Tageslichtnutzung (Architektur)

Tageslichtnutzung bezeichnet die Praxis , Fenster , Oberlichter , andere Öffnungen und reflektierende Oberflächen so anzuordnen, dass direktes oder indirektes Sonnenlicht für eine effektive Innenbeleuchtung sorgt. Besonderes Augenmerk wird bei der Gebäudeplanung auf die Tageslichtnutzung gelegt, wenn der Sehkomfort maximiert oder der Energieverbrauch reduziert werden soll. Energieeinsparungen lassen sich durch den reduzierten Einsatz künstlicher (elektrischer) Beleuchtung oder durch passive Solarenergienutzung erzielen . Der Energieverbrauch für künstliche Beleuchtung kann reduziert werden, indem man einfach weniger elektrische Leuchten dort installiert, wo Tageslicht vorhanden ist, oder indem man die Beleuchtung automatisch dimmt oder abschaltet, sobald Tageslicht einfällt – ein Verfahren, das als Tageslichtnutzung bekannt ist .

Die in einem Innenraum einfallende Tageslichtmenge lässt sich durch Messung der Beleuchtungsstärke in einem Raster oder durch Berechnung des Tageslichtfaktors analysieren . Computerprogramme wie Radiance ermöglichen es Architekten und Ingenieuren, die Vorteile eines bestimmten Entwurfs schnell zu ermitteln. Da die Reaktion des menschlichen Auges auf Licht nicht linear ist , lässt eine gleichmäßigere Verteilung derselben Lichtmenge einen Raum heller erscheinen.

Die Sonne ist die Quelle allen Tageslichts. Das Verhältnis von direktem zu diffusem Licht beeinflusst Menge und Qualität des Tageslichts. ^{[ 1 ]} „Direktes Sonnenlicht“ erreicht einen Ort, ohne in der Erdatmosphäre gestreut zu werden . In der Atmosphäre gestreutes Sonnenlicht wird als „ diffuses Tageslicht “ bezeichnet. Auch von Wänden und dem Boden reflektiertes Sonnenlicht trägt zur Tageslichtnutzung bei. Da sich die Zusammensetzung des Tageslichts und die Bewölkung je nach Klima und Standort unterscheiden, variieren die Strategien zur Tageslichtnutzung. Nördlich des Wendekreises des Krebses und südlich des Wendekreises des Steinbocks fällt zwischen Herbst- und Frühlingstagundnachtgleiche (d. h. von der September- bis zur März-Tagundnachtgleiche auf der Nordhalbkugel und von der März- bis zur September-Tagundnachtgleiche auf der Südhalbkugel ) kein direktes Sonnenlicht auf die polarseitige Wand eines Gebäudes. Auf der Nordhalbkugel ist die Nordwand die „Polseite“, auf der Südhalbkugel die Südwand. ^{[ 2 ]}

Traditionell wurden Häuser mit wenigen Fenstern zur Polarseite hin, dafür aber mit mehr und größeren Fenstern zur Äquatorseite hin (Südseite auf der Nordhalbkugel und Nordseite auf der Südhalbkugel) entworfen. ^{[ 3 ]} Fenster zur Äquatorseite erhalten an jedem sonnigen Tag des Jahres (außer in den Tropen im Sommer ) zumindest etwas direktes Sonnenlicht und tragen so effektiv zur Tageslichtnutzung in den angrenzenden Bereichen des Hauses bei. In höheren Breitengraden ist der Lichteinfall im Hochwinter stark gerichtet und wirft lange Schatten. Dies lässt sich teilweise durch Lichtstreuung , Lichtleiter oder -röhren sowie durch leicht reflektierende Innenflächen abmildern. In relativ niedrigen Breitengraden erhalten im Sommer Fenster, die nach Osten und Westen und mitunter auch zum näheren Pol ausgerichtet sind, mehr Sonnenlicht als Fenster, die zum Äquator zeigen. ^{[ 2 ]}

Passive Tageslichtnutzung ist ein System, das Sonnenlicht mithilfe statischer, unbeweglicher und nicht nachgeführter Elemente (wie Fenster, Schiebetüren , die meisten Dachfenster und Lichtröhren ) sammelt und es mithilfe von Elementen wie Lichtlenkern tiefer ins Gebäudeinnere reflektiert. Passive Tageslichtsysteme unterscheiden sich von aktiven Systemen dadurch, dass diese dem Sonnenstand folgen und dafür mechanische Mechanismen nutzen.

