert werden, die die elektrische Beleuchtung abschalten oder reduzieren, dabei jedoch die Qualität erhalten, um den Stromverbrauch zu senken. Die durch die Installation tageslichtabhängiger Beleuchtungssteuerungen erzielten Einsparungen bei der Beleuchtungsenergie liegen zwischen 20 % und 70 % [95–99]. Eine Metaanalyse von Williams et al. [100] zeigte durchschnittliche Einsparungen von etwa 30 % in verschiedenen Anwendungen. Tsangrassoulis et al. [101] geben an, dass eine Reduzierung des Beleuchtungsenergieverbrauchs um 40 % den gesamten Primärenergieverbrauch um 17 % senken kann.

Erst wenn das volle Potenzial solcher in den Entwurf integrierter Ansätze ausgeschöpft ist, sollte die Einführung technologischer Systeme in Betracht gezogen werden, um Tageslicht tiefer in Innenräume zu leiten, entweder durch Umlenkung an Fenstern oder durch die oft kostspielige Installation der Übertragung von Tageslicht vom Dach durch Zwischendecken mittels verspiegelter Rohre oder Glasfaserkabel [102–104]. (iLLab-Hinweis: Was für ein langer Satz!)

Tageslichtöffnungen beeinflussen die thermischen Bedingungen in einem Gebäude. Wärmeverluste im Winter können zunehmen, wenn der Wärmewiderstand der Fenster geringer ist als der der Wände. Der Wärmegewinn entsteht durch Sonneneinstrahlung durch Fenster und hängt vom Klima ab; dies kann im Winter vorteilhaft sein, erfordert aber im Sommer möglicherweise zusätzliche Kühlung. Die eingesparte Energie sowie die Kosteneffizienz der Tageslichtnutzung sind daher geringer, wenn Kühlenergie benötigt wird. Moderne Verglasungssysteme sind in der Lage, einen erheblichen Teil des Infrarotanteils herauszufiltern.

Solare Wärmegewinne können mit Beschattungsvorrichtungen oder schaltbaren Verglasungssystemen moduliert werden, die im Idealfall auch die Bereitstellung von Tageslicht und den Ausblick nach außen sowie den Schutz vor Blendung ausbalancieren sollten [105]. Es gibt große Unterschiede in der Zusammensetzung und Verfügbarkeit von Tageslicht zwischen gemäßigten und äquatorialen Regionen, für die architektonische Lösungen meist angemessen definiert sind. Der Gesamtenergiebedarf hängt vom Gebäudetyp, der Form und Konstruktion, den Aktivitäten und Mustern der Nutzer sowie vom geografischen Standort, Klima, der Ausrichtung und dem Grad der Verschattung ab [106–108].

Elektrische Beleuchtung benötigt Energie. Sie kann auch Wärme an das Gebäude abgeben, abhängig von der Lichtquelle, was die Kühllast erhöhen, aber auch den Heizenergiebedarf senken kann. Ein fensterloses Gebäude ist oft weniger energieeffizient als eines mit einer angemessenen Auswahl und Steuerung gut platzierter Fenster.

Elektrische Lichtquellen verbrauchen Energie, abhängig vom verwendeten Lichtquellentyp. Gleichzeitig geben elektrische Lichtquellen auch Wärme an das Gebäude ab, wodurch die Kühllast erhöht oder die Heizlast verringert wird (iLLab-Hinweis: spezifisch abhängig von der Jahreszeit) . Die Energieeffizienz fensterloser Gebäude ist normalerweise schlechter als die von Gebäuden mit Fenstern.

