Technologische Neuerungen

Technologische Neuerungen
im Bauen und Wohnen
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Herausgeber:
Kompetenzzentrum „Kostengünstig qualitätsbewusst Bauen“ im
Institut für Erhaltung und Modernisierung
von Bauwerken e.V. an der TU Berlin
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10587 Berlin
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Institut für Erhaltung und Modernisierung
von Bauwerken e.V. an der TU Berlin, Berlin
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Dieser Bericht soll dem interessierten Kreis der privaten Bauherrn und Eigentümer Informationen, Tipps und Anregungen
geben. Er will und kann Gesetzestexte nicht ersetzen. Bei Rechtsfragen sollten daher immer die zuständigen Behörden oder
die allgemein zur Rechtsauskunft befugten Stellen befragt werden. Dort können Sie z.B. auch Ausführungsbestimmungen
erfahren, die nicht immer alle dargestellt werden können und die häufig von Bundesland zu Bundesland verschieden sind.
Stand: Mai 2007
Alle Rechte vorbehalten
Technologische Neuerungen
im Bauen und Wohnen
Bearbeiter:
Projektleiter:
Dipl.-Ing.
Andreas Rietz, Architekt BDB
Wissenschaftliche Mitarbeiter:
Dipl.-Ing.
Claus Asam
Architekt M.A. Abdulla Fakhro
Dr.-Ing.
Eberhard Helmstädter
Dr.-Ing.
Roland Herr
Dipl.-Ing.
Burkhard Kaßner
Dipl.-Ing.
Dirk Markfort
Dipl.-Ing.
Heidemarie Schütz
Prof. Dr. -Ing. Frank Ulrich Vogdt
Mitarbeiter:
Jan Legner
Doris Meyer
u.a.
Inhalt
1
Einleitung
5
2
Gebäudeentwurf
unter Berücksichtigung neuer Entwicklungen
6
2.1
Formale Kriterien an ein komfortables und energetisch
effizientes Wohngebäude
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.1.4
2.1.5
Standort
Gebäudeausrichtung
Gebäudeform
Gebäudezonierung
Raumanordnungen
2.2
Funktionale Gestaltungskriterien an ein energetisch
effizientes Gebäude
2.2.1
2.2.2
2.2.3
2.2.4
2.2.5
2.2.6
2.2.7
Energiebilanzierung von Gebäuden
Energetisches Niveau von Gebäuden
Wärmedämmung
Luftdichtigkeit in Gebäuden
Passive und aktive Sonnenenergienutzung
Heizungskonzepte
Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung
11
11
12
14
15
16
17
18
3
Neue Baukonstruktionen und Baustoffe
22
3.1
Entwicklung und Tendenzen
22
3.1.1
3.1.3
3.1.4
3.1.5
3.1.6
Einsparung von fossilen Brennstoffen (insbesondere Erdöl und Erdgas)
und Rohstoffressourcen
Optimierung von Produktions- und Arbeitsprozessen im Sinne des
Wettbewerbs
Reinhaltung von Fassaden bzw. Oberflächen
Förderung des gesunden Wohnens
Innovationstransfer aus anderen Forschungsbereichen
Informations- und Kommunikationstechniken
3.2
Neue Baukonstruktionen
3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
Bauweisen
Energiesparendes Bauen
Wärmebrückenoptimiertes Bauen
Fassaden
Tageslicht-Lenksysteme
3.3
Neue Baustoffe
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.3.4
3.3.5
3.3.6
3.3.7
3.3.8
Massivwand-Baustoffe
Latentwärmespeicher in Baustoffen
Wärmedämmstoffe
Abdichtung
Materialien mit Selbstreinigungseffekt
Materialien mit Luftreinigungseffekt
Weitere Innovative Farb- und Putzsysteme
Neue Bautenschutzmittel
3.1.2
6
6
8
9
10
10
22
23
23
24
24
24
25
25
32
34
35
42
44
44
45
47
51
51
55
57
58
4
Technische Gebäudeausrüstung
60
60
60
64
4.1
Wärmeversorgung
4.1.1
4.1.2
Wärmeerzeugung (Heizung- und Warmwasserbereitung)
Wärmeverteilung und –übergabe
4.2
Lüftungssysteme
4.2.1
4.2.2
4.2.3
Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung
Freie Lüftung
Steuerung von Lüftungsanlagen
4.3
Stromerzeugung
4.3.1
4.3.2
Öffentliche Stromversorgung
Alternative Lösungen zur Stromerzeugung
4.4
Beleuchtung
4.4.1
4.4.2
4.4.3
Energiesparende Leuchten und energieeffiziente Leuchtensysteme
Leuchtmittel
Leuchtdioden (LED)
4.5
Gebäudeleittechnik (GLT)
4.5.1
4.5.2
4.5.3
4.5.4
4.5.5
4.5.6
4.5.7
4.5.8
4.5.9
4.5.10
4.5.11
Gebäudeautomation
Ebenen der Atomationssysteme
Steuersysteme
Heizungsregelung
Medienkommunikation
Beleuchtungssysteme
Sicherheitssysteme
Welche neuen Möglichkeiten bietet die Gebäudeautomation (GA)?
Welche Vorteile ergeben sich durch Nutzung einer Gebäudeautomation?
Mit welchen Nachteilen muss man rechnen?
Sinnvoller Einsatz im Ein- und Zweifamilienhausbereich
– Tendenz für die Zukunft
66
66
67
69
70
70
70
72
72
73
74
76
76
77
78
78
79
79
79
80
80
81
81
5
Ausblick und weiterführende Forschungsansätze 82
für neue Entwicklungen im Bereich Wohnungsbau
5.1
Ausblick
82
5.2
Forschungsprojekte und Förderinitiaven
82
6
Literatur- und Bildnachweis
83
4
Einleitung
1
Einleitung
Aufgrund der Notwendigkeit der Ressourcenschonung - insbesondere von
fossilen Energieträgern und der Verringerung von CO2-Emissionen sowie der
aktuellen Baugesetzgebung - findet ein
Umdenken in ökologischer und ökonomischer Hinsicht statt.
Der Bausektor reagiert auf die Anreize
mit der Entwicklung von neuen Lösungsmöglichkeiten für energieeffiziente
Bauweisen, bessere Wärmedämmmaßnahmen und nachhaltige Energieversorgungssysteme.
Ein zunehmender Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik
gestaltet nicht nur das Leben sicherer
und einfacher, sondern leistet durch bedarfs- und zeitgerechte Steuerung von
Heizungs-, Lüftungs- und/ oder Klimaanlagen einen wesentlichen Beitrag zur
Energieeinsparung.
Im vorliegenden Bericht werden die Einflüsse neuer Entwicklungen auf die Gebäudegestaltung dargestellt. Weiterhin
wird der technologische Entwicklungsstand im Bereich der Baustoffe, Baukonstruktionen und der Gebäudetechnik
- im Hinblick auf die Eignung und die Einsatzmöglichkeiten im Wohnungsbau aufgezeigt.
Die vielfältigen Produkte werden in der
Praxis zum großen Teil bereits erprobt,
finden jedoch im privaten Wohnungsbau
meist noch nicht die breite Anwendung.
Der Bericht will - neben der reinen Information - Anregungen geben, die technologischen Neuerungen im Wohnungsbau
einzusetzen. Auch wenn manche Entwicklungen heute noch unwirtschaftlich
sind, können diese, z.B. aufgrund der
steigenden Energiepreise, in naher Zukunft wirtschaftlich und im Übergang von
der Herstellung in Kleinserie zur Massenproduktion, zukünftig günstiger in der
Anschaffung werden.
Die z.T. vertiefte Darstellung der neuen
Ansätze zum intelligenten Bauen und
Wohnen richtet sich an die privaten Bauherren und Eigentümer, aber auch an die
Planer von Ein- und Zweifamilienhäusern.
Diese werden immer häufiger von ihren
Auftraggebern gefordert, einen Überblick
über das breite Angebot der technologischen Neuerungen und deren zukünftige Entwicklung geben zu können.
Die zusammengefasste Dokumentation
dieser Angebote und Entwicklungen soll
einen kleinen Beitrag dazu leisten, dass
in den - auch für den Fachplaner - nahezu unüberschaubaren Produktangeboten,
Entwicklungstendenzen auch für den interessierten Laien erkennbar werden.
5
Gebäudeentwurf - formale Kriterien
2
Gebäudeentwurf unter Berücksichtigung
neuer Entwicklungen
Das Erstellen eines Gebäudeentwurfs
erfordert die ganzheitliche Betrachtung
von Gestalt und Funktion eines Wohngebäudes unter Berücksichtigung der
energetischen und technischen Anforderungen und deren Umsetzungsmöglichkeiten. Neue technologische Anforderungen und die Bilanzierung des Gebäudes über den gesamten Lebenszyklus
bedingen eine neue Planungskultur. Ziel
dabei ist es, ein Konzept für ein energetisch, ökologisch und ökonomisch hochwertiges Wohnhaus kombiniert mit Komfort, einfacher Bedienung und Wartung
zu entwickeln. Diese Aufgaben sind nur
mit einem integrativen Planungsansatz
umzusetzen, da immer das „Gesamtsystem Gebäude“ gesehen werden muss.
Eine an diesen Grundsätzen orientierte
2.1
Vorplanungsphase, die alle entsprechenden Einflussfaktoren berücksichtigt, legt
die Grundlage für ein ökologisch und
ökonomisch effizientes Gebäude. Das
Planungsteam trifft in einem iterativen
Prozess – unter Hinzuziehung der erforderlichen Spezialisten – schrittweise die
Entscheidungen, die zu optimalen Lösungen führen.
Die umfassende Bewertung eines Gebäudeentwurfs bzw. der Variantenvergleich über den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes ist heute – dank dem
Einsatz von EDV- bzw. CAD-gestützten
Berechnungen und Unterstützung durch
dynamische Gebäude- und Anlagensimulationen – bei vertretbarem Planungsaufwand möglich.
Formale Kriterien an ein komfortables und energetisch effizientes Wohngebäude
2.1.1 Standort
Die geschickte Berücksichtigung der
an einem Standort vorhandenen Randbedingungen – wie z.B. der natürlichen
Ressourcen (Erdwärme etc.) – im Gesamtkonzept des Gebäudes bzw. die
Abstimmung des Entwurfs auf diese
Randbedingungen, ermöglicht eine Reduzierung des Investitions- und Nutzungsaufwands.
stärkt die Verfügbarkeit moderner technischer Netze für Medien und Kommunikation. Dieser Aspekt gewinnt durch
neue Organisationsformen der Berufstätigkeit – Stichwort Homeoffice – zunehmend an Bedeutung.
2.1.1.1 Infrastruktur
Die ökologische Qualität eines Gebäudes definiert sich nicht nur über den
Baukörper, die Auswahl der Baukonstruktionen und Baustoffe sowie die Gebäudetechnik, sondern wesentlich auch
über den Standort und die Ausrichtung
auf dem Grundstück. Letztendlich entscheidet bereits die richtige Auswahl
eines Grundstücks über die Potenziale,
die im späteren Gebäudeentwurf entwickelt werden können. Eine unverbaubare
Lage mit ganzjähriger und ganztägiger
Besonnung bietet optimale Bedingungen
für eine solare Nutzung und das Wohlbe-
Die Veränderungen auf dem Wohnungsmarkt, die durch den demographischen
Wandel entscheidend beeinflusst werden, stellen heute deutlich höhere Anforderungen an die Standortqualität eines
Gebäudes. Ein wesentliches Merkmal
ist dabei die Einbindung in die regionale Infrastruktur. Neben den bekannten
Kriterien – wie z.B. Erreichbarkeit von
Bildungs-, Freizeit- und Kultureinrichtungen, Einzelhandelsangeboten und
Verkehrserschließung – zählt dazu ver6
2.1.1.2 Sonnenstand, Beschattung
durch die Umgebung
Die Anordnung des Gebäudes im Gelände sowie seine Orientierung haben entscheidenden Einfluss auf die Besonnung
und Verschattung des Gebäudes insgesamt, aber auch der einzelnen Räume.
Da im Sommer die Sonne mittags sehr
hoch steht und somit kleine Dachüberstände oder Balkone eine Verschattung
der Hauptfassade und damit ihrer Fensterflächen bewirken, ist eine reine NordSüd-Orientierung günstig. Diese wirkt
sich auch im Winterfall bei dann tiefer
stehender Sonne positiv auf den Wärmegewinn eines Gebäudes aus.
Bei einem Ost-West ausgerichteten Gebäude ist eher mit Überhitzung und
Blendwirkung zu rechnen, da die Sonne
hier vormittags und nachmittags direkt
auf die Fassade scheint. Konventionelle
außenliegende Verschattungssysteme
reichen in der Regel aus, um eine Überhitzung zu vermeiden. Moderne Systeme können dabei über eine verbesserte
Lichtlenkung (siehe Kap. 3.1.5 TagesLichtlenksysteme) einen hohen Tageslichtanteil in die Räume bringen.
Gebäudeentwurf - formale Kriterien
finden der Bewohner. Allerdings sind dabei auch die Belange des sommerlichen
Wärmeschutzes zu berücksichtigen. Dabei sollten sich natürliche – wie Bepflanzung mit Laubbäumen zur sommerlichen
Verschattung – und technische Maßnahmen – wie Dachüberstände oder außenliegender Sonnenschutz – sinnvoll
ergänzen.
und Behaglichkeitseinbußen durch Zugerscheinungen zu rechnen ist. Lagebedingte Wärmeverluste können durch eine
Ausrichtung des Gebäudes mit weitgehend geschlossenen und luftdichten sowie gut wärmegedämmten Außenwänden zur Hauptwindrichtung vermindert
werden. Insofern sollten die mikroklimatischen Verhältnisse des Standortes bei
der Planung bekannt sein und einbezogen werden.
Gezielt durchgeführte Lüftungsvorgänge
dienen zur Einhaltung eines gewünschten
Luftwechsels und damit der Erhaltung der
Lufthygiene in den Räumen sowie der erforderlichen Ableitung von Feuchte. Dieser
Anteil des Lüftungswärmeverlustes ist damit unvermeidbar, kann jedoch mit einem
Lüftungskonzept in seiner Größe reduziert
werden. Um Lüftungswärmeverluste zu
reduzieren, können bei der Fensterlüftung
regulierbare Lüftungseinrichtungen oder
anlagentechnische Maßnahmen vorgesehen werden (siehe Kap. 2.2.6 Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung).
Durch die Anpflanzung von windhemmenden Hecken oder Bäumen in Hauptwindrichtung können die Verluste reduziert
werden und gleichzeitig die Aufenthaltsqualität z.B. auf Terrassen oder Balkonen
verbessert werden. Andererseits sind
gerade für das Klima in innenstädtischen
Quartieren zusammenhängende Durchlüftungsschneisen notwendig und bei der
übergeordneten Bebauungsplanung zu
berücksichtigen.
2.1.1.3 Klima, Windrichtung
Erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch hat das Mikroklima des Standortes, also Faktoren wie topographische
Lage, Intensität der Sonneneinstrahlung
und die Windverhältnisse. Bei windexponierten Gebäuden ist verstärkt auf
die Fugendichtigkeit – insbesondere an
Bauteilfugen und Fenstern – zu achten,
da sonst mit erhöhten Wärmeverlusten
Bild 2.1: Windeinfluß in unterschiedlichen Lagen
2.1.1.4 Bodenbeschaffenheit
(Erdwärmenutzung)
Der natürliche Wärmehaushalt der oberflächennahen Schichten unserer Erde
wird im Wesentlichen durch zwei Effekte
beeinflusst:
- die Sonneneinstrahlung und
- den geothermischen Wärmeeinfluss aus
dem Erdinnern.
Bild 2.2: Beschattung durch
die Umgebung
7
Gebäudeentwurf - formale Kriterien
Bis in eine Tiefe von ca. 20 m beeinflusst
im Normalfall die Sonnenwärme die Temperatur des Untergrundes. Diese Tiefe
gilt als atmosphärische Pufferzone. Erdwärme ist also im Boden gespeicherte
„Energie von der Sonne“ und in diesem
Sinne eine der wichtigsten Formen der
erneuerbaren Energien mit einem nahezu unerschöpflichen Energiepotenzial.
Im Sommer dringt Wärme ein, im Winter
geht Wärme verloren. Insofern könnte
man bei der Nutzung der untiefen Geothermie zum Teil auch von passiver, saisonaler Wärmespeicherung sprechen.
Je nach Beschaffenheit der Erdoberfläche (Strasse, Fels, Gras, Wald, Schnee)
wird ein mehr oder weniger großer Teil
der Sonnenstrahlung vom Untergrund
absorbiert. Das Erdreich ist ein guter
Wärmespeicher, da die Temperaturen
das gesamte Jahr hinweg mit 7 bis 13 °C
(in 2 m Tiefe) relativ gleichmäßig sind.
Erdwärme ist ideal nutzbar für die Raumheizung - im Sommer auch für die Raumkühlung - und die Warmwasserbereitung
und damit für den größten Anteil des Energieverbrauchs im Wohngebäude.
Horizontal verlegte Erdkollektoren oder
vertikal in die Erde eingebrachte Erdsonden fördern die gespeicherte Wärme in
einem geschlossenen System mit einem
Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) zum Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe. (Siehe Kap. 4.1.1.3
Regenerative Energieträger.)
Die spezifische Entzugsleistung von
Erdwärmekollektoren steht in engem
Zusammenhang mit der Bodenbeschaffenheit. So wird die höchste Entzugsleistung von Erdwärmekollektoren bei
wassergesättigtem Boden erreicht. Vereinfacht ausgedrückt: Die Speichereigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit
sind um so größer, je mehr der Boden
mit Wasser angereichert ist, je höher der
Anteil der mineralischen Bestandteile ist
und je geringer die Porenanteile sind.
Bodenart
Entzugsleistung qE
trocken sandig
10 bis 15 W/m2
feucht sandig
15 bis 20 W/ m2
trocken lehmig
20 bis 25 W/m2
feucht lehmig
25 bis 30 W/m2
Grundwasserführender Boden
30 bis 35 W/m2
Tab. 2.1: Entzugsleistungen für das Erdreich [1]
2.1.2 Gebäudeausrichtung
Bild 2.3: Siedlungsstruktur ausgerichtet in Nord-Südausrichtung (links) und ungeordnet (rechts), nach [2]
Wesentliche Festlegungen hinsichtlich
einer sinnvollen Ausrichtung der Gebäude werden bereits mit der Bebauungsplanung vorgenommen. So sollte bereits
die Gemeinde bei der Aufstellung des
Bebauungsplans die Grundsätze der energiesparenden Optimierung berücksichtigen und den Bauherren und Planern damit die Möglichkeit geben, ihre Gebäude
optimal auszurichten. Das bedeutet z. B.
auch, dass Verschattungen der Gebäude
untereinander ausgeschlossen werden.
8
Ein solarorientierter Bebauungsplan ermöglicht eine effiziente solare Nutzung.
Die richtige Ausrichtung eines Gebäudes spielt sowohl für die innere Grundrissorganisation – z.B. hinsichtlich der
Belichtung der verschiedenen Gebäudezonen – wie auch für die Nutzung von
Solarenergie eine wichtige Rolle. Nach
den Grundsätzen der Solararchitektur ist
ein Wohngebäude mit seinen Hauptnutzungszonen und Dachflächen nach Süden auszurichten.
Daneben trägt eine effiziente Tageslichtnutzung wesentlich zur visuellen Behaglichkeit bei. Eine verbesserte Tageslichtnutzung kann insbesondere durch architektonische Maßnahmen (Gebäudeorientierung, Fensterflächen, Tageslichtlenkung) und organisatorische Maßnahmen
(Aktivitäten mit hohem Lichtbedarf in
Fensternähe) erreicht werden. Die integrale Betrachtung und Abstimmung der
einzelnen Aspekte in einem Konzept trägt
zur optimalen Nutzung bei. Diese Grundsätze stehen einer standortorientierten
Bebauungsplanung nicht entgegen, da
auch eine unter energetischen Gesichtspunkten optimierte Gebäudeausrichtung
zu interessanten Siedlungsstrukturen
führen kann. [2]
Gebäudeentwurf - formale Kriterien
Dies gilt für die passive Nutzung über
Fensterflächen oder transparente Wärmedämmung sowie die aktive Nutzung über
Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen.
Hier ist für den Ertrag entscheidend, dass
ausreichend südorientierte Dachflächen
für die Integration der Anlagen zur Verfügung stehen. Eine geringe Abweichung
ist dabei zu vernachlässigen.
lichen Zusammenschluss der einzelnen
Verbraucher zu einem solargestützten
Nahwärmenetz. Eine deutlich verbesserte Ausnutzung des solaren Energieertrages lässt sich in einem solchen
Netz durch den Einsatz von LangzeitWärmespeichern (siehe auch Kap.
4.1.1.5 Wärmespeicherung) und damit
einer saisonalen Speicherung von solar
erzeugter Wärme erreichen. Beispiele
für realisierte Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher sind in Friedrichshafen-Wiggenhausen und Hamburg-Bramfeld in
Betrieb. Beide Projekte verfügen über
Heißwasser-Wärmespeicher in Form eines eingegrabenen wärmegedämmten
Betonbehälters. [3]
Die Entwicklung einer auf diese geänderten Randbedingungen angepassten
Gebäude- und Siedlungsplanung setzt
allerdings eine genaue Kenntnis der Einsatzgrundsätze moderner Technologien
und Bauprinzipien voraus.
Neben der Anordnung in einem solarisierten Bebauungsplan und der energetischen Optimierung der einzelnen
Gebäude, stehen in einem nächsten
Schritt zu einem integralen Energiekonzept Überlegungen über einen mög-
Bild 2.4: Wärmegewinn bei unterschiedlicher Aufteilung der Flächen auf
die Nord- und die Südfassade [4]
2.1.3 Gebäudeform
Die Wärmeverluste eines Gebäudes
werden – auch bei optimierter Wärmedämmung – zu einem erheblichen Teil
von der Hüllfläche des Gebäudes durch
die Transmissionswärmeverluste1 bestimmt. Je kompakter das Gebäude
geplant wird, je günstiger also das A/VeVerhältnis2 ist, desto geringer sind die
benötigte Heizenergie und damit die
Kosten. (Siehe Bild 2.6)
1
Günstig ist ebenfalls, wenn die sonnenbeschienene Südfassade größer ist
als die Nordfassade, die kaum solare
Gewinne verbuchen kann. Daraus resultieren die bei Passivhäusern häufig
eingesetzten nach Süden geöffneten
Pultdachlösungen. (Siehe Bild 2.5)
Transmissionswärmeverlust
ist die durch Wärmeleitung
verlorene Energie eines
Hauses über die Umschließungsflächen beheizter Räume, wie Wände, Fußböden,
Decken, Fenster.
2
Das A/Ve-Verhältnis ist der
Quotient aus der wärmeübertragenden Außenfläche
A [m²] und dem (aus den
Außenmaßen bestimmten)
Volumen V [m³] eines Gebäudes.
9
Gebäudeentwurf - formale Kriterien
Bild 2.5: passive Solarenergienutzung
-
eingeschossiger
Bungalow:
A/Ve > 1,0 m-1
-
Doppelhaushälfte:
A/Ve = 0,6 -0,75 m-1
-
freistehendes
Einfamilienhaus:
A/Ve = 0,7 - 0,9 m-1
-
Reihenmittelhaus:
A/Ve = 0,5 - 0,65 m-1
Bild 2.6: Typische A/Ve- Verhältnisse
2.1.4 Gebäudezonierung
Ein integraler Gebäudeentwurf bezieht
bei der Grundrisszonierung und der
Ausführung der Gebäudehülle nicht nur
die gestalterischen und nutzungsspezifischen, sondern vor allem auch energetische Gesichtspunkte in die Planung ein.
Durch eine intelligente Zonierung des
Gebäudes – d.h. Hauptaufenthaltsräume nach Süden, anschließend Schlaf-
und Arbeitsräume sowie Nebenräume
und Verkehrsflächen (z.B. Treppen auf
der Nordseite) – ist eine hierarchische
Anordnung der Räume nach Nutzungsund Temperaturanforderungen und damit
eine Reduzierung des Heizwärmebedarfs
zu erreichen. Durch Pufferzonen – z.B.
einen Wintergarten – können die Wärmeverluste zusätzlich reduziert werden.
2.1.5 Raumanordnungen
2.1.5.1 Anordnung der Räume nach
energetischen und akustischen
Anforderungen
sind diese auch durch eine günstige Anordnung von Aufzugsanlagen möglichst
gering zu halten.
In hoch gedämmten, energetisch günstigen Wohngebäuden ist es nicht mehr
erforderlich, die Heizkörper an den Außenwänden im Bereich der Fenster vorzusehen. Durch geschickte Anordnung
an den Innenwänden können damit die
erforderlichen Rohrlängen deutlich verkürzt und damit Wärmeverluste verringert
werden. Um entsprechende Effekte auch
für die Warmwasserverteilleitungen zu erreichen, ist eine konzentrierte Anordnung
der Sanitärräume und damit der in Bädern
und Küchen anzubringenden Anschlüsse
vorzusehen. Kurze Kanalanbindungen
sind erst recht für Lüftungskanäle – schon
aus Kostengründen – wichtig.
Räume für Kommunikation – insbesondere bei intensiver Medienausstattung
(TV, Audio) – sollten in der Grundrissorganisation so eingeordnet werden, dass
Störungen eher ruhiger Räume und Ruhezonen minimiert werden können.
Damit wird bereits die Grundrissorganisation maßgeblich beeinflusst. Die
Zusammenfassung der Sanitärräume
bringt auch schallschutztechnische Vorteile im Hinblick auf akustische Beeinträchtigungen. Bei Mehrfamilienhäusern
10
2.1.5.2 Flexible Grundrissgestaltung
für individuelle Nutzungsanforderungen
Eine integrale Planung erfordert eine
frühe und intensive Auseinandersetzung
mit den Bedürfnissen und Wohnvorstellungen der Bewohner. Ihre intensive
Mitwirkung in diesem Prozess sollte
durch den Architekten moderiert werden. Kostengünstiges Bauen beginnt
mit der Konzentration auf die tatsächlich
notwendigen Flächen als Umsetzung der
Raumanforderungen der zukünftigen Bewohner. Vielfach lassen sich bei zielge-
Vor dem Hintergrund der langen Nutzungsdauer eines Wohngebäudes spielen insbesondere Möglichkeiten einer
flexiblen Raumnutzung eine wichtige
2.2
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
richteter Diskussion Flächeneinsparungen
erreichen, ohne damit die spätere Nutzung einzuschränken. So kann durch die
Überlagerung verschiedener Nutzungen
(multifuntktionale Räume) eine effizientere
Flächenausnutzung erreicht werden, ohne
damit die Wohnqualität zu beeinträchtigen.
Jeder nicht gebaute Raum spart Investitions- und Nutzungskosten.
Rolle. Deshalb sehen zukunftsfähige
Entwurfsansätze zunehmend Individualräume (Schlaf-, Kinder- und Gästezimmer) vergleichbarer Größe vor, um
diese je nach Haushaltsstruktur in unterschiedlicher Anordnung nutzen zu
können. Wenn dann die verschiedenen
Nutzungsebenen noch flexibel schaltbar
sind, können diese Wohngebäude den
wechselnden Anforderungen, z.B. aus
dem Lebenszyklus eines Haushalts heraus, ohne größeren baulichen Aufwand
angepasst werden.
Funktionale Gestaltungskriterien an ein energetisch
effizientes Gebäude
2.2.1 Energiebilanzierung von Gebäuden
Die energetische Bilanzierung dient
der Bewertung von Gebäuden. Durch
Berechnungen wird der Energiebedarf
ermittelt, durch Messungen der Energieverbrauch. Eine Darstellung erfolgt
mit geeigneten Kennwerten. Die Berechnung auf der Basis einer Wärmebilanzierung führt zum Wärme- bzw. Energiebedarf, hierzu Bild 2.7
Der Heizwärmebedarf (die Nutzenergie) wird durch folgende Wärmeverluste
bzw. –gewinne bestimmt:
- Transmissionswärmeverluste – Wärmeleitung über die Außenbauteile, aber
auch über Bauteile zu niedrig- und unbeheizten Räumen, z.B. Außenwände, Kellerdecken, Dächer bzw. oberste
Geschossdecken, Fenster und Türen;
- Lüftungswärmeverluste – Für das Gebäude ist ein Mindestluftwechsel sicherzustellen. Ein in der Regel nutzerabhängiger erhöhter Luftwechsel
führt zu einem erhöhten Lüftungswärmeverlust, ein über einen längeren
Zeitraum zu niedriger Luftwechsel
kann zu bauphysikalischen Schäden
führen;
- Den Wärmeverlusten stehen externe
(solare) Wärmegewinne über Verglasungen und transparente Wärmedämmungen und interne Wärmegewinne
durch Personen, Kochen und Waschen,
Betrieb elektrischer Geräte gegenüber.
Bild 2.7: Wärmebilanz für ein Gebäude (beheiztes Gebäudevolumen ist rot
gekennzeichnet)
Unter Berücksichtigung von Verteilungsund Umwandlungsverlusten im Gebäude lässt sich aus dem Heizwärmebedarf
die Endenergie für die Raumheizung,
siehe Bild 2.8, ermitteln, die sowohl für
die Wärme als auch für den Strom als
Hilfsenergie ausgewiesen wird. Bei der
Endenergie kann es sich um Gas oder
Öl handeln, aber auch um regenerative
Energien oder Nah- und Fernwärme.
Mit Primärenergiefaktoren wird der Primärenergiebedarf ermittelt. Gegenüber
konventionellen Gebäudeheizungen mit
Gas oder Öl weisen Elektroheizungen
11
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
hohe Faktoren auf, regenerative Energieträger und Wärme aus Kraft-WärmeKopplung werden dagegen mit niedrigen
Faktoren – also günstiger – bewertet.
Bild 2.8: Energetische Ebenen, Beschreibung und
Bilanzierungsgrenzen [5]
In der seit 2002 gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV) – aber auch in deren
Fortschreibung in 2007 – werden Anforderungen für neu errichtete Wohngebäude an den Primärenergiebedarf Q´´P
[kWh/(m²a)] und an den mittleren Transmissionswärmeverlust H´T [W/(m²K)] unter
Berücksichtigung von Wärmebrücken
gestellt, siehe Bild 2.9. Die Anforderungen werden in Abhängigkeit
von der Kompaktheit der Gebäude
formuliert, dargestellt durch das A/VeVerhältnis [m-1], siehe auch Kap. 2.1.3
Gebäudeform.
Ein Gebäude kann als energieeffizient
bezeichnet werden, wenn
- der Energiebedarf gering ist,
- die Bereitstellung der Energie mit
einem hohen Nutzungsgrad bzw.
einem geringen Aufwand erfolgt und
- der Energiebedarf zu einem hohen
Anteil durch erneuerbare Energien
gedeckt wird.
Bild 2.9: Energetische Ebenen, Beschreibung und Bilanzierungsgrenzen [5]
2.2.2 Energetisches Niveau von Gebäuden
Das energetische Niveau von Gebäuden
lässt sich mittels Energiekennwerten vergleichen, diese werden mit dem Heizwärmebedarf und/oder Primärenergiebedarf
gebildet. Wichtig für die Vergleichbarkeit
sind gleiche Berechnungs- und Bezugsgrößen. Energetische Level fanden vor
allem für Ein- und Zweifamilienhäuser
Anwendung, in den letzten Jahren aber
auch für Mehrfamilienhäuser.
Während der Heizwärmebedarf für den
Gebäudebestand bis etwa 1995 bei 150
bis 250 kWh/(m²·a) liegen kann, für Einund Zweifamiliehäuser auch deutlich
darüber, wurde bereits mit der WärmeschutzV´95 eine deutliche Absenkung
erzielt auf 60 bis 100 kWh/(m²·a) und
mit der EnEV 2002 auf 40 bis 100 kWh/
(m²·a). Die Anforderungen der EnEV
12
können mit wirtschaftlichen Maßnahmen
auch bei der energetischen Sanierung
im Bestand erreicht werden.
Der Begriff des Niedrigenergiehauses
(NEH) hat in der Vergangenheit eine
Fortschreibung erfahren: Vor 2002 repräsentierten die für die EnEV in Aussicht
gestellten Anforderungen das NEH-Niveau. Heute werden als NEH Gebäude
erfasst, die die Anforderungen der EnEV
deutlich unterschreiten– sowohl Bestand
als auch Neubau.
Als Merkmale eines Niedrigenergiehauses gelten gemäß [6], [7], [8]:
- sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile und nachgewiesene Luftdichtheit, passive und aktive Solarenergienutzung,
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
- Minimierung von geometrischen Wärmebrücken (wenig Fassadenvorsprünge, geringe Gebäudegliederung)
und Vermeidung konstruktiver Wärmebrücken,
- Lüftung – Abluftanlagen, Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung
und
- Energieversorgung durch Brennwerttechnik, Kraft-Wärme-Kopplung oder
regenerative Energien.
Zur Charakterisierung der energetischen
Effizienz eines Gebäudes ist der Begriff
des 3-Liter-Hauses verbreitet - 3 Liter
Heizöl á 10 kWh/(m²·a) entsprechen 30
kWh/(m²·a) Heizwärmebedarf. Dieser
Kennwert stellt auch heute noch einen
hohen Anspruch dar, angesiedelt zwischen einem Niedrigenergiehaus und
einem Passivhaus.
Für das Passivhaus, Bild 2.10, beträgt
der Jahres-Heizwärmebedarf weniger als
15 kWh/(m²·a). Niedrige Wärmeverluste
werden durch eine „supergedämmte“
Gebäudehülle, eine kompakte, wärmebrückenfreie und luftdichte Bauweise sowie durch dreifachverglaste Fenster mit
speziell gedämmten Rahmen erreicht.
Ein großer Teil des Wärmebedarfs wird
durch die solaren Gewinne der Fenster
(große Südfenster, minimale Fensterflächen nach Nord) und durch interne
Wärmegewinne gedeckt. Im Ergebnis
kann die Beheizung allein durch ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung
aus der Abluft (ggf. mit eingeschränkter
Nachheizung) erfolgen.
Bild 2.11 gibt zusammenfassend einen
größenordnungsmäßigen Vergleich der
vorgenannten energetischen Standards
an, hier der Heizwärmebedarf, bezogen
auf die Nutzfläche der Gebäude. In der
ausgewiesenen Streubreite spiegelt sich
die Kompaktheit der Gebäude wieder
(kleines A/Ve-Verhältnis – geringer Bedarf;
großes A/Ve -Verhältnis – hoher Bedarf).
Ein Nullheizenergiehaus hat keinen
fossilen Heizenergiebedarf für Raumwärme, wohl aber für Warmwasserbereitung,
Beleuchtung und andere elektrische Anlagen. Ein Nullheizenergiehaus wird
durch passive Sonnenenergienutzung
und interne Wärmegewinne beheizt. Der
Baukörper ist sehr kompakt und hervorragend gedämmt.
