DE19705079A1

DE19705079A1 - Liquidverschattung für Gebäudefassaden mit der Möglichkeit der aktiven Solarenergienutzung

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Publication number: DE19705079A1
Application number: DE19705079A
Authority: DE
Original assignee: LUDWIG DANIELA DIPL ING
Current assignee: LUDWIG DANIELA DIPL ING
Priority date: 1997-01-30
Filing date: 1997-01-30
Publication date: 1998-08-06

Description

Anwendungsgebiet

Verschattung von Gebäudefassaden, speziell im Geschoßbau bei Glasfassaden oder bei transparent wärmegedämmten Wänden. Während der einstrahlungsreichen Monate kann es sowohl bei transparent wärmegedämmten Fassaden, als auch bei herkömmlichen Fas saden (hier durch Wärmeeintrag über Glasflächen, Fenster) zu unerwünscht hohen In nenraumtemperaturen aufgrund von starker solarer Einstrahlung und der daraus resultierenden Wärmeeinträge in das Gebäude kommen. Um dies zu verhindern, muß wirkungsvoll verschattet werden, d. h. es sollte eine 100%ige Verschattungsmöglich keit gegeben sein, die nach Verschattungsbedarf reguliert werden kann, und die in Peri oden, in denen nicht verschattet werden muß, die solare Einstrahlung passieren läßt.

Stand der Technik

Es existieren derzeit zahlreiche Verschattungsmethoden, z. B. Lamellenjalousien, Rol los, Gewebestores, Gitterroste, Sonnensegel usw., die zur Verschattung von Gebäude fassaden herangezogen werden können. Es gibt elektrochrome Gläser, phototrope Gläser, thermotrope Gläser, Flüssigkristallglas usw., aus denen Fassadenelemente her gestellt werden können, die den solaren Wärmestrom teilweise regulieren können (vgl. auch Compagno, A.: Intelligente Glasfassaden: Material-Anwendung-Gestaltung, Basel, Boston, Berlin 1995.). Die meisten dieser Verschattungsmethoden eignen sich bedingt sowohl für eine Verschat tung im Tageslichtbereich, als auch für eine Verschattung von TWD-Fassaden.

Nachteile bisher vorhandener Systeme

Bisher verwendete Verschattungssysteme für Geschoßbauten weisen bei der Kombina tion sowohl mit konventionellen Fassaden, als auch mit TWD-Fassaden Nachteile auf:

1. Sie sind vielfach nicht bedarfsgerecht zu regulieren (starre Systeme). Bei einer Ver schattung von transparent gedämmten Fassaden kommt der Regulierbarkeit elementare Bedeutung zu, da es bei Einstrahlung zu stark erhöhten Innenraumtemperaturen kommt. Dies ist im Winter erwünscht, denn die Fassade "heizt". Hier sollte also möglichst viel Solarstrahlung auf die Fassade fallen. Im Sommer und in den Übergangszeiten jedoch ist die Warme in Innenräumen aus Gründen der Behaglichkeit nicht erwünscht. Deshalb soll hier möglichst wenig Strahlung auf die Fassade gelangen.
2. Bewegliche Verschattungssysteme sind meist sehr empfindlich und neigen bei einer Anbringung an Hochhäusern aufgrund von Windlasten, Sturm, Eis usw. zum Versagen (Rollos oder Lamellen).
Verschobene Lamellen bei Lamellenjalousien oder klemmende Führungssysteme bei Rollos lassen sich am Einfamilienhaus mit nur geringem technischen Aufwand durch den Nutzer selbst beseitigen. Notfalls können beim privat genutzten Einfamilienhaus überhöhte Innenraumtemperaturen, die bei Totalausfall des Verschattungssystems auftreten, durch entsprechende Lüftungsmaßnahmen abge senkt werden, so daß zumindest keine Unbewohnbarkeit des Gebäudes gegeben ist.
All dies ist bei großen Büro- und Wohngebäuden kaum möglich, so daß der dauern den Funktionstüchtigkeit von Verschattungssystemen elementare Bedeutung zukommt.
3. Ein weiteres Manko von Verschattungssystemen ist, daß viele dieser Vorrichtun gen ein recht eigenwilliges Aussehen haben, das sich nur schwerlich mit den derzeit herrschenden Anforderungen im Hinblick auf die Ästhetik der jeweiligen Architek turform verträgt. Wünschenswert wären Systeme, die sich ohne das äußere Erschei nungsbild eines Gebäudes zu stören, in die Baustruktur integrieren ließen.
4. Viele der derzeit existierenden Verschattungen behalten einen gewissen Grad an Restverschattung stets bei oder lassen im Bedarfsfall nicht genug Strahlung durch (z. B. thermotrope oder phototrope Gläser). Dadurch wird der Wirkungsgrad mini miert.
5. Auch verfügt kein Verschattungssystem über die Möglichkeit, die auf die Ver schattung fallende Solarstrahlung sinnvoll zur Energiegewinnung zu nutzen, z. B. zur Brauchwassererwärmung.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Verschatten von Gebäudefassaden zu schaffen, welche die vorbezeichneten Nachteile weitgehend ausschließt und dabei eine größtmögliche Verschattungseffizienz bietet. Optimal ist dabei die Erzie lung von nahezu vollständiger Strahlungsdurchlässigkeit im Winter bei geringen Außen temperaturen und nahezu vollständiger Strahlungsundurchlässigkeit im Hochsommer bei hohen Außentemperaturen und starker Einstrahlung, wobei das System gleichzeitig, um an alle Einflußfaktoren bestmöglich angepaßt zu sein, eine stufenlose Regulierungs möglichkeit für sämtliche witterungsbedingten Temperatur- und Einstrahlungsgegeben heiten aufweisen sollte. Sinnvoll ist eine Verschattungsmethode, die speziell für die Anforderungen am Geschoßbau konzipiert ist und die sich problemlos in moderne Fas sadenstrukturen integrieren läßt, ohne das Erscheinungsbild des Gebäudes negativ zu be einflussen.

