Eine Fensterscheibe für Sonnenschutz, Raumausleuchtung und Energieeinsparung

Abstract

 Die Fensterscheibe für Sonnenschutz, Raumausleuchtung und Energieeinsparung ist ein aus zwei Scheiben bestehendes Prismenscheibensystem. Die Rippen der Scheiben sind mit einem bestimmten Winkel zur Horizontalen in der Fensterebene geneigt, haben identische Querschnitte in der Form eines rechtwinkligen Dreiecks mit einem bestimmten Basiswinkel (θ), sind einander zugewendet und so ineinander verzahnt, daß nur ein kleiner Luftspalt zwischen den beiden Scheiben verbleibt. Die Flächen (S_A) der Rippen sind mit einer spiegelnd reflektierenden Beschichtung und die Flächen (s_B) der Rippen sind mit einer diffus reflektierenden Beschichtung versehen.
Das Prismenscheibensystem ist für übliche Fensterneigungswinkel (v) und Fensterausrichtungen mit wesentlicher Sonneneinstrahlung an Standorten in gemäßigten Klimazonen geeignet. Es schränkt die Sicht nach außen nicht wesentlich ein, bietet im Vergleich zu anderen Fensterscheiben eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung eines Raumes mit Tageslicht und während des Sommers und der Übergangszeiten einen besseren Sonnenschutz und deutlich geringere eingestrahlte Wärmemengen. Von den reflektierenden Prismenflächen geht kein Blendeffekt aus.

Beschreibung

Stand der Technik

Scheiben mit horizontalen prismatischen Rippen

[0001] Glasscheiben mit horizontal verlaufenden, prismatischen Rippen für vertikale, nach Süden ausgerichtete Fenster, welche, abhängig vom jeweiligen Sonnenhöhenwinkel, die direkte Sonnenstrahlung reflektieren oder durchlassen, sind bereits seit 1980 bekannt (Französische Patentschrift Nr. 8017364, Publikation Nr. 2463254). Bei richtiger Auslegung des Rippenquerschnitts (Abb. 1 ) bewirken die Brechung der Strahlen beim Eintritt in die Oberseite der Rippen und - gegebenenfalls - die Totalreflexion im Innern der Scheibe an der Rückseite, daß die direkte Sonnenstrahlung im Sommer reflektiert und im Winter durchgelassen wird. Der Prismenbasiswinkel θ wird so gewählt, daß die Gleichung

mit

n : dem Brechungsindex des Scheibenmaterials, welcher bei üblichem Fensterglas und Acrylglas etwa gleich 1,5 ist,

η_G : dem gewählten Grenzwert des Sonnenhöhenwinkels η_S um 12 Uhr mittags Ortszeit - d.h. einfallende Sonnenstrahlen mit einem Winkel η_S>η_G sollen nicht durchgelassen und mit einem Winkel η_S<η_G sollen durchgelassen werden - und

κ = arcsin(1/n), dem kritischen Winkel der Totalreflexion,

erfüllt wird. Wenn das Fenster mit der Prismenglasscheibe nach Süden ausgerichtet ist, so liegt der Sonnenstrahlungsvektor zur Tageszeit t_v=12 Uhr mittags in der Rippenquerschnittsebene und steht vertikal zu den Längsachsen der prismatischen Rippen und die horizontalen prismatischen Rippen sind parallel zur Äquatorebene. Die Ausrichtung der Prismenglasscheibe nach Süden bewirkt somit, daß der tageszeitliche Verlauf des Strahleinfallswinkels γ₂ an der Rückseite der Prismenglasscheibe, der über Reflexion oder Durchdringung entscheidet, symmetrisch zur Tageszeit t_v=12 Uhr mittags ist. Diese Reflexionseigenschaft der prismatischen Rippen ist bei gleicher Einfallsrichtung für Strahlung, welche vom klaren oder bedeckten Himmel einfällt, natürlich dieselbe wie für direkt von der Sonne einfallende Strahlung. Im Sommer bleibt dadurch die Temperatur in den Räumen im allgemeinen in akzeptablen Grenzen, während die Sonnenenergie im Winter zur Reduktion der aufzuwendenden Heizenergie beiträgt. Diese Prismenglasscheibe ist aber undurchsichtig und nur für vertikale und im wesentlichen nach Süden ausgerichtete Fenster anwendbar. Im Vergleich zu üblichen Isolierglasscheiben bietet diese Prismenglasscheibe einen besseren Blendschutz gegen direkte Sonnenstrahlung auf der Arbeitsplatzebene in Fensternähe, führt aber zu keiner verbesserten Ausleuchtung der Raumtiefe.

Scheiben mit nicht-horizontalen prismatischen Rippen

[0002] Eine neuere Entwicklung (Europäische Patentanmeldung Nr. 97113294.9-2205) beschreibt, wie Glasscheiben mit prismatischen Rippen diese Wirkung auch für alle vertikalen Fenster mit einer Ausrichtung zwischen Ostsüdost und Westsüdwest erreichen können. Dieses gelingt dadurch, daß die prismatischen Rippen - abhängig von der Abweichung Δβ der Fensterausrichtung von der Südrichtung - mit einem bestimmten Winkel a zur Horizontalen geneigt werden. Der Winkel α wird nach der Gleichung

mit λ: der geographischen Breite des Anwendungsortes
bestimmt. Für Fenster mit verschiedenen Fensterausrichtungen ist die Neigung der prismatischen Rippen zur Horizontalen in Abb. 2 dargestellt. Der Winkel η wird allgemein als Winkel zwischen der Richtungskomponente eines Strahls in der Rippenquerschnittsebene und der Schnittgeraden von Horizontebene und Rippenquerschnittsebene definiert. Die Bestimmung des Grenzwinkels η_G zwischen dem Sonnenstrahlungsvektor und der Schnittgeraden von Horizontebene und Rippenquerschnittsebene für den Tageszeitwinkel β_v erfolgt mit Hilfe der Gleichungen

dem Grenzwinkel der Sonnendeklination zur Äquatorebene zu den Jahreszeitpunkten, an denen gerade keine Sonnenstrahlung mehr bzw. gerade wieder Sonnenstrahlung die Prismenscheibe durchdringen soll, mit

δ : der Sonnendeklination zur Äquatorebene,

δ₀ = 23,45°, der maximalen Sonnendeklination zur Äquatorebene zum Jahreszeitpunkt der Sommersonnenwende,

d_G: der als Sonnensperrzeit bezeichneten Zeit in Tagen jeweils vor und nach der Sommersonnenwende, in der keine Sonnenstrahlung die Prismenscheibe durchdringen soll,

d_J = 365,25 Tage, der Zeit eines Jahres,

dem Tageszeitwinkel, für den der Sonnenstrahlungsvektor in der Rippenquerschnittsebene liegt und vertikal zu den Längsachsen der prismatischen Rippen steht, mit

t: der mittleren Tageszeit des Ortes,

β=π/12h·t : dem Tageszeitwinkel,

dem Winkel zwischen dem Sonnenstrahlungsvektor und der Schnittgeraden von Horizontebene und Rippenquerschnittsebene für den Tageszeitwinkel β_v und die Sonnendeklination δ=0° und

[0003] Der Prismenbasiswinkel θ wird nach der Gleichung

bestimmt. GI. 7 ist eine explizite Form von Gl. 1. Der maximal mögliche Winkel η zwischen dem Sonnenstrahlungsvektor und der Schnittgeraden von Horizontebene und Rippenquerschnittsebene für den Tageszeitwinkel β_v zur Jahreszeit der Sommersonnenwende ist

[0004] Der Winkel Ω des Rippenquerschnitts wird so bestimmt, daß

erfüllt ist. Wenn

ist, was für große Abweichungen der Fensterausrichtung von der Südrichtung und/oder große Sonnensperrzeiten der Fall ist, wird ein Sägezahnprofil mit bestimmten Winkeln an den Unterseiten der prismatischen Rippen vorgesehen (Abb. 3). Bei einer derartigen Auslegung der Prismenscheibe ist der tageszeitliche Verlauf des Sonnenstrahleinfallwinkels γ₂ an der Rückseite der Prismenglasscheibe, der über Reflexion oder Durchdringung entscheidet, symmetrisch zum Tageszeitpunkt t_v, weist für diesen Tageszeitpunkt ein Minimum auf und liegt in Abhängigkeit von dem Jahreszeitpunkt um so höher, je näher der Jahreszeitpunkt der Sommersonnenwende ist. Dieser tageszeitliche Verlauf des Sonnenstrahleinfallswinkels γ₂ ist für ein Beispiel (Δβ=45°, δ_G=11,725°, α=-30,68°, θ=47,87°, β_v=127,45° bzw. t_v =8:30) in Abb. 4 dargestellt. Man erkennt, daß während der Tage zu den beiden Jahreszeitpunkten der Grenzsonnendeklination δ_G gerade noch kein Sonnenstrahl die Prismenscheibe durchdringen kann und daß die Sonnensperrwirkung der Prismenscheibe mit abnehmender Sonnendeklination δ mehr und mehr aufgehoben wird. Da die Sperrwirkung der Prismenglasscheibe für vom Himmel ausgehende Strahlung natürlich genauso wie für Sonnenstrahlung vorhanden ist, kann auch der Teil der Himmelsstrahlung, für den γ₂>κ gilt, nicht durchdringen. Diese Prismenscheibe bietet somit den Sonnenschutz und die energetischen Vorteile der in der französischen Patentschrift Nr. 8017364 beschriebenen Prismenscheibe für einen breiten Bereich von Fensterausrichtungen und ermöglicht außerdem die individuelle Wahl der jährlichen Sonnensperrzeit durch die Dimensionierung des Prismenprofils. Aber auch diese Prismenscheibe ist undurchsichtig und nur für vertikale Fenster anwendbar. Auch diese Prismenglasscheibe bietet im Vergleich zu üblichen Isolierglasscheiben einen besseren Blendschutz gegen direkte Sonnenstrahlung auf der Arbeitsplatzebene in Fensternähe, führt aber zu keiner verbesserten Ausleuchtung der Raumtiefe. Der Aufwand für die Fertigumg dieser Scheibe steigt erheblich, wenn ein Sägezahnprofil erforderlich ist.

Scheiben mit horizontalen Einschnitten oder Hohlräumen

[0005] Ein Fensterglas für vertikale Fenster, dessen optisch wirksamer Teil aus vertikal übereinander angeordneten, horizontalen Rippen besteht, ist ebenfalls bekannt (Edmonds l.R., 1993. Performance of laser cut light deflecting panels in daylighting applications. Solar Energy Materials and Solar Cells 29, 1-26). Dieses System kann z.B. mit Hilfe von Acrylglasplatten, in welche - etwa mit LaserStrahlen - schmale, parallele Einschnitte eingebracht werden, realisiert werden (Abb. 5). Die Querschnitte dieser Rippen können die Form eines Rechtecks oder eines nicht wesentlich von der Rechteckform abweichenden Parallelogramms mit dem Seitenverhältnis h/b haben.

