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Tran Quoc Khanh. Beleuchtung in Innenräumen - Human Centric Integrative Lighting
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Beleuchtung in Innenräumen – Human Centric Integrative Lighting
Vorwort und Danksagung
1. Einleitung und Motivation. 1.1 Einführung: ein historischer Rückblick und aktuelle Fragestellungen
Literatur
2. Grundlagen der Lichttechnik – visuelle und nicht visuelle Grundaspekte
2.1 Das menschliche Sehsystem: visuelle und nicht visuelle Signalverarbeitung
2.2 Lichttechnische und farbmetrische Kenngrößen. 2.2.1 Lichttechnik und Farbmetrik
2.2.2 Farbmetrik: CIE-Normvalenzsystem und CIE-Normfarbtafel
2.2.3 Farberscheinung, Farbumstimmung, Farbräume, Farbdifferenzformeln
2.2.4 Das CIECAM02-Farberscheinungsmodell
2.2.5 CAM02-UCS-Farbraum
2.3 Grundlagen der nicht visuellen Aspekte. 2.3.1 Melatoninunterdrückung in der Nacht
2.3.2 Modellierung der Melatoninunterdrückung in der Nacht mit dem zirkadianen Stimulus (CS) und dem melanopischen Wirkungsfaktor
2.3.3 Spektrale Aktivitätsfunktionen nach der CIE
2.3.4 Mathematische Zusammenhänge zwischen circadian stimulus (CS), melanopischer Beleuchtungsstärke und D65-äquivalenter Beleuchtungsstärke
Literatur
3. Grundprinzipien von Human Centric Lighting/integrativer Beleuchtung
3.1 Grundsätzliche Fragestellungen, allgemeine Aspekte
3.2 Eingangsgrößen – eine Systematik
3.3 Gehirnverarbeitung zur Bildung subjektiver und objektiver Verhaltensgrößen
3.3.1 Visuelle Verarbeitungssysteme [1]
3.3.1.1 Horizontalzellen-Bipolarzellen-Schicht
3.3.1.2 Ganglienschicht
3.3.1.3 Die Sehbahn
3.3.1.4 Gesamte Netzwerkstruktur des Sehsystems – ein Überblick nach [6]
3.3.2 Verarbeitungszentren und Übertragungsbahnen für nicht visuelle Lichtwirkungen
3.3.2.1 Lichtwirkungen auf Stimmung und Lernen
3.3.2.2 Allgemeine Lichtwirkungen auf Kognition, Emotion und Wachheit [26]
3.3.2.3 Wellenlängenabhängigkeit von Gehirnaktivitäten bei Lichtexposition [26]
3.4 Timing-System, zirkadianer Rhythmus und Schlafverhalten. 3.4.1 Fragestellungen
3.4.2 Timing-System: Entrainment, Zeitgeberrolle
3.4.3 PRC-Funktion, Phasenverschiebung
3.4.4 Chronotypen, Schlafverhalten
3.5 Ausgangsgrößen des visuellen und des nicht visuellen Gehirnverarbeitungsapparats: eine Systematik
3.6 Grundaspekte von Human Centric Lighting – Integrative Lighting [35]
3.7 Werkzeuge und Methoden für die Ermittlung der subjektiv und objektiv messbaren Lichtwirkungen
3.7.1 Fragebögen zur umfassenden subjektiven Bestimmung der Beleuchtungsqualität von Innenräumen
3.7.2 Fragebögen zum Schlafverhalten, Schläfrigkeit, Wachheit – subjektive Basis
3.7.3 Objektive Methoden und Werkzeuge
Literatur
4. Sehleistungen – Arbeitsleistungen. 4.1 Stand der Normung für Innenraumbeleuchtung am Beispiel der DIN EN 12464
4.2 Sehleistungen. 4.2.1 Definition und Einflussfaktoren
