Beleuchtung und Beleuchtungstechnik im Rinderstall

1.1 Einleitung

Bedeutung von Licht für Mensch und Tier
Licht wird definiert als der für den Menschen sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Das Spektrum des sichtbaren Lichts ist bei Menschen und den verschiedenen Tierarten unterschiedlich. Licht ist für das Leben von Mensch und Tier elementar. Menschen benötigen ausreichend und gutes Licht zur Orientierung sowie zur Wahrnehmung ihrer Umwelt. Auch Rinder benötigen Licht zur Orientierung in ihrer Umgebung und zur Erfassung ihres Umfelds sowie zur Erkennung ihrer Artgenossen und des Landwirts. Aber nicht nur beim Sehen und Orientieren spielt Licht eine wichtige Rolle: Licht fungiert als täglicher Zeitgeber, beeinflusst das Verhalten und den Hormonhaushalt sowie die Physiologie der Rinder. Steht den Tieren Licht mit der richtigen spektralen Zusammensetzung in ausreichender Menge und Dauer zur Verfügung, können positive Effekte auf die Gesundheit, das Wohlbefinden und die Produktivität erzielt werden. Beim Neubau eines Stalles und der Umgestaltung alter Ställe sind diese Aspekte zu beachten, denn sie führen zu erhöhtem Tierwohl, mehr Arbeitssicherheit für den Landwirt und wirken sich durch die neuen energiesparenden Technologien sowie einen zielgerichteten Einsatz auch positiv auf den Energieverbrauch aus.

Als Bewertungsfläche kann eine vertikale oder horizontale Fläche dienen, woraus sich vertikale oder horizontale Beleuchtungsstärken berechnen. Vertikale und horizontale Beleuchtungsstärken sind für das Auge nicht wahrnehmbar und gelten als reine Mess- und Vergleichsgrößen. Der Helligkeitseindruck für das menschliche oder tierische Auge entsteht erst, wenn das Licht durch eine Fläche reflektiert oder transmittiert wird. Die für das Auge einzige wahrnehmbare und zu bewertende lichttechnische Kenngröße wird als Leuchtdichte bezeichnet und in der Einheit Candela pro Quadratmeter (cd/m²) angegeben.

Zur quantitativen Beschreibung des Farbeindrucks einer Lichtquelle kann die Kenngröße der Lichtfarbe benutzt werden. Diese beschreibt die ähnlichste Farbtemperatur, die als Temperatur eines schwarzen Strahlers zu erwarten ist und wird in der Einheit Kelvin (K) angeben.Beispielhaft in Tabelle 1 die Zuordnung nach DIN EN 12464-1.

Tabelle 1: Lichtfarbengruppen von Lampen

Als weitere Kenngrößen im Rinderstall sind der Farbwiedergabe-Index R_a sowie die Lichtdauer, oftmals als Photoperiode bezeichnet, zu betrachten. Der höchstmögliche Wert des Farbwiedergabe-Index ist mit R_a = 100 definiert und gibt die Farben der Umgebung, der Objekte oder als Beispiel der Haut natürlich und unverfälscht wieder. Die Lichtdauer beschreibt die Zeit in der ein bestimmtes Beleuchtungsniveau sichergestellt ist. In der Tierhaltung wird dabei zwischen Langtag (long day, LD) und Kurztag (short day, SD) unterschieden. Der Langtag ist durch eine Beleuchtungsdauer von 16 Std./Tag und der Kurztag durch eine Beleuchtungsdauer von 8 Std./Tag definiert.

Tabelle 2: Zusammenfassung der wichtigsten lichttechnischen Kenngrößen in der Tierhaltung (eigene Darstellung)

Sehvermögen und Lichtwahrnehmung von Mensch und Tier
Das Sehvermögen des Rindes unterscheidet sich in weiteren Punkten maßgeblich von dem des Menschen. Die Augen liegen beim Rind seitlich am Kopf. Daher ist das Gesichtsfeld des Rindes mit 330 ° sehr weit, aber nur in einem kleinen Bereich (30 ° bis 50 °) direkt vor dem Kopf überschneiden sich die Sehfelder beider Augen sodass es dort dreidimensional sehen kann. Zudem ist die Sehschärfe des Rindes deutlich geringer als beim Menschen. Es erkennt Konturen nur schemenhaft. Das Umschalten vom Sehen in der Nähe auf das Sehen in die Ferne (Akkommodation) ist dem Rind im Gegensatz zum Menschen kaum möglich. Eine gleichmäßige Ausleuchtung in der Tagphase und vorhandene Kontraste an Übergängen im Stall sind daher sehr wichtig für einen reibungslosen Kuhverkehr. Auch die Anpassung an Hell und Dunkel (Adaptation) verläuft beim Rind deutlich langsamer als beim Menschen. Somit sind Hell-Dunkel-Bereiche (Treibwege, Zutrieb Melkstand) im Stall zu vermeiden, da die Tiere hier stehen bleiben, um sich an die veränderte Helligkeit anzupassen. Rinder sehen in der Dämmerung deutlich besser als der Mensch und benötigen in der Nacht keine Beleuchtung zur Orientierung im Stall. Bewegungen nimmt das Rind sehr gut wahr, sein Auflösungsvermögen beträgt bis zu 60 Bilder pro Sekunde. Der Mensch kann nur 30 Bilder pro Sekunde wahrnehmen. Defekte Leuchten und Starter, die flimmern oder flackern, sind sehr unangenehm für Rinder und rufen Stress hervor.

