Lichtsimulation

Licht geht von den unterschiedlichsten Quellen aus und seine Art und Stärke kann sich entscheidend auf das Wohlbefinden des Menschen auswirken. Im Hinblick auf die Konservierung z.B. wertvoller kunsthistorischer Objekte ist das Schädigungspotential des Lichts im Fokus. In beiden Fällen ist neben der Beleuchtungsstärke oft auch die spektrale Zusammensetzung, die sich im visuellen Bereich in der Farbigkeit des Lichts zeigt, von großer Bedeutung.

Insbesondere im Zusammenspiel zwischen Tageslicht und Kunstlicht ist ein Optimum für die jeweilige Beleuchtungssituation nur mittels Lichtsimulation zu ermitteln. In photorealistischen Darstellungen können die Ergebnisse anschaulich dargestellt werden.

Mit dem Werkzeug der Strahlverfolgung können die wechselseitigen Einflüsse zwischen der Fassade, den Fenstern, dem Sonnenschutz, der künstlichen Beleuchtung sowie der Inneneinrichtung exakt dargestellt und quantifiziert sowie eine Optimierung der Beleuchtungssituation erreicht werden.

Vorteile:

  • exakte Kenntnis der sich ergebenden Lichtsituation
  • Vorhersage von sich daraus ergebenden Problemzonen
  • Prüfung, ob Grenzwerte eingehalten werden (Beleuchtungsstärke, Blendung, Strahlungsbelastung, etc.)
  • Optimierung der Tageslicht- und Energienutzung
  • Planungssicherheit für die weitere Fachplanung

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Mit Hilfe der Lichtsimulation werden Außenanlagen, Innenräume, Vitrinen, Objekte usw. mit dem Ziel untersucht, für eine gegebene Tageslicht- und/oder Kunstlichtbeleuchtung Aussagen über die sich einstellende Beleuchtungssituation zu treffen.

Im Fall von schutzwürdigem Sammlungsgut kann daraus auch die resultierende Strahlungsbelastung ermittelt werden. Gerade in diesem Fall spielt auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts eine große Rolle und muss bei der Simulation in allen Schritten der Lichtausbreitung berücksichtigt werden. Damit stehen dann auch Angaben zum Energieeintrag (in W/m²) zur Verfügung, die nach den kritischen Wellenlängenbändern (z.B. Infrarot, UVA, UVB, usw.) aufgeschlüsselt werden können.

Entscheidend ist dabei eine physikalisch korrekte Simulation der Lichtausbreitung für Tageslicht und Kunstlicht sowie die Quantifizierung der resultierenden Beleuchtungsstärke (in Lux) auf den Flächen und Objekten bzw. die Angabe von Leuchtdichten (in cd/m²) bei der Betrachtung von 3D Szenen (Stichwort Blendung).Weiterhin werden qualitative Informationen wie der visuelle Eindruck und die Lichtstimmung vermittelt.

Im Rahmen der Lichtsimulation werden bereits in der Planungsphase quantitative Aussagen hinsichtlich der Beleuchtungsstärke gemacht, die in einem Raum oder auf einem Objekt (z. B. Arbeits- oder Verkaufsfläche oder Museumsexponat) zu erwarten sind. Zur optimalen Planung der künstlichen Beleuchtung ist die Kenntnis der Tageslichtbeleuchtung oft notwendige Voraussetzung.

Mit den Berechnungen wird die Beleuchtungsanlage entsprechend den funktionellen Anforderungen und den räumlichen Gegebenheiten (ggf. ein­schließ­lich der jahreszeitlichen Schwankungen des Tages­lichts) ausgelegt. Für eine gewünschte Beleuchtung werden dazu geeignete Leucht­mittel gewählt und im Raum platziert, sowie bei Bedarf regelungs­technisch an die variierenden Umgebungs­bedingungen angepasst.

Auch durch den gezielten Einsatz von Öffnungen für Tageslicht, von Abschirmungen, von Lichtstreu- und Licht­verteilelementen kann die Ausleuchtung gemäß den Anforderungen verbessert werden. Durch eine optimierte Tageslichtausnutzung mit optimal ergänzten Beleuchtungselementen lassen sich oft die Betriebskosten deutlich verringern bei gleichzeitig verbessertem optisch visuellem Wohlbefinden der Nutzer.

Simulationsprogramme

Die Lichtsimulation wird bei INNIUS abhängig von Zielstellung und Komplexität der Aufgabenstellung mit den Programmen Inspirer2, Relux und DIALux durchgeführt. Diese Programme verwenden ein kombiniertes Verfahren aus energetischem Ray-Tracing und Punkt-zu-Punkt-Berechnungen. Dadurch sind sie in der Lage, eine große Zahl von unterschiedlichen Materialien physikalisch korrekt zu simulieren.

