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Stegplatten
aus durchsichtigem Kunststoff, bestehend aus mindestens zwei oder
mehreren Wandungen, die durch Stege in fester Verbindung mit einander
stehen und röhrenförmige Hohlkammern bilden.
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Derartige
Platten werden vorzugsweise im Bau von Gewächshäusern, als Dach- und Wandverglasung,
im Bau von Tennishallen, Industriebauten, und so weiter eingesetzt.
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Es
ist bekannt, Stegplatten aus Kunststoff, zum Beispiel Acryl, PVC,
Polycarbonat oder anderen Kunststoffen herzustellen. Es gelingt
auch, diese Platten mehrwandig aufzubauen, wobei die äußeren Wandungen
stärker
und die im Inneren gelegenen Wandungen dünner, folienartig ausgebildet
sind.
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Die
Idee der mehrwandigen Stegplatten ist, einen hohen Wärmedurchgangswiderstand
zu erzielen, so dass Innenräume
nicht auskühlen.
Nachteil ist, dass die Lichtdurchlässigkeit im Winter genauso hoch
ist wie im Sommer. Wird eine solche Stegplatten beispielsweise als
Außenwandverglasung
oder auch als ein lichtdurchlässiges
Dämmsystem
eingesetzt, so wird sich im Winter ein positiver Solarenergiezugewinn
einstellen, während
die Räumlichkeiten im
Sommer überhitzt
sind.
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Bekannt
ist auch, zum Beispiel aus Acrylglas oder Gussglas einwandige Prismenscheiben
herzustellen, die der winkelabhängigen
Lichttransmission dienen. Hierzu gibt es eine Vielzahl von Konstruktionen,
die unter anderem in dem Buch "Tageslichtdynamische
Architektur" von
Dr.-Ing. Helmut Köster
-ISBN 3-7643-6729-6 – auf
Seite 73, 116 bis 119, 124 und 130 dargestellt sind.
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All
diese Prismenscheiben weisen unsymmetrische, prismatische Strukturen
auf, die im wesentlichen horizontal verlaufen. Mit diesen komplexen
Horizontalstrukturen kann Einfluss auf die Lichttransparenz des
Sonnenhöhenwinkels
ausgeübt werden,
wie auf Seite 124 der zitierten Literatur detailliert dargestellt.
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Nachteilig
ist, dass über
horizontale Prismenstrukturen kein Einfluss auf die horizontale
Lichtverteilung im Innenraum ausgeübt werden kann. Transmittierte
Lichtstrahlung wird in horizontalen Prismen lediglich in vertikaler
Richtung abgelenkt. Eine Umlenkung der Strahlung in horizontale
Richtung ist nicht möglich,
weshalb Innenräume
bei Sonneneinfall – je
nach azimutalem Sonnenstand – einseitig
ausgeleuchtet sind.
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Vertikale
Prismenstrukturen sind allenfalls von drehbaren Lamellen her bekannt,
die so dem Sonnenstand nachgeführt
werden, dass diese senkrecht zum Sonneneinfall stehen, so dass es
grundsätzlich
zur Totalreflexion der direkten Sonne im Prisma kommt. Genau dieser
Aufwand der Nachführung einer
zweiten lichtlenkenden Gebäudehaut
soll jedoch durch die Erfindung vermieden werden. Es geht darum,
Prismen als dauerhafte, ortsfeste Strukturen mit in den Wandbaustoff
selbst schon im Extrusionsprozess der Plattenware einzubringen – unabhängig von
Himmelsrichtung der Fassade und Einbauort.
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Weitere
Nachteile: Werden die bekannten horizontalen, ortsfesten Prismenstrukturen
für Stegplatten
eingesetzt, müssen
die Prismen parallel zu den Stegen – also in Extrusionsrichtung – angeordnet werden.
Dies funktioniert jedoch aus bauphysikalischen Gründen nicht,
weil die Stegplatten aus Kunststoff eine starke Wasserdampfdiffusionsdurchlässigkeit
und Wasseraufnahme aufweisen. Hierdurch kommt es zu einem Schwitzwasserstau
in den horizontalen Hohlkammern der Stegplatten. Die Schwitzwasserbildung
führt zu
einer Veralgung. Es ist unbedingt erforderlich, die Stegplatten
mit den Stegen senkrecht anzuordnen, um ein Ablaufen des Schwitzwassers
zu ermöglichen.
