DE19815850C2 - Sonnenschutzvorrichtung für Gebäude - Google Patents
Sonnenschutzvorrichtung für GebäudeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine die Sonnenstrahlung konzentrierende Sonnen
schutzvorrichtung für Gebäude. Die flächig ausgebildete Sonnenschutzvorrichtung
weist eine dem Strahlungseinfall zugewandte Oberseite und eine dem Strahlungs
einfall abgewandte Rückseite auf und schirmt die direkte Einstrahlung ab. Dabei wird
der überwiegende Teil der direkten Einstrahlung durch Totalreflexion umgelenkt und
in einen von der Anordnung beabstandeten Raumbereich konzentriert. Die translu
zente flächige Anordnung ist hierbei um wenigstens eine Achse schwenkbar und
derart relativ zum Strahlungseinfall sowie zum transluzenten Fassadenbereich orien
tiert, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite der transluzenten flächigen
Anordnung trifft, zum anderen der durch die transluzente flächige Anordnung
verursachte Schattenbereich wenigsten teilweise den transluzenten Fassadenbe
reich überdeckt.
Sonnenschutzvorrichtungen an Gebäudefassaden sollen bei Bedarf den solaren
Energieeintrag und die Blendung verringern. Derartige Vorrichtungen reichen von an
sich bekannten Markisenkonstruktionen, die als Schattenspender oberhalb von Fen
sterflächen an der Fassadenaußenwand angebracht werden, bis hin zu in oder an
den Fensterflächen integrierbaren optischen Sonnenstrahlung-Umlenkvorrichtungen.
Aus der DE 43 02 883 A1 geht eine Beschattungsvorrichtung für, mit einer Vergla
sung versehene Fassaden- oder Dachelemente hervor, die an der Außenseite der
Fassadenverglasung angebrachte Lamellenkörper aufweist, die jeweils um eine hori
zontal drehbar angeordnete Achse angelenkt sind und eine dem Strahlungseinfall
zugewandte Oberseite aufweisen, die vorzugsweise verspiegelt ausgeführt ist, durch
die bei entsprechender Lamellenorientierung relativ zum Strahlungseinfall die auf die
Lamellenkörper auftreffende Sonnenstrahlung in die Atmosphäre zurückreflektiert
oder gezielt an die Decke des Rauminneren umgelenkt wird. Eine bevorzugte Aus
führungsvariante sieht überdies vor, die dem Strahlungseinfall ausgebildete Oberflä
che mit Solarzellen zu bestücken, um auf diese Weise elektrischen Strom zu gewin
nen. Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist jedoch die durch die nicht transluzente
Ausgestaltung der Lamellenanordnung verbundene Strahlungsabsorption, die insbe
sondere an Tagen geringer Helligkeit eine künstliche Zusatzbeleuchtung im Innen
raum unumgänglich macht, durch die wiederum ein erhöhter Energieverbrauch ver
bunden ist.
Aus der DE 32 26 709 A1 ist eine transluzente Sonnenschutzvorrichtung bekannt,
die mittels Totalreflexion die auf die Sonnenschutzvorrichtung gerichtete Sonnen
strahlung in die Atmosphäre zurück umlenkt. Die Sonnenschutzvorrichtung besteht
aus sonnenstrahlungstransparenten, strukturierten, dielektrischen Profilen, deren
Querschnitte aus ungefähr gleichschenkligen, rechtwinkligen Prismen zusammenge
setzt sind, die um ihre Längserstreckung zum Nachführen hinsichtlich des aktuellen
Sonnenstandes drehbeweglich gelagert sind. Die durch die Sonnenschutzvorrichtung
umgelenkte Sonnenstrahlung wird jedoch nicht wie im vorstehend beschriebenen
Fall mittels energiewandelnder Elemente, wie beispielsweise Solarzellen, einer ge
zielten technischen Nutzung unterzogen.
Bislang sind keine Sonnenschutzvorrichtungen zur Anbringung an Fassadenbereiche
bekannt, die zum einen die vorstehend beschriebenen Sonnenschutzeigenschaften
besitzen und überdies die im Strahlungsfluß der auf die Sonnenschutzvorrichtung
enthaltene Energie in technisch nutzbare Energie umzuwandeln in der Lage sind.
Zwar sind Sonnenkollektoranordnungen mit die Sonnenenergie umwandelnde Sy
steme bekannt, wie beispielsweise eine Anordnung aus der US 4 069 812 hervor
geht, die mittels einer sphärisch ausgebildeten Fresnellinse das auf die Linse ein
treffende Sonnenstrahlung auf einen eng begrenzten Raumbereich konzentriert, in
dem beispielsweise eine Wassererhitzungseinheit vorgesehen ist, doch eignet sich
eine derartige Vorrichtung nicht zugleich als Beschattungs- bzw. Sonnenschutzvor
richtung für Fassadenflächen, zumal die Strahlungskonzentration durch die Fresnel
linse sehr stark von der Orientierung des Strahlungseinfalls relativ zur Linsenachse
abhängt. Wenn die Strahlung nicht senkrecht zur Linsenachse einfällt, führt der Ef
fekt der Brechung innerhalb der Linse zu einer Veränderung der Linsenbrennweite,
wodurch die auf die Linse auftreffenden Strahlung nicht auf den Ort der Strahlungse
nergie umwandelnden Einheit konzentriert wird. Um jedoch zu gewährleisten, daß
das Linsensystem weitgehend senkrecht mit Sonnenstrahlung bestrahlt wird, wird
dieses um eine horizontale Achse entsprechend dem Sonnenazimuthwinkel, der sich
im Laufe des Tages ändert, nachgeführt. Nur bei einer Achsausrichtung parallel zur
Erdachse bleiben die negativen Auswirkungen der Brennweitenverschiebung ver
hältnismäßig gering. Diese Forderung erschwert jedoch die Verwendung derartiger
Sonnenkollektorsysteme zur Anbringung an Gebäudefassaden als Sonnenschutzein
richtung.
