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PATENTBESCHREIBUNG
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Energiefassade als Vorsatzschale für massive tragende und nicht tragende
Außenwände Die Erfindung betrifft eine Energiefassade als Vorsatzschale für alle
tragenden und nicht tragenden massiven Außenwände.
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Das Anwendungsgebiet erstreckt sich auf alle von der Sonne beschienenen
Außenwände (Ost-, Süd- und Westseite) bei allen beheitzten Gebäuden wie Wohn-, Verwaltungs-,
Büro-, Industriegebäude usw..
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Die Erfindung bezweckt hauptsächlich die Einsparung von Heizenergie
bei allen vorgenannten Gebäudearten durch Ausnützung der auf die Außenwand auftreffenden
Strahlungsenergie (direkte Sonneneinstrahlung wie auch diffuse Strahlung) bei gleichzeitiger
Begrenzung des Wärmedurchganges von innen nach außen (Transmissionswärme) durch
hohe Wärmedämmung. Als weiteres wird bezweckt, den tatsächlich instationären Wärmefluß
in der Außenwand so zu beinflußen, daß der Wärmehaushalt der Außenwand auch bei
den tageszeitlich bedingten Schwankungen der Außentemparatur möglichst ausgeglichen
bleibt.
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Nach dem heutigen allgemein bekannten Stand der Technik sowie nach
den derzeit gültigen amtlichen Bestimmungen (DIN 4108, Wärmeschutzverordnung) wird
die Einsparung von Heizenergie bei massiven Außenwandkonstruktionen durch Begrenzung
des Transmissionswärmeverlustes angestrebt. Dies wird erreicht durch hohe Dämmung
der Außenwände, wobei bei spezifisch schweren Außenwänden (Beton, Normalmauerwerk)
in der Regel eine zusätzliche Dämmung (Hartschaum, Mineralwolle usw.) auf der Innen-oder
Außenseite der Wand erforderlich wird. Bei leichten massiven Außenwänden (Leichtmauerwerk
wie Leichtziegel, Gasbeton usw.) wird die erforderliche Dämmung durch die poröse
Struktur
dieser Baustoffe erreicht.
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Daß diese dem heutigen Stand der Technik entsprechende Bauweise den
Bedarf an Heizenergie reduziert, ist allgemein bekannt.
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Insbesondere trifft dies zu bei Außenwänden, die keiner Strahlung
von außen ausgesetzt sind. Sind solche Wände aber Strahlungen (insbesondere direkter
Sonneneinstrahlung) ausgesetzt, so wird diese Strahlungsenergie durch die starke
Dämmung abgeblockt bzw. reflektiert und so wieder an die Außenluft abgegeben. Diese
Energiemenge ist aber gerade in der kaiten Jahreszeit (Winter) sehr groß, da hier
bei tiefen Sonnenständen (Neigung Sonne zum Horizont) die Außenwandflächen voll
und nahezu senkrecht getroffen werden. Dies läßt sich leicht feststellen, an der
durch ein südliches Fenster einstrahlenden Wärmemenge an einem kalten Wintertag,
wobei hier noch berücksichtigt werden muß, daß durch die geringe Dämmfähigkeit des
Fensters gegen Transmissionsverluste ein Großteil der eingestrahlten Energie wieder
verloren geht. Durch die herkömmlich starke Dämmung wird aber auch der instationäre
Wärme fluß in Bezug auf Energieeinsparung ungünstig beieinflußt. Dazu sei auf einen
Diskussionsbeitrag im Deutschen Architektenblatt Nr.
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11/81 Seite 1621 verwiesen, der sich zum Teil auf Energie-Verbrauchsuntersuchungen
eines schweizer Ingenieurbüros stützt.
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Die bei diesen Untersuchungen festgestellte günstige Beieinflussung
des Energieverbrauches durch Bauteile mit großem Speichervermögen (dicke und schwere
Wände) und Nichtbehinderung des instationären Wärmespiels durch zu starke Dämmschichten
deckt sich voll mit den Erfahrungen und jahrelangen Beobachtungen des Anmelders.
