Lichtausbeute und Energieeffizienz

Lichtausbeute: Worum handelt es sich dabei?

Die Lichtausbeute ist der Schlüsselparameter, der die Fähigkeit einer Lichtquelle quantifiziert, die aufgenommene elektrische Energie in sichtbares Licht umzuwandeln. Sie stellt den primären Indikator zur Bewertung der Leistung und Wirtschaftlichkeit eines Beleuchtungssystems dar und beeinflusst direkt die Energiekosten und die Umweltauswirkungen von Anlagen. In diesem Abschnitt werden wir ihre physikalische Bedeutung, die Maßeinheiten und den relevanten normativen Kontext im Detail erörtern.

Was genau versteht man unter Lichtausbeute?

Die Lichtausbeute, ausgedrückt in Lumen pro Watt (lm/W), ist definiert als das Verhältnis des gesamten abgegebenen Lichtstroms (Φ) zur aufgenommenen elektrischen Leistung (P). Sie ist nicht zu verwechseln mit der Energieeffizienz, einem breiteren Konzept, das mit dem Gesamtenergieverbrauch verbunden ist. Die Grundformel lautet: η = Φ / P. Ein Wert von 100 lm/W bedeutet, dass für jedes Watt verbrauchter elektrischer Leistung die Quelle 100 Lumen Lichtstrom erzeugt. Dieser Parameter misst also die "Fähigkeit" der Lampe oder des LED-Moduls, Elektronen in für das menschliche Auge wahrnehmbare Photonen umzuwandeln, unter Berücksichtigung der standardmäßigen photopischen Empfindlichkeitskurve V(λ).

Vertiefung: Die Formel der Lichtausbeute und ihre Varianten

Die allgemeine Formel η = Φ / P kann für verfeinerte Analysen aufgeschlüsselt werden. Unter Berücksichtigung von Verlusten kann sie geschrieben werden als: η = (η_e * η_q * η_e * η_opt) * (683 lm/W), wobei η_e die Injektionseffizienz der Elektronen ist, η_q die interne quantenmechanische Effizienz des Chips, η_e die Extraktionseffizienz des Lichts aus dem Halbleiter und η_opt die optische Effizienz des Phosphorsystems und der Primäroptik. Der Faktor 683 lm/W ist das photometrische Äquivalent der Strahlung bei der Wellenlänge der maximalen Augenempfindlichkeit (555 nm). Für weiße LEDs, die Konversionsphosphore verwenden, ist die Lichtausbeute typischerweise niedriger als dieser theoretische Maximalwert aufgrund von Stokes-Umwandlungsverlusten und einem Spektrum, das nicht perfekt an die V(λ)-Kurve angepasst ist.

Die Maßeinheit: Lumen pro Watt (lm/W) erklärt

Das Lumen (lm) ist die Einheit des Lichtstroms, der die vom menschlichen Auge wahrgenommene Lichtleistung quantifiziert, gewichtet nach der photopischen spektralen Empfindlichkeitskurve. Das Watt (W) misst die aufgenommene elektrische Leistung. Daher misst lm/W, wie viel "für das Auge nützliches Licht" pro Einheit verbrauchter elektrischer Energie erzielt wird. Es ist grundlegend zu verstehen, dass Lumen eine photometrische und keine radiometrische Größe ist: Zwei Quellen mit identischer Strahlungsleistung (in Watt), aber unterschiedlichen Spektren, werden einen unterschiedlichen Lichtstrom in Lumen haben, weil das Auge für Gelb-Grün (555 nm) empfindlicher ist als für tiefes Blau oder Rot.

Vergleichstabelle: Historische Lichtausbeute von Technologien

Grundlegende Anmerkung: Die Werte in der Tabelle beziehen sich auf kommerzielle Qualitätsprodukte. Die Lichtausbeute eines kompletten LED-Systems (Lampe oder Leuchte) ist geringer als die des einzelnen Chips aufgrund der Verluste durch den elektronischen Treiber, die Sekundäroptik und den Kühlkörper. Eine LED mit hoher Lichtausbeute reduziert die Betriebskosten erheblich: Eine Leuchte mit 10.000 Lumen und einer Effizienz von 100 lm/W verbraucht 100W; bei einer Effizienz von 150 lm/W verbraucht sie nur 67W, was eine Ersparnis von 33W pro Leuchte bedeutet, die über Tausende von Stunden und Hunderte von Leuchten enorm wird.