4.2.2 Das RVP-Modell von Rea, 1991 [5]
4.2.2.1 Experimente und Ergebnisse von 1986 [6]
4.2.2.2 Experimente und Ergebnisse von 1988 [7] und Modellierung von 1991 [5]
4.2.3 Das Modell von Kokoschka [2] auf der Datenbasis von Weston [8]
4.3 Arbeitsleistungen. 4.3.1 Zuordnung der Arbeitsleistungsaspekte
4.3.2 Modell zur Beanspruchungsregulation bei schlechter Beleuchtung [16, 19]
4.3.3 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die geistige Arbeit
4.3.3.1 Die Experimente von Boyce [21]
4.3.3.2 Die Experimente von Lindner [13]
4.3.4 Einfluss des Beleuchtungsniveaus auf die Arbeitsleistung an Industriearbeitsplätzen. 4.3.4.1 Literaturübersicht bis 1971
4.3.4.2 Experimente von Lindner in 1976 [15]
4.3.5 Zusammenfassung der Aussagekraft der Sehleistungs- und Arbeitsleistungsergebnisse – vorläufige Konsequenzen für die Innenraumbeleuchtung
Literatur
5. Moderne Aspekte der Helligkeit und der visuellen Klarheit im Kontext der Lichtqualität und visuelle Leistung. 5.1 Einführung
5.2 Versuchsmethode der Probandenstudie [23]
5.3 Modellierung der Helligkeit und der visuellen Klarheit
5.4 Zusammenfassung
Literatur
6. Farbqualität und psychophysisch-emotionale Aspekte, Laborexperimente. 6.1 Einleitung
6.2 Bevorzugte horizontale Beleuchtungsstärken [1]
6.3 Bevorzugte Leuchtdichten von der Wand am Monitorarbeitsplatz. 6.3.1 Einführung
6.3.2 Versuchsmethode
6.3.2.1 Testreihe 1: Ermittlung der angenehmsten Display-Helligkeit bei einer konstanten, typischen Wandleuchtdichte
6.3.2.2 Testreihe 2: Ermittlung der angenehmsten Leuchtdichte und Farbtemperatur an der Wand bei konstanter Display-Leuchtdichte
6.3.3 Auswertung der Ergebnisse
6.3.4 Zusammenfassung
6.4 Bevorzugte Farbtemperaturen [23] 6.4.1 Einführung
6.4.2 Experimentelle Methode
6.4.3 Ergebnisse und Diskussion
6.5 Bevorzugte Bereiche von Farbtemperaturen und Beleuchtungsstärken [25, 26] 6.5.1 Das Wesen der Beleuchtungsstärke und der Farbtemperatur
6.5.2 Beleuchtungsstärke und Farbtemperatur in der Literatur
6.5.3 Visuelle Experimente zum kombinierten Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke
6.5.4 Ergebnisse: kombinierter Effekt von Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke
6.5.5 Abhängigkeit der bevorzugten Farbtemperatur und Beleuchtungsstärke von Alter und Geschlecht für Aktivierung und Entspannung [26]
6.6 Bevorzugte Farborte (Weißtöne) [37] 6.6.1 Einführung
6.6.2 Versuchsmethode [37]
6.6.3 Ergebnisse [37]
6.7 Farbqualität
6.7.1 Wahrnehmungsaspekte der Farbqualität
6.7.1.1 Natürlichkeit, Farbtreue (Farbwiedergabe)
6.7.1.2 Lebhaftigkeit
6.7.1.3 Chromatische Relativhelligkeit (Brillanz)
6.7.1.4 Farbpräferenz
6.7.1.5 Gedächtnisfarben
6.7.2 Modellierung der Farbpräferenz, der Natürlichkeit und der Lebhaftigkeit
6.7.2.1 Modellierung der Farbpräferenz, Natürlichkeit und Lebhaftigkeit bei 750 lx [54]
6.7.2.2 Modellierung der Farbpräferenz bei 2000 lx und Vergleich der Farbpräferenz zwischen 750–2000 lx [55]