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Auch sind massive Wandkonstruktionen bekannt, wo die Außenschale als
Absorberplatte für eine Wärmepumpe dient. Die Innenschale (in der Regel tragende
Konstruktion) ist dabei durchgehend durch eine starke Wärmedämmung von der Außenschale
getrennt. Dieses System hat den Nachteil, daß ein Großteil der absorbierten Strahlungsenergie
sofort wieder an die Außenluft
abgegeben wird und daß die restliche
verwendbare Strahlungsenergie nur über eine technische aufwendige Installation (Flüssigkeitskreisläufe,
Wärmepumpe usw.) und über ein von der Wand unabhängiges Heizsystem (in der Regel
Niedertemparatur-Heizung) unter Einsatz von zusätzlicher Energie verwertet werden
kann. Das Prinzip der Wärmepumpe in Verbindung mit Massivabsorber ist allgemein
bekannt. Es braucht hier somit nicht weiter erläutert zu werden.
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Eine direkte Ausnutzung der auf die Außenwand auftreffenden Strahlungsenergie
zur Begrenzung des Energiebedarfs der innenliegenden Räume bei gleichzeitiger hoher
Dämmung zur Begrenzung der Transmissionsverluste ist dem Anmelder nach dem heutigen
Stad der Technik nicht bekannt Zwar wird auch heute schon die Sonnenstrahlung insbesondere
durch Kollektoren zur Verringerung des Energiebedarfs ausgenutzt. Diese Kollektoren
eignen sich aber kaum zu Heizzwecken, da sie in der Regel auf Dächern angeordnet
werden und somit bei den üblichen Dachneigungen (20-35 Altgrad) und den im Winter
anstehenden tiefen Sonnenständen nur einen geringen Wirkungsgrad erzielen. Ausserdem
verlieren sie an Wirkung durch die in der Regel kleinen Kollektorenflächen, sowie
durch den erforderlichen Energietransport bzw. die Energieumwandlung. Der Einsatz
von Kollektoren wird sich daher in der Regel auf die Warmwasserzubereitung im Sommer
beschränken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf die Außenwand auftreffende
Strahlungsenergie zur Reduzierung des Heizungs-Energiebedarfs der innen liegenden
Räume zu nutzen, aber gleichzeitig die Transmissionsverluste von innen nach außen
durch eine gute Dämmung sowie durch eine positive Beeinflussung des instationären
Wärmeflusses in der Wand so gering wie möglich zu halten. Die Aufgabe besteht also
darin, die Vorteile des heutigen Standes der Technik voll auszunutzen, aber
dessen
Nachteile weitgehendst auszuschalten.
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Diese Aufgabe wird erfindugsgemäß so gelöst, daß auf die massive in
der Regel tragende Außenwand herkömmlicher Bauart (Mauerwerk, Beton usw.) mit in
der Regel geringerem Dämmvermögen aber hoher Speicherkapazität eine Energiefassade
vorgeschaltet wird. Bei dieser Energiefassade besteht die Außenhaut aus vorzugsweise
horizontal verlaufenden optischen Linsen, die neben der schützenden und gestaltenden
Fassadenfunktion insbesondere die auf die Linsen auftreffende Strahlungsenergie
bündelt und diese entsprechend dem Sonnenstand entweder direkt oder über Reflektion
an den Flächen der Wärmedämmung auf eine schmale mit der massiven Wandkonstruktion
verbundenen Absorberplatte ableitet. Diese Energie wird von der Absorberplatte in
die massive Wandkostruktion eingespeist und es entsteht ein Wärmefluß von außen
nach innen, welcher sich - bedingt durch die Speicherkapazität der massiven Wandkonstruktion
und der daraus resultierenden Phasenverschiebung - erst wesentlich später auf der
Innenseite auswirkt. Der Rückfluß der so eingespeisten Strahlungsenergie sowie überhaupt
der Wärmedurchgang von innen nach außen - zum Beispiel nachts, wenn keine Strahlung
auftrifft - wird verhindert bzw. wesentlich vermindert durch die trapezförmig sich
nach außen verjüngende Dämmschicht, welche durch ihre konische Form und durch ihre
reflektierend ausgebildeteten Begrenzungsflächen die von der optischen Linse gebündelte
Energie auch bei verschiedenen Sonnenständen entweder direkt durchläßt, oder reflektierend
auf die Absorberplatte weiterleitet.
