DE4204367A1 - Vorrichtung zum steuern des sonnenenergieeinfalls fuer die dachoeffnung eines bauwerks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern des Sonnenenergieeinfalls für eine Dachöffnung eines Bauwerks, insbesondere einer Halle, eines Wohngebäudes und dergleichen. Dächer von Häusern oder Hallen werden in erster Linie unter Belichtungsaspekten und/oder nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten konstruiert und gebaut. Sie erfüllen dann in der Regel den angestrebten Zweck, jedoch ist dies meist mit Nachteilen hinsichtlich anderer Kriterien, inbs. energetischer Art, verbunden. So haben bspw. die herkömmlichen Glasdächer von Gebäuden, Wintergärten, Gewächshäusern und dgl. den Nachteil, daß sie tagsüber im Sommer zu viel Sonnenenergie durchlassen und es dann zum sogenannten Treibhauseffekt im Gebäudeinneren kommt. Während der Nacht, besonders im Winter, wird dann viel Wärme nach außen abgestrahlt, was zu einem starken Energieverlust des Gebäudeinneren führt. Wenn im Winter die Sonne tief steht, so hat dies bei flach geneigten Glasdächern den Nachteil, daß aufgrund der Reflexion die Sonnenenergie nicht oder allenfalls in begrenztem Maße ins Gebäudeinnere gelangt und während der Nacht, aufgrund der meist schlechten Wärmedämmung, hohe Wärmeverluste durch Abstrahlung zum Nachthimmel auftreten.

Es liegt infolgedessen die Aufgabe vor, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher sich die Sonneneinstrahlung ins Gebäude je nach den Bedürfnissen steuern läßt, wobei insbesondere im Sommer der Treibhauseffekt vermieden und im Winter eine optimale Ausnutzung der Sonnenstrahlung gewährleistet sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs ausgebildet ist.

Die Vorrichtung dient zur Abdeckung einer nach oben gerichteten Außenöffnung (Dachöffnung) eines Wohnhauses, einer Halle oder dergleichen. Dabei muß die Öffnung nicht notwendigerweise die gleiche Größe aufweisen wie die Grundfläche des Gebäudes. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Vorrichtung auf ein Dach eines Gebäudes aufgesetzt, welches eine nach oben gerichtete Außenöffnung aufweist, die um einiges kleiner ist als die Grundfläche des Gebäudes.

Weil das obere Ende der Vorrichtung gewissermaßen schräg abgeschnitten ist, nimmt die Höhe der Wände ausgehend von der höchsten Wand nach beiden Seiten hin ab. Gegenüberliegend der höchsten Wand befindet sich die niedrigste Wand. Richtet man nun die höchste Wand gegenüber der Sonne aus, so tritt eine maximal mögliche Energiemenge in das Gehäuse der Vorrichtung ein. Umgekehrt erreicht man eine minimale Sonneneinstrahlung, wenn man die niedrigste Wand gegen die Sonne ausrichtet. Weil die Abdeckung der Vorrichtung stark reflektierend bis hin zur Totalreflexion ausgebildet ist, kann man je nach Ausrichtung dieser Vorrichtung gegenüber der Sonne besonders viel oder extrem wenig Sonnenlicht ins Gebäudeinnere gelangen lassen. Da die Vorrichtung drehbar auf dem Bauwerk installiert ist, kann man sie stets im notwendigen Maße nachführen, so daß die ausgewählte Wandfläche, also bspw. die höchste Wand oder die niedrigste Wand, stets der Sonne zugewandt ist.