Ein herkömmliches Fenster

Oberlichtfenster​

Fenster sind die gängigste Methode, Tageslicht in einen Raum zu lassen. Durch ihre vertikale Ausrichtung können sie je nach Tages- und Jahreszeit selektiv Sonnenlicht und diffuses Tageslicht einfallen lassen. Daher müssen Fenster mit unterschiedlichen Ausrichtungen in der Regel kombiniert werden, um je nach Klima und Breitengrad die optimale Lichtmischung für das Gebäude zu erzielen. Es gibt drei Möglichkeiten, den Lichteinfall durch ein Fenster zu verbessern: ^{[ 4 ]} (a) das Fenster in der Nähe einer hellen Wand platzieren, (b) die Fensteröffnungen so schräg gestalten, dass die innere Öffnung größer als die äußere ist, oder (c) eine breite, helle Fensterbank verwenden, um Licht in den Raum zu lenken. Neben der Tageslichtnutzung erfüllen Fenster in der Tageslichtplanung noch eine weitere Funktion: Sie ermöglichen Ausblicke nach draußen. ^{[ 5 ]} Um die Qualität des Ausblicks aus einem Fenster zu verbessern, müssen drei Hauptfaktoren berücksichtigt werden: der Ausblick (was ist zu sehen?), die Zugänglichkeit des Ausblicks (wie viel vom Ausblick ist sichtbar?) und die Klarheit des Ausblicks (wie gut ist der Ausblick erkennbar?). ^{[ 6 ]} Die Klarheit der Aussicht wird häufig durch den Grad der Beschattung beeinflusst, die durch Jalousien oder andere Vorrichtungen zum Schutz vor grellem Tageslicht (z. B. Blendung ) oder aus Gründen der visuellen Privatsphäre erzielt wird . Umweltkriterien sind wichtige Kriterien zur Beurteilung der Qualität des Ausblicks aus dem Fenster. ^{[ 7 ]} Diese Kriterien lassen sich auf fünf wichtige Faktoren reduzieren: Lage, Zeit, Wetter, Personen und Natur. Ausblicke, die den Gebäudenutzern Naturerlebnisse bieten, überwiegen die anderen vier Umweltkriterien deutlich.

Verschiedene Glasarten und -qualitäten sowie unterschiedliche Fensterdekorationen beeinflussen die Lichtdurchlässigkeit von Fenstern. Die Art der Verglasung ist ein wichtiger Faktor, der durch den VT-Wert (Visual Transmittance) ^{[ 8 ]} , auch bekannt als Lichtdurchlässigkeit (VLT), ausgedrückt wird. Wie der Name schon sagt, misst dieser Wert, wie viel sichtbares Licht durch das Fenster dringt. Ein niedriger VT-Wert (unter 0,4) kann den Lichteinfall in einen Raum um die Hälfte oder mehr reduzieren. Allerdings sollte man auch hohe VT-Werte (z. B. über 0,60) beachten, da diese Blendung verursachen können. Andererseits sollten auch die unerwünschten Auswirkungen großer Fenster berücksichtigt werden.

Die Fenster gehen in lichtdurchlässige Wände über (unten).

Ein weiteres wichtiges Element für die Tageslichtnutzung sind Oberlichter . Diese hoch angebrachten Fenster erhöhen den direkten solaren Lichteinfall, wenn sie zum Äquator ausgerichtet sind. Bei direkter Sonneneinstrahlung können Oberlichter und andere Fenster jedoch zu unerwünschter Blendung führen . In einem Passivhaus ermöglichen Oberlichter einen direkten Lichteinfall in Räume auf der Nordseite (Nordseite der Nordhalbkugel; Südseite der Südhalbkugel), die sonst unbeleuchtet blieben. Alternativ können Oberlichter diffuses Tageslicht (aus dem Norden der Nordhalbkugel) einlassen, das Räume wie Klassenzimmer oder Büros gleichmäßig erhellt.

Oftmals werfen Oberlichter auch Licht auf weiß oder andersfarbig gestrichene Innenwände. Diese Wände sind so angeordnet, dass sie indirektes Licht in die gewünschten Innenbereiche reflektieren. Diese Methode hat den Vorteil, dass das Licht weniger gerichtet und dadurch weicher und diffuser wird, wodurch Schatten reduziert werden.

Eine weitere Alternative zu schrägen Glasdächern ist das Sägezahndach (wie es an älteren Fabriken zu finden ist). Sägezahndächer verfügen über vertikale Dachflächen, die von der Äquatorseite des Gebäudes abgewandt sind, um diffuses Licht einzufangen (und nicht die intensive, direkte Sonneneinstrahlung von der Äquatorseite). ^{[ 9 ]} Der schräge Teil der Glastragkonstruktion ist undurchsichtig und mit einer kühlenden Dachbeschichtung und einer Strahlungsbarriere gut isoliert . Das Lichtkonzept des Sägezahndachs reduziert zwar teilweise das Problem der sommerlichen „Solarheizung“ der Oberlichter, lässt aber im kalten Winter dennoch warme Innenluft aufsteigen und die äußere Dachfläche berühren, was zu einem erheblichen unerwünschten Wärmeaustausch führt. ^{[ 10 ]}

Ein Dachfenster ist eine lichtdurchlässige Konstruktion oder ein Fenster, üblicherweise aus transparentem oder lichtdurchlässigem Glas, das einen Teil (oder die gesamte) Dachfläche eines Gebäudes zur Tageslichtnutzung oder Belüftung bildet.