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Da sich bei den tages- u. jahreszeitlichen verschiedenen Sonnenständen
die Brennpunktlage der durch die Linse gesammelten Strahlungsenergie laufend verändert,
wird je nach Linsenform und Neigungen der Reflektionsflächen jeweils nur ein bestimmter
Sonnenstandsbereich (z.B. von 10 bis 25 Altgrad) voll auf
die Absorberplatte
geleitet, während bei höhrerem bzw. tieferem Sonnenstand die eingefangene Energie
wieder teilweise oder ganz nach außen reflektiert wird. Deshalb kann es sinnvoll
sein, die Linse gegenüber der starr auf der massiven Wandkonstruktion aufgebrachten
Wärmedämmung in der Höhe zu verschieben oder die Neigung der Linse zu verändern.
Dadurch kann die Brennpunktlage der Linse den jahreszeitlich bedingten verschiedenen
Sonnenneigungen besser angepaßt werden und der zeitliche Wirkungsbereich verlängert
oder verkürzt (z.B. im Sommer) werden. Die Verschiebungen der Linse können manuell
oder motorisch bewirkt werden.
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Als weitere Variante könnte die Innenseite der optischen Linse ganz
oder teilweise verspiegelt werden und zwar so, daß sie Strahlungen von außen nach
innen durchläßt, aber Strahlungen von innen nach auen ganz oder teilweise reflektiert.
Dadurch wird erreicht, daß von der Absorberplatte nach außen strahlende Energie
wieder auf diese zurück reflektiert wird. Außerdem wird durch Mehrfach-Reflektion
an den verspiegelten Flächen der Dämmung sowie an der Linseninnenseite der von den
verschiedenen Sonnenständen abhängige zeitliche Wirkungsbereich vergrößert. Als
sinnvolle Ergänzung wird dann die Linse so installiert, daß die verspiegelte Innenseite
nach außen gedreht werden kann, wodurch sie (sinnvoll im Sommer) die auftreffende
Strahlung ganz oder teilweise nach außen reflektiert.
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Einen weitere Variante ergibt sich, wenn anstelle der optischen Linse
eine normale flache und strahlungsdurchlässige Außenhaut (vorzugsweise Flachglas,
Folie) angeordnet wird.
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Dadurch wirken nur noch die verspiegelten Flächen der Dämmung zur
Sammlung der Strahlungsenergie, wobei dadurch allerdings der Wirkungsgrad wesentlich
reduziert wird. Eine Verspiegelung entsprechend der o.g. Erläuterung könnte ebenfalls
vorgenommen werden.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere auf dem
Gebiet der Energieeinsparung durch die direkte Nutzung der auf die Wand auftreffenden
Strahlungsenergie zu Heizzwekken bei gleichzeitiger Begrenzung der Transmissionswärme
von innen nach außen durch eine gute Wärmedämmung. Dadurch lassen sich enorme Heizkostenersparnisse
erzielen. Der Vorteil ergibt sich hauptsächlich daraus, daß mit den Außenwänden
zur Aufnahme der Strahlung sehr große Flächen in günstigster Stellung (tiefe Sonnenstände
im Winter) zur Verfügung stehen und dåß die eingefangene Strahlungsenergie ohne
großen technischen Aufwand und ohne zusätzliche Energie (für Pumpen, Energieumwandler
usw.) direkt den zu heizenden Räumen zugeführt werden kann. Da mit der Absorberfläche
nur ein Bruchteil der gesamten Wandfläche mit der kalten Außenluft in direkten Kontakt
steht, wird im Gegensatz zum Massivabsober der Wärmepumpe nur sehr wenig der eingefangenen
Strahlungsenergie wieder an die Außenluft abgegeben, insbesondere auch dadurch,
weil die Absorberplatte durch die vorgeschaltete Linse von der direkten Außenluft
und damit von größeren Luftbewegungen (Wind) und dem damit verbundenen hohen Wärmeabtransport
getrennt wird.
