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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanlage mindestens bestehend aus künstlicher Beleuchtung und Tageslichtumlenklamellen und lichtreflektierender Decke zur fensternahen Arbeitsplatz- und Raumtiefenausleuchtung.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 028 655 A1 ist bekannt, lamellenförmige Tageslichtsysteme in der Fassade von unten mit künstlicher Beleuchtung indirekt anzustrahlen und das auf einzelne Lamellenteile von unten auftreffende Licht über diese an die Decke und in die Raumtiefe zu streuen.
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Es handelt sich hierbei um eine intelligente, funktionsfähige Lösung, die jedoch den Nachteil hat, dass aus einer indirekt nach oben strahlenden Leuchte zu viel Licht in Fensternähe auch an die Decke austritt. Dieses Licht geht zum Teil als Streulicht von der Decke durch die Verglasung nach außen verloren, während die Raumtiefe nicht so gut ausgeleuchtet ist. Sofern Jalousien verwendet werden, müssen diese abends bei künstlicher Beleuchtung zugedreht werden, um eine Reflexionswand zu bilden. Dann geht nachteiligerweise auch die Durchsicht des Fensters verloren. Durch die Anstrahlung der Lamellen von unten ist die Möglichkeit der Lichtumlenkung an den Lamellen an die Decke und in die Innenraumtiefe eingeschränkt.
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Die
US 2012/0 320 560 A1 , die
US 2018/0 356 059 A1 und die
US 2020/0 263 857 A1 zeigen Lichtlenkvorrichtungen, die über eine Lichtquelle verfügen, die von außen auf die Lichtlenkung strahlt. Das Licht wird durch die Lichtlenkvorrichtung hindurch nach Innen an die Innenraumdecke umgelenkt. Der Nachteil ist die Anordnung der künstlichen Beleuchtung im Außenraum. Dies ist bei Glasbauten, insbesondere Hochhausfassaden gar nicht möglich bzw. unter den Gesichtspunkten der Wartung der elektrischen Beleuchtung und der Verschmutzung nicht sinnvoll.
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Die Systeme sind zudem nicht geeignet gleichzeitig als Sonnenschutzsystem zu dienen, da die Lichtlenklamellen und Prismenelemente zur Lichttransmission und nicht gleichzeitig als Sonnenschutzmaßname für die von außen anfallende Sonnenstrahlung konzipiert sind. Der Nachteil ist weiterhin die Undurchsichtigkeit der Lichtlenksysteme, insbesondere der Prismen. Deshalb eignen sich die Systeme nur für den Oberlichtbereich eines Fensters oberhalb Aughöhe. Der weitere Nachteil ist, dass die an die Decke umgelenkte Strahlung unmittelbar hinter dem Fenster an die Decke trifft. Eine Raumtiefenausleuchtung ist kaum möglich.
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Die
US 2008/0 271 856 A1 sowie die
DE 29 04 505 A1 zeigen Systeme, bei denen die künstliche Beleuchtung an der Innenraumdecke installiert ist und von oben in das Lichtlenksystem strahlt. Der Nachteil ist, dass die hierfür konzipierten Lichtlenksysteme geschlossen bzw. zugedreht werden müssen, um die auf die Lamellen auftreffenden Lichtstrahlen in den Innenraum zu lenken. Damit geht die gewünschte Durchsicht der Behänge von innen nach außen verloren. Zudem wird die künstliche Beleuchtung lediglich auf die Bodenebene umgelenkt, ohne den Innenraum in der Raumtiefe auszuleuchten. Werden die Lamellen flacher angestellt, um das Licht an die Innenraumdecke einzulenken, geht die gewünschte Sonnenschutzfunktion verloren. Die Sonnenstrahlen werden dann an den Lamellenoberseiten in den Innenraum eingelenkt.
