DE3931594A1 - Waermedaemmendes lichtdurchlaessiges aussenwandelement fuer gebaeude - Google Patents

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.