[0006] Ein in die Rippe eindringender Strahl tritt, abhängig vom Auftreffpunkt, dem Winkel η des Strahls sowie dem Seitenverhältnis h/b und der Form des Glasrippenquerschnitts, nach keiner, einer oder mehreren Reflexionen an der Rückseite der Glasrippe wieder aus. Abb. 6 zeigt als Beispiel drei mögliche Strahlenverläufe in der Rippenquerschnittsebene für drei verschiedene Winkel η. Man erkennt, daß ein Teil der Strahlen - abhängig vom Winkel η - nach oben umgelenkt wird, während die übrigen Strahlen die ursprüngliche Richtung beibehalten. Tatsächlich schwankt der Anteil der nach oben umgelenkten Strahlung in Abhängigkeit von der Richtung der einfallenden Strahlung von 0 bis 1; dieses gilt auch, wenn der Glasrippenquerschnitt ein Parallelogramm ist. Strahlung, welche vom klaren oder bedeckten Himmel einfällt, wird von diesem System trotz der Richtungsabhängigkeit der Umlenkfunktion zum erheblichen Anteil nach oben gegen die üblicherweise weiße Raumdecke umgelenkt und verbessert somit die Ausleuchtung tiefer Räume mit Tageslicht. Direkte Sonnenstrahlung, welche ja zu einem Zeitpunkt jeweils nur aus einer Richtung einfällt, wird jedoch je nach Tageszeit und Jahreszeit sehr unterschiedliche und schnell wechselnde Beleuchtungsverhältnisse und Strahlrichtungen in mit diesem System ausgerüsteten Räumen erzeugen und es wird zu erheblichen Blendwirkungen kommen. Dieses System kommt also auch mit geeigneter Beschichtung nicht als Sonnenschutzglas in Frage und es hat - im Vergleich zu üblichem Isolierglas - keinen regelnden Einfluß auf die Strahlungswärmeaufnahme im Sommer und Winter. Für vertikale Fenster jedoch, welche im wesentlichen nach Norden - auf der südlichen Hemisphäre: nach Süden - ausgerichtet sind, ist dieses System, welches auch eine gute Durchsichtigkeit aufweist, gut zur Verbesserung der Ausleuchtung tiefer Räume mit Tageslicht geeignet. An äquatornahen Anwendungsorten ist dieses System als Deckenlicht in der Form einer Pyramide im Vergleich zu einem entsprechenden Deckenlicht aus üblichem Isolierglas in der Lage, sowohl den Strahlungswärmeeinfall in einen Raum deutlich zu reduzieren als auch für eine verbesserte Ausleuchtung des Raumes mit Tageslicht zu sorgen.

Scheiben mit horizontalen, verspiegelten Profilstäben

[0007] Die Deutsche Patentanmeldung DE A1 E04D003-35 beschreibt ein Fensterglas, welches horizontale, verspiegelte Profilstäbe im Zwischenraum eines aus zwei Scheiben bestehenden Isolierglases (Abb. 7) nutzt, um direkte Sonnenstrahlung während des Sommers zu reflektieren und während des Winters - nach oben umgelenkt - in den Raum eintreten zu lassen. Entsprechend kann die mit flachen bis mittleren Winkeln einfallende Strahlung des bedeckten bzw. klaren Himmels in den Raum eindringen, während die mit mittleren bis steilen Winkeln einfallende Strahlung des bedeckten bzw. klaren Himmels reflektiert wird. Dieses Fensterglas hat also das Ziel, die Strahlungswärmeaufnahme so zu steuern, daß im Sommer möglichst wenig und im Winter möglichst viel Energie in den Raum eindringen kann, und durch Umlenkung des einfallenden Lichtes gegen die üblicherweise weißen Raumdecken - im Vergleich zu üblichem Isolierglas - eine bessere Ausleuchtung tiefer Räume mit Tageslicht zu erreichen. Dieses System wurde mit Hilfe des Rechenprogrammes RADIANCE für einen Testraum mit einem nach Süden ausgerichteten Fenster simuliert (Moeck M., 1998. On daylight quality and quantity and its application to advanced daylight systems. Journal of the Illuminating Engineering Society Winter 1998, 3-21) und auch meßtechnisch untersucht (Aizlewood M.E. ,1993. Innovative Daylighting Systems: An experimental evaluation. Lighting Research and Technology 25,141-152) und mit anderen Systemen verglichen. Hierbei ergab sich, daß dieses System, von potentiellen Blendwirkungen einmal abgesehen, den angestrebten Sonnenschutz bieten kann und auch zur Vergleichmäßigung der Helligkeit in tiefen Räumen beiträgt. Es reduziert den Licht- und Energieeinfall in Räume jedoch nicht nur im Sommer sondern auch im Winter erheblich, so daß im jeweiligen Anwendungsfall beurteilt werden muß, ob das System die angestrebte energiesparende Wirkung erbringt. Das System ist in gewissem Maße durchsichtig. Da die Profilstäbe jedoch einen größeren Anteil der freien Fläche eines Fensters als die Lamellen eines üblichen Jalousiesystems beanspruchen, ist die Durchsichtigkeit dieses Fensterglases geringer als bei einem Fenster mit einem Jalousiesystem. Wegen der ausschließlich horizontal ausgerichteten Profilstäbe ist dieses System ebenso wie das bereits beschriebene Prismenglas nach der französischen Patentschrift Nr. 8017364 nur für im wesentlichen nach Süden ausgerichtete Fenster geeignet. Bei klarem Himmel und direkter Sonnenstrahlung ist wegen der spiegelnd reflektierenden Profile mit tageszeitlich wechselnder Blendwirkung zu rechnen.

Sonnenschutz- und Lichtlenksysteme für vertikale Fenster

[0008] Es ist ferner ein feststehendes Prismensystem (Abb. 8) bekannt (Bartenbach, C., 1986. Neue Tageslichtkonzepte. Technik am Bau 4, BR Deutschland), welches aus zwei Prismenscheiben und einem Innenspiegel besteht. Die beiden Prismenscheiben und der Innenpiegel sind so angeordnet, daß sie einen Hohlraum mit gleichschenkligem Querschnitt bilden. Die nach außen vorspringende Prismenscheibe hat die Aufgabe, die direkte Sonnenstrahlung, welche bis zu einem maximalen Sonnenhöhenwinkel einfallen kann, zu reflektieren sowie die intensive Strahlung des Himmels aus dem Zenitbereich durchzulassen und auf den Innenspiegel zu lenken. Die durchgelassene Strahlung wird von dem Innenspiegel auf die zweite Prismenscheibe gelenkt, welche die Aufgabe hat, die Strahlung nach oben gegen die weiße Decke des Innenraumes zu lenken und so eine möglichst gleichmäßige, blendfreie Beleuchtung von tiefen Räumen mit Tageslicht zu erzeugen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, ist jeweils eine Fläche der Prismen dieser Scheiben mit einer spiegelnd refllektierenden Aluminiumschicht bedampft. Dieses System wurde ebenfalls mit Hilfe des Rechenprogrammes RADIANCE für einen Testraum mit einem nach Süden ausgerichteten Fenster untersucht (Moeck M., 1998. On daylight quality and quantity and its application to advanced daylight systems. Journal of the Illuminating Engineering Society Winter 1998, 3-21). Dabei fand man heraus, daß dieses System den angestrebten, nahezu vollkommenen Sonnenschutz bieten kann und daß es Blendwirkungen durch direktes Sonnenlicht verhindert. Es trägt aber offenbar kaum zur Vergleichmäßigung der Helligkeit in tiefen Räumen bei. Es reduziert den Licht- und Energieeinfall in Räume sowohl im Sommer als auch im Winter ganz erheblich, so daß dieses System im Sommer und im Winter ziemlich gleichmäßig - d.h. ohne deutliche, von der Jahreszeit abhängige Steuerwirkung - als Licht- und Energieabblendeinrichtung wirkt. Dieses System ist nicht durchsichtig. Deswegen und wegen der nach außen vorspringenden Prismenscheibe ist es im wesentlichen für Oberlichter in Kombination mit darunter angeordneten üblichen, durchsichtigen Sonnenschutzfenstern geeignet. Wegen der ausschließlich horizontal ausgerichteten prismatischen Rippen ist dieses System ebenso wie bereits oben beschriebene Systeme nur für im wesentlichen nach Süden ausgerichtete Fenster geeignet.

[0009] Es wurden noch weitere Systeme (Ruck N.G.,1985. Beaming daylight into deep rooms. Building Res. Pract. 6, 144-147 bzw. Belträn L.O., Lee E.S., Selkowitz S.E., 1997. Advanced optical daylighting systems: Light shelves and light pipes. Journal of the Illuminating Engineering Society Winter 1997, 91-106) entworfen, welche - ähnlich dem hier beschriebenen System von Bartenbach - die Aufgabe haben, Tageslicht durch ein oberes, senkrechtes Teilfenster - ein sogenanntes Oberlicht - in die tiefer gelegenen Raumbereiche - insbesondere gegen die Raumdecke - zu lenken. Diese Systeme zielen jedoch - im Gegensatz zu dem System von Bartenbach - auf die Nutzung des direkten Sonnenlichtes zur Raumausleuchtung; sie sind ziemlich komplex und aufwendig und weisen, um das direkte Sonnenlicht aufnehmen zu können, Bestandteile auf, welche aus der senkrechten Fassade eines Gebäudes herausragen. Derartige Systeme haben also einen bestimmenden Einfluß auf die Fassade eines Gebäudes und schränken somit die Gestaltungsfreiheit des Architekten ein.

Zwei vertikale Scheiben mit ineiander verzahnten, horizontalen prismatischen Rippen

[0010] Es ist ferner ein System bekannt (Europäische Patentanmeldung 833 01687.6, Publikation 0092322 A1), welches aus zwei Scheiben mit horizontalen prismatischen Rippen besteht (Abb. 9). Die prismatischen Rippen der beiden Scheiben, welche alle identische Querschnitte in der Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben, sind einander zugewendet und so ineinander verzahnt, daß nur ein kleiner Luftspalt zwischen den beiden Scheiben vorhanden ist. Der als "charakteristisch" bezeichnete Querschnitt der prismatischen Rippen ist durch den Prismenbasiswinkel θ und die Flächen C_A, f_A und s_A bestimmt (Abb. 10). Der charakteristische Querschnitt der prismatischen Rippen kann als Ersatz der tatsächlichen Konfiguration für die Untersuchung des Strahlenganges herangezogen werden, da die Parallelverschiebung der frontseitigen Grenzfläche a_A nur eine unerhebliche Parallelverschiebung des Strahlenganges bewirkt. Die Sperrwirkung des Systems ist für Strahlen in der Querschnittsebene zwischen den Grenzwinkeln

und

gegeben, sofern die Strahlen in einem bestimmten Bereich, welcher in Abb. 10 durch die Teilfläche c_R gekennzeichnet ist, in den charakteristischen Querschnitt eindringen. Ein erheblicher Teil der Strahlung dringt jedoch außerhalb dieses Bereiches in den charakteristischen Querschnitt ein, wird an der rückseitigen Grenzfläche f_A reflektiert, trifft erneut auf die frontseitige Grenzfläche a_A - in Abb. 10 ersatzweise auf die Fläche c_A - und wird daran reflektiert und trifft unter einem so steilen Einfallswinkel auf die rückseitige Grenzfläche s_A, daß diese von der Strahlung durchdrungen wird. Wenn man von geringen Reflexionsverlusten an den Grenzflächen absieht, so ist das Verhältnis der reflektierten zur gesamten, auf die Fläche c_A unter dem Winkel η in dem Winkelbereich η_Go>η>η_Gu einfallenden Strahlung

mit sinη₁=1/n·sinη, falls die Strahlung parallel zur Querschnittsebene einfällt.