6.7.3 Berücksichtigung von roten Objektfarben im Farbpräferenzmodell
6.8 Farbpräferenz für die Beleuchtung des Hauttons [58] 6.8.1 Einführung
6.8.2 Methode des Versuchs zur Farbpräferenz für die Beleuchtung des Hauttons [58]
6.8.2.1 Spektrale Messung der Hauttöne
6.8.2.2 Charakterisierung der verwendeten Lichtquellen
6.8.3 Ergebnisse der subjektiven Skalierung der Farbpräferenz für den Hautton und optimale Sättigungsstufen
6.9 Farbwiedergabeindizes und deren semantische Bedeutung [61] 6.9.1 Einführung
6.9.2 Methodik des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes [61]
6.9.3 Ergebnisse des Experiments zur semantischen Bedeutung der Farbwiedergabeindizes [61]
6.10 Zusammenfassung des Kapitels 6: Vorläufige Konsequenzen für die Innenraumbeleuchtung
Literatur
7. Neue Lichtqualitätsmodelle aus Laborexperimenten und Validation in Feldversuchen. 7.1 Einführung
7.2 Eingangs- und Ausgangsparameter der Lichtqualitätsmodelle. 7.2.1 Eingangsparameter
7.2.2 Ausgangsparameter
7.3 Versuchsanordnungen für die Lichtqualitätsmodelle
7.4 Gleichungen der Lichtqualitätsmodelle
7.4.1 Helligkeit
7.4.2 Visuelle Klarheit
7.4.3 Farbpräferenz
7.4.4 Szenenpräferenz
7.5 Modellierung mit dem circadian stimulus (CS)
7.5.1 Berechnungsmethode
7.5.2 Helligkeit
7.5.3 Visuelle Klarheit (VC)
7.5.4 Farbpräferenz (CP)
7.5.5 Szenenpräferenz (SP)
7.5.6 Visualisierung der VC-, CP- und SP-Modelle in Konturdiagrammen
7.6 Validation der Lichtqualitätsmodelle (in Abschn. 7.4) in drei Museen in Japan [34]
7.7 Zusammenfassung
Literatur
8. Korrelationsanalyse der HCL-Kenngrößen und Konsequenzen für die Messtechnik nicht visueller Effekte. 8.1 Generelle Betrachtung der Korrelation der Kenngrößen für visuelle Leistung, Farbqualität und nicht visuelle Wirkungen. 8.1.1 Einführung
8.1.2 Bewertung der Farbwiedergabeindizes
8.1.3 Bewertungen der Helligkeitskenngrößen
8.1.4 Melanopische Wirkung und Farbwiedergabe
8.2 Spezifische Betrachtung der Korrelation der Kenngrößen für visuelle Leistung, Farbqualität und nicht visuelle Wirkungen
8.3 Struktur und Kategorien der Eingangskenngrößen im HCL-System
Literatur
9. Psychophysisch-emotionale Aspekte – visueller Komfort und nicht visuelle Wirkungen
9.1 Psychologisch-emotionale Aspekte der Lichtwirkung. 9.1.1 Einführung
9.1.2 Psychologische Wirkung der veränderlichen Lichtsituationen, Raumwirkung [7]
9.1.2.1 Feldversuch
9.1.2.2 Laborversuch
9.2 Raumeindruck, Raumhelligkeit und Gesichtsfeldleuchtdichte
9.3 Visueller Komfort – Flimmern und stroboskopische Effekte
9.3.1 Pulsweitenmodulation und Konstantstromregelung
9.3.1.1 Pulsweitenmodulation (PWM)
9.3.1.2 Konstantstromregelung (engl. constant current regulation, CCR)
9.3.2 Flimmern und stroboskopische Effekte
9.3.3 Stand der Forschung
9.3.4 Untersuchung. 9.3.4.1 Das Setting
9.3.4.2 Untersuchte Parameter