- Verschattung von Gebäudefassaden (auch im Tageslichtbereich).
- Bedarfsgerechte Regulierung der Einstrahlung und des solaren Wärmestromes an Fassaden mit nahezu vollständiger Strahlungsdurchlässigkeit oder wahlweise nahezu vollständiger Verschattung.
- Eröffnen einer Möglichkeit zur aktiven Nutzung der auf die Verschattung fallen den Strahlung.

Lösung der Aufgabe

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, nämlich durch ein aus zwei Glasscheiben bestehendes Element, das über einen Vorrats behälter mit einer geeigneten Flüssigkeit gefüllt werden kann. Eine die solare Strahlung absorbierende oder reflektierende Flüssigkeit, die zum dauerhaften Verbleib in einem Glaselement geeignet ist, wird dabei mittels eines Einfüll- und Entleerungsmechanismus in ein Zweischeiben-Glaselement eingebracht und entnommen. Indem es durch eine ge eignete Vorrichtung geleitet wird (z. B. Wärmetauscher) kann das erwärmte Liquid schließlich zur aktiven Wärmegewinnung herangezogen werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung erlaubt eine stufenlose Regulierung der auf eine Fassade fallenden So larstrahlung

- Je nach Konzentration der Verschattungsflüssigkeit und Schichtdicke der Absorp tionsflüssigkeit vollständige Verschattungsmöglichkeit oder wahlweise nahezu 100% Transmission.
- Stufenlose Regulierbarkeit und wärmebedarfsgerechte zentrale Steuerbarkeit der Verschattung.
- Neue Möglichkeiten bei der Fassadengestaltung. Es ist davon auszugehen, daß die farbliche Beschaffenheit des Liquides bei industrieller Fertigung, den Anwender bedürfnissen entsprechend, in einem gewissen Rahmen vordefiniert werden kann.
- Modulare Bauweise möglich. Auch eine ev. anzubringende TWD-Struktur kann im Verbund mit den Elementen in Pfosten- und Riegelkonstruktionen montiert werden. Dabei kann die empfindliche Rückseite des Elements mit einer kurz vor der Endmontage abziehbaren Folie geschützt werden. So kann der vielfach beklagten Verschmutzung des Dämmstoffes währen der Einbauphase vorgebeugt werden.
- Einfache Integration in herkömmliche Fassadentechniken, z. B. Pfosten- und Rie gelkonstruktionen.
- Möglichkeit der Heranziehung zur aktiven Solarenergiegewinnung (s. unten).
- Die Anwendung der Liquidverschattung als Verschattung von Fensterflächen bie tet den Vorteil, daß, je nach verwendeter Flüssigkeit, eine gewisser Grad an vor definierter Transluzenz beibehalten werden kann und daß somit die Sichtverbindung nach außen erhalten bleibt.
- Es existiert die Möglichkeit, das System auch im Tageslichtbereich einzusetzen.

