Allgemeiner Verfahresablauf nach DIN V 18599-4

DIN V 18599-4 "Energetische Bewertung von Gebäuden, Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung - Teil 4: Nutz- und Endenergiebedarf für Beleuchtung" enthält zwei Verfahren zur Bestimmung des jährlichen Endenergiebedarfs, eines für vertikale Fassaden (Fenster) und eines für Dachoberlichter. Im Vergleich zum Verfahren für Fenster erfolgt die Berechnung für Oberlichter in einem zweistufigen Verfahren - eine äquivalente dritte Stufe wie bei Fassaden zur Beschreibung der Verschattungseigenschaften (Berücksichtigung von steuerbaren Sonnen-/Blendschutzeinrichtungen) ist für Oberlichter gegenwärtig noch nicht enthalten -:

1. Einstufung der Tageslichtversorgung aufgrund der (geplanten) baulichen Gegebenheiten auf der Basis des Tageslichtquotienten D
   
2. mit anschließender Korrelation mit dem Beleuchtungsenergieeinsparpotential.

2. Stufe:
Die so ermittelte Tageslichtversorgung wird mit monatlichen oder jährlichen Energiebedarfswerten für Beleuchtungszwecke korreliert. Hier fließen jetzt weitere Größen mit ein wie geographische Daten (Klima, Lage) und Angaben zum künstlichen Beleuchtungssystem.

Das Verfahren der DIN V 18599-4 berücksichtigt, dass in dieser frühen Planungsphase, zu der der Nachweis erbracht werden soll, meist nur Daten zur Gebäudegeometrie vorliegen werden (z. B. Lage und Ausrichtung, Gebäude- bzw. Raumabmessungen, Größe und Lage der Fenster- und Dachoberlichtöffnungen). Für andere, zu diesem Zeitpunkt noch nicht bekannte Daten (z. B. Reflexionsgrade von Boden, Decke und Wänden) legt die Norm Standardwerte (ρ_B = 0,2; ρ_W = 0,5; ρ_D = 0,7; ρ_S = 0,7) als sinnvolle Annahmen fest. Für eine solche überschlägliche Berechnung sind vertiefte lichttechnische Kenntnisse nicht erforderlich. Es versteht sich von selbst, dass im Rahmen einer Normung nicht jede denkbare Oberlichtkonstruktion erfassen werden kann, deshalb sind nur typische und häufig in großflächigen Gebäuden vorkommende Bauweisen von Oberlichtern wie Lichtkuppeln, Dachlichtbänder und Sheddächer berücksichtigt worden.

Berechnung des Tageslichtquotient D
Das bislang für Dachoberlichter eingeführte und durchaus gängige Verfahren nach DIN 5034-6 berücksichtigt nicht die Orientierung der Lichteintrittsöffnung, weshalb es keine unmittelbare Korrelation mit dem Endenergiebedarf für Beleuchtungszwecke erlaubt, dessen Berechnung den zeitlich veränderlichen Beleuchtungsverhältnissen auf der Lichteintrittsöffnung Rechnung tragen muss. Das Verfahren nach Rattunde schafft hier Abhilfe. Es fußt auf dem für künstliche Beleuchtungsanlagen entwickelten Wirkungsgradverfahren und behandelt Lichtkuppeln und Sheddach-Konstruktionen. Analog zu einer direktstrahlenden elektrischen Leuchte wird das Dachoberlicht als Lichtquelle betrachtet. Zur Anwendung speziell auch auf langgestreckte Dachlichtbänder (a_s/b_s ≥ 5) sowie für Sheddach-Konstruktionen mit 45°-Neigung (Dachreiter) wurden neue Raumwirkungsgrade anhand der verfügbaren Daten extrapoliert.

Nach dem Ansatz der Vornorm DIN V 18599-4 werden Berechnungsbereiche mit gleichmäßig auf der Dachfläche verteilten Dachoberlichtern grundsätzlich als tageslichtversorgt angesehen. Dies bedingt, dass die Schwankungen zwischen D_max und D_min (Gleichmäßigkeit g₂ nach DIN 5034-6) nicht groß sein dürfen. Erfahrungsgemäß kann insbesondere bei Dachoberlichtern (Lichtkuppeln/Lichtbändern) dann von einer gleichmäßigen Anordnung gesprochen werden, wenn das Verhältnis f des Achsabstandes e der Dachoberlichter untereinander zur Raumhöhe h nicht größer als 1:1,7 ist (siehe Tabelle).