Bild 2.10: Passivhaus [9]
Bild 2.11: Spezifischer Heizwärmebedarf von Wohngebäuden
Der Aufwand für die Effizienzsteigerung
vom Passivhaus zum Nullheizenergiehaus ist hoch, eine Wirtschaftlichkeit
kann derzeit noch nicht nachgewiesen
werden. Umso mehr ist die Entwicklung
zum Nullenergiehaus gekennzeichnet
durch neue technische Lösungen im Bereich der Wärmedämmung und der Anlagentechnik. So könnte die Restenergie
mittels Solarkollektoren und/oder Photovoltaikmodulen erzeugt werden.
Ein weiterer Schritt geht zum Plusenergiehaus. Hier wird die Solarenergie
konsequent genutzt, jährlich produzieren die Anlagen mehr Energie als die
Bewohner verbrauchen. Das Hausdach
und die Fassade des Plusenergiehauses
werden zum Solarkraftwerk, welches
sauberen Strom produziert. (Informationen zum Plusenergiehaus unter www.
plusenergiehaus.de [10]).
13
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
2.2.3 Wärmedämmung
Bauteil
Symbol
Wärmedurchgangskoeffizient U in W/(m²·K)
Altbestand
EnEV
2002
Richtwerte
NEH
Reale
Werte [11]
Außenwand
UAW
0,6 -2,0
0,35 - 0,45
≤ 0,3
0,12 - 0,15
Dach
UD
0,8 - 4,0
0,25 - 0,3
≤ 0,2
0,13
Oberste
Geschossdecke
UOG
0,9 - 3,0
0,4 - 0,5
≤ 0,2
0,1 - 0,14
Kellerdecke
UKD
1,0 - 1,2
0,4 - 0,5
≤ 0,4
0,18 - 0,24
Fenster
Uw
2,5 - 5,0
1,7
≤ 1,4
0,7 - 0,9
Tab. 2.2: Richtwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten
2.2.3.1 Anforderung an die Bauteile
2.2.3.2 Wärmebrücken
Bauteil
Dimension
Dämmstoffdicken/
Wärmedurchgangskoeffizient
Standard
Zielwert
Außenwand
cm
0 -10
16 - 24
Dach
cm
10 -16
25 - 30
Oberste Geschossdecke
cm
10 -16
25 - 30
Kellerdecke
cm
0-8
10 - 20
W/(m²·K)
1,4 - 1,7
≤ 0,8
Fenster
Tab. 2.3: Richtwerte für Passivhaus-Komponenten [12]
Der Transmissionswärmeverlust eines
Bauteils ist gekennzeichnet durch den
Wärmedurchgangskoeffizienten U in
W/(m²·K). Der Wärmedurchgang wird
durch die Dicke des Bauteils bzw. der
Wärmedämmung und die Wärmeleitfähigkeit λ in W/(m·K) bestimmt, aber auch
durch den Einfluss von Wärmebrücken.
3
Massestrombedingte Wärmebrücken entstehen durch
undichte Fugen auf der Innenseite eines Außenbauteils, wobei die ausströmende
warme Innenluft Feuchtigkeit
in das Bauteil transportiert,
die sich als Kondenswasser
niederschlägt und das Bauteil durchfeuchtet.
14
Richtwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten sind in Tabelle 2.2 angegeben,
sowohl für den Gebäudebestand, als
auch reale Werte für den Niedrigenergiehausstandard. Übliche Dämmstoffdicken
sind in Tabelle 2.3 zusammengefasst.
Aus den erhöhten energetischen Anforderungen an die Bauteile resultieren folgende Maßnahmen:
- optimale Bauteildicken ohne Zusatzwärmedämmung,
- optimale Dicken der Zusatzwärmedämmung, Zielwerte in Tabelle 2.3,
- Minimierung der Wärmeleitfähigkeit
der Dämmstoffe, beispielsweise mit
λ ≈ 0,020 - 0,025 W/(m·K) oder gar
Vakuumdämmung (siehe Kap. 3.2.3.4)
mit λ ≈ 0,001 - 0,002 W/(m·K).
Wärmeschutztechnische Schwachstellen
der Gebäudehülle treten als Wärmebrücken in Erscheinung, abhängig von den
konstruktiven Details, aber auch von der
Qualität der Ausführung der Außenbauteile. Die Wärmebrücken vermindern den
Wärmeschutz (zusätzliche Transmissionswärmeverluste) und erhöhen auf Grund
abgesenkter Oberflächentemperaturen
die Gefahr von Schimmelpilz durch Tauwasserbildung. In Gebäuden mit sehr gut
gedämmten Bauteilen kann im ungünstigsten Fall der Anteil der zusätzlichen
Wärmeverluste auf Grund von Wärmebrücken 20% bis 40% erreichen. [13]
Typische Wärmebrücken sind:
- Wandecken (Außenwand),
- Einbindung von Innenwänden in die
Außenwände,
- auskragende Bauteile, z.B. Balkonplatten,
- Übergang von Fundament bzw. Bodenplatte zu den Außenwänden und Einbindung von Kellerwänden (unbeheizter
Keller) in die Kellerdecke,
- Anschlüsse von Fenstern und Türen,
Stürze und Fensterlaibung,
- Übergänge Außenwand bzw. oberste
Geschossdecke zum Dach u.a.m. und
- massestrombedingte Wärmebrücken4 Undichtheiten in der Gebäudehülle.
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
2.2.4 Luftdichtigkeit in Gebäuden
Mit der Luftdichtheit von Gebäuden im
Allgemeinen ist nicht nur die Luftdichtheit der Gebäudehülle gemeint, d.h. das
Vermeiden von Fugen, Ritzen in Dach
und Außenwänden und mangelhaften
Abdichtungen von Fenstern, Außentüren
und Durchdringungen der Gebäudehülle (Rohre und Kabel), sondern auch die
interne Luftdichtheit zwischen einzelnen
Wohneinheiten innerhalb eines Gebäudes ist von Bedeutung.
Bei Mehrfamilienhäusern sollten als Vorsorgemaßnahme gegen ungewollten Geruchsübertragungen zu benachbarten
Wohnungen notwendige Abdichtungen
im Bereich von Installationsschächten, aber auch bei Durchführungen von
Strangleitungen der Heizungsanlage vorgenommen werden.
Im Laufe der Zeit können sich Undichtheiten vergrößern oder u.U. auch neue
entstehen.
Luftdichtheit beginnt mit der Planung
einer Luftdichtheitsebene. Der Verlauf
der luftdichtenden Ebene [14] sollte
in allen Plänen, auch Detailplänen, mit
einer Linie kenntlich gemacht werden.
Dies erleichtert dem Architekten die Planung und dem Handwerker die sachgemäße Ausführung.
„Zusätzlich sind die Anschlusspunkte
in der Ausführungsplanung zu zeichnen.
Die Lösung muss so gestaltet sein, dass
der Handwerker auf der Baustelle das
Konzept möglichst selbstständig umsetzen kann. Wichtig ist, dass der Handwerker durch Erläuterung vor Ort den Sinn
und die Notwendigkeit für die Umsetzung erkennt.“ [15]
Zur Erreichung einer hohen Luftdichtheit der Gebäudehülle können folgende
Planungs- und Ausführungsempfehlungen [16] gegeben werden:
- Die verwendeten Bau- und Werkstoffe
müssen miteinander verträglich sein.
Die verwendeten Bau- und Werkstoffe müssen abhängig vom Einbau eine
ausreichende Feuchte-, Oxidationsund UV-Beständigkeit aufweisen.
- Fugen sind bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen. Die Verarbeitungsrichtlinien der jeweiligen Fugenmaterialien sind zu beachten.
- Beim Herstellen der Luftdichtheitsschichten ist auf eine sorgfältige Ausführung aller Gewerke zu achten.
Luftdichtheitsschichten und ihre Anschlüsse dürfen während und nach
dem Einbau weder durch Witterungseinflüsse noch durch nachfolgende Arbeiten beschädigt werden.
- Bei der Festlegung der bau- und haustechnischen Konstruktion ist die Lage
der Luftdichtheitsschicht zu beachten.
Ein Wechsel der Luftdichtheitsmaterialien in den jeweiligen Konstruktionen
ist problematisch und nach Möglichkeit
zu vermeiden.
- Die Anzahl von Fugen, Stößen und
Überlappungen ist auf ein Minimum zu
reduzieren.
- Unvermeidbare Fugen sind so zu planen, dass sie dauerhaft luftdicht verschlossen werden können.
- Verputztes Mauerwerk und massive
Dachkonstruktionen sind im Allgemeinen luftdicht. Bei anderen Konstruktionen kann häufig mittels Folien die Luftdichtheit erzielt werden, wobei jedoch
den Stößen, Durchdringungen usw.
besonderes Augenmerk zu schenken
ist.
- Um Durchdringungen der Luftdichtheitsschichten zu reduzieren, sollten
alle Installationsebenen auf der Rauminnenseite vor der Luftdichtheitsschicht
vorgesehen werden.
Wird die Herstellung der Luftdichtheit als
Fremdleistung erbracht, ist unbedingt
darauf zu achten, dass sie Bestandteil
der Ausschreibung ist und vertraglich vereinbart wird. In der Ausschreibung sollte
auch der Nachweis der Luftdichtheit durch
eine entsprechende messtechnische Untersuchung enthalten sein.
15
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
2.2.5 Passive und aktive Sonnenenergienutzung
2.2.5.1 Passive Sonnenenergienutzung
Für die Wärmebilanz eines Gebäudes
spielen neben den internen Wärmegewinnen die externen (solaren) Wärmegewinne eine Rolle. Ausschlaggebend
für ein konventionelles Gebäude sind
hierbei die Fenster.
Die Fenstergrößen sollten unter Berücksichtigung von Wärmeverlusten, Wärmegewinnen in der Heizperiode und Erwärmungen im Sommer, aber auch der
Tageslichtnutzung optimiert werden. Ein
optimaler Wärmegewinn im Winter kann
einhergehen mit einer Überhitzung im
Sommer, der mit Mitteln des sommerlichen Wärmeschutzes zu begegnen ist.
Sommerlicher Wärmeschutz, Blendschutz, Tageslichtversorgung und Energiegewinn während der Heizperiode sind
sich zum Teil widersprechende Anforderungen. Im Gegensatz zu Sonnenschutzgläsern können sich schaltbare Verglasungen (siehe Kap. 3.1.4.4) diesen
Anforderungen dynamisch anpassen.
4
Phase Change Material
(englisch für „Phasenveränderungsmaterial“): Salze
oder Paraffine, die beim
Phasenübergang
Wärme
speichern und abgeben.
Anwendung bei Latentwärmespeichern.
Die Aussagen zu den Fenstern gelten
im übertragenen Sinne auch für Wintergärten. Wintergärten (Glasvorbauten) im
ursprünglichen Sinn sind nicht beheizt.
Sofern sie beheizt sind, gehen erhöhte
Wärmeverluste im Winter mit erhöhten
Wärmegewinnen im Sommer einher.
Auch eine transparente Wärmedämmung (TWD) dient der passiven Solarenergienutzung. Während bei einer
opaken (lichtundurchlässigen) Wärme-
dämmung ein erheblicher Anteil der solaren Strahlung an der Oberfläche reflektiert wird und damit nur ein geringer Teil
der Strahlungswärme an die speicherfähige Wandkonstruktion übergeben wird,
ist die transparente Wärmedämmung im
Winter bei tiefstehender Sonne für einen erhöhten Teil der Strahlungswärme
durchlässig.
Bei der transparenten Wärmedämmung
kommen unterschiedlich strukturierte
Dämmmaterialien und Funktionstypen
zur Anwendung. (Informationen zu TWD
siehe Kap. 3.1.4 Fassaden und Kap.
3.2.3.3 lichtdurchlässige Wärmedämmstoffe – TWD.)
Bei allen Systemen sind die unterschiedlichen Anforderungen im Sommer und im
Winter zu beachten, wobei der Wärmegewinn im Winter und der Wärmeschutz
im Sommer eine besondere Rolle spielen. (Es gibt eine große Zahl von Beispielobjekten unter www.dbu.de [17]).
Die energetische Effizienz, den sommerlichen Wärmeschutz und die Wirtschaftlichkeit sollte man detailliert untersuchen
lassen.
Der Einsatz mikroverkapselter PCM
(Phase Change Material)5 kann gleichfalls der passiven Solarenergienutzung
dienen. Es erfolgt eine Speicherung von
latenter Wärme, was insbesondere bei
geringen Materialdicken interessant ist.
(Siehe Kap. 3.1.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe (TWD) auf opaker Außenwand, (passiv) und 3.2.2. Latentwärmespeicher in Baustoffen.)
2.2.5.2 Aktive Sonnenenergienutzung
Die aktive Nutzung von Solarenergie erfolgt vorrangig mittels Photovoltaikanlagen
(Stromerzeugung) und Solarkollektoranlagen (Warmwasserbereitung, Heizung).
In Photovoltaikanlagen wird die Solarstrahlung direkt in elektrischen Strom
umgewandelt (siehe Bild 2.12). Optimal
ist die Ausrichtung der Solaranlage nach
Süden bei einer Neigung der Module von
ca. 35°.
Bild 2.12: Schema Photovoltaikanlage [18]
16
Thermische Solarkollektoranlagen wandeln die Solarstrahlung in nutzbare Wärme für die Heizung und die Warmwasserbereitung um. Sie haben vor allem in
Ein- und Zweifamilienhäusern vorrangig
zur Warmwasserbereitung breite Anwendung gefunden, werden zunehmend
aber auch für Mehrfamilienhäuser und
Nahversorgungssysteme eingesetzt.
Der prinzipielle Aufbau einer Anlage zur
Warmwasserbereitung mit Zwangsumlauf ist in Bild 2.13 dargestellt. Alternativ
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
Der Stromertrag aus Photovoltaikanlagen wird wesentlich vom Wirkungsgrad
der einzelnen Anlagenkomponenten,
der Intensität der solaren Einstrahlung,
der Ausrichtung zur Sonne und der Verschaltung der Zellen bestimmt.
zum Zwangsumlauf werden Anlagensysteme unter Nutzung der Schwerkraft angeboten (Thermosiphonanlagen).
Ein Solarhaus zeichnet sich durch die
passive und aktive Nutzung der Solarenergie in Verbindung mit einer energiesparenden/gut gedämmten Bauweise
aus. Ein Solarhaus kann auch vollständig energieautark sein.
Solararchitektur beschreibt eine Form
des Bauens, die die Möglichkeiten zur
aktiven und passiven Nutzung von Sonnenenergie optimal ausschöpft. Die wesentlichen Elemente sind:
- Ausrichtung nach Süden, große Fenster nach Süden, kleine Fenster nach
Norden,
- gute Wärmedämmung,
- solarthermische Unterstützung der
Brauchwassererwärmung und Heizung,
- Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung.
Die solare Architektur leistet einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von
Niedrig-, Passiv- und Nullheizenergiehäusern sowie Plusenergiehäusern.
Bild 2.13: Thermische Solaranlage zur Wasserbereitung[19]
2.2.6 Heizungskonzepte
Aufgabe der Gebäudeheizung ist die
Erzeugung und Aufrechterhaltung eines
behaglichen Raumklimas. Die MindestRaumlufttemperatur sollte den Anforderungen des Nutzers entsprechen. Die
Raumtemperaturen liegen in Abhängigkeit von der Nutzung der beheizten
Räume bei 15°C bis 24°C, sollten aber
bedarfsgerecht geregelt werden. Die
Gebäudeheizung trägt auch zu einem
dauerhaften Erhalt des Gebäudes durch
Vermeidung bauphysikalischer Schäden
an der Gebäudehülle bei.
Die standardgemäße Ausrüstung für die
Wärmeversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern ist die Ausrüstung mit
Heizkesseln. Die Entwicklung vollzog
sich vom konventionellen Standardkessel mit hohen Heizmedien- und
Abgastemperaturen über den Niedertemperaturkessel zum Gas- bzw. ÖlBrennwertkessel.
Mit der Entwicklung der Kessel und Brenner wurden die Schadstoffemissionen
vermindert und die Nutzungsgrade6 bis
hin zur Brennwerttechnik deutlich erhöht. In der Brennwerttechnik wird die
im Abgas enthaltene Verdampfungswärme des Wasserdampfes genutzt. Die auf
Grundlage dieser Technologie entstandenen Brennwertkessel erzielen Nutzungsgrade bis über 100%, bezogen auf
den Heizwert.
5
(Jahres-) Nutzungsgrad des
Heizkessels – Verhältnis
der gelieferten Wärme zur
Energie des eingesetzten
Brennstoffes.
17
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
Bei der Wärmeerzeugung werden Energieträger (Brennstoffe) verbrannt, die
mit Schadstoffen bzw. klimarelevanten
Gasen die Umwelt belasten. Zum einen
kann durch Maßnahmen an der Gebäudehülle (Wärmeschutz) der Heizwärmeverbrauch minimiert und damit der
Einsatz der Brennstoffmenge reduziert
werden. Zum anderen trägt die Anlagentechnik einschließlich Wärmeerzeugung mit hohen Nutzungsgraden (effiziente Brennstoffausnutzung) bzw. mit
niedrigen Aufwandszahlen zur Vermin-
Bild 2.14: Mehr- und Minderbedarf (Primärenergie) von Heizungssystemen [18]
derung des Brennstoffeinsatzes bei und
führt mit entsprechendem Energieträger
zur Verminderung der Emissionen.
Minimale Emissionen werden bei umfassender Nutzung erneuerbarer Energien
erzielt, heute meist noch gekoppelt mit
konventioneller Anlagentechnik.
Die Gegenüberstellung von Heizungssystemen auf Bild 2.14 verdeutlicht die Verminderung des Primärenergieeinsatzes
gegenüber einem Niedertemperaturkessel. Es sind berücksichtigt: Brennwertkessel mit Solaranlage, Erdwärmepumpe
und Nah- und Fernwärme aus KWK. Heizungsanlagen mit erneuerbaren Energieträgern setzen den Trend zu einem niedrigen Primärenergiebedarf fort.
Eine über den Standard hinaus gehende Entwicklung der Heizungstechnik
umfasst folgende Schwerpunkte:
- Durch Wärmedämmung der Gebäudehülle lässt sich der Heizwärmebedarf deutlich absenken bis hin zum
Passiv- oder Nullheizenergiehaus.
- Ein hohes Potenzial besteht im erweiterten Einsatz von erneuerbaren
Energieträgern, einschließlich der umfassenden Nutzung von Solarenergie
und des verstärkten Einsatzes von
Wärmepumpen.
- Eine Verbesserung der bedarfsgerechten Regelung, beispielsweise durch
Einsatz von Systemen der elektronischen Einzelraumtemperaturregelung,
vermindert die nutzerabhängigen
Wärmeverluste.
2.2.7 Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung
2.2.7.1 Gestaltung von Luftdurchlässen
Bei freier Lüftung und bei Abluftanlagen
strömt die Außenluft während der Heizzeit unvorgewärmt über die Gebäudehülle in den Wohnbereich. Mit zunehmender
Dichtheit der Gebäude geschieht das
nicht mehr fein verteilt über Fugen und
andere Undichtheiten, sondern muss
über sogenannte Außenluftdurchlässe
(ALD) erfolgen. Durch die konzentriertere
Form der Außenluftzuführung kann es
– bei falscher Wahl der ALD – zur Unbehaglichkeit in der Nähe solcher ALD
18
kommen. Ursache dafür sind zu niedrige Lufttemperatur und zu hohe Luftgeschwindigkeit (Zugluft) im Aufenthaltsbereich. Die dadurch hervorgerufene
Einschränkung der thermischen Behaglichkeit kann zur Akzeptanzminderung
von Lüftungsanlagen im Wohnungsbau
beitragen. Nachfolgend werden Entwicklungen von ALD beschrieben, die eine
Komfortansprüchen genügende Außenluftzuführung gerade auch während der
Heizperiode erlauben.
Fensterintegrierte ALD in Sturzhöhe
sind überwiegend mit Schlitzauslässen
Außenwandintegrierte ALD in Sturzhöhe sind vorwiegend Luftdurchlässe mit
radial und parallel zur Außenwand ausblasender Luftzuführung, deren größter
Volumenstrom – der zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der thermischen
Behaglichkeit durch Zugluft führt – mit
ca. qv ≤ 20 m³/h angegeben werden
kann.
Bei den außenwandintegrierten ALD in
Brüstungshöhe sollte der größte Volumenstrom nicht größer als qv = 30 m³/h
sein.
Die oben angeführten Grenzwerte beruhen auf Erfahrungswerten, die im
Zusammenhang mit zahlreichen messtechnischen Untersuchungen erworben
wurden. Sie dienen daher als Anhaltswerte für die Auslegung von Außen-Luftdurchlässen bei der kontrollierten Wohnungslüftung – je nach Anwendungsfall
und Volumenstrombedarf. Die verschiedenen ALD sind als technisch gleichwertige Lösungen zu sehen.
Bei der Zuführung kalter Außenluft über
ALD in Wohnräume können Zuluftstrahlen, die sich oberhalb des Aufenthaltsbereiches an die Decke anlegen, die
thermische Behaglichkeit wesentlich beeinträchtigen.
Gestaltungsziel bei der Konstruktion von
ALD sollte eine möglichst außenwandparallele Luftzuführung sein, die darüber
hinaus mit geringem Impuls, ähnlich dem
Quellluftprinzip, arbeitet. Die zentrische
Anordnung eines Heizkörpers zum ALD
sollte in diesem Zusammenhang immer
beachtet werden. Eine geringe Fallhöhe
der Zuluft über dem Fußboden wirkt sich
ebenfalls positiv auf das Raumklima aus.
Zur Vermeidung der Taupunktunterschreitung an den raumseitigen Oberflächen von ALD, sollten diese herstellerseitig mit geeigneter Wärmedämmung
versehen sein.
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
anzutreffen. Zur Vermeidung von negativen Zuglufterscheinungen sollte bei der
Luftführung senkrecht nach oben der
von der Außenlufttemperatur unabhängige, größte Volumenstrom qv =10 m³/h
je Luftdurchlass nicht überschreiten.
Bei größeren Volumenströmen empfiehlt
sich eine Luftführung senkrecht nach unten.
Die Volumenstrombegrenzung eines
ALD sollte höchstens nur den von den
jeweils gegebenen Randbedingungen
abhängigen oberen Volumenstrom zulassen. Auf welche Art diese Begrenzung
stattfindet, ist aus Sicht der thermischen
Behaglichkeit nicht von Bedeutung.
Bei der schalltechnischen Auslegung der
Außenbauteile eines Gebäudes ist der
Einfluss der ALD unbedingt zu berücksichtigen. Siehe hierzu z.B. VDI 2719
„Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen“.
2.2.7.2 Leitungsführung bei Zu- und
Abluftanlagen
Die wichtigste Frage bei der Verlegung
eines Lüftungskanalnetzes im Wohnungsbereich lautet: Wohin mit den Kanälen? [20] Selten werden im Wohnungsbereich offene, sichtbare Konstruktionen
toleriert, wie sie im gewerblichen Bereich
möglich sind. Aus diesem Grund ist eine
Planung sowie rechtzeitige Abstimmung
mit anderen Gewerken notwendig, um
gemeinsam die Integration der Lüftungskanäle in die Baukonstruktion zu erzielen. Dabei fällt die Integration im Holzrahmenbau relativ leicht. Hier kann bei
Verwendung entsprechender Flachkanäle auf vorhandene Installationsebenen
zurückgegriffen werden. Schwieriger ist
die Integration im Massivbau, da hier
die Außenhülle meist keine Möglichkeit
der Installation bietet. Oft bleibt nur eine
Installationswand bzw. ein Installationsschacht für die vertikale Verteilung. Die
horizontale Verteilung kann, wie auch im
Holzrahmenbau, teilweise im Fußbodenaufbau, unter der Kellerdecke oder auf
dem Spitzboden erfolgen.
Bei der Planung und Ausführung von Lüftungsleitungen sind ggf. die Belange der
jeweiligen Länderbestimmungen über die
brandschutztechnischen Anforderungen
an Lüftungsanlagen zu berücksichtigen.
So werden z.B. nach Landesbauordnung
in Nordrhein-Westfalen keine Anforderungen an Lüftungsanlagen in Wohngebäuden mit nicht mehr als zwei Wohnungen und nicht für Lüftungsanlagen
innerhalb einer Wohnung oder Nutzungseinheit vergleichbarer Größe gestellt. In
allen anderen Fällen muss die Lüftungsanlagen-Richtlinie eingehalten werden.
19
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
6
TALärm: Sechtse AvwV
vom 26.8.98 zum Bundesimmisionsschutzgesetz,
Technische Anleitung zum
Schutz gegen Lärm
20
Hinweise, wie auch im Altbau auf einfache Art und Weise Lüftungskanäle untergebracht werden können, sind nachfolgend für verschiedene Fallbeispiele
aufgeführt [21]:
- Sofern eine ausreichende Deckenhöhe vorhanden ist, können bei Zu- und
Abluftanlagen die Zuluftkanäle in abgehängten Flurdecken geführt werden.
Die Zuluft wird dann mit Weitwurfdüsen
über den Türen in die Zulufträume eingeblasen.
- Das Dachgeschoss wird ausgebaut.
In der Regel ist in der Abseite Platz für
die Leitungsführung und evtl. auch für
Lüfter bzw. Zentralgerät. Darunter liegende Räume können über Deckenventile erschlossen werden.
- Ein Gebäude wird im Rahmen der Sanierung stark wärmegedämmt.
Hier können Flachkanäle auch auf der
Fassade unterhalb der Wärmedämmung verlegt werden.
Hier muss durch die Fachplanung sichergestellt werden, dass keine Kondensation in den Kanälen auftritt und
dass hinreichende Reinigungsöffnungen vorhanden sind.
- Bei der Planung der Leitungsführung
ist zu beachten, dass der Wärmeübertrager und warme Luftleitungen, sowohl Zu- als auch Abluft, nicht außerhalb der thermischen Hülle angeordnet
werden, da ansonsten mit ggf. starken
Einbußen bei den energetischen Gewinnen aus der Wärmerückgewinnung
zu rechnen ist. Ist eine Leitungsführung
außerhalb der thermischen Hülle nicht
zu vermeiden, muss entsprechend
stark und sorgfältig gedämmt werden
und die Vermeidung von Kondenswasser in den Leitungen gewährleistet
sein.
- Bei der Planung des Rohrnetzes ist
darauf zu achten, dass in keinem Teilstück mehr als 3 m/s Luftgeschwindigkeit auftritt. Darüber hinaus sind insbesondere Zuluftkanäle und Küchenstränge mit ausreichend Reinigungsöffnungen zu versehen. Es ist auf die
Einregulierbarkeit der Anlage mittels
Drosselklappen, Volumenstromreglern
etc. zu achten.
- Es ist bei der Planung und Installation
zu beachten, dass durch die nachträglich eingebaute Lüftungsanlage der bestehende Schallschutz zwischen fremden Wohneinheiten nicht verschlechtert werden darf.
2.2.7.3 Frischluftgewinnung und
–zuführung in die Räume
Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung stellen eine Komfortlösung
innerhalb der Wohnungslüftung dar [20].
Daher sollte nicht nur auf eine angemessene schalltechnische Qualität des
Gerätes und einen dem Nutzerkomfort
entsprechenden Regelungskomfort geachtet werden, sondern auch auf eine
hohe Qualität der Ansaugung frischer
Außenluft.
Es ist zu beachten, dass für die von einer Lüftungsanlage ausgehenden Geräusche die rechtlich verbindlich einzuhaltenden
Immisionsrichtwerte
der
TALärm7 gelten.
Die Außenluftansaugung sollte an Stellen
erfolgen, an denen die Luftqualität möglichst gut ist. Verschmutzungsquellen am
eigenen und benachbarten Gebäude wie
Fortluftdurchlässe, Kamine, Mülleimer,
KFZ-Parkplätze, aber auch Erdboden
und Komposthaufen müssen bedacht
werden. Die Öffnung sollte zumindest an
öffentlich zugänglichen Orten nicht direkt
mit der Hand erreichbar sein und einen
wirksamen Schutz vor Regen bzw. auch
im Winter eine schneefreie Ansauglage
besitzen. Um die Anlage ausreichend
zu schützen, sind bei Ansaugventil und
Fortluftventil Vogel- und Insektenschutzgitter notwendig.
Ein Kurzschluss zwischen Frischluftansaugung und Fortluftausblasung lässt
sich vermeiden, indem auf einen Abstand
von mindestens drei Metern zwischen
den Luftdurchlässen geachtet wird.
Positive Lösungen für die Frischluftansaugung im Zusammenhang mit Erdwärmetauschern sind die Ansaugung über
Ansaugfilterkästen mit groß dimensionierten Taschenfiltern zur Vermeidung
hoher Druckverluste und die Frischluftansaugung über freistehende Lamellenhüte aus Edelstahl mit Ringfilter.
Eine Frischluftansaugung ohne Filter ist
mit Über-Dach-Lösungen möglich. Eine
Dachansaughaube ist vor allem für Anlagen ohne Erdwärmetauscher und bei
Lüftungsgeräteaufstellung im Dachbo-
Filter sind ein wesentlicher und notwendiger Bestandteil von Lüftungsanlagen
mit Wärmerückgewinnung. Sie dienen
zum einen dazu, den Eintrag von Stäuben, Pollen, Ruß etc. bei der Zuluft zu
reduzieren und andererseits sollten sie
den Wärmetauscher bzw. die Rohrleitungen vor Verschmutzungen schützen
(Zu- und Abluft). Daraus ergeben sich
unterschiedliche Anforderungen an die
Qualität der Filter. Die Filterqualität wird
in DIN EN 779 im Zuluftstrang mit einem
Feinfilter F5 und im Abluftstrang mit
einem Grobfilter G4 empfohlen. Ziel bei
der Auswahl von Filtern ist es, eine möglichst große Oberfläche zu erreichen, um
den Druckverlust gering zu halten und
eine möglichst lange Standzeit (Zeit bis
zum nächsten Wechsel) zu erreichen.
Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien
denbereich interessant. Der Druckverlust
ist aufgrund des nicht benötigten Filters
äußerst gering [22].
In der Wohnungslüftung werden meist
folgende Filterbauarten eingesetzt:
- Filtermatten: Diese kostengünstigen
Filter bedeuten in der Praxis meist
einen etwas höheren Druckverlust
bzw. geringere Standzeiten aufgrund
der durch das Gerät bzw. den Kanal
beschränkten Größe. Sie werden
daher meist nur im Grobfilterbereich
(bis G4) eingesetzt.
- Ringfilter: Insbesondere bei frei stehenden Ansaughauben werden diese
Filter eingesetzt. Durch die große
Oberfläche über dem Umfang bzw.
die Länge des Filters lässt sich ein geringer Druckverlust erreichen.
- Filterzellen: Durch Falten des Filtergewebes ergibt sich eine deutlich höhere
Filteroberfläche. Sie werden daher
meist im Feinfilterbereich eingesetzt.
- Taschenfilter: Sie haben aufgrund der
Taschenform den geringsten Druckverlust bei gleichzeitig großer Oberfläche.
Sie werden daher ebenfalls vor allem
im Feinfilterbereich eingesetzt.
21
Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung
3
Neue Baukonstruktionen und Baustoffe
3.1
Entwicklung und Tendenzen
Der Wohnungsbau ist traditionell ein
Fachgebiet, dass in seiner Entwicklung
auf wertbeständige, erprobte und bewährte Techniken setzt. Deshalb werden
große Teile eines Gebäudes seit vielen
Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten
mit den gleichen Rohstoffen errichtet.
Das Bauwesen reagiert langsamer auf
Neuerungen als andere Wirtschaftszweige, da große Mengen an Baumaterialien benötigt werden, um ein Gebäude
zu errichten. Diese Mengen müssen in
aufwendigen Logistikprozessen gewonnen, verarbeitet und vermarktet werden.
Des weiteren müssen die massenhaft
eingesetzten Baustoffe möglichst günstig sein, damit ein Gebäude trotz seiner
Größe vom Eigentümer wirtschaftlich finanziert werden kann. So kostet z.B. der
Rohbau eines Einfamilienhauses oft nicht
mehr als ein hochwertiger MittelklassePkw. Dies verdeutlicht die Preisspannen,
die für die Neuentwicklung von Bauprodukten zur Verfügung stehen. Nichts
desto trotz reagiert das Bauwesen auf
Zeitströmungen genauso wie andere Produktionszweige.
In der Vergangenheit war dies vor allem
die Zeit der Industrialisierung und Mechanisierung der Produktionsprozesse.
So waren z.B. bedeutende Entwicklungen,
die das Bauwesen wesentlich prägten:
- Die Herstellung von großflächigen Glasscheiben ab dem Ende des 17. Jh.
und die im späteren Verlauf massenhafte Produktion von Fensterglas zu
Belichtungs- und Isolationszwecken.
- Die Nutzbarmachung von Eisen und
dessen Veredelung zu zugfestem Stahl
führte ab Ende des 18 Jh. zu einer bautechnischen Revolution im Brü ckenund Hallenbau.
- Die industrielle Herstellung von Zement
für die Betonherstellung wurde ab Mitte
des 19 Jh. möglich. Als nächster Schritt
führte die Kombination von Beton und
Stahl zu Stahlbeton seit Ende des 19.
Jh. zu einem sehr kostengünstigen
Konstruktionsbaustoff, der bis heute
Hauptbestandteil unseres Bauens ist.
Auch gegenwärtig wird der Roh- und
Ausbaubereich im Hochbau von einigen
Entwicklungstendenzen stark beeinflusst.
Wichtige Stellschrauben werden in den
folgenden Kapiteln dargestellt:
3.1.1 Einsparung von fossilen Brennstoffen (insbesondere Erdöl und Erdgas) und Rohstoffressourcen
Das Bestreben zur Einsparung von fossilen Brennstoffen aufgrund der Rohstoffressourcenknappheit und den daraus
resultierenden Preissteigerungen (siehe
hierzu Bild 3.1 und 3.2) - bewirkte die
Entwicklung einer Fülle von neuen Fassaden-, Fenster- und Dämmprodukten.
Bild 3.1: Entwicklung des Primärenergieverbrauchs (PEV) weltweit nach BP (einzelne Enrgieträger ohne Biomasse) und Prognose der IEA (International Energy
Agency) - 2005 bis 2030. [23]
Gtoe: Gigatonnen Öläquivalent (= 42.7 Gigajoule oder 11.861 kWh)
22
Weiterhin ist eine Tendenz zu multivalenten Bauteilen, also Bauteilen mit
mehreren Funktionen zu beobachten.
Die traditionelle, monolithische, aber
auch die ökologisch-traditionelle Bauweise wird den energetischen Anforderungen immer weniger gerecht. Statt
dessen werden Fassaden verstärkt in
verschiedenen Funktionsschichten aus
technologisch hochwertigen Materialien
Die verstärkte Notwendigkeit zur Energieeinsparung wirkte sich auch positiv
auf die Entwicklung von Bauprodukten
aus nachwachsenden Rohstoffen aus.