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In der
DE 198 28 542 A1 sind Lamellen als Lichtlenksysteme dargestellt, die eine Mikrostruktur aufweisen. Die von außen oder innen anfallende Sonnenstrahlung wird zum Teil in die Lichteinfallsrichtung zurückgelenkt, allerdings diffus ohne präzise Lichtführung an die Decke und in die Raumtiefe. Die Lamellen können deshalb an Ihrer Oberseite oder Unterseite den Betrachter auch blenden, was es zu vermeiden gilt.
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Die Innovation hat sich daher zur Aufgabe gestellt, eine integrale Lichtlösung zu entwickeln, die insbesondere bei offen gestellter Lichtlenkjalousie auf diese einfallendes Kunstlicht in große Innenraumtiefen und eventuell über Deckenreflektoren gezielt auf den fensternahen Arbeitsplatz umlenkt und gleichzeitig überhitzende Sonnenstrahlung auslenkt. Die offene Lamellenstellung ist wichtig, damit die natürliche Lichtquelle, das diffuse Tageslicht, in den Innenraum zwischen den Lamellen einfällt und gleichzeitig die Durchsicht nach außen gesichert ist. Diese gleichzeitig wirkenden Funktionsweisen sind auch bei wechselnder Sonne und Bewölkung wichtig, damit die Lamellen dann nicht ständig auf- und abgefahren bzw. auf- und zugedreht werden müssen, das schwächer werdende Licht jedoch durch Zustrahlung elektrischer Beleuchtung via Fenster ergänzt werden kann
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß dem Hauptanspruch.
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Der Vorteil der Innovation ist die Möglichkeit, eine Tageslichtergänzungsbeleuchtung auch bei offener, hoch transparenter Lamellenposition zu realisieren, wobei das Kunst- licht über die verspiegelten Lamellenoberseiten blendfrei insbesondere an die Decke und in die Innenraumtiefe und in einer Vollversion der Beleuchtungsanlage über zusätzliche Reflektoren an der Decke auf die Arbeitsebene geflutet wird. Schwächer werdendes Tageslicht kann durch künstliche Beleuchtung ergänzt werden und via Fensterjalousie über die Lamellenoberseiten in der Art eines Sekundärreflektors vom Fenster nach innen gelenkt werden. Die Leuchte übernimmt die Funktion eines Lichtwerfers auf die Lamellen, die Lamellen selbst übernehmen die Funktion der Lichtverteilung nach oben und in die Raumtiefe. Wenn Wolken aufziehen, bleiben die Jalousien offen. Über einen Leuchtensensor wird künstliche Beleuchtung ergänzt.
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Da die Lichtquelle selbst in das Fenster auf die Jalousie gerichtet ist, kann die Lichtquelle vom Innenraum aus gesehen erfindungsgemäß niemals blenden! Dies ermöglicht vorteilhafterweise die Verwendung von eng ausstrahlenden Hochleistungsstrahlern mit sehr intensivem Lichtaustritt. Die Strahlungsenergie verteilt sich jedoch über einen großen Flächenbereich der Lamellensysteme, um dann über einen noch größeren Flächenbereich indirekt an die Decke und in die Raumtiefe zu streuen bzw. auf die fensternahen Arbeitsplätze umgelenkt zu werden. Die Optik des Lamellensystems bzw. die Jalousielamellenoberseiten übernehmen neben der Funktion des Sonnenschutzes damit zusätzlich die Funktion eines Spiegelwerfersystems zur Innenraumausleuchtung.
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Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist auch die bessere Lichtverteilungsmöglichkeit in die Raumtiefe über die indirekte Strahlungsverteilung an den Lamellenoberseiten. Die Lamellenbehänge werden insbesondere im mittleren Fensterbereich in der Höhe von ca. 0,8 m bis 2 m durch das Kunstlicht angestrahlt, sodass das reflektierte Licht im Unterschied zum Stand der Technik von weiter unten über den Lamellenbehang in größere Raumtiefen und an die Decke umlenkbar ist. Die Innovation bezieht sich auch auf einfache Spiegellamellen oder weiße Lamellen auch ohne spezielle Fresnel'sche Geometrien und ohne v-förmig strukturierte Lamellenquerschnitte, jedoch vorteilhafterweise und insbesondere auf die Kombination mit Fresnel-Optiken mindestens an den Lamellenoberseiten, die durch v-förmige Furchungen erzeugt werden und in Längsrichtung der Lamellen linienförmig Reflektorfragmente bilden.