Im Sommer wird man im Normalfall die niedrigste Wand gegen die Sonne ausrichten. Dadurch gelangt über die Wände der Vorrichtung relativ wenig direkte Sonneneinstrahlung ins Innere des Bauwerks. Auf diese Weise kann man dem Treibhauseffekt sowie der unerwünschten Erhitzung des Bauwerkinneren entgegenwirken. Das diffuse Himmelslicht wird durch das dann nach Norden gerichtete hohe Verglasungsteil blendfrei in das Gebäudeinnere gelassen. Im Winter wird die Vorrichtung demgegenüber um 180° gedreht, so daß die maximale Sonnenenergie über die Glasflächen der Vorrichtung ins Gebäudeinnere gelangen kann. Weil die Wände relativ steil bis senkrecht stehen, wobei die Neigung der Wände gegenüber der Senkrechten maximal in der Größenordnung von 0-30° liegen sollte, erfolgt an den Glasflächen keine oder zumindest keine nennenswerte Reflexion des Sonnenlichts und damit deren optimale Ausnutzung. Die Abdeckung stellt einen Schattenspender dar.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Unterseite der Abdeckung aus Licht und Wärme reflektierendem Material besteht. Dadurch wird die relativ flache Wärmestrahlung im Winter, welche an die Unterseite der Abdeckung gelangt, im Vorrichtungsinneren nach unten hin umgelenkt und somit im Gebäude optimal ausgenutzt. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Abdeckung zumindest im wesentlichen aus hochwärmedämmendem Material gebildet ist. Die Sonnenenergie wird also außen an dieser Abdeckung nicht nur stark reflektiert, vielmehr kann sie die Abdeckung nicht oder zumindest nicht nennenswert durchdringen, so daß mit der Abdeckung eine hochwirksame Beschattung möglich ist.

Die Unterseite der Abdeckung ist zweckmäßigerweise gewölbt, vorzugsweise konvex gewölbt. Für die Außenfläche wählt man möglichst auch eine konvexe bzw. nach außen unten abfallende Fläche, damit sich dort kein Regenwasser, Schnee und dgl. ansammeln kann.

Die Unterseite der Abdeckung kann hochreflektierend oder spiegelnd, oder aber in sehr vorteilhafter Weise auch als diffus reflektierende Fläche ausgebildet sein.

Eine besonders bevorzugte Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung in der Art eines Kissens ausgebildet ist, das mit dem hochwärmedämmenden Material gefüllt ist. Die "Hülle" des Kissens kann man unmittelbar aus stark reflektierendem Material, bspw. Edelstahlblech und dergleichen herstellen. Es sind hochwärmedämmende Hartschäume bekannt, welche eine gute Festigkeit besitzen, so daß sie die "Hülle" sicher aussteifen können. Bei besonders großen Abdeckungen kann man aber eine Aussteifung in konventioneller Weise vorsehen. Zumindest beim Ausführungsbeispiel ist dies aber nicht notwendig, wenn das wärmedämmende Material in weiterer Ausgestaltung der Erfindung einen Stützkern aus Polystyrol-Hartschaum bildet. Wenn man das Kissen in Weiterbildung der Erfindung mit Einblasöffnungen oder -düsen für Heißdampf und mit Dampf-Austrittsöffnungen versieht, so kann man in das Kissen vorgeschäumtes Granulat aus Polystyrol einfüllen und es anschließend mit Heißdampf durchströmen.

Dadurch expandieren die Granulatkörner, wodurch sie das Kissen prall füllen und schließlich einen stabilen Kern bilden, der zusammen mit der Blechmembran eine tragfähige Konstruktion ergibt.

Weil diese Vorrichtung im Gegensatz zu herkömmlichen Kuppeln und dergleichen eine vergleichsweise kleine Glasfläche aufweist, kann man quasi ohne Kostennachteil die Wände des Gehäuses in sehr vorteilhafter Art, zumindest überwiegend, aus Wärmedämmglas herstellen. Dies verringert im Winter und während der Nacht die Wärmeabstrahlung.

Da über die Abdeckung keine Wärmestrahlung ins Innere der Vorrichtung und damit auch des Gebäudes oder dgl. gelangen soll, kann man sie zusätzlich nutzen, wobei allerdings ihre Reflexionsmöglichkeit nicht oder zumindest nicht nennenswert beeinträchtigt werden sollte. Eine weitere Ausgestaltung in diesem Sinne besteht darin, daß die Außenfläche der Abdeckung Solarzellen oder ähnliche Wärmekollektoren trägt. Der darin erzeugte Strom kann im Inneren des Gebäudes und/oder auch für einen Drehantrieb ausgenutzt werden. Eine optimale Nutzung der Kollektoren ist dann gegeben, wenn sie in vorteilhafter Weise um eine bzw., bei Verwendung mehrerer Kollektoren, um jeweils eine horizontale Achse schwenkbar sind.