Auch hier wurden in erster Linie Produkte zur Wärmedämmung entwickelt. In
diesem Zusammenhang ergibt sich auch
die Schonung von Rohstoffressourcen.
Bild 3.2: Entwicklung der nominalen Preise für Energieträger (Jahresmittelwerte)
seit dem Jahr 1940. [23]
3.1.2 Optimierung von Produktions- und Arbeitsprozessen im
Sinne des Wettbewerbs
Die Optimierung von Produktions- und
Arbeitsprozessen führte in einigen Bereichen zu Fertigprodukten – insbesondere
bei Produkten im „High Tech-Bereich“,
wo konstante Produktionsbedingungen
benötigt werden.
Aber auch Produkte, die auf eine kurze
Bauzeit optimiert werden, weisen meist
einen hohen Vorfertigungsgrad auf. Beispiele sind im Wohnungsbau vereinzelt
als Raumzellenbauweise zu finden, bei der
komplett ausgestattete Räume montagefertig auf die Baustelle geliefert werden.
Auf der anderen Seite steht die VorortProduktion. Sie stellt im Sinne der Neuerung im Bauwesen eine Bremse dar.
Denn nach wie vor werden die meisten
Bauprodukte auf der Baustelle handwerklich oder teilmechanisiert zu einem
Gebäude zusammengefügt. Insbesondere im Bereich der tragenden Bauteile
wird die Bautechnik von der Ortbetonund Mauerwerkstechnologie dominiert.
Hier werden vor allem billige Lohnarbeiter benötigt, da die Bauprozesse sehr
arbeitskraftintensiv sind.
3.1.3 Reinhaltung von Fassaden bzw. Oberflächen
Moderne Architektur zeichnet sich seit
einiger Zeit durch einen hohen Glasanteil in der Fassade aus. Dies kann vor
allem bei Gewerbeobjekten beobachtet
werden, die teilweise mit Ganzglasfassaden bekleidet sind. Aber auch im Wohnungsbau werden zur besseren Nutzung
solarer Wärme südseitig häufig große
Fensterflächen eingesetzt. Dies verursacht einen hohen Reinigungsaufwand
– insbesondere in städtischen Ballungsräumen, wo eine erhöhte Luftverunreinigung vorherrscht. Ein weiterer optischer
Mangel, der besonders verschattete
Außenbauteile betrifft, ist die Veralgung. Dieses Phänomen ist nicht neu,
jeder kennt bemooste Dachziegel auf
der Nordseite alter Gebäude. Dies wird
im wesentlichen durch einen für Algenwachstum optimales Temperatur- und
Feuchteniveau hervorgerufen. Auch unsere neuen Gebäude können veralgen.
Hervorgerufen durch den immer effizienteren Wärmeschutz werden die Oberflächen der Außenbauteile, wie Fassade
und Dach immer weniger durchwärmt
– im Hinblick auf den Wärmeschutz eine
positive Entwicklung – was jedoch tendenziell erhöhten Algenwachstum hervorruft. Diese Aspekte führten zu einer
Reihe neuer Entwicklungen im Baustoffwesen.
23
Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung
aufgebaut, die zusammen eine energetisch und klimatechnisch wirksame
Wandkonstruktion ergeben.
Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung
3.1.4 Förderung des gesunden Wohnens
Die Diskussion um gesundes Wohnen
wird seit einiger Zeit verstärkt in der Öffentlichkeit geführt. Viele Menschen sind
auf Grund umweltbedingter Krankheiten
für gesundes Wohnen sensibilisiert. Insbesondere Allergiker müssen auf eine
hygienische Umgebung achten.
Neben den äußeren Umwelteinflüssen
wird das gesunde Wohnen vom energiesparenden Bauen beeinflusst. Die geforderte Dichtigkeit der Gebäudehüllen
bedingt die Umsetzung abgestimmter
Lüftungskonzepte, um den notwendigen
Luftwechsel in den Räumen sicherzustellen. Die bisher praktizierte Fensterlüftung, die durch bauartbedingte Undichtigkeiten unterstützt wurde, erfordert
auf Grund des Einbaus immer dichterer
Fenster, ein konsequentes Lüftungsverhalten der Bewohner, das jedoch nicht
immer gewährleistet werden kann. Daher
werden immer mehr Gebäude statt mit
freier Fensterlüftung von einer maschinellen Lüftung versorgt. Sie funktioniert
nur dann einwandfrei, wenn sie gebäudebezogen geplant, von den Bewohnern
akzeptiert und richtig bedient wird.
(Siehe Kap. 2.2.7 Ausführungsaspekte
zur kontrollierten Lüftung.)
Vor diesem Hintergrund wurden zur Unterstützung der hygienischen Verhältnisse bereits einige Baustoffe entwickelt,
die aktiv die Raumluft verbessern.
3.1.5 Innovationstransfer aus anderen Forschungsbereichen
Vor einigen Jahrzehnten zählte das Bauwesen noch zu den Schlüsseltechnologien in der Forschung. Wichtige gesellschaftsprägende Erfindungen, wie der
Computer, der vom Bauingenieur Konrad
Zuse entwickelt wurde, kennzeichneten
die Forschungslandschaft. Heutzutage
werden immer weniger Grundlagen im
Bauwesen selbst entwickelt, vielmehr
werden aus anderen Forschungsbereichen, wie z. B. der Luft- und Raumfahrt
oder des Maschinenbaus, neue Entwicklungen adaptiert und für das Bauwesen
angepasst. Dies sind z.B. die Roboter
gestützte Bauproduktion, Klebeverfahren für tragende Bauteile, neue leichte Werkstoffe aus Kunstfasern, die vor
allem in Ingenieurbauwerken für Hochleistungstragwerke zum Einsatz kommen, oder aber EDV-unterstützte Informations- und Kommunikationstechnik
zur Überwachung und Regelung von
Bauwerken. Diese meist für öffentliche
Bauten entwickelten Produkte finden
zunehmend auch im Wohnungsbau Anwendung.
3.1.6 Informations- und Kommunikationstechniken
Insbesondere die Informations- und Kommunikationstechnologie nahm in jüngster
Zeit enormen Einfluss auf das Wohnen.
Dies lässt sich auf den Leistungsschub in
der Datenübertragung und -verarbeitung
mit dem einhergehenden Preisverfall der
Geräte zurückführen. Wurde bereits in
den frühen 80er Jahren über das „intelligente Haus“ in Fachkreisen diskutiert,
scheiterte die Markteinführung an den zu
24
teuren und wenig leistungsfähigen Geräten. Gegenwärtig überbieten sich die
einzelnen Anbieter von Internetzugängen, Computern und anderen Endgeräten mit „Schnäppchenangeboten“. Die
technischen Komponenten für Kommunikation, Haustechnik, etc. lassen sich
heute schon miteinander vernetzen und
bringen dem Kunden in Zukunft reale Erleichterungen im Alltagsleben.
Neue Baukonstruktionen
3.2
Neue Baukonstruktionen
3.2.1 Bauweisen
3.2.1.1 Vom Mauerwerk zum
Elementbau
Bild 3.3: Historischer Mauerstein.
Kleinteilige massive Steine benötigten großen handwerklichen
Einsatz.
Bild 3.4: Handvermauerung eines
modernen Mauersteins. Durch
die Verwendung poröser Baustoffe und ergonomischen Griffhilfen sind größere Bausteine
verarbeitbar. [24]
Mauerwerk ist eines der ältesten handwerklichen Bauweisen zur Erstellung von
Gebäuden. Bereits vor tausenden Jahren wurde die gleiche Technik verwandt,
wie sie noch heute Anwendung findet.
Dabei werden die unterschiedlichsten
Materialien in eine von Hand zu verarbeitenden Größe gebracht und so vorbereitet, dass die Steine auf der Baustelle
mit Mörtel zu einem Mauerwerksverband
zusammengesetzt werden können.
Obwohl die Mauerwerkstechnik veraltet scheint und im Vergleich zu neueren
industriellen Bauweisen Nachteile aufweist, entwickelte sie sich ständig weiter.
Dabei wurde an zwei Stellschrauben gedreht. Erstens an der Größe der Steine,
um die Erstellungszeiten zu verringern.
Die Steine wurden über die Jahre so
groß, dass sie nicht mehr von Hand verlegt werden konnten. Zweitens wurde die
Passgenauigkeit der Fugen verbessert.
Dazu werden die Steine je nach Baustoff
geschliffen und profiliert. Dadurch wird
weniger Mörtel benötigt und die Arbeitsgeschwindigkeit steigt.
Die Mauerwerksbauweise hat ihre Vorteile in der leichten und einfachen Verarbeitbarkeit. Selbst die großen Mauerblöcke können durch den Handwerker
Bild 3.5: Moderner Mauerblock,
der mit einem Hebezeug versetzt
wird. Das klassische Mörtelbett
wird durch eine Klebefuge ersetzt. [24]
versetzt und bei Bedarf vor Ort bearbeitet werden. Die neuen Mauerblöcke sind
deshalb besonders für kleinere Bauwerke oftmals eine sehr wirtschaftliche
Lösung. Insbesondere die Verwendung
kleiner Hebehilfen oder Minikräne ist im
Vergleich zur Elementbauweise, bei der
größere Transportgeräte zum Einsatz
kommen, von Vorteil.
Bild 3.6: Rohbau mit großformatigen Mauerblöcken
[24]
Bild 3.7: Minikran zum Versetzen von Mauerblöcken [25]
25
Neue Baukonstruktionen
3.2.1.2 Elementbauweise
a) Massivbau
Die Element- oder Fertigteilbauweise
wird bereits seit Anfang des letzten Jahrhunderts im Wohnungsbau vermehrt
eingesetzt. Dabei wird der Nachteil des
arbeitsintensiven Vor-Ort-Bauens – wie
beim Mauerwerk oder der Ortbetontechnik – durch großformatige Fertigteile vermieden. Die Bauteile werden vorgefertigt
und auf der Baustelle mit schwerem Gerät montiert. Der große Vorteil der Fertigteilbauweise ist die schnelle Bauzeit
und die höhere Ausführungsgenauigkeit,
da die Produktion unabhängig von Wind
und Wetter in Werkhallen stattfindet. Die
Bauweisen werden je nach Baustoffeinsatz in Massivbauweise oder Leichtbauweise unterschieden.
Mauerwerk – Robotereinsatz
Eine Technik, die den traditionellen Mauerwerksbau und den Fertigteilbau verbindet, ist die Mauerwerksfertigteilbauweise. Hier werden in Fertigungsbetrieben
mit Hilfe von Mauerrobotern wandgroße
Mauerwerksscheiben hergestellt. Durch
den Einsatz von Robotern kann die Erstellungszeit enorm verkürzt und die
Bauteiltoleranzen gegenüber dem vor
Ort erstellten Mauerwerk verbessert
werden. Dabei werden die Roboter so
eingestellt, dass sie mit herkömmlichen
Mauersteinen arbeiten können. Die
Mauerscheiben können vom Planer frei
bestimmt werden.
Die Hochzeiten dieser Bauweisen waren
im Wohnungsbau in den 70er und 80er
Jahren, leider nicht immer mit hohem
architektonischen Anspruch. Insbesondere in Ostdeutschland wurde der Mehrfamilien-Wohnungsbau mehrheitlich in
Fertigteilbauweise realisiert. Heute noch
bietet diese Bauweise spannende Neuerungen, ohne monoton wirken zu müssen.
Bild 3.8: Besonders in den 70er und 80er Jahren
wurde die Fertigteilbauweise im Wohnungsbau forciert.
Bild 3.9: Mauerwerksroboter im Einsatz. [26]
26
Bild 3.10: Transport [27]
Die Planung wird mit CAD-gestützten
Programmen ausgeführt, die gleichzeitig
als Grundlage für die Steuerung des Mauerroboters dient. Damit hat die Werksproduktion weiterhin den Vorteil, dass
Installationsaussparungen gleich vorgesehen werden, so dass eine zeitaufwendige, laute und schmutzige Schlitzarbeit
auf der Baustelle entfallen kann.
Nachdem das Fertigteil produziert ist,
wird es mit Schwerlasttransportern auf
die Montagebaustelle gebracht. Für den
Transport wurden die nötige Transportbewehrung und die Anschlagmittel bereits vorgesehen, so dass die Bauteile
binnen weniger Tage zu einem massiven
Fertigteilhaus montiert werden können.
Beton - Recyclingbauweise
Eine weitere massive Fertigteilbauweise, die sich im Hintergrund des Überangebots von Wohnungen in ostdeutschen
Großwohnsiedlungen zur Zeit entwi-
Bild 3.11: Montage der Mauertafeln auf der Baustelle [27]
Die Grundrisse der Pilothäuser orientieren sich am alten Grundraster der Spendergebäude, um den Bearbeitungsaufwand zu minimieren. Prinzipiell ist jedoch
jede geradlinige Form herstellbar, da die
Wandelemente als Teilscheiben aus Innenwandelementen geschnitten werden
können.
Bild 3.12: Demontage eines Fertigteilelements
Bild 3.15: Die bearbeiteten Elemente werden zum
Montieren auf die Baustelle gefahren.
Bild 3.13: Die demontierten Deckenelemente
werden gestapelt.
Bild 3.16: Die Montage erfolgt wie im herkömm
lichen Fertigteilbau.
Bild 3.14: Die Elemente werden nach der Reini
gung und Prüfung bearbeitet.
Bild 3.17: Der Rohbauzustand nach Einbau der
Fenster.
überwiegend Innenwand- und Deckenelemente – Recyclingelemente aus aktuellen Rückbauvorhaben – verwendet.
Die Elemente werden nach der Demontage geprüft und gereinigt und bei Bedarf mit üblichen Betonsägeverfahren
zurecht geschnitten.
Durch den Schnitt entsteht eine glatte
stumpf gestoßene Wandfuge, deren
Qualität mit neuen Bauprodukten verglichen werden kann. Die Verbindungen
der Betonelemente werden mit demontierbaren Dübelverbindungen erstellt.
Neue Baukonstruktionen
ckelt, ist das Bauen mit demontierten
Betonfertigteilen. Auf Grund der architektonischen und baukonstruktiven Ergebnisse und den ökonomischen sowie
ökologischen Vorteilen gegenüber herkömmlichen massiven Bauweisen wurden bereits mehrere Pilotprojekte realisiert. Für die Rohbaukonstruktion wurden
27
Neue Baukonstruktionen
Ein Beispielobjekt:
Bei dem Gebäude handelt es sich um ein
freistehendes Einfamilienhaus mit 212 m²
Wohnfläche. Das Haus verfügt über 8
Zimmer, 1 Küche, 1 Bad, 2 Toiletten, eine
Dachterrasse und einen Betriebsraum.
Energetisch erreicht es den Standard
eines KfW60-Energiesparhauses.
Die Montagedauer für 34 Deckenelemente und 56 Wandelemente dauerte 7
Arbeitstage. Für das Pilotprojekt wurden
27 ganze Deckenelemente und 22 ganze Innenwandelemente aus dem 5 km
entfernten Spendergebäude verwendet.
Die Elemente wurden auf der Demontagebaustelle aufgearbeitet und montagefertig nach Anforderung des Monteurs geliefert. Der Ausbau erfolgte herkömmlich.
Bild 3.18: Gebäude von der Straßenseite
Bild 3.19: Gartenseite
Bild 3.20: Schema der Fräsanlage und Abbundmaschine zum Verbinden der Bretter
zu Holztafeln - hier werden die Wandtafeln zu montagefertigen Bauteilen
gefräst. [28]
28
Holzmassivbau – mit Holzabschnitten
Die Massivholzbauweise ist nicht neu,
schon einige Jahrhunderte werden aus
Vollholzprofilen Blockhäuser errichtet.
Bis in die gegenwärtige Zeit wird diese
Bauweise vereinzelt noch angewandt.
Der große Nachteil dieser Bauweise
sind jedoch die starken Schwindmaße,
die ein Gebäude während der Holztrocknung erfährt. Bis zu einem Balkenquerschnitt kann eine Wand während der
Holztrocknung schrumpfen. Dies muss
während des Bauens berücksichtigt werden. Außerdem muss auf der Baustelle
Balken für Balken, ähnlich wie bei Mauerwerk, aufeinander gesetzt werden. Die
Bauzeit und die Ausführungsgenauigkeit
ist deshalb von der Erfahrung des Handwerkers abhängig.
Deshalb etablierte sich schon seit einigen Jahren eine Holzmassivbauweise,
die mit vorgefertigten Wand- und Deckenelementen diesen Schwächen entgegen tritt. Die Holztafeln werden aus
schichtweise längs und quer verleimten
Holzstäben hergestellt. Wie überdimensionale Tischlerplatten werden diese
Elemente nach den Wünschen des Planers mit computergesteuerten Anlagen
in die richtige Form gebracht. Dabei können sämtliche Öffnungen und Aussparungen - wie für die Installation - bereits
mit eingefräst werden. Die fertigen Elemente werden - wie im Mauerwerks- oder
Betonfertigteilbau - mit Schwerlasttransportern auf die Baustelle gefahren und in
kurzer Zeit montiert.
Als neueste Entwicklung im Bereich des
Massivholzbaues gilt die Nutzbarmachung von minderwertigem Brettholz,
sogenannter Seitenschnitt, der bei der
Balkenproduktion im Sägewerk anfällt.
Diese Bretter werden in mehreren Arbeitsgängen zu hochwertigen Massivholzelementen zusammengefügt.
Im ersten Schritt werden die rohen Bretter mit einer Fräse profiliert. Auf einer
Abbundmaschine werden dann die vorbereiteten Bretter schicht- und kreuzweise mit Aluminiumnägeln verbunden. Dabei können Holztafeln mit Abmessungen
3,25 m x 6,0 m produziert werden. In
einem weiteren Arbeitsgang werden auf
einer Fräsanlage nach CAD-Vorlage raumbildende Wand- und Deckenelemente
mit Aussparungen für die Installation und
Bild 3.21: Transport der Massivholzelemente [28]
Neue Baukonstruktionen
Fenster- und Türöffnungen gefertigt. Die
Fräsarbeiten können dabei problemlos durchgeführt werden, da durch die
„weichen“ Aluminiumnägel durchgefräst
werden kann, ohne das Werkzeug zu
beschädigen.
Die fertigen Bauteile werden mit Fertigteillogistik transportiert und montiert. Durch
die Außenwanddicken von 20,5 bis zu
34 cm und die guten Wärmedämmeigenschaften ist eine homogene Außenwand
nach EnEV-Standard möglich. Die Fertigteilmethode erlaubt eine kurze Bauzeit.
Bild 3.22: Montage der Massivholzwände
[28]
Bild 3.23: Ein Geschoss ist fast fertig [28]
b) Holz-Leichtbau
Holzrahmen mit Schnellverbindern
Neben dem Massivbau existiert der
Leichtbau, der überwiegend in Holzrahmenbauweise erstellt wird. Im Gegensatz
zum Massivbau wird der Leichtbau aus
tragenden Ständern, die mit Platten beplankt sind, gebaut. Der Zwischenraum
ist mit Dämmung ausgefüllt. Je nach
Anforderung an den Wärmeschutz kann
eine zusätzliche Wärmedämmschicht an
der Außenseite angebracht werden.
Diese Konstruktion wird im Wohnungsbau insbesondere im kleineren Fertighausbereich angewendet, da hier
die Anforderungen an den Schall- und
Brandschutz niedriger sind als im mehrgeschossigen Bauen.
Die Fertigstellungszeit sinkt dabei auf
wenige Tage, da bereits der Ausbau weitestgehend am Bauteil im Fertigteilwerk
vorgenommen werden kann.
Bild 3.24: Fertigung von Holzrahmenbauteilen mit
Schnellverbindertechnik [29]
Dadurch können leichte und gegenüber
dem Massivbau größere Elemente vorgefertigt werden, die zu einer schnellen
Bauzeit führen. Insbesondere neue Entwicklungen im Bereich der Montageverbindungen, bei denen die Bauteile über
Steckverbindungen positioniert und dauerhaft fixiert werden, bringen hier noch
deutlichere Vorteile.
Die neueste Entwicklung realisiert dabei
neben der kraftschlüssigen Verbindung
auch die Verbindung von Medienleitungen wie Elektro- und Wasserleitungen,
die über kombinierte Steckverbindungen
mit verbunden werden.
Bild 3.25: Stapellagerung [29]
Bild 3.26: Detail Schnellverbinder [29]
29
Neue Baukonstruktionen
Eine weitere Optimierung im Bereich der
Bauzeiten stellt die Raumzellenbauweise dar. Dabei handelt es sich um vorgefertigte Räume, die bis hin zur Inneneinrichtung ausgestattet werden können
und modular, Raum für Raum vor Ort zu
Raumzellen, die mangelhafte Variabilität,
die sich über die vorgegebene Containerstruktur nur in Maßen verändern ließ,
wurde durch ein Mobilitätskonzept wettgemacht. Die Idee wurde darauf gegründet,
dass die einzelnen Raumzellen bei Bedarf den Ortswechseln seiner Bewohner
mitmachen. Z.B. könnten die Bewohner
Bild 3.28: Helikoptertransport eines ganzen Hauses
[31]
Bild 3.29: Raumzellentragstruktur in Osaka, Weltausstellung 1970 [31]
einem fertigen Haus zusammengesetzt
werden. Aus Gewichtsgründen werden
die Zellen meist in Leichtbauweise erstellt. Die Größe wird durch die Transportkapazität von Fahrzeugen und Straßenverhältnissen vorgegeben.
beim Umzug in eine andere Stadt ihre
ganze Wohnung inklusive Mobiliar mit
den Raumzellen mitnehmen, dadurch
sollte sich eine sich ständig in Bewegung befindliche Stadt- und Gebäudestruktur einstellen. Diese Utopie hat sich
nicht bewahrheitet, dennoch ist diese
Idee nicht ausgestorben. Bis heute sind
immer wieder neue Entwicklungen und
Anwendungen in Raumzellenbauweise
zu beobachten.
3.2.1.3 Zellenbauweise
Bild 3.27: Raumzellen werden zu Wohneinheiten zusammen
gefügt [30]
Bereits in den 70er Jahren wurde eine
Vielzahl unterschiedlicher Raumzellenkonstruktionen für Wohnräume entwickelt, da sie als optimierte Form des Fertigteilbaus galten. Der große Nachteil der
Bild 3.30: Dachgeschossaufstockung auf
ein neobarockes
Wohnhaus in
Frankfurt a.M.[32]
30
Bild 3.31: Die Dachaufstockung wird als vorgefertigte Raumzelle auf das Wohngebäude
aufgebracht. Durch die fertige Raumzel
le konnte der Eingriff am Altbau optimiert
werden. [32]
Bild 3.32: Die komplett ausgestattete Raumzelle in
Leichtbauweise. [32]
Besonders die flach gedeckten mehrgeschossigen Stadthäuser bieten für diese
Bauweise noch einiges Entwicklungspotenzial. Denn gerade die vom Untergebäude unabhängige Konstruktion und
die schnelle und störungsfreie Montage,
Inbetriebnahme und ggf. auch wieder
Demontage leichter Raumzellen bringt
für bisher nur schwer nutzbare Flächen
Neue Baukonstruktionen
Insbesondere bei der Nachnutzung von
Dächern, bei der das Eigengewicht des
Aufbaus eine maßgebliche Rolle spielt,
können Raumzellen punkten. Die leichten Zellen werden im voll ausgebauten
Zustand auf das Dach des Bestandsgebäudes gehoben und positioniert. Durch
die fast 100 prozentige Vorfertigung
kann eine Montage in wenigen Stunden
abgeschlossen werden, ohne dass die
Bewohner des Bestandsbaues Beeinträchtigungen erfahren.
neue Ideen. Auch der Mobilitätsgedanke
der 70er Jahre, den die Raumzellen verkörpern, könnte in der heutigen Zeit auch
ökonomische Vorteile mit sich bringen.
Eine weitere Anwendung der Raumzellenbauweise wurde in Holland umgesetzt.
Aus ausrangierten Schiffscontainern ist
durch modulares Aneinanderreihen und
Stapeln ein außergewöhnliches Wohnhaus entstanden. Dieses Pilothaus wurde aus der Idee geboren, vorhandene
Altcontainer – wie sie in Hafengegenden
häufig zur Verschrottung anfallen – wieder zu verwenden. Durch den raumbildenden Charakter der Container konnte
sehr schnell das Rohbaugerüst errichtet
werden. Im Hinblick auf einen möglichen
Standortwechsel sind die Verbindungen
zwischen den Containern de- und remontabel ausgeführt worden. Die Umsetzung kann mit Kran und ContainerTransportern erfolgen.
Bild 3.33: Musterraumzelle „Loftcube“ von Werner
Aisslinger zum Aufstellen auf Flachdächern
– Eingangsseite
Bild 3.34: Musterraumzelle - Rückseite
Die Raumzelle wird aus glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt.
Bild 3.36: Wohnhaus aus Frachtcontainern [33]
Bild 3.35: Innenraum des „Loftcube“
Bild 3.37: Pilothaus in Almere
31
Neue Baukonstruktionen
3.2.2 Energiesparendes Bauen
3.2.2.1 Vom homogenen zum mehrschichtigen Bauteil
Einer der wichtigsten Einflussgrößen im
Bereich der Baukonstruktion ist die Energieeinsparung, die im wesentlichen
durch Verbesserung der Anlagentechnik
und Optimierung der Wärmedämmeigenschaften der Gebäudehülle umgesetzt wird.
Da Deutschland nach wie vor einen
Großteil seiner Heizenergie mit fossilen
Energieträgern deckt, wird durch gesetzliche Vorschriften Einfluss auf die Energieeffizienz von Gebäuden genommen.
Dabei wurden seit den 70er Jahren, als
es 1973 durch ein Ölembargo zur ersten
Ölkrise kam, die Bestimmungen ständig
verschärft.
Zusätzlich zu den gesetzlichen Vorschriften entstehen immer mehr freiwillige Standards, die die gesetzlichen
Standards noch übertreffen und den
zukünftigen Entwicklungen bereits vorauseilen. Hier sind Begriffe wie Niedrig-
Bild 3.38: Die Ölpreisentwicklung von 1970 bis 2006.
32
energiehaus und Passivhaus im Spiel
(siehe Kap. 2.2.2 Energetisches Niveau
von Gebäuden). Dabei wird angestrebt,
die Energieverluste eines Gebäudes so
gering wie möglich zu halten. Für die Gebäudehülle bedeutet dies, dass der Wärmedurchgang durch immer dickere bzw.
bessere Bauteile optimiert wird.
Insbesondere bei Außenwänden werden
bis heute zwei unterschiedliche Philosophien verfolgt:
1. Die homogene Bauweise, bei der das
Bauteil zum Großteil aus einem Baustoff besteht, der neben der Wärmedämmung alle anderen Eigenschaften,
wie Tragfähigkeit, Schallschutz, etc.,
mit abdeckt.
2. Die mehrschichtige Bauweise, die auf
die Spezialisierung unterschiedlicher
Bauteilschichten setzt, wobei jeder
Bauteilschicht ihre Aufgabe zugewiesen wird, z. B. Tragschicht und Dämmschicht bei Außenwänden.
Neue Baukonstruktionen
3.2.2.2 Beispiel Außenwand
Zur Verdeutlichung der vorher genannten
Standpunkte werden an Hand der Entwicklung einer typischen massiven Außenwandkonstruktion die Unterschiede
wie folgt dargestellt:
Homogene Außenwand
Mehrschichtige Außenwand
Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren kleinformatige Ziegelsteine der Hauptbaustoff
für Wände. Doch bereits um 1900 ist neben den massiven auch zweischaliges Mauerwerk
dokumentiert. Durch die Hohlräume sollte die Wärmedämmung verbessert, aber auch
Feuchtigkeit ferngehalten oder einfach Material eingespart werden.
1900
ab 1920
Begriff
Mindestwärmeschutz
Die Entwicklung neuer Dämmstoffe leitet ab
den 70er Jahren die Mehrschichtigkeit der
Wandaufbauten ein. Eine Anfangs nur wenige
Zentimeter dicke Dämmschicht ergänzte den
Wärmeschutz des Mauerwerks.
Im weiteren Verlauf entwickelten sich die
homogenen Bauprodukte zu porösen Materialien, die durch Luftporen bzw. Luftkanälen
den Wärmeschutz verbesserten.
ab 1977
1. Wärmeschutzverordnung
ab 1982
2. Wärmeschutzverordnung
Im Zuge der Energieeinsparung wurden
die Dämmschichten immer dicker. Eine
gegenwärtige mehrschichtige Außenwand
besteht aus einer annähernd gleich dicken
Trag- und Dämmschicht. Wobei die
Tragschicht für den Wärmeschutz keine Rolle
spielt.
Die homogenen Wände entwickelten sich bis
heute zu hochporösen Werkstoffen, die in
ihrer Eigenschaft zwischen einem tragfähigen
und einem dämmfähigen Material stehen.
Hochlochsteine werden bereits in tragende
(enge Lochweite) und dämmende (große
Lochweite) Bereiche eingeteilt und nähern
sich immer mehr den mehrschichtigen Wandaufbauten.
ab 1952
DIN 4108
Mindestwärmeschutz
ab 1995
3. Wärmeschutzverordnung
ab 2002
Energieeinsparverordnung
2007
EnEV
Tab. 3.1: typische Außenwandkonstruktionen
33
Neue Baukonstruktionen
3.2.3 Wärmebrückenoptimiertes Bauen
Um langfristig schadensfreie und wärmeschutzoptimierte Gebäude zu erhalten, ist es wichtig, wärmebrückenoptimiert zu planen und zu bauen. Deshalb
werden insbesondere dort, wo Kräfte
über und durch die thermische Hülle
eines Hauses übertragen werden, spezielle Detailausbildungen nötig. Im weiteren werden stellvertretend einige neue
Lösungen vorgestellt, die teilweise auch
für die Altbaumodernisierung verwendet
werden können.
3.2.3.1 Schraubbares Verbindungselement zur thermischen
Entkopplung
=> nachträgliche Montage von
Balkonen
Für die Übertragung von Zug-, Druck-,
und Querkräften, wie sie beispielsweise
bei auskragenden Balkonplatten entstehen, steht seit einigen Jahren ein wärmeschutzoptimiertes Anschlussdetail zur
Verfügung.
Bild 3.39: Schraubbares Verbindungeselement zur
thermischen Entkopplung [34]
Damit ist es möglich, ungedämmte Bauteile an die tragenden Bauteile des Gebäudes anzuschließen. Bei dem Detail
handelt es sich um einen Knotenpunkt,
der aus einem Edelstahlinlet besteht,
das mit einem druckstabilen und wärmeisolierenden Kunststoff ummantelt ist.
Seit Neuestem steht auch eine schraubbare Variante bereit, die für die Anschlüsse von Stahlprofilen entwickelt
wurde. Damit kann jedes Bauteil, das mit
Schraubverbindungen versehen werden
kann, befestigt werden. Dies ist vor allem
im Bestandsbau von Vorteil, wo oftmals
neue Ergänzungen mit Bolzen am Altbau
angebracht werden.
3.2.3.2 Entkoppelte Schwerlastverankerung
Bei der Befestigung von Markisen,
Vordächern und ähnlichen schweren
Bauteilen werden große Lasten in die
Außenwand eingetragen. Dazu sind
Schwerlastbefestigungssysteme – in der
Regel aus Stahl – nötig. Die Stahlverankerungen stellen im wärmebrückenoptimierten Bauen eine Schwachstelle dar,
die in ungünstigen Fällen auch zu Bauschäden führen kann.
Ein führender Hersteller von Befestigungstechnik hat deshalb einen Klebedübel auf den Markt gebracht, der durch
eine Kunststoffplombe die zwischen den
Dübel eingebaut wird, den Wärmefluss
minimiert. Der Anker wird eingeklebt und
kann sowohl in massiven, als auch in porösen oder gelochten Baustoffen eingesetzt werden.
Bild 3.41: Einsatz des wärmebrückenoptimierten
Schwerlastankers [35]
Bild 3.40: Anwendungsbeispiel - Schnitt [34]
34
Neue Baukonstruktionen
3.2.3.3 Druckstabile Dämmsteine
Ein weiterer wichtiger Detailpunkt im
wärmebrückenoptimierten Bauen ist
der Fußpunkt eines Hauses. Hier steht
das Gebäude auf einem wärme- und
feuchteübertragenden Fundament. Die
Dämmung der Außenwand und der Bodenplatte kann bis zum Fußpunkt herangezogen werden. Unter der Wand kann
jedoch mit herkömmlichen Dämmstoffen
nicht gedämmt werden, da die Druckkräfte unter der Wand so groß sind, dass jeder herkömmliche Dämmstoff versagen
würde. Ungedämmte Fußpunkte stellen
jedoch wärmetechnische Schwachpunkte
dar, die sehr anfällig für Schimmelpilzbefall auf Grund von Wärmebrücken sein
können.
Mit speziellen druckstabilen Dämmsteinen, sog. Kimmsteinen, die aus verschiedenen druckstabilen Dämmmaterialien hergestellt werden, lassen sich
diese Schwachstellen vermeiden.
Bild 3.42: druckstabiler Dämmstein [34]
Bild 3.43: druckstabiler Dämmstein - Schnitt [34]
3.2.4 Fassaden
Fassaden bestimmen das Erscheinungsbild eines Gebäudes, da sie das ganze
Gebäude wie einen Schutzmantel umgeben und damit die Außenwirkung dominieren. Bestanden Fassaden früher aus
monolithischen Wänden, die durch klar gegliederte Fensterflächen geprägt waren,
geht heute der Trend immer häufiger zu
multifunktionalen und mehrschichtigen
Konstruktionen. Hier beeinflusst insbesondere die Wärmeschutzfunktion die
Fassadenkonstruktion.
Neben der reinen Verbesserung der
Dämmwirkung von Wandaufbauten durch
High-Tech-Dämmstoffe spielt vor allem
die Nutzung der Sonnenenergie eine
große Rolle.
Durch den Einsatz von durchscheinenden (transluzenten) Dämmstoffen
kann das Sonnenlicht in das Gebäude
dringen und so tagsüber die Außenwand
oder den Innenraum erwärmen. Weiterhin können transluzente Dämmstoffe,
die in fensterähnlichen Konstruktionen
eingebaut sind, zur Belichtung eines
Raumes beitragen.
So werden die beiden bekannten Fassadenarten „Wand“ (opak = lichtundurchlässig) und „Fenster“ (transparent = durchsichtig) durch eine dritte die „transluzente“
(durchscheinende) Fassade ergänzt.
