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LICHTWÄNDE MIT INTEGRIERTEM SONNENSCHUTZ
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LEICHTWäNDE MIT INTEGRIERTEM SOIGYENSCHUTZ Die Erfindung betrifft
Lichtwände mit integriertem Sonnenschutz.
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Es ist bekannt, Lichtwände mit einem Sonnenschutz zu versehen.
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Dieser Sonnenschutz besteht entweder in einer Farbgebung des Materials
oder in einem bestimmten Aufbau der Oberflächenstruktur oder anderen Formgebungsmaßnahmen,
durch die eine Streuung des einfallenden Lichtes entsteht.
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Der Nachteil beider Sonnenschutzmaßnahmen ist, daß keine Kontroll
le über die eingestrahlte Solarenergie ausgeübt werden kann.
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Es handelt sich um eine unveränderebare Maßnahme bzw. Eigenschaft
der Lichtwandelemente. Durch die Farbgebung wird ein bestimmter Prozentsatz der
anfallenden Strahlungsenergie absorbiert und in Wärme gewandelt. Diese Erwärmung
ist im Sommer nachteilig, da die Wärme in den Innenraum abstrahlt und zu einer unerwünschten
Wärmebelastung führt. Im Winter dagegen wird die absorbierte Energie infolge der
tiefen Außentemperaturen nach außen auge= strahlt. Die Energie, die wünschenswerter
Weise dem Innenraum als Heizenergie zuzuführen wäre, geht verloren. Sofern die Licht=
wandelemente hell - also reflektierend eingefärbt werden, wird die Energie durch
Abstrahlung grundsätzlich nach außen abgeführt.
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Die auf natürliche Weise eingestrahlte Solarenergie geht also auch
im Winter verloren. Bei diffus streuenden Lichtwandelementen eru folgt weder im
Winter noch im Sommer ein Schutz vor der einge strahlten Energie. Die direkte Strahlung
wird ledeglich gestreut und verteilt sich gleichmäßig im Innenraum.
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Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, Lichtwandpsneele
mit integriertem Sonnenschutz in der ;eie zu entwickeln, daß bei ortsfester Anordnung
sämtlicher Elemente in natürlicher Über einstimmung mit dem Heiz- oder Kühlbedarf
eines Gebäudes durch die Lichtpanele im Winter eine Solarbeheizung des Gebäudes
und im Sommer eine Verschattung und Kühlhaltung des Gebäudes stattfindet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtwandpaneele
mit horizontalen, reflektierenden und/oder Elementen zur Energieabsorbtion versehen
sind, und daß diese Elemente in einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind,
daß der Innenraum ab einem einem bestimmten EinstrahlungsB winkel t durch diese
Elemente verschattet wird.
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Der Erfindungsgedanke bezieht sich auf die Anordnung und Aus bildung
spezieller/Elemente, die unter Ausnutzung des sich in jahreszeitlicher Abhängigkeit
ändernden Sonnenstandes während der Heizperiode eine Sonnenenergieeinstrahlung und
Solarbeheizung und im Sommer während der Kühlperiode eine Abführung der Solarenergie
ermöglichen.
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Die Anordnung der Elemente erfolgt horizontal und mit Abstand zueinander,
so daß zwischen diesen Elementen eine LichtFuroh= trittsbreite gegeben ist, durch
die im Winter eine direkte Sohn, neneinstrahlung und im Sommer1 bei hohem Elevationswinkel
ß leU diglich eine diffuse Lichteinstrahlung erfolgt.
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Es bestehen zwei grundsätzlich unterschiedliche Ausbildungs= möglichkeiten
für die Abführung der Solarenergie im Sommer: 1. die Elemente werden reflektierend
ausgebildet und in einem solchen Winkel < zur Sonne angeordnet, daß die unter
gro= Dem Einstrahlungswlnkel eingestrahlte Solarenergie in den Außenraum zurückreflektiert
wird. Es entsteht also ein Licht- und Wärmeschutz. Der Innenraum wird verschattet
und durch Abstrahlung der Solarenergie kühl gehalten, wäh rend im Winter, bei niedrigem
Sonneneinstrahlungswinkel ß , die Sonne direkt oder durch Reflexion an den Stegen
in den Innenraum eingestrahlt wird, (Fig. 1) 2. die Elemente werden absorbierend
ausgebildet, Die Solerenergie wird mit Hilfe eines Wärmeträgers abgeführt. (Fig.