Wie berechnet man die Lichtausbeute: Methoden und Werkzeuge

Die Berechnung der Lichtausbeute erfordert die genaue Messung von zwei Größen: dem gesamten Lichtstrom und der aufgenommenen elektrischen Leistung. Für Fachleute ist es unerlässlich, sowohl die Laborverfahren (Ulbrich-Kugel) als auch praktische Schätzungen für die Bewertung vor Ort zu kennen. Die Genauigkeit der Berechnung hängt von der Qualität der Werkzeuge und den standardisierten Umweltbedingungen ab.

Praktische Berechnungsmethode für Fachleute

Für eine Vorort-Schätzung benötigt man: 1) ein kalibriertes Luxmeter, 2) ein True-RMS-Wattmeter (um die tatsächliche aufgenommene Leistung unter Berücksichtigung des Leistungsfaktors zu messen), 3) eine Umgebung mit gering reflektierenden Oberflächen. Die gängigste indirekte Methode nutzt die Beziehung zwischen Beleuchtungsstärke (Lux) und Lichtstrom (Lumen) unter Fernfeldbedingungen. In einem dunklen Raum oder bei Nacht wird das Luxmeter in einem bekannten Abstand (d) von der Quelle positioniert, der ausreichend groß im Verhältnis zur Quellengröße ist (mindestens das 5-fache der maximalen Größe).

Die Beleuchtungsstärke (E) in Lux auf dem Sensor senkrecht zur Emissionsrichtung messen. Der ungefähre Lichtstrom wird berechnet mit: Φ ≈ E * 4πd² (für isotrope Quelle). Dies ist eine Näherung, die das reale Polardiagramm ignoriert. Die Leistung P wird direkt mit dem Wattmeter gemessen. Somit: η = (E * 4πd²) / P. Für gerichtete Quellen (LED-Strahler) ist die Formel komplexer und erfordert die Integration der Lichtstärke (cd) über den gesamten Raumwinkel.

Konkretes Berechnungsbeispiel

Angenommen, wir haben einen LED-Scheinwerfer. Wir schalten ihn nach thermischem Einschwingen ein (nach 30 Minuten). Das Wattmeter misst P = 48.5 W. In einem dunklen Raum misst das Luxmeter in einem Abstand von d = 5 Metern im Zentrum des Lichtkegels, entlang der optischen Achse, E = 125 Lux. Wenn der Hersteller einen Öffnungswinkel von 60° angibt, können wir den Lichtstrom schätzen. Für einen annähernd gleichmäßigen Strahl innerhalb eines Kegels gilt: Φ ≈ E_mittel * beleuchtete Fläche im Abstand d. Die Fläche bei 5m mit einem Halbwinkel von 30° ist A = π*(d*tan(30°))² ≈ 3.1416*(5*0.577)² ≈ 26.2 m². Der Mittelwert der Beleuchtungsstärke auf der Kreisfläche beträgt etwa das 0.7-0.8-fache des zentralen Werts, nehmen wir 0.75: E_mittel ≈ 94 Lux. Somit Φ ≈ 94 Lux * 26.2 m² ≈ 2460 Lumen. Die geschätzte Lichtausbeute ist η = 2460 lm / 48.5 W ≈ 50.7 lm/W. Dies ist die Effizienz des kompletten Systems (LED+Treiber+Optik+Linse).

Wenn das Datenblatt des LED-Moduls 120 lm/W angibt, ist die Differenz (≈60 verlorene lm/W) auf die Effizienz der Optik (~85%), des Treibers (~90%) und der thermischen Verluste zurückzuführen, was die Systemeffizienz auf ~120 * 0.85 * 0.90 * (thermischer Faktor 0.8) ≈ 73 lm/W bringt. Unsere niedrigere Messung deutet auf nicht-ideale Betriebsbedingungen oder zusätzliche Verluste hin. Dieses Beispiel zeigt die Bedeutung der Messung des kompletten Systems, nicht nur des Chips.