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Weitere Vorteile liegen darin, daß bei der massiven Wandkonstruktion
wieder weniger dämmendes und damit schwereres Material verwendet werden kann, was
der Baustabilität (Statik), dem Schallschutz (größeres Flächengewicht) sowie dem
Wärmespeichervermögen und damit der Nivellierung der witterungsbedingten Temperaturspitzen
zugute kommt. Außerdem wird eine lange und wartungsfreie Lebensdauer der Fassade
durch die unverrottbare und witterungsunempfindliche Außenhaut (Linse vorzugsweise
aus Glas oder Kunststoff) garantiert, wobei die Investitionskosten der Energiefassade
durch den nicht mehr erforderlichen Außenputz, die entfallende zusätzliche Dämmung
sowie durch billigeres Mauerwerk (da keine Anforderungen an den Wärmeschutz mehr
notwendig sind) gering gehalten werden können.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird nachfolgend näher beschrieben: Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch die
Energiefassade in größerem Maßstab und Figur 2 einen Schnitt durch die Energiefassade
einschließlich der massiven Wandkonstruktion in kleinerem Maßstab mit Fortsetzung
der Energiefassade in perspektivischer Darstellung.
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Dazu folgende Erläuterung: Die vorzugsweise horizontal verlaufenden
optischen Linsen (1) bündeln die Strahlungsenergie und projizieren diese ja nach
Sonnenstand (Neigung der Sonne zum Horizont) und Neigung der Reflektionsflächen
(4) auf die mit der massiven Wand (6) verbundenen und mit den Linsen parallel laufenden
Absorberplatten (3). Die Absorberplatte besteht aus gut leitendem Material, wobei
die äußere Oberfläche rauh und schwarz ausgebildet wird, wodurch annähernd alle
auftreffende Strahlungsenergie von der Platte absorbiert und an die massive Wandkonstruktion
(6) abgegeben werden kann. Wird auf der Innenseite der Wand keine Dampfsperre (7)
aufgebracht, so wird die Absorberplatte auch dampfdurchlässig ausgebildet. Die massive
Wandkonstruktion (6) kann in herkömmlicher Bauart (Mauerwerk, Beton, Fertigteile
usw.) hergestellt werden, wobei keine besonderen Anforderungen an die Dämmfähigkeit
zu stellen sind. Lediglich eine gewisse Speicherfähigkeit ist vorauszusetzen.
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Der Rückfluß der so in die massive Wandkonstruktion eingespeisten
Energie wird durch die sich nach außen verjüngende Dämmschicht (2) aus herkömmlichen
Dämmstoffen verhindert. Dies gilt auch für den Wärmestrom von innen nach außen,
wenn zum Beispiel nachts keine Außenstrahlung vorhanden ist. Durch die konische
Form dieser Wärmedämmung (2) wird erreicht, daß eine Wärmebrücke nur im Bereich
der Absorberfläche auftritt und damit auf ein Minimum der Wandfläche begrenzt wird.
Da die Absorberplatte
von der direkten Außenluft durch die vorgeschaltete
Linse (1) sowie der Abschlußblende (5) getrennt ist, wird die Wirkung der Wärmebrücke
zusätzlich verringert, da dadurch größere Luftbewegungen an der Absorberplatte vermieden
werden.