[0011] Das Verhältnis der durchdringenden Strahlung zur gesamten einfallenden Strahlung 1-C_R/C_A ist für θ=76° in Abhängigkeit von dem Winkel η₁ in Abb. 11 dargestellt. Man erkennt, daß Strahlung mit Winkeln von η₁=0° bis η_1Gu=27,8° vollständig durchdringen kann; das System ist in diesem Winkelbereich durchsichtig. Strahlung mit Winkeln von η_1Go=34,17° bis η₁=41,81° kann - abgesehen von Reflexionsverlusten - ebenfalls vollständig durchdringen, aber das System ist in diesem Winkelbereich nicht durchsichtig. In dem Winkelbereich 27,8°<η₁<34,17° dringt aber immer noch mehr als die Hälfte der Strahlung durch. Dieses System hat also - im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Systemen - den Vorteil, daß es in den unteren Winkelbereichen durchsichtig ist, aber den Nachteil, daß es die Strahlung in den mittleren und oberen Winkelbereichen nur ungenügend oder gar nicht reflektiert. Die Sonnenschutzwirkung dieses Systems ist somit ungenügend. In der Internationalen Patentanmeldung PCT/GB94/00949, Publikation WO 94/25792, wird ein ähnliches System beschrieben.

Aufgabe, Berechnungsgrundlagen und Wirkungen der neuen Fensterscheibe

Aufgabe der Fensterscheibe im Sinne der Erfindung

[0012] Die Erfindung betrifft eine Fensterscheibe, die vollkommenen Sonnenschutz und Blendschutz während des gesamten Tages im Sommer, energiesparende Eigenschaften im Sommer und Winter, gute Ausleuchtung der Raumtiefe und ein kaum beinträchtigtes Blickfeld für die Sicht von innen nach außen für einen breiten Bereich von Fensterausrichtungen mit bis zu 75° Abweichung von der Südrichtung auf der Nordhemisphäre bzw. von der Nordrichtung auf der Südhemisphäre, für Fensterneigungswinkel von 45° bis 90° zur Horizontebene und für die gemäßigten Klimazonen der Erde jeweils zwischen λ=30° und λ=60° nördlicher und südlicher Breite realisieren soll.

Berechnungsgrundlagen der neuen Fensterscheibe

[0013] Der Gegenstand dieser Patentanmeldung ist ein aus zwei Scheiben mit ineinander verzahnten, prismatischen Rippen von rechtwinkligem Querschnitt bestehendes Scheibensystem. Es ist eine Verbesserung und Weiterentwicklung des in der Europäischen Patentanmeldung 833 01687.6 beschriebenen Systems aus zwei vertikalen Scheiben mit ineiander verzahnten, horizontalen prismatischen Rippen. Zur Vermeidung der wesentlichen Mängel des in der Europäischen Patentanmeldung 833 01687.6 beschriebenen Systems werden jeweils die Prismenflächen s_A der äußeren Prismenscheibe A mit einer möglichst vollkommen spiegelnd reflektierenden und jeweils die Prismenflächen sB der inneren Prismenscheibe B mit einer möglichst vollkommen diffus reflektierenden Beschichtung versehen (Abb. 12).

Berechnung der Parameter des Systems

[0014] Für den allgemeinen Fall eines Fensters mit beliebigem Neigungswinkel v zur Horizontebene und unter einem Winkel a zur Horizontalen in der Fensterebene geneigten prismatischen Rippen wird ein Koordinatensystem P - genannt P-System -, dessen z_P-Achse in der Schnittgeraden zwischen Fensterebene und Rippenquerschnittsebene liegt und dessen x_p-Achse mit der Fensterflächennormalen identisch ist, definiert. Die Richtung eines Strahls im Raum in Bezug auf das P-System soll durch die beiden Winkel

ζ : Winkel zwischen der Fensterflächennormalen und der Strahlrichtungskomponente in der Rippenquerschnittsebene, genannt Rippenhöhenwinkel, und

ξ : Winkel zwischen der Fensterflächennormalen und der Strahlrichtungskomponente in der Ebene, welche senkrecht zur Rippenquerschnittsebene ist und die Fensterflächennormale enthält, genannt Rippenlängenwinkel,

definiert werden (Abb. 13). Diese Winkel ξ und ζ sowie der Einfallswinkel γ eines Strahls werden im Verlaufe eines Strahlenganges mit der Ordnungszahl des Grenzflächenkontaktes, sei es Reflexion oder Brechung, als Index gekennzeichnet.

[0015] Der Neigungswinkel α der prismatischen Rippen zur Horizontalen in der Fensterebene wird durch

bestimmt. Als Beispiel ist α in Abb. 14 für ν=90° und in Abb. 15 für v=60° jeweils für die λ-Werte 40°, 50° und 60° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ dargestellt.

[0016] Definitionsgemäß muß der Sonnenstrahlungsvektor senkrecht zur Längsachse der prismatischen Rippen sein, wenn der Tageszeitwinkel β=β_v ist. Aus dieser Bedingung erhält man die allgemeine Bestimmungsgleichung für β_v:

   mit E = tanΔβ/(cosΔβ+tanλ·tanν).

[0017] Zwischen dem Rippenhöhenwinkel ζ und dem Wickel η besteht die Beziehung

d.h. für α=0° gilt η=ζ+π/2-ν und für vertikale Fenster (ν =90°) gilt η=ζ. Mit dieser Beziehung werden ζ_S, ζ_O, ζ_G und ζ_M analog zu η_S, η_O, η_G und η_M definiert. Der Sonnenstrahlungsvektor S in der Äquatorebene zur Jahreszeit der Tagundnachtgleiche und in der Rippenquerschnittsebene zur Tageszeit t_v, also für den Sonnendeklinationswinkel δ=0° und den Tageszeitwinkel β_v, ist im P-System durch





   mit C = (cosβ_v·sinλ·cosΔβ-sinβV_v·sinΔβ)
   und D = (cosβ_v·sinλ·sinΔβ+sinβ_v·cosΔβ) gegeben und der Rippenhöhenwinkel dieses Sonnenstrahlungsvektors ist durch

bestimmt. Für eine gegebene Sonnensperrzeit d_G wird der Prismenbasiswinkel θ durch

bzw. für einen gegebenen Prismenbasiswinkel θ die Sonnensperrzeit d_G durch

bestimmt. Als Beispiel ist die Sonnensperrzeit d_G in Abb. 16 für ν=90° und in Abb. 17 für ν=60° jeweils für die λ-Werte 40°, 50° und 60° und eine Auswahl der θ-Werte 45°, 48°, 51°, 54°, 57°, 70,5° und 76° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ dargestellt. Für alle Berechnungen wurde der Brechungsindex n des Scheibenmaterials gleich 1,5 gesetzt, welcher dem Brechungsindex von üblichem Fensterglas und Acrylglas entspricht.

Durchsichtigkeit des Systems

[0018] Strahlen, welche nicht auf die Prismenfläche s_A fallen, die Prismenflächen f_A und f_B durchdringen und nicht auf die Prismenfläche s_B fallen, durchdringen das System, ohne die Richtung zu verändern. Das gilt sowohl für von außen nach innen als auch für von innen nach außen gerichtete Strahlen. Das System ist somit in Richtung dieser Strahlen nicht nur strahlungsdurchlässig sondern auch durchsichtig.

[0019] c_f ist eine Teilfläche der Fläche c_A einer prismatischen Rippe (Abb. 18), durch welche der Anteil der Strahlung hindurchtritt, welcher nach dem Eindringen über die Grenzfläche a_A direkt auf die Prismenfläche f_A fällt und, falls γ₂<κ, das System durchdringt. Dieser Anteil ist von dem jeweiligen Winkel ζ₁ der einfallenden Strahlung abhängig, ist gleich dem Verhältnis der beiden Flächen c_f/c_A und soll als Sichtflächenverhältnis SV bezeichnet werden. Das Sichtflächenverhältnis kann bei Vernachlässigung der Größe des Abstandes zwischen den Prismenflächen s_A und sB mit Hilfe der Gleichung

   für ζ₁≥θ-π/2 und

   für ζ_i<θ-π/2
bestimmt werden.

[0020] Das Sichtflächenverhältnis SV ist in den Abbildungen 19, 20 und 21 für die Prismenbasiswinkel θ=76°, θ=70,5° und θ=51° jeweils in einem ζ,ξ-Sichtfelddiagramm aufgetragen. Man erkennt, daß das Sichtfeld für θ=76°und θ=70,5° und vertikale Fenster in den interessanten Ausblickrichtungen, nämlich 30°>ζ>-90° und 60°>ξ>-60°, nur sehr wenig eingeschränkt wird. Das gilt auch für das System mit θ=51°, wenn man berücksichtigt, daß dieses System für Dachfenster mit einem Neigungswinkel von z.B. ν=45° angewendet werden soll. Eine befriedigende Durchsichtigkeit des Systems ist allerdings nur dann zu erwarten, wenn die Prismenscheiben A und B mit ausreichender Präzision gefertigt werden und die einzelnen Prismenflächen eine glatte und ebene Oberfläche haben.

Systematik der Strahlengänge

[0021] Zusätzlich zu den bereits definierten Winkeln sollen die folgenden Funktionen definiert werden (Abb. 18):

ζ=ζ_K(ξ) die Winkelpaare ξ, ξ_K der Strahlen, welche die Prismenscheibe A durchdringen und gerade mit dem Einfallswinkel γ₂=κ an der Prismenfläche f_A reflektiert werden, erfüllen die Funktion ζ=ζ_K(ξ). Inbesondere ist ζ_G=ζ_K(0).

ζ=ζ_U(ξ) : die Winkelpaare ξ, ζ_U der Strahlen, welche nach Reflexion an der spiegelnd reflektierenden Prismenfläche s_A und Durchdringung der beiden Prismenflächen f_A und f_B auf die rückseitige Grenzfläche a_B der Prismenscheibe B treffen und hier gerade mit dem kritischen Winkel der Totalreflexion κ reflektiert werden, erfüllen die Funktion ζ=ζ_U(ξ).

ζ=ζ_c(ξ) : die Winkelpaare ξ, ζ_c der Strahlen, welche die Prismenscheibe A parallel zur spiegelnd reflektierenden Prismenfläche s_A durchdringen, erfüllen die Funktion ζ=ζ_C(ξ).

[0022] Abhängig von dem Winkelpaar ξ, ζ und dem Auftreffort eines Strahls können die folgenden typischen Strahlengänge unterschieden werden:

Strahlengang 1: Der Strahl mit ζ<ζ_K(ξ) durchdringt a_A und c_A,

Fall 1a: dringt über die Teilfläche c_f in die charakteristische prismatische Rippe ein, trifft auf f_A, der Rippenhöhenwinkel ist

durchdringt f_A, f_B und a_B und durchdringt somit das System, wobei Eintritts- und Austrittsrichtung des Strahls identisch sind, bzw.

Fall 1b: dringt über die Teilfläche c-c_f in die charakteristische prismatische Rippe ein, wird an s_A reflektiert, trifft auf f_A, der Rippenhöhenwinkel ist

durchdringt f_A und f_B .

Fall 1b1, ζ_c(ξ)<ζ<ζ_K(ξ):

Fall 1b11, (ζ_U(ξ)<ζ<ζ_K(ξ): wird an a_B reflektiert und trifft entweder direkt oder nach einer weiteren Reflexion an f_B bzw. weiteren Reflexionen an f_B und a_B auf s_B, wo er zum geringen Teil absorbiert und überwiegend diffus reflektiert wird - ein Teil der von s_B reflektierten Energie des Strahls durchdringt f_B, f_A und a_A und wird somit von dem System letztlich reflektiert, während ein Teil der Energie des Strahls a_B und somit das System durchdringt - bzw.

Fall 1b12, ζ_C(ξ)<ζ<ζ_U(ξ): durchdringt a_B und somit das System, wobei Eintritts- und Austrittsrichtung des Strahls verschieden sind, bzw.