Eine gattungsgemäße Anordnung ist der DE 44 03 276 A1 zu entnehmen, aus der
ein Tageslichtleitsystem hervorgeht, das aus einem Tageslichtsammler besteht, der
derart relativ zur einfallenden Sonnenstrahlung orientiert ist, so daß die Sonnenein
strahlung senkrecht auf die Oberfläche des Tageslichtsammlers auftrifft. Ein auf der
Rückseite des Tageslichtsammlers angeordnetes optisches Lichtleitsystem, bei
spielsweise in Form eines Lichtleiters, konzentriert die eingefangene Sonnenstrah
lung und führt diese über eine kleine Schnittstelle ins Rauminnere, in dem der Licht
strom entsprechend verwertet werden kann. Beispielsweise kann der Lichtstrom zu
Beleuchtungszwecken im Innenraum, aber auch durch entsprechende Energieum
setzung mit Hilfe photovoltaischer Elemente umgesetzt werden.
Das bekannte Tageslichtleitsystem vermag zwar zum einen Fassadenbereiche vor
direktem Sonnenlicht schützen und zum anderen das auf die Fläche des Tageslicht
sammlers auftreffende Sonnenlicht in technisch nutzbare Energie umwandeln, doch
erfolgt dies unter erheblichen Energieverlusten. Grundsätzlich schweigt sich der Of
fenbarungsgehalt der DE 44 03 276 A1 über die genaue Ausgestaltung des Tages
lichtsammlers aus und es wird auch nicht erläutert, wie der Austritt des Lichtes aus
dem System zu erfolgen hat, damit Brechungsverluste minimiert werden. Dies sind
wesentliche Schwierigkeiten, die bei dem dargelegten Tageslichtleitsystem bestehen.
Ein weiteres Problem des in dieser Druckschrift beschriebenen Tageslichtleitsystems
ist, daß eine Lichteinkopplung in transversaler Richtung zum Verlauf einer Lichtleitfa
ser mit hohen Einkoppelverlusten verbunden ist, wodurch ein großer Teil von Lichte
nergie verlorengeht.
Der Erfindung liegt daher die Idee zugrunde, eine Sonnenschutzvorrichtung für einen
transluzenten Fassadenbereich eines Gebäudes mit einer transluzenten flächigen
Anordnung, die eine dem Strahlungseinfall zugewandte Oberseite und eine dem
Strahlungseinfall abgewandte Rückseite aufweist und die die durch die Anordnung
hindurchtretende Strahlung im wesentlichen durch Totalreflexion umlenkt, weiterzubilden. Die trans
luzente flächige Anordnung ist hierbei um wenigstens eine Achse schwenkbar und
derart relativ zum Strahlungseinfall sowie zum transluzenten Fassadenbereich orien
tiert, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite der transluzenten flächigen
Anordnung trifft, zum anderen der durch die transluzente flächige Anordnung
verursachte Schattenbereich wenigsten teilweise den transluzenten Fassadenbe
reich überdeckt. Diese Sonnenschutzvorrichtung soll derart ausgestaltet werden, daß
ein möglichst effektiver Sonnenschutz vor direktem Strahlungseinfall in das Raumin
nere geschaffen wird, ohne dabei die in das Rauminnere durch den transluzenten
Fassadenbereich einstrahlende äußere Umgebungshelligkeit erheblich zu reduzie
ren. Insbesondere soll die Sonnenschutzvorrichtung die Sonnenstrahlung möglichst
verlustfrei umlenken und auf einen Raumbereich konzentrieren, an dem es möglich
sein soll, die konzentrierte Strahlungsenergie effektiv technisch zu nutzen.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist Gegenstand des An
spruchs 1. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Ge
genstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Sonnenschutzvorrichtung gemäß dem Oberbegriffes des
Anspruchs 1 derart ausgebildet, daß die Rückseite der transluzenten flächigen An
ordnung eine Oberflächenstruktur aufweist, durch die die Strahlung senkrecht aus
der transluzenten flächigen Anordnung derart austritt, daß Strahlung auf einen, von
der transluzenten flächigen Anordnung beabstandeten Raumbereich konzentriert
wird.
Kernstück der Sonnenschutzvorrichtung ist die transluzente flächige Anordnung, die
vorzugsweise als ebenes Flächenelement ausgebildet ist und einzeln oder in einer
Vielzahl auf der Außenseite eines Fassadenbereiches angeordnet ist. Die transluzent
flächige Anordnung ist über eine Halterung an einer horizontal verlaufenden Dreh
achse angelenkt, um die die Anordnung derart relativ zur Sonnenstrahlung ausge
richtet werden kann, daß die Sonnenstrahlen senkrecht auf die Oberseite der trans
luzenten flächigen Anordnung auftreffen. Vorzugsweise am Ort der Drehachse ist
eine Strahlungsempfangsfläche vorgesehen, die im Wege der Photovoltaik oder so
larthermischen Konversion die Strahlungsenergie in andere Energieformen umwan
delt.
