DE2916302A1

DE2916302A1 - Vorrichtung und verfahren zur simulierung des sonnenlichteinfalles

Info

Publication number: DE2916302A1
Application number: DE19792916302
Authority: DE
Inventors: Gilbert Cerf; Francis Holtzer; Manuela Wurch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-04-21
Publication date: 1979-11-15
Also published as: FR2425687B1; US4237611A; FR2425687A1; JPS54148628A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulierung des Sonnenlichteinfalles auf ein Modell oder eine Skizze unter Berücksichtigung der geographischen Ortslage, des Datums und der Stunde mit je einer Skale für die geographische Breite, das Datum und die Stunde und mit einer Lichtquelle, die ein der Sonnenstrahlung entsprechendes Bündel parallelen Lichtes erzeugt.

Für einen Architekten und andere Berufe, die mit Bauentwürfen und dergleichen befaßt sind, ist es erforderlich, eingehend die Anordnung und Verteilung von Licht und Schatten, zum Beispiel an einem Gebäude über das gesamte Jahr hinweg in Betracht ziehen. Dieses Problem muß bereits vor Beginn jeder praktischen Ausführung eines Entwurfes gelöst sein. Die allein

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mögliche Lösung besteht darin, daß man die betreffenden Bedingungen an einem ersten Entwurf (Modell oder Skizze) simuliert, und anschließend etwaige Modifikationen an dem betreffenden Projekt möglichst genau vornimmt. Das Problem besteht also darin, die Bedingungen des Sonneneinfalls an einem bestimmten geographischen Ort, an einem bestimmten Datum und zu einer bestimmten Stunde nachzuvollziehen.

Zu diesem Zweck verfügt man bereits über mehrere Methoden, welche die Simulierung des Sonnenlichteinfalls gestatten.

Das am meisten verbreitete Vorgehen besteht darin, daß man Solardiagramme verwendet, die man an einer Stelle eines Planes mit Nord-Süd-Orientierung anordnet. Die Durchführung dieses Verfahrens ist höchst unbequem, denn es gibt für jede geographische Breite und jeden Tag des Jahres ein besonderes Solardiagramm. Wegen der Anwendung und Verwirklichung solcher Solardiagramme wird verwiesen auf das Buch "Soleil et Architecture", M. TWAROWSKI Ed. ARKADY, Warschau·(1962, S. 12 - 26).

Im Hinblick auf die Umständlichkeit dieses bekannten Verfahrens wurden auch schon "Ombroscope" genannte Apparaturen vorgeschlagen, beispielsweise "Heliodon" von Centre Scientifique et Technique du Batiment. In dieser Vorrichtung ist eine ortsfeste Lichtquelle vorgesehen, die ein Bündel paralleler Lichtstrahlen emittiert. Diese Parallelstrahlen stellen die Sonne dar. Der zu untersuchende Entwurf wird auf einer Platte angeordnet, der die Horizontalebene des betreffenden Ortes darstellt. Hierauf verschiebt man diese Platte derart, bis eine

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bestimmte Position erreicht ist, die durch Zeiger auf Skalen für die geographische Breite, des Datums und der Stunde angegeben ist. Obwohl diese Vorrichtung genaue Resultate liefert, ist sie nur von begrenzter Brauchbarkeit, da sie sehr sperrig ausgebildet und teuer ist, so daß sie nur einer kleinen Minderheit von Praktikern zugänglich ist. Andererseits ist diese Vorrichtung nur schwer transportfähig und erfordert die Verschiebung des zu untersuchenden Modells selbst, was in der Regel ziemlich unbequem ist und manchmal nicht erlaubt, ein horizontales, für die Realität repräsentatives Bild zu geben.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Simulierung des Sonnenlichteinfalles auf einen Entwurf (Modell oder Skizze) vorzuschlagen, die von geringem Gewicht und leicht transportfähig ist, sowie eine einfache und genaue Handhabung gestattet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Lichtbündel ein durch den Kreuzungspunkt zweier Fäden realisierter Punkt angeordnet ist, dessen Schatten durch Verstellen der Lichtquelle in Koinzidenz mit einem durch die Datums- und Stundenskalen bestimmten Punkt bringbar ist und hierdurch die richtige Position der Lichtquelle anzeigt.