Fall 1b2, ζ<ζ_c(ξ): trifft entweder direkt oder nach einer weiteren Reflexion an f_B bzw. weiteren Reflexionen an f_B und a_B auf s_B, wo er zum geringen Teil absorbiert und überwiegend diffus reflektiert wird - ein Teil der von s_B reflektierten Energie des Strahls durchdringt f_B, f_A und a_A und wird somit von dem System letztlich reflektiert, während ein Teil der Energie des Strahls a_B und somit das System durchdringt -.

Strahlengang 2: Der Strahl mit ζ>ζ_K(ξ) durchdringt a_A und c_A,

Fall 2a: dringt über die Teilfläche c_R in die charakteristische prismatische Rippe ein, wird entweder

Fall 2a1: zuerst an f_A und dann an s_A reflektiert oder

Fall 2a2: zuerst an s_A und dann an f_A reflektiert,

durchdringt a_A in umgekehrter Richtung wie beim Eintritt und wird somit von dem System reflektiert, bzw.

Fall 2b: dringt über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe ein, wird zuerst an f_A und dann an a_A reflektiert,

Fall 2b1: wird an der Teilfläche s_R von s_A (Strahlengang S in Abb. 22)
- die Teilfläche s_R wird von der Fläche s_A durch die Fläche, welche die obere Kante der charakteristischen prismatischen Rippe enthält und parallel zum Strahl vom 4. zum 5. Grenzflächenkontakt ist, abgetrennt, so daß

ist -
reflektiert, wird an f_A reflektiert und - bei geeignetem Winkel θ und nach weiteren Reflexionen an a_A und f_A - durchdringt a_A in umgekehrter Richtung wie beim Eintritt und wird somit von dem System reflektiert, bzw.

Fall 2b2: wird an der Teilfläche s_A-s_R (Strahlengang R in Abb. 22) reflektiert,

Fall 2b21: durchdringt a_A und wird somit von dem System reflektiert, bzw.

Fall 2b22: wird an a_A reflektiert und - bei geeignetem Winkel θ und nach einer weiteren Reflexion an a_A bzw. nach weiteren Reflexionen an a_A und f_A- durchdringt f_A und durchdringt somit das System bzw. durchdringt a_A und wird somit von dem System reflektiert, wobei Eintritts- und Austrittsrichtung des Strahls verschieden sind.

[0023] Man erkennt aus Gl. 21 und 22, daß in dem Fall 1a beim Auftreffen eines Strahls mit der ursprünglichen Einfallsrichtung ξ, ζ auf die Fläche f_A der Betrag des Rippenhöhenwinkels ζ₂ gleich dem Betrag des Rippenhöhenwinkels ζ₃ beim Auftreffen eines Strahls mit derselben ursprünglichen Einfallsrichtung ξ, ζ auf die Fläche f_A in dem Fall 1b ist. Entsprechendes gilt in den Fällen 2a1 und 2a2. Ob ein Strahl das System durchdringt oder von dem System reflektiert wird, hängt in diesen Fällen also nur von der Richtung und nicht vom Auftreffort eines Strahls ab. Diese Eigenschaft des Systems ist eine Folge des rechtwinkligen Rippenspitzenwinkels, der daher auch für alle Varianten beibehalten wird.

[0024] Ein Anteil der in den Fällen 1b11 und 1b2 von der Prismenfläche s_B diffus reflektierten Energie durchdringt letztlich a_A und wird somit von dem System reflektiert, während ein Anteil letztlich a_B durchdringt und somit das System durchdringt. Die Anteile werden vereinfacht, aber ausreichend genau, durch die angenähert berechneten Strahlungsaustauschfaktoren zwischen den Flächen s_B und a_B

bzw. zwischen den Flächen s_B und a_A

ermittelt. Im Fall 1b12 ist der Rippenhöhenwinkel ζ₅ des auf a_B einfallenden Strahls aus dem Rippenhöhenwinkel ζ₁ des an a_A gebrochenen Strahls durch

zu berechnen.

[0025] Wie aus den Gleichungen von Fresnel hervorgeht, ist der Übergang eines Strahls von einem transparenten Medium in ein anderes bei verschiedenem Brechungsindex mit Reflexionsverlusten verbunden. Die interne Totalreflexion innerhalb eines Mediums erfolgt jedoch praktisch verlustlos, so daß ein Strahl auch bei einem Strahlengang mit mehrfachen internen Totalreflexionen nur Energie durch Absorption in dem Medium verliert. Die durch Absorption verlorene Energie eines Strahls in üblichem Fensterglas und insbesondere in Acrylglas ist wegen der auch bei mehrfachen internen Totalreflexionen noch relativ kurzen Wegstrecke des Strahls im Medium jedoch sehr gering, wennauch nicht vernachlässigbar.

Ableitung eines Auswahlkriteriums für den Prismenbasiswinkel θ

[0026] Der Fall 2b2 bedarf einer näheren Untersuchung, da - abhängig von dem Winkelpaar ξ, ζ des Strahls und dem Prismenbasiswinkel θ - der Strahl das System sowohl durchdringen als auch von dem System reflektiert werden kann. Um eine Vorauswahl für die Prismenbasiswinkel θ treffen zu können, die dem System auch im Fall 2b2 die erwünschten Reflexionseigenschaften geben, werden im folgenden - vereinfachend - Strahlengänge für ξ=0° betrachtet.

[0027] Für θ=Ω=45° ist c_R/c_A ≥1, d.h. es existiert keine Teilfläche c_A-c_R und somit werden Strahlen mit ζ>ζ_K(ξ) von dem System nach genau 4 Grenzflächenkontakten reflektiert.

[0028] Für θ>45° ist c_R/c_A <1 möglich, d.h. es kann eine Teilfläche c_A-c_R existieren. Strahlen mit ζ>ζ_K(ξ), welche über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eindringen, werden an f_A, a_A und s_A reflektiert, treffen dann erneut auf a_A und erfahren somit mindestens 5 Grenzflächenkontakte. Für den Rippenhöhenwinkel beim 5. Grenzflächenkontakt gilt

[0029] Damit alle Strahlen mit ξ=0° und ζ>ζ_G nach 5 Grenzflächenkontakten die Prismenfläche a_A durchdringen und somit von dem System reflektiert werden (Strahlengang 2b21), ist ζ₂≥κ und ζ₅≤κ erforderlich. Aus Gl. 27 ergibt sich somit der maximale Prismenbasiswinkel θ, für den gerade noch die Reflexion aller Strahlen mit ξ=0° und ζ>ζ_G nach 5 Grenzflächenkontakten möglich ist, zu

[0030] Wie aus den Abb. 16 und 17 erkennbar ist, sind Systeme mit θ<θ_5Kmax nur für Fenster geeignet, welche zur Horizontebene geneigt sind (ν<90°) und/oder Fensterausrichtungen Δβ≠0° haben, da nur dann sich erwünschte Sonnensperrzeiten im Bereich von 30 bis 120 Tagen ergeben. Auf der Grundlage der vorstehenden Berechnungen wird der Prismenbasiswinkel in dem Bereich
   45°≤θ_5K≤58° für Systeme, welche Strahlung mit 4 bzw. 5 Grenzflächenkontakten reflektieren, - kurz 5K-Systeme -
ausgewählt. Die Strahlung, welche über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eindringt, hat den Anteil P=1-c_R/c_A an der gesamten aus der Richtung ζ₁ eindringenden Strahlung. Für 5K-Systeme ist der Anteil P in Abb. 23 für θ=45°, θ=48°, θ=51°, θ=54° und θ=57° in Abhängigkeit von ζ₁ dargestellt.

[0031] Strahlen mit ζ>ζ_K(ξ), welche über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eindringen, an f_A, a_A und der Teilfläche s_A-s_R reflektiert werden, danach wieder an a_A und f_A reflektiert werden, treffen erneut auf a_A und erfahren somit mindestens 7 Grenzflächenkontakte. Für den Rippenhöhenwinkel beim 6. bzw. 7. Grenzflächenkontakt gilt

bzw.

[0032] Damit ein Strahl nach 7 Grenzflächenkontakten von dem System reflektiert werden kann, darf er nicht f_A beim 6. Grenzflächenkontakt durchdringen, d.h. es muß ζ₆≥κ sein. Aus Gl. 29 ergibt sich somit der minimale Prismenbasiswinkel θ, für den gerade noch die Reflexion aller Sonnenstrahlen mit ζ≤ζ_M nach 6 Grenzflächenkontakten möglich ist, zu

[0033] Für Δβ=0°, ν=90° und λ=60° ist ζ_M=53,45° und θ_7Kmin=68,838° bzw. für Δβ=0°, ν=90° und λ=30° ist ζ_M=83,45° und θ_7Kmin=70,657°. Aus Gl. 9, 13 und 15 erkennt man, daß ζ_M(Δβ≠0°,ν,λ)<ζ_M(Δβ=0°,ν,λ) und daher
θ_7Kmin(Δβ≠0°,ν,λ)<θ_7Kmin(Δβ=0°,ν,λ) ist.

[0034] Aus Gl. 30 und den entsprechenden Argumenten wie für 5 Grenzflächenkontakte ergibt sich der maximale Prismenbasiswinkel θ, für den gerade noch die Reflexion aller Strahlen mit ζ>ζ_G nach 7 Grenzflächenkontakten möglich ist, zu

[0035] Auf der Grundlage der vorstehenden Berechnungen wird der Prismenbasiswinkel in dem Bereich
   68°≤θ_7K≤71° für Systeme, welche Strahlung mit 4 bzw. 7 Grenzflächenkontakten reflektieren, - kurz 7K-Systeme -
ausgewählt. Die Strahlung, welche über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eindringt und an der Teilfläche s_A-s_R reflektiert wird, hat den Anteil P=(1-c_R/c_A)·(1-s_R/s_A) an der gesamten aus der Richtung ζ₁ eindringenden Strahlung. Für 7K-Systeme ist der Anteil P in Abb. 24 für θ=70,5° in Abhängigkeit von ζ₁ dargestellt.

[0036] Für 9 Grenzflächenkontakte gilt ganz entsprechend

[0037] Für Δβ=0°, ν=90° und λ=60° ist ζ_M=53,45° und θ_9Kmin=74,885° bzw. für Δβ=0°, ν=90° und λ=30° ist ζ_M=83,45° und θ_9Kmin=76,184° und entsprechend gilt θ_9Kmin(Δβ≠0°,ν,λ)<θ_9Kmin(Δβ=0°,ν,λ).

[0038] Auf der Grundlage der vorstehenden Berechnungen wird der Prismenbasiswinkel in dem Bereich
   74°≤θ_9K≤77° für Systeme, welche Strahlung mit 4 bzw. 9 Grenzflächenkontakten reflektieren, - kurz 9K-Systeme -
ausgewählt. Die Strahlung, welche über die Teilfläche c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eindringt und an der Teilfläche s_A-s_R reflektiert wird, hat den Anteil P=(1-c_R/c_A)·(1-s_R/s_A) an der gesamten aus der Richtung ζ₁ eindringenden Strahlung. Für 9K-Systeme ist der Anteil P in Abb. 25 für θ=76° in Abhängigkeit von ζ₁ dargestellt.

[0039] Prismen, welche auf 11 und mehr Grenzflächenkontakten basieren, brauchen nicht untersucht zu werden, da die hierfür sich ergebenden Sonnensperrzeiten zu klein für eine Anwendung in einem Sonnenschutzsystem sind.