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Die
Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, Stegplatten mit einer winkelabhängigen Lichttransparenz
zu entwickeln, die es ermöglicht,
primär
die hohe Sonne zur Vermeidung von Überhitzung im Sommer auszublenden,
respektive eine hohe Lichttransparenz für die flache Wintersonne zu
erzielen – also
eine Aufgabenstellung zu verwirklichen, wie sie in oben zitierter
Literatur auf Seite 125 dargestellt ist. Es geht darum, einen plattenförmigen lichtdurchlässigen,
hochisolierenden Baustoff für
Wände und
Dächer
zu entwickeln, der ohne bewegliche Elemente, wie Jalousieverschattungen über eine
automatische, optische Wärmeregelung
verfügt.
Eine weitere Aufgabenstellung ist, Plattenware mit einer optimierten Lichtverteilung
für Tageslicht
in unterschiedliche Richtungen des Innenraumes – also eine optische Lichtmodulation
zu erzielen. Schlussendlich soll sichergestellt werden, dass auftretendes
Schwitzwasser tatsächlich
ablaufen kann, ohne die Platten zu veralgen.
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Diese
Aufgabenstellungen werden gelöst durch
die Merkmale des Hauptanspruches 1.
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Vorteile
der Erfindung liegen einerseits in der Ausblendung der hohen Sommersonne,
zum anderen in der Tatsache, dass die Prismen vertikal angeordnet
sind, so dass sich senkrecht verlaufende Hohlkammern ausbilden,
in denen auftretendes Schwitzwasser ablaufen kann.
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Ein
weiterer erfindungswesentlicher Vorteil liegt in der Lichtführung der
symmetrischen, vertikal orientierten Prismen: Auftretende Lichtstrahlung
wird hinter der Verglasung in beide Raumhälften optimal verteilt. Ein
Teil der Lichtstrahlung wird durch die Prismen in die rechte, ein
weiterer Teil in die linke Raumhälfte
umgelenkt. Hierdurch kommt es zu einer optimierten Raumausleuchtung – weitgehend
unabhängig
von der azimutalem Sonneneinfallsrichtig.
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Weitere
Vorteile werden anhand der Figurenzeichnungen deutlich.
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Es
zeigen:
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1 den
Horizontalschnitt durch eine Stegplatte mit einer prismatischen
Ausbildung einer Wandung
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2 den
Detailschnitt durch die prismatisch ausgebildete Wandung
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3 den
Einsatz der erfindungsgemäßen Stegplatte
als transluzente Wärmedämmung vor
einem Mauerwerk
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4 den
Querschnitt durch eine Halle mit einer erfindungsgemäßen Dachverglasung
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5 das
Temperaturprofil durch eine transparent gedämmte Außenwand
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6 das
Temperaturprofil durch eine mehrwandige Stegplatte im Sommer
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7 das
Prinzip der Lichtausblendungen der hohen Sonne an einer mehrlagigen
Stegplatte
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8 Detailschnitt
durch eine Außenwandung
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1 zeigt
den Horizontalschnitt durch eine mehrwandige Stegplatte 10 mit
den Wandungen 11, 12, 13, 14, 15.
Die Wandungen 11 und 15 sind Außenwandungen
und kräftiger
ausgebildet. Die Wandungen 13 und 14 können folienartig
ausgebildet sein. Die Wandung 12 ist prismatisch ausgeformt. Die
einzelnen Wandungen stehen über
Stege 16, 17, 18, 19, 20, 21 miteinander
in fester Verbindung und bilden rechteckförmige senkrecht verlaufende
Hohlkammern. Der Außenraum
ist mit 22, der Innenraum mit 23 gekennzeichnet.
Das Besondere der Entwicklung ist die Anordnung der prismatischen
Wandung 12 innerhalb der Stegplatte, wobei die prismatischen Wandausformungen 30 zum
Außenraum 22 weist, die
ebene Seite 31 ist zum Innenraum 21 orientiert.