Beispielbeschreibung der Erfindung Aufbau

Zwei Scheiben aus geeignetem Glas werden mittels eines geeigneten, flüssigkeitsdich ten Randverbundes so miteinander verbunden, daß ein Scheibenzwischenraum entsteht. Die Scheiben oder der Randverbund erhalten eine Einfüllöffnung, in welche mittels ei ner Zuleitung eine die solare Strahlung absorbierende oder reflektierende Flüssigkeit eingebracht werden kann. Über ein Preßluftsystem (alternative Möglichkeit: über eine Pumpe) wird nun die Flüssigkeit aus einem Vorratsbehälter zwischen die Scheiben des Glaselements gedrückt. Soll das Element entleert werden, wird der im System herr schende Druck herabgesetzt und das Liquid fließt aufgrund der Schwerkraft wieder zu rück in den Vorratsbehälter, sofern dieser unterhalb des Glaselements angebracht ist. Auch kann zwecks Erhöhung der Effizienz eine Entleerung des Glaselements mittels Luftdruck oder Sog erfolgen. Die im Element enthaltene Luft wird dabei über ein Ventil an die Außenluft abgeführt und kann bei der Entleerung wieder zurück ins Element strö men. Die Ventile können dabei mit einem Aktivkohlefilter gegen nachströmende Schmutzpartikel versehen werden, damit keine Verunreinigung der Elemente möglich ist (siehe Abb. 1).

Eine weitere Möglichkeit ist die Ausführung als geschlossenes System, wobei die in den Glaselementen enthaltene Luft im System verbleiben kann. Der Vorteil dieser Art von Verschattung liegt primär in der stufenlosen Regulierungsmöglichkeit. Die Elemente können vollständig gefüllt werden, zur Hälfte oder jeden anderen, beliebigen Füllungs grad haben.

Um ein vollständiges Abfließen des Absorptionsliquides zu gewährleisten, ist schon bei der Herstellung auf Sauberkeit und Fettfreiheit der Scheibeninnenflächen zu achten (Auswaschen mit Spülmittellösung). Für die Anwendung als Verschallung an Bauwer ken können mehrere Elemente parallel geschaltet werden, d. h. eine ganze Elementreihe, bestehend aus beliebig vielen Verschattungselementen, kann durch einen gemeinsamen Vorratsbehälter, der an ein Drucksystem angeschlossen ist, über einen Regelmechanis mus je nach Bedarf gefüllt und entleert werden (siehe Abb. 2).

Beispiel für Integrationsmöglichkeiten in die Baustruktur

Die Integration der einzelnen Glas-Verschattungselemente in die Baustruktur kann er folgen, indem die Elemente in einen Rahmen eingelassen werden, und die dadurch entstehenden Einzelelemente in Pfosten- und Riegelfassaden eingebaut werden (siehe Abb. 4). Die Elemente werden dann entweder durch einen großen, zentralen Flüs sigkeitsbehälter oder durch einen kleinen Flüssigkeitsbehälter, der jeweils hinter dem Element angebracht ist, mit Flüssigkeit gefüllt, indem die Verschattungsflüssigkeit über Druckluft in das Element gepumpt wird. Die einzelnen Elemente sind über ein System aus Druckluftschläuchen mit einem Kompressor (oder einer Pumpe) verbunden, wel cher, gesteuert von einem Regelsystem, für eine bedarfsgerechte Entleerung oder Fül lung der Elemente mit Verschattungsflüssigkeit sorgt.

Bei Pfosten- und Riegelkonstruktionen an der Fassade kann die Liquidverschattung in Verbindung mit der TWD-Struktur auch als Modulsystem produziert werden, um so ei nen schnellen und einfachen Einbau am Bau sicherzustellen. Der Aufbau des TWD-Ele mentes mit integrierter Liquidverschattung entspricht weitgehend dem einer thermisch getrennten Pfosten- und Riegelfassade mit Isolierverglasung. Das transparente Wärme dämmaterial kann durch einen Kunststoffrahmen als Platte versteift werden, um ein Ab sacken und eine Verformung des empfindlichen TWD-Materials zu verhindern.

Der Rahmen kann zwischen die Pfosten- und Riegelprofile montiert werden. Dabei kön nen, je nach TWD-Materialart, Clips oder Laschen als Justierhilfe ein Verrutschen ver hindern. Jedes TWD-Paket kann dann mit einer abziehbaren Folie gegen Verschmutzungen und Beschädigungen während des Transportes und der Lagerung auf der Baustelle geschützt werden, denn die Verschmutzung oder die Beschädigung von Dämmaterial auf der Baustelle stellt ein vielfach beklagtes Problem dar.