Fassadensysteme sind neben der Einteilung in die verschiedenen Stufen der
Lichtdurchlässigkeit auch nach der Anpassbarkeit auf unterschiedliche Situationen zu unterscheiden. Es existieren
bereits mehrere Produkte, die aktiv auf
eine veränderte Situation reagieren. Z.B.
können schaltbare Verglasungen, je nach
Anforderung von transparent auf transluzent oder opak geschaltet werden.
Dabei geht die Entwicklung zu Fassadensystemen, die auf die jeweilige Anforderung angepasst werden. Der derzeitige
Stand der Technik zeigt erste Ansätze,
verschiedene Fassadenelemente miteinander zu kombinieren. Im weiteren
Verlauf werden aktuelle Entwicklungen
vorgestellt, die zwischen passiven und
aktiven bzw. opaken, transluzenten und
transparenten Fassadensystemen anzusiedeln sind.
35
Neue Baukonstruktionen
3.2.4.1 Opake Fassaden
Vakuumdämmsysteme (passiv, opake
hoch wirksame Dämmung)
Insbesondere im Passivhausbereich werden die Anforderungen an den Wärmeschutz so hoch, dass Dämmstoffdicken
mit herkömmlichen Dämmmaterialien
von 30 cm bis 40 cm bereits ausgeführt
werden. Durch die hohen Wanddicken
kommt es neben den Verlusten an nutzbaren Raum auch zu Belichtungsproblemen durch den erhöhten Schattenwurf
der breiten Laibung. Alternativ wurden
deshalb bereits hocheffiziente Dämmstoffe, wie die sog. Vakuumdämmung,
die aus dem Maschinen- und Gerätebau
stammt, auch im Bauwesen eingesetzt.
Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,004
W/(mK) ist die Dämmwirkung 10 mal
besser als bei herkömmlichen Dämmstoffen der Wärmeleitgruppe WLG 040
(0,04 W/(mK)). Durch die sehr gute
Dämmwirkung lassen sich mit geringen
Wanddicken hoch gedämmte Gebäudehüllen herstellen.
Bild 3.44: Wandaufbau Betonfertigelementfassade mit Vakuumdämmung [36]
Bild 3.45: Montage eines Betonfertigteil mit Vakuumdämmung [37]
Ein weiterer Einsatzschwerpunkt sind
bisher schwer lösbare Details, wie der
barrierefreie Übergang von Dachterrasse
und Wohnraum oder die Dämmung von
Fensterlaibungen im Außenbereich. Auch
im Bestandsbau gibt es Anwendungsgebiete. Überall dort, wo sehr wenig Platz
zur Verfügung steht, kann die Vakuumdämmung eine Alternative darstellen.
Dies ist zum Beispiel bei gehwegbündigen
Fassaden, wie sie bei der überwiegenden
Anzahl von städtischen Wohngebäuden
vorkommen, der Fall. Hier kann mit sehr
schlanken Dämmfassaden ein Optimum
an Wärmeschutz erreicht werden.
Noch bestehende Nachteile der Vakuumdämmung sollen jedoch nicht verschwiegen werden. Dies sind zum einen der
hohe Anschaffungspreis, der sich proportional zur Dämmfähigkeit entwickelt und
zum anderen die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Beschädigung. Da der
Dämmstoff mit einer luft- und dampfdichten Kunststofffolie umgeben ist, die das
Vakuum im Dämmstoff erhält, darf diese
Folie nicht beschädigt werden. Beschädigungen hätten zur Folge, dass Umgebungsluft in den Dämmstoff eindringen kann und die Dämmwirkung rapide
nachlässt. Aus diesem Grund muss die
Dämmung im Baueinsatz rechnerisch so
dimensioniert werden, als ob kein Vakuum vorhanden wäre. Jedoch selbst bei
diesem worst-case bringt die Dämmung
immer noch 5 mal bessere Werte (0,008
W/mK) als konventionelle Dämmstoffe.
Die Vakuumdämmung wird als vorgefertigte Dämmpaneele, die speziell auf die
Fassadengeometrie angepasst wurden,
hergestellt. Diese vorgefertigten Paneele
müssen exakt passen, da ein nachträgliches Bearbeiten nicht mehr möglich
ist. Außerdem müssen spezielle Befestigungen verwendet werden, die keine Beschädigung bei der Montage und gleichzeitig keine Wärmebrücken verursachen.
Für den dauerhaften Schutz ist eine stabile Bekleidung oder auch die Einbettung
als Kerndämmung zu empfehlen. (Siehe
auch Kap. 3.3.3.4 Evakuierte Wärmedämmung.)
Bild 3.46: Gegenüberstellung konventionelle Dämmung und Vakuumdämmung
36
Neue Baukonstruktionen
Schaltbare Wärmedämmsysteme zur Solarenergienutzung (aktiv, Dämmwirkung
wird den Anforderungen angepasst)
Die schaltbare Wärmedämmung (SWD)
vereint die guten Dämmeigenschaften
einer opaken Dämmung mit den Eigenschaften der transparenten Wärmedämmsysteme, Sonnenenergie an das
Gebäudeinnere weiterleiten zu können.
Die noch im Versuchsstadium befindliche Dämmung besteht aus nur 2 cm
dicken Paneelen, die mit Edelstahlblech
ummantelt sind. Das Paneelinnere ist
mit Glasfasern verpresst und evakuiert.
Im Paneel sind wenige Gramm eines
Metallhydrids eingeschlossen, das durch
eine elektrische Schaltung angeregt, bei
Bedarf Wasserstoff abgeben und auch
wieder aufnehmen kann. Durch die gezielte Freisetzung des Wasserstoffs wird
die Wärmeleitfähigkeit des Paneels um
den Faktor 40 erhöht. Um diesen Zustand dauerhaft aufrecht erhalten zu
können, muss eine elektrische Leistung
von etwa 5 W/m² Paneelfläche angelegt
werden. Wird der Strom abgeschaltet,
stellt sich wieder der hochdämmende
Zustand ein. Dabei wird ein U-Wert von
0,2 W/(m²K) erreicht.
Da der Schaltvorgang vollständig reversibel ist, kann die Dämmung je nach
Bedarf auf leitend oder dämmend geschaltet werden. Dadurch lassen sich
während der Heizperiode (wie bei den
TWD) solare Zugewinne über die Außenwände nutzbar machen. Aber auch
im Sommer können kühle Nächte besser
zur Akklimatisierung der Gebäudemasse
eingesetzt werden.
3.2.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe (TWD) auf opaker Außenwand,
(passiv)
Im Gegensatz zu lichtundurchlässigen
(opaken) Dämmstoffen tauchen in letzter
Zeit immer häufiger transluzente Systeme
für den Wärmeschutz auf. Dabei handelt
es sich um Fassadenbekleidungen, die
eine lichtdurchlässige Deck- und Dämmschicht besitzen. Dadurch kann das Sonnenlicht durch die Fassade hindurchdringen und die dahinterliegende Wand mit
solarer Energie erwärmen. Dies ist der
große Vorteil gegenüber konventionellen
opaken Dämmstoffen. Denn obwohl die
Bild 3.47: Schema des schaltbaren Wärmedämmsystems [38]
Dämmwirkung transluzenter Dämmstoffe in der Regel schlechter ausfällt als bei
opaken, können – je nach Standort – im
Jahresmittel durch die aktiven solaren
Zugewinne Heizenergie hinzugewonnen
werden. Hauptverantwortlich ist hier die
transluzente Wärmedämmung, die in
unterschiedlichen Formen und Materialien angeboten wird. (Siehe auch Kap.
3.3.3.3 Transluzente Wärmedämmung.)
Zur Zeit wird am häufigsten eine wabenförmige, aus transparenten Kunststoff
bestehende, Matte eingesetzt. Die Waben bestehen aus Röhrchen oder Stegen. Statt Kunststoff kommen auch feine
Glasröhrchen zum Einsatz. Weiterhin
werden auch gefaltete kreuzweise verlegte Zelluloseacetatfolien und Glasfasermatten aus Klarglas angeboten.
Hier können je nach Standort und Ausrichtung zwischen 50 und 150 kWh/m²
Fassadenfläche pro Jahr gewonnen
werden. Die Zugewinne können jedoch
sogar so groß werden, dass insbesondere in der Sommerzeit eigene Verschattungseinrichtungen notwendig werden,
um eine Überhitzung zu vermeiden.
Bild 3.48: Kapillarstruktur einer transparenten
Wärmedämmung [39]
37
Neue Baukonstruktionen
Die TWD-Systeme können in drei verschiedene Hauptsysteme eingeteilt werden:
Konvektives System
Das konvektive System besteht aus
einem eigenständigen TWD-Element,
das aus einer transparenten Deckschicht (Verglasung), einer transparenten Dämmschicht und einer rückwärtigen Absorberschicht besteht. Das
TWD-Element wird mit einigen Zentimetern Abstand vor der massiven Tragkonstruktion angebracht, die als Wärmespeicher dient. Die Wärme wird über den
Absorber an die Luftschicht weitergegeben, die wiederum die Wand erwärmt.
Bei zu großer Hitzeentwicklung, z.B. bei
Überhitzung im Sommer, dient die Luftschicht zur Wärmeableitung.
Bild 3.49: Schema konvektives TWD-System, nach [40]
In jüngster Zeit wurden Fassadensysteme vorgestellt, die als komplette Einheit am Gebäude montiert werden
können. Diese bestehen aus mehreren
Funktionsschichten, in der Regel Glasscheiben, die in bestimmten Abständen
in einem Rahmen montiert werden. In
den Zwischenräumen werden Verschattungsschutz, transparente Dämmung und
Wärmespeicher integriert.
Für den Wärmespeicher kommen häufig
Latentwärmespeicher aus Wechselspeichermaterialien (PCM, siehe Kap. 3.2.2.
Latentwärmespeicher in Baustoffen) zum
Einsatz, die trotz ihres geringen Gewichts
viel Wärme zwischenspeichern und über
einen längeren Zeitraum wieder abgeben
können. Dadurch werden schlanke und
leichte Fassadenkonstruktionen möglich,
die das Verhalten von herkömmlichen
Massivkonstruktionen zeigen.
38
Hybridsystem
Das Hybridsystem ist eine Weiterentwicklung des konvektiven Systems. Hier
wird durch gezielte Weiterleitung der in
der Hinterlüftungsschicht erwärmten
Luft eine bessere Ausnutzung der solaren Zugewinne erzielt. Dabei kann die
erwärmte Luft bei Luftheizungen direkt
zur Heizungsunterstützung genutzt oder
aber über ein Rohrnetz, ähnlich wie bei
solarthermischen Anlagen, zur Warmwasser- oder Heizungsunterstützung,
genutzt werden.
Bild 3.50: Schema Hybridsystem
Transluzentes
Wärmedämmverbundsystem
Beim transluzenten Wärmedämmverbundsystem (TWDVS) besteht die Deck-,
Dämm-, Absorber- und Wärmespeicherschicht aus einer Einheit.
Im Vergleich zum opaken WDVS wird
der Deckputz aus einem mit Glasperlen
und transparentem Binder bestehenden
Gemenge auf eine transparente wabenstrukturierte Dämmschicht aufgetragen.
Die Dämmschicht wird mit einem dunkel gefärbten mineralischen Kleber, der
gleichzeitig als Absorberschicht dient,
an der Außenwand befestigt. Mit speziell angebotenen Übergangsdetails kann
die transluzente direkt mit der opaken
Schicht verbunden werden.
Neue Baukonstruktionen
Neben den wärmetechnischen Eigenschaften sind die weiteren Eigenschaften
von transluzenten Fassaden eher mit
denen von Fenstern als mit denen von
opaken Wänden zu vergleichen.
Bild 3.51: Einstrahlwinkel im Winter [41]
Im Winter, wenn die
Sonne tief steht (15°),
ist der Energiegewinn
am höchsten.
Bild 3.52: Einstrahlwinkel im Sommer [41]
Im Sommer, wenn die
Sonne hoch steht (65°),
ist der Energiegewinn
am niedrigsten.
Somit können ebene Fassaden erstellt
werden, die sich optisch lediglich durch
die Putzstruktur und –farbe unterscheiden. Auch hier ist die Ausrichtung nach
dem Sonnenstand zu planen und eine
mögliche Überhitzung ggf. mit geeigneten
Verschattungssystemen zu vermeiden.
Die Lichtdurchlässigkeit birgt den Vorteil, dass sie zur Belichtung von Räumen
verwendet werden können. Die transparenten Dämmstoffe bewirken dabei eine
Streuung des Tageslichtes. Das gleichmäßige diffuse Licht bietet schattenfreie
Beleuchtungsmöglichkeiten von Räumen
und darüber hinaus neues architektonisches Potenzial zur Gestaltung.
Bild 3.54: Schema eines Direktgewinnsystems
nach [40]
Bild 3.53: Beispiel Fassade mit TWDVS [42]
3.2.4.3 Transluzente Fassaden
(passiv)
Direktgewinnsystem
Neben den TWD mit Speicheraktivierung werden Direktgewinnsysteme eingesetzt. Die Direktgewinnsysteme speichern die solare Energie nicht in einem
Zwischenspeicher, sondern geben sie,
wie beim Fenster, direkt an den dahinter
liegenden Raum ab. Die zeitliche Phasenverschiebung des Wärmeaufkommens im Innenraum, wie er bei den TWD
mit Zwischenspeicher (massive Außenwand oder Latentwärmespeicher) auftritt,
ist daher nicht zu beobachten. Die von
der TWD durchgelassene Wärmestrahlung erwärmt direkt den Raum. Deshalb
bedarf es in jedem Fall einer Verschattungseinrichtung, um eine Überhitzung
der Innenräume zu verhindern.
Die transluzenten Systeme zeichnen
sich durch hohe Transparenz bei gleichzeitig hohem Dämmvermögen aus. Der
Aufbau folgt im Allgemeinen dem des
Fensters. In einem Rahmen wird eine
transparente Stegplatte oder Glasscheibe eingesetzt, in deren Hohlraum der
transluzente Dämmstoff eingebracht
wird. Dabei kommen auch die wabenförmigen Dämmstoffe wie vorher bei den
TWD-Fassaden beschrieben wurden zur
Anwendung. Aber auch transluzentes
Granulat aus Kieselsäure, das die beste
Dämmeigenschaft besitzt, wird eingesetzt. Das Silikat-Aerogel, das ursprünglich aus der Raumfahrt und Prozessund Analysetechnik kommt, kann nun
mit einem neuen Verfahren großtechnisch hergestellt werden. Dabei steht
der Dämmstoff nicht in reinster Form zur
Verfügung, jedoch reicht die Qualität für
den Einsatz als transluzenter Dämmstoff im Bauwesen vollkommen aus.
Die als Schüttgranulat unter dem Namen
„Nanogel“ angebotene Ware erreicht einen Wärmedurchgangskoeffizienten von
0,018 W/m² K und ist damit 2,5 mal besser
als herkömmliche opake Dämmstoffe.
39
Neue Baukonstruktionen
3.2.4.4 Transparente Fassaden
Fenster
Unter transparenten Fassaden werden
im Allgemeinen Fenster verstanden.
Fenster bestehen aus Blendrahmen,
Rahmen und Glas, die zusammen eine
funktionale Einheit bilden. Hier wurde
insbesondere beim Glas eine Vielfalt unterschiedlicher Produkte entwickelt. Die
Gläser erfüllen z.B. den Wärmeschutz,
Schallschutz und den Einbruchschutz
bei maximaler Lichtdurchlässigkeit.
In der letzten Zeit wurde vor allem im
Bereich des Wärmeschutzes verstärkt
nach effizienteren Systemen gesucht.
So hat sich im Wohnungsbau das Zweischeiben-Isolierglas mit einem Wärmedurchgangskoeffizenten Ug (nicht zu verwechseln mit Uw)8 von 1,5 W/(m²K)
als Standard durchgesetzt. Der Zwischenraum der Scheiben ist dabei mit
Luft gefüllt. Wird dieser statt dessen mit
Edelgas ausgefüllt, werden Ug-Werte
von 1,2 W/(m²K) bei Argonfüllung bzw.
1,1 W/(m²K) bei Kryptonfüllung erreicht.
Eine weitere Steigerung der Dämmwirkung von Isoliergläsern wird durch
die Anordnung einer dritten Scheibe
erreicht. Hier werden je nach Edelgasfüllung Ug-Werte zwischen 0,5 bis
0,6 W/(m²K) angegeben, bei VakuumIsoliergläsern können Ug-Werte bis 0,4
W/(m²K) erzielt werden.
Auch bei der Randverbund-Technik und
bei der Konstruktion der Fensterrahmen
gibt es neue Entwicklungen. So wurde
der Randverbund durch Abstandshalter
aus Kunststoff (früher Aluminium) wärmetechnisch optimiert. Zudem werden
die Glasscheiben, zur Minimierung von
Wärmebrücken, so tief wie möglich in
den Rahmen eingebunden. Die Rahmen
selbst erreichen durch Dämmstoffeinlagen aus Polyurethan oder Kork Uf-Werte8 bis zu 0,7 W/(m²K).
Als zusätzliche Maßnahme können Gläser ein- oder zweiseitig mit Beschichtungen versehen werden. Je nach Beschichtung lassen sich dabei verschiedene Effekte erzielen. Für den Wärmeschutz (auch für den sommerlichen Wärmeschutz) werden bereits seit einigen
Jahren mit Metalloxiden bedampfte Oberflächen eingesetzt. Eine Weiterentwicklung dieser passiven Beschichtungen sind
schaltbare Beschichtungen, die durch Anregung aktiv an die jeweilige Anforderung
angepasst werden können. So entstehen
schalt- und regelbare Fassaden, die aus
dem Zustand transparent in den Zustand
transluzent oder opak wechseln können.
Schalt- und regelbare Fassaden
Diese Fassaden bestehen in der Regel
aus einer oder mehreren Schichten, die
durch Anregung ihre Lichtdurchlässigkeit
ändern können. Der Schaltvorgang kann
dabei durch elektrische Energie, Temperatur, Gas oder Licht ausgelöst werden.
In der folgenden Tabelle sind neun unterschiedliche Arten von schalt- bzw. regelbaren Fassaden beschrieben. Dabei sind
die unterschiedlichsten Eigenschaften zu
erreichen. Einige Verglasungen sind im
ungeschalteten Zustand hell und durchsichtig, die PBLC- und SPD-Verglasungen
sind jedoch nur im geschaltetem Zustand
klar. Alle Verglasungen schirmen das
sichtbare Licht ab, doch nicht alle halten
auch die solare Wärmestrahlung ab. Hier
ist für jede Anforderung das schaltbare
Modul mit anderen Bauteilen (z.B. zur
Wärmedämmung, etc. ) zu kombinieren,
um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Zukunft wird zeigen, in welchen
Bereichen sich die unterschiedlichen Systeme bewähren. Momentan befindet sich
diese junge Technik in der Entwicklungsund Erprobungsphase.
7
Der Gesamt-U-Wert eines
Fensters (Uw) wird errechnet aus folgenden Größen:
- Ug der Verglasung
- Uf des Rahmens
- Ψ (Wärmebrückenverlustkoeffizient) des Randverbunds
- Ag Glasfläche
- Af Rahmenfläche
- lg Länge Randverbund
40
Glas (Ug)8
Randverbund (Ψ)8
Rahmen (Uf)8
Bild 3.55: Dreischeiben-Isolierglasfenster
Bild 3.56: Beispiel schaltbare Verglasung
oben: AUS - unten: EIN [43]
Neue Baukonstruktionen
Tab. 3.2: Systeme schalt- und regelbare Verglasungen, nach [44]
41
Neue Baukonstruktionen
3.2.5 Tageslicht –Lenksysteme
gegangen. Auch spezielle Systeme zur
Tageslichtlenkung finden bereits Einzug
in den Wohnungsbau.
3.2.5.1 Kombinierte Verschattungs-/
Tageslichtlenksysteme
Mit dem Trend zur solaren Energienutzung werden Fensterflächen nach dem
Sonnenstand ausgelegt. Besonders die
sonnenintensive Südseite verspricht dabei
hohe Energieerträge in der Heizperiode.
Dagegen neigen im Sommer solche Räume besonders häufig zur Überhitzung.
Bild 3.57: Wirkweise
tageslichtleitender
Systeme integriert in
Fensterkonstruktionen, nach [45]
Ein weiterer Beitrag zur effizienteren Gestaltung von Fassaden sind Tageslichtlenksysteme. Mit diesen Systemen wird
es möglich, Tageslicht weitgehenst für die
natürliche Belichtung von Gebäuden zu
verwenden. Die Tageslichtbeleuchtung
bringt neben der Energieeinsparung für
den Kunstlichtbetrieb auch ein besseres
Wohlbefinden im Raum. Hier werden auf
dem Gebiet des sommerlichen Wärmeschutzes und Blendschutzes neue Wege
Bild 3.58: Beispiel für lichtlenkende Jalousie im
Innenbereich [46]
42
Ein sommerlicher Wärmeschutz, oftmals
auch ein Blendschutz in Form eines außenliegenden Rollladens, schafft hier
Abhilfe. Doch bei einem herkömmlichen
Rollladensystem wird dabei auch das
Tageslicht soweit vom Raum abgehalten, dass oftmals auch tagsüber Kunstlicht benötigt wird. Abhilfe verspricht hier
ein innovatives Rollladensystem, dessen
Lamellen in Bereiche aufgeteilt sind und
getrennt angesteuert werden können.
Dadurch wird es möglich, im Sommer
den oberen Bereich so einzustellen,
dass Tageslicht über die Lamellen in den
Raum gelenkt wird. Der untere Bereich
wird so eingestellt, dass das Sonnenlicht
reflektiert wird und bei Außenmontage
den Raum vor Überhitzung schützt.
In der „Lichtlenkstellung“ reflektieren die
unteren Lamellen die Sonne und sorgen
für einen blendfreien Arbeitsplatz, während die oberen Lamellen das Licht gegen die Zimmerdecke reflektieren und so
den Raum gleichmäßig ausleuchten.
Bild 3.59: Die Montage einer lichtlenkenden Jalousie im Außenbereich bietet gleichzeitig Schutz gegen Überhitzung. [46]
Über die separat ansteuerbaren Rollladensysteme hinaus werden auch in der
Verglasung integrierte Lichtlenksysteme
eingesetzt. Dabei handelt es sich in der
Regel um Systeme die zwischen den
Scheiben einer Isolierverglasung untergebracht sind. Stellvertretend für eine innenliegende Lichtlenkung soll die in Bild
3.60 gezeigte Konstruktion kurz erläutert
werden.
1 Lichteintritt
2 Lichtumlenkung
3 Beschichtung zur Vermeidung von Blendung
4 Diffusor
5 Isolierglasscheibe
Bild 3.60: Passives Element in Isolierverglasung
(Oberlichtbereich) integriert, nach [38]
Das Lichtlenkelement besteht je nach
Bedarf aus einem oder mehreren Modulen, die aus übereinander gestapelten, transparenten Profilen aufgebaut
sind. Diese übereinandergestapelten,
lamellenförmigen Profile werden in den
Scheibenzwischenraum einer Isolierverglasung, die Schutz vor Witterung und
Verschmutzung bietet und somit eine
langjährige Funktionstüchtigkeit gewährleistet, eingebaut. Dabei wird das Licht in
Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel durch
die transparenten Profile gebrochen und
somit umgelenkt. Ein Blendschutz verhindert, dass direktes Licht zu Blenderscheinungen führt. Der Diffusor sorgt für
die Zerstreuung des gebündelten Lichts.
3.2.5.3 Spiegelschächte
Ein weiteres Beispiel für die effiziente
Nutzung von Tageslicht sind Spiegelschächte. Durch Spiegel wird das Tageslicht so umgelenkt, dass es in den Innenraum gelangt und so tagsüber auch
Neue Baukonstruktionen
3.2.5.2 Lichtlenkelemente in Isolierverglasung
fensterlosen oder dunklen Räumen den
Eindruck verleiht, als wären sie direkt
besonnt. An Stelle eines herkömmlichen
Lichtschachts wird ein spezieller Schacht
eingebaut, der eine gläserne Abdeckung
und eine Lichtumlenkeinrichtung besitzt.
Bild 3.61: Lichtlenkung über einen Spiegelschacht
für Räume im Soutterain [47]
Bild 3.62: Funktionsweise
eines Spiegel
schachtes [47]
Die Umlenkspiegel werden so eingestellt, dass ein Maximum an Tageslicht
in den zu beleuchteten Raum gelangt.
Die Lichtausbeute ist dabei 10 bis 20
mal höher als bei Lichtschächten ohne
Lichtlenkung.
3.1.5.4 Lichtröhren und -säulen
Eine Weiterentwicklung der Spiegelschächte sind sog. Lichtröhren oder
Lichtsäulen. Hier wird das Tageslicht
durch eine Spiegeloptik, die nach dem
Sonnenstand orientiert wird, gebündelt
und in eine lichtleitende Röhre geleitet.
Die Lichtröhre ist mit einer speziellen,
transparenten und lichtleitenden Folie
ausgekleidet. Diese Folie leitet das Licht
besonders effizient weiter. Möglich wird
dies, da die Rückseite mit einer Prismenstruktur und die Vorderseite besonders glatt ausgerüstet ist. Mit den Lichtröhren lassen sich besonders reizvolle
punktuelle Akzente in ansonsten dunklen Räumen schaffen. Auf eine künstliche Zusatzbeleuchtung kann jedoch in
der Regel nicht verzichtet werden, da die
Lichtausbeute lediglich 25% beträgt.
Bild 3.63: Funktionsweise
Lichtsäule mit
Spiegellenkung [47]
Bild 3.64: Lichtverteilung im
Innenraum [47]
43
Neue Baustoffe
3.3
Neue Baustoffe
Die Baustoffindustrie und die Bauindustrie
sind ein bedeutender Wirtschaftsfaktor in
Deutschland. Der Stand der Bautechnik
und insbesondere der zugrundeliegende
Stand der Forschung und Entwicklung
von neuen Baustoffen und Bautechnologien gehören zur Weltspitze.
Jüngste Entwicklungen in der Bauchemie und der Bauphysik – basierend auf
„Molecular design“, Nanotechnologie
und deren ingenieurtechnische Umsetzungen – haben dazu beigetragen, neue
energieeffiziente und die Dauerhaftigkeit
verbessernde Bausysteme zur Marktreife zu führen. Diese Systeme stehen
jetzt als technologische Neuerungen im
Bauen und Wohnen einer breiten Öf-
fentlichkeit zur Nutzung zur Verfügung.
Die neuen Baustoffe und Bausysteme
betreffen beispielsweise effizientere und
solargestützte Wärmedämmungen, spektralselektive Fassaden- und Oberflächenbeschichtungen sowie generell „intelligente“ Oberflächen.
Der vorliegende Beitrag dient der Information von interessierten Bauherren,
insbesondere der vertieften Fachinformation von Architekten, Planern und
Bauberatern über Neuentwicklungen auf
dem Baustoff- und Bautechnologiesektor
sowie dem Stand und den Möglichkeiten
der Anwendung dieser Neuerungen in
der Baupraxis des Wohnungsbaus.
3.3.1 Massivwand-Baustoffe
3.3.1.1 Wärmedämmziegel ohne
Dämmfüllung
Bild 3.65: Wärmedämmziegel ohne Dämmfüllung
[48]
44
bei einer Wanddicke von 42,5 cm erreichbar. Damit sind die Planziegel für
Passivhäuser anwendbar. Die Druckfestigkeit ist, trotz der Hohlräume, aufgrund
der hohen Rohdichte für Wärmedämmziegel verhältnismäßig hoch.
Weitere technische Details
- Steinfestigkeitsklassen = 4 bis 10,
vorzugsweise 8 N/mm²,
- zulässige Druckspannung beträgt 4
bis 11 N/mm²,
- Rohdichte liegt zwischen 0,6 bis
0,7 kg/dm³.
Gegenstand
Neue Plan- und Blockmauerziegel mit
hoher Porosierung und geringer Sinterdichte, ohne Dämmfüllung, für einschaliges Mauerwerk/ einschalige Außenwand.
3.3.1.2 Wärme- und Schalldämmziegel mit Dämmfüllung
Neue Funktion und Eigenschaften
Der neue hochwärmedämmende Planund Blockmauerziegel, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,09 - 0,10 W/(mK),
beidseitig geschliffen mit 1 bis 3 mmKlebemörtelfugen, wird in Wanddicken
von 24 bis 49 cm hergestellt und ist für
den Bau einschaliger Außenwände ohne
Füllung und ohne außenliegende Wärmedämmung geeignet.
U-Werte von bis zu 0,20 W/(m²K) sind
Bild 3.66: Wärmedämmziegel mit Dämmfüllung [49]
Gegenstand
Neuer Plan-, Block-, Füll- und Schalungsziegel mit großem Hohlraum zur
Füllung mit Hohlwand-Perlit zur Wärme-
Neue Funktion und Eigenschaften
Der hochdruckfeste Füllziegel wird als
Plan- und Blockmauerziegel mit einer
Füllung aus hochwärmedämmenden,
nicht brennbarem Perlit (Hohlwand-Perlit) in den Festigkeitsklassen 8, 12 und 20,
aber auch mit Füllungen aus Blähton,
Leichtlehm oder Schaumglasgranulat,
hergestellt.
Er ist zur Errichtung von einschaligen
Wärme- und Brandschutzwänden als
Außen- und Innenwände im Ein- und
Mehrfamilienhausbau geeignet und auch
mit Schlitzeinbindung erhältlich.
Neue Baustoffe
dämmung oder zur Füllung mit konventionellem Beton (ggf. auch mit Bewehrung) als Schallschutz-Verfüllziegel.
Die Wärmedurchgangskoeffizienten (UWerte) der Rohdichteklasse 0,65 kg/dm³
nehmen wanddickenabhängig von d = 30
cm mit U = 0,28 W/m²K bis zu d = 49 cm
auf U = 0,17 W/m²K ab.
Schalungsziegel der gleichen Festigkeitsklassen können zum Füllen mit Beton und
verbunden mit einer Mauerwerksverstärkung durch Einlegen einer horizontalen
Bewehrung als Schallschutz-Verfüllziegel zur Errichtung von schalldämmenden
Innenwänden im Ein- und Mehrfamilienhausbau eingesetzt werden.
Der Grad der Schalldämmung hängt wesentlich von der Rohdichte des Betons
und der resultierenden mittleren Rohdichte der Wand ab.
3.3.2 Wärmespeicher in Baustoffen
Latenwärmespeicher durch Phasenumwandlung in Baustoffen
Bild 3.67: Mikroverkapselte PCM im Innenputz [50]
Neue Funktion und Eigenschaften
PCM (Phase Change Material) sind
Substanzen mit einer hohen Schmelzbzw. Kristallisationswärme in einem speziellen Temperaturbereich. PCM sind in
der Lage größere Energiemengen aufzunehmen oder freizusetzen.
Die spezifische Schmelz- bzw. Kristallisationswärme dieser Stoffe ist 5 bis 14 mal
größer als die spezifische Wärme von
Wasser, Mauerwerk oder Felsgestein.
Latentwärmespeicher sind insbesondere für den sommerlichen Wärmeschutz
geeignet, da durch die Kappung von
Temperaturspitzen eine gleichmäßigere
Raumtemperatur erreicht werden kann.
Typische Latentwärmespeicherstoffe sind
z.B. Salzhydrate, Fettsäuren oder Paraffine.
Bild 3.68: PCM-haltiger Gipsputz unter dem Rasterelektronenmikroskop [50]
Gegenstand
Energiespeicherung durch Ausnutzung
der latenten Wärme, die bei Phasenumwandlung von fest zu flüssig spezieller
Stoffgruppen entsteht. Die temperaturabhängigen Änderungen der Struktur- und/
oder Kristallmodifikation finden im Temperaturfeld von 20 bis 30 °C statt.
Bild 3.69: Ausgleich der Temperaturspitzen,
nach [51]
45
Neue Baustoffe
Allgemein gilt für Latentwärmespeicher,
dass
- die Wärmespeicherkapazität um so
größer und der Temperaturverlauf um
so konstanter sind, je höher der PCMSpeicheranteil im Speichersystem ist,
- der Vorteil der latenten Wärmespeicherung in Bezug auf einen angestrebten
„Sollwert“ um so größer ist, je kleiner
die Temperaturdifferenz um diesen
Sollwert (z.B. „Wohlfühlwert“ bei der
Raum-Klimatisierung) schwankt und
- hohe PCM-Anteile in Speichern aus
compoundiertem8 Material den Bau von
kompakten Speichern ermöglichen.
Derzeit ist noch ein Preisnachteil gegenüber PCM-freien Baustoffen zu verzeichnen. Bei PCM-haltigen Ausbauplatten ist
der Materialpreis ca. 10 mal so hoch.
Weitere technische Details
Latentwärmespeicher im Baustoffsektor
bestehen in der Regel aus einem konventionellen Träger- bzw. Einbettungs-
material und einem Speichermaterial,
das in einem engen Temperaturintervall
latente Wärme (Schmelzenthalpie) bei
der Zuführung von Wärme aufnimmt („die
Umgebung kühlt“) und beim Abkühlen
(Erstarrungsenthalpie) wieder freisetzt
(„die Umgebung wärmt“). Nach den dabei
in diesen Materialien ablaufenden, reversiblen Phasenübergängen festflüssig
bzw. flüssigfest wurden der deutsche Terminus „Phasenübergang“ im englischen
Sprachgebrauch mit dem Begriff PCM
(Phase Change Materials) übersetzt.
Beispiele für Anwendungen
Innenputze und Gipsbauplatten als Energiespeicher und zur Klimatisierung von
Gebäuden, „Abfall“-Wärmenutzung, Wärmepumpensysteme, Laptop ComputerKühlung, Skibekleidung mit Ausnutzung
der Übergangswärmen.
Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig,
jedoch noch nicht in allen Fällen langfristig erprobt. Gegenstand sind insbesondere die Träger- und Einbettungsmaterialien.
3.3.3 Wärmedämmstoffe
Neue Wärmedämmstoffe für das Bauwesen sind nach ihren physikalischen
Wirkungsprinzipien einerseits in verbesserte konventionelle Dämmstoffe
und andererseits in Wärmedämmsysteme zu unterteilen, die bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen,
aber bisher noch nicht bei der Entwicklung von Baustoffen, Bauelementen und
Baukonstruktionen praktisch angewendet wurden.
Neue konventionelle organische und
anorganische Wärmedämmstoffe sind
z.B. Papierzellulose- und GraszelluloseDämmstoffe, Schaumgläser und mikroporöse Calciumsilicathydrat-Baustoffe.
Diese Dämmstoffe funktionieren auf
Grundlage der niedrigen Wärmeleitung
in luftgefüllten Porenräumen ohne we8
Compoundierte Materialien
sind Kunststoffe, denen Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder
andere Additive beigemischt
wurden, um deren Eigenschaften zu modifizieren.
46
sentlichen konvektiven Wirkungsanteil
sowie auf der Adsorption und Desorption von Wasserdampf durch kristalline,
oberflächenreiche und poröse Gefüge.