[0040] Eine detaillierte Untersuchung über die Sonnenschutzwirkung dieser ausgewählten Systeme für Strahlen mit ξ≠0° anhand von ξ,ζ-Diagrammen führt zu dem folgenden Ergebnis:

• 5K-Systeme mit 45°≤θ≤58°: Die Strahlung, welche über c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eintritt und beim 4. Grenzflächenkontakt an s_A-s_R reflektiert wird, hat nur einen geringen Anteil P an der gesamten einfallenden Strahlung und ist nur aus einem engen ζ₁-Bereich (Abb. 23) möglich. Die Energie der Sonnenstrahlung mit |ξ|>60° aus dem engen ζ₁-Bereich, welche auf die Prismenfläche s_B treffen und zum Teil das System in unerwünschter Weise durchdringen kann, ist geringfügig.
• 7K-Systeme mit 68°≤θ≤71°: Die Strahlung, welche über c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eintritt und beim 4. Grenzflächenkontakt an s_A-s_R reflektiert wird, hat einen Anteil P im Bereich 0,2≤P≤0,4 an der gesamten einfallenden Strahlung und ist aus einem Bereich ζ₁≥22° (Abb. 24) möglich. Die Energie der Sonnenstrahlung mit |ξ|>60° zur Zeit der Sommersonnenwende bzw. der Sonnenstrahlung mit |ξ|>30° zur Zeit d_J/6 vor oder nach der Sommersonnenwende aus dem ζ₁-Bereich, welche auf die Prismenfläche s_B treffen und zum Teil das System in unerwünschter Weise durchdringen kann, ist noch als gering im Verhältnis zur reflektierten Sonnenstrahlungsenergie einzustufen.
• 9K-Systeme mit 74°≤θ≤77°: Die Strahlung, welche über c_A-c_R in die charakteristische prismatische Rippe eintritt und beim 4. Grenzflächenkontakt an s_A-s_R reflektiert wird, hat einen Anteil P im Bereich 0≤P≤0,26 an der gesamten einfallenden Strahlung und ist aus einem Bereich ζ₁≥34° (Abb. 25) möglich. Für dieses System gibt es aber keine Strahlen mit dem Strahlengang 2b22, welche beim 9. Grenzflächenkontakt an aA reflektiert werden, f_A und f_B durchdringen, an s_B diffus reflektiert werden und schließlich teilweise a_B und somit das System durchdringen. Dieses System hat also als Sonnenschutzsystem besonders perfekte Eigenschaften.

[0041] Bei diesen Systemen tritt Blendwirkung durch an den Spiegelflächen s_A reflektierte Sonnenstrahlen nicht auf. Es würde aber Blendwirkung durch an den Prismenflächen S_B der inneren Prismenscheibe B reflektierte Sonnenstrahlen auftreten, wenn die Prismenflächen s_B mit einer spiegelnd reflektierenden Beschichtung versehen wären. Aus diesem Grunde sind die Prismenflächen s_B mit einer diffus reflektierenden Beschichtung versehen.

Wirkungen der neuen Fensterscheibe im Vergleich zu anderen Fensterscheiben

Der Testraum

[0042] Für einen Testraum, wie er Abb. 26 dargestellt ist, wurden die Beleuchtungsstärken sämtlicher Teilflächen und Sensorflächen sowie die durch Fensterflächen eindringende Strahlungswärme und der von der Temperaturdifferenz zwischen innen und außen bewirkte Wärmedurchgang an Fensterflächen mit dem Rechenprogramm BELEUSYS berechnet. Der Raum hat die Form eines Quaders von 6 m Breite, 10 m Länge und 3 m Höhe. Dem Raum ist ein rechtwinkliges x,y,z-Koordinatensystem zugeordnet. Die Breite des Raumes erstreckt sich von der yz-Ebene in Richtung der x-Achse, die Länge des Raumes von der zx-Ebene in Richtung der y-Achse und die Höhe des Raumes von der xy-Ebene in Richtung der z-Achse. Die Oberflächen sind in der Breite 6-fach, in der Länge 10-fach und in der Höhe 3-fach unterteilt, so daß es insgesamt 216 1m x 1m große Teilflächen gibt, welche den Raum umschließen. Die gesamte Breitseite des Raumes in +y-Richtung ist eine transparente Fensterfläche, während die übrigen Seitenflächen, die Boden- und die Deckenfläche strahlungsundurchlässige Wandflächen sind. Die Bodenfläche hat einen Reflexionsgrad von 0,2 (etwa einem dunklen Teppichbodenbelag entsprechend), die Seitenwände haben bis 1 m Höhe einen Reflexionsgrad von 0,5, während die Seitenwände über 1 m Höhe und die Deckenfläche einen Reflexionsgrad von 0,8 (etwa einem weißen Farbanstrich entsprechend) haben. In der Symmetrieebene des Raumes sind jeweils in 1 m Höhe über dem gemeinsamen Eckpunkt von jeweils 4 Teilflächen 9 Sensorflächen mit Flächennormalen in +z-Richtung angeordnet. Leuchten sind in diesem Rechenmodell nicht vorhanden. Auch Bauten oder Bäume außerhalb des Testraumes, welche die Strahlung von der Sonne, dem Himmel und/oder der Erde durch die Fensterfläche in den Testraum eventuell abschatten könnten, sind nicht vorhanden.

[0043] Um den Einfluß der Verglasung der Fensterfläche auf die Höhe und Verteilung der Beleuchtungsstärke im Raum bzw. auf die eingestrahlten und abgegebenen Wärmemengen besonders deutlich werden zu lassen, wird jede Berechnung bei ansonsten identischen Bedingungen für drei verschiedene Verglasungen der Fensterfläche durchgeführt:

• Isolierglas: 2 Scheiben Fensterglas von jeweils 4 mm Dicke mit einem Scheibenzwischenraum von 12 mm, Brechungsindex: 1,50, Lichttransmissionsgrad bei senkrechtem Lichteinfall: 0,790, Streugrad: 0, Lichtreflexionsgrad bei senkrechtem Lichteinfall: 0,150, Gesamtenergiedurchlaßfaktor: 0,770, Glasflächenreduktion: 0,90, Transmissionsreduktion: 0,90, Wärmedurchgangskoeffizient [W/Km²]: 3,000.
• Sonnenschutzglas: 2 Scheiben Fensterglas von jeweils 6 mm Dicke mit einem Scheibenzwischenraum von 12 mm, Infrarotreflexionsschicht und Argonfüllung, Brechungsindex: 1,50, Lichttransmissionsgrad bei senkrechtem Lichteinfall: 0,660, Streugrad: 0, Lichtreflexionsgrad bei senkrechtem Lichteinfall: 0,150, Gesamtenergiedurchlaßfaktor: 0,470, Glasflächenreduktion: 0,90, Transmissionsreduktion: 0,90, Wärmedurchgangskoeffizient [W/Km²]: 1,700.
• Prismenglas: 2 Scheiben Prismenglas mit h_A=5 mm und einer Gesamtdicke von 14,5 mm und eine Scheibe Fensterglas von 6 mm Dicke mit einem Scheibenzwischenraum von 12 mm, Brechungsindex: 1,50, Lichttransmissionsgrad bei senkrechtem Lichteinfall: 0,743, Streugrad: 0, Glasflächenreduktion: 0,90, Transmissionsreduktion: 0,90, Wärmedurchgangskoeffizient [W/Km²]: 1,900, Sollwert der geographischen Breite: 50°, Sollwert des Winkels zwischen Fensterrichtung und Südrichtung Δβ: 45°, Sonnensperrzeit: 71,925 Tage, Fensterneigung zur Horizontebene: 90°, Prismenbasiswinkel: 70,5°, Winkel zwischen der Längsrichtung der prismatischen Rippe und der Horizontalen in der Fensterebene: -30,682°, Reflexionsgrad (spiegelnd) der Prismenfläche s_A: 0,90, Reflexionsgrad (diffus) der Prismenfläche s_B: 0,86.

Berechnungsergebnisse

[0044] Die Berechnungen werden jeweils für eine geographische Breite von 50° durchgeführt. Der Reflexionsgrad der Erdoberfläche außerhalb des Testraumes wird stets gleich 0,2 gesetzt. Die Innentemperatur des Testraumes wird unabhängig von der Tageszeit und der Jahreszeit jeweils gleich 20 °C gesetzt.

Vergleich der Beleuchtungstärken im Raum für verschiedene Fenstergläser

[0045] Es wird jeweils eine Berechnung der Beleuchtungsstärke für einen dunklen Jahrestag, dem 20. Dezember bei bedecktem Himmel, und einer mittleren Außentemperatur von -0,7 °C sowie eine Berechnung der Beleuchtungsstärke für einen hellen Jahrestag, dem 20. Juni bei klarem Himmel, einem Trübungsgrad der Atmosphäre von 4,39 und einer mittleren Außentemperatur von 18,0 °C durchgeführt, um jeweils die Beleuchtung des Testraumes für diese Extremsituationen beurteilen zu können.

[0046] In Abb. 27 ist die Beleuchtungsstärke der Sensorflächen für vertikale, nach Südosten ausgerichtete Fensterflächen mit Isolierglas, Sonnenschutzglas oder Prismenglas am 20. Dezember um 12 Uhr bei bedecktem Himmel in Abhängigkeit von der Raumtiefe dargestellt. Die Beleuchtungsstärke hat für Isolierglas und Sonnenschutzglas den typischen stark abfallenden Verlauf mit wachsender Raumtiefe. Für das Prismenglas ist die Beleuchtungsstärke in Fensternähe deutlich geringer als für Isolierglas und Sonnenschutzglas, während sie aber ab etwa 3 m Raumtiefe etwas höher als die Beleuchtungsstärke für Sonnenschutzglas ist. Für das Prismenglas ist die Tendenz zu einer ausgeglicheneren Raumausleuchtung erkennbar, wennauch die Beleuchtungsstärken für alle drei Verglasungen sich in großer Raumtiefe nur wenig unterscheiden und für die meisten Anforderungen zu niedrig sind.

[0047] In Abb. 28 ist die Beleuchtungsstärke der Sensorflächen für vertikale, nach Südosten ausgerichtete Fensterflächen mit Isolierglas, Sonnenschutzglas oder Prismenglas am 20. Juni um 12 Uhr bei klarem Himmel in Abhängigkeit von der Raumtiefe dargestellt. Die Beleuchtungsstärke hat für Isolierglas und Sonnenschutzglas ebenfalls den typischen stark abfallenden Verlauf mit wachsender Raumtiefe, allerdings auf sehr hohem Niveau. Die Beleuchtungsstärke für das Prismenglas ist in Fensternähe deutlich geringer als die sehr hohen Beleuchtungsstärken für Isolierglas und Sonnenschutzglas, obgleich auch die der Fensterfläche am nächsten liegende Sensorfläche nicht direkt von der sehr hoch stehenden Sonne beschienen wird. In diesem Fall bietet das Prismenglas deutlich verbesserten Komfort in Fensternähe. Die Tendenz zu einer ausgeglicheneren Raumausleuchtung für das Prismenglas ist ebenfalls erkennbar. Die Beleuchtungsstärke in der Nähe der Rückwand des Testraumes ist für das Prismenglas größer als für das Sonnenschutzglas und nähert sich der Beleuchtungsstärke für das Isolierglas an. Allerdings genügen in diesem Fall die Beleuchtungsstärken in großer Raumtiefe für alle drei Verglasungen allen Anforderungen.

[0048] In Abb. 29 ist die Beleuchtungsstärke der Sensorfläche, welche der Rückwand des Testraumes am nächsten ist, für vertikale, nach Südosten ausgerichtete Fensterflächen mit Isolierglas, Sonnenschutzglas oder Prismenglas am 20. Dezember bei bedecktem Himmel in Abhängigkeit von der Tageszeit dargestellt. Man erkennt, daß der zeitliche Verlauf der Beleuchtungsstärke in der Nähe der Rückwand des Testraumes für das Prismenglas während des ganzen Tages etwa in der Mitte zwischen den entsprechenden Beleuchtungsstärkeverläufen für Isolierglas und Sonnenschutzglas liegt.

