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TU Berlin

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Laufende Projekte

Spektrale Himmelsmodelle

Lupe

Entwicklung und Anwendung spektraler Himmelsmodelle in der urbanen Planung

Laufzeit: 04.07.2017 – 31.05.2020

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Aicha Diakite, Dr. Martine Knoop

Mittelgeber: Velux Stiftung

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Projektbeschreibung:

Ziel des Projektes ist die Entwicklung datenbasierter spektraler Himmelsmodelle, welche die Integration von Tageslicht in den Entwurf von gesundheitsfördernden urbanen Strukturen ermöglichen sollen. Die spektralen Himmelsmodelle stellen die orientierungsabhängigen spektralen Eigenschaften des Tageslichtes dar und werden aus den räumlich aufgelösten Spektralmessungen des Tageslichtmessplatzes des Fachgebietes abgeleitet, einem der wenigen derart weltweit existierenden Messplätze.

Die spektralen Himmelsmodelle werden im Anschluss als Grundlage für eine große Parameterstudie genutzt, um den Einfluss von Gebäudeorientierung, existierenden Tageslichtbedingungen und Verbauungseigenschaften auf das spektrale Potenzial von Tageslicht zu untersuchen. Die Spektralcharakteristik von Tageslicht auf Fassaden wird in Tageslichtpotenzial-Diagrammen dargestellt. Das Ergebnis der Parameterstudie soll unter Stadt- und Lichtplanern verbreitet werden um mehr Bewusstsein für das Potenzial von Tageslicht zu schaffen und neue Strategien für gesundheitsförderliche Licht- und Stadtplanung hervorzubringen.

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Markierungslicht

Lupe
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Adaptive und kontrastoptimierende Straßenbeleuchtungskonzepte für Berlin

Laufzeit: 01.04.2017 – 30.06.2020

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Serkan ÖnelFarid Rahbar M.Sc.

Mittelgeber: Senatsverwaltung für Umwelt, Verkehr und Klimaschutz kofinanziert durch die Europäische Union (EFRE-Förderung) im Rahmen von BENE - Berliner Programm für Nachhaltige Entwicklung

Förderkennzeichen: BENE 1053-B5-O

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Projektbeschreibung:

Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Umsetzung von Konzepten für eine adaptive und kontrastoptimierte Straßenbeleuchtung. Hierfür sollen bildverarbeitende Systeme verwendet werden, die gefährdete Objekte oder ihre direkte Umgebung bei sonst niedrigem Beleuchtungsniveau gezielt anstrahlen.

Nach einer Analyse der Beleuchtungssituationen an Unfallschwerpunkten in Berlin wird mit Hilfe umfangreicher Erkennbarkeitsuntersuchungen auf der Forschungsstrecke des Fachgebietes LEDLaufsteg geklärt, welche Kontrastbedingungen benötigt werden und in wie weit das umgebende Beleuchtungsniveau durch eine kontrastoptimierte Beleuchtung aktiver Verkehrsteilnehmer gesenkt werden kann.

Parallel werden die technischen Anforderungen an eine adaptive Beleuchtung erarbeitet. Neben einer geeigneten Sensorik müssen eine wirtschaftliche Lösung für eine Beleuchtungseinheit sowie eine entsprechende Steuerung entwickelt werden.

Die adaptiven, kontrastoptimierende Beleuchtungskonzepte werden mit Hilfe einer Testanlage schrittweise auf dem LEDLaufsteg im Hinblick auf ihre Sicherheit und Effizienz überprüft. Hierfür werden Verkehrssituationen nachgestellt. Um zu ermitteln, inwieweit die Aufmerksamkeit von Verkehrsteilnehmern durch die Beleuchtungsänderung adaptiver Beleuchtungskonzepte erhöht werden kann, werden die Blickbewegungen mit Hilfe eines Eye-Tracking-Systems vor und nach Installation der adaptiven Systeme erfasst.