Neue Wärmedämmstoffe mit bisher noch
nicht – bei der Herstellung von Massenbaustoffen – angewendeten Wirkprinzipien betreffen die Anwendung von Vakuum-Dämmplatten zur Verminderung
des Wärmeabflusses aus Gebäuden
sowie die Wärmezuführung durch lichtdurchlässige Wärmedämmstoffe mittels
der so genannten „transluzenten Wärmedämmung“. (Siehe auch Kap. 3.2.4.1
Opake Fassaden.)
Neue Baustoffe
3.3.3.1 Organische Wärmedämmstoffe
b) Dämmstoffe aus nachwachsenden
Rohstoffen auf Basis von Schafwolle
a) Dämmstoffe aus nachwachsenden
Rohstoffen auf Basis von Zellulose
Bild 3.71: Graszellulose [53]
Bild 3.70: Einbringen von Zellulosedämmung aus
Altpapier [52]
Gegenstand
Neue organische, poröse Dämmstoffe
auf Zellulose-Basis mit Borverbindungen
gegen Pilze, Algen, Bakterien sowie zur
Sicherstellung des Brandschutzes.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die neuen organischen Dämmstoffplatten, -pellets und Einblasdämmungen aus
Abfallpapier (Zeitungen, alte Banknoten),
Holz und auf der Basis von Zellulose aus
extrahierten Gräsern weisen Rohdichtewerte zwischen 30 bis 150 kg/m³ auf. Die
Wärmeleitfähigkeit der Produkte liegt bei
0,040 – 0,060 W/(mK) und ist somit vergleichbar mit Polystyrol- und Mineralwollefaserplatten.
Stofflich-materialtechnische Probleme der
Anwendung dieser Wärmedämmstoffe
sind der Brandschutz und die Erfordernis des Schutzes gegen Schädlinge und
gegen die biologische Zersetzung der
Zellulose durch Pilze und Algen. Zur Erreichung dieser Zielsetzungen, speziell
zur Realisierung des Brandschutzes,
werden den Zellulose-basierten Dämmstoffen Borverbindungen (Borsäure:
Sassolin, Borax: Natriumborat, wasserhaltig) in Mengen zwischen 3 bis 18 %
bei Zellulose aus Altpapier und 3 bis 6%
bei Graszellulose zugesetzt.
Dadurch wird der Dämmstoffpreis signifikant erhöht und – was für einen so genannten ökologischen Baustoff besonders problematisch ist – der Wärmedämmstoff verwandelt sich aus der Sicht
eines späteren Rückbaus des Gebäudes
in Sondermüll. Vereinzelt werden boratfreie Produkte angeboten, die jedoch
einen geringeren Brandschutz aufweisen, was durch die sehr niedrige Brandschutzklasse B2 angezeigt wird.
Bild 3.72: Schafwolle als Dämmstoff [54]
Gegenstand
Schafwolle als normal entflammbares
Dämmmaterial, verwendbar als Wärmeund Schalldämmung nach DIN 18421
(VOB-C: Dämmarbeiten an technischen
Anlagen), DIN 4108 (Wärmeschutz im
Hochbau) und DIN 4140 (Dämmarbeiten
an betriebstechnischen Anlagen).
Neue Funktion und Eigenschaften
Die aluminium- und papierkaschierten
Schafwollmatten werden mit Schichtdicken von 40 bis 100 mm in den Handel gebracht und haben eine mittlere
Wärmeleitfähigkeit von 0,032 bis 0,033
W/(mK).
Diese Schafwollprodukte zeigen auch
bei gelegentlicher Durchfeuchtung einen
sehr hohen Widerstand gegen Verrottung und Ungeziefer. Schafwollen bilden
wegen ihrer Faserdicke von etwa 30 μm
keine lungengängigen Stäube. Sie sind
ein schwer brennbares Material mit guten flammenhemmenden Eigenschaften
wegen des hohen Stickstoffgehalts der
Fasern von 16 %. Die Fasern sind unter
Schwingungsbelastungen von Kulissenund Rohrschalldämpfern dauerhaft elastisch und bruchsicher.
47
Neue Baustoffe
Beispiele für Anwendungen
Dachdämmung, Außenwanddämmung,
Deckenauflage für abgehängte Decken,
Schallschutz- Maßnahmen, Rohr-, Armaturen- und Behälterisolierungen.
3.3.3.2 Anorganische Dämmstoffe
a) Dämmstoffe auf CalciumsilikathydratBasis
Für Innenwärmedämmungen sollte die
Plattendicke vorzugsweise 50 mm oder
dicker sein.
Bei der Montage ist auf vollflächige Verklebung der Platten zu achten, da sich
bei einer eventuellen Taupunktunterschreitung in Übergangszeiten entstehendes Kondenswasser im Hohlraum
zwischen Calciumsilikatplatte und Außenwand sammeln könnte, was nicht in
den Innenraum ausdiffundieren kann.
Es ist weiterhin darauf zu achten, dass
keine absperrenden Deckschichten aufgebracht werden dürfen. Tapeten- und
Anstrichsysteme müssen nach Angaben
der Calciumsilikatbaustoff-Hersteller ausgewählt werden.
b) Dämmstoffe auf Schaumglas-Basis
Bild 3.73: Wärmedämmplatten auf Calciumsilikathydrat-Basis [55]
Gegenstand
Kapillaraktives, mikroporöses kristallines
Calciumsilicathydrat-System – anorganische Ausbauplatten als Innenwärmedämmung.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die relativ neuen anorganischen Calciumsilikathydrat-Dämmstoffe sind feuchteunempfindlich, diffusionsoffen, mikroporös und nicht brennbar. Infolge der Mikroporigkeit können die Calciumsilikatbaustoffe durch Kapillarkondensation die
3-fache Feuchtigkeitsmenge im Vergleich
zu ihrer Eigenmasse aufnehmen und bei
ausreichender Energiezufuhr auch wieder verdampfen, ohne dass ein Taupunkt
auftritt. Die Anwendung der Ausbauplatten verbietet den Einbau einer konventionellen Dampfsperre.
Infolge der langzeitlich bestehenden
hohen Alkalität (pH-Wert etwa 10) der
kristallinen, mikroporösen Calciumsilikathydratplatten erfolgt kein Befall mit
Schimmelpilzen.
Die Montage der Calciumsilikatplatten erfolgt nach den Systemangaben der Hersteller im Allgemeinen nach folgenden
Arbeitstufen:
1. Grundierungsbehandlung der Platten,
2. Klebemörtel-Auftragung,
3. Dämmplattenanbringung,
4. Dämmspachtel- mit Gittergewebeauftrag und
5. Oberflächenspachtel- bzw. Oberflächen-Edelputz-Auftragung.
48
Bild 3.74: Dämmstoffplatten- und -formteile aus
Schaumglas [56]
Gegenstand
Geschlossenzelliges Schaumglas als
Granulat oder in Blöcken, Platten sowie
Formteilen.
Neue Funktion und Eigenschaften
Schaumglas besitzt eine hohe Druckfestigkeit, nimmt kein Wasser auf, ist praktisch
dampfdicht formstabil, schädlingssicher,
frost- ,verrottungs- sowie relativ säure- und
chemikalienbeständig und nicht brennbar.
Rohstoffgrundlage der Blähglasherstellung
sind Altgläser aus dem Recycling-Bereich
Auto-Altglas und Flaschen-Altglas.
Beispiele für Anwendungen
Schaumglasplatten werden verwendet für
1. begehbare und befahrbare Kompaktdächer,
2. Bodendämmungen und Perimeterdämmungen,
3. Innenwanddämmungen,
4. Deckendämmungen,
5. Dämmungen für den Sockelbereich
von Passivhäusern.
Der Kontaktbereich zwischen Schaumglasgranulat als Wärmedämmschicht
für flach gegründete Gebäude mit Fundamentbetonplatte darf nicht dauerhaft
durch Grundwasser, Schichtenwasser
etc. durchnässt sein.
3.3.3.3 Transluzente (lichtdurchlässige)
Wärmedämmung (TWD)
Neue Baustoffe
Haupteinsatzgebiet von Schaumblähglasgranulat ist die Dämmung von Fundamentplatten und von Kellerwänden
(Perimeterdämmung), die Hohlraumdämmung von Decken, die Ausfüllung zweischaliger Mauerwerke und die Herstellung geneigter Dächer.
Ein weiterer Einsatzbereich von feinkörnigem Blähglasgranulat ist die Verwendung als Zuschlag für Leichtputze.
den tragenden Wandbildner Baustoffe
mit hoher Rohdichte, z.B. Kalksandstein
oder Beton verwendet.
Lichtdurchlässige Dämmstoffe sind Hohlkammerstrukturen aus Kunststoff oder
Glas, Kartonwabenstrukturen, spezielle
Mineralfaserschichten, Nanogel aus hydrophobierter Kieselsäure, etc.
Im Sommer und in der Übergangszeit
kann es bei starker Sonneneinstrahlung
zur Überhitzung des Systems kommen,
so dass in der Regel ein temporärer
Sonnenschutz durch Verschattungsanlagen und/oder durch eine Hinterlüftung
erforderlich sind.
Ein Nachteil ist der derzeit noch hohe
Preis, der sich bei ca. 200 €/m² bewegt.
Beispiele für Anwendungen
Anwendungsmöglichkeiten siehe Kap.
3.1.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe
(TWD) auf opaker Außenwand.
3.3.3.4 Evakuierte Wärmedämmung
„Vakuumdämmung“
Bild 3.75: lichtdurchlässiger Dämmstoff: Nanogel [57]
Gegenstand
Lichtdurchlässige Wärmedämmstoff für
eine transluzente Wärmedämmung TWD
zur passiven solaren Energiegewinnung
- mit Hohlkammerstrukturen, Umwandlung von kurzwelligem Licht in Wärmestrahlung.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die lichtdurchlässigen Wärmedämmstoffe
sind die Grundlage für das Konstruktionsprinzip der TWD für den Wärmeschutz und die solare Energiegewinnung
analog zum biologischen System „Eisbärenfell“ 9.
Zur Umwandlung der Lichtenergie in Wärmestrahlung werden Absorberschichten
auf einer schwarz gestrichenen Absorberwand verwendet. Die Wände wirken
als Niedertemperatur-Strahlungsheizkörper, somit können Wärmeverluste vollständig vermieden und darüber hinaus
Energiegewinne von 100 kWh/(m²a) und
mehr erreicht werden. Um einen hohen
Wirkungsgrad zu erzielen, werden für
Bild 3.76: Vakuum-Isolations-Panele im Schnitt [38]
Gegenstand
Vakuum-Dämmplatten, Vakuum-IsolationsPaneele, evakuierte Hohlräume mit Stützstrukturen aus Polyurethan und Kieselgel.
Neue Funktion und Eigenschaften
Neu entwickelte Vakuumdämmplatten ermöglichen es bei vergleichbaren
Dämmwerten mit konventionellen Fassadenvollwärmeschutz, die Dicke der
Dämmstoffschichten um den Faktor 5
bis 10 zu reduzieren. Dieser Sachverhalt ist für die nachträgliche Wärmedämmung von Altbauten, die häufig mit dem
Argument „kein Platz für die Dämmung“
abgelehnt wird, von besonderer Bedeutung. Damit verbunden könnte ein Teil
des im Altbaubereich steckenden Reduzierungspotenzials für den Energieverbrauch bei der Gebäudenutzung von ca.
600 Mrd. kWh/a aktiviert werden.
9
Die transluzente Wärmedämmung hat einen ähnlichen Effekt wie das Eisbärenfell: Die Haare des
Eisbären sind hohl, wirken
durch die eingeschlossene
Luft isolierend und leiten
gleichzeitig das Sonnenlicht
zur dunklen Hautoberfläche.
49
Neue Baustoffe
Das Konzept der Anwendung der Vakuumdämmtechnik des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung
in Würzburg beruht auf der Verwendung
von gasdichten Umhüllungsfolien und
einem (partiell) evakuierten Dämmkern
aus mikroporöser Kieselsäure, deren
Wärmeleitfähigkeit wenig empfindlich auf
einen ansteigenden Gasdruck ihrer Umgebungsatmosphäre (λ = 0,005 W/(mK)
bei 10 mbar, λ = 0,008 W/(mK) bei 100
mbar Gasdruck) ist.
Offene Fragen werden im Rahmen von
Pilotprojekten durch die Bearbeitung von
Kleinflächenerprobungen und großen
Demo-Projekten aufgedeckt und gelöst.
Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeiten ist die Entwicklung von langzeitlich
gasdichten Folien (Wasserdampf, Sauerstoff, organische Umweltschadstoffe etc).
Beispiele für Anwendungen
Anwendungsmöglichkeiten siehe Kap.
3.1.4.1 Opake Fassaden – Vakuumdämmung.
3.3.4 Feuchteschutz
Feuchteadaptive Dampfbremse (FADAB)
Bild 3.77: Funktionsweise der feuchteadaptiven
Dampfbremse [58]
Gegenstand
Feuchteadaptive „intelligente“ Dampfbremse – Polymerstruktur und Wassereinlagerungs-/ -durchlässigkeitseigenschaften.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die neue, feuchteadaptive Dampfbremse besteht aus einer Folie aus Polyamid
(Nylon), deren Dampfdurchlässigkeit im
feuchten Zustand deutlich höher ist als
im trockenen Zustand.
Das feuchteadaptive Verhalten der Polyamidfolie beruht auf ihrer Eigenschaft,
um so mehr Wassermoleküle zwischen
die langkettigen Polymermoleküle einzulagern, je höher die Umgebungsluftfeuchte ist. Dadurch schaffen sich die
Wassermoleküle praktisch ihre eigenen
Porenräume, in denen sie stark beweglich sind. Unter trockenen Umgebungs-
50
bedingungen werden entsprechend weniger Wassermoleküle sorbiert, mit der
Folge, dass die Dampfdurchlässigkeit
deutlich abnimmt.
Bei niedrigen relativen Luftfeuchten im
Winter ist der Wasserdampfdiffusionswiderstand 10 mal höher als im Sommer bei
hohen relativen Luftfeuchtigkeitswerten.
D. h. in der Tauperiode (Wintermonate)
wird das Eindiffundieren von Feuchte
gehemmt, in den Sommermonaten (Verdunstungsperiode) das Ausdiffundieren
aus der Konstruktion begünstigt.
Die Polyamidfolie ist schwer entflammbar, besitzt eine etwa 3 mal so hohe
Reißfestigkeit wie Polyethylen und hat
eine hohe Sperrwirkung gegen Sauerstoff und organische Stoffe in der Luft
(z.B. Holzschutzmittel, Aromastoffe).
Über das Langzeit-Alterungsverhalten
der PA-Folie unter baupraktischen Bedingungen gibt es derzeit keine publizierten Befunde.
Weitere technische Details
Der Dampfdiffusionswiderstand (sd-Wert)
liegt bei 90 % r.F. bei sd = 0,40 m und bei
30 % r.F. bei sd = 4 m.
Beispiele für Produkte
PA-Folie, 15 bis 25 Mikrometer Dicke,
Polyamid-Folie PA 6 und Verbundfolie
mit PE-LD (insbesondere für Lebensmittel-Verpackungen), Ultramid-Folie.
Neue Baustoffe
3.3.5 Materialien mit Selbstreinigungseffekt
Neue Baustoffe mit Selbstreinigungseffekt beruhen auf gezielten Veränderungen ihrer Oberflächeneigenschaften,
speziell ihrer Oberflächenenergiezustände gegenüber Wasser (Kontaktwinkel),
Wasserdampf und anderen in der Umgebungsluft enthaltenen Inhaltsstoffen, wie
z.B. volatilen organischen Verbindungen
VOC, Stäuben, Schwefel- und Stickoxiden, Rußpartikeln, Bakterien, Sporen,
Pilzen etc.. Diese Stoffe lagern sich auf
Baustoffoberflächen ab, besiedeln diese
und tragen dort zur Bildung von Biofilmen bei, die stoffspezifisch unterschiedlich zur Verschmutzung bis hin zur Zerstörung von Baustoffoberflächen führen
können.
Eine sehr effektive Methode zur Reinhaltung von Baustoffoberflächen ist die
Selbstreinigung von Oberflächen nach
dem Prinzip der Photokatalyse in Verbindung mit Wasser ( z.B. Regen). Dieses
Prinzip beruht auf den Halbleitereigenschaften des Titanminerals Anatas, das
in die Baustoffoberflächen eingebaut
wird. Durch Energieeintrag der natürlichen UV-Strahlung (im Wellenlängenbereich von 320 bis 390 nm (UV-A))
bilden sich Sauerstoffradikale und Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) auf der
Materialoberfläche. Die hohe Dichte der
oberflächenständigen OH-Gruppen bewirkt – über die Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers – eine stark hydrophilierte Oberfläche (Wasser „liebende“
bzw. „wasseranziehende“ Oberfläche.
Anhaftende Schmutzpartikel werden
z.B. durch Regenwasser unterwandert,
wodurch die Schmutzteilchen selbsttätig
von der Oberfläche abgewaschen werden.
Eine andere sehr effektive Methode zur
Reinhaltung von Oberflächen ist die Hydrophobierung von Oberflächen, d.h. die
Senkung der Oberflächenenergie des
Substrats, verbunden mit einer Steigerung des Abperlverhaltens (Kontaktwinkels) von Wasser durch Silizium-organische oder fluorhaltige Substanzen.
Ein weiterer Effekt der bakteriellen Reinhaltung von z.B. Textilien – wie Teppiche
und Stoffe – beruht auf der Anwendung
der Silbernanopartikel-Technologie.
3.3.5.1 Photokatalytisch wirksamer
Beton
Bild 3.78: Beispiel: Neue katholische Kirche
„Dives in Misericordia“, Rom [59]
Gegenstand
Photokatalytisch modifizierter selbstreinigender Beton entsteht durch Zusatz
von Titandioxid in der Kristallform Anatas
TiO2 zum Betongemenge, vorzugsweise
von Beton auf der Basis von Weißzement und weißen Zuschlägen.
Neue Funktion und Eigenschaften
Selbstreinigung der Betonoberfläche gegen Verschmutzung durch organische
Verbindungen in der Luft (Mineralölkohlenwasserstoffe MKW, Ruß) und durch
biogene Systeme (Algen, Moose). Die
Wirkung beruht auf der photokatalytischen Zersetzung der organischen Verbindungen durch freie Sauerstoffradikale, die bei der katalytischen Zersetzung
des Wassers durch UV-Strahlung an der
Anatas-Oberfläche entstehen. Damit verbunden, wird z.B. die Ablagerung eines
MKW-Fettbelages auf der Betonoberfläche verhindert.
Weitere technische Details
Chemisch-stoffliche Problemkreise bei
der Anwendung von photokatalytisch modifiziertem weißem Beton sind die Bildung
von Stickstoffoxiden (NOx) und die schnelle Oxidation von Schwefeldioxid aus der
Luft an der Betonoberfläche zu Nitraten
und Sulfaten. Diese Verbindungen bilden im Kontakt mit der Betonoberfläche
leichtlösliche Alkali- und Calciumsalze;
diese dringen in den Beton ein und tragen neben der herkömmlichen Karbonatisierung zur Versäuerung der Randzone
der Baustoffe unter Bildung von Calciumnitrat und Gips bei.
51
Neue Baustoffe
Damit verbundene Sekundärreaktionen
können zur Baustoffkorrosion in carbonatisch-silicatisch-aluminatisch gebundenen Baumaterialien durch Treibvorgänge führen (Gipsbildung, Ettringitbildung,
Thaumasitbildung) sowie durch Aufhebung der Passivierung zum frühzeitigen
Rosten von Bewehrungsstahl (schlaffe
Bewehrung) führen oder im Falle von
Spannbeton eine nitratinduzierte Spannungsrisskorrosion verursachen.
Als Maßnahme zum Schutz gegen Betonkorrosion infolge von photokatalytisch wirksamen weißem Beton ist die
neue katholische Kirche „Dives in Misericordia“ in Rom aus den o.g. Gründen
unter Verwendung von säurepuffernden
karbonatischen Zuschlägen (Marmor)
und unter Verwendung von Edelstahl als
Bewehrungsstahl gebaut worden.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die Selbstreinigungswirkung beruht nach
Angaben des Herstellers sowohl auf
dem bereits beschriebenen Schmutzabspüleffekt (hydrophilierte Oberfläche) als
auch auf der oxidativen Zerstörung von
hydrophoben organischen Verbindungen
(Fette, Ruß) durch Sauerstoffradikale,
die bei der katalytischen Zersetzung
des Wassers an der Anatas-Oberfläche entstehen. Damit verbunden, wird
die Ablagerung eines „Fettbelages“ und
die Senkung der Oberflächenspannung
durch fettige Maskierungsschichten auf
der Glasoberfläche verhindert.
Der wirtschaftliche Vorteil der Anwendung von phototokatalytisch wirksamem
Glas ist die Kosteneinsparung bei der
Gebäudereinigung.
Stoffliche und Wirkungsprobleme sind
bisher keine bekannt geworden.
3.3.5.2 Hydrophiliertes Glas
Die Breitenanwendung wird derzeit noch
behindert, Grund ist der hohe (gegenwärtig etwa doppelte) Preis vergleichsweise
zum normalen, nicht hydrophilen Spiegelglas aus der Floatglastechnologie. Dem
gegenüber steht der stark verminderte
Aufwand für Reinigung und Pflege.
Bild 3.79: Funktionsweise hydrophiliertes Glas
Beispiele für Anwendungen
Glasfassaden, Fenster, Wintergärten etc..
3.3.5.3 Hydrophobiertes Glas
Bild 3.81: Wassertropfen Bild 3.82: Hydrophobierauf einer siliconisierten tes Glas [61]
Oberfläche [60]
52
Bild 3.80: hydrophiliertes Glas [43]
Gegenstand
Hydrophobiertes, selbstreinigendes Glas
mit veredelter Oberfläche.
Gegenstand
Hydrophiliertes, selbstreinigendes Glas.
Es handelt sich um ein – auf der Basis
von UV-Strahlung – photokatalytisch
wirksames Glas mit einer eingeschmolzenen Beschichtung aus Anatas (TiO2Modifikation).
Neue Funktion und Eigenschaften
Der Selbstreinigungseffekt entsteht hier
durch starke Hydrophobierung (Abperlen
von Wasser) durch Einbrennen von Siliconöl oder Erzeugung einer definierten
Mikro-Rauhigkeit. Hydrophobierte Beschichtungen verringern Kalkablage-
Eine Anwendung im Außenfassadenbereich setzt allerdings die genaue Kenntnis des Wandaufbaus und der bauphysikalischen Gegebenheiten voraus, um
Feuchtestau durch ein „Einsperren“ von
Feuchtigkeit zu vermeiden. Ggf. müssen
hydrophobierte Maßnahmen aufgefrischt
werden.
Noch bestehen wirtschaftliche Vermarktungsprobleme wegen des 2-fachen
Preises, verglichen mit Normal-Glas,
der z.T. durch den geringeren Pflegeaufwand kompensiert wird.
Beispiele für Anwendungen
Duschwände, Leder, Schlagregenschutz
bei Außenfassaden.
3.3.5.4 Wasserabweisendes hydrophobiertes Plexiglas (PMMA)
Gegenstand
Hydrophobiertes Plexiglas PMMA (Polymethylmethacrylat)
Neue Funktion und Eigenschaften
Herkömmliches Plexiglas (PMMA) weist
bedingt durch seine chemische Struktur
– insbesondere durch seine hydrophilen
Carboxy-Gruppen – einen relativ stark
polaren Oberflächenenergieanteil von ca.
30 % der Gesamtgrenzflächenenergie
auf. Dies bewirkt eine relativ starke Wassersorption und Schmutzverklebung.
Durch die chemische Modifizierung der
PMMA-Oberfläche, die nicht offengelegt
ist, wird die Senkung der polaren Energieanteile der Oberfläche bewirkt und
die Haftung des Wasser wird signifikant
vermindert. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit, Oberflächenreinheit und
Lichtdurchlässigkeit des Plexiglases
verbessert.
Beispiele für Anwendungen
Das dauerhafte, hydrophobierte Plexiglas
ist für hochwertige lichtdurchlässige Terrassendächer und Carports geeignet.
Neue Baustoffe
rungen im Sanitärbereich. Technische
Probleme sind hierbei keine bekannt
geworden.
3.3.5.5 Hydrophobiertes Polyurethan
Gegenstand
Hydrophobiertes Polyurethan (PUR)
Neue Funktion und Eigenschaften
Dauerhaft hydrophobiertes Polyurethan
für Anstrichstoffe und PUR-Plastikmaterial wird durch die Oberflächen-Fluorierung des Polyurethans hergestellt.
Herkömmliches PUR weist, bedingt durch
seine chemische Struktur – insbesondere durch seine hydrophilen IsocyanatGruppen, einen relativ stark polaren
Oberflächenenergieanteil von ca. 20 %
von der Gesamtgrenzflächenenergie auf.
Daraus resultieren eine relativ starke
Wassersorption und relativ geringe Hydrolysebeständigkeit. Bei küstennahen
Gebäuden bewirken Wassersorption und
Salzanlagerung häufig zusätzliche Korrosionsprobleme. Durch die Oberflächenfluorierung wird in gewisser Analogie
zum Polytetrafluorethylen (PTFE) eine
signifikante Senkung der spezifischen
Oberflächenenergie und des Effektes
der Wasserabweisung von PUR-Anstrichstoffen bewirkt.
Beispiele für Anwendungen
Gartenstühle
3.3.5.6 Hydrophilierte Feinkeramik
Bildung eines dünnen Wasserfilms auf der hydrophilierten
Fliesenoberfläche, der Verschmutzungen unterwandert
und sich einfacher entfernen lässt.
Bild 3.83: Wirkweise der hydrophilierten Feinkeramik [62]
Gegenstand
Die hydrophilierte Feinkeramik ist eine
selbstreinigende Wand- und Bodenkeramik.
53
Neue Baustoffe
Neue Funktion und Eigenschaften
Es handelt sich um eine – auf der Basis von UV-Strahlung – photokatalytisch
wirksame Keramik mit einer eingeschmolzenen Beschichtung aus Anatas
(TiO2-Modifikation). Derartig ausgerüstete Keramik-Fliesen wirken antibakteriell
gegen organische Geruchsbildner und
Bakterien sowie gegen Algenbildung und
Vermoosung. Die Wirkung beruht auf der
photokatalytischen Zersetzung der organischen Verbindungen durch freie Sauerstoffradikale, die bei der katalytischen
Zersetzung des Wassers an der AnatasOberfläche entstehen.
Nachteilige Effekte, wie z.B. ein Versagen der Hydrophilie, sind bisher nicht
bekannt geworden.
Beispiele für Anwendungen
Vorteilhaft einsetzbar ist diese Keramik
in Krankenhäusern (Anti-Keimwirkung)
und für Keramik-Fassaden in Bereichen
starker Verschmutzungsgefahr durch organische Verbindungen, so z.B. in der
Nähe von Wärmekraftwerken (Beispiel:
Viborg, Dänemark).
3.3.5.7 Hydrophilierte Grobkeramik
Bild 3.83: Dachziegel als Beispiel für photokatalytisch ausgestattete Grobkeramik [63]
Gegenstand
Hydrophilierte Grobkeramik
Neue Funktion und Eigenschaften
Es handelt sich um eine auf der Basis
von UV-Strahlung wirkende photokatalytisch wirksame Keramik mit einer anorganisch-thermischen Fixierung der
Anataspartikel. Derartig ausgerüstete
Grobkeramikerzeugnisse wirken gegen
Verschmutzung und Algenbildung und
Vermoosung. Die Wirkung beruht auf
der photokatalytischen Zersetzung der
organischen Verbindungen durch Hydroxyl- und aktive Sauerstoffradikale, die
aus oberflächlich angelagertem Wasser
und Luftsauerstoff durch UV-Licht an der
Anatasoberfläche entstehen.
Beispiele für Anwendungen
Dachziegel und Kamine
3.3.6 Materialien mit Luftreinigungseffekt
3.3.6.1 Luftreinigende Beschichtungen
- photokatalytisch wirksame
Baustoffoberflächen
In der Raumluft
schwebende
Stoffe und Gase
treffen auf die
Farboberfläche
der Wand und
der Decke.
Licht aktiviert
den Katalysator
in der Farbe
und baut an der
Grenzoberfläche
die Stoffe in Bestandteile ab.
Das Ergebnis:
Spürbar bessere Raumluft.
Bild 3.85: Herstellerangabe: Wirkweise des Innenraumanstrichs mit Luftreinigungseffekt [41]
Gegenstand
Photokatalytisch modifizierter Beton mit
luftreinigenden (NOx-abbauenden) Eigenschaften entsteht durch Zusatz von
Titandioxid in der Kristallform Anatas
zum Baustoffgemenge und/oder zum
Anstrichstoff.
54
Neue Funktion und Eigenschaften
Mit Anatas modifizierte Bauwerksoberflächen können nach den Befunden aus
dem EU-Projekt PICADA (Photo-Catalytic-Innovativee Coverings Applications
for Depollution Assessment) gegen Luftverschmutzung durch organische Verbindungen in der Luft (VOC, Ruß), Stickoxide, Schwefeloxide und NOx in städtischen und industriellen Ballungszonen
eingesetzt werden.
Wie im EU-Projekt PICADA untersucht
und nachgewiesen wurde, können photoaktive Oberflächen NOx-Gase wirksam
abbauen und mitwirken, den von der EU
vorgeschriebenen oberen Grenzwert von
Stickoxiden von 40 mg NOx/m³ Luft in Industrie- und Stadtzentren einzuhalten.
Zu beachten ist dabei allerdings, dass
Probleme mit frühzeitiger Betonkorrosion auftreten können (sh. Kap. 3.2.5.1
Photokatalytisch wirksamer Beton).
Neue Baustoffe
Neben der allgemeinen luftreinigenden
Funktion im Bereich der UV-Strahlung
ermöglichen modifizierte Anatas-Strukturen eine photokatalytische Wirkung
bereits im Wellenbereich des sichtbaren
Lichts, was besonders für Beschichtungen im Innenraum interessant ist.
(Siehe auch Abs. 2 in Kap. 3.2.5 Materialien mit Selbstreinigungseffekt.)
Aussagekräftige Erfahrungswerte aus der
praktischen Anwendung können derzeit
noch nicht genannt werden.
tischen Abbau organischer Schadstoffe
in Innenräumen, die aus Baustoffen, Mobiliar oder der Raumnutzung stammen
können.
Technische oder funktionelle Probleme
aber auch das Preisgefüge sind nicht
bekannt. Es gibt noch Untersuchungsbedarf in Bezug auf die Lebenszyklusbetrachtung bei Gipsputzsystemen, da
noch Entsorgungslösungen entwickelt
werden müssen.
b) Lehmputz
3.3.6.2 Innenputze
a) Gipsputz
Bild 3.86: Herstellerangabe: Wirkweise des Innen
putzes mit Luftreinigungseffekt [64]
Gegenstand
Zersetzung von organischen Luftschadstoffen durch Photokatalyse durch Zugabe von Anatas-Pulver (TiO2) in GipsSpachtelmasse
Neue Funktion und Eigenschaften
Durch den photokatalytischen Effekt von
Anatas, UV-Strahlung und Feuchtigkeit
werden organische Luftschadstoffe aus
dem Innenraum, die sich auf der Gipsputzoberfläche absetzen, zu Wasser und
Kohlendioxid abgebaut.
Das gipsbasierende Innenputz-Produkt
stellt eine folgerichtige Weiterentwicklung
dieses allgemeinen Entwicklungstrends
aus dem Bereich der hydraulisch-mineralisch gebundenen Baustoffe (Analogie
zum Beton und zu Geopolymermörteln)
dar.
Der Produkteinsatz führt bei der Innenraumnutzung zu einem photokataly-
Bild 3.87: Herstellerangabe: Grafische Darstellung
der Luftfeuchtesortion von Lehmputzen
und Nicht-Lehmputzen [65]
Bild 3.88: Innenausbau mit Lehmbauplatte [65]
Gegenstand
Feuchteregulierende und Luftschadstoffe aufnehmende und abbauende Sanierputze und Lehmbauplatten.
Neue Funktion und Eigenschaften
Sanierputze und Lehmbauplatten sind
umweltfreundliche, das Wohnraumklima
positiv beeinflussende, recyclebare Baustoffe, mit einer Vielzahl von Vorteilen:
Regulierung der Luftfeuchte in Bereichen
55
Neue Baustoffe
der relativen Luftfeuchtigkeit von 45 bis
55 %, gute Schalldämmung, Dämpfung
bis Totalabsorption von hochfrequenter
Strahlung, Aufnahme und Abbau von
Luftschadstoffen wie flüchtig organische
Verbindungen (VOC) allgemein, Tabakrauchinhaltsstoffe, Aldehyde, Stickoxidverbindungen u.a..
Untersuchungsergebnisse zur Schadstoffabbaukapazität von flüchtig organischen
Verbindungen haben gezeigt, dass Lehmbaustoffe das Lösemittel Propanol schneller absorbieren können als Gipskarton
oder Porenbetonsteine. [66]
Zur Verbesserung der Abbaueigenschaften von Formaldehyd wurden ein
spezieller Sanierungsputz auf Lehmbasis entwickelt, der Lehme mit hoher
Sorptionskraft und zusätzlich Schafwollhaare enthält.
Über die Wechselwirkung zwischen Wolle und Formaldehyd ist seit 1949 und genauer seit 1964 bekannt, dass Wollproteine in zwei Reaktionsschritten einen
vollständigen Abbau von Formaldehyd
bewirken, in dem das Formaldehyd-Molekül unter Wasserbildung zu einer Methylenbrücke zwischen zwei Polypeptidketten kondensiert.
Weitere technische Details
Die Schadstoffbindung aus der Luft
durch Lehmbaustoffe beruht auf der
Ladungsverteilung insbesondere in den
Dreischicht-Tonmineralien. Moleküle mit
einem Elektronendefizit können ebenso
wie die Metallkationen K+, Ca 2+ , Mg 2+
u.a. von den negativ geladenen SilicatAluminat-Schichten gebunden werden.
Aber auch Moleküle, die nicht in Ionenform vorliegen, sondern in denen die
Ladung nur räumlich verteilt ist (polare
Verbindungen), können an Tonmineralen
angelagert werden.
3.3.6.3 Photokatalytisches Papier
Bild 3.89: Funtionsweise des photokatalytischen
Papiers nach Herstellerangabe [67]
Gegenstand
Absorption und Abbau von organischen
Luftschadstoffen durch anatasgestützte
Photokatalyse
Neue Funktion und Eigenschaften
Photokatalytisch wirksames Papier trägt,
durch Einbau von photokatalytisch wirksamen Titandioxid (Anatas) in die Papiermasse, zur Verbesserung der Raumluftqualität im Innenraum bei.
