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Anordnung zur Ausleuchtung eines Raumes mit Dachfenstern
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausleuchtung eines Raumes
mit Dachfenstern gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.
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Wenn man hierbei die Neigung der Fensteröffnung dem höchsten Stand
der Sonne entsprechend wählt, läßt sich eine vollständige Ausblendung von Sonnenstrahlen
zur Mittagszeit erreichen. Es ist jedoch - selbst bei vertikaler Fensteröffnung
- nicht möglich, die Sonne während der Vor- und Nachmittagsstunden auszublenden:
Das beruht darauf, daß die Richtung der Sonnenstrahlen nur am 21. März und 23. September
in der Ebene der Sonnenbahn liegen. In dem dazwischen liegenden Halbjahr verschiebt
sich die Ebene der Sonnenbahnen parallel zu sich selbst gegen Norden, wobei der
Neigungswinkel unverändert 90° minus geographische Breite ist: Je nach Neigung des
Dachfensters wird somit die Sonne in den Vor- und Nachmittagsstunden mehr oder weniger
lang seitlich einstrahlen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß eine vollständige Ausblendung der Sonne gewährleistet
ist; um einen möglichst großen Anteil des hellen Zenitlichtes ausnutzen zu können,
soll dabei auf einen möglichst kleinen Neigungswinkel der Fensteröffnung geachtet
werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Anordnung
gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 durch die im Kennzeichen dieses Anspruches angegebenen
Merkmale charak-
terisiert: Sonnenstrahlen mit einer Neigung zwischen
dem Neigungswinkel der Eintrittsöffnung des Lichtschachtes und dem Ausblendwinkel
werden zwischen den einander gegenüberliegenden, den Lichtschacht ringsum umgebenden
Seitenspiegeln, gegebenenfalls nach Mehrfachreflexion wieder nach außen gelenkt;
dies gilt auch für die Vor-und Nachmittagsstunden, da auch die seitlich einfallenden
Lichtstrahlen auf entsprechende Seitenspiegel treffen.
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Die für die Ausblendung von seitlichen Sonnenstrahlen erforderlichen
Seitenspiegel ermöglichen es somit, den Neigungswinkel der Eintrittsebene des Lichtschachtes
um den Ausblendwinkel kleiner zu wählen als es dem höchsten Stand der Sonne entspricht;
dies kommt einer möglichst günstigen Ausnutzung des Zenitlichtes entgegen.
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Die Abhängigkeit der Brennweite f der Parabel, nach der die Seitenspiegel
verlaufen, von der vorgegebenen größten Weite A der Eintrittsöffnung und dem gewünschten
Ausblendwinkel g ist vorzugsweise durch die Beziehung f = A (1 + cos ) cos£ f=3
gegeben, wobei der für die Seitenspiegel genutzte Ausschnitt der Parabel begrenzt
ist durch die Brennpunktstrahlen mit dem einfachen und dem doppelten Ausblendwinkel
E gegen die Hauptachse, die ihrerseits mit der Ebene der Eintrittsöffnung und der
parallel dazu verlaufenden Austrittsöffnung des Lichtschachtes ebenfalls den Ausblendwinkel
einschließt: Auf diese Weise läßt sich bei gegebener Weite der Eintrittsöffnung
und gegebenem Ausblendwinkel die geringste Höhe H des Lichtschachtes realisieren,
die gegeben ist durch die Formel
H = A (1 + cos ) tg£ 2 Die Form'des
Lichtschachtes in einer Schnittebene parallel zu der Eintrittsöffnung kann kreisförmig
oder rechteckig sein: Im ersteren Fall ist der Lichtschacht ein Rotationsparaboloid
mit dem zuvor definierten Ausschnitt einer Parabel als Erzeugender und einer auf
der Eintrittsöffnung senkrecht stehenden Rotationsachse.