Wenn die Vorrichtung nicht die gesamte Öffnung eines Bauwerks, also bspw. einer Halle oder eines Wohngebäudes überdeckt, sondern nur eine Dachöffnung, so läßt sich ihr Effekt in Weiterbildung der Erfindung dadurch steigern, daß die Vorrichtung auf eine Öffnung eines Daches mit einer reflektierenden Dachoberseite aufgesetzt ist. Von dieser reflektierenden Dachfläche gelangen die Sonnenstrahlen an die Unterseite der Abdeckung und sie werden dort ins Gebäudeinnere nach unten hin umgelenkt, also auch zusätzlich ausgenutzt.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist durch einen insbesondere elektromotorischen Drehantrieb für die Vorrichtung gekennzeichnet. Dabei ist in sehr vorteilhafter Weise vorgesehen, daß der Drehantrieb mit einer Steuerung versehen ist, welche die Vorrichtung ausgehend von einer Grundstellung stets gegen die Sonne ausrichtet. Aus den vorstehenden Darlegungen wurde deutlich, daß es in diesem Sinne quasi zwei Grundstellungen gibt, nämlich eine Ausgangs- oder Grundstellung im Sommer, und eine solche im Winter. Im letzteren Falle ist die höchste Wand der Vorrichtung morgens gegen die Sonne ausgerichtet und sie wird durch Drehen der Vorrichtung während des ganzen Tages der Sonne nachgeführt. Bei Sommerbetrieb ist die Ausgangs- oder Grundstellung demgegenüber um 180° gedreht, jedoch erfolgt dann das Mitführen mit der Sonne in gleicher Weise.

Bei einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung bilden die Wände der Vorrichtung einen nach oben schräg abgeschnittenen Kreiszylinder oder polygonalen Hohlzylinder oder auch einen Kegelstumpf. Im letzteren Falle gibt es keine ausgeprägten Wände im Sinne einer hohen Wand und einer niederen Wand; vielmehr treten an deren Stelle entsprechende Wandbereiche. Bei der üblichen Größenordnung der Vorrichtung besteht aber auch ein Kegelstumpf aus einzelnen Teilflächen, so daß seine Grundfläche ein Polygon ist. Dies ermöglicht die Verwendung ebener Glasflächen und damit die Senkung der Kosten.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen dieser Vorrichtung und daraus resultierende Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Die Zeichnung zeigt dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei stellen dar:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines als Halle ausgebildeten Bauwerks mit aufgesetzter Vorrichtung;

Fig. 2 perspektivisch und schematisch die Wände der Vorrichtung;

Fig. 3 und 4 wiederum schematisch und in vertikaler Richtung geschnitten die Vorrichtung bei "Winterbetrieb" und bei "Sommerbetrieb".

Auf eine nach oben gerichtete Außenöffnung 1 eines beispielsweise als Halle gestalteten Bauwerks 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 3 aufgesetzt, wobei sie das Dach 4 des Bauwerks 2 nach oben hin überragt und die Öffnung 1 verschließt. Wesentliche Elemente der Vorrichtung sind seine Wände 5 sowie eine auf die oberen Wandenden aufgesetzte Abdeckung 6. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 bilden die Wände insgesamt ein ringförmiges Gebilde, welches im wesentlichen die Gestalt eines Kegelstumpfmantels hat, dessen unteres Ende 7 die Form eines Kreises oder eines in einen solchen eingeschriebenen Polygons aufweist, und dessen oberes Ende damit einen Winkel 9 in der Größenordnung von 15° bis 25° einschließt (Fig. 4). Dies stellt allerdings nur eine von vielen Gestaltungsmöglichkeiten dar. In einem Extremfalle könnten die Wände den Mantel eines schräg abgeschnittenen Pyramidenstumpfs bilden. Wesentlich ist nur, daß die Wände von einer höchsten Stelle 10 gegen eine niedrigste Stelle 9 hin abnehmen, wobei die höchste und die niedrigste Stelle einander gegenüberliegen bzw. bei einem Kreis oder Polygon um 180° versetzt sind. Dadurch erreicht man bei einer horizontal verlaufenden Öffnung 1 des Bauwerks 2 eine schräg geneigte Vorrichtung 3.

