DE19629237A1

DE19629237A1 - Einrichtung zur temperaturabhängigen Verschattung von Bauelementen

Info

Publication number: DE19629237A1
Application number: DE19629237A
Authority: DE
Inventors: Harry Wirth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1995-07-21
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: WO1997004207A1; DE19629237C2

Description

1. Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur temperaturabhängigen Verschattung von Bauelementen, z. B. Solarkollektoren und Gebäudeteilen, TWD-Fassaden, Fen ster oder Fensterelementen; man erreicht damit einen Überhitzungsschutz bei zu hoher Sonneneinstrahlung.

Eine zweite Anwendung ist die der Tageslicht-Lenkung für Fensterelemente. Eine weitere Anwendung ist die Isolierung von Solarkollektoren.

2. Stand der Technik und aktuelle Probleme

Das energetische Potential der Sonne als Wärme- und Lichtquelle hat zur Entwick lung von thermischen Komponenten wie Solarkollektoren und Hausfassaden mit transparenter Wärmedämmung (TWD) angeregt, sowie den Trend zur "gläsernen Architektur" eingeläutet, mit großzügig dimensionierten Spezialfenstern oder Tageslichtelementen. Mittlerweile sind die erreichten Wirkungsgrade so gut, daß es für Zeiten hoher Einstrahlung spezieller Vorrichtungen bedarf, um hohe Tempe raturen und möglichen Schaden am System abzuwenden.

2.1 Überhitzung

Zur Zeit gibt es keine geeignete Vorrichtung zum Schutz von Solarkollektoren ge gen Überhitzung; deshalb dürfen im gesamten Aufbau nur hochtemperatur-be ständige und damit teure Materialien verwendet werden (Metall, Glas, Holz). Mit der Verfügbarkeit einer geeigneten Technik rückt die Serienfertigung von Kollekto ren aus Kunststoff in greifbare Nähe, verbunden mit einem erheblichen Preisverfall pro m² installierte Fläche.

In Fassaden und Fenstern kommen Verschattungssysteme zum Einsatz. Eine Über sicht diesbezüglich bietet z. B. der Beitrag "Verschattungsvorrichtungen an Gebäu den - optische und thermische Auswirkungen" von A. Raicu, H.R. Wilson und V. Wittwer aus der Reihe "Innovative Lichttechnik in der Architektur" des Ostbayeri schen Technologie Transfer Instituts (OTTI). Tab. 1 zeigt eine Klassifizierung denkbarer Maßnahmen.

Statische Verschattungssysteme reduzieren den Gesamtertrag in erheblichem Maße oder haben sehr geringen Schalthub. Dynamische Systeme auf mechani scher Basis sind teuer in Anschaffung und Wartung; auch bergen sie ein hohes Ausfallsrisiko. Schaltbare Schichten (elektrochrom, thermochrom, thermotrop) be finden sich noch in der F Phase; eine Reihe von Fragen und Problemen im Zu sammenhang mit Wirkungsgrad, Schalthub, Langzeitstabilität und Serienfertigung sind noch ungelöst.

Tabelle 1

Übersicht Verschattungsmaßnahmen

2.2 Lichtlenkung

Im Fensterbereich ist reine Verschattung oftmals unerwünscht. Diffuses Licht, wie es z. B. ein bedeckter Himmel anbietet, soll möglichst ungehindert in den Raum. Direktes Sonnenlicht hingegen soll, besonders in der warmen Jahreszeit, zum großen Teil reflektiert werden, zum Teil für eine blendungsfreie Raumbeleuchtung sorgen.

Die Nachfrage für aktive lichtlenkende Fensterelemente ist groß, aber die gegen wärtig verfügbaren Produkte können immer nur einen Teil der Anforderungen erfül len. Elektrisch verstellbare Lamellen sind aufwendig, einfache infrarot-aktiv beschichtete Scheiben können nicht auf unterschiedliche Einstrahlungsbedingun gen reagieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Verschattung von Solarkollekto ren, Gebäudeteilen, Fenstern oder Fensterelementen oder zur Lichtlenkung für Fensterelemente zu schaffen, die ohne Fremdenergie auskommt, automatisch reagiert und einfach zu realisieren ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

3. Aufbau des Thermo-Lichtschalters (TLS)

Der beabsichtigte großflächige Schalteffekt wird erzielt durch den kollektiven Schaltvorgang vieler benachbarter TLS-Elemente.

Ein TLS-Element besteht aus einer thermisch aktiven Doppelschicht und einer opti schen Komponente.

