Praxisinformation Energieeinsparung. Eine

Bauforschung
Praxisinformation Energieeinsparung
Eine Handlungsanweisung für
Architekten
F 1912
Fraunhofer IRB Verlag
F 1912
Bei dieser Veröffentlichung handelt es sich um die Kopie
des Abschlußberichtes einer vom Bundesmini sterium für
Verkehr, Bau- und Wohnungswesen -BMVBW- geförderten Forschungsarbeit. Die in dieser Forschungsarbeit
enthaltenen Darstellungen und Empfehlungen geben
die fachlichen Auffassungen der Verfasser wieder. Diese
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Schriftenr2ihe "Bau- und Wohnforschung"
des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau
04.
Praxisinformation Energieeinsparung
19B2
Eine Handlungsanweisung für Architekten
I•
-S2 0000 -
2
1
o =^ > 4 2
Im Auftrag des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen
und Städtebau, Bonn,
bearbeitet von der Bundesarchitektenkammer, Bonn
INHALTSUIIRGI[[INSPARUNC VERZEICHNIS
Eine Veröffentlichung der Bundesarchitektenkammer,
gefördert durch den Bundesminister für Raumordnung,
Bauwesen und Städtebau
0
Einleitung
Stadtplanung
1
1.1 Planungskriterien
1.2 Wechselwirkungen zwischen
Siedlungsstruktur und
Wärmeversorgungssystemen
2 Grundlagen
2.1 Bauphysik
2.2 Energiebilanz von Gebäuden
Seite
11
17
21
29
3 Gebäudeplanung
3.1 Gesamtkonzeption
39
3.2 Hausmodernisierung und Instandsetzung 49
Baukonstruktionen
4
4.1 Wände
4.2 Dächer und Decken
4 . 3 Erdberührende Rauteile
4.4 Fenster
5 Technischer Ausbau
5.1 Technische Gesamtkonzepte 5.2 Wärmequellen
5.3 Steuerung und Regelung
5.4 Heizkostenmessung, -verteilung
und -abrechnung
59
67
77
81
89
99
113
117
5
Eine Veröffentlichung der Bundesarchitektenkammer,
gefördert durch den Bundesminister für Raumordnung,
Bauwesen und Städtebau
1. Grundlagen des Forschungsantrages
Es ist bekannt, daß zum Thema Energieeinsparung
eine sehr große Zahl von Forschungsergebnissen
vorliegt, die von den verschiedensten Institutionen
gefördert wurden. Die Ergebnisse dieser Arbeiten,
die nur z. T. veröffentlicht wurden, erreichen die
Baupraxis nur unzureichend. Darüber hinaus wird
bei wissenschaftlichen Forschungen auf den
direkten Praxisbezug nicht immer geachtet.
Bauschäden durch falsch vorgenommene Dämmmaßnahmen bzw. unwirtschaftliche Maßnahmen
bestätigen dies. Daher wurde es notwendig, Bauforschungsergebnisse in praxisgerechte Arbeitshilfen für Architekten umzusetzen. Für die praktische Anwendung sollten kurzgefaßte „Handlungsanweisungen" entwickelt werden, die den Anwender in die Lage versetzen, ohne umfangreiche und
zeitraubende Studien die Forschungsergebnisse
zu übernehmen. Die Erkenntnisse sollten praxisorientiert formuliert, gegliedert und leicht verständlich dargestellt werden. Die Folge der Veröffentlichung der „Handlungsanweisungen" soll eine bessere Information der Architekten über die Möglichkeiten und Maßnahmen zur Energieeinsparung,
und damit auch Verhinderung falscher Anwendung
und Minimierung von Bauschäden sein. Die vorhandenen Mittel zur Energieeinsparung sollen
gleichzeitig wirtschaftlicher verwendet werden.
Insbesondere war bei dem Forschungsvorhaben
der Zusammenhang Energieeinsparung und Architektur mit dem Bezug zum Städtebau, Neubau und
der Altbaumodernisierung zu berücksichtigen.
Dazu waren bereits vorliegende Ergebnisse eines
Bundesarchitektenkammer-Expertengespräches
zur energiebewußten Architektur zu berücksichtigen.
Die Bearbeitung sollte sich am Planungs- und
Bauablauf orientieren und vor allem in der Konstruktion und technischen Ausrüstung praktische
Möglichkeiten aufzeigen. Dies sollte zu einem
qualifizierten und systematischen Vorgehen zur
Energieeinsparung führen.
Die Einschaltung von Praktikern war beabsichtigt,
um deren Erfahrungen in die geplanten Informationen einzubeziehen.
2. Energieeinsparung beim Bauen
Die Energieeinsparung ist kein neues Problem.
Sie ist aber verstärkt in den Vordergrund gerückt,
nachdem die Energiekosten einen ständig steigenden Faktor bei den Nutzungskosten darstellten.
Die Energiesituation zwang zu neuen Überlegungen und führte zu den Regelungen der Wärmeschutzverordnung, die gegenüber vergangenen
Jahren erheblich höhere Anforderungen an den
Wärmeschutz stellt. Eine weitere Erhöhung der
Anforderungen ab 1. Januar 1984 ist gefordert.
Aus fachlicher Sicht ist ein erhöhter Wärmeschutz
unproblematisch, verlangt jedoch bauphysikalische Kenntnisse, die über die Lehrinhalte an den
Architekturausbildungsstätten hinausgehen.
Dieser Tatsache mußte in dem Umsetzungsvorhaben dadurch Rechnung getragen werden, daß
bauphysikalische Grundlagen aufgearbeitet und
vereinfachte Berechnungsmethoden dargestellt
werden.
Die volkswirtschaftliche Notwendigkeit der Energieeinsparung bei Neubauten ist unumstritten. Besondere Berücksichtigung in bezug auf die erhöhten Nutzungskosten muß die Energieeinsparung
aber auch in der Altbausubstanz finden. Dazu war
es notwendig, Abhängigkeiten darzustellen, die
sich aus Veränderungen der baulichen und technischen Substanz ergeben. Die Wirtschaftlichkeit
dieser Veränderungen mußte untermauert werden.
Zusätzlich tragen neue Ideen für eine energiebewußte Architektur zur Energieeinsparung bei. Besonders die passive Nutzung der Sonnenenergie
steht dabei im Vordergrund.
3. Informationsdienstleistung für Architekten
Die Bundesarchitektenkammer übernahm gemeinsam mit der Architektenkammer Niedersachsen
das Vorhaben zur Förderung der Energieeinsparung als Informationsdienstleistung für Architekten.
Die Information über die Ergebnisse erfolgte durch
das Deutsche Architektenblatt. Zielgruppe sind
damit mehr als 60000 Architekten in der Bundesrepublik, die mit den Informationspaketen Anregungen und Anwendungshilfen erhalten. Es ist
beabsichtigt, die Ergebnisse zu aktualisieren und
zusätzlich realisierte Vorhaben mit architektonischen, baukonstruktiven und technischen Auswirkungen darzustellen. Dies ist eine Aufgabe,
die die Kammern in Zukunft übernehmen wollen.
4. Umsetzung von Forschungsergebnissen
Nach einer Sammlung bereits fertiggestellter und
noch in Arbeit befindlicher Forschungsvorhaben
wurde eine Gruppenbildung vorgenommen, die
aufgrund einer vorgegebenen Systematik eine
Einordnung der Ergebnisse zuließ. Die systematische Aufarbeitung der Gruppen erbrachte Zusammenhänge und Verbindungen der einzelnen Maßnahmen, die der Erarbeitung der Informationspakete zugrundegelegt wurden. Zudem flossen die
Erfahrungen der verschiedenen von der Bundesarchitektenkammer beauftragten Forscher ein.
Für die Koordinierung der Arbeiten wurde ein besonderer Auftrag vergeben. Dadurch wurde sichergestellt, daß die einzelnen Zusammenhänge berücksichtigt wurden. Es konnten in den wenigsten
Fällen die Ergebnisse der Forschung direkt übernommen werden. Die in der Forschung dargestellten Probleme und Lösungen mußten vielfach noch
aufbereitet werden. Wichtig war, daß der Architekt
in die Lage versetzt wurde, aufgrund von Beispielen Entscheidungen zu treffen, die auch Zusammenhänge und Folgewirkungen einbeziehen. Aus
dem Material mußten abgesicherte Erkenntnisse
von theoretischen Überlegungen getrennt werden.
Besonders im Bereich des Städtebaus wurde klar,
daß Handlungsanweisungen oft nicht direkt, sondern nur indirekt über die Darstellung der Problematik gegeben werden können.
7
Die Reihenfolge der Bearbeitung der verschiedenen Informationspakete konnte auch nicht entsprechend der Gliederung eingehalten werden,
sondern mußte so erfolgen, daß Voraussetzung
und Folge zur Erkenntnis der Zusammenhänge
berücksichtigt wurden.
Die Systematik der Erfassung und Bearbeitung
praxisrelevanter Aussagen der Forschungsergebnisse mußte, abgesehen von der Koordinierung,
weitgehend den Erfahrungen der Forscher überlassen werden. So werden in der Regel auch nicht
Forschungsergebnisse zitiert, sondern Einzelheiten und Zusammenhänge neu formuliert und interpretiert. Für das Vorhaben konnte den einzelnen
Forschern also nicht durchgängig eine Methode
an die Hand gegeben werden. Dies hätte die Themen sicher einseitig eingeschränkt und die Ergebnisse in ihrer Qualität nur von den vorgegebenen
Forschungsergebnissen abhängig gemacht. Es
war interessant zu erkennen, daß die beteiligten
Personen und Institutionen Forschungsergebnisse
in jedem Fall mit den eigenen Erfahrungen verglichen und die Zuordnung der Ergebnisse entsprechend eigenen Überlegungen vornahmen. So sind
Informationspakete enlslanden, in denen die Zusammenfassung der Forschung in den wenigsten
Fällen direkt abzulesen ist. Dies dürfte auch für die
Zukunft einen Grundtatbestand der Umsetzung
von Forschungsergebnissen bilden.
Es kann am Ergebnis festgestellt werden, daß es
nicht ausreicht, abgeschlossene Forschungsvorhaben zu erfassen und zu veröffentlichen, sondern
Zusammenhänge und Abhängigkeiten der einzelnen Ergebnisse darzustellen und in einer planungsorientierten Systematik zu veröffentlichen.
Einzelne Vorhaben können nur dann direkt der
Praxis übergeben werden, wenn die fachliche
Begleitung des Vorhabens praxisorientiert unter
Hinzuziehung angrenzender Bereiche vorgenommen wird. Das wichtige Ziel der Praxisorientierung
und der Praxisnähe der Ergebnisse orientiert sich
stark am Forscher. Bei zukünftigen Vorhaben müssen wissenschaftliche und praxisbezogene Formulierungen getrennt und durch honorierte Begleitungen abgesichert werden. Forschung der Hochschulen und reiner Forschungsinstitutionen sollte
stets durch Beteiligung von Praktikern ergänzt
werden.
Bauforschung muß sich grundsätzlich als praxisorientierte Forschung darstellen, da eine Rationalisierung des Planungs- und Bauprozesses bzw. die
Optimierung realer Projekte im Vordergrund stehen. Die Akzeptanz der Ergebnisse wird zudem
vielfach von der Anerkennung des Forschers abhängen.
5. Darstellung der Ergebnisse
Für die Darstellung der Ergebnisse wurde die Form
in sich abgeschlossener Informationspakete gewählt, die die isolierte Betrachtung dieser Bereiche
ermöglichen. Dadurch ergeben sich zwar gewisse
Überschneidungen, die aber nur bei der durchgehenden Lektüre erkennbar werden. Die Darstellung mußte übersichtlich in Schrift und Bild erfolgen, da durch die rein schriftliche Darstellung die
Akzeptanz der Ergebnisse als nicht gegeben angesehen werden muß. Die bildlichen Darstellungen
geben Anlaß, die Beschreibung zu lesen. Durch
das Herausheben von Schlagwörtern bzw. Stichwörtern soll die Übersichtlichkeit erhöht werden.
Dies gilt ebenfalls für die Verwendung jeweils nur
einer Farbe, die die Abbildungen leichter überschaubar macht. Die teilweise kleinformatige Dar8
stellung wurde bewußt in Kauf genommen, um den
Umfang der einzelnen Informationspakete zu mindern und damit schon mit der Seitenzahl die Lesbarkeit zu verbessern.
So beschränken sich die Abbildungen in vielen
Fällen auf eine symbolhafte Darstellung, die zum
Studium der Einzelheiten anregen soll.
Ein durchgängiges Layout als Grundvoraussetzung für das leichte Verständnis der Abbildungen
wurde angestrebt, denn ein ständig neues Einschauen bzw. Lesen in verschiedenartige Darstellungsformen könnte Ablehnung hervorrufen.
6. Umsetzung durch verschiedene Fachleute
Vorgesehen war die Bearbeitung der einzelnen Informationspakete nur durch Architekten, da damit
die Praxisnähe einfacher gegeben schien. Es hat
sich erwiesen, daß dies in einigen Fällen nicht
möglich war, zumal dann, wenn zu erwarten war,
daß bei einer Forschungsinstitution oder einer
Hochschule die umfassenderen Erfahrungen vorliegen. In diesen Fällen mußte die Praxisnähe
durch den Koordinator bzw. durch die begleitende
Arbeitsgruppe der Architekten gesichert werden.
Das galt in diesen Fällen auch für die Auswahl der
einzelnen angesprochenen Themen. Es war festzustellen, daß in der Praxis mit Lösungen gearbeitet wird, die ohne Zusammenhang mit theoretischen Überlegungen nicht zu optimalen Ergebnissen führen, so daß schon deshalb die Kombination
von Theorie und Praxis dem Ergebnis förderlich ist.
7. Ergebnisse der Informationspakete
Die Arbeit wurde in folgenden Schritten durchgeführt:
o Erarbeitung eines Systems zur Einordnung
energiesparender Maßnahmen in den Planungsund Bauprozeß,
O Sichtung bereits vorhandener Forschungsergebnisse im Hinblick auf den Maßnahmenkatalog,
O Auswahl der umzusetzenden Ergebnisse.
Die einzelnen Forscher wurden um folgende Arbeiten gebeten:
o Aufstellung einer Prioritätenliste für die Umsetzung,
O Auswahl der wesentlichen Erkenntnisse aus
den Forschungsergebnissen,
O Formulierung von Informationspaketen als
Handlungsanweisungen mit zeichnerischer Darstellung und Erläuterungen zu wichtigen Einzelheiten der Ergebnisse.
Entsprechend diesen Überlegungen wurde die
gesamte Information folgendermaßen gegliedert:
1. Stadtplanung
1.1 Planungskriterien
1.2 Wechselwirkungen zwischen Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen
2. Grundlagen
2.1 Bauphysik
2.2 Energiebilanz von Gebäuden
3, Gebäudeplanung
3.1 Gesamtkonzeption
3.2 Hausmodernisierung und Instandsetzung
Baukonstruktionen
4.
4.1 Wände
4.2 Dächer und Decken
4.3 Erdberührende Bauteile
4.4 Fenster
Technischer Ausbau
5.
5.1 Technische Gesamtkonzepte
5.2 Wärmequellen
5.3 Steuerung und Regelung
5.4 Heizkostenmessung, -verteilung und
-abrechnung
B.
Ergebnisse
8.1 Stadtplanung
Den zur Stadtplanung vorliegenden Forschungsergebnissen ist gemein, daß sie sich mit einem Thema auseinandersetzen, dem in früherer Zeit kaum
Beachtung geschenkt wurde. Die Festlegung der
Siedlungsstruktur war Aufgabe der Architekten
und Städteplaner, Wärmeversorgungsplanung war
Aufgabe der Versorgungsunternehmen. Die Einführung einer Vielzahl neuartiger und weiterentwickelter Versorgungsalternativen hat dazu geführt, daß die gegenseitigen Wechselwirkungen
dieser Planungsbereiche immer deutlicher wurden.
Man erkannte, daß Planungsentscheidungen des
einen Bereiches positive oder negative Rahmenbedingungen für den anderen Bereich scha ffen
und damit zur Energieeinsparung oder Energieverschwendung beitragen. Nach Durchsicht der vorliegenden Forschungsergebnisse schien es erforderlich, den Planer in die Lage zu versetzen, Entscheidungen vor dem Hintergrund der versorgungstechnischen Folgewirkungen zu fällen. So
wurde im wesentlichen versucht, dem Planer einen
Einblick in die relativ fremdartige Problematik zu
geben, um überhaupt Entscheidungen zu ermöglichen. Die Information geht daher nicht in die Tiefe,
sondern in die Breite. Das Ergebnis ist hauptsächlich an einer systematischen Darstellung der Einflüsse orientiert. Es wurde Wert gelegt auf die
Berücksichtigung lokaler Gegebenheiten, die
sowohl die. Gesamtsituation wie auch das einzelne
Gebäude beeinflussen. Die Optimierung der Wärmeversorgungssysteme und der Wärmeverteilung
wurden in bezug auf diese lokalen Einflüsse angesprochen. Sicher ist, daß die Energieversorgungsplanung in Zukunft einen erheblichen Einfluß auf
die Stadtplanung haben wird und eine optimale
Energieeinsparung über die Wärmeversorgung
und die passive Sonnenenergienutzung beim einzelnen Gebäude schon durch die Stadtplanung
gesteuert wird.
8.2 Grundlagen
Es erwies sich als unumgänglich, bauphysikalische Grundlagen und vereinfachte Berechnungsverfahren darzustellen, die die Überprüfung der
Maßnahmenvorschläge sowie die Kontrolle vorgegebener Werte ermöglichen. Nach der Erfahrung
wurde diese Materie an den Hochschulen bisher
vernachlässigt. Eine verbesserte Information ist
erst in den letzten Jahren zu beobachten. Es muß
aber davon ausgegangen werden, daß die Grundlagen jedem Architekten in der vorliegenden
vereinfachten Form zugänglich gemacht werden
müssen. Das gilt insbesondere für die Begriffsdefinitionen sowie die bauphysikalischen Einheiten.
Auf die Definition der „Behaglichkeit", d. h. den
spürbaren Einfluß für den Menschen, wurde besonderer Wert gelegt. Die vorliegende Grundlagenforschung sowie entsprechende spezielle Veröffentlichungen wurden berücksichtigt.
Die Energiebilanz von Gebäuden als Gesamtbetrachtung ist der besonderen Aufmerksamkeit
empfohlen. Die ganzheitliche Betrachtungsweise
kommt dem Architekten bei seiner Planung sehr
entgegen, da energiebewußte Architektur nur über
diese Gesamtbetrachtung möglich ist.
Dieses Kapitel hat erhebliche Diskussionen verursacht, da die Theorie hier überwiegt, muß aber
dennoch als unverzichtbar bezeichnet werden. Die
Komplexität des Themas drückt sich im Umfang
des Informationspaketes aus. Die Vorstellung, daß
die rechnerische Erfassung der Energiebilanz nur
von Fachleuten vorgenommen werden kann, wird
durch vereinfachte Rechenmethoden widerlegt,
obwohl nicht angenommen wird, daß sich die Berechnungsmethoden bei allen Planern schnell einführen lassen. Im Grunde ist dies für den Planer
eine Betrachtung, die sich erst in der Zukunft stärker durchsetzen wird.
8.3 Gebäudeplanung
Bevor Einzelheiten der Energieeinsparung besprochen werden, wurde auch in diesem Kapitel eine
ganzheitliche Betrachtung der Architektur im Zusammenhang mit der Technik vorgenommen. Diese ganzheitliche Betrachtung macht es möglich,
die folgenden Detailüberlegungen einzuordnen
und ihren Erfolg auf das Gesamtkonzept zu bewerten. Die Überlegungen entsprechen dem Konzept
„Energiebewußte Architektur", das die Bundesarchitektenkammer in einem Expertengespräch aufgegriffen hat. Bedauerlicherweise liegen reale Ergebnisse gezielter Planung noch nicht vor, so daß
bei der Darstellung der Gesamtkonzepte mit bewerteten Entwürfen und Beispielen aus dem Ausland gearbeitet werden mußte.
Speziell in diesem Bereich ist eine Weiterarbeit
und eine Vorstellung nicht nur bewerteter Entwürfe
sondern gemessener Ergebnisse notwendig.
Der Bezug auf die Hausmodernisierung läßt sich
einfacher und praxisbezogener darstellen. Hier liegen wesentlich umfangreichere Erfahrungen vor,
die eine stärker praxisbezogene Darstellung zulassen. Auch die Forschung ist in diesen Bereich besonders mit der Darstellung von Einzellösungen
stärker eingedrungen. Dies wohl vor allen Dingen
deshalb, weil vielfach auch nur Einzellösungen gefragt sind, obwohl der Zusammenhang nicht aus
dem Auge verloren werden darf. Dies wird insbesondere deutlich bei den Wirtschaftlichkeitsüberlegungen, die für das Gesamtkonzept dargestellt
wurden.
8.4 Baukonstruktionen
Die Darstellung der Baukonstruktionen sprechen
den Architekten besonders an, da die Ergebnisse
leicht nachvollziehbar sind. Im Informationspaket
„Wände" werden zunächst die beim Konzipieren
konstruktionsrelevanten Einflußgrößen behandelt.
Neben dem winterlichen Wärmeschutz werden
Aspekte des sommerlichen Wärmeschutzes,
Schallschutzes, Brandschutzes, Witterungsschutzes und Feuchtigkeitsschutzes einbezogen. Dem
Witterungsschutz und dem Feuchtigkeitsschutz,
Einflußgrößen, die bei den Außenwänden besonders wichtig sind, werden besondere Beachtung
geschenkt, da feuchte Baustoffe Wärme sehr viel
besser leiten als trockene und damit über durchfeuchtete Bauteile erheblich mehr Wärme verloren
gehen kann.
Das Informationspaket „Dächer und Decken" unterscheidet grundsätzlich die Systeme und geht
vor allem auf das bauphysikalische Verhalten bei
der Anbringung von Dämmstoffschichten, Dampfsperren und Unterspannbahnen ein. Besonders
auf die Belüftung wird zur Vermeidung von Feuchtigkeitsschäden und zur Erhaltung der Funktions9
fähigkeit hingewiesen. Decken gegen nicht
beheizte Dachgeschosse bzw. Kellerräume sind
Bestandteile der wärmeübertragenden Umfassungsfläche und müssen entsprechend gegen
Wärmeverluste geschützt werden. An Wohnungstrenndecken sind zwar derzeit nur relativ geringe
Anforderungen hinsichtlich des Wärmeschutzes
gestellt, doch wird man künftig einer erhöhten
Wärmedämmung dieser Bauteile mehr Augenmerk
schenken müssen, um Wärmeverluste innerhalb
des Gebäudes und von Geschoß zu Geschoß zu
verhindern.
Keller werden immer häufiger zu Zwecken genutzt,
die die Wohnfunktionen ergänzen. Aus diesem
Grunde muß zur Abdichtung gegen Wasser auch
noch eine Wärmedämmung kommen. Besonderes
Interesse hinsichtlich Feuchtigkeitsschutz und
Wärmedämmung muß auch der Bauwerkssohle
geschenkt werden. Die Wärmeverluste der Bauwerkssohle, soweit das Gebäude unterkellert ist,
sind gleichmäßig verteilt und relativ gering. Es muß
aber bei nicht unterkellerten Gebäuden der Randzone erhöhte Aufmerksamkeit gewidmet werden.
„Fenster" stellen einen besonders wichtigen Teil
des Gebäudes dar, da durch sie nicht nur Energie
verloren geht, sondern auch zusätzliche Wärme
durch Ausnutzung der Sonnenenergie gewonnen
werden kann. So wurde in dem Informationspaket
einleitend auch auf das energetische Verhalten
des Fensters besonders eingegangen. Auf zusätzliche Schutzvorrichtungen zur Verbesserung der
Energiebilanz wie Jalousien und Klappläden zum
10
temporären Wärmeschutz sowie Sonnenschutzvorrichtungen wird hingewiesen. Die Lüftungswärmeverluste und ihre Reduzierung stellen ein wichtiges Thema dar, über das z. Z. noch mehrere Forschungsprojekte durchgeführt werden.
8.5 Technischer Ausbau
Der technische Ausbau hat sich im letzten Jahrzehnt sprunghaft in Richtung sparsame Energieverwendung entwickelt. Solarenergie und Wärmerückgewinnung waren die Schlagworte. Regelung
und Steuerung trugen zur Minimierung des Energieeinsatzes bzw. -verbrauchs bei. Der technische
Ausbau kann in seinen Einzelheiten isoliert betrachtet werden, bedarf aber eines Überblicks, um
die Zusammenhänge und Abhängigkeiten aufzuzeigen. So wurde im ersten Informationspaket versucht, Technik im Zusammenhang im Gebäude
und mit der baulichen Substanz darzustellen.
Die Aussagen der weiteren Informationspakete
sind im Gesamtsystem insoweit untergeordnet, ais
sie isolie rte Darstellungen bringen, die punktuell
Anwendung finden können.
Der Architekt wird in Zukunft nicht nur das Bauen
planen, sondern auch zur Energieverwendung und
-einsparung beraten. Diese Beratung kann selbstverständlich im technischen Bereich nicht ohne
den Fachingenieur vorgenommen werden, jedoch
muß der Architekt die Zusammenhänge im Gebäude oder Bauwerk erkennen können und die Anpassung der Bereiche koordinieren.
Eine Veröffentlichung der Bundesarrivairktgrrxarrtmer.
gefördert durch den Bundesminister fur Raumordnurnn..
Bauwesen tind Stmkttetwu
Verfasser; Prof V. Nikotic, Dr.-Jng. A. Dütz
Ziele einer rationellen Energieverwendung
im Städtebau
In der Regel handelt es sich bei städtebaulichen Maßnahmen zur Energieeinsparung um
eine Unterstützung energetisch günstiger
Gebäudekonzeptionen.
Sonnenenergienutzung ist beim Einzelgebäude nur dann möglich, wenn durch die
städtebaulichen Maßnahmen „Gebäudeanordnung" und Gebäudeorientierung" Verschattungsfreiheit und Südorientierung gewährleistet ist.
Die Standortwahl ist allerdings bei den meisten Bauaufgaben nicht mehr frei.
Falls jedoch noch eine Entscheidungsfreiheit
hinsichtlich der Standortplanung besteht,
sollten vorerst folgende klimatologischen
und topographischen Gesichtspunkte beachtet werden:
Ö Mikroklima,
0 Luftqualität (belasteter Standort?)
Städtebauliche Maßnahmen können nicht
losgelöst von den Entscheidungen über die
bauliche Realisierung der Einzelgebäude
(und umgekehrt) erfolgen. Ebenso ist eine
Abstimmung der städtebaulichen Planung
mit der Entscheidung für die günstigste Wärmeversorgungsart erforderlich.
Städtebau bzw. Stadtplanung haben zahlreiche Ziele zu verfolgen. Der rationelle Umgang mit Energie ist dabei nur ein Kriterium
unter vielen.
Die Stadt- und Gebäudepianung wird immer
von den engsten Restriktionen bestimmt.
Energie ist seit 1973 zu einer immer enger
(weil teurer) werdenden Rahmenbedingung
der Planer geworden und es ist zu erwarten,
daß sich diese Entwicklung in den nächsten
Jahren konsequent fortsetzt.
Zusammenarbeit mit einem Landschaftspla-
Bei der Standortwahl sollten stets—evtl. in
ner-- die örtlichen Gegebenheiten analysiert
werden, um die energetisch günstigere Entscheidung treffen zu können.
Sollten mehrere Alternativstandorte den anderen städtebaulichen Kriterien in gleicher
Weise genügen, sollte die Entscheidung zugunsten des Standortes fallen, der die besten
Voraussetzungen bietet, energiesparend zu
bauen.
Berücksichtigung
mikroklimatischer Verhältnisse
Der Standort neuer Gebäude sollte so gewählt werden, daß er sich den natürlichen
topographischen Verhältnissera anpaßt.
Gerade die in einer Gegend typischen historischen Bauformen zeigen in der Regel eine
gute Anpassung der Architektur an die speziellen klimatischen Bedingungen des StandStädtebauliche Maßnahmen
orts.
Stadtplanung spielt sich immer in einer beDie Topographie beeinflußt stark die mikrostimmten örtlichen Situation ab. Sie hat daklimatischen Bedingungen, insbesondere die
her in erster Linie die lokalen Gegebenheiten örtlichen Temperaturverhältnisse und den
zu berücksichtigen und weniger allgemeinen Windeinfluß.
Zielvorstellungen zu folgen.
Tiefere Bodentemperaturen sind in Talsenkungen und Hügellagen möglich. [1]
Standortwahl
Wichtig ist die Einholung von entsprechenVerschiedene Standorte weisen o ft eine unden Informationen (Daten- und Kartenmaterial über bestimmte Klimadaten) bei den örtliterschiedliche Eignung zur Berücksichtigung energiesparender städtebaulicher Maß- chen Verwaltungen vor der Planungsentscheidung.
nahmen auf.
Ebenes Gelände
Mulde, Kaltluftsee
Klimatologische und
topographische
Gesichtspunkte
Kuppenlage
Südhanglage
•
Wärmeverluste und Temperaturunterschiede in Abhängigkeit von der Lage im Gelände, Temperaturangaben nach Geiger u. a.
Zusammenarbeit mit
einem Landschaftsplaner
Örtliche Temperaturverhältnisse und
Windeinfluß
Beracksichtigung
der standortspezifischen Luftqualität
Stark verunreinigte Außenluft kann dazu führen, daß eine natürliche Fensterlüftung nicht
mehr genügend Frischluft gewährleisten
kann und daher eine energetisch ungünstige
Klimatisierung des Gebäudes vorgenommen
werden muß.
Verbesserung innerstädtischer Luftqualität
ist durch eine Reduzierung des Straßenverkehrs und des Hausbrandes möglich.
Die Emissionsbelastung durch Hausbrand
kann durch zentrale Wärmeversorgungssysteme erheblich reduziert werden (wie
schwedische Untersuchungen zeigen).[3],
Schwedischer Immissions-Grenzwert
I
Västeras
I
i
100 000 E
^
Linkoping
80 000 E
Uppsala
90 000 E
I
Niedrige Bepflanzung kann die notwendige Mindestdurchlüftung beeinträchtigen und im Tal Kaltluftseen
hervorrufen
I
Norrköping100 000 E
Trollhä ttan 35 000 E
j
I
I
Uddevalla 35 000 E
1
to 8
^
Eskilstuna 65 000 E
aE
g
• Surdsva!i
. 60 000E
50 75
100 125
150
i^
175 200 uglm3
SO2 Immission
2
Geeignete Hanglagen
Vermeidung von Nordhangbebauungen!
Frosttaschen hinter zu dichter Bepflanzung
Gefahr von Kaltluftstellen durch zu dichte Bepflanzung
in Hanglagen
Windgeschwindigkeiten
Einfluß auf die Windintensität haben:
Gegebenenfalls müssen bei ungünstigen
Luftströmungen, die den Wärmegewinn
durch Südorientierung erheblich verringern
können, geeignete Windschutzmaßnahmen
getroffen werden. Dabei ist zu beachten, daß
die Bepflanzung nicht zu dicht gewählt wird,
um Kaltluftstellen zu vermeiden.
O Geographische Lage des Ortes
(Küstennähe oder Landesinnere),
O Lage der Siedlung in der Landschaft
(exponierte oder geschützte Lage),
O Höhe über Geländeoberkante,
O Gebäudeform,
O Stellung des Gebäudes zur Hauptwindrichtung.
Abb. 5 zeigt die Auswirkung auf den Wärmeverlust eines Gebäudes nach seiner Lage im
Gelände.[1]
Wärmeverluste durch Wind können je nach Lage und Ausführung des Gebäudes bis zu 50% des Heizenergiebedarfs ausmachen
5
12
Kanteneffekt
Tordurchfahrt
Windintensität bei der Umsträmung eines Gebäudes
6
Abb. 6 zei t verschiedeneVVindintenoitöten Abb. 7 zeigt schließlich verschiedene strödiedurohUnnatrömungenvonGeb&udenauf- mungsgünstige und strömungsungünstige
tretankönnen.|nden sogenannten Totwas-
Gebaudetypen imiVNnd
serräu men hinter Gebäuden, an Gebäudeekken
ken oder in Tordurchfahrten können bis zu
dreifache Strömungsgeschwindigkeiten auftretax.
Gebäudeformen im Windkanal
Die Abbildung i deutlich die verschieden
großen Totwasserräume
Verschiedene Windintensitätendurch
Umstromung von
Gebäuden
Strömungsgünstige
und strömungsungünstige Gebäudetypen
7
13
Gebäude- und Straßenanordnung
1
STADTRANU NG
Planungskriterien
Ausrichtung von
Straßen- und
Gebäudeachsen nach
Himmelsrichtung
Abschirmung der
Gebäude von der
Hauptwindrichtung
Orientierung
Gebäude- und Straßenachsen sind nur bei
Neubaugebieten in der Regel noch frei zu
wählen. Aus energetischen Gründen sollte
dabei darauf geachtet werden, daß
0 die Straßen- und Gebäudeachsen zu den
Himmelsrichtungen ausgerichtet werden,
die in den unten näher dargestellten
Gesetzmäßigkeiten der Sonnengeometrie
eine optimale Besonnung der Gebäude
ermöglichen.
0 die Gebäude von den Hauptwindrichtungen abgeschirmt werden und trotzdem eine ausreichende Durchlüftung der Siedlungen gewährleistet ist.
Abb. 8 zeigt ein Beispiel aus USA für einen
Windschutz von Einfamilienhaussiedlungen
durch eine massierte Bebauung in der Hauptwindrichtung [4]. Gleiche Effekte können evtl. noch besser- durch geeignete Landschaftsgestaltung erreicht werden.
Reduktion der
windbedingten
issions- und
Tra
swärmeLü
vertuste
igh
Hauptwindrichtung im Winter
Bei komplexen städtebaulichen Situationen
empfiehlt sich eine Überprüfung der Beschattungssituation durch Schattenplan
oder fotografische Aufnahmen.
Wind
100
.—
o,
80
ß
U(,) 60
r
....Laubholz im
Winter
I
I
LEE o Nadelholz
m
c
40
LUV
^
c
^� 20
u_
�
8
52
0
10
0
5
5
10
15 20
25 30
Vielfaches der Schutzstreifenhöhe
Wirkung eines Windschutzstreifens in Abhängigkeit
und seiner Durchlässigkeit
10
Reduzierung von Windgeschwindigkeiten
Die historischen Methoden des Windschutzes sollten zur Reduktion der windbedingten
Transmissions- und Lüftungswärmeverluste
auch bei Neubausiedlungen beherzigt werden:
O
O
O
O
besondere bauliche Formen,
Windschutzpflanzungen,
Geländemodellierung,
Lage von Ortschaften bzw. Gebäuden
in besonders windgeschützten Lagen
O Laubholz bietet einen besseren, weil länger wirkenden Windschutz als Nadelholz
° p0°OOOOOOOO°O°^
000°o M^o^ 000ö
Ö°
° 000
^ o(o°a°o°°) °00 0 0
o-
-- ---^
8
Verschattungsfreiheit
Vermeidung von Verschattung
Verschattungsfreiheit ist die Voraussetzung
zur Ausnutzung des Sonnenwärmegewinns
bei geeigneten Gebäudekonzepten. Sie muß
also in enger Abstimmung mit der Gebäudeplanung erfolgen.
Planungsgrundlage bilden in diesem Fall
Diagramme zur Sonnenbahn und Neigungswinkeln der Sonneneinstrahlung.
Entfernung =
2x Höhe
1 2x Höhe
/N
i
J/^
OAVA0V
Bis zu 40% weniger Verlust
Bis zu 95% wehiger Verlust
A
B.
90
Siedlungsstruktur
Gebäudeabstände
Um Verschattungen zu vermeiden, sollte die
Siedlungsstruktur so angeordnet werden,
daß die höheren Gebäude im Norden liegen.
Die Festlegung der Gebäudeabstände richtet
sich nach den niedrigsten Sonneneinfallswinkeln.
OM
JJ!
50% mehr Verlust als bei A
C
a = Sonnenstand 21. XII. (Höhenwinkel)
H = Gebäudehöhe
D
40°
A = Abstand Firstlinie zur
Nachbarfassade
{
A
Ermittlung von mind. Gebäudeabständen nach Sonnenstand
r refl.,
iv
60% mehr Verlust als bei A
4 I /,
25% weniger Verlust als bei A 11
zur Sicherung verschattungsfreier Fassaden
Die Gebäudeabstände können durch geeignete Wahl der Dachform zusätzlich reduziert
werden (z. B. Pultdachformen).
14
Beispiele für die große Beeinflussung der
Lüftungswärmeverluste durch Windschutzbepflanzungen und durch die Stellung der
Gebäude gegen die Hauptwindrichtung.
Verwendung geeigneter Gebäudetypen
Reduzierung von Transmissionsflächen
durch Auswahl und Gruppierung von günstigen Gebäudetypen.
Einfluß der Gebäudeform und Gebäudegliederung auf das
AN-Verhältnis bei konstanten Volumen
(A=Area= Fläche, V=Volumen 13500 m3)
12
I
1
i
I
w -F — 175 W-m 2K —
KG= 0.45 W'm2K
KG= 0,80 W m 2K —
0,80 KD 0,50 KG
190%
180%
170%
160%
150%
140%
130%
120%
9:1 7:1 5:1 3
Gebäudeproportionen
Höhe: Länge
90%
110%
1:2 14
6
1.8
80%
, nr 4or
Relativer Transmissionswärmeverlust in Abhängigkeit von
der Baukörperproportion für Gebäude mit
quadratischem Grundriß und gleichem Volumen
13
Energetisch günstige Siedlungskonzepte mit
kompakten Gebäudegruppierungen können
sowoh I architektonisch als auch wirtschaftlich günstige Lösungen darstellen. [5] [8]
Eine verdichtete Bebauung ist auch in städtischen Randzonen einer freistehenden Einfamilienhausbebauung aus energetischen
Gründen vorzuziehen. [6]
Siedlungstyp
A/V
Nutzwärmehöchstleistung (bei gleicher
baulicher Ausführung)
Freistehende Einfamilienhäuser 0,6-1,0
160-180 W/m2
Dichte Einfamilienhausbebauung
0,55-0,65
100-130 W/m2
Reihenhausbebauung
0,5-0,6
100-110 W/m 214
Fled{aZkerrJr6g vorn
TIralf3IV1E ssioCFsfPäclhen
Berücksichtigung der Aspekte
der Wärmeversorgung bei der Bewertung
städtebaulicher Maßnahmen
Architekten und Stadtplaner werden und sollen sich nicht im einzelnen mit den Problemen der örtlichen Wärmeversorgung auseinandersetzen. Die neueren Forschungsarbeiten zeigen jedoch sehr deutlich, daß zur Erarbeitung einer energetisch günstigen Gesamtlösung das Zusammenspiel von städtebaulichen, baulichen, anlagentechnischen und
versorgungstechnischen Maßnahmen erforderlich ist. [6]
Daraus folgt:
O Der beteiligte Architekt oder Stadtplaner
hat bei Neuplanungen und Sanierungsmaßnahmen die Erfordernisse und Möglichkeiten der Wärmeversorgun .gzu berücksichtigen und seine Planung so
durchzuführen, daß die Verwendung energetisch günstiger Systeme begünstigt
wird.
O Die Stadtplanung darf kein unverrückbares Datum für die Energieversorgung sein
und umgekehrt. Dies erfordert eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit der
Beteiligten.
• Architekt und Stadtplaner müssen aktiv
darauf hinwirken, daß wie beim Einzelgebäude auch bei der Stadtplanung eine
koordinierte Planung baulicher und versorgungtechnischer Maßnahmen durchgeführt wird.
Reduzierung von Transportenergie
Etwa 21% des Energiebedarfs bzw. 30% des'
Ölbedarfs der Bundesrepublik Deutschland
entfielen 1978 auf den Verbrauchssektor
Transport und Verkehr. Davon werden ca.
43% für Transporte zwischen Wohn- und Arbeitsstätte, zum Einkaufen und zu sonstigen
Dienstleistungseinrichtungen (Verwaltungen
usw.) benötigt. In Großstädten werden sogar
45% für den Berufsverkehr und 15% für den
Einkaufsverkehr aufgebracht.
Dieser relativ hohe Energiebedarf ist in erheblichem Umfang auf die stark gestiegene
Mobilität der Bevölkerung und den Trend zu
monofunktionalen Stadtquartieren (Wohnen,
Arbeitstätten, Einkaufszentren) zurückzuführen.
Diese Transportenergie (und zeit) kann
durch eine verstärkte Mischung verschiedener Nutzungen im städtischen Raum reduziert werden.
15
der isidgficlh^
der WanmeversExgauarg
Vensend ung ener/{
g„^ n strger
System
^
Ycoorrdrumiierte G=Naceuun-tag
braraltiidleerr Eunad
vers orguragstechn iMeneir rrrerr
Reduzierung eon
^^ 1fs‚ging lierschiedenw'
^idat^anrrgern ^ städ^r
woven Room
‚II'
STADMANUNG
Planungskriterien
Solche Mischungen lassen sich nicht überall
realisieren. Zahlreiche Nutzungen müssen
aus anderen wichtigen Gründen (z. B. Umweltbelastung) in eigenen Arealen angesiedelt sein. Die Verringerung von Transportenergie stellt ein wichtiges Argument
dar,-in der Stadtplanung verstärkt auf stärker
gemischte Siedlungsstrukturen hinzuarbeiten.
ungen
Quellen:
[1]Energiebewußte Architektur, Wanderausstellung der
Bundesarchitektenkammer, konzipiert von
Dipl.-Ing. B. Faskel, Berlin (Abb. 1, 5).
[2]Bauen und Energiesparen, ein Handbuch zur rationellen Energieverwendung im Hochbau für Bauherren,
Architekten, Ingenieure, Battelle-Institut, Frankfurt,
Hrsg. der Bundesminister für Forschung und Technologie, Verlag TÜV Rheinland, Köln, 1979 (Abb. 7).
[3]Dipl.-Ing. H. P. Winckens, Fernwärme—Energiesparer
und Umweltschützer in Der Landkreis, Zeitschrift für
kommunale Selbstverwaltung, Heft 8-9/79, A 14-15
(Abb. 2).
[4]Energy Conservation — Design Resource Handbook,
The Royal Architectural Institute of Canada, Ottawa,
1979 (Abb. 4, 6, 8, 11).
[5] Rationelle Energieverwendung im Planungsgebiet
Erlangen-West, Battelle-Institut, Frankfurt,
Hrsg. Bundesminister für Forschung und Technologie,
TÜV-Verlag Köln, 1980 (Abb. 9, 10).
[6]Ueli Roth u. a., Wechselwirkungen zwischen Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen,
Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministers für
Bauwesen, Raumordnung und Städtebau, MFPRS
1977.10, Bonn 1980 (Abb. 14).
[7]Planungshilfe Energiesparendes Bauen, Staatliche
Bauverwaltung Nordrhein-Westfaleh, 1979, Düsseldorf
(Abb. 12).
[8] Fraunhoferstudie, Energietechnik GmbH, 1977,
Studie i. A. des Bundesministers für Forschung und
Technologie (Abb. 13).
[9]Möglichkeiten und Grenzen der Fernwärmeversorgung im Wohnungsbau, R. Jank und A. Dütz,
Forschungsprojekt im Auftrag des Innenministers NRW,
1979-80, bisher unveröffentlicht.
Monostruktur und Mischstruktur
15
Ausblick — Tendenzen
Energiebewußte
Stadtplanung als Voraussetzung zur sinnvollen Verwirklichung
esparender Geen
und Wärmebä
ver rgungskonzepte
Aufgabe der
Architekten und
Stadtplaner- ----
Die Betrachtung städtebaulicher Maßnahmen zur Energieeinsparung ist noch relativ
jung. Erst in letzter Zeit wurden hier erste
wichtige quantitative Ergebnisse vorgelegt,
die nachweisen, daß hier ein großes Einsparungspotential liegt, für welches in der Regel
nur planerische Anstrengungen, aber keine
finanziellen Mittel investiert werden müssen.
Eine energiebewußte Stadtplanung bildet die
Voraussetzung zur sinnvollen Verwirklichung energiesparender Gebäude und Wär
meversorrungskonzepte. Sie erfordert ein interdisziplinäres Zusammenarbeiten von
Stadtplanern, Architekten, Versorgungsplanern und Haustechnikern.
Dabei ist es die Aufgabe des Architekten und
Stadtplaners, Plänungsamter,Auftraggeber
und Fachleute der Versorgungswirtschaft
von einer ener^lebewußten Stadtplanung zu
überzeugen. Er ist daher einerseits verpflichtet, sich selbst über den Stand der Technik zu
informieren und seine Erkenntnisse, verbunden mit dem Spezialwissen der Fachingenieure, zur Erarbeitung von guten Lösungen
nutzbringend anzuwenden. Eine energiebewußte Stadtplanung ist Teil eines optimierten
örtlichen Versorgungskonzepts, sie bildet die
Basis für eine auch in Zukunft wirtschaftliche
Form der Wärmeversorgung. Die Bedeutung
einer energiebewußten Stadtplanung wird
bei der zunehmenden Energieverknappung
weiter an Bedeutung gewinnen. Die Beispiele
haben gezeigt, daß diese Tatsache den Städtebau dabei nicht ärmer macht, sondern vielmehr bewußt Erfahrungen früherer Baumeister nutzbar macht— Erfahrungen aus einer
Zeit, in der Energie auch noch einen wertvollen Rohstoff darstellte.
16
Ausgewählte Literatur zum Thema
Ueli Roth u. a., Wechselwirkungen zwischen Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen, Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministers für Bauwesen,
Raumordnung und Städtebau, MFPRS 1977.10, Bonn
1980.
Rationelle Energieverwendung im Planungsgebiet Erlangen-West, Battelle-Institut, Frankfurt, Hrsg. Bundesminister für Forschung und Technologie, TÜV-Verlag
Köln, 1980.
Rationelle Energieverwendung im Rahmen der Stadterneuerung unter besonderer Berücksichtigung des
StBauFG und ModEnG, Büro Sieverts und Volwahsen,
Bonn, Ueli Roth, Zürich, Forschungsprojekt im Auftrag
des Bundesministers für Bauwesen, Raumordnung und
Städtebau, MFPRS 78.16, 1. unveröffentlichter
Zwischenbericht, 1979.
Rationelle Energieverwendung im Rahmen von neuen
Siedlungsvorhaben, Battelle-Institut, Frankfurt, Studie
im Auftrag des Bundesministers für Bauwesen, Raumordnung und Städtebau, MFPRS, 1978.17, 1. unveröffentlichter Zwischenbericht, 1979.
Möglichkeiten und Grenzen der Fernwärmeversorgung
im Wohnungsbau, Dr. R. Jank, Dr. A. Dütz, Forschungsprojekt im Auftrag des Innenministers NRW, 1979, bisher
unveröffentlichter Schlußbericht.
Energy Conservation — Design Resource Handbook, The
Royal Architectural Institute of Canada, Ottawa, 1979.
Kurzbiographie der Autoren:
Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic,
Architekt BDA— Gesamthochschule Kassel — Konstruktives Entwerfen — freischaffender Architekt — Schwer
Wohnungsbau — energiesparendes Bauen — For-punkt
schung — rationelle Energieverwendung.
Dr.-Ing.. Armand Dütz,
Koordinator des interministeriellen Arbeitsprogramms
„örtliche und regionale Energieversorgungskonzepte"
an der Kernforschungsanlage Jülich, Projektleitung
Nichtnukleare Energieforschung (PLE).
Verfasser:
Redaktionelle Bearbeitung und Layout Dipl.-Ing. Bernd
Faskel, Koordination Vladimir Nikolic
PIIAXISINIONMA11
ENERGICEINS
Eine Veröffentüehung der Bundesarchitektenkammer
gefordert durch den Bundesminister für riaumordnong
Bauwesen und Städteba,
Wärmeversorgung als Teil der kommunalen
Entwicklungsplanung
Architekten und Stadtplaner werden und sollen sich nicht im Detail mit den Problemen
der örtlichen und regionalen Wärmeversorgung auseinandersetzen. Die neueren Forschungsarbeiten zeigen jedoch sehr deutlich, daß zur Erarbeitung einer energetisch
günstigen Gesamtlösung das Zusammenspiel von städtebaulichen, baulichen, anlagentechnischen und versorgungstechnischen Maßnahmen erforderlich ist.
den
NU ' ' °
MIMING
Vertasser Dr,-Ing. Armand Dirt;
Einzelgebäude
Baukonzeption
^
4
Juli 19e1
Wärmeversorgungssysteme
Unter Wärmeversorgungssystemen werden
im wesentlichen alle technologischen Möglichkeiten verstanden, ein Gebäude bzw. ein
Bebauungsgebiet mit Wärme zu versorgen.
Wichtigstes Unterscheidungskriterium aus
technologischer Sicht ist dabei der Grad der
Leitungsgebundenheit und die Lage der Energie-(Wärme-)Erzeugung zum Verbraucher.
Energetisch günstige
Gesamtiösungen
Grad der Leitungsgebundenheit
Energieträger und technische Anlagen
bei zentralem Produzenten
beim Verbraucher
Städtebauliche
Konzeption
^'^^em en
}Holz
Biogas
._)I-Sammelheizung
onnenkollektoren
Wärmerückgewinnung
Energie- (Wärme)
Versorgungssystem
Heizungssystem
Närmepumpe
; Elektrische Speicherheizung
Gas-Sammelheizung
':;!feiße Fernw. ab Blockheizkraftw., gasbetr.
,1. Kalte Fernwärme
^^; Heiße Fernw. ab Heizkraftw. od. therm. Kraftw.
Grad der Leitungsgebundenheit
Schwergewicht der technischen Anlagen und Einsatzo rt der
Energieträger bezüglich Verbraucher/P ro duzenten
ntegrierte Wärmeversorgungskonzepte
Abhängigkeiten zwischen den Einflußgrößen
örtlicher Wärmeversorgung
„Technisch ist unter einem integrierten örtlichen Wärmeversorgungskonzept der optimale Einsatz der verfügbaren Primär- und SeDaraus folgt:
kundärenergieträger unter Verwendung der
Der beteiligte Architekt oder Stadtplaner hat
geeigneten Umwandlungs-, Auskopplungs-,
bei Neuplanung und Sanierungsmaßnahmen
Transport-, Verteilungs- und Anwendungsdie Erfordernisse und Möglichkeiten der
techniken zur Deckung des vorhandenen
Wärmeversorgung zu berücksichtigen und
Nutzenergiebedarfs zu verstehen. Wahl und
seine Planung so durchzuführen, daß die
Mischung der örtlich und regional geeigneVerwendung energetisch günstiger Systeme
ten Versorgungstechnologien müssen dabei
begünstigt wird.
insbesondere folgenden Kriterien genügen"
(Quelle 8):
Die Stadtplanung darf kein unverrückbares
Datum für die Energieversorgung sein und
O Übergeordnete politische Rahmenbedinumgekehrt. Dies erfordert eine intensive intergungen wie Ölsubstitution und rationelle
disziplinäre Zusammenarbeit der Beteiligten.
Energieverwendung,
O
Abwägung
betriebswirtschaftlicher und
Architekt und Stadtplaner müssen aktiv darvolkswirtschaftlicher
Interessen,
auf hinwirken, daß wie beim Einzelgebäude
O Planungsorganisation,
auch bei der Stadtplanung eine koordinierte
Planung baulicher und versorgungstechniO Akzeptanz der Wärmeversorgungssysteme
scher Maßnahmen durchgeführt wird.
in der Bevölkerung,
O Ökologische Gesichtspunkte (wie z. B.
Schadstoffbelastu ng),
Begriffsdefinitionen
O Rahmenbedingungen aus der vorhandeSiedlungsstruktur
nen und geplanten Siedlungsstruktur (inkl.
Aspekten der Stadterneuerung),
Unter Siedlungsstruktur wird in diesem Zu0 Vorhandene und geplante Heizungsstruksammenhang die Summe der baulichen und
tur,
städtebaulichen Erscheinungs- und AuspräO
Verfügbarkeit
und Einsetzbarkeit bestimmgungsformen gesehen, wie z. B. Gebäudetyter Versorgungssysteme,
pen, Gebäudeausrichtung, Gebäudealter,
O Berücksichtigung der Einsparungsmögbaulicher Zustand, Zuordnung der Gebäude,
lichkeiten durch Bauleitplanung und
Bebauungsdichte, Gebäudenutzung, Art und
Hochbauplanung.
Zustand der Heizungssysteme usw.
17
integriertes ortiiches
Wärmeversorgungskrtnzept
Knterien fur
Wärmeversorgungskonzepte
_..
Interdisziplinäre
Zusammenarbeit.
Wechselwirkungen zwes,:nerr
Siedlungsstrryktu^^ unC
WatnueversorgungssyslemPm
SiiedlungiryQen
Raum- und Siedlungsstruktur
Wärmeversorgungssysteme
Obwohl eine Wärmeversorgungsplanung
sich immer an den konkreten gegebenen
Planungsrandbedingungen des Untersuchungsraums orientieren muß, kann eine Typologie bestimmter Siedlungsmerkmale die
Zuordnung von geeigneten Wärmeversorgungssystemen erleichtern. Die von Roth eingeführte Einteilung in neun Siedlungstypen
hat sich für die weitere Betrachtung bisher
als relativ günstig erwiesen.
Wärmeversorgungssysteme kann man nach
folgenden Gesichtspunkten unterteilen:
000
0000
0 0
Ein- u. Mehrfarn , haussiiedlung
niedriger Dichte
uie
nI1
PtrI.' I fJJJ C7
9
w
L
P.n .......d
Zeilenbebauung
mittlerer. Dichte
11
i.•
s..
n.iiUU
n.", 9 Citybebauung
..., •
•
.
c
nnn r6r
^
Dorf
kernedluangEinfam.- tt^ tNReihen-^ 6
haussi
t J haussiedlung
(^, hoher Dichte
CC
CI P
8
ab Mitte
19. Jahrhundert
Pl.,. Zeilenbebauung
hoher Dichte und
Hochhäuser
INC^^^./MIA•
Blockbebauung
0
!i[m^t'11'1n
##w
-
If11
Hlt1I'
7A
,y M ittelalterl i che
.Altstadt
A
Si., Industrie- und
La,ergebäude
-.
3
Die neun Siedlungstypen nach Roth alaalr-r*,tser
Al,.
w
Neben diesen Siedlungstypen lassen sich folgende Raumtypen unterscheiden:
RT 1 Kernstädte von Stadtregionen,
RT 2 Außenzonen von Stadtregionen,
RT 3 Mittelstädte von Stadtregionen,
RT 4 Ländliche Gebiete.
Die Gesamtsumme der Wohngebäude und
die beheizten Nutzflächen verteilen sich nach
statistischen Erhebungen wie folgt auf die
Siedlungstypen.
40%
'
^
Legende: RT 4 RT 3 RT 2 RT 1
30%
30
Für den Planer sind neben den übergeordneten energetischen, ökonomischen und ökologischen Kriterien insbesondere die Leitungsgebundenheit eines Wärmeversorgungssystems und die Lage der Wärmeerzeugung für
die Planungsentscheidung von ,Bedeutung.
2a
^'': s?'?f'tE@;•' _':^ . ..
1. Verwendeter Primärenergieträger (z. B.
Kohle, Heizöl EL, Erdgas, Uran)
2. Energiewirtschaftliche Beurteilung (z. B.
Verhältnis von eingesetzter Primärenergiemenge zu erhaltener Nutzerenergie)
3. Lage der Energie- (Wärme-) Erzeugung
(innerhalb oder außerhalb des Bebauungsgebiets)
4. Nutzung von Wäremquellen außerhalb
des Bebauungsgebiets (z. B. bei industrieller und Kraftwerksabwärmenutzung)
5. Nutzung von Wärmequellen innerhalb
des Bebauungsgebiets (z. B. Grundwasser, Luft, Abwärme aus mittleren bzw.
kleineren Industriebetrieben)
6. Leistungsgebundenheit des Versorgungssystems
7. Flächenbedarf für Erzeugungs- und Verteilungsanlagen
B. Auswirkungen auf das Unterverteilungssystem (z. B. bei einem zentralen Verteilungssystem innerhalb des Bebauungsgebiets, wie es bei einem Blockheizkraftwerk erforderlich ist)
9. Auswirkungen auf das vorhandene oder
geplante Heizungssystem
10. Ökologische Auswirkungen (z. B. Schadstoffbelastung)
11. Durchsetzbarkeit der Wärmeversorgungssysteme bei der Bevölkerung
12. Wirtschaftlichkeit der Wärmeversorgung
(kurz-, mittel- und langfristig)
13. Ölsubstitution
14. Organisatorische Rahmenbedingungen
am Standort (Energieversorgungsunternehmen, Sparten- oder Verbundunternehmen Lieferbedingungen für verschiedene Versorgungsarten, Rahmenbed ingungen aus der Bauleitplanung)
15. Subventionsmöglichkeiten (z. B. über
Zukunftsinvestitionsprogramm)
II .
ki
Eirazeiraumneizung
i$011iU
ST 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ST 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Gesamtsumme der
Wohngebäude nach Raumund Siedlungstypen
Beheizte Nutzfläche nach
Raumtypen (RT) und
Siedlungstypen (ST)
Etagenheizung
Haussammelheizung
4
Für diese Siedlungstypen existieren Kenngrößen für städtebaulich und energetisch relevante Kriterien wie z. B. Geschoßflächenzahl, beheizte Nutzflächen, A/V-Verhältnis,
Fensterflächenanteil, mittlere Wärmedurch
lal3widerstände, Nutzwärmehöchstleistung,
Anschlußwert nach DIN 4701, welche die
Grundlage für die Zuordnung bestimmter
Wärmeversorgungssysteme zu diesen Siedlungstypen bilden.
18
Sammelheizung ' r
mehrere - i aue :•
Blockh•': i z i.;ng ''^, r
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m ,..
stem
-.tuc^]wser-
Men ... -,......,.,:ngsgetre4,
Ci,n- .. •:^yur,y^S:ctem
9dt9i' er^&b
cycs
Beispiele
Kohleofen, Ölofen, Gasofen,
elektr. Nachtspeicherheizung
Gasetagenheizung
Koksheizung, Ölheizung, Kachelofenheizung, elektr. Wärmepumpe
(evtl. in Verbindung mit Solarkollektoren), Warmluftheizung
dieselmotorbetriebene
Wärmepumpen
Blockheizkraftwerk, gasmotorbetriebene Wärmepumpe, Blockheizkraftwerk in Kombination mit
dezentralen Elektrowärmepumpen
Fernwärme (aus Kraftwärmekopplung-Kraftwerke oder industrielle
Prozesse)
„Kalte" Fernwärme (Abwärmenutzung auf niedrigem Temperaturniveau und zusätzliche Erwärmung
im Gebäude durch Wärmepumpen)
Wärmeversorgungssysteme nach der Lage
der Wärmeerzeugung zum Verbraucher
5
Roth betrachtet in seiner Arbeit (Quelle 1)
folgende Versorgungssysteme und ihre Eignung für die verschiedenen Siedlungsstrukturen:
LEITUNGSGEBUNDENHEIT
WÄRMEVERSORGUNGSSYSTEM:
Strom
Gas
Wärmeverteilung
Niedrig
Temp.
Hohe
Temp,
Mehrere
Leitungsanschl.
Fernwärme
Holzschnitzelfeuerunq
Blockheizkraftwerk
n.
Gaswärmepumpe
Gaskessel
INC
Betriebswirtschaftliches Optimierungsverfahren
Eine Optimierung kann nur dann durchgeführt werden, wenn man sich an einer Zielgröße orientiert. Roth hat in seiner Arbeit
(Quelle 1) den betriebswirtschaftlichen Ansatz gewählt. Für die verschiedenen Siedlungstypen und Wärmeversorgungssysteme
lassen sich kostengünstige Kombinationen
ermitteln. Der Vergleich von verschiedenen
Wärmeversorgungssystemen für einen bestimmten Siedlungstyp anhand der unterschiedlichen Gesamtkostenkurven führt zur
Auswahl günstiger und ungünstiger Kombinationen.
Wechselwirkungen zwischen
Siedlungsstruktur und
Wärmeversorgungssystemen
Kostengunstige
Kombinationen für
Siedlungstypen und
Wä r meversorgungstiysteme
Ölkessel
Elektrospeicher
Wärmepumpe `.
Solarspeicher
mit Ölkessel
Biogasanlage
Leitungsgebundenheit von
verschiedenen Wärmeversorgungssystemen
Die sogenannten alternativen Wärmeversorgungsarten wie z. B. Biogas und Holzschnitzelfeuerung erfordern bei der Beschaffung
des Brennstoffes oft bedeutende organisatorische Anstrengungen. Nutzt man das gesamte Potential aus, ergibt sich ein Gesamtwärmepotenial von ca. 4,7 Millionen Tonnen
Steinkohleneinheiten. Dies entspricht in etwa
dem zu erwartenden Einsparpotential durch
einen verstärkten Fernwärmeausbau (Quelle
3). Diese Versorgungssysteme können also
nicht von vornherein abqualifiziert werden.
Sie werden allerdings in erster Linie im ländlichen Raum wirtschaftlich und organisatorisch realisierbar sein. Der Planer wird im
wesentlichen mit den in Abb. 5 dargestellten
Systemen konfrontiert werden.
Wechselwirkungen zwischen Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen
Die Wechselwirkung zwischen baulichen,
städtebaulichen, heizungstechnischen und
versorgungstechnischen Maßnahmen besteht im wesentlichen darin, daß durch bauliche und städtebauliche Maßnahmen einerseits der Energiebedarf der Gebäude erheblich beeinflußt (reduziert) werden kann, andererseits die verschiedenen Versorgungssysteme bestimmte anlagentechnische und verteilungstechnische Wirkungsgrade aufweisen, welche von der Höhe und der zeitlichen
und räumlichen Verteilung des Wärmebedarfs abhängen. In der Regel wird durch bauliche und städtebauliche Maßnahmen der rationellen Energieverwendung der Wärmebedarf einer Siedlung reduziert, während die
meisten Versorgungssysteme bei größeren
Leistungsbereichen bzw. bei größeren Wärmebedarfsdichten Kostendegressionen aufweisen.
Die Aufgabe eines integrierten Wärmeversorgungskonzepts besteht nun darin, unter Abwägung der übrigen Rahmenbedingungen
die begrenzten Mittel für Energieeinsparungsmaßnahmen und für die Wärmebereitstellung so einzusetzen, daß energetisch als
auch ökonomisch ein Optimum erreicht wird.
`
Y
iIMnly/1nM/10
Hohe Gesamtkostenminima
NICHT KONKURRENZFÄHIG
Tiefe Gesamtkostenminima
KONKURRENZFÄHIG
Vergleich der Gesamtkosten- kurve verschiedener
Versorgungssysteme
— Gesamtkosten
•••• Wärmeschutzkosten
— Heizkosten
7
Alternati ve
Maccneve?sc rgungsarten
Aufbauend auf diesen Systemen kann bestimmt werden, wie sich zusätzliche Rahmenbedingungen (z. B. zusätzliche Investitionen
für Energieeinsparungsmaßnahmen) auf das
Gesamtergebnis auswirken. Grundsätzlich
kann man festhalten, daß etwas höhere Aufwendungen für Energieeinsparungsmaßnahmen einen überproportionalen Energiegewinn erbringen.
Gesamtkosten
mimalkosten.
Erhöhung der
Mittel für
:.; Einsparun g .
gegenüber
kostenminimaler
Lösung
Zusätzlicher
Einsparungseffekt
gegenüber kostengünstiger Lösung
8
Für die verschiedenen Siedlungstypen ergibt
sich folgende Eignung der wichtigsten Wärmeversorgungssysteme.
Siedlungstyp
ST 1 ST 21 ST 3 ST 4 ST 5 ST6 ST7 ST 8 ST 9
Geschoßflächenzahl (GFZ)
Anschlußwerte nac
0,02 0,1- 0,2- 0,4- 0,8- .0,5- 1,0- 1,5- Q80,18 0,5 0,4 0,8 ^1,2 1,5 30 45 1,2
i 210- 130- 135- 145- 95
Fernwärme
1: ^
DIN 4701 (W/mz)
Blockheizkraftw.
,,Kalte" Fernwärme
Wärmepumpe
01-/Gasheizung
100- 50- 50- 90-
0 ^nn^Gn 21
- O!/13/91ERN
!!r^••,,!!^!!^!^!!^ 0 0....
M
250 170 145 155
115 70
70
105
_
El
^
0
gut
I
OW MED MI1
geeignet
10
bedingt
geeignet
MIP
schlecht
geeignet
Einsatzmöglichkeiten verschiedener Versorgungs
Systeme in den neuen Siedlungstypen
9
19
Optimum von energetrSther und okOnomrSCher
Wärmebere,t&teHung
Restriktionen bei der Optimierung
eines Versorgungssystems
STADT
Wechselwirkungen zwischen
Siedlungsstruktur und
Wärmeversorgungssystemen
Die Wärmeversorgung eines Versorgungsgebiets kann nicht nur nach betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten optimiert werden.
Zusätzliche Rahmenbedingungen schränken
die Entscheidungsfreiheit;erheblich ein.
Soziale
Kosten/Nutzen
7
•
Zusätzhche
enbedtngungen
Stadtstruktur
Erneuerungsprozeä
Planungsämter
7
Energetisch
günstige Lösung
Betriebswirtschaftl.
günstige Lösung
Energieversorgungssystem
Veränderbarkeit
' Organisation
Allgem. politische
(volkswirtschaftl.)
Prämissen
Organisation
VersorgungsUnternehmen
Randbedingungen der Wärmeversorgung
10
VÖtksw n rischattticiie
Aspekte
Unter Berücksichtigung der übergeordneten
volkswirtschaftlichen Aspekte Ölsubstitution,
verstärkter Nutzung einheimischer Energiequellen, rationeller Energieverwendung und
ökologischen Rahmenbedinungen sind Planungsmethoden und organisatorische Voraussetzungen zu entwickeln, die einen Ausgleich der verschiedenen Interessen und Zielvorstellungen ermöglichen (Quelle 8).
4
4
Raum möglicher
Lösungen
1 Betriebswirtschaftlich-energetische
Betrachtungsweise
2 Randbedingungen aus Stadtstruktur
und Erneuerungsprozelt
3 Randbedingungen aus dem Energieversorgungssystem und dessen Veränderbarkeit
4 Randbedingungen aus der Organisationsform der
Planungsämter und der Versorgungsunternehmen
5 Randbedingungen unter dem Gesichtspunkt der
sozialen Kosten/Nutzen
Einschränkung des Handlungsspielraums durch
zusätzliche Randbedingungen
11
Zusammenfassung
Energieversorgungsplanung muß in Zukunft
verstärkt ein Teil der kommunalen Entwicklungsplanung werden.°Dabei ist die Berücksichtigung der Wechselwirkungen zwischen
Siedlungsstruktur und Wärmeversorgungssystemen, das heißt zwischen baulichen,
städtebaulichen, heizungstechnischen und
versorgungstechnischen Maßnahmen erforderlich. Erste Ergebnisse von Forschungsarbeiten, die sich in erster Linie mit der energetischen und ökonomischen Optimierung der
Energieversorgung befassen, liegen vor. In
Zukunft müssen verstärkt die in der Praxis
Analyse Juno Besedigurng
on Restrrktkanen
auftretenden Restriktionen (Interessenskonflikte und organisatorische Hemmnisse) analysiert und beseitigt werden. Wie bei der Gebäudeplanung ist die verstärkte Kooperation
von Planern, Entscheidungsträgern und
Fachingenieuren erforderlich. Auf städtebaulicher Ebene sind die Probleme und Zusammenhänge zwischen Maßnahmen und Entscheidungen auf verschiedenen Ebenen allerdings noch wesentlich vielschichtiger als
bei Planung eines einzelnen Gebäudes.
Um seine Aufgabe innerhalb dieser interdisziplinären Planung erfüllen zu können, muß
der Planer sich Informationen über die Systemzusammenhänge, die auftretenden InSystemzusammenhänge teressenkonflikte und mögliche Lösungsmeund Lösungsmethoden thoden verschaffen.
20
Quellen:
Wechselwirkungen zwischen der Siedlungsstruktur und
Wärmeversorgungssystemen, U. Roth, 1980, Schriftenreihe des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen
und Städtebau, 06.044 (Abb. 2, 3, 4, 7). Möglichkeiten
Grenzen der Fernwärmeversorgung im Wohnungsbau,
R. Jank, A. Dütz, Studie im Auftrag des Innenministers
des Landes Nordrhein-Westfalen, 1980, wird in der
Schriftenreihe des ILS veröffentlicht (Abb. 1, 9, 10).
Energetisch relevante Kriterien für die Stadtplanung zur
Berücksichtigung bei städtebaulichen Wettbewerben —
dargestellt am Beispiel Berlin-Heiligensee, Studie im
Auftrag des Senators für Wissenschaft und Forschung,
Berlin, peb-Planung, Energie, Beratung, 1981, noch
nicht veröffentlicht (Abb. 5).
Rationelle Energieverwendung und Siedlungsplanung,
Dokumentation eines Seminars des Instituts für Städtebau, Hagen, 28. bis 31. Mai 1979, A. Volwahsen, Die
Berücksichtigung der rationellen Energieverwendung
bei der Stadterneuerung an Beispielen (Abb. 11).
Rationelle Energieverwendung und Siedlungsplanung,
Dokumentation eines Seminars des Instituts für Städtebau, Hagen, 28. bis 31. Mai 1979, H. H. Krummlinde,
Energieversorgungssysteme im Vergleich.
Ausgewählte Literatur
1. Wechselwirkungen zwischen der Siedlungsstruktur
und Wärmeversorgungssystemen, U. Roth, 1980, Schriftenreihe des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau, 06.044.
2. Rationelle Energieverwendung im Rahmen der kommunalen Entwicklungsplanung, Arbeitsgemeinschaft
Sieverts+Volwahsen, Bonn-U. Roth, Zürich, 1980,
Schriftenreihe des Bundesministers für Raumordnung,
Bauwesen und Städtebau.
3. Möglichkeiten und Grenzen der Fernwärmeversorgung im Wohnungsbau, R. Jank, A. Dütz, Studie im
Auftrag des Innenministers des Landes Nordrhein-Westfalen, 1980, wird in der Schriftenreihe des ILS veröffentlicht.
4. Gesamtstudie Fernwärme, AGFW, Studie im Auftrag
des Bundesministersfur Forschung und Technologie,
1978, Schriftenreihe des BMFT.
5. Rationelle Energieverwendung und Siedlungsplanung, Seminar des Instituts für Städtebau, Berlin und der
Bundesforschungsanstalt für Landeskunde und Raumordnung, Hagen 1979, Hrsg. 1980, Dokumentation der
Vorträge.
6. Rationelle Energieverwendung im Planungsbereich
Erlangen-West, Battelle-Institut, 1980, Studie im Auftrag
des Bundesministers für Forschung und Technologie,
TÜV-Verlag.
7. Energetisch relevante Kriterien für die Stadtplanung
zur Berücksichtigung bei städtebaulichen Wettbewerben — dargestellt am Beispiel Berlin-Heiligensee, Studie
im Auftrag des Senators für Wissenschaft und Forschung, Berlin, peb-Planung, Energie, Beratung, 1981,
noch nicht veröffentlicht..
B. Arbeitsprogramm „Örtliche und regionale Energieversorgungskonzepte", gemeinsames Arbeitsprogramm
von BMFT und BMBau, A. Dütz, W. Bahr, K.-G. Jacobs
u. a., 1980, erhältlich bei der KFAJülich, Projektleitung
Energieforschung, Koordinationsstelle ÖVK.
9. Rationelle Energieverwendung und Siedlungsplanung, Dokumentation eines Seminars des Instituts für
Städtebau, Hagen, 28. bis 31. Mai 1979, A. Volwahsen,
die Berücksichtigung der rationellen Energieverwendung bei der Stadterneuerung an Beispielen.
10. wie 9, aber H. H. Krummlinde, Energieversorgungssysteme im Vergleich.
Kurzbiografie des Autors
Dr.-Ing. Armand Dütz,
Koordinator des interministeriellen Arbeitsprogramms
„örtliche und regionale Energieversorgungskonzepte"
an der Kernforschungsanlage Jülich, Projektleitung
Nichtnukleare Energieforschung (PLE).
Redaktionelle Bearbeitung und Layout
Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Koordination Vladimir Nikolic.
2
(NEIIGI[EINSPAHIING GRONDLA&
Ein Forschungsvorhaben der 8undesarchitektenkammer
durchgeführt pm Auftrage des Bundesministeriums
für Städtebau. Raumordnung und Bauweser.
Die Bauphysik umfaßt alle von der Physik
beeinflußten Aufgabenbereiche innerhalb der
Bautechnik, besonders die Gebiete Wärmesch utz, Feuchtigkeitsschutz, Schallschutz,
Brandschutz.
Den Grad der Erwärmung bezeichnet man als
Temperatur. Die physikalische Größe für die
Temperatur ist die sogenannte thermodynamische Temperatur T mit der Einheit Kelvin (K).
Doch richten sich Temperaturangaben nach
wie vor nach der Celsius-Skala, während
Temperaturdifferenzen in K ausgedrückt
werden.
Als Formelzeichen wird der griechische
Buchstabe tU verwendet, wodurch im Gegensatz zum gleichfalls gebräuchlichen Symbol
t, mit dem die Größe „Zeit" beschrieben wird,
Mißverständnisse ausgeschlossen werden.