Professionelle Messtechnik: Die Ulbricht-Kugel (Integrationskugel)

Die genormte und genaue Messung des gesamten Lichtstroms erfolgt mit einer Integrationskugel (Ulbricht-Kugel). Dieses Instrument, dessen Innenfläche mit einer hochreflektierenden und niedrig absorbierenden diffusen Oberfläche (z.B. BaSO₄) beschichtet ist, sammelt und homogenisiert das Licht aus allen Richtungen. Ein fotometrischer Detektor, kalibriert mit Referenzlichtquellen, misst die Beleuchtungsstärke an der Innenwand, die proportional zum gesamten in die Kugel eingespeisten Lichtstrom ist.

Technische Normen (wie CIE 84, EN 13032-1) definieren strenge Verfahren zur Korrektur systematischer Fehler wie der Eigenabsorption der Quelle und geometrischer Überlappungen. Akkreditierte Labore liefern Messberichte mit typisch erweiterten Unsicherheiten von 2-5%. Für LEDs ist es entscheidend, bei thermisch eingeschwungenem Zustand zu messen, da Lichtstrom und Lichtausbeute mit der Sperrschichttemperatur (Tj) variieren.

Häufig gestellte Fragen zur Lichtausbeute

In diesem Abschnitt gehen wir systematisch und technisch auf die häufigsten Fragen von Planern und Installateuren ein und liefern quantitative, physikalisch basierte Antworten.

Fragen zu Berechnung und Messung

Wie berechnet man die Beleuchtungsstärke (Lux)?

Die Beleuchtungsstärke (E) wird berechnet als der auf eine Oberfläche fallende Lichtstrom (Φ), geteilt durch die Fläche (A) dieser Oberfläche: E = Φ / A. Die Einheit ist Lux (lx), wobei 1 lx = 1 lm/m². Für eine punktförmige Quelle im Abstand d, mit der Lichtstärke I (in Candela, cd) in Richtung der Oberfläche, und wenn die Oberfläche senkrecht zur Lichtrichtung steht, gilt das quadratische Abstandsgesetz: E = I / d². Wenn die Oberfläche um einen Winkel θ gegenüber der Senkrechten geneigt ist, gilt E = (I * cosθ) / d². Beispielsweise liefert eine Lampe mit I = 500 cd in 2 Metern Entfernung auf einer senkrechten Fläche eine Beleuchtungsstärke E = 500 / 2² = 125 Lux. Bei einer Neigung von 60° (cos60°=0.5) beträgt E = (500 * 0.5) / 4 = 62.5 Lux. Dies ist grundlegend für die lichttechnische Berechnung von Büros, Straßen, Verkaufsräumen.

Was entspricht 1 Lux in der Praxis?

1 Lux ist eine sehr schwache Beleuchtung. Zur Veranschaulichung: Das volle Mondlicht in einer klaren Nacht beträgt etwa 0.25-1 Lux. Ein schlecht beleuchteter Flur könnte bei 50-100 Lux liegen. Ein gut beleuchtetes Büro erfordert 300-500 Lux auf dem Schreibtisch. Direktes Sonnenlicht mittags kann über 100.000 Lux erreichen. Daher ist 1 Lux die minimale Schwelle, um Hindernisse vage wahrzunehmen, aber unzureichend für jede Aktivität, die Sehschärfe erfordert.

Wie berechnet man Lumen aus Watt, wenn die Lichtausbeute bekannt ist?