9.3.4.3 Versuchsablauf
9.3.5 Ergebnisse
9.3.5.1 Mittelwerte
9.3.6 Fazit
9.4 Nicht visuelle Lichtwirkungen in den nächtlichen Stunden
9.4.1 Einführung
9.4.2 Lichtwirkungen in nächtlichen Stunden mit polychromatischem weißem Licht
9.4.2.1 Ergebnisse
9.4.3 Lichtwirkungen in nächtlichen Stunden mit quasimonochromatischem Licht
9.4.4 Bildung einer Metrik zur Charakterisierung der zeitabhängigen Melatoninunterdrückung
9.4.5 Bestimmung der potenziellen Ursachen für die Melatoninunterdrückung in nächtlichen Stunden
9.4.6 Beleuchtungstechnische Aspekte für die Schichtarbeiten
9.5 Psychologische und gesundheitliche Aspekte von Tageslicht
9.5.1 Psychologische Aspekte [38]
9.5.2 Gesundheitliche Aspekte von Tageslicht [39]
9.5.3 Quantitative Charakteristik von Tageslicht und elektrischem Licht - ein Vergleich
9.6 Einflüsse von Lichtintensität und Zeitpunkt der Lichtexposition auf das Schlafverhalten [76]
9.7 Lichtwirkungen auf die Wachheit - Literaturanalyse verschiedener Publikationen
9.7.1 Wachheit in den abendlichen und nächtlichen Stunden
9.7.2 Wachheit in der Tageszeit
9.8 Ergebnisse der Lichtwirkung auf die Wachheit in der Frühschicht in einem Industriebetrieb
9.8.1 Ergebnisse der Datenauswertung
9.8.2 Zusammenfassung und Diskussion
Literatur
10. Praktische HCL-Lichtmesstechnik im Innen- und Außenbereich. 10.1 Einführung [1]
10.2 Arbeitsthesen und Fragestellungen für die HCL-Lichtmesstechnik [13]
10.3 Lichtmesstechnische Aspekte [13, 23, 29] 10.3.1 Gesichtsfeldeinteilung
10.3.2 Derzeitige Definitionen der zirkadian wirksamen Bestrahlungsstärke
10.3.2.1 Vorgehensweise in Deutschland
10.3.2.2 Vorgehensweise nach M. Rea [12]
10.3.3 Ermittlung von circadian stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstärke und Normfarbwertanteile z [1]
10.3.4 Ermittlung von circadian Stimulus (CS) durch die vertikale Beleuchtungsstärke und die ähnlichste Farbtemperatur CCT [35]
10.4 Zirkadian wirksame Bestrahlung im Außen-und Innenbereich durch integrale Feldmessungen
10.4.1 Die Feldmessungen im Winter
10.4.2 Feldmessungen an einem Sommertag
10.4.3 Feldmessungen am Abend eines Herbsttages
10.5 Tageslichtmessung – fundamentale und praktische Ansätze. 10.5.1 Fundamentale spektrale Messung der Tageslichtspektren
10.6 HCL-Lichtmessungen an Büroarbeitsplätzen
10.6.1 Benötigte Messgrößen sowie verwendete Messtechnik
10.6.2 Messaufbau
10.6.3 Messräume
10.6.4 Messergebnisse an verschiedenen Büroarbeitsplätzen
Literatur
11. Technologische Aspekte der HCL – Beleuchtung in Gebäuden. 11.1 Einführung in die Thematik Smart Lighting nach [1]
11.2 Technische Grundlagen von Smart Lighting nach [3]
11.3 Struktur von Cloud-Software und Applikationsfälle
11.4 Lichtregelung und spektrale Optimierung für hochqualitatives und gesundes Licht. 11.4.1 Stufen der Realisierungsmöglichkeiten der Leuchten für die HCL-Beleuchtungstechnik