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Die Abschlußblende (5) dient als Staub- und Regenschutz und wird zur
Belüftung der Hohlräume luftdurchlässig ausgebildet.
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Außerdem kann die Abschlußblende zu gestalterischen Zwecken (Farbe,
Material, Struktur usw.) und damit zur optischen Auflockerung der Fassadenansicht
mit benutzt werden.
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Die Begrenzungsflächen (4) der Dämmung zum Hohlraum werden reflektierend
(verspiegelt) ausgebildet (vorzugsweise durch Aluminium, Alu-Folie usw.). Dadurch
wird der jahreszeitliche Wirkungsbereich in Bezug auf die verschiedenen Sonnenstände
wesentlich vergrößert. Siehe hierzu auch Erläuterung zu Figur 3, 4, 5 und 6.
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Figur 3 zeigt die Wirkungsweise des in Figur 1 und 2 dargestellten
Beispiele einer Energiefassade infolge der tages- und jahreszeitlich sich ändernden
Sonnenstände(8). Dabei wurden die Auswirkungen der in Betracht kommenden Sonnenstände
mittels Computer untersucht und ausgewertet. Als Material der optische Linse (1)
wurde Quarzglas mit einer Brechungszahl von 1,46 angenommen. Die Oberfläche der
Linse wurde in 10-tels Punkte (9) aufgeteilt. Dann wurden für verschiedene Sonnenstände
(8, 10, 15 usw. bis 40 Altgrad) ermittelt, ob und wie die Strahlung der aufgeteilten
Linsenoberfläche die Absorberplatte erreicht.
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Figur 4 zeigt die Auswertung dieser Untersuchung in einem Diagramm
in Abhängigkeit von der Linsenoberfläche sowie den Sonnenständen. Dabei wurden Linsenpunkte
(9), deren Strahlung auf die Absorberplatte (3) projiziert wird, mit einem Kreis
und Punkte deren Strahlung erst über Reflektion an den verspiegelten Flächen der
Dämmung (4) die Absorberplatte erreicht, mit einem Kreuz symbolisiert. Der schraffierte
Bereich zeigt das
Spektrum der die Absorberplatte treffenden Strahlung,
während die Strahlung der Linsenpunkte im außerhalb der schraffierten Fläche liegenden
Bereich wieder nach außen reflektiert wird.
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Für den jeweiligen Sonnenstand ist in der letzten Spalte noch der
prozentuale Ausnutzungsgrad bezüglich der auf die ganze Wandfläche auftreffenden
Strahlungsenergie angegeben.
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Analysiert man diese Ergebnisse, so ist festzustellen, daß bei Sonnenständen
zwischen 10 und 25 Altgrad im Schnitt ca. 90 % der auftreffenden Stahlung verwertet
wird. Bei 27,5 Altgrad sind es noch ca. 35 % und bei 30 Altgrad nur noch ca. 10
%.
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Der mittägliche höchste Sonnenstand beträgt in der geografischen Lage
von Stuttgart am 21 Dezember ca. 17,5 Altgrad. Da der tageszeitliche höchste Sonnenstand
nur kurze Zeit auftritt, kann bei dem untersuchten Beispiel vom 1. November bis
15. Februar fast 90 % aller auf die Wand auftreffenden Strahlungsenergie voll verwertet
werden. An einem jahreszeitlichen früheren bzw. späteren Zeitpunkt werden dann die
höhreren Sonnenstände nicht mehr erfaßt, was insbesondere im Sommer wichtig ist.
Wird dieses Fassadenbeispiel an einer Ost- oder Westseite ausgeführt, so erhöht
sich die Zeitspanne der vollen Nutzung noch wesentlich, da dann die höchsten Sonnenstände
infolge gleicher Sonnen- und Wandrichtung sowieso nicht mehr wirksam sind.
