DE3927947A1 - Einrichtung zur steuerung der transmission von licht einer strahlungsquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Steuerung der Transmission von Licht einer Strahlungsquelle, insbesondere von Sonnenlicht zur Verwendung an Gebäuden.

Transluzente Wärmedämmung (transparente Isola­ tion, TI) an Gebäuden läßt einfallendes Sonnenlicht von außen nach innen hindurch, Wärmeverluste von innen nach außen durch Wärmeleitung oder -strahlung werden jedoch durch den Isolationscharakter der TI weitgehend vermieden. Als Ergebnis hat man für das Gebäude einen Energiegewinn, der dem eines Fensters vergleichbar ist, jedoch nur Verluste, die denen einer gut gedämmten Wand entsprechen (TI-Effekt).

Ist dieser Effekt im Winter erwünscht, weil er den Jahresheizenergiebedarf eines Gebäudes auf einen Bruch­ teil reduzieren kann, so kann er im Sommer zur Überhitzung eines Gebäudes bis hin zur Unbewohnbarkeit führen. Es muß also ein Mittel vorgesehen werden, das den TI-Effekt im Sommer ausschaltet. In der Regel geschieht dies durch vari­ able oder statische Abschattung.

Die variable Abschattung, z.B. durch Rollos, Markisen oder Jalousien, ist wegen der Beweglichkeit der Elemente vergleichsweise aufwendig und entsprechend teuer.

Die statische Abschattung, z.B. Lamellengitter, Dachüberstände, ist leicht zu realisieren und relativ preis­ wert, regelt aber zu "weich", d.h. es gibt einen breiten, kontinuierlichen übergang zwischen dem Transmissions- und dem Sperrzustand des Systems. Als Folge hat man in der Regel zuwenig Strahlung während der Heizperiode und zuviel Strah­ lung in den Sommermonaten.

Schärfer noch als bei der TI an Gebäuden stellt sich das Problem der sommerlichen Überhitzung bei Wintergär­ ten und verglasten Räumen, weil hier die Energie der einfal­ lenden Sonnenstrahlung nicht verzögert und dosiert, sondern sofort und direkt an den Raum abgegeben wird. Hier werden bewegliche Sonnenschutzeinrichtungen wie Sonnensegel, Marki­ sen, Jalousien, in der Regel für unentbehrlich gehalten.

Auch statische Elemente zur Regulierung der Ein­ strahlung werden auf dem Markt angeboten, insbesondere speziell gekrümmte Reflektorlamellen zwischen Doppelglas­ scheiben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Steuerung der Transmission von Licht einer Strahlungsquelle so auszubilden, daß die Trans­ mission unmittelbar in Abhängigkeit von der Richtung des einfallenden Lichtes steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Aufgabenlösung werden einfallende Lichtstrahlen fokussiert, beispielsweise zu Brennpunkten oder Brennlinien. In der Brennebene befindet sich die Anordnung aus strahlungsdurchlässigen und strah­ lungsundurchlässigen Mitteln. Da sich die Brennpunkte bzw. die Brennlinien in Abhängigkeit von der Einstrahlungsrich­ tung in der Brennebene verschieben, kann durch entsprechende Anordnung und Ausbildung der Transmissions- und Reflexions­ mittel erreicht werden, daß Strahlen aus einem bestimmten Einstrahlungsbereich nicht durchgelassen oder reflektiert und Strahlen aus einem anderen bestimmten Einstrahlungsbe­ reich durchgelassen werden. Damit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzüglich zur Verwendung an Fassaden und Dä­ chern von Gebäuden zur Steuerung der Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit vom Sonnenstand geeignet, beispielsweise der­ art, daß im Sommer die Sonnenstrahlen reflektiert und im Winter durchgelassen werden, wobei eine relativ harte Steue­ rung realisierbar ist.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die speziellen Weiterbildungen nach den Un­ teransprüchen ergeben sich weitere Vorteile.