Da 0°C 273,15 K entsprechen und Celsiuswie auch Kelvin-Skala die gleiche Schrittweite aufweisen, besteht der folgende Zusammenhang:
[°C] = T - 273,15 [K]
erungswitt
schutz
Schallschutz
Akustik
Verfasser_ Dipl.-Ing. Witfrie d Zap
Brandschutz
11
1- I
Die Bauphysik und ihre Aufgabenbereiche
Energiebewußtem Bauen, vor allem dem baulichen Wärmeschutz, kommt unter Beachtung
klimatischer, physiologischer und wirtschaftOcher Aspekte zentrale Bedeutung zu. Die
einzuhaltenden bauphysikalischen Anforderungen sin d in einer Reihe von Gesetzen, Verordnungen und DIN-Normen g_eregelt. In diesem Zusammenhang sind zu nennen:
O Energieeinsparungsgesetz (EnEG) vom
22. Juli 1976,
O Wärmeschutzverordnung vom 11. August
1977 und 24. Februar 1982,
O Heizungsanlagen-Verordnung vom 24.
Februar 1982,
O Heizungsbetriebs-Verordnung vom
22. September 1978,
O Verordnung über Heizkostenabrechnung
vom 23. Februar 1981,
O DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau" Ausgabe August 1981,
O DIN 4701 (Entwurf) „Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs in Gebäuden"
Ausgabe März 1978,
O VDI 2067 (Entwurf) „Berechnung der Kosten von Wärmeversorgungsanlagen"
Blatt 1 und 2, Ausgabe Dezember 1979.
Um die Temperatur eines Stoffes zu erhöhen,
muß ihm Wärme zugeführt werden; umgekehrt führt Wärmeentzug zur Temperaturabnahme. Wärmedämmen bedeutet demnach,
den Wärmestrom, d. h. den Temperaturausgleich, vom Ort der höheren Temperatur zum
Ort der niedrigeren Temperatur durch die
Wahl von Baustoffen mit hinreichend großem
Wärmedämmvermögen zu verlangsamen. Es
ist jedoch nicht möglich, den Wärmestrom
völlig zu unterbinden und damit, wie man
häufig sagt, ein Bauteil gegen Wärmeverluste
zu isolieren.
Wärmetransport
Unterschiedliche Energiezustände haben bekanntlich das Bestreben, sich auszugleichen.
Das bedeutet, daß unter dem Einfluß eines
Temperaturgefälles in jedem Falle ein irreversibler Wärmestrom in Richtung dieses Gefälles entsteht.
Oberflächen-
temperatur
auf der
Innenseite
toi
Oberflächen-
temperatur
auf der
Außenseite
U oa
•
Wärmestrom
Wärme und Temperatur
Wärme ist eine Energieform, die Größen Wärmemenge und Energie sind Größen gleicher
Art. Die Maßeinheit für die Wärmemenge ist
Wattsekunde (Ws) oder Joule (J) anstatt der
bislang üblichen Kilokalorie (kcal). Es gilt:
1 Ws =1 J = 2,39 • 10 -4 kcal.
Wärmeleitung in einer Außenwand
21
Bleiben die Oberflächentemperaturen konstant, erfolgt die Wärmeübertragung stationär, das heißt in gleichen Zeiträumen wird
durch die gleiche Fläche die gleiche Wärmemenge transportiert. Verändern sich hingegen die Oberflächentemperaturen in Abhängigkeit von der Zeit, wie dies zum Beispiel bei
Aufheiz- und Abkühlvorgängen der Fall ist, so
verändert sich die Größe des Wärmestromes.
Die Strömung ist dann instationär. Für Berechnungen des winterlichen Wärmeschutzes im Sinne einer wärmeschutztechnischen
Bemessung der wärmeübertragenden Bauteile reicht die Annahme stationärer Verhältnisse aus.
Wärme kann übertragen werden durch:
O Wärmeleitung,
O Konvektion,
O Wärmestrahlung.
Wärmeleitung
In festen Körpern sowie in ruhenden Flüssigkeiten und Gasen wird die Wärme von einem
Molekül zum anderen weitergegeben. Es gibt
gute Wärmeleiter (Metalle) und schlechte
(Holz).
Konvektion
Bewegte Gase und Flüssigkeiten, die entweder durch den Druckunterschied aufgrund
von Temperaturdifferenzen oder äußere Kräfte umgewälzt werden, führen Wärme mit sich
fort. Eine Wärmeleitung von Molekül zu Molekül ist dabei überlagert.
Wärmestrahlung
Unter Strahlung versteht man die Übertragung von Wärme ohne materiellen Wärmeträger in Form elektromagnetischer Wellen.
Beim Auftreffen auf einen Körper wird diese
Strahlungsenergie absorbiert, wobei sich
schwarze und rauhe Körper stärker erwärmen als solche mit hellen und glatten Oberflächen.
Wärmeleitfähigkeit A
Es gibt Stoffe, die Wärme gut leiten, das heißt
viel Wärme durchlassen (z. B. Metalle), und
Stoffe mit einer geringeren Wärmeleitung,
zum Beispiel Wärmedämmstoffe. Dies unterschiedliche Verhalten wird durch die Wärmeleitfähigkeit Abeschrieben. Kleine A-Werte
stehen für schlechte Wärmeleitung und damit!
gute Wärmedämmung.
Die Wärmeleitfähigkeit ist die wesentliche
Ausgangsgröße für wärmeschutztechnische
Berechnungen. Sie ist eine stoffspezifische
Größe und wird mit genormten Meßverfahren
festgestellt. Dabei wird die Wärmemenge in
Wattsekunden (Ws) ermittelt, die in einer Sekunde durch 1 m 2 einer 1 m dicken homogenen Stoffschicht senkrecht zu den Oberflächen hindurchfließt, wenn der Temperaturunterschied 1 Kelvin (K) beträgt. Damit lautet
die Einheit:
W/(m K).
Je nach Zweckbestimmung sind in DIN-Normen und anderen Publikationen A-Werte
22
durch unterschiedliche Indizes gekennzeichnet. Für Berechnungen des Wärmeschutzes
sind nur die Rechenwerte AR verbindlich. Sie
sind für die gängigen Baustoffe in DIN 4108,
Teil 4, enthalten. Abweichungen hiervon müssen im Bundesanzeiger* bekanntgemacht
worden sein, bevor sie in der Praxis angewendet werden dürfen. Gleiches gilt für nicht
genormte Baustoffe.
I
a.
r
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^[1Tr""-
=1 S
lt
A 5 =1 K
1m
Wärmeleitfähigkeit )
3
Beispiel: Kupfer A = 380 W /(m-K)
Stahlbeton A = 2,10 W /(m•K)
Nadelholz A = 0,14 W/(m-K)
Wärmedämma = 0,04 W/(m-K)
stoff
Vakuum A = 0,00 W/(m•K)
Wärmedurchlaßkoeffizient A
Der A-Wert ist stets auf eine 1 m dicke Stoffschicht bezogen. Demnach ist die Wärmedurchlässigkeit ein und desselben Stoffes
bei verschiedenen Dicken s unterschiedlich
groß. Diese Abhängigkeit wird durch den
Wärmedurchlaßkoeffizienten A = A/s gekennzeichnet. Die Einheit ist: W/(m2K).
Wärmedurchfaßkoeffizient A
Wärmedurchlaßwiderstand 1/A
Der Kehrwert von A, also 1/A, beschreibt den
Widerstand, den ein bestimmter Baustoff der
Wärme beim Durchgang durch ein Bauteil
entgegenbringt. Die Einheit beträgt: m2K/W.
In DIN 4108, Teil 2, Tab. 1 und 2, sind für einzelne Bauteile von Gebäuden Mindestwerte
des Wärmedurchlaßwiderstandes angegeben, die von der vorhandenen Konstruktion
zumindest erreicht werden müssen.
* Bezug durch Bundesanzeiger-Verlagsgesellschaft,
Postfach 10 80 06, 5000 Köln 1
4
Je größer der vorhandene Wärmedurchlaßwiderstand ist, desto besser ist der Wärmeschutz und um so größer die Energieersparnis. Bei Stoffen mit kleinen A-Werten genügen
bereits geringe Dicken, um die Mindestwerte
zu erreichen; Stoffschichten mit größeren
Werten müssen entsprechend dicker sein.
memenge in Wattsekunden (Ws) in 1 Sekunde durch 1 m 2 eines Bauteils der Dicke s hindurchgeht, wenn der Temperaturunterschied
zwischen den beiderseits angrenzenden
Luftschichten 1 Kelvin (K) beträgt.
Wärmeübergangskoeffizient a
Für die Berechnung des gesamten Wärmedurchganges ist auch der Einfluß der an das
Bauteil grenzenden Luftschichten zu berücksichtigen. Dies geschieht durch die Wärmeübergangskoeffizienten a mit der Einheit
W/(m K).
Wärmedurchgangskoeffizient k
Wärmeübergangskoeffizient
a
Der Wärmeübergangskoeffizient hängt ab
O von der Lage der Bauteiloberfläche (innen
oder außen),
O bei waagerechten Bauteilen von der Richtung des Wärmestromes (von oben nach
unten bzw. von unten nach oben).
Wärmeübergangswiderstand 1/a
Analog dem Kehrwert von A kann der Kehrwert von a, also 1/a, gebildet werden. Er wird
als Wärmeübergangswiderstand mit der Einheit m 2 K/W bezeichnet. Die Werte für verschiedene Wärmeübergangswiderstände
sind in DIN 4108, Teil 4, Tab. 5, festgelegt.
Wärmedurchgangswiderstand 1/k
Wärmedurchgangskoeffizient k
Der Wärmedurchgangswiderstand 1/k errechnet sich als Summe aus dem Wärmedurchlaßwiderstand des Bauteils 1/A, der
sich seinerseits durch Addition der Wärmedurchlaßwiderstände der einzelnen Bauteilschichten ergibt, und den Wärmeübergangswiderständen 1/a i und 1/a a zu beiden Seiten
des Bauteils.
1 + 1 + 1 `-h-i2
1
Tc = a; n aa W
Die Größe 1/k ist also die Summe aller Widerstände, die ein Bauteil dem Wärmedurchgang
vom warmen Luftraum durch das Bauteil hindurch bis zum kälteren Luftraum entgegensetzt.
Durch Kehrwertbildung erhält man den Wärmedurchgangskoeffizienten k = 1)k mit der
Einheit W/(m 2 • K). Der sogenannte k-Wert ist
die für alle weiteren Betrachtungen entscheidende Kenngröße und gibt an, welche Wär-
Zur Einbeziehung von Strahlungsgewinnen das gilt insbesondere für die Fenster, die bekanntlich vergleichsweise große Wärmeverluste verursachen, andererseits aber auch als
Sonnenkollektoren wirken - hat man den
äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten
kä q definiert (vgl. Info 2.2 „Energiebilanz von
Gebäuden"). Der äquivalente k-Wert ergibt
sich als Differenz aus dem die Wärmeverluste
kennzeichnenden k-Wert und einem die
durchschnittlichen Strahlungsgewinne während der Heizperiode berücksichtigenden
Ausdruck im Sinne einer Wärmebilanzierung
für das Bauteil.
Zusammenfassung
Rechenwerte der
Wärmeleitfähigkeit
Dicke der Stoffschichten
tiR [ W/ (mK)]
s [W/
Schichtdicke
s^
1 Wärmeleitfähigkeit A l —
Wärmedurchlaßwiderstand 1/A 1 [m2K/W]
Schichtdicke
2 Wärmeleitfähigkeit
Wärmedurchlaßwiderstand 1/A 2 [m2K/W]
._
•-
s2 _ WärmedurchlaßwiderSchichtdicke
3 Wärmeleitfähigkeit A. 3 - stand 1/A 3 [m2K/Wl
Man erhält durch
Addition den
Wärmedurchlaßwiderstand des Bauteils
1/A (m2K/W]
Wärmeübergangswiderstand innen
1/a, [m2K/W]
Man addiert die
beiden Wärmeübergangswiderstände
Wärmeübergangswiderstand außen
1/aa [m2 K/W]
Und erhält den
Wärmedurchgangswiderstand
1/k [m2K/W]
Durch Kehrwertbildung
ergibt sich der
Wärmedurchgangskoeffizient
k [W/(m2 K)]
Behaglichkeit
2.1
GRUNDLAGEN
Bauphysik
Die Behaglichkeit wird von sehr unterschiedlichen Einflußfaktoren bestimmt, und zwar
O thermischen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit,
Luftgeschwindigkeit, Bekleidung),
O hygienischen (Lüftung, Luftverunreinig ung),
O optischen (Tageslicht, Kunstlicht, Farben),
O akustischen (Innengeräusche, Außengeräusche),
O biophysikalischen (elektr. Gleich- und
Wechselfelder, Ionisation der Lu ft).
Was als behaglich empfunden wird, unterliegt
naturgemäß sehr stark persönlichen Bewertungen. Dennoch lassen sich auf der Grundlage der physiologischen Vorgänge Kriterien
für das Zustandekommen eines bestimmten
Behaglichkeitsempfindens angeben.
Luftfeuchtigkeit
Thermische Behaglichkeit
Unter dem Aspekt der Energieeinsparung
kommt vor allem der thermischen Behaglichkeit Bedeutung zu. Im Zustand der thermischen Behaglichkeit besteht Gleichgewicht
zwischen der Abgabe der durch Stoffwechselvorgänge produzierten Körperwärme an
die Umgebung und der Wärmeeinwirkung
durch die Umgebung auf den Menschen.
Störungen dieses Gleichgewichts können
durch entsprechende Bekleidung oder durch
Beheizen der Räumlichkeiten beseitigt werden.
Die thermische Behaglichkeit wird im wesentlichen durch folgende eng miteinander
verknüpfte physikalische Größen bestimmt:
O Temperatur der Raumluft,
O mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen (Wände, Decke, Fußboden),
•
Raumufttemperatur
Lüfit=
geschwin cttgkeit
Empfirlclungstemperatur
O relative Luftfeuchte im Raum,
O Luftbewegung im Raum.
Physiologische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Lufttemperatur in Wohnräumen
zwischen 20 und 22°C liegen muß. In Schlafräumen sind Lufttemperaturen zwischen 17
und 20°C zu empfehlen, und im Sommer sollte die Raumlufttemperatur in der Regel 24°C
nicht überschreiten. Die in Abschnitt 6,
Tabelle 3, der DIN 4701E „Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden"
angegebenen Norm-Innentemperaturen für
beheizte Räume sind dagegen sogenannte
empfundene Temperaturen und scharf von
den Räüm't"uittemperatureri zu trennen.
Die vom Menschen empfundene Temperatur
wird sowohl von der Raumlufttemperatur als
auch der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen bestimmt und kann nur
dann behaglich sein, wenn die Temperaturdifferenz von Raumluft und Raumumschließungsflächen hinreichend klein ist. Als Richtgröße kann gelten, daß die durchschnittliche
Temperatur der Raumumschließungsflächen
2 bis 3 K von der Raumlufttemperatur abweichen darf. Bild 8 zeigt, daß z.B. bei einer
Lufttemperatur von +22 °C eine mi ttlere Temperatur der Raumumschließungsflächen von
+18 bis +20°C nötig ist, um ein behagliches
Raumklima zu schaffen. Um Temperaturdiffe24
30
°C
26
24
^
22
m
> 5 20
^
t 18
^ E 16
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g ^ 12 I
or ^ 10
12 14 6 18 20 22 24 °C 28
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.
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Raumlufttemperatur
Behaglichkeitsfeld für das Wertepaar Raumlufttemperatur und Raumumschließungsflächentemperatur
8
renzen in der genannten Höhe zu erreichen,
sollte der Wärmedurchgangskoeffizient k von
Außenbauteilen möglichst kleiner als 1,0
W/(m2K) sein.
Die Wirkung der relativen Luftfeuchtigkeit der
Raumluft zeigt BiTd9. Luitfeuchtigkeiten zwischen etwa 35 und 70%, wie sie sich in der
Regel in Wohnräumen einstellen, liegen im
behaglichen Bereich und werden in den meisten Fällen nicht mehr differenziert wahrgenommen.
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70
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12 14 16 18 20 22 24 °C 28
Raumlufttemperatur
Behaglichkeitsfeld für das Wertepaar Raumlufttemperatur
und relative Luftfeuchtigkeit im Raum
9
Luftbewegungen im Raum entziehen dem
menschlichen Körper Wärme, besonders an
den entblößten Stellen. Beispielsweise sollte
bei einer Raumtemperatur von 20 bis 22°C
die Luftgeschwindigkeit nicht größer als
0,20 rn/s sein.
20
16
18
22
24 °C 26
Raumlufttemperatur
Behaglichkeitsfeld für das Wertepaar Luftgeschwindigkeit und Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Art
der Tätigkeit
10
Folgerungen
Um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten, sind grundsätzlich drei Aspekte zu
beachten:
1. Der Bewohner muß die Raumlufttemperaturin Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen
so empfinden, daß der Körper seine Wärmewederzu schnell (Kältegefühl) noch zu
langsam (Hitzegefühl) an die Umgebung
abgibt.
2. Die Wärmeabgabe sollte nach allen Seiten
des Raumes möglichst gleichmäßig erfolgen. Dieser Idealzustand wird natürlich in
der Praxis nicht erreicht, da Außen- und Innenwände, Fenster und Türen durch unterschiedlichen Wärmeabfluß das Gleichgewicht stören. Doch können Maßnahmen
des Wärmeschutzes das Raumklima stabilisieren. Damit sinkt der Wärmebedarf des
Raumes, und es ergibt sich zwangsläufig
eine Annäherung von Raumlufttemperatur
und mittlerer Temperatur der Raumumschließungsflächen.
3. Aufgabe der Heizung ist es, die über die
Außenflächen an die Umgebung abgegebene Wärme neu zuzuführen. Dabei sollten
statt kleiner Heizflächen mit hoher Temperatur große Heizflächen mit niedrigerer
Temperatur (Niedertemperaturbetrieb) gewählt werden. Das führt zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Raumtemperatur
und damit auch zu einheitlicheren Temperaturen der Raumumschließungsflächen.
elemente sind auf der einen Seite die eingesetzten Energien wie Brennstoffe für Heizung
und Warmwasserbereitung, elektrischer
Strom für Beleuchtung und Geräte, die Sonnenwärme sowie die Wärmeabgabe der Bewohner und auf der anderen Seite die Umwandlungsverluste bei Heizung und Warmwasserbereitung, die Transmissionswärmeverluste, die Lüftungswärmeverluste und zum
geringen Teil Wärmeverluste über das Abwasser. Inwieweit Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung, Beleuchtung u. ä. zur Verringerung des Wärmeverbrauchs beitragen,
hängt wesentlich von der Speicherfähigkeit
(vgl. Info 4.1 „Baukonstruktion Wände") vor
allem der Innenbauteile ab.
1 Sonnenwärme
2 Wärme durch Beleuchtung
und Geräte
3 Wärmeabgabe
der Bewohner
4 Heizung und
Warmwasser
5 Umwandlungsverluste
bei Heizung
und Warmwasser
6 Lüftungswärmeverluste
7 Transmissionswärmeverluste
8 Wärme im Abwasser
Energiezufuhr und Wärmeverluste
11
Arbeit, Energie, Leistung
Energie im physikalischen Sinne ist gespeicherte Arbeit. Beispielsweise muß zum Aufziehen eines Uhrwerks eine bestimmte Arbeit
verrichtet werden, die in der Uhrfeder als
Energie gespeichert wird und während des
Entspannens der Feder Arbeit in der Uhr verrichtet.
Energie wird wie Arbeit berechnet und hat
daher die gleichen Maßeinheiten. Sie tritt in
zahlreichen Erscheinungsformen auf, unter
anderem als Wärme (Wärmeenergie, Wärmemenge) mit der Einheit „Wattsekunde" (Ws).
Unter Leistung versteht man den Quotienten
aus verrichteter Arbeit und der dazu benötigten Zeit:
Leistung = Arbeit
Zeit
Folglich heißt die Einheit für die Leistung:
Watt (W). Andere Bezeichnungen für den
physikalischen Begriff „Leistung" sind Energiestrom oder Wärmestrom. Diese Begriffe
geben an, wieviel Energie bzw. Wärme pro
Zeiteinheit, zum Beispiel in einer Sekunde,
fließt.
Energiebilanz
Energiebilanzen (vgl. Info 22 „Energiebilanz
von Gebäuden") sind zwar noch nicht allgemein üblich, haben aber in der Vergangenheit
bei der haustechnischen Planung häufig ihre
Nützlichkeit unter Beweis gestellt und werden
zukünftig bei Entwurf, Planung und Ausführung von Wohngebäuden unter dem Aspekt
sparsamer und rationeller Energieverwendung einenfesten Platz einnehmen. Bilanz-
Wärmeverluste
Es werden zwei Arten von Wärmeverlusten
unterschieden:
Transmissionswärmeveri ust
/AMU liff
12
O Transmissionswärmeverluste entstehen
dadurch, daß Wärme infolge der unterschiedlichen Temperaturen außen und innen über die Gebäudehülle nach außen
strömt. Ermittelt werden diese Verluste
über die k-Werte der die Gebäudehülle
bildenden Bauteile.
Je kleiner der k-Wert ist, desto weniger
Wärme geht verloren. Je größer die Dicke
der wärmedämmenden Schicht und je
kleiner ihre Wärmeleitfähigkeit ist, um so
kleiner und damit besser wird der k-Wert,
25
O Bei Fenstern und Türen tritt zu den Transmissionswärmeverlusten der Lüftungswärmeverlust über die Fugen als eine Art
„Dauerlüftung" hinzu.
Die Durchlässigkeit der Fugen wird als aWert bezeichnet. Je kleiner der a-Wert und
die Fugenlänge sind, desto weniger Wärme
geht verloren.
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Außenwand: Rahmen
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Cd 0
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Luftwechsel in Abhängigkeit von der Fensterstellung
(nach Gertis)
Dichtungsebene
1
2
3
Fuge zwischen Außenwand und Rahmen
(undurchlässig)
Fuge zwischen Rahmen und Fensterflügel
(durchlässig, Begrenzung durch Fugendurchlaßkoeffizient a)
Fuge zwischen Fensterflügel und
Verglasung (undurchlässig)
Die Dichtungsebenen am Fenster
(nach Seifert)
13
Die Lüftungswärmeverluste werden in der
Zukunft eine immer größere Bedeutung bei
der Wärmebilanz eines Gebäudes haben,
da sich die Lüftungswärmeverluste unter
Beibehaltung der natürlichen Lüftung nicht
in dem gleichen Maße verringern lassen
wie die Transmissionswärmeverluste.
Trotz Reduzierung der Lüftungswärmeverluste durch Abdichten der Fugen an Fenstern und Außentüren müssen Räume mit
der aus hygienischen Gründen notwendigen Frischluftmenge versorgt werden. Vorsicht ist vor allem bei Räumen mit sogenannten „offenen" Feuerstellen (z. B. Heizkessel in der Küche, Kombitherme im Badezimmer) geboten, da ausreichende
Sauerstoffzufuhr für die Bewohner und zusätzlich für die Verbrennung gesichert sein
muß.
Als Größe zur Beschreibung des Luftaustauschs wird u. a. die Luftwechselzahl mit
der Einheit h -1 verwendet. Die Luftwechselzahl gibt an, wievielmal innerhalb einer
Stunde eine dem Raumvolumen entsprechende Luftmenge mit der Außenluft ausgetauscht wird. Nach anerkannter Regel ist
aus hygienischer Sicht ein 0,5- bis 0,7facher Luftwechsel pro Stunde erforderlich.
26
14
Wärmebedarf und Wärmeverbrauch
Wärmebedarf und Wärmeverbrauch sind keineswegs identisch.
Der Wärmebedarf ist das Ergebnis der Wärmeverlustberechnung nach DIN 4701 und
setzt sich ähnlich wie der Wärmeverlust eines
Gebäudes aus den Anteilen für Transmission
und Lüftung zusammen. Er ist auf die Zeiteinheit „Stunde" bezogen und daher Grundlage
für die Bemessung der Heizleistung. Sowohl
Heizkessel als auch Heizflächen müssen so
dimensioniert sein, daß sie den Wärmebedarf
unter den in der Norm genannten Randbedingungen decken.
Der Wärmeverbrauch ist die beim Betrieb der
Heizung tatsächlich erforderliche Leistung
und in der Regel kleiner als der Wärmebedarf. Der Grund ist u. a. bei den in den
Rechenwerten der Wärmeleitfähigkeit AR enthaltenen Sicherheiten, in der Tatsache, daß
der errechnete Lüftungswärmebedarf nur in
einem Teil des Gebäudes gleichzeitig auftritt
und bei der Nichtberücksichtigung der Wärmegewinne zu suchen.
Das Ergebnis der Wärmebedarfsrechnung
nach DIN 4701 führt daher stets zu ausreichend bemessenen, wenn nicht sogar zu
überdimensionierten Heizungsanlagen.
Jahreswärmebedarf
Ein fundamentales Element der Energiebilanz
ist wie bei der Bilanz des Kaufmanns der Bilanzierungszeitraum. Häufig wird ein Jahr als
Bezugszeitraum gewählt. Um die stetige Veränderung der Energieströme und ihre gegenseitige Beeinflussung zu verdeutlichen, kann
es aber vorteilhaft sein, mit kürzeren Zeiträumen zu arbeiten.
Für die Berechnung des Jahreswärmebe- Der Heizwert beträgt z. B. für:
daris gilt die Beziehung (siehe auch VDI 2067
E, Elatt 2)
2,3.... 4,3 kWh/kg
Holz
7,2.... 8,0 kWh/kg
Koks
_ Qh
Qa 1000 b
Steinkohle
8,2.... 8,9 kWh/kg
5,5.... 5,8 kWh/kg
ßraünkohle
mit
Qa - jährlicher Wärmebedarf in kWh/Jahr
10,0....10,8 kWh/I
Heizöl
Oh = stündlicher Wärmebedarf in W
b - Faktor für die jährliche Benutzungs4,2.... 4,9 kWh/m3
Stadtgas
dauer in Std./Jahr (Jahresvollbenutzungsstunden).
7,9 ....11,9 kWh/m3
Erdgas
Die Benutzungsdauer gibt an, wieviel Stunden im Jahr die Heizanlage mit voller Leistung im Dauerbetrieb arbeiten müßte, um
den jährlichen Wärmebedarf zu decken. Sie
kann hinreichend genau mit der nachfolgenden Gleichung bestimmt werden:
b=24•
Gt
iii — üa
mit
Gt Gradtagzahl mit der Einheit
Kelvin • Tag (K • d1
Jahr
` a
Innentemperatur nach DIN 4701 in °C
15'a Außentemperatur nach DIN 4701 in °C
Die Gradtagzahlen werden ermittelt aus der
täglichen Differenz der mi ttleren Innen- und
Außentemperaturen sowie der Anzahl an
Heiztagen - die genaue Definition enthält VDI
2067 E, Blatt 1, Ziffer 2.8 - und berücksichtigen den Einfluß der unterschiedlichen Klimate auf die Beheizung.
Bei Vorausberechnungen werden die in VDI
2067 E, Blatt 1, Tafel 21 und 22 aufgeführten
mittleren Gradtagzahlen verwendet. Sie beruhen auf Messungen von 134 meteorologischen Stationen in der Bundesrepublik
Deutschland während des Beobachtungszeitraumes 1951 bis 1971. Für Nachberechnungen können die tatsächlichen Heizgradtage
für die entsprechenden Zeiträume den einschlägigen Fachzeitschriften entnommen
oder vom Zentralamt des Deutschen Wetterdienstes in Offenbach gegen Kostenerstattung bezogen werden.
Jahresenergiebedarf
(Jahresbrennstoffbedarf)
Mit dem Heizwert H u als Maß für die bei der
Verbrennung freiwerdenden Wärmeenergie
und dem Gesamtwirkungsgrad n der Anlage
über das Jahr als Maß für die Ausnutzung der
durch die Verbrennung gewonnenen Wärme
ergibt sich der Jahresenergiebedarf Ba:
Ba =
100 Qa
Es bedeutet:
Qa Jah reswärmebedarf in kWh/a
Hp, Heizwert in kWh/kg, kWh/I,
kWh/m 3 je nach Brennstoff
Jah res-Anlagenwirkungsgrad in %.
2111
GRUNDLAGEN
Bauphysik
Weitere Einzelheiten sind VDI 2067 E,
Blatt 1, Tafel 13 und 14 zu entnehmen.
Wenn die Heizwärme mit elektrischer Energie
erzeugt wird, kann der Heizwert bei der Berechnung des Jahresenergiebedarfs entfallen
(H u =1).
Auch für den Jahreswirkungsgrad von Heizungsanlagen werden Angaben gemacht,
und zwar in Tafel 17 der genannten VDI-Richtlinien. Als Richtwerte für den Jahres-Anlagenwirkungsgrad können gelten bei Anlagen für
feste Brennstoffe
Öl, Gas
70%
75%
Elektrozentralspeicher 93%
96%
Elektrokessel
jedoch nur, wenn diese nicht gleichzeitig der
Warmwasserbereitung dienen.
Abgasverluste
14%
7%, Stillstands- und
Bereitschaftsverluste
ro
4% Leitungsverluste
Energie
im
Brennstof
100%
Energiefluß einer ganzjährig betriebenen
Warmwasser - Zentralheizung
15
Wärmedämmstoffe
Nur genormte oder bauaufsichtlich zugelassene Dämmstoffe dürfen im Bauwesen Anwendung finden. Damit ist stets eine Güteüberwachung vorgeschrieben, die gewährleisten soll, daß die Produkte in gleichmäßiger
Qualität hergestellt und geliefert werden.
Die Eigenschaften der Wärmedämmstoffe
werden in starkem Maße durch ihr Gefüge
und durch die Eigenschaften der Ausgangsprodukte geprägt. Was sich in einem Fall als
gut und richtig erwiesen hat, kann im anders
gelagerten Fall zu unerwünschten Nebenwirkungen oder gar Bauschäden führen. Den für
alle Einsatzbereiche optimalen Dämmstoff
gibt es nicht. Vielmehr hat die Auswahl von
Wärmedämmstoffen unter gesamtkonstruktiven Gesichtspunkten zu erfolgen. Unter anderem sollten Fragen des Brandschutzes,
des Schallschutzes, des Tauwasserschutzes
und des Regenschutzes eine Rolle spielen.
27
Auf die beiden erstgenannten Bereiche soll in
diesem Zusammenhang kurz eingegangen
werden, während hinsichtlich des Tauwasser- und des Regenschutzes auf DIN 4108,
Teil 3, Ziffer 3 und 4 verwiesen wird.
Dämmstoffe gelten gemäß DIN 4102 „Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen" als
Baustoffe und werden daher in brennbare
und nichtbrennbare Produkte unterschieden.
Einen Überblick, welcher Baustoffklasse die
einzelnen Produktgruppen zuzuordnen sind,
vermittelt die folgende Tabelle. Kleber, Beschichtungen u. a. können das Brandverhalten eines Dämmstoffes verändern. Aus diesem Grunde wird bei Verbundbaustoffen die
Prüfung des Verbundquerschnittes gefordert.
Quellen
Hebgen, H.: Neuer baulicher Wärmeschutz, Vieweg
Verlagsgesellschaft, Braunschweig (Abb. 10).
Der Bundesminister für Raumordnung, Bauwesen und
Städtebau: Energiesparbuch für das Eigenheim (Abb. 11).
Obering. Irmhild Sauerbrunn, Mannheim DBZ 6/81
(Abb. 16).
Prof. Dr.-Ing. habil. Karl Gösele, Stuttgart. Wärme, Kälte,
Schall 2/78 (Abb. 17).
Gesetze, Vorschriften, Literatur
[1]Gesetz zur Einsparung von Energie in Gebäuden
(Energieeinsparungsgesetz - ENEG) vom 22. Juli 1976
Bundesgesetzblatt 1976 Teil I S.1873 ff.
[2]Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung - WärmeschutzV) vom 11. August 1977 und 24. Februar 1982
Bundesgesetzblatt 1977 Teil I S.1554 ff.
Dämmstoff
Baustoffklasse
B1 132 B3 Bundesgesetzblatt 1982 Teil I S. 209 ff.
A1 A2
[3] Verordnung über energiesparende Anforderungen
X
Holzwolle-Leichtbauplatten
heizungstechnischen Anlagen und BrauchwasseranMehrschicht-Leichtbauplatten
X X E an
Kork
X ,F.s lagen (Heizungsanlagen-Verordnung - HeizAnlV-) vom
Phenolharz-Hartschaum
X
^ 24. Februar 1982
Bundesgesetzblatt 1982 Teil I S. 205 ff.
Polystyrol-Partikelschaum
X
[4]Verordnung über energiesparende Anforderungen
Polystyrol-Extruderschaum
X
an den Betrieb von heizungstechnischen Anlagen und
Polyurethan-Hartschaum
X X
Harnstoff-Formaldehydschaum
X X '3 Brauchwasseranlagen (Heizungsbetriebs-Verordnung Mineralfaserdämmstoffe
X'
m HeizBetrV-) vöm 22; September 1978
X X
; Schaumglas
E Bundesgesetzblatt 1978 Teil I S.1584 ff.
X
Klassifizierung von Dämmstoffen nach DIN 4102, Teil 1 16 [5]Verordnung über die verbrauchsabhängige Abrechnung'der Heiz- und Warmwasserkosten (Verordnung
über Heizkostenabrechnung - Heizkosten' vom
Dämmschichten beeinflussen die Schalldäm- 23. Februar 1981
Bundesgesetzblatt 1981 Teil I S. 261 ff.
mung des betreffenden Bauteils bzw. der ge[6] DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau" Ausgabe
samten Konstruktion je nach Steifigkeit des
August1981
verwendeten Dämmstoffes und Befestigungs- Beuth Verlag GmbH, Berlin*
art. Während sich beispielsweise bei einer
[7] DIN 4701 (Entwurf) „Regeln für die Berechnung des
Innendämmung mit vollflächig aufgeklebten
Wärmebedarfs von Gebäuden" Ausgabe März 1978
Beuth Verlag GmbH, Berlin*
Polystyrol-Hartschaumplatten die Schall[8] VDI 2067 (Entwu rf) „Berechnung der Kosten von
Längsdämmung im mittleren FrequenzbeWärmeversorgungsanlagen" Ausgabe Dezember 1979
reich sehr stark verschlechterte, wurde bei
Beuth Verlag GmbH, Berlin*
Verwendung von Mineralfaserplatten unter
[9] Berber, J.: Bauphysik - Wärmetransport, Feuchtiggleichen Versuchsbedingungen eine Verbeskeit, Schall serung gegenüber dem unverkleideten ZuVerlag Handwerk und Technik, Hamburg
stand erzielt.
[10] Nikolic, V.: Handbuch des energiesparenden
Bauens
Deutscher Consulting Verlag, Wuppe rtal
[11]Gösele/Schüle: Schall, Wärme, Feuchte
4RL
Bauverlag, Wiesbaden
[12]Der Bundesminister für Forschung u. Technologie
(Hrsg.): Bauen und Energiesparen
Ein Handbuch zur rationellen Energieverwendung im
GipskartonHochbau
platten auf
Verlag TÜV Rheinland
30 mm
Mineralfaser[13]Gösele/Kiesewetter: Schalldämmverschlechterung
platten
durch Plattenverkleidungen. Forschungsvorhaben im
500 1000 2000 Hz
100 200
Auftrag des BMBau, November 1978
*DIN-Normen und Vdl-Richtlinien können direkt beim
Beuth-Verlag GmbH, Burggrafenstraße 4-10,
1000 Berlin 30, bezogen werden.
4R^
Gipskartonplatten auf
Hartschaumplatten
500 1000 2000 Hz
Frequenz
Die „Verbesserung AR S " der Längsdämmung RL . einer
Außenwand durch zwei 1erkfeidungen (jeweils vollflächig
aufgeklebt).
Die Verkleidung mit Mineralfaserplatten verbessert
im ganzen Frequenzbereich die Längsdämmung;
die Verkleidung auf Hartschaumplatten verschlechtert
im mittleren Frequenzbereich sehr stark.
17
28
Kurzbiografie des Autors
Dipl.-Ing. Wilfried Zapke
Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung
„Bauphysik und Baukonstruktion" im Institut für
Bauforschung e. V., Hannover. Die Schwerpunkte
seiner Tätigkeit liegen auf den Gebieten Bauphysik,
Bauschäden.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout
Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Koordination Vladimir Nikolic.
gIILIND '
ENER GIEE1NSPARUNG LAG^
Ene^
riehilani ion
2.2
vereinfachte
Berechnungsverfahren
Ein Forschungsvorhaben der Bundesarchitektenkammer
durchgeführt sm Auftrage des Bundesministeriums
fur Städtebau. Raumordnung und Bauwesen
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
Verfasser; Prof. Dr -ing. habit Lothar Rouvel August 1981
Einflüsse auf den Heizenergieverbrauch
Natürliche Einflüsse
Der Heizenergieverbrauch eines Gebäudes
hängt von einer Vielzahl von Einflußfaktoren
ab, die zum Erreichen eines angenehmen
Raumklimas erforderlich sind.
Abhängig von der Klimazone und damit verknüpft von der Auslegungstemperatur für
die Heizungsanlage, den jeweiligen Standortverhältnissen, der Lage des Hauses nach
Windanfall sowie eine mehr oder weniger
günstige Orientierung der Wohnräume nach
der Besonnung können bereits merkliche
Unterschiede im Heizenergieverbrauch von
etwa±20% nur durch standortbedingte
natürliche Einflüsse bringen.
Es handelt sich dabei im wesentlichen um
vier Einflußbereiche:
O die außenklimatischen Verhältnisse, vor
allem die Temperäfur dbr kilIefiluff im
Verlauf eines Jahres und der Windanfall,
aber auch die Sonneneinstrahlung während der Heizperiode;
O das Gebäudekonzept mit der Art der
Bauweise des Gebäudes, seinen energetischen Eigenschaften und bauspezifischen Kenndaten; hierzu rechnen z. B.
die Verwendung wärmedämmender Bauteile für Außenwände, die thermische
Fensterqualität, aber auch die Gebäudegröße, die Geschoßzahl, die Fassadengliederung, der Fensteranteil an der Fassadenfläche und die Lage einer Wohnung im Gebäude;
O die heizungstechnische Konzeption, das
bedeadti. B. bei be einten Ge-bäüden
ohne raumlufttechnische Anlagen die Art
der Heizungsanlage mit ihrem Wärmeverteilungssystem, der Energiewandler also z. B. Heizkessel oder Öfen oder Wärmepumpen - sowie die Regelung der
Heizungsanlage und der Anlagenzustand;
O der Mensch mit seinen Nutzungsansprüchen an die Heizung unid seinen Gewohnheiten; charakteristische Merkmale
hierfür sind:
Art der Nutzung der Räume,
Höhe der Raumtemperaturen,
Dauer der Heizperiode,
tägliche Nutzungs- und Heizdauer,
Umfang der Beheizung sowie
Häufigkeit und Dauer des Lüftens.
Außenklima
110%
Ost/
—14°C
RaumklimasEnergietechn.
Konzeption
Raumnutzung
Haupteinflußgrößen auf
eines Gebäudes
den
Energiehaushalt
Um einen Anhalt über die Auswirkungen
der wichtigsten Einzeleinflüsse auf den
Heizenergieverbrauch eines Gebäudes zu
erhalten, sind folgende charakteristische
Werte zu berücksichtigen.
West
normal
90%
Auslegungstemperatur
Lage nach
Windanfall
Orientierung des
Wohnraumes
Heizungstechnisches
Einflüsse auf den Heizenergieverbrauch
2
Konzept
Benutzerbedingte Einflüsse
Die Benutzer eines Gebäudes beeinflussen
den Heizenergieverbrauch vor allem durch
die Entscheidungen, welche Raumtemperaturen angestrebt und eingehalten werden,
bei welchen Außentemperaturen die Heizungsanlage ein- bzw. abgeschaltet wird
und welche Maßnahmen zum Lüften getroffen werden.
Eine Verlängerung bzw. Verkürzung der
Heizperiode führt zu einer Bedarfsänderung
bis zu etwa ± 7%. Der Trend zu höheren
Raumtemperaturen bedeutet ebenfalls eine
Verbrauchszunahme von etwa 5 bis 8% je
Grid KK611 in) Temperaturerhöhung. Werden dagegen nur noc die Räume beheizt,
in denen sich Personen längere Zeit aufhalten, so kann der Energieverbrauch erheblich gesenkt werden. Unzweckmäßiges Lüften durch zu langes oder ständiges Offnen
von Fenstern führt zu erheblichem Mehrverbrauch.
110%
Gebäudekonzept
Nord
—16°C
ENERGIEHAUSHALT
Baukonzept
NATÜRLICHE EINFLÜSSE
ungeschützt
Außenklimatist
Verhältnisse
BENUTZERBEDINGTE EINFLÜSSE 22°C
viel
140
100%
90%
•
80% Raumtemperatur
Außentemperatur Lüften
bei Heizbeginn
Einflüsse auf den Heizenergieverbrauch
3
29
Nutzungsansprüche
Verbrauchszunahme
z
..i
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
WärmeschutZverordnung
und zusätzliche
Wärmeschutzmaßnahmen
Ermittlung des mittleren
Wärmedurchgangs koelfizlenten
Thermostatisch gesteuerte Heizkörperventile
Gebäude- und heizungsanlagenbedingte
Einflüsse
Eine noch größere Bedeutung haben die
gebäude- und anlagebedingten Einflußfaktoren. Je nach Wärmeschutz eines Gebäudes, aber auch nach Gebäudeart und Fassadengliederung, Heizsystem und Regelungsart verändert sich der Heizenergiebedarf wesentlich.
Die Wärmeschutzverordnung (WSchVQ)
vom August 1977 hat bei Neubauten fast<.zu
einer Halbierung des Heizenergiebe.arfs
gegenüber der bis Ende der sechziger
Jahre üblichen Bauweise geführt, und zusätzliche Wärmeschutzmaf3nahmen können
den Heizenergieverbrauch auf fast ein Drittel gegenüber „herkömmlicher" Bauweise
senken.
Der Einbau einer witterungsabhängigen Regelung der Vorlauftemperatur in Verbindung
mit thermostatisch gesteuerten Heizkörperventilen kann bei Zentralheizungsanlagen
in Mehrfamilienhäusern Energieeinsparungen bis zu 25% bringen. Eine Raumtemperaturregelung in Einfamilienhäusern führt zu
etwa gleichen Einsparungseffekten.
100%
GEBÄUDE- UND ANLAGENBEDINGTE EINFLÜSSE
üblich
früher üblich
Bungalow
Reihenhaus
75%
0)
Wohnblock
50%
sehr
gut
0%
Kompaktheit
des Gebäudes
mit:
A Temperaturdifferenz zwischen Raumund Außenluft.
Daraus ergibt sich, daß der km-Wert wesentlich die Transmissionswärmeverluste beeinflußt.
Würde man fordern, daß alle Gebäude bezogen auf das umbaute Volumen dieselben
Transmissionswärmeverluste (bei gleichen
außenklimatischen Randbedingungen)
haben sollten, müßte gelten:
km v = tonst.
(2)
oder anders ausgedrückt
km 1 /Ü
(3)
Hätten alle Gebäude gleiche Transmissionswärmeverluste pro m 3 umbauten Raums
(QT), ergäbe sich ein hyperbolischer ZuV
sammenhang zwischen k m und A/V.
25%
Wärmeschutz
Wärmeschutzverordnung
Als Kriterium für die Güte des Wärmeschutzes eines Gebäudes wird in der Wärmeschutzverordnung der
mittlere Wärmedurchgangskoeffizient km
der wärmeübertragenden Umfassungsflächen A vorgegeben, wobei die Mindestanforderungen abhängig vom Verhältnis A/V
sind (V = von der Umfassungsfläche eingeschlossenes Bauwerksvolumen).
Die Brm,itti i tgdes_raittieren Wärmed_u.r..ch.erfolgt nach den Begangskoeffizient
rechnungsvorschriften in DIN 4108 Teil 2.
Will man ein von der Gebäudegröße und der
Gebäudegeometrie unabhängiges Maß für
die Transmissionswärmeverluste QT eines
Gebäudes haben, bezieht man QT z. B. auf
das umbaute Volumen. Es gilt dann:
QT = km A A
(1)
Regelungsgüte
Einflüsse auf den Heizenergieverbrauch
Einfache Berechnungsregeln zur energetischen
Bewertung eines
Gebäudes
Kompaktheit
Energetische Bewe rtung von Gebäuden
Im folgenden soll vor allem auf die baulichen Maßnahmen eingegangen werden,
die zu einer Beeinflussung des Heizwärmebedarfs führen. „Einfache" Berech_oungsregeln sollen dazu beitra g en auch dem
Architekten die Möglichkeit einer energetischen Bewertung des Gebäudes zugeben..
Füreinen Teil der genannten Einflüsse bestehen bereits seit längerem Berechnungsverfahren. Es sei hier an die DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau" von 1981 und die
etwa gleichlautende Wärmeschutzverordnung von 1977, an die DIN 4701 „Regeln für
die Berechnung des Wärmebedarfs von
Gebäuden" von 1978 sowie die VDI 2067
„Wirtschaftlichkeitsrechnung von Wärmeverbrauchsanlagen" von 1979 erinnert.
Diese konventionellen Berechnungsverfahren haben den Vorteil, relativ einfach zu
sein, jedoch betrachten sie nur Teilaspekte,
nämlich hauptsächlich nur die Wärmeverluste und vernachlässigen die Wärmegewinne, z. B. durch Sonneneinstrahlung.
Sie führen daher zum Teil zwangsläufig zu
Fehlbeurteilungen.
30
de
60'‘^\oGKe
4
Pe\• ren^aUSe( tre s^e Na se
^N
‚11-Iholiere Wärmeverluste
'yi a
^F
1
`
^a^, '^^^^^
-^^
►
^^^;^^i^^
^^////
^^^.
^^
^ -"^" ^^
^^
geringere Wärmeverluste
0,8
0,4 0,6
0,2
0
A = Gebäudeumfassungsfläche
umbauter Raum
V
T = tonst.
n
Q
1,0
m2
m3
1,4
-
übliche Werte
Qualitativer Zusammenhang zwischen
mittlerem Wärmedurchgangskoeffizient k m
und dem Verhältnis A/V
Daraus leitet sich ab, daß an kompakte gro-,
fie_Gebaude (ALVist klein) n r._seh-r geringe
Anforderungen hinsichtlict d.es._Warrrsescbutzes _gestellt werden_mt!ßten, an kleine
H.auser_(A/V ist gr
ferdersang en.ear_de lch_sind.._In der Praxis
hat sich - wie bereits erwähnt - herausgestellt, daß große Gebäude meist einen
geringeren und kleine Gebäude einen höheren Transmissionswärmeverlust aufweisen. Darauf nimmt auch die Wärmeschutzverordnung Rücksicht, indem sie eine
Grenzkurve der Form
(4)
k m, rhax = a + b • 1 /Ü
angibt (a und b sind konstante Werte; z. B.
nach WSchVO, August 1977:
a = 0,61, b = 0,19).
Einen Überblick über die Bereiche des mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten in Abhängigkeit von der Bauweise gibt nachstehende Abbildung.
,O\oGµ
iii
or`^
1,8
W
m2K
1,4
1,2
Lm
1,0
^
E
0,8
E
0,6
0,4
0,2
0
e<'des
Uec
^`(‘
clee
\<e E^\(^ '^,a
Der Schwankungsbereich kann hierdurch
wesentlich verkleinert werden, jedoch sind
immer noch Unterschiede bei gleichem
am=
.
^m
-
Wert von k m • V bis zu fast 2:1 zu erwarten.
oh.^ - ^ "
m
^^^^^^^^^ ^^^
m•
-
-
0 0,2
0,4
0,6
08
A __Gebäudeumfassungsfläche
V
umbauter Raum
Bauweise:
Da ein solch großer Toleranzbereich für
eine energetische Bewertung unzureichend
erscheint, müssen andere Wege gesucht
werden, die eindeutiger sind und mit der
Realität besser übereinstimmen.
-
m 21 4
1,0
m
350
: vor 1978 -WschVO vorn 11. August 1977
wirtschaftlich optimal (Stand 1980)
vorauss. Novellierung der WSchVO 1982
\ Grenze bei konvent. Bautechniken
kWh
m2a
Mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient krr,
in Abhängigkeit vom Verhältnis A/V
6
Ein Reihenhaus mit dem Kennwert A/V von
z. B. 0,7 m 2 /m 3 hatte nach den Bauvorschriften der siebziger Jahre einen km-Wert
von etwa 1,3 W/m 2 K, die Wärmeschutzverordnung vom August 1977 fordert einen
Maximalwert von knapp 0,9 W/m 2 K, die voraussichtliche Novellierung der WSchVO
verschärft die Anforderungen auf einen
Wert unter 0,7 W/m 2 K. Mit konventionellen
Bautechniken dürfte die untere erreichbare
Grenze bei etwa 0,5 W/m 2 K liegen.
Obwohl der k m -Wert als Kriterium für die
Beurteilung des Wärmeschutzes festgelegt
ist, besteht kein sehr enger Zusammenhang
zum Jahresheizwärmebedarf pro m 2 Wohnfläche.
350
kWh
m
a
250
`m
-0
a)
.o
E
200
Mehrfamilienhaus
A/V =
übliche Bauweise bis 1978
vom
Bauweise nach
Aug
vom August 1977
Der zu erwartende Jahreswärmebedarf pro
m 2 Wohnfläche schwankt bei gleichem k m Wert um den Faktor 3, obwohl nur der Bereich der Mehrfamilienhäuser betrachtet ist.
Wesentlicher Parameter für den Schwankungsbereich ist das Verhältnis A/V. Daher
scheint es günstiger, als Kenngröße für den
Jahreswärmebedarf entsprechend Gleichung (1) den Parameter
A
km v
zu wählen. Hier werden zusätzlich zum mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten der
Umfassungsfläche auch die Fassadengliederung und die Gebäudeart gewertet.
"
d
V
250
200
150
100
50
0,6
.!$
ö
1E.
A ^,
>
0
0
0,2
04
0,6
km • vA
km= mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient
A = Hüllenfläche
V = umbautes Volumen
4i
,
, 7 '‘‚‚:
t4W
IttiVi
Jahreswärmebedarf je m 2 Wohnfläche
150
'ed
ä^
t
ü^
100
50
ü^
E
0
möglicher
Bereich bei
konventionellen
Bautechniken
Energiebilanz von Gebäuden
voraussichtliche
Novellierung der
Wärmeschutzverordnung 1982
0
0,5
1,0
W/m2K
mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient km
Mittlerer Jahreswärmebedarf je m 2 Wohnfläche
in Abhängigkeit vom Wärmeschutz
2,0
7
Hierzu muß der Energiehaushalt eines Gebäudes mehr beachtet werden. Um mehr
Verständnis für die Wirkungsmechanismen
zu bekommen, wird für ein Gebäude mit
statischer Heizung die qualitative Energiebilanz während eines Tages in der Heizperiode betrachtet.
Transmission Dach
nachts
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
Lüftung
Transmission
Fenster
Transmission
Außenwand
Direkte und diffuse
Strahlung
Transmission Keller
Qualitative Energiebilanz an einem Wintertag
für ein Gebäude mit statischer Heizung
Transmissions- und
Luftungswärmeveriust
Deckung der Wärmeverluste durch
Sonneneinstrahlung
9
Nachts wird die Heizung in der Regel mit
verminderter Leistung betrieben (Nachtabsenkung).
Der Wärmeverlust des Gebäudes - bestehend aus Transmissionswärmeverlusten
über die Gebäudeumfassungsflächen sowie den Lüftungswärmeveriusten - wird nur
zum Teil durch die Heizungsanlage gedeckt. Die in den Wänden, in Fußboden und
Decke sowie im Mobiliar gespeicherte Wärme wird zur Beheizung des Raumes mit
herangezogen. Einen kleinen Beitrag liefern
auch die Bewohner des Gebäudes.
Die Raumtemperatur fällt dabei langsam ab.
Transmission Dach
Während des Tages tri fft Sonneneinstrahlung auf das Haus. Hierbei ist nicht nur an
die direkte Sonnenstrahlung, sondern auch
an die diffuse Strahlung zu denken. Wenn
auch die maximalen Werte der direkten
Strahlung bis zu sechsfach so hoch sind
wie die di ff use Strahlun ,_sind sie im Mittel
über die Heizperiode etwa gleich groß. as
bedeutet, daß auf die Nordseite eines-Gebäudes immerhin noch nahezu halb soviel
Sonnenwärme eingestrahlt wird, wie auf die
Südseite fällt.
Der größte Teil der Sonneneinstrahlung auf
ein Gebäude trifft auf die Außenwände und
wird an deren Oberfläche zum Teil reflektiert, zum Teil von den Wänden absorbiert
und in Wärme umgewandelt. Der größte Anteil hiervon wird wieder über Wärmestrahlung und Konvektion an die Umgebung
abgegeben; nur etwa 10% gelangen durch
Transmission in den Raum. Wesentlich günstiger sehen die Relationen beim Fenster
aus. Hier gelangen etwa 70% der auftreffenden Strahlung in de n Raum und trauen zur
Deckung der Wärmeverluste bei. Das Fenster mit dem dahinterliegenden Raum stellt
also einen einfachen Sonnenkollektor dar.
Die Heizleistung kann dadurch gesenkt
werden. Ein Teil der eingestrahlten Wärme
wird in den Innenbauteilen des Gebäudes
gespeichert und ein Überheizen des Gebäudes in der Mittagszeit kann vermieden
werden.
Transmission Dach
morgens
Lüftung
Transmission
Fenster
Transmission
Mods
Außenwand
Transmission Keller
Qualitative Energiebilanz an einem Wintertag
für ein Gebäude mit statischer Heizung
•
Nachtabsenkung
Abgekühlte
Speichermassen
Innere Warmeguelien
Lüftung
Transmission
Fenster
Transmission
10
Morgens wird die Nachtabsenkung aufgehoben. Die Heizung deckt jetzt die Wärmeverluste nach außen vollständig. Zudem
müssen von ihr noch die abgekühlten Speichermassen (Wände usw.) wieder erwärmt
werden.
In geringem Umfang helfen auch innere
Wärmequellen, wie Beleuchtung und Personenbei.
Die Heizung muß zu diesem Zeitpunkt in
der Regel die höchste Wärmeleistung (im
Tagesgang) abgeben.
Außenwand
Transmission Keller
Qualitative Energiebilanz an einem Wintertag
für ein Gebäude mit statischer Heizung
12
Gegen Abend wird diese Wärme wieder aus
den Wänden entnommen und hil ft mit, das
Defizit durch den Wegfall der Sonneneinstrahlung zu decken. Aus dem Tagesrhythmus läßt sich die Jahresbilanz herleiten.
Entspeichern und
Speichern von Wärme
in Wänden, Decken u. ä.;
Transmission Dach
Transmission Dach
Lüftung
Transmission
Fenster
Transmission
mittags
Außenwand
Lüftung
Transmission
Fenster
Transmission
Transmission Keller
Qualitative Jahresbilanz für ein Gebäude mit
13
statischer Heizung
Außenwand
Transmission Keller
Qualitative Energiebilanz an einem Wintertag
für ein Gebäude mit statischer Heizung
32
11
Die Wärmeverluste, bestehend aus
O Transmission über die Gebäudeumschließungsflächen sowie
O Lüftung
werden im Jahresmittel nur etwa zu 50 bis
70% durch Wärmelieferung der Heizungsanlage gedeckt. 30 bis 50% der Wärmeverlustestammen aus Wärmegewinnen durch
O Sonneneinstrahlung und
O innere Wärmequellen.
Es ist daher offensichtlich, daß eine energetische Bewertung des Gebäudes nur nach
den Wärmeverlusten zu keinen objektiven
Ergebnissen führen kann. Daher sind erhebliche Fehlentwicklungen bei zukünftigen Maßnahmen zur Energieeinsparung sowoh I bei Neu- wie auch bei Altbauten vorausseh bar.
Die Wärmespeicherung in den Bauteilen erscheint im Jahresmittel betragsgleich wieder als Entspeicherung, da die Temperaturen in den Bauteilen zu Beginn und zu Ende
der Heizperiode praktisch gleich sind. Für
den stündlichen und täglichen Energiehaushalt eines Gebäudes ist die Wärmespeicherung jedoch von erheblicher Bedeutung. Um die Mittagszeit würde ein
Raum ohne Wärmespeicherung überheizt,
die Überschußwärme müßte hinausgelüftet
werden und stünde am Abend nicht mehr
zur Beheizung des Raumes zur Verfügung.
Von besonderer Bedeutung ist die Speicherwärme für die solaren Energiegewinne
in der Übergangszeit.
Der tages- und jahreszeitliche Verlauf der
Energiebilanz eines Gebäudes und somit
auch der ausnutzbaren Wärmegewinne lassen sich mittels dynamischer EDV-Sir► ula
tion ermitteln [2]. Dieses Planungsinstrument wurde bereits an einer Reihe von Bauvorhaben mit Erfolg angewendet. Für viele
Gebäude, insbesondere Einfamilienhäuser,
ist eine vereinfachtere Betrachtungsweise,
die die Wärmebilanz von transparenten und
nichttransparenten Bauteilen ebenfalls berücksichtigen muß, sinnvoll.
Um einen besseren Überblick über die Größe der einzelnen Bilanzposten bei der Jahreswärmebilanz unterschiedlicher Hauser rt
bei verschiedenem Standard der Wärme
-dam ungzuerhalten,sind ieVerhältnis e
bei einem
freistehenden Einfamilienhaus
und einem
fünfstöckigen Mehrfamilienhaus
jeweils getrennt für
O Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 vom
August 1969,
O Wärmeschutzverordnung vom August
1977,
O voraussichtliche Novellierung der Wärmeschutzverordnung 1982
aufgezeigt.
0
M
d
d
ro
E
Wärmegew. ca.
125 kWh/m2a
Heizwärmebedarf ca.
195 kWh/m2a
Em
t^
Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 August 1969
Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 August 1969
m
m
E
E
E
y
o \ . Wärmegew: ca..^ ^
140 kWh/m2a
M
1
N
Heizwärme-
—'
°'
.3
Em
d
bedärf ca. .
210 kWh:m<a.
/ •
. '. . ^ ...
ä
a^
^
E
c
z
Dach
Außenwand
d
N
a,
Transmission
Fenster
— Lüftung
E
N
Keller
Erhöhter Wärmeschutz nach WSchVO 11. August 1977
Wärmegew. ca.
110 kWh/m2a
E
^Heizwärme=• .
bedarf ca..
130 kWh,m°a •
E
L
m
^
E
3
z
Lüftung
Keller
E
E
^
Heizwärmebedarf ca.
130 kWh/m2a
Erhöhter Wärmeschutz nach WSchVO 11. August 1977
E
0
N
m
Dach
Außenwand
Transmission
Fenster
Wärmegew. ca.
110 kWh/m2a
Em
d
CD
c^
Dach
Außenwand
^
Wärmegew. ca. E
75 kWh/m2a
E
m
m
E
,3
^
^
Transmission
Fenster
Lüftung
\, Keller
E
c^
Heizwärme bedarf ca.
80 kWh/m2a
Dach
Außenwand
Transmission
enster
Lüftung
eller
z
UCi
d
c^
Voraussichtliche Novellierung der WSchVO 1982
JahreswärmebHanz eines freistehenden,
11/2stöckigen Einfamilienhauses
14
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
Dynamische
EDV-Simulation
Jahreswärmebilanz von Häusern
E
Außenwand
Transmission
Fenster
2.z
Voraussichtliche Novellierung der WSchVO 1982
n
Jahreswärmebilanz eines 5stöckigen
Mehrfamilienhauses
n
33
Wärmespeicherung
Jahreswärmebilanz
unterschiedlicher Häuser
bei verschiedenem
Standard der
Wärmedämmung
are Energie
Ubergangs,
inne in
2.2
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
Zur besseren Übersicht ist die Breite der Bilanzposten direkt proportional dem Bedarf
in kWh pro m 2 beheizte Fläche. Es werden
folgende Zusammenhänge deutlich:
O Bezogen auf gleichen Baustandard benötigt das Mehrfamilienhaus zwischen
35 und 45% weniger Heizwärme als das
freistehende Einfamilienhaus.
O Bei besserer Wärmedämmung der Gebäude nehmen zwar die Wärmegewinne
durch Sönne, Personen u. a. absolut ab,
sie _m.
decken aber einen immer großer werdenden Anteil der Wärmeverluste.
O Die Wärmeverluste über Dach und Keller
sind beim Einfamilienhaus von größerer
Bedeutung als beim Mehrfamilienhaus.
O Eine dominierende Rolle bei den Verlusten, insbesondere beim Mehrfamilienhaus, spielen die Fenster, und zwar hinsichtlich
— Transmission und Lü ft ung
Fenster 1 (kF = 3,3 W/m2K)
kw=0,9W/m2K
2,5
r^
ohne Sonnen- \
^
einstrahlung
IY W/m 2K
'C'a1
'17i
N0
Ai
Nord
Iplip.
cm
ccom
-c
.`
Süd
^..
r
Al
^
:ior
',5 0,5
Ca)
>^
Zweifachverglastes Fenster
(k = 3,0 W/m2K, Glasanteil 65%)
¢ 0
Heizperiode
0
25
Fensteranteil
50
75
%
AF+AN,
Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient
der Außenfassade
ohne Sonneneinstrahlung
0,5
100
AF
^
1,0
110"
1
1,5
1,0
mit einem Anteil von rund 60%.
2,0
kWh
mTTag
1,5
Um eine Größenordnung von der Bedeutung der Sonneneinstrahlung zu bekommen, ist die Abhängigkeit des äquivalenten
Wärmedurchgangskoeffizienten einer
Außenfassade von der Größe der Fenster
dargestellt.
17
Fenster 2 (kF = 1,9 W/m2K)
kw = 0,9 W/m2K
2,5
3+
0,5
Y W/m2K
Co
:El
C
mC
3m
m̀ °J
E
Nordfenster
1,0 West- u. Ostfenster
—•—•—.— Südfenster
Positive Wärmebilanz bei
zweifachvergiastem
Fenster in Südlage
Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient kaa
\
1,5
/1
1,5
•
^C
m
ohne Sonnen-
einstrahlung
CO
5
0
—5
Monatsm itteltemperatu r
10
15
`C
20
Energiebilanz eines Fensters für den Energieaustausch
durch Transmission und Strahlung
16
Energiebilanz eines Fensters
Für ein zweifachverglastes Fenster ist bei
Südlage bereits bei mittleren Außentemperaturen oberhalb etwa 7°C die Wärmebilanz
positiv, d. h. im Monatsmittel entsteht ein
Wärmeüberschuß. Bei Nordfenstern tritt
dieser Zustand erst bei mittleren Außentemperaturen oberhalb etwa 13 °C auf. Durch
Einsatz eines temporären Wärmeschutzes
nachts, z. B. durch dichtschließende
wärmedämmende Rolläden, lassen sich die
Relationen noch verbessern.
Lm
U
1,0
Nord
E
^,
0 ,5
^^11111111111111111111111111111111
Süd
m
1
a
,
ä
0
MI
0
50
25
Fensteranteil
75
%
100
AF
AF +Aw
Dabei wird unterschieden nach zwei Verglasungsarten:
O Fenster 1: Zweischeiben-Isolierverglasung,
O Fenster 2: Dreischeiben-lsolierverglasung bzw. Wärmeschutzverglasung.
Bereits
bei der heute üblichen lsolierverglaÄquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient
sung ist der resultierende Wärmeverlust
auch bei Nordfenstern erheblich niedriger
Die Energiebilanz von Bauteilen während
der Heizperiode läßt sich mit dem sogeals man es nach der Wärmeschutzverordnung und DIN 4108 ermittelt. Bei Südfassanannten
„äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizien- den ist danach bereits bei Zweifachverglaten k "
sung der Heizwärmebedarf nur geringfügig
abhängig von der Fenstergröße. Bis zu
beschreiben. Er schließt neben den Transeinem Fensteranteil von 50% an der Fasmissionswärmeverlusten auch die nutzsade ist die Wärmebilanz der Fenster etwa
baren Wärmegewinne durch transparente
und nichttransparente Bauteile, wie Fengleich groß wie die Werte für Außenwände
ster, Außenwände und Dächer, ein.
mit einem k-Wert von rund 0,9 W/m2K.
34
Bei Dreifachverglasung sinkt der Heizwärmebedarf sogar mit zunehmender Fenstergröße. Das Fenster ist bei Südorientierung
energetisch gleichwe rt ig einer Wand mit einem k-Wert von etwa 0,5 W/m 2 K, bei Nordfassaden immerhin noch einem k-Wert von
ca. 0,8 W/m2K.
Wie bereits erwähnt, lassen sich durch
einen temporaren Wärmeschutz die Verhältnisse noch verbessern. Somit spielt die
Größe des Fensteranteils an der Fassade
keine entscheidende Rolle für den Jahresheizwärmebedarf eines Gebäudes.
Fensterflächenanteil an der Fassade
2.
GRUNDLAGE
Energiebilanz vo
Gebäuden, vereinfacht
Berechnungsverfahre
Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient
von Fenstern
Die Wärmebilanz von transparenten und
nichttransparenten Flächen läßt sich mit
einfachen Näherun sformein abschätzen,
Für Fenster werden außer dem Wärmedurchgangskoeffizient k F als weitere Parameter nur die Gesamtstrahlungsdurchlässigkeit des Glases sowie die Himmelsrichtung benötigt.
(5)
käq,F = k F — g • S h
mit
käq,F: äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters in W/m2K
Wärmedurchgangskoeffizient des
kF:
Fensters in W/m2K
Gesamtstrahlungsdurchlässigkeit des
g:
Glases
Strahlungsgewinnkoeffizient in W/m2K
S:
h:
Einfluß der Himmelsrichtung
Nord und dauernd
h =1
verschattete Fenster:
Ost/West:
h =1,5
h=2
Süd:
50 100 150 200 250 300 350
Jahresheizwärmebedarf pro m 2 beheizte
Bruttogeschoßfläche
Strahlungsgewinnkoeffizient in Abhängigkeit vom
Jahreswärmebedarf
Einfache Näherungsformel zur Ermittlung de
Wärmebilanz von transparenten und nichttransparenten Flächen
18
Zahlenmäßig läßt sich der Strahlungsgewinnkoeffizient S auch aus einer Näherungsformel bestimmen:
S=0,95 + 06e
Strahlungsgewinnkoeffizient S
(7)
mit
x=
+ Aw ) • AB
6 — (0,033 — 0,3 AF Aa
AF:
Fensterfläche in m 2
Aw: Außenwandfläche in m2
AB:
Qa:
beheizte Bruttogeschoßfläche in m 2
Jahresheizwärmebedarf in kWh/a
Der Jahresheizwärmebedarf läßt sich durch
einen
temporären Wärmeschutz an den
Nach [1] liegt der mittlere Tiefstwe rt für den
transparenten
Flächen erheblich senken,
Strahlungsgewinnkoeffizienten bei
S = 1,2 W/m 2K
(6) da in den Dunkelstunden die Transmissionswärmeverluste verringert werden, in
Verglasung
Gesamtstrahlungs- den Hellstunden aber die Sonnenwärmegewinne unverändert bleiben.
durchlässigkeit g
Doppelverglasung aus
Die Auswirkung des temporären WärmeKlarglas
0,8
schutzes läßt sich berücksichtigen, indem
Dreifachverglasung aus
man in Gleichung (5) für den WärmedurchKlarglas und
gangskoeffizienten k F den zeitlich gewichWarmeschutzverglasung
0,7
teten Wert für die WärmedurchgangskoeffiGlasbausteine
0,6
zienten mit und ohne temporären WärmeSonnenschutzschutz einsetzt.
verglasung
0,2-0,8
(8)
kF — kF,Taq ' tTaq + kF,Nacht ' tNacht
24
Quelle: DIN 4108 (Teil 2) von 1981
Nach den Ergebnissen des Instituts für
Bauphysik in Holzkirchen kann für dichtEine Doppelverglasung mit einem kF-Wert
schließende Rolläden einschließlich der
von 3,0 W/m 2 K hat danach in der NordfasLuftschicht zwischen Rolladen und Fenster
sade einen käq,F-Wert von rd. 2,0 W/m 2 K und
im Mittel mit einem Wärmedurchlaßwiderin der Südfassade einen Wert von ca.
stand
von 0,22 m 2 K/W gerechnet werden.
1,1 W/m2K.
Der Wärmedurchgangskoeffizient eines
Der in Gleichung (6) angegebene Wert des
Fensters mit Doppelverglasung hat tags
Strahlungsgewinnkoeffizienten von
z. B. einen k F-Wert von 3,0 W/m 2 K, er ver1,2 W/m 2 K ist nur ein Näherungswert, da
bessert sich dann durch den Rolladen
die Ausnutzung des Strahlungsangebotes
nachts auf einen kF-Wert von 1,8 W/m2K.
von der Bauweise und somit auch vom Wärmeschutz abhängt.
Bei zehn Dunkelstunden ergibt sich nach
Gleichung (8) ein Tagesmittelwert von
Bei gut wärmegedämmten Gebäuden ist die
kF = 2,5 W/m2K.
Strahlungsausnutzung geringer als bei Gebäuden mit hohem Wärmebedarf; mit gröDer Äquivalentwert sinkt dann entspreßerem Fensteranteil an der Fassade nimmt
chend Gleichung (5) auf:
der Strahlungsgewinnkoeffizient ebenfalls
Nordfenster: 1,5 W/m2K
ab.
Südfenster: 0,6 W/m2K
35
Temporärer Wärmeschu
2.z
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
Proportionalitätsfaktor x,
zur Bestimmung des
äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten
Äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient
von Außenwänden
Bei nichttransparenten Außenflächen
kommt man in der Regel mit einem einfachen Proportionalitätsfaktor x r zur Bestim-.
muh des äquivalenten W armedurchgangskoeffizienten [3] aus:
kaq,W = X r ' kW
(9)
mit
xr: Reduktionsfaktor
O Nord und dauernd
xr — 0,94
verschattete Flächen:
xr — 0,91
O Ost/West:
xr — 0,88
O Süd:
xr' 0,88
O Horizontal:
O Mittelwert (meist
xr — 0,90
ausreichend):
Die Wärmeverluste von Außenwänden reduzieren sich danach aufgrund der Sonneneinstrahlung im Mittel um 10%. Bei gut wärmegedämmten Außenwänden ist zwar der
Wärmegewinn geringer als bei schlecht gedämmten Wänden, der prozentuale Anteil
an den Wärmeverlusten ist jedoch praktisch
konstant.
^
Richtwe rte für den jährlichen Heizwärmebedarf
Mi tt lerer äquivalenter Wärmedurchgangskoeffizient
Mit Hilfe des äquivalenten Wärmedurchgangskoeffizienten der Einzelbauteile läßt
sich auch - sinngemäß nach der WSchVO
oder der DIN 4108 - der
„mittlere äquivalente Wärmedurchgangskoeffizient käq,m"
für die wärmeübertragende Gebäudeumfassungsfläche A eines Gebäudes ermitteln:
k ä q ,m =
Abweichung von Richtwerten durch extreme
auße matische Verhältisse oder Nutzerverhalten
Verkürzung der Heizperiode bei größeren
Fenstern
Setzt man für neuere Wohngebäude folgende mittlere Werte zugrunde
LW -- 0,7 h-1
Vb/V -- 0,7
läßt sich die Formel (11) vereinfachen zu
Qa
V+0,16) Gt 1000
ininkWh/m 3 a (12)
oder bezogen auf eine m 2 -beheizte Wohnfläche Ab (Wohnfläche, die beheizt werden
kann):
Gt
in kWh/m2a (13)
b=(84 • käq , m +14)
1000
A
wobei vorausgesetzt wurde, daß Ab -^ 3,5 m
ist.
Mit den Näherungsformeln (11) bis (13) lassen sich sowohl die außenklimatischen als
auch die gebäudebedingten Einflüsse, aber
auch indirekt über die Gradtagszahl ein Teil
der benutzerbedingten Einflüsse berücksichtigen.
Als Richtwerte für den jährlichen Heizwärmebedarf lassen sich folgende Bereiche
angeben_ (Werte bezogen auf eine m 2-beheizte Wohnfläche Ab):
günstige
Bauweise
unter
ungünstige
Bauweise
über
220 kWh/m 2 a
+ 0,5 • k G • AG + kpL Apo
über
unter
über
(10)
mittlerer stündlicher Luftwechsel
während der Heizperiode in h-t
beheiztes Raumvolumen in m3
Gradtagszahl in K • d/a
(siehe VDI 2067, Blatt 1, Entwu rf Dez. 1979)
z. B.:
Berlin:
Bremen:
Essen:
Frankfurt:
Hamburg:
36
Stuttgart:
unter
Qa = ( kaq,m • V + CL PL LW • Vb) • Gt 1000
(11)
inkWh/m 3 •a
mit
CL ' PL : spezifischer Wärmeinhalt von Luft
(0,33 mW3h K)
Gt:
München:
Nürnberg:
Saarbrücken:
160 kWh/m 2 a
Jahresheizwärmebedarf
Jahresheizwärm/e^- Der Jahresheizwärmebedarf Qa eines Gebedarf-Qa -- bäudes pro m 3 umbauten Raums V!äßt sich
dann bestimmen nach:
Vb:
Gt = 3782 K d/a
Gt = 3226 K • d/a
Gt = 3409 K d/a
Gt = 3692 K • d/a
Gt = 3223 K • d/a
Gt = 4046 K • d/a
Gt= 391 6K•d/a
Gt = 3471 K • d/a
Gt = 3434 K • d/a
freistehende
• k äq,D • AD+
k ää, W • A W +kaq,F • AF+0,8
A
A
dabei bedeuten die Indizes:
W: an Außenluft angrenzende Außenwände
F: Fenster
D: Dach
G: Grundfläche des Gebäudes, soweit sie
nicht an die Außenluft grenzt
DL: Deckenfläche, die das Gebäude nach
unten gegen die Außenluft abgrenzt
LW:
Hannover:
Heidelberg:
Karlsruhe:
Kassel:
Köln:
Einfamilienhäuser
Reihenhausanlage
Stadthäuser u. ä.
Mehrfamilienhäuser
über 3 Geschosse
125 kWh/m 2 a
100 kWh/m 2 • a
180 kWh/m 2 a
130 kWh/m 2 • a
Selbstverständlich können im Einzelfall
Abweichungen von diesen Richtwerten.
bedingt durch extreme außenklimatische
Verhältnisse oder Nutzerverhalten auftreten.