Die Formel ist direkt: Lichtstrom (lm) = Aufgenommene Leistung (W) * Lichtausbeute (lm/W). Beispiel: Eine LED-Lampe mit 15W und einer deklarierten Effizienz von 90 lm/W erzeugt etwa Φ = 15 W * 90 lm/W = 1350 Lumen. Achtung: Die aufgenommene Leistung muss die tatsächliche, gemessene sein, nicht die "äquivalente" zu einer Glühlampe, was lediglich eine kommerzielle Angabe ist. Durch Umstellen der Formel kann man die benötigte Leistung für einen bestimmten Lichtstrom abschätzen: P (W) = Φ (lm) / η (lm/W). Um 5000 Lumen mit einem System von 120 lm/W zu erreichen, benötigt man etwa P = 5000 / 120 ≈ 41.7 W.

Fragen zu spezifischen Werten von Lichtstrom und Farbtemperatur

Wie viel beleuchten 10.000 Lumen? Und 2000 Lumen?

10.000 Lumen sind ein sehr hoher Lichtstrom, typisch für Scheinwerfer für große Flächen, Sporthallen oder Industriebeleuchtung mit hohen Regalen. Um die Beleuchtungsstärke zu quantifizieren, hängt es davon ab, wie der Lichtstrom verteilt wird. In einem engen Strahl gebündelt (z.B. 30°) erzeugt er eine sehr intensive Spitzenbeleuchtungsstärke auf einer kleinen Fläche (Hunderte von Lux in Dutzenden von Metern Entfernung).

Gleichmäßig auf eine Fläche von 100 m² verteilt, würde es eine mittlere Beleuchtungsstärke von 10.000 lm / 100 m² = 100 Lux ergeben, geeignet für ein Lager. 2000 Lumen sind typisch für eine gute LED-Innenraumlampe (äquivalent zu einer alten 150W Halogen- oder 200W Glühlampe). In einem Raum von 20 m² (z.B. Wohnzimmer), gleichmäßig verteilt (mit diffundierender Deckenleuchte), würde es etwa 100 Lux im Mittel ergeben, ein komfortabler Wert für Entspannungsaktivitäten. Auf einem Schreibtisch von 2 m² kann ein direkt strahlendes Leuchtmittel mit 2000 Lumen über 500 Lux liefern, ideal zum Lesen und Arbeiten.

Was entsprechen 3000 Lumen?

3000 Lumen sind ein signifikanter Lichtstrom, vergleichbar mit einem leistungsstarken LED-Außenstrahler oder einer LED-Deckenleuchte für einen mittelgroßen Geschäftsraum (z.B. Laden von 15-20 m²). Es ist der Lichtstrom, der von einer 50W Entladungslampe (HQI) oder einer alten 200-250W Glühlampe abgegeben wird. Mit einer geeigneten Optik kann es einen Garten von 50 m² mit durchschnittlich 60 Lux beleuchten, ausreichend für Sicherheits- und Akzentbeleuchtung.

Welchen Unterschied gibt es zwischen 2700K, 3000K, 4000K und 6000K?

Dies sind Angaben der Farbtemperatur (CCT), gemessen in Kelvin (K), und beschreiben den Farbton von weißem Licht.

2700K: Sehr warmweiß, tendierend zu Gelb/Orange. Ähnlich dem Licht einer Glühlampe. Intime, einladende Atmosphäre, ideal für Restaurants, Hotels, Wohnräume.
3000K: Warmweiß. Etwas neutraler als 2700K, aber immer noch warm. Standard für die Beleuchtung von Bekleidungsgeschäften, Lebensmitteln (betont warme Farben), Empfangsbereichen.
4000K: Neutralweiß. Bekannt als "natürliches Weiß". Ausgewogenheit zwischen warmen und kalten Spektralanteilen. Empfohlen für Büros, Schulen, Labore, Krankenhäuser, wo Konzentration und eine neutrale Farbwahrnehmung erforderlich sind.
6000K: Kaltweiß. Farbton mit deutlichem Blauanteil. Ähnlich dem Tageslicht an einem klaren Tag (Sonne + blauer Himmel). Verwendet in industriellen Umgebungen, Werkstätten, Garagen, Stadien, weil es als "brillanter" und anregender wahrgenommen wird, kann aber in Wohnräumen klinisch und kalt wirken. Bei gleicher Chip-Effizienz haben LEDs mit 6000K typischerweise eine leicht höhere Lichtausbeute (lm/W) (5-15%) als solche mit 3000K, weil die Konversionsphosphore für Warmweiß mehr Energie absorbieren. Die Wahl sollte sich jedoch nicht nur auf die Effizienz, sondern auf die visuellen, psychologischen und normativen Anforderungen der Umgebung stützen.