Als architektonisches Element ist ein Oberlicht eine verglaste Scheibe, die üblicherweise bündig mit der Decke abschließt, um natürliches oder künstliches Licht einzulassen. ^{[ 11 ]} Oberlichter bestehen typischerweise aus Buntglas oder Linsen, können aber auch aus alternativen Materialien gefertigt sein. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Beispielsweise verwendet die Lyme Art Association Gallery unter ihren Oberlichtern transluzente, weiße Musselin -Oberlichter. ^{[ 14 ]} Ein Oberlicht unterscheidet sich von einem verglasten (oder geschlossenen) Oberlicht dadurch, dass ein Oberlicht als Dachfenster oder -öffnung fungiert, während ein Oberlicht bündig mit der Decke eines Innenraums abschließt. ^{[ 15 ] [ 16 ]} In Kombination mit einer Dachlaterne oder einem Oberlicht auf einem Schrägdach dient ein Oberlicht als Lichtdiffusor im Innenraum. ^{[ 17 ]} Vor der Einführung der elektrischen Beleuchtung ermöglichten Oberlichter die Lichtübertragung zwischen den Etagen größerer Gebäude und wurden nicht immer mit Oberlichtern kombiniert. ^{[ 18 ]}

Ein Atrium ist ein großer, offener Raum innerhalb eines Gebäudes. Es dient häufig der Beleuchtung zentraler Erschließungs- oder öffentlicher Bereiche mit Tageslicht, das durch ein Glasdach oder eine Glaswand einfällt. Atrien versorgen angrenzende Arbeitsbereiche zwar mit Tageslicht, jedoch ist die Menge oft gering und die Lichtmenge reicht nicht weit. ^{[ 19 ]} Die Hauptfunktion eines Atriums besteht darin, den Nutzern der Arbeitsbereiche ein visuelles Erlebnis und einen gewissen Kontakt zur Außenwelt zu ermöglichen. Die Tageslichtversorgung der angrenzenden Geschosse ist voneinander abhängig und erfordert ein ausgewogenes Vorgehen. ^{[ 20 ]} Licht vom Himmel dringt problemlos in die oberen Geschosse ein, nicht jedoch in die unteren, die primär auf Licht angewiesen sind, das von den Innenflächen des Atriums, wie beispielsweise dem Boden, reflektiert wird. ^{[ 21 ]} Die oberen Geschosse benötigen weniger Fensterfläche als die unteren, und sind die Atriumwände hell, reflektieren sie das Licht in Richtung der unteren Geschosse. ^{[ 9 ]}

Wände aus Glasbausteinen sind lichtdurchlässig bis transparent. Traditionell sind sie hohl und mit feinem Betonmörtel verfugt , moderne Glasbausteinwände bestehen jedoch teilweise aus massivem Gussglas ^{[ 22 ],} das mit einem transparenten Klebstoff verfugt wird. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Stimmt der Brechungsindex des Klebstoffs mit dem des Glases überein, kann die Wand recht transparent sein.

Durch die Erhöhung des Betonanteils werden Flaschenwände so konstruiert, dass sie die Wand vollständig durchdringen und Licht durchlassen. Es wurden auch Betonwände mit durchgehenden Glasprismen hergestellt. Mit dem Aufkommen kostengünstigerer Glasfasern und faseroptischer Betonwände kann Tageslicht (und Schattenbilder) nun direkt durch eine massive Betonwand hindurchtreten und diese dadurch lichtdurchlässig machen; Glasfasern leiten Licht um Kurven und über mehrere Meter. ^{[ 25 ]} Typischerweise werden nur wenige Prozent des Lichts durchgelassen (die Lichtdurchlässigkeit beträgt etwa die Hälfte des Faseranteils an der Oberfläche, und üblicherweise werden nur etwa 5 % Fasern verwendet). ^{[ 26 ] [ 27 ]}

Sowohl Glas als auch Beton leiten Wärme im festen Zustand recht gut, daher bieten diese Wände keine gute Wärmedämmung . Sie werden daher häufig im Außenbereich als Raumteiler zwischen zwei beheizten Räumen (siehe Abbildungen) oder in sehr gemäßigten Klimazonen eingesetzt .

Gewächshauswände (und -dächer) sind so konstruiert, dass sie möglichst viel Licht und möglichst wenig Wärme durchlassen. Sie bestehen aus verschiedenen Materialien und können transparent oder lichtdurchlässig sein.

Es ist möglich, Räume mit wenigen Fenstern oder Oberlichtern durch Fernlichtverteilungseinrichtungen wie Spiegel, Prismen oder Lichtröhren mit Tageslicht zu versorgen . Dieses Verfahren wird als anidolische Beleuchtung bezeichnet , abgeleitet von anidolischer (nicht-bildgebender) Optik . Da das menschliche Auge nichtlinear auf Licht reagiert, wirkt ein Raum heller, wenn das Licht über einen größeren Bereich verteilt wird, und ein größerer Teil wird sinnvoll beleuchtet.