Die thermisch aktive Doppelschicht (Abb. 1) besteht aus zwei Kunststoffschichten (1 und 2), z. B. eine Kombination von einachsig gereckter Polyamidfolie (1) und einer normalen, (d. h. ungereckten oder 2-achsig gereckten) Folie gleichen Materials (2). Die beiden Schichten haften fest aneinander. Ob die Doppelschicht transpa rent, reflektierend oder absorbierend ausgeführt wird, hängt von der Gesamt-Kon zeption des Schaltelements ab (siehe dazu §4).

Einachsig gereckte Kunststoffe (1) haben die Eigenschaft, ihre Elastizitätskonstan te in der Reckrichtung bei Erwärmung zu vergrößern (wegen der temperaturab hängigen Entropieelastizität) und somit in einer Richtung zu schrumpfen. Die isotrope Schicht (2) reagiert nur schwach auf die Erwärmung. Somit zeigt die Dop pelschicht bei Temperaturänderung eine Spannung quer zur Oberfläche, die die zylindrische Krümmung ändert (Prinzip des Bimetallthermometers). In dieser An ordnung reicht eine schwache und damit voll reversible Längenkontraktion der Schicht (1), um die Form des Elements in hohem Maße zu verändern. Abb. 1 zeigt das Prinzip der thermoelastischen Verformung, oben der normale, unten der über hitzte Zustand.

Eine für die Anwendung ausreichende Verformung auf einer Länge im Bereich 1-3 cm ist besonders vorteilhaft durch einen extremen "mismatch", der Längenausdeh nungskoeffizienten der beiden Materialien zu erreichen. Würde aber der gleiche, hohe "mismatch" auch in Querrichtung vorliegen (wie beim klassischen Bimetall- Element), dann käme es bei dieser Geometrie nicht zu der gewünschten Krüm mung, sondern zu einer unkontrollierbaren Verschrumpelung.

Durch die Verformung der thermisch aktiven Doppelschicht wird die ontische Komponente verformt oder bewegt. Verformung wird erreicht, wenn die thermisch aktive Doppelschicht (Abb. 1) eine zusätzliche reflektierende oder absorbierende Beschichtung erhält. Bewegung wird erreicht, wenn die thermisch aktive Doppelschicht einen Fortsatz hat, der sich selbst nicht verformt, aber durch die Verformung der Doppelschicht seine Ausrichtung ändert. Dieser Fortsatz kann ein Fortsatz der Schicht (1) oder der Schicht (2) aus Abb. 1 sein, oder aus einem an deren Kunststoff oder Metall bestehen. Der Fortsatz ist reflektierend oder absorbie rend beschichtet oder ausgebildet. Vorteilhaft ist aber, wenn sich die gesamte Fläche in eine Richtung krümmt, wie in Abb. 1 dargestellt.

Geometrie und Anordnung des TLS-Elements ist derart, daß das Gesamtsystem im erhitzten Zustand weniger Sonnenlicht absorbiert als im kalten Zustand.

In Abb. 2 ist ein selbstregulierendes Sonnenschutz-System dargestellt. Recht eckige Profile 4 bilden mit Schnüren 5 den Träger. Die Streifen 6 sind Aluminium folien, der Stärke und E-Modul so gewählt sind, daß sie eine waagrechte Ruhestel lung einhalten können (Abb. 2a), sich aber gleichzeitig ohne Verlassen des elasti schen Dehnbereichs in die Form (Abb. 2b) biegen lassen. Auf der Unterseite der Alu-Folien sind einachsig gereckte Folien aus Kunststoff auflaminiert. Diese kon trahieren bei Erhöhung der Temperatur in Reckrichtung und verformen die Alufolie elastisch (Abb. 2b). In Reckrichtung zeigen diese Kunststoff-Folien ein E-Modul, das um ein Vielfaches höher ist als in Querrichtung bzw. im ungereckten Zustand; auch verringert sich die Kriechneigung dramatisch. Mit diesen Voraussetzungen kann die Alu-Folie für längere Zeit in der gekrümmten Form festgehalten werden. In Querrichtung zeigt die gereckte Folie eine andere Wärmeausdehnung als die Alu- Folie; da aber E-Modul und Kriechfestigkeit in Querrichtung viel kleiner als in Längsrichtung sind, paßt sich die gereckte Folie der Temperaturausdehnung der Alufolie in Querrichtung an und die Verformung des Laminats verläuft wie ge wünscht.

Durch die Verformung bei erhöhter Temperatur kann Sonnenlicht im Überhitzungs fall von der Anwendung ferngehalten wenden. Die Anordnung von Folie und Trä gerprofil gewährleistet, daß die Lichtumlenkung nur einer einzigen Reflexion be darf. Dies ist wichtig wegen der zwar geringfügigen, aber unvermeidlichen Ab sorption und Eigenerwärmung der Folie.