2) Diese Lösung bringt einen weiteren Vorteil mit sich: Die Lichtwand wird gleichzeitig
zum Solarkollektor ausgebildet und dient im Sporthallenbau z.B. der Brauchwasserw
erwärmung oder im Industriebau der Erzeugung von Prozesswärme.
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Um im Winter, bei niedrigem Einstrahlungswinkel, wenn die Sonne durch
das Paneel in den Innenraum strahlt, einen Schutz vor dem direktem Licht zu erzielen,
ist die Innenraumowandung der Paneele farbig getönt oder diffus-streuend auszubilden.
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Durch die Tönung der Elemente erfolgt eine Energieabsorbtion.
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Die Energie wird jedoch auf der Innenraumseite gewonnen und strahlt
in diesen als Heizenergie ab. Im Sommer dagegen ist die Innenraumseite der Paneele
verschattet, so daß auch keine Wärmeenergie anfällt. Die farbige Tönung der Innenraumseite
erfolgt vorteilhafterweise durch Beschichtung mit einer farbigen und lichtdurchlässigen
Folie, Die Innenraumseite bzw. die Folie kann auch durch metallische Bedampfung
mit einem gewissen Re, flexionevermögen versehen sein. Hierdurch kommt es zu einem
Wärmeenergierüclcstrahlungs und Wärmespeichereffekt für den Innenraum.
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Zur Abgrenzung gegenUber anderen Lichtwand- und Sonnenschutz= systemen
z.B. Verglasungen mit Jalousien auf der Innen- oder Außenseite des Gebäudes muß
als besonderer Vorteil der erfin dungsgemäßen Ausbildungsart hervorgehoben werden,
daß die Son nenschutzvorkehrung bereits im Herstellungsprozeß der Licht= wand integriert
ist. Die Stegflächen,auf die die Rohre und/oder die Reflektoren aufgelegt werden,werden
tnft den Aiclltdurchlnssigen Wandungen in einem einzigen Idtrusionsvorgang aus Kunststoff
hergestellt, Die Stegflächen dienen gleichzeitig als aussteifende Längsträger, die
die Windlasten in die Rahmenteile ab, tragen. Die Lichtwand und die Sonnenschutzvorkehrung
stellt also eine konstruktive Einheit dar. Die Reflektorbänder können als zusätzliche,
aussteifende Maßnahme herangezogen werden.
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Die erfindungsgemäße Integration von Lichtwand und Sonnenschutz zum
Zwecke der Solarsnergiegewinnung bzw. Kühihaltung von J3au= lichkeit erfordert nur
geringe oder garkeine Zusatzinvestitionen an Material und Arbeitszeit gegenüber
handelsüblichen Isolier3 verglasungselementen aus Kunststoff.
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Ein weiterer Vorteil dieser Integration besteht in der glatten Außen-
und Innenwandfläche. Die Reflektoren sind in den ieolier
ten Hohlräumen
angeordnet und können weder verstau= ben noch verschmutzen, Die erfindunggemäße
Lichtwand ist also völlig wartungsfrei und unterliegt abgesehen von dem Kunststoffmaterial
keinem Abautzungs- oder Alterungsprozess.
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Die Figurenbeschreibung dient der weiteren Erläuterung der Erfindungsgedanken.
fls zeigen: Fig. 1 den Vertikalschnitt durch ein Lichtpaneel mit reflektierenden
Stegflächen Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung der Sonnen- und Wärme= schutzwirkung
des Paneels Fig. 3 den Vertikalschnitt durch als Solarkollektoren ausgebildete Lichtpaneele
Figur 1 zeigt den Querschnitt durch ein Lichtpaneel 10 als rnumliche Abtrennung
zwischen dem Innenraum 17 und dem Außen= aum. Das Lichtpanelle ist als Isolierverglasungselement
ausge bildet. Die Stegflächen 11 sind in einen Winkelα angeordnet und durch
auf die Stegflächen aufgelegte, zweiseitig spiegelnde Bänder reflektierend ausgebildet.
Der Heigungswinkel α der Stegflächen 11 richtet sich nach dom lCinstralllungBwinkel/g
der Sonne am Ende bzw. Beginn einer Heizperiode (α = 90° - #2).