Jahreszeitlicher Verlauf des
Heizwärmebedarfs
Der Jahresheizwärmebedarf ändert sich
nach Abb.17 bei unterschiedlicher Fenstergröße aber sonst gleicher Bauweise kaum.
Der jahreszeitliche Gante di ff eriert jedoch
nicht unbeträchtlich.
Durch das geringe Strahlungsangebot in
den Wintermonaten November bis Februar
dominieren die Wärmeverluste. Bei größeren Fenstern steigt somit auch der Heizwärmebedarf in diesem Zeitbereich. In der
Übergangszeit wird dies wieder durch die
höheren Wärmegewinne aus der Sonneneinstrahlung kompensiert.
Die Heizperiode wird daher bei größeren
Fenstern und sonst gleicher Bauweise verkürzt und der Wärmebedarf auf die reinen
Wintermonate konzentriert.
Gt = 3809 K d/a
Gt =3703 K • d/a
Gt = 3470 K • d/a Dies ist insbesondere bei Heizungsanlagen
Gt = 3387 K • d/a mit Wärmepumpen, die Umweltwärme nutGt = 3837 K • d/a zen, von Bedeutung; denn der Deckungs-
der Wärmepumpe am Heizwärmebedarf wird bei den bivalenten Systemen
zwangsläufig verringert. Das bedeutet tenvon Wärmepumpen
daß bei
nicht z u groß sein soll-^
die
d Fensterflächen
_
ist eine Verkürzung der
ererseits
ten. And
Heizperiode für konventionelle Heizsysteme
von Bedeutung, da hierdurch die nicht unbedeutenden Erzeugungs- und Verteilungsverluste im Sommerhalbjahr vermieden
werden können.
e) Der monatliche Heizwärmebedarf —Monat
ermittelt sich dann zu
(14)
QMonat = (1 — D) • WV zu a): Die monatlichen Wärmeverluste errechnen sich zu
Fensteranteil an der Außenfassade
, ^
—
zu b): Die monatlichen Wärmegewinne durch
transparente Flächen, z. B. Fenster, lassen sich ermitteln aus:
anteil
2,
!o °r !F-. ,
2,0
1,5
'^
I 7
M
Wärmepumpen und konventionelle Heizung
In der Regel sind jedoch die Einstrahlwerte
auf vertikale Flächen nicht verfügbar. Hier
kann man sich behelfen, indem man über
die Globalstrahlung (Strahlung auf horizontale Fläche) nach Abb. 20 und dem mittleren Verhältnis der monatlichen Sonneneinstrahlung auf vertikale Flächen zur Globalstrahlung nach Abb. 21 die Sonneneinstrahlung auf die jeweilig betrachtete Fläche
ermittelt.
0,5
ä
I
4
Jul. Aug. Sep. Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun.
Reihenmittelhaus
A/V =0 ,58 m2/m2
k -2,8 W/m 2 K
Zweifach- Isolierverglasung
Fensteranteil an der
Außenfassade
ca. 20% ca. 50%
km-Wert [W/m 2K]
0,96
0,71
1,77
Jahreswärmebedarf [kWh/m 2] 1,74
Luftwechsel [1/h]
0,7
0,7
Jahresgang des Heizwärmebedarfs in
Abhängigkeit vom Fensteranteil
Tage
1979)
onat (siehe VDI 2067 Blatt 1 von 1979
K•
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
(16)
WG = g • (1—f) AF • Is in kWh/Monat
mit g: Gesamtstrahlungsdurchlässigkeit
des Glases
f: Rahmenanteil an der Fensterfläche
Is: monatliche Sonneneinstrahlung auf
die Fensterfläche in kWh/m 2 • Mt.
1,0
0
WV = (k m • A + C L • p L • LW • Vb) • GtMonat ' 24
1000
(15)
in kWh/Monat
mit GtMonat: monatliche Gradtagszahl in
2.2
GRUNDLAGEN
19
Monatliche Ergiebigkeitsbilanz von
Gebäuden
Zur rechnerischen Erfassung der jahreszeitlichen Veränderungen reicht die beschriebene Jahresbetrachtung nicht aus. In
der Regel muß man dann zumindest auf
Monatswerte übergehen.
Eine monatliche Betrachtungsweise ist in
der Regel nur bei folgenden Voraussetzungen erforderlich:
O hoher Glasanteil an der Fassade (über
ca. 30%),
O Solararchitektur, z. B. Wintergarten,
Trombe-Wände, „Haus im Haus"Systeme und
O Ausnutzung von Umweltenergie mittels
Wärmepumpen.
Auch hierfür läßt sich ein vergleichsweise
einfaches Berechnungsverfahren angeben.
Die Vorgehensweise läßt sich wie folgt beschreiben [4] [5]:
a) Ermittlung der monatlichen Wärmeverluste WV durch Transmission und Lüftung.
b) Ermittlung der monatlichen Wärmegewinne WG durch Sonnenemstrahlung,
abhängi9von der Himmelsrichtung und
evtl. auch durch innere Wärmequellen.
c) Ermittlung des Verhältnisses der monatlichen Wärmegewinne zu -den monatlichen Wärmeverlusten WG/WV.
d) Abschätzung des Anteilstier monatlichen Wärmeverluste, die durch die Heizungsanlage gedeckt werden müssen.
Dies erfolgt mit Hilfe der sogenannten
solaren Deckungsrate D",
die angibt, um welchen Anteil die Wärmeverluste durch Ausnutzung von Wärmegewinnen reduziert werden können.
Für nichttransparente Flächen, also z. B.
Außenwände und Dächer, läßt sich der Wärmegewinn mittels einer Näherungsformel
für das Verhältnis Wärmegewinn zu Wärmeverlust WG/WV ebenfalls angeben:
WG _ (1— p) • Is • 1000
(17)
WV
aa • GtMonat • 24
mit
P° mittlerer Reflexionskoeffizient der nichttransparenten Fläche (meist p — 0,3)
aa = mittlerer Wärmeübergangskoeffizient
auf der Außenseite der Außenfläche in
W/m 2K (meist aa 20 W/m2K).
Jahresmittelwert:
Mittel Sept. bis Mai: 55 - 65 kWh/m 2 Mt
Mittel Okt. bis April: 40 - 50 kWh/m 2 Mt
200
kWh
m2Mt
150
Monatliche Energiebilanz
m
=
Wärmegewinne
100
m
Wärmeverluste
^
ä0
Solare Deckungsrate
C7
L• ' 50
Heizwärmebedarf
m
C
E
a)
o
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep Okt. Nov. Dez.
Mittlere monatliche Globalstrahlung
(Werte nach DIN 4710 von 1979)
20
37
Z.2
1,75
q
/
/i
m 0,75
,1
- exp (— WG /WV)
1,50
Y 0,50
0
GRUNDLAGEN
Energiebilanz von
Gebäuden, vereinfachte
Berechnungsverfahren
1,00
_^/
^
q
a,0,25
1,25
0)
0
0
0,5
1,0
1,5
'2,0
monatliche Wärmegewinne
= WG
WV
monatliche Wärmeverluste
1,00
Solare Deckungsrate in Abhängigkeit vom
Verhältnis Wärmegewinne zu. Wärmeverluste
23
Die hier quantifizie rt en Rechenverfahren
erreichen ihre Grenze bei extremer passiver
Solarnutzung wie z. B. Haus im Haus" oder
andere Sonnenhäuser. Für diese Sonder-
0,50
0,25
bauformen muß man auf Tages- bzw. Stundenbetrachtungen zurückgreifen [2].
0
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Okt Nov Dez
Mittlere monatliche Sonneneinstrahlung auf
vertikale Flächen (bezogen auf die Globalstrahlung)
21
Mit Hilfe von Abb. 22 kann man für horizontale Außenflächen die monatlichen Verhältniswerte für WG/WV unmittelbar ablesen.
Mittels Abb. 21 lassen sich dann auch die
Verhältnisse für ve rt ikale Flächen angeben.
as = 20 W/m2K
0
p = 0,3
Jan. Feb. Mär. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep.Okt. Nov. Dez
Klimadaten nach DIN 4710 von 1979
Wärmegewinn durch Sonneneinstrahlung
bei horizontalen nichtt ransparenten Außenflächen
22
Mit Gleichung (17) kann man nicht nur übliche Außenwände berücksichtigen, sondern
auch „Exoten", wie z. B. die Trombe -Wand.
Vor der massiven Außenwand ist hierbei als
Strahlenfalle eine Glasscheibe angeordnet
und somit die Außenwand als Absorber
ausgebildet. Entsprechend ist in Gleichung
(17) im Zähler die absorbierte Sonneneinstrahlung und im Nenner anstelle des Wärmeübergangskoeffizienten aa der Wärmedurchgangskoeffizient k F der Glasscheibe
einzusetzen. Entsprechendes gilt auch bei
Verwendung von thermischen Pufferzonen
wie Wintergärten u. ä.
zu d):
Der Zusammenhang zwischen der solaren
Deckungsrate D und dem Verhältnis monatliche Wärmegewinne zu Wärmeverluste
WG/WV läßt sich aus Abb. 23 entnehmen
oder aus der Näherungsformel
D = 1 — exp (— WG/WV)
Literatur
[1] Gertis, Hauser, Künzel, Nikolic, Rouvel, Werner:
„Energetische Bewe rtung von Fenstern während der
Heizperiode"
Deutsches Architektenblatt, Heft 2/80, S. 201/202
[2] Rouvel, L.:
„Raumkonditionierung - Wege zum energetisch optimie rten Gebäude"
Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1978
[3] Rouvel, L.; Wenzl, B.:
„Kenngrößen zur Beu rteilung der Energiebilanz von
Fenstern während der Heizperiode"
HLH 30 (1979), Nr. 8, S. 285/291
[4] First European Passive Solar Competition 1980
Calculation Booklet. Commission of the European
Commites, Directorate General XII for Research,
Science & Education
[5] Rouvel, L.:
„Energiekennzahlen von Gebäuden" in: Schriftenreihe
der Forschungsstelle für Energiewi rtschaft, Band 14
Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1981,
S.117/132
(18)
Kurzbiografie des Autors
Prof. Dr.-Ing. habil. Lothar Rouvel, Professor an der
Technischen Universität München für das Fachgebiet
Energietechnik und Energieversorgung.
Forschungsarbeiten über'
- Rationelle Energieverwendung und -versorgung
für Großbauten,
Energetische und wirtschaftliche Optimierung im
Bereich der Haustechnik unter Einbezug der
Gebäudegestaltung,
- Energie- und Leistungsbedarfsanalysen für Einzelobjekte, Regionen und Volkswi rtschaften,
- Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen und Entwicklung von Versorgungskonzeptionen sowie integrierter Systeme bei der Energieanwendung für
Regionen und große Einzelobjekte im Bereich der
Industrie, des Gewerbes, der öffentlichen Hand
und des Haushaltssektors.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout
Dipl.-Ing. Faskel, Koordination Vladimir Nikolic.
PRAXISINIORMAflON GEBÄUDE INERCIEEINSPARIING nLA&III&IP VIZ°
der Bundesarchitektenkammer
durchgetuhrt im Auftrage des Bundesministersums
fur Städtebau Raumordnung und Bauwesen
3111
Ein F örschungsvorhaben
GEBÄUDEPLANUNG
ser. Bernd G Faskel, Viadimiriyiknitc
Der Stellenwert, den die Planungsdimension Energie bei der Gebäudeplanung haben kann und soll,
ist von Fall zu Fall von der Bauaufgabe abhängig
und auch von der Fähigkeit des Architekten oder
Planers, sich mit dieser Planungsdimension auseinanderzusetzen. Eine Überbewertung mit der
Tendenz zu einer „Energiearchitektur" ist momentan eher als Überreaktion auf eine unsichere Situation zu verstehen. Sicher ist jedoch, daß Energie
als selbstverständliche und gleichberechtigte Planungsdimension für Architektur und Städtebau zumindest mittelfristig nicht mehr wegzudenken ist.
Jedes Gebäude kann - ohne Mehrkosten - nach
energetischen Gesichtspunkten geplant werden.
Ohne Mehrkosten bedeutet, daß vor allem in der
ersten Planungsphase eine Reihe von Entscheidungen getroffen werden müssen die später in
der Detailplanung und bei der technischen Ausstattung den Energiebedarf erheblich beeinflussen_
und vermindern. Häufig werden noch heute Neuplanungen erst bei der Ausführungs- und Detailplanung auf ihre betrieblichen Aufwendungen, so
auch auf ihren Energiebeda rf untersucht, was Umprojektierungen mit den dazugehörigen Kosten
verursacht. Daher da rf Energieeinsparung in der
frühen Planungsphase weder nur als ein technisch-apparatives noch als baukonstruktives
Problem verstanden werden, sondern als ein rein
planerisch-entwurflicher Aspekt behandelt
werden. Dazu gehören Maßnahmen wie z. B. die
Proportion, Orientierung und Zonung eines Gebäu
des sowie die Möglichkeiten der Sonnenenergienutzung, die mit planerischen und entwurflichen
Mi tt eln zu erreichen sind.
Klimaeinflüsse
Gebäudeform
Geländeeinbindung,.
Ausrichtung
Orientierung
Grund- und
Aufriß
Verschattung
Gebäudehülle
Freiraumplanung
Lageplan
Standortplanung
Grundrißzonung
Entwurf
Gebäudeplanung
Wärmeschutz
Sonnennutzung
Konstruktion
Detailplanung
Gesamtkonzeption
Der Energiebeda rf eines Gebäudes richtet sich
nach seiner Energiebilanz. Energieeinsparung bedeutet also, die Wärmeverluste des Gebäudes zu
minimieren und die natürliche Wärmegewinnung
zu optimieren. Die Wärmeverluste sind von dem
Temperaturunterschied zwischen der gewünschten Rauminnentemperatur und der Außentemperatur sowie von der Wärmedämmqualität der Begrenzungsflächen abhängig. Der Wärmefluß findet vom
höheren zum niedrigeren Energieniveau statt, in
unserem Klima meist von innen nach außen. Die
Außentemperaturen werden vom Lokalklima bestimmt. Die Innenraumtemperaturen richten sich
nach nutzungsspezifischen Behaglichkeitskriterien, die das Wohlbefinden des Menschen im Gebäude garantieren sollen.
Der Planung kommt somit die Aufgabe zu, das
Gebäude dem vorgegebenen natürlichen Energiepotential anzupassen, also durch planerische
Maßnahmen Entwurfskonzeptionen zu entwickeln,
bei denen Energiegewinnung, Wärmespeicherung
und -bewahrung ein Optimum darstellen. Neben
den planerischen und baulichen Maßnahmen des
Wärmeschutzes, die in den Praxisinformationen
1. Stadtplanung und 4. Baukonstruktion ausführlich behandelt sind, lassen sich die entwurflichen
Maßnahmen, von denen die Energiebilanz eines
Gebäudes abhängig ist, in folgende zwei Kategorien unterteilen:
Wärmeverluste minimieren, Warmegewir:ne
optimieren
Planungsdimension
Energie
Berücksichtigung
schon in der ersten
Planungsphase
1. Verringerung der Wärmeverluste
O Form und Orientierung des Baukörpers,
Reduzierung der Hülifläche,
O Grund- und Aufrißgestaltung,
O Grundrißzonung nach thermischer Hierarchie, Verringerung der Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen.
2. Nutzung der Sonnenwärme
O Energiegewinne durch aktive solare
Systeme,
O passive Sonnenenergienutzung,
O Speicherung der eingestrahlten Sonnenenergiegewinne im Bauwerk.
Form
und Orientierung
Energetisch günstige Gebäudeformen sind solche,
die durch richtige Anordnung und Größe ihrer
Obe rf lächen den Wärmetransmissionsverlust minimieren. Dabei ändert sich der Wärmeverlust proportional_zur Oberfläche, wobei-der Anteil der
Grundfläche nocii eine Rolle spielt, da der Wärmeverlust an das Erdreich geringer ist.
Die geometrische Form der Kugel hat dabei die
geringsten Wärmetransmissionsverluste, da das
rKugelvolumen mit der propo rt ional kleinsten Flä, che zu umhüllen ist. Nicht nur die Grundgebäudeformen bestimmen das Verhältnis ^, sondern jede
Art plastischer Fassadenteile wie Loggien, Erker,
Durchgänge usw. vergrößern die Gesamtoberflächen und führen zu einem ungünstigeren
0-Verhältnis.
39
Wärmeverlust
propo rt ional zur
Oberfläche
3.
Halbkugel
Zylinder
Pyramide
Grund- und Aufrißgestaltung, Grundrißzonierung
Unter dem°Begriff „Zonung" wird ein Konzept verstanden, das von einer _
Grundriß- und Raumdisposition ausgeht, in der Räume nach Wärmezonen
differenziert sind, mit dem Ziel, den Energieaufwand für die Raumbeheizung zu reduzieren.
Räume, de re n spezielle Nutzung eine niedrigere
Temperatur erlaubt, umschließen Räume, deren
Nutzung eine höhere Raumtemperatur e rfordert,
also eine Grundrißzonung nach differenzierten
Temperaturbereichen; Die wärmsten Räume geben
ihre Wärme an die nächstkühleren ab und so fort.
Ganzer
Würfel
GEBAUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Oberfläche bei gleichem Volumen in
Differenzierung
nach Wärrnezonen
halber Würfel
mit 4 Einheiten
kompakt
getrennt
gereiht
gestapelt
Oberflächenoptimierung
Der Wärmeverlust sinkt proportional zur Reduktion der Oberfläche
2
Grundrißzonung
4 -Verhältnis
Bei dem Entwu rf gilt es also abzuwägen, ob die
Vergrößerung des;,-Verhältnisses zugunsten
gestalterischer, funktionaler oder sonstiger relevanten Entwurfskriterien verschoben wird, wobei
jedoch extreme Formen mit besonders hohem Flächenanteil aus energetischen Gründen vermieden
werden sollten.
Die mögliche Wärmeaufnahme durch Sonneneinstrahlung da rf nicht unberücksichtigt bleiben, deswegen sollte in Verbindung mit der Maximierung
eingestrahlter Sonnenenergie das Verhältnis von
sonnenbestrahlter Gebäudeoberfläche zu den
Schattenflächen tendenziell zugunsten der
Sonnenflächen verschoben sein. Die Öffnung zur
Sonne bedingt eine strikte Südorientierung des
Gebäudes sowie eine Maximierung der sonnenzugewandten Flächen (SO - S - SW) und eine
Minimierung der sonnenabgewandten Flächen. Die
so entstehende „Süd-Form" stellt idealisiert einen
Trichter dar, sowohl im Grund- als auch im Aufriß.
Räume mit abwärmeerzeugenden Geräten oder Installationen, wie die Küche mit Herd, Kühlschrank
usw. und das Bad mit Waschmaschine und Warmwassergeräten, und Räume mit hoher Raumtemperatur sollten möglichst im Innenbereich angeordnet werden.
Die Wohnräume sollten sich um diese wärmsten
Räume (schalenförmig) gruppieren und von weniger warmen Räumen oder Raumzonen nach außen
abgeschirmt werden. Dieser Bereich wird als
„thermische Pufferzone" bezeichnet.
Der Wärmeverlust eines Raumes ist in erster Linie
abhängig von dem Verhältnis seines Volumens
zum Außenflächenanteil. Eckräume, und ganz
besonders die im Obergeschoß, haben größere
Wärmeverluste als Räume mit nur einer Außenwand. Schließlich spielt die Proportion des
Raumes selbst auch eine erhebliche Rolle.
1 Außenwand
4 Außenwände
2 Außenwände
5 Außenwände
3 Außenwände
6 Außenwände
Grund- und Aufrißgestaltung
5
Form und
Orientierung
Die Hauptwindr'chtung sollte Einfluß auf Form und
Orientierung haben, da Wind und Regen erhebliche Energieverluste bewirken können.
Siehe dazu auch Praxisinformation 1.1 Stadtplanung.
40
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens des
BMFT Bau und Energie (Nikolic, Rouvel) zeigen
eindeutig, daß die Lage des Raumes am Gebäude
- mittlerer Raum - Dacheckraum - den Energieverbrauch wesentlich stärker beeinflußt als die
Orientierung des gleichen Raumes zu unterschiedlichen Himmelsrichtungen.
Ein mittlerer Raum —Basisraum - orientiert nach
Norden, hat einen ca. 17% höheren spez. Wärmebedarf als der gleiche Raum mit Orientierung
SCJden.
Dagegen ist der spez. Wärmebedarf des mittleren
Raumes um über 80% geringer als der Wärmebedarf des Dacheckraumes bei identischen Orientierungen.
Als Pu fferzonen sind sowohl die Erschließungsflächen wie die Nebenräume als auch Wintergärten
und zeitlich begrenzt genutzte Räume zu betrachten. Verglaste Bereiche außerhalb des beheizten
Volumens können mit dem Zwischenraum von
Dreifachverglasungen verglichen werden, der
erweitert und benutzbar ist.
In kalten Jahreszeiten kann man sich in den Kernbereich der Wohnung zurückziehen. Es brauchen
nur Teilbereiche der Wohnung beheizt zu werden.
So ist es möglich, den Nutzungsbereich der Wohnung individuell und saisonalbedingt zu vergrößern
oder zu verkleinern.
Direkte Strahlung
Diffuse
Strahlung !
3.1
GEBAUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
/
/ / /
1 /
r
—10
Spezifischer Jahreswärmebedarf in %
(100% = 83 kWH/QM A)
+,22°
Süden
+20°
+20°
+10°
Norden
Sonniger Wintertag, Heizung des Gebäudes durch
gezielte Lüft ung von Süden nach Norden
Daraus folgt, daß die Gebäudegeometrie einen
stärkeren Einfluß auf die Energiebilanz hat als die
Orientierung zu Himmelsrichtungen. Bei der Gestaltung energiesparender Gebäude müssen diese
Erkenntnisse berücksichtigt werden. Der Energiehaushalt von solchen peripheren Räumen kann
entweder durch konstruktive Maßnahmen - bessere Wärmedämmung der Außenflächen, wärmetechnische Verbesserung der Fensterflächen usw.
- oder noch wirkungsvoller durch Anordnung von
thermischen Pu fferzonen u. ä. beeinflußt werden.
Gebäudegeometrie
hat stärkeren Einfluß
auf Energiebilanz als
die Orientierung
,,,,^ , ^,,,,, , , „
//I/ ,
y
^
n77„, , , , , ^ ., , /, ///1////1”,
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;
y
y
+20°
Suden
Norden
Bedeckter Wintertag, Verringerung der Lüftungswärmeverluste durch Pufferzonen
Durch verglaste thermische Pu fferzonen um die
beheizte Fläche wird der spezifische Wärmebedarf
wesentlich gesenkt. Die Di ff erenz des spezifischen
Jahreswärmebedarfes zwischen Eckräumen mit
und ohne Puff erzonen beträgt bei Nordorientierung 69% und 65% bei Südorientierung. Die Anordnung von thermischen Puffe rzonen bringt
höhere Energieeinsparupg für das ganze Haus, als
eine ausschließliche Orientierung aller Räume
nach Süden.
—10°
—10°
Suden
Das Haus-im-HausPrinzip mindert
den spezifischen
Wärmebedarf
stärker als die
Südorientierung
aller Räume
Veränderung
des spezifischen
Jahreswärmebedarfes
durch Anordnung einer thermischen Pufferzone
7
Thermische
Pufferzonen
Norden
Winternacht, Verringerung der Transmissionswärmeverluste durch Temperaturstaffelung
10
Die Wohnungen und deren Grundrisse sind so zu
organisieren, daß natürliche Durchlüftung vom
Süden zum Norden erfolgt. Es wird dadurch erreicht, daß die im Süden erwärmte Luft die nordorientierten Räume heizt und durch Frischluft in
den Wohnräumen ersetzt wird. Dabei sollte die
Frischluft in Wintergärten vorgewärmt werden.
Es wird dadurch möglich, durch ein Minimum an
haustechnischen Anlagen Gebäude mit optimaler
Energiebilanz zu planen und zu bauen.
Durch die Anordnung von thermischen Pu fferzonen wird somit nicht nur eine Verringerung der
Transmissionswärmeverluste, sondern auch die
Minimierung der Lüftungswärmeverluste erreicht.
Verringerung von
Transmissionsund Luftungswärmeverlusten
41
Winter
3.,
Minderung der Transmissions-Wärmeverluste transparenter und nicht
transparenter Bauteile.
Wirkung als Sonnenkollektor.
Die übermäßige Abkühlung in der
Nacht wird durch die Anbringung des
temporären Wärmeschutzes an der
Innenseite der äußeren Verglasung
gemindert.
Sommer
Der temporäre Wärmeschutz übernimmt beim Sonnenschein die Funktion des Sonnenschutzes, die eingestrahlte Wärme wird durch entsprechende Öffnungen in der Fassade
mittels eigener Thermik abgeführt —
Kaminwirkung.
Die Bepflanzung an der äußeren Seite
der Pufferzone im EG und im 1. OG,
sowie an der Innenseite im oberen
Geschoß, übernimmt auch teilweise
die Funktion des saisonalen Sonnenschutzes.
GEBÄUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Funktionen der Pufferzone
11
durch Sonnenkollektoren nutzbar gemacht, Luft-,
Boden- und Wasserwärme über Wärmepumpen.
Da es sich bei den aktiven Solarsystemen um
haustechnische Anlagen handelt, deren Verteilungssystem auch in einer späteren Realisierungsphase konkretisiert werden können, da sie im
Zusammenhang mit dem Hauptheiz-und Warmwasserbereitungssystem gesehen werden müssen, werden sie hier nicht weiter behandelt.
Lage, Anordnung, Dimensionierung usw. dieser
solaren Subsysteme sind nicht entwurfsentscheidend und müssen im Rahmen der AusführungsSonnenenergienutzung
planung der Fachingenieure berücksichtigt
werden.
Neben den entwurflichen Maßnahmen zur VerrinBei der entwurflichen Integration aktiver Solargerung von Wärmeverlusten sind bei energiebesysteme sind lediglich die nach außen tretenden
wußten Gebäudekonzeptionen die Möglichkeiten
Bauelemente wie Sonnenkollektoren für die Geder Wärmegewinne durch Sonnenenergie zu'berücksichtigen. Bei der Nutzung der Sonnenenergie bäudekonzeption von Interesse, da hierfür bereits
unterscheidet man grundsätzlich zwei verschiede- in der Planung bestimmte Entscheidungen bezügne Möglichkeiten, die „aktiven" und die „passiven" lich Orientierung, Größenverhältnis"sen, Beschattung, Dachneigung usw. fallen müssen. Die nötige
Systeme.
Kollektorflächengröße ist davon abhängig, wieviel
Wärme man braucht, wie die Kollektoren und das
Aktive Sonnensysteme
Haus konzipiert sind und wo die Anlage geograDie bei den aktiven Systemen üblich gewordenen
Anlagen e rfordern dafür spezielle Sonnenkollekto- phisch und klimatisch liegt. Für 100% Warmwasserbereitung in Mitteleuropa sind 7 m 2 bis 10 m2
ren und Wärmespeicher, Pumpen oder VentilatoKollektoren pro Haus ausreichend. Für Raumheiren, die zusammen mit einer besonderen Regelung für die Wärmesammlung, den Wärmetransport zung braucht man eine Fläche zwischen 30 m2
und 150 m2 , je nach Dämmwert und klimatischer
und die Wärmeverteilung sorgen. Unter SonnenLage.
Die Kollektorenneigung wird im allgemeinen
energie wird hier nicht nur die direkte Sonnenfür
winterliche
Verhältnisse berechnet.
strahlung verstanden, sondern auch die in der
Als
Erfahrungswerte
gelten: Neigung = geographiLuft, im Boden und Wasser enthaltene Wärme, die
sche
Breite
+
10°
bis
15°. Wenn man die Koliekdirekt oder indirekt ebenfalls von der Sonnentoren nur im Sommer braucht, so gilt: Neigung =
strahlung herrührt. Die Sonnenstrahlung wird
geographische Breite - 15°. Südorientierung sollte
für Sonnenkollektoren obligatorisch sein.
Im Gegensatz zu Balkonen bieten thermische
Pufferzonen durch eine fast ganzjährige Nutzung
eine Erhöhung des Wohnwertes und können eine
Verkleinerung von beheizten Wohnflächen kompensieren.
Eine noch stärkere Reduzierung von peripheren
Räumen an einzelnen Gebäuden kann durch
räumliche Verbindung freistehender Mehrfamilienhäuser mittels gemeinsamer thermischer Pufferzonen erreicht werden (Hofüberdachungen,
Passagen usw.).
Sonnenkoilektoren
Kollektorflächengröße
40
Kollektorneigung
Typisches aktives Solar-Heizsystem
42
12
Solarabsorber - Energiedach
Eine Variante oder Weiterentwicklung der herkömmlichen Sonnenkollektoren stellt der Solarabsorber dar. Dieser ist letztlich nicht anderes als ein
Kollektor, bei dem die Wärmedämmung und Isolierverglasung demontiert wurde. Der entscheidende Unterschied zum Kollektor besteht darin, daß
die Absorberfläche kälter gehalten wird als die
Temperatur der Umgebungsluft. Dadurch kann der
Absorber sowohl Strahlungsenergie als auch den
Energiegehalt der Umgebung, das heißt Umgebungswärme, nutzbar machen.
Die niedrige Oberflächentemperatur des Absorbers wird dadurch erreicht, daß er von einer kalten
Flüssigkeit (Wasser und Frostschutzmi tt el) durchströmt wird. Die Temperatur der Flüssigkeit bleibt
deshalb so niedrig, weil sie von einer Wärmepumpe ständig abgekühlt wird. Abkühlung bedeutet
Wärmeentzug. Die entzogene Wärme wird durch
die Wärmepumpe von dem niedrigen, für Heizzwecke nicht geeigneten Temperaturniveau auf ein
hohes, für Heizzwecke brauchbares Niveau angehoben. Die Dachneigung und die Dachausrichtung
sind für den Energiegewinn weniger entscheidend.
Die Beschattung durch Bäume oder umliegende
Gebäude hat bei weitem nicht den Einfluß wie bei
Häusern, die mit Kollektoren ausgestattet sind. Die
Probleme einer ästhetisch befriedigenden Einbindung in das Gebäude können wesentlich besser
als bei Kollektoren gelöst werden.
Das Energiedach ist wegen seiner einfachen Konstruktion wesentlich kostengünstiger als entsprechende Kollektorsysteme und bringt außerdem im
Jahresdurchschnitt einen zwei-bis zweieinhalbmal
höheren Energiegewinn. Durch die zusätzliche
Funktion als Wetterschutz wird die normale Dacheindeckung eingespart, so daß die Kosten für ein
Energiedach - im Gegensatz zum Kollektordach nicht wesentlich über denen einer normalen Dacheindeckung liegen. Dazu kommt allerdings ein erheblicher apparativer Aufwand.
Nähere Angaben hierzu in Praxisinformation 5.
Tech Wischer Ausbau.
Passive Solarsysteme
Eine Alternative zur aktiven Sonnenenergienutzung stellt die passive Nutzung dar, wobei die
solaren Energiegewinne durch transparente Fassadenteile„ Dächer undWande aufgenommen und
innerhalb der Bauteile gespeichert und weitergeleitet werden.
Man spricht von „passiven Solarsystemen", weil
sich dabei der thermische Energiefluß auf natürliche Weise vollzieht.
Das heißt die hauptsächlichen Mechanismen des
Energieflusses sind Konduktion (Leitung), Konvektion (natürliche Übertragung) und Radiation (Abstrahlung).
Diese Definition schließt nicht die Verwendung von
mechanischen Vorrichtungen für Steuerung, wie
z. B. eine bewegliche Wärmedämmung, die dem
jeweiligen Sonnenstand angepaßt wird, aus.
Viele Systeme fallen unter die Kategorie „Hybriden-Systeme";_das sind Mischsysteme insofern,
als sie entweder durch Ventilatoren, Pumpen oder
anderes Gerät, das mechanischen oder elektrischen Antrieb verwendet, den thermischen Energiefluß anregen oder verstärken.
Wie effektiv solche Geräte und Kombinationen
sind, läßt sich nicht verallgemeinern, sondern
hängt von den jeweiligen individuellen Bedingungen ab. Erst richtig orientierte Fenster, Glasveranden oder Wintergärten, Solarwände, sinnvoll
angeordnete Oberlichter oder problemgerecht entworfene Dachkonstruktionen sowie eine wirkungsvolle Speicherung der Wärme in Bauteilen führen
zu einer drastischen Verminderung des Heizenergiebedarfs eines Gebäudes.
Man unterscheidet folgende Kategorien von
passiven Solarenergiesystemen:
a) direkte Nutzung,
b) indirekte Nutzung - thermische Speicherung,
c) thermische Pufferzonen - Sonnengewächshaus.
Direkte Sonnenenergienutzung:
Über die Hauptfenster-
Uber die Hauptfenster-
flächenfront
und Oberlichter
Ausschließlich über die
Oberlichter
Indirekte Sonnenenergienutzung:
Über vertikale
Über massive Stein- oder
Betonwände (Trombe-Wand), Wasserbehälter
Über horizontale
Wasserbehälter
Das Sonnengewächshaus:
Vor der verglasten
Fassade
Vor der geschlossenen
Speicherwand
Vor den Fenster- oder Türöffnungen als thermischer
Puffer
Die unterschiedlichen Kategorien passiver Sonnenenergienutzung
13'
43
Gesamtkonzeption
Hybriden-Systeme
Kategorien von
passiven Solarsystemen
Energiegewinne durch
transparente Fassadenteile, Dächer und
Wände
3.1
GEBÄUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Große Temperaturunterschiede
Speicherung und
Vermeidung von
Abstrahlung
Nutzungserweiterung
Direkte Nutzung
Der direkte Weg zur Gewinnung passiver Solarwärme ist der einfachste und meist angewandte. Die
durch ein Südfenster eindringende Wintersonne
wird in den Wohnräumen des Gebäudes absorbiert und im Gebäude massie rt gespeichert. Ist die
Energiegewinnung am Tage größer als verwendet
werden kann, ist eine Wärmespeicherung unerläßlich, damit die Wärme vom Tage in der Nacht
genutzt werden kann. Das tritt dann ein, wenn der
Heizanteil durch Sonnenenergie größer als 40%
ist. Je größer die gewünschten Heizanteile werden,
desto bedeutsamer wird auch die Rolle der
Wärmespeicherung.
Die Charakteristika eines Hauses mit „Direkt-Ausnutzung" sollte man kennen, bevor man sich an
den Entwu rf begibt. Der direkte Sonneneinfall in
das Gebäude gibt ein kräftiges, direktes Licht, verursacht Blendung und hat einen zersetzenden Einfluß auf Gewebe. Naturstoffe müssen verwendet
werden, die in der Sonne nicht bleichen und zerfallen. Gebäude für „Direkt-Ausnutzung" weisen
ziemlich große Temperaturunterschiede auf.
Diese einfachste Art, die Sonnenenergie direkt
über die Fenster zu nutzen, sollte nicht unterschätzt werden. Große Fensterflächen in richtiger
Orientierung und Ausbildung verwandeln das
Fenster vom „Kälteloch" in eine Wärmefalle.
Voraussetzung jedoch ist die Speicherung und die
Vermeidung der Abstrahlung der tagsüber aufgenommenen Sonnenenergie. Dies stellt Anforderungen an die Speicherfähigkeit der Raumbegrenzungsflächen, also Fußböden und Wände und
setzt einen temporären Wärmeschutz voraus, um
die Wärme zu „halten".
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Luftheizung durch
natürliche Querlüftung
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tPi'►0't'P^'i4iAriYi'^'idi'Pd^'^'JA^I7NIPdlOSPiit$'a*PAt^`^'^^;*
•
Die durch die transparente Schale eingestrahlte
Sonnenwärme wird in der Massivwand (Beton, Ziegel) gespeichert und/oder direkt bei Beda rf durch
Konvektion in das Gebäudeinnere geleitet.
Die Beheizung des Raumes e rfolgt dabei durch
Auffüllung mit warmer Luft von oben.
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Indirekte Sonnenenergienutzung
Thermische Speicherwand
Das Sonnengewächshaus
Eine Mischung aus „direkter Nutzung" und „thermischer Speicherung" stellt das Prinzip des Sonnengewächshauses dar. Es wird durch extensive
Verglasung zur direkten Nutzung eingerichtet,
während der anschließende Wohnbereich von
dem Gewächshaus oder Wintergarten getrennt ist.
Das Prinzip ist im Grunde das gleiche wie bei
einem Gebäude mit Trombe-Wand-Effekt, mit dem
zusätzlichen Vorteil, daß es nicht nur energetische
Funktionen hat, sondern daß der Orientierung und
den Jahreszeiten entsprechende funktionale
Nutzungserweiterungen der Wohnfläche erreicht
werden.
Besonders während der Übergangszeit können
vorgelagerte südorientierte Gewächshäuser oder
Wintergärten als Wärmeerzeuger für eine wohnungsinterne Luftheizung dienen. Dabei ist anzustreben, daß die im Gewächshaus infolge Sonneneinstrahlung erwärmte Lu ft durch natürlich e Querlüftung die gesamte Wohnung erwärmt.
Bei fehlender Sonneneinstrahlung während der
Nachtstunden dient die verglaste Loggia oder das
Anlehngewächshaus als Puffer zwischen Innenund Außenklima und sorgt für einen geringeren
Wärmeverlust der Wohnung.
Ein besonderes Problem bei der Wärmegewinnung
durch große südorientierte Glasflächen liegt im
Wärmeüberschuß während des Sommers.
Indirekte Nutzung –
Sonnenschutz
Daher ist auf wirkungsvollen Sonnenschutz und
Thermische Speicherung
Vermeidung_
ausreichende Querlüftung zur Vermeidung unerDie nächste Klassifizierung von passiven Solarunerwünschter
wünschten Wärmestaus zu achten.
systemen ist die thermische Speicherwand. Eine
Wärmestaus
Speicherwand hat die Fähigkeit, Wärme aufzuneh- Ebenso wichtig zur Verbesserung der EnergieTemporärer
men und diese zeitlich verschoben wieder abzuge- bilanz sind temporäre Wärmeschutzmaßnahmen
Wärmeschutz
um den nächtlichen Wärmeäbfluß zu verringern.
ben. Diese Eigenschaft machte man sich in den
Gegenden mit starken Temperaturdifferenzen zwi- Siehe hierzu Praxisinformation Baukonstruktionen
Fenster 4.4.
schen Tag und Nacht beim Häuserbau zu eigen.
Dicke, massive Steinwände können zum Beispiel
tagsüber die Sonnenwärme speichern und sorgen
somit für eine relativ kühle Raumlufttemperatur.
- , 0i C
eaten:
r 1 C 1 ^`^' r " •
Nachts geben sie die gespeicherte Wärme an die
^ ii,
^
Dämpfung von Raumluft wieder ab und dämpfen somit die extreextre; en Temperaturmen Temperaturschwankungen. Durch die Kombischwankungen
nation mit Glasflächen läßt sich die Wirkung der
eingestrahlten Sonnenenergie noch verstärken.
Eine dunkel gestrichene Wand, die gegen die
---^—
Außenluft mit einer Verglasung oder transparenten
rlilr NA'tllM aot r^I
Kunststoffverkleidung abgedeckt ist, kann als wirksames Kollektor/Speicher-Element zur Nutzung
der Sonnenenergie verwendet werden (TrombeWand).
r%'
44
►' ^i• ^d i^ ^'i ^^i ^ i` ^4'i'P ^ P i ^' ^^ @ C N^ Ji' Q t • ^ • ^ ^ ' • •
Wärmespeicherung
Eine wichtige Voraussetzung zur optimalen Ausnutzung der eingestrahlten Sonnenenergie ist die
Wahl wärmespeichernder Konstruktionen. Dadurch wird außerdem eine den Komfort steigernde
thermische Trägheit des Gebäudes erreicht. Im
Sommer wird es selten zu einer hohen Übertemperatur kommen und im Winter können die Wände
Wärme aufnehmen und bei fehlender Sonneneinstrahlung am Abend wieder an den Raum abgeben.
Neben dem positiven Einfluß auf die Nutzbarmachung eingestrahlter Sonnenenergie muß das
angenehme Raumklima wärmespeichernder
Konstruktionen erwähnt werden.
Bei Sonneneinstrahlung steigt die Raumlufttemperatur an. Ein großer Teil der Energie wird von den
Baustoffen der Raumumschließungsflächen aufgenommen und gespeichert.
Nacht
Wärmespeicherung
17
Nach Beendigung der Sonneneinstrahlung und
sinkender Raumlufttemperatur wird die Wärme von
den Wänden wieder abgegeben. Zusätzliche Energieeinspeisung durch die Heizungsanlage wird
erst mehrere Stunden später erforderlich.
Die Speicherung der sommerlichen Strahlungswärme in den Bauteilen wirkt sich auf das Raumklima vor allem in zweierlei Hinsicht aus:
1. Amplitudendämpfung, das heißt die im Innenraum entstehenden Temperaturspitzen sind bei
wärmespeichernden Bauweisen beträchtlich
niedriger als bei Leichtbauweise;
2. Phasenverschiebung das heißt die Spitze der
Innenraumtemperatur liegt erheblich später als
die Zeit der größten Sonneneinstrahlung. Optimal: zwölf Stunden.
Phasenverschiebung
01
n►.i^^^m^^m^^r
wi! •^►^^^^^^^^V
C111111111111111111111111111,C1
t•^l•^^^/^1^I•^l,r
^^ENI•\1CrAlri:.1
1
^^^rl•^ \^^^%%,^
16° 14° — ^ 11111 111 1111111 111 M111 111 111 111
30
28
26' —
24° —
22° —
20' —
8°
Amplitudendämpfung
t2°
Q*.
24 Stunden
T, = Schwankungsbereich der Außentemperatur
T, = Schwankungsbereich der Innentemperatur
Schema einer Amplitudendämpfung und Phasenverschiebung nach Haferland
18
Die Wärmespeicherfähig-keit der Materialien ist
recht unterschiedlich, wie das der Tabelle zu entnehmen ist. Stoffe mit einem hohen spezifischen
Gewicht und einem geringen Luftanteil besitzen
eine hohe Wärmespeicherfähigkeit. Dagegen ist
die Speicherfähigkeit leichter Stoffe mit hohem
Anteil an umschlossenen Luftporen entsprechend
gering. He rv orzuheben ist, daß Wasser, verglichen
mit anderen Stoffen, ein verhältnismäßig geringes
spezifisches Gewicht hat bei hoher Wärmespeicherfähigkeit.
Mittelwe rte der Wärmespeicherfähigkeit einiger
Stoffe:
Stoff
Rohdichte
Volumenbezoin kg
gene Wärmespeicherfähigkeit
in kcal/m 3 • grd
Luft
Polystyrolschaum
Glaswolle
Schlackenwolle
Holzfaserplatten
Korkstein, expand.
imprägniert
Kork, Korkstein roh
Torfplatten
Fichtenholz
Gasbeton,
Bimsbeton
Eichenholz
Sand, trocken
Polystyrol
Blei
Ziegelmauerwerk
Kalkmö rtel
Gummi
Zinn
Asbestzement
Zementmörtel
Bitumen
Asphalt
Steinzeug
Hartbare Kunststoffpreßmassen mit
anorganischen
Füllstoffen
Gips
Tafelglas
Aluminium
Stahlbeton
Natursteine
Zink
Stahl
Kupfer
Wasser
Gußeisen
25
120
220
200
76
84
135
230-
1 000
800
1 500
1 060
11 300
1 800
1 800
250
300
300
340
353
360
378
400
409
414
420
450
460
470
1 720-1 970
2500
2500
2 700
2400
3100
7100
7850
8990
1 000 .
7250
GEBÄUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Wärmespeicherfähigkeit
aumklima
0,31
8
24
40
64
230
200
300
600
7300
1 800
2 000
1 050
2100
2300
3.,
430-590
500
500
594
630
630
640
942
845
1000
1088
Amplitudendämpfung
Phasenverschiebung
19
Wie stark sich diese einzelnen unterschiedlichen
Maßnahmen auf die spätere Energiebilanz des Gebäudes auswirken, kann nicht pauschal beantwortet werden, sondern hängt von vielen Faktoren wie
Standort, klimatischen Verhältnissen, Nachbarbebauung, Dichte usw. ab. Teilweise widersprechen
sich sogar einzelne Maßnahmen der Vermeidung
von Wärmeverlusten und der Gewinnung von Sonnenwärme, wie etwa bei der Kompaktheit des Gebäudes zur optimalen Gestaltung des Gebäudes
für passive Sonnenenergienutzung usw. Derartige
Fragen können nicht als Einzelprobleme beantwortet werden, sondern sind ausschließlich in einer
GesamtheitsbetrachtuncL bei der Gebäudekonzept ion zu berücksichtigen.
45
Gesamtheitsbetrachtung bei der
Gebäudekonzeption
3.,
GEBÄUDEPLANUNG
GesamtKonzeption
Doch auch das perfekteste Energiekonzept muß
nicht optimal sein, wenn es nicht mit dem Nutzerverhalten in Übereinstimmung gebracht wird. Hierzu ist nicht nur ein theoretisches Fachwissen des
Architekten notwendig, sondern vor allem eine eingehende Beratung und Einstimmung der späteren
Nutzer, die in und mit den Häusern leben und ihre
Verhaltensweisen mit dem thermischen Verhalten
des Gebäudes in Einklane Drin& en Psollen, wie etwa
Lüftungsgewohnheiten, Betätigungen von temporärem Wärmeschutz und Sonnenschutzmaßnahmen, Anpassung der Nutzung an die thermische
Hierarchie des Grundrisses usw.
In den letzten Jahren wurden in der Bundesrepublik auch auf dem Sektor der passiven Sonnenenergienutzung Grundlagenforschung betrieben,
Wettbewerbe durchgefüh rt und Planungen und
Entwürfe vorgestellt und diskutie rt. Auch die Bundesarchitektenkammer hat mit der Wanderausstellung „Enerf iebewußte Architektur" Interesse und
Bewußtsein für diese Problematik in der FachÖffentlichkeit geweckt. Doch die praktische Umsetzung und Realisierung dera rtiger Konzeptionen
läßt immer noch auf sich wa rten.
Um gebaute Beispiele für energiebewußte Gebäudekonzeptionen vorzustellen, muß man immer
noch Bauten aus dem Ausland, besonders aus
den USA, zitieren.
Die hier und in der Praxisinformation 5.1 „Technische Gesamtkonzepte" vorgestellten Projekte
stammen aus dem 1978 vom Bundesminister für
Forschung und Technologie unterstützten Wettbewerb Landstuhl zur Entwicklung von Solartypologien für Einfamilienhäuser, sowie dem 1981 vom
Bundesminister für Raumordnung, Bauwesen und
Städtebau unterstützten Wettbewerb EnergiesparhäuserBerlin.
Haus K. Terry, Santa Fe, New Mexico
Dieses Haus gehört zu den klassischen Prototypen der „direkten Sonnenenergienutzung". Durch
die höhengestaffelte Bauweise und die Anordnung
von Oberlichtern kann die Sonne tief in das Gebäude eindringen. Die sehr massiven, raumumschließenden, fast fensterlosen Außenwände bestehen aus Adobe-Lehm. Der Fußboden sowie die
sich direkt unter den Oberlichtern befindlichen
Brüstungen sind als Wärmespeichermasse ausgebildet. Außenliegende Sonnenschutzlamellen verhindern bei steil stehender Sonne die sommerliche Überhitzung des Gebäudes.
Architekt: D. Wright
Haus D. Kelbough, Princeton, New Jersey
Eine indirekte Sonnenenergienutzung wurde bei
dieser Gebäudekonzeption verwirklicht. Vor der
massiven Südwand wurde eine zweite Glasfassade errichtet, um den Trombe-Wand-Effekt, das
heißt die Aufheizung der Wand und nächtliche
Wärmeabstrahlung sowie Warmluft-Konvektion zu
erzeugen. Durch Öffnung von Abluftklappen an der
Oberseite der Glasfassade kann im Sommer ein
Unterdruck in der Trombe-Wand erzeugt werden
und über Lüftungsklappen eine natürliche „Kühlung" der Räume durch das Ansaugen kalter Luft
von der schattigen Nordseite erreicht werden.
Architekt: D. Kelbough
Beispiele für Gebäudekonzeptionen
T" tuT ni
Iluno
Wohnhäuser in Santa
Fe, New Mexico
Architekt: D. Wright
46
Wohnhaus in Princeton, New Jersey
Architekt: Dough Kelbough
3.
GEBAUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Haus Balcomb, Santa Fe, New Mexico
Das Gebäude ist auf einem v-förmigen Grundriß
entwickelt, der einzweigeschossiges, nach Süden
orientiertes Glashaus einschließt. Die Trennung
zwischen Glashaus und Wohnhaus wird durch eine massive Speicherwand aus Adobe-Ziegeln gebildet, die dafür sorgt, daß die Lufttemperaturen im
Glashaus nicht zu stark ansteigen und nachts die
eingestrahlte Wärme phasenverschoben an Wohnund Glashaus wieder abgegeben wird.
Eine balkonartige Galerie aus einer leichten Holzkonstruktion im Glashaus sorgt dafür, daß die steilstehende Sonne die Speicherwand nicht bescheint und eine unerwünschte Überhitzung im
Sommer vermieden wird.
Eine wirkungsvolle Querlüftung und starke
Bepflanzung sorgen im Glashaus selbst in den
Sommermonaten für angenehme klimatische
Bedingungen.
Architekten: S. + W. Nichols
Melkerei Landstuhl
Freistehendes Einfamilienhaus, zweigeschossig
Das zweigeschossige Einfamilienhaus basiert auf
einer quadratischen Grundrißform. Es ist als „Haus
im Haus" mit minimierter Außenfläche konzipiert
und besteht aus dem inneren Steinhaus mit
Warmzone als Winterhaus, dem umschließenden
Glashaus, der Pufferzone, als Übergangshaus.
Das Glashaus bildet die eigentliche Außenhaut
des Gebäudes. Die Sommerbelaubung des Pflanzengerüstes dient als Sonnenschutz, Wind- und
Wärmeschutz.
Architekt: 0. M. Ungers
Wohnhaus in Santa Fe, New Mexico
Architekten: Wayne und Susan Nichols
Wohnhausprojekt
Architekt: 0. M. Ungers
3.^
GEBÄUDEPLANUNG
Gesamtkonzeption
Energiesparhaus Berlin
Freistehendes Meh rfamilienhaus für den innerstädtischen Bereich
Das Gebäude ist nach dem Prinzip „Haus im Haus"
aufgebaut.
Alle Wohnräume (laute Räume) sind nach Norden
zur attraktiveren Aussicht orientie rt. Alle Schlafund Kinderräume (leise Räume) sind; nach Süden
zum Hof orientie rt. Die Hauswirtschafts- und
Sanitärräume befinden sich in der mittleren Zone
des Grundrisses.
Das Gebäude ist in einzelne thermische Zonen
gegliedert. Im Inneren des Gebäudes sind „warme"
Räume, in dem Randbereich „kältere" und „kalte"
Räume angeordnet. An der Nord-Ost- und WestAußenwand des Gebäudes wird durch thermische
Pufferzonen - Wintergärten - die beheizte Fläche
von der Außenluft abgeschirmt. In der Übergangszeit und an den meisten Winte rtagen mit relativ
hoher Sonneneinstrahlung und niedriger Außentemperatur kann der Winterga rten als erweiterte
nichtbeheizte Wohnfläche genutzt werden. In der
Sommerzeit verhindern an der Süd-Ost- und
West-Seite außenliegende Bepflanzung, beweglicher Sonnenschutz und wirksame Lüftung
des thermischen Puffers eine unerwünschte
Aufheizung. Da die Wohnräume über den Wintergarten be- und entlüftet werden, kann der Lüftungs-Wärmeverlust durch eine A rt „Wärmerückgewinnung" im Wintergarten gemindert werden.
Architekten: B. Faskel, V. Nikolic
Variante
213. Obergeschoß
2 2-Zi.-Whg.
Literaturhinweise:
V.Nikolic: Bau + Energie, Forschungsprojekt des BMFT,
1982 (Abb. 5, 6, 7)
[1] R. G. Stein, Architecture and Energy, Anchor-Press,
B. Faskel, V. Nikolic: Architektur und Energie, Bärenreiter
New York, 1978
Verlag, 1981 (Abb. 11, 26, 27, 28)
[2] E. Mazria, The passive Solarenergy-Book, RodaleD. Oppenheimer: Small solar buildings. The architectural
Press, 1979
[3] V. Nikolic, Handbuch des energiesparenden Bauens, press, London, 1981 (Abb. 12, 13, 14, 15, 16)
W.Koblin: Wärmespeicherung und Kühlung in WohnDeutscher Consulting Verlag, Wuppertal
gebäuden, Bauwelt, 1977
[4] Solar Dwelling Design Concepts, Drake publishers
O. M. Ungers: Entwürfe für eine klimagerechte und enerInc., New York, London,1977
giesparende Architektur, Studio Verlag für Architektur,
[5] B. Faskel, Die Alten bauten besser, Eichborn Verlag, Köln, 1980 (Abb. 24, 25)
1982
[6] Shurka + Naar, Design for a limited Planet, Ballantine
Books, New York, 1977
Quellen, Abbildungsnachweise:
B. Faskel: Energiebewußte Architektur. Wanderausstellung der Bundesarchitektenkammer, 1980 (Abb. 1, 20,
21, 22, 23)
P. Steiger u. a.: Plenar, Niggli-Verlag, Schweiz, 1975
(Abb. 2, 4)
J. Lambeth: Solar-Design, Selbstverlag USA, 1978
(Abb. 3)
48
Kurzbiographie der Autoren:
Dipl.-Ing. Bernd G. Faskel, Architekt BDA
Arbeitsschwerpunkt: energiebewußtes, ökologisch
angepaßtes Bauen.
Prof. Vladimir Nikolic, Architekt BDA,
Gesamthochsohule Kassel. Arbeitsschwerpunkt:
energiesparendes Bauen, Forschung
Redaktionelle Bearbeitung und Layout:
Dipl.-Ing. Bernd G. Faskel, Koordination: Vladimir Nikolic
R
INERGI[EINSPAHUNC^
Ein Forschungsvorhaben der Bundesarchitektenkammer
durchgeführt im Auftrage des Bundesministerrums
für Städtebau. Raumordnung und Bauwesen
Einleitung - Grundlagen
Energieeinsparende Maßnahmen an Altbauten beschränken sich für den Architekten auf
den Bereich der raumabschließenden Bauteile, die je nach Gebäudetyp, Baualter, Material
und Konstruktionsstärke unterschiedliche
Wärmedämmung aufweisen und damit auch
unterschiedlich verbesserungsbedürftig sind.
Auslösender Faktor für Maßnahmen zur Energieeinsparung sind häufig Notwendigkeiten
zur Instandsetzung vorhandener Bauteile.
Die volkswi rtschaft lichen Aspekte der Energieeinsparung haben ihren Niederschlag
in den Verordnungen zum Energieeinsparungsgesetz gefunden. Ihre Anwendung für
energiesparende Maßnahmen an bestehenden Gebäuden wird zur Zeit noch nicht gefordert [1].
Die Verordnungen geben jedoch in den Anforderungen an die einzelnen raumabschließenden Bauteile Richtwerte für eine Bemessung
der Dämmschichten vor.
Häufig ist aber der Fall anzutreffen, daß volkswirtschaftlich sinnvolle Maßnahmen zur Verminderung des Energiebedarfs sich für den
einzelnen Hausbesitzer nicht lohnen. Dies gilt
zum Beispiel für den Einbau besser wärmedämmender Fenster ohne Notwendigkeit der
Instandsetzung.
Neben den bautechnischen tragen haustechnische Maßnahmen zur Energieeinsparung bei. Vorhandene Heizungs- oder Warmwasserbereitungsanlagen können je nach Zustand in ihrer Wirkung verbesse rt oder vollständig erneue rt werden. Im Zweifel wird es
notwendig sein, dies durch einen Fachingenieur überprüfen zu lassen. Besonders zu
beachten ist, daß sich durch bautechnische
Maßnahmen zur Wärmedämmung der Energiebedarf von Gebäuden erheblich verringe rt
und damit vorhandene Anlagen zu groß
dimensionie rt sind.
Dies gilt besonders für ältere Anlagen, die oftmals ohnehin zu groß ausgelegt wurden.
Dämmwirkung vorhandener Konstruktionen
- erforderliche Verbesserung
GEBÄUDE- Hausmodernisierung
PLANUNG losiandseaung
Verfasser Heinz Sc hmi
A7ovem
In der Abb. 1 sind in Tabellenform übliche Altbaukonstruktionen aufgeführt und hinsichtlich ihrer Wärmedämmeigenschaft berechnet
worden.
Bei den in der Regel geringen Mehrkosten
durch größere Dicke der Dämmschicht ist eine über die Mindestanforderungen hinausgehende Dimensionierung der Dämmungsinnvoll, solange dadurch keine konstruktiven
oder bauphysikalischen Probleme verursacht
werden.
Zur Verdeutlichung werden die Anforderungen an die verschiedenen Bauteile im folgenden dargestellt: Mindestanforderungen nach
DIN 4108 sind:
Dimensionierung der
Dämmung
Verordnungen zum
Energieeinsparung
gesetz
Außenwände im Mi ttel k = 1 39 W/m21
Außenfenster k = 3,50 W/m `K
Decken gegen Außenluft k 0,79 W/m2K
Decken unter nicht ausgebautem
Dachraum k = 0,90 W/m2K
Kellerdecken k = 0,81 W/m2K
Erhöhte Anforderungen nach der WärmeschutzVO an einzelne Bauteile sind:
Außenwände und Fenster k = 1,25 W/m2K
(Mittelwert)
Decken gegen Außenluft k = 0,30 W/m2K
Decken unter nicht ausgebautem
Dachraum k= 0,30 W/m2K
Kellerdecken k = 0,55 W/m2K
Erhöhte
Anforderungen
ab Januar 1984
Haustechnische
Maßnahmen
Für die Berechnung der Außenwanddämmung
wurde davon ausgegangen, daß Kunststoffenster mit Isolierglas (4 X 12 X 4 mm) mit einem
k-Wert von 3,0 W/m 2K eingebaut werden, und
zwar mit einem Flächenanteil von 30% gegenüber 70% massiver Außenwand. Daraus
ergibt sich ein Sollwert von 0,50 W/m2K
für die Wand, um die Gesamtforderung von
1,25 W/m2K einzuhalten [3].
Die Weiterverwendung vorhandener Fenster
sollte in jedem Fall überprüft werden [4].
Vorhandene Anlagen
zu groß
Einfachfenster mit Einfachverglasung genügen den Anforderungen nicht. Es können
jedoch durch relativ kostengünstige Verbesserungsmaßnahmen (Aufdoppeln der Flügel,
zweite Glasscheibe) bessere We rte erzielt
werden als durch neue Einfachfenster mit
Isolierverglasung.
Die raumabschließenden Flächen, wie Außenwände, Fenster, Dächer, Decken gegen Außenluft und gegen unbeheizte Räume, haben
Bei diesen Verbesserungen sind häufig denkje nach Ausführungsart unterschiedliche Wär- malpflegerische Anforderungen an Fensterteimedämmwirkung. Einige Konstruktionen erfül- lung, Sprossen, Profilstärken und Material
len bereits ohne Verbesserung die Anfordeleichter zu erfüllen als bei neuen Fenstern.
rungen des Mindestwärmeschutzes nach DIN
4108 oder sogar die erhöhten Anforderungen
Doppel- und Verbundfenster verschiedener
für einzelne Bauteile nach der WärmeschutzRah menmaterialgruppen mit zwei EinfachVO. Zu diesen Bauteilen zählen vorrangig
glasscheiben und Luftzwischenraum 2 bis
Außenwände entsprechender Dicke und Bau- 7 cm erreichen bessere We rte als Einfachart [2].
fenster mit Isolierverglasung.
49
Denkmalpflegerische
Anforderungen
DIN 4108 (neu)
-
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3,2
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7 L^.
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2
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GEBÄUDEPLANUNG
Y
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
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^Y^.a
0,25 1,603
0,38 1,190
0,51 0,946
Maue rziegel als
Sichtmauerwerk,
1 400 kg/m3
0,25 1,640
0,38 1,210
0,51 0,959
Bimsmauerwerk,
verputzt,
700 kg/m3
0,12 1,971
0,25 1,202
0,38 0,864
Lochsteine aus
Leichtbeton,
verputzt,
1 400 kg/m3
^ (n
w >
Decken gegen nicht ausgebauten Dachraum
Außenwand
Mauerziegel, ver-
putzt, 1400 kg/m3
DD ^Y^
0,38 1,740
0,51
1,393
0,02 0,07
0,02
0,05
0,02
0,04
0,02
0,06
0,02
0,05
0,04
0,02
0,06
0,02
0,05
0,04
0,02
0,06
0,02
0,06
1,603
0,890
0,421
1,190
0,746
0,478
0,946
0,642
0,486
1,640
0,901
0,474
1,240
0,754
0,482
0,959
0,489
1,971
0,993
0,498
1,202
0,751
0,480
0,864
0,464
1,740
0,930
0,482
1,393
0,821
0,451
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
E
Holzbalkendecke, 0,30 1,200 0,02
Schalung 2,5 cm,
0,10
E Schlackenf. 10 cm,
verputzt, 1 500 kg/m3
Stahlbetondecke, 0,24 2,807
0,04
E Verbundestrich,
0,12
2400 kg/m3
Stahlbetondecke, 0,18 3,113
0,04
E verputzt,
2400 kg/m 30,13
Hohlkörperdecke, 0,25 0,938 -
0,02
verputzt,
0,10
500 kg/m3
1,200
0,750
0,300
E
2,807
0,737
0,298
3,113
0,757
0,280
0,938
0,638
0,280
E
E
E
E
E
E
0,730
0,535
E
E
E
2,189
0,686
0,511
E
E
E
1,808
0,767
0,296
3,971
0,666
0,286
1,808
0,767
0,281
-
E
E
-
E
E
-
E
E
E
E
E
-
0,855
0,704-- E
0,461
E
E
E
-
E
E
- - - Kellerdecken
- Ziegelkappendecke,
oberseit. Holzdielung
E auf Lagerhölzern
0,115 1,149 0,02
Ziegelwerk:
0,04
Schüttung:
0,08
Dielung:
0,025
- Stahlbetondecke, 0,18 2,189
0,04
Verbundestrich,
0,06
E 2400 kg/m3
-<..
E Decken/Flachdächer gegen Außenluft
E Holzbalkendecke 0,18 1,808
(s. oben)
0,03
0,12
Stahlbetondecke, 0,12 3,971
Verbundestrich,
0,05
- 2400 kg/m 30,13
E
Hohlkörperdecke, 0,18 1,808 verputzt,
0,03
- 500 kg/m 30,12
E
Geneigte Dächer
Fachwerk
ausgemauert,
1 000 kg/m3
Fugenabdich
0,14 2,790
0,02
0,07
2,790
1,165
0,474
E
E
0,04
- Sparren:
Lattung:
0,05
E Dachpfannen:
0,08
Quelle: Berechnung Gruppe Haus- und
Stadterneuerung Aachen
O Zwang zur Bauzeitoptimierung,
Q beengte Arbeitsverhältnisse durch
vorhandene Konstruktionen,
Q trockene Bauweisen sind zu berücksichtigen.
Beispiel:
Das Aufbringen eines schwimmenden
Estrichs z.B. in Feuchtbauweise verzögert den
Bautechnische Maßnahmen
Bauablauf und bringt Feuchtigkeit ins Gebäuzur Energieeinsparung
de, die einen weiteren Baufortschritt behindert.
Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmedämmung raumabschließender Bauteile unDurch energiesparende Maßnahmen entsteterscheiden sich bei gleicher Dämmstärke
hende Folgearbeiten müssen beachtet und in
durch konstruktive, gestalterische und ökono- die Bewertung der einzelnen Maßnahmen einmische Gesichtspunkte sowie durch unterbezogen werden.
schiedliches Verhalten bei FeuchteeinwirDie folgenden Darstellungen bewerten auskung.
gewählte Einzelmaßnahmen hinsichtlich ihrer
Zusätzliche Faktoren wie:
Eignung für die Anwendung bei der ModerOwährend der Bauzeit bewohnte Räume,
nisierung.
Es muß allerdings bei vorhandenen Fenstern
durch - in der Regel wenig aufwendige Maßnahmen zur Fugenabdichtung sichergestellt werden, dali durch verzogene Flügel und
schadhaft e Anschlüsse an die Außenwand
kein zu hoher Lüftungswärmeverlust entsteht.
50
Außenwand
3.2
durch vorgesetzte Metallständerwand, Mineraltasermatten d = 4 cm, Beplankung mit Gipskartonbauplatten.
Bewertung der Maßnahme:
Außenwand: Innendämmung
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vorteile: Dämmung ohne
Beeinträchtigung der
Fassade, Räume schnell
aufheizbar.
Nachteile: Verkleinerung
der Wohnfläche, Anschlußprobleme Fensterbänke
und Fußleisten, Vo rziehen
von Elektrodosen und
Schaltern sowie Heizkörpern. Verschlechterung der
Schalldämmung von Innenund Außenwand bei steifen
Dämmplatten möglich. Wärmebrücken kaum zu vermeiden. Evtl. zusätzliche
Maßnahmen an der Fassade nötig.
Preiswe rte Maßnahme gegenüber Außendämmung:
Bei normalem Raumklima
unbedenklich. Bei erhöhter
Luftfeuchtigkeit (Bäder, Küchen, Kinderzimmer)
Dampfsperre innen vor der
Dämmschicht zu empfehlen bei Verwendung von
Mineralfasermatten. Es wird
kein zusätzlicher Schlagregenschutz außen erreicht.
In unbewohnten Räumen
unproblematisch. Einschränkungen durch enge
Transportwege und zum
Teil nicht möglichen Einsatz von Transportgeräten
und Maschinen.
In bewohnten Räumen problematisch durch Belästigung der Mieter und Behinderungen bei der Ausführung durch Möbel und Bewohner (Organisation,
Schmutzbelästigung usw.).
Kosten 100%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 103%
0,08 m = 107%
0,10m=112%
Bemerkung:
Kosten für Maßnahmen an
der Fassade können zusätzlich entstehen.
2
Bewe rt ung der Maßnahme: Außenwand: Außendämmung
d = 4 cm (Thermohaut)
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Auch in Teilflächen
anzuwenden, keine Auflager
oder Abhängung erforderlich, auf vorhandenen Putz
aufzubringen, gestalterisch
variabel, verbesse rter
Schlagregenschutz.
Nachteile: Anschlußprobleme an Dach, Sockel und
Nachbarbebauung, Probleme bei strukturie rten Fassaden.
Preiswerteste Außendämmung:
durch Kunstharzputz auf Polystyrol-Hartschaumplatten,
Feuchtetechnisch
Kondensatprobleme sind
nicht zu erwa rten, solange
die Außenhaut ausreichend
Kosten 135%
dampfdurchlässig ist. Der
Kostenveränderung bei er- Schlagregenschutz wird
höhter Dämmstärke:
verbessert.
0,04 m = 100%
0,06 m = 103%
0,08 m = 109%
0,10m=113%
Realisierbarkeit
Ohne Beeinträchtigung der
Bewohner von außen anzubringende Konstruktionen,
Grenzabstände und Bauwiche können zu Problemen führen.
Bewe rt ung der Maßnahme: Außenwand: Außendämmung
durch hinterlüftete Vorhangfassade, Mineralfasermatten
d = 4 cm, Asbestzementplattenverkleidung
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Auch in Teilflächen Relativ aufwendige Konanzuwenden, keine Auflager struktion:
erforderlich, auf jeden trag- Kosten 188%
fähigen Untergrund aufzuKostenveränderung bei erbringen, verbesse rter
höhter Dämmstärke:
Schlagregenschutz.
Nachteile: Anschlußproble- 0,04 m = 100%
me an Dach, Sockel, Nach- 0,06 m = 106%
0,08 m = 117%
barbebauung. Nachweis
0,10m=133%
Zugbeanspruchung vorh.
Konstruktionen, dicke Konstruktion durch Hinterlüftung, gestalterisch häufig
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Problemlose Konstruktion
mit Verbesserung des
Schlagregenschutzes.
Ohne Beeinträchtigung der
Bewohner von außen aufzubringende Konstruktion,
Grenzabstände und Bauwiche können zu Problemen
führen, ebenso Gestaltungssatzungen.
unbefriedigend, Probleme
bei strukturie rten Fassaden.
Bewe rt ung der Maßnahme: Außenwand: Außendämmung
Konstruktiv/Gestalterisch
Vorteile: Widerstandsfähige
Außenhaut, Erhaltung einer
Ziegelsichtfassade möglich,
relativ wartungsfrei.
Nachteile: Anschlußprobleme an Dach, Sockel, Nachbarbebauung und Wandöffnungen, dicke Konstruktion,
häufig schwierige Auflagerung, Probleme bei strukturierten Fassaden.
durch Vormauerung d =11,5 cm hinterlüftet,
Mineralfasermatten d = 4 cm
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Aufwendige Konstruktion:
Kosten 316%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 102%
0,08 m = 107%
0,10m=116%
Problemlose Konstruktion,
die den Schlagregenschutz
verbesse rt. Eine Luftschicht ist nicht unbedingt
erforderlich. Mineralfasermatten sollten hydrophobiert sein.
Ohne Beeinträchtigung der
Bewohner von außen aufzubringende Konstruktion.
Grenzabstände und Bauwiche können zu Problemen
führen. DIN-Vorschriften
über Abstand der Vormauerung beachten.
51
GEBAUDEPLANUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
3.2
GEBÄUDEPLANUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
Fenster
Fugendichte Fenster können bei Raumbeheizung mit Einzelöfen oder Etagenheizungen die
Bewohner gefährden. Die für die Verbrennung
benötigte Luft muß unbedingt durch gezielte
Frischluftzufuhr garantiert werden. Dies ist bei
völlig dichten Fenstern nur über zusätzliche
Maßnahmen zu erreichen. Zu beachten ist
auch, daß der Dampfdruck (Feuchtigkeitskonzentration) auf andere raumabschließende
Bauteile durch dichte Fenster erhöht wird.
Gegenüber üblicher Isolierverglasung erfordern meh rfach- und sonderverglaste Fenster
(wie Dreifachverglasungen, Verglasungen mit
Reflexionsschichten) erheblich höhere Investitionskosten.
Bewertung der Maßnahme: Fenster: Stufenisolierverglasung (4 x 12 x 4 mm) in vorhandene Fensterflügel
einbauen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Beibehaltung des Preisgünstige Maßnahme:
vorhandenen Fensters und Kosten 120%
der Flügeligkeit, keine Folgearbeiten.
Nachteile: Evtl. geringere
Lebensdauer, je nach
Zustand des Fensters, evtl.
zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen e rforderlich,
Sprossenteilung kann in der
Regel nicht beibehalten
werden, Haftungsausschlüsse der Glashersteller
bei zu schwachen Rahmen
beachten.
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Keine Nachteile gegenüber
einem neuen Fenster, wenn
die Fugen und Anschlüsse
ausreichend abgedichtet
sind.
Abhängig vom Zustand und
der Belastbarkeit der vorhandenen Fensterkon-
struktion. Geeignet für die
Durchführung in bewohnten Räumen, da geringe
Belästigung der Bewohner.
Rundbögen sind in der Regel nicht herstellbar.
Bewert ung der Maßnahme: Fenster: Zweite Einfachglasscheibe in Kunststoffrahmen innen auf vorhandene
Fensterflügel aufschrauben.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vorteile: Beibehaltung des
vorhandenen Fensters und
der Flügeligkeit sowie evtl.
Sprossenteilung, keine Folgearbeiten.
Nachteile: Evtl. geringere
Lebensdauer, je nach
Zustand des Fensters, evtl.
zusätzliche Abdichtungsmaßnahmen e rforderlich,
aufwendigere Reinigung (2
Scheiben), gestalterisch innen problematisch.
Preisgünstige Maßnahme:
Kosten 100%
Kondensatbildung auf der
Innenseite der äußeren
Scheibe möglich, wenn der
Kunststoffrahmen nicht
dicht genug abschließt,
evtl. bei unebenen Rahmenoberflächen.
Abhängig vom Zustand des
vorhandenen Fensters
geeignet für die Durchführung in bewohnten Räumen, da geringe Belästigung der Bewohner.
Rundbögen sind in der Regel nicht herzustellen.
Bewertung der Maßnahme: Fenster: Zweites Kiefemholzfenster mit Einfachverglasung innen hinter vorhandenem
Fenster einbauen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Beibehaltung des Preisgünstige Maßnahme:
vorhandenen Fensters mit
Kosten 127%
Flügeligkeit sowie evtl.
Sprossenteilung, hohe
Wärme- und Schalldämmwirkung.
Nachteile: Evtl. geringere
Lebensdauer, je nach Zustand des vorhandenen
Fensters Kürzen der Innenfensterbank e rforderlich,
evtl.Stemmarbeiten und Beiputz bei eingeputztem
Blendrahmen, aufwendigere
Reinigung durch zwei
Scheiben.
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Kondensatbildung innen
auf der äußeren Scheibe
möglich, wenn das Innenfenster nicht dicht genug
abschließt.
Bei Aufputz-Konstruktion
des Blendrahmens für bewohnte Räume geeignet,
da die Belästigung gering
bleibt.
Bei Aufschneiden des Putzes mit Einstemmen des
Blendrahmens hohe Belästigung und Folgekosten.
Bewertung der Maßnahme: Fenster: Aufsatzrahmen mit Isolierglas (4 x 12 x 4 mm) über beizubehaltenden
Blendrahmen einbauen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Saubere Konstruk- Relativ aufwendige Kontion ohne Stemm- und Bei- struktion:
putzarbeiten, schnell einzu- Kosten: 183%
bauen.