Ist 3000K oder 4000K besser?

Es gibt keine universelle Antwort, es hängt von der Anwendung ab.

Für Büros und Arbeitsumgebungen legen neuere Studien nahe, dass 4000K die Konzentration, Wachsamkeit und Stimmung während des Tages verbessert und Schläfrigkeit reduziert. Einige Normen (z.B. UNI EN 12464-1) empfehlen neutrales Licht für Büros.

Für Wohnumgebungen, Hotels und Restaurants wird generell 3000K (oder 2700K) bevorzugt, um eine entspannte und einladende Atmosphäre zu schaffen.

In Geschäften betont 3000K Hölzer, warme Textilien, Lebensmittel; 4000K ist besser für moderne Kleidung, Elektronik, minimalistische Umgebungen. Ein aktueller Trend ist "Human Centric Lighting", das Systeme mit variabler CCT vorsieht, mit 4000K am Tag und 3000K am Abend, um den circadianen Rhythmus zu respektieren.

Warum haben LEDs eine höhere Energieeinsparung?

LEDs bieten hauptsächlich aus drei physikalischen Gründen eine höhere Energieeinsparung:

1. Hohe Effizienz der Elektron-Photon-Umwandlung: Bei LEDs emittiert die Rekombination von Elektronen und Löchern im Halbleiter direkt Photonen (Licht) mit einer internen quantenmechanischen Effizienz, die 80% übersteigen kann. Bei Glühlampen muss der Glühfaden auf ~2700°C erhitzt werden, um sichtbares Licht zu emittieren, aber über 90% der Energie werden als Wärme im Infrarotbereich abgestrahlt.
2. Intrinsische Richtwirkung: Die LED emittiert Licht in einen Halbraum (ca. 180°), im Gegensatz zu herkömmlichen Quellen, die isotrop (360°) abstrahlen. Dies reduziert den Bedarf an Reflektoren und Verlusten durch Absorption und lenkt mehr Licht direkt dorthin, wo es benötigt wird.
3. Hohe Systemeffizienz im Betrieb: Die elektronischen Treiber von LEDs haben Effizienzen >90% (gegenüber magnetischen Vorschaltgeräten von Leuchtstofflampen mit Effizienzen von 70-85%). Außerdem haben LEDs keine Startzeiten und erreichen den maximalen Lichtstrom sofort, was Verschwendung beim Einschalten eliminiert.
Durch die Kombination dieser Faktoren kann ein hochwertiges LED-System den Energieverbrauch um 80% oder mehr im Vergleich zu einem äquivalenten Glühlampensystem reduzieren und um 40-50% im Vergleich zu Leuchtstoffsystemen der alten Generation.

Was bedeutet CRI (Ra) bei LEDs?

Der Color Rendering Index (CRI oder Ra) ist ein Index (von 0 bis 100), der die Treue misst, mit der eine Lichtquelle die tatsächlichen Farben von Objekten im Vergleich zu einer Referenzlichtquelle (Schwarzer Körper oder Tageslicht bei gleicher CCT) wiedergibt. Ein CRI von 100 bedeutet perfekte Wiedergabe. CRI > 80 gilt für allgemeine Anwendungen als gut. CRI > 90 wird für kritische Anwendungen benötigt: Museen, Kunstgalerien, Luxus-Bekleidungsgeschäfte, Chirurgie, wo Farbunterscheidung wesentlich ist.