Abschließend werden die entwickelten Beleuchtungskonzepte mit abgesenktem Niveau der Umgebungsbeleuchtung auf ausgewählten realen Straßen und Kreuzungen getestet. Hierbei muss zur Sicherstellung der Verkehrssicherheit eng mit den Betreibern zusammengearbeitet werden.

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Licht-LAB-Laufsteg

Lupe

Ausbau des LEDLaufstegs als Bildungs- und Kompetenzzentrum für ressourcenschonende Energienutzung in der Beleuchtung

Laufzeit: 01.01.2017 – 31.12.2019

Ansprechpartner: Dr.-Ing. Silvia Bensel, Dipl.-Biol. Andreas Krensel, Birte Saathoff M.Sc.

Mittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit

Förderkennzeichen: 03KF0046

https://www.ptj.de/klimaschutzinitiative-kommunen

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Projektbeschreibung:

Mit dem Vorhaben wird der LEDLaufsteg im Rahmen der Nationalen Klimaschutzinitiative als Bildungs- und Kompetenzzentrum rund um die LED ausgebaut. Das Einsparpotenzial der LED soll mit Hilfe pädagogischer Konzepte zielgruppenspezifisch erlebbar und begreifbar werden, um so deren Verbreitung voranzutreiben.

Insbesondere Schülerinnen und Schüler aller Altersgruppen werden als Zielgruppe angesprochen. Mittels didaktischer Aktionen sollen sie für Belange des Klimaschutzes sensibilisiert und zu einem klimabewußten Verhalten animiert werden. Durch ansprechende und anschauliche Lernaktionen werden Problemwissen- und Wahrnehmung spielerisch erweitert. So können sie zum Beispiel Beleuchtungsanlagen selbst steuern, Beleuchtungsstärken messen und ihren eigenen Umgang mit der Ressource Licht hinterfragen. Für den Schulunterricht wird zusätzlich begleitendes Lehrmaterial zur Verfügung gestellt.

Als weitere Zielgruppe sollen Kommunen „live“ erfahren, wie energieeffizient, hochwertig und auf lange Sicht wirtschaftlich eine Umstellung öffentlicher Beleuchtungsanlagen auf LED-Technologie ist. Demonstriert werden Abhängigkeiten von Effizienz und Lichtqualität von Masthöhe, Mastabstand, Bebauung, Lichtverteilung, Lichtfarbe und Witterung. Fragen zu Einsparpotenzialen, Betriebsmanagement, Investitions- und Folgekosten können vor Ort diskutiert werden. Digitale Anzeigetafeln werden den aktuellen Energie- und CO2-Bedarf verschiedener Beleuchtungslösungen anzeigen.

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Lupe

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DIGINET-PS

Lupe
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Die digital vernetzte Protokollstrecke – urbanes Testfeld automatisiertes und vernetztes Fahren

Laufzeit: 01.04.2017 – 30.06.2019

Ansprechpartner: Dipl.-Biol. Andreas Krensel

Mittelgeber: Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur

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Projektbeschreibung:

Um den Sicherheits- und Komfortgewinn des autonomen und vernetzten Fahrens tatsächlich realisieren zu können, muss die Entwicklung weit über das einzelne Fahrzeug hinausgehne und sowohl die Straßeninfrastruktur integrieren als auch mehrere Fahrzeuge adressieren. Die hierfür zugrundeliegenden Einzel-Technologien liegen heute bereits in Teilen vor, allerdings mangelt es noch an einer gesamtheitlichen Umsetzung sowie an einer realitätsnahen Erprobung im laufenden Verkehr.