Tageslichtplanung kann monetäre Vorteile bringen, indem sie die Energiekosten der elektrischen Beleuchtung senkt und die Produktivität der Gebäudenutzer verbessert. Tageslicht kann Letzteres durch eine Kombination aus geschärfter Sehschärfe aufgrund besserer Farbwiedergabe oder höherer Beleuchtungsstärken, verbesserter visueller Modellierung von Objekten und Gesichtern, Reduzierung von Flimmern und/oder Bereitstellung kontextueller Hinweise steigern [109]. Es wurde gezeigt, dass die Produktivität in Unternehmen, die in Gebäude mit mehr Tageslicht umgezogen sind, um 5–15 % steigt [110,111]. Die genaue Rolle des Tageslights für die Produktivität ist in dieser Art von Studien jedoch weiterhin Gegenstand zukünftiger Forschung, da sich viele andere Faktoren gleichzeitig mit einem solchen Umzug ändern. Die Auswirkungen von Tageslicht auf die Produktivität und verwandte Aspekte wie Fehlzeiten können nur in Feldstudien und epidemiologischen Studien untersucht werden [112,113], bei denen die experimentelle Kontrolle schwierig und die Interpretation der Ergebnisse anspruchsvoll ist [5]. Derzeit liegen nicht genügend Ergebnisse vor, um Schlussfolgerungen hinsichtlich der Auswirkungen der Tageslichtverfügbarkeit auf die Produktivität zu ziehen; weitere Forschung ist erforderlich.

Eine Analyse der jährlichen Einkommens- und Ausgabendaten von Gewerbegebäuden durch Kim und Wineman [114] zeigte, dass Ausblicke einen wirtschaftlichen Wert haben. In ihrer Studie hatten höhere Gebäude, die wahrscheinlich einen Blick auf die Skyline und die Stadtlandschaft bieten, höhere Immobilienwerte. In Interviews gaben die meisten Unternehmen an, dass der Ausblick bei der Festlegung der Mieten berücksichtigt wurde. Eine Studie von Heschong [115] zeigte, dass Mitarbeiter in Callcentern mit dem bestmöglichen Ausblick Anrufe schneller bearbeiteten und bei Tests der mentalen Funktionen besser abschnitten als Mitarbeiter ohne Ausblick. Eine Analyse der Verkäufe in Geschäften mit und ohne Oberlichter durch Heschong et al. [109] zeigte, dass Geschäfte mit Oberlichtern einen Anstieg ihres Verkaufsindex verzeichneten. Interviews zeigten, dass das Oberlicht unbewusst dazu führte, dass die visuelle Umgebung als sauberer und geräumiger wahrgenommen wurde.

Wie oben angegeben, sind die detaillierten Mechanismen hinter diesen und anderen sekundären monetären Vorteilen weitgehend unbekannt. Darüber hinaus kann eine Steigerung der Produktivität nur erreicht werden, wenn unerwünschte Effekte der Tageslichtnutzung, wie Blendung, Schatten, verschleiernde Reflexionen und Überhitzung, vermieden werden.

Wie oben erwähnt, ist unser Verständnis der Mechanismen hinter natürlichem Licht und seinen direkten wirtschaftlichen Vorteilen sowie seiner sekundären Vorteile noch oberflächlich. Darüber hinaus ist die Voraussetzung für die Erreichung einer erhöhten Produktionseffizienz, die negativen Auswirkungen des natürlichen Lichts, wie Blendung, Schatten, Reflexionen und Überhitzung, zu vermeiden.

Intensität, spektrale Leistungsverteilung sowie die räumliche Richtung und Diffusität des Tageslichts sind Merkmale, die das Erscheinungsbild von Räumen und Objekten sowie nicht-bildgebende Effekte unterstützen. Die Dynamik der Änderungen in Intensität und Farbe des Tageslichts unterstützt natürlich die Synchronisation des zirkadianen Rhythmus, die Stimmung und die Wachheit. Einige menschliche Reaktionen, wie nicht-bildgebende Effekte, scheinen gut definiert zu sein. Auch die Rolle des Sonnenlichts auf der Haut zur Unterstützung der Vitamin-D-Produktion ist gut belegt. Dennoch lassen sich viele Vorteile von Tageslicht und Fenstern noch nicht so einfach erklären. Der höhere Einsatzpunkt der psychologischen Blendung unter Tageslichtbedingungen sowie die positive Wirkung der kontextuellen Hinweise, die durch einen Ausblick geboten werden, werden durch Mechanismen hervorgerufen, die nicht gut verstanden sind. Einige Lichtreaktionen scheinen sowohl über visuelle als auch über nicht-bildgebende Pfade vermittelt zu werden, was weitere Forschung erfordert [116–118].