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Bei einem rechteckigen Lichtschacht sind die Seitenspiegel geradlinig
mit einem Querschnitt entsprechend dem definierten Ausschnitt einer Parabel. Bei
der Bestimmung ihrer Brennweite ist dabei zu berücksichtigen, daß ein diagonal einfallender
Sonnenstrahl mit der maximalen Neigung des Ausblendwinkels gegenüber der Eintrittsebene
des Lichtschachtes nicht mehr ausgeblendet würde. Soll auch noch ein Diagonalstrahl
mit einem Winkel ' ausgeblendet werden, so ist der Bemessung der Parabel ein Ausblendwinkel
zugrundezulegen, dessen Tangens um den Faktor größer als der Tangens des Ausblendwinkels
' in der Diagonalen ist; sollen also beispielsweise diagonal einfallende Sonnenstrahlen
mit einer Neigung entsprechend der Schiefe der Ekliptik gegenüber der Eintrittsöffnung
ausgeblendet werden, so sind die Parabeln für einen Ausblendwinkel E. von 310 auszulegen.
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Da die Höhe der Licht schächte der Größe der Eintrittsöffnung des
Lichtschachtes proportional ist, diese Höhe aber die Gesamtabmessungen bestimmt,
ist es besonders vorteilhaft, innerhalb derselben Fensteröffnung mehrere Lichtschächte
nach Art eines Rasters in Reihen und Spalten nebeneinander anzuordnen, wobei für
3eden
einzelnen Licht schacht die zuvor genannten Bemessungskriterien
gelten. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, benachbarte Lichtschächte stufenförmig
gegeneinander zu versetzen, derart, daß sie gleichen Abstand von einer gemeinsamen,
horizontalen Bezugsebene haben. Hierbei ergibt sich eine geringe Bauhöhe und die
Möglichkeit, die Seiten spiegel benachbarter Lichtschächte versetzt auf gegenüberliegenden
Seiten von identisch ausgebildeten Rippen anzuordnen.
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Das durch Dachfenster in einen Raum einfallende Tageslicht ist weitgehend
ungerichtet und trifft zu einem großen Teil nicht auf die Arbeitsbereiche, wobei
starke, störende Leuchtdichteunterschiede im Deckenbereich auftreten. Es ist daher
ein weiteres Ziel der Erfindung, das durch ein Dachfenster eintretende Licht überwiegend
in den Arbeitsbereich zu lenken und Blendung durch zu hohe Leuchtdichteunterschiede
an der Decke zu vermeiden. Hierzu ist vorgesehen, daß jedes Dachfenster im Raum
in eine Spiegeloptik mit an sich bekannter Bemessung zur Blendungsbegrenzung und
Erzielung einer gewünschten Form der Lichtverteilungskurve mündet. Dadurch läßt
sich bei gegebener Geometrie der Dachfenster eine wesentlich bessere Ausleuchtung
des Raumes erzielen. Das gilt auch bei Verwendung einer solchen Spiegeloptik ohne
einen Lichtschacht der eingangs beschriebenen Art zur Ausblendung der Sonnenstrahlen.
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Zwischen der im Raum angeordneten Spiegeloptik und dem zugeordneten
Dachfenster mit oder ohne Lichtschacht ist vorzugsweise ein Zwischenstück mit spiegelnden
Innenflächen angeordnet. Der von diesem Zwischenstück umschlossene Raum eignet sich
besonders gut zur Unterbringung zusätzlicher Leuchten, die vorzugsweise auf'der
Rückseite der von benachbarten Lichtschächten gebildeten Stege angeordnet
werden.
Diese Leuchten kommen mit einem einfachen, nach unten gerichteten Reflektor aus,
da die spezielle Lichtlenkung für Kunst- wie für Tageslicht durch die erwähnte Spiegeloptik
im Raum gewährleistet ist.
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Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele
näher erläutert; es zeigen FIG 1 einen Querschnitt durch ein Dachfenster mit einem
Licht schacht, FIG 2 einen Querschnitt durch ein Dachfenster mit mehreren nebeneinander
liegenden Lichtschächten, und FIG 3 einen Querschnitt durch einen Teil eines Dachfensters
mit mehreren gegeneinander versetzten Lichtschächten.
