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Dokumentenidentifikation DE19631933C2 05.10.2000
Titel Fensterscheibe
Anmelder Lorenz, Werner, Dr.-Ing., 45257 Essen, DE
Erfinder Lorenz, Werner, Dr.-Ing., 45257 Essen, DE
DE-Anmeldedatum 08.08.1996
DE-Aktenzeichen 19631933
Offenlegungstag 19.02.1998
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 05.10.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.10.2000
IPC-Hauptklasse E06B 9/24
IPC-Nebenklasse G02B 5/04   E04B 1/74   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Fensterscheibe, mit der im Winter Heizenergie und im Sommer Kühlenergie gespart werden kann. Fenster sollen im allgemeinen Tageslicht in ausreichendem Maße in die Innenräume von Gebäuden hereinlassen und gleichzeitig die Innenraumatmosphäre gegen wechselnde Einflüsse der Außenatmosphäre, wie zum Beispiel jahreszeitlich veränderliche Temperaturen, Lärm-, Abgas- und Staubemissionen, abschirmen. Mit dem Tageslicht, bestehend aus direkter und indirekter, diffuser Sonnenstrahlung, dringt auch Energie durch die Fenster ein, welche zur Erwärmung der Innenräume beiträgt. Im Winter ist dieser Energiebeitrag, sofern Blendwirkung vermieden werden kann oder als nicht störend gilt, im allgemeinen erwünscht, während im Sommer diese Aufheizung der Innenräume im allgemeinen unerwünscht ist.

Bekannte Fensterscheiben sind als Isolierglasscheiben ausgebildet, die die Wärmebilanz und damit das Innenklima des Gebäudes beeinflussen. Sie sind für direktes und diffuses Sonnenlicht weitgehend durchlässig, damit die Innenräume des Gebäudes tagsüber möglichst hell sind. Um die Durchlässigkeit für Sonneneinstrahlung zu reduzieren, ist es bekannt, wenigstens eine Scheibe der Isolierglasscheibe mit einer Reflexionsschicht zu versehen. Dadurch wird aber auch die Helligkeit im Inneren des Gebäudes reduziert.

Es ist auch eine Isolierglasscheibe bekannt, die bei guter Durchlässigkeit für diffuse Sonnenstrahlung eine relativ geringe Durchlässigkeit für direkte Sonnenstrahlung im Sommer und eine große Durchlässigkeit für direkte Sonnenstrahlung im Winter besitzt (DE-GM 85 20 439). Dazu sind zwischen der Außenscheibe und der Innenscheibe der Isolierglasscheibe mehrere im wesentlichen horizontale Schienen mit gegenseitigem Abstand vertikal übereinander angeordnet, die wenigstens auf ihrer Oberseite längs laufende Rillenprofile mit gegen die Außenscheibe geneigten Profilflächen sowie gegen die Innenscheibe geneigten Profilflächen aufweisen, wobei zumindest die gegen die Außenscheibe geneigten Profilflächen verspiegelt sind. Derartige Isolierglasscheiben, die in abgewandelter Form auch aus der Praxis bekannt sind, sind konstruktiv verhältnismäßig aufwendig.

