DE3931594A1 - Waermedaemmendes lichtdurchlaessiges aussenwandelement fuer gebaeude - Google Patents
Waermedaemmendes lichtdurchlaessiges aussenwandelement fuer gebaeudeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein wärmedämmendes lichtdurch
lässiges Außenwandelement für Gebäude nach dem Oberbe
griff des Patentanspruchs 1.
Bekannt sind transparente wärmedämmende Außenwand
elemente, die flächendeckend strahlungsdurchlässig
sind, wie z. B. Isolierglas oder Polycarbonatwaben, und
die aufgrund ihrer Transparenz einen verminderten
Wärmeschutz im Vergleich zu opaken Wärmedämmstoffen
aufweisen. Ferner bedürfen diese bekannten Außenwand
elemente eines komplizierten beweglichen Sonnenschutzes
zur Vermeidung einer zeitweisen Raumüberheizung.
In einer älteren Patentanmeldung (P 39 17 503.0-13) ist
ein Außenwandelement für Gebäude beschrieben, das zwei
parallele Scheiben aufweist. Die äußere Scheibe enthält
zahlreiche strahlungssammelnde optische Elemente, deren
Brennebene in der Ebene der inneren Scheibe liegt. Die
innere Scheibe weist hinter jedem optischen Element ein
Lichtempfangselement auf, bei dem es sich entweder um
einen fotoelektrischen Umsetzer, einen flüssigkeits
durchströmten Wärmekollektor oder um eine Wärmeabsorp
tionsfläche handelt. Die von der Sonne her einfallende
Strahlung wird auf die Lichtempfangselemente konzen
triert, während diffus einfallende Strahlung durchge
lassen wird. Das Außenwandelement ermöglicht sowohl
eine Energiegewinnung als auch eine Raumbeleuchtung.
Die optischen Elemente auf der äußeren Scheibe sind
entweder holographische Linsen oder Fresnellinsen.
Durch Bewegen der beiden Scheiben relativ zueinander
kann ausgewählt werden, welcher Anteil der einfallenden
Strahlungsenergie in das Gebäude hinein durchgelassen
wird, welcher Anteil gegebenenfalls reflektiert wird
und welcher Anteil zur Energiegewinnung umgesetzt wird.
Eine Wärmedämmung ist hierbei jedoch nicht vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Außen
wandelement für Gebäude zu schaffen, das wärmegedämmt
ist und in Teilbereichen Sonnenstrahlung für die Behei
zung und/oder Beleuchtung des Innenraumes durchläßt.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit
den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ange
gebenen Merkmalen.
Bei dem erfindungsgemäßen Außenwandelement weist die
äußere Scheibe zahlreiche strahlungssammelnde optische
Elemente auf, die die Funktion von Linsen haben. Diese
optischen Elemente befinden sich in der Ebene der
planaren äußeren Scheibe. Sie können entweder als Holo
gramme oder als Fresnellinsen ausgebildet sein. Die
einfallende Strahlung wird in der Ebene, in der sich
die Einlässe der die Wärmedämmschicht durchdringenden
Strahlungskanäle befinden, fokussiert, so daß die aus
der Sonnenrichtung einfallende Strahlung nahezu voll
ständig in die Strahlungskanäle und von dort in das
Gebäudeinnere geleitet wird. Das Außenwandelement ist
daher, obwohl es eine Wärmedämmschicht enthält, für
Licht- und Wärmestrahlung durchlässig. Die Wärmedämm
schicht kann eine beliebig große Stärke haben und sie
nimmt den überwiegenden Teil der Fläche hinter jedem
optischen Element der Scheibe ein. Der Einlaß des
Strahlungskanals nimmt nur einen relativ kleinen Teil
dieser Fläche ein, vorzugsweise weniger als 10%. Auf
diese Weise hat die Wand eine gute Wärmedämmung und sie
ermöglicht dennoch den Durchlaß nahezu der gesamten
einfallenden Strahlung oder eines ausgewählten Teils
dieser Strahlung. Bei dem Außenwandelement wird die von
der Sonne her einfallende Strahlung auf die Strahlungs
kanäle konzentriert und in den Strahlungskanälen durch
die Wärmedämmschicht hindurchgeleitet. Da die Strah
lungskanäle nur einen geringen Teil der Fläche der
Wärmedämmschicht einnehmen, werden die Wärmedämm
eigenschaften nur unwesentlich verringert.