Nachteile: Bei Glasbruch
muß der Flügelrahmen mit
erneue rt werden, Erfüllung
denkmalpflegerischer Anforderungen problematisch
(Sprossenteilung, Profilstärken usw.).
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Bei wärmegedämmten
Rahmen und richtiger
Fugenabdichtung unproblematisch.
Gut geeignet für den Einbau in bewohnten Räumen,
da schnell und sauber
ohne stärkere Belästigung
der Bewohner einzubauen.
9
Bewe rt ung der Maßnahme: Fenster: Neue Edelholz- oder Kunststoffenster mit Isolierglas (4 x 12 x 4 mm) anstelle
der vorhandenen Fenster einbauen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vo rteile: Längere Lebensdauer als bei zu verbessernden Fenstern, moderne Beschläge.
Nachteile: Evtl. umfangreiche Folgearbeiten erforderlich (Stemm-, Beiputz,
Anstrich-, Tapezierarbeiten,
evtl. Innen- und Außenfensterbänke zu erneuern),
konstruktive und gestalterische Probleme bei Denkmatsch utzanforderu ngen,
besonders bei Kunststoffenstern.
Aufwendige Maßnahme:
Kosten: 180-207%
Die Kosten sind allerdings
im Zusammenhang mit der
zu erwa rt enden Lebensdauer und der voraussichtlich geringeren Instandhaltung zu relativieren.
Bei ausreichend wärmedämmenden Rahmen und
Anschlüssen an die Fassade unproblematisch. Bei
Bei bewohnten Räumen
problematisch, wenn umfangreiche Folgearbeiten
zu erwa rt en sind, die zu hohen Belästigungen der Bewohner führen. Dies ist im
Einzelfall zu prüfen.
Fugendichte Fenster können bei Etagenheizung und
Einzelofenheizung durch
fehlende Zuluft die Bewohner gefährden.
dichten Fugen Erhöhung
des Dampfdruckes auf die
übrigen raumabschließenden Bauteile.
10
Decken gegen nicht ausgebauten Dachraum bauten Dachraum sind die Anforderungen
des Brandschutzes nach DIN 4102 zu beachBei der Anordnung wärmedämmender Maß-
#en,
nahmen an Decken gegen den nicht ausge-
Bewe rt ung der Maßnahme: Decken gegen Dachraum: Ausschäumen der Deckenhohlräume in einer Stärke von
4 cm.
Konstruktiv/Gestalterisch
Realisierbarkeit
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Vo rteile: Keine Veränderung
der Deckenoberflächen, keine Folgearbeiten erforderlich.
Nachteile: In der Regel nur
bei Holzdecken anzuwenden. Voraussetzung ist ein
Hohlraum der gewünschten
Dicke.
Preiswe rt este Maßnahme:
Kosten: 100%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 133%
0,08 m = 167%
0,10m=200%
0,12m=233%
Bei völliger Ausschäumung
der Hohlräume in Holzbalkendecken wird eine Belüftung des Holzes verhinde rt ,
was bei eindringender
Feuchtigkeit zu Schadensbildung führen kann.
Durch Bohrlöcher geringen
Durchmessers auch in zum
Teil vollgestellten Räumen
zu realisieren. Belästigung
für Bewohner gering.
Bewe rt ung der Maßnahme: Decken gegen Dachraum: Ausrollen von Dämmatten in 4 cm Stärke auf der vorhandenen Decke.
Realisierbarkeit
Feuchtetechnisch
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vo rteile: Keine Folgearbeiten e rforderlich.
Nachteile: Nur bei nicht
begehbaren Kaltdächern
anzuwenden.
Preiswe rt e Maßnahmen.
Kosten: 139%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 112%
0,08 m = 120%
0,10m=130%
0,12 m = 144%
Unproblematische Konstruktion. Aluminiumkaschierung ist nicht zu empfehlen, da dadurch nur eine
Belüftung der Oberseite
verhinde rt wird.
Eingeschränkt, da nur bei
nicht begehbaren Kaltdächern anzuwenden. Do rt
allerdings problemlos.
12
53
3.2
GEBAUDEPiANUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
Bewertung der Maßnahme: Decken gegen Dachraum: Trockenestrich mit begehbarer Oberfläche, Dämmschicht
4 cm aufbringen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Trockene Bauweise, glatte Oberfläche, Ausgleich von Unebenheiten
des Unterbodens möglich,
keine Verringerung der
Raumhöhe darunterliegender Räume.
Nachteile: Relativ dicke
Konstruktion, dadurch evtl.
Folgearbeiten bei Anschlüssen, Verminderung der
Höhe des Dachraums.
Aufwendige Konstruktion: Unproblematische KonEingeschränkt bei vorhanstruktion. Günstig die trok- denen Lattenverschlägen
Kosten: 306%
kene Bauweise, ohne Bau- und vollgestellten Räumen.
Kostenveränderung bei er- feuchtigkeit ins Gebäude
In leeren Räumen unprohöhter Dämmstärke:
zu bringen.
blematisch. Kurze Einbau0,04 m = 100%
zeit durch Elementbauwei0,06 m = 109%
se. Vorteilhaft ist, daß
0,08 m = 118%
darunterliegende Wohn0,10 m = 133%
räume nicht betreten werden müssen.
Hinweis: Die Dicke der
Dämmschicht ist auf 0,10 m
beschränkt.
13
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Bewertung der Maßnahme: Decken gegen Dachraum: Abgehängte Decke mit 4 cm Mineralfasermatten, Beplankung mit Gipskarton-Bauplatten einbauen.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vorteile: Der Oberbelag der
Decke bleibt unangetastet,
evtl. Schäden am vorhandenen Deckenputz brauchen nicht behoben zu
werden.
Nachteile: Raumhohe Fenster führen zu konstruktiven
Problemen, Raumhöhen
werden verringert, Stuckdecken verdeckt, z. T. sind
Revisionsöffnungen für Leitungen im Luftzwischenraum vorzusehen.
Aufwendige Konstruktion:
Kosten: 367%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 105%
0,08 m = 108%
0,10m=112%
0,12m=115%
Bei Räumen mit erhöhter
Luftfeuchtigkeit sollte eine
Dampfsperre innen vor der
Dämmschicht angeordnet
werden. Günstige Konstruktion durch trockene
Bauweise.
In bewohnten Räumen problematisch, da ein Leerziehen der betroffenen Räume
in der Regel e rforderlich ist.
In unbewohnten Räumen
einfach anzuwenden.
14
Bewertung der Maßnahme: Kellerdecken: Ausschäumen der Hohlräume zwischen Lagerhölzern in
4 cm Stärke.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Begehbare Oberfläche bleibt unverändert,
keine zusätzliche Aufdikkung nötig.
Nachteile: Belüftung der
Holzteile wird verschlechtert, Dampf- und Feuchtesperre nur auf der vorhandenen Fußbodenoberfläche
möglich; zusätzliche
Schutzschicht gegen me-
Preiswe rteste Maßnahme: Als Innendämmung in normalen Räumen unbedenkKosten: 100%
lich bei Verwendung von
Kostenveränderung bei er- Schäumen mit relativ hohöhter Dämmstärke
hem Dampfdiffusionswider0,04 m = 100%
stand. In Feuchträumen
0,06 m = 133%
sollte eine Dampf- bzw.
0,08 m = 167%
Feuchtesperre angeordnet
0,10m=200%
werden.
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
In leeren und bewohnten
Räumen anzuwenden, relativ geringe Belästigung von
Bewohnern.
chanische Beanspruchung,
nur bei Dielen auf Lagerhölzern anwendbar.
15
Bewertung der Maßnahme: Kellerdecken: Anbringen von Polystyrol-Hartschaumplatten in 4 cm Stärke unter der
Kellerdecke.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vorteile: Lage der Dämmung
an der kalten Außenseite.
Nachteile: Anfälligkeit für
mechanische Zerstörung ohne Schutzschicht - und
Preiswerte Konstruktion:
Kosten: 161%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,04 m = 100%
0,06 m = 110%
0,08m=121%
0,10m=131%
In der Regel unbedenklich.
Bei Feuchträumen innen
muß die ausreichende
Dampfdiffusion durch die
Schaumstoffplatten gewährleistet sein.
Wird häufig durch Kellertrennwände, Lattenverschläge, Rohrleitungen an
der Decke sowie Kappenund Gewölbedecken erschwert. Vorteilhaft ist, daß
Wohnräume von der Maßnahme nicht berührt werden.
16
Hitzeeinwirkung. Brand-
schutz beachten.
gen von Bre tt ern an die Sparren erforderlich.
Dadurch kann auch Höhe für die Durchlüftung erzielt werden.
Decken/Dächer gegen Außenluft
Problematisch bei Dämmung von außen und
von innen ist, daß häufig zwischen Dachhaut
und Dämmung keine Belüftung mehr möglich
ist, da die vorhandenen Sparren in der Regel
nicht hoch genug sind.
Bei Holzbekleidungen ist mangelhafte Winddichtigkeit eine häufige Ursache von Wärmeverlusten.
Dies gilt auch nach der Reduzierung des
notwendigen Belüftungszwischenraumes in
DIN 4108 von 4 auf 2 cm, da Mineralfasermatten häufig durch Ausdehnung größere Dicken
annehmen als rechnerisch angesetzt [5].
Wenn keine ausreichende Belüftung der
Dämmschicht vorhanden ist, sollte zur Vermeidung von Kondensatschäden eine Dampfsperre innen vor der Dämmschicht angeordnet werden.
Für eine Bekleidung mit Gipskarton-Bauplatten ist in der Regel ein Flächenausgleich der
Sparrenunterseiten durch seitliches Anschla-
Die Belüftungsschicht muß zwischen Oberseite der Dämmung und Unterspannbahn liegen.
Bewe rt ung der Maßnahme: Flachdächer gegen Außenluft: Innendämmung
zwischen Holzbalken, 5 cm Mineralfasermatten, GK-Verkleidung zwischen den Balken.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Die vorhandene
Dachhaut bleibt unberüh rt ,
Holzbalken bleiben zum Teil
sichtbar
Nachteile: Balkenhöhe muß
für die Anordnung einer
Luftschicht oberhalb der
Dämmung ausreichen, bei
vorhandenem Deckenputz,
Ve rteuerung durch Abschlagen und Abfuhr.
Relativ preisgünstige Maßnahme gegenüber Erneuern der Dachhaut:
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Es sollte eine Dampfsperre
innen vor der Dämmschicht
angeordnet werden, um
Kondensation an der kalten
Kosten: 100%
Dachhaut zu verhindern,
Kostenveränderung bei er- wenn keine ausreichende
höhter Dämmstärke:
Entlüftung gewährleistet ist.
0,05 m = 100%
0,08 m = 103%
0,10 m = 106%
0,12 m = 110%
Bewe rt ung der Maßnahme: Flachdächer gegen Außenluft: Außendämmung
ten Polystyrol-Schaumplatten.
In bewohnten Räumen in
der Regel nicht durchzuführen. In unbewohnten
Räumen problemlos.
durch Aufbringen von 5 cm extrudier-
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Vorteile: Beibehaltung der
vorhandenen Dachhaut
möglich. Balkenprofile bei
Holzbalkendecken können
in voller Höhe sichtbar bleiben, ebenso Dachschalung.
Relativ preiswe rt e Maßnahme:
Bauphysikalisch sehr gün- Auch bei bewohnten Räustige Konstruktion ohne
men unter dem Dach proProbleme.
blemlos von außen zu realisieren, relativ wetterunabhängig.
Kosten: 100%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,05 m = 100%
0,08 m = 103%
0,10 m = 109%
0,12 m = 122%
Bewe rt ung der Maßnahme: Flachdächer gegen Außenluft: Außendämmung
platten d = 5 cm.
Realisierbarkeit
3lagiges Pappdach, Hartschaum-
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vo rteile: Keine zusätzliche
Belastung durch Bekiesung,
Balkenprofile und Dachschalung innen können
sichtbar bleiben.
Nachteile: Häufige Erneuerung sämtlicher Dachanschlüsse wird e rforderlich,
erhöhter Dachaufbau durch
zusätzliche Dämmung, kein
Schutz gegen UV-Bestrahlung vorhanden.
Relativ aufwendige Maßnahme:
Kosten: 113%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,05 m = 100%
0,08 m = 103%
0,10 m = 108%
0,12m=119%
Unproblematische Konstruktion. Die alte Dachhaut
sollte als Dampfsperre bestehen bleiben.
Bedingt über bewohnten
Räumen durchzuführen, im
wesentlichen bei unterseitig verputzten Holzbalkendecken oder Massivdecken'
möglich, wetterabhängig.
3.2
GEBAUDEPLANUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
3.z
GEBÄUDEPQNUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
Bewertung der Maßnahme: Geneigte Dächer: Befestigen Alu-kaschierter Mineralfaserpatten, 6 cm dick,
zwischen den Sparren.
Feuchtetechnisch
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vort eile: Einfache Konstruktion, Dachhaut bleibt unangetastet.
Nachteile: Nur für nicht auszubauende Dächer, Oberfläche innen leicht zu beschädigen, Sparrenhöhe muß für
die vorgesehene Dämmung
und Luftschicht ausreichen,
was bei stärkeren Dämmschichten meist nicht gegeben ist, eine Unterspannbahn sollte vorhanden sein.
Eine Dampfsperre innen
vor der Dämmschicht sollte
unbedingt angeordnet werKosten: 100%
den, um Kondensatbildung
Kostenveränderung bei er- an der Unterseite der Dachhöhter Dämmstärke:
haut zu verhindern, wenn
keine ausreichende Entlüf0,06 m = 100%
tung gewährleistet ist.
0,08 m = 125%
0,10 m = 135%
0,12 m = 150%
Preisgünstigste Maßnahme:
Realisierbarkeit
Wird häufig durch Lattenverschläge und vollgestellte Dachräume beeinträchtigt, bei ausgebauten Dächern nicht anzuwenden.
20
Bewertung der Maßnahme: Geneigte Dächer: Einbringen Alu-kaschierter Mineralfasermatten, 6 cm dick,
zwischen den Sparren, GK-Beplankung mit Ausgleichslattung.
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Feuchtetechnisch
Realisierbarkeit
Vo rteile: Dachhaut bleibt
unangetastet, es entsteht eine tapezierfertige Oberfläche.
Nachteile Ohne vorhandene Unterspannbahn nicht zu
empfehlen, Ausgleichslattung für ebene Sparrenunterseiten erforderlichLuftschicht oberhalb derbämmung häufig ohne zusätzliche Maßnahmen nicht möglich.
Relativ aufwendige Maßnahme:
Kosten: 350%
Kostenveränderung bei erhöhter Dämmstärke:
0,06 m = 100%
0,08 m = 104%
0,10m=115%
0,13 m = 118%
Es sollte eine Dampfsperre
innen vor der Dämmschicht
angeordnet werden, um
Kondensatbildung zu verhindern, wenn keine ausreichende Entlüftung gewährleistet ist.
Bei ausgebauten Dächern
nicht anzuwenden, Behinderung durch Lattenverschläge und vollgestellten
Dachraum.
21
Bewertung der Maßnahme: Geneigte Dächer: Aufnehmen der Dachhaut, 6 cm Mineralfasermatten, Unterspannbahn, Lattung mit vorhandenen Pfannen wieder eindecken.
Feuchtetechnisch
Konstruktiv/Gestalterisch
Kostenaspekte
Vorteile: Vorhandener Innenputz bleibt unangetastet,
Einbau einer Unterspannbahn ist möglich, altbaugerechte Pfannendeckung
bleibt erhalten.
Bei Einlegen der Dämmung
zwischen die Sparren muß
die Alu-Kaschierung innen
Kosten: 350%
dicht schließen, um KonKostenveränderung . bei er- densprobleme zu vermeihöhter Dämmstärke:
den. Bei dicker Dämmschicht Erhöhung der
0,06 m = 100%
Sparren zur Anordnung ei0,08 m = 103%
ner Luftschicht, minde0,10 m = 107%
stens 2 cm e rf orderlich.
0,12m=111%
Relativ aufwendige Maßnahme:
Haustechnische Maßnahmen zur Energieeinsparung
Haustechnische Maßnahmen betreffen die
Verbesserung von Heizungsanlagen und
Warmwasserbereitur igsanlagen.
Maßnahmen zur Verringerung des Wärmebedarfs sind im Normalfall:
Realisierbarkeit
Möglichkeit der Dämmung
bei ausgebauten Dächern,
relativ unabhängig von Bewohnern, wetterabhängig.
22
Schlitz- und Stemmarbeiten sollten auf ein Minimum reduziert, Leitungen vor der Wand verlegt, Leitungsführungen auf kürzestem Wege
exakt geplant, aus dem Neubau übernommene Standardvorstellungen kritisch geprüft und
davon abweichende Konstruktionen angewendet werden, die der Altbausubstanz entsprechen.
Beispiel:
Beim Einbau von Gas-Etagenheizthermen
0 Verbesserung der Regelung,
müssen die zu benutzenden Kaminzüge
O Anpassung von Anlagen an verringerten
mit Edelstahlrohr ausgekleidet werden. Durch
Wärmebedarf,
Verwendung von Außenwandgeräten mit ge0 Verringerung von Abwärmeverlusten der
schlossener Verbrennungskammer sind diese
Wärmeerzeuger,
erheblichen Kosten einzusparen und die Ka0 Umstellung des Wärmeerzeugers auf ande- minzüge zusätzlich als Feuchtraumentlüftung
re Heizmedien,
zu nutzen.
0 Nutzung von Umweltenergie.
Der Aufstellort von Etagenheizgeräten ist von
erheblicher Bedeutung für bautechnische
Folgearbeiten. Hier können zusätzliche RaumVon ausschlaggebender Bedeutung für Kosten der Verbesserung haustechnischer Anla- belüftungseinrichtungen, Schaffung von Luftverbund in der Wohnung durch Lüftungsgitter
gen ist die schonende Integration in das vorin Türen und Wänden e rforderlich werden.
handene Baugefüge [6].
56
Verbesserung der Wärmeerzeuger
möglich und trägt durch hohe Meßgenauigkeit zu einem energiebewußten Heizverhalten
Die Erneuerung von Gas- oder Ölbrennern
unter Beibehaltung des vorhandenen Kessels der Nutzer bei.
Bei besserer Wärmedämmung der raumabführt in der Regel nicht zu einer Energieeinschließenden Bauteile steigt die durchschnittsparung, sofern der alte Brenner keine Funkliche Temperatur der Raumumschließungsflätionsstörung aufweist.
chen,
was bei gleicher Behaglichkeit eine
Ebenso wird durch Ersetzen eines Ölbrenners
durch einen Gasbrenner kaum Energie einge- Senkung der Raumtemperatur ermöglicht.
spart werden können, wenn der Heizkessel
Wi rtschaftlichkeit einzelner Maßnahmen
erhalten bleibt. Eine Einsparung wäre zu erzielen, wenn der Gaspreis deutlich unter dem Die Wirtschaftlichkeit einzelner Maßnahmen
Ölpreis läge, war zur Zeit nicht der Fall ist.
unterscheidet sich durch den Anteil der betreffenden
Bauteile am jeweiligen Gebäude
Eine ErneuerungvonHeizkessel und Brenner
und den damit jeweils zu erzielenden Anteil
bei Zentralheizungen im Zusammenhang mit
der Energieeinsparung je Gebäudetyp.
der Verminderung des Wärmebedarfs eines
Altbaues durch bautechnische Maßnahmen,
Für die folgenden Haustypen wird für ausgemit einer Verringerung der Auslegung des
wählte energiesparende Maßnahmen die
Kessels und Verbesserung seines Wirkungs- Energieeinsparung und die Rentabilität nach
grades, kann zu Energieeinsparungen bis zu
der Kapitalwertmethode errechnet [7].
20%* führen.
Der Kapitalwe rt stellt den umgerechneten GeDie Erneuerung von Gas-Etagenheizthermen
genwartswert der über einen bestimmten Zeitzur Anpassung an verringe rten Wärmeenerraum - hier 15 Jahre - e rfolgten Ausgaben
giebedarf ist kaum sinnvoll, da bei kleineren
und Einnahmen für eine Maßnahme dar.
Wohnungen die geringst mögliche Auslegung Als Aufzinsrate wurde 7%, als Energiepreisder Thermen in der Regel noch zu groß ist.
steigerungsrate wurden 4,5% angenommen.
Auch sind die Investitionskosten je Wohnung
Maßnahmen mit positivem Kapitalwert sind
im Verhältnis zu eventuell zu erzielenden Ein- wirtschaftlich, bringen höhere Einnahmen als
sparungen hoch.
Ausgaben.
Der Einbau einer Abgassperrklappe zur Redu- Typ A: dreigeschossiges Reihenhaus,
zierung der Abwärmeverluste ist wirtschaftlich einseitig angebaut, 400 m 2 Wohnfläche
erst bei Anlagen ab ca. 30 kW zu ve rtreten,
Typ B: dreigeschossiges Reihenhaus,
Energieeinsparungen von 2 bis 4% sind vor
zweiseitig angebaut, 400 m 2 Wohnfläche
allem bei überdimensionierten Kesseln zu er- Typ C: fünfgeschossiges Wohnhaus in der
reichen.
Stadt, einseitig angebaut, 600 m 2 Wohnfläche
Typ D: fünfgeschossiges Wohnhaus in der
Verbesserung der Regeleinrichtungen
Stadt, zweiseitig angebaut, 600 m 2 Wohnfläche
Die Nachrüstung vorhandener Heizkörper mit
thermostatischen Heizkörperventilen ist im all- Bei der Auswe rtung der graphischen Darstellungen sollte im Einzelfall der Zustand und die
gemeinen problemlos auszuführen, zum Teil
Erneuerungsbedürftigkeit eines betroffenen
sogar ohne Entleerung der Heizanlage.
Bauteils zusätzlich berücksichtigt werden [8].
Durch die Berücksichtigung von Wärmegewinnen durch Sonnenstrahlung, Körperwärme Dämmung der Außenwand durch Hartund anderen Wärmequellen bei der Raumschaumplatten mit Kunstharzputz bringt
regelung sind ca 10% Energieeinsparung
20 bis 35%* Energieeinsparung und liegt im
möglich. Die Investitionskosten sind verwirtschaftlichen Bereich.
gleichsweise niedrig.
Auslegen von Mineralfaser-Dämmatten in
Eine optimale Regelung wird erreicht, wenn
8 cm Stärke auf der Decke gegen unbeheizeine witterungsgeführte Vorlauftemperaturten Dachraum sowie unterseitige Dämmung
regel-Einrichtung eingebaut wird.
der Kellerdecke durch 6 cm Hartschaumplatten sind wi rtschaftlich und bringen
Regeleinrichtungen zur Begrenzung der
Energieeinsparung von 5 bis 15%.
Brauchwassertemperatur bringen zwar nur
geringe Energieeinsparung, verhindern jeWitterungsgeführte Vorlauftemperaturregedoch Schäden an der Anlage durch geringere lung mit Nachtabsenkung, Einbau thermostaKorrosionsgefahr bei geringem Anfall von Här- tischer Heizkörperventile und Regelung zur
tebildnern.
Begrenzung der Brauchwassertemperatur
sind wirtschaftlich und bringen EnergieeinSonstige betriebstechnische Maßnahmen
sparung von 3 bis 14%.
Ein bis zwei Wa rtungen vorhandener HeizanFallbeispiel
lagen je Heizperiode zur Reinigung und Einstellung gewährleisten einen optimalen WirEin dreigeschossiger Wohnblock in 5 .1, 60 Dükungsgrad der Anlage und helfen so, Energie ren, Baujahr 1950, wurde 1981 modernisiert.
einzusparen.
Untersucht werden hier 6 WE mit ca. 270 m2
Der Einbau von Wärmezählern mit Messung
Wohnfläche. Die Außenwände bestehen übernach dem Ultraschall-Prinzip in Zentralheiwiegend aus 24 cm Bimsmauerwerk, im EG
zungsleitungen jeweils vor jeder Wohnung ist
30 cm stark, die Fenster aus Holzrahmen mit
ohne größere Belästigung der Bewohner
Einfachverglasung, die Kellerdecke aus Stahlbeton mit Verbundestrich. Die Decke zum
* Die im folgenden Text angegebenen Prozentzahlen der
nicht ausgebauten Dachraum ist als HolzbalEnergieeinsparung sind nicht als absolute Größen zu
kenjconstruktion mit Schlackenfüllung ausge
verstehen, sondern zeigen die Einsparungsmöglichkeiten im Verhältnis zueinander.
bildet.
57
;^41.+_s+ -r:rern,ver u og
arid
;natandsect,ng
rtewritee:-
3.2
GEBÄUDEPLANUNG
Hausmodernisierung
und
Instandsetzung
giekQstenersparr;ts
Es wurden folgende energiesparende Maßnahmen, zum Teil in bewohnten Räumen,
durchgeführt:
A. Aufbringen von Hartschaumplatten, 5 cm
dick, und Kunstharzputz auf die Außenwand.
B. Einbau neuer Kunststoffenster mit Isolierverglasung (4 x 12 x 4 mm).
C. Aufbringen von Schaumkunststoffplatten,
6 cm dick, unter die Kellerdecke.
D. Ausschäumen der Deckenhohlräume der
Decke zum Dachraum in 6 cm Stärke.
Die Gesamtkosten der energiesparenden
Maßnahmen beliefen sich für den untersuchten Gebäudeteil 1981 auf DM 54150,-.
Durch Berechnung des Wärmebedarfs vor
der Modernisierung und nach erfolgten energiesparenden Maßnahmen ergibt sich bei BeFassade und
heizung mit Gas-Etagenheizungen eine Ener-giekostenersparnsvon ca. DM 2600,- pro
Jahr- 4,8% der Investitionskosten.
Zu berücksichtigen beim Kosten-NutzenVergleich ist allerdings, daß die Fenster sowieso erneuerungsbedürftig und der Außenputz schlecht waren. Hier dürften eigentlich
beim Vergleich nur die Mehrkosten angesetzt
werden, die sich durch bessere energieeinsparende Ausführung gegenüber einer reinen
Instandsetzung ergeben würden.
Anzusetzen wären dann etwa DM 27500,Investitionskosten für energiesparende Maßnahmen. Die Ersparnis von DM 2600,- pro
Jahr entspricht dann 9,5% der Investitionskosten. Die Wirtschaft lichkeit ist an der Höhe
der jeweils üblichen Kapitalverzinsung zu
messen.
Fenster
10
20
15
0
5
5
20
5
2
ö
r
0
0
—5
—5
0
—10
—15
—15
—20
0 20
—25
ö
—30
c —30
—25
—35
= —35
—40
= —40
-fio-
0
10
20
30
40
50
60
70
—80
Energieeinsparung in %
Maßnahmen:
1. 6 cm Dämmplatten mit Kunstharzputz auf Außenwand anbringen.
2. Auf vorhandenem Fenster zweite Schraube in Kunststoffrahmen aufschrauben.
3. Neues Kunststoff-Fenster mit Isolierverglasung einbauen.
Heizung und Brauchwassererwärmung
10
20
0
30
10
20
30 Energieeinsparung in %
Maßnahmen:
1. Witterungsgeführte Vorlauftemperaturregelung mit Nachtabsenkung einbauen.
2. Regelung zur Begrenzung der Brauchwassertemperaturen
einbauen.
3. Einbau von thermostatischen Heizkörperventilen.
4. Umstellung auf Gasbrenner.
Dach und Kellerdecke
Nutzung von Umweltenergie
20
15
10
5
0
5
—10
0
o
oo
—15
—20
—25
iS —30
—35
=
0
^
10
20
30 Energieeinsparung in %
Maßnahmen:
1. 8 cm Dämmatten auf Balkenlage des Dachbodens ausrollen.
2. Dachdeckung aufnehmen, 8 cm Dämmung einlegen, wieder
eindecken.
3. Unter der Kellerdecke 6 cm Dämmplatten anbringen.
4. 8 cm Dämmung zwischen die Dachsparren bringen, Verkleidung mit Gipskartonplatten innen.
Quellenangaben und ausgewählte Forschung
[1]Wischerhoff, E., Düwel, G.: „Energieeinsparung, Wärmeschutz und Heizung", Wingen-Verlag, Essen 1978.
[2] Bundesminister für Forschung und Technologie:
„Bauen und Energiesparen" TÜV-Rheinland-Verlag, Köln,
Bonn 1981.
[3] RWE Bau-Handbuch: „Technischer Ausbau 1981/82"
Energie-Verlag, Heidelberg 1981.
[4] Batt elle-Institut e.V. Frankfu rt , Neuland Gem. Wohnungs-GmbH: „Rationelle Energieverwendung im Fernwärmeversorgungsgebiet der Stadtwerke Wolfsburg AG"
Bericht 1981.
[5] Schild, E., Oswald, R., u.a.: „Konstruktionsempfehlungen zur Altbaumodernisierung - Bauteile im Erdreich",
Bauverlag 1980.
[6] Schmitz, H., Meisel, U., Fleischmann, R.: „Althausmodernisierung - praxisbezogene Anleitung", Schriftenreihe Landes- und Stadtentwicklungsforschung des Landes NW, Band 3.019 I und II, Do rt mund 1980.
[7] Computer-Beratungsprogramm Energiesparen der
Landesbausparkasse: Entwickelt von: Ingenieurgesell58
—40
-80
0
10
20
30
40
50
60
70
Energieeinsparung in %
Maßnahmen:
1. Installation von Sonnenkollektoren für die Brauchwassererwärmung.
2. Einbau einer elektrischen Luft/Wasser-Wärmepumpe für bivalenten Heizbetrieb.
schaft Schmidt-Reuter, Köln, und Gruppe Haus- und
Stadterneuerung, Aachen. Aachen/Köln 1980.
[8] Müller, H.: „Untersuchung des Energieverbrauchs in
Wohngebäuden und der Wirtschaftlichkeit von Energiesparmaßnahmen" Fachaufsatz in: Klima-Kälte-Heizung
4/1981.
Kurzbiographie des Autors:
Dipl.-Ing. H. Schmitz ist Geschäftsführer der Gruppe
Haus- und Stadterneuerung (Architekten und Ingenieure), seine Tätigkeitsschwerpunkte liegen auf dem
Bereich der praktischen Durchführung und Forschung
zum Thema „Altbaumodernisierung".
Dipl.-Ing. U. Meisel ist Mitarbeiter der Gruppe Haus- und
Stadterneuerung. Sein Tätigkeitsbereich erstreckt sich
ebenfalls auf Abwicklung von Modernisierungen und
Forschungsarbeiten mit stark anwendungsbezogenem
Charakter.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout:
Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Koordination: Vladimir Nikolic
PRAXI SINIONMATION
ixxs
Ein Forschungsvorhaben der Bundesarchitektenkammer
durchgeführt im Auftrage des Bundesministeriums
für Städtebau, Raumordnung und Bauwesen
BAUKONSTRUKTION winde
BAUKONSTRUKTION
Wände
Verfasser: Dipl.-Ing. Wilfried Zapke Jul; 1981
Wände und ihre Funktionen
Beim Konzipieren von Wandkonstruktionen
sind aus bauphysikalischer Sicht eine Reihe
von Ein fl üssen zu beachten, die jeweils im
Zusammenhang gesehen werden müssen.
Neben dem
Q winterlichen Wärmeschutz, dem zweifelsohne aufgrund der einschneidenden Entwicklungen auf dem Energiesektor die
größte Bedeutung beizumessen ist, sind
Fragen des
Q sommerlichen Wärmeschutzes,
Q Schallschutzes,
Q Brandschutzes,
Q Witterungsschutzes (Regenschutzes),
Q Feuchtigkeitsschutzes (Tauwasserschutzes)
in die Überlegungen einzubeziehen, wobei
die beiden letztgenannten Einflußgrößen nur
bei Außenwänden relevant sind.
Wärmeschutz
Sparsamer Energieverbrauch bei der Beheizung und hygienisch einwandfreies Raumklima werden wesentlich von der Wärmedämmung der Außenwände beeinflußt. Grundlage für die Bemessung des winterlichen Wärmeschutzes bilden die Bestimmungen der
DIN 4108— Wärmeschutz im Hochbau -Ausgabe August 1981 und die Wärmeschutzverordnung.
Verbessert wird der Wärmeschutz durch Veränderung des Wärmedurchlaßwiderstandes
1/A, und zwar durch
Q Vergrößerung der Wanddicke,
Q Einsatz eines Wandbaustoffes mit geringerer Wärmeleitfähigkeit AR,
Q Anordnen einer zusätzlichen Dämmschicht im Wandquerschnitt.
Durch Mindestanforderungen an den bauli
chen Wärmeschutz im Sommer soll eine zu
hohe Erwärmung der Räume infolge Sonneneinstrahlung vermieden werden. Hierbei
reicht es nicht aus, lediglich die Außenbauteile nach ihrer Wärmedämmung zu beurteilen. Vielmehr hängt der sommerliche Wärmeschutz ab von
Außen 41 r'
Innen
Strahlung
Zustrahlun
(Sonne -
diffus -
Leitung, teils Speicherung
Abstrahlung
Konvektion
Konvektion
Reflektierte
Strahlung
S Wärmezufuhr durch
Strahlung
W Wärmeproduktion
interner Wärmequellen
(Beleuchtung, Bewohner)
U Wärmeaufnahme der
inneren Umfassungsteile
L, K Wärmeabfuhr durch
Lüftungs-oder Klimaanlage
T Transmissionswärme
von außen
Die sich iminnenraum abspielenden
Wärmeübertragungsvorgänge
Zu beachten ist die enge Verknüpfung der
Problematik des sommerlichen Wärmeschutzes mit den Möglichkeiten zur passiven Nutzung der Solarenergie.
Hausnahe Bepflanzungen wie auch direkte
Bepflanzung der Fassaden bilden bei richtiger Artenwahl durch Erzeugung windberuhigter Zonen in Außenwandnähe ein wärmedämmendes Polster, das wesentlich zur Reduzierung der Transmissionsverluste beiträgt. Physikalisch ist dieser Effekt durch die
Vergrößerung des äußeren Wärmeübergangsvviderstandes t/a a zu erklären, und
zwar weist geringer bewegte Luft eine höhere Wärmedämmfähigkeit auf als stärker bewegte Luft.
inter
Begrünte
Fassaden
Wärmeschutz
im Sommer
Q der Energiedurchlässigkeit der Fenster
(Verglasung),
Q dem Fensteranteil an der Außenfläche,
Q der Orientierung der Fenster nach der
Himmelsrichtung,
Q der Lüftung in den Räumen,
Q der Wärmespeicherfähigkeit insbesondere der innenliegenden Bauteile,
Q den instationären Wärmeleiteigenschaften der nichttransparenten Bauteile, im
wesentlichen der Außenwände.
Einzelheiten regelt DIN 4108, Teil 2, Ziffer 7.
^escn utz
2
59
4..
BAUKONSTRUKTION
Wände
Instationäre Wärmeleiteigenschafters
Wärmespeicherfähiykeit
Auch zum sommerlichen Wärmeschutz kön- Das Wärmespeichervermögen wächst mit zunen Fassadenbepflanzungen und hinterlüfte- neh mender Bauteildicke. Von einer gewissen
teAußenwandkonstruktionen einen positiven Dicke an nimmt es nur noch in geringem
Umfange zu. Diese Dicke liegt, für SchwerbeBeitrag leisten, weil bei genügend großem Zwischenraum die angestaute Wärme durch ton bei etwa 8 cm, für Ziegel bei etwa 14 cm
und für Gasbeton bei etwa 20 cm. Bei mehrLuftzirkulation entweichen kann (Kaminwir-
schichtigen Innenbauteilen kommt es auf die
kung).
Dicke der einzelnen Schichten und vor allem
Außenwände sind wechselnden klimatischen auf ihre Reihenfolge an. Leichte wärmedämBeanspruchungen — Sommer und Winter,
mende Schichten auf der Innenseite des RauTag und Nacht— ausgesetzt. Daher ist streng- mes lassen dahinterliegende speicherfähige
genommen ein zeitlich konstanter WärmeSchichten nicht oder nur unwesentlich wirkstrom nie vorhanden. Vor allem im Sommer
sam werden. Innenliegende Bauteile mit nur
verursacht die Sonneneinstrahlung starke,
geringer Speicherfähigkeit können im Somsich in unregelmäßigen Abständen wiederho- mer leicht ein unbehagliches Innenraumklilende Temperaturschwankungen. Diese set- ma (Barackenklima) verursachen.
zen sich in de
r Wand fort, werden dabei gedämpft und machen sich in der Regel erst
Schallschutz
nach Stunden auf der Wandinnenseite bemerkbar. Bei Wänden mit speziellen Wärme- Bestimmte, relativ steife Dämmplatten köndämmschichten ist diese Erscheinung weni- nen auf Massivwände geklebt eine beträcht li
che Verschlechterung der Schalldämmung
ger ausgeprägt.
bewirken.
Der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen
dB
kommt im Winter wie im Sommer große Be- deutung zu, da eine gute Speicherfähigkeit
zu jeder Jahreszeit ausgleichend auf das In60
nenraumklima wirkt. Unter der Speicherfä.•
.• .....
a _• , •
higkeit von Bauteilen versteht man deren Eigenschaft, bei Zunahme der Lufttemperatur
••
E 50
:
Wärme aufzunehmen und diese bei Abnahme E
......•.,..;.•
der Lufttemperatur wieder abzugeben. Diese
40 ""m1111111/ -1111111
Fähigkeit wird hauptsächlich durch die Baustoffrohdichte bestimmt und nimmt mit grö=
30
ßer werdender Masse zu. Da die Aufnahme!
100
200
400
800
1600 3200
Frequenz in Hz
und Abgabe der Wärme durch die Innenbauteile in Wechselbeziehung zur Raumtempe125 mm Normalbeton, beidseitig Verbundplatten
aus 10 mm Hartschaumplatten und 25 mm
ratur erfolgt, wirken wärmespeichernde, das
Holzwolle-Leichtbauplatten anbetoniert und
heißt schwere Bauteile, ausgleichend auf.
verputzt;
Schwankungen der Raumtemperatur. Soa:ohne Dämmplatten R' = 53 dB
b:mit Dämmplatten R' = 42 dB
wohl im Sommer (Problematik des SonnenVerschlechterung der Luftschalldämmung
schutzes) als auch im Winter (Nachtabseneiner Trennwand durch anbetonierte und
kung der Heiztemperaturen) ist dieser Effekt
verputzte Dämmplatten
zu beachten.
4
.
l^.
Eine Reihe möglicher Wandkonstruktionen
mit Angaben zum bewerteten SchalldämmMaß R' W enthält DIN 4109, ,,Schallschutz im
Hochbau", Teil 3, Ziffer 4.3.
a
[°C]
20
20
16
16
12
12
8
8
4
4
0
16h 500
® Zeitlicher Verlauf der Lufttemperaturzunahme
in Räumen verschiedener Bauarten
Leichte Baua rt (p s 500 kg/m3)
mittelschwere Baua rt (p=1000 kg/m3)
3 schwere Bauart (=? 1500 kg/m3)
Erhöhung der Raumlufttemperatur in Abhängigkeit
von der Rohdichte p der raumumschließenden
Bauteile
Brandschutz
Baustoffe—so auch die Dämmstoffe—werden grundsätzlich in brennbare und nichtbrennbare Baustoffe unterschieden.
Das Angebot an Wärmedämmstoffen ist so
umfangreich, daß für bestimmte Wärmedämm-Maßnahmen immer mehrere Produkte
in Frage kommen. Dabei ist das Brandverhalten der Dämmstoffe zu beachten.
Mehrschicht-Leichtbaupl. aus Schaumk. und Holzwolle
Kork
Schaumkunststoff-Ortschaum
Schaumkunststoff
Holzwolle-Leichtbauplatten
Mineralfaserdämmstoff
Schaumglas
'.. Al, A2 nicht brennbar
B1
B2
Einfluß der Rohdichte p der raumumschließenden
Bauteile auf die Raumlufttemperaturzunahme
brennbar
schwerentflammbar
brennbar
normalentflammbar
Brandverhalten
Brandverhalten von Wärmedämmstoffen
60
Witterungsschutz
Bekanntlich leiten feuchte Baustoffe die Wärme sehr viel besser als trockene. Auf ausreichenden Regenschutz ist daher großer Wert
zu legen.
NS
BAUKONSTRUKTION
Die Anforderungen an den Schlagregenschutz werden in DIN 4108, Teil 3, Ziff. 4.
beschrieben. Im einzelnen werden die dem
Regenschutz dienenden Schichten aufgrund
des Wasseraufnahmekoeffizienten (Angabe
für die Saugfähigkeit) und der diffusionsäquivalenten Luftschichtdicke (Angabe für
die Wasserabgabe durch Verdunstung) bewertet. Man unterscheidet:
Wände
^%
Gru ppeI
II
u1
gering
Beanspruchung
mittel
stark
Jahresnieder<600 mm
<800 mm
>800 mm
schlag
Lage geschützt Hochhäuser und Häuser in exponierter Lage in Gebieten, die
aufgrund der regionalen Regenund Windverhältnisse einer
"
geringen mittleren
Schlagregenbeanspruchung
zuzuordnen wären,
Schlagregenbeanspruchungsgruppen
Außenputze aus Mörteln der Gruppen II und
III nach DIN 18550 gelten als wasserhemmend und genügen geringer sowie mittlerer
Schlagregenbeanspruchung. Gleiches gilt
für zweischaliges Verblendmauerwerk ohne
Luftschicht nach DIN 1053, Teil 1. Zweischaliges Verblendmauerwerk mit Luftschicht und
Wände mit hinterlüfteten Außenwandverkleidungen entsprechen der Beanspruchungsgruppe III. Hinsichtlich anderer Wandbauarten wird auf DIN 4108, Teil 3, Tab. 1, verwiesen.
Feuchtigkeitsschutz
Tauwasserausfall auf der dem Raum zugewandten Oberfläche sowie im Inneren von
Außenwänden führt ebenso zu einer Verschlechterung des Wärmeschutzes wie
Durchfeuchtungen aufgrund eines mangelhaften Witterungsschutzes.
Als Faustregel für eine einwandfreie Ausbildung in wärmeschutz- wie diffusionstechnischer Hinsicht kann gelten:
O Der Wärmedurchlaßwiderstand 1/A der
einzelnen Bauteilschichten soll von innen
nach außen ansteigen.
O Die diffusionsäquivalente Luftschichtdicke
µ s soll von innen nach außen kleiner
werden.
Regenschutz
^
^
^
O wasserhemmende Schichten,
O wasserabweisende Schichten,
O wasserundurchlässige Schichten
(vgl. DIN 18550 E, Teil 1, Putz. Begriffe
und Anforderungen).
Die Beanspruchung von Gebäuden durch
Schlagregen wird durch Einordnen in bestimmte Beanspruchungsgruppen beschrieben. Je nach Windgegend, Höhe des Jahresniederschlages und Lage des Gebäudes werden drei Beanspruchungsgruppen unterschieden:
D
1/A
/
Damit wird deutlich, daß bei lnnendämmungen- abgesehen von dem Problem der
zwangsläufig auftretenden Wärmebrücken die Gefahr der Tauwasserbildung auf der
raumseitigen Wandoberfläche je nach Wandaufbau gegeben ist. Hinweise auf Außenwände, für die kein rechnerischer Nachweis des
Tauwasserausfalles infolge Dampfdiffusion
erforderlich ist, enthält DIN 4108, Teil 3, Ziffer:
3.2.3. Werden die dort genannten Bedingungen nicht erfüllt, ist eine Diffusionsberechnung nach DIN 4108, Teil 5, notwendig.
Außenwände
Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen an den Mindestwärmeschutz gemäß DIN
4108 werden Außenwände in Konstruktionen
0 leichter ¢auart (flächenbezogene Masse
<300 kg/m 2) und
0' schwerer Bauart (flächenbezogene Masse
300 kg/m2)
leichte und schwere
Bauart
unterteilt.
Die Mindestwerte der Wärmedurchlaßwiderstände 1/A sind für leichte Außenwände größer als für schwere (vgl. DIN 4108, Teil 2,
Tab. 2).
Leichte Wandkonstruktionen verhalten sich
in thermischer Hinsicht grundsätzlich anders'
als schwere.
70
Fenster
60
50
40
30
20
Wand (schwer)
10
Wand (leicht)
Sonne (kurzwellig)
0
100
200
300
400
500
Dam pfdiffusion
SEMI
Mad
0 4 8 12 16 20 24 Tageszeit(h)
Der Einfluß leichter und schwerer Baua rt
61
4.
BAUKONSTRUKTION
Wände
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung
des Wärmeschutzes einschaliger Außenwände liegt in der Verwendung sogenannter Wär-.
medämmputze. Bei den Dämmputzen handelt es sich um mehrere Zentimeter dicke
mineralische Putze mit wärmedämmenden
Zusätzen. Die wärmedämmende Wirkung ist
wesentlich größer als bei üblichen Außenputzen. Dämmputze, die nicht DIN 18550 entsprechen, bedürfen einer bauaufsichtlichen
Zulassung.
Während über die leichte Wandkonstruktion
ebenso wie über das Fenster zu den Zeiten
starker Sonneneinstrahlung weniger Wärme
verlorengeht, vergrößern sich zu dieser Zeit
bei der schweren Wand die Wärmeverluste.
Die schwere Wandkonstruktion wirkt also
ausgleichend.
Die Unterschiede in der Höhe der Wärmeverluste resultieren daraus, daß die leichte
Wandkonstruktion etwas besser wärmegedämmt ist als die schwere.
einschalige Wände
mehrschichtige
Wände
Bei mehrschichtigen Außenwänden wird ein
Teil der Aufgaben der gesamten Wand übertragen (Schallschutz, Brandschutz), während
andere bautechnische und bauphysikalische
Aufgaben einzelnen Wandschichten zugeordnet werden. Eine zumeist schwere Wandschicht liegt in. der Regel auf der dem Raum
zugekehrten Seite und übernimmt die Weiterleitung der Lasten in den Untergrund. Der
Witterungsschutz wird durch eine besondere
Schutzschicht auf der Wandaußenseite übernommen, während eine Wärmedämmschicht
für ausreichenden Wärmeschutz sorgt.
Nach der Konstruktion können Außenwände
in einschalige (monolithische) und mehrschichtige Wände unterschieden werden.
Einschalige Wände sind Wandaufbauten mit
einer tragenden Mittelschicht, die üblicherweise beidseitig mit einer dünnen Putzschicht versehen werden und die sämtliche
Funktionen als Ganzes erfüllen müssen. Es
handelt sich hierbei um langbewährte unkomplizierte Konstruktionen, die bei fachgerechter Ausführung den heutigen Ansprüchen ohne weiteres genügen.
Es fällt auf, daß im Bereich schlechter k-Werte bereits geringe Dämmschichtdicken ausreichen, um den Wärmeschutz wesentlich zu
verbessern. Diese Erscheinung ist um so ausgeprägter, je schlechter der Wärmeschutz
des Restquerschnittes ist. Dagegen sind im
Bereich guter k-Werte (k0,5 W/m2 K) immer
größere Dämmstoffdickenerforderlich, um
noch effizient Energie zu sparen.
Weiterentwicklungen während der letzten
Jahre haben zu Stoffen geführt, mit deren
Hilfe auch die heutigen Anforderungen an
den Wärmeschutz erfüllt werden können.
Hier sind unter anderem spezielle Leichtziegel sowie Steine aus Gas- bzw. Leichtbeton
zu nennen.
Effizienz der
Wärmedämmung
Die Rechenwerte für die Wärmeleitfähigkeit
sind DIN 4108, Teil 4, zu entnehmen. Davon
abweichende Werte müssen im Bundesanzeiger veröffentlicht sein.
2,50
Kurve 1: Außenwand 24 cm HLz 1,2 beidseits verputzt + Dämmschicht
Kurve 2: Dämmschicht in einer Außenwand
2,00
Weiterhin wird unterschieden zwischen Mauerwerk mit Normalmörtel gemäß DIN 1053,
Teil 1, Ziffer 4, und Mauerwerk mit Leichtmauermörtel (Wärmedämm-Mörtel). Bei der
Verwendung von Leichtmauermörtel sind
hinsichtlich der zulässigen Druckspannungen des Mauerwerks die Ergänzungen zu
Tab. 10 der DIN 1053, Teil 1, zu beachten
(siehe Ministerialblatt für Nordrhein-Westfalen Nr. 28 vom 3. April 1978).
1,50
E
1,00
= 0,040 W/(mIC)' ?;
0,50
0,00
10
15 d [cm]
Abhängigkeit des k-We rtes von der Dämmstoffdicke d
10',
AUSSENWAND
schwer
leicht
nicht
hinterlüftet
Innendämmung
mehrschichtig
einschalig
hinterlüftet
n Außendämmung
Kerndämmung
Wärmedämmputz
Außendämmung
Thermohaut
Vorhangfassade
t
9'.
62
Die Tatsache, daß mit der Vergrößerung der
Dämmstoffdicke keine lineare Verbesserung
des Wärmeschutzes einhergeht, bedeutet
aber nicht, daß man nur relativ geringe
Dämmstoffdicken wählen sollte, um im Bereich vermutlich effektiver Dämm-Maßnahmen zu bleiben. Wer sich mit einem Minimum
an Wärmedämmung begnügt, läuft Gefahr,
eines Tages mit wesentlich höheren Kosten
eine Verbesserung des Wärmeschutzes vornehmen zu müssen. Wärmedurchgangskoeffizienten k = 0,4 W/m 2K sollten deshalb bereits heute für mehrschichtige Außenwände
angestrebt werden.
Mehrschichtige Außenwände werden je nach
Lage der Wärmedämmschicht in Wände mit
Q Außendämmung,
Q Kerndämmung,
Q Innendämmung
unterteilt. Bei der Außendämmung unterscheidet man hinterlüftete und nicht hinterlüftete Konstruktionen.
Außenwände aus zweischaligem Mauerwerk
mit Luftschicht (vgl. DIN.1053, Teil 1) werden
häufig in Norddeutschland eingesetzt. Sie
sind bauphysikalisch unproblematisch, aber
verhältnismäßig aufwendig.
Außen
40°C
30°
Sommer
20°C
Frost
±0°C
-15°C
4
5
Die Ausführung von außenseitigen Wärmedämmschichten mit Putzbeschichtungen
(Thermohaut) sollte nur Firmen übertragen
werden, welche die Konstruktion als geschlossenes System anbieten. Als Wärmedämmschicht dienen meistens Hartschaumplatten, die stumpf oder mit einer speziellen
Randausbildung versehen gestoßen werden.
Neuerdings werden auch Systeme mit Wärmedämmstoffen auf mineralischer Basis angeboten. Da Hartschaum nach der Herstellung einem Schwindprozeß unterliegt, sollten geschnittene Hartschaumplatten mindestens sechs Wochen, möglichst aber drei Monate, abgelagert sein. Die Wärmedämmschicht sollte mindestens 4 cm, möglichst
jedoch dicker gewählt werden. Der Oberputz
wird entweder als Kunststoffputz oder als
mineralischer Edelputz ausgeführt.
Außen
1 23
2
3
sen sorgfältig gegen Korrosion, Fäulnis und
gegen Schädlinge geschützt sein. Der Abstand zwischen Innen- und Außenschale darf
bei zweischaligem Mauerwerk 12 cm nicht
überschreiten. Die Luftschicht muß in diesem
Fa ll mindestens 4 cm dick sein. Damit beträgt
die maximal mögliche Dicke für die Wärmedämmschicht 8 cm.
Die gleichen Kriterienkönnen für hinterlüftete Außenwandbekleidungen zugrunde gelegt
werden.
Eine besondere Form des Luftschichtmauerwerks entsteht durch die Verwendung sogenannter Luftschicht-Dämmplatten. Das sind'
plattenförmige Dämmelemente mit einer
Wärmedämmschicht aus Mineralfasern oder
Schaumkunststoff und aufkaschierten bzw.
integrierten Lüftungszonen. Planung und
Ausführung des Mauerwerks müssen unter
Beachtung der Bestimmungen des jeweiligen Zulassungsbescheides erfolgen.
45
11,5 cm Verbiendmauerwerk
AR = 1,10 W/(m•K;
4,5 cm Luftschicht
6,0 cm Mineralfaserdammplatten
A R = 0,040 W/(m•iO
17,5 cm tragendes
Mauerwerk
AR = 0,99 W/ (m ia<)
1,5 cm Innenputz
AR = 0,70 W/(m • K)
k-Wed 0,47 W/(m 2 K).
Sommer
1 4,0 cm hi;atursteinplatten
2 4,0 cm Luftschicht
3 ö,fl cm Mineralfaserdämmplatten
hR = 0,040 W/(m•K)
4 18 cm Stahlbeton
AR = 2,10 W/(m•K)
5 1,5 cm Innenputz
aR = 0,70 W/(m K)
k-Wed 0,57 W/(m2 K).
60°C
3 s°C
Frost
±0°C
-15°C
123
12
3 4
Beispiele für zweischaliges Mauerwerk
und Vorhangfassade
Ähnlich wie das zweischalige Mauerwerk ist
die hinterlüftete Außenwandbekleidung (DIN
18516-Außenwandbekleidungen ) bauphysikalisch einwandfrei. Als äußere Bekleidung
(Vorhangfassade) kommen Asbestzement
platten, Leichtmetalltafeln, Kunststoffelemente, Holzverschalungen, Natur und
Kunststeinplatten in Frage. Die Verbindung
mit der tragenden Wand erfolgt beim zweischaligen Mauerwerk -über nichtrostende
Stahlanker mit mindestens 4 mm Durchmesser und bei Vorhangfassaden je nach Art der
Bekleidung über Lattenroste, eingelassene
Anker oder spezielle Abstandhalter. DieUnterkonstruktion und Befestigungsmittel müs-
1 0,6 cm mehrlagige, armierte Putzbeschichtung
AR = 0,70 W/(m • K)
2 6,0 cm PS-Hartschaumplatten
A R = 0,040 W/(m• K)
3 0,4 cm Ansetzkleber
A R = 0,35 W/(m•K)
4 24,0 cm Mauerwerk
AR = 0,70 W/(m • K)
k-Wert 0,50 W/(m2- K). ';
1 1,0 cm mehrlagige, armierte Putzbeschichtung
A R = 0,70 W/(m-K)
2 6,0 cm mineralische
Fassadendämmplatte
AR = 0,040 W/(m • K)
3 24,0 cm Mauerwerk
A R = 0,60 W/(m•K)
4 1,5 cm Innenputz
AR = 0,70 W/(m • K)
k-Wert 0,45 W/(m 2 • K).
Beispiele für Außendämmung durch Thermohaut
12
63
4.1
BAUKONSTRUKTION
Wände
zweischaliges
Mauerwerk
Die Thermohaut hat sich seit langem bewährt, jedoch ist das diffusionstechnische
Verhalten nicht eindeutig (vgl. hierzu DIN
4108, Teil 3, Ziffer 3.2.3.1.3).
Von Kerndämmung spricht man, wenn die
Wärmedämmung etwa in der Mitte von Außenwänden liegt. Der Zwischenraum bei
zweischaligem Mauerwerk kann auf verschiedene Art und Weise ausgefüllt sein:
• hydrophobierte Schütt-Dämmstoffe,
O Schaumkunststoff-Ortschaum,
• hydrophobierte Mineralfaserdämmplatten,
O spezielle Hartschaumplatten.
Dabei kann im Maximum der Zwischenraum
zwischen Innen- und Außenschale von 12 cm
voll ausgenutzt werden. Die Verblendung
sollte aus Gründen des Feuchtigkeitsschutzes infolge Dampfdiffusion ein möglichst geringes sd aufweisen. (sd = diffusionsäquivalente Luftschichtdicke).
Kerndämmungen sind nicht genormt und unterliegen daher der Zulassungspflicht. Bei
Verwendung von Mauersteinen mit integrierter Wärmedämmschicht entsteht „einschaliges" Mauerwerk mit Kerndämmung.
1 2,0 cm Außenputz
1 2,0 cm Außenputz
NR = 0,87 W/(m•K)
NR = 0,87 W/(m- K)
2 9,5 cm Außenschale d. 2 5 ,0 cm Holzwolle-
Leichtbauplatten
NR =0,093 W /(m-K)
Holzspanbetonsteines
NR = 0,13 W/(m • K)
3 16,0 cm Kernbeton
2,10 W/(m-K)
NR=
3 18,0 cm Kernbeton
2,10 W/(m•K)
NR=
4 4,5 cm Innenschale des 4 2,5 cm Gipska rt .-Platten
Holzspanbetonsteines
NR = 0,21 W /(m•K)
NR = 0,13 W /(m•K)
5 1,5 cm Innenputz
5 1,5 cm Innenputz
NR = 0,70 W/(m • K)
NR = 0,70 W/(m-K) k-We rt 1,05 W /(m 2 • K)
k-We rt 0,73 W/m2-K)
Beispiele für Manteldämmung
14'
Innenliegende Wärmedämmschichten lassen
sich preisgünstig anbringen. Es muß aber
besonderes Augenmerk auf den Feuchtigkeitsschutz (rechnerischer Nachweis) und
die unvermeidlichen Wärmebrücken (siehe
Seite 1338) gelegt werden. Innendämmung
sollte nur in Frage kommen, wenn
• Räume:zeitweise beheizt werden,
Q bei Altbauten aus denkmalpflegerischen
Gründen die Außenfassade erhalten bleiben soll.
5
1 2,0 cm Außenputz
^R = 0,87 W/(m' K)
2 7,0 cm Außenschale des
Hohlblocksteines
2 ' 6,O cm Wärmedämmung
NR=0,49 W/(m•K)
NR = 0,040 W/(m • K)
3 6,0 cm Wärmedämmung!
3 ' 14,0 cm Stahlbeton
NR = 2,10 W/(m K)
N R = 0,040 W/(m K)
4 17,0 cm Innenschale
4 ' 0,5 cm Spachtelputz
des Hohlblocksteines
NR = 0,27 W /(m K)
= 0,49 W/(m • K)
NR
5 ' 1,5 cm Innenputz
NR =0,70 W/(m•K)
1 7,0 cm Stahlbeton als
Sichtbeton
XR 2,10W/(m.K)
k-We rt 0,56 W/(m2 K)
24,0 cm Mauerwerk
(frostbeständig)
NR = 0,81 W/(m-K)
2 0,7 cm Ansetzkleber
NR = 0,35 W/(m-K)
3 4,0 cm PS -Ha rt-
k-We rt 0,52 W/(m 2 • K) +
Beispiele für Kerndämmung
13
Außenwände mit beidseitiger Wärmedämmung werden entweder aus entsprechenden
Schalungssteinen (Holzspanbeton,
Schaumkunststoff) oder in Mantelbetonbauart hergestellt.
64
schaumplatten
NR = 0,040 W/(m; K)
4 PE-Folie als Dampfbremse
5 1,3 cm Gipskartonpl.
^R =0,21 W/(m•K)
k-We rt 0,65 W/(m 2 • K)
Beispiele für Innendämmung
16,0 cm Stahlbeton
(Sichtbeton)
N R = 2,10 W/(m•K)
2 5,0 cm Mineralfaserdämmplatten
N R = 0,040 W/(m- K)
3 Alu-Folie als Dampfbremse
4 1,3 cm Gipskartonpl.
auf Lattenrost
^R = 0,21 W/(m• K)
k-We rt 0,64 W /(m2 K)
15
Die Trombe-Wand besteht im Prinzip aus ei- Winterlicher Wärmeschutz
ner schweren, massiven Speicherwand, vor
der eine Verglasung angeordnet wird. Sie ist Der Einfluß von Innenwänden auf den winphysikalisch gesehen Kollektor und Speicher terlichen Wärmeschutz ist nur dort von Bedeutung, wo sie Räume mit unterschiediizugleich.
chem Temperaturniveau voneinander trenDie kurzweiligen Sonnenstrahlen durchdrin- nen . Dies ist besonders bei Trennwänden zu
gen die Glasfassade, werden von der dahinunbeheizten Treppenräumen der Fall.
terliegenden Wand mit möglichst dunkler
Innenliegende Treppenräume und eingebauOberfläche absorbiert und in langwellige
te Treppenräume mit einer Außenwand weiWärmestrahlung verwandelt. Je nach Wandsen in der Regel auch ohne Beheizung Innendicke und Art des Materials wird die aufgetemperaturen von mehr als 10 °C auf und
nommene Sonnenenergie unterschiedlich
können daher als fremdbeheizt angesehen
lange gespeichert, bis sie Stunden später
werden. In diesen Fällen kann die Wärmeden dahinterliegenden Wohnräumen als
dämmung sowohl an der Treppenraumwand
Wärmegewinn zugute kommt.
als auch an der Gebäudeaußenwand vorgeDurch bewegliche Sonnenschutzelemente nommen werden. In der Praxis wird man in
und Querlüftung innerhalb der Wohnräume
kann die Überhitzung während warmer Som- der Regel der zweiten Lösung den Vorzug
geben.
mertage vermieden werden.
Liegt das Treppenhaus vor dem Gebäude
und wird dieses nicht beheizt, so liegt die
Innentemperatur wesentlich unter der von
eingebauten Treppenräumen. Hier ist die
Wärmedämmung der Wände zum Treppenraum sinnvoll.
Wohnungstrennwände zwischen Wohnungen und zu Nachbargebäuden sind nach dem
heutigen Stand der Technik wärmeschutztechnisch von untergeordneter Bedeutung,
weil davon ausgegangen werden kann, daß
auf beiden Seiten der Trennwände je nach
Beheizung in etwa das gleiche Temperaturniveau herrscht. Je größer jedoch der Wärmeschutz der Gebäudehülle wird, desto
mehr ist darauf zu achten, daß Wohnräume
nicht durch benachbarte Räume indirekt beheizt werden. Bei mittleren k-Werten für das
ganze Gebäude von k m - 0,4 W/(m 2K) sollte
daher der k-Wert der Innenwände bei 0,7
W/(m2K) liegen.
Bisher wurde die Wärmespeicherfähigkeit
von Innenbauteilen und ihre Wirkung durch
Trombe-Wand
16 das Raumklima von Planern und Konstrukteuren wenig beachtet. Wenn man zukünftig
Innenwände
vermehrt Niedertemperaturheizsysteme einUnter Innenwänden werden im folgenden al- setzen und die Sonnenenergie als über die
Fenster eingestrahlte Wärme nutzen will,
le Wände verstanden, die nicht an Außenluft
grenzen (Ausnahme: Erdreich). Eine speziel- müssen zur Kompensation der geringeren
le Art von Innenwänden sind WohnungsRegelfähigkeit von Heizungsanlagen und
tren nwände.
zum Ausgleich der Schwankungen der
WOHNUNGTRENNWÄNDE
^'^
zwischen
Wohnungen
zum
Treppenhaus
leicht
mehrschalig
zum
Nachbargebäude
schwer
einschalig
mehrschalig
1234
'i
7:^It a1#'1n[iRE
2
3 Gipsputz
1 ! Gipsputz
2 ' Kalksandlochsteine KSL 1,4 in
Kalkzementmörtel
3 '', Mineralfaser-Trittschalldämmplatte T20/15/1
1. '
fl
Dicke
Art. Nr.- Schicht
cm
A
1 Holzspanplatte, Flachpreßplatte : 1,3,1
2 Mineralfaser-Wärmedämmplatte 5,0i
WD 050
2,5
3 Luftschicht
4 Holzspanplatte, Flachpreß', 1,3
platte
10,1 ,
B ;1 I Gipsputz
'! 1,5 j
2 ; Kalksandlochsteine KSL 1,4 in ,'24,0
Kalkzementmörtel
3
4 3 4
15,
27,0
1,5
17,5
2,0
4 ! Kalksandlochsteine KSL 1,4 mit
Kalkzementmörtel
17,5
5 ! Gipsputz
1,5
40,0
17
65
.1
BAUKONSTRUKTION
Wände
Trombe-Wand
Treppenraumwände
Speicherfähigkeit
4.1
BAUKONSTRUKTION
Wände
Einstrahlungsintensität ausreichend speicherfähige Massen im Innern vorhanden und
nutzbar sein. Dies hat zudem den Vorteil, daß
besondere Sonnenschutzmaßnahmen zur
Verminderung der Wärmebelastung der Räume unter Umständen ganz und gar entfallen
können.
Um die Speicherfähigkeit so weit wie möglich auszunutzen, müssen möglichst
1. für die Innenbauteile schwere Baustoffe
verwendet und
2. wärmedämmende Schichten auf den
raumseitigen Oberflächen, wie z. B.
Wand- und Deckenverkleidungen, Holzfußböden, dickere Teppichbeläge, vermieden werden,
3. die Wärmedämmschichten von Außenwänden außen liegen.
sommerlicher
Wärmeschutz
Um diesen Zusammenhängen gerecht zu
werden, ist in DIN 4108, Teil 2, für Gebäude
ohne raumlufttechnische Anlagen ein Kapitel
über den sommerlichen Wärmeschutz aufgenommen worden. Danach werden die raumumschließenden Innenbauteile nach leichter
und schwerer Innenbauart unterschieden.
Bei einer flächenbezogenen Masse, die größer als 600 kg/m2 ist, liegt eine schwere Innenbauart vor. Für die Bestimmung der flächenbezogenen Masse ist zu beachten, daß
O bei Innenbauteilen ohne Wärmedämmschicht die Masse zur Hälfte angerechnet
wird,
O bei Innenbauteilen mit Wärmedämmschicht die Masse derjenigen Schichten
angerechnet wird, die zwischen der raumseitigen Bauteiloberfläche und einer
Dämmschicht mit ?, R 0,1 W/(m • K) und
1/A ? 0,25 m 2 • K/1N angeordnet wird,
höchstens jedoch die Hälfte der Gesamtmasse,
O bei Innenbauteilen mit Holz oder Holzwerkstoffen die Schichten aus Holz oder
Holzwerkstoffen näherungsweise mit dem
zweifachen Wert ihrer Masse angesetzt
werden dürfen.
Wärmebrücken
Wärmebrücken in Außenwänden oder bei Außenwandverbindungen sind örtlich begrenzte Bereiche, die einen geringeren Wärmeschutz aufweisen als die umgebenden Flächen. Die Oberflächentemperaturen auf der
Innenseite liegen hier daher meist deutlich
niedriger als in den angrenzenden Bereichen. Tauwasserniederschlag, Durchfeuchtungserscheinungen und Pilzbefall sind die
`Folge.
Der Nachteil von Wärmebrücken ist weniger
der durch sie entstehende Wärmeverlust,
wenn auch ihr zunehmender Einfluß bei immer höher werdendem Dämmniveau nicht
unterschätzt werden darf, als die Tauwasserbildung und daraus resultierende Bauschäden.
Für Wärmebrücken sind mindestens die in
DIN 4108, Teil 2, Tabelle 1, gestellten Anforderungen einzuhalten, sofern nicht für die
ungünstigste Stelle besondere Werte angegeben sind. Vor Heizkörpern darf die Wärme-f,
dämmung von Außenwänden nach §2 Abs. 3
der Wärmeschutzverordnung nicht geringer
66
sein als in den anderen Außenwandbereichen.
Wärmebrücken werden auf sichere Art und
Weise vermieden, indem man das ganze Gebäude konsequent auf seiner Außenseite gegen Wärmeverluste dämmt. Anderenfalls
sind konstruktive Maßnahmen zur Vermeidung von Wärmebrücken zu ergreifen, indem
man zusätzliche Wärmedämmschichten im
Bereich der Wärmebrücken innen oder außen anordnet. Bei Innendämmung sind gegebenenfalls Dampfsperren vorzusehen.
Querlenz
Nikolic, V.: Handbuch des energiesparenden Bauens,
Wuppertal 1978 (Abb. 1, 8).
Wettbewerb Solartypologie Melkerei Landstuhl,
Arch. 0. M. Ungers (Abb. 2).
Schild u. a.: Bauphysik, Braunschweig 1977 (Abb. 3).
Gösele, Schäle: Schall, Wärme, Feuchte, Wiesbaden
1980 (Abb. 4).
Heben, H.: Neuer baulicher Wärmeschutz, Braunschweig 1978 (Abb. 11, 12, 13, 14, 15).
Literaturhinweise:
1. Forschungs- und Materialprüfungsanstalt BadenWürttemberg, Otto-Graf-Institut: Witterungsverhalten
von Wärmedämmputzsystemen. Forschungsarbeit im
Auftrage des Bundesministers für Forschung und Technologie.
2. Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V., Institut für Bauphysik, Stuttgart : Wärme- und Regenschutz bei zweischaligem Sichtmauerwerk mit Kerndämmung. Forschungsarbeit im
Auftrage des Bundesministers für Forschung und Technologie.
3. Außenstelle Holzkirchen des Instituts für Bauphysik
der Fraunhofer-Gesellschaft: Untersuchungen über das
Verhalten von kunststoffbeschichteten Wärmedämmplatten auf Außenwänden in der Praxis. Forschungsarbeitim Auftrage des Bundesministers für Raumordnung,
Bauwesen und Städtebau.
4. Gertis, K., und Hauser, G., Universität Essen: Sommerlicher Wärmeschutz von Gebäuden. Forschungsarbeit im Auftrage des Bundesministers für Raumordnung,
Bauwesen und Städtebau.
5. Schild, E., u. a.: Bauschäden im Wohnungsbau, Teil
V, Außenwände und Öffnungsanschlüsse, Empfehlungen zur Schwachstellenvermeidung. Forschungsarbeit
im Auftrage des Innenministers des Landes NordrheinWestfalen.
6. DIN 4108, Wärmeschutz im Hochbau, Ausgabe
Augus1981.;
7. Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung) vom
11.August 1977.
B. Bauen und Energiesparen. Ein Handbuch zur rationellen Energieverwendung im Hochbau. Verlag TÜV
Rheinland, Köln, 1979.
9. Hebgen, H.: Neuer baulicher Wärmeschutz. Verlag
Vieweg u. Sohn, Braunschweig, 1978.
10. Zapke, W.: Wärmeschutztechnisch einwandfreie
Ausbildung der gebäudeumschließenden Bauteile.
bei Neubauten RKW-Merkblatt Nr. 55, Hrsg. RG-Bau,
Eschborn 1982.
Kurzbiografie des Autors:
Dipl.-Ing. Wilfried Zapke
Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung „Bauphysik und Baukonstruktion" im Institut für Bauforschung
e. V., Hannover. Die Schwerpunkte seiner Tätigkeit liegen auf den Gebieten Bauphysik, Energieeinsparung,
Wirtschaftlichkeitsfragen, Bauschäden.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout Dipl.-Ing. Bernd
Faskel, Koordination: Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic
PIIAXISINRIHMAIIIIN
FNERGIE[INSPAHIINB
Ein
Forschungsvorhaben der Bundesarchitekteru
durchgeführt im Auftrage des Bundesminis
für Städtebau Raumordnung und Bau.:
3 WilfriedZauAe
Dächer
Die Funktion eines Gebäudes, seine flächenmäßige Ausdehnung, seine Gliederung und
seine Einbettung in die Umgebung bestimmen letztendlich die Dachkonstruktion. Dabei hat der Planer die Aufgabe, unter Berücksichtigung der bauphysikalischen und bautechnischen Gegebenheiten ein Optimum an
gestalterischer Qualität bei Respektierung
wirtschaftlicher und baupraktischer Belange
zu realisieren.
Aus bauphysikalischer Sicht werden Dächer
in nichtbelüftete und belüftete Konstruktionen („Warmdächer” und „Kaltdächer") unterschieden. Beim nichtbelüfteten Dach
grenzen alle Schichten unmittelbar aneinander und bilden in ihrer Gesamtheit eine
Schale.
Oberflächenschutz
+. .a^ • ^^ ^ • :rer^^w: Y• :•+^•: :•' Dachabdichtung
_..r •^ rY V ^^ I' •• ^^•
:i ^.
is • ^^.
iii : izinsui T
1^ Ausgleichs► ®i
schicht
T2 T? I iT i T2 T?'^ i t T 1 T ^T 1 b!: Wärmedämmung
Dampfsperrschicht
AusgleichsPAirrilia7
schicht
Tragkonstruktion
Putz
Nichtbelüftetes einschaliges Dach
^ --^^,..
ME
:
..
!^!
e
Wird für die Tragkonstruktion Gasbeton verwendet, so können Wärmedämmschicht und
somit unter Beachtung von DIN 4108, Teil 3,
Ziffer 3.2.3.2, auch die Dampfsperre entfallen.
Beim belüfteten Dach werden die Bauteilschichten durch eine Luftschicht, die mit der
Außenluft verbunden ist und für die nach DIN
4108, Teil 3, Ziffer 3.2.3.3, bestimmte Konstruktionsregeln zu beachten sind, getrennt.
Kennzeichen des belüfteten Daches sind also
zwei durch eine Luftschicht getrennte Schalen.
Außere Schale
Oberflächen..^^
.: • Y._ schutz
. . •. ; i.• ,.:^
^. ......
^_ ^.
. =
m^in^au^i,^^u t^ü Dachabdichtung
Belüftete Luftschicht
r111> TT?l?jTh 1
S?
Z1
rapp7Ar
jar
Innere Schale
Belüftetes zweischaliges Dach
Ausgleichsschicht
Dachschalung
Wärmedämmung
Tragkonstruktion
Putz
2
Nichtbelüftete wie auch belüftete Dachkonstruktionen können bei allen üblichen Dachneigungen eingesetzt werden.
KONSTRUKT1ON
Dachgewicht
Eine wesentliche Einflußgröße für dassommeriiche Raumklima ist das Dachqewicht.
Leichte Dachkonstruktionen in Verbindung
mit großen Fenstern ohne Sonnenschutzmaßnahmen und einem geringen Anteil wärmespeichernder Innenbauteile begünstigen
eine hohe Erwärmung im Sommer. Die Temperaturen in Wohnräumen unter dem Dach
steigen schnell über das als angenehm empfundene Maß.
An leichte Dachkonstruktionen werden deshalb wärmeschutztechnisch höhere Anforderungen gestellt als an schwere. Damit wird
die Problematik des sommerlichen Wärmeschutzes leichter Dächer jedoch nur zum Teil
erfaßt. Ausreichendes Speichervermögen der
Innenbauteile und adäquate Sonnenschutzmaßnahmen dürfen bei der Planung nicht
außer acht gelassen werden.