Es ist ferner eine Prismenglasscheibe bekannt, welche bei guter Durchlässigkeit für diffuse Sonnenstrahlung eine Sperrwirkung für direkte Sonnenstrahlung im Sommer und nahezu die Durchlässigkeit einer üblichen Planglasscheibe für direkte Sonnenstrahlung im Winter hat (Französische Patentschrift Nr. 8017364, Publikation Nr. 2463254). Dazu wird eine Scheibe aus transparentem Material mit horizontalen, außenseitigen Prismenstäben von dreieckigem Querschnitt verwendet. Diese Prismenglasscheibe nutzt die an der raumseitigen, glatten Oberfläche ab bestimmten Sonnenhöhenwinkeln auftretende Totalreflexion für eine Sperrwirkung gegenüber direkter Sonnenstrahlung. Es wird eine Gleichung angegeben, in welcher der Grenzwinkel der Sonnenhöhe, der kritische Einfallswinkel eines Strahles auf die raumseitige Oberfläche, für den gerade Totalreflexion auftritt, und der Winkel zwischen der oberen Prismenstaboberfläche und der raumseitigen Oberfläche der Prismenglasscheibe miteinander verknüpft sind. Derartige Prismenglasscheiben haben trotz optimaler Dimensionierung des Prismenstabquerschnittes nur für im wesentlichen südliche Ausrichtungen und nur für einen relativ kurzen sommerlichen Zeitraum, welcher möglicherweise kürzer als gewünscht ist, die beschriebene Sperrwirkung gegenüber direkter Sonnenstrahlung. Diese Beschränkungen sind die wesentliche Ursache dafür, daß diese Prismenglasscheibe kaum praktisch angewendet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Fensterscheibe anzugeben, die auch für wesentlich von Süden abweichende Ausrichtungen und auch für große sommerliche Zeiträume, sofern diese erwünscht sind, eine Sperrwirkung für direkte Sonnenstrahlung aufweist, und die in einem winterlichen Zeitraum für direkte Sonnenstrahlung durchlässig ist.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Fensterscheibe, die raumseitig eine ebene vertikale Rückseite und außenseitig eine Vielzahl von übereinander angeordneten, sich horizontal oder unter einem flachen Neigungswinkel erstreckenden Prismenstäben mit dreieckförmigem Querschnitt aufweist, wobei im Querschnitt der Prismenstäbe gesehen die obere Dreieckseite gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel (θ) angeordnet ist, der nach der Gleichung





mit n = dem Brechungsindex des Scheibenmaterials und

ηG = einem Grenzwinkel

bestimmt ist,

wobei bei einem bestimmten Sonnenstand die unter einem Winkel (η) einfallenden Sonnenstrahlen bei einem Winkel η > ηG nicht durchgelassen und bei einem Winkel η < ηG durchgelassen werden,

wobei die untere Dreieckseite gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel (Ω) angeordnet ist, der gleich dem oder größer als der Komplementwinkel des Grenzwinkels (ηG) ist

und wobei die Unterseiten der Prismenstäbe so ausgebildet sind, daß eine Reflexion von über die obere Dreieckseite in die Prismenstäbe mit einem Winkel η > ηG eintretenden Sonnenstrahlen auf die Rückseite im wesentlichen ausgeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Fensterscheibe kann grundsätzlich ohne Schutzscheiben angeordnet werden. Sie kann aber auch zusammen mit einer außenseitig vorgesetzten ebenen Scheibe oder nach Art einer Isolierglasscheibe zwischen benachbarten ebenen Scheiben angeordnet werden.

Der Brechungsindex für Glas und auch für Acrylglas beträgt etwa n = 1,5. Für den Brechungsindex von Luft kann ausreichend genau n = 1 gesetzt werden.

Auf die Oberseite der Prismenstäbe mit einem Winkel η > ηG auftreffende Sonnenstrahlen werden gebrochen und innerhalb des Prismenstabes so reflektiert, daß sie über die Unterseite des Prismenstabes wieder austreten, jedenfalls nicht in den Raum eintreten. Dieses gilt sowohl für direktes als auch für diffuses Sonnenlicht. Allerdings fällt ein wesentlicher Teil des diffusen Sonnenlichtes stets mit einem Winkel η < ηG ein, so daß die Fensterscheibe für diffuses Sonnenlicht im wesentlichen durchlässig ist.