Die Wärmedämmschicht kann beispielsweise luftgefüllte
Hohlräume enthalten oder aus den üblichen Dämmstoffen
bestehen. Dabei kann insbesondere auf der der Scheibe
zugewandten Seite eine Reflexionsschicht angeordnet
sein. Die Strahlungskanäle können aus einfachen Löchern
bestehen oder auch aus Lichtleitern. Zweckmäßigerweise
sind die Strahlungskanäle für einen Luftdurchgang un
durchlässig, so daß der Zwischenraum zwischen Scheibe
und Wärmedämmschicht abgedichtet ist und keine
Konvexionsströmungen aus diesem Luftraum herausführen.
Das erfindungsgemäße Außenwandelement eignet sich als
lichtdurchlässiges Fensterelement in einem Bauwerk oder
auch als Fassadenelement. Es ermöglicht das Einfangen
von Licht und Wärme und verhindert durch die Wärmedämm
schicht das Abgeben der eingefangenen Wärme an die
Atmosphäre. Andererseits kann die Wärmedämmschicht in
bezug auf die die optischen Elemente enthaltende
Scheibe so verstellt werden, daß die Einlässe der
Strahlungskanäle nicht in den Brennpunkten der
optischen Elemente liegen, so daß praktisch keine Wärme
und/oder Licht in das Gebäudeinnere gelangt. Dies kann
zweckmäßig sein um eine Überhitzung des Raumes durch
Sonneneinstrahlung zu vermeiden. Andererseits besteht
auch die Möglichkeit, mit den optischen Elementen eine
Spektralzerlegung der einfallenden Strahlung vorzu
nehmen und die Einlässe der der Strahlungskanäle so an
zuordnen, daß sie nur mit den Brennpunkten der Strah
lung des sichtbaren Lichts zusammenfallen, nicht aber
mit den Brennpunkten der Wärmeabstrahlung. Auf diese
Weise wird zwar Licht in das Gebäudeinnere gelassen,
die Wärmestrahlung aber ferngehalten. Insbesondere
Hologramme haben eine solche strahlungszerlegende
Wirkung.
Die optischen Elemente auf der äußeren Scheibe sind
vorzugsweise holographische Linsen. Die Hologramme sind
in einer Schicht der äußeren Scheibe als Beugungsgitter
vorhanden. Hologramme haben die Eigenschaft, einfallen
des Licht richtungsselektiv abzulenken. Sie werden er
zeugt, indem zwei kohärente Laserstrahlen, die aus
unterschiedlichen Richtungen auftreffen, einander über
lagert werden und durch Interferenz ein Strichmuster
der Lichtdichteverteilung in der fotografischen Be
schichtung der Scheibe bilden. Die auftreffenden Laser
strahlen sind nicht durch einen Bildinhalt moduliert.
Wenn ein auf die äußere Scheibe z. B. fotografisch auf
gebrachtes Hologramm aus derselben Richtung beleuchtet
wird, aus der einer der hologrammerzeugenden Strahlen
eingefallen ist, und wenn die Beleuchtung mit derselben
Wellenlänge wie derjenigen des hologrammerzeugenden
Strahls erfolgt, wird der andere hologrammerzeugende
Strahl rekonstruiert. Erfolgt die Beleuchtung mit einer
Strahlung anderer Wellenlänge, so erfolgt ebenfalls
eine Rekonstruktion des zweiten Strahls, jedoch ändert
sich der Beugungswinkel. Wenn ein derartiges Hologramm
mit polychromatischem Licht, z. B. weißem Tageslicht,
beleuchtet wird, bewirkt es eine Spektralzerlegung.
Diese Spektralzerlegung kann dazu ausgenutzt werden,
nur die für die Energiegewinnung geeigneten Wellen
längen auf die Lichtempfangselemente zu leiten und die
anderen Wellenlängen, z. B. diejenigen des sichtbaren
Lichts, durchzulassen. Auf diese Weise gelingt es, die
Wärmestrahlung vom Inneren des Gebäudes fernzuhalten
und gleichzeitig zur Energiegewinnung zu benutzen,
während sichtbares Licht zu Beleuchtungszwecken durch
gelassen wird.
Vorzugsweise sind die Scheibe und die Wärmedämmschicht
relativ zueinander bewegbar, um Wärmeenergie wahlweise
dem Gebäude zuführen zu können oder sie fernzuhalten.
Zum Zuführen von Wärmeenergie in die Brennbereiche der
optischen Elemente der äußeren Scheibe gebracht. Soll
dagegen Wärme vom Gebäude ferngehalten werden, werden
Oberflächenbereiche der Wärmedämmschicht in die Wärme
strahlungs-Brennbereiche der optischen Elemente ge
bracht.