11.4.2 Stufen 1 und 2 mit konstanter Farbtemperatur. 11.4.2.1 Grunddaten der zirkadianen Wirksamkeit
11.4.2.2 Bisherige Technologien für die Erzeugung des weißen LED-Lichts nach [9]
11.4.2.3 Neuere Technologien für die Erzeugung des weißen LED-Lichts mit einer Farbtemperatur
11.4.3 Entwicklungsstufen 3 und 4 mit variabler Farbtemperatur und variabler Beleuchtungsstärke
11.4.4 Entwicklungsstufe 5 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstärke und mit einer hohen Farbqualität
11.4.5 Entwicklungsstufe 6 mit variabler Farbtemperatur, variabler Beleuchtungsstärke und Tageslichtberücksichtigung. 11.4.5.1 Einführung
11.4.5.2 Variation des Tageslichts und Konsequenzen für die Innenraumbeleuchtung – Ergebnis einer Messung nach [16]
11.4.5.3 Ansätze zur Berücksichtigung von Tageslichtkomponenten im Innenraum
11.5 Farb- und Lichtsensorik
Literatur
12. HCL-Orientierte Beleuchtungsplanung – Grundaspekte und Umsetzung
12.1 Einordnung von HCL-Konzeption des Prozesses der Beleuchtungsqualität. 12.1.1 Konzeptionen und Gedankenprozesse über die Beleuchtungsqualität bis ins Jahr 2002 nach [1]
12.1.1.1 Arbeiten von Flynn et al
12.1.1.2 Arbeiten von Rowlands und Loe
12.1.1.3 Arbeiten von Veitch und Newsham
12.1.2 Derzeitiger Literaturstand und neue Gedanken über die Beleuchtungsqualität
12.1.3 Zusammenfassende Konzeption über HCL und Beleuchtungsqualität – ein Konzeptentwurf
12.2 Prozess und Einflussfaktoren zur Erzielung der Beleuchtungsqualität – Lichtplanung. 12.2.1 Ziele und Einordnung der HCL-orientierten Lichtplanung
12.2.2 Prozessschritte der HCL-orientierten Lichtplanung
12.3 Tageslicht und Tageslichtplanung
12.3.1 Einführung [36, 53]
12.3.2 Tageslicht in lichtplanerischer Sicht – Tageslichtplanung im Rahmen der Normung
12.3.3 Tageslichtplanung für nicht visuelle Effekte
12.3.4 Einige Daten über Tageslichtwirkungen nach [37]
12.4 Spezifikation der HCL-Beleuchtungsanlagen für Tageszeit – Entwurf für eine Empfehlung. 12.4.1 Einführung
12.4.2 Beleuchtungsniveau, zirkadian wirksame Beleuchtungsstärken. 12.4.2.1 Auf der Basis der Arbeitsleistung (Kapitel 4)
12.4.2.2 Auf der Basis von subjektiven (psychophysischen) Studien
12.4.2.3 Auf der Basis der Untersuchungen über nicht visuelle Wirkungen
12.5 Dynamisches Licht – Steuerkurven
12.6 Beleuchtung für Nutzer/-innen mit höherem Lichtbedarf
12.6.1 Das Sehen im Alter – einige Aspekte
12.6.2 Beleuchtung für Altenheime und an Demenz erkrankten Menschen
12.6.3 Vorschlag für die Beleuchtungsplanung für Altenheime und Pflegeheime
Literatur
13. Zusammenfassung und Ausblick. 13.1 Zusammenfassung
13.2 Ausblick
Anhang A. Einheitliche Bewertung von Lichtsituationen mit dem LiTG-Fragebogen (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e. V.)
Literatur
Stichwortverzeichnis. A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
L
M
N
O
P
R
S
T
U
V
W
Y
Z
WILEY ENDBENUTZER-LIZENZVEREINBARUNG