Unterscheidungsmerkmal ist das Dachgewicht, genauer die flächenbezogene Masse
der raumseitigen Bauteilschichten, und zwar
gilt: flächenbezogene Masse < 300 kg/m2—
leichte Bauart, flächenbezogene Masse 300'
kg/m 2 - schwere Bauart. Hinsichtlich der
Bestimmung der flächenbezogenen Masse
wird auf die Fußnoten der Tabelle 2 in Teil 2
der DIN 4108 verwiesen.
Wärmedämmung
Zur Wärmedämmung können alle Wärmedämmstoffe verwendet werden, sofern sie
mindestens normalentflammbar sind (Bau,
stoffklasse B 2).
Wärmebrücken durch nachträgliches
Schwinden der Dämmstoffe sind zu vermeiden. Beispielsweise gibt es Polystyrol-Hartschaumplatten, die unter Spannung zwischen den Sparren eingebaut werden und
daher in gewissen Grenzen schwinden können.
Wenn nicht genormte Baustoffe—wie zum
Beispiel Schüttungen — zur Anwendung kommen, sind die entsprechenden Nachweise
wie Prüfbescheide, Veröffentlichungen der
Rechenwerte des Wärmeschutzes im Bundesanzeiger usw. zu prüfen auf
O Geltungsdauer,
O Übereinstimmung mit dem Anwendungsfall,
O Einhaltung der tangierten Vorschriften.
Feuchte Wärmedämmstoffe vermindern den
Wärmeschutz erheblich. Durchfeuchtungen,
ob sie nun durch mangelhaften Witterungsschutz oder durch Tauwasserbildung im
Bautenquerschnitt entstehen, sind daher unbedingt zu vermeiden.
Steildächer
Bisher konnten Steildächer sowohl in konstruktiver als auch bauphysikalischer Hin67
Leichte und schwere
Dachkonstrukticnen
Nichtbelüftete
und belüftete
Ko, ,struktionen
Wärmedämmstoffe
4E2
BAUKONSTRUKTION
Dächer und Decken
Dachgeschoßausbau
11,
Wärmedämmung
von Steildächern
sicht als problemlos gelten. Große, nicht
oder nur zu untergeordneten Zwecken genutzte Dachräume, ohne Unterspannbahnen,
mit Dachziegeln oder Dachsteinen eingedeckt, wurden automatisch belüftet und
sorgten durch ihr großes Volumen für ausreichenden Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleich.
Durch die Nutzung von Dachräumen für
Wohnzwecke werden kompliziertere Dachkonstruktionen notwendig. Dicke Dämmstoffschichten, Dampfsperren und Unterspannbahnen ergänzen den Dachaufbau und
verändern das bauphysikalische Verhalten.
Lage der Wärmedämmung
Soll ein Dachgeschoß in absehbarer Zeit ausgebaut werden, so ist es durchaus sinnvoll,
die Wärmedämmung von Anfang an in der
Dachebene einzubauen. Ist jedoch geplant,
das Dachgeschoß zunächst nicht auszubauen, so ist die Wärmedämmung auf der obersten Geschoßdecke anzuordnen. Andernfalls
wird der Dachboden ständig über die oberste
Geschoßdecke indirekt beheizt.
Die Wärmedämmung von Steildächern kann
Q unter den Sparren,
Q zwischen den Sparren,
Q unter und zwischen den Sparren bei
niedrigen Sparren,
Q über den Sparren
erfolgen. In jedem Fall sollte die Dicke der
Wärmedämmschicht 10 bis 12 cm betragen
(k = 0,3 W/[m 2K]). Eine Dampfsperre auf der
dem Raum zugewandten Seite der Dämmschicht entlastet die außenliegenden Lüftungsquerschnitte.
Wo die Dämmschicht liegen kann, hängt von
einer Reihe von Faktoren ab, primär von den
Sparrenabmessungen. Unter den Sparren
wird man nur dämmen, wenn tatsächlich ausreichend Platz im Dachraum vorhanden ist,
und über den Sparren, wenn man die Sparren in ihrer ganzen Höhe als gestalterisches
Element für das Rauminnere sichtbar bleiben
läßt. Um möglichst dicke Dämmschichten
zwischen den Sparren einbauen zu können,
sind schlanke, hohe Sparren solchen mit gedrungenem niedrigen Querschnitt vorzuziehen. Das bedeutet, daß man mehr Sparrenbzw. Kehlriegeldächer und weniger Pfettendächer konzipiert. Außerdem haben die beiden erstgenannten Dachformen den Vorteil,
daß der Dachgeschoßausbau unabhängig
von der Tragekonstruktion erfolgen kann.
Die Wärmedämmung muß den genutzten
Dachraum völlig umschließen. Man kann die
Dämmung von der Traufe bis zum First führen:
Die Dämmschicht läßt sich auch im Bereich
der Dachschrägen und der Kehlbalkenlage
anordnen:
Wärmedämmung zwischen den Sparren
_
Werden die senkrechten Abseitenwände gedämmt, so ist darauf zu achten, Cdaß auch die
Decke im Abseitenbereich in die Dämmaßnahmen einbezogen wird:
PYA
#A -.•-.--41111 ^ ^^ ^ ► ^ ► *^ ^
# ^ # ^ i^ ^+ ^ # ^ ^. ►!^ r'^i^s^j ri ►
Wärmedämmung unter und zwischen den Sparren
Wärmedämmung Ober den Sparren
3
68
Dachlüftung
Um Feuchtigkeitsschäden zu vermeiden und
die Funktionsfähigkeit zu erhalten, sind beim
wärmegedämmten Steildach ausreichend
große Lüftungsräume und -öffnungen zwingend.
DIN 4108, Teil 3, Ziffer 3.2.3.3, enthält Konstruktionsmerkmale in Form von Mindestwerten, deren Einhaltung eine hinreichende
Be- und Entlüftung gewährleistet und einen
rechnerischen Nachweis des Tauwasserausfalles infolge Dampfdiffusion erübrigt. Hiernach Kann der freie Strömungsraum über der
Wärmedämmung auf 2 cm reduziert, darf
aber nicht zusätzlich durch hochgezogene
Dämmschichten oder Überlappungen eingeengt werden. Es ist daher— vor allem unter
Berücksichtigung baupraktischer Toleranzen — ratsam, die Strömungsraumhöhe nicht
zu knapp zu bemessen (Richtwert: 4 cm),
damit die Lüftung von der Traufe bis zum
First tatsächlich ungehindert erfolgen kann.
Im übrigen ist dafür Sorge zu tragen, daß alle
Bereiche zwischen Wärmedämmung und Unterspannbahn einerseits und UnterspannKahn und Dacheindeckung andererseits an
,ie Be und Entlüftungsöffnungen angeschlossen sind.
schwerentflammbar nach DIN 4102 (Baustoffklasse B 1) und sollten dampfdurchlässig sein.
Üblicherweise wird die Unterspannbahn über
den Sparren unter einer Konterlattung parallel zur Traufe mit mindestens 10 cm loser
Überlappung verlegt. Zur Entlüftung des unterhalb der Spannbahn liegenden Dachraumes muß die hetzte obere Bahn etwa 10 cm
unterhalb des Firstes enden.
BAUKONSTRUKTION
Dächer und Decken
Dampfdiffusion
*I
d
Unterspannbahn unter der Konterlattung
8
Unterspannbahn
Der nachträgliche Einbau einer Unterspannbahn zwischen den Sparren bildet im allgemeinen nur einen Staubschutz, da die Folie
im Traufenbereich•meistens nicht in die
Dachrinne eingeführt werden kann.
Dachiattung
Konterlattung
Unterspannbahn
/ ^^^^^ ^
.. )
/^^//
Hr/fl1^i)
Unterspannbahn zwischen den Sparren
Schornsteine und Dachflächenfenster unterbrechen den Strömungsraum. Es bilden sich
stehende Luftpolster verbunden mit der Ge`g hrvon Tauwasserbildung, wenn nicht
arch konstruktive Maßnahmen die Weiterführung der Luftschichten sichergestellt
wird.
Das Durchblasen und auch das Durchfeuchten der Wärmedämmung bei Wind und Re
gen muß vermieden werden durch Einbau
einer Unterspannbahn. Günstig ist auch eine
zusätzliche außenseitige Abdeckung, vor allem bei Faserdämmstoffen. Diese Abdeckung
muß dampfdurchlässig sein; die Wärmedämmschicht der Einfachheit halber so einzubauen, daß die Dampfsperre zur Außenseite zeigt, führt über kurz oder lang zu Feuchtigkeitsschäden infolge Dampfdiffusion.
Richtig ist vielmehr, die Dampfsperre raumseitig anzuordnen, um die Lüftungsquerschnitte zu entlasten.
Platten und Matten müssen dicht gestoßen,
gegebenenfalls mit Überlappungen verlegt
werden.
Unterspannbahn
Als Unterspannbahn werden heute in der Regel reißfeste Kunststoffolien (Gitterfolien)
verwendet. Diese müssen wasserdicht und
9
Planungskriterien
O Die Dicke der Wärmedämmschicht sollte
10 cm nicht unterschreiten (a..R = 0,040
W/[m- K]).
O Die Wärmedämmstoffe sind fugendicht
einzubauen.
O Die innere Schale (unterhalb der Luftschicht angeordnete Bauteilschichten)
sollte möglichst eine diffusionsäquivalente Luftschichtdicke µ s von 10 m oder
mehr aufweisen.
Auf
ausreichende Be- und Entlüftung ist
O
zu achten. Die Luftschicht zwischen Wärmedämmung und Unterspannbahn sollte
4 cm an der ungünstigsten Stelle nicht
unterschreiten.
O Ein Durchblasen oder Durchfeuchten der
Wärmedämmung ist unter allen Umständen zu vermeiden.
Flachdächer
im Grunde genommen sind Flachdächer den
gleichen Beanspruchungen ausgesetzt wie
auch die Außenwände, nur unmittelbar und
wesentlich intensiver. Das erklärt auch, warum Flachdächer grundsätzlich aus mehreren
Schichten bestehen.
69
Vermeidung von
Durchfeuchten und
Winddurchlässigkeit
BAUKONSTRUKTION
Dächer Und Decken
Funktionsfähigkeit
des belüfteten
Flachdaches
Tauwasserbildung
Schichtenfolge im
belufteten Flachdach
•
Be- und
Entlüftungsöffnungen
Bei schweren, belüfteten Flachdächern über
Je komplizierter aber Bauteile aufgebaut
sind, desto größer wird die Schadensanfällig- nimmt die untere Schale neben den Schutzkeit. Die Erfahrungen beim Bau von Flachdä- funktionen (Wärmeschutz, Schallschutz,
Tauwasserschutz) auch die tragende Funkchern zeigen dies ganz deutlich.
tion (Stahlbetondecke o. ä.), während bei
Andererseits ist es mit den heute zur Verfüleichten belüfteten Flachdächern die tragengung stehenden hochwertigen Baustoffen
Konstruktion zwischen oberer und unterer
bei richtiger Planung sicherlich möglich, auf de
Schale
liegt, z. B. als Holzbalken oder FachDauer einwandfreie Flachdächer zu bauen.
werkträger.
Die Einhaltung der Flachdachrichtlinien [11
Die obere Schale wird in der Regel als leichte
des Deutschen Dachdeckerhandwerks ist
Konstruktion ausgeführt, weil ihre Funktion
hierfür Voraussetzung.
im Prinzip nur darin besteht, gegen Niederschläge zu schützen und das NiederschlagsDachneigung bei Flachdächern
wasser sicher abzuleiten. Sie sollte möglichst
§ 40 der Musterbauordnung sieht vor, daß
einen Oberflächenschutz, z. B. in Form einer
Dächer die Niederschläge sicher ableiten
5
cm dicken Kiesschüttung, erhalten.
müssen und die Dachhaut gegen Einflüsse
der Witterung widerstandsfähig sein muß.
Leichte belüftete Flachdachkonstruktionen
Unter diesem Aspekt erhebt sich die Frage,
sind häufig anzutreffende, preiswerte Däob die sogenannten Nullgraddächer, also Dä- cher. Auf die Problematik des sommerlichen
cher, die ohne jedes Gefälle ausgeführt werWärmeschutzes infolge geringer Dachgeden, vertretbar sind, zumal sich Dachkonwichte wurde bereits hingewiesen.
struktionen infolge ihres Eigengewichts und` Die Funktionsfähigkeit des belüfteten Flachder Nutzlasten stets durchbiegen .
daches hängt ähnlich wie die des wärmegeDas führt unter anderem dazu, daß die in
dämmten Steildaches vor allem von der StärAuflagennähe angeordneten Einläufe in den ke des Luftstromes zwischen den beiden
Hochpunkten der Dachflächen liegen und
Schalen ab. Dabei ist zu bedenken, daß der
das Niederschlagswasser bereichsweise auf thermische Auftrieb beim Flachdach wegen
der Dachhaut verbleibt.
der fehlenden Höhenunterschiede wesentlieh geringer ist als beim Steildach. Auch
Es scheint daher angebracht, Flachdächer
wenn nach DIN 4108, Teil 3, Ziffer 3.2.3.3.1,
grundsätzlich mit einer Dachneigung von 3°
die Höhe der Luftschicht auf 5 cm reduziert
auszuführen, wie dies bei der Verwendung
werden kann, sollte sie wegen der baustelvon Holzwerkstoffen; z. B. Spanplatten,
lenbedingten Ungenauigkeiten möglichst
durch die „Richtlinien für die Bemessung
10 cm oder mehr betragen.
und Ausführung von Dachschalungen aus
Holzspanplatten oder Bau-Furnierplatten
Stellt sich keine oder eine zu geringe Luftverbindlich vorgeschrieben ist.
strömung ein, wirkt die Luftschicht wie eine
zusätzliche Wärmedämmschicht. Die Folge
Belüftete Flachdächer
ist Tauwasserbildunq auf der Unterseite der
oberen
Schale.
Das belüftete Flachdach (häufig als „Kalt
dach" bezeichnet) ist ein zweischaliges Dach
mit oberer und unterer Schale und einem
dazwischenliegenden, von außen belüfteten
Hohlraum.
Die Schichtenfolge im belüfteten Flachdach
0
ist zwingend (von unten nach oben):
^ ^^.^- ^^^^
D Unterkonstruktion,
Zr
O Dampfbremse (zweckmäßig),
^ ^#^
l% ^i
Q Wärmedämmung,
Q Luftschicht, belüftet,
Diffusionsstrom
Q Dachschalung,
Dachabdichtung,
O
Tauwasserbildung im belüfteten Flachdach
O Oberflächenschutz.
Abweichungen können zu Bauschäden fühSelbst bei ausreichender Durchlüftung wird
ren.
die einströmende trockene Luft durch von
unten eindiffundierenden Wasserdampf mit
Dachabdichtung
zunehmender Luftschichtlänge immer feuchOberflächenschutz
ter, bis sie ab einer bestimmten Länge keinen
I^
^^^^
Ausgleichsweiteren Wasserdampf mehr aufnehmen
\ I/k. \`;;: :^,^^^i®•^^; schicht
_..: Dachschalung
kann. Es kommt zur Tauwasserbildung auf
^i
^^••--'s:..
<aT//%U^%
Tragkonder Unterseite der oberen Schale.
Yn,
struktion
Die unterhalb der Luftschicht angeordneten
Luftschicht,
belüftet
Bauteilschichten müssen nach DIN 4108, Teil
(s? 10 cm)
3, Ziffer 3.2.3.3.1, eine diffusionsäquivalente
Wärmedämmung
Luftschichtdicke µ s aufweisen, die minde(s.? 10 cm)
stens 10 m beträgt.'
Dampfbremse
(µ s
m)
Die Be- und Entlüftungsöffnungen müssen
Untermindestens 2Voo der Dachgrundrißfläche bekonstruktion
tragen; dieser Mindestwert darf keinesfalls
Belüftetes Flachdach
unterschritten, wohl aber überschritten wer10
den.
^ ^1j^^112i^ 1 t̀'T^i ^^t ^ f
70
Das kombinierte Umkehrdach ist besonders
geeignet für nachträgliche Wärmedämmaßnahmen bei noch intakter Dachabdichtung.
Werden diese Bedingungen nicht erfüllt, ist
ein rechnerischer Nachweis des Tauwasserausfalles infolge Dampfdiffusion nach DIN
4108, Teil 5, zu führen.
Bereiche, die ohne Luftaustausch bleiben,
sind unter allen Umständen zu vermeiden.
Bei gewinkelten, versetzten und gestaffelten
Bauten ist bereits im Planungsstadium zu
prüfen, ob alle Dachbereiche durchlüftet
werden können.
Weitergehende Konstruktionsempfehlungen
sind in den im Anhang zu den „Flachdach
richtlinien" abgedruckten „Hinweisen für die
Planung zur Be- und Entlüftung bei belüfteten Dachkonstruktionen` enthalten.
Konventionelles Flachdach
Beim konventionellen Flachdach ist der Tauwasserbildung im Bauteilquerschnitt besondere Beachtung zu schenken. Mit der Abdichtung liegt eine extrem dampfdichte
Schicht auf der Dachaußenseite, so daß unter
der Dachhaut häufig gewisse Tauwassermengen ausfallen, die ihrerseits Ursache für
zahlreiche Bauschäden sind. Mit Ausnahme
einschaliger Dächer aus Gasbeton ist daher
eine Dampfsperre unterhalb der Wärmedämmung zwingend.
Planungskriterien
O Die Dicke der Wärmedämmschicht sollte
10 cm nicht unterschreiten ( R = 0,040
W/[m • K]).
O Die Wärmedämmstoffe sind fugendicht zu
verlegen, möglichst zweilagig und mit versetzten Stößen zur Vermeidung von Wärmebrücken.
O Die untere Schale sollte eine diffusionsäquivalente Luftschichtdicke µ •_,s von
mindestens 10 m aufweisen, wenn die in
DIN 4108, Teil 3, Ziffer 3.2.2.2, angegebenen Klimabedingungen eingehalten wer-
13
DIN 4108, Teil 3, Ziffer 3.2.3.2.1, schreibt in
diesem Zusammenhang vor, daß bei Dächern
mit einer Dampfsperre unter oder in der Wärmedämmschicht die diffusionsäquivalente
Luftschichtdicke s d der Dampfsperre mindestens 100 m betragen muß, wobei der Wärmedurchlaßwiderstand der Bauteilschichten
unterhalb der Dampfsperrschicht höchstens
20% des Gesamtwärmedurchlaßwiderstandes betragen darf.
Im übrigen ist darauf zu achten, daß die Wärmedämmung trocken verlegt wird. Durch
feuchte Dämmstoffe „eingebautes" Wasser
verschlechtert den Wärmeschutz nachhaltig,
da es durch die Dachhaut nach oben und die
Dampfsperre nach unten nur sehr langsam
austrocknen kann.
Unter der Abdichtung
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1^j 2TSM
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I^
Dampfsperre
Nichtbelüftetes konventionelles Flachdach
Nichtbelüftetes Flachdach
Konventionelles Dach
Weitergehende
Konstruktionsempfehlungen
Oberflächenschutz
Dachabdichtung
Dampfdruckausgleichsschicht
Wärmedämmung
(s >_ 10 cm)
Dampfsperrschicht
( II •s?100m)
Ausgleichsschicht
Trag- und Unterkonstruktion
Gleitlager
den.
O Die Luftschicht zwischen oberer und unterer Schale sollte 10 cm an der ungünstigsten Stelle nicht unterschreiten.
O Ein Luftaustausch zwischen Wohnraum
und Dachraum darf nicht stattfinden.
O Die Dachneigung sollte wenigstens 3°
betrageh.
O Die Dachabdichtung sollte nur wenn notwendig durchstoßen werden. Jede Durchdringung der Dachhaut bildet eine potentielle Schwachstelle.
O Bestehen Zweifel an der Wirksamkeit der
belüfteten Luftschicht, bietet sich das
nichtbelüftete Flachdach als Alternative
an.
Nichtbelüftete Flachdächer
Das nichtbelüftete Flachdach (häufig als
„Warmdach" bezeichnet) ist ein einschaliges
Dach, bei dem der Dachaufbau unmittelbar
an die Unterkonstruktion grenzt.
Bezogen auf die Lage der Wärmedämmung
im Verhältnis zur Dachabdichtung werden
drei Arten des nichtbelüfteten Flachdaches
unterschieden:
4.2
BAUKONSTRUKTION
Dächer und Decken
Über der Abdichtung
Kombiniertes Umkehrdach
• ^^rr
^^:^^^ l ^ s
S^r •t / ♦^l ^17-Ais.:ii^i,
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Umkehrdach
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n^^^i^^n ^i ^^n^^
2
71
Nichtbelüftetes
Flachdach
BAUKONSTRUIMON
Dächer Und Decken
Oberflächenschutz
Eine direkt der Sonneneinstrahlung ausgesetzte Dachhaut ist extremen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Im Sommer sind
Temperaturstürze zwischen 50 °C und 60 °C
nach plötzlichen Regenschauern keine Seltenheit. Aus solchen Temperaturschwankungen herrührende Spannungen sind häufig
Ursache für Risse und Ablösungserscheinungen. Als wirksamer Oberflächenschutz
hat sich eine mindestens 5 cm dicke Kiesschüttung aus hellem, rundem Material mit
der Körnung 16/32 mm erwiesen.
Bei der Bestimmung des Wärmeschutzes von
Umkehrdächern gilt abweichend vom übhchen Rechnungsgang die folgende Regelung [2]:
Q Als Rechenwert für die Wärmeleitfähigkeit
der Dämmplatten ist der in DIN 4108 für
Schaumkunststoffe nach DIN 18164 festgelegte 2LR-Wert einzusetzen.
Q Der nach DIN 4108 in der jeweils geltenden Fassung erforderliche WärmedurchIaßwiderstand 1/A für Decken, die Aufenthaltsräume nach oben gegen die Außenluft abschließen, ist um 10% zu erhöhen.
o Bei der Berechnung des vorhandenen
Wärmedurchgangskoeffizienten k0 ist der
errechnete k-Wert um einen Betrag 6. k
nach folgender Tabelle zu erhöhen:
Planungskriterien
Q Die Dicke der Wärmedämmschicht sollte
10 cm nicht unterschreiten ?.R = 0,040
W/[m •K]).
Q Die Wärmedämmstoffe sind fugendicht zu
verlegen, möglichst zweilagig und mit verAnteil des Wärmedurchiaßwiderstandes Erhöhung
unterhalb der Dachhaut in % des gesamten des k-Wertes
setzten Stößen, um Wärmebrücken zu
Wärmedurchiaßwiderstandes
4 k W/(m 2 K)
vermeiden.
Q Die Dampfsperre muß unter der Wärme-,
0,08 *
0-5
dämmung liegen.
Q Die diffusionsäquivalente Luftschichtdik0,06
5;1 -20
ke 1.1 s der Dampfsperre sollte unter Beachtung der in DIN 4108, Teil 3, Ziffer
0,04
20,1 -40
3.2.2.2, angegebenen Klimabedingungen
mi ndestens 100 m betragen.
40,1 -60?
0,02
Q Die Dachneigung sollte wenigstens 3°
betragen.
> 60
Die
Dachdichtung
sollte
nur
wenn
notQ
* Dieser Wert ist stets anzusetzen, wenn der Wärmewendig durchstoßen werden. Jede Durchdurchlaßwiderstand der Unterkonstruktion
< 0,1 m 2 KAW beträgt,
dringung der Dachhaut bildet eine poten15
tielle Schwachstelle.
Q Ein wirksamer Oberflächenschutz dämpft Planungskriterien
Temperajurschwankungen, bietet zusätz- Q Die Dicke der Wärmedämmschicht sollte
lichen Schutz gegen mechanische Be12 cm nicht unterschreiten (A R = 0,040
schädigungen und erhöht die LebensW/[m . K]).
dauer der Dachabdichtung.
Q Dämmstoffplatten sind fugendicht zu verlegen und sollten an den Kanten gefalzt
Umkehrdach
sein, um ein Unterströmen bei Regen zu
Umkehrdach Das Umkehrdach unterscheidet sich vom
vermeiden.
konventionellen Flachdach dadurch, daß die Q Die Dämmstoffplatten werden häufig lose
Wärmedämmschicht über der Dachabdichverlegt. Ihr Aufschwimmen muß durch
tung liegt. Damit ist die Schichtenfolge aus
ausreichend hohe Auflast verhindert werdiffusionstechnischer Sicht richtig und bei
den, z. B. Kiesschüttung oder Plattenbeeinwandfreier Ausführung ist kein Tauwaslag. Darüber hinaus sind die erhöhten
serausfall im Bauteilquerschnitt zu erwarten.
Windlasten in den Rand- und Eckbereichen der Flachdächer zu berücksichtigen.
Q Zwischen der Dämmschicht und der Kiesschüttung sollte eine diffusionsoffene
Kiesschüttung
-^ ^^viIW
.,:.
.,..
termatte, z. B. aus Polyesterfaservlies
s^ ^ ^.1^. e^
. Rieselschutz
(mindestens 150 g/m2), verlegt werden,
Wärmedämmung
um das Unterschwemmen der Dämmplat(s ;? 12 cm)
ten
mit Feinkornanteilen zu verhindern.
Dachabdichtung
Q
Ein
Teil des Regenwassers läuft in der
AusgleichsEbene zwischen Dämmstoffplatten und
schicht
Dachhaut ab. Auch diese Ebene ist an die
Stahlbetondecke
Dachentwässerung
anzuschließen.
Putz
O Der umgekehrte Dachaufbau sollte nur
auf Unterkonstruktionen mit möglichst
Umkehrdach
großem Wärmespeichervermögen eingesetzt werden, damit sich Temperatur14
absenkungen durch Unterströmen der
Dämmplatten kaum auf der DeckenunterDämmstoffe für Umkehrdächer dürfen auf
seite bemerkbar machen.
Dauer keine Feuchtigkeit aufnehmen und
müssen frostbeständig, trittfest, formbeständig und verrottungssicher sein. Es dürfen nur
Dämmstoffe verwendet werden, deren Eignung durch eine bauaufsichtliche Zulassung
nachgewiesen ist.
Fortsetzung in DAB 6/82.
`•^^ .
72
Genutzte Dachflächen
gen im Verlauf eines Jahres von etwa 100 °C
auf etwa 30 °C vermindern.
Je nach Beanspruchungsart werden nichtgenUlzte und genutzte Dachflächen unterschieden.
Beanspruchung der Dachoberfläche
Nicht genutzte
Dachflächen
Genutzte
Dachfläch
irile
Aufenthalt von
Personen,
Nutzung durch
Verkehr, Bepflanz,
Wartung
und
Instandhaltung
16
Ein wichtiger Aspekt ist beim heute häufig
praktizierten verdichteten Flachbau die Begrünung von Dächern als Ersatzfür die bebauten Flächen. Zwar können Klimaverhältnisse erst dann entscheidend beeinflußt werden, wenn die Dachbegrünung zum festen
Bestandteil modernen Bauens geworden ist,
jedoch auch Einzelmaßnahmen können
punktuell ökQjogische Verbesserungen
bewirken.
Der Beitrag von über der Dachabdichtung
liegenden Schichten begrünter Dächer zum
winterlichen Wärmeschutz ist relativ gering,
da diese Schichten stets durchfeuchtet sind.
Sie entsprechen in etwa einer Schichtdicke
von 10 bis 15 mm eines Dämmstoffes mit der
Wärmeleitfähigkeit ? R = 0,040 W/(m • K). Nur
wenn es gelingt, durch entsprechende Artenwahl auf der Dachoberfläche ein relativ stabiles Luftpolster zu schaffen, können die Wärmeverluste infolge des größeren Wärmeübergangswiderstandes 1/äa auf der Außenseite
verringert werden.
Dagegen wird die Beanspruchung der Dachabdichtung infolge Sonneneinstrahlung
durch Begrünung wesentlich geringer, da
sich die möglichen Temperaturschwankun-
Extensive
Begrünungen
*at tA
Rasen
Oberste Geschoßdecke
Decken unter nicht ausgebauten Dachgeschossen grenzen Wohnräume gegen nicht
beheizte Bereiche ab und sind damit Bestandteil der wärmeübertragenden Umfassungsfläche.
In jedem Fall ist die Wärmedämmung auf und
nicht unter der Decke anzuordnen, weil
Q die Ausführung kostengünstig,
Q die Verlegung der Wärmedämmung einfach,
Q die bauphysikalisch richtige Anordnung
gewährleistet ist.
amozzaza Schutzschicht
Gleitschicht
Dachhaut
-
Vegetationsschicht
Filterschicht'
Dränschicht
Die Begrünung von Dächern ist bei Beachtung der technischen Vorschriften und Regeln sowie beim Einsatz bewährter Baustoffe
keine besondere Problemstellung.
Q Die Trennfolie über der Dachabdichtung
muß wurzelbeständig sein.
Q Die Dachanschlüsse müssen so gestaltet
sein, daß die Vegetation nicht in sie hineinwächst.
Q Für die Vegetationsschicht sind spezielle
Substrate entwickelt worden, die wesentlich leichter sind als normaler Mutterboden. Die Schichthöhe ist je nach der beabsichtigten Bepflanzung zu bemessen.
Q Die Bepflanzung muß dem örtlichen Klima
entsprechen und soll ein Maximum an
Verdunstung, Luftfilterung und Sauerstoffabgabe besitzen.
Q Die Begrünung darf keine brennbaren
Beläge bilden.
Q Begrünte Dächer sind in der Regel zweimal im Jahr zu warten, im Frühjahr zur
Vorbereitung der Vegetationsperiode und
im Herbst zur Vorbereitung der Ruhezeit.
Q Die Erfahrungen von Herstellern, die
Dachbegrünungen als System anbieten,
sollten genutzt werden.
cc—.
Bodenbedeckende
Stauden
Einjährige,
Pflanzen
Stauden
Bodenbedeckende
Gehölze
Bäume
Großsträucher
Kleine Bäume
0,1-5
5-25
i
ir:
o^iit üüir %%iiiI/i^iIiii/i üi ü
35-65
MIR --
90-120
Schichtdicken der Dränschicht und der Vegetationsschicht bei begrünten Flachdächern
(Fo rtsetzung aus DAB 5/82)
73
Begrünung
von Dächern
Wärmeschutz bei
nicht ausgebautem
Dachgeschoß
Kellerdecke
Sobald die Kellerräume eines Gebäudes
nicht beheizt werden, ist die Kellerdecke Bestandteil der wärmeübertragenden Umfassungsfläche und gegen Wärmeverluste zu
BAUKONSTRUKTION
schützen. Aber auch wenn Kellerräume nur
2
Dächer und Decken
zeitweilig beheizt werden. sollte eine Wärmedämmung der Kellerdecke erfolgen. Der Fußboden muß nämlich, damit Fußkälte vermieden wird, eine bestimmte Oberflächentemperatur aufweisen. Bei einer Lufttemperatur im
Warme
tz
nicht be izt
beheizten Raum von 20 °C sollte diese zwiICeI
schen 16 und 19 °C liegen.
4
Kellerdecken können auf der Ober- und/oder
1 Spanplatten
der Unterseite wärmegedämmt werden. Bei
2 Mineralfaserdämmplatten zwischen Lageroberseitiger Dämmung sollte ein schwimhölzern (s ? 10 cm)
3 Stahlbeton-Decke
mender Estrich nach DIN 4109, Teil 4, einge4 Deckenputz
baut werden, da dann gleichzeitig die Anforderungen sowohl an den Wärmeschutz als
auch an den Schallschutz erfüllt werden.
Als Dammstoffe für die Deckenunterseite
sind unter anderem geeignet Platten aus
Beispiel für die Wärmedämmung einer
obersten Geschoßdecke
Q Holzwolle,
18 Q Mineralfasern,
Q Schaumkunststoffen.
Q Schaumglas.
ermeidung von Eine unterseitige Dämmung empfiehlt sich
itiger Dämmung nicht, weil
Es werden auch sogenannte Verbund Latten
aus Gipskarton und Schaumkunststoff bzw.
Q Wärmebrücken unvermeidlich sind,
Mehrschicht-Leichtbauplatten aus Holzwolle
Q die Geschoßhöhe vergrößert werden muß,
und Schaumkunststoff angeboten, die einum das Mindestmaß für die lichte Raumfach anzubringen sind und bereits eine Behöhe einzuhalten,
kleidung der Dammschicht aufweisen.
Q eine raumseitige Dampfsperre erforderlich wird,
0 Mehrkosten gegenüber der auf der Oberseite angeordneten Wärmedämmung entstehen.
4.2
Auf der Decke können praktisch alle Dämmstoffe verlegt werden; auch Schüttungen
sind möglich. Auf`sorgfältiges und fachgerechtes Einbringen der Wärmedämmung ist
zu achten. Fugendichte Verlegung ist Voraussetzung für einwandfreie Funktionsfähigkeit. Die Dicke der Dämmschicht sollte 10 bis
12 cm betragen (A R = 0,040 W/[m K]).
Eine obere Abdeckung der Dämmschicht ist
immer dann angezeigt, wenn die Fläche nicht
nur zu Reparaturzwecken betreten werden
soll. Als Abdeckung sind plattenförmige Baustoffe, z. B. Spanplatten, geeignet. Werden
die Dachgeschosse zu untergeordneten
Zwecken genutzt, z. B. als Trockenboden,
empfiehlt sich der Einbau eines schwimmenden Estrichs nach DIN 4109, Teil 4. Damit ist
ein hinreichender Trittschallschutz sichergestellt.
Wenn der Diffusionswiderstand der Abdekkung hoch ist — das gilt z. B. für Fußböden
aus PVC o. ä. —, ist eine Dampfsperre vorzi
sehen. Sie ist unterhalb der Wärmedämmung, also auf der Decke, anzubringen. lm
Zweifelsfall ist ein rechnerischer Nachweis
zu führen (DIN 4108, Teil 5).
Brandverhalten
Eine ausreichende Durchlüftung des ungenutzten Dachbodens muß stets gesichert
sein, da sich sonst Tauwasser unter der
Dachhaut oder Unterspannbahn, aber auch
in anderen Bereichen, bilden kann. Das Tauwasser tropft auf die Wärmedämmung,
durchnäßt sie und verhindert ihr Dämmvermögen.
74
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2
3
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Zementestrich
Mineralfaser- Trittschalldämmplatte
Stahlbeton -Decke
Ps-i-lar,s-hai;mpi 4 te
Beispiel für die Wärmedämmung einer
Kellerdecke
Dämmplatten unter der Decke werden entweder nachträglich durch Kleben, Dübeln oder
Schießen befestigt oder vor dem Betonieren
der Decke in die Schalung eingebracht.
Dampfsperren sind im Regelfall nicht notwendig. Im Zweifelsfall sollte ein rechnerischer Nachweis nach DIN 4108, Teil 5, geführt werden.
Das Brandverhalten der Wärmedämmstoffe
sowie die bauaufsichtlichen Vorschriften hinsichtlich des Brandschutzes sind unbedingt
zu beachten. Das gilt vor allem für Decken
über Heizräumen und Brennstofflagerräumen.
Nach unten gegen Außenluft
abgrenzende Decken
Zu den unten gegen Außeniu_ ft abgrenzenden
Decken zählen
Q Deckenbereiche auf der Unterseite aufgeständerter Gebäude,
Q die Unterseite auskragender Gebäudeteile,
O Decken über Durchfahrten, auch wenn sie
durch Tore geschlossen sind,
O Decken über in Gebäude integrierten
Garagen,
Q Decken über belüfteten Kriechkellern.
Nach DIN 4108, Teil 2, Tabelle 1, muß der
Wärrnedurchgangskoeffizient mindestens
betragen:
kmin = 0,50 W/(m 2K) bei Bauteilen mit hinterlüfteter Außenhaut,
km,, = 0,51 W/(m 2K) in allen übrigen Fällen.
Das bedeutet, daß die gesamte Dämmstoffdicke je nach Deckenkonstruktion in der Größenordnung von 6 bis 7 cm liegt ( = 0,040
W/[m • K]).
Nach unten gegen Außenluft abgrenzende
Decken sollten auf jeden Fall einen schwimmenden Estrich nach DIN 4109, Teil 4, erhalten. Nur dann wird ein ausreichender Schall
schutz (Flankenübertragung) sichergestellt.
Die Wärmedämmung ausschließlich auf derDeckenoberseite in Verbindung mit einem
schwimmenden Estrich wird im allgemeinen
zu in der Praxis kaum realisierbaren Lösungen führen. Ein Teil der Dämmung wird daher sinnvollerweise auf der Deckenunterseite
angeordnet. Diese Wärmedämmschicht muß
den mit der Außenluft in Verbindung stehenden Deckenbereich einschließlich aller Unterzüge, Vor- und Rücksprünge vollflächig
umhüllen.
Bereits im Planungszustand ist zu prüfen, ob
durch die vorgesehene Wärmedämmaßnahme alle Flächen vollständig erfaßt werden
und somit keine Wärmebrücken verbleiben.
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1 Zementestrich
2 PS-Hartschaumplatte
3 Stahlbeton-Decke
4 Meh rschicht-Leichtbauplatte
5 Außenputz
Beispiel für die Wärmedämmung einer
nach unten gegen Außenluft abgrenzenden
Decke ohne Hinterlüftung
20
Als Wärmedämmstoff eignen sich vornehmlich plattenförmige Materialien, wie z. B.
Q Schaumkunststoff,
Q Mineralfaser,
Q Kork,
Q Schaumglas.
Die Wärmedämmplatten können entweder
nachträglich auf der Deckenunterseite durch
Kleben, Dübeln, Nageln, Schießen u. ä. befestigt oder vor dem Betonieren in die Schalung eingelegt werden.
Die Wärmedämmung auf der Deckenunterseite sollte möglichst vor Beschädigungen
oder anderen schädlichen Einflüssen geschützt werden. Diese Schutzschicht kann
direkt auf die Wärmedämmung aufgebracht
werden (z. B. Kunststoffputz) oder aber in
Form abgehängter Decken aus hinreichend
formbeständigen Baustoffen (z. B. Blechen
aus Stahl oder Aluminium, Kunststoff, Holz).:
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1 Zementestrich
2 Mineralfaser-Trittschalldämmplatte
3 Stahlbeton-Decke
4 Mineralfaserdämmplatte5 Luftschicht, belüftet'
6 Aluminium-Profilblech
Beispiel für die Wärmedämmung einer
nach unten gegen Außenluft abgrenzenden
Decke mit Hinterlüftung
21
Auskragende Balkonplatten sind Wärmebrücken und führen häufig zu Bauschäden,
z. B. Feuchtigkeitserscheinungen in den oberen Raumecken der darunterliegenden Räume. Zur Vermeidung dieser Nachteile sind
grundsätzlich zwei Wege möglich:
0 Die Balkonplatte wird durch konstruktive
Maßnahmen vom Baukörper weitgehend
oder unter Umständen vollständig getrennt. Dies kann durch Auflager für die
Balkonplatten in Form von Konsolen,
Stützen oder Wandscheiben geschehen.
0 Können Balkonplatten jedoch nur als auskragendes Teil der Geschoßdecke konzipiert werden, ist diese Geschoßdecke unter- und oberseitig zu dämmen. Fensterstürze sind in die Wärmedämmaßnahme
mit einzubeziehen.
Die letztgenannte Lösung bringt zudem eine
erhebliche Verbesserung des Wärmeschutzes der Decke mit sich.
75
4.2
BAUKONSTRUKTION
Dächer und Decken
Decken nach unten
gegen Außenluft
Verbesserte Lösungen
Ungünstige Lösung
:a>)tl:s rl.lf+rrnravrl.l.TJ^.1 TrSr3Utr!
^izUrlllt
. ,.^'"
BAUKONSTRUKTION
/r
Dächer Una Decken
f!(!!If1llllttflt.rl.Ir^Iri ttrölI4i2,
i,,3,:s..rrvtr..rrrr
22
Wärmedämmung der
Wo ungstrenndecken
Schallschutz
Literaturhinweise
[1] Richtlinien für die Planung und Ausführung von
Dächern mit Abdichtungen— Flachdachricht!in!en —,
Helmut Gros Fachverlag, Berlin, 1982.
1. Je besser die Gebäudehülle gedämmt
[2]Bundesanzeiger Nr. 223 vom 29. November 1978,
wird, desto größer können bei unterBundesanzeiger Verlagsgesellschaft, Köln.
schiedlicher Beheizung der Wohnungen
[3]DIN 4108 „Wärmeschutz im Hochbau", Ausgabe
„Wärmeverluste" innerhalb des Gebäudes August 1981, Beuth Verlag GmbH, Berlin.
werden.
[4]Verordnung über einen energiesparenden Wärme2. Weniger beheizte Wohnungen (Räume)
schutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung) vom
11. August 1977, Bundesgesetzblatt 1978, Teil I, S. 1581 ff.
entziehen gut beheizten Wohnungen
(Räumen) Heizwärme und verfälschen die [5]Institut für Bauphysik der Fraunhofer-Gesellschaft,
Stuttgart, Wärmetechnische Untersuchungen an Wänverbrauchsabhängige Heizkostenabrechden und Flachdachkonstruktionen —Stufe 2: Flachdänung.
cher; Forschungsarbeit im Auftrage des Bundesministeriums für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau.
Daher sollen bei km-Werten von 0,4 W/(m2K)
für die Gebäudehülle die k-Werte der Woh[6]Schild, E. u. a.: Schwachstellen. Bauschadensverhütung im Wohnungsbau. Band 1: Flachdächer, Dachnungstrenndecken in der Größenordnung
terrassen, Balkone. Bauverlag, Wiesbaden, 1977.
von 0,7 W/(m 2K) liegen. Speziell bei der Pla[7]abc der Bitumen-Bahnen —Technische Regeln—.
nung von Fußbodenheizungen ist in Absprache mit dem Heizungsfachmann eine ausrei- VDD Industrieverband bituminöse Dach- und Dichtungsbahnen e. V., Frankfurt, 1980.
chende Wärmedämmung der Decken vorzu[8]Bauen und Energiesparen. Ein Handbuch zur rationelsehen.
len Energieverwendung im Hochbau. Verlag TÜV Rheinland, Köln, 1979.
Auf der Unterseite von Decken angeordnete
Wärmedämmschichten können in gewissen
[9]Hebgen, H.: Neuer baulicher Wärmeschutz. Verlag
Vieweg u. Sohn, Braunschweig, 1978.
Fällen ebenso wie auf der I nnenseite von
Außenwänden liegende Dämmschichten eine [10]Zapke, W.: Wärmeschutztechnisch einwandfreie AusVerschlechterung des Schallschutzes bewir- bildung der gebäudeumschließenden Bauteile bei Neubauten, RKW-Merkblatt Nr. 55, Hrsg. RG-Bau, Eschborn,
ken.
1982.
Einer erhöhten Wärmedämmung der Wohnungstrenndecken wird man zukünftig besonderes Augenmerk schenken müssen.
a: 2 cm Ausgleichs-
estrich
dB
8
Jc
7
N
b:
3 cm Estrich ,
= 2,5 cm Holzwolleichtbauplatten
ä
Kurzbiografie des Autors:
6
T,
100 200 400 800 1600 3200
Frequenz in Hz
Falsche (a) und richtige (b) Anwendung von Dämmplatten bei Massivplattendecken
76
Dipl.-Ing. Wilfried Zapke
Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung „Bauphysik und Baukonstruktion" im Institut für Bauforschung
e. V., Hannover. Die Schwerpunkte seiner Tätigkeit Hegen auf den Gebieten Bauphysik, Energieeinsparung,
Wirtschaftlichkeitsfragen, Bauschäden.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout Dipl.-Ing. Bernd
Faskel, Koordination: Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic
23
PRAXISINIOR
EN[HI[EINSPAH
Btn horsCr,
nc
^IRfo mehrende
8
1111 If
:KeMttlnr..,. . ...
lesminiyp
tSurcrge•_
y wr€asseR' _. Chdi.. Lnt}. v
.nd 9ar
Ausführungsmöglichkeiten
Immer häufiger werden in Kellergeschossen
Nutzräume, wie z. B. Hobbyräume, Spielzimmer, Gästezimmer, Partyräume u. a. untergebracht, oder Wohnhäuser werden aus Kostengründen überhaupt nicht unterkellert. In
diesen Fällen müssen Bauwerksohle und Kel-4Z^^..11a^
Jun( 1981
i
lerwände nicht nur gegen im Boden vorhandenes Wasser abgedichtet, sondern zur Gewährleistung eines hygienisch einwandfreien
Raumklimas auch hinreichend wärmegedämmt sein. Die in der Praxis vorhandenen
Möglichkeiten zeigt die nachfolgende Obersicht:
Ausführungsmöglichkeiten
2.
A
^V1 A..
r M .. ^
An Erdreich
grenzende Bauteile
.*--,
Außenwände
,
,.
Jl
:Vg<r, 4.7:
Einschalig
A
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..,
Mehrschichtig9
^aM.
^
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It
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Bauwerkssohle
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44f v tt
`V,ZIffiat,r,RK,
^^,:.. ^,"^•ir.^3^
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Kerndämmung
Ill
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Art
A
B
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Innendämmung
Außendämmung
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12
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Nicht
unterkellert
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C
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Innendämmung
B
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Unterkellert
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a.
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Nr.
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2
3
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5
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7
4
li:11
:r^
h^o
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3 4567
12
Schicht
3lagiger Bitumenanstrich
Zementputz
Leichtziegel
Kalk-Gipsputz
3lagiger Bitumenanstrich
Zementputz
Stahlbeton
Luftschicht/Ansetzbinder
MineralfaserWärmedämmplatte
Aluminiumfolie
Gipskartonplatte
T•[ r_
_r'3:
':r.^
Dicke
cm
0,1
2,0
36,5
1,5
0,1
2,0
20,0
1,5
5,0
Art
C
1 2 3 4
Nr.
1
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1
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E
6
1
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Leichtziegel: >,,R -. - 0,34 W/(mK)
Wärmedämmschicht: ,1 R .' - 0,040 W/(mK)
I
--
i -3.i:'
^:'.'..'.'::':'.,^-1
2
3 4
1
3
4
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Schicht
Bituminöse Abspachtelung
Stahlbeton
Polystyrol-Extruderschaum-
Wärmedämmplatten
Hochbauklinker in
Zementmörtel
Wellasbestzementplatten
Polystyrol-Extruderschaum-
Wärmedämmplatten
Bitumenspachtelung
Zementputz
Mauerziegel in
Kalkzementmörtel
Kalk-Gipsputz
Zementestrich auf
Polyäthylenfolie
Hartschaumplatte auf
Polyäthylenfolie
Stahlbeton-Sohlplatte
Sauberkeitsschicht
Dicke
cm
0,3
20,0
6,0
11,5
6,0
6,0
0,3
2,0
36,5
1,5
4,0
5,0
, 12,0
5,0
77
Wärmeschutz und Feuchtigkeit
Den Abdichtungsmaßnahmen kommt
besondere-Bedeutung zu, da feuchte Baustoffe bekanntlich Wärme wesentlich besser
leiten als trockene.
BAUKONSTRUKTION
Erdberührerrde Bauteile
Einfluß feuchter
Wärmedämmstoffe
Hinsichtlich der Ausführung und Bemessung
von Abdichtungen wird verwiesen auf:
O DIN 18195 „Bauwerksabdichtungen" im
Zusammenhang mit
O DIN 4031 „Wasserdruckhaltende bituminöse Abdichtungen für Bauwerke",
O DIN 4117 „Abdichtung von Bauwerken
gegen Bodenfeuchtigkeit",
O DIN 4122 „Abdichtung von Bauwerken
gegen nichtdrückendes Oberflächenwasser und Sickerwasser mit bituminösen
Stoffen, Metallbändern und KunststoffFolien".
1 Dämmschicht
2 Betonfertigteil
3 Fundament und
Bodenplatte
4 Mauerwerk
5 untere horizont. Wandund Bodenabdichtung
6 horizontale Abdichtung
in Spritzwasserhöhe
7 vertik. Wandabdichtung
8 Bekleidung auf
Unterkonstruktion
9 beheizter Raum
\\\\\\\\\\\\\\\\^^ ^`L .^' ^^
I
J
0
10
50
60
20
30 40
Volumenbezogener Feuchtegehalt, %
4 Polystyrol-Hartschaum
1 Gasbeton
p = 19 kg/m3
p = 540 kg/m 3
5 Polyurethan-Hartschaum
2 Leichtbeton
p = 1140 kg/m3
p = 35 kg/m3
3 Ziegel
6 Mineralfaserplatten
p = 1556 kg/m 3
p = 61 kg/m3
Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom
volumenbezogenen Feuchtegehalt
Wärmeleitfähigkeit
steigt linear zum
Feuchtigkeitsgehalt
Isolierung
im Baugrund
• .:
\\\\\\\\\\\\\
\\\\\\\\\\\\`.
^\\\\\\\\\\\
\\\\\\\\\\\\\
\\\\\\\\\\\\\
\\\\\\\\\\\\
2
Bereits im Planungsstadium muß die zu erwartende Belastung des Gebäudes durch
Wassereinwirkung ermittelt werden.
Es ist zu unterscheiden:
O Bodenfeuchtigkeit und nichtstauendes
Sickerwasser,
O nichtdrückendes Wasser (stauendes
Sickerwasser),
O außendrückendes Wasser (Grundwasser).
Bodenfeuchtigkeit und nichtstauendes
Sickerwasser sind im allgemeinen bei nichtbindigen, gut durchlässigen Böden wie Kies
und Sand anzutreffen.
Stauendes Sickerwasser tritt auf bei nichtwasserdurchlässigen Böden wie Lehm, Ton,
Mergel, Klei und bei Hangbebauungen. Im
Bereich der Baugrubenverfüllung versickert
hier Oberflächen- und Schichtenwasser, wobei es sich vor den Kelleraußenwänden aufstauen kann.
78
^j^r
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i^^^r^^' y^^^%^
^•;^•;•^,,
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'^,•\\\\\\ 3 \\\\\ •e•;i^^.^
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^..r
\\\\\\\\\\\\ . •S•.^iiJ•:
• .••i+.•ä ., .,
^'^•^'e•^
^!^
`3°
Mit Ausnahme der überwiegend geschlossenporigen Schaumkunststoffe steigt die
Wärmeleitfähigkeit praktisch linear zum
Feuchtigkeitsgehalt an, wenn auch mit unterschiedlicher Neigung. Bei den Hartschäumen
erstreckt sich der lineare Verlauf nur bis etwa
15 Vol.-%.
Grundwasser übt von außen einen hydrostatischen Druck auf die Abdichtung aus. In
Anbetracht der wechselnden Grundwasserstände ist die Kenntnis des höchsten Grundwasserstandes von großer Bedeutung.
5
•.
:
Q
`o gc
Beispiel für die Wärmedämmung und die Abdichtung
gegen Bodenfeuchtigkeit nichtunterkellerter Gebäude
3
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^
^
Bodenfeuchtigkeit
•
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/
1 Dämmschicht
2 Abdichtung
3 Putz
4 Mauerwerk
5 Innenputz
6 untere horizontale
Wandabdichtung
7 Dränplatten (Kunstst.)
8 Filtermatte
9 Kiespackung mit
Dränage
10 obere horizontale
Wandabdichtung
11 Keller beheizt
D
'/// ^^^^^^ g^/^^^ i
G^^
6
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1
tIolfr
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..::. ...: •.. .^.'
Beispiel für die Wärmedämmung und die Abdichtung
gegen Bodenfeuchtigkeit unterkellerter Gebäude
Einschalige Kellerwände
Bei Verwendung gut dämmender Wandbaustoffe ist es durchaus möglich, die Außenwände beheizter Kellerräume einschalig auszuführen. Auf eine sachgemäße Abdichtung
gegen Feuchtigkeit von außen ist zu achten.
413
Kunststoff-Noppenbahn
BAUKONSTRUKTION
extrud. PS -Hartschaumplatten (s = 6 _ 7 cm)
.o
bituminöse
Abdichtung
Außenputz
Mauerwerk aus
wärmedämmenden
Steinen
(s = 36,5 - 49,0 cm)
Erdberührende Bauteile
bituminöse Abdichtung
Mauerwerk
(s = 24 ± 36,5 cm)
Innenputz
Außendämmung mit extrudierten
Polystyrol-Hartschaumpiatten
Die außenliegende Dämmschicht bildet
selbst ke i ne ausreichend w ir ksame Sickerund Filterschicht. Diese ist vielmehr durch
Verwendung sickerfähiger und filterstabiler
Verfüllmaterialien im Arbeitsraum, z. B. Kiesschüttung oder durch spezielle Sickerschichten, z. B. Dränplatten, herzustellen.
Einschalige Außenwand eines beheizten Kellerraumes
5
Mehrschichtige Kellerwände
Grundsätzlich können Wärmedämmschichten bei Kellerwänden sowohl auf der Außen-
Eine Außendämmung —wenn auch nicht im
Sinne der o. g. Definiton, da die Wärmedämmschicht noch außenseitig durch Auftrag einer Spachtelmasse abgedichtet wird —
kann mit Schaumglas nach DIN 18174 ausgeführt werden.
als auch auf der Innenseite angeordnet werden.
Welcher Ausführungsart im Einzelfall der
Vorzug zu geben ist,-hängt neben anderen
Kriterien, auf die noch einzugehen sein wird,
von den angetroffenen Grundwasserverhältnissen und den daraus resultierenden Abdichtungsmaßnahmen ab.
Dränplatte
bituminöse
Abdichtung
Schaumglas
(s = 6 ± 7 cm)
Außendämmung von Kellerwänden
bituminöser
Kleber
Von außenseitig angeordneten Dämmschichten bei an Erdreich grenzenden Außenwänden spricht man, wenn diese außerhalb der
Dichtungsschichten liegen. Sie sind damit
der Feuchtigkeit im Boden ausgesetzt.
Für die außenseitige Dämmung spricht, daß
O die Dämmschicht bauphysikalisch richtig
angeordnet ist,
O Wärmebrücken durch einbindende
Decken und Wände vermieden werden,
O die Dämmschicht die Abdichtung gegen
Bodenfeuchtigkeit und vor Beschädigungen schützen und damit Bauschäden verhindern helfen,
O die Dämmschicht leicht angebracht
werden kann.
Nach den geltenden Bestimmungen, Wärmeschutzverordnung und DIN 4108, dürfen-ä6--ßenliegende Dämmstoffschichten von an
Erdreich grenzenden Bauteilen bei der Berechnung des Wärmedurchlaßwiderstandes
nicht berücksichtigt werden. Eine Ausnahme
bilden Wärmedämmstoffe, die sich durch eine besonders geringe Wasseraufnahme auszeichnen, wie z. B. extrudierte PolystyroiHartschaumplatten. Einzelheiten sind in der
jeweiligen bauaufsichtlichen Zulassung
geregelt.
Mauerwerk
(s = 24 ± 36,5 cm)
Innenputz
a =l eau^3eTis tiger
Dimmung
„Außen"-Dämmung mit Schaumglas
7
Innendämmung von Kellerwänden
Bei nur zeitweise beheizten Kellerräumen ist
die Innendämmung wegen der geringen Anheizzeiten und dem damit verbundenen geringeren Wärmeverbrauch der Außendämmung vorzuziehen.
Bei nachträglichen Wärmedämmaßnahmen
an Kellerwänden stellt die Innendämmung
die kostengünstigste Lösung dar, wenn nicht
im Rahmen einer umfassenden Sanierung
die Kellerwände ohnehin von außen freigelegt werden.
Zu beachten ist in diesen Fällen jedoch die
dampfdiffusionstechnisch ungünstige Lage
der Wärmedämmschicht auf der Innenseite
der Abdichtungsschicht, die in der Regel einen sehr hohen Dampfdiffusionswiderstand
aufweist. Durch die Verwendung von Dämmschichten mit einem hohen Dampfdiffusions79
Ba+,aufsichtliche
Z^,lassung
Tauwasserschutz
4.3
BAUKONSTRUKTION
Erdberühren
de
Bauteile
widerstand (genauer: wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke p.. s) oder
auf der Innenseite der Wärmedämmung aufgebrachter dampfsperrender Schichten
(Aluminiumfolie) vermeidet man die Tauwasserbildung. Im Zweifelsfall ist ein rechnerischer Nachweis durchzuführen (siehe
DIN 4108, Teil 5).
/,i ^/,
//,,
l ^j /^^,.,^
Gleichmäßige Wärmeverluste bei unterkellerten Gebäuden
l
1=
Q
1
13 kcal
2i
F.
//^,^►
=
%^
Ij j^j ;
bituminöse Abdichtung
Mauerwerk
(s = 24,0 - 36,5 cm)
M ineralfaserdämmplatte
(s = 5 ± 6 cm)
Aluminiumfolie
Gipskartonplatte
1-T0-48157;5 ., m
1,0
461 unterkellerten
Gebäuden
s:l
Z:.
2,0 m...::..:...:..
Temperaturfeld unter der Sohle eines
finnischen Versuchshauses mit Radiatorenheizung
innenseitige Wärmedämmung einer Kelleraußenwand
gegen Erdreich
8
Richtwerte
Zur Erzielung behaglicher Oberflächentemperaturen wird empfohlen, Außenwände mit
einem Wärmedurchlaßwiderstand 1/A von
etwa 1,3 m2K/W zu konstruieren. Dies entspricht einer Dämmstoffdicke zwischen 5
und 6 cm (A R = 0,040 W/[m-K]). Die Dicke des
tragenden Querschnitts gemauerter Kelleraußenwände richtet sich nach DIN 1053
Teil 1, Tabelle 1.
Bauwerkssohle
Unter Bauwerkssohlen ist je nach der Größe
der Bodenpressungen eine Außendämmung
nicht möglich oder aber nur mit hohen Kosten realisierbar.
Wirtschaftlich sinnvoller ist es, auf der Oberseite der Sohlplatte einen schwimmenden
Estrich auszuführen. Wegen möglicher
Durchfeuchtungen der Wärmedämmschicht
ist unter dieser eine Abdichtung, z. B. als
Folienahrlichtiumg , notwendig.
Die ohnehin bei schwimmenden Estrichen
erforderliche Abdeckung der Dämmschicht
ist als Dampfsperre auszubilden, insbesondere bei Räumen mit hoher Luftfeuchtigkeit.
Zementestrich auf
Kunststoff-Folie
4r4i^^+i^i+^i^^► ^^•^'
\ X\ \\
\ \\
\
\ \
\
\ \\
\
\\\\\\\\\\
\\\\
\\\\%\\\\\\N\\
i:
° .:a....
Korkplatten auf Kunststoff-Dic htu ngsbahnen.
(s=4-5 cm)
Stahlbetonplatte
.'°
9
Die. unter der Wärmedämmschicht liegende
Abdichtung_gegenaufsteigende Bodenfeuchtigkeit ist an die untere waagerechte Ab-.
dichtung in der Außenwand .._anzuschließen,
am einfachsten gemäß Abb. 3 und Abb... , 4,
80
10
In der Randzone, die nach skandinavischen
und französischen Untersuchungen etwa 1 m
breit ist sollte dahe r ein erhöhter Wärmeschutz vorgesehen werden. Man kann in diesem Bereich in etwa die Verhältnisse für erdberührte Kelleraußenwände zugrundelegen.
Quellen:
Achtziger, J.: Bedeutung der Wärmeleitfähigkeit und der
Wasserdampfdurchlässigkeit im Bauwesen, VDI-Seminar „Baulicher Wärmeschutz" 1977 (Abb. 2).
Prof. Dr.-Ing. Erich Schild; Dipl.-Ing. Rainer Oswald,
Lehrstuhl für Baukonstruktion Ill der RWTH Aachen:
Wärmeschutz von erdberührten Gebäudeaußenflächen
— Querschnittsbericht (Abb. 3, Abb. 4).
Vuorelainen, 0.: The temperatures under houses
erected immediately on the ground and the heat losses
from their foundation slab, Dissertation, Helsinki 1960
(Abb. 10).
Literaturhinweise:
1. Schild, E. und Oswald, R.: Wärmeschutz von erdberührten Gebäudeaußenflächen — Querschnittsbericht,
Forschungsarbeit im Auftrage des Bundesministers für
Raumordnung, Bauwesen und Städtebau, 1980.
2. Schild, E. u. a.: Bauschäden im Wohnungsbau, Teil
VII, Schwachstellen an Kellern und Dränagen (Schäden,
Ursachen, Konstruktions- und Ausführungsempfehlungen), Forschungsarbeit im Auftrage des Innenministers
des Landes Nordrhein-Westfalen, 1978..
3. DIN 4108, Wärmeschutz im Hochbau, Ausgabe August 1981.
4. Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung) vom
11. August 1977.
5. Bauen und Energiesparen, Ein Handbuch zur rationellen Energieverwendung im Hochbau, Verlag TÜV
Rheinland, Köln, 1979.
6. Hebgen, H.: Neuer baulicher Wärmeschutz, Verlag
Vieweg u. Sohn, Braunschweig, 1978.
7. Zapke, W.: Wärmeschutztechnisch einwandfreie Ausbildung der gebäudeumschließenden Bauteile bei Neubauten, RKW-Merkblatt Nr. 55, Hrsg. RG-Bau, Eschborn
1982.
Sauberkeitsschicht
Wärmedämmung eines Kellerfußbodens
Abdich
12"C.
1,5
I
Erhöhter Wärmeschutz in der
R dzune bei nicht-
Bei Kellerfußböden sind die Wärmeverluste
gleichmäßig verteilt und relativ gering. Eine
4 cm dicke Wärmedämmschicht ( AR = 0,040
W/[m-K]) als Bestandteil des schwimmenden
Estrichs reicht im allgemeinen aus. Abweichende Verhältnisse liegen dagegen bei Fußböden nicht unterkellerter Gebäude vor, da
in den Randzonen der Sohlplatte höhere
Wärmeverluste auftreten als in dem Mittelbereich.
Kurzbiographie des Autors:
Dipl.-Ing. Wilfried Zapke,
Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung „Bauphysik und Baukonstruktion" im Institut für Bauforschung
e. V., Hannover. Die Schwerpunkte seiner Tätigkeit liegen auf den Gebieten Bauphysik, Energieeinsparung,
Wirtschaftlichkeitsfragen, Bauschäden.
Redaktionelle Bearbeitung und Layout
Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Koordination Vladimir Nikolic.
PRAXISINHIRMAUON
EN(HGIEIINSPAHIIN6 KONSTRUKTION Fenster
BAU-
Forschungsvorhaben der Bundesarchitekten .:.^mr
durchgef hrt lm Auftrage des Bundesminist,r,u:
für Städtebau. Raumordnung und Bauwe
Allgemeine energetische Kriterien
Die Energiegewinnung durch das Fenster ist
der wesentliche Teil der sogenannten passiven Solarenergienutzung. Im Gegensatz zur
aktiven Ausnutzung der Sonnenenergie, z. B.
Son nenkollektoren, wurden bei den passiven
Maßnahmen keine haustechnischen Anlagen
zur Verwertung der eingestrahlten Sonnenenergie angewandt. Die direkte und diffuse
Son nenenergieeinstrahlung wird durch die
transparenten Bauteile in das Innere des Gebäudes hereingelassen und mittels Speichermasse in den Räumen für die Schaffung eines beheizten Raumklimas genutzt. Fenster
übernehmen in diesem Zusammenhang die
Funktion des „Sonnenkollektors". Diese Betrachtung der Fenster, als Gewinn- und Verlustflächen, entwickelte sich erst in den letzten Jahren durch die Zunahme der Forschung über die Energiebilanzen von Gebäuden (siehe Lit.).
Die Fenster gelten nach der bislang vorherrschenden Betrachtung als wärmetechnisch
schwächste Glieder in der Gebäudehülle.
Legt man den geltenden k-Wert W/m 2K Wärmedurchgangskoeffizient zugrunde, so ergibt sich bei durchschnittlicher Ausführung
der Fenster (Zweifachverglasung) ein etwa
dreimal so hoher Wärmeverlust wie an einer
gleichgroßen Außenwandfläche üblicher
Bauart. Bei dieser Betrachtungsweise bleibt
jedoch unberücksichtigt, daß durch ein Fenster Wärme mittels direkter und indirekter
Sonneneinstrahlung gewonnen wird.
Das energetische Verhalten setzt sich zusammen aus den Energiegewinnen durch die
Sonneneinstrahlung, Energieverlusten durch
die Transmission der Wärme und aus den
Lüftungswärmeverlusten durch Fugen-Fensterrahmen und -Flügel sowie zwischen Fensterrahmen und Mauerwerk.
Die Einstrahlungsgewinne werden von folgenden Kriterien bestimmt bzw. wesentlich
beeinflußt:
Meteorologische Kriterien
In der Bundesrepublik Deutschland nimmt
das Son nen-Strahlungsangebot von Süden
nach Norden ab. Die mittlere winterliche Außenlufttemperatur steigt wiederum in dieser
Richtung an. Im Norden herrschen höhere
mittlere Außentemperaturen. Diese gegenläufige Tendenz bewirkt einen Ausgleich der
Heizenergieverbräuche, da Orte im Norden
und Westen gegenüber Orten im Süden neben geringen Strahlungswerten auch kleinere Heizgradtagzahlen aufgrund der höheren
Außenlufttemperaturen aufweisen.
Bauliche Kriterien
Orientierung der Fenster
Wegen des unterschiedlichen Strahlungsan-
Verfasser: Prof. Vladimir Nikoüc
März 1981
gebotes der vier Haupthimmelsrichtungen
hängt der mögliche strahlungsbedingte Wärmegewinn stark von der Orientierung des
Fensters ab.
Leider kann das Strahlungsangebot in den
Übergangsmonaten nicht in allen Fällen voll
genutzt werden. Je nach zugrundeliegenden
baulichen Randbedingungen kann bei den
nach Süden orientierten Fenstern die eingestrahlte Energie zu 50% bis 90%, dagegen bei
den nach Norden orientierten zu 90% bis
100% wärmetechnisch verwertet werden.
Die geringere Verwertbarkeit der eingestrahlten Sonnenenergie im Süden ist auf die begrenzte Speicherfähigkeit von innenliegenden Bauteilen und durch bewirkte Überhitzung des Raumes zurückzuführen.
Größe des Fensters
Der Einfluß der Fenstergröße ist direkt abhängig von der Orientierung zur Himmelsrichtung und von der thermischen Qualität
der Konstruktion.
Bauart der Raumumschließungsflächen
Die Speicherkapazität von innenliegenden
Bauteilen (Wände, Decken und Böden) beeinflussen die Verwertbarkeit der durch Fenster gewonnenen Energie. Bei einer durchschnittlichen Fenstergröße von 20% bis 30%
der Außenwandfläche wird bei einer leichten
Bauweise (geringe Speicherkapazität) der
Raumumschließungsflächen die Ausnutzung
der Sonneneinstrahlung um etwa 15% niedriger als bei einer schweren Bauweise ausfalfen. Bei nordorientierten Fenstern beträgt die
Differenz weniger als 7%. Dieses physikalische Phänomen wird häufig mit dem Begriff
— leichte Bauweise erzeugt „Barackenklima" — bezeichnet.
Veränderungen des Wärmebedarfs eines
Raumes, bedin gt durch unterschiedliche
Wärmedämmungen der Raumumschließungsflächen bzw. der internen Wärmequellen. wirken sich hinsichtlich der Ausnutzbarkeit der Sonneneinstrahlung in ähnlicher
Weise aus wie entsprechende Variationen
des Fensterflächenanteils. Die Veränderungstendenz ist jedoch umgekehrt: Mit Zunahme des Wärmebedarfs steigt die Ausnutzbarkeit der Sonneneinstrahlung an.
Passive Solarenergienutzung
durch Fenster
Einfluß der
Fenstergröße
Direkte und indirekte
Sonneneinstrahlung
Energieverluste des Fensters
Transmissionswärmeverluste
Diese Verluste werden in Form von k-Werten
Wärmedurchgangskoeffizient in W/m2K-in
der DIN 4108 Tabelle 3 schon in der Wärmeschutzverordnung verbindlich festgeschrieben.
Der mittlere k-Wert eines Fensters setzt sich
zusammen aus dem k-Wert des Fensterrahmens und aus dem k-Wert der jeweiligen
Verglasung. Der durchschnittliche Rahmenanteil wird mit 30% der gesamten Fensterfläche angenommen.
81
nsmissionsrvärmevertuste
F ra
k-
Rechenwerte der Wärmedurchgangskoeffizienten für Verglasungen (kv) und für Fenster und Fenstertüren
einschließlich Rahmen (k F ) DIN 4108, Teil 4
.4
BAUKONSTRUKTION
Fenster
Zeile
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
Beschreibung der Verglasung
Unter Verwendung von Normalglas
Einfachverglasung
Isolierglas mit
6 bis 5 8 mm Luftzwischenraum
Isolierglas mit
> 8 bis < 10 mm Luftzwischenraum
Isolierglas mit
> 10 bis 5 16 mm Luftzwischenraum
Isolierglas mit zweimal
> 6 bis 5 8 mm Luftzwischenraum
Isolierglas mit zweimal
> 8 bis 5 10 mm Luftzwischenraum
Isolierglas mit zweimal
> 10 bis 5 16 mm Luftzwischenraum
Doppelverglasung mit
20 bis 100 mm Scheibenabstand
Doppelverglasung aus Einfachglas und
Isolierglas (Luftzwischenraum 10 bis 16 mm)
mit 20 bis 100 mm Scheibenabstand
Doppelverglasung aus zwei Isolierglaseinheiten (Luftzwischenraum 10 bis 16 mm)
mit 20 bis 100 mm Scheibenabstand
2
Sondergläser
3
Glasbausteinwand nach DIN4242
mit Hohlglasbausteinen nach DIN 18 175
1
Fenster und Fenstertüren
einschließlich Rahmen
kF für Rahmenmaterialgruppe'
I W/m2K)
2.2
I
2.3
I 2.1
I
5,8
5,2
3,4
2,9
3,2
3,3
3,6
4,1
3,2
2,8
3,0
3,2
3,4
4,0
3,0
2,6
2,9
3,1
3,3
3,8
2,4
2,2
2,5
2,6
2,9
3,4
2,2
2,1
2,3
2,5
2,7
3,3
2,1
2,0
2,3
2,4
2,7
3,2
2,8
2,5
27
2,9
3,2
3,7
2,0
1,9
2,2
2,4
2,6
3,1
1,4
1,5
1,8
1,9
2,2
2,7
Verglasung
kv
W/(m 2 - K)
3
Sondergläser werden nicht berücksichtigt, da sie einen ungünstigen
Einfluß auf die Wärmegewinne durch die Fenster haben.
3,5
la
Die Einstufung von Fensterrahmen in die Rahmenmaterialgruppen 1 bis 3 ist wie folgt vorzunehmen:
Gruppe 1: Fenster mit Rahmen aus Holz, Kunststoff und Holzkombinationen (z. B. Holzrahmen mit Aluminiumbekleidung) ohne besonderen Nachweis oder wenn der Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens mit kR
< 2,0 W/(m 2 • K)
Anmerkung: In die Gruppe 1 sind Profile für Kunststoff-Fenster nur dann einzuordnen, wenn die
Profilausbildung vom Kunststoff bestimmt wird und eventuell vorhandene Metalleinlagen nur der
Aussteifung dienen.
Gruppe 2.1: Fenster mit Rahmen aus wärmegedämmten Metall- oder Betonprofilen wenn der Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens mit kR < 2,8 W/(m 2 • K)
Gruppe 2.2: Fenster mit Rahmen aus wärmegedämmten Metall- oder Betonprofilen, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens mit 3,5 > kR > 2,8 W/(m 2 K)
Abstand gegenüberliegender Stege
a mm
Anteil der Kunststoffverbindung
an der Dämmzone mit X'..?... 0,17 W/(m • K)
Dicke der
Dämmzone
smm
bei Verbindung der Innen- und Außenschale der Metallprofile
mit Kunststoff
Dämmstoff oder Luft
b1+62 IS 0,4-
b
>
7
>12
> 12-
>9
b i + 6 2 > 0,4 - b
Gruppe 2.3: Fenster mit Rahmen aus wärmegedämmten Metall- oder Betonprofilen, wenn der Wärmedurchgangskoeffizient des Rahmens mit 4,5 > kR > 3,5 W/(m 2 • K)
Abstand
Dicke der
gegenüber- Dammzone
liegender
Stege
s mm
a mm
Ante il der Kunststoffverbindung
an der Dämmzone mit a.>0,17 W/(m - K)
Dicke
der
Stifte
Abstand
der
Stifte
mm
mm
<3
>200
bei Verbindung der Innen- und Außenschale der Metallprofile
mit Kunststoff
Dämmstoff oder Luft
b1+6250,4• b
b,+b 2 >
0,4 •
b
>
3
>10
>
5
>10
>5
> 10
bei Verbindung der Innen- und Außenschale der Metallprofile mit Stiften
Dämmstoff oder Luft
Gruppe 3: Fenster mit Rahmen aus Beton, Stahl und Aluminium sowie wärmegedämmten Metallprofilen, die nicht
in die Rahmenmaterialgruppen 2.1 bis 2.3 eingestuft werden können, ohne besonderen Nachweis.
Bei Verglasung mit einem Rahmenanteil < 15% dürfen in der Rahmenmaterialgruppe 3 (ausgenommen Zeile 1.1) die
kF-Werte um 0,5 W/(m 2 • K) herabgesetzt werden.
1b
82
Thermischer Einfluß des Fensterrahmens
Der Einfluß des Rahmenanteils auf den mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten von
Fenstern bei Verglasung mit Isolierglas
(12 mm LZR).