Die erfindungsgemäße transluzente flächig ausgebildete Anordnung verfügt über die
Eigenschaft, daß das auf die Anordnung auftreffende Sonnenlicht unabhängig vom
Auftreffort auf der Anordnung in einen eng begrenzten Raumbereich, in dem die
Empfangsfläche angeordnet ist, konzentriert wird. Hierzu weist die transluzente flä
chige Anordnung eine Oberseite auf, durch die die einfallende Sonnenstrahlung in
der Querschnittsebene senkrecht, d. h. ohne Brechung, hindurchtritt. Die Rückseite
der Anordnung weist eine Facettenstruktur auf, an der wenigstens einmal die in die
Anordnung eingekoppelte Sonnenstrahlung totalreflektiert wird, sowie eine Austritts
facettenfläche, durch die die austretende Sonnenstrahlung ebenfalls senkrecht, d. h.
ohne Brechung, aus der Anordnung austritt. Die Facettenfläche, an der die Strahlung
im Wege der Totalreflexion umgelenkt wird, muß dabei derart orientiert sein, daß die
Strahlungsumlenkung gerade so erfolgt, daß die aus der Anordnung austretende
Strahlung in den gewünschten Raumbereich konzentriert wird. Die Konzentrations
wirkung der transluzenten flächigen Anordnung ist im wesentlichen bestimmt durch
die Neigung aller Facettenflächen, an denen die auf die Anordnung einfallende Son
nenstrahlung totalreflektiert wird. Da die transluzente flächige Anordnung in einem
festen räumlichen Bezug zur Strahlungsempfangsfläche steht, sind die rückseitig an
der Anordnung vorgesehenen Facettenflächen gerade so geneigt, daß die aus der
Anordnung austretende Strahlung auf die Strahlungsempfangsfläche konzentriert
wird.
Um die lineare Konzentration bei sich ändernden Sonneneinfallswinkel zu gewährlei
sten wird die flächige Anordnung um eine horizontal orientierte Drehachse in einem
durch die Ausführungsform bestimmten Winkel, vorzugsweise senkrecht zum Strah
lungseinfall ausgerichtet. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ist gewährleistet,
daß die Brennweite der Anordnung, d. h. insbesondere die konzentrierende Abbil
dungseigenschaft auf die Empfangsfläche, nicht vom Azimuthwinkel der Sonne ab
hängt.
Durch die auf Totalreflexion basierende Strahlungsumlenkung ist die Strah
lungstransmission hinsichtlich der senkrecht durch die Anordnung hindurchtretenden
Strahlung erheblich geschwächt, wodurch die Anordnung einen Schatten auf den in
Strahlungsrichtung des einfallenden Sonnenlichtes unmittelbar hinter der Anordnung
befindlichen Raumbereich wirft. Durch entsprechendes Anbringen der vorstehend
beschriebenen Sonnenschutzvorrichtung unmittelbar vor und/oder oberhalb von
transluzenten Gebäudefassadenflächen, beispielsweise Fensterflächen, können die
se gezielt abgeschattet werden. Eine deutliche Reduzierung der Umgebungshellig
keit, die durch diffuse Strahlung bedingt ist, ist mit der erfindungsgemäßen Sonnen
schutzvorrichtung nicht verbunden, da die lichtablenkenden Flächenelemente aus
transluzentem, dielektrischem Material gefertigt sind.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsge
dankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
exemplarisch dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1a, b, c Querschnittsdarstellungen durch alternative Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung,
Fig. 1d, e schematisiert dargestellte optische Strukturen, die vor bzw. nach
der transluzenten flächigen Anordnung bzw. als Ober- oder als Rück
seite der transluzenten flächigen Anordnung vorgesehen sind,
Fig. 2a, b, c Darstellung von Anbringungsmöglichkeiten der Sonnenschutz
vorrichtung an Gebäudefassaden,
Fig. 3 Querschnittsdarstellung durch transluzente flächige
Anordnung mit einmaliger Totalreflexion,
Fig. 4 Darstellung der Strahlungsumlenkeigenschaften der transluzenten
flächigen Anordnung
Fig. 5 Querschnittsdarstellung durch transluzente flächige
Anordnung bestehend aus zwei Flächenelementen mit zweimaliger
Totalreflexion, sowie
Fig. 6 kombinierte transluzente flächige Anordnung zur
Strahlungsumlenkung.
In den Fig. 1a bis c sind in Querschnittsdarstellung alternative Sonnenschutzvorrich
tungen gezeigt. Sie weisen jeweils eine transluzente flächige Anordnung 1 und eine
Halterung 4 auf, die die transluzente flächige Anordnung 1 mit der Drehachse 3 ver
bindet. Ferner ist in der Nähe der Drehachse 3 eine Empfangsfläche 2 vorgesehen,
auf die die in der transluzenten flächigen Anordnung 1 umgelenkte Strahlung kon
zentriert wird.