Der Grenzwinkel ηG, von dem die Neigung der Oberseite und der Unterseite der Prismenstäbe gegen die Vertikale abhängt, bestimmt sozusagen den Schaltzeitpunkt, zu dem die Fensterscheibe direkte Sonnenstrahlen abschirmt oder durchläßt. Durch geeignete Wahl des Winkels ηG kann folglich dieser Schaltzeitpunkt so gewählt werden, daß in gewünschten sommerlichen, zum Sommeranfang symmetrischen Zeitabschnitten die direkten Sonnenstrahlen abgeschirmt werden, während sie in der übrigen Zeit des Jahres durchgelassen werden. Dabei spielt auch die geographische Breite δ eine Rolle. Allgemein gilt, daß der Grenzwinkel ηG zur Bestimmung des Winkels θ nach obiger Gleichung bei nach Süden gerichteter Fensterscheibe der Summe aus dem Komplementwinkel zur geographischen Breite δ und dem Inklinationswinkel i zwischen der Richtung zur Sonne und der Ekliptik an den beiden Jahreszeitpunkten, an denen die Fensterscheibe die Eigenschaft "durchlässig" nach "undurchlässig" bzw. "undurchlässig" nach "durchlässig" für direkte Sonnenstrahlung verändern soll, entspricht. Soll der Schaltzeitpunkt im Frühlingsanfang bzw. Herbstanfang liegen, dann entspricht der Grenzwinkel ηG zur Bestimmung des Winkels θ nach obiger Gleichung bei nach Süden gerichteter Fensterscheibe dem Komplementwinkel zur geographischen Breite δ.

Die oben erläuterten Zusammenhänge gelten strenggenommen nur bei nach Süden ausgerichteten Fenstern, wobei Abweichungen gegenüber der Südrichtung in der Größenordnung von ±10° die Eigenschaften der Fensterscheibe nur unwesentlich beeinflussen. Aber auch bei nicht nach Süden ausgerichtetem Fenster können die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Fensterscheibe voll genutzt werden, wenn die Prismenstäbe gegenüber der Horizontalen um einen Winkel α geneigt angeordnet sind, der nach der Gleichung



tanα = -sinβ/tanδ



mit β = dem Winkel gegen die Südrichtung und

δ = der geographischen Breite

bestimmt ist.

Wenn ein Prismenstab an einem Ort mit einer von der geplanten geographischen Breite abweichenden geographischen Breite angewendet wird, so verschiebt sich der aktuelle Ausschaltzeitpunkt der Strahlungsdurchlässigkeit um etwa +2,5 Tage und der aktuelle Anschaltzeitpunkt um etwa -2,5 Tage je Grad Abweichung der aktuellen von der geplanten geographischen Breite gegenüber den geplanten Schaltzeitpunkten. Die Schaltzeitpunkte passen sich also im richtigen Sinne dem kälteren oder wärmeren Klima des Ortes mit der aktuellen geographischen Breite an.

Für die Gestaltung der Unterseiten der Prismenstäbe derart, daß eine Refexion von über die obere Dreieckseite in die Prismenstäbe eintretenden Sonnenstrahlen mit Winkeln η größer oder gleich dem Grenzwinkel ηG auf die Rückseite ausgeschlossen ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Bei einer Ausführung weist die untere Dreieckseite ein Sägezahnprofil mit Profilseiten d und Profilseiten e auf, wobei die Profilseiten d unter einem Winkel ε zur unteren Dreieckseite derart ausgerichtet sind, daß die Richtung des flachsten, also mit dem Winkel η gleich dem Grenzwinkel ηG, an der oberen Dreieckseite gebrochenen und auf die Profilseite e auftreffenden Sonnenstrahls gleich der Richtung des steilsten, an der oberen Dreieckseite gebrochenen und an der Profilseite d reflektierten Sonnenstrahls ist, und wobei die Profilseiten e unter einem Winkel κ zur unteren Dreieckseite derart ausgerichtet sind, daß die flachsten, an der oberen Dreieckseite gebrochenen und auf die Profilseite e auftreffenden Sonnenstrahlen im wesentlichen parallel zur Profilseite d gebrochen werden. Vorzugsweise sollte das Sägezahnprofil am Anschlußbereich zwischen der Rückseite und der unteren Dreieckseite mit einer Sägezahnspitze beginnen und im Anschlußbereich zwischen den beiden Dreieckseiten mit einer Sägezahnkerbe enden.