Tabelle 3: Vergleich des Sehvermögens von Mensch und Rind

Verarbeitung von Licht im Organismus

Licht ist der für das menschliche Auge sichtbare Bereich, der von der Sonne gesandten elektro­magnetischen Wellen. Menschen besitzen drei verschiedene Farbrezeptoren (sog. Zapfen) zur Farbwahrnehmung und werden als Trichromaten bezeichnet. Der Mensch kann im Bereich von Violett bis Dunkelrot sehen (380 nm bis 780 nm). Rinder sind Dichromaten, da sie nur zwei unterschiedliche Zapfentypen besitzen, und können weniger Farben sehen (380 nm bis 620 nm). Die von Rindern wahrgenommene Helligkeit ist im Blau-Grünbereich am höchsten, im Rotbereich sehen Rinder weniger gut (JACOBS et al. 1997). Daher eignen sich Lichtquellen, die ein Spektrum mit ausgeprägtem Rotanteil aussenden, weniger im Rinderbereich.

Licht spielt nicht nur beim Sehen eine entscheidende Rolle, sondern auch bei der Steuerung bio­logischer Rhythmen und bei der Bildung wichtiger Vitamine in der Haut (Vitamin A/Beta-Carotin und Vitamin D₃). Melatonin ist ein wichtiges Hormon, das auch beim Menschen in der Nacht ausgeschüttet wird. Melatonin beeinflusst den Tag-Nacht-Rhythmus, die Fruchtbarkeit, das Immunsystem und den Schlaf. Bei Rindern steuert die Ausschüttung von Melatonin einen circadianen (24 Std.) Rhythmus, mit niedrigen Konzentrationen am Tag und hohen Konzentrationen in der Nacht (DAHL et al. 2000).

Neben dem Tag-Nacht Rhythmus existiert ein endogener Jahresrhythmus (circannualer Rhythmus), also eine Veränderung der Tageslänge über das Jahr. Beleuchtungsintensität und -dauer, sowie die Temperatur steuern diesen Rhythmus. Damit beeinflusst die Lichtdauer in Kombination mit der Beleuchtungsintensität die Fruchtbarkeit, das Wachstum und die Leistung von Nutztieren. Es konnte in Untersuchungen festgestellt werden, dass bei Kalbinnen, die unter Langtag-Bedingungen (long day; LD) mit 16 Stunden-Lichttag gehalten wurden, die Wachstumsrate erhöht und die Tiere früher geschlechtsreif wurden. Bei LD-Bedingungen in der Aufzucht von Kalbinnen wurde im Vergleich zu Kurztag-Bedingungen (short day; SD/8 h/Tag) das Wachstum des Parenchymgewebes im Euter aktiviert, was zu erhöhter Milchleistung in der darauffolgenden Laktation führte. In zahlreichen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass auch bei laktierenden Kühen die Lichttaglänge einen Effekt auf die Milchleistung hatte. Wurden Kühe unter LD-Bedingungen (16 Stunden Licht, mit 200 lx) gehalten, so produzierten sie mehr Milch (DAHL et al. 2000).

Eine entscheidende Frage für die Gestaltung der Beleuchtung in Ställen ist, bei welchen Schwellen der Beleuchtungsintensität während der Tages- und Nachtzeiten ein Effekt auf die Melatonin- und Wachstumshormonausschüttung messbar ist. Ab einer Beleuchtungsintensität von rund 150 lx wurde über einen längeren Zeitraum eine Reduzierung der Melatoninkonzentration analysiert (LAWSON und KENNEDY 2000). Ausgehend davon sollte eine Beleuchtungsintensität von rund 150 lx im Tagesverlauf erreicht werden. In weiteren Untersuchungen wurde festgestellt, dass eine Beleuchtungsintensität von 10 lx oder weniger den normalen Anstieg der Melatoninkonzentrationen während den Nachtstunden sicherte (MUTHURMALINGAM et al. 2006). Deshalb sollte die Beleuchtungsintensität in den Nachtstunden auf keinen Fall 10 lx überschreiten (Notbeleuchtungen und Beleuchtungen von automatischen Melksystemen).