[0049] In Abb. 30 ist die Beleuchtungsstärke der Sensorfläche, welche der Fensterfläche des Testraumes am nächsten ist, für vertikale, nach Südosten ausgerichtete Fensterflächen mit Isolierglas, Sonnenschutzglas oder Prismenglas am 20. Juni bei klarem Himmel in Abhängigkeit von der Tageszeit dargestellt. Es ist zu erkennen, daß die Sensorfläche bei Fensterflächen mit Isolierglas oder Sonnenschutzglas bis etwa 11 Uhr direkte Sonneneinstrahlung erhält und deshalb enorm hohe Beleuchtungsstärken aufweist. Auch für den Fall, daß eine Klimaanlage für eine angenehme mittlere Temperatur des Raumes sorgt, ist daher der Aufenthalt in Fensternähe bei Fensterflächen mit Isolierglas oder Sonnenschutzglas ohne zusätzliche Sonnenschutzmaßnahmen, wie z.B. Außenjalousien, praktisch unmöglich. Im Vergleich dazu wird die ausgezeichnete Sonnenschutzwirkung des Prismenglases besonders deutlich. Auch der zeitliche Verlauf der Beleuchtungsstärke in der Nähe der Fensterfläche des Testraumes während des übrigen Tages liegt für das Prismenglas deutlich unter den entsprechenden Beleuchtungsstärkeverläufen für Isolierglas und Sonnenschutzglas.

Vergleich der in die Fensterflächen eingestrahlten und von den Fensterflächen abgegebenen Wärmemengen für verschiedene Fenstergläser

[0050] Es werden jeweils die in die Fensterflächen eingestrahlten und von den Fensterflächen abgegebenen Wärmemengen für den Verlauf eines Kalenderjahres berechnet. Die Berechnungen setzen einen "mittleren" Himmel gemäß DIN 5034, Teil 2, voraus. Der Berechnung werden die Verläufe der mittleren Außentemperatur, des mittleren Trübungsfaktors der Atmosphäre und der Sonnenscheinwahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Jahreszeit, wie sie etwa in Frankfurt am Main vorliegen, zugrundegelegt.

[0051] In Abb. 31 sind jeweils die täglich in die Fensterflächen eingestrahlten und von den Fensterflächen abgegebenen Wärmemengen für vertikale, nach Südosten ausgerichtete Fensterflächen mit Isolierglas, Sonnenschutzglas oder Prismenglas in Abhängigkeit von dem Jahrestag dargestellt. Man erkennt, daß in das Prismenglas im Winter nahezu soviel Wärme eingestrahlt wird wie in das übliche Isolierglas und deutlich mehr Wärme eingestrahlt wird als in das Sonnenschutzglas, während in das Prismenglas im Sommer erheblich weniger Wärme als in das übliche Isolierglas und auch deutlich weniger Wärme als in das Sonnenschutzglas eingestrahlt wird. Die von dem Prismenglas abgegebene Wärmemenge ist während des ganzen Jahres geringfügig größer als die von dem Sonnenschutzglas abgegebene Wärmemenge. Durch ähnliche Maßnahmen wie beim Sonnenschutzglas läßt sich der Wärmedurchgangskoeffizient beim Prismenglas jedoch noch verringern.

[0052] Die energetischen Vorteile des Prismenscheibensystems im Vergleich zum üblichen Isolierglas und zum Sonnenschutzglas sind deutlich. Sofern keine Klimaanlage eingesetzt wird, bewirkt das Prismenscheibensystem im Vergleich zum üblichen Isolierglas und zum Sonnenschutzglas eine erhebliche Steigerung des thermischen Komforts während des Sommers und der Übergangszeiten. Bei manchen Gebäuden wird die Anwendung des Prismenscheibensystems den Verzicht auf eine Klimaanlage bzw. den Ersatz der Klimaanlage durch eine Lüftungsanlage ermöglichen. Wie Beispielrechnungen zeigen, werden bei gleichzeitiger Anwendung des Prismenscheibensystems und einer Klimaanlage in einem Gebäude - insbesondere bei Gebäuden mit großen Fensterflächen - die Mehrkosten einer Ausrüstung des Gebäudes mit Prismenscheiben im Vergleich zu einer Ausrüstung mit üblichem Isolierglas oder Sonnenschutzglas schnell durch die geringeren Kosten der kleineren Klimaanlage und durch die reduzierten Energiekosten kompensiert.

Funktion des Scheibensystems für von den Auslegungsdaten abweichende aktuelle Daten

[0053] Eine analytische Untersuchung des Scheibensystems zeigt, daß geringe Abweichungen der aktuellen geographischen Breite λ, des aktuellen Fensterneigungswinkel v und/oder des aktuellen Fensterausrichtungswinkel Δβ von den Daten, für die das Scheibensystem ausgelegt und der Neigungswinkel α der Rippenlängsachse zur Horizontalen in der Fensterebene, der Prismenbasiswinkel θ und die Sonnensperrzeit d_G bestimmt wurde, möglich sind, ohne daß die Funktion des Systems wesentlich beeinträchtigt wird. So sind die Sonnenschutzfunktion und die energetische Wirkung des Scheibensystems vollkommen gegeben, wenn z.B. der tatsächliche Fensterausrichtungswinkel Δβ von dem Sollwert dieses Winkels um bis zu ±7,5° abweicht. Diese Unempfindlichkeit des Scheibensystems bezüglich geringer Abweichungen von den Auslegungsdaten kann dazu genutzt werden, die Fertigung des Scheibensystems auf eine bestimmte Anzahl von Typen zu beschränken, mit denen die gesamte Bandbreite der Anwendungen des Scheibensystems abgedeckt werden kann.

[0054] Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, daß eine Abweichung von den Auslegungsdaten jeweils eine Abweichung der aktuellen Sonnensperrzeit d_G von deren Sollwert zur Folge hat. Für drei Scheibensysteme, deren Glasmaterial einen Brechungsindex n=1,5 haben, sind in der folgenden Tabelle jeweils die partiellen Ableitungen der Sonnensperrzeit d_G nach der geographischen Breite λ, dem Fensterneigungswinkel ν und dem Fensterausrichtungswinkel Δβ angegeben.

λ [°]	50	50	50
ν [°]	45	90	90
Δβ [°]	45	45	0
α [°]	-27,773	-30,682	0
θ [°]	48	70,5	76
dG [Tage]	58,804	71,925	80,309
∂dG/∂λ [Tage/°]	-5,5	-1,6	0
∂dG/∂ν [Tage/°]	2,0	-0,1	2,5
∂dG/∂Δβ [Tage/°]	1,9	-1,3	2,5

Erläuterung der Zeichnungen

[0055] 

Abb. 1: Prismenglasscheibe

Abb. 2: Darstellung des Neigungswinkels a der prismatischen Rippen zur Horizontalen in der Fensterebene für verschiedene Fensterausrichtungen

Abb. 3: Sägezahnprofil an der Unterseite der prismatischen Rippe

Abb. 4: Der Einfallswinkel γ₂ eines Sonnenstrahls an der ebenen Rückseite der Prismenscheibe

Abb. 5: Teil einer mit horizontalen Einschnitten versehenen Glasscheibe für die Umlenkung des einfallenden Tageslichtes gegen die Raumdecke

Abb. 6: Mögliche Strahlengänge in den Glasrippen mit rechteckigem Querschnitt

Abb. 7: Sonnenstrahlengänge im Sommer und Winter in einem Scheibensystem mit horizontalen, spiegelnd reflektierenden Profilen im Scheibenzwischenraum

Abb. 8: Oberlichtsystem für den Empfang und die Umlenkung des steil einfallenden Zenitlichtes sowie zur Reflexion der weniger steil einfallenden Sonnenstrahlung

Abb. 9: System aus zwei Scheiben mit ineinander verzahnten, horizontalen prismatischen Rippen

Abb. 10: Zwei parallele Strahlen, welche - abhängig vom Auftreffort - reflektiert werden bzw. die charakteristische prismatische Rippe durchdringen

Abb. 11: Anteil 1-c_R/c_A an der gesamten, unter dem Rippenhöhenwinkel ζ₁ eindringenden Strahlung, welcher die charakteristische prismatische Rippe mit dem Prismenbasiswinkel θ=76° durchdringt, in Abhängigkeit von dem Rippenhöhenwinkel ζ₁

Abb. 12: System aus zwei ineinander verzahnten Prismenscheiben mit spiegelnd reflektierenden Prismenflächen s_A und diffus reflektierenden Prismenflächen s_B

Abb. 13: Definition des Einfallswinkels γ, des Rippenlängenwinkels ξ und des Rippenhöhenwinkels ζ eines Strahls sowie der entsprechenden Winkel γ₁, ξ₁ und ζ₁ nach der Brechung und dem Eindringen des Strahls in die prismatische Rippe

Abb. 14: Neigungswinkel a der Längsachse der prismatischen Rippen zur Horizontalen in der Fensterebene für den Fensterneigungswinkel ν=90° und die geographischen Breiten λ=40°, λ=50° und λ=60° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ

Abb. 15: Neigungswinkel α der Längsachse der prismatischen Rippen zur Horizontalen in der Fensterebene für den Fensterneigungswinkel ν=60° und die geographischen Breiten λ=40°, λ=50° und λ=60° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ

Abb. 16: Sonnensperrzeit d_G für den Fensterneigungswinkel ν=90°, die geographischen Breiten λ=40°, λ=50° und λ=60° sowie die Prismenbasiswinkel θ=54°, θ=57°, θ=70,5° und θ=76° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ

Abb. 17: Sonnensperrzeit d_G für den Fensterneigungswinkel ν=60°, die geographischen Breiten λ=40°, λ=50° und λ=60° sowie die Prismenbasiswinkel θ=45°, θ=48°, θ=51°, θ≤54°, θ=57° und θ=70,5° in Abhängigkeit von dem Fensterausrichtungswinkel Δβ

Abb. 18: Darstellung zur Definition der Teilfläche c_f und der Strahlrichtungen ξ,ζ_U und ξ,ζ_C

Abb. 19: Das Sichtflächenverhältnis SV für den Prismenbasiswinkel θ=76° im ξ,ζ-Diagramm

Abb. 20: Das Sichtflächenverhältnis SV für den Prismenbasiswinkel θ=70,5° im ξ,ζ-Diagramm

Abb. 21: Das Sichtflächenverhältnis SV für den Prismenbasiswinkel θ=51° im ξ,ζ-Diagramm

Abb. 22: Verschiedene, vom Auftreffort abhängige Strahlengänge zweier parallel einfallender Strahlen mit 7 bzw. 8 Grenzkontakten

Abb. 23: Anteil P der Strahlung mit dem Strahlengang 2b2 an der gesamten, unter dem Rippenhöhenwinkel ζ₁ eindringenden Strahlung für Prismenbasiswinkel θ=45°, θ=48°, θ=51°, θ=54° und θ=57° in Abhängigkeit von dem Rippenhöhenwinkel ζ₁

Abb. 24: Anteil P der Strahlung mit dem Strahlengang 2b22 an der gesamten, unter dem Rippenhöhenwinkel ζ₁ eindringenden Strahlung für den Prismenbasiswinkel θ=70,5° in Abhängigkeit von dem Rippenhöhenwinkel ζ₁

Abb. 25: Anteil P der Strahlung mit dem Strahlengang 2b22 an der gesamten, unter dem Rippenhöhenwinkel ζ₁ eindringenden Strahlung für den Prismenbasiswinkel θ=76° in Abhängigkeit von dem Rippenhöhenwinkel ζ₁