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Lamellen ohne Fresnel-Optik müssen gegenüber den Deckenleuchten in ihrer Winkelposition so angestellt werden, dass das auftreffende Licht an die Decke und in die Raumtiefe umgelenkt wird. Diese speziellen Nachführpositionen sind vorteilhafterweise bei den Lamellen mit gefurchter Fresnel'scher Lamellenoptik nicht erforderlich. Die Behänge können im Wesentlichen offen stehen bleiben und ermöglichen gleichzeitig einen Sonnenschutz gegenüber der direkten Sonne, trotzdem eine diffuse Tageslichtausbeute und gleichzeitig eine erhöhte Beleuchtungsstärke durch Zustrahlung von elektrischer Beleuchtung. Der Begriff „Fresnel'sche Optiken“ ist nicht einschränkend zu verstehen und bezieht sich ganz allgemein auf die Anordnung von Reflektorfragmenten mit spezifischer Lichtumlenkung zurück in den Halbraum des Lichteinfalls auch ohne einen genauen Focus bzw. ohne Lichtkonzentration der reflektierten Lichtstrahlung.
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Weitere Vorteile zeigen die Figuren:
- 1 zeigt die Lichtumlenkung an Lichtlenklamellen unter Sonneneinwirkung und künstlicher Beleuchtung.
- 2 und 3 zeigen eine typische, gefurchte Lamellenstruktur mit Lichtauslenkung der direkten Sonne bei offen gestelltem Lamellenbehang zurück nach außen und der gleichzeitigen Lichtumlenkung in die Raumtiefe von der Decke her einfallender künstlicher Beleuchtung.
- 4 zeigt einen Lamellentyp mit Zenitlichteinlenkung zum Einbau im oberen Behangbereich.
- 5 zeigt, wie über die Lamellenkipppositionen die Ausleuchtung in die Innenraumtiefe begünstigt werden kann.
- 6 zeigt die Lichtumlenkung von einer Innenraumdecke einfallender Beleuchtung auf einen geschlossenen Lamellenbehang.
- 7 bis 11 zeigen die Lichtverteilung an einer mikrostrukturierten Lamelle mit einer gleichförmigen Furchung der Spiegeloptik.
- 12 zeigt eine typische Lichtlenkdecke mit einer intelligenten Lichtverteilung auf eine Arbeitsebene.
- 13 bis 19 zeigen die Lichtumlenkung von der Decke auf eine Arbeitsebene.
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1 zeigt den Querschnitt durch eine Fensterzone. Eingezeichnet ist eine Glasfassade 10 mit den Lamellen 11 hinter der Glasfassade. Die Strahlen 12 bis 14 zeigen eine typische Lichtumlenkung der Sonne an den Lamellen im oberen Fensterbereich O und im unteren Fensterbereich U nach innen an die Decke, die auch mit einfachen Lamellen, z.B. in Konkav-Konvex-Ausformung, auch mit nur hellen, reflektierenden Oberflächen zu erzielen sind. Lackierte Lamellen reflektieren jedoch diffus mit einer undefinierten Lichtverteilung. Deshalb wird im Folgenden eine Präzisionsoptik von Lichtlenklamellen beschrieben.