Da die TWD-Schicht in der Ebene der Tragkonstruktion liegt, wird ein sich sonst erge bender Luftraum zwischen TWD und Speicherwand, wenn nicht erwünscht, vermieden.

Es entsteht lediglich ein Luftspalt aufgrund der Verankerung der Tragkonstruktion. Die Liquid-Zweischeibenverglasung dient als Deckscheibe für die TWD-Elemente. Daraus ergibt sich im Gegensatz zu einer Einfachverglasung der Vorteil einer besseren Wärme dämmung, und zwar vor der Ebene der TWD-Schicht. Es wird somit das Problem des Tauwasserausfalls an der Innenseite der Deckscheibe vermieden. Die Falzbelüftung als Dampfdruckausgleich wird wie bei herkömmlichen Konstruktionen ausgeführt. Die An schlußstutzen und die Leitungsführung zu den Vorratsbehältern der Liquidverschattung kann dann direkt unter der Glasdeckleiste geführt werden, um so eine gute Zugänglich keit zu gewährleisten.

Beispiel für eine Ausführung des Randverbundes der Liquidverschattungs elemente

Der Randverbund des Liquidverglasungselementes ist bautechnisch mit besonderer Sorgfalt auszuführen, um die Dichtfunktion unverändert beizubehalten.

Mechanische und thermische Belastungen können zu Spannungen und zu Deformation führen. Der gesamte Randverbund muß thermisch stabil sein und sollte nach Möglich keit auch keine thermische Brücke darstellen. In der Praxis auftretende mechanische Spannungsvorgänge und Temperaturveränderungen dürfen dabei auch über große Zeit räume hinweg nicht zur Undichtigkeit führen. Es kann für die Ausführung ein ähnlicher Standard wie bei gasgefüllten Verglasungen oder Vakuumverglasungen angesetzt wer den, obgleich beim Liquidverschattungselement im Gegensatz zu Vakuumverglasungen in der Praxis keine extremen Druckverhältnisse auftreten werden (Bei Vakuumfenstern sind teilweise Hochvakuum-Druckverhältnisse von mehr als 10^-4 mbar gegeben). Auch ist die dauer hafte Aufrechterhaltung der Dichtfunktion für Flüssigkeitsfüllungen aufgrund der grö ßeren Molekularstruktur leichter zu erreichen als bei Gasfüllungen oder gar bei Vorhandensein eines Vakuums. Folgende Ausführung des Randverbundes eines Liquid verschattungselements ist dabei sinnvoll: Herkömmliche Abstandhalter aus Aluminium- Hohlprofil werden dabei von homogenen Dichtstoffen, z. B. von Butyl und Polysulfid umgeben und verhindern somit den Austritt von Liquid (siehe Abb. 5). Beide Dichtstoffe sind geeignet, die Diffusion von Gasen und Wasserdampf zu unterbinden (gasdicht und dampfdicht).

Beispiele für die Liquidzuleitung

Es sind zwei Varianten denkbar, nämlich

1. die Liquidzuleitung durch den Randverbund zu führen oder
2. sie durch eine entsprechende Öffnung in den Glasscheiben selbst zu führen (siehe Abb. 6).

Eine Zuführung der Liquidzuleitung durch den Randverbund bedeutet, daß sowohl die Dichtungsebene, als auch das Aluminiumprofil des Abstandhalters durchbrochen wer den müssen. Somit wäre das Element anfällig gegen die im Zusammenhang mit Tempe raturänderungen zwangsläufig auftretenden thermischen Dehnungen der Dichtungsmaterialien. Damit der Randverbund homogen ausgeführt werden kann, wird zunächst eine Zuführung durch eine Bohrung an der Glasscheibe vorgeschlagen, wobei die Zuleitung als flachdichtende Verschraubung direkt an der Außenscheibe des Ele mentes befestigt wird und somit auch mechanischen Zugbelastungen standhält.

Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung im Sichtfensterbereich

Die Möglichkeiten des beschriebenen Liquidverschattungssystems bleiben durchaus nicht nur auf eine Anwendung in Zusammenhang mit TWD-Fassaden beschränkt. Viel mehr eignet sich das Liquidverschattungssystem auch zur Verschattung von großforma tigen Glasfassaden aller Art. Für die Anwendung im Fensterbereich wäre demzufolge eine reflektierende Liquidfüllung vorzuziehen, damit eine Erwärmung des Elements in nur geringem Ausmaß gegeben wäre. Allerdings kann derzeit aus hiesiger Sicht noch nicht abgeschätzt werden, wie groß der Aufwand für die Entwicklung eines reflektieren den Liquides sein würde. Auch ist davon auszugehen, daß reflektierende Liquidfüllun gen die Transluzenz und somit die Sichtverbindung nach außen stark einschränken.

Anwendungsmöglichkeit der Erfindung zur aktiven Wärmegewinnung

Eine sinnvolle Möglichkeit, die an der Fassade anfallende überschüssige Wärme abzu führen, ist die Konstruktion des Liquidverschattungssystems als aktives Wärmegewinn system. Hierbei wird das Liquid im Verschattungsfall aus dem Liquidverschattungselement durch einen Wärmetauscher gepumpt werden (siehe Abb. 7). Die dort abgegebene Wärme kann beispielsweise zur Brauchwassererwärmung herangezogen werden. Das gekühlte Liquid würde wieder in das Liquidverschattungele ment geführt werden und bedingt somit eine erwünschte Abkühlung der Glasfassaden temperatur. Somit wäre ein zur Verschattung einsetzbarer Fassadenkollektor gegeben, der die Möglichkeit der aktiven Wärmegewinnung beinhaltet.

Claims

1. Vorrichtung zum Verschatten einer Gebäudefassade oder eines Fensterbereiches, die auch zur aktiven Solarenergiegewinnung herangezogen werden kann. Bei Bedarf wird dabei zwischen zwei Glasscheiben, die mittels eines Randverbundes flüssigkeitsdicht abgedichtet sind, ein die solare Strahlung absorbierendes oder reflektierendes Liquid über ein Zuleitungssystem aus einem Vorratsbehälter mittels Luftdruck durch eine im Glas eingelassene Einfüllöffnung eingebracht, wobei die im Element enthaltene Luft über ein Ventil nach außen entweichen kann. Beim Entleeren des Elementes kann die Luft von außen durch das Ventil wieder in das Element strömen. Die Vorrichtung besteht aus

a. Zwei Glasscheiben (beispielsweise aus eisenarmem Glas)
b. Abstandhalter
c. Flüssigkeitsdichte Abdichtung des Randverbundes
d. Liquidzuleitung in das Element (z. B. Rohr wird durch eine Öffnung im Glas geführt und mittels flachdichtender Verschraubung dort verschraubt)
e. Zuleitungsrohr
f. Vorratsbehälter für das Verschattungsliquid
g. Ventil am Glaselement, durch das die im Element befindliche Luft beim Füllvor gang entweichen kann
h. Sperrventil

Um eine optimale Funktion der Vorrichtung sicherzustellen werden des weitern folgen de Sekundärvorrichtungen benötigt:

i. Kompressor
j. Zuleitung vom Kompressor zum Vorratsbehälter
k. Mehrwegventile
l. Steuer- und Regelsystem.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Liquid anstatt des Luftdrucks aus einem Kompressor mittels einer Pumpe aus einem Vorratsbehälter in das Element gepumpt wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil zum Entweichen der Luft beim Füllvorgang mit einem Filter versehen ist, um die wieder in das Element zurückströmende Luft zu reinigen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das System als geschlossenes System konzipiert ist, d. h. daß die beim Füllen des Elementes mit Liquid aus dem Element entweichende Luft im System verbleibt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das im Element befindliche Liquid über ein Zuleitungssystem durch einen Wärme tauscher geführt wird, wobei die im Liquid enthaltene Wärme genutzt werden kann (sie he Abb. 7).

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Liquidverschattungselement in eine Pfosten- und Riegelfassade integriert wer den kann (siehe Detail Liquidverschattung, Abb. 8).

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasscheiben des Elementes vergütet sind, um ein optimales Abfließen der Ab sorptionsflüssigkeit zu gewährleisten.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Liquidzuleitung durch ein Einfüllrohr, das durch eine Öffnung im Randverbund geführt wird, gefüllt werden kann, statt durch eine Öffnung in der Glasscheibe (siehe Abb. 6).

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Elemente durch einen zentralen Flüssigkeitsbehälter über ein System aus Schläuchen bzw. Zuleitungsrohren mit Verschattungsliquid gefüllt werden.