DE3122164C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ausleuchtung eines Raumes gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2 und 3.

Wenn man bei einer solchen aus dem DE-GM 66 03 499 bekannten Einrichtung die Neigung der nach Norden gerichteten Lichteintrittsöffnung dem höchsten Stand der Sonne entsprechend wählt, läßt sich eine vollständige Ausblendung von Sonnenstrahlung zur Mittagszeit erreichen. Es ist jedoch - selbst bei vertikaler Lichteintrittsöffnung - nicht möglich, die Sonne während der Vor- und Nachmittagsstunden auszublenden. Das beruht darauf, daß die Rotationsachse der Erde gegenüber der Normalen auf die Bahnebene der Erde um einen Winkel (Schiefe der Ekliptik, etwa 23,5°) geneigt ist und daß somit die von der Erde aus zu beobachtende Sonnenbahn nur am 21. März und 23. September so verläuft, da die Sonne im Osten auf- und im Westen untergeht. In dem dazwischen liegenden Halbjahr verschiebt sich die Ebene der Sonnenbahn parallel zu sich selbst gegen Norden, wobei der Neigungswinkel unverändert 90° minus geographische Breite ist. Je nach Neigung der Lichteintrittsöffnung wird somit die Sonne in den Vor- und Nachmittagsstunden mehr oder weniger lang seitlich einstrahlen. Dadurch kann sich der unter der Einrichtung liegende Raum aufheizen. Andererseits ist es zur Erzielung einer ausreichenden Helligkeit in dem darunterliegenden Raum wünschenswert, durch einen möglichst kleinen Neigungswinkel der Lichteintrittsebene das helle Zenitlicht des Himmels zu einem möglichst großen Anteil auszunützen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der sich die Ausleuchtung des Raumes mit Zenitlicht verbessern und zugleich die Aufheizung des Raumes durch Sonnenstrahlen begrenzen läßt.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil jedes der Ansprüche 1, 2 und 3 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch wird erreicht, daß Sonnenstrahlen, die gegenüber der Lichteintrittsebene mit einem Neigungswinkel einfallen, der unter dem Ausblendwinkel liegt, zwischen den einander gegenüberliegenden, den Lichtschacht ringsum umgebenden Seitenspiegeln, gegebenenfalls nach Mehrfachreflexion wieder nach außen gelenkt werden; dies gilt auch für die Vor- und Nachmittagsstunden, da auch die seitlich einfallenden Lichtstrahlen auf entsprechende Seitenspiegel treffen.

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.

Da, wie noch erläutert wird, die Höhe des Lichtschachtes zur Weite der Lichteintrittsöffnung des Lichtschachtes proportional ist, diese Höhe aber die Gesamtabmessungen bestimmt, ist gemäß der Lösung nach Anspruch 2 vorgesehen, innerhalb derselben Fensteröffnung mehrere Lichtschächte nach Art eines Rasters in Reihen und Spalten nebeneinander anzuordnen, wobei für jeden einzelnen Lichtschacht die in Anspruch 1 genannten Bemessungskriterien gelten.

Gemäß der Ausbildung nach Anspruch 3 ist hierbei vorgesehen, benachbarte Lichtschächte stufenförmig gegeneinander zu versetzen, derart, daß sie gleichen Abstand von einer gemeinsamen, horizontalen Bezugsebene haben, wobei die Lichteintrittsöffnungen in parallelen Ebenen liegen und für jeden Lichtschacht die in Anspruch 1 genannten Bemessungskriterien gelten. Hierbei ergibt sich eine geringe Bauhöhe.

Die Abhängigkeit der Brennwerte f der Parabeln des bzw. jedes Lichtschachts, nach der die Seitenspiegel verlaufen, von der vorgegebenen Weite A der Eintrittsöffnung und dem gewünschten Ausblendwinkel ε ist vorzugsweise durch die Beziehung

gegeben, wobei der für die Seitenspiegel genutzte Ausschnitt der Parabel begrenzt ist durch die Brennpunktstrahlen mit dem einfachen und dem doppelten Ausblendwinkel ε gegen die Hauptachse, die ihrerseits mit der Ebene der Lichteintrittsöffnung und der parallel dazu verlaufenden Lichtaustrittsöffnung des Lichtschachtes ebenfalls den Ausblendwinkel einschließt. Auf diese Weise läßt sich bei gegebener Weite der Lichteintrittsöffnung und gegebenem Ausblendwinkel die geringste Höhe H des bzw. jedes Lichtschachtes realisieren, die gegeben ist durch die Formel:

Die Form des bzw. jedes Lichtschachtes in einer Schnittebene parallel zu der Eintrittsöffnung kann kreisförmig oder rechteckig sein. Im ersteren Fall verlaufen die Seitenspiegel entlang einer Fläche, die durch eine Rotation des Parabelausschnitts um eine Achse gebildet ist, die in der Mittelebene liegt und senkrecht zu der Lichteintrittsebene steht.