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FIG 1 zeigt im Querschnitt ein Dach 1 mit einem Dachfenster 10, dessen
Fensteröffnung 11 - auf dernördlichen Halbkugel - gegen Norden ausgerichtet ist
und mit der Horizontalen einen Neigungswinkel t einschließt, der gleich der Neigung
der Ebene der Sonnenbahn gegen.den Horizont ist: Dieser Winkel ist dementsprechend
von der geographischen Breite abhängig und beträgt 900 minus dem Winkelwert der
geographischen Breite. Dieser Winkel t ist zugleich auch der Winkel der Sonnenstrahlen
am 21. März und 23. September. In dem dazwischen liegenden Halbjahr nimmt die Neigung
der Sonnenstrahlen gegenüber der Eintrittsebene E des Dachfensters um den Winkel
s zu, der gleich ist der Schiefe der Ekliptik (etwa 23,50). Dieser mit S1 bezeichnete
Sonnenstrahl größter Neigung wird durch den erfindungsgemäßen Lichtschacht 2 in
der Fensteröffnung 11 wieder nach außen reflektiert.
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Der Lichtschacht 2 wird dabei von einander zugewandten, parabolischen
Seitenspiegeln 21, 22 gebildet, durch die
eine Eintrittsöffnung
20 und eine im Abstand H parallel dazu verlaufende Austrittsöffnung 23 definiert
ist; diese Öffnungen bilden mit der Horizontalen wieder den Winkel.k.
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Die Seitenspiegel sind bezüglich einer Mittelebene M symmetrisch ausgebildet
und haben im Querschnitt die Form eines Ausschnittes aus einer Parabel mit der Brennweite
f = A (1 + cose ) cos£ 2 wobei A die Weite der Eintrittsöffnung 20 ist. Begrenzt
ist der verwendete Ausschnitt der Parabel durch zwei Brennpunktstrahlen, die gegen
die Hauptachse den Neigungswinkel E und -~~ 2e haben, wobei E der Ausblendwinkel
des Lichtschachtes ist und die Hauptachse ihrerseits mit der Eintrittsebene E des
Lichtschachtes 2 ebenfalls den Winkel g einschließt. Als zwangsläufige Folge dieser
Bemessung liegt der Brennpunkt F1, F2 jedes Seitenspiegels jeweils auf dem gegenüberliegenden
Seitenspiegel und bildet zugleich die innere Begrenzung des verwendeten Abschnittes.'Die
jeweiligen Scheitelpunkte S1 und S2 liegen dagegen außerhalb der verwendeten Parabelabschnitte.
Als weitere Folge dieser Dimensionierung verlaufen die Seitenspiegel am äußeren
Rand senkrecht zu der Eintrittsebene E.
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In FIG 1 ist der Verlauf des steilsten Sonnenstrahles 51 eingetragen:
Dieser Strahl verläuft parallel zur Hauptachse des Seitenspiegels 22 und wird dementsprechend
in dessen Brennpunkt F2 reflektiert. Dieser reflektierte Strahl verläuft nun aber
wieder parallel zur Hauptachse des Seitenspiegels 21 und wird dementsprechend in
den Brennpunkt F1 dieses Seitenspiegels umgelenkt, von dem er - als Brennpunktstrahl
- in achsparalleler Richtung den
Lichtschacht verläßt. Den Lichtschacht
können dementsprechend nur Lichtstrahlen mit einer Neigung passieren, die größer
ist als die des steilsten Sonnenstrahles S1. Strahlen mit geringerer Neigung - wie
beispielsweise der Strahl S2 - werden von dem Lichtschacht - gegebenenfalls nach
Mehrfachreflexion - nach außen umgelenkt.
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An die Austrittsöffnung 23 des Lichtschachtes 2 ist über ein Zwischenstück
3 mit spiegelnden Innenflächen 30 eine Spiegeloptik 4 angesetzt: Diese ist so bemessen,
daß sich eine gewünschte Lichtverteilungskurve mit einer bestimmten Abschirmung
ergibt.
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Für die Höhe H des Lichtschachtes 2 gilt folgende Beziehung: H = A
(1 - + cos 8) tg t 2, Das bedeutet, daß eine geringe Höhe nur bei entsprechend kleiner
Weite der Eintrittsöffnung 20- zu erreichen ist.