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2 zeigt
die Detailalusbildung der prismatischen Wandung. Die Prismen sind
symmetrisch ausgebildet. Vorliegend ist der Prismenwinkel 90°. Dieser
kann jedoch je nach Lichtbrechungsindex n kleiner oder größer gewählt werden.
Wird der Prismenwinkel kleiner 90° gewählt, kommt
es bereits bei flachen Sonneneinfallswinkeln zur Totalreflexion,
d.h. das System wird zum Lichtreflektor bereits bei flacheren Sonneneinfallswinkeln.
Umgekehrt bleibt das System auch für höhere Einfallswinkel lichtdurchlässig, wenn
der Prismenwinkel größer 90° gewählt wird.
Als optimal für
mitteleuropäisches
Klima (mit Sonneneinfallswinkeln bis 30° in der Zeit von Oktober bis
März an
einer Südfassade)
wird für
Kunststoffmaterial mit einem Lichtbrechungsindex n ≈ 1,48 ein Prismenwinkel
von 65° bis
75° angesehen.
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Berücksichtigt
man auch die Ausblendung von azimutalem Seitenlicht durch die Prismen,
ergibt sich zum Beispiel für
Südfassaden
eine optimale Beschattung gegenüber überhitzenden
Sonnenständen.
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Am
Beispiel der Sonnenstrahlen 40 und 41 wird das
Prinzip der optimierten Raumausleuchtung erläutert: Der Sonnenstrahl 40 wird
in den Prismen in die linke Raumhälfte, der Sonnenstrahl 41 in
die rechte Raumhälfte
umgelenkt. Im Gegensatz zum Stand der Technik, der Prismenstrukturen
immer zur Manipulation der Sonnenhöhenwinkel zur vertikalen Lichtablenkung
benutzt (zum Beispiel Lichtumlenkung an die Decke oder in die Innenraumtiefe),
wird vorliegend die vertikale Prismenstruktur zur horizontalen Lichtverteilung
in zwei Raumhälften
einerseits und zur Totalreflexion der hohen Elevationswinkel andererseits
genutzt. Die Lichtumlenkung im Prisma wird erfindungsgemäß damit
in einem ganz neuen lichttechnischen und bauphysikalischen Zusammenhang
zur verbesserten Raumausleuchtung mit Seitenlicht und zum Sonnenschutz
genutzt.
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Es
wäre durchaus
möglich,
die prismatische Wandung auch auf der Außenseite der Wandung 11 anzuordnen.
Die Besonderheit der Entwicklung ist jedoch, dies nicht zu tun,
damit die äußere Wandung eben
bleibt und in eine Dichtung eingebaut werden kann, ohne dass sich
Fugen im Bereich der Prismen ausbilden. Erfindungswesentlich jedoch
ist, dass die Prismen mit ihren Spitzen zum Außenraum 22 hin angeordnet
sind, damit sich der gewünschte
Effekt der Lichtausblendung der hohen Sonne einstellt.
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Die
hohe Sonne wird infolge der Prismen in den Außenraum zurückgelenkt. Es kommt entweder zur
Totalreflexion bzw. zur Lichtweiterführung innerhalb de Prismen
bis zu einer lichtausbrechenden Kante an einer stirnseitigen Schnittfläche der
Platten.
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Vorliegend
ist die Stegplatte 10 mehrlagig ausgebildet. Hierdurch
ergibt sich ein verbessertes Wärmedämmvermögen gegenüber der
Wärmeabstrahlung
aus dem Innenraum. Im Sommer schützen die
im Schatten der Prismen liegenden Wandungen 13, 14, 15 bzw.
die durch die Wandungen gebildeten Hohlräume gegenüber der solaren Aufheizung
der äußeren Kammern,
die durch die Wandung 11 und 12 gebildet werden.