Ein Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Verfahrensschritte gemäß Patentanspruch 10.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung beruht auf einem Prinzip, welches gegenüber dem bei den bekannten Vorrichtungen angewandten Prinzip verschieden ist. Anstatt den gesamten Entwurf (Modell oder Skizze) zu bewegen, wird erfindungsgemäß die Lichtquelle verstellt. Um Sonnenlichteinfalls-Verhältnisse zu schaffen,

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die einer bestimmten geographischen Lage, einem bestimmten Datum und einer vorgegebenen Stunde entsprechen, genügt es, den Schatten eines Punktes, der materiell durch den Kreuzungspunkt zweier Fäden verwirklicht ist, in Koinzidenz mit derjenigen Position zu bringen, den dieser punktuelle Schatten theoretisch auf den Datums- und Stundenskalen einnehmen soll. Die Koinzidenz der theoretischen Position mit der effektiven Position des Schattens bestätigt die genaue Positionierung der Lichtquelle im Raum. In diesem Augenblick können dann die Schatten direkt am Modellentwurf oder dergleichen studiert werden.

Zu diesem Zweck ist es nötig, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung und der Entwurf zuerst genau horizontal gestellt werden. Zu diesem Zweck ist auf der Grundplatte der Vorrichtung eine Libelle oder eine andere Einrichtung zur Feststellung der Horizontalität angeordnet. Die Grundplatte ist ferner mit Regulvermitteln ausgestattet, die manuell die Horizontalität einzustellen gestatten, beispielsweise mit Füßen, die mehr oder weniger weit eingeschraubt werden können, um hierdurch die Höhe des jeweiligen Fusses entsprechend zu verändern.

Die Lichteinfallsverhältnxsse hängen an jedem Punkt der Erde von drei Parametern ab, die infolgedessen von der erfindungsgemäßen Vorrichtung reproduziert werden müssen, nämlich die geographische Breite, das Datum und die Sonnenstunde.

Eine auf die geographische Breite bezogene Skala findet sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer vertikalen Ebene, die der geographischen Meridianebene des Ortes entspricht, an welchem die untersuchung ausgeführt wird. Diese Ebene muß infolgedessen genau in NordrSüd-Richtung gestellt werden. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine

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Einnordungsvorrichtung auf, die beispielsweise durch einen Pfeil verwirklicht sein kann, der auf der Grundplatte der Vorrichtung angeordnet ist. An der Vorrichtung kann bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch eine Bussole angeordnet sein. Die Breitenskale besteht aus einem Halbkreis, der zwei Graduierungen von 0° bis 90° trägt, von denen jeweils eine den Breiten auf der nördlichen bzw. den südlichen Hemisphären entsprechen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist mit einem Markierzeiger versehen, welcher der Breitenskale gegenüberliegt. Mit Hilfe der Breitenskale und des Zeigers kann man die Lichteinfallverhältnisse an dem untersuchten Modell darstellen.

Die auf das Datum bezogene Skale wird dadurch erhalten, daß man die scheinbare Bewegung der Sonne an der Himmelskugel in Betracht zieht. Die Sonne führt außer ihrer allgemeinen Tagesbewegung noch eine besondere Eigenbewegung mit ungleichförmiger Geschwindigkeit aus, die sich in einer "Ekliptik" genannten Ebene abspielt. Diese Ebene bildet mit der Äquatorialebene einen Winkel von 23° 27'. Die Periode dieser Bewegung beträgt ein Jahr. Durch Überlagerung der allgemeinen Tagesbewegung und der Eigenbewegung scheint die Sonne im Verlauf eines Jahres eine Art sphärischer Schraubenlinie zu beschreiben, die sich zwischen zwei zur Äquatorialebene parallelen Ebenen abspielt. Diese Ebenen haben vom Äquator einen Abstand von + 23° 27' und - 23° 27", wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Wenn man die in dieser Figur dargstellte Himmelskugel einem Zylinder gleichen Durchmessers einbeschreibt derart, daß der Zylinder die Kugel (tangential) entlang der Linie der Tagundnachtgleiche berührt, kann man auf dem Zylinder auch die scheinbaren Bewegungsbahnen der Sonne darstellen, und zwar durch einfache Verlängerung der Ebenen dieser Bahnen. Man erhält auf

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diese Weise eine Datumsskale, die aus horizontalen Linien besteht, welche ihrerseits parallel zueinander in unregelmäßigen Abständen über die Zylinderfläche verteilt sind. Auf diese Weise baut sich die Datumskale der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf.

