Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft LED als Lichtquelle im Stall Prof. Klaus Reiter & Maike Müller Institut für Landtechnik und Tierhaltung Weiterbildungskurs Baufachleute Tänikon, 3. November 2015 Quelle: www.riva-lighting.de Gliederung Licht & dessen Kenngrößen Bedeutung von Licht LED als Leuchtmittel Vorteile von LED-Licht Lichtplanung im Stall 2 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Was ist Licht? • Licht ist eine elektromagnetische Strahlung von der Sonne • Sichtbarer Bereich für den Menschen von 380 bis 780 nm. (Quelle: Licht in der Rinderhaltung, Holsteg) Sonnentag: 100.000 Lux; Sommertag im Schatten: 10.000 Lux Bürobeleuchtung: 500 Lux, Mondlicht 0,25 Lux Institut für Landtechnik und Tierhaltung Bedeutung von Licht Verarbeitung von visuellen Informationen im Sehzentrum (visuelles Sehen) und von nicht-visuellen Informationen im Hypothalamus (Innere Uhr, circadianes „Sehen“) Dabei sind • die Wellenlängen des Lichtes • die Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte und Farbwiedergabe • die Dauer der Lichteinwirkung von Bedeutung Institut für Landtechnik und Tierhaltung Kenngrößen des Lichts • Lichtstrom in [Lumen] Alles Licht, das die Lampe nach allen Seiten abgibt • Lichtstärke in [Candela] In einer bestimmten Richtung ausgesendetes Licht • Beleuchtungsstärke in [Lux] Licht, das auf einer bestimmten Fläche ankommt http://www.wirsindheller.de/Begriffe-in-der-Lichtmessung.28.0.html 5 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Kenngrößen des Lichts • Leuchtdichte in [Candela pro m²] Helligkeit einer Fläche, die das Auge wahrnimmt 6 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Messinstrumente www.gossen-photo.de Beleuchtungsstärkemessgerät www.konicaminolta.eu Leuchtdichtemessgerät • Messhöhe bodennah (20 cm) • • • • Messung horizontal Messstativ verwenden Messraster an Stall anpassen • Messgerät in Augenhöhe und Blickwinkel des Tieres ausrichten Szenarien definieren schwieriger messbar gut messbar Institut für Landtechnik und Tierhaltung Kenngrößen des Lichts: Farbwiedergabeindex Ra Unterscheidung der 14 Testfarben, Ra = 100 bei Sonnenlicht eingeschränkt messbar in Stallumgebung, Messungenauigkeit • gut messbar im Labor mittels Nahfeldgoniometer & Ulbricht-Kugel 8 Lichtmessung in der Stallumgebung · 29.09.2015 · Daniel Werner· FH Bielefeld · Fachbereich IuM · FSP ITES Kenngrößen des Lichts • Farbtemperatur in [Kelvin] < 3.300 K 3.300 bis 5.300 K > 5.300 K warmweißes Licht neutralweißes Licht kaltweißes / tageslichtweißes Licht download.e-bookshelf.de 9 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Messstrategien orientierende Messung wissenschaftliche Messung für Landwirte für Berater und Lichttechniker horizontale Beleuchtungsstärke horizontale Beleuchtungsstärke vertikale Beleuchtungsstärke Leuchtdichte Farbwiedergabeindex … grobes Messraster feines Messraster Institut für Landtechnik und Tierhaltung Bedeutung von Licht zur Orientierung bei den Tieren Licht auf Transportfahrzeuge In vielen Ställen ist es für die Tiere zu dunkel Bedeutung von Licht für den Landwirt Tierkontrolle und Tierbeobachtung Arbeitssicherheit - atmosphäre Erkennen von Verletzungen und Schäden (Farbwiedergabe) Wie sehen Rinder? http://sravana.twoday.net/stories/1451326/ 13 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Sehfeld des Rindes ► Binokulares Sehen ► Monokulares Sehen ► Blinder Bereich Rind Mensch 330° 200° https://media.allyou.net/10502/images/1760564/SehfeldTiere-01.jpg.5000x430_q90.jpg 14 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Sehschärfe beim Rind • etwa 30 % der Sehschärfe des Menschen • Die Sehschärfe sinkt mit