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Zu diesem Zeitpunkt sollte din sonne im wesentlichen senkrecht auf
den Spiegelflächen stehen. Dabei ist die Himmeisrichtung der Fassade zu berücksichtigen.
Die Innenwandseite 14 ist mit einer absorbierenden Sonnenschutzfolie versehen.
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Beziiglich der Einstrahlung bzw. Verschattung des Innenraumes 17 durch
die Reflektoren 16 besteht folgende Gesetzmäßigkeit: Die gesamte Einstrahlung unter
einem Winkel # < #1 für #7 = wird direkt oder durch Reflexion an den Spiegelflächen
12, 13 in den Innenraum gestrahlt. Ab einem Einstrahlungswinkel 1 wird ein kontinuierlich
zunehmender Energieanteil durch die Spiegelseite 12 in den Himmel zurückgestrahlt.
Ab einem Ein= strahlungswinkel / 2 ~ 2 b wird der Innenraum total verschattet.
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Der Abstand der Steg- bzw. Spiegelflächen wird so festgelegt, daß
die Schnttenlinie 18 unter einem Winkel / 2 senkrecht auf den an der Innenraumseite
gelegenen Endpunkt 19 der unteren
Spiegelfläche fällt. Der Abstand
a zwischen den spiegelflächen beträgt amnx = s/cos (900 - α ) = 5/ein» 2.
8 bezeichnet die .¢uerschnittslänge der Spiegel. Der Abstand a der Spiegel kann
aus statischen oder optischen Grtinden, insbesondere um einen besseren Sichtschutz
von außen zu erzielen, kleiner ge wählt werden, Die Ein- und Abstrahlungsverhältnisse
ändern sich dadurch nicht.
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In Figur 2 ist die Sonneneinstrahlungsdichte in den Innenraum in Abhängigkeit
vom Sonneneinstrahlunswinkel angegeben.
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Die Kurve 100 stellt die Sonneneinstrahlungsdichte an der Außen wand
und die Kurve 101 dio Einstrahlungsdichte in den Innenraum dar, Ab dem Einstrahlungseinkel
#1 wird ein zunehmender Strahls lungsanteil 102 vom Innenraum wegreflektiert, bis
bei einem Einstrahlungswinkel/Ç 2 eine totale Verschattung der Empfänger= fläche
erfolgt. Es sind die Sonnenhöhenwinkel am 50. Breiten= gred um 12.00 Uhr an oiner
Südfassade eingetragen. Dabei zeigt sich, dnß trotz ortsfester Anordnllni: shmtlicher
Elemente und ohne Nachführung, ausschließlich durch Ausnutzung des sich in Jahreszeitlicher
Abhängigkeit ändernden Sonnenhöhenwinkels, ei ne selbstständige Steuerung des Sonnenschutzsystems
in Übereinstimmung mit der 1leiz- oder Kühlperiode zum Zweck der Solarenergiegewinnung
oder Kilhlhaltung von Baulichkeiten erfolgt.
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Die Figur 3 stellt eine grundsätzlich unterschiedliche Ausbildungsalternative
dar: Auf Stegflächen 21 sind mit einem itirme trägermedium durchströmbare Absorberrohre
23 angeordnet. Diese Absorberrohre 23 sind teilweise von einem Spiegelsystem 24
umgeben. Diese8Spiegeleystem besteht im einfachsten Falle, wie hier dargestellt,
aus ebenen Reflektoren. 3ieses Spiegelsystem dient einerseits zur Sammlung der Sonneneinstrahlung
auf das Absorberrohr 23 und andererseits zur Wärmerückstrahlung der durch das Absorberrohr
emittierten Strahlungsenergie. Es ist selbstverständlich, daß auch ein anders geartetes
Spiegel und oder Absorbersystem zur Anwendung kommen kann. Die Absorberrohre sind
in einer Kammer 25 angeordnet, so daß sich um da.
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Absorberrohr möglichst keine Konvektionsströmungen ausbilden können.
Die Absorberrohre 23 werden von oben, im Stoß zweier Paneele in die Kammern eingelegt.
Die obere Abdeckung 26 ist schräg und mit Neigung zur Einstrahlungsseite angeordnet.