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Die 2 zeigt die Faltenstruktur bzw. das optische System einer optimierten Spiegellamelle Typ U für den unteren Fensterbereich. Die Lamelle 16 Typ U besteht rein beispielhaft aus sechs Furchen, wobei die von außen einfallende Sonne 29 primär auf jene Furchenseite trifft, die zur Sonne orientiert ist. Das Kunstlicht 30, das vom Innenraum (I) in 3 auf die gegenüberliegende Furchenseite trifft und die zum Innenraum orientiert ist, wird nach innen an die Decke umgelenkt. Die Furchenseiten folgen in ihren Anstellstellwinkeln α bzw. β vorzugsweise in Annäherung an eine Fresnel-Optik und bilden eine Fokusierzone für von innen auftreffendes Licht auf der Rauminnenseite (3, 4, 11) und für außen auftreffende Sonnenstrahlung auf der Außenseite des Behangs (2, 8, 10). Diese Optik wird realisiert, indem die bestrahlten Seitenwandungen der v-förmigen Furchen in den Abbildungen in ihren Anstellwinkeln von Lamellenmitte zu den Lamellenkanten zunehmen (α2 >> α1, β2 > β1). Schmale Lamellen könnten auf 3 Furchen an den Lamellenoberseiten reduziert werden, so dass sich mindestens 3 Reflektorfragmente für Lichtanstrahlung von innen und außen ergeben.
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In 4 im oberen Fensterbereich sind Lamellen 17 Typ O mit Lamellenkanten wie Flügel 20, 21 ausgebildet und haben im Wesentlichen eine Lichteinlenkfunktion für das Zenitlicht 22, jedoch auch eine Lichtauslenkfunktion 23 in Lamellenmitte.
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Die Bestrahlungswinkel des flächenförmigen Lamellengebildes durch die künstliche Beleuchtung 15 sind in 1 zu sehen. Der Lichtaustritt aus den Leuchten ist bevorzugt auf die mittlere Fensterzone M von ca. 0,8 m bis 2 m Höhe über OKF unter Anwendung der Lamellen Typ U aus 3 und 5 zu richten, damit über die Flügelelemente (20, 21 in 4) beim Typ O oberhalb 2 m kein Licht nach außen verloren geht.
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5 zeigt wiederum den Querschnitt durch eine um ca. 10° nach innen geneigte Lamelle aus 2 und 3 Typ U. Es ist klar zu erkennen, dass über den Lamellenkippwinkel die Richtung des in den Innenraum zurückgeworfenen Kunstlichtes geändert werden kann. Wird die Lamelle um ca. 10° nach innen gekippt, neigt sich der Lichtaustrittswinkel aus dem Lamellensystem um mindestens 15° bis 20° und trifft damit mit 40° bis 45° zur Horizontalen in größere Raumtiefen. Die Programmierung der richtigen Lamellenkippwinkel erfolgt über eine Sonnennachlaufsteuerung, die den Behang auch bei Dunkelheit oder in den Übergangszeiten gegenüber der künstlichen Lichtquelle aktiviert.
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6 zeigt das optische Verhalten bei geschlossenem Behang. Auch hier wird die künstliche Beleuchtung beispielhaft gezeigt für einen Lichteinfall von 50° auf den Behang und mit einer sehr flachen Lichtumlenkung von ca. 10° an die Decke und in die Innenraumtiefe.
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In 1 ist die Lichtquelle 15 in ca. 0,6 m Entfernung zu Fassade angeordnet und strahlt in einer mittleren Höhe H in den Behang zwischen 0,8 m bis ca. 2,0 m Höhe. Die eng ausstrahlende künstliche Beleuchtung 15, die auf eine Furchenstruktur der Lamellen 11 bzw. Typ U aus 2, 3, 5 fällt, lenkt das Licht in Winkeln von ca. 30° bis 60° an die Decke um. Der Nutzer 19 wird durch diese indirekt wirkende Reflektoroptik nicht geblendet. Mit dieser indirekten Lichtführung kann erfindungsgemäß nicht nur die Arbeitsebene 25, sondern auch noch der Innenraum in seiner Tiefe ausgeleuchtet werden.