der Beleuchtungsintensität • kaum Akkommodation (nur scharf im Nahbereich) http://img0.mxstatic.com/ Verhalten der Rinder, Mounaix, 2003 15 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Bewegungssehen • bis zu 60 Bilder pro Sekunde (Mensch 15-30 Hz) keine hektischen Bewegungen & keine flimmernden Lampen 16 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Dämmerungssehen • verbessert durch Restlichtverstärkung mittels Tapetum lucidum (reflektierende Schicht im Auge) keine Nachtbeleuchtung notwendig fürs Rind • langsame Adaptation an Hell & Dunkel gleichmäßige Ausleuchtung im Stall Schatten vermeiden 17 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Farbensehen • Rinder sind Dichromaten – 2 Zapfen (Rezeptoren) – sehen grün, gelb, blau gut, aber rot schlecht Nach Jacobs et al. 1998 18 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Die Lichtwirkung ist mehr als Sehen • Licht wirkt auf photosensitive Ganglienzellen in der Retina • Impuls wird weitergeleitet zur inneren Uhr im Hypothalamus Einfluss auf: Tag/Nacht- & Jahres-Rhythmus Stoffwechsel Hormone Wachstum Fruchtbarkeit Milchbildung Wohlbefinden http://www.ulis-photowelt.de/wp-content/uploads/2009/11/Fleckvieh25.jpg 19 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Die Beleuchtungsstärke und -dauer (Spektrum) beeinflussen die Milchbildung und das Wachstum innere Uhr Durch lange Lichttage > 12 Stunden mit hohem Blauanteil im Licht (150 LUX) wird mehr Prolaktin und IGF-1 (Leber) gebildet. Diese steigern die Milchbildung und das Wachstum Institut für Landtechnik und Tierhaltung Sensitivität für circadianes „Sehen“ Institut für Landtechnik und Tierhaltung Einfluss der Beleuchtungsdauer auf die Milchleistung Milchleistung (kg/Tag) September bis April 16 Stunden Licht, 150 - 200 Lux 1 = Peters et al., 1978 2 = Peters et al., 1981 3 = Marcek & Swanson, 1984 4 = Stanislewski et al., 1985 5 = Evans & Hacker, 1989 • Milchleistung war im Mittel um 2,0 kg je Tag erhöht • Die Milchzusammensetzung blieb unbeeinflusst Institut für Landtechnik und Tierhaltung Lichtanforderungen im Stall • Beleuchtungsstärke (Dämmerungsschalter) – 150 Lux in der Tagphase – max. 10 Lux in der Dunkelphase (Orientierungslampe am AMS) www.voltus.de • Farbtemperatur – 5.000 bis 6.500 Kelvin (tageslichtweiß) • Beleuchtungsdauer (Zeitschaltuhr) – Milchvieh – Trockensteher – Kälber, Jungvieh >12 h 8h 16 h www.elv.de 23 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Leuchten-Vergleich LED-Strahler Vorteile HalogenMetalldampflampe hohe Lichtausbeute Kuh-gerechtes Spektrum weißes Licht hohe Lichtausbeute gute Farbwiedergabe lange Lebensdauer umweltfreundlich schnelle Einschaltzeit Nachteile NatriumDampflampe orangenes Licht schlechte Farbwiedergabe lange Einschaltzeit Entsorgung geringere Lichtausbeute hohe Anschaffungskosten 24 Institut für Landtechnik und Tierhaltung LED-Licht (Prinzip der Phosphorkonversion) Phosphormischungen Das Licht entsteht durch Umwandlung elektrischer Energie in Halbleiterdioden Das Licht ist monochromatisch Motifolio Inc. Farbtemperaturen von 2700 bis 10.000 K möglich 25 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Vor und Nachteile von LED Licht • • • • • • • • LED‘s sind die effizientesten Leuchtmittel (zZ. 150 lm/Watt) Der Einsatz ist sehr flexibel, dimmbar Lange Lebensdauer (> 50.0000 Stunden) Farbtemperatur, auch alle Lichtfarben sind einstellbar Farbwiedergabe sehr hoch keine umweltschädlichen Materialien oder Gase werden verwendet Vorschaltgeräte arbeiten niederfrequent Startverhalten in Nanosekunden, Schalten hat keinen Einfluss • • • Hohe Temperaturen können Einfluss auf die Lebensdauer haben Zum thermischen