Bei einem rechteckigen Lichtschacht sind die Seitenspiegel gradlinig 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 Neigung des Ausblendwinkels gegenüber der Lichteintrittsebene des Lichtschachtes nicht mehr ausgeblendet würde. Soll auch bei einem Lichtschacht mit quadratischer Form noch ein Diagonalstrahl mit einem Winkel ε′ ausgeblendet werden, so ist der Bemessung der Parabeln ein Ausblendwinkel zugrundezulegen, dessen Tangens um den Faktor größer als der Tangens des Ausblendwinkels ε′ in der Diagonalen ist; sollen also beispielsweise diagonal einfallende Sonnenstrahlen mit einer Neigung entsprechend der Schiefe der Ekliptik gegenüber der Lichteintrittsebene ausgeblendet werden, so sind die Parabeln für einen Ausblendwinkel ε von 31° auszulegen.

Vorteilhafterweise sind die Seitenspiegel benachbarter Lichtschächte versetzt auf gegenüberliegenden Seiten von identisch ausgebildeten Rippen angeordnet.

Um das durch die Einrichtung eintretende Zenitlicht überwiegend in den im Raum darunter z. B. vorgesehenen Arbeitsbereich zu lenken und um Blendung durch zu hohe Leuchtdichteunterschiede an der mit der Einrichtung versehenen Decke zu vermeiden, ist vorgesehen, daß dem Lichtschacht bzw. den Lichtschächten auf der dem auszuleuchtenden Raum zugewandten Seite eine horizontal angeordnete Blendungsbegrenzung zugeordnet ist. Dadurch läßt sich bei gegebener Geometrie der Einrichtung eine wesentlich bessere Ausleuchtung des Raumes erzielen.

Zwischen der im Raum angeordneten Spiegeloptik und den Lichtschächten ist vorzugsweise ein Zwischenstück mit spiegelnden Innenflächen angeordnet. Der von diesem Zwischenstück umschlossene Raum eignet sich besonders gut zur Unterbringung von Leuchten, die vorzugsweise im Bereich von zwischen den Seitenspiegeln von benachbarten Lichtschächten gebildeten Stegeln 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.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Dachfenster mit einem Lichtschacht,

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.

Fig. 1 zeigt im Querschnitt ein Dach 1 sowie ein Dachfenster 10 mit einer Fensteröffnung 11 in der ein Lichtschacht 2 mit einer Lichteintrittsöffnung 20 angeordnet ist. Die Lichteintrittsebene E ist auf der nördlichen Halbkugel gegen Norden - und auf der südlichen Halbkugel gegen Süden - ausgerichtet und schließt mit der Horizontalen einen Neigungswinkel γ ein, der gleich der Neigung der Ebene der Sonnenbahn gegen den Horizont ist. Dieser Winkel ist dementsprechend von der geographischen Breite abhängig und beträgt 90° minus dem Winkelwert der geographischen Breite. Dieser Winkel γ 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 Lichteintrittsebene E des Dachfensters 10 um einen Winkel zu, der gleich ist der Schiefe der Ekliptik (etwa 23,5°) und der gleich dem Ausblendwinkel ε ist. Dieser mit S1′ bezeichnete Sonnenstrahl größter Neigung (α=γ+ε) wird durch den Lichtschacht 2 in der Fensteröffnung 11 wieder nach außen reflektiert.

Der Lichtschacht 2 wird dabei von einander zugewandten, parabolischen Seitenspiegeln 21, 22 gebildet. Parallel zur Lichteintrittsöffnung 20 verläuft im Abstand H die Lichtaustrittsöffnung 23 mit der Weite B; diese Öffnungen bilden mit der Horizontalen wieder den Winkel γ.

Die Seitenspiegel 21, 22 sind bezüglich einer Mittelebene M symmetrisch ausgebildet und haben im Querschnitt die Form eines Ausschnittes aus einer Parabel mit der Brennweite

wobei A die Weite der Lichteintrittsöffnung 20 ist. Begrenzt ist der verwendete Ausschnitt der Parabel durch zwei Brennpunktstrahlen, die gegen die Hauptachse den Neigungswinkel ε und 2 ε haben, wobei ε der Ausblendwinkel ist und die Hauptachse ihrerseits mit der Lichteintrittsebene E des Lichtschachtes 2 ebenfalls den Winkel ε einschließt. Als zwangsläufige Folge dieser Bemessung liegt der Brennpunkt F1, F2 jedes Seitenspiegels 21, 22 jeweils auf dem gegenüberliegenden Seitenspiegel 22, 21 und bildet zugleich die innere Begrenzung des verwendeten Ausschnittes. Die jeweiligen Scheitelpunkte S1 und S2 liegen dagegen außerhalb der verwendeten Parabelausschnitte. Als weitere Folge dieser Dimensionierung verlaufen die Seitenspiegel 21, 22 am äußeren Rand senkrecht zu der Lichteintrittsebene E.