Das heißt jedoch nicht, dass Rinder in Praxisbetrieben durchgehend 16 Stunden Licht haben sollten. Es ist richtig, dass der zyklische Verlauf der Beleuchtungsdauer im Jahresverlauf beibehalten wird. Eine Beleuchtungsdauer von 12 bis 14 Stunden ist ausreichend. Das einfallende Tageslicht sorgt für die jahreszeitlich bedingten Veränderungen in der Tageslänge.

Auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts spielt eine bedeutende Rolle. Der Blauanteil in weißem Licht ist für den biologischen Rhythmus am wirksamsten. Bei erhöhtem Rotanteil ist der Blauanteil geringer und das Licht biologisch weniger wirksam.

Tabelle 4: Empfehlungen der Arbeitsstättenverordnung (ASR3.4) zur mittleren Beleuchtungsstärke Ē_m sowie des Farbwiedergabeindex R_a

Zusätzlich sind Blendungen und Reflexionen zu minimieren, falls diese zu Unfällen führen können. Eine weitere Gefährdungsquelle kann durch Flimmern und Pulsation von Leuchten entstehen, da diese zur Ermüdung oder zum Nichterkennen von sich drehenden Teilen (stroboskopischer Effekt) führen können. Auch sind Schattenbildungen zu begrenzen, weil diese Gefahrenquellen überdecken [ASR3.4].

Die Norm DIN EN 12464-1 „Licht und Beleuchtung – Beleuchtung von Arbeitsstätten – Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen“ empfiehlt folgende Werte für handwerkliche Tätigkeiten in der Landwirtschaft:

Tabelle 5: Empfehlungen der DIN Norm zur mittleren Beleuchtungsstärke Ē_m, der Gleichmäßigkeit U₀ sowie des Farbwiedergabeindex R_a

2.1 Licht in den verschiedenen Funktionsbereichen

Milchviehställe besitzen in der Regel verschiedene Funktionsbereiche. Jeder Funktionsbereich stellt andere Anforderungen an die Aus- und Beleuchtung. In den Funktionsbereichen Fressen, Liegen und Laufen sowie im Kälber- und Jungviehbereich stehen die Ansprüche des Rindes an erster Stelle, während im Melk- und Separationsbereich zur Sicherung der Arbeitsplatzqualität vermehrt auch die Anforderungen des Menschen an die Beleuchtung zu beachten sind.

Funktionsbereich Fressen
Bis zu sechs Stunden sind Kühe täglich mit der Futteraufnahme beschäftigt. Am Fressgitter befinden sich die Tiere fünf bis sechs Stunden am Tag. Hier wird eine tiergerechte Ausleuchtung zur Wahrnehmung des Fressgitters, des Futters und des Umfeldes einschließlich anderer Kühe benötigt.

Funktionsbereich Liegen
Während der Liege- und Ruhephase wird das Licht in erster Linie biologisch genutzt. Dazu sollte eine ausreichende Beleuchtungsstärke von 150 lx vorhanden sein, ohne dass die Tiere geblendet werden. Liegeboxen bzw. der komplette Tiefstreubereich (je nach Haltungsform) sollten gleichmäßig und ohne unnötige Schattenbildung ausgeleuchtet werden. Biologisch wirksam ist hier vorwiegend der Blauanteil des Lichts. Dieser kann im Liegebereich erhöht sein, da die Tiere ca. 12 Std. am Tag liegend verbringen und sich somit die positiven Auswirkungen des Lichts einstellen.

Funktionsbereich Laufen
Im Laufbereich muss ausreichend Licht zur Orientierung und zum Erkennen anderer Kühe oder auch Gegenstände und Personen vorhanden sein. Eine gleichmäßige Ausleuchtung und die Vermeidung von Schattenbildung (langsame Hell-Dunkel-Anpassung) sind unerlässlich für eine ruhige und stressfreie Orientierung und sichere Fortbewegung der Tiere im Stall. Kontraste, z. B. an Übergängen, helfen den Tieren bei der Orientierung. Eine gleichmäßige Ausleuchtung mit 150 lx wird empfohlen.

Bereich für Trockensteher
Für Kühe in der Spätlaktation und trockenstehende Kühe gelten andere Vorgaben für eine angepasste Be- und Ausleuchtung. In dieser Phase der Laktation sollten Kühe wenn möglich im Kurztag gehalten werden. Dies bedeutet, dass vor allem die trockengestellten Milchkühe in einem Bereich aufgestallt werden, in dem eine Reduzierung der Beleuchtungsdauer auf 8 Std. möglich ist. Mit dieser Reduzierung der Beleuchtungsdauer wird der Organismus auf einen „künstlichen Winter“ eingestellt, der mit Start in die neue Laktation und in Verbindung mit 16 Std. Licht zu einem deutlichen „Frühjahrsschub“ führen kann.
Vor diesem Hintergrund wird ein lichttechnisch abgetrennter Trockensteherbereich mit 8 Std. Beleuchtungsdauer empfohlen, so dass die nicht laktierenden Kühe unter Kurztagbedingungen gehalten werden können.

