DE2936295A1 - Beleuchtungseinrichtung zur ausleuchtung eines raumes mit tageslicht - Google Patents

Description

• Beleuchtungseinrichtung zur Ausleu(htung eines
• Raumes mit Tageslicht Die Erfindung betrifft eine Beleuc'1tungseinrichtullg zur Ausleuchtung eines Raumes mit Tageslicht, das durch eine Fensteröftnlmg in einer Außenwand eintritt.
• Bei konventionellen Bauten, bei denen das Tageslicht durch eine gewöhnliche Fensteröffniing in der Außenwand in den Raum eintritt, ergibt sich eine sehr ungleichmäßige Lichtverteilung: In der Nähe des Fensters ist die Lichtstärke - vor allem bei Sonneneinstrahlung sehr hoch; mit zunehmendem Abstand von dem Fenster fällt sie jedoch sehr stark ab. Die daraus resultierenden großen Unterschiei in der T.euch-tdichteverteilung haben eine Blendung der Raumbenutzer zur Folge.
• Um ein ausreichend hohes Beleuchtungsniveau bei befriedigender Gleichmäßigkeit zu erzielen, ist daher häufig such während des Tages zusätzlich Kunstlicht erforderlich.
• Die Möglichkeit der direkten Sonneneinstrahlung führt ferner zu einer erheblichen Wärmebelastung der Räume.
• Das gilt insbesondere dann, wenn Aie Fensterflächen sehr groß gewählt werden, um viel Tageslicht in den Raum einzulassen.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Änderung der Lichtstärke in Abhängigkeit vom Abstand von der Fensteröffnung wesentlich geringer ist als bei konventioneller Bauweise; insbesondere sollen die hohe Lichtstärken in der Umgebung der Fenster abgebaut und die Ausleuchtung in der Tiefe des Raumes so weit verbessert werden, daß eine volle Nutzung des Raumes auch ohne zusätzliches Kunstlicht möglich ist.
• Die erfindungsgemäße Lösung in dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Fensteröffnung eine äußere Prismenscheibe mit nebeneinander parallel und horizontal verlaufenden, im Querschnitt dreieckigen Prismen angeordnet ist, die eine ebene Seite aufweist, die mit der Außenwand einen nach unten offenen spitzen Winkel bildet, daß zwischen dem äußeren Ende der äußeren Prismenscheibe und der Unterkante der Fensteröffnung eine ebene, auf der Oberseite spiegelnd ausgebildete Platte angeordnet ist, daß in der Fensteröffnung eine innere Prismenscheibe mit im Querschnitt sägezahnförmigen, horizontal verlaufenden Prismen angeordnet ist, wobei die Prismen der beiden Prismenscheiben so bemessen und gerichtet sind, daß die auf die äußere Prismenscheibe auftreffenden und direkt oder über die Platte in den Raum gelenkten Lichtstrahlen einen Winkel mit der Vertikalen bildenund daß die Decke des Raumes reflektierend ausgebildet ist.
• + bei dem keine Direktblendung möglich istZ Der Mindestwert des Winkels der durch die innere Prismenscheibe in den Raum eintretenden Lichtstrahlen hängt von den Raumdimensionen ab. Vorzugsweise wird dieser Winkel so groß gewählt, daß nicht nur eine völlige Blendungsfreiheit gewährleistet ist, sondern darüberhInaus alle Lichtstrahlen auch von der Decke oder gegebenenfalls einem der Fensteröffnung gegenüberliegenden Wandelement in den Raum zurückreflektiert werden; in jedem Fall wlrd dieser Winkel mindestens einen Wert von 700 haben.
• Die Decke besteht vorzugsweise aus Aluminium mit matter Oberfläche, die derart beschaffen ist, daß sich ein beachtlicher gerichtet reflektierter Lichtanteil ergibt. Sie hat die Aufgabe, das durch die Fensteröffnung eintretende Licht möglichst völlständig zu erfassen und so zu reflektieren, daß die reflektierten Lichtstrahlen maximal einen Winkel von 450 mit der Vertikalen einschließen: Dadurch wird eine Biendung vollständig vermieden. Auf der Basis dieser Bedingung läßt sich die optimale Krümmung der Decke berechnen bzw, konstruieren. Um die genannte Bedingung bei Räumen mit üblicher Raumtiefe erfüllen zu können, müsste die Decke verhältnismäßig weit nach unten gezogen werden.