Fernlichtverteilungssysteme weisen Verluste auf, und je weiter das Tageslicht transportiert werden muss und je komplizierter der Übertragungsweg ist, desto ineffizienter ist es. ^{[ 28 ]} Die Effizienz vieler Fernlichtverteilungssysteme kann zudem bei klarem oder bewölktem Himmel stark schwanken. Dennoch sind Fernlichtverteilungssysteme dort von Vorteil, wo es keine andere Möglichkeit gibt, einen Raum mit Tageslicht zu versorgen. ^{[ 19 ]}

Lichtregale

Ein Lichtreflektor

Der früher in Bürogebäuden weit verbreitete, manuell verstellbare Lichtreflektor wird heute nur noch selten verwendet, da er durch eine Kombination anderer Methoden in Verbindung mit künstlicher Beleuchtung ersetzt wurde. Der Reflektor fand dort Anklang, wo die künstliche Beleuchtung im Vergleich zu moderner elektrischer Beleuchtung unzureichend war.

Lichtlenkungsregale sind eine effektive Methode, die Beleuchtung von Fenstern auf der dem Äquator zugewandten Seite eines Gebäudes zu verbessern. Dieser Effekt wird erzielt, indem ein weißes oder reflektierendes Metall-Lichtlenkungsregal außerhalb des Fensters angebracht wird. ^{[ 19 ]} Normalerweise ist das Fenster durch ein Dachvorsprung vor direkter Sommersonne geschützt . Das Lichtlenkungsregal ragt über den vom Dachvorsprung geworfenen Schatten hinaus und reflektiert das Sonnenlicht nach oben, um die Decke zu beleuchten. Dieses reflektierte Licht enthält wenig Wärme, und die von der Decke reflektierte Beleuchtung reduziert typischerweise tiefe Schatten, wodurch der Bedarf an Allgemeinbeleuchtung sinkt. ^{[ 29 ]}

Im kalten Winter entsteht durch den Schnee , der das Licht reflektiert, eine natürliche Lichtfläche. Die tiefstehende Wintersonne (siehe Sonnenverlauf ) wird vom Schnee reflektiert und erhöht den solaren Wärmeeintrag durch nach Süden ausgerichtete Fenster um ein bis zwei Drittel, wodurch die Decke dieser Räume hell erleuchtet wird. Blendschutz (Vorhänge) kann erforderlich sein.

Die älteste Verwendung von Prismen zur Tageslichtnutzung dürften Deckprismen gewesen sein , die in die Schiffsdecks eingelassen wurden, um Licht nach unten zu leiten. Später wurden Gehweg- oder Gewölbeleuchten eingesetzt, um Kellerbereiche unter Gehwegen zu beleuchten. ^{[ 30 ]}

Prismen, die durch Totalreflexion das Licht seitlich streuten und so auch die tieferen Bereiche eines Raumes erhellten, erfreuten sich später großer Beliebtheit. Frühe, dicke, langsam abkühlende Glasprismenfliesen wurden oft nach einem bedeutenden Hersteller als „Luxferfliesen“ bezeichnet. ^{[ 30 ]} Sie wurden und werden im oberen Bereich von Fenstern verwendet, und manche glauben, dass sie zum Trend von dunklen, unterteilten viktorianischen Interieurs hin zu offenen, hellen Räumen beigetragen haben.

Tageslichtumlenkende Fensterfolie (DRF) ist eine dünne Kunststoffversion der alten Glasprismen. Sie kann als Ersatz für blickdichte Jalousien verwendet werden. ^{[ 31 ]}

Eine weitere Art von Vorrichtung ist die Lichtröhre, auch Tageslichtröhre genannt. Sie wird in das Dach eingelassen und lenkt Licht gezielt in einen bestimmten Bereich des Innenraums. Sie ähnelt in gewisser Weise Deckeneinbauleuchten. Da sie eine kleinere Oberfläche haben, ist der Wärmeaustausch geringer als bei Dachfenstern.

Lichtleitsysteme nutzen moderne Technologie, um sichtbares Licht durch undurchsichtige Wände und Dächer zu übertragen. Die Röhre selbst ist ein passives Bauteil, bestehend entweder aus einer einfachen reflektierenden Innenbeschichtung oder einem lichtleitenden Glasfaserbündel. Sie ist häufig mit einer transparenten, auf dem Dach montierten Kuppel als Lichtkollektor versehen und mit einer Diffusoreinheit abgeschlossen, die das Tageslicht in die Innenräume leitet und die verfügbare Lichtenergie gleichmäßig verteilt (oder, falls die Nutzung des beleuchteten Raums relativ konstant ist und der Nutzer einen oder mehrere Lichtpunkte wünscht, auch effizient).

Die röhrenförmige Tageslichtvorrichtung wurde 1986 von Solatube International erfunden und 1991 erstmals in Australien auf den Markt gebracht.

Aktive Tageslichtnutzung ist ein System zur Nutzung von Sonnenlicht mithilfe einer mechanischen Vorrichtung, um die Lichtausbeute für einen bestimmten Beleuchtungszweck zu erhöhen. Aktive Tageslichtsysteme unterscheiden sich von passiven Systemen dadurch, dass passive Systeme stationär sind und der Sonne nicht aktiv folgen. ^{[ 32 ]} Es gibt zwei Arten von aktiven Tageslichtsteuerungssystemen: geschlossene und offene Solarnachführungssysteme .