Das Projekt des DAI Labors der TU Berlin DAI im Verbund mit dem Fachgebiet Lichttechnik, der Cisco Systems GmbH, dem Daimler Center for Automotive Information Technology Innovations, der Deutsche Telekom AG, der Berliner Agentur für Elektromobilität sowie dem Fraunhofer Institut für Offene Kommunikationssysteme hat zum Ziel, ein neues, offenes und deutschlandweit anwendbares Framework sowie zugehörige Referenz-Anwendungen zu entwickeln und zu validieren. Hierfür wird der Bereich zwischen Ernst-Reuter-Platz und Brandenburger Tor  als urbanes Testfeld genutzt. Neben der repräsentativen und zentralen Lage bietet dieser Bereich diverse Verkehrssituationen von einer sechs-spurigen Hauptstraße über große Kreisverkehre mit Lichtsignalanlagen bis hin zu kleinen urbanen Nebenstraßen und verkehrsberuhigten Zonen. Diese heterogenen Verkehrsbereiche erlauben eine spätere Übertragbarkeit der Ergebnisse auf nahezu alle urbanen Regionen. 

Aufgabe des Fachgebietes ist zunächst die Definition der Anforderungen an die Beleuchtung. Hierzu gehören sowohl adaptive Reaktionen auf z. B. den Verkehrsfluss als auch Aufgaben der Verkehrslenkung wie das Freihalten von Rettungsgassen.

Schließlich werden speziell konzeptionierte Leuchten entwickelt, installiert und mit geeigneten Sensorsystemen ausgestattet. Ziel muss es sein, in jeder Beleuchtungssituation Objekte und Umwelteinflüsse erkennen und unterscheiden zu können. Die Anbindung an die City Digital Platform von Cisco erlaubt die Übermittlung von Position, Geschwindigkeit und Richtung von Objekten im Verkehrsraum. Schließlich gehört auch die Auswahl einer intelligenten Steuerung für die Kommunikation zwischen Leuchten und Sensoren sowie zwischen Fahrzeugen und Leuchten zu den Aufgaben des Fachgebietes.

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StEffi Straßenbeleuchtung

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Steigerung der Energieeffizienz in der Straßenbeleuchtung durch Entwicklung und Evaluierung einer nutzflächenbezogenen Beleuchtung

Laufzeit: 01.05.2016 - 30.04.2019

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Sandy Buschmann

Mittelgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

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Projektbeschreibung:

Ziel dieses Forschungsvorhabens ist die Entwicklung und Evaluierung von Maßzahlen und Konzepten für eine nutzflächenbezogene Beleuchtung, die das Einsparpotenzial der LED-Technologie weiter steigern. Werden relevante Flächen im Außenbereich differenziert nur so beleuchtet, wie es für eine gute Erkennbarkeit oder Gestaltung notwendig ist, können geschätzt weitere 50 % an CO2 eingespart werden.

Hierfür müssen zunächst vertikale Beleuchtungsstärken und deren Gleichmäßigkeiten für Fußgänger- und Radwege, zeitabhängige maximale Beleuchtungsstärken für Hausfassaden zur Sicherstellung der Schlafqualität sowie optimierte Beleuchtungsstärken für Fahrbahnrandbereiche festgelegt werden. Darauf aufbauend werden mit Hilfe mathematischer und heuristischer Optimierungsverfahren ermittelte Lichtverteilungen festgelegt. Wesentliche Voraussetzung hierfür ist jedoch die exakte Kenntnis der ortsaufgelösten Reflexionseigenschaften aller Nutzflächen. Teilziel dieses Forschungsprojektes ist daher die Entwicklung von Verfahren, mit welchen sich die Reflexionseigenschaften kostengünstig und schnell ermitteln lassen.

Mit Hilfe der Forschungsergebnisse wird ein Kriterienkatalog erstellt, der Kommunen als Planungshilfe dienen soll. Dieser soll auch die Möglichkeit bieten, spezifische Besonderheiten der Kommunen wie z. B. Einwohnerdichte und industrielle Bebauungen zu berücksichtigen.