Die Linsen-, insbesondere die Zylinderlinsenele­ mente, sind im Extrusionsverfahren leicht und kostengünstig in großen Flächen und Stückzahlen aus transparentem Kunst­ stoff herstellbar.

Die Ausrichtung der Linsen- bzw. Zylinderlinsen­ felder in beliebiger Anordnung auf senkrechten oder geneig­ ten Flächen ermöglicht bei gegebenem Bedarf eine Strahlungs­ selektion nicht nur nach der Sonnenhöhe, sondern auch nach Sonnenstandskriterien relativ zu jeder beliebigen Achse, vgl. Ansprüche 10 und 11.

Die Linsenelemente sind passiv und statisch, d.h. sie werden einmal im vorgefertigten Zustand montiert und brauchen fortan für ihr Steuerungsverhalten nicht mehr bewegt zu werden; sie benötigen auch keine Energie.

Werden die Linsen- bzw. Zylinderlinsenfelder und die Reflexionsstreifenmuster als zwei getrennte Platten gefertigt, so kann das Steuerverhalten des Systems nachträg­ lich durch Verschieben der Platten gegeneinander abgestimmt werden, vgl. Ansprüche 7 und 8.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beige­ fügten Zeichnung näher erläutert werden.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Ein­ richtung in einschaliger Ausführung,

Fig. 2 schematisch eine erfindungsgemäße Einrich­ tung in zweischaliger Ausführung und

Fig. 3 schematisch eine spezielle Anordnung der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ein­ gesetzten Linsen.

Die Fig. 1 zeigt eine einschalige Ausführung einer Einrichtung 2 zur Steuerung der Transmission von Licht einer Strahlungsquelle, insbesondere von Sonnenlicht. Die Ausführungsform nach Fig. 1 besteht aus einer transparenten Platte 4, beispielsweise aus Kunststoff, auf deren Außensei­ te Zylinderlinsen 6 angeordnet sind und deren Innenseite ein auf die Zylinderlinsenanordnung abgestimmtes Muster von reflektierenden und transmittierenden Streifen 8 und 10 aufweist. Diese einschalige Ausführungsform ist sehr kosten­ günstig. Um die außenliegende Linsenstruktur vor Staub und Wettereinflüssen zu schützen, kann eine zusätzliche transpa­ rente Verkleidung 12 (gestrichelt eingezeichnet) vorgesehen werden. Die Innenseite mit den reflektierenden und transmit­ tierenden Streifen liegt in der Brennebene der Zylinderlin­ sen.

Die Fig. 2 zeigt eine zweischalige Ausführungs­ form einer Einrichtung zur Steuerung der Transmission von Licht einer Strahlungsquelle, insbesondere von Sonnenlicht. Diese Ausführungsform besteht aus einer ersten transparenten Platte 14, beispielsweise aus Kunststoff, die innen mit einer Zylinderlinsenstruktur 16 versehen ist und einer zwei­ ten, zur ersten Platte beabstandeten Platte 18, beispiels­ weise aus Kunststoff, die in der Brennebene der Zylinderlin­ senstruktur liegt und ein Muster von reflektierenden und transmittierenden Streifen 20 bzw. 22 aufweist.

Zwischen den beiden Platten 14 und 18 ist ein Luftspalt 24 gebildet, dessen Dicke etwa der Brennweite der Zylinderlinsenanordnung entspricht. Das Muster von reflek­ tierenden und transmittierenden Streifen 20 bzw. 22 befindet sich etwa in der Brennebene der Zylinderlinsenstruktur.

Die zweischalige Ausbildung ist vorzugsweise ver­ schiebbar ausgebildet, und zwar dadurch, daß die zweite Platte oder die Folie 18 mit dem Reflexions/Transmissions­ muster 20, 22 relativ zur ersten Platte bzw. zur Zylinder­ linsenstruktur verschiebbar ausgebildet ist.