Die Abdeckung 6 der Vorrichtung 3 besitzt eine das Sonnenlicht stark bis total reflektierende Außenfläche oder Oberseite 12. Demgegenüber sind die Wände 5 gut lichtdurchlässig. Sie verlaufen in vertikaler Richtung oder leicht geneigt dazu, wie beim Ausführungsbeispiel, wo sie eine nach innen oben gerichtete Schräglage haben, bei einem Winkel in der Größenordnung von 15° gegenüber der Vertikalen.

Die Vorrichtung 3 ist gegenüber dem Dach 4 um eine vertikale Achse 13 drehbar. Im Falle einer kreisförmigen Öffnung 1 geht die vertikale Achse 13 durch das Zentrum der Öffnung. Das Drehen erfolgt mit Hilfe eines schematisch dargestellten Elektromotors 14. An sich reicht eine Drehung um etwa 180° aus, jedoch kann es durchaus vorteilhaft sein, wenn man eine Drehung um 360° vorsieht.

Die Wände 5 und die Abdeckung 6 bilden zusammen ein geschlossenes Gehäuse 15 der Vorrichtung. Dies schließt jedoch nicht aus, daß man die eine oder andere oder auch alle Wände in der Art von öffenbaren Fenstern ausbildet. Dadurch ist dann in üblicher Weise eine Be- und Entlüftung des Bauwerks 2 im Bereich der Vorrichtung möglich. Die Unterseite 16 der Abdeckung 6 besteht aus einem Licht und Wärme reflektierenden Material oder ist zumindest damit beschichtet. Entsprechendes gilt natürlich auch für die Oberseite 12. Beim Ausführungsbeispiel ist die Unterseite 16 ebenso wie die Oberseite 12 gewölbt, und zwar jeweils konvex, so daß insgesamt ein linsenförmiges Gebilde entsteht. Dieses kann man in vorteilhafter Weise dadurch herstellen, daß man es in der Art eines Kissens ausbildet, wobei man dann die Kissenhülle aus stark reflektierendem Material, bspw. Aluminiumblech oder dgl. herstellt. Der Hohlraum wird mit hochwärmedämmendem Material 17 gefüllt. Bevorzugterweise handelt es sich dabei um Polystyrol-Hartschaum, der aus in die Kissenhülle eingefülltem Granulat besteht, welches mit Hilfe von Dampf zum Aufquellen und zur Schichtbildung veranlaßt wird. Über entsprechende Öffnungen, vorzugsweise im Randbereich, kann man den Dampf einleiten und über mindestens eine zentrale Öffnung, vorzugsweise an der Unterseite 16, abführen.

Die Wände 5 bestehen gemäß Fig. 2 beim Ausführungsbeispiel aus einem Rahmen mit Verbindungsstreben 18, wodurch eine ganze Reihe von Durchbrüchen entsteht, die mit Scheiben aus wärmedämmendem Glas 19 verschlossen sind.

Der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung angestrebte und auch zu erzielende Effekt läßt sich dadurch noch verstärken, daß man der Wand 5 eine Reflexionsfläche vorlagert oder, anders ausgedrückt, die Außenseite des Daches 4 des Bauwerks zumindest im Bereich der Vorrichtung 3 aus reflektierendem Material herstellt, wobei man zweckmäßigerweise das gleiche Material verwendet wie bei der Außenfläche der Abdeckung 6.

Die Vorrichtung 3 kann, wie gesagt, um die vertikale Achse 13 gedreht werden. Dadurch läßt sich die Außenfläche 12 gemäß Fig. 4 der Sonne zukehren oder von der Sonnenstrahlung abwenden (Fig. 3). Demzufolge nimmt die Vorrichtung 3 in Fig. 4 eine um 180° gedrehte Stellung gegenüber der Drehlage nach Fig. 3 ein. In letzterer treffen die Sonnenstrahlen senkrecht oder nahezu senkrecht auf der Außenfläche der Wände 5 auf. Sie durchdringen die lichtdurchlässigen, vorzugsweise aus wärmedämmendem Glas bestehenden Wände 5 und gelangen an die Unterseite 16 der Abdeckung 6. Von dieser werden sie gemäß Fig. 3 nach unten innen reflektiert, wodurch das Licht und die Wärme der Sonnenenergie im Inneren des Bauwerks bzw. der Halle vorteilhaft ausgenutzt werden können. In Fig. 3 ist die Sonne in einer Stellung gezeichnet, die sie etwa bei der Wintersonnenwende einnimmt. Demgegenüber entspricht die Lage der Sonne in Fig. 4 der Stellung, welche sie etwa bei der Sommersonnenwende einnimmt. In dieser Jahreszeit ist die Hitze im Inneren des Gebäudes unerwünscht und infolgedessen ist der Sonne die reflektierende Außenfläche oder Oberseite 12 der Abdeckung 6 zugekehrt. Gemäß den eingezeichneten Pfeilen wird die Sonnenenergie an dieser Oberseite 12 reflektiert und in den Nachthimmel zurückgestrahlt. Weil die Abdeckung 6 aus hochwärmedämmendem Material besteht, gelangt an dieser Stelle keine Wärme ins Innere des Gebäudes, vielmehr stellt die Abdeckung 6 ein ihrer Größe entsprechendes Dach mit Wärmedämmung dar.