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UNILED II

Lupe

Entwicklung adaptiver Leuchten mit multivariabler Lichtverteilung zur bedarfsgerechten Beleuchtung des Straßenraums

Laufzeit: 01.05.2015 - 30.04.2018

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Juri Steblau

Projektpartner: TRILUX Group, ITZ Innovations- und Technologiezentrum GmbH

Mittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung

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Projektbeschreibung:

Aufgrund der lichttechnischen Eigenschaften von LEDs ist die Verbreitung dieser Technologie besonders geeignet, neben einer höheren Energieeffizienz auch eine bessere Beleuchtungsqualität zu erhalten. Das Verbundvorhaben UNILED II "Entwicklung von Qualitätsmerkmalen, Bewertungsmethoden und Standards für intelligente LED-Beleuchtungslösungen" der vier deutschen universitären Fachgebiete für Lichttechnik - TU Ilmenau, TU Berlin, TU Darmstadt und KIT Karlsruhe - hat es sich daher zum Ziel gesetzt, LED-Lichtsysteme für die Anwendungsbereiche Innenraum-, KFZ- und Straßenbeleuchtung mit neuen technologischen Ansätzen zu entwickeln.

Das Teilprojekt der TU Berlin konzentriert sich auf die Ermittlung von Zielparametern für die intelligente Steuerung von Lichtsystemen, die adaptiv auf Bedürfnis- und Umweltänderungen reagieren können. 

Eine optimale Beleuchtung des Verkehrsraums hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Neben der Geometrie einer Straße spielen auch zeitliche Faktoren wie die Verkehrsdichte, die Witterung und die Umgebungshelligkeit, aber auch die Bebauung eine entscheidende Rolle. Um eine optimale Verkehrssicherheit bei gleichzeitiger Energieeffizienz zu gewährleisten, müssen möglichst viele der genannten Faktoren berücksichtigt werden. Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Leuchten, welche durch die Überlagerung von Einzel-Lichtstärkeverteilungskurven eine adaptive Lichtverteilung an sich ändernde Umwelteinflüsse ermöglichen. Bisherige Beleuchtungslösungen realisieren lediglich eine Lichtverteilung und sind daher hinsichtlich Verkehrssicherheit und Energieeffizienz suboptimal.

Durch die enge Zusammenarbeit mit dem Leuchtenhersteller TRILUX wird zum einen die technische Machbarkeit gewährleistet und zum anderen die wirtschaftliche Durchführbarkeit sichergestellt.

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NiviL

Lupe

Nicht-visuelle Lichtwirkungen

Laufzeit: 01.12.2014 - 31.07.2018

Ansprechpartner: Inga Rothert M.Sc.

Mittelgeber: Bundesministerium für Bildung und Forschung

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Projektbeschreibung:

Licht dient nicht nur der Aufnahme visueller Informationen, sondern synchronisiert auch den circadianen Rhythmus des Menschen und hat auf viele Körperfunktionen Einfluss. Seit der Entdeckung des dritten Rezeptors in der Netzhaut, den ipRGC-Zellen, wird auf diesem Gebiet verstärkt geforscht. Dass die nicht-visuellen Wirkungen von einer Vielzahl von Parametern wie spektraler und räumlicher Strahlungsverteilung, Alter, Tages- und Jahreszeit, Chronotyp abhängen, führt jedoch zu teilweise stark divergierenden Untersuchungen. Bisherige Ergebnisse können so nur schwer miteinander verglichen werden.

In dem Verbundvorhaben der TU Berlin, der Charité Berlin, des Universitätsklinikum Carl Gustav Carus der TU Dresden, des Klinikum Fürth, der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg, der Deutschen Sporthochschule Köln und der Eberhard Karls Universität Tübingen soll dieser Mangel behoben und ein Modell zur Charakterisierung nicht-visueller Wirkungen erstellt werden. Dazu werden Untersuchungen durchgeführt, die durch standardisierte Versuchsbedingungen vergleich- und verallgemeinerbar werden. Neben der spektralen und räumlichen Strahlungsverteilung werden auch Parameter wie Alter und Chronotyp der Probanden berücksichtigt. Empfehlungen für die Entwicklung und Anwendung von Beleuchtungslösungen sollen schließlich dafür sorgen, dass die Allgemeinbeleuchtung künftig nicht nur visuelle Aufgaben erfüllt, sondern nicht-visuelle Effekte unterstützt.