• Geschlossene Regelsysteme verfolgen die Sonne mithilfe von Linsen oder Sensoren mit begrenztem Sichtfeld, die auf die Sonne gerichtet sind und stets vollständig von Sonnenlicht beleuchtet werden. Mit dem Lauf der Sonne beginnt sie, einen oder mehrere Sensoren zu beschatten. Das System erkennt dies und aktiviert Motoren oder Aktoren, um das Gerät wieder in eine Position zu bringen, in der alle Sensoren wieder gleichmäßig beleuchtet werden. ^{[ 33 ]}
• Systeme mit offenem Regelkreis verfolgen die Sonne, ohne ihr physisch mithilfe von Sensoren zu folgen (Sensoren können jedoch zur Kalibrierung eingesetzt werden). Diese Systeme nutzen typischerweise eine elektronische Steuerung, die Motoren oder Aktoren anhand einer mathematischen Formel ansteuert, um der Sonne zu folgen. Diese Formel ist üblicherweise eine vorprogrammierte Sonnenverlaufskarte, die detailliert beschreibt, wo sich die Sonne an einem bestimmten Breitengrad und zu einem bestimmten Datum und einer bestimmten Uhrzeit für jeden Tag befindet.

Intelligentes Glas ist die Bezeichnung für eine Materialklasse und Bauteile, die zwischen einem transparenten und einem undurchsichtigen, lichtdurchlässigen, reflektierenden oder retroreflektierenden Zustand umgeschaltet werden können. ^{[ 34 ]} Die Umschaltung erfolgt durch Anlegen einer Spannung oder durch einen einfachen mechanischen Vorgang. Fenster, Oberlichter usw. aus intelligentem Glas können zur Anpassung der Innenbeleuchtung eingesetzt werden, um Schwankungen der Außenhelligkeit und der benötigten Innenhelligkeit auszugleichen. ^{[ 35 ]}

Der reflektierende Spiegel eines Heliostaten

Eine Solarstraßenlaterne

Heliostaten , also Spiegel, die sich automatisch bewegen, um das Sonnenlicht mit dem Sonnenstand in eine konstante Richtung zu reflektieren, gewinnen als energieeffiziente Beleuchtungsmethode zunehmend an Bedeutung. Ein Heliostat kann Sonnenlicht direkt durch ein Fenster oder ein Oberlicht lenken oder es in eine beliebige Anordnung optischer Elemente, wie beispielsweise Lichtröhren, lenken, die das Licht dorthin verteilen, wo es benötigt wird. Die Abbildung zeigt einen Spiegel, der sich auf einer computergesteuerten, motorbetriebenen azimutalen Montierung dreht .

Solarstraßenlaternen sind erhöhte Lichtquellen, die von Photovoltaikmodulen gespeist werden, welche in der Regel an der Beleuchtungsstruktur montiert sind. Die Solaranlage eines solchen netzunabhängigen PV-Systems lädt einen Akku auf, der nachts eine Leuchtstoff- oder LED-Lampe mit Strom versorgt. Solarstraßenlaternen sind autarke Stromversorgungssysteme und bieten den Vorteil, Kosten für Erdarbeiten, Landschaftsgestaltung und Wartung sowie Stromkosten zu sparen, trotz ihrer höheren Anschaffungskosten im Vergleich zu herkömmlicher Straßenbeleuchtung. Sie sind mit ausreichend großen Akkus ausgestattet, um einen Betrieb von mindestens einer Woche zu gewährleisten, und selbst unter ungünstigsten Bedingungen ist nur mit einer geringfügigen Helligkeitsabnahme zu rechnen.

Das Oak Ridge National Laboratory (ORNL) hat eine neue Alternative zu Oberlichtern entwickelt: die hybride Solarbeleuchtung. Diese nutzt einen auf dem Dach montierten Lichtkollektor, Glasfasern mit großem Durchmesser und modifizierte, effiziente Leuchtstofflampen, deren transparente Stäbe mit den Glasfaserkabeln verbunden sind. Für die natürliche Innenbeleuchtung tagsüber wird praktisch kein Strom benötigt.

Feldtests der neuen HSL-Technologie in den Jahren 2006 und 2007 verliefen vielversprechend, doch die Kleinserienfertigung der Geräte ist nach wie vor kostspielig. HSL dürfte in naher Zukunft kostengünstiger werden. Eine sturmsichere Version könnte ab 2008 mit verbesserten Implementierungen herkömmliche kommerzielle Leuchtstofflampensysteme ersetzen. Das US-Energiegesetz von 2007 stellt Mittel für die HSL-Forschung und -Entwicklung bereit, und mehrere große Gewerbegebäude sind bereit, die weitere Entwicklung und den Einsatz von HSL-Anwendungen zu finanzieren.