Die Empfangsfläche ist vorzugsweise so angeordnet, daß sie stets der direkten Ein
strahlung ausgesetzt ist. Die Empfangsfläche kann stationär angeordnet sein oder
mit den drehbaren Teilen der Anordnung starr verbunden sein.
In Fig. 1a ist die transluzente flächige Anordnung 1 über die Halterung 4 und die
Drehachse 3 derart relativ zur einfallenden Sonnenstrahlung S orientiert, daß die
Sonnenstrahlung S senkrecht auf die Oberseite O der transluzenten flächigen An
ordnung 1 auftrifft. Wie im einzelnen noch beschrieben wird, vermag eine rückseitig
an der transluzenten flächigen Anordnung 1 vorgesehene Facettenstruktur die Son
nenstrahlung S unabhängig vom Einfallsort auf der Anordnung 1 auf die Empfangs
fläche 2 zu konzentrieren.
Im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1a wird die gesamte Sonnenschutzvorrich
tung relativ zum direkten Strahlungseinfall stets derart nachgeführt, daß die direkte
Einstrahlung unter einem konstanten Profilwinkel auf die flächige Anordnung 1 auf
trifft. In Fig. 1a beträgt der Profilwinkel 0° und entspricht dem senkrechten Einfall.
Denkbar sind auch relativ zum Strahlungseinfall S geneigte transluzente flächige An
ordnungen (siehe Fig. 1b) oder gar gekrümmt verlaufende Anordnungen (siehe Fig.
1c), doch muß in diesen Fällen der transluzenten flächigen Anordnung 1 eine Säge
zahn-Strukturierung gemäß der Fig. 1d in Strahlrichtung vorgeordnet werden, so daß
dem Erfordernis des senkrechten Strahlungseinfalls auf die Oberseite der translu
zenten flächigen Anordnung zur Vermeidung von Brechung entsprochen werden
kann.
Um Brechung beim Strahlaustritt aus der transluzenten flächigen Anordnung 1 zu
vermeiden, gilt auch in diesem Falle, wie beim Strahlungseintritt in die Anordnung 1,
die Forderung nach senkrechtem Strahlaustritt aus der rückseitigen Oberfläche R der
Anordnung 1. Bei der Verwendung glatter Oberflächen an der Rückseite R der An
ordnung kann diesem Erfordernis unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Konzen
tratorwirkung der Anordnung 1 nur entsprochen werden, falls der Querschnitt der
Rückseite R der Anordnung 1 einen Kreis beschreibt, an dessen Kreismittelpunkt,
dem Brennpunkt der Anordnung, die Empfangsfläche angeordnet ist, ähnlich wie es
beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1c dargestellt ist. Bei Verwendung ebener
transluzenter flächiger Anordnungen 1 ist die Rückseite der Anordnung 1 mit einer
entsprechenden Sägezahn-Strukturierung bzw. Facettenstruktur zu versehen, wie es
in Fig. 1e angedeutet ist. Fig. 1e weist rückseitig zur transluzenten flächigen Anord
nung 1 individuell geneigte Facettenflächen F auf, die jeweils senkrecht zum Strah
lungsaustritt geneigt sind.
Bevor auf einzelne Ausbildungen für die transluzente flächige Anordnung der erfin
dungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung eingegangen wird, zeigt Fig. 2 verschie
dene Anbringungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Sonnenschutzvorrichtung
an der Außenseite einer Gebäudefassade G, die einen abzuschattenden Fassaden
bereich LF aufweist. In Fig. 2a ist die Sonnenschutzvorrichtung jeweils oberhalb der
Fassadenbereiche LF angeordnet, wobei jede einzelne Sonnenschutzvorrichtung
einen Schattenwurf SA auf den Fensterbereich LF verursacht.
Die Beleuchtungssituation des in Fig. 2a gezeigten Falls soll dem Sonnenstand am
48. Breitengrad jeweils zu Zeiten des Äquinox, d. h. am 21. März und 23. September,
entsprechen. Im dazwischenliegenden Sommerhalbjahr wird zu keinem Zeitpunkt ein
tieferer Sonnenstand erreicht. Die Fig. 2b zeigt die Beleuchtungssituation zur Som
mersonnenwende um 12 Uhr Solarzeit. Aus dem Schattenwurf SA der in Fig. 2b dar
gestellten Situation ist zu erkennen, daß für die gewählten Maße der Sonnenschutz
vorrichtung die direkte Einstrahlung von Sonnenstrahlung durch das Fenster LF voll
ständig abgeschirmt wird, wobei gleichzeitig die Horizontalsicht aus dem Fenster
nicht oder nur minimal beeinträchtigt wird.
Im Winterhalbjahr, zu Zeiten tieferer Sonnenstände, kann jedoch der untere Rand
der Fensterfläche LF nicht vollständig abgeschirmt werden, sofern die Länge L der
transluzenten flächigen Anordnung kleiner als die Höhe des Fensters LF ist. Dies
jedoch kann als unproblematisch angesehen werden, zumal der Energieeintrag in
das Rauminnere im Winterhalbjahr tendenziell erwünscht ist und wegen des kleinen
Flächenanteils ohnehin als gering anzusehen ist.
