Der Solarstrahlung kommt für das Leben auf der Erde die größte Bedeutung zu. Dieses Thema wird in diesem Buch aufgegriffen. Nach einer Beschreibung des Prozesses der Strahlungserzeugung und des Durchganges der Solarstrahlung durch die Erdatmosphäre werden die Wechselwirkungen durch physikalische, chemische, biologische und medizinische Effekte beschrieben. Da über verschiedene Formen der Sonnenenergiewandlung bereits eine kompetente Fachliteratur vorliegt, wird hier auf die entsprechenden Ausführungen verzichtet. Dagegen wird auf die Wirkungen über das menschliche Auge - also auf das Tageslicht - besonders eingegangen.
Tageslicht als passive Solarstrahlungstechnik dient nicht nur der Beleuchtung von Innenräumen der Gebäude, es kann auch einen merklichen Anteil der Energieeinsparung liefern. Der Jahresumsatz der Energie eines Gebäudes hängt von den verwendeten wärmetechnischen Installationen, den architektonischen Gegebenheiten und der Kunstlichttechnik ab. So werden technische Lösungen sowie Komponenten beispielhaft zusammengestellt und Berechnungsverfahren und technische Regel angegeben. Besonderer Augenmerk wird auf eine qualifizierte, integrale Gebäudeplanung gelegt, die auf den Bedürfnissen der Nutzer basiert und somit nicht nur die energetische Gesamtbilanz verbessert, sondern gleichzeitig die Aufenthaltsqualität erhöht.
Dieses Buch führt in die notwendigen physikalischen und meteorologischen Zusammenhänge von Solarstrahlung und Tageslicht ein, indem die doppelt spektralen Zusammenhänge von Strahlung und Effekt, wie die lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kennzahlen und die gesundheitlichen Wirkungen erläutert werden. Das Buch erläutert zudem Verfahren zur Bestimmung des Energieumsatzes mit Planungstools.
Das Buch ist für Architekten, Bauingenieure, Gebäudetechniker, Lichttechniker, Arbeitsmediziner, Meteorologen und Umwelttechniker in Planungspraxis, Industrie, Forschung und Lehre geeignet.
Prof. em. Dr. rer. nat. Heinrich Kaase studierte Physik an der an der TU Braunschweig und war von 1970 bis 1980 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Laboratorium fur Radiometrie der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB Braunschweig. Ab 1980 leitete er das neugegrundete Laboratorium "Optoelektronik" an der PTB und wurde zum Regierungsdirektor ernannt. Im Jahr 1987 erhielt er den Ruf an die TU Berlin und war hier bis 2008 Leiter des Fachgebietes Lichttechnik am Institut fur Energie- und Automatisierungstechnik der Fakultat Elektrotechnik und Informatik.
Heinrich Kaase hat ma?geblich an der Normung der Bewertungs- und Nachweisverfahren fur Energieeffizienz von Gebauden - Teil Licht (DIN V 18599-4) mitgewirkt. Zahlreiche Forschungsprojekte zur Optimierung der Tageslichtnutzung im Gebaudebereich wurden unter seiner Leitung durchgefuhrt, darunter die Aufbereitung und Uberfuhrung von tageslichttechnischen Messwerten in innovative Software zur Planung von Tageslichttechnik und die Lichtplanung fur das Berliner Bodemuseum.
Prof. Dr.-Ing. A.L.P. Rosemann studierte Elektrotechnik in Berlin und Manchester und erlangte 1997 das Diplom an der TU Berlin mit einer Arbeit an der Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung BAM. Anschlie?end war er von 1998 bis 2004 wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Berlin, wo er sich 2001 zum Dr.-Ing. promovierte. In den Jahren 2001 bis 2007 forschte er zu hybriden Beleuchtungssysteme an der TU Berlin und zu Tageslichtsystemen an der University of British Columbia (UBC), Vancouver/ Canada, darauf folge seine Habilitation im Jahr 2007 zu Tageslichttechnologien. Seit 2014 ist er Lehrstuhlinhaber und Professor fur Gebaudebeleuchtung (Building Lighting) am Fachgebiet Bauphysik und Gebaudetechnik der Fakultat Bauen und Umwelt an der Eindhoven University of Technology (TU/e).
Alexander Rosemann ist aktiv und teilweise Ausschussvorsitzender in verschiedenen Normungsvorhaben zur energieeffizienten Beleuchtung im Gebaudesektor fur Canadian Standardization Association (CSA), International Commission on Illumination (CIE), Illuminating Engineering Society (IES) und ISO.
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