Weil die Sonne im Laufe eines Tages relativ zur Erde wandert, muß man die Vorrichtung in der Sommer- und in der Winterstellung jeweils der Sonne nachführen. Dies geschieht mit Hilfe des Elektromotors 14. Wenn man hierzu eine geeignete Steuerung vorsieht und die Vorrichtung 3 am Morgen in eine vorbestimmte Sommer- oder Winter- Ausgangsstellung bringt, so kann man mit Hilfe dieser Steuerung die Drehung entsprechend der Sonnenwanderung vornehmen. Die für den Drehantrieb benötigte Energie kann man aus Solarzellen oder dgl. beziehen, welche man außen an der Vorrichtung bzw. der Abdeckung 6 anbringt. Dies ist in Fig. 1 durch die Linie 20 versinnbildlicht.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur Steuerung des Sonnenenergieeinfalls für die Dachöffnung (1) eines Bauwerks (2), insbesondere einer Halle, eines Wohngebäudes und dgl., gekennzeichnet durch ein um eine etwa vertikale Achse (13) drehbar im Bereich der Außenöffnung (1) gelagertes, letztere verschließendes und nach oben überragendes Gehäuse (15) mit etwa vertikalen oder leicht nach oben innen geneigten lichtdurchlässigen Wänden (5), deren freie obere Enden (8) in einer gemeinsamen Ebene liegen, welche mit einer gedachten Horizontalebene einen Winkel (9) von etwa 15° bis 25° einschließen, und daß sich auf den oberen Enden (8) der Wände (5) eine die Sonnenstrahlung reflektierende, das Gehäuse (15) oben verschließende Abdeckung (6) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (16) der Abdeckung (6) aus Licht und Wärme reflektierendem Material besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung (6) zumindest im wesentlichen aus hochwärmedämmendem Material gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (16) der Abdeckung (6) gewölbt, vorzugsweise konvex gewölbt ist.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (16) der Abdeckung (6) durch eine diffus reflektierende Fläche gebildet ist.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abeckung (6) in der Art eines Kissens ausgebildet ist, das mit dem hochwärmedämmenden Material (17) gefüllt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hochwärmedämmende Material (17) einen Stützkern aus Polystyrol-Hartschaum bildet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kissen (12, 16) Einblasöffnungen oder -düsen für Heißdampf und mindestens eine Dampf-Austrittsöffnung aufweist.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (5) des Gehäuses überwiegend aus Wärmedämmglas (19) gebildet sind.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (12) der Abdeckfläche (6) Solarzellen und/oder ähnliche Solarkollektoren trägt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (20) um eine bzw. je eine horizontale Achse schwenkbar sind.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (3) auf eine Öffnung (1) eines Daches (4) mit einer reflektierenden Dachoberseite aufgesetzt ist.

13. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen insbesondere elektromotorischen Drehantrieb (14).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehantrieb (14) mit einer Steuerung versehen ist, welcher die Vorrichtung (3) ausgehend von einer Grundstellung stets gegen die Sonne ausrichtet.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung direkt auf die Sonne ausgerichtete Solarzellen (28) aufweist, welche in Abhängigkeit vom erzeugten Strom die Vorrichtung (3) kontinuierlich oder schrittweise nachführen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Zeitsteuerung für den Drehantrieb (14).

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (5) einen oben schräg abgeschnittenen Kreiszylinder oder polygonalen Hohlzylinder oder Kegelstumpf bilden.