In Fig. 2c ist die erfindungsgemäße Sonnenschutzvorrichtung in Art von horizontal
vor der Fensterfläche LF verlaufenden Lamellen ausgebildet, die bei entsprechender
Dimensionierung eine vollständige Abschattung der Fensterfläche auch im Winter
halbjahr ermöglicht.
In Fig. 3 ist ein Teil durch einen Querschnitt einer transluzenten flächigen Anordnung
1 dargestellt, die über eine ebene, glatte Oberseite O verfügt und eine entsprechend
strukturierte Rückseite R aufweist. Die in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte An
ordnung 1 ist für verhältnismäßig große Umlenkwinkel αU im Bereich zwischen 40°
und 90° ausgebildet. Der Umlenkwinkel αU bezeichnet hierbei den Richtungsunter
schied zwischen der einfallenden Sonnenstrahlung S und den aus der Rückseite R
der Anordnung 1 austretenden Strahlen. Die Anordnung 1 weist an ihrer Rückseite R
eine Facettenstruktur auf, die sich in wiederholender Wiederkehr aus einzelnen Fa
cetten, bestehend aus drei Facettenflächen, zusammensetzt. Die senkrecht die
Oberseite O der Anordnung 1 durchdringende Sonnenstrahlung S trifft auf die Fa
cettenfläche 5 auf und wird an dieser totalreflektiert. Die Facettenfläche 5 ist relativ
zur Normalen der ebenen Oberseite O um einen Winkel geneigt angeordnet, der
dem halben Umlenkwinkel αU der durch die transluzente flächige Anordnung hin
durchtretenden Strahlung entspricht. Die Facettenfläche 6, die unmittelbar an der
Facettenfläche 5 angrenzt, ist derart geneigt, daß sie eine senkrechte Abstrahlung
der aus der Anordnung austretenden Strahlung in Richtung auf die nicht in der Fig. 3
dargestellte Empfangsfläche, die im Brennpunkt der Anordnung 1 angebracht ist,
erlaubt. Die Facettenfläche 7, die die Facettenfläche 6 mit der korrespondierenden
Facettenfläche 5 einer benachbarten Facette verbindet, ist annähernd parallel zu der
eintreffenden Strahlung geneigt.
Der Strahlungsabteil, der direkt durch die Oberseite O der Anordnung 1 auf die Fa
cettenfläche 6 treffen würde, kann jedoch nicht zur Empfangsfläche umgelenkt wer
den, jedoch wird dieser Strahlungsanteil durch Totalreflexion an der Facette 6 derart
abgelenkt, daß dieser Strahlungsanteil nicht direkt auf den Fassadenbereich LF auf
trifft. Vorzugsweise kann auf der Oberseite O der Anordnung 1 eine streifenartige
Beschichtung B derart angebracht werden, daß der unerwünschte Strahlungsanteil
vor dem Auftreffen auf die Facettenfläche 6 abgeschirmt wird.
Die in Fig. 3 dargestellte Facettenstruktur auf der Rückseite R der Anordnung 1 läßt
sich auch bei Anordnungen mit schiefem Strahlungseinfall (siehe Fig. 1b) sowie bei
gekrümmt verlaufenden Anordnungen (siehe hierzu Fig. 1c) verwenden, doch muß
vor der Oberseite O der transluzenten flächigen Anordnung 1 eine zusätzliche Säge
zahn-Struktur angeordnet werden, wie sie in Fig. 1d dargestellt ist.
In Fig. 4 ist eine stark schematisiert ausgebildete transluzente flächige Anordnung 1
dargestellt, mit an die Anordnung zu stellenden Strahlungsumlenk-Anforderungen, so
daß die auf der gesamten Fläche der Anordnung 1 auftreffende Strahlung in einen
einzigen Raumbereich konzentriert werden kann. Es zeigt sich, daß bei Umlenkwin
keln im Bereich ab 40° die vorstehend beschriebene Facettenstruktur gemäß Fig. 3
gut geeignet ist. Die vorstehend beschriebene Facettenstruktur eignet sich jedoch
nicht besonders für Umlenkwinkel im Bereich zwischen 0° und 40°, zumal die Nei
gungen der Facettenflächen 5 sehr flach verlaufen müssen, um kleine Umlenkwinkel
zu erreichen, wodurch jedoch jede einzelne Facette sehr lang auszubilden ist und
zugleich die Abfolge benachbarter Facettenstrukturen in der Anzahl erhöht werden
muß. Derartige Strukturen sind jedoch sehr schwierig in der Herstellung, wodurch
eine neue Umlenkstruktur gefunden werden muß, um Umlenkwinkel zwischen 0° und
40° zu erzielen.
In Fig. 5 ist eine diesbezügliche transluzente flächige Anordnung dargestellt, die zwei
getrennte optisch transparente Flächenelemente F1, F2 aufweist. Die Fig. 5 zeigt
eine ebene, transluzente flächige Anordnung 1, die in der Querschnittsebene senk
recht von Sonnenstrahlung S bestrahlt wird. Die Flächenelemente F1 und F2 berüh
ren sich an ihren Facettenflächen 9 und 12 derart, daß sie keine optisch wirksame
Grenzschicht bilden. Das Flächenelement F1, dessen Vorderseite glatt ausgebildet
ist und der Sonnenstrahlung S unmittelbar ausgesetzt ist, weist eine Rückseite mit
Facetten auf, die 3 Facettenflächen vorsehen. Die Facettenfläche 8 ist jeweils um
45° gegenüber der ebenen Oberseite des Flächenelementes F1 geneigt. Die Facet
tenfläche 9 verläuft im wesentlichen parallel zum Strahlungseinfall. Die Facettenflä
che 10 weist vorzugsweise durch eine auf diese aufgebrachte Beschichtung oder
prismatische Strukturierung reflektierende Eigenschaften auf, so daß auf die Facet
tenfläche 10 auftreffende Strahlungsanteile zurückgelenkt werden. Eine streifenartige
Beschichtung zur Verschattung der Facettenfläche 10 kann auch nach Art der Fig.