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Deshalb sind bei dem Ausführungsbeispiel nach FIG 2 in der Fensteröffnung
11' drei Lichtschächte 2' nebeneinandersangeordnet. Dabei bilden die Seitenspiegel
benachbarter Lichtschächte einen Steg 26', dessen Breitseite einem allen Lichtschächten
gemeinsamen Zwischenstück 3' zugewandt ist, und der zur Unterbringung von konventionellen
Leuchten 6 dient.
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An das Zwischenstück 3' mit verspiegelten Innenflachen 30' schließt
sich wieder eine Spiegeloptik 4' mit einem darin angeordneten Blendschutzraster
5' an: Diese Spiegeloptik dient dann sowohl zur Lenkung des Tageslichtes wie auch
des Kunstlichtes, wobei zusätzliche Leuchten 6'
auch innerhalb
des Raumes des Zwischenstückes angeordnet sein können.
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Bei der Ausführungsform nach FIG 2 sind die einzelnen Lichtschächte
in Spalten und Reihen innerhalb derselben Ebene E angeordnet, woraus eine verhältnismäßig
hohe Fensteröffnung resultiert. Bei der Ausführungsform nach FIG 3 sind die einzelnen
Lichtschächte 2 " so versetzt nebeneinander.angeordnet, daß sie jeweils denselben
Abstand von einer gemeinsamen horizontalen Bezugsebene K haben; die Bauhöhe ist
somit durch die eines einzelnen Lichtschachtes 2" bestimmt. Bei dieser Bauform.sind
die Seitenspiegel 21'' und -22'' benachbarter Lichtschächte 2'' versetzt auf gegenüberliegenden
Seiten einer gemeinsamen Rippe 25 angeordnet, die in diesem Bereich verspiegelt
ist. Ferner weist jede dieser Rippen auch eine verspiegelte Innenfläche 30' als
Teil eines Zwischenstückes auf.
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Für die Bemessung der Seitenspiegel bei allen Ausführungsbeispielen
gelten die anhand der FIG 1 erläuterten Gesetzmäßigkeiten und Parameter. Die Lichtschächte
können dabei in einer Schnittebene parallel zur Eintrittsöffnung. rund, rechteckig
oder quadratisch sein. Die runde Ausführungsform stellt ein Rotationsparaboloid
dar, das man bei Rotation eines der in FIG 1 gezeichneten Seitenspiegel um eine
in der Mittelebene M liegende Rotationsachse erhält, die auf der Eintrittsebene
E senkrecht steht.
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Bei der rechteckigen oder quadratischen Bauform verlaufen die einzelnen
Seitenspiegel geradlinig mit einem parabolischen Querschnitt. Als Besonderheit ist
lediglich zu berücksichtigen, daß bei der Berechnung des Brennpunktes der Parabel
ein Ausblendwinkel zugrundegelegt werden muß,
der größer als die
Schiefe der Ekliptik sein muß, wenn auch alle Seitenstrahlen der Sonne ausgeblendet
werden sollen. Bei einem quadratischen Lichtschacht muß der Tangens dieses Ausblendwinkels
um den Faktor ffi'2 größer als der Tangens der Schiefe der Ekliptik sein.
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Bezugszeichenliste 1 1 Dach 10 Dachfenster 11, 11' Fensteröffnung
2, 2', 2" Lichtschacht 20 Eintrittsöffnung 21, 22 Seitenspiegel 23 Austrittsöffnung
25 Rippen 26' Stege 3, 3' Zwischenstück 30, 30' Innenflächen 4, 4'. Spiegeloptik
5, .5' Blendschutzraster 6 Leuchten A Weite der Eintrittsöffnung des Lichtschachtes
B Weite der Austrittsöffnung g Neigungswinkel der Eintrittsebene E Eintrittsebene
K Bezugsebene M Mittelebene S1, S2 Sonnenstrahlen cc Neigung der Sonnenstrahlen
gegen Eintrittsebene Ausblendwinkel