Eine Relativbewegung zwischen Wärmedämmschicht und
Scheibe kann ferner zum Zwecke der Nachführung ent
sprechend dem Sonnenstand vorgesehen sein, um die
linsenartigen optischen Elemente stets so auf die Sonne
auszurichten, daß die gewünschten Bereiche der Wärme
dämmschicht bzw. die Einläase der Strahlungskanäle mit
den Brennbereichen der äußeren Scheibe zusammenfallen.
Die äußere Scheibe muß nicht unbedingt die nach außen
raumabschließende Außenschicht des Außenwandelementes
sein. Vor der äußeren Scheibe kann noch eine weitere
Schutzscheibe angeordnet sein. In diesem Fall ist die
äußere Scheibe zwischen der raumabschließenden Schutz
scheibe und der Wärmedämmschicht bewegbar angeordnet.
Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Frontansicht des in optische
Bereiche aufgeteilten Außenwandelementes,
Fig. 2 einen Horizontalschnitt entlang der Linie II-II
von Fig. 1,
Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 im defokussierten
Zustand,
Fig. 4 eine Ausführungsform, bei der die Wärmedämm
schicht zur Regulierung der in den Strahlungs
kanal einfallenden Strahlungsmenge so verstell
bar ist, daß ihr Abstand von der Scheibe ver
ändert werden kann,
Fig. 5 eine Ausführungsform, bei der die Wärmedämm
schicht aus einer Isolierglas-Doppelscheibe
besteht,
Fig. 6 eine Ausführungsform, bei der die Wärmedämm
schicht ein Material mit zahlreichen Strahlungs
kanälen, z. B. Wabenmaterial, aufweist, und
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel, bei dem die äußere
Scheibe aus Zweischeiben-Isolierglas besteht.
Das Außenwandelement weist eine äußere Scheibe 10 aus
Glas und eine im Abstand dahinter angeordnete Wärme
dämmschicht 11 auf. Die Scheibe 10 und die Wärmedämm
schicht sind in einen Rahmen eingesetzt und sie haben
einen gegenseitigen Abstand von etwa 20 mm. Der Bereich
zwischen ihnen ist leer und gegen die Umgebung staub
dicht abgeschlossen. Er kann wahlweise luftgefüllt oder
auch evakuiert sein.
Die Scheibe 10 trägt an ihrer Innenseite eine Beschich
tung 13 mit zahlreichen Hologrammen. Diese Beschichtung
13 kann aus einer fotoempfindlichen Emulsion oder einem
Fotopolymeren bestehen. In der Schicht 13 sind schach
brettartig zahlreiche strahlungssammelnde optische
Elemente 14 als Hologramme erzeugt. Diese optischen
Elemente sind holographische Linsen, deren Brennebene
so gewählt ist, daß sie mit der Innenseite der dem Ge
häuseinnern zugewandten Wärmedämmschicht 11 zusammen
fällt. Die optischen Elemente 14 bewirken eine punkt
förmige Fokussierung der einfallenden Strahlung, wobei
allerdings die Brennpunkte für unterschiedliche Wellen
längen im Abstand voneinander angeordnet sein können.
In der Wärmedämmschicht 11 befindet sich hinter jedem
der optischen Elemente 14 ein kanalförmiger Strahlungs
durchlaß 15, der die Wärmedämmschicht 11 vollständig
durchdringt. In der in Fig. 2 dargestellten Position
befindet sich der Einlaß 15a des Strahlungsdurchlasses
15 zentrisch im Brennpunkt eines optischen Elementes
14. In dieser Position der Wärmedämmschicht 11 befinden
sich die Einlässe sämtlicher Strahlungsdurchlässe 15 in
den Brennpunkten der optischen Elemente. Die von den
optischen Elementen 14 gesammelte Strahlung dringt
durch die Strahlungsdurchlässe 15 hindurch in das Ge
bäude ein. Dabei sind zweckmäßigerweise die Wände der
kanalförmigen Strahlungsdurchlässe 15 mit einer Re
flexionsschicht 16 versehen, um die Strahlungsverluste
im Inneren der Strahlungskanäle gering zu halten. Der
Verlauf der Wärmestrahlung ist in den Zeichnungen mit S
bezeichnet.