Bei thermisch minderwertigen Fensterrahmenkonstruktionen (z. B. ungedämmte, Metall) und einer hochwertigen Verglasungsart
(z. B. Drei- bis Vierfachverglasung) soll der
Anteil des Rahmens reduziert werden. Hierzu
sind neue Konstruktionen zu entwickeln. Eine eindeutige Verbesserung des thermischen
Verhaltens von solchen Fenstern ist sinnvoller durch die Reduzierung des Rahmenanteils zu erreichen als durch die thermische
Verbesserung der Rahmenkonstruktion.
mittl. Wärmedurchgangskoeffizient km des Fensters
in W/m 2 K
1 Aluminiumrahmen
2 Alu-wärmegedämmt
3 Holzrahmen
Thermischer Einfluß der Verglasung —
Energiegewinne durch die Glasflächen
Der Baustoff Glas besitzt folgende physikalische Eigenschaften:
Ein normales Glas läßt 78% bis 90% der kurzwelligen Sonnenstrahlung durch. Daraus leitet sich der sogenannte Treibhaus- oder Gewächshauseffekt von Glasflächen ab. ,7
0
20
10
30
40
Rahmenanteil in %
2
Aufgrund dieser Eigenschaften dienen Glasflächen, ähnlich wie bei den Gewächshäusern, nicht nur zur Belichtung der Räume
oder zur Herstellung eines Kontaktes zwischen innen und außen, sondern sie werden
auch zur Sonnenenergiegewinnung eingesetzt.
Die rechnerische Ermittlung des Wärmedurchgangskoeffizienten von Fensterrahmen
ist wegen unterschiedlicher Oberflächengeometrie auf der Innen- und Außenseite nicht
ohne weiteres möglich.
k
Fahm„n
k
=
1
V:rglasung
-9,0
JF°
/
^
//
11 6,0'
w^.
Ym -_
r
J
"
50
1,
!W11I
11 ^ 44^ /J
.11
. ^
p di
Ili
4A
Durchlässigkeit von Glasscheiben für die
Sonneneinstrahlung in Prozenten
, ^
/
41111
Gesamtenergiedurchlaßgrade g von Verglasungen
Zeile
j
^^
^
10
20
30
I'
40
50
Anteil des Rahmens in %
1,0
wi
ll
MI
50
60
70 80
90
Anteil der Verglasung in %
Graphische Besti mmung des K„ -We rt es für Fenster
nach Prof. Seifert
3
Verglasung
g
1.1
Doppelverglasung aus Klarglas
0,8
1.2
Dreifachverglasung aus Klarglas
0,7
2
Glasbausteine
0,6
3
Mehrfachverglasung mit Sondergläsern (Wärmeschutzglas, Son- 0,2 bis 0,8
nenschutzglas) '
1
' Die Gesamtenergiedurchlaßgrade g von Sondergläsern können aufgrund von Einfärbung bzw. Oberflächenbehandlung der Glasscheiben sehr unterschiedlich sein. Im Einzelfall ist der Nachweis gemäß
DIN 67507 zu führen.
Ohne Nachweis darf nur der ungünstigere Grenzwert
angewendet werden.
5
83
BAUKONSTRUKTION
Thermischer Einfluß
des Fensterrahmens
und der Verglasung
Treibhau
.4
BAUKONSTRUKTION
Wärmeverlust und Wärmegewinn
durch Fenster und Wände
Bei Fenstern tritt infolge Besonnung ein Wär
megewinn durch unmittelbare „Durchstrahlung" auf. Der Wärmeverlust durch Fenster
und Wände erfolgt hingegen in gleicher Weise durch Wärmeleitung entsprechend dem
k-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient).
Energiebilanz von Fensteraußenwänden
Der Einfluß der Fenstergröße hängt von der
Orientierung und der thermischen Qualität
des Fensters ab.
100%
Spezifischer Wärmebedarf in
100
75%
W/ m2
2326
Wärmeverlust und
Wärmegewinn durch
Fenster und Wande
90
50%
80
25%
1744
581
0%
70
60
y
a)
E
:m
1163
S
I
1744
2326
Vergleich der unterschiedlichen Orientierungen
sowie Fenstergrößen bei einem Mittelraum mit
Außenwand kAw = 0,656 W/m2K
2907
W/m
Einfach- Doppel, Dreifach 1/A),55
Fenster Fenster. Fenster Wände
Quelle: Künzel. Gertis: Fenster und Sonnenschutz. 1979.
zen
a
Holzfenste , 34% Rahmenanteil, 2fach-Verglasung
kF=2,5=W/m2 K
Um Fenster energetisch richtig beurteilen zu
können, müssen Energiebilanzen des dahinterliegenden Raumes gerechnet werden.
Mit Hilfe von solchen relativ aufwendigen
und komplizierten EDV-Rechnungsprogrammen von Prof. Dr.-Ing. Lothar Rouvel wurden
folgende energetische Beurteilungen von
verschiedenen Fensterqualitäten vorgenommen. Ein vereinfachtes Rechenverfahren ist
in der Praxisinformation Energieeinsparung
2.2 veröffentlicht worden.
Der Wärmebedarf von Räumen unterschiedlicher Orientierung und gleicher Fensterqualität variiert um so mehr, je größer der flächenmäßige Anteil des Fensters an der Außenwand ist. Bei einer thermischen Qualität
(Zweifachverglasung, 34% Rahmenanteil aus
Holz) kFe = 2,5 W/m 2K bringt die Vergrößerung der Fensterfläche von 25% auf 50% bis
75% trotz Energiegewinnen durch Sonneneinstrahlungsgewinne bei allen Orientierungen
außer nach Süden negative Tendenz für die
Energiebilanz des Raumes. Diese verstärkt
sich bei der Anwendung thermisch besserer
Außenwandkonstruktionen um einen kAw von
weniger als 0,5 W/m2K.
Randbedingungen
;für energetische Optimierung
Energetische Optimierung. durchgeführt im
Rahmen des Forschungslioiektes Bau und
^Cnergie. geförde rt
durch das BMFT
Bei der energetischen Optimierung von Räumen mit Fenstern unterschiedlicher thermischer Qualität und Größe werden diese baulichen Randbedingungen angenommen.
8
Holzfenster
34% Rahmenanteil
/•
e 2faach -Ver Iasung
kFe = 2,5 W1m_2K ..
E
.c
C_
6,0 m
100
90
80
70
ä.)
L 60
U
m
Holzfenster
34% Rahmenanteil
^
a)
a^
E
m
(4‘
4”
,/
Mittelrauml^/
aget/
\I
Grundfläche: AR ° 24,00 m2
Volumen: VR = 64,80 m2
Außenwand: AAw = 12,00 m2
Fenster:
AFe = 0,00 m2 bis 12,00 m 2 entsprechen
0%-100% Fensterflächenanteil an
L
ca
ca
50
m
11 5 cm Hlz 1,6 beidseitig verputzt
84
0
25
5
75
100
iv
U 100
90
N
ä 80
70
60
der Fassade
Außenwand: 24 cm Hlz 1,6 mit 4 cm Wärmedämmung
außen, beidseitig verputzt k 0,656" W/m2 K
Innenwand: 24 cm Hlz 1,6 beidseitig verputzt
Fußboden/ Nadelfilz, 4 cm Zementestrich, 2 cm TrittDecke:'
schalldämmung,16 cm Stahlbetondecke,
1,5 cm Innenputz
Klimadaten: Essen
Bauliche Ausbildung des Raumes und
Lage am Gebäude
3fach^Ver Ia^s^u^^n^_
W
kFe = 1,90^%m?K
Holzfenster
34% Rahmenanteil
4fach-Verglasung
kFe 1,35 W/m2K
0
25
50
75
100
Fensteranteil an der Fassade in %
Nordraum
Ost- bzw. Westraum
....^Südraum
Einfluß von unterschiedlicher Raumorientierung auf
den spezifischen Jahreswärmebedarf in Abhängigkeit
vom Fensterflächenanteil an der Fassade
9
Zusätzliche Wärmedämmaßnahmen
am Fenster
Verbesserung der Energiebilanz
in der Nacht
Temporärer Wärmeschutz
Temporäre Wärmeschutzvorrichtungen können während der Nacht den Wärmeverlust
durch das Fenster deutlich erniedrigen, ohne
daß die Wärmegewinne durch die SonnenEine weitere Verbesserung der Energiebilanz einstrahlung tagsüber beeinträchtigt werden.
Der temporäre Wärmeschutz verhält sich
von Fenstern ist durch die Fensterkonstrukenergetisch
fast analog wie eine zusätzliche
tion wie Kastenfenster oder Wintergarten zu
Fensterscheibe, d. h. ein dreifachverglastes
erzielen. Wintergärten mit einer DoppelverFenster mit temporärem Wärmeschutz entglasung an der Außenseite und einer Einspricht energetisch einer Vierfachverglafachverglasung an der Innenseite sind wesung.
sentlich günstiger als übliche FensterkonDurch die Anwendung des temporären Wärstruktionen mit einer Dreifachverglasung.
meschutzes am Fenster von Altbauten kann
Die Orientierung der Fenster nach Süden ist
ohne einen großen finanziellen Aufwand die
energetisch um ca. 20% günstiger als die
thermische Qualität verbessert werden. AllerOrientierung nach Norden. Die Orientierung
dings ist die Voraussetzung hierzu, daß die
zu unterschiedlichen Himmelsrichtungen hat
Fugendichtigkeit des Fensters gewährleistet
einen geringeren Einfluß auf die Verbesseist.
rung des spezifischen Wärmebedarfs als die
Steigerung der wärmetechnischen Qualität— Folgerungen aus den dargestellten
Zweifach- Dreifachverglasung Wintergärten. Diagrammen:
1. Ein temporärer Wärmeschutz vermindert
Doppel- oder Isolierverglasung außen und
eine übermäßige Abkühlung in der Nacht.
Einfachverglasung innen ist für eine längere
2. Die günstige Lage des Wärmeschutzes ist
Nutzbarkeit des Wintergartens eindeutig
an der Innenseite der äußeren Verglasung
günstiger.
des Wintergartens.
Grundsätzlich kann gesagt werden, daß bei
einerthermischen Qualität der Außenwand
kAw = 0,6 kWh/m2K nur Fenster mit geringeren Transmissionswärmeverlusten, wie dreibis vierfachverglaste Fenster und einer Fenstergröße von 25% auf 50% bis 75% der Außenwand, die Energiebilanz bei Süd-, Ostund Westorientierung des Raumes positiv
beeinflussen.
OHNE
temporären Wärmeschutz
120
kWh/m 2 • a
140 1
1
10
`
% a.,
100
120 E
90
m
OO L
co
E
80 cLi'm
w1v ^
0 11 .E
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40L C m
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50 H
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120
kWh/m2 • a
140._110
0/0
100
90
80
80
70
70
60
60
50
50
40 Zweifach-Verglasung 50% A
Dreifach-Verglasung 100%
30 Dreifach-Verglasung 50% A
Wintergarten 100%AF
20 außen zweifach/innen einfac
Wintergarten 150% AF
10 außen zweifach/innen einfac
0
Nord Ost Süd West Nord
c:2_
0
MIT temporärem Wärmeschutz
A
C
D
B
Zweifach-Verg asung 50% A
C
30 Dreifach-Verglasung 100%
Dreifach-Verglasung 50% AF
20 Wintergarten 100% AF
$
außen zweifach/innen einfac
10 Wintergarten 150% A F
zweifach/innen einfac
0
Nord Ost
Süd West Nord
40
OHNE temporären
WintergartenMIT temporärem
Wärmeschutz
temperatur
Wärmeschutz
35
Südorientierung
Südorientierung
30
25
20
15
10
5
0
Nordorientierung
Nordorientierung
5
—10 —5 0 +5 10 15 20 25 30 —10 —5 0 +5 10 15 20 25 30
Außentemperatur Außentemperatur
Wintergarten-
MIT temporärem
OHNE temporären
Wärmeschutz
temperatur
Wärmeschutz
35
Südorientierung
Südorientierung
30
25
20
15
10
5
0
Nordorientierung
Nordorientierung
—5
—10 —5 0 +5 10 15 20 25 30
—10 —5 0 +5 10 15 20 25 30
Außentemperatur
Außentemperatur
Vergleich unterschiedlicher Verglasungsarten
ohne temporären Wärmeschutz
Fensterflächenanteil variiert
Vergleich des spezifischen Jahreswärmebedarfs von Mittelräumen mit variierender Verglasungsart ohne temporären WärmeSchutz. Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben Bau und
Energie, gefördert durch das BMFT
Vergleich unterschiedlicher Verglasungsarten
mit temporärem Wärmeschutz
Fensterflächenanteil variiert
Vergleich des spezifischen Jahreswärmebedarfs von Mittelräumen mit variierender Verglasungsart mit temporärem Wärmeschutz. Ergebnisse aus dem Forschungsvorhaben Bau und
Energie, gefördert durch das BMFT
•
MIME
NNE
MEE
85
414
BAUKONSTRUKTION
reri gier
Wintergär
Südorientierung
4.4
BAUKONSTRUKTION
Die Maßnahmen, der derzeit noch nicht allgemein üblich sind, könnten, innen oder außenseitig angebracht, als spezielle Vorhänge,
Schiebevorrichtungen, Rolläden, Klappladen
und dergleichen ausgeführt werden. In experimentellen Untersuchungen ist die wärmedämmende Wirkung von Vorhängen bzw. Li blichen Rolläden bereits bestätigt worden.
Nachtwand
geschäumte Paneele
mit Magneten am
Fensterrahmen befestigt
Sonnenschutzrollo
als Matte oder
Jalousie
(Schema)
el
i
1 Schiebewand
verschiebbare starre
Paneele in horizontaler
Türführung
Fenster mit
Wärmedämm
Klappflügel,
(oder (Schiebeflügel-Jalousette)
Faltwand
Paneele werden gefaltet;
und in horizontaler Führung
zur Seite geschoben
In der Winternacht als Wärmedämmung
Am Sommertag als Sonnenschutz
Beispiele möglicher Vorrichtungen des temporäre
Wärmeschutzes - Paneelkonstruktionen
Am besonnten Wintertag ist Sonneneinstrahlung durch
das Fenster erwünscht
14
Flexible Wärmedämmelemente für den winterlichen
(nächtlichen) Wärmeschutz - wie sie von einigen Autoren
vorgeschlagen wurden - machen auch weiterhin größere
Fensterflächen energiewirtschaftlich möglich
Fester Sonnenschutz
12
Sonnenschutzvorrichtungen am Fenster
Sonnenschutzanlagen sind ebenso wie die
Wärmeschutzvorrichtungen Präventivmaßnahmen. Damit soll während der Sommermonate mit starker Sonneneinstrahlung auch
ohne Anwendung raumlufttechnischerAnlagen ein erträgliches Raumklima erzeugt werden.
Fester Sonnenschutz
Bei richtiger Konstruktion und Anordnung
stellt dieser Sonnenschutz die effizienteste
Maßnahme dar. Er benötigt keine oder nur
geringe Wartungs- und Reparaturkosten,
kann jedoch nicht überall angewandt werden. Man unterscheidet zwei grundsätzliche
Konstruktionsprinzipien:
1. feste, auskragende, horizontale und vertikale Platten an den Fensteröffnungen,
2. feste, vertikale oder horizontale Lamellen
an den Fensteröffnungen.
Süd
Stepp-Rollo
Vertikalschnitt
Es muß näherunasweise sichergestellt
sein, daß keine direkte Besonnung des
Fensters erfolgt. Dies ist der Fall, wenn
bei Südorientierung der AbdeckwinrCel
ß ? 50° ist und bei Ost- und Westorientierung entweder. der Abdeckwinkel
ß ? 85° oder y > 115° ist. Zu den jeweiligen Orientierungen gehören Winkelbereiche von ± 22,5°. Bei Zwischenorientierungen ist der Abdeckwinkel
ß _> 80° erforderlich.
Ost
Beispiele möglicher Vor ri chtungen des temporären
Wärmeschutzes - Rollokonstruktionen
86
13
Fester Sonnenschutz
DIN 4102 Tell 2 Tabelle 5
15
Beweglicher Sonnenschutz
Unterdiesem Begriff werden derzeit Metalljalousien, Markisen, Vorhänge sowie horizontal und vertikal verschiebbare Sonnenschutzplatten verstanden. Die Wirkung solcher Anlagen wird im wesentlichen von ihrer
Anordnung bestimmt.
23%
100%
i
19%
14%
17%
40%
e
/44%
Normale Verglasung k= 4,2
l' 3%
40%
Normale Verglasung k= 5.0
19%
•
Wärmeabsorbtion am Fenster bei verschiedenen
Anordnungen von Sonnenschutzvorrichtungen
16
Abminderungsfaktoren z von Sonnenschutzvorrichtungen' in Verbindung mit Verglasungen
1
2
2.1
2.2
Sonnenschutzvorrichtung
fehlende Sonnenschutzvorrichtung
1,0
innenliegend und zwischen
den Scheiben liegend
Gewebe bzw. Folien 2
0,4 bis 0,7
z
0,5
3
Jalousien
außenliegend
31
Jalousien, drehbare Lamellen,
hinterlüftet
0,25
3.2
3.3
3.4
3.5
Jalousien, Rolläden, Fensterläden, feststehende oder
drehbare Lamellen
Vordächer, Loggien
Markisen, oben und seitlich
ventiliert
Markisen, allgemein
i NORMALGLAS
Doppelverglasung
27
73
Dreifachverglasung
37
63
0,2-0,7
ABSORPTIONSGLAS
Einfachscheibe
40
Grauglas
Einfachscheibe
44
Grünglas
Zweifachscheibe
45
Grauglas mit Spiegelglas
0,2-0,7
REFLEXIONSGLAS
Einfachscheibe
55
mattbedampft
Zweifachscheibe
60
mattbed. mit Spiegelglas
Einfachscheibe
71
Goldbelag
Zweifachscheibe
72
Goldbelag mit Spiegelglas
Verhalten versch. Giasarten bei Wärmeeinstrahiung
BAUKONSTRUN110R
60
56
Beweglicher
Sonnenschutz
55
45
40
29
28
18
Lüftungswärmeverluste des Fensters
46%
15%
20%
25%
45/ ♦ 4%
Wärmereflektierendes Glas k= 4,2 Normale Doppelverglasung k= 2,0
Zeile
100% durch SonnenGV Strahlung zugeführte
Wärme
Eindringende
0,8-0,7 Zurückgewie.
Wärme in %
Wärme in %
Gesamtenergiedurch aßgrad
Die Lüftungswärmeverluste der Fensterkonstruktion im geschlossenen Zustand sind in
der DIN 4108 Teil 4 Tabelle 4 festgelegt: die
Fugendurchiaßkoeffizienten an der Fenster
und Fenstertüren dürfen die Werte nicht
überschreiten. Fenster ohne Öffnungsmöglichkeiten und Verglasungen sind dauerhaft
und praktisch luftundurchlässig einzudichten.
Auf einen Nachweis des Fugendurchlaßkoeffizienten für Holzfenster kann verzichtet werden, wenn die Profile der DIN 68121 — Holzfenster — Ausgabe März 1973 entsprechen.
0,3
0,4
0,5
Die Sonnenschutzvorrichtung muß fest installiert
sein (z. B. Lamellenstores). Übliche dekorative Vorhänge gelten nicht als Sonnenschutzvorrichtung.
2 Die Abminderungsfaktoren z können aufgrund der
Gewebestruktur, der Farbe und der Reflexionseigenschaften sehr unterschiedlich sein. Im Einzelfall ist
der Nachweis in Anlehnung an DIN 67507 zu führen.
Ohne Nachweis darf nur der ungünstigere Grenzwert
angewendet werden.
17
Sonnenschutzgläser
Für den Sommer konzipierte Sonnenschutzverglasungen können im Winter im Sinne der
Energieeinsparung ungünstiger sein als
nicht beschichtete Verglasungen, da Sonnenschutzverglasungen im Vergleich zu Wärmeschutzverglasungen bei annähernd gleichen k F-Werten wesentlich geringere Gesamtenergiedurchlaßgrade aufweisen. Dadurch wird der mögliche, durch die Sonne
bedingte Wärmegewinn bei annähernd gleichem Wärmeverlust verringert.
Fugeridurchlaßkoeffizient
Konstruktionsmerkmale von Fenstern und Fenstertüren in
Abhängigkeit vom Fugendurchlaßkoettizienten a nach DIN
18 055
Konstruktionsmerkmale
0,3
Lüftungswärmeverluste
Holzfenster (auch Doppelfenster)
mit Profilen nach DIN 68121
ohne Dichtung
alle Fensterkonstruktionen (bei Holzfenstern mit Profilen nach DIN 68121)
mit alterungsbeständiger, leicht auswechselbarer,weichfedernderDichtung
Fugendurchlaßkoeffizient a
m3/(h • m daPa2'3)
2,0 > a >1,0
<
1,0
19
Über die Möglichkeiten, den Lüftun g swärmeverlust zu reduzieren (bei einer Reduzierung
des Transmissionswärmeverlustes von Fenstern nimmt der Lüftungsverlust eine wesentlich höhere, wenn nicht mengenmäßig ausschlaggebende Stellung ein), werden zur Zeit
mehrere Forschungsprojekte durchgeführt.
Tendenziell kann man schon im voraus feststellen, daß eine kontrollierte Be- und Entlüftung von Räumen mit Wärmerückgewinnung
am effizientesten die Höhe des Lüftungswärmebedarfs reduzieren kann.
Sonnenschutzgläser
Mindestluftwechsel
Ein Mi_ndestluftwechsel sollte ständig zwischen O 5- bis0,7fach sein.
Bei einer drastischen Reduktion des Luftwechsels bei Nichtbenutzung der Räume und
einer entsprechenden Absenkung der Heizungsleistung entstehen infolge der Kondenswasserbildung Schäden an dem
Gebäude.
Hierzu werden in der nächsten Zeit neue Ergebnisse aus der Forschung und Entwicklung vorliegen.
87
4.4
BAUKONSnmUKoIOmn
Fenster
Darstellung der AnschluBausbildung
zwischen Fenster und Boukörper
Ein wesentlicher Punkt ist die Verbindung
undAbdiohtungzum8auhÜrper. Die riohtige
VVah|deeAneoh|u8eyetemeundderVVerhetoffeietfÜreinedauerhafteAbdichtungbeedmmend.OieTabe|le..Aneoh|u8derFenater
zunn8auhörper''gibthiereineEntaohei'
dungehi|fe.wenndieUmgebungabedingungenbehanntaind.UntereohiedeinderAneoh|u8auebi|dungzeigtdiefo|gendeTabe||e.
9. L. Rouve und B. Wenzel: Kenn moonzu,sourto+
|unuvonFenmomun*o,Bo,uoxowhtigungdo,Gonnonoinstmmvngwäx,onuuo,Hoizpo,|oue.in:aavphvoix1
(1e79).mr.1.G. 1e-18.
10. DIN 4108 Wärmeschutz im Hochbau, Teil 1-5, Manuskript Dezember 1980.
11. DIN 18055 Fenster, Fvuonuu,nNmooigxoaunu
Gomagmgonsioxo,xoit.
12. DIN Orsoruoxttmnom|oo|onug,uuo.Stmmvnue~
t,anomimsionegmuovnuoovamtene,gieuu,oNaoumuo
vonvorg|auunuon.
13. DIN sa1e1Too1 Holzfenster-Profile; Dreh-, Drehkipp- und Klappfenster.
Anschlußausbildung zwischen Fenster und Baukörper
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Anschluß-
ausbildung
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Beanspruchungsgruppen
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1
,
2
LiteraturhinwniAR
h ix Wär1 Prof.h
für Fvnute
medurchgangskoeffizient
2. Wärmeschutztechnische Messungen von Fenstern
0:ssw
1
I
,
eo
3.1 '
3.2
uo
14. Wärmeschutzverordnung bei Gebäuden, BMW Au
gust 1977.
QuelenaUUldungon:
DIN 4108 (Abb. 1,5, 15, 17, 19).
Seifert: Wärmed x
.
fizienten k für die Technischen Baubestimmungen, in:
Institut für Fenstertechnik, Rosenheim (Abb. 2, 3).
_n "
. .-4, F-_r __.`'. Künzel, Gertis: Fenster und Sonnenschutz, Holzkirchen
1975 (Abb. 6).
Nikolic: Bau un'd Energie, Gom obonohtForsohungr
g
° projekt des BMFT (Abb. 7, 8, 9, 10, 11).
'^^^blatt" Heft 2/198Ö.
Nikolic: Handbuch des energiesparenden Bauens
(Abb. 12, 16).
4. Prof. V.
o |
nuon
Wright: Natural solar Architecture (Abb. 13. 14).
aavono, Deutscher Consulting Verlag, Wuppertal.
SchriftenSeiffert: Fensteranschluß zumBuvxo
5. Prof. v.wixnUo(pmjekt|oitor):Fors
reiheuoo oMBav, Bau- und Wohnforschung 1e77
Bau und Ene i gom,uortuumxuuuaunuoommmte'
(Abb. 20).
rium für Forschung und Technologie (BMFT).
6. Rationelle Ener i onwonuung,|n: Statusbericht
Kurzbiographie des Autors:
1e80Tox1.G.24-33.ounuooministormrForsoxvngvnu
Prof. oip|,Inu. Vladimir mix000.
Technologie.
Architekt BDA - Gesamthochschule Kassel- Konstrukti7. Pm,.or'mg. L. Rou yel: Raumkonditionierung, Wege
-freischaffender Architekt-Schwerves Entwerfen
Entw
zum energetisch optimiertenoouguuo.m:Gohnoonm/'
punktwoxnungouuu-onorg|oopumnu000uvon- For
xouorFvmoxunuoote||omrEnong|ewirtooxmtounu12,
schung - rationelle Energieverwendung.
Springer-Verlag.
Redaktionelle Bearbeitu
u Layout oipl.-Ing.00mu
8. D. WriNatural S lar Architecture a passive primer, Van Nostrand Reinhold Company, New York.
88
^
INEHGIEINS
Ein Forschungsvorhaben der Bundesarcnetekter <4n w.'
durchgefuhrt im Auftrage des Bu ' desminister,' ms
für Städtebau. Raumordnun:F uno Bauweser
In diesem Teil der Praxisinformation sollen haustechnische Konzepte im Zusammenhang mit dem
Verbrauch dargestellt werden. Bei der Auswahl
von Beispielen wurde versucht, eine möglichst
große Aktualität zu gewährleisten. Es ist beabsichtigt, die Veröffentlichung von interessanten und
wegweisenden Lösungen in regelmäßigen zeitlichen Abständen zu wiederholen. Die erste Veröffentlichung beschränkte sich auf die Darstellung
der prämierten Gebäude und haustechnischen
Konzepte aus dem zweistufigen Wettbewerb für
Energiesparhäuser Berlin, der 1981 durchgeführt
wurde.
Die ausgewählten Gebäude-Beispiele werden im
Rahmen der Internationalen Bauausstellung in
Berlin 1984 - fünf Mehrfamilienhäuser mit je zwölf
Wohnungen - präsentiert. Dieses Programm wird
vom Bundesminister für Raumordnung, Bauwesen
und Städtebau unterstützt.
Um utopische Lösungen von vornherein auszuschließen, mußten Planer, Arbeitsgemeinschaften
mit Generalunternehmern eingehen und im Rahmen der vorgegebenen maximalen Kosten ein
schlüsselfertiges Angebot mit Festpreis abgeben.
Gefordert war eine detaillierte Beschreibung von
Bauteilen und der Mittel des technischen Ausbaus, d. h. Heizung, Lüftung und Warmwasseraufbereitung.
TECHNISCHER
AuSBAU
Gesamtkonzepte
Verfasser, Prof. Dipl -ing. Viadimir Nikolic
Die eingesetzte Studiengruppe wählte 24 besonders erfolgversprechende Ideen für die Teilnahme
an der zweiten Ausschreibungsstufe aus.
In dieser zweiten Stufe in Form einer beschränkten
Ausschreibung waren von den ausgewählten
Teams unter anderem vorzulegen:
O ein detaillierter Gebäudeentwurf,
O die genaue Beschreibung aller technischen
Systeme für Heizung, Lüftung und Warmwasserbereitung sowie für die passive Nutzung
der Sonnenenergie,
O die Berechnung des Energiebedarfs,
O ein verbindliches Preisangebot für die schlüsselfertige Erstellung eines Gebäudes.
Die Kosten für Bauwerk und Außenanlagen waren
limitiert:
O DM 3500000,- für ein sechsgeschossiges
Mehrfamilienhaus mit zwölf Wohnungen in
Berlin.
Die prämierten Arbeiten der zweiten Wettbewerbsstufe wurden durch die Darlegung des energiesparenden Gebäudekonzeptes - passive Sonnenenergienutzung - der adäquaten haustechnischen
Anlage zur rationellen Energieverwertung sowie
des rechnerisch ermittelten Energiebedarfs vorgestellt.
Für alle angebotenen Lösungen haben Prof.
Esdorn und Dr. Jahn einen detaillierten Energiebedarf berechnet, so daß bei der Beurteilung auch
der rechnerisch ermittelte Energieverbrauch
berücksichtigt werden konnte.
Eine Verifikation von prognostischen Energieeinsparquoten soll nach Feststellung der Objekte
durch Beobachtungen und Messungen vorgenommen werden.
Die Auswahl geeigneter Lösungen wurde durch
eine interdisziplinär zusammengesetzte Studiengruppe in einem zweistufigen Verfahren vorgenommen.
Bei der Auswahl standen folgende Entscheidungskritierien im Vordergrund:
O architektonische Qualität,
O Grad der Integration von baulichen und
haustechnischen Maßnahmen,
O Energieeinsparquote,
O Ökonomie bei den Investitions- und
Betriebskosten,
O Innovationsgrad
O sowie Vielfältigkeit einzelner Lösungen.
Die Ideenvorschläge der ersten Wettbewerbsstufe
enthielten:
O eine kurze entwurfsorientierte Baubeschreibung, häufig mit einer skizzenhaften Darstellung
der gestalterischen Konzeption,
O eine Beschreibung der energetischen Konzeption, manchmal schon mit - allerdings noch
nicht prüffähigen - Angaben zur Wirtschaftlichkeit.
89
ttbewerE
ergiespai I i
ün __
Schlüsselfertiges
Angebot mit
Festpreisen
5.
Zusammenstellung der Bauteile Kennziffer 1005
(Auszug aus den Angebotsunterlagen)
WÄRMERUCKGEWINNUNG AUS DEN PUFFERZONEN
UND DER ABLUFT INNENLIEGENDER RAUME
TECNN.AUSBRU
FPENZfk'E
Gesamtkonzepte
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1 Außenwand Leichtziegel k = 0,49 W/m 2 • k
2 Wohnungstrennwand
k = 0,61 W/m 2 • k
Leichtziegel
5 Innenwand Kalksandstein
k = 2,31 W/m 2 • k
k = 0,45 W/m 2 • k
21 Kellerdecke Stahlbeton
10 Geschoßdecke Stahlbeton k = 0,79 W/m 2 • k
k = 2,6 W/m 2 • k
7.1 Fenster Holz
6.3 Fenster Stahl
k = 3,0 W/m 2 k
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C.
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GASKESSEL
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,.
Architekten:
Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Berlin
Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic, Koordination
Energieplanung:
Prof. Dr.-Ing. Lothar Rouvel, München
Haustechnik:
H + Plan GmbH, Köln
Ausführende:
SF-Bau GmbH, Köln
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ELEKTRO- ^/^^
WÄRMEPU1;
NIEERTEMPERAT
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SPEICHER
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^
ZENTRALER NWRMWASSERAUFBEREITER
GRUNDRISS
2
Herstellungskosten (volle DM-Beträge)
Kost.- Kosten Kosten mit besonderen
gruppe ohne bes. Energiesparmaßnahmen
nach EnergieDIN sparmaßDM/m2 DM/m3
276 nahmen
DM
DM
Wfl. u. R.
1 Bauwerk
1866700 3012600 3194 617
3.1
1.1 Baukonstruktionen
404120
498460 529 102
1.2 Installationen
3.2
1.3 Zentrale Betriebstechnik 3.3
3.4
1.4 Betriebliche Einbauten
3.5
1.5 Bes. Bauausführungen
2270820 3511 060 3723 719
Kosten des Bauwerks
Proz.Anteil
%
86,1
14,2
100,3
Tab. 1
Energetische Kriterien
vorhanden
Ausschreibung Energiesparhäuser Berlin/Kassel
ja nein
Projekt: 1005
943 m 2winterlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
Bezugsfläche
0 Schutz gegen Transmissionswärmeverluste
x
0.038 Pers./m2
Personen
36 Pers.
Außenwand Leichtziegel K = 0,49 W/m 2 • K
52,7 W/m2
Norm-Wärmebedarf
49,7 kW
Wohnungstrennwand Leichtziegel K = 0,61 W/m2 • K
Energiebedarf f. Heizung
Innenwand Kalksandstein K = 2,31 W/m 2 • K
16,41 kWh/m 2 a
und Lüftung
15 474 kWh/a
Keüerdecke Stahlbeton
K = 0,45 W/m2 K
Energieverbrauch
Geschoßdecken Stahlbeton
K = 0;79 W/m2 K
kWh/m2 a O Schutz gegen Lüftungswärmeverluste
Ol
kWh/a
x
18,20 kWh/m 2 a sommerlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
Gas
17 158 kWh/a
a
58,41 kWh/m2
Strom
55 081 kWh/a
x
o gute Speicherfähigkeit der Innenbauteile
Strom: Heizung, Lüftung
x
o Sonnenschutzvorrichtungen
21,04 kWh/m 2 a
und Brauchwasser
19 838 kWh/a
in Form
Strom: sonst. Verbraucher
x
co technischer Vorrichtungen
37,37 kWh /m 2 a
35 243 kWh/a
(Beleuchtung, Haushalt)
(Jalousien, Markisen, Rollos u.ä.)
x
co baulicher Maßnahmen
1110,8 DM/m2
Energiekosten f. 25 Jahre 1 047,5 TDM
(Vordächer, vorgelagerte Balkone u.ä.)
368,3 DM/m2
Kapitalwert 347,5 TDM
co äußerer Vegetationshülle
Energiekosten f. 25 Jahre
485,9 DM/m2
(o. Haushalt, Beleuchtung) 458,2 TDM
x
temporärer Wärmeschutz
O A rt
182 401 kWh/a 193,43 kWh/m2a
Primärenergie
O Aufbau
19,34 1/m2 a
Äquivalente Ölmenge
18,24 m3/a
O Praktikabilität
Primärenergie
passive Nutzung der Solarenergie
81,31 kWh/m 2 a
(o. Haushalt, Beleuchtung) 76 672 kWh/a
Fenster Holz
K= 2,6W/m2•K
7,67 m3/a
8,13 I/m 2 a
Aquivalente Ölmenge
Fenster Stahl
K= 3,0W/m2•K
x
O durch Verdrehen des Baukörpers
o durch Glasvorbauten
x
O durch große Südfenster
Zonierung des Gebäudes
O Pufferzonen vor den Aufenthaltsräumen'
x
O „warme" Räume im Gebäudekern
Orientierung der Räumlichkeiten
o Südseite: Kinderzimmer"*
O zentral: Bad, WC,
x
o Nordseite: Küche, Schlafzimmer
x
Treppenhaus, Aufzug
Bemerkungen: " mit Ausnahme der Südseite,
" Wohnzimmer nordorientiert
90
WÄRMERÜCKGEWINNUNG USER WÄRMEROHR UND RESTWÄRME
,AUSSENLUFT
AUS ABWASSER
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ELEKTROMPE
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SPEICHER .
ZENTRALER WARMNmSSERANFDEREfTER
Kennziffer 1007
Zusammenstellung der Bauteile (Auszug aus den Angebotsunterlagen)
3 Wohnungstrennwand Hochlochziegel
4 Kellerdecke Stahlbeton, Dämmung
6 Oberste Geschoßdecke Stahlbeton,
Dämmung
1 Einfachfenster
2 Verbundfenster
k = 0,69
k = 0,45
TECHN. AUSBAU
k = 0,36
k = 2,7
k= 1,7
Architekten:
von Gerkan, Marg + Partner, Hamburg/Berlin
Energieplanung:
Dr. Herbst Ingenieurgesellschaft, Berlin
Ausführende:.
Dr. Herbst Ingenieurgesellschaft, Berlin
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PLATTENTAUSCHER
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GRUNDRISS
5.,
Herstellungskosten (volle DM-Beträge)
Proz.Kost.- Kosten Kosten mit besonderen
gruppe ohne bes. Energiesparmaßnahmen Anteil
nach EnergieDIN sparmaßDM/m2 DM/m3
276 nahmen
Wfl. u. R. _%
DM
DM
1 Bauwerk
76,4
1.1 Baukonstruktionen
2515775 2672555 2430 547
3.1
19,3
1.2 Installationen
3.2
628945 677095 618 139
1.3 Zentrale Betriebstechnik 3.3
1.4 Betriebliche Einbauten
3.4
: 1.5 Bes. Bauausführungen
3.5
3 Kosten des Bauwerks
95,7
3144720 3349650 3057 686
Tab. 2
vorhanden
Energetische Kriterien
Ausschreibung Energiesparhäuser Berlin/Kassel
ja nein
Projekt: 1007
Bezugsfläche
1096 m2winterlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
x
Personen
0:034 Pers./m 20 Schutz gegen Transmissionswärmeverluste
37 Pers.
x
0 Schutz gegen Lüftungswärmeverluste
Norm-Wärmebedarf
34,4 W/m2
37,7 kW
sommerlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
Energiebedarf f. Heizung
x
und Lüftung
62 898 kWh/a
57,39 kWh/m2 a O gute Speicherfähigkeit der Innenbauteile
x
O Sonnenschutzvorrichtungen
Energieverbrauch
x
Öl
kWh/a
kWh/m 2 a temporärer Wärmeschutz
o Art
Gas
kWh/a
kWh/m 2 a
Strom
72 696 kWh/a
66,33 kWh/m2 a o Aufbau
o Praktikabilität
Strom: Heizung, Lüftung
passive Nutzung der Solarenergie
und Brauchwasser
34 250 kWh/a
31,25 kWh/m 2 a
o durch Verdrehen des Baukörpers
Strom: sonst. Verbraucher
x
O durch Wintergärten
(Beleuchtung, Haushalt)
38 446 kWh/a
35,08 kWh/m 2 a
O durch große Südfenster
Energiekosten f. 25 Jahre 1 215,5 TDM
1108,9 DM/m2
Zonierung des Gebäudes
Kapitalwert
403,0 TDM
367,7 DM/m2
x
C Pufferzonen vor den Aufenthaltsräumen'
Energiekosten f. 25 Jahre
x
O „warme" Räume im Gebäudekern
(o. Haushalt, Beleuchtung) 572,6 TDM
522,5 DM/m2
Orientierung der Räumlichkeiten
Primärenergie
218 088 kWh/a 198,99 kWh/m 2 a
O Südseite: Kinderzimmer"
Äquivalente Ölmenge
19,90 1/m2 a
21,81 m3/a
O zentral: Bad, WC, Eßplatz
Primärenergie
O Nordseite: Küche, Schlafzimmer
(o. Haushalt, Beleuchtung) 102 750 kWh/a
93,75 kWh/m2 a
x
Treppenhaus, Aufzug
Äquivalente Ölmenge
10,27 m3/a
9,37 1/m 2 a
Bemerkungen: ` auf der Südseite
— Wohnzimmer nordorientiert
91
Gesamtkonzepte
5.1
WARMWASSERBEREITUNG ÜBER SONNENKOLLEKTOREN,
NACHWARMUNG ÜBER HOCHTEMPERATURSPEICHER DER HEIZUNG
Zusammenstellung der Bauteile
Kennziffer 1009
(Auszug aus den Angebotsunterlagen)
,
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TECH$. AUSBAU
:
I
1 Außenwand Kalksandlochsteine
mit Dämmplatte
3 Wohnungstrennwand Kalksandvollsteine mit Dämm-Matte
5 Innenwand-Hochlochziegel 13 Kellerdecke-Stahlbeton,
Dämmplatte
18 Dachdecker-Stahlbeton, Dämmung
1 Verbundfenster
6 Einfach Türelement
+
+
^^
Gesamtkonzepte
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k = 0,37
k = 0,56
k = 1,23
k= 0,41
k=0,3
k = 1,6
k = 2,2 i. M.
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HOGHTEMP- WARMESPEICHER
Architekten:
Dipl.-Ing. Pysall - Jensen - Stahrenberg + Partner, Berlin
Energieplanung:
Haustechnik-Planungs GmbH, Berlin
Ausführende:
Boswau + Knauer, Berlin
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GRUNDWASSER
GRUNDRISS
4
Herstellungskosten (volle DM-Beträge)
Kost.- Kosten Kosten mit besondefen
gruppe ohne bes. Energiesparmaßnahmen
nach EnergieDIN sparmaß276 nahmen
DM /m2DM/m3
DM
Wfl. ' u. R.
DM
1 Bauwerk
2007959 2429509 2501 506
1.1 Baukonstruktionen
3.1
401331 722929 744 151
1.2 Installationen
3.2
1.3 Zentrale Betriebstechnik
3,3
3.4
1.4 Betriebliche Einbauten
1.5 Bes. Bauausführungen
3.5
2409290 3152438 3245 657
Kosten des Bauwerks
Proz:
Anteil
%
69,4
20,7
90,1
Tab. 3
Ausschreibung Energiesparhäuser Berlin/Kassel
Energetische Kriterien
vorhanden
Projekt: 1009
ja nein
Bezugsfläche
972 m2winterlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
'Personen
0,040 Pers./m 20 Schutz gegen Transmissionswärmeverluste
x
39 Pers.
0 Schutz gegen Lüftungswärmeverluste
x
Norm-Wärmebedarf
40,1 kW
41,3 W/m2
Energiebedarf f. Heizung
sommerlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
und Lüftung
39 484 kvvh/a
40,62 kWh/m 2 a
O gute Speicherfähigkeit der I nnenbauteiie-"
x
O Sonnenschutzvorrichtungen
Energieverbrauch
in Form
ÖI
kWh/m 2 a
kWh/a
x
00 technischer Vorrichtungen
Gas
kWh/m 2 a
kWh/a
(Jalousien, Markisen, Rollos ä.)
Strom
92 745 kWh/a
95,42 kWh/m2 a
co baulicher Maßnahmen
Strom: Heizung, Lüftung
(Vordächer, vorgelagerte Balkone u.ä.)
und Brauchwasser
27,74 kWh/m 2 a
26 963 kWh/a
CO äußerer Vegetationshülle
x
Strom: sonst. Verbraucher
temporärer
Wärmeschutz
(Beleuchtung, Haushalt)
67,68 kWh/m 2 a
65 782 kWh/a
O Art:
Klappläden
Rolläden
Energiekosten f. 25 Jahre 1 550,6 TDM
1595,3 DM/m2
o Aufbau:
Kunststoff,
Holz,
Kapitalwert 514,1 TDM
528,9 DM/m2
Wärmedämmung wärmegedämmt
Energiekosten f. 25 Jahre
o Praktikabilität
x
(o. Haushalt, Beleuchtung) 450,8 TDM
463,8 DM/m2
Kombination von Maßnahmen
x
Primärenergie
278 235 kWh/a 286,25 kWh/m 2 a
O des sommerlichen Wärmeschutzes und
Äquivalente Oimenge
27,82 m3/a
28,62 I/m2 a
O des temporären Wärmeschutzes
Primärenergie
passive Nutzung der Solarenergie
(o. Haushalt Beleuchtung) 80 889 kWh/a
83,22 kWh/m 2 a
O durch Verdrehen des Baukörpers
x
Äquivalente Ölmenge
8,09 m3/a
8,32 I/m2 a
O durch Glasvorbauten
x
o durch große Südfenster
x
Zonierung des Gebäudes
x
o Pufferzonen vor den Aufenthaltsräumen
x
o „warme" Räume im Gebäudekern
Orientierung der Räumlichkeiten`
O Südseite: Wohnzimmer, Kinderzimmer*
x
x
o zentral: Bad, WC, Eßpiatz
x
o Nordseite: Schlafzimmer
x
Treppenhaus, Aufzug
Bemerkungen: * Kinderzimmer teils süd-, teils nordorientiert,
Die Innenwände innerhalb der Wohnungen sind aas Leichtwände (Metallständerkonstruktionen mit Wärmedämmung) konzipiert.
92
5.,
5,1 ;r
Kennziffer 1010
Zusammenstellung der Bauteile (Auszug aus den Angebotsunterlagen)
WARMEGEWINNUNG AUS DEM LANDWEHRKANAL
DURCH EINE ELEKTRO-WARMEPUMPE
•
ti, .
Außenwand-Poroton
Außenwand-Poroton
Innenwand-Poroton
Kellerdecke-Stahlbeton, Dämmung
Oberste Geschoßdecke-Stahlbeton,
Dämmung
21a Fenstertür
23a Fenster
1
2
3
9
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Gesamtkonzepte
k = 0,48
k = 2,01
k = 2,46
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OBERFLÄCHEN
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TECHN. AUSBAU
Architekten:
Dipl.-Ing. M. Schiedheim und A. Axelrad, Berlin
Energieplanung:
Dipl.-Ing. Müller, Berlin
Ausführende:
Eberth Bau GmbH, Berlin
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^
k=0,6
k=1,07
k = 0,98
k = 0,27
ZENTRALER
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GRUNORISS
5
Herstellungskosten (volle DM-Beträge)
Kosten mit besonderen
Kost: Kosten
gruppe ohne bes. Energiesparmaßnahmen
nach EnergieDIN
sparmaßDM!m2 DM/m3
nahmen
276
Wfl. u. R.
DM
DM
1 Bauwerk
2204565 2642065 2583 495
3.1
1.1 Baukonstruktionen
90,
3.2
480435 480435 470
1.2 Installationen
3.3
1.3 Zentrale Betriebstechnil
3.4
1.4 Betriebliche Einbauten
3.5
1.5 Bes. Bauausführungen
2685000 3122500 3053 585
Kosten des Bauwerks
Proz:
Anteil
75,5
13,7
89,2
Tab. 4
vorhanden
Energetische Kriterien
Ausschreibung Energiesparhäuser Berlin/Kassel
ja nein
Projekt: 1010
w
interlicher
Wärmeschutz
in
erforderlichem
Mäße
Bezugsfläche
1023 m 2
Personen
0.037 Pers./m 20 Schutz gegen Transmissionswärmeverluste
38 Pers.
0 Schutz gegen Lüftungswärmeverluste
44,0 W/m2
Norm-Wärmebedarf
45,0 kW
sommerlicher Wärmeschutz in erforderiichem Maise
Energiebeda rf f. Heizung
51,67 kWh /m2 a 0 gute Speicherfähigkeit der Innenbauteile
und Lüftung
52 860 kWh/a
0 Sonnenschutzvorrichtungen
Energieverbrauch
in Form
kWh/m 2 a
0I
kWh/a
CO technischer Vorrichtungen
12,48 kWh/m2 a
Gas
12 768 kWh/a
(Jalousien, Markisen, Rollos u.ä.)
67,57 kWh/m 2 a
Strom
69 124 kWh/a
x
CO baulicher Maßnahmen
Strom: Heizung, Lüftung
(Vordächer, vorgelage rte Balkone u.ä.)
x
28,72 kWh/m 2 a
und Brauchwasser
29 382 kWh/a
CO äußerer Vegetationshülle
Strom: sonst. Verbraucher
x
temporärer Wärmeschutz
38,85 kWh/m 2 a
(Beleuchtung, Haushalt)
39 742 kWh/a
o Art: Rolläden bzw. Klappläden
1221,8 DM/m2
Energiekosten f. 25 Jahre 1 249,9 TDM
o Aufbau: Mu wärmegedämmt
x
405,1 DM/m2
414,4 TDM
Kapitalwe rt
o Praktikabilität
Energiekosten f. 25 Jahre
x
Kombination
von
Maßnahmen
572,3 DM/m2
(o. Haushalt, Beleuchtung)
585,4 TDM
o des sommerlichen Wärmeschutzes und
220 140 kWh/a 215,19 kWh/m 2 a
Primärenergie
o des temporären Wärmeschutzes
22,01 m 3/a
21,52 1/m 2 a
Äquivalente Ölmenge
passive Nutzung der Solarenergie
x
Primärenergie
o durch Verdrehen des Baukörpers
x
98,65 kWh/m2 a
(o. Haushalt, Beleuchtung) 100 914 kWh/a
o durch Glasvorbauten
x
Aquivalente Ölmenge
10,09 m3/a
9,86 1/m 2 a
o durch große Südfenster
Zonierung des Gebäudes
x
o Pufferzonen vor den Aufenthaltsräumen
x
o „warme" Räume im Gebäudekern
Orientierung der Räumlichkeiten
x
o Südseite: Wohnzimmer*
x
o zentral: Bad, WC, Eßplatz
x
o Nordseite: Küche*
x
Treppenhaus"
Bemerkungen: * Kinderzimmer nordorientiert, Schlafzimmer
südorientiert,
** Aufzug im Gebäudekern.
93
5.,
WÄRMERÜCKGEWINNUNG AUS BÄDERABWASSER ÜBER
PLATTENTAUSEHER
Zusammenstellung der Bauteile
Kennziffer 1015
(Auszug aus den Angebotsunterlagen)
5-01 Flachdach-Stahlbeton, Dämmung k = 0,31
5-02 Dach-Holzkonstruktion, Dämmung k = 0,24
5-03 Kellerdecke-Stahlbeton, Dämmung k = 0,64
5-06 Wohnungstrennwand-Schalungsk = 1,55
steine „Gisoton"
5-07 Innenwand-Holblockstein HBL 4
k = 0,95
5-08 Außenwand-Mauerstein „Gisoton" k = 0,33
5-09 Innenwand-Bimsplatten
k = 1,11
6-01 Holzfenster 2-Scheibenverglasung k = 3,0
6-09 Holzfenster 3-Scheibenverglasung k = 1,86
6-29 Hauseingangstür-Stahl/Alu
mit 1-Scheibenverglasung
k = 5,8
TEMPI. AUSBAU
Gesamtkonzepte
PLATTENTAIßCHER
PEILHER
ER
ASSERAUFBEREITER
OIESELrVÄRMEPUMPE
bBERF1ÄCHENWASSER
^---_
GRUNDRISS
Architekten:
Klipper + Partner, Stuttgart
Energieplanung:
Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt
für Luft- und Raumfah rt
Ingenieurbüro Scheer, Stuttga rt
Ausführende:
Züblin AG, Stuttgart
Herstellungskosten (volle DM-Beträge)
Kost.- Kosten
Kosten mit besonderen
gruppe ohne bes. Energiesparmaßnahmen
nach EnergieDIN sparmaßDM/m2 DM/m3
276 nahmen
DM
Wfl. u. R.
DM
1 Bauwerk
2212065 2440913 2459 489
1.1 Baukonstruktionen
3.1
380132
447480 451
90
1.2 Installationen
3.2
3.3
1.3 Zentrale Betriebstechnik
16046
31188
32
1.4 Betriebliche Einbauten
3.4
1.5 Bes. Bauausführungen
3.5
2608243 2919581 2942 585
Kosten des Bauwerks
Proz:
Anteil
69,7
12,8
0,9
83,4
Tab. 5
Ausschreibung Energiesparhäuser Berlin/Kassel
Projekt: 1015
993 m2
Bezugsfläche
0.044 Pers./m2
Personen
44 Pers.
30,0 W/m2
29,8 kW
Norm-Wärmebedarf
Energiebeda rf f. Heizung
34,60 kWh/m 2 a
und Lüftung
34 355 kWh/a
Energieverbrauch
ÖI
Gas
Strom
48 698 kWh/a
kWh/a
69 558 kWh/a
Strom: Heizung, Lüftung
und Brauchwasser
2 503 kWh/a
Strom: sonst. Verbraucher
(Beleuchtung, Haushalt)
67 055 kWh/a
Energiekosten f. 25 Jahre 1 522,1 TDM
Kapitalwert 504,7 TDM
Energiekosten f. 25 Jahre
(o. Haushalt, Beleuchtung) 401,0 TDM
Primärenergie
257 372 kWh/a
Äquivalente Olmenge
25,74 m3/a
Primärenergie
(o. Haushalt, Beleuchtung) 56 207 kWh/a
Äquivalente Ölmenge
5,62 m3/a
94
49,04 kWh/m 2 a
kWh/m 2 a
70,05 kWh/m 2 a
2,52 kWh/m2 a
67,53 kWh/m 2 a
1532,9 DM/m2
508,2 DM/m2
403,9 DM/m2
259,19 kWh/m 2 a
25,92 1/m2 a
56,60 kWh/m2 a
5,66 1/m 2 a
Energetische Kriterien
winterlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
O Schutz gegen Transmissionswärmeverluste
o Schutz gegen Lüftungswärmeverluste
sommerlicher Wärmeschutz in erforderlichem Maße
O gute Speicherfähigkeit der Innenbauteile
O Sonnenschutzvorrichtungen
in Form
00 technischer Vorrichtungen
(Jalousien, Markisen, Rollos u.ä.)
0o baulicher Maßnahmen
(Vordächer, vorgelagerte Balkone u.ä.)
CO äußerer Vegetationshülle
temporärer Wärmeschutz
O Art: Wärmedämmrollos, innen
O Aufbau: Zusammenrichten mit Markisen
O Praktikabilität
Kombination von Maßnahmen
O des sommerlichen Wärmeschutzes und
O des temporären Wärmeschutzes
passive Nutzung der Solarenergie
o durch Verdrehen des Baukörpers
o durch Glasvorbauten
O durch große Südfenster
Zonierung des Gebäudes
o Pufferzonen vor den Aufenthaltsräumen
o „warme" Räume im Gebäudekern
Orientierung der Räumlichkeiten
o Südseite: Wohnzimmer, Kinderzimmer
O zentral: Bad, WC, Eßplatz
o Nordseite: Küche, Schlafzimmer
Treppenhaus, Aufzug
vorhanden
ja nein
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Verglastes Dach am Beispiel des Internationalen
Begegnungszentrums Berlin (IBZ)
Dachraum - Treibhauseffekt
Wirkung als Luft-Sonnenkollektor
Die vorgegebene Dachneigung füh rt e zur Überlegung, den gesamten Bachraum als eine ganzjährlich nutzbare Gartenfläche zum Aufenthalt und zur
Kommunikation auszubilden. Energetisch ist der
Dachraum dem Prinzip nach ein Treibhaus: Die
einstrahlende Wärmemenge wird im Dachraum gesammelt und mittels einer gasbetriebenen Wärmepumpe mit ausgedehnter Absorberfläche zur
Heizung bzw. zur Warmwassererzeugung verwertet, die eingestrahlte überflüssige Wärme wird zur
Temperaturstabilisierung während der Nachtzeit
(Zeit ohne direkte bzw. di ff use Einstrahlung)
gespeiche rt . Eine übermäßige Abkühlung des
Dachraumes in der Nacht wird durch temporären
Wärmeschutz geminde rt .
Die Lufttemperatur im Dachraum da rf allerdings ein
Minimum nicht unterschreiten, damit die Pflanzen
nicht geschädigt werden. Die Wärmegewinnung im
Dachraum ermöglicht nach den durchgefüh rt en
EDV-Energiesimulationsberechnungen eine weitere 20%ige Einsparung des Wärmebedarfs.
Begründung:
Bei einem Energiedach mit Metalloberfläche (Kupfer oder Zinkblech) ist die Reflektionskoeffizienz
sehr hoch, weiterhin wird die absorbierte Wärme
durch den Wind zum großen Teil wieder abgeführt
(Starke Abkühlung der Dachoberfläche beim
Wind).
Der flächige Außenluft-Kollektor des Metall-Energiedaches ist auch deswegen energetisch ungünstiger als ein Energiedach unter der Dachdeckung
aus Ziegel. Im Vergleich eines Energiedaches unterhalb des Ziegeldaches mit einem Glasdach Luft-Sonnen-Kollektor - schneidet der zweite deswegen besser ab, weil beim Energiedach unter
dem Ziegeldach trotz höherer Absorbtionswerte
der größere Wärmewiderstand (Dachziegel) bis zur
Absorberfläche die Energiegewinne minde rt .
Bei Glasdach - (Luft-Sonnen-Kollektor) - kann die
Sonneneinstrahlung nur wenig gedämpft durch
das Glas (Einfachverglasung) in den Dachraum
eindringen, die Flächen des luftgekühlten Absorbers im Dachraum erwärmen.
Die langwellige Rückstrahlung der absorbie rt en
Wärme wird durch das Glas weitgehendst vermieden. Damit sind die Wärmeverluste der Absorberfläche minimie rt .
5.,
iECNN.AUSBAU
Gesamtko nzepte
.äfasdal
Sonner
ft
:tor
Sammelrohr
WarmeSpeicher
und
Sonnen,%
Schutz
Naturliche Lü ftung
Fortluft
Haustechnische Anlagen
Bei der Konzeption der haustechnischen Anlagen
gingen wir davon aus, daß diese, um Energie einzusparen, in einer direkten Wechselbeziehung zwischen baulicher Maßnahme und-Nutzerverhalten
entwickelt werden müssen. Um die Wärme von
den erwärmten Wintergärten an der Südseite zu
den Räumen im Norden zu bringen, wird eine kor hinierte Flächenheizung (zur Decku n"-. des
stationären Bedarfs) und eine Luftheizung (zur
Wärmeverschiebung) angeboten. Gleichzeitig wird
versucht, die großen Wärmeverluste bei der Entiüftung innenliegender Bäder und Küchen durch
Zwischenschaltung von Wärmerückgewinnungsanlagen zu mindern. In der Planung der Haustechnik soli grundsätzlich versucht werden, die Anlagen soweit wie möglich zu minimieren, so daß
deren Energiebeda rf im primären und sekundären
Sektor merklich reduzie rt werden kann.
Der Schwerpunkt bei der Entwicklung alternativer
Systeme liegt in einer differenzierten und dem tatsächlichen Beda rf angepaßten Steuerung und
Regelung der zugefüh rt en Wärmemenge bzw. der
e rforderlichen Frischluftraten. Bei der Auswahl der
haustechnischen Anlagen werden vor allem Kriterien wie gesamte Energieeinsparung, Investitionen,
Wartungs-und Instandhaltungskosten im Vordergrund stehen.
Architekten:
Prof. Otto Steidle - Entwurf
Prof. Vladimir Nikolic - Energiekonzept
Schmidt-Reuter - Haustechnik
Nord
Zentrale Wärmegewinnung aus der Luft mit Wasser(Kühlmittel)neta
8
Dach b/c1
Nutzung:
Schrebergarten
erte
:izu g
Iheizung
Wärmerückgewinnung
OFirstbereich zu öffnen
(Lüftung — Sommer)
® Dachfläche, wärmegedämmt,
Blechdeckung
® Ventilator
O Dachfläche, verglast
® Schwarzes Metallrohr
mit Luftansaugöffnung
ä` Aufblasbare Folie,
transparent, oder alternativ
Doppelverglasung
0 Wärmetauscher zu zentraler
Wärmepumpe
® Falls f. Schreberg. erfordert.,
zusätzl. Belichtungsfläche
Folienschlauch, perf. oder
altern. Blechkanal, quasi
geschlossener Kreislauf
9
95
. Temperatur im Dachraum ( ° C).
15
5.,
10
5
TECHN. AUSBAU
.....®i Haus
b/c1 Nord-Süd
Schrebergarten
NEI
ill
gig
iiiumnisii !xi
iiiilligilannui
Hau''s c2'....
Gesamtkonzepte
-5
- 10
- 15
-20
Haus at
II
'.111WA
Außentemperatur
®'
uuiip
ipui
Die Berechnungen zeigten, daß im Normaljahr das
potentielle Wärmeangebot höher liegt, als bei einseitig verglasten Nord-Süd-Dächern im Haus b/C1,
da bei extrem niedrigen Außentemperaturen diesem Dach weniger Wärme infolge sehr starker Abkühlung entzogen werden kann. Dieses ist jedoch
nicht ausschlaggebend, da bei solchen extremen
klimatischen Verhältnissen sowieso eine Zusatzheizung eingeschaltet wird.
Dach a1/a2
Nutzung:
Schrebergarten
„r0
Tagesverlauf der Temperatur im Dach aum an klaren Tagen, verglichen mit
der Augentemperatur im Extrem ahr - Winter -
10
Dach im Haus B-C 1 - Schrebergarten Orientierung Nord-Süd
Einfachverglasung an der Südseite.
Nordseite ist geschlossen und hat einen k-Wert
von 0,382 W/m 2 K. Entlang der Verglasung an der
Südseite ist eine Doppelfolie oder adäquate Konstruktion angeordnet.
Haus b/c1, Variante 1, Schrebergarten, 1-fach Verglasung, Teilbetrieb
1
1
(00
Tägliches Wärmeangebot
rill
n
All n
(kW
e,
i00 7s!
A
West
Abstellraum
Firstbereich zu öffnen
(Lüftung - Sommer)
® Dachflächen, verglast
Ventilator.
Ci Schwarzes Metallrohr
mit Luftansaugöffnung
ü Wärmetauscher zu zentraler
Wärmepumpe
® Schrebergarten, im Winter
keine Bepflanzung
^^iA.r
^.►qr
00Irr
em
'fribiLli00 ^.^.®^ Täglich erf. Wärmenut zung
für die G rf, War epum pe
aus dem Dachraum
0
-1h
5
Gegenübergestellt wurde das tägliche Wärmeangebot bezogen auf eine Hauslänge von ca. 25 m
dem erforderlichen Wärmeentzug für die Gas
Wärmepumpe. Daraus ist ersichtlich, daß im normalen Jahr die zur Betreibung der Heizungsanlage
inklusive Warmwasserversorgung notwendige
Energie dem Dach entzogen werden kann. Nur für
extreme Temperaturen muß eine Zusatzheizung
die Heizung mit der Gas-Wärmepumpe ergänzen
(bivalente Heizung ist nur zur Deckung vom
Spitzenbedarf bei extrem niedrigen Temperaturen
notwendig). Die Heizung mit Gas-Wärmepumpe
muß über einen ausreichenden Wärmespeicher
verfügen.
Haus A1/A2 Ost-West, Variante 1, Schreberga en, 1-fach Verglasung Teilbetrieb
(kWh/el)
.
AM
m
„ol
. L.
,%^I ^ ^^ m,ahr .n.
n
Nor ......
kla
T äg liches Wärmeangebot
500
400
300
200
I
!III
ür
Täglicdihere fGaswär
. Wärmmenutepumpe
zung
de
100
/
^.. .r . a
*I
0
5
-10
-5
10
25 ('C)
5
20
15
Gegenüberstellung von Wärmeangebot und ertorder icher Wärmenutzung
hi die Gaswärmepumpe in Abhängigkeit von. der Tagesmitteltemperatur 12
96
13
Das Dach im Haus A 1/A 2 - Schrebergarten
Orientierung West-Ost
Beide Seiten sind einfach verglast. An beiden
Seiten ist entlang der Verglasung eine Doppelfolie
oder eine adäquate Konstruktion angebracht.
Dach c3
-t II-
1
'0
2 (°C)
10
Gegenüberstellung von Wärmeangebot und ertorder icher Wärmenutzung
für die Gaswärmepumpe in Abhängigkeit von der Tagesmitteltemperatur 11
700
®Aufblasbare Folie,transparent, mit Gewebeeinlage, ca. 30 cm
von der Außenverglasung
entfernt, bildet Luftkanal oder
alternativ Doppelverglasung
Folienschlauch,
perforiert
Oa
oderalternativ Blechkanal,
quasi geschlossener
Kreislauf
Nutzung:
Keine —
Energiedach
Süd
Nord
Q Firstbereich zu öffnen
(7 Dachfläche, verglast
(Lüftung - Sommer)
QQ Aufblasbare Folie, mit
) Dachfläche, wärmeGewebeeinlage, ca. 30 cm
gedämmt, Blechdeckung
von der Außenverglasung
entfernt, bildet Luftkanal oder
sQ Ventilator
alternativ Doppelverglasung
0 Schwarzes Metallrohr
O
Folienschlauch,
perforiert
mit Luftansaugöffnung
oder alternativ Blechkanal,
Wärmetauscher
quasi geschlossener
® Abschottung des First- Kreislauf
bereichs, wärmegedämmt,
Alternative: Absorberdach
14
begehbar
Dieses Dach wurde einmal gerechnet als LuftSonnen-Kollektor mit innenliegendem Absorber,
s. Zeichnung - zum anderen als Energiedach aus
Metall.
Bei der Berechnung wurde davon ausgegangen,
daß eine Abkühlung im Dachraum (Luft-SonnenKollektor) sowie beim Metall-Energiedach auf 10 K
unter der Außentemperatur möglich ist. Diese Absenkung ist begrenzt durch die technischen Möglichkeiten einer Gas-Wärmepumpe auf mind.
-10 °C.
5.1
5.1
Haus c3, (nur Energienutzung) Vergleich: 1-fach Verglasung Süd: Energiedach Süd
700
(kWh/d)
500
Täglich ed. Wärmenut
für die Gaswärmepumpe aus .e
achraum
Tä.liches Wärmean.ebo
aus dem Dachraum
400
300
200
100
5
-10
0
-5
5
10
15
20
25(°C)
Gegenübe Stellung von Wärmeangebot und erforder icher Wärmenutzung..
fü die Gaswärmepumpe in Abhängigkeit von der Tagesmitteltemperatur 15:
Der Vergleich von alternativer Konstruktion Glasdach als Luft-Sonnen-Kollektor mit einem MetallEnergiedach ergab günstigere We rt e für das Glasdach.
An den drei Haustypen N, S und E sollen die
Kostenerspamisse durch aktive und passive
Maßnahmen verdeutlicht werden.
Typ N: „Normalhaus"
Wärmeschutz nach DIN 4108, vor dem Erlaß der
Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz
in Gebäuden vom August 1977.
Typ S:„Schwedenhaus”
Wärmeschutz nach den Vorschriften der Schwedischen Baustandards SBN 1975, die seit dem
1. Juli 1977 gültig sind.
Er entspricht dem zukünftig in Schweden verbreiteten Typ, der nach den bis heute in Europa progressivsten staatlichen Richtlinien erbaut sein
wird.
Typ E: „Philips-Experimentierhaus"
Das Experimentierhaus ist ein Fe rt ighaus, dessen
Außenhülle einer Reihe zusätzlicher Maßnahmen
zur Wärmedämmung unterzogen wurde.
k = 0,17 W/m2K
Außenwände:
Decke, Fußboden: k = 0,23 W/m 2K; 0,3 W/m2K
k = 1,9 W/m2K
Fenster:
Darüber hinaus wurden verschiedene Einrichtungen zur Wärmerückgewinnung und Nutzung der
Sonnenenergie installie rt (Solarkollektoren, Erdwärmespeicher, Wärmerückgewinnung aus
Abwasser und Abluft).
Sonnenenergienutzung durch Sonnenkollektoren
— aktive Systeme
Der He-izu öc° .0rgicbcdarf [Mt sich tauri, i den
Einsatz von aktiven Maßnahmen zur Einsparung
und Nutzung alternativer Energiequellen erheblich
reduzieren.
Zu diesen aktiven Maßnahmen gehö rt der Sonnenkollektor. Sein Deckungsanteil ist von der KollekN-Version S-Version E-Version
torfläche abhängig. Jedoch steigt dieser für große
Flächen bei weiterer Vergrößerung nur noch geKollektorfläche
ringfügig an. Auch bei zunehmendem Tankvolu40
16
8
(m2)
men steigt bei festgehaltener Kollektorfläche der
Gesamtkosten
Anteil der solaren Energie nur noch wenig.
(DM/Jahr)
1750
650
5900
So stellt, bei einem Tagesverbrauch von 280 I
Ersparnis
Warmwasser, ein 400 I-Tank die obere wirtschaft350
960
590
(DM)
liche Grenze dar.
Solarbeitrag
Doch auch die Wahl der Kollektorart spielt eine
12000
5800
3200
(kWh/Jahr)
große Rolle. So benötigt man beispielsweise bei
Fossiler Beitrag
einem höher effizienten Kollektor, im Gegensatz zu
(kWh/Jahr)
22250
5800
1700
einem Stando rt -Kollektor, bei gleichem DeckungsEntspr. Liter
grad und gleichem Tankvolumen, weniger als die
220
2900
750
Heizöl ca.
Hälfte an m 2 Kollektorfläche.
Ein Stando rt -Kollektor mit einem Deckungsgrad
Zur Entscheidung zwischen passiven oder aktiven
von 50% und einem Tankvolumen von 200 I benöMaßnahmen zur Nutzung der Sonnenenergie im
tigt 7,5 m 2 Kollektorfläche. Ein höher effizienter
Gebäude, kann eine Kostenanalyse angenommen
Kollektor mit dem gleichen Deckungsgrad von
werden. Die errechneten Kosteneinsparungen soll50% und dem gleichen Tankvolumen von 200 I
aber nicht über den tatsächlichen Preis für den
ten
benötigt nur 3,3 m 2 Kollektorfläche.
Energieverbrauch des Gesamtsystems hinwegtäuDas System mit dem höher effizienten Kollektor
schen.
deckt im Zeitraum von Mai bis August 95% des -.;
So bleibt die Frage nach der wi rt schaftlichen OpEnergiebedarfs und liefert im Januar einen Anteil
timierung der Solaranlage.
von 20%. Der Standort-Kollektor dagegen nur 80%
Vereinfacht kann man sagen: Je höher der Preis
in den Sommer- und 10% in den Wintermonaten.
für den konventionellen fossilen Energieträger ist,
um so größer ist der mit einer Solaranlage zu erzielende Gewinn. Bei einem Preis der fossilen
^ Brennstoffe von DM 0,05 pro kWh steigen daher
J
100
die Gesamtkosten mit der Kollektorfläche an.
i
00
+Ö00
200 E
ö
>^
400 m
100 H
80
^
^
^
c
U
60
40
Preis der t ossilen Energieträger DM -,05/kWh
0
m
ö 2000
Hoher. effiz. Kollektor:
`m 20
`m
Standard-Kollektor
2
4
10
12
14
16
8
N
1000
m
d
20 m2
Kollektor-Fläche
CD
Solarer Anteil am jährlichen Energiebedarf eines
Warmwassersystems als Funktion der Kollektorfläche
(Hamburg 1973, System A, 4-Personen-Haushalt)
L
3000
m2
16
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Kollektorfläche
Jährliche Gesamtkosten als Funktion der Kollektorfläche 17
97
-5.
TECHN. AUSBAU
Gesamtkonzepte
Schritt 1 Halbierung der Lüftungsverluste
Schritt 2 Doppelglasscheiben
Schritt 3 Rolläden
Schritt 4 Wärmeisolation des Dachbodens
Die Schritte 1 bis 3 können durch Einbau einer modernen, dichtschließenden Fensteranlage (Doppelscheiben und Rolläden) erreicht werden.
Preis de ossilen Energieträger. DM.—,10/kWh
4000
n1
3000
TECHN. AUSBAU
Gesamtkonzepte
0
Sie führen zu jährlichen Einsparungen von insgesamt 12100 kWh =1700 I 01.
Schritt 4 bedeutet eine jährliche Einsparung von
6800 kWh = 970 I 01.
Diese vier Schritte lassen sich in jedem Altbau
realisieren.
ö 2000
N
^
<7)
E 1000
^
^
L
m? ` `
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Kollektorfläche
Jährliche Gesamtkosten als. Funktion der Kollektorfläche
18
Preis der fossilen Energieträger: DM —,20/kWh
7000
6000
5000
4000
9.- 3000
d
0
Haustyp F
Flächen: Freistehendes Einfamilienhaus
Wohnen
115 m2
Fußboden 140 m2
Außenwand 122 m2.
Dachboden 140 m2
Fenster
8 m2 5, 4 m2 W,
4m2N,4m20
Jährlicher Heizbedarf
Hamburg 39200 kWh = 5 600 I Öl
Freiburg 31 700 kWh = 4500 I bi
Wärmetechnische Ausführung
Grundausführung (Altbau)
i-We rt (W/m2 K)
Einfachscheiben (75%)
6,8
Fensterrahmen Holz (25%)
2,5
Rolladen nicht vorhanden
,10
Dachboden
siehe
-x°1,2
Außenwände Aufbau
Erläuterung
*1,0
Fußboden
Lüftungsverluste (Undichtigkeit und
1,8 Luftwechsel
Fensteröffnen)
pro Stunde
Auswirkungen wärmetechnischer Verbesserungen
m
01 2000
N
d
Jährlicher Heizbedarf (kWh)
Hamburg
Freiburg
39 200
31 700
E
^ 1000
Grundausführung
U
^
0{
m2
0 5 10 15 20. 25 30 35 40 45 50.Kollektorfläche
Jährliche Gesamtkosten als Funktion der Kollektorfläche ^ 19
Schrittweise Verbesserung
Halbe Lüftungsverluste
0 Luftwechsel pro Stunde
0,9
Hamburg
Freiburg
32400
26100
k-Wert
Aber nicht nur der Preis der fossilen Energie, son28'700
23200
31rt
dern auch der Standard der Wärmedämmung können die Ersparnisse optimieren. Das ist eigentlich
Rolladen+Doppelscheibe 1,9
27100
21900
auch Grundvoraussetzung, um Einsparungen im
gewünschten Umfang realisieren zu können. Erst
Dachboden+
20300
0,3
16300
nach diesen Maßnahmen ist der Einsatz weiterfüh- ® 12 cm Mineralwolle
render Techniken angebracht und sinnvoll.
qußenwände+
So sollte man bei einem Neubau eine optimale
0,4
12 300
9 700
© 8 cm Polystyrol
Abstimmung verschiedener Maßnahmen unter
Kellerdecke+
akzeptablen ökonomischen Bedingungen zur
0,5
11 500
9100
6 cm Polystyrol
Reduzierung des Heizbedarfs auf ein Minimum
anstreben.
Quellen:
Bei bestehenden Gebäuden hat jedoch die VerV. Nikolic: IBZ - Minimierung des Energieverbrauchs.
besserung der Wärmedämmung höhere Priorität.
Schriftenreihe des BMFT-S, 1982
Erst dann sind weitere aktive Maßnahmen zur
V.
Nikolic: Gesundes Bauen, rororo aktuell.
Energieeinsparung vo rz uschlagen.