Management ist ein Kühlkörper notwendig Bisher noch teurer als herkömmliche Leuchtmittel 26 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Kuhgerechtes Farbspektrum • LED‘s entsprechen besser dem Sehen der Rinder als Natriumdampflampen Institut für Landtechnik und Tierhaltung Farbwiedergabe bei verschiedenen Lampen Sonnenlicht lässt die Farben natürlich aussehen. Bei Lichtquellen mit ungleichmäßiger Verteilung der Spektralfarben ist die Farbwiedergabe geringer. (Farbwiedergabeindex) Lichtquelle Farbwiedergabeindex Sonnenlicht 1,00 LED-Lampen 95 Halogen-Metalldampfl. 72 Na-Hochdrucklampen 35 Institut für Landtechnik und Tierhaltung LED-Strahler Hallenleuchte 1200 LED‘s im Strahler 100 W; 100 lm/W Abstrahlwinkel 120° Farbtemperatur 6500 Kelvin Schutzart IP 66 60.000 Betriebsstunden Kosten 600 Euro Institut für Landtechnik und Tierhaltung LED-Langfeldleuchten Feuchtraumwannenlampe 50 W Lichtleistung Farbtemperatur 4000 K 100 lm/W Optimiertes Wärmemanagement IP 66 250 bis 300 Euro Institut für Landtechnik und Tierhaltung Retrofit-Lampen und mögliche Gefahren (LED-Ersatzleuchtmittel für konventionelle Leuchtengehäuse) • • • • • • • Gefahr durch elektrischen Schlag Unzulässige Erwärmung Schutzklasse II wird nicht eingehalten Beleuchtungsstärken zu gering (ASR - Technische Regeln für Arbeitsstätten) Blendungsgefahr Schutzart (IP) wird nicht erreicht Zu hohes Gewicht 31 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Planungshinweise (kleiner Milchviehstall) Liegeboxenlaufstall mit 72 Kuhplätzen, 54 für Jungvieh, 30 Kälber Außenklimastall automatisches Melksystem Institut für Landtechnik und Tierhaltung Beleuchtungssimulation (Lux) Stall: 53 m Länge und 26 m Breite 33 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Verteilung der LED Strahler im Stall LED Strahler 8m 5m 6m 3m Langfeldleuchten 20 LED Strahler 18 Langfeldleuchten 10 m Institut für Landtechnik und Tierhaltung Stall mit LED Licht Institut für Landtechnik und Tierhaltung Planungshinweise (großer Milchviehstall) • • • • 120 laktierende Kühe Stall 50 x 36 Meter 40 LED Strahler Lampenabstand 5 m Institut für Landtechnik und Tierhaltung Gemessene Beleuchtungsintensität 37 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Lichtplanung in einem alten Stall Leuchtstoffröhren LED • Jungviehstall • Tierbereich 21,80 m x 4,70 m bei 2,60 m Deckenhöhe • 95 Messpunkte (Rasterweite 1 m) • 3 Messungen (vor & nach Reinigung der Leuchtstoffröhren, nach Umbau auf LED) Institut für Landtechnik und Tierhaltung Beleuchtungssimulation • Simulation mit der Software DIALux • Stallmaße und EulumDat der Leuchte notwendig • Verwendung zur Lichtplanung M. Pulfer optimale Auswahl und Verteilung der Leuchten Institut für Landtechnik und Tierhaltung Ergebnisse der Lichtmessung Langfeldleuchte vor Reinigung Langfeldleuchte nach Reinigung LED Mittlere Beleuchtungsstärke 30,4 lx 42,0 lx 142,4 lx Minimale Beleuchtungsstärke 3 lx 5 lx 34 lx Maximale Beleuchtungsstärke 106 lx 126 lx 267 lx 0,10 0,12 0,24 Gleichmäßigkeit Institut für Landtechnik und Tierhaltung Kostenvergleich (Neser, 2012) 41 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Zusammenfassung • Bedeutung von Licht – Sehen, Orientierung, Bewegung – biologischer Rhythmus, Leistung – Arbeitskomfort, Sicherheit Landwirt • Vorteile von LED-Licht – Spektrale Zusammensetzung optimal – Hohe Beleuchtungsstärke und Farbwiedergabe – Geringer Stromverbrauch – Langlebigkeit • LED ist Lichttechnik der Zukunft 42 Institut für Landtechnik und Tierhaltung Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 43 Institut für Landtechnik und Tierhaltung
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