CH649616A5

CH649616A5 - Arrangement for illuminating a room with daylight by means of a reflecting ceiling

Info

Publication number: CH649616A5
Application number: CH663780A
Authority: CH
Inventors: Christian Bartenbach
Original assignee: Christian Bartenbach
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1980-09-04
Publication date: 1985-05-31
Also published as: ATA447480A; DE2936295A1; AT382005B; DE2936295C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Ausleuchtung eines Raumes mit einer reflektierenden Decke mitTageslicht, das durch eine Fensteröffnung in einer Aussenwand eintritt.

Bei konventionellen Bauten, bei denen das Tageslicht durch eine gewöhnliche Fensteröffnung 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-sehrhoch; mitzunehmendem Abstand von dem Fenster fällt sie j edoch sehr stark ab. Die daraus resultierenden grossen Unterschiede in der Leuchtdichteverteilung haben eine Blendung der Raumbenutzer zur Folge. Um ein ausreichend hohes Beleuchtungsniveau bei befriedigender Gleichmässigkeit zu erzielen, ist daher häufig auch während des Tages zusätzlich Kunstlicht erforderlich.

Diese Problematik wird noch verschärft, wenn man versucht, auch das helle Zenitlicht zu nutzen: Hierzu ist gemäss FR-PS 1003 366 vor dem Fenster eine Markise aus sehr hellem, porösem Stoff angebracht, durch den das Zenitlicht gebrochen und gestreut wird. Die Markise wirkt somit als Sekundärstrahler, wodurch aber der Kontrast zwischen der Fensteröffnung und den benachbarten Wänden zusätzlich erhöht wird.

Dasselbe gilt auch bei einer Lösung nach der GB-PS 287729: Hier lenken total reflektierende Prismen vor dem Fenster das Zenitlicht in das Rauminnere.

Aus der DE-PS 517 827 ist schliesslich eine Anordnung zur Ausleuchtung eines Raumes bekannt, bei der das Zenitlicht über eine reflektierende Platte in den Raum und zum Teil gegen diese reflektierend ausgebildete Decke gespiegelt wird.

Aber auch bei einer derartigen, im Oberbegriff von Anspruch 1 näher gekennzeichneten Anordnung, tritt ein erheblicher Anteil des Lichtes unter solchen Winkeln in den Raum ein, dass hohe, störende Leuchtdichtekontraste entstehen, die sogar zur Blendung führen können. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Leuchtdichteunterschiede zwischen der Fensteröffnung und ihrer Umgebung zu reduzieren und insbesondere Blendung der im Raum befindlichen Personen durch das Tageslicht zu vermeiden.

Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gekennzeichnet.

Bei der Erfindung erscheinen die Fensteröffnungen für die im Raum befindlichen Personen relativ dunkel, da die einfallenden Lichtstrahlen nur Wand- und Deckenbereiche, nicht jedoch die Augen der im Raum befindlichen Personen treffen.

Das Problem, die Leuchtdichteunterschiede zwischen Fensteröffnung und Umgebung zu reduzieren, ist zwar aus der DE-OS 1797168 bekannt. Dort wird jedoch ein Fenster mit einer Prismenscheibe vorgeschlagen, die nur diffuse Strahlung durchlässt, gerichtete Strahlung jedoch reflektiert; das helle Zenitlicht wird dabei jedoch nicht genutzt.

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 hat dieser Winkel mindestens einen Wert von 70".

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 vollständig zu erfassen und so zu reflektieren, dass die reflektierten Lichtstrahlen maximal einen Winkel von 45° mit der Vertikalen einschliessen: Dadurch wird auch hier eine Blendung vollständig vermieden. Auf der B asis dieser Bedingung lässst 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

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ebene Schrägflächen angenähert. Bei entsprechend grosser Raumtiefe ergeben sich daher mehrere im Abstand voneinander angeordnete Schrägflächen, deren Winkel gegen die Vertikale um so kleiner und deren Vertikalprojektion um so grösser ist, je grösser ihr Abstand von der Fensteröffnung ist.

Zweckmässigerweise erstrecken sich die Prismenscheiben über die ganze Länge 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. Zusätzlich können dann übliche Fenster vorgesehen werden, die jedoch lediglich dem Sichtkontakt nach draussen dienen und dementsprechend klein bemessen werden können.

Bei der äusseren Prismenscheibe liegen 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 gelegt, 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 auftreffende 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 80° und 100° einschliessen: In diesem Fall wird der grösste Anteil des Zenitlichtes ohne 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 schematischer Darstellung und

Fig. 2 die Ausbildung der Prismenscheiben in vergrösserter Darstellung.

In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Aussenwand 1 eines Raumes 2 gezeigt. Die Aussenwand 1 hat an ihrem oberen Ende eine Fensteröffnung 11, an die unmittelbar die Decke 4 des Raumes angrenzt; sie besteht aus mattem Aluminium, so dass sich eine diffuse Reflexion mit gerichteter Komponente ergibt. Die Decke 4 kann auch eine Lochung aufweisen und so als Akustikdecke ausgeführt sein.

Die Decke weist im Abstand al 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 al, al und a3 bezeichnet und um so kleiner, je grösser der Abstand einer Schrägfläche von der Aussenwand 1 ist. Umgekehrt steigt die Grösse der Vertikalprojektion jeder Schrägfläche mit ihrem Abstand von der Aussenwand 1. Vor jeder einzelnen Schrägfläche hat die Decke 4 jeweils einen Horizontalabschnitt 41,42,43 und zwischen einem solchen Horizontalabschnitt und der vorliegenden Schrägflächen eine Rückfläche 47,48. Die Neigungswinkel dieser Rückfläche 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. Die Prismen 62 haben eine im wesentlichen horizontal verlaufende Oberseite 63, die mit der schräg nach unten verlaufenden Unterseite 64 einen Winkel von etwa 35° ein-schliesst. Die Länge der Oberseiten 63 und damit die Zahl der Prismen in der Fensteröffnung 11 wird so gewählt, dass die mit der Massenfertigung verbundenen Toleranzen der Ecken und Kanten auf die gesamte Lichtlenkung einen vernachlässigbar geringen Einfluss haben.