3 auf der Vorderseite des Flächenelementes F1 vorgesehen werden.
Das zweite Flächenelement F2 weist an seiner Vorderseite eine Facettenfläche 12
auf, die parallel zur Facettenfläche 9 des Flächenelementes F1 verläuft. Ferner sieht
das Flächenelement F2 an seiner Vorderseite die Facettenfläche 11 auf, die mit der
Facettenfläche 12 einen Winkel α einschließt, der zwischen 45° und 90° liegt. Die
Rückseite des Flächenelementes F2 ist derart ausgestaltet, daß die umgelenkten
Strahlen jeweils senkrecht aus dem Flächenelement F2 austreten können. Eine ef
fektive Brechung in der Querschnittsebene findet auf diese Weise nicht statt.
Die Umlenkwirkung der in Fig. 5 dargestellten transluzenten flächigen Anordnung
bestehend aus zwei Flächenelementen F1 und F2 ist auf eine doppelte Totalreflexion
innerhalb der Anordnung zurückzuführen. Die in die Anordnung eintretende Sonnen
strahlung wird zunächst an der Facettenfläche 8 des Flächenelementes F1 totalre
flektiert und verlustfrei, d. h. ohne Brechungserscheinungen durch senkrechten Über
gang in das Flächenelement F2 eingekoppelt. Dort erfährt der Lichtstrahl eine zweite
Totalreflexion an der Grenzschicht der Facettenfläche 11, die den Grad der Umlen
kung bestimmt. Je nach Neigung der Facettenfläche 11 gegenüber der Facettenflä
che 12 werden die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion steiler oder flacher aus
ihrer ursprünglichen Einfallsrichtung umgelenkt. Im Falle α = 45° würde der Umlenk
winkel 0° betragen. Im Falle größer werdender Winkel als 45° nimmt der Umlenkwin
kel entsprechend zu. Mit dieser Anordnung können besonders bevorzugt Umlenk
winkel zwischen 0° und 40° erreicht werden.
Das Prinzip, kleine Umlenkwinkel durch eine Doppelreflexion zu erreichen, kann
auch mit metallischen Reflektorschichten umgesetzt werden. Diese metallischen
Schichten können auch selbsttragend, z. B. als verspiegelte Blechstreifen ausgeführt
werden, deren Querschnitt den Facetten 8 und 11 entspricht. Das dielektrische Me
dium wird dann nicht mehr gebraucht, so daß zwischen den Streifen Durchsicht
möglich ist. Strahlungsanteile, die bedingt durch die Anordnung der Reflektoren zum
Empfänger nicht nutzbar sind, können durch eine Beschichtung der Metallstreifen
absorbiert oder gestreut werden. Es ist auch möglich, die den benachbarten Facetten
8 und 11 entsprechenden Reflektorstreifen durch einen Streifen zu ersetzen, dessen
Ausrichtung ungefähr der mittleren Neigung dieser Facette entspricht.
Um eine möglichst effektive Strahlumlenkung bei verhältnismäßig geringem Herstel
lungsaufwand zu erzielen, ist die transluzente flächige Anordnung gemäß der Quer
schnittsdarstellung in Fig. 6 auszubilden. Im Bereich großer Umlenkwinkel B1 sind
umlenkende Strukturen zu verwenden, die beispielsweise in Fig. 3 beschrieben sind.
Im Bereich B2 kleiner Umlenkwinkel sind hingegen die vorstehend beschriebene
Umlenkstruktur gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 5 einzusetzen. Die Anordnung
gemäß Fig. 6 zeigt wiederum eine ebene, transluzente, flächige Gesamtanord
nung mit senkrechtem Strahlungseinfall. Ebene Anordnungen mit schiefem Strah
lungseinfall oder gekrümmte Anordnungen gemäß den Ausführungsbeispielen der
Fig. 1b und 1c lassen sich ebenfalls mit den erfindungsgemäßen Strukturen realisie
ren, sofern vorderseitig die in Fig. 1d sinngemäß dargestellte Strukturierung vorge
sehen ist.
Sowohl die Anordnung gemäß Fig. 3 als auch die Anordnung gemäß Fig. 5 kann
mittels Extrusion-Herstellverfahren erfolgen oder durch Verbinden zweier einseitig
strukturierter Plätten oder Folien. Auch kann die aus zwei Flächenelementen beste
hende Strahlungsumlenkanordnung gemäß Fig. 5 mittels Extrusion in einem einzigen
Stück hergestellt werden, wobei die im Inneren der Anordnung vorgesehenen Hohl
räume zwischen den Facetten 8, 10 und 11 als sogenannte Kavernen ausgebildet
sind.