Die erste transparente Platte 14 ist außenseitig bevorzugt glatt ausgebildet und kann wetterfest ausgerüstet sein, so daß sie keines weiteren Schutzes mehr bedarf. Die zweischalige Ausführung kann sehr material­ sparend realisiert werden, weil in diesem Falle die Mindest­ schichtdicke des Materials nicht durch die Brennweite der Zylinderlinsen bestimmt ist.

Bei der beschriebenen Anordnung werden vorzugs­ weise Elemente verwendet, die aus einer Platte 4 bzw. 14 mit mehreren, ein Zylinderlinsen-Feld bildenden Zylinderlinsen­ elementen bestehen.

Eine horizontale Anordnung der Zylinderlinsen bzw. der Zylinderlinsen-Felder vor einer vertikalen Fassade mit horizontaler optischer Achse führt zu einer Steuerung der Transmission nach der Sonnenhöhe.

Eine Steuerung nach der Jahreszeit ist folgender­ maßen möglich: Werden die waagerechten Zylinderlinsenele­ mente so orientiert, daß ihre Zylinderachse und ihre op­ tische Achse in einer Ebene parallel zur Äquatorebene liegen und daß die Ebene des Zylinderlinsen-Feldes senkrecht dazu in Richtung der Polarachse P steht (eine solche äquatoriale Orientierung zeigt die Fig. 2), so haben alle Sonnenstände eines Tages relativ zur optischen Achse des Zylinderlinsen- Systems dieselbe Höhe, d.h. die Direktstrahlung des ganzen Tages wird auf eine ortsfeste Brennlinie abgebildet. Die Lage der Brennlinie verändert sich mit der Deklination, d.h. mit der Jahreszeit. Auf diese Weise ist eine scharfe jahres­ zeitliche Steuerung des Lichteinfalles durch das System möglich, z.B. Umschalten von Transmission auf Reflexion jeweils am 1. Mai.

Durch die beschriebenen Anordnungen von Zylinder­ linsen-Feldern, welche die einfallende direkte Sonnenstrah­ lung auf scharfe Brennlinien konzentrieren, wird eine rich­ tungsselektive Transmission und damit eine hart abgestufte Steuerung der durchgelassenen Strahlungsenergie erreicht.

In den Fig. 1 und 2 bezeichnet A Direktstrahlung hochstehender Sonne, beispielsweise im Sommer, die reflek­ tiert wird, und B die Direktstrahlung tiefstehender Sonne, beispielsweise im Winter, die transmittiert wird.

Entsprechend speziellen Bedarfsfällen kann so­ wohl die Zylinderachse als auch die optische Achse des Zylinderlinsen-Feldes fast beliebig ausgerichtet werden, um Sonnenstandsbedingungen bezüglich fast beliebiger Richtungen zu erfüllen, nicht nur bezüglich Sonnenhöhe oder Jahreszeit.

In besonderen Fällen können zwei Zylinderlinsen- Systeme hintereinander angeordnet werden, um Selektionsbe­ dingungen in zwei verschiedenen Richtungen gleichzeitig zu erfüllen. Auch ist die Realisierung zweier Zylinderlinsen- Felder unterschiedlicher Richtung auf nur einer Platte mit den entsprechenden Reflexions-Transmissionsmustern möglich.

Um die bei großen Öffnungsverhältnissen auftre­ tenden Fokussierungsfehler zu reduzieren, können Zylinder­ linsen verwendet werden, die statt eines Kreisbogenquer­ schnittes einen Ellipsen-, Parabel- oder Hyperbel- oder anderweitig korrigierten Querschnitt aufweisen (sogenannte azyklische Zylinderlinsen).

Anstelle erhabener Zylinderlinsen aus optisch brechendem Material können die Zylinderlinsen auch hologra­ fisch auf einem beliebigen transparenten Substrat realisiert werden. Allerdings ist die Brennweite bei diesem Verfahren wellenlängenabhängig, so daß sich bei der Breite des solaren Strahlungsspektrums ein entsprechend weicheres Steuerverhal­ ten des Systems ergibt. Außerdem haben holografische Linsen immer nur einen beschränkten Beugungswirkungsgrad, das heißt, daß nicht alles eingestrahlte Licht der Linsenwir­ kung unterliegt. Insbesondere ist bei dieser Anordnung die nullte Ordnung zu minimieren, d.h. der Strahlungsanteil, der ungebeugt hindurchgeht und nicht der Steuerung durch das System unterliegt.