• Um dies zu vermeiden, kann man die sich ergebende Gesamtkurve in einzelne Abschnitte teilen und nach jedem Abschnitt eine nach oben verlaufende Rückfläche vorsehen, an die sich dann wieder der nächste Abschnitt anschließt. Vorzugsweise werden diese einzelnen abschnitte durch nahezu ebene Schrägflächen angenähert. Bei entsprechend großer Raumtiefe ergeben sich daher mehrere im Abstand vcneinander angeordnete Schrägflächen, deren Winkel gegen die Vertikale umso kleiner und deren Vertikalprcjektion umso größer ist, je größer ihr Abstand von der Fensteröffnung ist.
• Zweckmäßigerweise erstrecken sich die Prismenscheiben über die ganze Lunge der Außenwände. In diesem Fall genügt eine Fensteröffnung von etwa 20% der Raumhöhe, um eine gleichmäßige blendungsfreie Ausleuchtung des ganzen Raumes zu erzielen, wobei die Fensteröffnung zweckmäßigerweise unmittelbar an die Decke des Raumes angrenzt. Zusätzlicn können dann übliche Fenster vorgesehen werden, die jedoch lediglich dem Sichtkontakt nach draußen dienen und dementsprechend klein bemessen werden können.
• Die überraschend ute Ausleuchtung eines Raumes mit Hilfe der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung beruht vor allem auf der Ausnutzung des sogenannten Zenitlichtes, d.h. der Lichtstrahlen mit einem Einfallswinkel - gemessen gegen die Horizontale - von größer 45C Dieses Zeni+licht ist besonders hell und wird durch die Erfindung ebenfalls in die Tiefe des Raumes umgelenkt.
• Bei der äußeren nrismensche.be liegen zweckmäßigerweise die Prismen auf der Innenseite, so daß die Prismenscheibe eine ebene Außenseite aufweist. Der Winkel zwischen der Unterseite jedes Prismas dieser äußeren Prismenscheibe und deren ebenen Außenseite wird vorteilhaft so gewählt, daß Strahlen mit einem Einfallswinkel unter einem vorgegebenen Grenzwert total reflektiert werden. Dieser Grenzwert wird so gewählt, daß praktisch alle direkten Sonnenstrahlen einer Totalreflexion unterliegen, so daß sich keine Aufheizung der zu beleuchtenden Räume durch Sonnenstrahlen ergibt. Die Rückseiten der Prismen der äußeren Prismenplatte haben zu diesem Zwecke auf der Innenseite eine Verspiegelung, so daß die Sonnenstrahlen wieder nach außen umgelenkt werden.
• Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung können auch die Außenseiten der Rückseiten der Prismen verspiegelt sein: Evtl. auf diese Außenseiten auftreifende.> Lichtstrahlen werden dann nicht nochmals durch das Prisma gebrochen sondern über diese Verspiegelung direkt in die Fensteröffnung umgelenkt.
• Im Interesse eines möglichst hohen Wirkungsgrades wird der nach unten offene spitze Winkel zwischen der äußeren Prismenscheibe und der Vertikalen so gewählt, daß die Unterseiten der einzelnen Prismen der äußeren Prismenplatte mit der Vertikalen einen Winkel zwischen 800 und 1000 einschließen: In diesem Fall wird der größte Anteil des Zenitlichtes chne zusätzliche Reflexion direkt in die Fensteröffnung gelenkt.
• Die Erfindung wird anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert: Es zeigen FIG 1 einen Abschnitt einer Raumdecke und einer angrenzenden Außenwand in schematisierter Darstellung und FIG 2 die Ausbildung der Prismenscheiben in vergrößerter Darstellung.
• In Figur 1 ist ein Abschnitt einer Außenwand eines Raumes 2 mit 1 bezeichnet. Diese Außenwand weist an ihrem oberen Ende eine Fensteröffnung 11 auf, an dieunmittelbar die Decke 4 des Raumes angrenzt. Letztere besteht aus mattem Aluminium, so daß sich eine diffuse Reflexion mit gerichteter Komponente ergibt. Die Decke kann auch eine Lochung aufweisen und so als kustikdecke ausgeführt sein.
• Die Decke weist im Abstand a1 von der Außenwand 1 eine erste, gegen die Fensteröffnung 11 geneigte Schrägfläche 44, im Abstand a2 eine zweite Schrägfläche 45 und im Abstand a3 eine weitere Schrägfläche 46 auf; die zugehörigen Neigungswinkel gegen die Vertikale sind mit f 1, d 2 und i 3 bezeichnet und umso kleiner, je größer der Abstand einer Schrägfläche von der Außenwand 1 ist. Umgekehrt steigt die Größe der VertikalErojektion jeder Schrägfläche mit ihrem Abstand von der Außenwand 1. Vor jeder einzelnen Schragfläche weist die Decke jeweils einen Horizontalabaschnitt 41,42,43 auf und zwischen einem solchen Horizontalabschnitt und einer der vorliegenden Schrägfläche eine Rückfläche 47,48.