Durch den photokatalytischen Effekt
werden Bakterien, Viren, Milben, Pilze
und organische Luftschadstoffe, die von
„building related illness (BRI)“ her bekannt sind, wie Formaldehyd, chlorierte
Kohlenwasserstoffe, Tabakrauch-Inhaltsstoffe (bis zu 1000 Verbindungen), Autoabgase, Gerüche, z.B. Ammoniak, Harnstoff etc., abgebaut.
Tapeten oder Möbelfolien dürfen nicht
mit absperrenden Deckschichtbildnern
überstrichen werden.
Beispiele für Anwendungen
Jalousien, Lampenschirme, Möbeloberflächen und Raumteiler (Paravents).
3.3.7 Weitere Innovative Farb- und Putzsysteme
3.3.7.1 Mikronisierte Farbpigmente
Bild 3.90: Farbpigmente [68]
56
Gegenstand
Einfärbung von anorganischen und organischen Bau- und Werkstoffen durch
mikronisierte Farbpigmente mit hoher
Partikeldispersion und Deckkraft durch
Pigmentpartikel im Nanomaßstab.
3.3.7.2 Putz- und Anstrichsysteme zur
Verminderung von Algenbildung auf WDVS
Bild 3.91: Biologischer Bewuchs auf WDVS [58]
Gegenstand
Verminderung von biologischen Bewuchs
auf Wärmedämmverbundsystemen mit
Hilfe von Infrarotstrahlung reflektierenden
Fassadenfarben, ggf. in Kombination mit
PCM (Phase Change Materials, siehe
Kap. 3.3.2.1 Latentwärmespeicher durch
Phasenumwandlung in Baustoffen).
Neue Funktion und Eigenschaften
Biologischer Bewuchs, wie z.B. Algen,
bildet sich vorwiegend dann auf Wärmedämmverbundsystemen, wenn Oberflächentauwasser vorhanden ist.
Die Ursache ist, dass diese Putz- und Anstrichsysteme von den „warmen“ Wandbausystemen abgekoppelt sind und
selbst über keine eigene ausreichende
Wärmekapazität verfügen. Deshalb wurden in den vergangenen Jahren mehrere Ansätze entwickelt, die auf der Erhöhung der Wärmekapazität des Putzes
beruhen:
Neue Baustoffe
Neue Funktion und Eigenschaften
Für die massemäßige Verminderung der
Zusatzmengen von anorganischen Farbpigmenten auf der chemischen Basis
von Magnetit, Mangan-Eisen-Spinellen,
Chromoxiden etc. wurden in den vergangenen Jahren sehr feinteilige Pigmente,
so bezeichnete „mikronisierte Pigmente“
entwickelt.
Es handelt sich um einfach handhabbare
Pigmentsuspensionen, die bei der Herstellung von Ortbeton, Betonfertigteilen
und Betonpflastersteinen eingesetzt werden, d.h. für bewehrten und unbewehrten
Beton nach EN 12878 ( Pigmente zum
Einfärben von zement- und/oder kalkgebundenen Baustoffen – Anforderungen
und Prüfverfahren).
Vorherrschende Teilchengröße: 0,15 bis
0,6 μm (150 bis 600 nm).
Nachteile sind nicht bekannt.
Auf ein WDV-System auf der Basis von
geschäumtem Polystyrol (EPS) mit einer
EPS-Dicke von 10 cm und einem Wärmedurchgangskoeffizienten U = 0,35 W/m²K
wurden verschiedene Deckschichten zur
Oberflächenabdichtung aufgetragen [69],
u. a. :
- mehrere IR-reflektierende Farbanstriche
- Einsatz eines Latentwärmespeichersystems (PCM-Systems aus optimiertem Paraffin) mit 5 mm Dicke unter
der Putzschicht und
- Einsatz eines PCM-Systems von 5 mm
Dicke unter der Putzschicht aus optimiertem Paraffin und zusätzlichen IRreflektierenden Anstrichen.
Das Untersuchungsergebnis zeigt, dass
die Infrarotstrahlung reflektierende Fassadenfarben durch die Eigenschaft der
Taupunktunterschreitung niedrigere Emissionsgrade e = 0,49 - 0,59 aufweisen als
handelsübliche Farben des gleichen Farbtons (Emissionsgrade e von 0,84 - 0,94).
Durch die geringere Wärmeabstrahlung
W/m² [70] und den verbleibenden höheren
Oberflächentemperaturen kann die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer
um etwa 30 % vergleichsweise zu einem
Standardsystem vermindert werden.
Eine Latentwärmespeicherschicht auf
der Basis von schmelzpunktoptimiertem Paraffin mit einer Schichtdicke von
5 mm, die unter einer dünnen Putzschicht angeordnet ist, kann die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer
sogar um 70 % reduzieren.
Durch eine Kombination von IR-Wirksamkeit und PCM lässt sich naturgemäß
das beste Ergebnis erzielen: Hierbei
sind signifikante Verminderungen der
Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer von 100 % (Vergleichssystem) bis
auf ca. 13 % nachweisbar.
Die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer hängt unter vergleichbaren Bedingungen in den frühen Morgenstunden
außerdem vom chemischen Aufbau (Hydrophobizität) und der Oberflächenstruktur der Wandanstrichsysteme ab. Im Falle
der Tauwasserbildung an der Außenfläche
des Gebäudes ist die Oberflächenfeuchte bei der mikrostrukturierten Oberfläche
einer Mikrostrukturfarbe (mit Lotuseffekt)
am höchsten. Im Gegensatz zur Befeuchtung mit großen Regentropfen perlen die
kleinen Tauwassertröpfchen nicht ab,
57
Neue Baustoffe
sondern verbleiben auf der Oberfläche.
Nicht wesentlich besser ist die Situation
mit einer Silikonharzfarbe, während eine
Dispersionssilikatfarbe am schnellsten
eine trockene Oberfläche aufweist. Dies
ist auf ihre etwas geringere Hydrophobie zurückzuführen, so dass ein Teil des
Oberflächenwassers durch Kapillartransport vom Untergrund aufgenommen wird
[71].
Ein wichtiges künftiges Forschungsfeld
für die Weiterentwicklung der bauphysiklischen Eigenschaften von Putzoberflächen und Anstrichstoffen gegenüber
Schlagregen und Tauwasser ist das Gebiet der Beständigkeit von IR-wirksamen
Farben und von PCM-Systemen in Außenwandsystemen sowohl unter Laborals auch Feldbedingungen. Hier bedarf
es weiterer Untersuchungen [72].
3.3.8 Neue Bautenschutzmittel
3.3.8.1 Tiefenhydrophobierung und
Beton-Korrosionsschutz
Bild 3.92: Sanierungsfall Balkonbewehrung [73]
Gegenstand
- Einsatz von Silan- und Siliconprodukten
zur Senkung der Oberflächenenergie
und Erhöhung der Hydrophobizität der
Oberflächen der Beton-Kapillarporen.
- Anwendung maßgeschneiderter Siliconbautenschutzmittel für die Hydrophobierung von Beton-, Mörtel-, Ziegel
und andere kapillaraktive, äußere Bauwerksoberflächen.
Neue Funktion und Eigenschaften
Die Vorteile des präventiven Betonschutzes durch Tiefenhydrophobierung
beruhen auf der Verhinderung von Schadensmechanismen am Beton durch
Frost-Tausalz-Angriff und chlorid-induzierte Korrosion des Bewehrungsstahls.
Der Vorgang beruht auf der kapillarkraftbrechenden Wirkung der Hydrophobierungsmittel und der damit verbundenen
Verhinderung der Wasser- und Salzwasser-Aufnahme des Betons.
Neu entwickelte alkalistabile Silane verhindern das Ablaufen von der vertikalen
Betonoberfläche und setzen die Verdunstung von flüchtigen Silanen so weit
herab, dass der Untergrund die Silane
über einen längeren Zeitraum aufnehmen (aufsaugen) kann.
58
Durch die hohen Kontaktzeiten sind in
der Praxis wirksame Eindringtiefen von
5 bis 12 mm realisierbar (Tiefenhydrophobierung).
Im Vergleich dazu können konventionelle
Makro- oder Mikroemulsionen nur 1 bis 2
mm in die Betonoberfläche eindringen.
Die Verhinderung der Wiederbefeuchtung von Beton infolge einer starken
Hydrophobierung führt zu einer ständig
fortschreitenden Austrocknung des gesamten Betonquerschnitts, verbunden
mit ansteigenden Schwindungswerten
und einer evtl. schnell ansteigenden Karbonatisierungstiefe. Die damit verbundenen langzeitlichen Auswirkungen der Tiefenhydrophobierung von Brückenbetonen
auf einen möglichen Schwindspannungsaufbau und Schwindrissbildungen sowie
verstärkte Karbonatisierung und Stahlkorrosion im „austrocknenden“ Beton sind
bisher noch nicht systematisch erforscht.
Diesbezüglich werden gegenwärtig umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.
3.3.8.2 „Easy to Clean“ Oberflächen
Bild 3.93: Entfernung von Graffiti [73]
Gegenstand
Korrosionsschutz (corrosion control),
Graffitischutz (graffiti controll) und Oberflächenreinhaltung (easy-to-clean surfaces) durch Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen.
Neue Baustoffe
Neue Funktion und Eigenschaften
Silan- und Siliconprodukteneinsatz senken die Oberflächenenergie und erhöhen die Hydrophobizität der Oberflächen
der Baustoff-Kapillarporen.
Die Oberflächen- und Fassaden-Hydrophobierung ist ein wichtiger Baustein
des modernen Bautenschutzes, in dessen Mittelpunkt der Feuchtigkeitsschutz
steht. In Verbindung mit einem effektiven
Feuchtigkeitsschutz werden eine Reihe
von Problemen der Baustoffkorrosion
und –alterung gelöst, die mit Transportphänomenen von Baustoff-Schadstoffen
aus der Luft und aus der Umgebung zusammenhängen.
Die Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen für die genannten Schutzziele ist im Allgemeinen unproblematisch
und führt in der Regel zu einer Erhöhung
der Dauerhaftigkeit der Baustoffe und
Baukörper.
Der unter Kap.3.2.8.1 diskutierte Einfluss einer besonders starken Hydropho-
bierung (Tiefenhydrophobierung) auf das
Schwindungs- und Karbonatisierungsverhalten von Beton ist noch im Detail zu
untersuchen.
Weitere technische Details
Die Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen mit Hilfe von silizium-organischen
Verbindungen – vorzugsweise Silanen
und Silioxanverbindungen – bewirken in
Abhängigkeit vom Substrat (Keramischer
Ziegel/Klinker, Naturstein, Kalksandstein,
Putz, Beton u.a.), vom chemischen Aufbau der Hydrophobierungsmittel, ihrer
Auftragsmenge, Eindringtiefe, Vernetzung mit der Substratoberfläche u.a. unterschiedlich dominierende Wirkungen
in Bezug auf Wasserablaufverhalten,
Korrosionsschutz, Graffitischutz und
Oberflächenreinhaltung.
Die Anwendung bei Naturstein erfordert
wegen den besonderen Eigenschaften
der porösen Oberfläche eine Fachberatung.
59
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
4
Technische Gebäudeausrüstung
Eine Vielzahl von technischen Ausrüstungen hilft die Anforderungen einer
Bauwerknutzung zu erfüllen.
Für den Betrieb eines komfortablen und
hochwertigen Wohnhauses ist eine moderne Gebäudetechnik im Hinblick auf
die energetische, ökologische und wirtschaftliche Effizienz von besonderer Bedeutung.
4.1
Unter diesen Aspekten werden nachfolgend neue Entwicklungen im Bereich
der Wärmeversorgung, Lüftung, Stromerzeugung, Beleuchtung und der Gebäudeleittechnik als Bausteine einer
ganzheitlichen bzw. nachhaltigen Gebäudeausrüstung aufgezeigt.
Wärmeversorgung
4.1.1 Wärmeerzeugung (Heizung- und Warmwasserbereitung)
4.1.1.1 Entwicklung der Heizungstechnik
Der Stand der Technik ist durch Niedertemperatur- und Brennwertkessel gekennzeichnet. Die Brennwerttechnik hat
sich bei Gaskesseln durchgesetzt, auch
für Ölkessel wird sie zunehmend eingesetzt. Zeitgemäße Anlagen (Gas- und
Ölkessel) arbeiten modulierend, sie passen die Kesselleistung dem Bedarf an.
Niedertemperaturheizungen arbeiten mit
Vorlauftemperaturen von 55°C bis 60°C
bei Heizkörpern und 35°C bis 40°C bei
Fußboden- und Wandheizungen. Hierdurch werden Wärmeversorgungslösungen erschlossen, die insbesondere
bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten – wie z.B. Brennwerttechnik, Solaranlagen und Wärmepumpen.
Schwerpunkt der weiteren Entwicklung
der Heizungstechnik sind die Verminderung des Primärenergieeinsatzes für
die Gebäudeheizung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und der verstärkte
Einsatz regenerativer Energien und der
Solarenergie.
4.1.1.2 Kraft-Wärme-Kopplung
Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) hat
eine erhebliche Bedeutung für die effiziente Wärmeversorgung. Heizkraftwerke
erzeugen elektrischen Strom und Wärme. Gegenüber einem Kondensationskraftwerk werden deren Wärmeverluste
deutlich reduziert.
Bild 4.1: Schema der Kraft-Wärme-Kopplung [74]
60
Im Beispiel, Bild 4.1, ist die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in
einem Blockheizkraftwerk (BHKW) der
getrennten Versorgung von Strom (Kraftwerk) und Wärme (Ölkessel) gegenübergestellt. Die erzielte Primärenergieeinsparung liegt bei 36%. Wesentlicher
Aspekt ist, dass die bei der Elektroenergieerzeugung anfallende Abwärme für
die Gebäudeheizung genutzt wird.
Die Stirlingmaschine wird mittels Wärmequellen mit niedrigen und mittleren Temperaturen betrieben, z.B. von Vakuum-Solarkollektoren, Biogas-, Deponiegasbrennern
oder anderen Wärmequellen. Der Heißluft-Motor ist eine periodisch arbeitende
Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie
in mechanische Energie umwandelt.
In Brennstoffzellen werden Strom und
Wärme in einem elektrochemischen
Prozess gewonnen – in diesem Prozess
erfolgt eine kontrollierte Reaktion von
Wasserstoff und Sauerstoff, als Endprodukt entsteht Wasserdampf. Derzeitig wird aber der Wasserstoff durch
eine Umwandlung (Reformierung) von
Erdgas, also einem kohlenstoffhaltigen
Brennstoff, gewonnen. Es gibt unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen
(Zelltypen), aber auch weit gefächerte
Einsatzgebiete. Niedertemperaturzellen
können direkt für die Gebäudeheizung
und Warmwasserbereitung eingesetzt
werden. Man rechnet mit der Einführung
kleiner dezentraler Brennstoffzellen zur
Versorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern in den nächsten Jahren. [75]
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
Für Nah- und Fernwärme hat sich die
KWK seit langem durchgesetzt. Zunehmend werden KWK-Anlagen für Gebäudekomplexe, Gebäude, aber auch für
Ein- und Zweifamilienhäuser eingesetzt,
letztere als Kleinst-BHKW (Mini-BHKW
mit einer elektrischen Leistung von Pel >
5 kW bis 50 kW und Micro-BHKW Pel < 5
kW). Bislang arbeiten Motor betriebene
BHKW´s mit Gas oder Öl, aber auch mit
Biogas, Rapsöl und anderer Biomasse.
Neben Gasmotoren können auch Stirling-Motoren oder Dampfkraftmaschinen
eingesetzt werden, häufig befinden sich
diese allerdings noch im Erprobungsstadium.
4.1.1.3 Regenerative Energieträger
Wärmerückgewinnung
Bei Abwärmenutzung im Wohnbereich,
sowohl im Neubau als auch bei der Sanierung im Bestand, denkt man vorrangig an die Wärmerückgewinnung (WRG)
in Zu- und Abluftanlagen mit Rückgewinnungsgraden von 80% bis über 90%. In
Ein- und Zweifamilienhäusern sind diese
Anlagen bereits anzutreffen, nicht nur im
Neubau, auch im Gebäudebestand. Für
Gebäude mit einem niedrigen Heizwärmebedarf (Passivhaus, Nullheizenergiehaus) sind Zu- und Abluftanlagen mit
WRG zwingend notwendig. Bei der Bewertung dieser Anlagen sollten Aspekte
berücksichtigt werden, wie bedarfsgerechte Lüftung, Filterung der Frischluft,
ggf. Schallschutzmaßnahmen.
Für die Lüftung ist vorzusehen, dass die
Frischluftzuführung bzw. -ansaugung in
den Wohn- und Schlafräumen erfolgt, die
Absaugung in den hochbelasteten Räumen wie Küche und Bad-/WC-Bereiche.
Auch dieser Fakt der Doppelnutzung der
Frischluft in den Wohnbereichen stellt
eine Form der Abwärmenutzung dar.
Abgesehen von der Wärmeerzeugung
in einem BHKW (Abwärme der Stromerzeugung) liegt das Hauptfeld der Abwärmenutzung im Bereich der Lüftung:
- Zu- und Abluftanlage mit WRG, zentral
oder dezentral
- Zu- und Abluftanlage mit WRG, zentral
oder dezentral, Einsatz einer Abluftwärmepumpe oder
- Abluftanlage mit Außenluftdurchlässen
(ALD) und Abwärmenutzung mittels
Wärmepumpe, Nutzung für Heizung
bzw. Warmwasserbereitung.
Wärmepumpen
Für den Einsatz von BHKW´s empfehlen
sich immer Wirtschaftlichkeitsvergleiche mit anderen Versorgungsvarianten.
Eigennutzung des erzeugten Stromes
oder Vergütung des in das öffentliche
Netz eingespeisten Stromes können
das BHKW gegenüber einem konventionellen Brennwertkessel wirtschaftlich
machen. BHKW´s sollten aus Effizienzgründen eine hohe Laufzeit aufweisen.
Bild 4.2: Prinzip einer Wärmepumpe
61
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
Wärmepumpen sind Anlagen zur Nutzung regenerativer Energien, die ca 25%
Antriebsenergie und 75% Sonnenwärme
nutzen, siehe Bild 4.2.
In Bild 4.3 ist die Anwendung in einer Erdsondenanlage mit Nutzung von Umweltwärme (z.B. im Erdreich gespeicherte Solarenergie) und/oder Abwärme (z.B. Abluft)
dargestellt. Neben Erdsonden bis zu einer
Tiefe von 100 m kommen für die Erdwärmenutzung auch Erdwärmekörbe in einer
Tiefe von 1,5 bis 3,5 m oder horizontal verlegte Erdkollektoren zum Einsatz.
Der Nutzen (Heizenergie) muss in einem
vernünftigen Verhältnis zum Aufwand
(Antriebsenergie) stehen, die Jahres-Arbeitszahl sollte größer als 3,5 sein:
Arbeitszahl
=
Nutzen
Aufwand
=
Heizenergie
Antriebsenergie
> 3,5
Dann kann davon ausgegangen werden,
dass die von der Wärmepumpe bereitgestellte Heizenergie trotz des verbrauchten
Stroms (Strom-Mix – überwiegend fossile
Kraftwerke) mit einem geringeren Primärenergieeinsatz erzeugt wird, als eine
Brennwertkesselanlage zur Bereitstellung
derselben Heizwärme benötigt.
Primärenergetisch sind Gasmotor-Wärmepumpen als am günstigsten zu bewerten. Im kleineren Leistungsbereich
(Pel < 50 kW) werden Elektrowärmepumpen eingesetzt, weil für diese Leistungen
derzeitig keine Gasmotor betriebenen
Wärmepumpen kostengünstig angeboten werden.
Die Effektivität der Wärmepumpe kann
deutlich erhöht werden, wenn sowohl
Heizung als auch Kühlung vorgenommen wird, wenn auch letzteres im Wohnbereich noch unüblich ist. Der Untergrund kann dann als saisonaler Speicher
genutzt werden, der die im Sommer aufgenommene Wärme im Winter für den
Heizbetrieb zur Verfügung stellt.
Bild 4.3: Prinzip einer Wärmepumpe [76]
Der Einsatz von Wärmepumpen für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung nimmt in Deutschland stetig zu.
Verbreitete Wärmepumpentypen sind:
- Luft/ Wasser-Wärmepumpen (Gewinnung von Umgebungswärme aus
Außenluft oder Abluft)
- Wasser/ Wasser-Wärmepumpen
(Wärmeaufnahme aus dem Grundwasser)
- Sole/ Wasser-Wärmepumpe (Erdreichwärmepumpe).
Der Nutzung der Umweltwärme mittels
Wärmepumpe steht der Einsatz von Strom
(Elektrowärmepumpe) oder Gas (Gasmotor) gegenüber (Antriebsenergie).
62
Wärmepumpen werden mono- oder bivalent betrieben. Bei der monovalenten
Betriebsweise ist die Wärmepumpe in der
Lage den Wärmebedarf über das ganze
Jahr zu decken. Das setzt eine Wärmequelle voraus, die dauerhaft über das
Jahr zur Verfügung steht. Im bivalenten
Betrieb wird ggf. bei niederen Temperaturen ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet, in der Regel ein Heizkessel.
Neben Gasmotorwärmepumpen werden
auch Gas-Wärmepumpen betrieben, die
beispielsweise von einer Gas-BrennwertTherme versorgt werden. Diese Gas-Wärmepumpen arbeiten entweder nach dem
Absorptions- oder Adsorptionsprinzip. Sie
weisen einen geringeren Primärenergiebedarf als Elektrowärmepumpen auf.
Holzpelletkessel mit modulierter Leistung
und integriertem Wärmeübertrager sind
für Heizung und Warmwasserbereitung
geeignet. Die Anlagen werden automatisch beschickt, bezüglich CO2 sind sie
nahezu emissionsneutral. Die Kombination mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung stellt ein Optimum dar: im
Winter wird das warme Wasser über die
Holzpelletheizung nachgeheizt, im Sommer ist die Solaranlage ausreichend.
Grundsätzlich lassen sich fossile Energieträger – beispielsweise Heizöl durch
Rapsöl und Gas durch Biogas ersetzen.
Dem werden aber für den Wohngebäudebereich derzeitig noch wirtschaftliche
Grenzen gesetzt, wie höhere Investitionskosten und höhere Energieträgerkosten. Diese Bedingungen verbessern sich
für größere Einheiten – Gebäudeheizung, Nah- und Fernwärmeversorgung.
In Motor betriebenen BHKW´s kommen
dann auch Rapsöl und Rapsölmethylester (RME) zum Einsatz.
4.1.1.4 Solarenergie
Der wesentliche Teil von Anlagesystemen sowohl zur solargestützten Warmwasserbereitung als auch zur Raumheizung sind die thermischen Solarkollektoren.
Als Kollektoren kommen Flachkollektoren
(meistgenutzter Kollektortyp) und Röhrenkollektoren – auch Vakuumröhrenkollektor
genannt – zum Einsatz.
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
Biomasse
Biomasse ist ein Oberbegriff für viele
Energieträger, wie beispielsweise Stroh,
Holz, Getreidepflanzen, Biogas. Diese
werden in unterschiedlicher Verbreitung
für Gebäudeheizsysteme in Ein- und
Zweifamilienhäusern, in Mehrfamilienhäusern, aber auch in Nah- und Fernwärmeversorgungssystemen eingesetzt.
Für den Einsatz dieser Energieträger
besteht noch ein beachtliches Potenzial.
Der Einsatz von Anlagen der Biomassenutzung ist derzeitig durch die Wirtschaftlichkeit begrenzt – wegen hoher
spezifischer Investitionskosten trotz häufig geringerer Brennstoffkosten. In energetisch effizienten Gebäuden werden
Heizanlagen benötigt, die im kleinen Leistungsbereich effizient arbeiten – wie
Holzheizkessel für Stückholz-, Pelletund Hackgutfeuerung.
Solarkollektoranlagen werden derzeitig
vorrangig für die Warmwasserbereitung
eingesetzt, eine Nachheizung erfolgt
ggf. durch den Heizkessel. Es gibt Auffassungen, die deutlich vom Gewohnten
abweichen. Nicht die Warmwasserbereitung sollte in jedem Fall Vorrang haben, vielmehr gilt: „Die Kombianlage
unterstützt die Heizung und erwärmt das
Duschwasser, nicht umgekehrt“ [77].
Hierzu bedarf es einer Optimierung von
Erträgen, Kollektorflächen und Speichergrößen, die mit entsprechenden Simulationsrechnungen erfolgt.
Kollektoren kann man auf das Dach legen, in das Dach einbauen oder von
Anfang als Solardach ausführen. Beim
Neubau ist das integrierte Solardach die
rundum vernünftige Lösung. Auf einem
Flachdach sind aufgeständerte Kollektoren unvermeintlich. Kollektoren im
Solardach sind immer Flachkollektoren.
Vakuumröhrenkollektoren weisen eine
höhere Effizienz auf, haben allerdings
höhere Kosten und können nur als Aufdachkonstruktion eingesetzt werden.
Ein wichtiger Bestandteil von Solaranlagen sind die Speicher. Ein Solarspeicher ist ein Vorratsbehälter zum Speichern von solar erwärmtem Wasser. Als
Grundelemente besitzt dieser Wärmeübertrager und Anschlüsse für den Solarkreislauf sowie für die Nachheizung. Ein
zunehmender Anteil von solarer Heizung
bzw. Heizungsunterstützung erfordert
Langzeitspeicher. Während Wasserspeicher eine umfängliche Größe erreichen
könnten, fallen Latentwärmespeicher
wegen der höheren spezifischen Wärmekapazität deutlich geringer aus. Im
Vergleich von Wasser- und Paraffinspeicher dürfte der letztere ein um 60% bis
70% geringeres Volumen haben, allerdings verbunden mit bedeutend höheren
Kosten.
Die benannten Systeme bzw. Bauteile
sind bekannt, technisch in der Regel
ausgereift. Es bestehen folgende Entwicklungstendenzen:
- Entwicklung von Solarkollektoren mit
hohen Wirkungs- bzw. Nutzungsgraden bei sinkenden Kosten, aber auch
erhöhten Lebensdauern,
- Entwicklung von effektiven solaren
Speichern hin zu Langzeitspeichern,
ggf. saisonalen Speichern.
63
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
4.1.1.5 Wärmespeicherung
Bei Solarkollektoranlagen und/ oder Stückholzöfen [78] steht nur zeitweise eine hohe
Wärmeleistung zur Verfügung. Mittels Pufferspeicher wird die erzeugte Wärme für
Bedarfszeiten gespeichert, in denen die
Wärmeleistungen nicht zur Verfügung stehen. Für die solare Heizungsunterstützung
sind Pufferspeicher unabdingbar.
Wasserspeicher
Die Wärmespeicherung erfolgt in der Regel mit Wasserspeichern für eine Langzeitspeicherung. In einem Einfamilienhaus mit Solarkollektoranlage [78] wurde
beispielsweise ein Speicher mit einem
von Volumen von 11.000 Liter realisiert.
Die Kollektorfläche der Solaranlage beträgt 68 m². Ein anderes Beispielobjekt
für ein „Sonnenhaus“ [79] erhält einen
Speicher mit 40.000 Litern und auf dem
Süddach eine Kollektorfläche von 84 m²
mit dem Anspruch, keine weiteren Energieträger für die Gebäudeheizung und
Warmwasserbereitung zu benötigen.
Latentwärmespeicher
Gegenüber Wasserspeichern weisen Latentwärmespeicher eine wesentlich höhere Speicherdichte auf [80]. Die typischen PC-Materialien für Temperaturbereiche von 5°C bis 130°C sind Salzhydrate
und Paraffine. (Siehe auch Kap. 3.3.2
Latentwärmespeicher in Baustoffen.)
Durch den Effekt der latenten Wärme-speicherung ohne nennenswerte Temperaturänderung, ist es möglich – in einem kleinen
Temperaturbereich – relativ große Wärmemengen zu speichern und hohe Speicherdichten zu erreichen. Einen wichtigen Anwendungsbereich können diese Speicher
bei der Gebäudeheizung finden. [80]
4.1.2 Wärmeverteilung und –übergabe
4.1.2.1 Überblick
4.1.2.2 Konventionelle Heizsysteme
Wärmeübergabesysteme sind neben
den konventionellen Heizkörpern die
Flächenheizung in Fußböden, Wänden
und Decken, die Luftheizung und als
Sonderfall die Einzelheizung in Form
des (offenen) Kaminfeuers.
Heizkörper haben bereits eine lange
Entwicklung hinter sich. Sie umfassen
Rohrheizkörper, Rippenrohrheizkörper,
Flachheizkörper (einschließlich Plattenheizkörper, Flachradiatoren u.a.), Radiatoren (in der Regel die klassischen
Gliederheizkörper), Rohrradiatoren, Konvektoren und Sockelheizkörper.
Mit zunehmender Wärmedämmung der
Außenwand verlieren die Aspekte einer
verminderten Behaglichkeit im Bereich
der Außenwände und Fenster an Bedeutung, da die raumseitigen Oberflächentemperaturen gleichfalls zunehmen. Heizleitungslängen können optimiert werden,
indem man Heizkörper an den Innenwänden anordnet.
Aus Gründen der Behaglichkeit, aber
auch aus energetischen und optischen
Gründen, wurden Flächenheizungssysteme entwickelt und werden zunehmend
genutzt. Energetische Vorteile liegen vor
allem in niedrigen Temperaturen.
In Passivhäusern kann auf konventionelle, wasserführende Heizungssysteme
verzichtet werden. Stattdessen können
Luftheizsysteme für den Restwärmebedarf eingesetzt werden.
64
Die Entwicklung wurde in den letzten
Jahren vor allem beeinflusst:
- erhöhte Ansprüche an das Design
(Rohrheizkörper),
- Absenkung des Wärmebedarfs und
der Vor- und Rücklauftemperaturen,
- Behaglichkeit (nicht mehr zwingend
notwendig, die Heizkörper unter den
Fenstern zu installieren),
- Verzicht auf konventionelle Heizkörper
für Passivhaus bzw. Nullheizenergiehaus.
Sockelheizkörper [81] (auch Fußleistenheizkörper oder Heizleisten genannt) sind
langgestreckte, schmale und niedrige
Heizkörper, die an den Wänden der Räume, namentlich an den Außenwänden,
wie Scheuerleisten angebracht werden.
Sie stellen Konvektoren dar. Die Wärme-
Den Vorteilen wie geringer Platzbedarf,
geringer Preis, gute Wärmeverteilung im
Raum und leichte Installation stehen als
Nachteile eine erschwerte Reinigung, Verminderung von Stellflächen, hohe Auslegungstemperaturen gegenüber.
Für Heizungssysteme ist die Regelung
eine wesentliche Voraussetzung für einen energieeffizienten Betrieb. Über den
aktuellen Stand der Heizungsreglung mit
Thermostatventilen hinausgehend bieten Systeme der elektronischen Einzelraumtemperaturregelung energetische
Vorteile. Diese umfassen raumweise und
zeitabhängige Temperatureinstellungen,
Optimierung (Adaption) der Vorlauftemperatur, Kopplung von Fensteröffnung
und Heizkörper (Abschaltung) und bei
Bedarf eine mögliche Kombination mit
der Heizkostenverteilung.
4.1.2.3 Flächenheizsysteme
Flächenheizungssysteme haben sich in
drei gängigen Ausführungsvarianten entwickelt, siehe auch Fachinformation des
Bundesverbandes für Flächenheizungen
[82]: Fußbodenheizung, Deckenheizung
und Wandheizung.
Die wesentlichen Typen der Fußbodenheizung sind:
- Warmwasser-Fußbodenheizung – die
Beheizung erfolgt mittels warmen Wassers, die Heizrohre bestehen aus Kunststoff oder Kupfer,
- Elektro-Fußbodenheizungen als Direktheizung oder als Speicherheizung.
Warmwasserheizungen sind bestens für
Niedertemperaturheizsysteme (beispielsweise Brennwerttechnik, Wärmepumpe,
Solaranlagen) geeignet. Mit der wachsen-
Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung
übertragung an den Raum erfolgt primär
vorrangig durch Konvektion, sekundär
aber auch durch Strahlung über die erwärmten Wandflächen. Diese Heizkörper
erzielen eine gute Verteilung der Wärme
im Raum. Die Fußleistenheizkörper legen
gewissermaßen über die gesamte Raumbreite eine aufsteigende Warmluftströmung an die Außenwände an. Diese wirkt
dem Kaltluftabfall nicht nur entgegen,
sondern hebt ihn sogar auf. Sockelheizkörper sind Konvektoren, die mit relativ
hohen Temperaturen betrieben werden.
den Nutzung regenerativer Energieträger
ist mit der Zunahme von Flächenheizungen zu rechnen. Die Elektro-Flächenheizungen stellen aus ökologischer Sicht
keine Alternative dar, weil sie einen hohen
Primärenergiebedarf aufweisen.
Neben Fußbodenheizungen als Flächenheizungen werden mehr und mehr
auch Wandheizungen eingesetzt. Wandheizungen fördern die Behaglichkeit im
Raum – die Wärme wird überwiegend
als Strahlungswärme abgegeben. Auch
diese werden als Niedertemperaturheizung betrieben.
Deckenheizungen sind grundsätzlich
möglich, finden aber aus physiologischen Gründen vorraussichtlich keine
umfassende Akzeptanz, da sich der
Mensch bei Strahlungstemperaturunterschieden, die durch warme Decken bzw.
durch kalte Wände verursacht werden
unbehaglich fühlt.
Wand- und Deckenheizungen können,
bei Schaffung der technischen Voraussetzungen, im Sommer zur Kühlung genutzt werden.
4.1.2.4 Luftheizung
Luftheizungen nutzen zirkulierende Luft
als Wärmeträger. Die in Luftheizgeräten
erwärmte Luft wird in die zu beheizenden
Räume geleitet, gibt dort die Wärme ab
und wird in Abhängigkeit vom Außenluftanteil vollständig oder teilweise dem Gerät zurückgeführt.
Im Vergleich zu anderen Ländern – beispielsweise USA, Skandinavien – findet
die Luftheizung in Deutschland eine relativ geringe Verbreitung. Auch wenn
das weniger technisch und wirtschaftlich
begründbar ist, so ist sicher der erhöhte
Aufwand an elektrischer Hilfsenergie ein
Aspekt, der gegen den Einsatz von Luftheizungen in normalbeheizten Wohngebäuden spricht. [81]
Hauptbestandteile der Anlagen sind:
- Luftheizgerät (indirekte Beheizung)
oder Warmlufterzeuger (direkte Beheizung),
- Kanalsystem für die Zuluftverteilung
sowie die Umluftrückführung und
- Regelung.
65
Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung
In Gebäuden des Bestandes bis hin zu
Niedrigenergiehäusern werden konventionelle
Wasserheizungssysteme
eingesetzt, weil mit Wasser wesentlich
höhere Wärmeleistungen transportiert
werden können, was bei der Luftheizung
durch höhere Luftvolumenströme auszugleichen ist, die in der Regel deutlich
den hygienisch notwendigen Außenluft(Frischluft-) Volumenstrom übersteigen
können.
