Vortrag textiler schatten in sonnigen ländern

Textiler Schatten in sonnigen Ländern:
Wechselwirkung zwischen Trägermaterial
und Beschichtung zu UV, VIS und IR Strahlung

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Geringer Emissionsgrad
Vorschläge

AFBW Anwenderforum Textiler Schatten in sonnigen Ländern, Hubertus Pöppinghaus, IF-Group

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Sonnenlicht ist die direkt erfahrbare solare Strahlung. Schatten ist in südlichen
Ländern die wichtigste Voraussetzung des thermischen sommerlichen Komforts
im Außenraum: Zugbeanspruchter, horizontaler Sonnenschutz verbindet die
g
p
,
Vorteile eines geringen Eigengewichtes mit einer maximalen Schattenausbeute.

Bild 1: Seilnetz mit textilen Rhomben in Palma de Mallorca, Bild 2: Gemälde von Ramon Casas (1889-1890) “Festa a Barcelona”


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Sonnenschutz bedeutet immer auch UV-Schutz: Es handelt sich dabei
um die energiereichste Strahlung, die unter normalen Umständen
unsere Erde erreicht und unsere Haut malträtiert Schattenzelte müssen
malträtiert.
deshalb einen maximalen UV-Schutz erreichen.

Bild 3 UV-Index Vorhersage aus den USA und im Bild 4 die „Slip, Slap and Slop” Kampagne aus Australien

A. i l
A inlay

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Warum werden als Sonnenschutz dunkle Markisenstoffe
bevorzugt, die sich speziell in südlichen Gefilden unter
direkter solarer Bestrahlung stark aufheizen?

Bild 5: Foto von dunkelgrünen Markisen in Barcelona Bild 6: Wärmebild der gleichen Fassade aufgenommen um 11:04 UTC im Monat August


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Warum ziehen sich Menschen „freiwillig“ unter brüllender Sonne schwarz an?

Der prämierte österreichische Produkt- und
Schattendesigner Gerald Wurz schreibt im
deutschen Baunetz: “Dass es unter einem
Dass
hellen Sonnenschutz angenehmer sei, als
unter einem dunklen, stimme übrigens nicht,
so der Designer. Die Touareg, Namenspaten
eines der Sonnensegel, wüssten dies bereits
seit Jahrhunderten” (www.baunetzwissen.de)

Bild 7: Foto von Gerald Wurz

Bild 8: Arabische Frau mit schwarzem niqab Schleier


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Bild 9: Geschützte schwarze Haut

Grund der dunklen Färbung der Garne liegt in ihrer besseren Haltbarkeit, da die
Pigmente seit jeher das wirksamste Schutzschild gegen die Sonnenstrahlen
bilden. Genauso absurd wäre es zu behaupten, die dunkle Hautfarbe der
Südländer ü d i
Südlä d würde eine verbesserte Kühl
b
t Kühlung gegenüber d h ll
üb der helleren H tf b
Hautfarbe
der Nordländer bedeuten. Die dunkle Pigmentierung verhindert stattdessen auf
Kosten einer größeren Erwärmung der Haut ein tieferes Eindringen des
schädlichen ultravioletten Anteils der Sonnenstrahlung

Bild 10: Ungeschützte weiße Haut


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Weshalb behaupten aber sogar Hersteller von Markisen, dass dunkle
Stoffe mehr Sonnenwärme abschirmen helfen als helle und somit
einen besseren Sommerkomfort bieten?

„Der Komfort unter
einer Markise wird
sehr stark von der
Farbe des Tuches
geprägt“

Bild 11: Katalog der Firma Dickson-sunbrella: http://www.gotthardt-yacht.de/Sunbrella_Dickson.html


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Problemanalyse
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Vorschläge

Liegt das Problem etwa bei den falsch angewendeten Normen?
Sonnenfaktor FS oder Gesamtenergiedurchlassgrad g ist nach der Norm EN
410:1998 „die Summe des direkten Strahlungstransmissionsgrades (τe) und des
sekundären Wä
k dä
Wärmeabgabegrades ( i) d V l
b b
d (q der Verglasung nach i
h innen, l t t
letztere b di t
bedingt
durch den Wärmetransport infolge Konvektion- und langwelliger IR-Strahlung des
Anteils der auftretenden Strahlung, der von der Verglasung absorbiert wird“