Bei einer anderen Ausführung ist die Unterseite der Prismenstäbe aufgerauht, so daß die Mehrzahl der an der oberen Dreieckseite gebrochenen und auf die Unterseite der Prismenstäbe auf treffenden Sonnenstrahlen über die Unterseite austreten.

In konstruktiver Hinsicht können die Prismenstäbe an die Fensterscheibe angeformt sein. Es besteht auch die Möglichkeit, die Fensterscheibe selbst aus Prismenstäben zusammenzusetzen.

Die mit der Erfindung erreichten Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Die Fensterscheibe verhindert die Durchsichtigkeit in direkter Richtung sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen. Sie ermöglicht daher nicht nur die Einsparung von äußeren Sonnenschutzvorrichtungen, sondern auch den Verzicht auf innen angeordnete Einrichtungen gegen die Einsicht von außen. Die Fensterscheibe ist mit üblichen ebenen Glasscheiben, auch mit Isolierglasscheiben, in beliebiger Form kombinierbar, wenn ein Teil der gesamten Fensterfläche durchsichtig sein muß.

Die Fensterscheibe reflektiert im Sommer die direkte Sonnenstrahlung praktisch vollständig und verhindert somit sowohl die aufheizende und blendende Wirkung dieser Strahlung als auch die übermäßige Helligkeit in den Räumen. Im Winter wird die direkte Sonnenstrahlung von der Fensterscheibe weitgehend durchgelassen, so daß sie zur Verringerung der von der Raumheizung aufzubringenden Energie und als von den Prismenstäben diffus gestreutes Licht zur gleichmäßigen, blendfreien Ausleuchtung des Raumes beiträgt. Von der indirekten, diffusen Sonnenstrahlung läßt die Fensterscheibe im Sommer und im Winter etwa 70% derjenigen Strahlungsenergie in den Raum eindringen, die durch eine übliche Isolierglasscheibe in den Raum eindringen kann.

Die üblichen Maßnahmen zur Erhöhung des Wärmedurchgangswiderstandes von Isolierglasscheiben, wie zum Beispiel die Füllung des Scheibenzwischenraumes mit einem die Wärmekonvektion und die Wärmeleitung reduzierenden Gas oder das Aufdampfen dünner Schichten, können zusätzlich angewendet werden, ohne die spezifischen Eigenschaften der Fensterscheibe zu beeinträchtigen.

Im folgenden werden in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert; es zeigen:

Fig. 1 schematisch und teilweise einen Vertikalschnitt durch durch eine Fensterscheibe mit vorgesetzter ebener Glasscheibe,

Fig. 2 teilweise den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Teil des Gegenstandes nach Fig. 2,

Fig. 4 schematisch die Anordnung der Prismenstäbe für Fensterscheiben, die unter verschiedenen Winkeln zur Südrichtung ausgerichtet sind,

Fig. 5 Wärmeverluste und Wärmegewinne verschiedener Fensterscheiben in Abhängigkeit von der Jahreszeit.

Die in Fig. 1 im Vertikalschnitt wiedergegebene Fensterscheibe 10 weist raumseitig eine vertikale Rückseite c und außenseitig eine Vielzahl von übereinander angeordneten, sich im wesentlichen horizontal erstreckenden Prismenstäben 11 mit dreieckförmigem Querschnitt auf. Jeder Prismenstab 11 weist im Querschnitt eine obere Dreieckseite b auf, die der Oberseite des Prismenstabes 11 entspricht und eine untere Dreieckseite a, die der Unterseite des Prismenstabes 11 entspricht. Bei der dargestellten Ausführung ist außenseitig vor die Fensterscheibe 10 eine ebene Scheibe 12 gesetzt, die ebenso wie die Fensterscheibe 10 aus Glas oder Acrylglas bestehen kann.