Interessant wird die Luftheizung wieder für
Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf
(Passivhäuser) zur Deckung des Restheizwärmebedarfs. Für niedrige Außentemperaturen kann ein solcher Restbedarf
notwendig werden, wenn auch ggf. eine
Vorwärmung der Außenluft mittels Erdwärmeübertrager und eine Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragungsgraden von
über 80% erfolgt. Kriterium sollte hierbei
sein, dass aus Gründen der Behaglichkeit
die Zulufttemperatur über 17°C liegt.
Zu empfehlen ist, bei Vorhandensein
einer Lüftungsanlage auch Strategien
für den Sommer zu entwickeln [83], beispielsweise: Fensterlüftung/ Nachtlüftung,
Regelstrategien (Zeit- oder Temperatur-
4.2
steuerung) u.a.m.
Auch erscheint es wichtig, optimale Lösungen für den Gebäudebestand zu untersuchen [83], beispielsweise:
- Wohnungszentrale Lösungen mit optimalen Kanalführungen,
- raumweise dezentrale Lösungen oder
- Lösungen mit Geräten, die mehrere
Räume versorgen.
Die Luftheizung stellt bei niedrigem
Heizwärmebedarf eine Alternative zu
Flächenheizungen wie Fußboden- oder
Wandheizung dar. Aus primärenergetischen Gründen sollte keine elektrische
Lufterwärmung erfolgen.
Wegen der möglichen Störgeräusche
müssen Schallschutzanforderungen gegenüber Nachbarwohnungen (DIN 4109)
und der Nachbarschaft in der Umgebung
(TALärm der BImSchG, siehe 7 Seite 20)
eingehalten werden. Für die Störgeräusche
einer Anlage in der eigenen Wohnung gibt
es keine rechtlich verbindlich einzuhaltenden Anforderungen.
Lüftungssysteme
4.2.1 Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung
Jede Lüftungsanlage ist nur so gut, wie
es der Nutzer zulässt. Die beste Wärmerückgewinnung ist nutzlos, wenn zusätzlich zur Lüftungsanlage intensiv über
Fenster gelüftet wird. Ein angepasstes
Nutzerverhalten ist notwendig, um Energieeinsparung über die Lüftungsanlage
zu realisieren. Das heißt aber keinesfalls, dass Fenster nicht mehr geöffnet
werden dürfen. Da Lüftungsanlagen nur
den Mindestbedarf an frischer Luft decken sollen, kann bei kurzzeitig erhöhter
Personenzahl („Party-Belegung“ der Wohnung) oder erhöhter Luftbelastung (Rauchen) bedenkenlos das Fenster zusätzlich geöffnet werden.
- Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung (WRG) arbeiten
mit einem zentral angeordneten
66
Lüftungsgerät, in dem mindestens
Zu- und Abluftventilator, Wärmeüberträger zur Vorwärmung der angesaugten Außenluft mittels Abluftwärme
(Wärmerückgewinnung) und Luftfilter
untergebracht sind.
- Die (Ab-)Luft wird wie bei einer Abluftanlage abgesaugt, über Luftleitungen zum
Lüftungsgerät transportiert, dort entsprechend der Wärmerückgewinnung
abgekühlt und über Dach abgeführt.
- Die Außenluft wird aus hygienischen
und thermischen Gründen in mindestens 3 m Höhe über Grund angesaugt
und gefiltert zum Lüftungsgerät transportiert. In diesem wird sie durch Aufnahme von Wärme aus der Abluft erwärmt und anschließend an geeigneten Stellen als Zuluft in den Zulufträumen verteilt.
Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung
- Die Nachwärmung der Zuluft kann
entfallen, wenn Geräte mit Rückgewinnungsgraden von mehr als 85 %
eingesetzt werden.
- Mit Zu- und Abluftanlagen kann wegen der Wärmerückgewinnung am
meisten Energie eingespart werden.
. Voraussetzung ist, dass die Gebäudehülle möglichst luftdicht ist und die
Nutzer in der Heizzeit die Fenster
weitestgehend geschlossen halten.
- Weitere Einsparpotenziale können mit
Erdreich-Wärmeübertragern (Rohrregister zur Außenluftvorwärmung
unter dem Haus) und Wärmepumpen
erschlossen werden. Wegen der zusätzlichen Kosten finden sie z.Z. überwiegend nur im Passivhausbau mit
einem Heizwärmebedarf kleiner als
15 kWh/(m2a) Anwendung.
4.2.2 Freie Lüftung
Bei der freien Lüftung erfolgt der Austausch der belasteten (verbrauchten)
Luft gegen unbelastete (frische) und trockene Außenluft über Undichtheiten der
Gebäudehülle (ältere Bestandsgebäude), über geöffnete Fenster sowie über
technische Hilfsmittel der freien Lüftung.
Diese technischen Hilfsmittel sind modifizierte Funktionsfugen der Fenster und
Außentüren, regulierbare oder selbstregelnde Außenluftdurchlässe (ALD), Lüftungsschächte mit raumseitigen Abluftdurchlässen oder mit Abluftherdhauben
ohne Ventilator [84].
viel gelüftet wird. Ersteres kann zu einer
starken Verschlechterung des Raumluftzustandes führen, letzteres führt zu
einem erhöhten Heizenergieverbrauch
mit den entsprechenden Mehrkosten bei
der Heizkostenabrechnung.
Wegen der Abhängigkeit von meteorologischen Zufallsfaktoren, der zunehmenden Dichtheit der Gebäudehüllen
und der daraus resultierenden Abhängigkeit von der Nutzermitwirkung funktioniert die freie Lüftung ohne Zusatzmaßnahmen in einer z. Z. anscheinend
anwachsenden Anzahl von Wohnungen/
EFH nicht ausreichend gut. Probleme
treten vorrangig in Zimmern auf, in denen geschlafen wird. Das hängt mit der
relativ hohen Feuchtefreisetzung bei
gleichzeitig fehlender Möglichkeit der
Stoßlüftung zusammen. Häufig ist wegen starker Lärmexposition oder Zugluftbildung nachts auch das energetisch
ungünstige Ankippen der Fenster nicht
möglich.
4.2.2.2 Marktübersicht Außenluftdurchlässe [85]
4.2.2.1 Fensterlüftung
Bei der freien Lüftung über Fenster ist
es für den Nutzer problematisch, die
Intensität der Fensterlüftung den meteorologischen Gegebenheiten so anzupassen, dass weder zu wenig noch zu
Für die notwendige Außenluftzuführung
werden im Bereich der Wohnungslüftung
vermehrt Außenluftdurchlässe für den
Wand- und Fenstereinbau eingesetzt,
um eine kontrollierte Frischluftversorgung zu gewährleisten.
Die technischen Lösungen marktüblicher ALD, die bei der freien Lüftung
als technische Hilfsmittel eingesetzt
werden, sind vielfältig. Sie reichen von
der einfachen manuell verschließbaren
Wandöffnung bis zu Luftdurchlässen
mit Ventilatoren und Wärmeübertragern.
Viele Hersteller bieten Lösungen an, die
mit einem Fenster, einer Fensterbank
oder einem Rollladenkasten kombiniert
sind. Andere Lösungen benötigen einen
Durchbruch in der Außenwand, wobei
dieser in unterschiedlichen Raumhöhen
liegen kann. Je nach Philosophie des
Herstellers kann das hinter einem Heizkörper in Brüstungshöhe oder in Sturzhöhe neben dem Fenster sein. Einige
Hersteller bieten ALD in Kombination mit
Heizkörpern an. Dabei soll die während
der Heizperiode die in den Raum einströmende kalte Außenluft vom Heizkörper erwärmt werden.
67
Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung
Fast alle ALD verfügen über eine Art
Insektenschutzgitter oder –filter. Bei einigen fensterintegrierten Lösungen ist
die außenliegende Öffnung so gestaltet,
dass ein zusätzlicher Insektenschutz
entfallen kann. Falls zusätzliche Filter
vorgesehen sind, kommen häufig Filterklasse 10 G 2 und G 3 zum Einsatz.
Mindestens ein Hersteller bietet ALD mit
Filterklasse F 7 an.
10
In Deutschland werden Filter nach der europäischen
Norm DIN EN 779 klassifiziert. Die DIN EN 779 unterscheidet zum einen die
Grobstaubfiltern, Filterklassen G1 bis G4 (ehemals
EU1 bis EU4) und zum anderen die Feinstaubfiltern,
F5 bis F9 (ehemals EU5 bis
EU9).
11
Schallschutzklassen und bewertete Schalldämm-Maße
R`w des am Bau funktionsfähig eingebauten Fenstes,
gemessen nach DIN 522105 in dB nach VDI 2719:
Schallschutzklasse
ALD unterscheiden sich auch beim notwendigen Aufwand für die Montage. Außenwandintegrierte Lösungen können im
Neubau leichter realisiert werden, als in
bereits bestehenden Gebäuden. Bei einem
ohnehin notwendigen Fensterwechsel bieten sich fensterintegrierte Lösungen an.
Darüber hinaus gibt es fensterintegrierte
ALD unterschiedlicher Hersteller, die sich
im Bestand leicht nachrüsten lassen.
4.2.2.3 Schachtlüftung
Eine wirksamere Form der freien Lüftung
stellt die Schachtlüftung dar, siehe Bild
4.4. Diese funktioniert überwiegend über
thermischen Auftrieb, aber auch durch
die Unterstützung durch Windkraft. Der
Auftrieb bewirkt, dass über ALD in der
Gebäudehülle und Luftdurchlässigkeit
der Gebäudehülle Außenluft in die angeschlossenen Wohneinheiten nachströmen kann. In den Wohneinheiten bewegt
sich die Luft in Richtung der Ablufträume
(Küche, Bad und WC).
Technologische Neuerungen gehen dahin, die meteorologischen Zufallsfaktoren
Wind und thermischer Auftrieb durch
sogenannte zentrale Stützventilatoren
zu ergänzen. Dabei werden besonders
energiesparende Ventilatoren in zentrale
Sammelschächte ergänzt und bei zu geringem thermischen Auftrieb wird dieser
bew. Schalldämm-Maß R`w
1
25 bis 29
2
30 bis 34
3
35 bis 39
4
40 bis 44
5
45 bis 49
6
≥ 50
Anmerkung:
Je höher die Schallschutzklasse, desto höher der
Schallschutz.
Übliche Einfachfenster mit
Isolierverglasung (ohne ALD)
können mindestens in Schallschutzklasse 2 eingeordnet
werden.
68
Fast alle Systemlösungen verfügen über
mehr oder weniger gute Schalldämm-Eigenschaften. Mehrere Hersteller bieten
nach eigenen Angaben fensterintegrierte
Lösungen der Schallschutzklasse 4 11
an, wobei letztere überwiegend durch
entsprechend gute Fenster erreicht wird.
Die außenwandintegrierten ALD bieten
aufgrund ihrer Bauform mit größerem
Platzangebot gegenüber den fensterintegrierten ALD mehr Raum für schalldämpfende Maßnahmen. Die gängigen
fensterintegrierten Lösungen müssen sich
in ihren Abmessungen an den Fensterrahmen anpassen. Teilweise sind diese ALD
vollständig in diesen integriert und somit
für den Nutzer unsichtbar.
Die von den Herstellern bereit gestellten
Produktunterlagen sind von unterschiedlicher Qualität. Teilweise enthalten sie
gute Erläuterungen zur Notwendigkeit
der Lüftung. Die Vorteile kontrollierter
Wohnungslüftung, wie z. B. gute Raumluftqualität, Feuchteabfuhr und Minimierung der Lüftungswärmeverluste werden
angeführt. Zu den üblichen technischen
Daten, die von den Herstellern genannt
werden, gehören Angaben zum Luftvolumenstrom in Abhängigkeit vom Differenzdruck, Angaben zum Schallschutz
und zur Schlagregendichtheit.
Einzelschächte
einfacher Sammelschacht
Doppel-Sammelschacht
Bild 4.4: Schachtlüftung mit Einzel- und („Einfach- und Doppel“-) Sammel-Schächten
Sammelschächte können bei der
Schachtlüftung den Luftaustausch zwischen Wohnungen nicht unterbinden.
Deswegen sind sie seit Juni 1981 in
Deutschland nicht mehr genormt und
sollten bei Neubau und Modernisierung
nicht eingesetzt werden. Vorhandene
Schächte unterliegen im unveränderten
Zustand dem Bestandsschutz.
Nach DIN 1946-6 führt die Überlagerung
von Wind- und Auftriebskräften in Wohneinheiten mit Schachtlüftung zu einem
durchschnittlich möglichen Luftwechsel
von 0,25/h•WE. Um den notwendigen
Mindestluftwechsel zu gewährleisten,
Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung
durch den Betrieb des Stützventilators
verstärkt. Dadurch ist eine kontinuierlicher Luftwechsel in den angeschlossenen Wohneinheiten gewährleistet.
müssen entsprechend dimensionierte
ALD eingesetzt werden. Zur Gewährleistung der Luftströmung aus den Zulufträumen in die Ablufträume müssen
– insbesondere bei der freien Lüftung –
sogenannte Überström-Luftdurchlässe
den Luftstrom von einen Raum in den
anderen ermöglichen. Üblicherweise
werden hierbei entweder die Türblätter
um einige wenige Zentimeter gekürzt
oder es werden kleine Gitter in die Innentüren integriert.
Technologische Neuerungen gehen dahin, dass die Überströmung für das Auge
unsichtbar im Türrahmen integriert ist.
Darüber hinaus gibt es in Innentüren integrierte Überström-Möglichkeiten. Hierbei
wird die Luft durch das Türblatt von (außen) oben nach (innen) unten geführt.
4.2.3 Steuerung von Lüftungsanlagen
Vielfach wird die kontrollierte Wohnungslüftung [86] als ein wesentlicher Beitrag zur
Reduzierung der Lüftungswärmeverluste
von Gebäuden verstanden. Vor allem bei
Systemen ohne Wärmerückgewinnung
treten erwartete Energieeinsparungen
häufig nicht auf. Eine beachtenswerte Alternative zur Wärmerückgewinnung kann
in der Bedarfsregelung von Lüftungsanlagen bestehen.
Luftvolumenstroms notwendig sind. Geeignete Sensoren sind z.B. Fühler für die
Messung von CO2 in der Raumluft oder
die Bestimmung der relativen Feuchte
der Raumluft sowie Anwesenheitssensoren (Personen). Wesentlich für die
Funktion und den Betrieb sind dabei die
Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität, aber auch der Stromverbrauch der
Fühler.
Gegenüber herkömmlich durchgängig
oder zeitabhängig betriebenen Lüftungsanlagen mit Ventilatorbetrieb wird mit der
bedarfsgeregelten Lüftung durch die Förderung geringerer Luftmengen einerseits
Heizenergie und andererseits Strom für
den Betrieb von Ventilatoren gespart. Im
Ergebnis werden bei sehr guter Raumluftqualität und thermischer Behaglichkeit Energiekosten reduziert.
Für bedarfsgeregelte Lüftungsanlagen
sind drei wesentliche Komponenten charakteristisch:
- Sensoren / Fühler,
- Aktoren / Stellglieder und
- geeignete Regelstrategie.
Die sogenannten Aktoren (Stellglieder)
sorgen für die raum- und wohnungsweise Anpassung der Luftvolumenströme
an die Lastverhältnisse (Verunreinigung
der Raumluft). Die für die Anpassung
notwendigen Stellglieder sind zentrale
(gebäudeweise) Ventilatoren, dezentrale (raumweise) Zu- und Abluftventile
sowie Außenluftdurchlässe (raumweise
dezentral). Um den geförderten Volumenstrom der Luftbelastung anpassen
zu können, sind bei den Stellgliedern die
Kennlinien, die Autorität und die Druckverluste zu beachten und gegebenenfalls dem jeweiligen Fall anzupassen.
Darüber hinaus ist auch hier der Hilfsenergieverbrauch zu berücksichtigen.
Mit Hilfe der Fühler werden die relevanten
Raumluftparameter bzw. die Luftqualität
erfasst, die für die Bedarfsregelung des
Wesentlich für die energetische und hygienische Wirksamkeit der Bedarfsführung
ist eine geeignete Regelstrategie. Neben
69
Technische Gebäudeausrüstung - Stromversorgung
den in der Wohnungslüftung üblichen
Grundfunktionen (durchgehende Grundlüftung und Schaltung von Grundlüftung
auf kurzeitige Bedarfslüftung durch den
Nutzer) soll eine lastabhängige Fahrweise unter Verbesserung der hygienischen
Verhältnisse und Minimierung des Luftwechsels und Energieverbrauches sichergestellt werden. Die Regelung ist
dabei für die Auswertung der Daten aus
den Fühlern und die Weitergabe von
Steuerbefehlen an die Stellglieder zuständig. In den Prozess der Regelung
muss gleichzeitig auch der Eingriff des
Nutzers (z.B. zusätzliche Fensterlüftung)
4.3
miteinbezogen werden. Im Planungsprozess muss der Regelalgorithmus (z.B.
CO2- oder feuchteabhängige Bedarfsregelung), der Nutzeranspruch an die
Regelung und auch die Regelgüte sowie
der Stromverbrauch für die Regelung
festgelegt bzw. beachtet werden. Mit
steigendem Anspruch des Nutzers an
Regelgüte und Regelalgorithmus nimmt
auch der finanzielle Aufwand zu. Die
Einsparpotenziale der bedarfsgeregelten Lüftung sind unbestritten, während
die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme im
Einzelfall zu prüfen sind.
Stromerzeugung
4.3.1 Öffentliche Stromversorgung
Die übliche Versorgungsart für Strom ist die
öffentliche Stromversorgung, die im Verbundnetz betrieben wird. Gemäß Verband
der Elektrizitätswirtschaft (VDEW) [87]
erfolgte von 1995 bis 2005 die Zunahme
des Nettostromverbrauches in Deutschland um ca. 25%, bei gleichzeitiger Verschiebung in der Energieträgerstruktur.
Die Anteile von Erdgas und erneuerbaren
Energien haben zugenommen. Die erneuerbaren Energien umfassen bei der Stromerzeugung vor allem Wasserkraft und
Windenergie, Photovoltaik und Biomasse,
aber auch Geothermie.
Die Entwicklung hin zur verstärkten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien
wird unterstützt durch die Nachfrage
nach Ökostrom. Der aus dem Netz entnommene Strom (Strom-Mix) wird durch
den Anbieter als Strom aus erneuerbarer
Energie eingespeist.
Das öffentliche Netz schafft die Voraussetzungen für eine stabile Stromversorgung und Versorgungssicherheit für Industrie, Gewerbe und Wohnen.
4.3.2 Alternative Lösungen zur Stromerzeugung
4.3.2.1 Überblick
Es bestehen Möglichkeiten einer autarken
Wärme- und Stromerzeugung für Gebäude. Dezentrale Stromversorgungslösungen werden in der Regel in Wechselwirkung mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz betrieben. Hierdurch
sind sichergestellt:
- Grundlast und Versorgungssicherheit ,
- Einspeisung von Strom dezentraler
Anlagen in das Netz und
- Einspeisevergütungen für in dezentralen Anlagen erzeugten Strom als
Förderinstrument.
70
Einspeisevergütungen werden durch folgende Gesetze geregelt:
- Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer
Energien (Erneuerbare-EnergienGesetz –EEG) [88],
- Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der KraftWärme-Kopplung (Kraft-WärmeKopplungs-Gesetz) [89].
Ziel des EEG [88] ist es, im Interesse
des Klima- und Umweltschutzes eine
nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Beitrag
erneuerbarer Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen.
4.3.2.2 Photovoltaik
Ziel der Photovoltaik-Entwicklung ist die
Reduktion der Stromerzeugungskosten.
Die Fördermaßnahmen gemäß EEG sollen diese Entwicklung unterstützen. Photovoltaikanlagen werden als netzgekoppelte
Anlagen und als Inselanlagen ausgeführt.
Solarzellen bestehen aus verschiedenen
Halbleitermaterialien, die unter Zufuhr von
Licht oder Wärme elektrisch leitfähig
werden. Über 95% aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem
Halbleitermaterial Silizium (Si).
Zum Stand der Entwicklung von Solarzellen:
- Solarzellen aus kristallinem Material
(mono- oder polykristallin) sind am
weitesten entwickelt (Silizium-Solarzellen). Deren Wirkungsgrad erreicht
17% bis zu 20%.
- Dünnschicht-Solarzellen werden gegenwärtig weiterentwickelt.
Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen werden photoaktive Halbleiter als
dünne Schichten auf ein Trägermaterial
aufgebracht. Die Schichtdicken betragen
hierbei nur etwa 0,001 mm! Die Kosten
für Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium sind derzeit noch sehr hoch. Um die
Solartechnik noch effektiver und kosten-
Technische Gebäudeausrüstung - Stromversorgung
Dieses Gesetz betrifft die Betreiber von
Stromerzeugungsanlagen und regelt die
Abnahme und die Vergütung von Strom,
der einerseits aus Wasserkraft, Windkraft, solarer Strahlungsenergie, Geothermie, und andererseits ausschließlich
aus Deponiegas, Klärgas, Grubengas
oder aus Biomasse gewonnen wird. Die
Biomasse V [90] regelt für den Anwendungsbereich des EEG, welche Stoffe
als Biomasse gelten, welche technischen
Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse in den Anwendungsbereich des
Gesetzes fallen und welche Umweltanforderungen bei der Erzeugung von
Strom aus Biomasse einzuhalten sind.
Zweck des KWK-Gesetzes [89] ist es,
durch den Einsatz der Kraft-WärmeKopplung die Kohlendioxid-Emission zu
vermindern. Das soll durch den Schutz
und die Modernisierung von KWK-Anlagen sowie durch den Ausbau der Stromerzeugung in kleinen KWK-Anlagen erreicht werden.
günstiger einsetzen zu können, ist die Erforschung neuer Materialien notwendig.
Der Begriff „Standardmodul“ bezeichnet Solarmodule, welche seriell gefertigt
werden. Der Kunde kann sie im Großoder Einzelhandel beziehen oder vom
Installateur als Bestandteil einer produktionsfertig installierten Solaranlage
erwerben.
Solardachziegel sind Photovoltaikmodule, die in die konventionelle Dacheindeckung integriert werden. Die einzelnen „Ziegel“ werden auf der Unterseite
durch elektrische Steckverbindungen zu
größeren Einheiten zusammengeschlossen. Diese Solarmodule liefern Strom
zum Eigenverbrauch oder zum Einspeisen in das öffentliche Netz.
Unter Berücksichtigung von Förderung
und Einspeisevergütung nach dem EEG
kann für effiziente PV-Anlagen eine Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden.
Sinkende Investitionskosten (neue Technologien, Produktionszahlen) und ggf.
steigende Energiekosten verstärken diese
Entwicklung.
4.3.2.3 Blockheizkraftwerke
Blockheizkraftwerke – auch Kleinst-BHKW
bzw. Mini- und Micro BHKW – können sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt betrieben werden. Die spezifischen
Investitionskosten für ein Kleinst-BHKW
sind relativ hoch, es ist immer anzustreben, dass die Anlagen mit einer hohen
Betriebsstundenzahl betrieben werden.
Für eine hohe Betriebsstundenzahl ist
auch eine stabile Grundlast für die Wärme erforderlich, beispielsweise für die
Warmwassererwärmung.
Für Ein- und Zweifamilienhäuser liegen
wegen der kleinen Leistungen hohe leistungsspezifische Investitionskosten vor.
Wesentliche Einflussgrößen für einen
wirtschaftlichen Betrieb von BHKW´s
sind die Investitionskosten, die Energiekosten (beispielsweise Gas, Öl, Strom)
und Einspeisevergütungen für den erzeugten Strom. Das derzeitig geltende
KWK-Gesetz ist bis 2010 (mit Ausnahmen
für Brennstoffzellen) gültig, eine Fortschreibung ist zwar möglich, aber derzeitig noch
nicht in Sicht.
71
Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung
4.4
Beleuchtung
Entscheidend für die Qualität einer Lichtquelle sind der kontinuierliche Verlauf
und die Breite des Spektrums, die Farbwiedergabe (Ra) und die Farbtemperatur.
Ideal ist es, sich hierbei am natürlichen
Sonnenlicht zu orientieren, da dies seit
Jahrtausenden unsere Lichtquelle darstellt und sich nachweislich positiv auf
unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden auswirkt. [91] Die Beleuchtung
muss vielfältige Aufgaben mit individuellen Funktionen erfüllen, je nach Raumnutzung oder Tätigkeit. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich sowohl Intensität als
auch Richtung der Lichtquellen verändern lassen. Die Auswahl der richtigen
Plätze und die Auswahl der Lichtquellen
sind nicht voneinander zu trennen. [92]
Beliebt ist das brillante warmweiße Licht
von Hochvolt-Halogenlampen oder Niedervolt-Halogenlampen für Akzentbeleuchtungen und Allgemeinbeleuchtung
in den Wohnräumen und im Bad.
Kompaktleuchtstofflampen, mit und ohne
integriertes Vorschaltgerät (Lichtfarbe:
warmweiß), haben die alten Glühlampen
meist ersetzt, da sie wesentlich bessere Lichtleistungen bei gleichem Strombedarf haben. Besonders seit es diese
Energiesparlampen auch in kleineren
Abmaßen und in den Formen der alten
Glühlampe oder als Zapfenlampe gibt,
ist der Einsatz in Wohnräumen gestiegen. [93]
Neue Entwicklungen sind darauf gerichtet, dass diese Energiesparlampen
gedimmt werden können und somit der
Einsatz auch in individuellen Lichtregelungen möglich ist.
Als Arbeitsplatzbeleuchtung in der Küche wird auf die stabförmige Leuchtstoffröhre häufig zurückgegriffen. Diese
zeichnen sich durch hohe Lichtleistung
aus. Hier werden immer bessere Leuchtstofflampen entwickelt, die kleiner in
den Abmaßen aber gleiche Lichtleistung
auszeichnet.
Für Effektbeleuchtungen stehen heute
Leuchtdioden (LED) zur Verfügung. Die
erzielbare Leuchtstärke ist für allgemeine Beleuchtungsanwendungen noch zu
gering. Ein weiterer Nachteil der Silizium-LED ist die punktförmige Lichtabstrahlung. Die Entwicklungen bemühen
sich, diese Nachteile in einer neuen Generation, den OLED, abzustellen. Diese
aus organischen Stoffen hergestellten
Leuchtdioden können auch flächenhaft
Licht abstrahlen.
Bild 4.5: Beispiel einer Leuchte mit LED-Technik
[94]
4.4.1 Energiesparende Leuchten und energieeffiziente Leuchtensysteme
Die Entscheidung, ob ein Leuchtensystem bzw. eine Leuchte energiesparend
ist, kann man am besten durch Gegenüberstellung der Lichtausbeute der jeweiligen Leuchtmittel treffen. Die Energieeffizienz einer Leuchte hängt in erster
Linie von der benutzten Lampe (Leuchtmittel) ab.
Zur Klarstellung hier die Definitionen der
Begriffe:
72
Der Lichtstrom Φ ist die Lichtleistung
einer Lampe. Er beschreibt die von der
Lichtquelle in alle Richtungen abgestrahlte Leistung im sichtbaren Bereich
und wird in Lumen (lm) gemessen.
Die Lichtausbeute ist das Maß für die
Wirtschaftlichkeit einer Lampe. Sie sagt
aus, wie viel Lumen (lm= Lichtleistung)
pro Watt (W= elektrischer Leistung) eine
Lampe erzeugt. Je höher das Verhältnis
Lumen/Watt, desto besser setzt eine
Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung
Lampe die eingebrachte Energie in Licht
um. Beispiele: Allgebrauchsglühlampe
12 lm/W, Halogenlampe 20 lm/W, Energiesparlampe 60 lm/W, stabförmige
Leuchtstofflampe 90 lm/W.
neu entwickelten Leuchten zeichnen sich
durch hervorragende Reflexionseigenschaften und Lichtleitsysteme aus, die
eine optimale Beleuchtung des Raumes
erzielen können. Durch die Weiterentwicklung der Lampen müssen auch die
Leuchten ständig angepasst werden.
Besonders die LED- Beleuchtungen erfordern neue Konzepte. Bei Markteinführung der flächenstrahlenden OLED
wird die Leuchte vielleicht völlig überflüssig, wenn die Tapete strahlt!
Aus gestalterischen Gründen und zur
Verhinderung von Blendungseffekten
wird die maximal mögliche Lichtausbeute der Lampe in der Regel durch die
Leuchte bzw. durch ihre Glasabdeckung
oder ihren Lampenschirm, gedämpft. Die
4.4.2 Leuchtmittel
Die folgende Übersicht zu den gebräuchlichen Lampen mit Angabe der möglichen
Lichtausbeute und Farbgüte soll zur Auswahl der passenden energiesparenden
Lampe dienen:
Leuchtmittel
Elekr.
Leistung
[Watt]
Lichtstrom
[Lumen]
Allgebrauchsglühlampe
15 - 200 90 - 3.150
Hochvolt-Halogenlampen
PAR1)-Reflektorlampen
40 - 100
-
Hochvolt-Halogenlampen Reflektorlampen
50 - 75
-
Hochvolt-Halogenlampen ohne
Reflektor mit Hüllkolben
Farbwiedergabe
Index Ra
Sockel
warmweiß
(ww)
≥ 90
E27
-
warmweiß
(ww)
≥ 90
E14,
E27
-
warmweiß
(ww)
≥ 90
GU10,
GZ10
60 - 250 840 - 4.200 14 - 17
warmweiß
(ww)
≥ 90
E27
Hochvolt-Halogenlampen ohne
Reflektor Kerzenform
25 - 60
10 - 14
warmweiß
(ww)
≥ 90
E14
Hochvolt-Halogenlampen ohne
Reflektor zweiseitig gesockelt
60 - 500 840 - 9.500 14 - 19
warmweiß
(ww)
≥ 90
R7s
Hochvolt-Halogenlampen ohne
Reflektor ohne Hüllkolben
25 - 250 250 - 4.200 10 - 17
warmweiß
(ww)
≥ 90
E15d
Niedervolt- Halogenlampen
ohne Reflektor (Stiftsockel)
5 - 150
warmweiß
(ww)
= 90
G4,
GY6,35
Niedervolt- Halogenlampen mit
Reflektor (Ø 51 mm)
20 - 65
-
-
warmweiß
(ww)
≥ 90
GU 5,3
Niedervolt- Halogenlampen Kaltlichtreflektorlampen (Ø 35 mm)
10 - 35
-
-
warmweiß
(ww)
≥ 90
GU 4
250 - 840
60 - 3.200
Lichtausbeute
[Lumen/
Watt]
6 - 16
12 - 21
Lichtfarbe
1)PAR (Parabolic Aluminized Reflector)
Tabelle 4.1: Übersicht Daten Allgebrauchs- und Halogenlampen, nach [93].
73
Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung
Leuchtmittel
Elekr.
Leistung
[Watt]
Lichtstrom
[Lumen]
Lichtaus- Lichtfarbe
beute
[Lumen/
Watt]
Farbwiedergabe
Index Ra
Sockel
Kompaktleuchtstofflampen mit
integriertem Vorschaltgerät E27
5 - 23
240 - 1.500 48 - 65
warmweiß
(ww)
≥ 90
E27
Kompaktleuchtstofflampen mit
integriertem Vorschaltgerät E14
3 - 11
100 - 600
33 - 55
warmweiß
(ww)
≥ 90
E14
Kompaktleuchtstofflampen mit
integriertem Vorschaltgerät
Birnenform
5 - 15
200 - 900
40 - 60
warmweiß
(ww)
≥ 90
E27
Leuchtstofflampen Dreibanden
Ø 26 mm
18 - 58
1.350
- 5.200
752)
– 932)
(ww, nw,
tw) 3)
80 - 90
G13
Leuchtstofflampen Dreibanden
Ø 16 mm1) hohe Lichtausbeute
14 - 35
1.350
- 3.650
96 - 104
(ww, nw,
tw) 3)
80 - 90
G5
Leuchtstofflampen Dreibanden
Ø 16 mm1)
hohe Lichtstrom
24 - 80
2.000
- 7.000
83 - 93
(ww, nw,
tw) 3)
80 - 90
G5
Leuchtstofflampen Dreibanden
Ø 7 mm
6 - 13
310 - 1.030 52 - 79
(ww, nw,
tw) 3)
80 - 90
W4,3
1) Betrieb ausschließlich mit elektrischem Vorschaltgerät (EVG);
2) bei Betrieb mit EVG wird die Lichtausbeute auf 81 lm/W bis 100 lm/W gesteigert (ohne VG-Verluste)
– die Leistung sinkt von 18 W auf 16 W, von 36 W auf 32 W und von 58 W auf 50 W
3) (ww, nw, tw) = warmweiß, neutralweiß, tageslichtweiß
Tabelle 4.2: Übersicht Daten Kompakt- und Leuchtstofflampenlampen, nach [93].
4.4.3 Leuchtdioden (LED)
LED sind Leuchtdioden, das Kürzel steht
für Licht Emittierende Diode bzw. Light
Emitting Diode. LED sind elektronische
Halbleiter-Bauelemente, die unter Spannung Licht in den Farben Rot, Grün,
Gelb oder Blau erzeugen. Mit Hilfe einer
zusätzlichen internen Leuchtschicht können blau leuchtende LED auch weißes
Licht erzeugen. LED werden in Orientierungsleuchten und gelegentlich auch
schon für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt. In vielen Anwendungen
genutzte, spezifische Vorteile unterschiedlicher LED-Bauformen sind hohe
Lebensdauer, Wartungsfreiheit, IR/UVFreiheit des Lichts, geringer Energieverbrauch, Farbstabilität, Stabilität gegen
Erschütterungen. [93]
LED-Module bestehen aus mehreren
Halbleiterkristallen oder Einzel-LEDs
(Halbleiterkristalle mit Gehäuse), die
auf einer Leiterplatte aneinander gereiht
oder in anderer Form kombiniert sind. Es
ist sinnvoll, das elektrische Layout der
Leiterplatte auf die vorgesehene Anwen74
dung abzustimmen. LED-Module sind in
verschiedenen Formen und Größen auf
dem Markt.
Wesentliches Unterscheidungsmerkmal
ist die Aufbautechnologie:
- Module mit bedrahteten LEDs in Durchstecktechnologie,
- Module in SMD-Technologie (Surface
Mounted Device - aufputzmontiertes
Bauteil),
- Module auf Basis innovativer CoBTechnologie (Chip-on-Board - Produk
tionstechnologie „ Chip auf Leiterplatte
montiert“) und
- SMD oder CoB-Module für Hochleistungs-LEDs (Hochleistungsmodule).