Um dem Verlauf der Sonne folgen zu können, ist eine
Translationsbewegung der Wärmedämmschicht 11 relativ zu
der Scheibe 10 vorgesehen, und zwar sowohl in verti
kaler Richtung als auch in horizontaler Richtung. Hier
zu wird die Wärmedämmschicht 11 von einer entsprechen
den Antriebsvorrichtung 17 (Fig. 2) derart angetrieben,
daß bei jedem Sonnenstand die eingestellte Relativposi
tion von Wärmedämmschicht und Scheibe eingehalten wird.
Fig. 2 zeigt den Zustand, daß die gesamte einfallende
Sonnenstrahlung in das Innere des Gebäudes geleitet
werden soll und Fig. 3 zeigt den Zustand, daß die
Strahlungsenergie von dem Gebäude ferngehalten werden
soll. Gemäß Fig. 3 ist die Wärmedämmschicht so ver
schoben, daß die von den optischen Elementen 14 ge
sammelte Strahlung nicht in den Bereich der Einlässe
der Strahlungsdurchlässe 15 gelangt, sondern auf die
Wärmedämmschicht 11 auftrifft. Die Wärmedämmschicht 11
ist auf ihrer Außenseite it einer reflektierenden Be
schichtung 18 versehen, die die Strahlung reflektiert.
Der Benutzer kann die Wärmedämmschicht 11 entsprechend
seinen Bedürfnissen so verstellen, daß ein gewünschter
Anteil der gesammelten Strahlungsenergie in das Gebäude
eindringt und der Rest reflektiert wird.
Während bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3
die Wärmedämmschicht 11 entlang ihrer parallel zu der
Scheibe 10 verlaufenden Ebene verstellbar ist, zeigt
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Abstand der
Wärmedämmschicht 11 zur Scheibe 10 variiert werden
kann. Wenn die Einlässe der Strahlungsdurchlässe 15
nicht in der Brennebene der optischen Elemente ange
ordnet sind, wird von jedem optischen Element 14 eine
größere Fläche der Wärmedämmschicht 11 bzw. der Re
flexionsschicht 18 beleuchtet. Innerhalb dieser Fläche
ist der Einlaß des Strahlungsdurchlasses 15 angeordnet.
Durch Veränderung des Abstandes der Wärmedämmschicht 11
von der Scheibe 10 kann derjenige Strahlungsanteil
variiert werden, der in den Strahlungsdurchlaß 15 ein
fällt. Auch bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 4 kann
eine Nachführvorrichtung vorgesehen sein, die die
Wärmedämmschicht in dem vom Benutzer eingestellten Ab
stand von der Scheibe in ihrer Ebene so verstellt, daß
der Einlaß des Strahlungsdurchlasses 15 bei jedem
Sonnenstand stets zur Sonne ausgerichtet ist, so daß
der vom Sonnenlicht erzeugte Strahlungsfleck stets auf
den Einlaß fällt.
Der Flächenanteil der Einlässe der Strahlungsdurchlässe
15 in bezug auf die Fläche der Wärmedämmschicht 11 ist
relativ klein und beträgt maximal etwa 10%. Die Stärke
der Wärmedämmschicht 11 ist viel größer als diejenige
der Scheibe 10 und beträgt mindestens 10 mm.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 5 besteht die
Wärmedämmschicht 11 aus Zweischeiben-Isolierglas mit
den beiden Scheiben 11a und 11b, zwischen denen sich
ein Zwischenraum 20 befindet, der evakuiert sein kann.
Auf der der äußeren Scheibe 10 zugewandten Seite ist
die Scheibe 11a mit einer Reflexionsschicht 18 ver
sehen. Die Strahlungsdurchlässe 15 bestehen aus
Öffnungen in der Reflexionsschicht 18, ohne daß da
hinter Strahlungskanäle vorhanden wären. Die Reflexions
schicht 11 kann in ihrer Gesamtheit in Richtung des
Doppelpfeiles 21 oder auch quer dazu verschoben werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 6 besteht die
Wärmedämmschicht 11 aus zwei Platten 22 und 23, von
denen die der äußeren Scheibe 10 zugewandten Platte 22
eine mit einer Reflexionsschicht 18 versehene Glas
scheibe ist, in der die Durchlässe 15 ausgespart sind.