Abb. 26: Testraum für die Berechnung der Verteilung der Beleuchtungsstärke und der durch die Fenster eingestrahlten und abgegebenen Wärmemengen

Abb. 27: Die Beleuchtungsstärke bei bedecktem Himmel am 20. Dezember um 12 Uhr in der Symmetrieebene des Testraumes in 1 m Höhe für drei verschiedene Fenstergläser bei einem Fensterausrichtungswinkel Δβ=45° in Abhängigkeit von der Raumtiefe

Abb. 28: Die Beleuchtungsstärke bei klarem Himmel am 20. Juni um 12 Uhr in der Symmetrieebene des Testraumes in 1 m Höhe für drei verschiedene Fenstergläser bei einem Fensterausrichtungswinkel Δβ=45° in Abhängigkeit von der Raumtiefe

Abb. 29: Die Beleuchtungsstärke der Sensorfläche in der Symmetrieebene des Testraumes in 1 m Höhe, welche der Rückwand des Testraumes am nächsten liegt, bei bedecktem Himmel am 20. Dezember für drei verschiedene Fenstergläser bei einem Fensterausrichtungswinkel Δβ=45° in Abhängigkeit von der Tageszeit

Abb. 30: Die Beleuchtungsstärke der Sensorfläche in der Symmetrieebene des Testraumes in 1 m Höhe, welche dem Fenster des Testraumes am nächsten liegt, bei klarem Himmel am 20. Juni für drei verschiedene Fenstergläser bei einem Fensterausrichtungswinkel Δβ=45° in Abhängigkeit von der Tageszeit

Abb. 31: Die im Mittel täglich in die Fensterfläche eingestrahlte bzw. von der Fensterfläche abgegebene Wärmemenge für drei verschiedene Fenstergläser bei einem Fensterausrichtungswinkel Δβ=45° in Abhängigkeit von dem Jahrestag

Abb. 32: Konstruktive Details der Ausführungsform a

Abb. 33: Konstruktive Details der Ausführungsform b

Abb. 34: Konstruktive Details der Ausführungsform c

Abb. 35: Konstruktive Details der Ausführungsform d

Konstruktive Gestaltung und Ausführungsformen des neuen Fensterglases

[0056] Die beiden in Abb. 12 dargestellten Prismenscheiben A und B haben identische Abmessungen des Querschnittes der charakteristischen prismatischen Rippen. Die Geometrie der Prismenscheibe B entsteht aus der Geometrie der Prismenscheibe A durch Drehung mit dem Winkel π um die Längsachse der prismatischen Rippe (y_P-Achse). Die Glaskörper der beiden Prismenscheiben sind somit baugleich und daher mit demselben Werkzeug zu fertigen.

Anforderungen an die konstruktive Gestaltung

[0057] Die Funktion des Systems erfordert es, daß die beiden Prismenflächen f_A und f_B durch einen schmalen Spalt Z voneinander getrennt sind und daß die Prismenfläche s_A mit einer möglichst vollkommen spiegelnd reflektierenden Beschichtung und die Prismenfläche s_B mit einer möglichst vollkommen diffus reflektierenden Schicht versehen ist. Zwischen der refllektierenden Schicht und dem Glasmaterial der jeweiligen Prismenfläche darf kein Luftspalt vorhanden sein, um an diesen Flächen zusätzliche Reflexionsverluste der Strahlen durch den Austritt aus dem Glaskörper und den Wiedereintritt in den Glaskörper zu vermeiden. Die Reflexionseigenschaften der reflektierenden Schichten sollen durch Umwelteinflüsse, insbesondere durch die Sonnenstrahlung, auch langfristig möglichst wenig verändert werden.

[0058] Der Spalt Z soll in Relation zur Prismenflläche s_A bzw. s_B so schmal wie fertigungstechnisch möglich sein, soll aber bei allen Umgebungsbedingungen (Außentemperatur, Innentemperatur, Luftdruck, Windlasten, Eigengewicht bei geneigten Fenstern) zuverlässig vorhanden sein, d.h. auch ein zeitweiser Kontakt zwischen den Prismenflächen f_A und f_B soll nicht auftreten. Zwischen s_A und s_B ist aus Funktionsgründen kein Spalt erforderlich, soll aber, sofern vorhanden, ebenfalls so schmal wie fertigungstechnisch möglich sein, damit der nicht-transparente Anteil der Prismenflläche an f_A bzw. f_B möglichst klein bleibt. Die Prismenflächen s_A bzw. s_B müssen somit einerseits ausreichend groß sein, damit die relative Spaltbreite von Z angenähert vernachlässigbar klein ist und die Funktion des Systems nicht beeinträchtigt wird. Die Höhe der prismatischen Rippen und damit die Abmessungen der Prismenflächen werden andererseits möglichst klein gewählt, um die Dicke und damit das Gewicht und die Kosten des Systems möglichst gering zu halten. Eine Dicke der charakteristischen prismatischen Rippe d_A von etwa 4 mm bis 8 mm (Abb. 22) kann die gegensätzlichen Anforderungen mit einem guten Kompromiß erfüllen.

[0059] Im übrigen muß das System alle Anforderungen erfüllen, die an eine übliche Isolierglasscheibe gestellt werden. Das System muß eine ausreichende mechahische Stabilität aufweisen, d.h. es muß ausreichend bruchsicher sein in Bezug auf Stöße, Windlasten sowie durch Temperaturdifferenzen oder Luftdruckschwankungen induzierte Spannungen. Die beiden Prismenscheiben A und B müssen fest und dauerhaft miteinander verbunden sein. Zwischen den Prismenflächen f_A und s_A sowie f_B und s_B muß jeweils in den konkaven, rechtwinkligen Ecken ein abgerundeter Übergang vorhanden sein, um überhöhte Kerbspannungen an diesen Stellen zu vermeiden. Die Spalte zwischen den Prismenflächen f_A und f_B sowie ggf. zwischen den Prismenflächen s_A und S_B müssen zur Umgebungsluft sorgfältig abgedichtet sein, um das Eindringen von Staub und Feuchtigkeit dauerhaft und sicher zu verhindern.

Herstellung geeigneter Reflexionsschichten für die Prismenflä che s_A

A1: Aufdampfen von Aluminium oder Silber

[0060] Eine spiegelnd reflektierende Beschichtung aus Aluminium oder Silber, die mit einer geeigneten Schutzschicht versiegelt ist, wird auf die Prismenfläche s_A aufgedampft. Der Reflexionsgrad für interne Reflexionen an der Prismenfläche s_A ist etwa 0,90 (Aluminium) bzw. 0,94 (Silber). Die Reflexionseigenschaften des aufgedampften Aluminiums bzw. Silbers sind bei angemessener Versiegelung außerordentlich stabil, d.h. die Sonnenstrahlung - insbesondere deren energiereicher UV-Anteil - verändert den Reflexionsgrad auch langfristig nicht.

A2: Aufkleben einer Aluminiumfolie oder eines dünnen Aluminiumbleches mit polierter Oberfläche

[0061] Eine spiegelnd reflektierende Aluminiumfolie oder ein dünnes, spiegelnd reflektierendes Aluminiumblech mit polierter Oberfläche wird auf die Prismenfläche s_A geklebt. Der Kleber muß glasklar sein und ohne Luftblasen verarbeitet werden. Die chemische Verträglichkeit des Klebers mit dem Glas und der Folie bzw. dem Blech, die Haftfähigkeit des Klebers auf dem Glas und der Folie bzw. dem Blech und die Langzeitstabilität des Klebers bezüglich Sonneneinstrahlung ist zu untersuchen und sicherzustellen. Der Reflexionsgrad für interne Reflexionen an der Prismenfläche s_A ist etwa 0,90. Die Reflexionseigenschaften der Aluminiumfolie bzw. des Aluminiumbleches sind bei angemessener Versiegelung - wie für die Variante A1 - außerordentlich stabil.

Herstellung geeigneter Reflexionsschichten für die Prismenfläche s_B

B1: Beschichten mit einer weißen Farbe

[0062] Die Prismenfläche s_B wird mit einer diffus reflektierenden weißen Farbe beschichtet. Es ist eine matte, rein weiße Farbe zu wählen. Als Pigment der weißen Farbe sind Zinkoxid oder Zirkonsulfat zu bevorzugen. Die chemische Verträglichkeit der Farbe mit dem Glas, die Haftfähigkeit der Farbe auf dem Glas und die Langzeitstabilität der Reflexionseigenschaften der Farbe bezüglich Sonneneinstrahlung ist zu untersuchen und sicherzustellen. Mit einer derartigen Farbe muß ein Reflexionsgrad von 0,80 bis 0,86 (diffus) für die Lebensdauer eines Fensters erreicht werden.

B2: Beschichten mit einem weißen Kleber

[0063] Diese Variante entspricht der Variante B1 mit der Ausnahme, daß die weiße Farbe durch einen mit weißem Pigment gefüllten Kleber ersetzt ist. Mit dem Kleber, der in einer deckenden, blasenfreien Schicht angewendet werden muß, können z.B. dünne Aluminiumbleche auf die Prismenfläche s_B geklebt werden.

B3: Aufkleben eines dünnen Aluminiumbleches mit anodierter Oberfläche

[0064] Das Anodieren des dünnen Aluminiumbleches erfolgt in einer elektrolytischen Flüssigkeit aus 15-prozentiger Schwefelsäure bei 21 °C und einer Gleichstromdichte von 0,027 A/cm² bis zu einer Schichtdicke von etwa 13 µ. Das diffus reflektierende Aluminiumblech wird mit der anodierten Oberfläche auf die Prismenfläche s_B geklebt. Der Kleber muß glasklar sein und ohne Luftblasen verarbeitet werden. Die chemische Verträglichkeit des Klebers mit dem Glas und dem Blech, die Haftfähigkeit des Klebers auf dem Glas und dem Blech und die Langzeitstabilität des Klebers bezüglich Sonneneinstrahlung ist zu untersuchen und sicherzustellen. Der Reflexionsgrad für interne Reflexionen an der Prismenfläche S_B ist etwa 0,85. Die Reflexionseigenschaften des anodierten Aluminiumbleches sind außerordentlich stabil.

Ausführungsform a

[0065] Abb. 32 zeigt einen Ausschnitt der Rippenquerschnittsebene des Systems in der Ausführungsform a. Die Reflexionsschichten R_A bzw. R_B der Prismenflächen s_A bzw. s_B können alternativ durch alle aufgeführten Verfahren A1 oder A2 bzw. B1, B2 oder B3 realisiert werden. Zwischen den Prismenflächen s_A und s_B ist ein Luftspalt. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden Prismenscheiben A und B erfolgt nur durch einen Randverbund, wie er auch für übliche Isolierglasscheiben angewendet wird. Die Abstände zwischen den Prismenflächen f_A und f_B und zwischen den Prismenflächen s_A und s_B werden durch Abstandshalter an den Scheibenrändern fixiert. Die gewünschten geringen, bei allen auftretenden Umgebungsbedingungen vorhandenen Spaltbreiten und die notwendige mechanische Festigkeit des Systems werden durch entsprechende konstruktive Gestaltung gewährleistet. Diese Anforderungen führen zu relativ dickwandigen Scheiben für dieses System. Die Scheiben müssen um so dickwandiger sein, je größer die Abmessungen der Fensterfläche sind.