Bei fehlender Einstrahlung und tiefen Außentemperaturen (Winter, nachts) kühlt das Laminat so weit ab, daß eine Verformung in Gegenrichtung stattfindet (Abb. 2c). Die Alu-Folie reduziert damit den Wärmestrahlungsaustausch zwischen Innen raum und der kalten Außenscheibe und verbessert damit den k-Wert der Anord nung.

Vorteilhafterweise ist die Scheibe 3 die Außenscheibe eines Fensters bzw. Kollek tors und die Träger 4, 5 mit den Doppelmembran 1, 2 befinden sich im Zwischen raum zwischen der Außenscheibe und der nicht dargestellten Innenscheibe.

4. Eigenschaften des Thermo-Lichtschalters

Die reflektierenden TLS-Elemente können im Falle des Kollektors auch vor dem Absorber selbst befestigt werden.

Bei Anwendung im Fensterbereich (etwa Überkopfverglasung) ist der Absorber durch eine zweite Glasscheibe ersetzt, im Falle der Gebäudefassade ist statt dem Absorber die Wand angeordnet oder z. B. eine transparente Wärmedämmwand vor der Fassade.

Bei Anwendung als automatische Tageslicht-Lenkung (Abb. 3 ) ist das TLS-Ele ment mit einer optisch aktiven Schicht ausgestattet, die teilweise reflektiert und teilweise absorbiert. Im normalen Zustand (keine direkte Sonneneinstrahlung) las sen die Elemente einen Großteil des eintreffenden Lichtes passieren (Abb. 3a). Falls aber die Sonne scheint, führt die teilweise Absorption der optisch aktiven Schicht zu einer Erwärmung des Elements. Als Folge geht das Element in den er hitzten Zustand über; die neue Form (Abb. 3b bzw. Abb. 3c) reflektiert teilweise an die Zimmerdecke, wodurch eine vorteilhaften Lichtverteilung im Raum erzeugt wird, und teilweise nach außen, wodurch überschüssige Energie abgegeben wird.

Je nach Zielsetzung kann eine Anbringung an der front- oder der rückseitigen Scheibe der Doppelverglasung vorteilhafte Effekte zeigen. Frontseitige Anbringung kann zur thermischen Kopplung an die variable Außentemperatur führen, rücksei tige Befestigung koppelt an die (annähernd) konstante Innentemperatur.

Wenn die TLS-Elemente als lange schmale Elemente hergestellt werden (z. B. als Streifen, deren Länge zwar über die gesamte Fensterbreite reicht, deren Lamellen breiten aber unter 1 mm liegen und deren gegenseitiger Abstand unter 2 mm liegt), ist zunehmend auch Durchsicht möglich, und damit ein Einsatz bei Fenstern in Augenhöhe. Je kleiner die Breite, umso weniger wird die gerade Durchsicht durch die Streifen (Abb. 3a) gestört; im Idealfall sind sie auch für einen Beobachter in Fensternähe nur noch als Linien sichtbar. Eine weitere Verbesserung der Durchsicht kann durch eine Reduzierung des Kontrastes erreicht werden, etwa in dem die Streifen nur teilweise reflektierend oder absorbierend (z. B. 30-80%) und dafür den Rest des Lichtes transmittieren.

Eine Anordnung der TLS-Elemente quer zur Richtung der natürlichen Konvektion, wie in Abb. 3 dargestellt, kann einen Beitrag zur Verringerung des k-Wertes lei sten, z. B. im Inneren von Doppelfenstern oder von Solarkollektoren.

5. Herstellung des Thermo-Lichtschalters

Die einachsige gereckte Schicht kann als Folie oder Faser bereitgestellt werden; viele thermoplastischen Standard-Kunststoffe wie Polyethylen oder Polypropylen lassen sich recken. Z.B. sind einachsig gereckte Folien aus Polyamid (15 µm dick) oder Polypropylen (40 µm dick) Stand der Technik. Der Verbund mit der zweiten Schicht kann z. B. durch Koextrusion, Verklebung oder einfache adhäsive Haftung (z. B. bei Lacken) gewährleistet werden.

Die optisch aktive Komponente kann durch eine spiegelnde Aluminium-Beschich tung (z. B. Bedampfung) erzeugt werden. Für unkritische Anwendungen reicht auch eine milchige Folie. Wenn die optisch aktive Komponente absorbieren soll, wird ei ne dunkle Färbung gebraucht.

Die Haftung an der Scheibe wird durch Kleber erzielt, oder bei leichter Fertigung der Elemente durch (selbständige) Adhäsion, oder wie in Abb. 2 dargestellt.

Das Ausmaß der thermischen Verformung sowie der Schaltpunkt kann durch den Grad der Reckung der anisotropen Schicht in weiten Grenzen eingestellt werden.