Man erkennt, daß sich die Datumskale in Gestalt eines Zylinderteils darstellt, deren Dimensionen derart sind, daß der Radius R und die Höhe 2 H folgender Gleichung genügen: H/R= tg 23° 27¹. In der Praxis wird diese Skale lediglich auf einen Halbkreiszylinder aufgetragen, und zwar aus Gründen, die sich aus Nachstehendem ergeben. Der Ort, an dem man sich befindet, nämlich der Punkt T,wird im Zentrum des Halbzylinders durch den Kreuzungspunkt zweier Fäden verwirklicht, die zwischen den Rändern des Zylinders ausgespannt sind. Für ein vorgegebenes Datum bestimmt sich dementsprechend die Richtung der Sonne durch den Punkt T und einen Punkt M, der auf einer Geraden der Datumskale liegt.

Um die genaue Lage des Punktes M zu bestimmen, braucht man nun lediglich noch die Stunde zu berücksichtigen und die Datumskale senkrecht mittels einer Stundenskale zu graduieren, da im Verlauf eines Tages die Sonne einen vollständigen Umlauf um die Himmelskugel mit gleichförmiger Geschwindigkeit ausführt. Auf diese Weise wird der Halbzylinder von 6-18 Uhr graduiert. Die für die Untersuchung in Betracht gezogene Stunde präzisiert dann die gesuchte Lage des Punktes M. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht in folgendem: Man läßt einen Lichtstrahl durch den Punkt T, welcher dem Beobachtungsort entspricht, und den Punkt M, welcher der theoretischen Position der Sonne entspricht, verlaufen und

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rekonstruiert auf diese Weise den genauen Verlauf der Sonnenstrahlen. Im praktischen Gebrauch richtet man ein Parallelstrahlbündel auf den Punkt T, dessen auf die Fläche der Datum- und Studenskale fallender Schatten dann mit dem theoretischen Punkt M zusammenfallen muß, der durch die Parameter des Beobachtungspunktes vorgegeben ist, nämlich geographische Breite, Datum und Sonnenstunde. Wenn die Koinzidenz verwirklicht ist, sind die Bedingungen des Sonnenlichteinfalls am Entwurf genau reproduziert.

Für einen korrekten Gebrauch der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß man aber auch noch in Betracht ziehen, daß Sonnenstunde und gesetzlich festgelegte Uhrzeit verschieden sind. In Wirklichkeit ist die Sonnenstunde gleich der gesetzlich festgelegten Stunde, korrigiert in Abhängigkeit von der geographischen Länge, der Zeitgleichung und verwaltungsmäßiger Modifikationen, durch welche die Uhrzeit willkürlich verändert wird (zum Beispiel Sommerzeit in bestimmten europäischen Ländern) .

Die Korrektur bezüglich der geographischen Länge wird auf der Grundlage der Tatsache berechnet, daß die Sonne vier Minuten benötigt, um 1° Unterschied in der geographischen Länge zu durchlaufen derart, daß an einem vorgegebenen Punkt eine konstante Korrektur an der gesetzmäßigen Stunde vorgenommen werden muß, um die scheinbare lokale Uhrzeit zu erhalten. Diese konstante Korrektur hängt von der geographischen Länge des Beobachtungspunktes ab. Auf der Ostseite des Ursprungsmeridians muß die Korrektur von vier Minuten pro Längengrad der gesetzlichen Stunde zugefügt werden, während sie auf der Westseite des Ursprungsmeridians abzuziehen ist. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann diese Korrektur algebraisch berechnet werden und man trägt ihr bei der theoretischen Positionierung

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des Punktes M Rechnung.

