Solarstrahlung und Tageslicht (eBook, EPUB)

Der Solarstrahlung kommt f r das Leben auf der Erde die gr te Bedeutung zu. Dieses Thema wird in diesem Buch aufgegriffen. Nach einer Beschreibung des Prozesses der Strahlungserzeugung und des Durchganges der Solarstrahlung durch die Erdatmosph re werden die Wechselwirkungen durch physikalische, chemische, biologische und medizinische Effekte beschrieben. Da ber verschiedene Formen der Sonnenenergiewandlung bereits eine kompetente Fachliteratur vorliegt, wird hier auf die entsprechenden Ausf hrungen verzichtet. Dagegen wird auf die Wirkungen ber das menschliche Auge - also auf das Tageslicht - besonders eingegangen. Tageslicht als passive Solarstrahlungstechnik dient nicht nur der Beleuchtung von Innenr umen der Geb ude, es kann auch einen merklichen Anteil der Energieeinsparung liefern. Der Jahresumsatz der Energie eines Geb udes h ngt von den verwendeten w rmetechnischen Installationen, den architektonischen Gegebenheiten und der Kunstlichttechnik ab. So werden technische L sungen sowie Komponenten beispielhaft zusammengestellt und Berechnungsverfahren und technische Regel angegeben. Besonderer Augenmerk wird auf eine qualifizierte, integrale Geb udeplanung gelegt, die auf den Bed rfnissen der Nutzer basiert und somit nicht nur die energetische Gesamtbilanz verbessert, sondern gleichzeitig die Aufenthaltsqualit t erh ht. Dieses Buch f hrt in die notwendigen physikalischen und meteorologischen Zusammenh nge von Solarstrahlung und Tageslicht ein, indem die doppelt spektralen Zusammenh nge von Strahlung und Effekt, wie die lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kennzahlen und die gesundheitlichen Wirkungen erl utert werden. Das Buch erl utert zudem Verfahren zur Bestimmung des Energieumsatzes mit Planungstools. Das Buch ist f r Architekten, Bauingenieure, Geb udetechniker, Lichttechniker, Arbeitsmediziner, Meteorologen und Umwelttechniker in Planungspraxis, Industrie, Forschung und Lehre geeignet.