Dies bringt zwei Vorteile mit sich: erstens ergibt sich ein günsti= ger Bestrahlungswinkel
der Abdeckung 26, so daß die Reflexion verlust an dieser vermindert sind, zweitens
vermindert sich der Außenflächenanteil 28 der Kammer 26, wodurch eine wesentliche
Verminderung der Wärmeverluste nach außen erzielbar ist. Durch den Überlappung.sstoß
28, 29 entsteht gleichzeitig eine verbesserte Isolation nach Innen und Außen. Diese
Uberlappungsstöße sind in der Praxis als Klemmverschlüsse auszuführen.
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In den seitlichen Profilen, die vorteilhafterweise isoliert auszuführen
sind, werden die Vor- und Rücklaufleitungen gel führt.
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Für die in Figur 3 erläuterte Kollektor-Lichtwand' bestehen im Grundsätzlichen
die gleichen Gesetzmäßigkeiten bezüglich der Energieeinstrshlung oder Verschattung
des Innenraumes. Mit zu= nehmendem Elevationswinkel der Sonne vermindert sich die
Energieeinstrahlung in den Innenraum, bis bei einem Einstrahlungsw winkel ß 2 der
Innenraum total verschattet ist. Durch den Abz stand des Absorbersystems ist der
Zeitpunkt der totalen Vers schattung des Innenraumes genau zu bestimmen, und damit
in exakte Übereinstimmung mit dem Heiz- oder Kühlbedarf von Bau= lichkeiten zu bringen,
Die Verschattung nimmt kontinuierlich zu, wodurch eine Übergangsperiode mit vermindertem
Heizbedarf berücksichtigt ist. Auch die Sollektor-I.ichtwand' gemäß Figur 3 bildet
die Lichtwand entsprechend der erfindungsgemäßen Aufga= benstellung zu einem sich
in Übereinstimmung mit den Jahres= zeiten selbststeuerndem Solarraumheizungssystem
aus. Die Sogar beheizung erfolgt wiederum entweder durch direkte Sonnenein strahlung
oder durch die Wärmeabstrahlung der durch eine getönte Absorberfolie absorbierend
ausgebildeten Innenwandung 27.
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Es ist wichtig, daß die Folie von der Innenraumseite her auf gezogen
wird, damit der gesamte Paneelquerschnitt als Isolierung gegenüber dem Außenraum
wirkt.
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Die Anordnung der Absorberrohre mit Abstand untereinander bringt außer
der damit verbundenen Belichtung für den Innen= rnum auch einen entscheidenden Vorteil
für das Absorbersystem selbst. Die auf die vertikale Passadenfläche eingestrahlte
Energiedichte vermindert sich durch die Cosinusverluste mit zuneh mendem Elevationswinkel.
Die Energieeinstrahlung auf die Absorrohre bleibt Jedoch unabhängig vom Einstrahlungswinkel
bis zu einem Winkel 2 konstant. Die Cosinusverluste werden durch die verminderte
Energieeinstrahlungsdichte in den Innenraum ausge glichen und zur Selbststeuerung
des Heizbedarfs ausgenutzt. Zu Gunsten dieses Selbststeuerungseffektes sind wesentliche
Problem me von Solarenergiegewinnungsanlagen behoben, die eine Nachfüh= rung der
Kollektoreinrichtung oder einzelner Elemente erübrigt.
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Es muß erwähnt werden, daß durch die integrierte Anordnung der Lichtwand
und des Kollektorsysteins ein gitnstiger thermischer Wirkungsgrad erzielbar ist,
da die Wärmeabstrahlung des Kollekz torsystems im wesentlichen in den isolierten
tiohlraum oberhalb der Absorberkammer 25 entweicht. Durch diese Beheizung' der Lichtwand
werden die Wärmeverlust des Innenraumes durch die Lichtwand wesentlich vermindert.
Umgekehrt werden durch den warmen Innenraum auch die Abstrahlungsverluste des Kollektor
systems vermindert.
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Die erfindungsgemäßen Lichtwände sind mit besonderem Vorteil als Sonnenschutz-
und Wärmeisolationsmaßnahme vor wärmespei= chernden Außenwänden anzuordnen (Trombe'-wall),
wodurch im Wins ter eine Solarenergiegewinnung und im Sommer eine Kühlhaltwig der
Wunde ermöglicht wird.