In gleicher Weise muß auch die Korrektur der Zeitgleichung berücksichtigt werden, die daher rührt, daß die Bewegung der Erde um die Sonne nicht gleichförmig ist. Diese Variation ist unabhängig von dem Ort, an dem man sich gerade befindet, und ist außerdem nur an das Datum gebunden. Diese Gleichung ist an sich bekannt und es kann ihr ohne weitere Probleme bei der theoretischen Lagebestimmung des Punktes M Rechnung getragen werden. Man kann auch in die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Korrektureinrichtung zur Berücksichtigung der Zeitgleichung einbauen. Diese Einreichung kann beispielsweise eine Apparatur umfassen, die es gestattet, den Punkt T etwas aus der Mitte herauszubringen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bringt den Vorteil mit sich, daß sie ein sehr praktisches Arbeitsinstrument für Untersuchungsstellen und ArchitekturStudenten darstellt, die jeweils ihre eigene Vorrichtung besitzen können.

Die nachstehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 die scheinbare Bewegung der Sonne auf der Himmelskugel ;

Fig. 2 eine Draufsicht einer Vorrichtung zur Simulierung des Sonnenlichteinfalles und

Fig. 3 eine schaubildliche Ansicht der Vorrichtung aus Fig. 2.

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Fig. 1 zeigt die scheinbare Bewegung der Sonne an der Himmelskugel und bildet die theoretische Grundlage für das Funktionieren der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die Vorrichtung umfaßt ein Grundgestell 1 in Form einer Grundplatte, die auf höhenverstellbaren Füßen 2, 3, 4 aufruht. Das Grundgestell 1 ist mit einer Libelle 5 und einer Einnordungseinrichtung 6 (Nord-Pfeil) versehen.

Von dem Grundgestell 1 stehen senkrecht zwei Wangen 7, 8 ab, die jeweils Durchbrechungen in Gestalt von Ablesefenstern 9 aufweisen. Die Fenster 9 sind mit Nocken 10, 11 versehen, die einander gegenüberliegen und als Ablesezeiger dienen.

Die Wangen 7, 8 sind in ihrer Mitte mit einem Loch 12, vorzugsweise einer Gewindebohrung, versehen, in welches eine mit Gewinde versehene Achse 13 eingreift, an der eine Flügelmutter 14 befestigt ist.

Die Achse 13 durchquert weiterhin einen Fuß 15 einer T-förmigen Wippe 16, die die Form eines Zylinderteiles(Halbkreiszylinders) besitzt. Auf dem Aufnahmeteil 17 ruht ein halbkreiszylindrischer Träger 18 auf. Zwischen den Seitenrändern 19 und 20 des Trägers 18 sind zwei Fäden 21, 22 ausgespannt, deren Kreuzungspunkt 23 den Punkt T der voranstehenden Beschreibung bilden. Dieser Punkt liegt sehr genau im Mittelpunkt des Trägers 18. - .

Die Skale 24 für die geographische Breite ist an einem abgerundeten Teil 25 des Wippenfusses 15 angeordnet. Das Ablesen dieser Skale erfolgt durch das Ablesefenster 9 hindurch. Man

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kann die Breitenangaben für die nördliche Hemisphäre auf der einen Seite des Teils 25 und die entsprechenden Angaben für die südliche Hemisphäre auf der anderen Seite des Teils 25 anordnen.

Eine Datumskale 26 ist ebenso wie eine Stundenskale 27 auf der Innenseite des halbzylindrischen Trägers 18 angeordnet.

Manchmal ist es nützlich, die Sonneneinfallsbedingungen bei anderen Zeiten als zwischen 6 und 18 Uhr festzustellen. Zu diesem Zweck kann man den Träger 18 beweglich auf der Wippe anordnen. Beispielsweise kann dies dadurch erfolgen, daß man an den Rändern 28, 29 der Wippe Auskehlungen vorsieht, in denen der Träger 18 gleiten kann. In diesem Fall wird eine zusätzliche Stundenskale 30 vorgesehen, die diesen zusätzlichen Arbeitspositionen entspricht.

Die (nicht dargestellte) Lichtquelle kann aus einer Lampe bestehen, die ein Bündel parallelen Lichtes liefert und an einem Fuß derart befestigt ist, daß sie horizontal und vertikal verstellbar ist. Außerdem lassen sich alle Winkelstellungen mit dieser Lichtquelle verifizieren.

Die Ablesegenauigkeit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an die verschiedenen Skalendimensionen gebunden, mit der einzigen Einschränkung, daß die Datum- und Stundenskalen an der Innenfläche eines halbkreiszylindrischen Zylinders angebracht sind, dessen Radius R und Höhe 2 H der Gleichung genügen: H/R = tg 23° 27'.