Die sekundäre, nach innen abgestrahlte
Strahlungsleistung [qi·Φtot] aufgrund
der von der Verglasung absorbierten
solaren Wärmeenergie

Der transmittierte Anteil [τe·Φtot]
der solaren Globalstrahlung

g∙Φtot = τe∙Φtot + qi∙Φtot
Bild 12: Schematische Darstellung des g
g
g-Wertes nach der Norm EN 410:1998

Formel 1: Rechnerische Darstellung des g
g
g-Wertes


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Übersicht der elektromagnetischen Strahlung

380nm=0,38μm

Bereich der sichtbaren solaren Strahlung

780nm=0,78μm

Bild 13:spektrale Übersicht

Einteilung der ultravioletten Strahlung:

Internationale Einteilung der infraroten Strahlung:

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4

UV-C (Fernes UV): 200nm bis 280nm
UV-B (Mittleres UV): 280nm bis 315nm
UV-A (Nahes UV): 315nm bis 380nm

VIS (visible): 0,38μm bis 0,78μm
NIR (near infrared): 0,78μm bis 3,0μm
MIR (middle infrared): 3,0μm bis 50μm
FIR (far infrared): 50μm bis 1000μm


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die Wärmestrahlung ist ein Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung
und wird normalerweise auf den Wellenlängenbereich von 0,1 μm bis 1000
μ (
μm (= 1 mm) begrenzt. Sie braucht kein Transportmedium und findet selbst
) g
p
im luftleeren Raum statt.

Konvektion
Wärmeleitung

Wärmestrahlung

Bild 14: Schematische Darstellung der Beziehung der drei Wärmeübertragungsmechanismen


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Unsichtbare Wärmestrahlung

Im Jahr 1800 entdeckt der deutsche
Astronom Friedrich Wilhelm Herschel
zufällig die Existenz der infraroten
Strahlung bei einer Untersuchung der
thermischen Eigenschaften von direkter
Sonnenstrahlung. Er zerlegte das weiße
g
g
Sonnenlicht mit Hilfe eines Prismas und
zeichnete die Temperatur mit mehreren
Quecksilberthermometern
auf.
Zu
seinem Erstaunen erschien der größte
Temperaturanstieg neben dem roten
Band
des
sichtbaren
Spektrums.
Herschel folgerte richtigerweise daraus
g
g
die
Existenz
einer
unsichtbaren
Wärmestrahlung.

Bild 15: Friedrich Wilhelm Herschel bei seinem bahnbrechenden Versuch


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Sichtbare Wärmestrahlung: Oberhalb der Temperatur von 798K
(525ºC, genannt Draper point) strahlen alle Objekte im sichtbaren
Bereich.
Bereich Das Spektrum der Farben von heißem Eisen wird normaler
normalerweise für die Falschfarbendarstellung der Wärmebilder verwendet.

Bild 16:Weissglühendes Schmiedeeisen


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Wärmeübertragungsmechanismen im Bezug zur Leichtigkeit der
Baumaterialien: schweres Mauerwerk versus Membranbauten

Bild 17: Schematische Darstellung der Beziehung
zwischen den drei Wärmeübertragungsmechanismen
und den Baumaterialien gezeichnet von Dr. Rainer Blum


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Einleitung
Problemanalyse
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Vorschläge

Membranen sind starker solarer Strahlung ausgesetzt bestehend aus
ultravioletter Strahlung (UV), sichtbarem Licht (VIS) und dem Bereich
des nahen Infrarot (NIR). Sie empfangen aber ebenfalls Strahlung aus
dem mittleren Infrarotbereich (MIR) entsprechend der terrestrischen
(MIR),
Wärmestrahlung der uns umgebenden Objekte.