Nachts nutzt das ORNL HSL elektronisch gesteuerte Vorschaltgeräte mit variabler Lichtintensität für Leuchtstofflampen. Mit dem allmählichen Rückgang des Sonnenlichts bei Sonnenuntergang wird die Leuchtstoffröhrenhelligkeit schrittweise erhöht, um eine nahezu konstante Innenbeleuchtung vom Tagesanbruch bis zum Einbruch der Dunkelheit zu gewährleisten.

HSL könnte schon bald eine Option für die gewerbliche Innenbeleuchtung werden. Es kann etwa die Hälfte des direkten Sonnenlichts, das es empfängt, durchlassen. ^{[ 36 ]}

In einem gut geplanten, isolierten Gebäude mit Solarium, Wintergarten , Gewächshaus etc. ist die Glasfläche zur Äquatorseite hin üblicherweise großzügig bemessen. Auch zwischen Wintergarten und Wohnräumen kann eine große Glasfläche vorgesehen werden. Kostengünstiges, in großen Stückzahlen produziertes Sicherheitsglas für Terrassentüren ist eine preiswerte Möglichkeit, dies zu realisieren.

Die Türen zu den Räumen sollten gegenüber der Glasinnenseite des Wintergartens liegen, sodass man beim Betreten der meisten Räume sofort nach draußen sehen kann. Flure sollten minimiert und stattdessen offene Bereiche genutzt werden. Ist ein Flur aus Gründen der Privatsphäre oder zur Raumtrennung notwendig, kann beidseitig kostengünstiges Sicherheitsglas für Terrassentüren angebracht werden. Vorhänge vor der Glasinnenseite können zur Lichtsteuerung eingesetzt werden. Optional lassen sich die Vorhänge mit sensorgesteuerten Elektromotoren automatisieren, die Raumnutzung, Tageslicht, Innentemperatur und Tageszeit berücksichtigen. Passivhäuser ohne zentrale Klimaanlage benötigen Regelungsmechanismen für stündliche, tägliche und saisonale Temperatur- und Tageslichtschwankungen. Bei optimaler Temperatur und unbesetztem Raum schließen sich die Vorhänge automatisch, um den Wärmeverlust zu reduzieren.

Um das Tageslicht im Wintergarten auch auf die vom Äquator am weitesten entfernten Seiten der Räume zu verteilen, können preiswerte, deckenhohe Spiegel verwendet werden.

Die Bauvorschriften fordern einen zweiten Fluchtweg für den Brandfall. Die meisten Planer verwenden eine Tür an einer Seite der Schlafzimmer und ein Außenfenster. Westseitige Fenster bieten jedoch im Sommer eine sehr schlechte Wärmedämmung. Anstelle eines Westfensters verwenden Planer eine massive, energieeffiziente Außentür mit R-13-Schaumfüllung. Diese kann außen mit einer Glas-Sturmtür versehen sein, sodass Licht durchscheinen kann, wenn die Innentür geöffnet ist. Ost-West-Fenster und -Türen sollten vollständig beschattet sein, oder es kann eine spektralselektive Beschichtung verwendet werden, um den solaren Wärmeeintrag zu reduzieren.

Architekten und Innenarchitekten nutzen Tageslicht häufig als Gestaltungselement. Eine gute Tageslichtnutzung erfordert die Berücksichtigung sowohl qualitativer als auch quantitativer Aspekte der Planung. ^{[ 19 ]}

Die Nutzung von Tageslicht ist ein zentraler Aspekt der Architektur. Der französische Architekt Le Corbusier sagte 1929: „Die Geschichte der Baumaterialien … war der endlose Kampf um das Licht … mit anderen Worten, die Geschichte der Fenster.“ Wie er in seinen Bauwerken (z. B. Notre Dame du Haut ) betonte, ist Tageslicht ein wichtiges Gestaltungselement (siehe z. B. die MIT Chapel und die Church of the Light ). Neben den ästhetischen Aspekten wird auch der Einfluss von Tageslicht auf die menschliche Gesundheit und die Arbeitsleistung als qualitative Tageslichtnutzung betrachtet. ^{[ 37 ]} Aktuelle Studien zeigen, dass die Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz zu einer Vielzahl von Faktoren beitragen, die mit Arbeitszufriedenheit, Produktivität und Wohlbefinden zusammenhängen, und dass Tageslicht im Vergleich zu elektrischer Beleuchtung zu deutlich höheren visuellen Akzeptanzwerten führt. ^{[ 38 ]} Studien haben außerdem gezeigt, dass Licht aufgrund seiner Wirkung auf den zirkadianen Rhythmus einen direkten Einfluss auf die menschliche Gesundheit hat . ^{[ 39 ]}

Ein gut mit Tageslicht belichteter Raum benötigt sowohl eine ausreichende Beleuchtungsstärke als auch eine gute Lichtverteilung. In der heutigen Bauindustrie gilt Tageslichtnutzung als Leistungsmerkmal von Gebäuden und wird in Zertifizierungsprogrammen für nachhaltiges Bauen wie LEED berücksichtigt . Die Illuminating Engineering Society (IES) und die Society of Light and Lighting (SLL) geben Beleuchtungsstärkeempfehlungen für jeden Raumtyp heraus. Der Anteil des Tageslichts an der empfohlenen Beleuchtungsstärke bestimmt die Tageslichtnutzungsleistung eines Gebäudes. Die IES hat zwei Kennzahlen zur Bewertung der Tageslichtnutzungsleistung anerkannt: die räumliche Tageslichtautonomie (sDA) und die jährliche Sonneneinstrahlung (ASE). Die sDA beschreibt die jährliche Verfügbarkeit von Tageslicht in Innenräumen. ^{[ 40 ]} Weitere Informationen finden Sie in den Abschnitten „Tageslichtautonomie“ und „LEED-Dokumentation“.