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Durch Änderung der Linsenform und/oder der Neigung der Reflektionsflächen
kann der Wirkungsbereich fast beliebig verändert bzw. vergrößert und verkleinert
werden.
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Figur 5 und 6 zeigt das Figur 3 und 4 entsprechende Beispiel, wobei
lediglich die Linse um 1,5 cm nach oben verschoben wurde, wodurch sich die Brennpunktlage
in Bezug auf die Lage der Absorberplatte ebenfalls nach oben verschiebt. Das zugehörige
Auswertungsdiagramm (Figur 6) zeigt, daß sich gegenüber Figur 4 der Wirkungsbereich
in Bezug auf den Sonnenstand nach oben verschoben hat (bis ca. 35 Altgrad Sonnenneigung).
Somit
kann die Zeitspanne der optimalen Strahlungsausnutzung auf
Zeiten vor dem 1. November und nach dem 15. Februar ausgedehnt werden.
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Aus den Figuren 4 und 6 ist auch ersichtlich, daß bei höheren Sonnenständen
(Frühjahr, Sommer) alle direkte Sonneneinstrahlung wieder nach außen reflektiert
wird. Dies ist wichtig, damit sich die Wände in der warmen Jahreszeit nicht aufheizen
und auch der sommerliche Wärmeschutz durch die Energiefassade auf optimalste Weise
(Reflektion der Strahlung, hohe Wärmedämmung sowie große Speicherkapazität der massiven
Wandschale) gewährleistet ist. Dies trifft insbesondere bei den zur Südseite ausgerichteten
Gebäudeseiten zu, da hier die Sonnenneigung bereits den wirksamen Bereich der Linse
überschritten hat, wenn die Sonne die Ost-Westrichtung erreicht hat. Somit wird
keine direkte Sonnenstrahlung mehr in die Absorberflächen der südseitigen Wände
eingespeist. In die nach Osten bzw.
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Westen ausgerichteten Gebäudeseiten werden kurzzeitig noch Strahlungsenergien
eingespeist. Da die Sonne aber im Sommer sehr schnell an Höhe gewinnt, sind diese
Einspeiszeiten gering und der erzielte Wärmegewinn zu begrüßen, da er - insbesondere
auf der Westseite - eine nächtliche Auskühlung der Wände verhindert, und bedingt
durch die Speicherfähigkeit der massiven Schale sowie durch die Phasenverschiebung
beim Wärmedurchgang, die innenliegenden Räume abends und nachts angenehm warm hält.
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Figur 2 zeigt auch, daß sich durch die Energiefassade durchaus eine
angenehme optische Gestaltungsmöglichkeit der Fassade erzielen läßt. So können entsprechende
Linsenformen (1), entsprechend gestaltete Abschlußblenden (5), sowie vertikale Abschluß-
bzw. Aufteilungsstege (10) für die optische Ausgestaltung der Fassade mit herangezogen
werden.
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Bei dem in Beispiel nach Figur 6 aufgeführten Wandaufbau ergibt sich
ein entsprechend DIN 4108 ermittelter mittlerer
Wärmedurchgangskoiffizent
von k= 0,60 W/gm K. Dabei wurde als massive Schale eine 30 cm starke Mauerwerkswand
aus Vollziegel mit einer Rohdichte von 1600 kg/cbm berücksichtigt. Der Wärmeübergang
nach außen wurde entsprechend DIN 4108 wie bei hinterlüfteten Fassaden angesetzt.
Der so erzielte k-Wert von 0,60 W/qm k liegt weit unter den nach DIN 4108 bzw. der
Wärmeschutzverordnung geforderten Höchstwerten und liegt in einem Bereich der heute
üblichen und als "Vollwärmeschutz" bezeichneten Dämmwerte. Dadurch ist sichergestellt,
daß auch in Zeiten ohne Außenstrahlung (z.B. nachts) eine optimale Dämmung entsprechend
dem heutigen Stand der Technik gewährleistet ist.
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