Verhältnis f zwischen dem Achsabstand e und der Raumhöhe h

Daraus kann abgeleitet werden, dass niedrigere Räume kleinere und enger beieinanderliegende Öffnungen bedürfen, höhere Räume vertragen größere Öffnungen in größerem Abstand. Dahingehend wird insbesondere für Dachlichtbänder empfohlen, die Breite b_Ol (bzw. b_Rb) nicht größer als die halbe Raumhöhe zu wählen.

Falls Dachoberlichter einzeln angeordnet werden bzw. für die Randbereiche von gleichmäßig verteilten Dachoberlichtern legt die Vornorm als maximale Tiefe des Tageslichtbereiches fest:

a_TL,max ≤ (h_R,j - h_Ne,j)

Die regelmäßige Anordnung der Oberlichter mit resultierenden gleichmäßigen Beleuchtungsverhältnissen gibt die Voraussetzungen, einen Ansatz über den mittleren Tageslichtquotienten als die kennzeichnende Größe zu wählen, über den die Beleuchtungsverhältnisse im Innenraum in Abhängigkeit von der Außenbeleuchtungsstärke E_a ermittelt werden können.

Der mittlere Tageslichtquotient wird berechnet nach Gleichung (28) der DIN V 18599-4 zu:

Dabei sind:

Außentageslichtquotient D_a
Der Außentageslichtquotient D_a als Verhältnis von E_F/E_a wird in Abhängigkeit von der Neigung der Lichteintrittsöffnung bestimmt. Für horizontale Flächen wird er zu 1 gesetzt.

Lichttransmissionsgrad τ_D65
Anhaltswerte für den Lichttransmissionsgrad τ_D65 von häufig verwendeten Verglasungsmaterialien können der Vornorm direkt entnommen werden. Darüber hinaus sind hier weitere Daten für Kunststoffe und zusätzliche exemplarische Daten speziell für Überkopfverglasungen hier aufgelistet.

Minderungsfaktor für Versprossung k_Obl,1
Der Minderungsfaktor für Versprossung kann bestimmt werden zu:

Anhaltswerte für k_Obl,1 für gewölbte Lichtbänder und Glaspyramiden mit senkrechten Aufsetzkränzen

Bei Lichtkuppeln mit geneigten Wandungen des Aufsetzkranzes ist die obere Lichteintrittsöffnung A_Fs immer kleiner als die untere Lichtaustrittsöffnung A_Rb (siehe Abbildung). In diesem Fall stellt das Verhältnis der Lichteintrittsöffnung A_Fs = a_s · b_s, vermindert um eventuelle lichtundurchlässige Einbauten (Beschläge, Traversen etc.), zur Fläche der Rohbauöffnung A_Rb = a_Rb · b_Rb (= Nenngröße) den Wert k_Obl,1 dar.

Größen zur Beschreibung der Geometrie des Aufsetzkranzes bei Lichtkuppeln und Lichtbändern
(Quelle: DIN V 18599-4)

Minderungsfaktor für Verschmutzung k_Obl,2
Verschmutzungen auf den lichtdurchlässigen Flächen reduziert den Lichtdurchgang durch Dachoberlichter und sind deshalb im Berechnungsgang zu berücksichtigen. Hierauf ist man in der Vergangenheit bei energetischen Betrachtungen noch nicht eingegangen. Bei lichttechnischen Berechnungen spielte dieser Faktor aber schon immer eine Rolle. Je nach regionalen und örtlichen Verhältnissen und Nutzungsbedingungen im Innenraum kann die Partikelbelastung stark schwanken. Ist k_Obl,2 beim Entwurf noch nicht bekannt, kann er mit k_Obl,2 = 0,8 angesetzt werden. Dies entspricht der Kombination "außen gering/innen mittel" der untenstehenden Tabelle und ist durchaus gerechtfertigt, da die geneigten Oberflächen von Lichtkuppeln und Lichtbändern durch Regen zu einer Selbstreinigung der Außenoberfläche beitragen.

Abhängigkeit des Verminderungsfaktors k_Obl,2 vom Maß der Verschmutzung (Anhaltswerte) (Quelle: DIN 5034-3)

Fläche der Dachoberlichtöffnungen A_Rb
Während bei Lichtkuppeln und Lichtbändern die horizontal liegende Lichtaustrittsöffnung mit A_Rb bezeichnet wird, wird bei Shedlichtbändern die Fläche A_Rb als Produkt aus h_G und b_S der schrägen Rohbauöffnung gebildet (siehe Abbildung), wobei b_S die Breite der Lichteintrittsöffnung ist .