Solare Strahlung
bei 5780K

Objektstrahlung
bei 293K

Bild 18: Spektraler Unterschied des ausgesandten Wärmestroms pro m² und Wellenlänge
zwischen der Sonnenstrahlung (5780K) und einem Körper bei Zimmertemperatur+20ºC (293K)


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Messstation „Kühle Schattenzelte“: Sonnenstrahlung kann nur im Freien
untersucht und gemessen werden. Die Messstation befand sich deshalb auf
etwa 100 m Höhe über dem Mittelmeer auf einer offenen Terrasse im
zwölften Stock am Hang des Collserolahügels in Barcelona

Bild 19: Gerüst mit der Sagrada Familia Kirche im Hintergrund, Bild 20: Messstation mit den verschiedenen Membranproben von oben gesehen


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die Erfassung der Messwerte erfolgte alle zwei Sekunden. Diese Rohwerte
wurden alle zwei Minuten als Mittelwerte und innerhalb eines Zeitraumes von
einer halbe Stunde jeweils als Extremwerte im Datenlogger abgespeichert.
j
gg
g p

Bild 21: Links geschütztes Thermo-Hygrometer und rechts Ultrasonic Anemometer Bild 22: Albedometer mit zwei Pyranometern


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Schematische Darstellung der Membran im Wärmestrahlungsfeld:
Auf der Unterseite der transluzenten Membran müssen vier
Wärmestrahlungsquellen summiert werden. Die laminare
Luftströmung (Konvektion) wurde dabei weggelassen.

1. Die von der Membran reflektierte, solare
Albedostrahlung [Φalbedo] (VIS und NIR)
2. Der transmittierte Anteil [ΦT] der solaren
Globalstrahlung (VIS und NIR)
3.
3 Die von der Membran selber abgestrahlte
Wärmeleistung [ΦE] (MIR)
4. Die von der Membran reflektierte Hintergrundsstrahlung [Φhinter] (MIR)
Bild 23:Schema der vier ausgewerteten Wärmequellen unter einer zugbeanspruchten Schattenkonstruktion


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die Thermografie ist ein nicht invasives Verfahren, um die
Temperaturen eines Körpers als Bild darstellen zu können. Die
thermografische Kamera bearbeitet jedes einzelne Pixel als
Messpunkt einer bestimmten Temperatur.
640 pix

480
pix

Tabelle 1: Excel-Datei der Temperaturen des
linken Wärmebildes: jedes Pixel ist eine Temp.

Bild 24: Bildliches Resultat der Messung
g


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Textile Membranen haben eine Masse von nur etwa 1kg/m² und eine
Dicke von 1mm. Jede Temperaturveränderung an der außenliegenden
Seite wird aufgrund ihrer hautähnlichen Eigenschaften fast ohne
Verzögerung an die Innenseite weitergegeben.

Film1: 176 thermographische Einzelbilder, die alle zwei Minuten am 4. August 2009 von 5:02 bis 10:22 UTC Zeit aufgenommen worden sind


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Geringer Emissionsgrad: Wie kann man den Wärmestrom durch die
Oberflächenbehandlung beeinflussen? Elektrisch leitende, metallische
Materialien strahlen deutlich weniger Wärme frontal ab und haben einen
leicht erhöhten seitlichen, streifenden genannten Strahlungsaustritt.

Bild 25: Bild eines mit warmen Wasser gefüllten,
g
metallisch bedruckten Bechers

Bild 26: Wärmebild desselben metallisch bedruckten Bechers


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Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die emittierte Strahlungsleistung oder der abgestrahlte Wärmestrom
eines Körpers hängt von der vierten Potenz seiner absoluten
Oberflächentemperatur und seinem Emissionsgrad ab. Temperatur und
Wärmestrom verbindet nach dem Gesetz von Stefan-Boltzmann die
Konstante σ = 5,67 * 10-8 W/m2 * K4

Φgrau = ε . σ . T4

Φschwarz = σ . T4

Emissionsgrad
Wärme
Wärmequelle

Grauer Körper
Absorbierter
Wärmestrom ΦA

ε
0<ε <1

Schwarzer Körper

Reflektierter Wärmestrom ΦR

Formel 2: Strahlungsleistung eines diffus-grauen Körpers

Emittierter
Wärmestrom ΦE

Absorbierter
Wärmestrom ΦA

ε
ε =1

Formel 3: Strahlungsleistung eines schwarzen Körpers


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die Selektive Eigenschaften der Materialien bezüglich Strahlungsabsorption und -emission ist weiter verbreitet als gemeinhin angenommen
wird. Die Farben im sichtbaren Spektrum ist eine g
p
gutes Beispiel dafür.
p
Die Bezeichnung low-e (Geringer Emissionsgrad) macht deshalb nur
Sinn, wenn das entsprechende Spektrum der Wellenlängen definiert ist.