Vorwort IX

Über die Autoren XI

Liste ausgewählter Naturkonstanten XIII

1 Einleitung 1

2 Lichttechnische Grundlagen 3

2.1 Optische Strahlung 3

2.2 Licht- und Strahlungsgrößen 7

2.3 Photonengrößen,Wellenzahl und Frequenz 10

2.4 Farbe 10

Literatur 16

3 Extraterrestrische Solarstrahlung 17

3.1 Die Sonne 17

3.2 Die Solarkonstante 20

Literatur 23

4 Terrestrische Solarstrahlung 25

4.1 Aufbau der Erdatmosphäre 25

4.2 Einfluss der Erdatmosphäre auf die Solarstrahlung 27

4.3 Die Globalstrahlung 34

4.4 Spektrale Verteilung der terrestrischen Solarstrahlung 35

4.5 Die Himmelsfarbe 38

Literatur 39

5 Tageslichtangebot 41

5.1 Tageslicht im Außenraum 41

5.2 Sonnenstand 47

5.3 Besonnung 51

5.4 Tageslicht im Innenraum 52

5.5 Blendung durch Tageslicht 58

5.6 Anforderungen an das Tageslicht im Innenraum 60

Literatur 63

6 Tageslichtmesstechnik 67

6.1 Gesamtstrahlungsmessungen 68

6.1.1 Messung der direkten Sonnenbestrahlungsstärke 69

6.1.2 Messung der Globalstrahlung 70

6.2 SpektraleMesstechnik 73

6.3 Lichtmessungen 77

6.4 Licht- und Strahlungsmessgeräte für den Feldeinsatz 79

6.5 Testräume für lichttechnische Untersuchungen an Tageslichtsystemen 80

Literatur 82

7 Sonnensimulation 85

Literatur 90

8 Strahlungsphysikalische und lichttechnische Kennzahlen von Tageslichtsystemen 93

8.1 Winkelbeziehungen 95

8.2 Spektraler Transmissions- und Reflexionsgrad 99

8.3 Strahlungstransmissionsgrad, Lichttransmissionsgrad und Lichtreflexionsgrad 102

8.4 Bidirektionale Messungen 105

8.5 Bestimmung des Gesamtenergiedurchlassgrades nach optischen Methoden 109

8.6 Das Datenformat EUMELDAT 110

8.7 Konvertierung derMessdaten in Planungsprogramme 115

Literatur 116

9 Angewandte Tageslichttechnik 119

9.1 Potenziale der Tageslichttechnik 119

9.2 Tageslichtsysteme 121

9.2.1 Verglasungen 121

9.2.2 Sonnenschutzeinrichtungen 125

9.2.3 Tageslichtlenksysteme 126

9.3 Tageslichtdachsysteme 130

9.4 Heliostatensysteme 136

Literatur 138

10 Planungsprogramme 141
Jan de Boer

10.1 Einleitung 141

10.2 Berechnungsverfahren 141

10.2.1 Radiosity (Strahlungsaustausch) 143

10.2.2 Raytracing-Verfahren (Strahlverfolgung) 144

10.2.3 Photon Mapping 147

10.2.4 Materialien- und Fassadenmodellierung 147

10.3 Berechnungswerkzeuge/Anwenderschnittstellen 150

10.3.1 Übersicht 150

10.3.2 Sonnenstandsverschattungsstudien 151

10.3.3 Auslegung Sonnen- und Blendschutz 153

10.3.4 Relative Nutzbelichtung, Bewertung nach DIN V 18599/EnEV 154

10.3.5 Solarkonzentration außen 156

10.3.6 Parametrisches Modellieren 158

10.4 Zusammenfassung 159

Literatur 159

11 Energetische Aspekte der Tageslichttechnik 161

11.1 Gebäudeautomatisierungssysteme 162

11.1.1 Übersicht 162

11.1.2 Anwendungsbereiche in der Beleuchtungstechnik 167

11.2 Tageslichtabhängige Beleuchtung 169

11.2.1 Kontrolle der künstlichen Beleuchtung 172

11.2.2 Kontrolle der Tageslichtbeleuchtung und von Tageslichtsystemen 175

11.3 Energiebedarf von Gebäuden 178

11.4 Kunstlichtbeleuchtungsanlagen 181

11.4.1 Lichtquellen 182

11.4.2 Leuchten 184

11.4.3 Materialien 187

11.5 Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Energiebedarfes für Beleuchtung 187

11.5.1 Grundüberlegungen 187

11.5.2 Mögliche Verfahren zur Ermittlung der spezifischen Bewertungsleistung 190

11.5.3 Ermittlung des tageslichtversorgten Bereiches 191

11.5.4 Ermittlung der effektiven Betriebszeiten 191

11.5.5 Gesamtbetriebszeit 192

11.5.6 Teilbetriebsfaktor zur Berücksichtigung der Anwesenheit 195

11.5.7 Zusammenfassung des neuen Verfahrens 195

11.6 Anwendung des Verfahrens im internationalen Vergleich 197

11.7 Beispiele für innovative, energieoptimierte Tageslichtnutzungskonzepte 198

11.7.1 Wartungsarmes Hybridbeleuchtungssystem 198

11.7.2 Autoadaptive Systeme 199

11.7.3 Das Adaptive Butterfly Array für ein hybrids Hohllichtleitersystem 204

11.8 Umwelttechnische Aspekte der Tageslichttechnik 205

Literatur 207

12 Fotoinduzierte Effekte durch Solarstrahlung 211

12.1 Allgemeine Grundlagen 211

12.2 Beispiele für physikalischeWirkungen 214

12.3 Beispiele für chemischeWirkungen 215

12.4 Beispiele für biologischeWirkungen 219

Literatur 221

13 Gesundheitliche Aspekte 223

13.1 Zur Geschichte des Sonnenkultes und der Heliotherapie 223

13.2 Medizinisch-technische Bewertungsgrößen 226

13.3 Wirkungen auf und über die Haut 228

13.4 Wirkungen auf das Auge 233

13.5 SystemischeWirkungen 238

13.6 Wärme- und Strahlungsbelastung 239

13.7 Heliotherapie 240

13.8 Sicherheitsaspekte und Schutzmaßnahmen 243

13.9 Referenzsonnenspektren 244

Literatur 246

14 Ausblick 249

Stichwortverzeichnis 253

Prof. em. Dr. rer. nat. Heinrich Kaase studierte Physik an der Technischen Universität Braunschweig und war von 1970 bis 1980 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Laboratorium für Radiometrie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig. Ab 1980 leitete er das neugegründete Laboratorium "Optoelektronik" der PTB als Regierungsdirektor. 1987 erhielt er den Ruf auf den Lehrstuhl "Lichttechnik" der TU Berlin. Seit 2008 ist Prof. Kaase im Ruhestand.Seine wissenschaftlichen Arbeiten zur Forschung über Spektralradiometrie, Synchrotronstrahlung, Plasmastrahlung, Solarstrahlung, Tageslicht, Lichtmesstechnik, Optohalbleiter, Photobiologie, Photomedizin und elektrische Installationstechnik waren stets praxisorientiert und interdisziplinär angelegt. Die Ergebnisse wurden in mehr als 200 Publikationen veröffentlicht. Auf Grund dieser Tätigkeiten wurde Heinrich Kaase in eine Vielzahl von nationalen Gremien (DIN, DKE, SLS und SSK) und internationalen Komitees (CIE, IEA, IMEKO und PEP) berufen.Prof. Dr.-Ing. habil. Alexander Rosemann leitet das Fachgebiet Building Lighting an der Eindhoven University of Technology (TU/e). Seine Forschungsschwerpunkte liegen in den Bereichen Licht & Energie, Licht & visuelle Umgebung sowie Licht & Gesundheit. Nach dem Studium der Elektrotechnik an der TU Berlin promovierte er bei Prof. Kaase über ein tageslichttechnisches Thema. Im Anschluss an seine Tätigkeiten am Fachgebiet Lichttechnik und in der Firma schüco International KG ging er für 10 Jahre nach Kanada. Dort war er nach einer Postdoc-Anstellung an der University of British Columbia in Vancouver bei dem Energieunternehmen BC Hydro im Bereich Energieeffizienz tätig. Sein Verantwortungsgebiet umfasste die Entwicklung und Anwendung von energieeffizienten Standards und Building Codes auf kommunaler, regionaler und nationaler Ebene. Rosemann ist Vorstandsmitglied der NSVV (Nederlandse Stichting Voor Verlichtingskunde) und Mitglied der LiTG (Deutsche Lichttechnische Gesellschaft).