Die Sonne im Keller

(3.8.2001) Ein EU-Forschungsprojekt über die Beleuchtung von unterirdischen Räumen durch die Sonne mittels Heliostat-Technologie wurde unter Leitung des Tiroler Unternehmens Bartenbach LichtLabor erfolgreich abgeschlossen. In drei Jahren soll das Sonnenbeleuchtungssystem zur Marktreife gebracht werden.

Die Problematik ist Architekten und Bauherrn vor allem in Ballungsräumen bekannt, wo Baufläche sehr teuer ist: Große Gebäude verfügen über einen verhältnismäßig hohen Anteil von Kellerräumlichkeiten, die nicht vollständig genutzt werden können. Gesetzliche Vorschriften untersagen aufgrund unzureichender Lichtverhältnisse den dauernden Aufenthalt von Menschen. Darüber hinaus müssen die Räume auch tagsüber kostspielig mit Kunstlicht beleuchtet werden.

Deshalb wurde 1998 ein EU-Forschungsprojekt über die Entwicklung einer ökonomischen und energiesparenden Heliostat-Technologie für die Raumbeleuchtung mittels Sonnenlicht begonnen. Ziel des Vorhabens: Das in unbegrenztem Ausmaß und kostenlos zur Verfügung stehende Sonnenlicht sollte so umgelenkt werden, dass man bei Sonnenschein etwa Kellerräume taghell ohne Kunstlicht beleuchten und damit deren Nutzbarkeit erhöhen konnte.

Das Tiroler Unternehmen Bartenbach LichtLabor hat als Projektleiter einen funktionierenden Prototypen in Aldrans bei Innsbruck vorgestellt. Dieses neuartige Sonnenbeleuchtungssystem ermöglichte bei wolkenlosem Himmel eine mittlere Ausleuchtung der Testräume mit 880 Lux, auf einem Schreibtisch direkt unter der Sonnenleuchte betrug die Beleuchtungsstärke 2000 Lux. Im Normalfall kommen durchschnittliche Büroräumlichkeiten mit Kunstlicht auf etwa 500 Lux. "Man hat das Gefühl, als stehe man im Freien," freut sich Bartenbach LichtLabor-Entwickler Christian Anselm über die Resultate, "dabei befindet man sich drei Meter unter der Erde."

Satellitentechnologie beim Heliostaten

Kernstück des Prototypen ist ein auf dem Dach montierter neuartiger Heliostat. Im Gegensatz zu seinen Vorgängern ist er aufgrund neuer Materialien bei einer Fläche von 2,6 Quadratmetern mit rund 50 Kilogramm nicht nur sehr leicht und stabil. Beim Drehmotor eingesetzte Satellitentechnologie erlaubt erstmals auch die Senkung des jährlichen Energieverbrauchs auf 30 kWh.

Der Heliostat folgt der Sonne mit einer maximalen Abweichung von 0,1°. Erreicht wird dieser minimale Wert durch einen Vierquadrantensensor aus Kupfer, der im Inneren der Anlage jede Abweichung des Lichtstrahls von der voraus berechneten Sonnenbahn an den Heliostaten weitergibt. Über den Heliostat gelangt das Licht auf einen Umlenkspiegel, der es auf einen sogenannten Konzentrator weiterleitet. Der Konzentrator besteht aus einem System von Fresnel-Linsen und verdichtet das Licht 35-fach, um eine platzsparende Weiterleitung zu ermöglichen. Durch eine weitere 90°-Umlenkeinheit wird das Licht über eine mit prismatischer Lichtleitfolie ausgekleidete Plexiglasröhre in die eigentliche Sonnenleuchte im Kellerraum
gebracht.

Die Sonnenleuchte selbst ist auf den ersten Blick nicht von einer herkömmlichen Leuchte zu unterscheiden. Sie besteht aus zwei länglichen und einem zentralen Bauelement. Über das obere längliche Element in Röhrenform gelangen 25 Prozent des Lichts in den Raum und sorgen so für eine gleichmäßige Raumaufhellung. Das untere längliche Bauelement ist mit Lamellen ausgestattet und versorgt einen zentralen Bereich unter der Leuchte blendungsfrei mit 75 Prozent des Lichts. Mit dem Element in der Mitte der Leuchte kann etwa ein konzentrierter Sonnenfleck im Raum beliebig platziert oder mittels Prismen die Regenbogenfarben wieder gegeben werden. Ist der Himmel bewölkt, so wird eine in der Sonnenleuchte integrierte Kunstlichtleuchte automatisch eingeschaltet und der Raum so auf die gewünschte Lichtintensität gedimmt.

Gesamtwirkungsgrad von 30 Prozent

Geht man von einer optimalen Lichtreflexion eines Spiegels von 85 Prozent aus, so gelangen nach den drei Spiegeln und dem Konzentrator rund 50 Prozent des Sonnenlichts in die Sonnenleuchte, die wiederum 60 Prozent davon im Raum verteilt. "Unsere Anlage erreicht mit einem kostenlosen und endlos zur Verfügung stehenden Rohstoff einen Gesamtwirkungsgrad von 30 Prozent", resümiert Anselm. Dieser Gesamtwirkungsgrad hängt vom jeweiligen Transport- und Verteilsystem ab und kann entsprechend variieren. Grundsätzlich könne davon ausgegangen werden, dass ein Quadratmeter besonnte Spiegelfläche gleichviel Licht reflektiert wie etwa 60 Glühbirnen mit jeweils 100 Watt Leistung.

Wert von unterirdischen Räumen steigt

Die Vorteile der Sonnenleuchte liegen vor allem in der höheren Nutzbarkeit von unterirdischen Räumlichkeiten und in deren gestiegener Wohn- und Raumqualität. So können etwa Kellerräume als Besprechungszimmer herangezogen werden. Interessant ist die Anlage deshalb insbesondere für große Gebäude mit ausgedehnten unterirdischen Räumlichkeiten, für Gebäude in dicht besiedeltem Gebiet und für Räumlichkeiten mit unzureichender Tageslichtausleuchtung.

Der reduzierte Stromverbrauch von bis zu 60 Prozent in zentraleuropäischen Breitengraden ist zwar ein weiteres Argument für das Sonnenbeleuchtungs-System und unterstreicht den ökologischen Aspekt des Projektes. Doch die damit erzielte Einsparung liegt bei den derzeitigen Energiepreisen noch weit unter den notwendigen Investitionskosten.

In rund drei Jahren soll dieser Prototyp eines Sonnenbeleuchtungssystems zur Marktreife gebracht werden. Die größten Probleme der Heliostat-Technologie zur Raumbeleuchtung, wie etwa die perfekte Sonnennachführung des Heliostaten, die Wärmeentwicklung bei der Sonnenlichtkonzentration, das geeignete Licht-Transportsystem sowie ein Verteilsystem mit Kunstlichtintegration wurden durch das Forschungsprojekt analysiert und in der Prototypenanlage gelöst. "Jetzt geht es an die Entwicklung der Anlage und von Systembauteilen, die in beliebigen Objekten breitenwirksam zum Einsatz kommen können," so Entwicklungsleiter Wilfried Pohl.