1
Transluzente flächige Anordnung
2
Empfangsfläche
3
Dreh-, Schwenkachse
4
Halterung
5-12
Facettenfläche
13
rückwärtige Struktur
B Beschichtung
F1 Flächenelement
F2 Flächenelement
B1 Bereich großer Umlenkwinkel
B2 Bereich kleiner Umlenkwinkel
S Sonnenstrahlung
O Vorderseite der Anordnung
R Rückseite der Anordnung
LF Fenster, transluzenter Fassadenbereich
SA Schattenbereich
F Facettenflächen
ST Stufenstruktur
B Beschichtung
F1 Flächenelement
F2 Flächenelement
B1 Bereich großer Umlenkwinkel
B2 Bereich kleiner Umlenkwinkel
S Sonnenstrahlung
O Vorderseite der Anordnung
R Rückseite der Anordnung
LF Fenster, transluzenter Fassadenbereich
SA Schattenbereich
F Facettenflächen
ST Stufenstruktur
Claims (22)
1. Sonnenschutzvorrichtung für ein Gebäude, mit einer transluzenten flächigen
Anordnung (1) aus transparentem Material, die eine dem direkten Strahlungseinfall
von der Sonne zugewandte Oberseite (O) und eine dem Strahlungseinfall abge
wandte Rückseite (R) aufweist und die den durch die Anordnung hindurchtretenden
direkten Strahlungsanteil im wesentlichen durch Totalreflexion umlenkt,
die transluzente flächige Anordnung (1) um wenigstens eine Achse (3) schwenkbar
und derart relativ zum Strahlungseinfall (S) sowie zum transluzenten Fassadenbe
reich (LF) orientiert ist, daß die Strahlung zum einen senkrecht auf die Oberseite (O)
der transluzenten flächigen Anordnung (1) auftrifft, zum anderen der durch die
transluzente flächige Anordnung (1) verursachte Schattenbereich (SA) wenigstens
teilweise den transluzenten Fassadenbereich (LF) überdeckt,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) der transluzenten flächigen Anord
nung (1) eine Oberflächenstruktur aufweist, durch die die Strahlung senkrecht aus
der transluzenten flächigen Anordnung (1) derart austritt, daß Strahlung auf einen,
von der transluzenten flächigen Anordnung (1) beabstandeten Raumbereich kon
zentriert wird.
2. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) mittels einer
Halterung (4), die einseitig an der Schwenkachse (3) angelenkt ist, von dem Fassa
denbereich beabstandet ist.
3. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß in dem Raumbereich, in den die durch die translu
zente flächige Anordnung (1) hindurchtretende Strahlung umgelenkt wird, eine
Strahlungsempfangsfläche (2) vorgesehen ist, die die konzentrierte Strahlung mittels
Photovoltaik, solarthermischer Konversion oder durch Tageslichtsysteme in Form
von Lichtkanälen nutzt.
4. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anord
nung (1) eben ausgebildet ist, so daß bei entsprechender Ausrichtung der Anord
nung (1) zum Strahlungseinfall die Strahlung senkrecht auf die Oberseite (O) auftrifft.
5. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anord
nung (1) gekrümmt ist, und
daß in Strahlungsrichtung vor der Anordnung eine transluzente Sägezahn-Struktur
vorgesehen ist, deren stufenförmige Kontur der Krümmung der transluzenten flächi
gen Anordnung angepaßt ist.
6. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) der transluzenten flächigen Anord
nung (1) glatt ausgebildet ist, deren Querschnittskontur einen Kreis beschreibt.
7. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (R) eine Facettenstruktur aufweist, die
sich aus einer geometrischen Wiederkehr von Facetten, bestehend aus drei Facet
tenflächen zusammensetzt:
eine erste Facettenfläche (5) ist relativ zur Normalen der ebenen Oberseite (O) um einem Winkel geneigt angeordnet, der dem halben Umlenkwinkel der durch die transluzente flächige Anordnung (1) hindurchtretenden Strahlung entspricht,
eine zweite Facettenfläche (6) schließt sich an die erste Facettenfläche (5) derart geneigt an, daß die an der ersten Facettenfläche (5) totalreflektierte Strahlung senkrecht durch die zweite Facettenfläche (6) hindurchtritt, und
eine dritte Facettenfläche (7) ist weitgehend senkrecht zur Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) orientiert und verbindet die erste (5) und zweite (6) Facettenfläche zweier aufeinanderfolgender Facetten.
eine erste Facettenfläche (5) ist relativ zur Normalen der ebenen Oberseite (O) um einem Winkel geneigt angeordnet, der dem halben Umlenkwinkel der durch die transluzente flächige Anordnung (1) hindurchtretenden Strahlung entspricht,
eine zweite Facettenfläche (6) schließt sich an die erste Facettenfläche (5) derart geneigt an, daß die an der ersten Facettenfläche (5) totalreflektierte Strahlung senkrecht durch die zweite Facettenfläche (6) hindurchtritt, und
eine dritte Facettenfläche (7) ist weitgehend senkrecht zur Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) orientiert und verbindet die erste (5) und zweite (6) Facettenfläche zweier aufeinanderfolgender Facetten.
8. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß eine streifenartige Beschichtung (B) auf der Ober
seite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) vorgesehen ist, die eine direkte
Bestrahlung der zweiten Facettenfläche (6) verhindert.
9. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Facettenfläche (5) mit der Normalen der
Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung (1) je nach Umlenkwinkel einen
Winkel von etwa 20° bis 45° einschließt.
10. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf die transluzente flächige Anordnung (1) ein
fallende Strahlung mit einer einzigen Totalreflexion an der ersten Facettenfläche (5)
abgelenkt wird.
11. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) aus wenig
stens zwei ineinandergefügten Flächenelementen (F1, F2) besteht, von denen ein
erstes Flächenelement (F1) die Oberseite (O) der transluzenten flächigen Anordnung
(1) aufweist, die eben ausgebildet ist, und deren Rückseite (R) eine Facettenstruktur
vorsieht, mit
einer ersten Facettenfläche (8), die etwa um 30° bis 60° gegenüber der ebenen Oberseite (O) geneigt ist,
einer zweiten Facettenfläche (9), die in etwa senkrecht zur ebenen Oberseite (O) orientiert ist und
eine dritte Facettenfläche (10), die die erste (8) und zweite (9) Facettenfläche zweier benachbarter Facetten verbindet,
und von denen das andere Flächenelement (F2) eine strukturierte Vorderseite, die mit der Rückseite des ersten Flächenelementes verfügt ist und eine sich wieder holende Wiederkehr von Facetten mit zwei Facettenflächen aufweist,
mit einer ersten Facettenfläche (12), die parallel zur zweiten Facettenfläche (9) des ersten Flächenelementes (F1) verläuft und
einer zweiten Facettenfläche (11), die mit der ersten Facettenfläche (12) einen Win kel α mit 450° ≦ α < 90° einschließt,
sowie eine strukturierte Rückseite, die zugleich die Rückseite der transluzenten flä chigen Anordnung ist, vorsieht, die eine Stufenstruktur (ST) aufweist.
einer ersten Facettenfläche (8), die etwa um 30° bis 60° gegenüber der ebenen Oberseite (O) geneigt ist,
einer zweiten Facettenfläche (9), die in etwa senkrecht zur ebenen Oberseite (O) orientiert ist und
eine dritte Facettenfläche (10), die die erste (8) und zweite (9) Facettenfläche zweier benachbarter Facetten verbindet,
und von denen das andere Flächenelement (F2) eine strukturierte Vorderseite, die mit der Rückseite des ersten Flächenelementes verfügt ist und eine sich wieder holende Wiederkehr von Facetten mit zwei Facettenflächen aufweist,
mit einer ersten Facettenfläche (12), die parallel zur zweiten Facettenfläche (9) des ersten Flächenelementes (F1) verläuft und
einer zweiten Facettenfläche (11), die mit der ersten Facettenfläche (12) einen Win kel α mit 450° ≦ α < 90° einschließt,
sowie eine strukturierte Rückseite, die zugleich die Rückseite der transluzenten flä chigen Anordnung ist, vorsieht, die eine Stufenstruktur (ST) aufweist.
12. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die senkrecht durch die Oberseite (O) der translu
zenten flächigen Anordnung (1) einfallende Strahlung (S) an der ersten Facettenflä
che (8) des ersten Flächenelementes (F1) totalreflektiert wird, durch die zweite Fa
cettenfläche (9) des ersten (F1) und die erste Facettenfläche (12) des zweiten (F2)
Flächenelements senkrecht hindurchtritt und an der zweiten Facettenfläche (11) des
zweiten Flächenelements (F2) zum zweiten Mal totalreflektiert wird und schließlich
senkrecht durch die rückseitige Struktur (ST) des zweiten Flächenelements (F2)
austritt.
13. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α in Abhängigkeit des Umlenkwinkels zwi
schen zwei benachbarten Facetten unterschiedlich ist.
14. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung (1) im Bereich
mit Umlenkwinkeln zwischen 0° und 40° zwei kombinierte Flächenelementanordnun
gen nach Art der Vorrichtung gemäß Anspruch 11 und im Bereich mit Umlenkwinkeln
zwischen 40° und 90° ein Flächenelement nach Art der Vorrichtung gemäß Anspruch
7 vorsieht.
15. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, daß die transluzente flächige Anordnung mittels Spritzguß-,
Extrusions- oder Prägeverfahren in Platten oder Folien herstellbar ist.
16. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Achse, um die transluzente flächige Anordnung
drehbeweglich gelagert ist, horizontal verläuft.
17. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (3) eine von der horizontalen Aus
richtung abweichende Orientierung einnimmt.
18. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen (8) und (11) an denen die Strahlung total
reflektiert wird aus metallischen Schichten bestehen.
19. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schichten als einfache oder gefaltete
Blechlamellen ausgebildet sind.
20. Sonnenschutzvorrichtung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blechlamellen teilweise mit absorbierender oder
streuender Beschichtung ausgebildet sind.
21. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsweg nicht durch ein Dielektrikum son
dern durch Luft führt.
22. Sonnenschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsfläche (2) stationär oder mit der translu
zenten Anordnung (1) drehbar befestigt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19815850A DE19815850C2 (de) | 1998-04-08 | 1998-04-08 | Sonnenschutzvorrichtung für Gebäude |
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DE19815850A1 DE19815850A1 (de) | 1999-10-21 |
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- 1998-04-08 DE DE19815850A patent/DE19815850C2/de not_active Expired - Fee Related
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