In bestehenden Gebäuden können Feldmessungen zur Bewertung der Tageslichtnutzung durchgeführt werden. Die Messung der Beleuchtungsstärke in einem Raster ist eine grundlegende Methode zur Ermittlung der durchschnittlichen Beleuchtungsstärke eines Raumes. Der Abstand der Messpunkte variiert je nach Projektzweck. Die Höhe der Messpunkte hängt davon ab, wo die Haupttätigkeit ausgeführt wird. In den meisten Büroräumen wird die Beleuchtungsstärke auf Schreibtischhöhe (0,762 m über dem Boden) gemessen. Basierend auf den Messungen werden die durchschnittliche Beleuchtungsstärke, das Verhältnis der maximalen zur minimalen Gleichmäßigkeit und das Verhältnis der durchschnittlichen zur minimalen Gleichmäßigkeit berechnet und mit dem empfohlenen Beleuchtungsniveau verglichen. ^{[ 41 ]} Eine speziell auf die Beleuchtung ausgerichtete Befragung kann durchgeführt werden, um die Zufriedenheit der Gebäudenutzer zu analysieren. ^{[ 41 ]}

Computersimulationen können die Tageslichtverhältnisse eines Raumes deutlich schneller und detaillierter vorhersagen als manuelle Berechnungen oder Modellversuche. Die Simulationen berücksichtigen Klimaeinflüsse anhand stündlicher Wetterdaten eines typischen meteorologischen Jahres . Es stehen Computermodelle zur Verfügung, die Variationen des intern reflektierten Lichts vorhersagen können. Radiosity- und Raytracing- Verfahren eignen sich für komplexe Geometrien, ermöglichen die Berücksichtigung komplexer Himmelsverteilungen und können potenziell fotorealistische Bilder erzeugen. Radiosity-Verfahren gehen von einer perfekten Lichtstreuung aller Oberflächen aus, um die Rechenzeit zu verkürzen. Raytracing-Verfahren zeichnen sich durch Genauigkeit und Bildrendering-Fähigkeiten aus. ^{[ 9 ]}

Die Tageslichtautonomie gibt den prozentualen Anteil der Zeit an, in der die Tageslichtintensität in einem Raum oder Gebäude über einem festgelegten Zielwert liegt. [ ^{42 ] Die} Berechnung basiert auf Jahresdaten und den vordefinierten Beleuchtungsstärken. Ziel der Berechnung ist es, zu ermitteln, wie lange eine Person in einem Raum ohne künstliche Beleuchtung arbeiten kann und dabei gleichzeitig optimalen Seh- und Komfort genießt. ^{[ 42 ]}

Tageslichtautonomie ist vorteilhaft, um zu bestimmen, wie Tageslicht in einen Raum eintritt und ihn beleuchtet. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass es keine Obergrenze für die Leuchtdichte gibt . Daher würde ein Raum mit hoher interner Wärmezufuhr, der von den Nutzern als unangenehm empfunden wird, in der Analyse dennoch gut abschneiden. Um Tageslichtautonomie zu erreichen, ist ein integrierter Planungsansatz erforderlich , der die Gebäudeform, den Standort, klimatische Aspekte, Gebäudekomponenten, die Lichtsteuerung und die Kriterien für die Lichtplanung berücksichtigt.

Die kontinuierliche Tageslichtautonomie ähnelt der Tageslichtautonomie, berücksichtigt jedoch Zeiträume, in denen die Tageslichtbeleuchtungsstärke unter dem Mindestbeleuchtungsstärkewert liegt, anteilig. ^{[ 43 ]} Beträgt die Zielbeleuchtungsstärke beispielsweise 400 Lux und der berechnete Wert 200 Lux, würde die Tageslichtautonomie keine Punkte vergeben, die kontinuierliche Tageslichtautonomie hingegen 0,5 (200/400 = 0,5). Der Vorteil der kontinuierlichen Tageslichtautonomie liegt darin, dass sie keinen festen Schwellenwert für die akzeptable Beleuchtungsstärke vorgibt. Stattdessen berücksichtigt sie den Übergangsbereich und ermöglicht so realistische Präferenzen innerhalb eines Raumes. Beispielsweise arbeiten Büroangestellte in der Regel lieber bei Tageslicht unterhalb des Beleuchtungsstärkeschwellenwerts, da so Blendung und übermäßiger Kontrast vermieden werden. ^{[ 43 ]}

Die nutzbare Tageslichtbeleuchtungsstärke bezieht sich auf das direkte Sonnenlicht, das in einen Raum fällt. Ihre Berechnung basiert auf drei Faktoren: dem prozentualen Anteil der Zeit, in der ein Punkt unter, zwischen oder über einem bestimmten Beleuchtungsstärkewert liegt. Der typische Bereich für diese Faktoren liegt zwischen 100 und 2.000 Lux. Die nutzbare Tageslichtbeleuchtungsstärke ist der Tageslichtautonomie ähnlich, bietet aber den zusätzlichen Vorteil, Blendung und thermischen Unbehagen zu berücksichtigen. ^{[ 44 ]} Der obere Schwellenwert dient dazu, festzustellen, wann Blendung oder thermisches Unbehagen auftreten und gegebenenfalls behoben werden müssen.