Frischer Schnee, Low-e in VIS: ε = 10-20%
Bild 27: Lago Maggiore im Winter

Frischer Schnee, High-e in MIR: ε = 99,5%
Bild 28: manipuliertes Bild 51 „Schwarzer
Schwarzer”
Schnee im mittleren Infrarotbereich


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Weiße Membranen haben selektive Eigenschaften: sie erscheinen weiß im
sichtbaren Spektrum und schwarz in längeren Wellenlängen. Folglich
reflektieren diese Membranen sehr gut das Sonnenlicht, aber
absorbieren/emittieren fast alle Strahlung im längeren Infrarot. Aus diesem
b bi
/ itti
f t ll St hl
i lä
I f
t A di
Grund verlieren Zeltbauten sehr viel Energie zum offenen Himmel hin.

SHOW ROOM

High-e in MIR: ε = 90%

Low-e in VIS: ε = 14,5%

ENTRANCE

Bild 29 und 30: Links Fotografie und rechts das Wärmebild eines mit 50°C heißen Wasser gefüllten Inox-Kochtopfes.


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Weiße PVC/PES Membrane im Vergleich mit Tinox-Beschichtung:
Selektive Beschichtungen aus Titan-Nitrit-Oxid absorbieren die gesamte
Wärme im VIS-Bereich und reduzieren auf ein Minimum die abgestrahlte
Energie im MIR-Bereich. Sie werden deshalb als Wärmefalle für Solarenergie benutzt

Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Tinox

PVC/PES weiss

Reflexion

1

Absorption

0,9
0,8
0,7

Grad

0,6
Reflektion

0,5

Absorption

0,4
0,3
0,2

Absorption
0,1

Reflexion
0
0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Wellenlänge

Sonnenlicht (VIS)

Messbereich der
Wärmebildkameras (MIR)

Bild 31: Messung vom ITV Denkendorf

Sonnenlicht (VIS)

Messbereich der
Wärmebildkameras (MIR)

Bild 32: Webseite Almeco-Solar


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Beispiel 1
Infrarote Wärmestrahlung
von einer farbigen Hose
Bilder 33-36: Selina mit farbiger Sommerhose, Foto und Wärmebild in Barcelona

Farbe beeinflusst nicht den
Emissionsgrad außerhalb
des sichtbaren Spektrums!

Beispiel 2
Auswirkung direkter
Sonneneinstrahlung auf
g
die selbe farbige Hose

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Geringer Emissionsgrad : Low-e Beschichtungen helfen die
Wärmestrahlung im längeren Infrarotbereich zu reflektieren. Es ist
deshalb wichtig, dass die Beschichtung auf der richtigen Seite
wichtig
aufgebracht ist. Weiß reflektiert besser das Sonnenlicht als low-e.

Bild 37 und 38: Foto und Wärmebild eines mit zwei Membranen bespannten 50ºC warmen Inoxtopfes


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Vorschläge: Membranen reagieren sehr sensibel auf Veränderungen
der Sonneneinstrahlung und der Konvektion. Die große Auswahl der
modernen Materialien mit ihren unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen macht es möglich für die verschiedenen Anforderungen
spezifische Lösungsvorschläge zu erarbeiten.

Bilder 39 und 40: Bild und Wärmebild der Messanordnung mit 12 verschiedenen Materialien unter der direkten Sonneneinstrahlung von Barcelona


p.27

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Ein rein weißes Schattenzelt reflektiert optimal
die Sonneneinstrahlung. Gleichzeitig strahlt es
im mittleren Infrarotbereich seine Wärme
maximal zum kühlen Himmel ab Um seinen
ab.
Wärmeeintrag so gering wie möglich zu halten,
sollte seine Transluzenz (Lichtdurchlässigkeit)
dabei so gering wie möglich g
g
g
g
gehalten werden.