In der Praxis wird die erfindungsgemäße Vorrichtung folgendermaßen gehandhabt:

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Man stellt die Vorrichtung auf den Rand eines Modelles oder einer Skizze, richtet sie in Nordrichtung des Modelles oder der Skizze aus und stellt die horizontale Lage der Vorrichtung sowie des Modelles oder der Skizze ein; hierauf stellt man die Wippe 16 durch Verschwenken um ihre horizontale Achse auf die durch das Fenster 9 an der Skale 24 ablesbare geographische Breite des betreffenden Ortes ein und blockiert die Wippe in dieser Lage; hierauf bestimmt man anhand der Datum- und Stundenskalen 26, 27 den Punkt M entsprechend den in Betracht gezogenen Datum- und Stundenangaben, wobei Korrekturen bezüglich der geographischen Länge und der Zeitgleichung vorgenommen werden können; und schließlich verstellt man die Lichtquelle derart, daß der Schatten des Punktes T mit dem Punkt M zusammenfällt.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Simulierung des Sonnenlichteinfalls auf ein Modell oder eine Skizze unter Berücksichtigung der geographischen Ortslage, des Datums und der Stunde mit je einer Skale für die geographische Breite, das Datum und die Stunde und mit einer Lichtquelle, die ein der Sonneneinstrahlung entsprechendes Bündel parallelen Lichtes erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtbündel ein durch den Kreuzungspunkt (23) zweier Fäden (21, 22) realisierter Punkt (T) angeordnet ist, dessen Schatten durch Verstellung der Lichtquelle in Koinzidenz mit einem durch die Datums- und Stundenskalen (26, 27) bestimmten Punkt (M) bringbar ist und hierdurch die richtige Position der Lichtquelle anzeigt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Skale (24) für die geographische Breite in einer vertikalen Ebene liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Datums- und Stundenskale (26, 27) auf demselben Träger (18) angeordnet sind.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Datums- und Stundenskale (26, 27) auf der Innenseite eines halbzylindrischen Trägers (18) angeordnet sind, der um eine horizontale Achse drehbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius (R) des halbzylindrischen Trägers (18) und seine nutzbare Breite (2 H) der Beziehung H/R = tg 23° 27' genüg en.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Datumsskale (26) durch Projektion der scheinbaren Bewegungsbahnen der Sonne an der Himmelskugel auf die Oberfläche eines Zylinders erhalten ist, in den die Himmelskugel tangential zur Linie der Tagundnachtgleiche einbeschrieben ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Datums- und Stundenskalen (26, 27) auf einem teilkreiszylindrischen Aufnahmeteil (17) einer T-förmigen Wippe (16) angeordnet sind, während die Breitenskale (24) am Fußteil (15) der Wippe aufgetragen ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Fäden (21, 22) zwischen den seitlichen Rändern (19, 20) des halbzylindrischen Trägers (18) ausgespannt sind und ihr Kreuzungspunkt (23) im Zentrum des Trägers (18) liegt.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (15, 18) der verschiedenen

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Skalen (24, 26, 27) auf einem Basisgestell (1) angeordnet sind, das mit einem Nordpfeil (N),einer Libelle (5) und höhenverstellbaren Füßen (2, 3, 4) versehen ist.
10. Verfahren zur Simulierung des Sonnenlichteinfalles auf einen Entwurf (Modell oder Skizze) unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Man stellt die Vorrichtung auf den Rand des Entwurfes, richtet sire in Nordrichtung des Entwurfes aus und stellt die horizontale Lage der Vorrichtung und des Entwurfes ein;

. hierauf stellt man die Wippe (16) durch Verschwenken um ihre horizontale Achse auf die durch ein Fenster (9) an der Skale (24) ablesbare geographische Breite des betreffenden Ortes ein und fixiert die Wippe in dieser Lage;

hierauf bestimmt man anhand der Datums- und Stundenskalen (26, 27) den Punkt (M) entsprechend den in Betracht gezogenen Datums- und Stundenwerten, wobei Korrekturen bezüglich der geographischen Länge und der Zeitgleichung vorgenommen werden können;

und schließlich verstellt man die Lichtquelle derart, daß der Schatten des Kreuzungspunktes (T) mit dem Punkt (M) zusammenfällt.

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