Anstelle erhabener, voll ausgeformter Zylinder­ linsen können auch lineare Fresnel-Linsen Verwendung finden. Das lineare Fresnel-Linsenmuster kann durch Walzen oder Extrudieren eines fast beliebigen transparenten Materials realisiert werden. Es kann mit geringem Aufwand z.B. auf eine Glasplatte geklebt werden. Fresnel-Linsen erlauben große Linsendurchmesser und in einem weiten Rahmen fast beliebige Brennweiten bei gleichzeitig geringstem Material­ aufwand, und sie sind leicht optisch zu korrigieren.

Claims (16)

1. Einrichtung zur Steuerung der Transmission von Licht einer Strahlungsquelle, insbesondere von Sonnenlicht, gekennzeichnet durch

• - eine Anordnung aus gering transmittierenden oder reflektierenden Mitteln (8, 20) und aus Mitteln (10, 22) mit hoher Transparenz, und
• - eine Anordnung aus optischen Körpern (6, 16), die die Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der Einstrah­ lungsrichtung auf die gering transmittierenden oder reflektierenden Mittel und die Mittel mit hoher Trans­ parenz umlenken bzw. fokussieren.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus gering transmittierenden oder reflek­ tierenden Mitteln und den Mitteln mit hoher Transparenz parallel verlaufende Streifen (8, 10; 20, 22) aufweist, die aufeinanderfolgend, im Wechsel gering transmittierend oder reflektierend und stark transmittierend oder strahlungs­ durchlässig ausgebildet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Körper Linsen (6, 16) sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch eine transparente Platte (4), die auf ihrer Außenseite die Linsen (6) und auf ihrer Innenseite die gering transmittierenden oder reflektierenden Streifen (8) und die stark transmittierenden oder strahlungsdurchlässigen Streifen (10) aufweist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (4) und die Linsen (6) aus einem Stück beste­ hen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platteninnenseite mit dem Streifenmuster in der Brennebene der Linsen (6) liegt.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekenn­ zeichnet durch eine erste transparente Platte (14), die innenseitig die Linsen (16) aufweist, und eine zweite, beabstandet zur ersten Platte angeordnete Platte oder Folie (18), die außenseitig oder innenseitig die gering transmit­ tierenden oder reflektierenden Streifen (20) und die stark transmittierenden oder strahlungsdurchlässigen Streifen (22) aufweist, wobei das Streifenmuster (20, 22) in der Brenn­ ebene der Linsen (16) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Platte oder Folie (18) relativ zur ersten Platte (14) bzw. zum Linsenfeld (16) verschiebbar ausgebil­ det ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (6, 16) ohne Abstand zueinander auf den Platten (4, 14) angeordnet oder ausgebildet sind.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (6, 16) Zylinder­ linsen, holografische Linsen und/oder lineare Fresnel-Linsen sind.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen (6, 16) mit ihrer Zylinderachse und ihrer optischen Achse in einer Ebene liegen, die zu der geografischen Äquatorebene (26) parallel oder annähernd parallel verläuft.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ebene des Zylinderlinsen-Feldes etwa senk­ recht zur Äquatorebene (26) in Richtung der Polarachse (P) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlinsen einen vom kreisbogenförmigen Querschnitt abweichenden Querschnitt auf­ weisen.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Kombination wenigstens zweier Zylinderlinsen-Systeme mit unterschiedlich ausgerichteten Zylinderachsen und entsprechend angeordneten Transmis­ sions/Reflexionsstreifenmustern.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß anstelle der Zylinderlinsen holografische Linsen oder lineare Fresnel-Linsen vorgesehen sind.

16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen aus einem durch­ sichtigen Kunststoff bestehen.