Ausführungsform b

[0066] Abb. 33 zeigt einen Ausschnitt der Rippenquerschnittsebene des Systems in der Ausführungsform b. Die Reflexionsschicht R_A der Prismenfläche s_A wird durch das Verfahren A1 realisiert, während die Reflexionsschicht R_B der Prismenfläche s_B durch das Verfahren B2 hergestellt wird. Der weiße Kleber wirkt als Reflexionsschicht R_B und stellt gleichzeitig eine feste Klebverbindung zwischen den Prismenflächen s_A und s_B her. Es ist zu überprüfen, ob die Haftkräfte der aufgedampften Aluminiumschicht R_A zur Prismenfläche s_A ausreichen, um geringe Zugspannungen aufzunehmen. Die mechanische Verbindung zwischen den beiden Prismenscheiben A und B erfolgt zusätzlich durch einen Randverbund. Der Abstand Z zwischen den Prismenflächen f_A und f_B und die Dicke der Kleberschicht zwischen den Prismenflächen s_A und s_B werden entweder durch Abstandshalter an den Scheibenrändern oder durch eine Fertigungsvorrichtung, welche die beiden Prismenscheiben A und B bis zum Aushärten des Klebers genau in Position hält, fixiert. Die gewünschten geringen Spaltbreiten und die notwendige mechanische Festigkeit des Systems werden auf diese Weise trotz relativ dünnwandiger Scheiben für alle auftretenden Umgebungsbedingungen und unabhängig von der Größe der Fensterfläche gewährleistet.

Ausführungsform c

[0067] Abb. 34 zeigt einen Ausschnitt der Rippenquerschnittsebene des Systems in der Ausführungsform c. Ein dünnes Aluminiumblech D, dessen eine polierte Oberfläche (Reflexionsschicht R_A) spiegelnd reflektiert und dessen andere anodierte Oberfläche (Reflexionsschicht R_B) diffus reflektiert, ist mit zwei Kleberschichten (K_A und K_B) aus glasklarem, alterungsbeständigem Kleber zwischen den Prismenflächen s_A und s_B verklebt. Somit sind die Verfahren A2 und B3 für die Herstellung der Reflexionsschichten realisiert. Das Aluminiumblech D mit einer Dicke von z.B. d_D=0,4 mm ist um die Breite d_Z des Spaltes Z breiter ist als s_A bzw. s_B - z.B. d_Z=0,4 mm -, so daß D als Abstandshalter zwischen den Prismenflächen f_A und f_B wirkt. Auf diese Weise lassen sich besonders schmale und entlang der Länge der prismatischen Rippen konstante Spalte Z mit relativ einfachen Fertigungsvorrichtungen realisieren und Abstandshalter an den Scheibenrändern sind nicht erforderlich. An der schmalen Seite des Aluminiumbleches D, wo es gegen die Prismenfläche f_A bzw. f_B stößt, verhindern 45°-Phasen die Entstehung von Kerbspannungen in den abgerundeten Ecken zwischen der Prismenfläche f_A und der Prismenfläche s_A bzw. der Prismenfläche f_B und der Prismenfläche s_B. Die mechanische Festigkeit dieses Systems entspricht bei gleichen Scheibenabmessungen der mechanischen Festigkeit des Systems nach Ausführungsform b.

Ausführungsform d

[0068] Abb. 35 zeigt einen Ausschnitt der Rippenquerschnittsebene des Systems in der Ausführungsform d. Dieses System entspricht einer Kombination aus Ausführungsform b und Ausführungsform c, d.h. die Reflexionsschichten R_A und R_B werden wie für Ausführungsform b hergestellt und das Aluminiumblech D wirkt als Abstandshalter. Für die Einfachheit und Präzision der Herstellung und für die mechanische Festigkeit des Systems gilt das gleiche wie für das System nach Ausführungsform c.

Ansprüche

1. Ein Fensterscheibensystem, das einen Innenraum von der äußeren Umgebung abtrennt und aus einer äußeren Scheibe (A) und einer inneren Scheibe (B) aus durchsichtigem Material besteht, welche jeweils durch eine ebene Fläche (a_A) bzw. (a_B) und durch eine aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten, parallelen, prismatischen Rippen bestehenden Fläche begrenzt sind,

wobei das Fenster vertikal oder mit einem Fensterneigungswinkel (v) zur Horizontebene geneigt ist und in seiner Ausrichtung mit einem Winkel (Δβ) von der Südrichtung (Nordhemisphäre) bzw. von der Nordrichtung (Südhemisphäre) abweicht,

wobei alle Rippen identische Querschnitte in der Form eines rechtwinkligen Dreiecks haben und die Rippen der Scheibe (A) und der Scheibe (B) einander zugewendet und so ineinander verzahnt sind, daß nur ein kleiner Luftspalt zwischen den beiden Scheiben vorhanden ist,

wobei die ebenen Flächen (a_A) und (a_B) parallel zueinander sind und die ebene Fläche (a_A) zur äußeren Umgebung und die ebene Fläche (a_B) zum Innenraum gerichtet ist,

wobei die Rippen der Scheibe (A) bzw. der Scheibe (B) durch die Prismenflächen (s_A) und (f_A) bzw. (s_B) und (f_B) begrenzt sind und die Prismenflächen (s_A) zur Fläche (a_A) bzw. (s_B) zur Fläche (a_B) den Winkel (θ) und die Prismenflächen (f_A) zur Fläche (a_A) bzw. (f_B) zur Fläche (a_B) den Winkel (Ω) aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenflächen (s_A) mit einer zum Inneren der Scheibe (A) spiegelnd reflektierenden Beschichtung (R_A) und die Prismenflächen (s_B) mit einer zum Inneren der Scheibe (B) diffus reflektierenden Beschichtung (R_B) versehen sind,

daß der Neigungswinkel (α) der Längsachsen der prismatischen Rippen zur Horizontalen in der Fensterebene durch

mit

dem Fensterausrichtungswinkel (Δβ) in dem Bereich -75°≤Δβ≤75°,

dem Fensterneigungswinkel (ν) in dem Bereich 45°≤ν≤90° und

der geographischen Breite (λ) des Anwendungsortes der Fensterscheibe in dem gemäßigten Klima des Bereiches 30°≤λ≤60° nördlicher und südlicher Breite

bestimmt ist und

daß die Sonnensperrzeit (d_G) in dem Bereich 30 Tage ≤ d_G ≤ 120 Tage jeweils vor und nach der Sommersonnenwende, in der keine direkte Sonnenstrahlung die Prismenscheibe durchdringen soll, durch

mit

d_J = 365,25 Tage, der Zeit eines Jahres,

κ = arcsin(1/n), dem kritischen Winkel der Totalreflexion, mit

n : dem Brechungsindex des Scheibenmaterials, welcher bei üblichem Fensterglas und Acrylglas etwa gleich 1,5 ist,

ζ₀ = arctan(z_0v/x_0v), dem Rippenhöhenwinkel des Sonnenstrahlungsvektors in der Äquatorebene und in der Rippenquerschnittsebene, d.h. dem Winkel zwischen der Normalen der Fläche (a_A) und dem Sonnenstrahlungsvektor zur Jahreszeit der Tagundnachtgleiche mit der Sonnendeklination δ=0° und zur mittleren Tageszeit t_v des Anwendungsortes bzw. für den Tageszeitwinkel β_v=π/12h·t_v mit



mit

β_v = arctan{[E·(sinλ·cosΔβ-cosλ·tanν)-sinλ·tanΔβ]/(1+E·sinΔβ)}

C = (cosβ_v·sinλ·cosΔβ-sinβ_v·sinΔβ)

D = (cosβ_v·sinλ·sinΔβ+sinβ_v·cosΔβ)

E = tanΔβ/(cosΔβ+tanλ·tanν) und

δ₀ = 23,45°, der maximalen Sonnendeklination des Sonnenstrahlungsvektors zur Äquatorebene zum Jahreszeitpunkt der Sommersonnenwende,

bestimmt ist.

2. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prismenbasiswinkel (θ) in den Bereichen



und

jeweils mit

bzw. mit dem Brechungsindex von etwa n=1,5 bei üblichem Fensterglas und Acrylglas in den Bereichen



und

gewählt wird, da das Fensterscheibensystem mit Prismenbasiswinkeln in diesen Bereichen während der Sonnensperrzeit auch indirekte, über die Prismenflächen (s_B) diffus reflektierte Sonnenstrahlung nur in sehr geringem Maße oder gar nicht durchläßt.

3. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnd reflektierenden Beschichtungen (R_A) der Prismenflächen (s_A) durch

• Aufdampfen von Aluminium oder Silber und Versiegelung dieser Metallschichten durch schützende Deckschichten oder

• Aufkleben von spiegelnd reflektierenden Aluminiumfolien oder von dünnen, spiegelnd reflektierenden Aluminiumblechen mit glasklarem Kleber

erzeugt werden,
daß die diffus reflektierenden Beschichtungen (R_B) der Prismenflächen (s_B) durch

• Aufbringen von matter, weißer Farbe oder

• Aufkleben von dünnen Aluminiumblechen mit anodierten, diffus reflektierenden Oberflächen mit glasklarem Kleber

realisiert werden und
daß zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) und den reflektierenden Schichten (R_A) und (R_B) Spalte (Z) vorhanden sind, welche durch Abstandshalter an den Scheibenrändern so fixiert werden, daß die Spalte möglichst schmal, aber sicher und dauerhaft vorhanden sind.

4. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnd reflektierenden Beschichtungen (R_A) der Prismenflächen (s_A) durch Aufdampfen von Aluminium oder Silber und Versiegelung dieser Metallschichten durch schützende Deckschichten erzeugt werden,

daß die diffus reflektierenden Beschichtungen (R_B) der Prismenflächen (s_B) durch mit weißem Pigment gefüllten Kleber (K_B), welcher die Beschichtungen (R_A) der Prismenflächen (s_A) mit den Prismenflächen (s_B) in deckenden, blasenfreien Schichten fest verklebt, realisiert werden und

daß die Klebung so erfolgt, daß die Spalte (Z) zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) möglichst schmal, aber sicher vorhanden sind.

5. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnd reflektierenden Beschichtungen (R_A) der Prismenflächen (s_A) durch Aufkleben der polierten, spiegelnd reflektierenden Oberflächen von dünnen Aluminiumblechen (D) mit glasklarem Kleber (K_A) erzeugt werden,

daß die diffus reflektierenden Beschichtungen (R_B) der Prismenflächen (s_B) durch Aufkleben der rückseitigen, anodierten, diffus reflektierenden Oberflächen der dünnen Aluminiumbleche (D) mit glasklarem Kleber (K_B) realisiert werden und

daß die dünnen Aluminiumbleche (D) um die Breite (d_Z) der Spalte (Z) zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) breiter als die Prismenflächen (s_A) und (s_B) sind und somit als Abstandshalter zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) gleichmäßig schmale Spalte (Z) bewirken.

6. Fensterscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dünne Aluminiumbleche (D), welche um die Breite (d_Z) der Spalte (Z) zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) breiter als die Prismenflächen (s_A) und (s_B) sind, zwischen den Prismenflächen (s_A) und (s_B) angeordnet sind und für gleichmäßig schmale Spalte (Z) zwischen den Prismenflächen (f_A) und (f_B) sorgen,

daß die spiegelnd reflektierenden Beschichtungen (R_A) der Prismenflächen (s_A) durch Aufdampfen von Aluminium oder Silber und Versiegelung dieser Metallschichten durch schützende Deckschichten erzeugt und mit glasklarem Kleber (K_A) mit den dünnen Aluminiumblechen (D) fest verklebt werden und

daß die diffus reflektierenden Beschichtungen (R_B) der Prismenflächen (s_B) durch mit weißem Pigment gefüllten Kleber (K_B), welcher die dünnen Aluminiumbleche (D) mit den Prismenflächen (s_B) in deckenden, blasenfreien Schichten fest verklebt, realisiert werden.

Zeichnung