Das Fachgebiet Lichttechnik der TU Berlin übernimmt die Projektleitung und Koordination des Verbundprojektes. Zusätzlich erhebt das Fachgebiet die lichttechnischen Eingangsparameter aller Projektpartner und ist für die abschließende Ableitung einer Reizgröße und die Erstellung eines Modells für nicht-visuelle Lichtwirkungen verantwortlich. Zudem werden im Labor und im Hörsaal Versuche durchgeführt um die nicht-visuellen Effekte wie Wachsamkeit, Motivation und Wohlbefinden unter NiviL-Standardbedingungen zu bestimmen.

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Effektive ipRGC-Regionen

Lupe

Untersuchungen zu effektiven Regionen für die Stimulation nicht-visueller Wirkungen von Licht

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Kai Broszio, Dr. Martine Knoop

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Projektbeschreibung:

Seit Entdeckung der retinalen photosensitiven Ganglienzellen (ipRGC) ist es möglich, deren Empfindlichkeitsfunktion und Einfluss auf die Melatoninunterdrückung gezielter zu untersuchen. Inzwischen ist bekannt, dass nur ein kleiner Teil der retinalen Ganglienzellen photosensitiv ist. Es wird angenommen, dass sich diese vor allem in der unteren Hälfte der Netzhaut befinden und dort ungleichmäßig verteilt sind. Eine höhere Dichte bzw. Empfindlichkeit wird in der unteren und der Nase zugewandten Seite vermutet.

Bisherige Empfehlungen für eine nicht-visuell wirksame Beleuchtung  gehen dahin, möglichst große beleuchtete Flächen zu nutzen. Vor dem Hintergrund der ungleichmäßigen Verteilung der photosensitiven Ganglienzellen ist aber fraglich, ob die Beleuchtungsstärke bzw. die melanopische Bestrahlungsstärke am Auge, unter Einbeziehung des Strahlungsflusses aus dem gesamten Gesichtsfeld in diesem Zusammenhang die richtige Messgröße ist.

Mit Hilfe einer neu entwickelten Methode wird unter Berücksichtigung der vermuteten Verteilung der ipRGC der prozentuale Anteil des effektiven Strahlungsflusses in verschiedenen Regionen des Gesichtsfelds für unterschiedliche Lichtszenen der gleichen Beleuchtungsstärke am Auge ermittelt. Hierfür wird die räumliche Verteilung der Strahldichte wird mit Hilfe einer Leuchtdichtekamera aufgenommen und mit V(λ) und der spektralen Empfindlichkeitsfunktion von Melanopsin gewichtet. Mit
den Ergebnissen kann die nicht-visuelle Wirksamkeit verschiedener Beleuchtungsszenen bewertet werden.

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Lichtszenen (a – d typische Bürobeleuchtung e – f untypische Bürobeleuchtungssituationen)
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Methodik zur Bestimmung von Beleuchtungsstärken verschiedener Regionen des Gesichtsfeldes mittels Leuchtdichteaufnahmen
Lupe

Vereinfachter Tageslichtsensor

Lupe

Entwicklung eines vereinfachten, spektral- und
richtungsauflösenden Tageslichtsensors

Ansprechpartner: Nils Weber M.Sc., Dr. Martine Knoop

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Tageslicht wird generell künstlicher Beleuchtung vorgezogen. Ein Grund hierfür könnte in der ständig wechselnden Farbtemperatur liegen. Zur Erfassung dieser spektralen Unterschiede werden am Fachgebiet seit fast zwei Jahren alle zwei Minuten die spektral aufgelöste Strahldichte im sichtbaren Bereich für 145 unterschiedliche Richtungen (Himmelsbereiche) bestimmt und so eine hochaufgelöste Vermessung des Himmelslichtes über der TU Berlin ermöglicht. Ziel muss es jedoch sein, die Lichtquelle Tageslicht auch an anderen Orten möglichst genau, ganzheitlich und weniger kostenintensiv beschreiben zu können.