Zur Berechnung der Beleuchtungssituation wird ein räumliches Modell erstellt, eine sogenannte Szene. In der Szene werden alle Oberflächen und transparenten Medien mit ihren lichttechnisch relevanten Eigenschaften (Transmission, Reflexion, Absorption) sowie die Quellen mit ihrer Emissionscharakteristik definiert.

Simulationsmodell

Grundlage der Berechnungen bildet ein Modell des betrachteten Raumes oder Gebäudes, wobei die Umgebung mit einbezogen werden muss, wenn außen liegende Objekte den Lichteinfall verändern. Das Modell kann auf der vorhandenen CAD-Geometrie anderer Berechnungsmodelle aufsetzen, muss aber um die für die Tageslichtsimulation relevanten Aspekte erweitert werden. Die künstlichen Lichtquellen müssen positioniert und ihre Abstrahlcharakteristik definiert werden.

Die Tageslichtrandbedingungen werden meist gemäß den CIE-Stan­dards (ISO 15469:2004(E) bzw. CIE 011/E:2003) angesetzt. Dann sind neben der geographischen Lage des Objektes der betrachtete Zeitpunkt (Monat, Tag, Uhrzeit) und der Bedeckungsgrad festzulegen. Für opake Flächen sind die Absorptions- und die Reflexionseigenschaften vorzugeben, für transparente Flächen zusätzlich die Transmission. Die Reflexion kann spiegelnd, diffus oder teils spiegelnd und teils diffus erfolgen.

Die Beschaffung und Eingabe der materialabhängigen Parameter stellt unter Umständen einen nicht unerheblichen Aufwand dar, der jedoch für eine realistische Berechnung notwendig ist. Darüber hinaus hat der Einfluss der indirekten Beleuchtung in der Szene einen maßgeblichen Einfluss auf das Ergebnis.

BERECHNUNG

Die Berechnungen liefern dann für ausgewählte Zeitpunkte im Tages- oder im Jahreslauf die Verteilung der Beleuchtungsstärke auf die Leuchtdichte der Oberflächen sowie die Schattenverläufe. Es werden dann typischerweise die Eigenschaften der Fassadenelemente und ggf. vorhandener Lichtlenksysteme variiert, um die Ausleuchtung des Raumes den Zielgrößen entsprechend zu optimieren. Mit jeder Variante werden große Mengen an Ausgabe­daten generiert, die für einen systematischen Vergleich aufbereitet werden müssen.

AUSWERTUNG UND ERGEBNISS

Im Rahmen der Auswertung ist eine Darstellung der Ergebnisse in perspektivischen Ansichten des Raumes oder Objektes mit fotorealistischer Farbgebung, in Falschfarben oder mit Isolinien möglich. Sie gibt zunächst einen Überblick über die Ergebnisse einer Berechnung.

Anschließend erfolgt eine quantitative Bewertung, bei der aus der großen Menge an Rohdaten die für die Bewertung definierten Zielgrößen berechnet werden, wie z. B. maximale und durchschnittliche Werte der Beleuchtungsstärke in der Nutzebene, die Blendung oder die Tageslichtverfügbarkeit (Tageslichtquotient).

Die untersuchten Varianten werden tabellarisch zusammengefasst und mit einer gewichteten Summe der Zielgrößen kann die beste Konfiguration bestimmt werden. Außerdem ergeben sich daraus Hinweise auf Optimierungspotentiale bzw. Parameter, deren Einfluss auf das Ergebnis besonders groß ist.

Da mit der Einstrahlung von Tageslicht auch immer ein hoher Betrag von Wärmeenergie transportiert wird, ergeben sich Schnittstellen zur Gebäude- und Strömungssimulation, bei denen die im Raum wirksam werdende Solarstrahlung als Wärmelast zu berücksichtigen ist. In Räumen mit großflächigen Glasfassaden kann der Wärmeeintrag durch Strahlung dominierend werden.

Außerdem kann die räumliche Verteilung der freiwerdenden Energie einen Einfluss auf die sich ausbildende Raumströmung haben.


Modernes Grünes Gewölbe, Dresden

Modernes Grünes Gewölbe
Verteilung der Beleuchtungsstärke in einer horizontalen Ebene
Modernes Grünes Gewölbe
Fotorealistische Ansicht des Raumes
Modernes Grünes Gewölbe Modernes Grünes Gewölbe