In Fig. 1 ist der Verlauf des steilsten Sonnenstrahls S1′ eingetragen: Dieser Sonnenstrahl S1′ verläuft parallel zur Hauptachse des Seitenspiegels 22 und wird dementsprechend am Punkt E1 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. Auf der Strecke von E1 über F2 nach F1 verläuft der Sonnenstrahl S1′ entlang der Brennpunktstrahlen. Vom Brennpunkt F1 verläßt der Sonnenstrahl S1′ über E2 den Lichtschacht 2 achsparallel zu seiner Einfallsrichtung. Den Lichtschacht 2 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 Lichtstrahl 2 - gegebenenfalls nach Mehrfachreflexion - nach außen umgelenkt.

An die Lichtaustrittsöffnung 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 im darunterliegenden Raum ergibt.

Für die Höhe H des Lichtschachtes 2 gilt folgende Beziehung:

Das bedeutet, daß bei gegebenem Ausblendwinkel ε eine geringe Höhe H nur bei entsprechend kleiner Weite A der Lichteintrittsöffnung 20 zu erreichen ist.

Deshalb sind bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in der Fensteröffnung 11 drei Lichtschächte 2′ in Spalten und Reihen nebeneinander angeordnet. Dabei bilden die Seitenspiegel benachbarter Lichtschächte 2′ einen Steg 26′, dessen Breitseite einem allen Lichtschächten 2′ gemeinsamen Zwischenstück 3′ zugewandt ist und der zur Unterbringung von konventionellen Leuchten 6 dient.

An das Zwischenstück 3′ mit verspiegelten Innenflächen 30′ schließt sich wieder eine Spiegeloptik 4′ mit einem darin angeordneten Blendschutzraster 5′ an. Diese Spiegeloptik 4′ dient dann sowohl zur Lenkung des Tageslichtes wie auch des Kunstlichtes, wobei zusätzliche Leuchten 6′ auch innerhalb des Raumes des Zwischenstückes 3′ angeordnet sein können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die einzelnen Lichtschächte in Spalten und Reihen innerhalb derselben Lichteintrittsebene E angeordnet, woraus eine verhältnismäßig große dem Tageslicht ausgesetzte Fläche 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 25 auch eine verspiegelte Innenfläche 30′′ als Teil eines Zwischenstückes auf.

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 Lichteintrittsebene rund, rechteckig oder quadratisch sein. Die runde Ausführungsform wird durch eine Fläche gebildet, die man bei Rotation eines der in Fig. 1 gezeichneten Seitenspiegel um eine in der Mittelebene M liegende Rotationsachse erhält, die auf der Lichteintrittsebene E senkrecht steht.

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 größer als der Tangens der Schiefe der Ekliptik sein.

Claims (14)

1. Einrichtung zur Ausleuchtung eines Raumes mit einem Dachfenster (10) und mit einem in der Fensteröffnung (11) zwischen dieser und dem Raum angeordneten Lichtschacht (2) mit reflektierenden Innenwandungen, dessen Lichteintrittsöffnung (20) nach Norden gerichtet ist und in einer Ebene (E) liegt, die mit der Horizontalen einen spitzen Neigungswinkel (γ) einschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtschacht (2) durch Seitenspiegel (21, 22) gebildet ist, die im senkrecht zur Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachts (2) geführten Querschnitt die Form eines Ausschnittes aus einer Parabel haben, wobei die Parabeln mindestens zu einer zur Lichteintrittsöffnung (20) des Lichtschachts (2) senkrecht stehenden Mittelebene (M) symmetrisch ausgebildet und so bemessen sind, daß Sonnenstrahlen (S1′; S2′) mit einer Neigung bis zu einem Ausblendwinkel (ε) gegenüber der Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachts (2) nach außen reflektiert werden.

2. Einrichtung zur Ausleuchtung eines Raumes mit einem Dachfenster (10) und mit einer in der Fensteröffnung (11) zwischen dieser und dem Raum angeordneten Lichtschachtanordnung mit reflektierenden Innenwandungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschachtanordnung durch mehrere nach Art eines Rasters in Reihen und Spalten nebeneinander angeordnete Lichtschächte (2′) gebildet ist, deren Lichteintrittsöffnungen (20) nach Norden gerichtet sind und in einer Ebene (E) liegen, die mit der Horizontalen einen spitzen Neigungswinkel (γ) einschließt, und daß jeder Lichtschacht (2′) jeweils durch Seitenspiegel (21, 22) gebildet ist, die im senkrecht zur Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachtes (2′) geführten Querschnitt die Form eines Ausschnittes aus einer Parabel haben, wobei die Parabeln mindestens zu einer zur Lichteintrittsöffnung (20) des Lichtschachts (2′) senkrecht stehenden Mittelebene (M) symmetrisch ausgebildet und so bemessen sind, daß Sonnenstrahlen (S1′; S2′) mit einer Neigung bis zu einem Ausblendwinkel (ε) gegenüber der Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachts (2′) nach außen reflektiert werden.