Vor der Fensteröffnung 11 ist eine äussere Prismenscheibe 3 mit ebener Aussenseite 31 angeordnet, die mit der Vertikalen einen nach unten offenen spitzen Winkel u einschliesst. Auf der Innenseite dieser äusseren Prismenscheibe 3 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 co einschliesst, dessen Grösse so gewählt ist, dass Lichtstrahlen mit einem gegen die Horizontale gemessenen Einfallswinkel ß unterhalb eines Grenzwertes g von beispielsweise 45° total reflektiert werden. Dieser Winkel co errechnet sich nach der Formel

(1) 0) =90° - (el + 82)

wobei sich der Winkel el und e2 nach den Formeln (2) und (3) berechnen:

n

1

(3) cose2 =

n

Darin bedeutet n den Brechungsindex des Materials der Prismenplatte und q den vorher erwähnten Grenzwert des Einfallswinkels ß.

Der Winkel |i 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 (vgl. 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 Fig. 1 ist der Verlauf eines Strahles S mit dem Einfallswinkel ß dargestellt: Er wird zunächst durch ein Prisma 32 gegen die Platte 5 gebrochen und von dieser in die Fensteröffnung 11 umgelenkt. Der Strahl wird dort von einem Prisma der inneren Prismenplatte 6 mehrfach gebrochen und tritt schliesslich mit dem Winkel ô von etwa 90° in den Raum 2 ein; der Strahl trifft dann auf die Schrägfläche 46 und wird von dieser als Strahl S' mit einem Einfallswinkel e von weniger als 45° 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 g 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 Winkel p., q,cü lässt sich erreichen, dass praktisch keine direkte Sonnenstrahlen in den Raum 2 eintreten.

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Eine Totalreflexion für Strahlen unterhalb des genannten Grenzwinkels wird man zweckmässigerweise nur für solche Prismenscheiben vorsehen, die im Bereich der Südseite eines Gebäudes 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.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Anordnung zur Ausleuchtung eines Raumes mit einer reflektierenden Decke mit Tageslicht, das durch eine Fensteröffnung in einer Aussenwand eintritt, mit einer vor der Fensteröffnung angeordneten äusseren Prismenscheibe, die eine ebene Aussenseite hat, die mit der Aussenwand einen nach unten offenen spitzen Winkel bildet, und mit einer ebenen, auf der Oberseite spiegelnd ausgebildeten Platte, die zwischen dem äusseren Ende der äusseren Prismenscheibe und der Unterkante der Fensteröffnung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,

dass die äussere Prismenscheibe (3) auf der Innenseite lückenlos parallel nebeneinander und horizontal verlaufende Prismen (32) hat, dass jedes Prisma (32) dreieckigen Querschnitt hat, der von der Aussenseite (31), einer Unterseite (321) und einer Rückseite (322) begrenzt ist, dass nur die Rückseite (322) verspiegelt ist, dass die Unterseite (321) mit der Aussenseite (31) einen zur Fensteröffnung (11) hin offenen spitzen Winkel (co) einschliesst, der so gewählt ist, dass Strahlen mit einem Einfallswinkel (ß) unterhalb eines Grenzwinkels (q) durch Totalreflexion an der Unterseite (321) und Reflexion an der Rückseite (322) wieder nach aussen umgelenkt werden, dass in der Fensteröffnung (11) eine innere Prismenscheibe (6) mit im Querschnitt dreieckigen, parallel und horizontal verlaufenden Prismen (62) solcher Bemessung angeordnet ist, dass die von aussen auf die innere Prismenscheibe (6) auftreffenden Lichtstrahlen so gegen die Decke des Raumes (2) gebrochen werden, dass die Winkel (6) der Lichtstrahlen in dem Raum- gemessen unterhalb dieser Lichtstrahlen gegen die Vertikale - gleich oder grösser 70° ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (4) des Raumes (2) mindestens eine der Fensteröffnung (11) zugewandte ebene oder gekrümmte Schrägfläche (44, 45,46) hat, deren Vertikalprojektion der Fensteröffnung (11) parallel verläuft.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schrägflächen (44,45,46) vorgesehen sind, deren Vertikalprojektion um so grösser ist, je grösser der Abstand einer solchen Schrägfläche von der Fensteröffnung (11) ist.

4. Anordnung nach Anspruchs, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Schrägflächen in jedem Punkt so gewählt sind, dass die von ihnen reflektierten Lichtstrahlen höchstens einen Winkel (e) von 45° mit der Vertikalen bilden.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (4) zwischen der Fensteröffnung (11) und der benachbarten ersten Schrägfläche (44) sowie zwischen benachbarten Schrägflächen (44,45,46) Horizontalabschnitte (41,42,43) aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke zwischen jeder Schrägfläche (44,45) und einem folgenden Horizontalabschnitt (42,43) eine geneigte Rückfläche (47,48) aufweist, deren Neigungswinkel gegen die Vertikale grösser ist als der der jeweils angrenzenden Schrägfläche (44,45).

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (4) aus Aluminium mit matter Oberfläche besteht.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel einerseits zwischen der Unterseite (321) jedes Prismas (32) und der Vertikalen und andererseits zwischen Rückseite (322) und Unterseite (321) jeweils 90° beträgt.