Um dies zu ermöglichen, soll ein vereinfachter Dachsensor entwickelt werden, der die richtungsabhängigen Unterschiede der Leuchtdichte sowie der spektralen Zusammensetzung des Tageslichts erfasst. Die Effizienz des neuen Systems wird dabei durch die Güte der Tageslichtbestimmung bei einer möglichst geringen Anzahl an Einzelsensoren definiert.

Zunächst werden mit Hilfe der gesammelten Messdaten des spektralen Sky-Scanners verschiedene Vereinfachungen simuliert; in einem ersten Schritt die von Kobav und Chain, indem die entsprechenden Messwerte verschiedener Richtungen des Sky-Scanners zusammengefasst werden. Anschließend werden mit den so erzeugten und den ursprünglichen Werten die horizontale Beleuchtungsstärke sowie die spektral aufgelöste, vertikale Bestrahlungsstärke für ein tageslichtversorgtes Büro im Modellmaßstab berechnet und miteinander verglichen.

Nach der Entwicklung eines Prototypen gilt es eine für Tageslichtmessungen geeignete Kalibrierung zu entwerfen, die in jährlichen Zyklen wiederholt werden kann. Abschließend sollen die Messdaten des vereinfachten Sensors mit denen des spektralen Sky-Scanners über einen längeren Zeitraum miteinander verglichen werden.

Die Daten des vereinfachten Sensors können für die Tageslichtplanung und für nicht-visuell wirksame Lichtsteuerungen verwendet werden. ........................................................................................................................

Lichtrichtung

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Quantifizierung, Messung und Anwendung der Lichtrichtung für die Innenraumbeleuchtung

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Carolin Liedtke

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Projektbeschreibung:

Ziel des Forschungsvorhabens war es, eine quantitative Beschreibung der Einflussgrößen "Richtung des Lichteinfalls" und "Verhältnis zwischen gerichtetem und diffusem Licht" zu finden. Darüberhinaus sollten diese Größen mess- und anwendbar für die Beleuchtung von Innenräumen werden.

Mit Hilfe der Lichteinfallsstärke kann bestimmt werden, wie viel Licht aus verschiedenen Richtungen pro Raumwinkeleinheit an einem Punkt ankommt. Daraus lässt sich wiederum die Hauptrichtung des Lichteinfalls ermitteln sowie das Maß an Diffusität der Beleuchtung an der betreffenden Stelle.

Am Fachgebiet wurde ein Messgerät entwickelt und aufgebaut, mit dem die Lichteinfallsstärken aus verschiedenen Richtungen relativ zueinander bestimmt werden können. Als Vorbereitung der Anwendung im Planungsprozeß wurde die Lichteinfallsstärke auch in verschiedenen Simulationsprogrammen getestet und evaluiert.

2013 wurde die Beschreibung der Größe der "Lichteinfallsstärke" im Rahmen zweier Publikationen veröffentlicht:

  • C. Liedtke, P. W. Schmits, S. Völker:
    The Incidence of Light and Directional Light in Interiors -A Rethinking of a Lighting Quality Aspect.
    In: Lux Europa (Hrsg.) Proceedings Lux Europa 2013. Warschau: Polski Komitet Oswietleniowy SEP, 2013, S. 535-540, ISBN/ISSN 9788391084960 (print), 9788391084960 (CD-ROM)

     

    THE LIGHT DIRECTION AND DIRECTIONAL LIGHT —TOWARDS A NEW QUANTIFICATION OF AN ESSENTIAL LIGHTING QUALITY CRITERION.In: CIE (Hrsg.) PROCEEDINGS of CIE Centenary Conference „Towards a New Century of Light“ April 15/16, 2013 Paris. S. 542-551, ISBN/ISSN 978-3-902842-44-2 (print), 978-3-902842-44-2 (CD-ROM)

 

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