• Die Neigungswinkel dieser Rückflächen gegen die Vertikale sind größer als die Neigungswinkel der angrenzenden Schrägflächen: Dadurch wird eine ungünstige Schattenbildung weitgehend vermieden.
• In der Fensteröffnung 11 der Außenwand 1 ist eine innere Prismenscheibe 6 mit einer vertikal verlaufenden, ebenen Außenseite 61 und sägezahnförmigen Prismen 62 auf der Innenseite angeordnet. Diese Prismen haben eine im wesentlichen horizontal verlaufende Oberseite 63, die mit der schräg nach unten verlaufenden Unterseite einen Winkel von etwa 350 einschließt. Die Länge der Oberseiten 63 und damit di-e Zahl der Prismen in der Fensteröffnung 11 wird so gewählt, daß die mit der Massenfertigung verbundenen Toleranzen der Ecken und Kanten auf die gesamt Lichtlenkung einen vernachlässigbar geringen Einfluß haben.
• Vor der Fensteröffnung 11 ist eine äußere Prismenscheibe 3 mit ebener Außenseite 31 angeordnet, wobei diese ebene Außenseite mit der Vertikalen einen nach unten offenen spitzen Winkels einschließt. Auf der Innenseite dieser 32 Prismenscheibe sind im Querschnitt dreieckige Prismen 32 angeordnet, die unmittelbar nebeneinander und parallel zueinander sowie parallel zu der Außenwand 1 verlaufen. Sie haben jeweils eine Unterseite 321, die mit der ebenen Außenseite 31 einen Winkel # einschlieM , dessen Größe so gewählt ist, daß Lichtstrahlen mit einem gegen die Horizontale gemessenen Einfallswinkel ß unterhalb eInes Grenzwertes@von beispielsweise 450 total reflektiert werden. Dieser Winkel # errechnet sich nach der Formel'1 (1) # = 900 - ( # 1 + # 2) wobei sich die Winkel £ 1 und # 2 nach den Formeln(2)und(3! berechnen: ( 2 ) sin 1 = sin ( S n ( 3 ) cos #2 = 1 n Darin bedeutet n den Brechungsindex des Materials der Prismenplatte undJ den vorher erwähnten Grenzwert des Einfallswinkels ß.
• Der Winkel µ zwischen der äußeren Prismenplatte 31 und der Vertikalen ist so gewählt, daß die Unterseiten 321 der Prismen 32 im wesentlichen horizontal verlaufen. Die rückseiten 322 der Prismen stehen auf den Unterseiten senkrecht und sind auf der Prismeninnenseite verspiegelt: Auf diese Weise werden total reflektierte Sonnenstrahlen wieder nach außen umgelenkt (vergl. Strahl S2).
• Zwischen dem äußeren Ende der äußeren Prismenscheibe 3 und dem unteren Rand der Fensteröffnung 11 ist eine ebene Platte 5 mit verspiegelter Oberseite 51 angeordnet.
• In Figur 1 ist der verlauf eines Strahles S mit dem Einfallswinkel dargestellt: Er wird zunächst durch ein Prisma 32 gegen die Platte 5 gebrochen und von dieser in die Fensterffnung 11 umgelenkt. Der Strahl wird dort von einem Prisma der inneren Prismenplatte 6 mehrfach gebrochen und tritt schließlich mit dem Winkel g von etwa 900 in den Raum 2 ein; der Strahl trifft dann auf die Schrägfläche 46 und wird von dieser als Strahl S' mit einem Eineallswinkel von weniger als 450 in den Raum reflektiert. Strahlen mit einem kleineren Einfallswinkel werden unter Umständen von den Prismen der äußeren Prismenscheibe ohne Umweg über die Platte 5 direkt in die Fensteröffnung 11 gelenkt.Bei einem Grenzwinkel Ç tritt schließlich totale Reflexion ein: Strahl S1 in Fig.2. Wird der Einfallswinkel noch kleiner, dann wird der total reflektierte Strahl (S2 in Fig.2) an der verspiegelten Rückseite 322 des Prismas 32 wieder nach außen reflektiert. Durch entsprechende Bemessung der Winkelpi , S läßt sich erreichen, daß praktisch keine direkte Sonnenstrahlen in den Raum 2 eintreten.
• Eine Totalreflexion für Strahlen unterhalb des genannten Grenzwinkels wird man zweckmäßigerweise nur für solche Prismenscheiben vorsehen, die im Bereich der Südseite eines Gebaumes liegen und somit der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, Ist diese Voraussetzung nicht gegeben, wird man selbstverständlich die Prismenwinkel so wählen, daß möglichst alle auffallenden Lichtstrahlen unabhängig von ihrem Einfallswinkel in den Raum hineingebrochen werden.