Bild 41: Foto eines weißen PVC/PES Schattenzeltes


p.28

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Bei einem kleinen Schattenzelt kann eine schwarze Innenoberfläche
nützlich sein. Der Vorteil liegt in der großen Absorption sowohl der
kurzwelligen als auch der langwelligen Wärmestrahlung Eine
Wärmestrahlung.
Reflektion der Albedostrahlung wird dadurch vermieden.

Bilder 42: Dunkler Sonnenschutz (PVC/PES Netz
von Ferrari) über einer Dachterrasse von Barcelona


p.29

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Die mit low-e beschichtete Seite sollte immer dem Boden zugewandt
sein, da sie die Wärmeabstrahlung zum Nutzer hin verringern hilft.
Um die reflektierte Albedostrahlung zu reduzieren sollte ein low e
reduzieren,
low-e
Schattenzelt allerdings eine gewisse Größe aufweisen.

Bilder 43: BP Tankstellenüberdachung in Barcelona


p.30

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Als erste Näherung kann der in den USA entwickelte
Solar Reflectance Index (SRI) benutzt werden. Er
vereinigt die beiden Werte der solaren Reflektion und
g
der längerwelligen, infraroten Wärmeabgabe in einem
Wert bei definierten, sommerlichen Wetterbedingungen
(Solare Globalstrahlung=1000 W/m² , Lufttemp.=310K,
Himmelstemp. =300K, Konvektionskoef.= 12 W/m² K)
p
)
Solar
Thermal
reflectance emittance

Temperature
roof

black

5%

90%

0

82,5ºC

white

80%

90%

100

44,6ºC

Black acrylic

4,1%

90%

‐1

82,9ºC

Cold black
acrylic
PE silvergrey

17,4%

60%

‐2

83,2ºC

24,5%

79%

20

74,8ºC

PVC/PES low‐e

74,3%

31%

76

53,7ºC

Alu.sheet low‐e

87,2%

5%

93

47,1ºC

PTFE white

75,4%

90%

93

47,3ºC

PVC/PES white

Bild 78: Foto eines weißen, reflektierenden Flachdachs

SRI‐
value

79,9%

88%

100

44,6ºC

Tabelle 3: Solar Reflectance Index von sieben ausgesuchten Materialien

low e
Aus
Bild 44 : Berechnung des Solar Reflectance Index (Heat island Group, Lawrence Berkeley National Laboratory) für eine low-e Folie. Um die Auszeichnung LEED Sustainable Sites Credit 7.2 führen zu können, muss mind. 75% der Oberfläche eines Flachdachs einen SRI-Wert von 78 erreichen.


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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

In der spanischen Provinz Almeria wurde aufgrund der im Sommer weiß
gekalkten Wintergärten der Albedowert der Region von 19% auf 32%
gesteigert. Damit wurde während der letzten dreißig Jahre die Temperatur um
0.9
0 9 °C gesenkt während sie allgemein i Süd
kt äh d i ll
i in Südspanien um 1 3°C anstieg.
i
1-3°C
ti

Bilder 45 und 46: Campo de Dalias mit 70% der Oberfläche bedeckt mit Polyethylen gedeckten Gewächshäusern


p.32

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Einleitung
Problemanalyse
Wärmeübertragung
Vorschläge

Aufgrund der solaren Reflektion (Albedo) und der diffusen Strahlung ist der
Randbereich einer Schattenkonstruktion weniger geschützt als ihr zentraler
Bereich. Doppelt gekrümmte Oberflächen haben zusätzlich das Problem, dass
sie sich wie d kl
i i h i das klassische Vi P kt Segel nach außen hi öff
i h Vier-Punkt S
l
h ß hin öffnen und
d
dementsprechend weniger Sonnenschutz bieten.

Bilder 47: Zeichnung aus „Under Cover guidelines for shade planing…“2003, Bild 48 parasol by Tuuci


p.33

Danke für Ihre Aufmerksamkeit !

Hubertus Pöppinghaus
www.if-group.de
www if group de


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