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7 bis 11 zeigen eine alternative Lamelle, bestehend aus einer Mikrostruktur mit gleichförmigen Furchen mit Furchenwinkeln von 40° bis 50°, vorzugsweise ca. 45°, die bezüglich ihres Lichtlenkverhaltens ähnlich funktionieren wie die Furchen der Lamelle in 2. Die Lamellen in 7 bis 11 liegen horizontal und lenken das von außen einfallende Tageslicht in 8 und 10 nach außen und gleichzeitig das von innen einfallende Kunstlicht 29 in 9 und 11 nach innen. Die Furchenstruktur kann sehr klein ausgebildet sein, bis annähernd zur Wellenlänge des Lichtes, also bis 1/1000 mm Furchentiefe. Die Lamellen sind konkav gewölbt und nähern sich mit den Furchenseiten einer Fresnel'schen Optik an, wie an den Foki der reflektierten Strahlengänge zu erkennen ist.
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Die Leuchte 15 in 1 hat eine spitze Lichtausstrahlung 35 in den Behang. Entweder die Leuchte 21 ist beispielhaft so konstruiert, dass diese über zwei Lichtaustritte verfügt oder die Leuchte ist um eine horizontale Achse verschwenkbar. Wenn das Tageslicht nicht mehr ausreicht, um noch einen Beitrag zur Raumausleuchtung zu leisten, wird die Leuchte 21 entweder verschwenkt oder ein zweites Leuchtmittel z.B. innerhalb der Leuchte so zugeschaltet, dass der Arbeitsplatz durch den nach unten gerichteten Lichtaustritt 36 direkt beleuchtet wird.
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12 zeigt eine Lichtumlenkdecke 44, die z.B. aus Lamellen des Typs aus 7 bis 11 oder des Typs aus 2, 3 und 5 oder auch des Typs aus 14 bis 19 besteht. Licht, das durch den Behang an die Decke umgelenkt ist, wird an den Deckenreflektoren 44 aufgefangen und als vertikale Beleuchtungsstärke 40 bis 42 auf die Arbeitsebene 43 umgelenkt. Dazu wird z.B. eine einseitig oder beidseitig strukturierte Lamelle entweder mit der konkaven (14 bis 19) oder der konvexen Seite (13) nach unten orientiert. Alternativ kann auch eine konkave Spiegel-Flachlamelle horizontal oder leicht verkippt zu einer Lichtlenkdecke zusammengebaut verwendet werden (17-19).
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13 zeigt die Lichtverteilung auf die Arbeitsebene an einem Deckenreflektor für einen Bestrahlungswinkel von 30°. Die Deckenreflektoren bestehen aus v-förmig gefurchten Lamellen mit Bestrahlung der konvexen Lamellenunterseiten.
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14 bis 16 zeigen eine flache Anordnung der Deckenreflektoren aus v-förmig gefurchten Lamellen, die auch im Lamellenbehang Anwendung finden, mit Lichtanstrahlung aus 20°, 30° und 40° sowie die Lichtverteilung auf die Arbeitsebene.
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17 bis 19 zeigen verkippte, konkave Lamellen mit glatter Unterseite ohne Furchen und deren Lichtumlenkung für Lichtaustrittswinkel von 30°, 50° und 70° aus den Lamellenlichtlenksystemen in der Fassade.
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Die Innovation ermöglicht damit in ihrer Vollversion in Kombination des Lichtlenksystems 45 in der Fassade und des Lichtumlenksystems 44 der Deckenlamellen ein kombiniertes, umfassendes Raumausleuchtungssystem für Kunst- und Tageslicht. Die Lamellenoptik ermöglicht erfindungsgemäß eine indirekte Raumausleuchtung mittels nach unten ausstrahlenden Leuchten, so dass die Leuchten 46 nicht abgehängt, sondern in der Decke eingebaut sein können. Die elektrische Beleuchtung selbst kann ein Lichtband sein, das z.B. aus LED-Lichtpunkten besteht oder es werden Einzelleuchten in Reihe parallel zum Fenster installiert.