Obwohl viele Eigenschaften des Tageslichts durch elektrische Beleuchtung nachgeahmt werden können, wurde nicht nachgewiesen, dass alle vielfältigen ganzheitlichen positiven Ergebnisse, die mit Tageslicht verbunden sind, künstlich reproduziert werden können. Tatsächlich waren die Merkmale der komplexen Wechselwirkung zwischen der Dynamik des Tageslichts und individuellen menschlichen Reaktionen bisher nicht leicht quantifizierbar. Sie bleiben Schlüsselbereiche, die umfangreiche weitere Forschung erfordern.

Wir schlagen vor, dass zukünftige Studien die Auswirkungen von Tageslicht auf die folgenden Aspekte der menschlichen Leistung, Gesundheit und des Wohlbefindens untersuchen sollten, die zu Verhaltensweisen führen könnten, die sich in monetären Vorteilen niederschlagen:

1. Unterschiedliche Auswirkungen von Schwankungen der spektralen Leistungsverteilung und der Lichtintensität im Tages- und Jahresverlauf an verschiedenen geografischen Standorten, beispielsweise durch epidemiologische Studien, die die Wirkung der Tageslichtversorgung auf gutes Sehvermögen und zirkadiane Synchronisation, erholsamen Schlaf und bessere Gesundheit weiter erforschen;

2. Unterschiede in der Auswirkung der Lichtquelle auf die Raum- und Objektwahrnehmung, wobei elektrische Beleuchtung und Tageslicht durch Fenster, Oberlichter oder Lichtleitsysteme verglichen werden, was auch die Unterschiede zwischen statischer und dynamischer Beleuchtung umfasst;

3. Statistische Schätzungen der Varianz der Auswirkungen von Tageslicht bei gleichzeitiger Exposition gegenüber elektrischem Licht, um ihre Wechselwirkungen, einschließlich Bewertungen der Lichtgeschichte-Effekte, auszuarbeiten und einen besseren Einblick in das akute, nicht-bildgebende Potenzial von Tageslicht zu erhalten;

3. Statistische Bewertung der Variationsbreite der Auswirkungen bei gleichzeitiger Exposition von natürlichem Licht und elektrischen Lichtquellen, um ihre Wechselwirkungen (einschließlich der Bewertung der Lichtgeschichte-Effekte) zu klären und das Potenzial des natürlichen Lichts hinsichtlich unmittelbarer und nicht-bildgebender Aspekte klarer zu verstehen.

(iLLab-Hinweis: iLLab führt gleichzeitig relevante Forschungen zu den drei oben genannten Punkten durch: Human Centric Lighting (HCL), Tageslichtsimulation und Integration von Tageslicht und künstlicher Beleuchtung.)

1. Qualitative Bewertungen der Wahrnehmung einer (z. B. Arbeits-)Umgebung, um die Rolle von Kontext und Inhalt unter verschiedenen Beleuchtungsregimen zu untersuchen, einschließlich des Fehlens von Licht, und ob Symptome dieses Fehlens quantifiziert/operationalisiert werden können;

2. Quantifizierung der Aussicht und kontextueller Hinweise aus Fenstern. Metriken müssen für die Quantität und Qualität der Aussicht nach draußen entwickelt werden sowie ein Maß , um die Bedeutung kontextueller Hinweise zu bewerten, um verschiedene Fensterfunktionen auszugleichen, wie Blendungsschutz, Management der solaren Wärmegewinne und Tageslichtversorgung;

3. Die Häufigkeit von Wetterbedingungen und architektonischen Archetypen könnte die Erwartungen und Reaktionen der Bewohner beeinflussen; daher sollten die Auswirkungen von Klima und Kultur auf die Präferenz für Lichtquellen, das Erscheinungsbild von Räumen und Objekten sowie Komfortaspekte Gegenstand weiterer Untersuchungen sein.

Und schließlich wäre vielleicht das am dringendsten Benötigte und am schwierigsten zu Entwickelnde ein (Satz von) Metrik(en), um die ‘Natürlichkeit’ des Lichts zu messen.

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