Die dargestellte Fensterscheibe 10 ist nach Süden ausgerichtet und ausgelegt für eine mittlere europäische geographische Breite von δ = 50°. Die Prismenstäbe 11 erstrecken sich horizontal. Die Oberseiten der Prismenstäbe bzw. die Dreieckseiten b sind gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel θ derart angeordnet, daß Sonnenstrahlen bei einem Winkel η > ηG nicht durchgelassen und bei einem Winkel η < ηG durchgelassen werden. Der in Fig. 2 eingezeichnete Grenzwinkel ηG richtet sich danach, in welchem sommerlichen Zeitabschnitt die einfallenden Sonnenstrahlen reflektiert werden sollen, während sie in den übrigen Zeitabschnitten des Jahres durchgelassen werden sollen. Bei der dargestellten Ausführung soll der Schaltzeitpunkt jeweils am Frühlingsanfang und am Herbstanfang liegen. Dementsprechend beträgt der Grenzwinkel ηG = 40° und der Winkel θ etwa 45°.

Die Unterseiten der Prismenstäbe 11 bzw. die Dreieckseite a sind gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel Ω angeordnet, der gleich dem oder größer als der Komplementwinkel des Grenzwinkels ηG ist. Bei der dargestellten Ausführung beträgt der Winkel Ω etwa 50°, so daß der Winkel ψ zwischen den beiden Dreieckseiten a und b etwa 85° beträgt.

Die Unterseiten der Prismenstäbe 11 bzw. die Dreieckseiten a weisen bei der dargestellten Ausführung ein Sägezahnprofil mit Profilseiten d und Profilseiten e auf. Die Profilseiten d sind unter einem Winkel ε zur unteren Dreieckseite a derart ausgerichtet, daß die Richtung des flachsten, also mit dem Winkel η gleich dem Grenzwinkel ηG, an der oberen Dreieckseite b gebrochenen und auf die Profilseite e auftreffenden Sonnenstrahls gleich der Richtung des steilsten an der oberen Dreieckseite b gebrochenen und an der Profilseite d reflektierten Sonnenstrahls ist, und die Profilseiten e sind unter einem Winkel κ derart ausgerichtet, daß die flachsten, an der oberen Dreieckseite b gebrochenen und auf die Profilseite e auftreffenden Sonnenstrahlen im wesentlichen parallel zur Profilseite d gebrochen werden. Damit ist ausgeschlossen, daß die auf die obere Dreieckseite b der Prismenstäbe auftreffenden und daran gebrochenen direkten Sonnenstrahlen zur Rückseite c hin reflektiert werden. Sie treten vielmehr an der Unterseite der Prismenstäbe aus.

Wie man insbesondere aus Fig. 1 entnimmt, beginnt das Sägezahnprofil im Anschlußbereich zwischen der Rückseite c und der unteren Dreieckseite a mit einer Sägezahnspitze und endet im Anschlußbereich der Dreieckseiten a und b mit einer Sägezahnkerbe.

Bei einer nicht dargestellten Ausführung kann die Unterseite der Prismenstäbe 11 bzw. die Dreieckseite a auch aufgerauht sein, um eine Reflexion der mit Winkeln η > ηG in den Prismenstab eingedrungenen und innen auf die Dreieckseite a auftreffenden Sonnenstrahlen in Richtung auf die Rückseite c im wesentlichen zu unterbinden.

Wird die Fensterscheibe nicht exakt nach Süden ausgerichtet, können die oben erläuterten Eigenschaften der Fensterscheibe auch dann erreicht werden, wenn die Prismenstäbe 11 unter einem Winkel α zur Horizontalen angeordnet werden. Das erläutert Fig. 4. Der Winkel α hängt einerseits ab von dem Winkel β, der die Abweichung der Ausrichtung der Fensterscheibe gegenüber der Südrichtung angibt, und der geographischen Breite δ, nach Maßgabe der eingangs angegebenen Formel.

Da die Eigenschaften der Fensterscheibe bei Winkelabweichungen von ±10° gegenüber der Südrichtung im wesentlichen erhalten bleiben, genügen für praktische Ausführungen sieben Fensterscheiben mit unterschiedlich gegen die Horizontale geneigten Prismenstäben.