Neben der Bestimmung der Beleuchtungsstärke auf einer horizontalen Fläche wurde eine Methode zur Analyse der jährlichen Beleuchtungsstärkeverteilung bei Tageslicht entwickelt. ^{[ 45 ]} Jede jährliche Beleuchtungsstärkeverteilung wird mittels Hauptkomponentenanalyse mit anderen verglichen . Dabei wird die Beziehung zwischen den einzelnen Mustern analysiert. Tageslichtmuster, die sich aufgrund architektonischer Merkmale und der Jahreszeit, in der die Beleuchtungsstärke entsteht, stark ähneln, werden gruppiert. Aus diesen Gruppen werden die repräsentativsten Muster für das jeweilige Gebäude gebildet. Mit dieser Methode lässt sich leicht interpretieren, wie sich das Tageslicht in einem Gebäude über das gesamte Jahr verteilt.

Die LEED -2009-Standards für Tageslichtnutzung zielen darauf ab, Gebäudenutzer durch optimale Tageslichttechniken und -technologien mit der Außenwelt zu verbinden. Gemäß diesen Standards kann der Maximalwert von 1 Punkt auf vier verschiedene Arten erreicht werden. Die erste Methode ist eine Computersimulation, die bei klarem Himmel die Tageslichtbeleuchtungsstärke von 108–5400 Lux am 21. September zwischen 9:00 und 15:00 Uhr nachweist. Ein weiterer Ansatz verwendet zwei Arten von Seitenbeleuchtung und drei Arten von Oberlicht, um festzustellen, ob in den genutzten Räumen mindestens 75 % Tageslicht erreicht werden. Ein dritter Ansatz nutzt Messungen der Innenraumbeleuchtung, die zeigen, dass im Raum Beleuchtungsstärken zwischen 108 und 5400 Lux erreicht wurden. Der letzte Ansatz kombiniert die drei anderen Berechnungsmethoden, um nachzuweisen, dass die Anforderungen an die Tageslichtbeleuchtung erfüllt sind. ^{[ 46 ]}

Die LEED-2009-Dokumentation basiert auf der Berechnung des Tageslichtfaktors . Diese Berechnung basiert auf gleichmäßig bedecktem Himmel und ist vor allem in Nordeuropa und Teilen Nordamerikas anwendbar . ^{[ 47 ]} Der Tageslichtfaktor ist „das Verhältnis der Beleuchtungsstärke an einem Punkt einer Ebene, im Allgemeinen der horizontalen Arbeitsebene, die durch den direkt oder indirekt an diesem Punkt empfangenen Lichtstrom eines Himmels mit bekannter Leuchtdichteverteilung erzeugt wird, zur Beleuchtungsstärke auf einer horizontalen Ebene, die durch eine ungestörte Hemisphäre desselben Himmels erzeugt wird.“ ^{[ 47 ]}

Die LEED v4-Tageslichtstandards sind mit Stand 2014 die aktuellsten. Die neuen Standards ähneln den alten, zielen aber zusätzlich darauf ab, „den zirkadianen Rhythmus zu stärken und den Einsatz von elektrischer Beleuchtung durch die Nutzung von Tageslicht im Raum zu reduzieren.“ ^{[ 48 ]} Es gibt zwei Möglichkeiten, diese beiden Kriterien optimal zu erfüllen. Zum einen kann mithilfe einer Computersimulation nachgewiesen werden, dass im Raum eine Tageslichtautonomie von 300 Lux für mindestens 50 % der Zeit und eine jährliche Sonneneinstrahlung von 1.000 Lux für 250 Nutzungsstunden pro Jahr vorhanden ist. Zum anderen kann gezeigt werden, dass die Beleuchtungsstärke an einem klaren Tag zur Tagundnachtgleiche zwischen 9:00 und 15:00 Uhr für 75 % bzw. 90 % der Bodenfläche im Raum zwischen 300 Lux und 3.000 Lux liegt. ^{[ 48 ]} Das übergeordnete Ziel der LEED v4-Tageslichtmetriken ist die Analyse von Lichtmenge und -qualität sowie deren Nutzung. um den Einsatz von Verglasung so auszubalancieren, dass mehr Licht und eine geringere Kühllast gewährleistet werden.

• Webseite des US-Energieministeriums zum Thema passive Tageslichtnutzung
• Himawari Tageslichtkollektor