LEDs minderer Qualität können niedrige CRI-Werte (<70) haben, was Farben stumpf und verfälscht erscheinen lässt (z.B. Schwierigkeiten, ähnliche Blau- oder Rottöne zu unterscheiden). Es gibt spezielle Indizes wie R9 (Rot-Sättigung), entscheidend für die Wiedergabe von Hauttönen, Hölzern und roten Textilien. Eine LED mit hoher Lichtausbeute kann einen leicht geringeren CRI haben als eine LED, die für Farbwiedergabe optimiert ist, aufgrund des Kompromisses bei der Phosphor-Effizienz.

Was ist die durchschnittliche Lebensdauer einer LED-Lampe?

Die durchschnittliche Lebensdauer von LEDs wird als L70 oder L80/B50 ausgedrückt, d.h. die Anzahl der Stunden, nach denen 50% der Lampen in einer Stichprobe mindestens 70% (oder 80%) des anfänglichen Lichtstroms beibehalten. Bei Qualitätsprodukten liegt dieser Wert typischerweise zwischen 25.000 und 50.000 Stunden (korrekte Antwort: b). Unter idealen Betriebsbedingungen (gute Wärmeableitung, moderate Umgebungstemperatur, qualitativ hochwertiger Treiber) können High-End-LED-Module 100.000 Stunden (L70) überschreiten.

Allerdings wird die Systemlebensdauer oft durch den elektronischen Treiber begrenzt, dessen Lebensdauer (beeinflusst durch die Elektrolytkondensatoren) 30.000-70.000 Stunden betragen kann. Eine Lebensdauer von 50.000 Stunden bedeutet bei einer Nutzung von 12 Stunden pro Tag über 11 Jahre Betrieb. Der Schlüssel zum Erreichen dieser Lebensdauer ist die Kontrolle der Sperrschichttemperatur (Tj): Jede Erhöhung der Tj um 10°C über den Nennwert kann die erwartete Lebensdauer des LED-Chips halbieren.

Welche ist derzeit die effizienteste Lampe?

Derzeit (2024) halten LED-Lampen den Rekord für Lichtausbeute in der Allgemeinbeleuchtung. Insbesondere können High-End-COB-LED-Module (Chip-on-Board) in kaltweiß (5000-6000K) Systemeffizienzen (einschließlich Treiber) von 180-220 lm/W unter optimalen Testbedingungen (niedriger Strom, ausgezeichnete Wärmeableitung) erreichen.

Für Spezialanwendungen versprechen Festkörper-LEDs auf Laserbasis oder neue Technologien wie Perowskit-LEDs im Labor noch höhere Effizienzen (>200 lm/W mit exzellenter Farbwiedergabe), sind aber noch nicht in großem Maßstab kommerziell verfügbar. Für Straßen- und Industriebeleuchtung sind LED-Systeme mit hocheffizienter Optik und Treibern die unbestrittene Wahl, da sie Entladungstechnologien (HPS, MH) aufgrund des besseren Kompromisses aus Effizienz, Lebensdauer, Lichtsteuerung und Lichtqualität (CRI) verdrängt haben.

Faktoren, die die Lichtausbeute in LED-Systemen beeinflussen

Die in Datenblättern angegebene Lichtausbeute wird unter idealen Laborbedingungen gemessen. Im realen Betrieb reduzieren zahlreiche Faktoren sie. Sie zu verstehen ist entscheidend für die Planung und Wartung effizienter Anlagen.

Betriebstemperatur und Wärmeableitung

Der kritischste einzelne Faktor ist die Sperrschichttemperatur (Tj) des LED-Chips. Mit steigender Tj nimmt die interne quantenmechanische Effizienz ab (thermischer Droop), und der Lichtstrom sinkt. Bei vielen weißen LEDs beträgt die Reduktion etwa 0.3-0.5% pro °C Tj-Anstieg über der Nenntemperatur. Ein schlecht gekühlter LED-Modul, der bei Tj=110°C statt Tj=85°C arbeitet, kann 10-15% seines Lichtstroms und damit seiner Lichtausbeute verlieren. Zudem beschleunigt der Temperaturanstieg den Abbau der Phosphore und des Vergussmaterials und reduziert so die Effizienz weiter über die Zeit. Ein gut konstruierter Kühlkörper mit einem niedrigen thermischen Widerstand Sperrschicht-Umgebung (Rth j-a) ist entscheidend, um hohe Leistung aufrechtzuerhalten.