Organische Leuchtdioden (abgekürzt:
OLED für Organic Light Emitting Device)
sind Bauelemente aus ultradünnen organischen Schichten – ähnlich wie Plastikfolien – die beim Anlegen einer Spannung
Licht aussenden. Diese Bauelemente
sind nicht nur sehr flach, sondern prinzipiell auch großflächig herstellbar und
OLED können in den verschiedensten
Farben hergestellt werden. Derzeit werden organische Leuchtdioden bereits als
Displays in elektronischen Kleingeräten
wie Mobiltelefonen, Autoradios und Digitalkameras eingesetzt. In der Beleuchtungstechnik gibt es jedoch noch keine
echten Anwendungen.
Experten erwarten jedoch, dass die
OLED-Technologie mittelfristig Einzug in
vielfältige neue Anwendungsfelder halten wird. Eine Marktabschätzung für organische Leuchtdioden im Jahr 2003 ergab einen weltweiten Umsatz von etwa
260 Millionen US-Dollar. Schon bis zum
Jahr 2008 wird eine Steigerung auf über
6,5 Milliarden US-Dollar erwartet. [95]
Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung
energieeffizient bei der Lichterzeugung.
Erste Muster dieser Bauelemente
zeigten auch, dass sie flexibel sind. Im
Unterschied zu „klassischen“ Leuchtdioden sind organische Leuchtdioden
Flächenstrahler. Dies ist für die meisten
Anwendungen, in denen große Flächen
be- und hinterleuchtet werden, ein deutlicher Vorteil.
Aus Sicht der Forschung sind damit technische Herausforderungen verknüpft:
- Verbesserung der Lebensdauer der
Bauelemente, z.B. durch Optimierung der Kapselungstechnologie,
- Verbesserung der Effizienz organischer
Leuchtdioden durch Bauelementdesign und neuartige Materialien,
- Entwicklung neuer Strukturierungsverfahren für Displays und
- Optimierung der Herstellungstechnologien zur drastischen Kostenreduzierung. [95]
In spätestens fünf Jahren will die Industrie erste OLEDs als Lichtquellen in den
Handel bringen, zunächst im dekorativen
Bereich. Denkbar sind farbige Leuchtelemente, die an Wände oder beispielsweise den Kühlschrank geklebt werden
können. Auf die leuchtende Tapete im
Wohnzimmer, die sich an grauen, trüben
Herbsttagen in eine blühende Frühlingslandschaft verwandelt, werden wir noch
einige Jahre warten müssen. [96]
Mit der Förderinitiative „Organische
Leuchtdioden“ des BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) werden derzeit deutsche Unternehmen in ihren Entwicklungen in diesem innovativen
und international stark beachteten Feld
unterstützt.
75
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
4.5
Gebäudeleittechnik (GLT)
Der Einsatz von Gebäudeleittechnik auch
bei Wohngebäuden war vor Jahren kaum
denkbar, aber der Trend in Richtung „Intelligentes Gebäude“ ist besonders seit
Einführung der digitalen Technik zur Informationsgewinnung, Übertragung und
Verarbeitung nicht mehr aufzuhalten.
Die “Intelligenz“ eines Gebäudes wird
zunehmend gekennzeichnet durch die
Möglichkeiten, die Daten verschiedener
Gewerke in einer Zentrale zu verarbeiten
und damit ganzheitliche Automationsund Bedienkonzepte zu entwickeln.
Nutzer und Betreiber haben den Vorteil
einfacher Bedienung und Erzielung eines
hohen Nutzwertes durch z.B. energieeffiziente Heizungs- und Lüftungsanlagen.
Die zentrale Bedien- und Überwachungseinrichtung wird als Gebäudeleittechnik
bezeichnet. Der Zustand der einzelnen
Geräte und Anlagen kann durch die GLT
angezeigt werden, ohne dass die Per-
son zum Beispiel in den Heizungskeller
gehen muss. Die GLT dient als zentrale
Steuerungs- und Anzeigeeinheit aller im
Hause befindlichen Anlagen, darunter
auch Brandschutz- und Sicherheitseinrichtungen. [97]
In modernen Gebäuden wird meist ein
Computer (PC) oder bei kleineren Anlagen ein PDA (Personal Digital Assistant) als Anzeige und Bedienterminal
eingesetzt. Durch die Verbindung über
Funknetze (WLAN) ist eine Steuerung
der Hausanlagen von jedem beliebigen
Ort im Haus möglich. Eine Übertragung
über das Telefonnetz an eine Zentrale
oder an ein Funktelefon zur Brand- bzw.
Einbruchsmeldung sind möglich. Der
Trend zur stärkeren Automation und
zentralen Steuerung der häuslichen
Systeme wird alle denkbaren Bereiche
erfassen. [98] [99]
4.5.1 Gebäudeautomation
Bild 4.6: Anwendungsbereiche der Gebäudeautomation [100]
12
BUS ist der in der Datenverarbeitung verwendete Begriff für ein Leitungssystem
zum Austausch von Daten
zwischen mehr als zwei Teilnehmern. Die Informationszuordnung erfolgt über elektronische Datenübertragung.
76
Die Gebäudeautomation (GA) umfasst
alle Prozesse der Steuerung und Regelung der hausinternen Systeme zur
Sicherstellung einer guten Heizung, Klimatisierung, Lüftung, Beleuchtung und
Sonnenschutzfunktion.
Die Gebäudeautomation arbeitet unabhängig von den Nutzern und sorgt entsprechend den eingestellten Parametern
automatisch für die optimale Betriebsweise der Gebäudetechnik. Damit diese
Funktionen ablaufen können, werden
Daten von den einzelnen Sensoren zur
Berechnung der nächsten Stellgrößen
benötigt. Diese Daten werden in der Regel
über BUS-Systeme 12 im Haus transportiert. Entsprechend der unterschiedlichen
Aufgaben und der notwendigen Reaktionsgeschwindigkeiten werden unterschiedliche BUS-Systeme eingesetzt. Gebäudeautomationssysteme funktionieren auch
ohne GLT entsprechend den ihr zuletzt
übermittelten SOLL-Parametern. [101]
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
4.5.2 Ebenen der Automationssysteme
Die klassische Gebäudeautomation wird
in drei Ebenen unterteilt. Die Feldebene,
die Automationsebene und die Managementebene. Durch die rasante Entwicklung der Mikroprozessoren in den letzten Jahren wird die bisherige Aufteilung
von Feld- und Automationsebene immer
mehr verwischt. Es wandert mehr Intelligenz in die Sensoren und Aktoren, so
dass diese inzwischen auch direkt an die
Feldbusse der DDC (Direct Digital Control) angebunden werden. Die klassische
Aufteilung der Ebenen ist im Bild 4.7 zu
sehen. [102]
4.5.2.1 Feldebene (Messen, Stellen,
Zählen)
Die unterste Ebene wird als Feldebene
bezeichnet. Hier erfolgt die Verbindung
der Sensoren (Taster, Bewegungsmelder, Helligkeit, Dämmerung, Sonnenschein, Wind, Regen, Zeitschaltuhren,
Temperatur, Kontaktschalter, Lichtschranken, Fernbedienung, Gas, Rauch, Kohlendioxid, mechanische Zähler, wie Gas-,
Wasser-, Elektrizitäts- und Wärmemengenzähler) und Aktoren (Schalter, Rollladenschalter, Dimmer, Heizkörperventile,
Schalter mit höhere Leistung) mit den
speicherprogrammierbaren Steuerungen
(DDC). Die Messwertbildung übernimmt
die DDC mit ihrem speziellen Programm.
Viele Sensoren besitzen bereits direkte
Busankopplung mit entsprechender Intelligenz. Dieser Trend wird sich fortsetzen und separate DDC als Koppelglieder
vielfach ersetzen. [103]
4.5.2.2 Automationsebene (Mess-,
Steuer-, Regelprozesse)
Auf der Automationsebene erfolgt der
Austausch von Daten zwischen den DDC
mittels Bussystemen. Trotz Standardisierung sind auch heute noch vielfach
Bussysteme im Einsatz, die herstellerabhängig sind. Schnittstellen zu anderen
Systemen können nur mit erheblichem
Aufwand hergestellt werden. Es ist bei
der Auswahl abzuschätzen, ob Erweiterungen unter Einbeziehung anderer
Fabrikate geplant sind. Wenn ja, sollten
nur DDC, die mit offenen nach Standard
Bild 4.7: Ebenenaufteilung einer Gebäudeautomation nach [97]
13
aufgebauten Systemen auf Automationsebene arbeiten, eingesetzt werden. Obwohl sie zur Zeit noch teurer sind, ist eine
weite Verbreitung abzusehen und durch
den vielfachen Einsatz auch mit Preisreduktionen zu rechnen.
Für den Wohnungsbau ist der Installationsbus KNX/EIB (Konnex Association/Europäischer Installationsbus) als herstellerübergreifendes Bussystem verbreitet und
wird speziell durch die elektrotechnischen
Installateure aufgrund der einheitlichen,
herstellerübergreifenden Software und
der Herstellervielfalt favorisiert.
Auf der Automationsebene der Heizungsund Klimatechnik wird häufig das Local
Operating Network (LON) als herstellerübergreifendes Bussystem benutzt, da es
für Automatisierungsaufgaben der Steuer- und Regeltechnik speziell entwickelt
wurde. Ankopplung an das KNX/EIB-System ist möglich.
Moderne Funksysteme eignen sich zur Ergänzung oder zur Nachrüstung besonders
gut, wenn keine neuen Kabel gezogen
werden sollen oder können. Die meisten
Funksysteme sind jedoch nicht miteinander kompatibel. Einige wenige erfüllen die
EN 50090 als den weltweit ersten offenen
Standard für die Haus- und Gebäudeautomatisierung, der sowohl Draht / TP 14,
Powerline 15 und Funksysteme umfasst.
Bei drahtlosen Systemen muss auf die
entsprechende Verschlüsselung der Daten
geachtet werden, damit kein Missbrauch
durch Dritte möglich ist. [103] [104]
13
Feldbus ist ein industrielles
Datenübertragungssystem,
das eine Vielzahl von Geräten in der Feldebene mit den
Steuerungsgerätenverbindet.
Es ersetzt die herkömmliche
Installationstechnik.
DDC Device ist eine – dem
Computer ähnliche – elektronische und programmierbare Baugruppe, die für
die Steuerungs- und Regelungsaufgaben in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird.
14
TP (twisted pair) ist ein
zweiadriges , gegeneinander verdrilltes, Kupferkabel
zur Datenübertragung.
15
Powerline bedeutet die Datenübertragung über das
Stromnetz.
77
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
4.5.2.3 Managementebene (Stör- und
Meldungsüberwachung, Betriebsführung)
Die Managementebene ist die Ebene,
mit deren Hilfe die Anlagen überwacht,
gesteuert und für den Betreiber visuell
dargestellt werden. In der Managementebene kommt spezielle Software, die Gebäudeleittechnik, zum Einsatz. [97]
Es gibt diverse herstellerabhängige Systeme, die ihre Vor- und Nachteile haben. Die
Entwicklung neuer Anzeige- und Visualisierungstechniken wird einen immer besseren Überblick über die Gesamtsysteme
gestatten. Die Verknüpfung mit Bildsystemen im Hause werden auch Personen ohne
Kenntnis der Haustechnik durch Visualisierung in die Lage versetzen, die passende
Parametrisierung vorzunehmen. [103]
4.5.3 Steuersysteme
Die einfachsten Steuerungssysteme sind
die durch Wandschalter zu bedienenden
Beleuchtungsanlagen und Rollos, bei denen lediglich die Energieversorgung abgeschaltet oder zugeschaltet wird. Um eine
bessere Funktionalität zu erreichen und
den Komfort zu steigern, können z. B. die
Möglichkeiten des KNX/EIB genutzt werden. Bei der EIB-Technik, die 1992 eingeführt wurde, werden zwei Leitungsnetze,
das Stromnetz zur Stromversorgung mit
230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz (=EIB-Netz) mit maximal 29 V
Gleichspannung unabhängig voneinander
bzw. parallel im Haus verlegt. Der Verbraucher wird über einen Aktor, der sich beispielsweise in der Steckdose befindet, mit
der Stromversorgung verbunden. Wenn
über die Datenleitung (Gleichspannung)
der Befehl zum Einschalten des Verbrauchers empfangen wird, so wird die Stromversorgung (230V) durchgeschaltet. Falls
es sich um einen Dimm-Aktor handelt,
kann das empfangene Befehlstelegramm
die Stärke der einzustellenden Ausgangsspannung variieren. Die Befehle für die
Aktoren können direkt von Sensoren (z.B.
Schalter, Helligkeit, Temperatur, CO2Konzentration, Wind, Sonnenlicht, Bewegungsmelder) oder indirekt von einem
Netzwerkcomputer kommen, der zeitabhängige Schaltungen oder programmierte
Szenarien je nach Programmierung auslöst. Wo sich der anzusprechende Aktor
und wo sich der steuernde Sensor befindet,
ist beim Bussystem völlig egal. Entscheidend sind die programmierten Adressen
in den BUS-Geräten. Daher sind Veränderungen ohne bauliche Maßnahmen
leicht durch Programmierung möglich. Die
Entwicklung zukünftiger Systeme wird in
erster Linie in der Verkleinerung der Baugruppen und in der Verbesserung der Programmiermöglichkeiten liegen. Ein Übergang zur optischen Datenübertragung ist
ebenfalls denkbar. [104] [105] [106] [107]
4.5.4 Heizungsregelung
Die Regelung der Heizungsanlage erfolgt entsprechend der Parameter des
Herstellers und gewährleistet dadurch
eine sichere und störungsfreie Betriebsführung. Oft benutzen die Hersteller als
Feldbus das Local Operating Network
(LON) zur Steuerung, Regelung und
Überwachung der Anlage. Zur bedarfsgerechten Heizung werden Sensoren im
Freien abgefragt, die eine Anpassung
der benötigten Heizleistung für das relativ träge Heizsystem entsprechend der
Witterungslage rechtzeitig ermöglichen.
78
Über eine Schnittstelle ist eine Verbindung zum Bussystem der Gebäudeautomatisierung (z.B. EIB) vorhanden, die
zur Parametrierung und Visualisierung
der Heizungsanlage eingesetzt wird.
Durch im Gebäude verteilte Sensoren
können die Temperaturen in jedem Raum
erfasst werden. Aktoren an den Heizkörpern oder an den entsprechenden Ventilen einer Fußbodenheizung gestatten
die individuelle Temperatursteuerung
jeden Raumes über das BUS-System.
[103] [108]
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
4.5.5 Medienkommunikation
In einem modernen Haushalt werden
die Bereitstellung von externen Verbindungen wie Sprechfunk, Telefon,
Fernsehen, Internet, Satellitenfunk u.a.
erwartet. Durch die Installation eines
Funknetzes z.B. WLAN (Wireless Local
Area Network) ist es möglich an jedem
beliebigen Ort im Haus eine Internetverbindung aufzubauen. Zur Realisierung
einer zentralen Versorgung mit Fernsehen, Satellitenprogrammen und Video-,
DVD-Unterhaltung im Haus ist der Aufbau
einer schnellen Ethernet-Kabelverbindung 16 im Giga- Bit- Bereich erforderlich,
die mit Unterstützung zentraler Rechentechnik diese Angebote an jede im Haus
befindliche Empfangsanlage verteilen
kann. Die Auswahl der gewünschten Medien kann am jeweiligen Ort durch das
Gebäude-Steuerungssystem am PDA
über Funk realisiert werden. Diese ver-
teilten Informationsangebote gestatten
auch weitere Automatisierungsfunktionen wie z. B. die selbstständige Bestellung von Lebensmitteln bei einem Unterschreiten des vordefinierten Minimums
über Internetshops vom Kühlschrank
aus, die Abfrage gewünschter Kochrezepte und automatischer Bestellung der
benötigten Zutaten und den zeitgesteuerten Start des Kaffeeautomaten und
Toasters mit Fertigmeldung am jeweils
gewünschten Ort. Die Möglichkeiten
sind hier manchmal größer als der Bedarf.
Viele dieser Funktionen werden zukünftig sprachgesteuert sein, so dass
Bedienterminals entfallen können. Das
intelligente Haus der Zukunft wird dem
Nutzer alle Wünsche von den Lippen ablesen können. [98]
4.5.6 Beleuchtungssysteme
DALI ist der Nachfolger für die zur Zeit
weit verbreitete analoge Regelung der
Lichtleistung von Entladungslampen
durch Änderung einer Gleichspannung
(1-10 V Standard) am elektronischen
Vorschaltgerät (EVG).
Für die Gestaltung von Lichtspielen oder
für bestimmte stimmungsvolle Beleuchtungen bietet das Digital Adressable
Lighting Interface (DALI) die Voraussetzungen. Es ist ein Steuerprotokoll zur
Steuerung digitaler, lichttechnischer Betriebsgeräte in Gebäuden (z.B. Transformatoren, Vorschaltgeräte (EVG’s), Leistungsdimmer, etc.). Jedes Betriebsgerät,
das über eine DALI- Schnittstelle verfügt,
kann über DALI- Kurzadressen einzeln
angesteuert werden. Durch einen bidirektionalen Datenaustausch kann ein DALI-
Steuergerät den Status einer Leuchte
abfragen bzw. den Zustand verändern.
In Verbindung mit entsprechenden
Lichtsensoren sind damit tageslichtabhängige Regelungen realisierbar, die in
Verbindung mit Anwesenheitssensoren
für eine energiesparende Beleuchtung
der Wohnung sorgen. Eingangsbeleuchtungen, die mit Hilfe von Tageslicht- und
Bewegungsmeldern selbsttätig ein- und
ausschalten, können mit dem Sicherheitssystem korrespondieren und bei
Erkennung der Person eine Türöffnung
Auslösen bzw. eine Überwachungskamera starten.
Veränderungen sind durch die digitale
Programmierung leicht durchführbar und
können mit in das GLT- System integriert
werden. [106] [107] [108]
4.5.7 Sicherheitssysteme
16
Die Sicherheitstechnik mit der Zutrittsregelung, der Videoüberwachung gefährdeter Bereiche, Anwesenheitsdetektoren,
Brand- bzw. Glasbruchmeldern und an-
derer Sensoren lässt sich in das Gesamtsystem einpassen und gestattet dadurch
eine hohe Funktionalität und Flexibilität.
Die Signale der Sicherheitsanlagen kön-
Ethernet ist ein Standard
für kabelgebundene Datenübertragungstechnik für lokale Datennetze (LAN) und
umfasst u.a. Festlegungen
für Kabeltypen.
79
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
nen bei nicht zu hohen Anforderungen
(Datenübertragung wie z.B. Video) über
das Bussystem der Gebäudeautomation
mit übertragen werden und gestatten somit eine einfache Einbeziehung in die vorhandene Visualisierung der Hausdaten.
Gefährdete Bereiche werden parallel auf
gesonderten Datenwegen digital codiert
übertragen und somit der Manipulation
durch Unbefugte weitgehend verhindert.
Die Entwicklung der drahtlosen Technik
wird auch bei den Sicherheitssystemen
zu höherer Flexibilität führen. Komplizierte Verschlüsselungsalgorithmen gewährleisten eine abhörsichere Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten. Durch Eigendiagnoseprogramme
können Ausfälle und Störungen schnell
lokalisiert und beseitigt werden.
[106] [108]
4.5.8 Welche neuen Möglichkeiten bietet die Gebäudeautomation (GA)?
- Die Beleuchtung kann bedarfs-, tageszeit- bzw. jahreszeit- und bewegungsabhängig geschaltet bzw. gedimmt
werden.
- Heizung, Lüftungs- und/oder Klimaanlage werden bedarfs- und zeitgerecht gesteuert.
- Verschattungseinrichtungen werden
in Abhängigkeit von Sonnenlicht und
Windzeit bedarfsgerecht ausgerichtet.
- Die Überwachung von Fenster- und
Türkontakten sowie von Bewegungsmeldern erhöht die Sicherheit,
- Zutrittskontrollsysteme sind realisierbar und flexibel veränderbar.
- Alle Steuerungsvorgänge im Gebäude können zentral erfasst und angezeigt werden.
- Schalten bzw. Dimmen von Beleuchtungskörpern erfolgt mit Funk- oder
Infrarotfernbedienung.
- Fernüberwachung und Fernsteuerung
über das Telefonnetz oder über das
Internet (Fernwirken) bei Abwesenheit
sind möglich.
- Vebrauchsdatenerfassung von Wärmezählern, Wasserzählern, Gaszählern und Stromzählern erfolgt zentral
und kann leicht ausgewertet werden. [97] [105] [106] [109]
4.5.9 Welche Vorteile ergeben sich durch Nutzung einer Gebäudeautomation?
- Energieverbrauchsreduktion durch intelligente Regelung der Anlagensysteme,
- Komfortgewinn durch intelligente Steuerung: z.B. kann auf einen Tastendruck
eine vordefinierte Beleuchtungssituation hergestellt werden, anstatt das
mehrere Lampen einzeln geschaltet
oder gedimmt werden müssen, oder
durch logische Verknüpfungen von
Schaltzuständen können alternativ
definierte Aktionen ausgelöst werden,
80
- Anwesenheitssimulation zum Schutz
gegen Einbrüche,
- Sicherheit für die Bewohner durch
Alarmierung beim Auftreten von kritischen Situationen auch außerhalb
des Gebäudes möglich (Polizeinotruf,
Feuerwehralarm) und
- zentrale Überwachungsmöglichkeit
der Anlagen mit automatischer Alarmweiterleitung an Reparaturstützpunkte
oder anderes technisches Personal.
[97] [105] [110] [105]
Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung
4.5.10 Mit welchen Nachteilen muss man rechnen?
- Auf den ersten Blick entstehen höhere
Anschaffungskosten im Vergleich zur
normalen Gebäudeinstallation.
Jedoch sind die Betriebskosten des
Gebäudes durch die Energieeinsparungen geringer. Zum anderen sind
viele Komfortfunktionen mit herkömmlicher Gebäudeinstallation gar nicht
realisierbar oder viel teurer.
- Die Komplexität der Anlagen erfordert
teilweise qualifiziertes Personal zur
Nachjustierung, Wartung und Reparatur.
- Abhängigkeit vom Installateur bzw.
Hersteller (DDC Hersteller) der Anlagen, da eine Erweiterung, Umbau
oder Reparatur meist die Kenntnisse
des ersten Installateurs erfordern und
der Kauf neuer oder zusätzlicher Ge-
räte beim gleichen Hersteller erfolgen
muss. Es ist daher darauf zu achten,
dass sämtliche Unterlagen incl. der
aktuellen Programme in den DDC´s
bei Fertigstellung übergeben werden,
so dass die nachträgliche Erweiterung
der Anlagen nicht unbedingt durch
den Errichter erfolgen muss.
- Bei Verwendung von Bussystemen mit
zertifizierten Produkten (KNX/EIB,
LONmark) ist in der Regel eine
Austauschbarkeit der Komponenten
gewährleistet. Durch die große Herstellervielfalt ergeben sich mitunter
neue Möglichkeiten der Anlagengestaltung und es können die preiswertesten Angebote ausgesucht werden. [97]
4.5.11 Sinnvoller Einsatz im Ein- und Zweifamilienhausbereich
– Tendenz für die Zukunft
Die Entscheidung, ob der Einbau in
einem Ein- oder Zweifamilienhaushalt
sinnvoll ist, hängt von den Forderungen
und Wünschen des Nutzers ab [98].
Die neuen Möglichkeiten der GLT sind
besonders auch für Gruppen von Menschen interessant, die z.B. unter körperlichen Behinderungen leiden, die sie in
ihrer Beweglichkeit einschränken. Durch
das Bussystem ist der Aufwand für die
zusätzliche Installation von automatischen Türöffneranlagen, Visualisierung
von schlecht zu erreichenden Bereichen,
Warnung bei beliebigen Ereignissen relativ klein. Notrufsysteme und automatische Benachrichtigung von Hilfspersonen sind unkompliziert im gesamten
Haus auslösbar. Durch die Visualisierung aller relevanten Daten auf Displays
ist für die Korrektur von Heizparametern
oder Ähnlichem keine umständliche VorOrt-Einstellung erforderlich. Der Vorteil
des Bussystems ist es – ohne großen
baulichen Aufwand – neue Nutzerforderungen, die nach der Planung bekannt
werden, noch integrieren zu können. Dies
wird bei Menschen mit Behinderung, auf
Grund der unbestimmten Gesundheitsentwicklung, besonders hilfreich sein.
Die neue Technik bietet viele Funktionen,
die mit der traditionellen Installation nicht
oder nur sehr umständlich zu realisieren
sind. Werden keine derartigen Komfortwünsche gestellt, so ist eine traditionelle
Technik die preiswertere, wenn auch
nicht zukunftssichere Variante. Je höher
die Ansprüche an Flexibilität und Automatisierung gestellt werden, desto sinnvoller ist die moderne Technik mit ihren
vielen neuen Möglichkeiten.
Einzelne Firmen bieten Musterlösungen
an, die als Komplettlösungen für schlüsselfertige Häuser – abgestimmt auf
die speziellen Wünsche des späteren
Nutzers – in der neuen Technik realisiert werden. Ein Zusammenwirken der
verschiedenen Gewerke während der
Planungsphase und Bauphase ist notwendig, um die gewünschte Komplexität der Lösung zu erreichen. Ziel ist es,
mit einem zentralen visuellen System
alle Funktionen der unterschiedlichsten
Geräte und Anlagen einfach bedienen
zu können, zukünftig bestimmt auch
sprachgesteuert und Stimmenkodiert.
81
Ausblick - Forschungsansätze
Herstellerunabhängigkeit / offene Systeme
Voraussetzung für die komplexe Bedienung und Kontrolle aller Geräte durch die
Gebäudeleittechnik ist, dass die Datentelegramme auf den Busleitungen richtig interpretiert werden. Viele Hersteller
benutzen eigene – für ihre Technik optimierte – Telegrammstrukturen, die von
Geräten anderer Hersteller nicht verstanden werden. Soll ein solches System
erweitert werden, so ist der Bauherr auf
den Hersteller der Alt-Anlage festgelegt.
Möchte er neue Fabrikate eines anderen
Herstellers einsetzen, so benötigt er ein
so genanntes „Gateway“. Dieses Gerät
übersetzt die Protokolle der unterschiedlichen Herstellergeräte, so dass diese
von dem jeweils anderen Herstellergerät
5
Ausblick und weiterführende Forschungsansätze für neue Entwicklungen im Bereich
Wohnungsbau
5.1
Ausblick
Die dargestellten technologischen Neuerungen stellen den derzeitigen Stand der
Entwicklung dar. Es hat sich im Verlauf
der Untersuchung deutlich gezeigt, dass
hier in den nächsten Jahren weitere Entwicklungen zu erwarten sind. Die neuen
Produkte und Bausteine werden heute
noch primär bei öffentlichen Gebäuden
5.2
und größeren Bauprojekten eingesetzt.
Man kann davon ausgehen, dass – zu
dem Zeitpunkt da verwertbare Langzeitergebnisse vorliegen und die Herstellung
vieler Produkte kostengünstiger wird – die
Relevanz sowie die Einsatzmöglichkeiten
für den Wohnungsbau steigen.
Forschungsprojekte und Förderinitiaven
Das BMBF hat mit dem Forschungsprogramm „Bauen und Wohnen im
21. Jahrhundert“ ein ressortübergreifendes, interdisziplinäres Programm geschaffen, das die Entwicklung und Erprobung neuer Wege und Modelle für das
Leben in unseren Städten und Regionen
unter den Aspekten der Nachhaltigkeit
und Zukunftsverträglichkeit unterstützt.
Neben der Grundlagenforschung (Erarbeitung von Orientierungswissen), Beiträgen zum Wissenstransfer und den
Verbundprojekten „Modelle für zukünftiges Wohnen in Stadt und Region“ und
82
interpretiert werden können. Besonders
kompliziert und teuer wird es, wenn zusätzlich Geräte eines dritten Anbieters
eingesetzt werden, da dann ein weiteres
Gateway erforderlich ist. Die Problemlösung liegt in der konsequenten Verwendung von Geräten, die dem Standard herstellerübergreifender Bussysteme (z.B.
KNX/EIB oder LON) entsprechen. Diese
Geräte sind leider meist etwas teurer, der
Vorteil liegt jedoch bei der wesentlich flexibleren Handhabung bei Erweiterungen.
Bei Wartung und Reparaturarbeiten ist
trotzdem eine Hersteller-abhängigkeit
gegeben, da beim Ersatz eines gestörten Gerätes in der Regel auf den gleichen Hersteller zurückgegriffen werden
muss. [97]
„Bauforschung und -technik für die nachhaltige Stadt- und Raumentwicklung“ ist
ein weiterer Schwerpunkt mit dem dritten Verbundprojekt „Bauforschung und
-technik im Wohnungsbau“ mit dem Ziel
der Erhöhung der Qualität und Lebensdauer von Bauwerken gesetzt worden.
Darüber hinaus gibt es in diesem Bereich
Forschungsthemen, die sich mit Verbesserungen des Planungsprozesses, der
Bauorganisation und einem effizienteren
Bauablauf mit Hilfe von modernen Technologien befassen.
Literatur- und Bildnachweis
6
Literatur- und Bildnachweis
Kap. 2.1
[1]
Wärmepumpe, Lüftung und Heizungen mit Erdwärme.
URL: http://www.effiziento.de/erdwaermepumpe.html [Datum des letzten
Zugriffs: 31.01.2007].
[2]
Wuppertal Institut für Klima-Umwelt-Energie, Planungsbüro Schmitz, Aachen:
Energiegerechtes Bauen und Modernisieren, Bundesarchitektenkammer,
Birkhäuser Verlag, 1996.
[3]
Fisch, N., Kühl, L. (IGS, TU Braunschweig): Integrale Gebäudeplanung.
URL: ftp://www.igs.bau.tu-bs.de/pub/Publikationen/IGS_FKS_15_Num.pdf
[Datum des letzten Zugriffs: 03.07.2006].
[4]
Informationsblatt 5.2: Energiekennwerte und Energieausweis, Kompetenzzentrum „Kostengünstig qualitätsbewusst Bauen“ im IEMB (e. V.) an der TUBerlin, 2006.
Kap. 2.2 – 2.2.3
[5]
Bauphysik Kalender, hrsg. von Univ.-Prof. Dr. Erich Cziesilski. 5. Auflage,
Ernst&Sohn, 2005.
[6]
Güte- und Prüfbestimmungen für die Planung und Bauausführung von Häusern
in Niedrigenergiebauweise. Gütegemeinschaft Niedrigenergie-Häuser e.V.,
Detmold 2002.
URL: http://www.guetezeichen-neh.de/Downloads/downloads.html [Datum
des letzten Zugriffs: 31.01.2007].
[7]
Ein- und Mehrfamilienhäuser in Niedrigenergiebauart richtig bauen – richtig
nutzen. Herausgegeben vom Niedersächsischen Ministerium für Frauen,
Arbeit und Soziales, Hannover 1999.
[8]
Niedrigenergiehäuser. Information für Bauinteressenten und Planer. Ministerium der Finanzen Rheinland Pfalz, Mainz 2002. URL:
http://www.fm.rlp.de/service/doc/bauen_und_wohnen/niedrigenergiehauser.pdf
[Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007].
[9]
proKlima – Der enercity-fonds der Stadtwerke Hannover
[10]
Das Plusenergiehaus von Rolf Disch. URL: www.plusenergiehaus.de
[11]
Hinz, E.: Projekt „Niedrigenergiehaus im Bestand“ – 2. Projektwelle „Moder nisierungsvarianten für Gebäude mit zentraler Erdgasversorgung“ – Kurzbericht. BGW/ IWU. 2005.
[12]
Internetpräsentation des Passivhaus Institutes Darmstadt: www.passiv.de
[13] Wissensdatenbank der dena – Niedrigenergiehaus im Bestand. Hierzu:
Anton, H. – Wärmebrücken, 2005.
Kap.2.2.4
[14] Homepage Fachverband für Luftdichtheit im Bauwesen (flib).
URL: www.flib.de [Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007].
83
Literatur- und Bildnachweis
[15]
Energieagentur NRW: Luftdichte Gebäudehülle – Qualitätssicherung durch
Blower-Door Messung. URL: www.ea-nrw.de [Datum des letzten Zugriffs:
31.01.2007].
[16]
DIN V 4108-7: Wärmeschutz im Hochbau – Luftdichtheit von Bauteilen und
Anschlüssen. Planungs- und Ausführungsempfehlungen sowie Beispiele.
November 1996
Kap.2.2.5 - 2.2.6
[17] Deutsche Bundesstiftung Umwelt. URL: www.dbu.de [Datum des letzten
Zugriffs: 31.01.2007].
[18]
Solarenergieförderverein Bayern e.V.
[19]
Deutsche Energie-Agentur GmbH / Solarpraxis AG.
Kap.2.2.7
[20] Aschoff, C.; Grotjan, H.: Frischlufttechnik im Wohnungsbau. Gentner Verlag,
Stuttgart 2004. 1. Auflage 2004.
[21]
ebök Gbr: Luftkanalnetz bei Wohnungslüftungsanlagen. Tübingen 2003.
[22]
Greml, A. et altera: Endbericht: technischer Status von Wohnraumlüftungen. FHS-Kufstein Tirol, Februar 2004.
Kap.3 – 3.1
[23] Gerling, P.: Reserven, Ressourcen und Verfügbarkeit von Energierohstoffen
2004 - Kurzstudie, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe.
URL: http://www.bgr.bund.de/cln_030/nn_454936/DE/Themen/Energie/
Produkte/energiestudie__2004__nichterneuerbar.html [Datum des letzten
Zugriffs: 31.01.2007].
84
[24]
Bundesverband Kalksandsteinindustrie e.V.
[25]
Xella Technologie- und Forschungsgesellschaft mbH.
[26]
Ziegelwerk Otto Staudacher, Balzhausen.
[27]
Arbeitsgemeinschaft Ziegelelemenbau e.V., Bonn.
[28]
MHM Entwicklungs GmbH.
[29]
Munitec GmbH.
[30]
Von der Wohnzelle zur Stadtstruktur, Harald Ludmann, Karl Krämer Verlag
Stuttgart , 1968.
[31]
Raumzellenbauweisen – Entwicklungsstand und Tendenzen, Dieter MeyerKeller, Bauverlag BV GmbH, Wiesbaden und Berlin 1972.
[32]
Prof. Christoph Mäckler Architekten.
[33]
Prof. Han Slawik Architket.
[34]
Schöck Bauteile GmbH
fischerwerke Artur Fischer GmbH & Co.
[36]
Skorka, Manuela, Architektur- und Stadtplanungsbüro, Neuried
[37]
Albert Hangleiter GmbH, Ravensburg
[38]
ZAE Bayern.
[39]
Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU).
[40]
r-m-p architekten, roland matzig und partner gbr.
[41]
Sto AG.
[42]
Heinz Maier Architekten.
[43]
Saint-Gobain Glass.
[44]
WAREMA Renkhoff GmbH.
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Sonstiges:
Titelblatt (von links nach rechts): [57], [34], [76], [94].
88