Größen zur Beschreibung der Geometrie Shedlichtbändern (Quelle: DIN V 18599-4)

Raumwirkungsgrad η_R
Der Raumwirkungsgrad η_R wird Tabellen der Vornorm entnommen, je nach dem, ob Lichtkuppeln/Lichtbänder oder Shedlichtbänder berechnet werden sollen. Eingangsgrößen zu Lichtkuppeln/Lichtbänder sind:
- das Längen-/Breitenverhältnis a_s/b_s,
- das Schachthöhen/Breitenverhältnis h_s/b_s,
- die Neigung des Aufsetzkranzes γ_W und
- der Raumindex k.

Eingangsgrößen zu Shedlichtbänder sind:
- das Höhenverhältnis h_G/h_W,
- die Neigung des lichtdurchlässigen Shedrückens γ_F,
- die Neigung des lichtundurchlässigen Shedrückens γ_W und
- der Raumindex k.

Raumindex k
Der Raumindex k charakterisiert die Raumproportionen über die Formel:

Dabei sind a_R und b_R die Raumlänge bzw. -breite und h_R' die Differenz aus Raumhöhe und Höhe der Nutzebene (h_R - h_Ne). Die hier gewählte Indizierung von h_R' mit Apostroph behebt ein mögliches Missverständnis der Vornorm, da mit h_R die gesamte Raumhöhe gemeint ist.

Klassifizierung der Tageslichtversorgung in Abhängigkeit vom mittleren Tageslichtquotienten
Der mittlere Tageslichtquotient , der nach DIN V 18599-4 oder einem anderen validierten Verfahren bestimmt wurde, ist der Eingangswert für die Klassifizierung der Tageslichtversorgung in vier Kategorien. Die abstrakte Prozentangabe von wurde hier erläuternd auf die griffigere Größe der Innenraumbeleuchtungsstärke E_p unter Annahme einer Außenbeleuchtungsstärke E_a von 5.000 Lux bei gleichmäßig bedecktem Himmel bezogen.

Maßkriterium j	Beleuchtungsstärke Ep,j*	Klassifizierung der Tageslichtversorgung
7 ≤ j %	350 ≤ Ep,j lx	gut
4 ≤ j < 7 %	200 ≤ Ep,j < 350 lx	mittel
2 ≤ j < 4 %	100 ≤ Ep,j < 200 lx	gering
0 ≤ j < 2 %	0 ≤ Ep,j < 100 lx	keine
* bezogen auf Ea = 5.000 lx (gleichmäßig bedeckter Himmel)

Klassifizierung der Tageslichtversorgung

Tageslichtversorgungsfaktor C_TL,Vers,j
Mit der ermittelten Klasse der Tageslichtversorgung (gut, mittel oder gering), dem Wartungswert der Beleuchtungsstärke , der Orientierung und der Neigung der Verglasungsfläche lässt sich dann aus DIN V 18599-4 der Tageslichtversorgungsfaktor C_TL,Vers,j für Dachoberlichter entnehmen.

Teilbetriebsfaktor Tageslicht F_TL

Der Teilbetriebsfaktor Tageslicht F_TL berechnet sich nach der Vornorm zu:

F_TL = 1 - C_TL,Vers · C_TL,kon

Der Teilbetriebsfaktor für Kontrollsysteme C_TL,kon wird aus Tabelle 18 DIN V 18599-4 bestimmt.

Effektive Betriebszeit t_eff,Tag,TL

t_eff,Tag,TL = t_Tag · F_TL· F_prä

t_Tag und F_prä aus DIN V 18599-10

Elektrische Bewertungsleistung p_j

Um den jährlichen Endenergiebedarf für die Beleuchtung ermitteln zu können, muss die
elektrische Bewertungsleistung p_j für ein gewähltes Beleuchtungssystem bestimmt werden.

p_j = p_j,lx · · k_A · k_L · k_R

p_j,lx aus Tabelle 1 DIN V 18599-4
gemäß Nutzungsprofil aus DIN V 18599-10
k_A aus DIN V 18599-10
k_L aus Tabelle 2 DIN V 18599-4
k_R mit entsprechendem Raumindex k aus Tabelle 3 DIN V 18599-4

Jährlicher Endenergiebedarf für Beleuchtung

Der jährlicher Endenergiebedarf Beleuchtung Q_I unter Berücksichtigung einer Tageslichtnutzung infolge Dachoberlichter folgt zu:

Q_I = p_j· [A_TL · (t_eff,Tag,TL + t_Nacht)]