Claims (14)

1. Patentansprüche 1. Beleuchtungseinrichtung zur Ausleuchtung eines saumes mit Tageslicht, das durch eine Fensteröffnung in einer Außenwand eintritt, d a d u r ch g e -k e n n z e i c h n e t , daß vor der Fensteröffnung (11) eine äußere Prismenscheibe (3) mit nebeneinander parallel und horizontal verlaufenden, im Querschnitt dreieckigen Prismen (32) angeordnet ist, die eine ebene Seite (31) aufweist, die mit der Außenwand (1) einen nach unten offenen spitzen Winkel (/u ) bildet, daß zwischen dem äußeren Ende der äußeren Prismenscheibe (3) und der Unterkante der Fensteröffnung (11) eine ebene, auf der Oberseite (51) spiegelnd ausgebildete Platte (5) angeordnet ist, daß in der Fensteröffnung (11) eine innere Prismenscheibe (6) mit im Querschnitt sägezahnförmigen, horizontal verlaufenden Prismen (62) angeordnet ist, wobei die Prismen (32, 62) der beiden Prismenscheiben (3, 6) so bemessen und gerichtet sind, daß die auf die äußere Prismenscheibe (3) auftreffenden und direkt oder über die Platte (5) in den Raum (2) gelenkten Lichtstrahlen einen Winkel ( mit der Vertikalen bilden,/+ und daß die Decke (4) des Raumes (2) reflektierend ausgebildet ist.
2. 2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Decke (4) aus Aluminium mit matter Oberfläche besteht.
3. 3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Decke (4) des Raumes (2) mindestens eine der Fensterebene oder gekrümmte öffnung (11) zugewandte,/Schrägfläche (44, 45, 46) aufweist, deren VertikalproJektion der Fensteröffnung E bei dem keine Direktblendung möglich ist, (11) parallel verläuft.
4. 4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mehrere Schrägflächen (44, 45, 46) vorgesehen sind, deren Vertikalprojektion umso größer ist, Je größer der Abstand einer solchen Schrägfläche von der Fensteröffnung (1t) ist.
5. 5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Winin jedem Punkt kel der schrägflächen/so gewählt sind, daß die von ihnen reflektierten Lichtstrahlen höchstens einen Winkel (£ ) von 450 mit der Vertikalen bilden.
6. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Decke (4) zwischen der Fensteröffnung (11) und der benachbarten ersten Schrägfläche (44) sowie zwischen benachbarten Schrägflächen (44, 45, 46) Horizontalabsohnitte (41, 42, 43) aufweist.
7. 7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Decke zwischen jeder Schrägfläche (44, 45) und einem folgenden Horizontalabschnitt (42, 43) eine geneigte Riickfläche (47, 48) aufweist, deren Neigungswicklung gegen die Vertikale größer ist als der der jeweils angrcnzenden Schrägfläche (44, 45).
8. 8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die innere Prismenscheibe (6) eine ebene, vertikal verlaufende Außenseite (61) und ihre Prismen (62) eine horizontal verlaufende Oberseite (63) haben, und daß der Winkel zwischen dieser Oberseite und der schräg nach unten verlaufenden Unterseite zwischen 30° und 45° liegt.
9. 9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Länge der Oberseiten (63) der Prismen (62) zwischen 1 cm und 3 cm liegt.
10. 10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die äußere Prismenscheibe (3) eine ebene Außenseite (31) aufweist und die Prismen (32) auf der Innenseite liegen und daß der Winkel (&> ( Q ) zwischen der Unterseite (321) jedes Prismas (32) der äußeren Prismenscheibe (3) und deren ebenen Außenseite (31) so gewählt ist, daß Strahlen mit einem spitzen Einfallswinkel (4 ) gegen die Horizontale, der kleiner ist als ein vorgegebener Grenzwert, total reflektiert werden.
11. 11. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grenzwert des Einfallswinkels () ) für die Totalreflektion 600, vorzugsweise 45°, beträgt.
12. 12. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Rückseiten (322) der Prismen (32) auf der Prismeninnenseite/+<rerspiegelt sind.
13. 13. Beleuchtungseinrichtung nach Ansprüchen 10 bis 12, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t , daß der Winkel zwischen der Unterseite(321) jedes Prismas (32) und ggf. auch auf der Prismenatßenseite der äußeren Prismenscheibe (3) und der Vertikalen zwischen 900 und 1000 liegt.
14. 14. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 13, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der dinkel einerseits zwischen der Unterseite (321) jedes Prismas (32) und der Vertikalen und andererseits zwischen Rückseite (322) und Unterseite (321) jeweils 900 beträgt.