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In 3 ist
die Anwendung der Stegplatte als transparente Wärmedämmung dargestellt. Die Stegplatte
wird vor eine Außenwand 51 mit
einem Luftzwischenraum 53 gesetzt. Hierdurch ergibt sich ein
für die
Wintersonne 55 transparentes Dämmsystem, wobei die flache
Sonneneinstrahlung 55 in einem Winkel α1 bis
auf das Mauerwerk 51 durchdringt. Auf dem Mauerwerk wird
diese absorbiert, in Wärme gewandelt
und fließt über Wärmeleitung 58 zum
Innenraum ab. Die Wärmeabgabe
zum Innenraum erfolgt über
Strahlung und Konvektion 59. Hohe Sonne 56 mit
einem Einfallswinkel α2 wird an der Prismenschicht innerhalb der
Stegplatte wie am Strahl 57 gezeigt nach außen zurück reflektiert.
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4 zeigt
den Querschnitt durch eine typische Industriedachverglasung, wobei
die Fenster 70, 71 und 72 mit den Stegplatten
ausgerüstet
sind und die hohe Sonne 73 nach außen zurückspiegeln. Die Lichtstrahlung 74,
z.B. aus einem Nordhimmel, die nahezu senkrecht auf die Scheiben
auftrifft, gelangt in den Innenraum.
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5 zeigt
typische Temperaturverläufe
im Winter und im Sommer innerhalb der Stegplatten 81 und
der kompletten Wand. Abhängig
vom Temperaturniveau und der Sonneneinstrahlung bildet sich im Sommer
beispielsweise ein Temperaturprofil 82 aus und im Winter
das Temperaturprofil 83. Je nach Sonneneinstrahlungsintensität ergibt
sich im Winter die höchste
Temperatur auf der Absorberschicht 84 der massiven Wand 80.
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Das
Temperaturprofil nimmt zum Innenraum hin infolge eines Wärmeabflusses
ab. Die äußere Wandung
der Stegplatte hat annähernd
Außentemperatur,
während
sich die inneren Wandungen verstärkt
aufheizen und zwar aufgrund von Absorption von Sonnenstrahlung innerhalb
der Platten sowie aufgrund der Rückstrahlung
der Absorberschicht 84 nach außen.
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Im
Sommer bildet sich die höchste
Temperatur im Bereich der äußeren Wandungen
der Stegplatten, da diese der Sonneneinstrahlung unterliegt. Die Temperaturen
nehmen zur rückseitigen
Wandung der Stegplatte 81 ab, da diese im Schatten der
lichtausblendenden Prismenwandung liegen. Der Innen raum ist vor
Aufheizung geschützt – ein erfindungswesentlicher
Vorteil der Positionierung der Prismenwandung im äußeren Bereich
der Stegplatten.
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6 zeigt
die Details des Temperaturverlaufs innerhalb der Stegplatte 90.
Die äußere Wandung 91 nimmt
die höchste
Temperatur an, da diese einer doppelten Strahlungsbelastung – der einfallenden
Sonne sowie der reflektierten Sonne unterliegt.
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Die
Wandung 92 ist prismatisch ausgebildet und spiegelt das
durch die Wandung 91 einfallende Licht zurück auf die
Wandung 91. Die Idee der Erfindung ist, die Prismenschicht
möglichst
weit nach außen
zu legen, so dass die innerste Wandung 93 vor Sonneneinstrahlung
und Wärmestrahlung
der Wandung 92 geschützt
ist. Dieser Schutz wird verbessert durch die folienartigen Wandungen 94, 95 bzw.
durch die sich ausbildenden Luftkammern.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht nur beschränkt
auf mehrwandige Stegplatten. Der Erfindungsgedanke erstreckt ich
auch auf einfache Stegdoppelplatten mit nur zwei Wandungen. In diesem Fall
wird die Prismenstruktur auf der zum Sonneneinfall orientierten
Seite der innersten Wandung angeordnet.
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Die
Strahlungsverläufe
im Sommer werden anhand der 7 dargestellt.
Einfallende Sonne wird bereits beim Aufreffen auf die äußere Wandung 91 zu ca.
10% reflektiert. Die durch die Wandung 91 hindurchtretende
Lichtstrahlung wird bestenfalls zu 90% infolge prismatischer Lichtumlenkung
zum Außenraum
zurück
reflektiert. Ein Teil der rückreflektierten Strahlung
wird wiederum auf die Prismenwandung gespiegelt und von dieser wiederum
nach außen
zurück
reflektiert, u.s.w.