Separationsbereich
Dem Separationsbereich werden auch die Kranken- und die Abkalbebuchten zugeordnet. Sind die Tiere mehrere Tage im Separationsbereich, fungiert dieser als Fress-, Liege- und Laufbereich und die Vorgaben dieser Funktionsbereiche gelten auch hier. Zudem muss eine zusätzliche Beleuchtung manuell schaltbar sein, wenn der Landwirt bzw. der Tierarzt zur Kontrolle oder Behandlung der Tiere diesen Bereich betritt. Hier ist eine hohe Farbwiedergabe unerlässlich. Eine Beleuchtungsstärke von mindestens 400 Lux wird zur Arbeitserledigung empfohlen.

Kälber- und Jungviehbereich
Jungtiere und Kälber benötigen ausreichend Licht zur gesunden Entwicklung. Eine Beleuchtungsdauer von 16 Stunden pro Tag bei einer Beleuchtungsintensität von 150 Lux wird für die ersten drei Lebenswochen empfohlen. Die Dauer kann anschließend auf 14 Stunden herabgesetzt werden.

Melkbereich
Sowohl im Melkstand als auch im automatischen Melksystem (AMS) müssen sich die Kühe fortbewegen und unterschiedliche Bereiche des Stalles betreten. Auffällige Schatten, große Unterschiede in der Beleuchtungsstärke und die Blendung der Tiere müssen vermieden werden, da sie ein stressfreies Melken sowie Betreten und Verlassen des Melkbereichs verhindern. Für ein angenehmes Arbeiten des Melkers sind eine hohe Beleuchtungsintensität, eine hohe Farbwiedergabe (Erkennen von Auffälligkeiten in der Milch und am Tier) und eine geringe Blendung von Vorteil. Eine Farbtemperatur von 5.000 bis 6.000 Kelvin fördert die Konzentration und das Sehvermögen. Die Leuchten im Melkbereich müssen besonders gegen Spritzwasser, erhöhte Luftfeuchtigkeit und Reinigungsmittel geschützt sein (mindestens IP65). Während der Dunkelphase nachts kann eine Orientierungslampe am AMS leuchten, die keinesfalls mehr als 10 lx liefert, da die Tiere ansonsten in der Dunkelphase gestört werden können.

Abbildung 2: Übersicht der verwendeten Leuchten

Tabelle 6: Ergebnisübersicht der Beleuchtungssimulationen für den Musterstall MV 1

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Tabelle 7: Ergebnisübersicht der Beleuchtungssimulationen für den Musterstall MV 2

Tabelle 8: Ergebnisübersicht der Beleuchtungssimulation für den Jungviehstall

Tabelle 9: Ergebnisübersicht der Beleuchtungssimulationen für den Jungviehstall

Die Ergebnisse der Beleuchtungssimulationen zeigen deutlich, dass die beiden LED-Varianten mit der geringsten Energiemenge die angestrebte Beleuchtung erreichen. Je nach Zuschnitt und Höhe des Stalles gibt es deutlichere Abstände zu den konventionellen Leuchten. Erwartungsgemäß sollten für Installationshöhen über 3,5 m LED Flächenstrahler und für Installationshöhen unter 3,5 m LED Langfeldleuchten (keine Retrofit-Produkte) verwendet werden. Welche Leuchte lichttechnisch und unter dem Aspekt der Energieeffizienz für einen Stall am besten geeignet ist, lässt sich nur durch eine lichttechnische Simulation, die von den Leuchtenherstellern bzw. Vertriebspartnern kostenlos erstellt wird, ermitteln.

Abbildung 10: Beleuchtungsalternativen im Vergleich

DAHL, G. E., BUCHANAN, B. A. and TUCKER, H. A. (2000): Photoperiodic Effects on Dairy Cattle: A ­Review – Journal of Dairy Science 83, 885–893.

JACOBS, G. H., DEEGAN, J. F. und NEITZ, J. (1998): Short Communication: Photopigment basis for dichromatic color vision in cows, goats and sheep. Visual Neuroscience 15, 581–584.

LAWSON, T. A. and A. D. KENNEDY (2001): Inhibition of nighttime melatonin secretion in cattle: threshold light intensity for dairy heifers. Can. J. Anim. Sci. 81, 153–156.

MUTHURAMALINGAM, P., A. D. KENNEDY and R. J. BERRY (2006): Plasma melatonin and insulin-like growth factor1 responses to dim light at night in dairy heifers. J. Pineal Res. 40, 225–229.

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