Effizienz des elektronischen Treibers

Der Treiber wandelt die Netzspannung (AC) in einen für die LED geeigneten Konstantstrom (DC) um. Seine Effizienz (η_treiber = Pout_LED / Pin_AC) variiert typischerweise zwischen 85% und 95% bei Qualitätsprodukten. Ein Treiber mit 85% Effizienz gibt 15% der Eingangsleistung als Wärme ab, die nicht zum Licht beiträgt. Somit ist die Lichtausbeute des kompletten Systems (Lampe): η_system = η_LED * η_treiber * η_optik. Wenn das LED-Modul η_LED = 200 lm/W (in DC gemessen) hat, der Treiber η=90% und die Optik/der Reflektor eine Effizienz von 85% aufweisen, dann ist η_system = 200 * 0.90 * 0.85 = 153 lm/W. Treiber mit niedrigem Leistungsfaktor (PF) (<0.9) können zusätzliche Verluste im Netz verursachen und sind durch viele Normen nicht zulässig.

Optik und Lichtextraktionsverluste

Das vom Chip erzeugte Licht muss extrahiert, gegebenenfalls durch Phosphore konvertiert und gerichtet werden. Jede Grenzfläche (Luft-Siliziumdioxid, Siliziumdioxid-Luft, Linse-Diffusor) verursacht Verluste durch Fresnel-Reflexion (ca. 4% pro Grenzfläche). Linsen und Diffusoren minderer Qualität können Licht absorbieren oder in unerwünschte Richtungen streuen. Die Phosphore für die Konversion zu Weiß haben eine Konversionseffizienz (Luminous Efficacy of Radiation, LER), die selten 350 lm/W optisch übersteigt, was die maximale theoretische Effizienz der weißen LED begrenzt. Die Primäroptik (in Kontakt mit dem Chip) und Sekundäroptik müssen mit Materialien hoher Transmission (z.B. optisches Polycarbonat, Glas, Silikon) konstruiert sein, um Verluste zu minimieren.

Degradation über die Zeit (Lichtstromerhalt)

Die Lichtausbeute ist nicht konstant über die Zeit. Mit der Alterung nimmt der Lichtstrom ab (Lichtstromrückgang) aufgrund verschiedener Mechanismen: Abbau der Phosphore (Vergilbung, Effizienzverlust), Trübung der Vergussmaterialien, Abbau der Metallverbindungen im Chip. Die Lichtstromerhaltskurve folgt typischerweise einem exponentiellen Gesetz. Die Norm IESNA LM-80 definiert das Verfahren zur Messung des Abbaus, und TM-21 extrapoliert die Daten, um die Nutzlebensdauer zu schätzen. Ein Qualitätsprodukt behält L90 (>90% des Lichtstroms) für 36.000 Stunden oder länger. Das bedeutet, dass die tatsächliche Lichtausbeute nach 5 Jahren Dauerbetrieb etwa 10% niedriger sein könnte als die anfängliche.

Definition der Energieeffizienz in der Beleuchtung

Energieeffizienz im lichttechnischen Bereich ist ein systemisches Konzept, das die Gesamtoptimierung des Energieverbrauchs einer Beleuchtungsanwendung oder -installation bewertet, um das gewünschte lichttechnische Ergebnis zu erzielen. Es ist keine direkte physikalische Größe wie die Lichtausbeute, sondern ein Leistungsprinzip, das multiple Faktoren einbezieht: die Effizienz der Quelle (lm/W), die Wirksamkeit der Leuchte (der lichttechnische Wirkungsgrad), die Steuerungsstrategie (Dimmen, Sensoren), die Raumgestaltung (Reflexionsgrade der Oberflächen) und die korrekte Wartung.