Die Form des Elements im Normalzustand kann durch Warmformen festgelegt wer den.

Als Geometrie kommen isolierte Elemente wie auch längliche Streifen von ca. 1-5 cm in Frage. Durch entsprechende Orientierung der Schichten kann die Formände rung für spezielle Anwendungen auf zwei Dimensionen ausgedehnt werden, ver gleichbar mit dem Öffnen einer Blüte (s. Abb. 5). Eine solche Anordnung ver größert den optischen Schalthub. Wenn das TLS-Element z. B. reflektierend ausge führt ist, wird es im Normal betrieb eine kleine, im überhitzen Zustand eine große Schattenfläche erzeugen. Das Verhältnis dieser beiden Flächen ist der optische Schalthub.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist deshalb der Einsatz anisotroper Materia lien. Ideal sind z. B. einachsig gereckte Polymerfolien als innere Folie: in Reckrich tung sind sie hart (hohes E-Modul) und haben große, negative Ausdehnungskoeffi zienten. In Kombination mit z. B. Aluminiumfolien (kleine, positive Koeffizienten) ergibt sich ein hoher "mismatch".

In Querrichtung haben sie positive Ausdehnungskoeffizienten und sind "weich", so daß sie (wie erforderlich) spannungsfrei der Ausdehnung der äußeren Folie folgen können und es zu keiner Querverformung kommt.

6. Ausführungsbeispiel

Elemente der in Abb. 1 skizzierten Art wurden durch Kombination einer marktübli chen selbstklebenden, reflexbeschichteten Folie mit einer einachsig gereckten Polyamidfolie hergestellt. Sie zeigten bei Temperaturänderung eine reversible Formänderung gemäß Voraussage. (Das zuletzt entwickelte Modell zeigte nach keinem der Versuche irreversible Verformung; sie tritt erst bei sehr hohen Tempe raturen auf, z. B. < 100°C, wenn das Material zu erweichen beginnt.)

Die Einrichtung kann gemäß Anspruch 9 auch verwendet werden, Bauteile oder Solarkollektoren zu isolieren, letztere z. B. bei Nacht oder Wind, und Bauteile im Winter. Die Doppelschicht muß dann in der Regel um 180° gewendet angeordnet sein, so daß bei erhöhter Temperatureinwirkung die Isolierung von der zu isolieren den Fläche wegbewegt wird.

Claims

1. Einrichtung zur temperaturabhängigen Verschattung von Bauelementen, z. B. Solarkollektoren und Gebäudeteilen, TWD-Fassaden, Fenstern oder Fenster elementen, und/oder zur Lichtlenkung durch Fensterelemente, dadurch gekennzeichnet, daß eine infolge höherer Temperatur in mindestens eine Richtung beweg bare Doppelschicht (1, 2) und eine mittels derselben vor das zu verschat tende Bauelement (3) bewegbare optische Schicht vorgesehen ist, die min destens teilweise entweder transparent oder reflektierend oder absorbierend ausgebildet ist und eine ebenso große Fläche aufweist wie das zu ver schattende Bauelement, wobei die Doppelschicht (1, 2) aus einer einachsig gereckten Kunststoffolie (1) und einer ungereckten oder zweiachsig ge reckten Folie (2) des gleichen oder eines ähnlichen Materials ist, z. B. Po lyamid, oder die Folie (2) aus einer spiegelnden Metallfolie oder einer Isolier schicht besteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Schicht (1) selbst die optische Schicht (4) angeordnet, z. B. ge klebt, aufgedampft oder durch Adhäsion aufgebracht ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Schicht ein Fortsatz einer der beiden Schichten (1, 2) ist oder aus einem anderen Material.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschicht (1, 2) sich unter Temperatureinwirkung einrollt und/oder horizontal oder vertikal vor das zu verschattende Element (3) be wegbar ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelschicht etwa so lang wie die Breite des Bauelementes (3) ausgebildet ist, aber nur eine eigene Breite von 1 bis 5 cm beträgt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die Breite nur bis zu 2 mm beträgt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einrichtungen in horizontaler oder vertikaler oder in Arrayan ordnung vorgesehen sind.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung in Solarkollektoren als zweite Schicht (2) eine isolie rende Schicht vorgesehen ist und die Doppelschicht (1, 2) derart angeord net ist, daß bei Temperatureinwirkung die Doppelschicht von dem zu isolie renden Element wegbewegt wird und ohne Temperatureinwirkung auf dem zu isolierenden Element zu liegen kommt.

9. Verwendung einer Einrichtung nach den Ansprüchen 1-8 zur Konvektions unterdrückung in Solarkollektoren oder in dem Zwischenraum von Doppel fenstern.