Die dahinter angeordnete Platte 23 ist eine Kanal
platte, die zahlreiche Kanäle 24 enthält, welche
zwischen zwei Scheiben 25, 26 verlaufen. Die Platte 23
besteht aus transparentem Wabenmaterial, d. h. die
Kanäle 24 sind sechseckig, könnten aber beispielsweise
auch rechteckig sein. Als Material für die Platte 23
kommt beispielsweise Polycarbonat, Acryl o. dgl. in Be
tracht. Strahlung, die die Durchlässe 15 und die
Scheibe 22 passiert, gelangt durch die Platte 23 und wird
von den Wänden der Kanäle 24 teilweise reflektiert, da
das Material dieser Kanäle einen höheren Brechungsindex
hat als Luft. Die Platte 23 bewirkt somit eine bevor
zugte Lichtleitung in Richtung der Plattennormalen. Sie
bildet ein hinter der Scheibe 22 angeordnetes Lichtleit
element, das feststeht, während die Platte 23 in Rich
tung des Doppelpfeiles 21 oder quer dazu bewegbar ist.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem vor der
äußeren Scheibe 10 eine weitere Scheibe 10a angeordnet
ist und die Scheiben 10 und 10a eine Isolierglas-
Doppelscheibe bilden. Die Hologramme 14 sind an der der
Scheibe 10a zugewandten Seite der Scheibe 10, also im
Inneren der Isolierglas-Doppelscheibe, angebracht,
könnten aber auch an der Scheibe 10a angebracht sein.
Die Wärmedämmschicht besteht in diesem Fall aus einer
Glasscheibe mit Reflexionsschicht 18 und entsprechenden
Strahlungsdurchlässen 15.
Claims (14)
1. Wärmedämmendes lichtdurchlässiges Außenwandelement
für Gebäude, mit mindestens einer äußeren Scheibe
(10) und einer Wärmedämmschicht (11),
dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Scheibe (10) zahlreiche strahlungs
sammelnde optische Elemente (14) aufweist, deren
Brennebene im wesentlichen in der Ebene der Wärme
dämmschicht (11) liegt, und daß hinter den op
tischen Elementen die Wärmedämmschicht mit licht
durchlässigen Strahlungsdurchlässen (15) ange
ordnet ist, wobei die Einlässe (15a) der Strah
lungsdurchlässe durch relative Verschiebung
zwischen der Scheibe (10) und der Wärmedämmschicht
(11) auf die Fokalbereiche der optischen Elemente
(14) einstellbar sind.
2. Außenwandelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Wärmedämmschicht (11) an der der
Scheibe (10) zugewandten Seite eine Reflexions
schicht (18) trägt, die die Einlässe (15a) der
Strahlungskanäle (15) freiläßt.
3. Außenwandelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wände der Strahlungsdurch
lässe (15) Kanäle sind, deren Wände eine reflek
tierende Beschichtung (16) aufweisen.
4. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsdurch
lässe aus Lichtleitern bestehen.
5. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämmschicht
(11) relativ zu der Scheibe (10) und unter kon
stantem Abstand zu dieser verschiebbar ist.
6. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen
Scheibe (10) und Wärmedämmschicht (11) veränderbar
ist.
7. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einlässe (15a) der
Strahlungsdurchlässe (15) maximal 10% der Fläche
der Wärmedämmschicht (10) einnehmen.
8. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
daurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) und
die Wärmedämmschicht (11) zur Anpassung an die
Sonnenbewegung in horizontaler Richtung relativ
zueinander derart bewegt sind, daß die einfallende
Strahlung stets auf dieselben vertikalen Linien
der Wärmedämmschicht (11) fokussiert wird.
9. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) und
die Wärmedämmschicht (11) zur Anpassung an die
Sonnenhöhe relativ zueinander in vertikaler Rich
tung derart bewegt sind, daß die einfallende
Strahlung stets auf dieselben horizontalen Be
reiche der Wärmedämmschicht (11) fokussiert wird.
10. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente
Hologramme sind, die in einer Richtung eine Spek
tralerzeugung des einfallenden Lichts bewirken,
und daß die Einlässe der Strahlungsdurchlässe (15)
derart angeordnet sind, daß sie bei Einstellung
auf den Fokalbereich nur einen Teil des zerlegten
Spektrums empfangen.
11. Außenwandelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
dämmschicht (11) aus Zweischeiben-Isolierglas be
steht (Fig. 5).
12. Außenwandelement nach einem der Ansprüche 1 bis
10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedämm
schicht (11) eine Kanalplatte (23) mit zahlreichen
lichtleitenden Kanälen (24) aufweist.
13. Außenwandelement nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß vor der Kanalplatte (23) eine
Scheibe (22) mit den Strahlungsdurchlässen (15)
angeordnet ist und daß diese Scheibe (22) bewegbar
ist, während die Kanalplatte (23) feststeht.
14. Außenwandelement nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strah
lungsdurchlässe (15) ausschließlich aus Aus
sparungen in einer Beschichtung der Wärmedämm
schicht bestehen.
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