Das ultimative Ziel ist es, die verbrauchte Primärenergie (ausgedrückt in kWh/Jahr) zu minimieren, während Beleuchtungsstärke-Standards (Lux), visueller Komfort und Sicherheit erfüllt oder übertroffen werden. Ein energieeffizientes Projekt nutzt daher effiziente Produkte (wie LEDs), integriert sie aber in ein intelligentes System, das Verschwendung vermeidet, z.B. durch Ausschalten oder Dimmen von Licht, wenn es nicht benötigt wird, oder durch maximale Ausnutzung von Tageslicht.

Wesentlicher Unterschied: Energieeffizienz vs. Lichtausbeute

Zusammengefasst liegt der grundlegende Unterschied in der Skala und Art der Bewertung. Die Lichtausbeute (lm/W) ist ein Produktparameter, der die Fähigkeit einer spezifischen Quelle (z.B. eines LED-Moduls) misst, elektrische Watt in Licht-Lumen umzuwandeln. Es ist ein Laborwert, punktuell und wiederholbar. Die Energieeffizienz ist hingegen ein System- und Leistungsindikator, der die Endenergienutzung in einem realen und komplexen Kontext bewertet.

Eine Lampe kann eine exzellente Lichtausbeute (z.B. 200 lm/W) haben, aber wenn sie in einer Leuchte mit schlechter Optik installiert, ohne Steuerung betrieben und in einer dunklen Umgebung eingesetzt wird, wird die Energieeffizienz der Anlage mittelmäßig sein. Daher ist die Lichtausbeute eine grundlegende Komponente, aber nicht die einzige, um eine hohe Energieeffizienz zu erreichen.

Lichtausbeute und Energieeffizienz: Eine LED-Streife professionell auswählen

Die Auswahl der richtigen Lichtquelle erfordert eine Abwägung zwischen Lichtausbeute, Lichtqualität (CRI, CCT), Lebensdauer, Anschaffungskosten und Gesamtkosten (TCO). Für Fachleute empfehlen wir:

1. Priorität für Systemeffizienz, nicht nur Chip-Effizienz: Immer vollständige lichttechnische Daten der Leuchte (konform mit EN 13032-1) anfordern, die Lichtstrom, aufgenommene Leistung, Effizienz, lichttechnische Verteilung bei thermisch eingeschwungenem Zustand (nach über 30 Minuten Betrieb) beinhalten;
2. Überprüfung der Garantiebedingungen und LM-80/TM-21-Daten: Seriöse Hersteller liefern LM-80-Berichte für die LED-Module, die eine Abschätzung der Degradation über die Zeit unter definierten Bedingungen erlauben;
3. Berücksichtigung von Farbtemperatur (CCT) und CRI in Bezug auf die Umgebung: Visuelle Qualität und Wohlbefinden nicht für wenige lm/W mehr opfern. Ein CRI 90+ in einem Geschäft kann den Umsatz steigern und eine leichte Effizienzreduktion rechtfertigen;
4. Berechnung der Gesamtbetriebskosten (TCO): Beinhaltet Anschaffungskosten, Installation, Energieverbrauch (in kWh, basierend auf jährlichen Betriebsstunden und Energiekosten), Wartung und Entsorgung. Eine effizientere und langlebigere LED hat oft niedrigere TCO selbst bei höherem Anschaffungspreis;
5. Optimierung des gesamten Systems, nicht nur der Quelle: Die Kombination effizienter LEDs mit Steuerungen (Präsenzmelder, Dimmer, Lichtmanagementsysteme) kann die Energieeinsparung verdoppeln. Zudem maximiert ein gutes Raumdesign (Wandfarben, Reflexionsgrade) die Lichtnutzung.

Zusammenfassend bleibt die Lichtausbeute (lm/W) die primäre Metrik zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit einer Lichtquelle, muss aber im Kontext aller anderen lichttechnischen, qualitativen und Zuverlässigkeitsparameter interpretiert werden. LEDs der neuesten Generation bieten beispiellose Werte und ermöglichen drastische Reduktionen des globalen Energieverbrauchs für Beleuchtung, vorausgesetzt, sie werden mit technischer Kompetenz ausgewählt und eingesetzt.