Das internationale Begegnungszentrum, 1982
Beispiel: Die wärmetechnische Verbesserung
Institut für Bauforschung e. V., Hannover
eines freistehenden Einfamilienhauses und die
Energiesparhäuser Berlin/Kassel
Auswirkung auf den Heizbedarf.
Ergebnisse der Vorprüfung 1981
Bei der Ermittlung der Energiegewinne durch die
H. Hörster, Hrsg.:
Fenster, wurden sowohl die direkte als auch die
Wege zum energiesparenden Wohnbau. Philips Fachdiffuse Komponente der Solarstrahlung berückbücher, 1980
sichtigt. Gesamte Fensterfläche 20 m 2, 8 m 2 Süd,
4 m 2 West, 4m 2 Nord, 4 m 2 Ost.
Ku rzbiografie des Autors:
Durch Undichtigkeit von Fenstern und Türen sowie
Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic, Architekt BDA, DWB
durch das Öffnen der Fenster wurde ein 1,8facher
Kassel. Arbeitsschwerpunkt:
Gesamthochschule
Luftwechsel pro Stunde berechnet.
energiesparendes Bauen, Forschung
Durch verschiedene Schritte sollen die Wärmever- Redaktionelle Bearbeitung und Layout:
Dipi.-ing. Bernd G. Faskel, Koordination: Vladimir Nikolic
luste eingeschränkt werden.
98
5.1
ENIRGIflINSPARII NG
NI
forfcnunQ:SVf:t; .<v
Gurcr+geru^°'
ft;r
St..
ms
^
Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung
Ein wichtiges Ziel bei der Planung und Ausführung
einer Heizanlage ist ein möglichst kostengünstiger
Betrieb. Dabei sind sowohl die erforderlichen Investitionen als auch die im Betrieb zu erwartenden
Energiekosten zu berücksichtigen. Beides wird
ganz wesentlich von der Wahl der Energieträger
beeinflußt. Daher sollte in einem frühestmöglichen
Stadium der Planung eine Übersicht über die jeweils zur Verfügung stehenden Energieträger einschließlich der daraus folgenden Konsequenzen
für die konkrete Anlagenplanung zusammengestellt werden. Die Entscheidung für eine geeignete
Anlagenkonzeption kann nur unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen zu jenem Zeitpunkt
getroffen werden, zu dem die Bauplanung überhaupt noch eine Entscheidung zwischen Alternativen zuläßt.
Die Eignung der verschiedenen Energieträger solite zunächst nach folgenden Kriterien beurteilt werden:
1. Importunabhängigkeit und Versorgungssicherheit
2. Aufwand für Anschluß bzw. Lagerung
3. Aufwand für die Wärmeerzeugung
4. Betriebsbedingungen bzw. Betriebssicherheit
5. Umweltbelastung
6. Kosten und Zahlungsbedingungen
Welchen Kriterien das stärkste Gewicht zugemessen wird, muß jeder Anlagenbetreiber nach seinen
Erwa rt ungen festlegen.
Grundsätzlich kann zwischen zwei Kategorien von
Energieträgern unterschieden werden:
Leitungsgebundene Energie - Strom, Gas, Fernwärme; nichtleitungsgebundene, lage rf ähige Energie - Heizöl, Flüssiggas, Festbrennstoff - Kohle,
Koks, Holz usw.
1. Importunabhänaiakeit und Versnr g un gs_sicherheit
Sie ist bei Energieträgern aus heimischen Quellen
am höchsten (Fernwärme, Festbrennstoffe und bedingt Strom); bei jenen natürlich am geringsten,
die im Inland nicht oder nur unwesentlich vorhanden sind (Heizöl) und zudem noch hauptsächlich
aus politisch labilen Gebieten stammen. Eine mögliche Unsicherheit kann aber auch bei solchen
Energieträgern bestehen, die nur zum Teil auf Importbasis beruhen (Atomstrom, Erd- bzw. Flüssiggas, Fernwärme), oder bei denen die Förderkapazität nicht ohne weiteres einem stark steigenden
Absatz nachkommen könnte (Kohle).
2. Aufwand für Anschluß und Lagerung
Bei den leitungsgebundenen Energieträgern muß
immer mit mehr oder weniger hohen Anschlußkosten gerechnet werden; bei Strom ist in vielen
Fällen (z. B. Wärmepumpen) der übliche Hausanschluß ausreichend, so daß do rt lediglich im Gebäude zusätzliche Installationen e rf orderlich sind.
Von den lagerfähigen Brennstoffen haben die Festbrennstoffe wohl den größten Platzbedarf, sind
TECHNISCHER
AIJSBALJ wimwoen..
Prof. Or O ng. Heinz Bach
aber ansonsten am einfachsten auf Vorrat zu
halten.
Bei größeren Anlagen werden jedoch Fördereinrichtungen benötigt, die einen automatischen Betrieb ermöglichen. Heizöl kann man bekanntlich
sowohl im Gebäude als auch außerhalb (vorzugsweise unterirdisch) lagern, wobei auf die einschlägigen Sicherheitsrichtlinien und Vorschriften sowie
die regelmäßig erforderliche Wartung zu achten ist.
Bei der Lagerung von Flüssiggas kommen für kleine Mengen (z. B. für die Zusatzheizung einer Wärmepumpenanlage) Flaschen in Frage, für größere
Mengen ortsfeste Behälter, die sowohl im Gebäude (bis 1200 I) als auch im Freien oder unterirdisch
aufgestellt werden können. Für die Lagerung von
Flüssiggas gibt es strenge Vorschriften bezüglich
Aufstellungsort, Ausstattung, Schutzzonen usw.
Die Bestimmungen sind in den Technischen
Regeln Flüssiggas (TRF) sowie in der Musterverordnung für Feuerungsanlagen (MFeuVo) zusammengefaßt.
3. Aufwand für die Wärmeerzeugung
Die e rf orderlichen Investitionen sind bei Fernwärme sowie bei flüssigen und gasförmigen Brennstoffen am niedrigsten und liegen bei Wärmepumpen - unabhängig von der Antriebsenergie - am
höchsten. Bei Wärmepumpenanlagen gehören
auch die Erschließungskosten der Wärmequelle
zur Wärmeerzeugung.
Erheblichen Einfluß auf Investitionen und späteren
Verbrauch hat die Abstimmung der Leistung des
Wärmeerzeugers auf den Leistungsbedarf des Verbrauchers.
4. Betriebsbedingungen bzw. Betriebssicherheit
Unter diesem Punkt ist abzuklären, ob das Versorgungsunternehmen aus Gründen der Netzbelastung bzw. der Tarifgestaltung bei den leistungsgebundenen Energieträgern Abschaltzeiten oder
ändere Eirifiußmaßnanmen auf den Betrieb vorschreibt. Gegebenenfalls müssen Speicher oder
Zusatzwärmeerzeuger vorgesehen werden.
Bei bivalenten Anlagen ergibt sich g_eg_enüber
monovalenten eine wesentlich höhere Betriebssicherheit.
5. Umweltbelastung
Diese ist sicherlich am geringsten do rt , wo die
Heizenergie aus Kopplungsprozessen großer Anlagen stammt, da dann einerseits der bezogene Primärenergieverbrauch am niedrigsten ist und andererseits technisch aufwendige Ve rf ahren wie die
Abgasreinigung wi rt scha ft lich anwendbar sind. Bei
Wärmeerzeugung am O rt des Verbrauchs sind 01und vor allem Gasfeuerungen noch als wenig umweltbelastend anzusehen, wogegen die Verwendung von Festbrennstoffen in kleinen Anlagen die
bei weitem stärkste Umweltbelastung aller Wärmeerzeuger bewirkt. Aus diesem Grunde sollte von
ihrer Verwendung als hauptsächlichem Energieträger in dicht bebauten Gebieten unter allen
Umständen abgesehen werden. Eine ebenfalls beachtliche Umweltbelastung hat die Verwendung
99
Investitionen
Energiekosten
Energieträger
Anlagenplanung
Beurteilungskriterien
Abstimmung
von Leistung auf
Leistungsbedarf
Betriebssicherheit
Abgasreinigung
Anschlußkosten
Platzbedarf
BereitstellungsLeistungspreis
Abdeckung von
Spitzenbedart
Preisentwicklung
monovalent
bivalent
multivalentes
System
Kaminfeuer
von Heizöl in Wärmepumpen mit Verbrennungsmotorantrieb zur Folge (NOX , Ruß-Emission), obwohl
auch hier wie bei Fernwärme der bezogene Primärenergieverbrauch sehr niedrig ist.
6. Kosten und Zahlungsbedingungen
Bei leistungsgebundenen Energieträgern ist hier
besonders zu prüfen, ob Bereitstellungs-oder Leistungspreise erhoben werden, oder wie die Anlage
auszulegen ist, um sie zu vermeiden. Im Gegensatz
zu den lage rfähigen Brennstoffen, die beim Kauf vor dem Verbrauch - bezahlt werden müssen,
erfolgt die Bezahlung bei leitungsgebundener
Energie in regelmäßigen zeitlichen Abständen
nach dem Verbrauch, so daß sich die finanzielle
Belastung gleichmäßig verteilt.
Die Preisentwicklung in der Zukunft ist wohl bei
sämtlichen Energieträgern kaum vorhersehbar, im
übrigen bestehen zwischen den Preisen nahezu
sämtlicher Energieträger mehr oder weniger starke
Zusammenhänge, die auseinanderlaufende Entwicklungen kaum zulassen.
Aus verschiedenen, zuvor teilweise genannten
Gründen, wird heute zunehmend versucht, die
Energieversorgung einer Heizung nicht mehr nur
von einem einzigen Energieträger bzw. Brennstoff
abhängig zu machen. Daher bietet es sich an, eine
bisher nur bei Wärmepumpen übliche Systematik
auf die Wärmeerzeuger insgesamt zu übertragen:
ein System, das nur einen einzigen Energieträger
nutzen kann, wird als monovalent bezeichnet; können zwei verschiedene Energieträger genutzt werden, so handelt es sich um ein bivalentes System_,
bei drei oder mehr Energieträgern wird es als multivalent bezeichnet. Die Betriebsweise der Wär-w
meerzeugeranlage wird je nachdem, ob verschiedene Energieträger nur getrennt oder gleichzeitig
genutzt werden können, als alternativ oder parallel
bezeichnet. In der folgenden Tabelle sind einige
Systemkombinationen beispielhaft aufgeführt:
SystemKombinationen
Kachelöfen
monovalent
monovalent -
parallel
monovalent -
alternativ
bivalent -
parallel
bivalent -
alternativ
multivalent -
parallel
multivalent -
alternativ
Beispiel
Gasheizung mit atmosphärischem Kessel
Dieselwärmepumpe mit
Ölzusatzheizung
Elektrowärmepumpe mit
Nachtspeicherzusatzheizung
Elektrowärmepumpe mit
Flüssiggaszusatzheizung
Zweikammerkessel für
Öl und Koks
Elektrowärmepumpe, Ölzusatzheizung, Festbrennstoffkessel,
atmosphärischer Gaskessel
und Universal-Festbrennstoffkessel
Eiserne Öfen
Bei der Planung von Anlagen mit parallel oder
alternativ zu betreibenden Wärmeerzeugern ist auf
eventuelle Einschränkungen zu achten, die auf behördlichen Vorschriften beruhen können (z. B.
nicht gleichzeitiges Verbrennen von Öl oder Gas
und festen Brennstoffen) oder von der Energieversorgung her bedingt sind (z. B. kann eine elektrische Zusatzheizung nicht während der Ab100
schaltzeiten einer Wärmepumpe in Betrieb genommen werden).
Mit der Entscheidung für einen (oder mehrere)
Energieträger ist in gewissen Grenzen auch die
Entscheidung für die Art der Warmwasserbereitung festgelegt.
Einzelheizungen (Kamine, Kachelöfen usw.) können aus ästhetischen oder nostalgischen Gründen
zum Heizen in der Übergangszeit oder als Teil
einer bivalenten Wärmeerzeugung zur Abdeckung
des Spitzenbedarfs an kalten Tagen oder auch nur
zur Befriedigung eines Sicherheitsbedürfnisses
neuerdings wieder in Frage kommen.
Einzelheizung, Sammelheizung,
Warmwasserbereitung
Bei den Einzelheizungen (Kamine, Kachelöfen,
eiserne Öfen, Warmluft-Kachelöfen, elektrische
Direktheizung, elektrische Speicherheizung) befindet sich der Wärmeerzeuger in dem zu beheizenden Raum selbst.
Die älteste Heizart MMt das Kaminfeuer. Es kommt
vor allem Holz als Brennstoff in Frage, die Wärme
wird hauptsächlich durch Strahlung an den Raum
übertragen, der feuerungstechnische Wirkungsgrad ist sehr gering, der Bedienungsaufwand ist
der höchste von allen Wärmeerzeugern. Es kann
mit einer Heizleistung bezogen auf die Kaminöffnung von etwa 3,5 bis 4,5 kW/m 2 gerechnet
werden.
Kachelöfen sind als Wärmes_peicheröfen ausgeführt. Die Feuerung ist ein- bis zweimal täglich in
Betrieb, die dabei abgegebene Wärme wird in der
großen Masse der Öfen gespeichert und langsam
im Laufe des Tages an die Umgebung abgegeben.
Außer den Festbre instoi el kommt auch Ol in Frage. Von der großen Oberfläche der mit Kacheln
ummantelten Ofen wird die Wärme etwa zu gleichen Teilen durch Strahlung und Konvektion an
den Raum abgegeben. Dabei ist die Wärmestromdichte stark mit der Zeit veränderlich und auch
schlecht zu regulieren. Nach der Feuerung können
maximale Oberflächentemperaturen von über
120 °C auftreten; im Mittel liegen die Oberflächentemperaturen über 80 °C.
Die Temperaturunterschiede im Raum sind wie
beim Kaminfeuer sehr hoch. Der Feuerungswirkungsgrad liegt maximal bei etwa 85%, meist
jedoch unter 75%.
Eiserne Öfen sind dadurch gekennzeichnet, daß
man den Brennstoff im Ofen je nach der verlangten
Heizleistung durch Einstellen der Verbrennungsluftmenge mehr oder weniger langsam abbrennen
lassen kann. Sie sind daher auch für Dauerbrand
geeignet. Wegen der im Gegensatz zu den Kachelöfen kleinen Speichermasse und dünneren Wände
ist ihre Oberflächentemperatur deutlich höher
(mithin auch der Strahlungsanteil). Nach t eilig ist
auch hier die ungleichmäßige Raumerwärmung.
durch Konvektion und Strahlung - vom BelaAnwendung finden fast alle Brennstoffe. Bei mostungsgrad unabhängig hoch bleibt und daß. die
dernen Öfen ist der Bedienungsaufwand niedrig
und auch eine Regelung der Heizleistung nach der feuerraumseitigen Auskühlverluste während der
Raumtemperatur möglich.
Brennerstillstandszeiten mit abnehmender Belastung größer werden. Damit ergibt sich das in
Bei Warm
_ Iuft-Kachelelfen wird in eine Kachel-UmAbb.
1 dargestellte prinzipielle Betriebsverhalten,
mantelung ein meist gußeiiserner Heizeinsatz für
das
sich
im praktischen Betrieb um so ungünstiDauerbrand hineingestellt; es handelt sich hier
ger bemerkbar macht, je mehr der Wärmeerzeuger
also nicht um eine Speicherheizung. Die Raumluft
tritt unten in die Ummantelung ein, erwärmt sich an im Vergleich zu tatsächlich auftretenden Höchstlast überdimensioniert ist.
dem Heizeinsatz und tritt oben durch ein Gitter in
einen oder mehrere Räume aus Wie beim eisernen Ofen kann auch hier die Heizleistung abhängig vom Bedarf in Grenzen reguliert werden.
Die Wärmeabgabe ist überwiegend konvektiv; eine
gleichmäßige Raumerwärmung ist schwer zu er0,9
reichen.
Elektrische Direktheizgeräte kommen wegen der
hohen Kosten ähnlich wie die Gasheizung nur als
Zusatz- und Übergangsheizung in Frage. Ihre
Hauptvorteile sind kurze Anheizzeit, sauberer
Betrieb, vorzügliche Regelbarkeit, keine Brennstofflagerung, stete Betriebsbereitschaft, geringer
Anschaffungspreis.
Elektrische Speicherheizung kann durch Nutzung
der niedrigen. Nachtstrom-Tarife als Dauerheizung
wi rtschaftlich sein. Sie gewinnt daher an Bedeutung, insbesondere unter der Zielsetzung, 01 als
Brennstoff zu substituieren. Von den in ihrer Regelfähigkeit stark unterschiedlichen drei Bauarten ist
nur die energetisch vertretbar, bei der die Wärmeabgabe im wesentlichen über die von einem
Ventilator durch die Speichermasse geförderte
Luft an den Raum abgegeben wird (Baua rt Ill).
Moderne Geräte werden automatisch in Abhängigkeit von der Außentemperatur und der Restwärme
im Speicher aufgeladen und besitzen auch eine
Regelung für die Luftaustrittstemperatur.
Sammelheizung - Heizkessel
Mehr und mehr werden konstruktiv und steuerungstechnisch hochentwickelte Kessel angeboten, die zusammen mit auf sie in den Auslegungstemperaturen abgestimmte Raumheizflächen Nutzungsgrade bieten, wie sie von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen primärenergetisch gesehen,
kaum erreicht werden. Zum Beispiel können die
Abgase bei genügend kaltem Kesselrücklauf so
weit abgekühlt werden, daß mehr Energie, als dem
(unteren) Heizwert o nts i ichtgenutzt wird. Oder
weiter: Die Betriebsweise mit gleitender Kesseltemperatur führt nur dann zu hohen Nutzungsgraden, wenn die für die Raumheizflächen erforderlichen niedrigen Temperaturen auf die Auslastung
des Kessels abgestimmt sind. Bei konventionellen
Heizkesseln war es vor allem aus Gründen der
rauchgasseitigen Korrosionsgefahr notwendig, sie
ständig auf einer Mindest-Betriebstemperatur zu
halten, unabhängig davon, ob das anschließende
Wärmeverteilungssystem Heizmitteltemperaturen
in Höhe der Kesseltemperatur oder - wie in der
weitaus überwiegenden Zeit der Heizperiode weit darunter anforderte.
Die jeweils notwendigen Heizmitteltemperaturen
wurden durch Mischung erreicht, was für die
Regeltechnik ohne Probleme zu realisieren war.
Zusätzlich waren Mindesttemperaturen der Heizflächen im Feuerraum erforderlich, um einen vollständigen Ausbrand zu erreichen und damit die
Schadstoffemission so gering wie möglich zu halten. Dieser ständige „Hochtemperatur"-Betrieb hat
zur Folge, daß ein wesentlicher Teil der Wärmeverluste eines Heizkessels - die Oberflächenverluste
5.2
tECNN.AUSBAU
vJarmequellen
Warmluft-Kachelöfen
Elektrische
Direktheizgeräte
0,8
0
,05
.0,2 0,3040.5
0,1
Belastungsgrad YK
Abgasverluste
µLA. Auskühlverluste
1-t o Oberflächenverluste
Elektrische
Speicherheizung
Kesseinutzungsgrad V K und Feuerungsnutzungsgrad -F F in Abhängigkeit des
Kesselbelastungsgrads YK für einen
konventionellen Heizkessel
Aus der Abhängigkeit der einzelnen Verlustanteile
lassen sich.die Anforderungen für die Gestaltung
eines für Niedertemperatur-Heizanlagen geeigneten Kessels ableiten:
Die temperaturabhängigen Wärmeverluste müssen
sowohl durch ausreichende Wärmedämmung als
auch durch die Betriebsweise des Kessels mit abnehmender Belastung kleiner werden, Dies läßt
sich z. B. durch den sogenannten „gleitenden Betrieb" erreichen, bei dem die Kesseltemperatur abhängig von der jeweiligen Außentemperatur - und
somit von der Belastung - variie rt wird. Trotzdem
muß dafür gesorgt sein, daß der Ausbrand in der
Flamme nicht durch zu kalte Heizflächen beeinträchtigt wird.
Der Anteil der Abgasverluste hat dä'S größte
Gewicht vor allem, wenn der Heizkessel riehtia
dimensioniert ist. Damit wird seine Reduzierung
lohnend. Dem steht allerdings das Problem der
Taupunktunterschreituna (wie bereits erwähnt) nicFit nür im Kessel, sondern besonders in der Abgasanlage (Schornstein) - entgegen. Im Kessel
selbst tritt nur dann Kondensation auf, wenn die
Oberflächentemperatur der rauchgasberührten
Flächen unter dem (Wasser-)Taupunkt der Abgase
liegt. Dabei können die den Kessel verlassenden
Abgase so heiß sein, daß im Schornstein keine
Kondensation zu befürchten ist (Versottung). Hingegen können niedrige Abgastemperaturen, wenn
der Abgasstrom im Verhältnis zu den Kesselhe)zflächen zu klein ist, zu Kondensation im Schorn-:
stein führen, obwohl derKessel wegen genügend
höher Heizmitteltemperaturen trocken bleibt. Die
Abgasverluste lassen sich nur dadurch reduzieren,
daß die nicht zu vermeidende Kondensation nur an
dafür vorgesehenen Bauteilen erfolgen kann. Das
erfordert, diese Bauteile aus korrosionsbeständigen Materialien herzustellen und das anfallende
Kondensat (verdünnte Kohlenspure und bei Heizöl
verdünnte schweflige Säure) gezielt abzuführen
und zu neutralisieren. Weiterhin sind dazu korro101
NiedertemperaturHeizanlagen
Nutzungsgrad
hgasverluste
1aupunktUnterschreitung
ndensation
Schornstein
sionsbeständige Abgasführungen (Edelstahl, Asbestzement) notwendig. Unter Umständen bedarf
es eines Abgasgebläses, wenn die Auftriebskräfte der Abgase nicht mehr ausreichen. Die Anwendung der Niedertemperaturtechnik zur Abgaskühlung kann darin bestehen, die AuslegungsTemperaturen des Wärmeverteilungssystems so
auszuwählen, daß die Rücklauftemperaturen auf
jeden Fall den Kondensationsbetrieb ermöglichen,
oder spezielle Einrichtungen zur Abgaskühlung
einzusetzen, wie z. B. Kleinwärmepumpen.
Lastabsenkung
Raumtemperaturabsenkung
Leistungske; :;
Kesselnutzungsgr-d
im Teillastbereich
Lastabsenkunfen oder Abschaltungen sind typische Betriebsabläufe für Wärmeerzeuger in modernen Heizanlagen. Dies kann durch gewollte
Raumtemperaturabsenkung_ während der Nachtstunden oder in anderen Zeiten verursacht sein.
Bei der heutigen Bauweise entfällt dabei meist die°
Wärmezufuhr. Kessel hierfür und für bivalente Anlagen, die die meiste Zeit über keine Wärme zu
liefern brauchen - abgesehen von den täglichen
Stromabschattzeiten für die Wärmepumpe - sollten nach ihrem Betrieb möglichst schnell und
ohne merkliche Verluste auf Umgebungstemperatur auskühlen und von der Heizanlage abgekoppelt bleiben. Dies setzt niedrige Wasserinhalte
voraus.
Werden die zuvor . genannten Maßnahmen Abgaskühlung, gleitender Betrieb, Abschaltung angewandt, so ändert sich das Betriebsverhalten
eines modernen Kessels im Vergleich zu einem
alten ganz erheblich:
Die einzelnen Verluste nehmen mit sinkender
Belastung ab - teilweise überproportional -, so
daß der Kesselnutzungsgrad im Teillastbereich
höher liegen kann als bei Vollast. In Abb. 2 sind
typische Verläufe für vier unterschiedliche Kesselkonzeptionen qualitativ dargestellt.
beliebig exakt nach der tatsächlich auftretenden
Höchstlast auszulegen. Wesentlich anders ist die
Situation für Heizöl als Brennstoff. Aufgrund
verschiedener Ursachen (vor allem Schadstoffbildung) erlaubt es die Brennertechnik nicht,
Feuerungsleistungen bei ausreichender Zuverlässigkeit unterhalb von 15 bis 20 kW zu realisieren.
Dies führt dazu, daß zumindest im Bereich der
Einfamilienhäuser - deren Auslegeleistung unter
10 kW liegen kann - eine Überdimensionierung
des Wärmeerzeugers bei Verwendung von Heizöl
als Brennstoff nicht zu vermeiden ist. Ganz besonders gilt dies, wenn der Kessel mit Ölfeuerung als
Zusatzheizung zu einer Wärmepumpe im Parallelbetrieb vorgesehen ist. Ein überdimensionierter
Kessel hat Verluste (diese wachsen ja mit der
Größe, wenn sie auch anteilig etwas niedriger
werden können). Dieser Nachteil ist unvermeidbar,
kann aber zu einem wesentlichen Teil dadurch
wieder wettgemacht werden, daß die Anlage für
den Temperaturbereich ausgelegt wird, in dem der
Kessel sein Leistungsoptimum hat. Das heißt, daß
für diese Anwendung im Normalfall nur Kessel in
Frage kommen, die für den Betrieb mit gleitender
Kesseltemperatur geeignet sind. Abb. 3 zeigt, in
welchen Bereich der Leistun_skennlinie eines
Kessels der reale Betrieb fällt, wenn er richtig
dimensionie rt ist.
100
1
1` '
+' -^-•—^
80
0,8
0,6
^
^.
i
^
60
^^
0,4
40
rr
20
d
m
m
11111
0,8
oi
c
Belastungsgrad
0,6
a = gleitend betriebener Kessel
b konventioneller Kessel
t r;-dem Belastungsgrad
entsprechende mittlere
Heizmitteltemperatur bei
konventioneller Auslegung
^
c
0,4
0.2
Leistungsbeurteiliing
von Heizkesseln
DIN 4702
Heizungsanlagenverordnung
Heizungsbett : isverorct ^^
Bundesimmiss
schutzg.
Kesselnutzungsgrad v5 in Abhängigkeit
des Kesselbelastungsgrades Y,r
An dieser Stelle müssen noch einige grundsätzliche Bemerkungen zur Anwendung der verschiedenen Brennstoffe in Heizkesseln gemacht werden. Der augenblickliche Stand der Brennertechnik erlaubt es, bei Gas als Brennstoff nahezu eine
beliebig kleine Feuerungsleistung zu realisieren vor allem durch die Anwendung von sogenannten
atmosphärischen Brennern ohne Gebläse, die
dazu noch in einem größeren Leistungsbereich
regelbar sein können (allerdings muß teilweise ein
etwas geringerer Feuerungswirkungsgrad in Kauf
genommen werden). Damit ist es möglich. Wärmeerzeuger mit Gasfeuerung nahezu in jedem Fall
102
YK
Betriebsbereich betrichtiger Dimensionierung
Betriebsbereich bei 100%
Überdimensionierung
Kesselnutzungsgrad K in Abhängigkeit
K2as-iii2iäitur,ySiyrGde7f Y K -
0 '
0 1
0,05
0,2 0,3 0,4 0,5
1
Belastungsgrad YK
a konventioneller Kessel, Kesseltemperatur konstant>70 °C
b wie a, jedoch gleitende Kesseltemperatürt K =f (tAu)
c Kessel mit extrem verringe rten Verlusten,
Kesseltemperatur gleitend>50 °C
d Kessel mit Abgaskühlung unter die Kondensationstemperatur, Kesseltemperatur gleitend
0
®®®1
Das gegenüber konventionellen Heizkesseln wesentlich veränderte Betriebsverhalten von Niedertemperatur-Kesseln (Abb. 2) wird in Zukun ft auch
Ergänzungen bei der vergleichenden Beu rteilung
erfordern. Die zur Zeit noch gültigen Normen für
die Leistungsbeurteilung von Heizkesseln
(-DIN 4702) sind dazu nur eingeschränkt geeignet,
da sie nur auf dem Vergleich des Wirkungsgrades
im Vollastbetrieb sowie des BetriebsbereitschaftsWärmeaufwands (Stillstandsverlust) aufbauen. Die
maßgeblichen Unterschiede im Teillastverhalten
können damit kaum berücksichtigt werden.
B_.^E^g. :, ::::..........1
F.Ntfir. inkriaith Wert r Fe—,';=°Er's
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^äF
des fossil befeuerten Wärmeerzeugers auch für
längere Zeit erhalten bleibt.
Direkt befeuerte Wärmeerzeuger:
Eine bewährte Technik bei der Verwendung von
Gas als Brennstoff stellen Wärmeerzeuger mit,
Brennern ohne Gebläse Latmosphärische Brenner") dar, die entweder als Kessel - meist in
Gliederbauweise - oder als Durchlauferhitzer Gasthermen - ausgeführt sind.
Bei Aurcillauferb tzern ist hervorzuheben, daß sie
den Vo rt eil besitzen, praktisch speicherlos zu sein.
Bei Beachtung der jüngsten Entwicklungen mit
automatischer Zündung ohne ständig brennende
Zündflamme und stufenloser Leistungsregelung
im Bereich ab 25% der Nennleistung weisen diese
Gerate nahezu keine Stillstandsverluste auf und
sind damit gut als Zusatzwärmeerzeuger mit
Flüssiggas in bivalenten Wärmepumpenanlagen
geeignet. Bei paralleler Betriebsweise ist der Energieverbrauch des Zusatzwärmeerzeugers so niedrig, daß sich die Verwendung von Flüssiggas
nahezu in jedem Fall anbietet, auch der deutlich
höhere Preis bei Einkauf von kleinen Mengen
(z. B. Raschen) macht sich bei den gesamten
Energiekosten nur wenig bemerkbar. Falls für die
Warmwasserbereitung ein Speicher vorgesehen
werden kann, ist es mit einem Ladekreislauf in
Vorrangschaltung möglich, das Wasser mit der
Gastherme zu erwärmen.
Eher für monovalente, der Gasversorgung angeschlossene Anlagen eignen sich Gaskessel (Gliederbauweise) mit Brennern ohne Gebläse. Wegen
der üblicherweise verwendeten Werkstoffe Guß
oder Edelstahl sind sie gegen Korrosion widerstandsfähig und damit für den Betrieb mit gleitender Kesseltemperatur geeignet. Der durch Feuerraum und Strömungssicherung gewährleistete
ständige Luftzutritt sorgt zudem für schnelles
Verdunsten des Kondensats. Durch Ausrüstung
mit automatischer Zündung und Abgassperrklappe können Stillstandsverluste nahezu vollständig
vermieden werden. Allerdings ist bei gleitendem
Betrieb - vor allem bei regelbarer Leistung - eine
korrosionsbeständige Abgasanlage e rforderlich.
Sehr verbreitet sind auch,Speziatkesse(,für_c
oder Gasbetrieb mit Gebläsebrenner und gleitender Kesseltemperatur. Sowohl bei Guß als auch
hei Stahl werden rlie Rrennraiumnherflächen durch
eine besondere Beschichtung gegen Ko rrosion
unempfindlich gemacht. Trotzdem sollte ein ständiger Betrieb im Kondensationsbereich vermieden
werden, da für eine Ableitung des Kondensats
üblicherweise nicht gesorgt ist. Meist ist zur
Brauchwasserversorgung ein Speicher aufgesetzt,
der über eine Vorrangschaltung temperaturgesteuert aufgeladen wird. Bei reinem Sommerbetrieb (nur Warmwasserbereitung) oder als Zusatzwärmeerzeuger darf der Kessel in der Betriebspause vollständig abkühlen, was durch den geringen Wasserinhalt der Kesselglieder nur wenig
Wärmeverluste mit sich bringt.
Eine weitere Möglichkeit, die Kesseltemperaturen
bis zur Umgebungstemperatur gleiten zu lassen,
besteht bei Stahlkesseln in Verbund-Konstruktionen: Der Brennraum besteht aus einem liegenden
Rohr mit inneren Längsrippen, in das ein ungekühltes Stahlrohr als eigentliche Brennkammer
eingeschoben ist. Diese „heiße" Brennkammer
bewirkt einen guten Ausbrand auch bei niedrigen
Wassertemperaturen, Kondensation wird durch die
Innenberippung weitgehend vermieden.
Ein weiterer Weg der Leistungsoptimierung kann
dadurch beschritten werden, daß wesentliche
Bauelemente in ein Gehäuse mit gemeinsamer
Wärmedämmung einbezogen werden und so die
Stillstandsverluste erheblich reduzie rt werden
können, obwohl derartige Kessel nur über 5000
mit gleitender Kesseltemperatur betrieben werden.
Hier ist der Brenner Bestandteil der Konstruktion,
was eine optimale Abstimmung erlaubt. Zusätzlich
verfügen diese Wärmeerzeuger über Ansaugluftund Ölvorwärmung sowie einen Zugunterbrecher,
um Auskühlung zu vermeiden.
Schließlich besteht auch eine Möglichkeit, die
Kesselnutzüngsgrade anzuheben darin, zusätzlich
Aggregate zur Nutzung der Abgasenthalpie einzubauen. Vor allem bei Verbrennung von Gas kann
man hier die Abgase mit Hilfe eines Gebläses über
den Verdampfer einer Kleinwärmepumpe iu einer
korrosionsbeständigen Abgasanlage führen.
Die bei den meisten der vorgestel lt en Kesselkonzepte mögliche Temperaturabsenkung in Betriebspausen läßt die zentrale Brauchwasserbereitung in
Verbindung mit der Heizung de rzeit wieder vorteilhaft erscheinen. Während der Heizperiode erfolgt
die Wassererwärmung ohnehin mit dem günstigen
Kesselnutzungsgrad des Heizbetriebes und im
Sommerbetrieb (etwa 120 Tage) ist der Energieverbrauch infolge des an sich geringen Energiebedarfs zur Warmwasserbereitung auch bei nur
mäßigen Nutzungsgraden so niedrig, daß kein
heute bekanntes System damit wi rt scha ft lich
konku rrieren kann.
Atmosphärische
nner
::hlauferhitzer
kessel
Sammelheizung - Wärmepumpe
Durch die erheblichen Energiepreissteigerungen
der letzten Jahre haben die Wärmepumpen als
Wärmeerzeuger für Heizanlagen eine Bedeutung
erlangt, die zuvor kaum vorstellbar war. Dabei ist
ihr physikalisches Prinzip aus der Kältetechnik
schon seit über 100 Jahren bekannt und do rt auch
längst zur technischen Reife gelangt, da es zur
stetigen Kälteerzeugung keine konkurrierenden
Verfahren gibt. Zur Wärmeerzeugung blieb diese
Technik solange unbedeutend, solange es
wesentlich billiger und d az u noch einfacher war,
Wärme durch Verbrennung fossiler Energieträger
zu e rzeugen.
Da es mit Hilfe der Wärmep umpe möglich ist, Heizenergie dadurch bereitzustellen, daß ein Bruchteil
davon in Form von hochwertigerAntriebsenergie
aufgewendet wird, ist ihre Bedeutung als Wärmeerzeuger im wesentlichen nur vom Verhältnis
der Energiepreise abhängig.
Beim de rz eitigen Stand der technischen Entwicklung ist von mehreren physikalisch möglichen
Arbeitsverfahren nur das der Kaltdampf-Kompressionswärm_ epumpe technisch ausgereift, wobei für
kleine bis mittlere Anlagen (Antriebsleistung
< 20 kW) nur der elektromotorische Antrieb in
Frage kommt. Bei höheren Leistungen kann der
Antrieb auch mit Verbrennungsmotoren (Diesel
oder Gas) erfolgen. Eine vielversprechende Entwicklung für die Zukunft stellen Absorpttonswärmepumgen_dar, bei denen die Antriebsenergie
nicht in Form von mechanischer Arbeit, sondern
als Wärme zugeführt wird. Obwohl erste Geräte
nach diesem P ri nzip bereits angeboten werden,
wird es bis zur breiten Markteinführung noch
einige Jahre dauern.
Die Funktion der Wärmepumpe beruht darauf,
daß die Temperatur von Dampf bei einer Druck103
eZialkessel mit
blasebrenner
Kai . .:mpf-Kompr: •:onswärmepumpe
Absc,rptionswärmepumpe
-. .hlkessel
"t: rhund•uktionen
Wärmequellen
erhöhung erheblich ansteigt und zudem auch sei- Die Heizleistung der Wärmepumpe steigt mit kleine Kondensationstemperatur. Das heißt man kann ner werdendem Temperaturabstand zwischen Verdampfung und Kondensation, das heißt zwischen
mit Hilfe von mechanischer Energie die TemperaWärmequelle und Heizmittel; dabei steigt sowohl
tur eines Stoffes so weit erhöhen, daß es möglich
die Leistungszahl als auch die Antriebsleistung;
ist, bei niedrigen Temperaturen aufgenommene
Wärme bei wesentlich höheren Temperaturen wie- bei gleichbleibendem Temperaturabstand zwider abzugeben. Um dies zu verwirklichen, läßt man schen Heizmedium und Wärmequelle steigt sowohl die Heizleistung als auch die Antriebsleistung
einen Stoff (Arbeitsmittel oder Kältemittel) einen
mit steigendem Temperaturniveau, die Leistungssogenannten Kreisprozeß durchlaufen, der es ermöglicht, die Wärme bei niedriger Temperatur auf- zahl bleibt praktisch konstant.
zunehmen und bei höherer Temperatur kontinuierDaraus ergeben sich für die Gestaltung der
lich abzugeben (Abb. 4).
Systeme auf der „kalten" und der „warmen" Seite
I der Wärmepumpe folgende Forderungen:
t„
QWP
Heizmedium Ö Das Medium der Wärmequelle sollte vor allem
dann mit möglichst hohen Temperaturen zur
tq
Verfügung stehen, wenn hoher HeizleistungsKondensator
bedarf vorliegt;
„warme Seite"
(hoher Druck)
O das System der Wärmeverteilung sollte so ausDrosselventil s
gelegt sein, daß die erforderlichen HeizmittelP
,kalte Seite"
Verdichter
temperaturen einen günstigen Wärmepumpen(niedriger Druck)
betrieb ermöglichen.
lb
Beide Forderungen lassen sich in Wirklichkeit
leider kaum erfüllen, da das durch das Klima gegea0=Qwal
bene Verhalten von Wärmequelle und Heizlast dem
Wärmequelle +
thermodynamisch gegebenen der Wärmepumpe
Schema einer Kompressionswärmepumpe
entgegenläuft:
4
Wenn die Heizung (bzw. das Gebäude) hohe Leistung verlangt, sind zum einen die erforderlichen
Nicht zur Wärmepumpe mit Verdampfer und KonHeizmitteltemperaturen hoch und zum anderen
densator gehören zwei Elemente, die für die
Konzeption der Gesamtanlage jedoch maßgeblich sind die Temperaturen der Wärmequelle, wenn
sind: Eine Wärmequelle, der die im Verdampfer zu- nicht gar extrem niedrig (wie beispielsweise bei
zuführende Wärme entnommen werden kann (z. B. Außenluft), so doch nicht höher als zu Zeiten mit
niedrigem Leistungsbedarf.
Außenluft, Grundwasser, Erdreich) und das Heizsystem, an das die Wärmepumpe die Heizwärme
Diese Eigenschaften von Wärmequelle und Heizabgibt.
system stellen bei der Auslegung der Wärmepumpe ganz besondere Anforderungen an die LeiVerschiedene im Handbuch Niedertemperaturstungsregelung. Da bei kleinen Wärmepumpen
heizung [4] näher erläuterte Einflüsse auf das
(Heizleistung ca. 20 kW) beim heutigen Stand der
Leistungsverhältnis der Wärmepumpe ergeben
Entwicklung weder eine kontinuierliche (z. B. Drehzusammengefaßt folgendes grundsätzliches
zahlregelung) noch eine stufenweise Regelung
Betriebsverhalten (Abb. 5):
(z. B. Zylinderabschaltung) wirtschaftlich realisieri—,
bar scheint, gibt es nur die Möglichkeit des Ein-/
Aus-Betriebes. Dies hat zur Folge, daß bei zu
ku rzen Taktzeiten mit einer Beeinträchtigung der
Lebensdauer gerechnet werden muß.
two —►
Verdampfer
Schon aus diesem Grund ist die Anordnung eines
Pufferspeichers im Heizsystem angebracht [4].
Pufferspeicher
Der elektrische Antrieb der Wärmepumpe hat derzeit den größten Anteil am Markt. Bei Heizleistungen bis 20 kW sind keine Alternativen vorhanden.
Wird eine elektrisch angetriebene Wärmepumpe
als Wärmeerzeuger einer Heizanlage vorgesehen,
so ist bei der Planung darauf zu achten, daß aus
Gründen der Belastung der Stromversorgung mit
gewissen Betriebseinschränkungen gerechnet
werden muß.
Elektrische
Wärmepumpe
-10
0
-5
5
10
15'
Temperatur der Wärmequelle in °C —►
tc = 35° C tc=45°C tc=55°C — —
—
Typisches Betriebsverhalten einer Luft Wasser-Wärmepumpe. Leistungszahl C,
Heizleistung dlwe und Leistungsaufnahme Pwp
in Abhängigkeit der Lufttemperatur (Wärmequelle)
far unterschiedliche Kondensationstemperatur
104
5
So legt die Bundestarifordnung Elektrizität vom
Januar 1980 fest, daß nur solche Wärmepumpen
ohne Bereitstellungskosten angeschlossen werden können, die entweder alternativ mit einer Zusatzheizung betrieben oder bis zu dreimal täglich
jeweils für zwei Stunden (über Fernsteuerung) abgeschaltet werden können. Der Stromverbrauch
für diese Wärmepumpen wird dann zu allgemeinen
Tarifpreisen (einschließlich Schwachlasttarif)
berechnet. Die Abschaltzeiten der Wärmepumpe
können entweder durch Wärmespeicher oder eine
Zusatzheizung überbrückt werden. Werden infolge
einer ungünstigen Auslegung der Wärmepumpen
anlage vom EVU Bereitstellungskosten berechnet,
so ist von vornherein ein wi rtschaftlicher Betrieb
der Wärmepumpe nicht mehr möglich.
Mit Verbrennungsmotoren angetnebeneWärme
pumpen sind derzeit nur bei größeren Leistungen
einsetzbar. Da die erforderlichen Leistungen der
Motoren so niedrig sind, daß keine in genügender
Stückzahl hergestellten Motoren für andere Verwendungsbereiche zur Ve rfügung stehen, von
denen eine ausreichende Lebensdauer erwa rtet
werden könnte.
Folgende Wärmequellen sind für Wärmepumpen
denkbar:
Luft
Grundwasser
Strahlung Oberflächenwasser
Erdspeicher
Abwärme
Erdreich
TECHN. AUSBAU
w^;
Bezüglich des Temperaturverhaltens ist zwischen
solchen Wärmequellen zu unterscheiden, deren
Temperatur vom täglichen oder jährlichen Gang
der Außentemperatur abhängig ist, und solchen,
deren Temperatur davon ganz oder weitgehend
Der besondere Vo rteil des Antriebs mit Verbrennungsmotoren besteht darin, daß zusätzlich zu der unabhängig ist.
von der Wärmepumpe gelieferten Wärme die vom
Bei einer größeren Verbreitung von Wärmepumpen
Kühlwasser und Schmieröl dea Motors abzufühals Wärmeerzeuger vor allem für kleinere Heizanrende Wärme sowie ein wesentlicher Teil der Abgas-Enthalpie genutzt werden kann. Dadurch kann lagen wird Luft die wichtigste Wärmequelle sein.
Da die Heizlast mit fallender Außentemperatur zuauch die von der Wärmepumpe her beschränkte
Heizmittelvorlauftemperatur in den nachgeschalte- nimmt, ergibt sich für die Abhängigkeit von der
Außentemperatur das gegenläufige Verhalten für
ten Wärmetauschern noch erhöht werden, so daß
Heizmitteltemperaturen von über 70 °C erreichbar Heizlast und Wärmepumpen-Heizleistung. Dies
muß bei der Auslegung berücksichtigt werden,
sind. Ein weiterer Vo rteil des Verbrennungsmotorwas üblicherweise zu einer bivalenten Anlage mit
antriebs besteht darin, daß sich eine Leistungsregelung durch Drehzahlveränderung relativ leicht Zusatzheizung füh rt , bei der die Wärmepumpe nur'
einen Teil der Maximallast (z. B. 50%) abdecken
durchführen läßt.
kann.
Bei der Absorptionswärmepumpe durchläuft zwar
ein Arbeitsmittel einen ähnlichen Kreisprozeß wie
bei der Kompressionswärmepumpe, die Verdichtung mit der Temperaturerhöhung wird aber nicht
von einem mechanischen Kompressor bewirkt,
sondern durch einen Lösungsmittelkreislauf, der
auch als ,,thermischer Kompressor" bezeichnet
wird. Dabei wird von einer Lösungspumpe die
Druckerhöhung des in Lösung befindlichen Arbeitsmittels bewirkt, die Temperaturerhöhung
erfolgt durch zusätzliche Wärmezufuhr im Austreiber, wo das Arbeitsmittel dampfförmig vom Lösungsmittel getrennt wird. Der vom Verdampfer
kommende Kaltdampf wird im Absorber wieder
vom Lösungsmittel aufgenommen und gibt dabei
zusätzlich Wärme ab.
5.z
Wärmepumpen für die Wärmequelle Luft werden in
zwei unterschiedlichen Ausführungen angeboten:
als Kompaktgeräte, bei denen das vollständige
Gerät mit Verdampfer und Ventilator in einem Gehäuse untergebracht ist, und als geteilte Geräte Splitausführung -, bei denen Verdampfer mit Ventilator in ein von der übrigen Wärmepumpe getrenntes Gehäuse eingebaut sind. Kompaktgeräte
sind üblicherweise für die Aufstellung im Gebäude
vorgesehen, es werden jedoch auch solche für
Aufstellung im Freien angeboten. Der Verdampfer
teil der Splitgeräte ist regelmäßig für die Aufstellung im Freien ausgerüstet, er kann aber auch im
Gebäude untergebracht werden, z. B. auf dem
Dachboden. Befindet sich der Verdampfer im Gebäude, so sind Luftkanäle und Wanddurchbrüche
zur Minderung des Ventilatorgeräusches meist
Schalldämpfer erforderlich.
Ein Vorzug der Absorptionswärmepumpe besteht
darin, daß die zum Antrieb e rforderliche Energie bis auf den kleinen Anteil mechanischer Energie
Bei Aufstellung im Freien kann ein Wetterschutz
für die Lösungsmittelpumpe - in Form von Wärme
nötig sein, bei größeren Entfernungen zu Gebäuauf einem mäßig hohen Temperaturniveau zugeArten den kann eventuell auf Schalldäm pfer verzichtet
fi_ihrt werden kann Damit können
werden. Der Einbau von Schalldämpfern hat einen
von Brennstoffen als auch Abwärme aus anderen
erheblich zusätzlichen Druckabfall zur Folge, was
Prozessen (z. B. Abgasenthalpie) zum Antrieb bebei der Auslegung des Ventilators berücksichtigt
nützt werden. Allerdings wird bei kleinen Anlagen
werden
muß.
(Einfamilienhaus) das Problem bestehen, daß nicht
für jeden Brennstoff entsprechend kleine WärDa die Oberflächentemperaturen des Verdampfers
meerzeuger realisierbar sind.
immer deutlich unter der Lufttemperatur liegen
müssen, ist abhängig vom Feuchtegehalt der Luft
Eine Absorptionswärmepumpe hat außer der
mit Kondensatanfall zu rechnen. Bei VerdampLösungsmittelpumpe keine bewegten, dem Verfungstemperaturen über 0 °C bleibt dieses Konschleiß unterliegenden Teile, so daß mit ausreidensat flüssig und kann abtropfen; liegen die Verchender Lebensdauer dieser Aggregate gerechnet
dampfungstemperaturen unter 0 °C, wird sich auf
werden kann.
den Verdam_pferflächen Reif bilden, was den
Wärmeübergang erheblich verschlechtert und zu
erhöhtem Druckabfall füh rt. Daher sind Einrichtungen zum Abtauen des Reifniederschlags notwendig. Üblicherweise wird eine sogenannte HeißWärmequellen
gasabtauung eingesetzt, bei der kurzfristig die
Das Temperaturverhalten sowie die zeitliche VerFunktion von Verdampfer und Kondensator verfügbarkeit der Wärmequelle bestimmen die Betauscht wird. Die zum Abtauen e rforderliche Enertriebsweise und damit die Auslegung der Wärmegie verschlechte rt in jedem Fall die Energiebilanz
pumpe, die Kosten für die Erschließung hängen
der Wärmepumpe. Nach bisherigen E rfahrungen
hauptsächlich von der Art der Wärmequelle und
liegt der Aufwand hierfür aber deutlich unter 5%
weniger von der Auslegung der Wärmepumpe ab.
der Heizwärme.
105
equellen
Wärmepumpen mit
Verbrennungsmotor
Wärmequelle Luft
Kompaktgeräte
Thermischer
Kompressor
Splitausführung
geteilte Geräte
ldämpfer
^ng
Wärmequelle
Wärmequelle n
Solarabsorber
Grundwas ser
Oberflächenw,
Erdspeicher
Abwärmenutzung
Erdreich als
direkter Solarspeicher
•imensionierung
Rohrverlegung
Erdreichfläche
Zur Nutzung der Strahlungsenergie werden in
jüngster Zeit eine Vielzahl von unterschiedlichsten
Bauelementen angeboten (meist unter dem Begriff
Solarabsorber, Ausführung z. B. als Dach- oder
Fassadenelemente, Rohrbündel-, Plattenwärmetauscher usw.), deren Wirkung darauf beruht, daß
sie bei direkter Sonneneinstrahlung diese als Wärmequelle nutzen und bei fehlender Einstrahlung
durch freie Konvektion der Luft Wärme entzogen
wird. Für die Abhängigkeit der Heizleistung von der
Außentemperatur gilt das bereits für Lu ft Gesagte.
Die bei direkter Bestrahlung auftretenden hohen
Wärmequellen-Temperaturen erfordern allerdings
noch technische Entwicklungen bei der Wärmepumpe selbst. Erste Betriebserfahrungen mit Energieabsorbern lassen erkennen, daß die erreichbaren Arbeitszahlen der Wärmepumpen-Anlagen
kaum höher liegen, als bei Luft als Wärmequelle.
Auch bei der Auslegung ist wie bei Lu ft vorzugehen, allerdings ist zu berücksichtigen, daß zum
Wärmetransport zwischen Absorber und Wärmepumpe üblicherweise ein Solekreislauf zwischengeschaltet wird, Absorber mit Direktverdampfung
sind bisher nicht bekannt geworden.
Als Wärmequelle hat G undwassernur dort eine
Bedeutung, wo es reichlich vorkommt und nicht
oder nur kaum als Trinkwasser verwendet wird.
Es ist aber eine sehr günstige Wärmequelle, da
die Grundwassertemperatur das ganze Jahr über
nahezu gleich bleibt und durch ihre Höhe von ca.
8 bis 10 °C beste Voraussetzungen für die Wärmepumpe ergibt. Zur Gewinnung sind in der Regel
zwei Brunnen zu bohren, da das abgekühlte
Grundwasser wieder ins Erdreich zurückgeführt
werden muß. Die Errichtung einer Brunnenanlage
erfordert erhebliche Sorgfalt und sollte nur von erfahrenen Fachfirmen durchgeführt werden. Nahezu immer ist eine behördliche Genehmigung erforderlich. Mit Grundwasser als Wärmequelle läßt
sich bei ausreichender Schüttung des Brunnens
am ehesten eine monovalente WärmepumpenAnlage ausführen.
In seltenen Fällen steht Qberflächenwasser als
Wärmequelle zur Verfügung. Zum Wärmeentzug
können Verdampferflächen direkt in das Gewässer
gehängt werden, oder das Wasser wird über ein
Einlaufbauwerk der Wärmepumpe zugeleitet und
dem Gewässer nach der Abkühlung wieder zugeIm Zusammenhang mit Energieabsorbern steht der führt. Da bei den meisten Oberflächengewässern
Erdspeicher als Wärmequelle. Durch seine Einfüin längeren Kälteperioden eine Abkühlung bis
gung in die Wärmequellen-Anlage kann die Außen- nahe 0 °C möglich ist, können solche Anlagen nur
temperaturabhängigkeit der Heizleistung verringert bivalent ausgeführt werden.
werden, da die in Zeiten mit wenig HeizleistungsAbwärmenutzung als Wärmequelle für Wärmepumbedarf anfallende Strahlungsenergie für längere
pen ist normalerweise nur dort anwendbar, wo
Zeit gespeichert werden kann. Während strahlungsarmen Zeiten mit niedrigen Lufttemperaturen zwischen Abwärmeanfall und Heizleistungsbedarf
ein fester proportionaler Zusammenhang besteht
wird dann nur der Speicher als Wärmequelle her(z. B. innerhalb eines Betriebes). Ist dies der Fall,
angezogen. Die Speicherkapazität des Erdreichs
kann erheblich erhöht werden, wenn der als Spei- so kann unter Berücksichtigung des Temperaturganges der Abwärme unter Umständen auch eine
cher vorgesehene Bodenbereich, z. B. durch
monovalente Anlage in einem besonders günstiFolien abgedichtet und vollständig mit Wasser
gen Betriebsbereich realisiert werden.
getränkt wird. Die zum Wärmeentzug bzw. zur
Aufwärmung notwendigen Rohrschlangen werden
In der nebenstehenden Tabelle A sind für sämtin mehreren Lagen übereinander in das Erdreich
liche Wärmequellen die Beurteilungen nach den
eingebettet. Über die günstigste Speichergröße
wesentlichen Kriterien zusammengefaßt.
lassen sich noch keine Angaben machen, da zu
dieser Technik noch zu wenig Erfahrungen vorliegen.
Eine seit längerem bewährte Wärmequelle stellt
das Erdreich als direkter Solarspeicher dar, dem
im Erdreich verlegte Röhre Wärme entzieht. Durch
die Sonneneinstrahlung kann sich der abgekühlte
Bereich in der heizfreien Zeit wieder mehr oder
dauernde
v^^... ,^..^ ^^.., ^..^Ob
^. vu eine dauernde
1 CITemperaI Il.JC1C1wenigr
..we .regenerieren.
turabsenkung erhalten bleibt - was die Eignung
als Wärmequelle im Laufe der Zeit einschränken
kann - hängt von der Bodenstruktur und dem
flächenbezogenen Wärmestrom ab. Je feuchter
das Erdreich ist und je mehr Fläche zur Verfügung
steht, desto sicherer ist eine dauernde Nutzung
möglich.
Bewährt hat sich die Verlegung der Rohre in einer
Tiefe von 1,4 bis 1,8 m mit einem Abstand von 0,3
bis 0,6 m. Bei einer durchaus möglichen monovalenten Auslegung ist je nach Bodenart eine Erdreichfläche erforderlich, die das 1,5- bis 2,5fache
der zu beheizenden Wohnfläche beträgt. Die Rohrverlegung sollte möglichst in mehreren parallelen
Kreisen erfolgen, was bei Beschädigung durch
Abklemmen des defekten Kreises einen weiteren
Betrieb zuläßt. Auch hier wird üblicherweise Sole
als Transportmedium zur Wärmepumpe benützt,
gelegentlich werden die Rohre auch als Direktverdampfer betrieben.
Aufgrund der benötigten großen Bodenflächen
wird die Wärmequelle Erdreich nur selten angewendet.
106
Auslegung der Wärmepumpe
Da die Investitionskosten für eine Wärmepumpe
und die dazugehörige Wärmequellen-Erschließung
erheblich über denen eines konventionellen
Wärmeerzeugers liegen, ist die richtige Festlegung
Heizleistu _ _ im
der benötigten
benötigten ur^ilc^ülilpeil-1
ti
ICIi1CIJLUIII^j
Auslegungsfall besonders wichtig. Jede Überdimensionierung müß vermieden werden. Die Anwendung von Monogrammen zur Auslegung wird
im Handbuch Niedertemperaturheizung [4] ausführlich erläutert. Voraussetzung für eine richtige
Abstimmung der Wärmepumpe und der Raumheizflächen aufeinander und auf das Gebäude, ist das
Vorliegen von Leistungskennlinien der Wärmepumpe in Abhängigkeit der Heizmittel- und Wärmequellentemperatur.
Zu beachten ist, daß die Heizleistung von Wärmepumpen nur in Stufen vorliegt. Im Zweifelsfall sollte
man eher eine zu kleine Wärmepumpe auswählen.
Maßgeblich ist dabei nicht die Summe der nach
DIN 4701 berechneten Wärmebedarfswerte der
Räume eines Gebäudes, sondern die als wahrscheinlich zu erwartende Maximallast Qmax (s. [4]).
Bei Wohngebäuden liegt diese Maximallast bei
etwa 60% des Summen-Wärmebedarfs. Die Heizmitteltemperaturen sind bei alleinigem Wärmepumpenbetrieb nach oben durch den von der Wärmepumpe vorgegebenen Höchstwert begrenzt; je
niedriger sie gewählt werden, um so höher ist die
5.1
Leistungszahl der Wärmepumpe. Allgemein gilt,
daß eine im Vergleich zur Maximallast hoch gewählte Heizleistung der Wärmepumpe eine niedrige Auslegetemperatur für die Raumheizflächen zur
Folge hat.
Im Gegensatz zu einer monovalenten Wärmeerzeugung mit Wärmepumpe ist bei einer bivalenten ein
größerer Gestaltungsfreiraum für eine energeti-
sche und wirtscha ft liche Optimierung vorhanden.
Ziel der Auslegung ist hier, mit einer möglichst
kleinen Wärmepumpe (niedrige Investitionskosten)
einen möglichst hohen Anteil am Gesamtenergieverbrauch der Anlage zu decken. Als Faustwert
gilt, daß die Auslege-Heizleistung der Wärmepumpe unter 50% der Maximallast des Gebäudes
liegen sollte (5.141).
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Luft
gut
gut
+15 > -12 bivalent
<50<
2,2
mäßig
hoch
teilweise
notwendig
Strahlung
gut
(Platzbedarf!)
mäßig
> 15 > -12 bivalent
G 50 G
2,2
hoch
hoch
teilweise
notwendig
Erdspeicher
mäßig
gut
+10 > -5 monooder
bivalent
< 50
G 50 G
2,7
mäßig
mäßig
nur Grundstücksfläche
Erdreich
s. selten
(große
Fläche)
gut
+10 > -5 monooder
bivalent
50
G 50 G
2,7
hoch
mäßig
nur Grundstücksfläche
Grundwasser
s. selten
sehr gut
+12 >+8 monovalent
50
2,9
hoch
gering
nur Grundstücksfläche
Obe rf lächenwasser
s. selten
gut
+15 > 0 bivalent
G 50 G
2,7
mäßig
mäßig
nur Grundstücksfläche
Abwärme
s. selten
gut
< 50
>3
mäßig
gering
teilweise
notwendig
> 15 >
monovalent
Wärmequellen
AuslegeHeizleistung
P0
E
5.z
TECHN. AUSBAU
Tabelle A: Beurteilungskriterien für Wärmequellen
Literaturhinweise:
[1] Verordnung über energiesparende Anforderungen
an heizungstechnische Anlagen und Brauchwasseranlagen (Heizungsanlagen-Verordnung - HeizAnlV-)
vom 22. 9.1978, Bundesgesetzblatt S.1581, Bonn 1978.
[2] Verordnung über energiesparende Anforderungen
an den Betrieb von heizungstechnischen Anlagen und
Brauchwasseranlagen, Heizungsbetriebs-Verordnung.
Bundesgesetzblatt Teil 1, 9.1978.
[3] Verordnung über Feuerungsanlagen -1. BundesImmissionsschutzverordnung, 2.1979.
[4] Bach, H. (Hrsg.) u.e.a.: Niedertemperaturheizung,
Handbuch für Planer, Hersteller u. Betreiher. Verlag
C. F. Müller, Karlsruhe 1981.
107
TECHNISCHER
(NERGIRINSPARUNC AUSBAU
Em Forsc 4 4,ngsvnrhat7era or Hundesarchitektenkamme^rt un Aattrage des Bundesmintster,ums
Raurttordnunq ,nd F3a;twes?n
Sonnenkollektoren
Fernwärme
DampfturbinenHeizkraftwerke
Bloeizkraftwerke
Wärmepumpenheizkraftwerke
Übergabestation
und Hauszentrale
Temperaturregelung
Sammelheizung — Direktnutzung
der Solarenergie
Aus klimatischen und aus wirtschaftlichen Gründen hat sich die Direktnutzung der Solarenergie
(mit Sonnenkollektoren) in Deutschland nicht
durchgesetzt.
Sammelheizung — Fernwärme
Als besonders vorteilhaft für eine rationelle Energieverwendung auf dem Gebiet der Hausheizung
hat sich die Nutzung von Abwärme aus Kopplungsprozessen über Fernleitungen (Fernwärme)
.......................... _....
erwiesen.
Am weitesten verbreitet ist die Wärmeauskopplung
aus Dampfturbinen-Heizkraftwerken. In steigendem Maße kommen aber auch kleinere Blockheizkraftwerke (BHKW mit Diesel- oder Gasmotoren)
und Abwärme abgebende Industriebetriebe (z. B.
Erdölraffinerien, Eisenhütten, Papierfabriken) als
Fernwärmelieferanten in Frage. Außerdem werden
neuerdings Wärmepumpenheizkraftwerke gebaut,
als deren Wärmequelle das Rücklaufwasser eines
Fernwärmenetzes dient. Auch gibt es bereits sehr
weit gediehene Konzepte, bei denen Fortwärme
aus wassergekühlten Kondensatoren von Dampfkraftwerken geordnet in fernwärmewürdige Verbrauchergebiete geleitet wird, um do rt Wärmepumpenheizwerke zu versorgen (kalte Fernwärme).
Aus mehreren Gründen wird angestrebt, die Rücklauftemperatur im Fernwärmenetz möglichst tief
abzusenken. Vor allen lassen sich bei großen Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rücklauf
(Spreizung) die Transpo rt -und Verteilungskosten
mindern.
Um einen möglichst sparsamen Heizbetrieb zu erreichen, wird die Wärmeabgabe an den Raumheizflächen durch Regelung ihrer mittleren ÜbertemVV.ra#dir dem Heiz=L astveriüüf( s. Kap. 5. v) angepaßt. Je größer in den verschiedenen Gebäuden
das Verhältnis von Normwärmeleistung der installie rt en Heizflächen zum Wärmebedarf der jeweiligen Räume gewählt wird, desto niedriger kann
die Übertemperatur liegen. Die Vorlauftemperatur
im Netz muß mindestens so hoch sein, daß bei
Mindestauslegung der Raumheizflächen im Einklang mit den jeweiligen Vorschriften der Wärmebedarf gerade gedeckt werden kann. Das heißt bei
größer ausgelegten Heizflächen oder einem durch
Innenlasten und vergleichbarem reduzie rt em
Wärmebedarf muß die Übertemperatur an der
Heizfläche abgesenkt werden; entweder so, daß
die Rücklauftemperaturdurch Drosseln des Heizmittelstromes oder ,die Vorlauftemperatur durch
Beimischen von Rücklaufwasser abgesenkt wird.
Die Drosselregelung z. B. mit thermostatischen
Feinregulierventilen hat den Vo rt eil, daß bei gegebenen Heizflächen die niedrigste Rücklauftemperatur, also die größtmögliche Spreizung, erreicht
werden kann; zudem wird bei Fernwärmeanschluß
in der Hauszentrale weder ein Mischer noch eine
Umwälzpumpe benötigt. Die Drosselregelung
108
Prof. Dr.-Ing. Heinz Bach
eignet sich demnach für den Anschluß von Altanlagen an die Fernheizung, wenn an den Raumheizflächen keine Änderungen vorgenommen werden
sollen. Sie hat aber den Nachteil, daß der „Heizmittelwechsel" (Verhältnis von Heizmittelstrom zu
Wasserinhalt des betreffenden Heizkörpers) und
damit die Regelfähigkeit der Heizfläche sehr ungünstig wird. Durch schlechte Anpassung der
Wärmeabgabe des Heizkörpers an den Heiz-Lastverlauf entstehen so zusätzliche Verluste oder
auch erhebliche Einbußen an Behaglichkeit.
Diese Nachteile lassen sich durch die zweite Möglichkeit, die Mischregelung, beheben. Sie erforde rt
allerdings den Einbau von Mischer, Umwälzpumpe
und, wenn die gleiche Rücklauftemperatur wie bei
der Drosselregelung erreicht werden soll, eine
Vergrößerung der Raumheizflächen. Die in der
Fachliteratur und auch in vielen Vorschriften von
Wärmelieferern anzutreffende Behauptung, daß die
angestrebten niedrigen Rücklauftemperaturen nur
mit einer Drosselregelung zu erreichen sind, ist
unzutreffend und läuft auf eine vermeidbare Einschränkung des Heizkomforts hinaus.
Der unmittelbare Anschluß von Heizflächen an die
Fernwärmeleitungen ist nicht möglich, da der
Druck und meist auch die Vorlauftemperatur im
Netz immer höher sind, als für die Wärmeverteilung
in einem Gebäude erforderlich wäre. Zwischen
dem Netz und der Wärmeverteilung im Gebäude
sind daher die Übergabestation und die Hauszentrale angeordnet. Bei Kostenbetrachtungen wären
diese Zwischenstationen einem Wärmeerzeuger
(z. B. Kessel) vergleichbar. Während die Übergabestation meist Eigentum des Fernwärmeversorgungsunternehmens ist oder wird, gehö rt die
Hauszentrale (auch Hausstation oder Abnehmerstation) immer dem Eigentümer des Gebäudes.
Zur Übergabestation zählen Einrichtungen für
Druckbegrenzung, Absicherung gegen Überdruck,
Differenzdruckregeiung, Heizmitteistrombegrenzung (Mengenbegrenzung) und Wärmemengenzählung.
Die Hauszentrale umfaßt Einrichtungen zur Warmwasserbereitung, zur Regelung der Vorlauftemperatur im Hausnetz und zur Begrenzung der Rücklauftemperatur; bei indirektem Anschluß zusätzlich
auch die Wärmeaustauscher.
Hausstationen mit direktem Anschluß sind einfacher und billiger als die mit indirektem Wärmeaustauscher. Allerdings müssen dann die Heizflächen im Gebäude in aller Regel für die höheren
Drücke, wie sie im Fernheiznetz herrschen (Ruhedruck), ausgelegt werden. Zudem können Einschränkungen bei der Auswahl der Heizflächenwerkstoffe wegen der Zusätze des aufbereiteten
Fernheizwassers bestehen.
Bei Hausstationen mit indirektem Anschluß wird
das Heizwasser über Wärmeaustauscher erwärmt.
Die Regelung kann sowohl im Primär- als auch im
Sekundär-Kreislauf erfolgen.
Die Gestaltung der Übergabestation und der Hauszentrale ist häufig dem Hausbesitzer nicht überlas-
Nach der Wärmeschutzverordnung muß heute der
Wärmedurchgangswiderstand von Heizkörpernischen so groß sein wie der der übrigen Außenwende. Der zusätzliche Transmissionswärmeverlust
beträgt dann nur noch 1%. Die meisten Heizkörper
geben jedoch die Wärme zu etwa 75% konvektiv
ab; bei ihnen reduzieren sich die Verlustsätze
deutlich. Die Wärmeschutzverordnung schreibt im
übrigen weiterhin vor: „Werden Heizkörper vor außenliegenden Fensterflächen angeordnet, sind zur
Verringerung der Wärmeverluste geeignete Abdekkungen an der Heizkörperrückseite vorzusehen"
[1]. Die Abstrahlung könnte z. B. durch einen
Strahlungsschirm aus Glas zwischen Fensterfläche und Heizkörper in wirksamer und wenig
störender Weise verhindert werden.
Raumheizflächen, thermische Behaglichkeit
Wesentlich
höhere anordnungsbedingte WärmeAls Raumheizkörper werden die Raumheizflächen
bezeichnet, die frei im Raum, dessen Wärmebedarf verluste treten auf, wenn Heizkörper - wie heute in
Bürogebäuden häufig Glblich - nicht in einer Heiz..
zu decken ist, angeordnet sind. Sie sind zu unterkörpernische, sondern direkt vor der Außenwand
scheiden von jenen Raumheizflächen, die in eine
der Umfassungsflächen des zu beheizenden Rau- angeordnet sind.
mes integrie rt sind, meist z. B. in den Fußboden.
In diesen Fällen gibt es üblicherweise auch keine
Fensterbänke. Hier legt sich der aufsteigende
Zunächst werden Raumheizkörper nach ihren
Warmluftstrom über dem Heizkörper sofo rt an die
Eigenschaften für die Wärmeübertragung beu rt eilt. kalte Fensterfläche an und erwärmt sie. Dadurch
Es ist daher naheliegend, hieraus die wesentlichen erhöht sich die innere Oberflächentemperatur der
Unterscheidungsmerkmale für die Einteilung der
Scheibe, und somit vergrößern sich die TransmisRaumheizkörper abzuleiten. Der Wärmeübergang
slonawärmeve rluste n ach außen. Dies läßt sich
auf der Luftseite durch Konvektion und Strahlung
durch Anbringen von Fensterbänken nahezu vollist maßgebend (der Wärmeübergang auf der Was- ständig vermeiden.
serseite ist so hoch, daß Unterschiede nicht ins
Die Wärmeabgabe von Raumheizkörpern wird in
Gewicht fallen), Während die durch Strahlung
einem genormten Versuch nach DIN 4704 ermitübertragene Wärmeleistung einheitlich für alle
telt. Die Anwendung der hierbei festgestellten WerBauformen von der Größe (und der Temperatur)
der Hüllfläche abhängt - der Strahlungsanteil sich te für eine Auslegung wird ausführlich beschrieben
im Handbuch „Niedertemperaturheizung" [1].
also nicht zu einer Unterscheidung eignet -, hat
die Bauform auf die Konvektion einen starken
Bei Fußboden-, Wand- und DeckenstrahlungsEinfluß.
heizungen sind die Heizflächen in ein Bauteil Bei der Auswahl der Raumheizkörper aus der vom Boden, Wand oder Decke - integriert' „Integrierte
Markt angebotenen Typenvielfalt sind folgende
Heizflächen". Die übliche Bezeichnung „FlächenKriterien zu beachten:
heizung" erscheint als nicht geeignet, da heute
Raumheizkörper vor allem für NTH ebenfalls
Aussehen,
flächig gestaltet sein können (sie sind hingegen
keine scharfen Kanten (Verletzungsgefahr für
frei vor Wänden aufgestellt: „Freie Heizflächen").
Kinder),
Reinigungsmöglichkeiten,
Die verschiedenen WarmwasserfußbodenheizunKorrosionsbeständig keit,
gen sind ausführlich in [3] und auch im Handbuch
große Wärmeleistung (bezogen auf die Ansichts„Niedertemperaturheizung" [1] dargestellt.
fläche oder das Bauvolumen),
geringes Gewicht und kleiner Wasserinhalt,
Die wärmeübertragende Fläche bei Fußbodenheileichte Montagemöglichkeit,
zungen ist allein die einheitiich ebene Fußbodenhohe Druckfestigkeit (für Sonderanlagen),
fläche. Daher sind für die Wärmeabgabe der Fußgeringe Investitionskosten.
bodenheizung in dem darüberliegenden Raum nur
die
Oberflächentemperatur des Bodens und die
Zum Ausgleich des Strahlungsüberschusses vor
dem Fenster und der Außenwand und zum Abfan- der übrigen Umfassungsflächen maßgeblich:
gen des Kaltluftabfalls sollten Raumheizkörper in
Bei gegebener mittlerer Oberflächentemperatur
diesem Bereich angeordnet werden. Ihre Länge
des Fußbodens hat ein spezieller Fußbodenaufbau
sollte mindestens der Breite des Fensters,
keinen Einfluß auf die Wärmeleistung, wohl aber
möglichst aber der der Außenwand entsprechen.
darauf, mit welcher Heizmitteltemperatur die zur
gewünschten Wärmeabgabe notwendige mi tt lere
Auch bei erhöhter Wärmedämmung ist es günstiOberflächentemperatur erreicht werden kann.
ger, den Heizkörper vor den Außenflächen als an
den Innenwänden aufzustellen. Im letztgenannten
Die vom Fußboden abgegebene flächenbezogene
Fall erhielte man zwar ein kleineres Rohrnetz,
Warmestromdichte q setzt sich aus einem Strahmüßte jedoch - abgesehen von der geringen Einlu. r -und I<rrvektionsanteil zusammen. Aus umbuße an Behaglichkeit - einen geringeren Nutzfangreichen,
vom BMFT geförde rt en Untersuchunwert des Raumes in Kauf nehmen: Verlust an Steilgen wurde unter anderem folgendes gefunden:
flächen im Raum usw.
sen. Wer z. B. die Vorlauftemperatur in seinem
Haos unabhängig vom Netz regeln möchte, weil er
RaWrnheizflächen einbauen oder weiterbetreiben
möchte, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen
au5kommen oder sie benötigen (Fußbodenheizung), kann wegen der örtlich stark unterschiedlichen Vorschriften der Wärmelieferer gezwungen
sein, vom preisgünstigen direkten auf den teureren
indirekten Anschluß auszuweichen. So sind häufig
die Beimischung von Rücklaufwasser in der Hauszentrale oder auch Druckminderer nicht gestattet
(letzteres e rforde rt genügend druckfeste Heizkörper).
Als weiteres Argument für die Innenaufstellung
wird die Energieeinsparung herangezogen. So betrug in älteren Gebäuden mit schlecht gedämmten
Heizkörpernischen der zusätzliche Transmissionswärmeverlust bei Heizkörpern mit hohem Strahlungsanteil (40%) etwa 5% der Heizkörperleistung.
In einem Raum mit einer Außenwand
(k, =1,32 W/1 m`K) und einem Luftwechsel vo
0,5 h ' < ß < 1,5 h ' (aufgrund Fugendurchlässigkeiten an Fenster und Türen) ist die in Abb. 1 dargestellte Wärmestromdichte zu beobachten. Hat
der Raum mehrere Außenwände, so erhöht sich
5.z
TECHN. AUSBAU
Wärmequellen
Raumheizkörper
Wärmeverluste
Auswahlkriterien
Fußboden -, Wand-,
Deckenstrahlungsheizungen
Oberflächentemperatur
Wärmestromdichte
100
W/m2
80
60
40
20
Konvektion
8 (t F — t L)/K 12
Wärmeabgabe der Fußbodenheizung durch
Strahlung und Konvektion in einem Raum mit
einer Außenwand (Voraussetzung t L tW)
aufgrund größerer Wärmeabstrahlung vom Fußboden zu den Raumbegrenzungsflächen die Wärmeabgabe.