In Fig. 5 sind Wärmeverluste und Wärmegewinne verschiedener Fensterscheiben in Abhängigkeit von der Jahreszeit wiedergegeben. Die Kurven 1a und 1b geben den durchschnittlichen täglichen Wärmeverlust einer üblichen Doppelglasscheibe in Berlin mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten von 3 W/m2K bzw. 2 W/m2K wieder. Die Kurven 2, 3 und 4 geben die Summe der durchschnittlich täglich in eine nach Süden ausgerichtete eingestrahlten Energiedichten der direkten und der indirekten Sonnenstrahlung bei einem Brechungsindex n = 1,5 und der geographischen Breite δ = 50° in einer Großstadt wieder, und zwar die Kurve 2 für eine übliche Doppelglasscheibe, die Kurve 3 für eine übliche Sonnenschutzscheibe und die Kurve 4 für die erfindungsgemäße Fensterscheibe.


Anspruch[de]
  1. 1. Fensterscheibe, die raumseitig eine ebene vertikale Rückseite (c) und außenseitig eine Vielzahl von übereinander angeordneten, im wesentlichen horizontal erstreckenden Prismenstäben (11) mit dreieckförmigem Querschnitt aufweist,

    wobei im Querschnitt der Prismenstäbe (11) gesehen die obere Dreieckseite (b) gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel (θ) angeordnet ist, der nach der Gleichung





    mit n = dem Brechungsindex des Scheibenmaterials und

    ηG = einem Grenzwinkel

    bestimmt ist,

    wobei bei einem bestimmten Sonnenstand die unter einem Winkel (η) einfallenden Sonnenstrahlen bei einem Winkel η > ηG nicht durchgelassen und bei einem Winkel η < ηG durchgelassen werden,

    dadurch gekennzeichnet, daß bei nicht nach Süden ausgerichtetem Fenster die Prismenstäbe (11) gegenüber der Horizontalen um einen Winkel (α) geneigt angeordnet sind, der nach der Gleichung



    tanα = -sinβ/tanδ



    mit β = dem Winkel gegen die Südrichtung und

    δ = der geographischen Breite

    bestimmt ist.
  2. 2. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Dreieckseite (a) der Prismenstäbe (11) gegenüber der Vertikalen unter einem Winkel (Ω) angeordnet ist, der gleich dem oder größer als der Komplementwinkel des Grenzwinkels (ηG) ist und daß die Unterseiten der Prismenstäbe (11) so ausgebildet sind, daß eine Reflexion von über die obere Dreieckseite (b) in die Prismenstäbe (11) mit einem Winkel η > ηG eintretenden Sonnenstrahlen auf die Rückseite (c) im wesentlichen ausgeschlossen ist.
  3. 3. Fensterscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Dreieckseite (a) ein Sägezahnprofil mit Profilseiten (d) und Profilseiten (e) aufweist, wobei die Profilseiten (d) unter einem Winkel (ε) zur unteren Dreieckseite (a) derart ausgerichtet sind, daß die Richtung des flachsten, in den Raum nicht eindringenden, an der oberen Dreieckseite (b) gebrochenen und auf die Profilseite (e) auftreffenden Sonnenstrahls gleich der Richtung des steilsten, an der oberen Dreieckseite (b) gebrochenen und an der Profilseite (d) reflektierten Sonnenstrahls ist, und wobei die Profilseiten (e) unter einem Winkel (κ) zur unteren Dreieckseite (a) derart ausgerichtet sind, daß die flachsten, an der oberen Dreieckseite (b) gebrochenen und auf die Profilseite (e) auftreffenden Sonnenstrahlen im wesentlichen parallel zur Profilseite (d) gebrochen werden.
  4. 4. Fensterscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sägezahnprofil im Anschlußbereich zwischen der Rückseite (c) und der Dreieckseite (a) mit einer Sägezahnspitze beginnt und im Anschlußbereich der Dreieckseiten (a) und (b) mit einer Sägezahnkerbe endet.
  5. 5. Fensterscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite der Prismenstäbe (11) aufgerauht ist.






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