3. Einrichtung zur Ausleuchtung eines Raumes mit einem Dachfenster (10) und mit einer in der Fensteröffnung (11) zwischen dieser und dem Raum angeordneten Lichtschachtanordnung mit reflektierenden Innenwandungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtschachtanordnung durch mehrere nach Art eines Rasters in Reihen und Spalten nebeneinander angeordnete Lichtschächte (2′′) gebildet ist, daß benachbarte Lichtschächte (2′′) derart stufenförmig gegeneinander versetzt sind, daß sie gleichen Abstand von einer gemeinsamen horizontalen Bezugsebene (K) haben, daß die Lichteintrittsöffnungen (20) der Lichtschächte (2′′) nach Norden gerichtet sind und in parallelen Ebenen (E) liegen, die jeweils mit der Horizontalen einen spitzen Neigungswinkel (γ) einschließen, und daß jeder Lichtschacht (2′′) jeweils durch Seitenspiegel (21′′, 22′′) gebildet ist, die im senkrecht zur Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachts (2′′) geführten Querschnitt die Form eines Ausschnittes aus einer Parabel haben, wobei die Parabeln mindestens zu einer zur Lichteintrittsöffnung (20) des Lichtschachts (2′′) senkrecht stehenden Mittelebene (M) symmetrisch ausgebildet und so bemessen sind, daß Sonnenstrahlen (S1′; S2′) mit einer Neigung bis zu einem Ausblendwinkel (ε) gegenüber der Lichteintrittsebene (E) des Lichtschachts (2′′) nach außen reflektiert werden.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite der Parabeln des bzw. jedes Lichtschachts (2, 2′, 2′′) nach der Formel bemessen ist, in der f die Brennweite und A die Weite der Lichteintrittsöffnung (20) des bzw. jedes Lichtschachts (2, 2′, 2′′) bezeichnet, daß der für jeden Seitenspiegel (21, 22, 21′′, 22′′) genutzte Ausschnitt der Parabel begrenzt ist durch zwei Brennpunktstrahlen dieser Parabel mit dem einfachen bzw. dem doppelten Ausblendwinkel (ε) gegenüber der Hauptachse dieser Parabel, und daß die Hauptachse dieser Parabel mit der Lichteintrittsebene (E) der Lichteintrittsöffnung (20) einerseits und mit der zu dieser parallel verlaufenden rauminnenseitigen Lichtaustrittsöffnung (23) des Lichtschachts (2, 2′, 2′′) stets den Ausblendwinkel (ε) einschließt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenspiegel (21, 22, 21′′, 22′′) des bzw. jedes Lichtschachts (2, 2′, 2′′) entlang einer Fläche verlaufen, die durch eine Rotation des Parabelausschnitts um eine Achse gebildet ist, die in der Mittelebene (M) liegt und senkrecht zu der Lichteintrittsebene (E) steht.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Lichtschacht (2, 2′, 2′′) im Längsschnitt parallel zur Lichteintrittsebene (E) rechteckige Form hat.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel (γ) der bzw. jeder Lichteintrittsebene (E) gleich 90° minus Winkelbetrag der geographischen Breite beträgt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausblendwinkel (ε) gleich der Schiefe der Ekliptik ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Tangens des Ausblendwinkels (ε) bei einem Lichtschacht (2, 2′, 2′′) mit quadratischer Form um den Faktor größer ist als der Tangens der Schiefe der Ekliptik.

10. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenspiegel (21′′, 22′′) benachbarter Lichtschächte (2′′) versetzt auf gegenüberliegenden Seiten von identischen Rippen (25) liegen.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lichtschacht (2) bzw. den Lichtschächten (2′) auf der dem auszuleuchtenden Raum zugewandten Seite eine horizontal angeordnete Spiegeloptik (4; 4′) zur Blendungsbegrenzung zugeordnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spiegeloptik (4; 4′) ein Blendschutzraster (5′) angeordnet ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Spiegeloptik (4′) und den Lichtschächten (2′) ein Zwischenstück (3′) mit spiegelnden Innenflächen angeordnet ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenstück (3′) Leuchten (6) angeordnet sind, insbesondere im Bereich von zwischen den Seitenspiegeln benachbarter Lichtschächte (2′) gebildeten Stegen (26′).