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Die 7 ist
idealisiert. Tatsächlich
geht durch den Verbund nach wie vor ein gewisser Anteil der Lichtstrahlung
nach innen durch. Dies ist auch erforderlich, um Innenräume gut
auszuleuchten. Außerdem
kommt es zu Irritationen der Strahlungsverläufe an den Prismenspitzen,
die nie scharfkantig ausgebildet werden können, da das Kunststoffmaterial
im Extrusionsprozess fließt
und schrumpft. Auch im Bereich der Stege kommt es zu ungezielten
Lichtlenkeffekten, zum Teil nach innen, zum Teil nach außen.
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Eine
weitere Verbesserung der erläuterten Lichtlenkprinzipien
ist möglich,
wenn eine weitere Wandung, z.B. die Wandung 13 aus 1 mit
Prismen 100 ausgestattet wird, die gestrichelt dargestellt sind.
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In
diesem Fall gewinnen die Platten zusätzlich eine gewisse Durchsichtigkeit.
Die Durchsichtigkeit verbessert sich, weil in den Prismenwandungen 12 umgelenkte
und nach innen durchdringende Strahlung rückgängig gemacht wird, so dass
der Außenraum
nicht nur durchscheint, sondern in seinem wahren Bild erkennbar
wird. Außerdem
verbessert sich durch die Prismenwandung 100 der beschriebene
Lichtausblendeffekt bzw. die winkelabhängige Lichttransmission. Die
Lichtausblendung funktioniert verstärkt. Sinnvoll ist es, die Wandungen 12 und 13 möglichst
dicht zusammenzulegen.
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Im
Prinzip ist es ausreichend, wenn zwischen der Wandung 12 und 13 eine
dünne Luftschicht
bleibt, so dass die gewünschten
prismatischen Effekte eintreten. Die zweite Prismenschicht 100 innerhalb
der Wandung 13 muss jedoch so aufgebaut sein, dass die
Prismenspitzen zum Innenraum weisen und die ebene Wandung zum Außenraum
orientiert ist.
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Sinnvoll
ist es, wie in 8 dargestellt, die Prismen 130 auf
der Außenseite
einer Stegplatte anzuordnen, um die Prismen 130 im Extrusionsworgang
besser ausformen und erstarren zu können. Um jedoch auf der Bewitterungsseite
eine glatte Wandung zu erhalten, wird auf diese Prismen 130 eine Außenwandung 111 aufgebracht,
die z.B. mittels Verklebung mit den Prismen zu einem Sandwich vereint wird.
Anstelle der Klebung wäre
auch eine Ultraschallschweißung
möglich,
so dass die Prismenspitzen mit der bewitterten Außenwandung 111 mindestens
punktuell fest vereint sind. Eventuell auftretendes Schwitzwasser
kann dann an den prismenförmigen
Hohlkammern nach unten ablaufen. Sofern die Stegdoppelplatten in
ein Isolierglas eingebaut werden, kann auf eine spezielle Außenwandung 111 verzichtet
werden. Die Außenwandung
wird dann durch die Glasscheibe selbst gebildet.
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Zusammenfassung:
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Die
Erfindung betrifft Stegplatten 10, 52, 81, 90,
die aus durchsichtigem Kunststoff bestehend und aus mindestens zwei
oder mehreren Wandungen 11, 12, 13, 14, 15, 91, 92, 93, 94, 95 gebildet
sind, die mindestens teilweise mittels Stegen 16, 17, 18, 19, 20, 21 in
fester Verbindung miteinander stehen. Die Innovation ist dadurch
gekennzeichnet, dass mindestens eine Seite einer Wandung 12 prismatisch 30 ausgeformt
ist und die prismatischen Ausformungen 30 nach außen 22 zur
Sonneneinstrahlung gerichtet sind und die prismatischen Ausformungen 30 auf
einer witterungsgeschützten
Hohlraumseite angeordnet sind, wobei diese prismatischen Ausformungen 30 symmetrische
Dreiecke bilden und in ihrer Längsrichtung
parallel zu den Stegen 16, 17, 18, 19, 20, 21 in
Richtung des Wasserablaufs angeordnet sind.