Die Auslegung einer Fußbodenheizung Ist in Einklang mit_ den zur Zeit beratenen Normen DIN 4725
und DIN 4726 im Handbuch „Niedertemperaturheizung" angegeben. Aus der wärmetechnischen
Prüfung von Fußbodenheizsystemen ist der Zusammenhang zwischen erreichbarer Wärmestromdichte und Heizmittelübertemperatur bekannt. Die
Prüfung wird ohne Bodenbelag durchgeführt; zur
Überwindung des zusätzlichen Wärmeleitwiderstands des Bodenbelags muß die Heizmitteltemperatur erhöht werden. Es muß deshalb bei der
Auslegung bereits daran gedacht werden, welcher
Fußbodenoberbelag zu berücksichtigen ist.
Weiterhin ist zu beachten, daß von der Fußbodenheizung nicht nur Wärme an den zu beheizenden
Raum, sondern auch zusätzlich Wärme
O durch die Decke in den Unterraum,
O über Wärmebrücken an die Außenwand des
Gebäudes und
O durch Zusatzstrahlung zur Außenwand
übertragen wird.
Reicht die Wärmeleistung der Fußbodenheizung
alleine nicht aus, den Norm-Wärmebedarf des
Raumes zu decken, so sind Zusatzheizflächen zur
Fußbodenheizung einzuplanen. Neben stärker
temperierten Randzonen bieten sich in erster Linie
Estrich-Konvektoren an.
Konvektoren haben den Vorteil, daß sie sehr gut
regelbar sind.
Bei Luftheizungen wird die Wärme an das Heizmittel Luft übertragen und dann den zu versorgenden
Räumen zugeführt. Diese Art der Wärmeverteilung
eignet sich auch für Niedertemperatursysteme, da
zur thermischen Behaglichkeit Zulufttemperaturen
von höchstens 40 °C e rforderlich sind. Gegenüber
„konventionellen" Luftheizungen müssen lediglich
die Wärmeaustauscherflächen des Lufterhitzers
größer bemessen werden; Ventilator und Kanalnetz bleiben gleich.
Moderne Luftheizungen sind meist nur als Ventilator-Warmluftheizungen mit indirekter Lufterwärmung (Wasser, Luft) ausgeführt.
Warmluftheizungen lassen sich in vielen Fällen einsetzen, ihre Vorteile sind:
0 Einfache Umstellung bei bestehenden Luftheizungen auf einen Niedertemperatur-Wärmeerzeuger, da nur der Lufterhitzer durch einen
größeren ersetzt werden muß, das Kanalnetz
bleibt gleich.
0 Rasche Lufttemperaturänderungen durch die
geringe Speicherfähigkeit des Wärmeträgermediums (z. B. für den unterbrochenen Heizbetrieb).
0 Beheizbarkeit besonders gestalteter Räume, bei
denen sich Heizflächen nicht anordnen lassen
(wie Fabrikationshallen u. ä.).
0 Einfache Beheizbarkeit von Räumen, die ohnehin mechanisch belüftet werden müssen (hierbei Wärmerückgewinnung möglich).
0 Schnellregelbare Zusatzheizung zu Raumheizflächen.
Gegenüber der Warmwasserheizung bestehen bei
der Luftheizung folgende Nachteile:
0 Die Wandtemperaturen reagieren auf Leistungsänderungen (z. B. beim Hochheizen) träge, da
keine strahlenden Heizflächen vorhanden sind.
Als anordnungsbedingte Verluste sind in jedem
Es erfolgt kein Strahlungsausgleich zu kalten
Fall die Zusatzstrahlung an die Außenwand und
Außenflächen. Vom Nutzer werden deshalb oft
Zusatzwärmestrom über eine Wärmehri;cke anzuhöhere Raumlufttemperaturen verlangt.
sehen. Der Zusatzwärmestrom in einem Unterraum
0 Durch den Wärmeübergang vom Primärwärmegilt nur dann als Verlust, wenn es sich dabei um
träger (Wasser) auf den Sekundärwärmeträger
einen unbeheizten Nebenraum, z. B. Keller, han(Luft) werden vom Wärmeerzeuger höhere Temdelt. Ist der Unterraum ebenfalls über den Fußboperaturen verlangt, als dies die Wärmeverteiden beheizt, so kommt die Wärme der darüberlielung e rf ordert.
genden Fußbodenheizung dem Unterraum zugute.
0 Beim Wärmetransport mit Lu ft sind gegenüber
Hierbei sei erwähnt, daß der Wärmestrom der
dem mit Wasser höhere Förderleistungen notoberen Fußbodenheizung durch die Decke in den
wendig. Die Unterschiede soll das Beispiel aus
unteren beheizten Raum aufgrund der GegenTabelle A verdeutlichen.
strahlung der Fußbodenheizung darunter vernach0 Der Raumbeda rf für Luftverteilungssysteme ist
lässigbar gering ist [3].
erheblich. In manchen Gebäuden kann das
Kanalnetz nicht untergebracht werden.
Zur Begrenzung des Wärmestroms nach unten,
z. B. an unbeheizte Räume oder ins Erdreich, müs- O Durch die Luftkanäle können sich Brände im
sen bei Fußbodenheizung unter der Heizebene
Gebäude ausbreiten. Um dies zu verhindern,
Wärmedämmschichten eingebaut werden. In den
müssen zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen
meisten Fällen wird eine Polystyrolschicht mit
(z. B. Brandschutzklappen) eingebaut werden.
einem Wärmeleitkoeffizienten von A = 0,04 W/(mK) 0 Kanalnetz, Ventilator und Sicherheitsmaßnaheingesetzt. Die Dicke der Wärmedämmschicht
men bewirken für Warmluftheizungen hohe Inbzw. der Wärmeleitwiderstand ist nach der Wärmevestitionen. Vor der Wahl des Wärmeverteischutzverordnung zu wählen. Die Wärmedämmung
lungssystems sollte die Wirtschaftlichkeit beist, soweit möglich, unmittelbar unter der Heiztrachtet werden.
ebene, darüber hinaus unterhalb der Decke an0 Luftkanäle übertragen Geräusche des Venzuordnen (weitere Einzelheiten s. [3] und [2]).
tilators bzw. die aus den einzelnen Räumen.
110
20 kW
Heiz 1 eistung 0
Wärmeverteilung Ober
Temperaturen bei
Auslegungsbedingung en
Heizrnittelstrom
Gesarntdruckerhöhung der
Pumpe oder des Ventilators
theore tische
Antriebsleistung
Wirkungsgrad
(gesamt)
Antriebsleistung
des Motors
Wasser
Luft
(Umluft)
tv=65°C
13=50°C
tZU=40°C
tqg=tqq=20°C
0,318 kg/s
0,00032 m 3/s
0,990 kg/s
0,861 m3/s
15 kPa
0,2 kPa
5W
172 W
1:Pumpe 0,3
17 W
mungsbild nur die Hauptluftbewegung dar; seitlich
neben dem Heizkörper kann abgekühlte Luft in
entgegengesetzer Richtung in den Bodenbereich
einfließen.
5.z
TECHN. AUSBAU
Wärmequellen
.. n,Ventilator = 0,8
216 W
Tabelle A: Vergleich der Förderleistungen bei Wärmeverteilungssystemen mit Wasser und Luft
O In der Nähe von Luftdurchlässen beobachtet
man bei Luftheizungen eine starke Verschmutzung der Wände; diese läßt sich auch durch Filterung der Zuluft nur unvollständig vermeiden.
O Die Heizkostenabrechnung ist bei Luftheizungen - vor allem in Gebäuden mit unterschiedlichen Wärmeverteilungssystemen (Warmwasserheizung, Luftheizung) - schwierig und aufwendig.
^
—
Raumluftströmung bei Beheizung
mit Raumheizkürperrc
Wird die Heizfläche dagegen in eine der inneren
Umfassungsflächen integriert, z. B. als Bodenheizung, dann entsteht eine entgegengesetzte Umwälzströmung, wie sie Abb. 3 zeigt. Die jeweils
kälteste vertikale Umfassungsfläche ist, wie umThermische Behaglichkeit
Die Aufgabe einer Heizung besteht ganz allgemein fangreiche Versuche von Schfapmann beweisen,
unabhängig von der Temperaturverteilung auf dem'
darin, einen Raum in kalten Jahreszeiten so zu
Boden
und den übrigen Flächen, bestimmend für
erwärmen, daß sich die darin aufhaltenden MenRichtung und Intensität einer die ganze Raumluft
schen behaglich fühlen.
bewegenden turbulenten Umwälzströmung: Die
Notwendige Voraussetzung für die Behaglichkeit
kalte Luft an dieser Außenwand fällt nach unten,
ist zunächst die Ausgeglichenheit des Wärmeüberschwemmt den Boden mit Geschwindigkeiten
haushalts der Aufenthaltspersonen. Diese Bedinüber 0,5 m/s bis tief in den Raum und treibt die
gung ist jedoch nicht hinreichend: Zusätzlich ist
erwärmte Luft an den Wänden hoch und an der
auch noch zu beachten, daß die Ausgeglichenheit Decke waagerecht zurück zur Außenwand. Höher
der örtlichen Wärmeabgabe auf der Oberfläche
temperierte Boden-Randstreifen vor der Außeneiner Aufenthaltsperson sich in der Richtung nicht wand und auch sogenannte Estrich-Konvektoren
zu stark unterscheidet. Hierfür ist der örtliche
Wärmeübergang durch Strahlung, Konvektion und
auch Diffusion durch die Haut maßgeblich. Betrachtet man lediglich die hier behandelten Raumheizflächen und nicht raumlufttechnische Anlagen
mit Einflußmöglichkeiten auf die Luftzusammensetzung, insbesondere den Feuchtegehalt, so genügt
die Betrachtung der Temperaturen der Lu ft, der
Umfassungsflächen des Raumes und der Heizflächen.
Ein zu beheizender Raum besitzt immer mindestens eine Umfassungsfläche, deren Temperatur
deutlich unterhalb aller anderen Flächen liegt
(Außenwand mit Fenster). Die Temperatur der übrigen Flächen und der Luft sind abhängig von der
Art der Heizwärmezufuhr:
O Bei überwiegend konvektiver Heizwärmezufuhr
Raumluftströmung bei Fußbodenheizung
sind diese Flächen wegen der Abstrahlung an
die Außenwand kälter als die Lu ft.
O Bei überwiegender Heizwärmezufuhr durch
Strahlung sind die Flächen wärmer als die Luft. (ohne Gebläse) vermögen diese kräftige Umwälzströmung nicht umzukehren. Auch eine AufwärtsDie Richtung der Luftbewegung im Raum ist abströmung vom erwärmten Boden (Benard-Konvek
hängig von der Anordnung der Raumheizflächen.
Wird ein Heizkörper frei vor der Außenwand aufge- tion) kann sich nicht ausbilden. Ferner bewirkt die
der Außenwand über die ganze Raumhöhe zuströstellt (Anteil der konvektiv abgegebenen Wärme
mende Luft eine langsame Bewegung von innen
mindestens 60%), dann ist der im Bereich des
Heizkörpers entstehende Auftrieb stark genug, die nach außen und somit auch einen geringfügigen
an der kalten Außenwandfläche abfallende Luft am Temperaturabfall (s. Abb. 4).
Bei der Luftheizung sind die Luftstrahlen aus den
Eindringen in den Raum zu hindern und eine UmZuluftdurchlässen bestimmend für Richtung und
wälzströmung zu erzeugen, wie sie in Abb. 2 prinIntensität der Strömung im Raum. In aller Regel
zipiell dargestellt ist. Da Heizkörper in aller Regel
sind die Raumluftgeschwindiakeiten höher als bei
nicht die gleiche Länge wie die Außenwand besitder Radiatoren- oder Fußbodenheizung.
zen, stellt das gezeigte zweidimensionale Strö111
usgeglichenheit
Värmehaushaits
Richtung der
Luftbewegung
Raumluft,_
geschwindigkeit
•
Die Temperaturprofile, die als Folge der unterschiedlichen Strömungen bei den einzelnen Beheizungsarten auftreten, sind in Abb. 4 in ihrer
prinzipiellen Form einander gegenübergestellt.
Die Oberflächentemperaturen sind bei den Heizflächen so eingestellt, wie es die Wärmezufuhr erfordert, und bei den übrigen Flächen das Ergebnis
aus der Wechselwirkung von Zu- und Abstrahlung
sowie konvektivem Wärmeübergang (ihre Berechnung ist ausführlich in [3] angegeben).
Im folgenden soll geklä rt werden, in welchem
Umfang die verschiedenen Heizsysteme dazu beitragen, die baulich bedingten Störungen im thermischen Umfeld des Menschen mit dem Ziel der
Behaglichkeit auszugleichen.
Wirkungsvergleich
Fußbodenheizung/
Radiatorenhe=jung
Der Wärmeabgabevergleich wird beispielha ft berechnet (ausführliche Formeln s. [1]) für einen
Raum, der 4 m breit, 5 m tief und 2,5 m hoch ist.
Verglichen werden die Wirlshng_der Fußbodenheizungmit der einer Radiatorenheizun_g, Eine
Luftheizung ist in diesem Zusammenhang nicht
vergleichbar, da mit ihr die Abstrahlung der
Außenwand in keiner Stelle des Raumes zu kompensieren ist.
▪
Für den Raum mit Fußbodenheizung ist eine mittlere Außenwandtemperatur (Fenster und Wände)
von 13 °C, eine Innenwandtemperatur (Decke und
Seitenwände) von 21 °C und eine Lufttemperatur
von 19 °C angenommen; der Boden soll 27 °C
warm sein.
Bei Radiatorenheizung ist eine einfache Heizpla tt e
von 0,4 m Höhe und 4 m Breite vorausgesetzt; die
mittlere Oberflächentemperatur soll 55 °C betragen. Die mittlere Temperatur der restlichen Außenwandfläche (ebenfalls Fenster und Wand) sei hier
nur 12 °C, die Temperatur der Innenwände 19,5 °C
und die Temperatur der Lu ft 20,5 °C.
Im wesentlichen stellt sich der Wärmeabgabevergleich als Zustrahlungs- und Abstrahlungsüberschuß dar. Abb. 5 zeigt für den Mittelschnitt des
Raumes die Feldverteilung. Die Betrachtung ließe
sich in der gleichen Weise für ein in das Innere des
Raumes gerichtetes Körperflächenelement anstellen (s. [1]). Die angegebenen Wärmestromdichten
können veranschaulicht werden, wenn man berücksichtigt, daß z. B. ein Abstrahlungsüberschuß
von etwa 8 W/m 2 einer um 1 K gegenüber dem
definie rt en Behaglichkeitszustand kälter empfundenen Temperatur entspricht (s. [1]).
Heizkörper
E
AW
1,5
c
ta)0
t
_....L..`..._.. _^_^,_._
2
19 20 21
i
f 1 i n i^_ti
19 20 21
19 20 21 '
3
4
5
0,75 ^
ro
¢
0
Raumtiefe in m —^
19 20 21
Fußbodenheizung
72'5
1,5
Fußbodenheizung
Raumtiefe
Radiatorenheizung
Lufttemperatur-Verläufe im Raum
bei unterschiedlichen Beheizungsarten
Quellen:
[1] Bach, H. (Hrsg.), u.e.a.: Niedertemperaturheizung,
Handbuch für Planer, Hersteller u. Betreiber. Verlag C. F.
Müller, Karlsruhe 1981.
[2] Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung) vom
11. August 1977 (BGB 1 S. 1554). Hierzu insbesondere:
Baumann, H., E. Kapmeyer und B. Muser: Die neuen Anforderungen des Energie-Einspargesetzes bei Planung,
Bau und Unterhaltung von Gebäuden. WEKA-Verlag,
Kissingen 1981.
[3] Bach, H. und S. Hesslinger: Warmwasserfußbodenheizung. 3. Auflage, Verlag C. F. Müller, Karlsruhe 1981.
112
3
Raumtiefe in m
< -25 W/m2- 5 / + 5 W/m2
L71,73 -25 / -15 W/m2 r __•+ 5 / +10 W/m2
i1 ^-15 / -10 W/m2 L.:^_^ + 10 y +20 W/m2
5 W/m2>
L ^' -10
+20 W/m2
/-
Zu- und Abstrahlungsüberschuß bei freien
bzw. integrie rten Raumheizflächen
PRAXISINfORMAIION TECHNISCHER
EM[RGIE[INSPAH1JNG Al SBAU b w'^.n,
Ein Forschungsvorhaben der Bundesarchitektenkarnmer
durchgeführt im Auftrage des Bundesminrsteriums
für Städtebau. Raumordnuno und Bauwesen
Anforderungen an die Regelung
Die primäre Aufgabe der Heizungsregelung
besteht darin, die Raumtemperatur auf einem vom
Nutzer gewünschten Niveau möglichst konstant zu
haften. Eine bestimmte Maximaltemperatur sollte
dabei auf keinen Fall durch Heizung überschritten
werden. Die Regelung muß also die Wärmeabgabe
der für einen Extremfall (Normwärmebedarf des
Raumes) bemessenen Heizflächen der meist wesentlich niedrigeren und ständig wechselnden
sog. Heizlast des Raumes anpassen. Dabei sollte
der Cesamtenergieeinsatz so niedrig wie möglich
gehalten werden.
Voraussetzung dafür ist sowohl eine unter den
Gesichtspunkten der rationellen Energieverwendung und der Regelbarkeit konzipierte und dimensionierte Heizanlage als auch eine Regelung, die
möglichst individuell auf diese Heizanlage abgestimmt ist und die außerdem bestimmten Anforderungen hinsichtlich der Regelgüte und der Wi rt
-schaftlikegnü.
Um die Wärmeabgabe der Heizflächen genau der
jeweils erforderlichen Heizlast anpassen zu können, müssen alle Parameter erfaßt werden, die die
Heizlast beeinflussen. Abb. 1 zeigt einen zu beheizenden Raum, in dem die Temperatur t, möglichst
konstant gehalten werden soll. Der Raum gibt Wärme QWR nach außen bzw. an kühlere Räume ab..
Die Wärmezufuhr erfolgt über einen Heizkörper OH
und evtl. zeitweise durch andere Wärmequellen
wie z.B. elektrische Geräte, Personen oder Sonneneinstrahlung Q;. Bei Änderung der Raumtemperatur wird außerdem in die Umgebungswände
und in die Einrichtungsgegenstände des Raumes
Wärme Qsp ein- bzw. ausgespeichert.
ti = tonst.
wenn
Qli-.QH=QWR
Regelung der Raumtemperatur
Aufgabe der Regelung ist es nun, die Wärmeabgabe des Heizkörpers so einzustellen, daß die
Summe der Wärmezufuhr durch Heizkörper und
andere Wärmequellen gleich ist der Wärmeabgabe
des Raumes nach außen. Die Wärmeabgabe des
Heizkörpers entspricht dann der Heizlast des
Raumes.
Die Heizlast wird wesentlich beeinflußt durch:
O Klima bzw. Witterung
O Nutzerverhalten
O Baukörper mit Bauausführung.
Bei Klima und Witterung sind am wichtigsten:
O Lufttemperatur
O Sonnenstrahlung
O Windgeschwindigkeit und -richtung.
Verfasser Prot. Dr.-Ing. Hein z B
Das Nutzerverhalten äußert sich im:
O vorgegebenen lnnentemperaturverlauf
O Luftwechsel
O Aufenthaltszeiten der Personen
O Aktivitätsgrad der Personen
O Einschaltzeiten wärmeabgebender Geräte.
Während Klima oder Witterung und Nutzerverhalten für die zeitlich veränderlichen und sogar unstetig auftretenden Energiestrome in den Raum direkt
ursächlich sind, wirkt sich der Baukörper durch
sein Speichervermögen dämpfend und verzögernd
auf diese Energieströme und damit auf die Heizlast
aus.
Folgende Eigenschaften des Baukörpers beeinflussen die Dämpfung und Zeitverzögerunc:
O Absorptions-, Emissionsgrad
O Wärmeleitwiderstand
O Temperaturleitfähigkeit
O Orientierung
O Fläche und Dicke
der Außenwände, Dächer und inneren Raumumschließungsflächen sowie
O Wärmeleitwiderstand
O Durchlaßfaktor
O Fugendurchlaßkoeffizient
O Orientierung
O Fläche
der Fenster.
Der Wärmebedarf eines Raumes nach DIN 4701 ist
eine genormte fiktive Heizlast für quasistationäre
Bedingungen ohne Berücksichtigung innerer und
äußerer Wärmequellen und des Nutzerverhaltens..
Er kann als extremer Sonderfall der Heizlast angesehen werden.
Die Abb. 2 und 3 zeigen beispielhaft die berechneten Verläufe der auf den Wärmebedarf des Raumes
bezogenen Heizlast und der Innentemperatur für
verschiedene Tagestypen und verschiedene Räume. Die Nutzungszeit beginnt morgens um 6.00
Uhr und endet um 22.00 Uhr. Die Sollinnentemperatur beträgt in dieser Zeit 20 °C, in der übrigen
Zeit dürfen 16 °C nicht unterschritten werden. Alle
betrachteten Räume sind nach Süden orientie rt
und unterscheiden sich durch Wärmedämmung
und Speicherfähigkeit.
Raum 1: Hohe Wärmedämmung,
hohe Speicherfähigkeit.
Raum 2: Hohe Wärmedämmung,
niedrige Speicherfähigkeit.
Raum 3: Niedrige Wärmedämmung,
hohe Speicherfähigkeit.
Kurve a in Abb. 2 zeigt für den Raum 1 die Verläufe
von bezogener Heizlast und Innentemperatur an
einem klaren Januartag (Außenlufttemperatur und
Sonnenstrahlung sind in das Bild mit eingetragen).
Während der Zeit der Nachtabsenkung (die Heizlast hat den Wert 0) sinkt die Innentemperatur aufgrund der stark speichernden Umschließungsflächen um weniger als 2 K ab. Die bezogene Heizlast nimmt ihren Maximalwert an, bis um 915 Uhr
113
Naze
-halten
Einflußgrößen
auf Dämpfung
und Zeitverzögerung
Wärmebedarf
nach DIN 4701
Beeinflussung
der Heizlasten
.3
TECH AUSBAU
einstrahlung als Führungsgröße für eine Regelung
der Vorlauftemperatur gewählt werden. Man unterscheidet daher im wesentlichen nach A rt der
Regelgröße zwischen:
O Raumtemperatur-Regelung
O Vorlauftemperatur-Regelung.
In beiden Fällen wird, um den Einfluß von Störgrößen auf die Raumtemperatur auszugleichen,
die Wärmeabgabe der Heizflächen verände rt .
Als Stellgrößen hierzu können
O Massenstrom
O Vorlauftemperatur
O Drehzahl (bei Gebläsekonvektoren oder Ventilatoren in Luftheizungen)
verwendet werden.
die Sollinnentemperatur erreicht ist. Bereits um
1t00 Uhr tri tt keine Heizlast mehr auf, da Außenlufttemperatur und Sonnenstrahlung so stark
angestiegen sind, daß die Innentemperatur über
ihren Sollwert hinausgeht. Erst kurz vor 19.00 Uhr
ist der Raum soweit ausgekühlt, daß wieder Heizlast auftritt.
Steuerung und Regelung
2
_
R:aum
—
•
".
Raum 2
Rnuii 3
1220
— 6•o
— 600
00
200
8
1 7 4 80 1 des
6e-or.
G
16
+8
Tageszeit in Stunden
Berechnete Verläufe der auf den Wärmebedarf bezogenen
Heizlast unterschiedlicher Räume an einem heiteren Januartag
2
0
a)freie Heizfläche
0,5
b)integrierte
Heizfläche
0
1 0
0 5
2,0
m/mqusl.
Abhängigkeit der Wärmeabgabe vom Heizmittelstrom
Heizkörperventil
Die einfachste und billigste A rt der Regelung geschieht durch ein Heizkörperventil, das entweder
von einer im Raum befindlichen Person bei Beda rf
geöffnet oder geschlossen bzw. thermostatisch
betätigt wird. Diese sog. Drosselregelung bei
konstant hoher Vorlauftemperatur hat vor allem
Tageszeit in Stunden --während
der Übergangszeit, wenn nur sehr wenig
Verlauf der den WBnnebedaf Bezogenen Herbst eines Südraumes mil
hoher Wärmedämmung und hoher SgeicheAägiekeit an einem NW Januadag
3
Wärme angeforde rt wird, den Nachteil, daß dann
sehr kleine Massenströme einzustellen sind.
Den typischen Verlauf für den gleichen Südraum
Abb. 4 ist zu entnehmen, daß z. B. Wärmeleistunan trüben Januartagen zeigt Abb. 3. Obwöhl die
gen von weniger als 40% des Auslegewertes bei
Außenlufttemperatur während der Nacht knapp
konstanter Vorlauftemperatur nur mit einem auf
unter 0 liegt und damit insbesondere in den frühen unter 10% des Normmassenstroms gedrosselten
Morgenstunden deutlich höher als an heiteren
We rt zu erreichen sind. Diese Massenströme lasTagen ist, sinkt die Innentemperatur aufgrund der
sen sich mit Handventilen meist nicht mehr einrehohen Speicherfähigkeit des Raumes in dieser
gulieren. Auch die Regelgüte und die Wirkung von
Zeit fast genau so weit ab wie an klaren Tagen,
Thermostatventilen wird beeinträchtigt, wenn sie
d. h. bei Räumen mit hoher Speicherfähigkeit hängt ständig in der Nähe des Schließpunktes arbeiten.
die Absenkung der Innentemperatur kaum von der
Die Drosselregelung bei konstant hoher VorlaufAußentemperatur ab. Tagsüber tritt wegen der
temperatur erfüllt nicht die oben genannten Anforfehlenden Sonnenstrahlung immer Heizlast auf.
derungen bezüglich Konstanthaltung bzw. MaxiMnid rvnininlieRaumtemperaur
Bei diesen Berechnungen sind keine inneren Wär- malhegren7tu
..^H er
...Raumtemperatur
..F,.,,caw^ und
_
mequeiien berücksichtigt. Die Heizlast der Räume rung des Energieeinsatzes. Sie ist daher zur Regewird also noch um den Betrag der jeweils auftrelung einer modernen Heizanlage nicht geeignet.
tenden Wärmequellen reduzie rt .
Eine wesentliche Verbesserung gegenüber der
Eine ideale Regelungsanlage muß in der Lage sein, Drosselregelung wird erreicht, wenn die Vorlaufdie Wärmeabgabe der Heizkörper entsprechend
temperatur des Heizmittels jeweils so eingestellt
den hier gezeigten Lastverläufen einschließlich zu- wird, daß auch bei niedriger Heizlast die Heizfläche
sätzlicher Wärmequellen einstellen zu können.
mit dem Auslegemassenstrom betrieben werden
kann.
Regelung der Wärmeabgabe von Heizflächen
Die Anpassung der Heizflächenwärmeabgabe
Ein einfacher Regelkreis besteht aus Regler,
e rf olgt also nicht durch Drosseln des MassenStellglied und Regelstrecke. Die Regelgröße wird
stromes, sondern durch Verändern der Heizmittelmit Hilfe eines Meßfühlers e rfaßt und im Regler mit temperatur (Abb. 5).
einem eingestellten Sollwert verglichen. Tritt eine
Störgröße auf, so weichen Soll- und Istwert von1,5
einander ab. Über das Stellglied wird entspreQ
chend dem Regelalgorithmus die Stellgröße verän1,0
dert, um den Einfluß der Störgröße auszugleichen.
a)freie Heizfläche
Bei der Regelung von Heizanlagen gibt es ver0,5
schiedene Möglichkeiten, die Regel-, Stell- und
b)integrierte
Heizfläche
Führungsgrößen zu wählen. Hauptregelgröße ist
0
die Raumtemperatur. Da die Heizlast eines Rau30
0
20
tv-t[/K 50
10
mes wesentlich von der Witterung abhängt, kann
Abhängigkeit der Wärmeabgabe yen der Heizmitteltemperatur
5
also z. B. die Außentemperatur oder die Sonnen16
18
20
22
2
awl
•
Drosselregelung
emperaturregelung
4
QAusl
111PE
EMI
114
Ein Regler e rfaßt über einen Temperaturfühler Abv eiGhungen der Raumtemperatur von einem eingestellten Sollwert und steue rt ein Stellglied an,
mit dem die Vorlauftemperatur verändert wird. Als
Stellglied dient, abhängig vom eingesetzten Wärmeerzeugersystem, entweder ein motorgesteuertes Mischventil (bei konventionellen ölbefeuerten
Heizkesseln) oder ein Thermostat, der einen Brenner (bei sog. NT-Kesseln) oder den Verdichter
einerWärmepumpe ein- und ausschaltet.
Damit kann jedoch nur die Temperatur eines einzigen Raumes geregelt werden. Dies hat den Vorteil,
daß die Vorlauftemperatur für diesen Raum immer
auf ihrem niedrigst möglichen Wert ist und sämtliche in diesem Raum auftretenden zusätzlichen
Wärmequellen ausgenutzt werden. Die Wärmeabgabe der Heizflächen in den anderen Räumen
stellt sich jedoch entsprechend der jeweiligen
Heizlast in diesem temperaturgeregelten Raum,
dem sog. Testraum, ein. Ist z. B. die Heizlast dieses
Testraumes aufgrund der Sonneneinstrahlung
oder erhöhten inneren Lasten niedri g , so kann
dies in einem Raum auf der Nordseite (ohne innere
Last) zu einer Temperaturabsenkung unter den gewünschten Sollwert führen.
Die Regelung nach der Testraummethode eignet
sich daher nur für Einfamilienhäuser oder Etagenheizungen mit offener Bauweise. In den anderen
Räumen ist bei Beda rf eine zusätzliche Einzelraumregelung vorzusehen.
1 Wittergngsgetührth
VorlauftemperaturRegelung mit
4-Wege-Mischer
_j. bzw. mit NI-Kessel
6
Bei größeren Gebäuden mit mehreren unterschiedlich genutzten Räumen bzw. bei Mehrfamilienhäusern wird die Vorlauftem peratur zentral
außentemperaturabhängig nach einer am Regler
einzustellenden Heizkurve geregelt (Abb. 6). In
Abb. 7 sind solche Heizkurven für verschiedene
Auslegetemperaturen eines Heizkörpers darae
stellt.
90
®
'
tu/°C
70®
60^®
50
Heizkurven zur
Regelung der
r,
40
^^ <<^ ^
!
^ ;." • r'
""
in Abhängigkeit
yell
r
30
20..._.
+20
Vorlauftemperatur
Außentemperatur
15 +10 +5 0
—5 t A u/°C —15
^
Die am Regler eingestellte Heizkurve muß nicht
unbedingt mit derjenigen Kurve übereinstimmen,
die der Auslegungstemperatur der Heizanlage zugeordnet ist. So kann es z. B. in einem Neubau
während der Bauaustrocknungsphase aufgrund
einer durch die Verdampfungswärme erhöhten
Heizlast e rforderlich sein, eine etwas höherliegende Heizkurve einzustellen.
Umgekeh rt ist bei evtl. überdimensionierten Heizflächen bzw. bei ständigem Auftreten von zusätzlichen Wärmequellen eine niedrigere Vorlauftemperatur bzw. Heizkurveneinstellung ausreichend.
In jedem Fall sollte die Einstellung der Heizkurve
von „unten her" e rfolgen; d. h. beginnend mit einer
niedrigeren Einstellung wird die Heizkurve schrittweise höhergestellt, bis schließlich die gewünschte Raumtemperatur gerade erreicht wird. Bei Neubauten sollte spätestens zwei Heizperioden nach
der ersten Inbetriebnahme überprüft werden, ob
evtl. eine niedrigere Einstellung der Heizkurve ausreichend ist.
Neben der Außentemperatur können auch andere
meteorologischen Größen als Führungsgrößen
verwendet werden. Bei größeren Gebäuden mit
Nord-/Süd- bzw. Ost-/West-Orientierung ist es
sinnvoll, die Heizanlage in zwei oder mehrere
Zonen einzuteilen und die Vorlauftemperatur
zonenweise zu regeln (Zonenregelung). Als
Führungsgrößen müssendann die für die jeweilige
Zone maßgebende Außentemperatur und Sonneneinstrahlung verwendet werden. Bei Zonen, die
einer extremen Windbelastung ausgesetzt sind
und dadurch einen erhöhten Lüftungswärmebedarf aufweisen, kann zusätzlich der Wind als
Führungsgröße aufgeschaltet werden.
5.3
TECHN. AUSBAU
Steuerung und Rege'
Regelung über
Raumtemperatur-
tühler
Zonenregelung
Testraummethode
Der Kostenaufwand für eine solche Zonenregelung
ist wesentlich höher als für eine einzige zentrale
Regelung. Mit steigender Anlagengröße werden
jedoch die Mehrkosten, bezogen auf die Anlagenkosten, relativ gering. Demgegenüber stehen dann
erhebliche Einsparungen dadurch, daß in ganzen
Gebäudeteilen bei Sonneneinstrahlung die Vorlauftemperatur erheblich abgesenkt wird bzw.
meist sogar die Heizung abgestellt werden kann.
Der Gesetzgeber sieht in der HeizungsanlagenVerordnung [1] vor, Zentralheizungen mit „zentralen selbsttätig wirkenden Einrichtungen zur Beeinflussung der Wärmezufuhr in Abhängigkeit von
einem Zeitprogramm und der Witterung auszustatten". Diese Forderung kann sinnvoll nur mit einem
witterungsgeführten Vorlauftemperaturregler e rfüllt
werden. Bei Anlagen für bis zu zwei Wohnungen
sind auch Handsteuerungen zugelassen, d. h. in
diesem Fall braucht z. B. der Mischer nicht von
einem elektronischen Regler angesteue rt zu werden, sondern kann von Hand eingestellt werden.
Um jedoch auch mit diesem Handmischer gute
Regelergebnisse erzielen zu können, ist möglichst
häufig, nämlich bei jeder spürbaren Witterungsänderung, eine neue Einstellung vorzunehmen bzw.
bei Nacht oder bei längerer Abwesenheit die Vorlauftemperatur abzusenken. Bei diesen Anlagen ist
z. B. auch eine Vorlauftemperaturregelung nach
der Testraum-Methode zulässig. Dabei muß jedoch
eingeschränkt werden, daß diese Regelung - aufgrund ihrer Funktionsweise - bei Anlagen für mehr
als eine Wohnung nicht sinnvoll eingesetzt werden
kann.
In jedem Falle ist es bei einer modernen Heizantage e rforderlich, immer die niedrigst mögliche
Vorlauftemperatur einzustellen. Nur so läßt sich
z. B. bei NT-Kesseln oder Wärmepumpen der Energieeinsatz minimieren.
Um bei einer zentralen Vorlauftemperaturregelung
(witterungsgeführt, handgesteue rt, TestraumMethode) den Einfluß zusätzlicher innerer Wärmequellen in den einzelnen Räumen (außer dem Testraum) berücksichtigen zu können, muß in diesen
Räumen laut Heizungsanlagen-Verordnung eine
115
Regelung über
Außentemperatur-
fühier
Handsteuerung
an.msc er
TECHN. AUSBAU
Steuerung und Regelung
Mischventile
Umschaltventile
The rmostatvent
Reaktionszeit
der Heizanlage
zusätzliche thermostatische Einzelraumregelung
vorgesehen werden. Dies ist bei Heizkörpern im
einfachsten Fall mit Thermostatventilen durchzuführen. Dabei müssen jedoch die Nachteile der
Drosselregelung bezüglich der Regelgüte in Kauf
genommen werden.
Eine thermostatisch gesteuerte Mischregelung in
jedem Raum wäre zwar regelungstechnisch besser, erfordert jedoch anlagenseitig und bei der
konstruktiven Gestaltung des Mischventils einen
erheblichen Mehraufwand, so daß diese Lösung
aus wirtscha ft lichen Gründen bisher nicht realisiert wird.
Eine Einzelraumsteuerung ist dann sinnvoll, wenn
die verschiedenen Räume eines Gebäudes regelmäßig nach einem bestimmten Zeitplan genutzt
werden, wie dies z. B. in Schulen der Fall ist. Von
einer zentralen Leitwarte aus kann dann für jeden
Unterrichtsraum entsprechend dem Stundenplan
ein Zeitprogramm eingestellt werden, nach dem
dieser Raum dann beheizt bzw. die Temperatur
abgesenkt wird.
Drei- und Vier-Wege-Ventile werden entweder zum
Umschalten eines Heizmittelstroms oder zum
Mischen von zwei Heizmittelströmen unterschiedlicher Temperatur eingesetzt.
Mischventile sind zur Vorlauftemperaturregelung
bei ölbeheizten Heizkesseln mit konstanter Kesseltemperatur unbedingt erforderlich. Bei Heizkesseln, die mit gleitender Kesseltemperatur betrieben werden, gleicht ein nachgeschaltetes Mischventil die Temperaturschwankungen im Vorlauf
(aufgrund von Schaltdifferenzen des Kesselthermostaten) aus. Bei bivalenten Wärmeerzeugungssystemen werden Umschaltventile benötigt.
Der Antrieb von Misch- und Umschaltventilen kann
elektromotorisch oder elektromagnetisch erfolgen.
Thermostatventile (bzw. thermostatisch gesteuerte
Heizkörperventile) sind sog. Proportionalregler, die
ohne Hilfsenergie arbeiten. Sie bestehen im
wesentlichen aus einem Temperaturfühler, der zusammen mit dem Sollwerteinsteller und einem
Federmechanismus den eigentlichen Regler bildet,
und dem Ventilkörper. Die Wärmeabgabe des
Heizkörpers wird dadurch an die jeweilige Heizlast
des Raumes angepaßt, in dem bei Abweichungen
Anforderungen an Heizflächen und Heizanlage
der Raumtemperatur vom eingestellten Sollwert
Voraussetzung für eine gute Regelbarkeit der Andie Stellung des Ventilstößels und damit der Heizlage ist, daß das Rohrnetz korrekt ausgelegt und
mittelstrom geändert wird.
auch entsprechend eingebaut ist. Wenn z. B. aufEine Übereinstimmung von Soll- und Istwerttempegrund eines Auslegungsfehlers der eine Heizkörratur tritt bei Proportionalreglern nur für einen beper zuviel und der andere zuwenig vom Heizmittel
durchströmt wird, so kann die beste Regelung die- stimmten Lastfall auf. Ändert sich die Heizlast z. B.
durch Au ft reten von inneren Wärmequellen, so
sen Fehler nicht vollständig beheben.
kann eine Drosselung des Heizmittelstroms nur
Ein weiteres wichtiges Kriterium stellt das Speidadurch erreicht werden, daß sich eine höhere
chervermögen der Heizflächen und der Anlage
Raumtemperatur einstellt. Diese Raumtemperaturdar. Gerade bei der Einzelraumregelung in Verbin- änderung wird als Proportionalabweichung bzw.
dung mit einer Niedertemperaturheizung spielt
bleibende Sollwertabwertung bezeichnet und
dieser Punkt eine wichtige Rolle. Für eine gute
beträgt bei korrekter Auslegung der ThermostatRegelbarkeit der Anlage ist unbedingt eine schnell ventile ca. 1 bis 2 K.
reagierende Heizfläche erforderlich. Nur so kann
Die Regelgüte der Thermostatventile wird im
gewährleistet werden, daß mit dem Drosseln des
wesentlichen
beeinflußt von seinen konstruktiv
Heizmittelstroms auch entsprechend die Wärmeft en, der Art des Einbaues
bedingten
Eigenscha
leistung der Heizfläche zurückgeht. Dies ist besonders dann sehr schwierig, wenn z. B. mit integrier- und dem stationären und dynamischen Verhalten
ten Heizflächen zwangsläufig eine große Speicher- der Heizanlage [2]. Die wichtigsten Eigenscha ft en
des Thermostatventils sowie die Anforderungen
masse verbunden ist. Eine Einzelraumregelung ist
und die dazugehörigen Prüfverfahren sind in
hier wohl am besten dadurch möglich, daß über
die integrierte Heizfläche nur eine gewisse Grund- DIN 3841, Teil 2, festgelegt.
last abgedeckt wird und die restliche Heizlast
durch schnell regelbare Zusatzheizflächen in den
Raum gebracht wird. Auf keinen Faii ist es sinnvoii,
die Einzelraumregelung bei integrierten HeizQuellen:
flächen mit Thermostatventilen durchzuführen.
[1] Verordnung über energiesparende Anforderungen
an heizungstechnische Anlagen und Brauchwasseranlagen (Heizungsanlagen-Verordnung - HeizAnIV -) vom
22. 9. 1978, Bundesgesetzblatt S. 1581, Bonn 1978.
Regler, Stellorgane
[2] Ast, H. und Striebel D.: Energieeinsparung und
Zentralgeräte, die einen Mischer ansteuern, besitRaumtemperaturregelung mit thermostatischen Heizkörzen P- oder PI-Verhalten; letzteres ist vorzuziehen, perventilen. Feuerungstechnik 19,1/81, S.18-25.
da keine bleibende Regelabweichung au ft ritt. Wird
der Brenner eines Kessels oder der Verdichter
einer Wärmepumpe geschaltet, so besitzt der Reg- Kurzbiografie des Autors:
Prof. Dr.-Ing. Heinz Bach ist Leiter der Abteilung Heizungler ein unstetiges Zwei-Punktverhalten (Ein-Aus).
Lüftung-Klimatechnik im Institut für Kernenergetik und
Dient das Zentralgerät der witterungsgeführten
Energiesysteme der Universität Stuttga rt. Er leitet damit
Vorlauftemperaturregelung, so ist der Zusammenzugleich die Prüfstelle Heizung-Lüftung-Klimatechnik,
hang zwischen Führungsgröße und Regelgröße
die im großen Umfang, z. B. Heizkörper, Wärmeaustaueinstellbar (Heizkurve). Außerdem sind die Geräte
scher, Thermostatventile, Heizkostenverteiler oder Heiznoch mit einer Zeitschaltuhr mit Einstellmöglichkessel untersucht. Er hat promovie rt über Wärmeaustaukeiten für Tages- oder Wochenprogramme ausge- scher und sich habilitiert mit einer Arbeit zum Wärmestattet. Hierbei wird entweder die Vorlauftemperaübergang bei freier Konvektion. Hervorgetreten ist er
tur abgesenkt oder die Pumpe oder der Wärmedurch Veröffentlichungen über die an der Prüfstelle unerzeuger abgeschaltet. Meist können die Regler
tersuchten Anlagenelemente, aber auch über Probleme
noch um Zusatzfunktionen, wie z. B. Steuerungsder Abwärmeentstehung, der Wärmerückgewinnung,
einrichtung für bivalente Systeme, erweitert
die Niedertemperaturheizung, den Nutzungsgrad von
Heizanlagen und über Raumluftströmung.
werden.
116
PIIAXISINIIJHMATION
[NERGIEEINSPAHIING
E3n Forschungsvorhaben der Bundesarchltektenkammcv
rttrmhnet:,hrt :.,, a,.tt.,.l. B::ndesm.inisteriums
. r,:,iq und Bauwesen
Verbrauchsabhängige
Wärmekostenabrechnung
Die Wärmekosten müssen nach dem Verbrauch
abgerechnet werden. Dies ist in der Neubaumieten-Verordnung für den öffentlich geförderten
Wohnungsbau und in der Heizkostenverordnunq
für den privaten Wohnungsbau vorgeschrieben.
Drei Geräte zur Erfassung des Wärmeverbrauchs
sind zugelassen:
1. Wärmezähler
2. Heizkostenverteiler mit elektronischer
Meßgrößenerfassung
3. Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip.
Für diese Geräte sind in DIN 4713 und 4714 die
Mindestanforderungen festgelegt. Die technischen
Anforderungen an die Wärmezähler sind durch die
nationalen und internationalen Vorschriften vorgegeben. Elektronische Heizkostenverteiler und
Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip, die nach dem 1. Juli 1981 eingebaut werden,
müssen den Mindestanforderungen der DIN 4713
und DIN 4714 genügen. Der Nachweis dafür muß
durch eine Prüfung an einer neutralen Heizkostenverteiler-Prüfstelle erbracht werden.
Die Geräte werden dann mit dem DIN-Prüfzeichen
gekennzeichnet.
Die Anwendung der erwähnten Erfassungsgeräte
ist jedoch systembedingt eingeschränkt.
Wärmemengen-Messung
Der Einsatz von Wärmezählern ist daran gebunden, daß pro Wohnung eine Ringleitung vorhanden
ist, an die alle Heizkörper angeschlossen sind. Nur
in diesem Fall kann man den gesamten Heizmittelstrom der jeweiligen Wohnung mittels eines Volumenmeßteiles erlassen. Zusätzlich wird mittels
Zweirohr-Heizsystem mit waagerechter
Ve rteilung
TECHNISCHER
AUSBAU .....,..
Bach
Heizkostenmessung,
-verteilung u. -abrechnung
zweier Tauchfühler die Temperatur des Heizmediums beim Eintritt in die Wohnung und beim
Austritt aus der Wohnung erfaßt (Abb. 1). Aus
diesen Meßwerten wird mit einem Rechenwerk die
abgenommene Wärmemenge bestimmt. Die Wärmezähler oder die Anzeigeeinheit des Wärmezählers lassen sich außerhalb der Wohnung
montieren, so daß die Wohnungen nicht vom Ablesepersonal betreten werden müssen.
Wärmezähler sind die einzigen Erfassungsgeräte,''
die für die verbrauchsorientierte Wärmekostenabrechnung zugelassen sind, die in physikalischen Einheiten anzeigen. Sie können im Gegensatz zu Heizkostenverteilern bei allen Heizungsarten eingesetzt werden, sofern die Verteilleitungen
als Ringleitungen ausgeführt sind. Nur bei den
heute fast nicht mehr anzutreffenden Dampfheizungen dürfen Wärmezähler nicht eingesetzt
werden.
Heizkost enverordnung
Wärmeverbrauchsertassung nach
DIN 4713 und 4714
Die Gültigkeit der Eichung bzw. Beglaubigung
beträgt 5 Jahre. Nach dieser Zeit muß eine Oberprüfung des Wärmezählers bei einer von der PTB
(Physikalisch Technische Bundesanstalt) zugelassenen Prüfstelle e rfolgen.
Heizkostenverteilung
Heizkostenverteiler mit elektronischer Meßgrößenerfassung (HKVE) können prinzipiell bei senkrechter (Abb. 2) und bei waagrechter Verteilung
(Abb. 1) eingesetzt werden. Nicht eingesetzt
werden dü rfen HKVE bei Fußbodenheizungen,
Deckenstrahlungsheizungen, Warmlufterzeugern
und klappengesteuerten Heizkörpern. Außerdem
dürfen die elektronischen Heizkostenverteiler, die
die Raumlufttemperatur nicht mit e rfassen, nicht
bei Niedertemperaturheizungen mit Auslegungsvorlauftemperaturen niedriger als 60 °C eingesetzt
werden.
Vorlauf
Rücklauf
Wärmezähler
Zweirohr-Heizsystem mit senkrechter
Verteilung
117
Heizkostenverteiler
mit elektronischer Meßgrößenerfassung
Wärmezähler
TECHN. AUSBAU
Heizkostenmessuna
-verteiiung u. -abrechnun^s
Direkte und indirekte
Meßwerterfassung
HKVE lassen sich unter verschiedenen Gesichtspunkten unte rt eilen [11:
1. Nach der A rt der Anzeige gibt es HKVE mit
zentraler Anzeige und solche mit dezentraler
Anzeige. Bei der zentralen Anzeige werden die
erfaßten Verbrauchswerte, die heizkörperweise
vorliegen, wohnungsweise mittels einer Verkabelung zusammengefaßt und einem zentralen
Zähler zugefüh rt . (Abb. 3).
Bei der dezentralen Anzeige (Abb. 4) werden
die Verbrauchswe rt e direkt am Heizkörper
angezeigt. Hierbei spa rt man sich die Verkabelung, muß jedoch zum Ablesen der Verbrauchswerte die einzelnen Wohnungen betreten
(Abb. 5).
2. Weiterhin kann man die HKVE unterscheiden
nach der A rt der Meßwerterfassung in solche
mit direkter und solche mit indirekter Meß
werterfassung.
man einen Fühler an geeigneter Stelle direkt auf
der Heizkörperoberfläche montie rt . Der O rt auf der
Heizkörperoberfläche, an dem die mittlere Oberflächentemperatur herrscht, wechselt jedoch je
nach Betriebsweise des Heizkörpers. Bei Normheizmittelstrom mißt man die mittlere Oberflächentemperatur in der geometrischen Mitte des Heizkörpers. Drosselt man den Heizmittelstrom, wandert diese Stelle jedoch nach oben. Bei extremer
Drosselung (2-5% des Normheizmittelstroms)
wäre der richtige Meßort bei etwa 65% der Heizkörperbauhöhe und in halber Heizkörperbaulänge.
Da der Temperaturfühler jedoch an einer festen
Stelle des Heizkörpers montier t werden muß, legt
die DIN 4714, Teil 3, eine Fühlermontagehöhe in
50-60% der Bauhöhe des Heizkörpers fest. Man
kann davon ausgehen, daß unter normalen Betriebsbedingungen in diesem Bereich der Verteilfehler minimie rt wird.
Transmissionsfühler
•
°ll
r
Bewertung
Wand
Nachbarwohnung
Bewertung Heizkörper
n
1°
f°ll° f°10 1°
--
Wohnung 1
Ringleitung
O AEG
co
Warmwasser-Impulsgeber
Meßfühler
(Heizkörper)
^
Bewertung
Wand
Nachbarwohnung
I °lfo
Bewertung
Heizkörper
1
Bewertung
Heizkörper
®
Meßelektronik
(Wohnung)
Wohnung 2
• Vergleichsfühler
(Wand)
1
Bewertung
Wand
Nachbarwohnung
Bewertung Heizkörper
n
-
Bewertung
Heizkörper
1
Meßelektronik
(Wohnung)
Wohnung n
_a
1)
Innenwand
^
Meßelektronik
Vergleichsfühler
Die zweite Methode, die mittlere Heizkörpertemperatur zu bestimmen, besteht darin, die Vorlauftemperatur und die Rücklauftemperatur des Heizkörpers zu messen (System Exatron). Hier stellt eich
nicht das Problem der Montagehöhe.
Bei Heizkostenverteilern mit indirekter Meßwerterfassung sind im Augenblick zwei unterschiedliche Systeme bekannt.
1. Systeme, die nur die Raumlufttemperatur in der
Wohnung messen und als Abrechnungsgrundlage heranziehen. Diese Systeme erfüllen nicht
olo I^I
die Forderung der DIN 4713, wonach ein einolole I—I —Zentrale
deutiger Zusammenhang zwischen der Anzeige
Heikozent
3a
eines Heizkostenverteilers und dem Wärmeverbrauch vorhanden sein muß. Dies wird offenDie meisten elektronischen Systeme arbeiten
sichtlich, wenn man zwei Wohnungen innerhalb
nach dem Prinzip der direkten Meßwerterfassung
eines Gebäudes betrachtet, die aufgrund ihrer
(Heikozent, Exatron, Techem, ISTA). Dabei wird
Lage einen stark unterschiedlichen Wärmevon der Beziehung Gebrauch gemacht, daß die
bedarf haben. Bei gleicher Raumtemperatur
Wärmeleistung eines Heizkörpers in erster Linie
würde die Anzeige mit HKVE-Systemen, die nur
von der Temperaturdifferenz zwischen mittlerer
die Raumlufttemperatur berücksichtigen, gleich
Heizkörpertemperatur und der Raumlufttemperatur
sein.
abhängt.
Der Wärmeverbrauch der beiden Wohnungen
Die mittlere Heizkörpertemperatur kann man auf
ist jedoch bei gleicher Raumtemperatur aufzwei verschiedene A rt en e rfassen. Einmal, indem
grund des unterschiedlichen Wärmebedarfs
00
Mittlere Heizkörper
temperaturerfässung
Heizkörperfühler
Transmissionsfühler
Heikozent
118
181 Timi 1 r
Stromversorg
43att.)
t^
TECHN. AUSBAU
^
Heizkostenr . - .._...:
-verteilung c
- - ung
1^:
^
IR
Zeittakt
-o^
Quarz
tu
5.4
Fühler (tv)
LCD-Anzeige
blinkt bei
tL722°C
Steuerung
Fühler (tu)
EXATRON
Fühler im Gerät (tL)
Exatron Heizkostenverteiler
Exatron Heizkostenverteiler
4a
Zentralgerät
N
Thermostatventil
IHeizkörper
OEM '4
Kabel'
Netzanschluß
- Verteilerdose
Fernfühler
1
MIME "
Kabel
außerhalb-
1
innerhalb der Wohnung
ISTA-HKVE zur Montage an Gliederheizkörpern
Blockschaltbild des RCC-Systems
(Werkbild Comap)
nicht gleich. Ebenso würde bei geö ff netem Fenster eine niedrigere Raumtemperatur und damit
eine geringere Anzeige registriert, während der
Wärmeverbrauch stark in die Höhe geht.
Deshalb dürfen diese Systeme nach dem
1. Juli 1981 nicht mehr eingebaut werden.
und jedem einzelnen Thermostatventil hergestellt. Für die verschiedenen Wohnungen einer
Liegenscha ft ist in dem an geeigneter Stelle
aufgestellten Zähler jeweils eine Anzeige. Es ist
deshalb nicht notwendig, zum Ablesen die
Wohnung zu betreten.
2. Systeme, die mit Sollwerten der Regelung arbeiten (Abb. 6). Hier ist im Augenblick nur das
RHV der Firma COMAP bekannt. Bei diesem System wird jeder Heizkörper mit einem Thermostatventil mit Flüssigkeitsfernfühler ausgerüstet.
Im Thermostatventilkopf ist ein Potentiometer
integriert, über welches der eingestellte Raumtemperatur-Sollwert elektronisch abgefragt
wird. Dieser Sollwert muß natürlich von dem
Thermostatventil möglichst genau eingeregelt
werden können. Für die Heizkostenverteilung
wird die am Potentiometer abgefragte Sollwerteinstellung mit der Normwärmeleistung des
Heizkörpers sowie der Außentemperatur bewertet. Über eine zweiadrige Sternverkabelung wird
die Verbindung zwischen dem zentralen Zähler
Von den elektronischen Heizkostenverteilern
verspricht man sich eine deutliche Verbesserung
gegenüber den Heizkostenverteilern nach dem
Verdunstungsprinzip (HKVV). Es läßt sich beispielsweise die .unvermeidbare Anzeige der HKVV,
die während der Sommermonate au ft ritt, die sog.
Kaltverdunstung, bei den elektronischen Heizkostenverteiler-Systemen unterdrücken. Außerdem
ist es möglich, einen linearen Zusammenhang zwischen der Heizkostenverteiler-Anzeige und der
Heizkörperleistung zu erreichen. Dies ist bei den
Verdunstern aufgrund der Verdunstungscharakteristik der Meßflüssigkeit nicht möglich.
6
Weitere Vorteile der elektronischen Systeme sind
in dem erhöhten Auflösungsvermögen der Anzeige
119
handelsüblicher Silikonkleber wieder angeklebt
werden. Man muß also darauf achten, daß die
Heizkostenverteiler mit Schweißbolzen an Plattenheizkörpern befestigt werden, nur dann ist eine
ausreichende Manipulationssicherheit gegeben.
zu sehen, so daß der Wohnungsnutzer sich in
kurzen Zeitabständen einen Überblick über sein
Verbrauchsverhalten verschaffen kann.
nI
TECHN. AUSBAU
Heizkostenmessung.
-verteilung a. -abrechnung
Heizkostenverteiler
nach dem Ver
dunsturlgsprinzep
Die Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungs
prinzip (HKVV) sind die am häufigsten eingesetzten Geräte zur Wärmekostenverteilung.
Etwa 30 Mio. Geräte sind in der Bundesrepublik
Deutschland im Einsatz.
Eing re nzen der Genauigkeit
Unterschiedliche Fehlerdefinitionen, wie sie in der
Praxis angewandt werden, tragen stark zur Verwirrung der Öffentlichkeit bei. Aus diesem Grund soll
hier nur auf die einzelnen Definitionen eingegangen werden.
Frontteil
Ampulle
Ein Meßfehler kann nur bei Meßgeräten auftreten,
die in physikalischen Einheiten messen. Also in
unserem Fall nur bei dem Wärmezähler.
Spann,
stück für
Yvtel3fehler
/
-Skala
Rückenteil
transparente
Abdeckplatte.
Montage an
Glieder', heizkörper
Strahlungsschutz
---Plombe
Heizkostenverteiler nach dem Verdunstungsprinzip
7
Der HKVV wird direkt auf den Heizkörper montie rt.
Über ein metallisches Rückenteil wird Wärme auf
eine Ampulle, die Kontakt mit dem Rückenteil hat,
geleitet. Aus dieser Ampulle verdunstet entsprechend der Wärmeeinwirkung vom Heizkörper eine
Meßflüssigkeit.
Die Abnahme dieser Meßflüssigkeit durch Verdunstung ist ein Maßstab, wieviel Wärme der Heizkörper, auf dem der HKVV montie rt ist, im Vergleich zu
anderen Heizkörpern im Haus abgegeben hat.
Ein in letzter Zeit hochgespieltes Thema bei den
HKVV ist die Montagehöhe am Heizkörper. Es wird
teilweise behauptet, beim Einsatz von Thermostatventilen seien HKVV entweder zur Heizkostenverteilung nicht geeignet oder aber sie müssen sehr
hoch am Heizkörper montie rt werden.
Dieser Ansicht ist zu widersprechen. HKVV, die in
dem von der Norm DIN 4713 angegebenen Montagebereich von 60-80% der Heizkörperbauhöhe
montiert Sind, haken etwa gleich gute Verteil_
genauigkeiten.
Nicht einsetzbar sind HKVV bei Fußbodenheizungen, Deckenstrahlungsheizungen, klappengesteuerten Heizkörpern, Warmlufterzeugern, bei
Heizsystemen, die mit niedrigeren Auslegungsvorlauftemperaturen als 50 °C arbeiten, bei Dampfheizungen und bei Einrohrheizungen, sofern sie
über den Bereich einer Nutzereinheit (Wohnung)
hinaus verwendet werden.
Montagesicherheit
Eine wichtige Voraussetzung für die Vermeidung
von Fehlern ist die Montagesicherheit.
In DIN 4713 lautet die Forderung „die Befestigung
des Gehäuses am Heizkörper muß dauerhaft und
manipulationssicher sein".
Diese Forderung wird von geklebten HKVV, wie
dies bei vielen Firmen bei Plattenheizkörpern aus
Kostengründen üblich ist, nicht erfüllt. Geklebte
Heizkostenverteiler können abgelöst werden und
bevor der Meßdienst zum Ablesen kommt, mittels
120
Ein Meßfehler ist die prozentuale Abweichung des
Istwertes vom Sollwert. Ganz anders dagegen
verhält es sich beim sog. Verteilfehler. Hier ist im
Endeffekt nur entscheidend, ob sich irgend welche
Fehler wieder aufheben. Wird beispielsweise bei
einem bestimmten Betriebsfall 30% zu wenig angezeigt und bei einem anderen Betriebsfall 30% zu
viel, so kann der Verteilfehler 0 sein. Wie man
sieht, hängt bei dieser Definition alles von dem angenommenen statistischen Verbraucherverhalten
ab, ob sich die Abweichungen aufheben oder aufsummieren. Daher sind die Angaben, wie sie von
Stiftung Warentest über die Verteilfehler der einzelnen HKV-Fabrikate gemacht wurden, unter diesem
Aspekt zu betrachten. Zusätzlich ist im Verteilfehler meist noch der Festkostenanteil enthalten,
d. h. ein Verteilfehler von 20% bei 100%iger verbrauchsbezogener Abrechnung halbiert sich auf
10%, sobald 50% Festkostenanteil erhoben
werden.
Nach den Anforderungen der PTB sind nach [2]
folgende Gesamtfehler für Wärmezähler zulässig.
Temperaturdifferenz
At<10°C
10 °C At < 20 °C
20°C At
Gesamtfehler
± 8%
±7%
±5%
Nach vorliegenden Erfahrungen bei der Beglaubigung von Wärmezählern ergibt sich, daß der Gesamtfehler der Geräte enger liegt als die zulässige
Eichfehlergrenze und für 95% der Anwendungsfälle zu ± 3% vom Meßwert der Wärmemenge
abgeschätzt werden kann.
Der Systemfehler der HKVV, der sich aus statistischen Annahmen ermittelt, dür fte realistisch bei
± 15% liegen, wobei sich unter Berücksichtigung
des Festkostenanteils (50%) ein Verteilfehler von
etwa ± 7,5% ergibt.
Für HINE liegen noch zuwenig Erfahrungen vor,
außerdem sind die physikalischen Erfassungsprinzipien zu unterschiedlich, um schon jetzt Aussagen über eine Systemgenauigkeit machen zu
können.
Gerätekosten
Die Kosten für die meßtechnische Ausstattung zur
Erfassung der Heizwärme, jedoch ohne Warmwassererfassung, für eine Dreizimmer-Wohnung mit
fünf Heizkörpern betragen etwa DM 75,- für Verdunstungsgeräte, DM 750,- bis DM 1000,- für
elektronische Heizkostenverteiler mit zentraler Anzeige. Dieser Preis liegt so hoch, da hier eine Verkabelung mit Mauerdurchbrüchen notwendig ist.
Für elektronische Heizkostenverteiler mit dezentraler Anzeige muß man mit etwa DM 350,-rechnen.
Beim Einsatz von Wärmezählern muß man inkl.
Montagekosten mit DM 500,-bis DM 600,- rechnen. Wenn man diese Kosten betrachtet, so
kommt man zu dem Schluß, daß der Einsatz von
Wärmezählern, dem einzigen physikalisch exakten
Verfahren, empfehlenswe rt ist. Beim Neubau ist
dies leicht möglich, wenn sich der Planer von
vornherein über die Wärmeverbrauchserfassung
Gedanken macht und eine waagrechte Rohrver
,leuvorsteht.
die Verbrauchswe rte (Nutzverbrauch) von der Anzahl der zu versorgenden Wohnungen, der Zahl
der Personen, ihren Lebensgewohnheiten und
Komfortansprüchen und der A rt der sanitären Einrichtungen abhängen, ist der zur Deckung dieses
Warmwasserbedarfs e rforderliche Wärmebedarf
zusätzlich auch abhängig von der Anlagengestaltung. Dominierend für den Warmwasserbedarf ist
die Anzahl der Personen und ihre Lebensgewohnheiten. Im Entwurf der VDI 2067 [8] werden die in
folgender Tabelle zusammengestellten Durchschnittswerte angegeben:
Systeme zur Erfassung
des Warmwasserverbrauchs
Bei der Warmwasser-Erfassung sind im Augenblick zwei verschiedene Geräte zugelassen: Warmwasserkostenverteiler und Warmwasserzähler.
Die weit verbreiteten Warmwasserkostenverteiler
sind ebenso wie die Heizkostenverteiler unter die
Meßhilfsverfahren einzuordnen. Im Gegensatz zu
den Heizkostenverteilern gibt es jedoch in der DIN
4713 und der DIN 4714 keine Anforderungen an die
Warmwasserkostenverteiier. Die Mehrheit der
Mitglieder dieser Normenausschüsse hat sich
geweige rt , für dera rtige Geräte Anforderungen aufzustellen. Man ist der Ansicht, daß diese Geräte
ungeeignet sind für die Warmwasserkostenverteilung. Aus diesem Grund ist es nicht empfehlenswert, Warmwasser-Versorgungsanlagen mit diesen
Geräten auszurüsten, da Warmwasserkosten-Ver
teller nicht mehr dem Stand der Technik entsprechen [2] und daher in Zukunft mit juristischen
Schwierigkeiten zu rechnen ist.
niedrig
mittel
hoch
Die andere Methode, den Warmwasserverbrauch
zu erfassen, ist die physikalisch exakte Messung
mittels Warmwasserzählern. Hier entstehen häufig
wieder Probleme mit der Leitungsführung, so daß
nicht mit nur einem Warmwasserzähler der gesamte Wohnungsverbrauch an Warmwasser ermittelt
werden kann. In diesem Fall müssen mehrere
Warmwasserzähler pro Wohnung eingebaut werden oder man muß versuchen, von der Ausnahmegenehmigung der Heizkostenverordnung Gebrauch zu machen. Eine wi rtschaftliche Warmwassererfassung dürfte nämlich beim Einsatz von
mehreren Warmwasserzählern nicht mehr möglich
sein. Auch bei der Warmwasserversorgung empfiehlt sich daher, bei Neubauten oder Sanierungsmaßnahmen auf eine Ringleitung pro Wohnung
überzugehen.
Warmwasserbereitung
Erwärmtes Trinkwasser wird nach DIN 4708 [3] als
Warmwasser bezeichnet. Wegen der stark unterschiedlichen Bedarfswerte ist zwischen Wohnbauten und wohnungsähnlichen Bauten einerseits
und Gewerbe- und Industrieanlagen, Krankenhäusern, Badeanstalten usw. andererseits zu unterscheiden. Angaben über die Bedarfswerte bei
Zweckbauten findet man bei Sander [4], im
Buderus-Handbuch [5] und im RecknagelSprenger [6]. Im folgenden wird nur auf die Versorgung von Wohnbauten eingegangen.
Zur Berechnung der Bedarfswerte bei Wohnbauten geben die DIN 4708 [3] und der Entwu rf der
VDI 2067 Blatt 4 [7] ausführlich Auskunft. Während
BedarfWarmwasserbedarf
lid Pers.
10 bis 20
20 bis 40
40 bis 86
N utzwärmebedarf
kWhid Pers.
514
TECHN. AUSBAU
Heizkostenmessung,
-verteilung u. -abrechnung
Waagerechte Rohrverlegung zur
Wärmeverbrauchserfassung bei der
Planung berücksichtigen
0,6 bis 1,2
1,2 bis 2,4
2,4 bis 5,0
Daraus läßt sich die Größenordnung der Kosten,
die pro Person und Jahr auftreten, abschätzen;
sie betragen etwa DM 120,- im Jahr bei zentraler
Brauchwasserbereitung z. B. mit einem Ölkessel
(Stand 1981).
Bei der Beschreibung von Warmwasserbereitungs
anlagen wird im allgemeinen unterschieden zwischen zentraler und dezentraler Warmwasserberejtung, obwohl die Warmwasserbereiter in beiden
Fällen grundsätzlich gleich und nur in der Größe
unterschiedlich sind. Ein Unterschied besteht
lediglich darin, daß bei zentraler Versorgung ein
Verteilungssystem mit seinen Verlusten zu berücksichtigen ist und unter Umständen ein zentraler
Wärmeerzeuger einschließlich dem zugehörigen
Speicher kleiner sein kann als die Summe der
dezentralen Warmwasserbereiter.
Die im Gebäude vorkommenden WarmwasserBereitungsanlagen können gegliede rt werden in:
O Durchlauf-Wassererwärmer und
O Speicher-Wassererwärmer, die
O direkt oder
O indirekt beheizt sind und
O Kombinationen von Durchlauf- und Speichererwärmern.
fl ^urrhln,
E7ö^1GI •Y(Arl _lI JI IIlI YYa1 ! 1 IGQUAIaUscher, in denen das Wasser beim Durchströmen
direkt durch heiße Rauchgase oder einen Elektroheizkörper [5] oder indirekt durch ein Heizmittel
erwärmt wird.
Durchlauferhitzer, wie diese Geräte auch genannt
werden, besitzen im Vergleich zu Speicher-Wassererwärmern eine größere Leistung des Wärmeerzeugers und werden daher mit Vorliebe do rt eingesetzt, wo ein unregelmäßiger Verbrauch vorliegt,
Vo rteilhaft sind die niedrigen Anschaffungskosten,
der geringe Platzbedarf und ihre Eigenschaft,
schnell frisches, nicht abgestandenes Warmwasser zu liefern. Sie werden aus all diesen Gründen
überwiegend zur dezentralen Versorgung einzelner
Entnahmestellen eingesetzt.
Allgemein haben Speicher-Wassererwärmer im
Vergleich zu Durchlauf-Wassererwärmern den Vorteil, daß sie mit einer kleineren Leistung auskommen und kurzfristig große Warmwassermengen
liefern können. Sie sind daher für die Versorgung
mehrerer Entnahmestellen (Gruppen-Versorgung
oder Zentralversorgung) besonders geeignet.
121
Warmwasserkostenverteiler
Zentrale und
dezentrale Warmwasserbe re itu ng
Warmwasserzähler
rmer
Speicher-Wasser
-erwäm
n4
TECHN. AUSBAU
Heizkostanmessung.
-verteiiung u. -abrechnung
Direkt beheizte
Speicher -Wasser
erwärmer
Indirekt beheizte-.
Speich er-Wassererwärmer
Wärmeaustauscher
Bei direkt beheizten Speicher-Wassererwärmern
gilt im Hinblick auf die Wärmeerzeugung das
gleiche wie bei Durchlauf-Wassererwärmern. Wird
elektrischer Strom zur Beheizung verwendet, besteht die Möglichkeit, die von den Energieversorgungsunternehmen (EVU) für bestimmte Stunden
angebotenen Sondertarife zu nutzen. Weiterhin
können durch den Einsatz kleiner Geräte auch
einzelne Entnahmestellen (dezentral) versorgt
werden. Auf diese Weise lassen sich die Leitungsverluste (zum Aufheizen, für die Ve rt eilung und Zirkulation) vermeiden.
Bei indirekt beheizten Speicher-Wassererwärmer
wird das Wasser über einen Wärmeaustauscher
durch ein Heizmittel erwärmt.
Im einfachsten Fall wird der das zu erwärmende
Trinkwasser enthaltende Speicher in einem vom
Heizmittel durchflossenen Behälter angeordnet
und von außen beheizt. Die Wärme kann aber auch
durch Rohrbündel oder Rohrschlangen, die entweder innerhalb oder außerhalb des Speichers angeordnet sind, zugefüh rt werden. Gegenüber der
Doppelmantelausführung besteht hier der Vo rt eil,
die Heizfläche genügend groß zu gestalten. Weiterhin bietet die externe Anordnung des Wärmeaustauschers den Vo rt eil, das Warmwasser geschichtet zu speichern (längere Laufzeiten bei der
Wassererwärmung, kleinere Stillstandsverluste).
Abgesehen von der Gestaltungsvielfalt bei den
Wärmeaustauschern besteht bei den indirekt beheizten Speicher-Wassererwärmern auch der Vorteil, daß zur Erwärmung des Heizmittels alle für die
Raumheizung gebräuchlichen Wärmeerzeuger in
Frage kommen: Alle Kessel (Kohle, Holz, 01, Gas,
Strom), Wärmepumpen, Fernwärme, Solarkollektoren und Kombinationen der genannten Wärmeerzeuger.
Als Vo rt eil gegenüber Durchlauf-Wassererwärmern
und direkt beheizten Speicher-Wassererwärmern
ist auch anzuführen, daß die Temperatur der Wärmeaustauschflächen unter 60 °C gehalten werden
können, so daß eine Kesseisteinablagerung weitgehend vermieden wird.
Indirekt beheizte Speicher-Wassererwärmer werden ausschließlich für eine Zentralversorgung eingesetzt. Die Größe des Speichervolumens ist abhängig von der Anzahl der zugeordneten Entnahmestellen und den Nutzeransprüchen, bei Blockausführung (Warmwasser-Speicher und Wärmeerzeuger als Einheit) zusätzlich auch von der
Nennleistung des Wärmeerzeugers. Der Speicher
kann kleiner ausgefüh rt werden, wenn der Wärmeaustauscher außerhalb angeordnet und eine
Schichtung des Warmwassers gewährleistet ist.
Auch die Größe des Wärmeaustauschers richtet
sich im wesentlichen nach der Anzahl der Entnahmestellen und den Komfortansprüchen der Nutzer.
Eine zusätzliche Vergrößerung des Wärmeaustauschers bietet die Möglichkeit, dem SpeicherWassererwärmer in einem gewissen Umfang
Eigenscha ft en des Durchlauf-Wassererwärmers zu
verleihen.
Bei den heutigen Dämmvorschriften kann bei zentraler Warmwasserversorgung in Ein- oder Zweifamilienhäusern auf die früher übliche Zirkulationsleitung verzichtet werden. Ist nicht zu vermeiden,
Entnahmestellen weiter als etwa 10 m von der
Wärmeerzeugung anzuordnen, sollten hie rf ür
kleine (dezentrale) Wassererwärmer vorgesehen
werden. In Mehrfamilienhäusern läßt sich die
Zirkulationsleitung nicht vermeiden; hier ist auf
122
eine besonders gute Wärmedämmung zu achten
und eine nutzzeitabhängig geschaltete Umwälzung
vorzusehen. Unter diesen Voraussetzungen ist es,
wie bereits erwähnt, derzeit am günstigsten, das
Brauchwasser zentral in Verbindung mit einem
Heizkessel zu erwärmen. Das gilt besonders dann,
wenn die zuvor beschriebenen modernen Kessel
verwendet werden. Eine einfache Rechnung verdeutlicht dies:
Geht man, wie vorn dargelegt, bei einem mittleren
Beda rf einer Person pro Tag von 2,4 kWh Nutzwärme aus, also 72 kWh im Monat, so ist der
monatliche Energieverbrauch bei einem modernen
Kessel mit einem Nutzungsgrad von etwa 90%
während der Heizzeit ca. 80 kWh und in der Sommerzeit (Nutzungsgrad ca. 50%) 144 kWh (j eweils
pro Person).
Rechnet man die Kilowattstunde ÖI mit DM -,70,
so kostet die Warmwasserbereitung pro Person
und Monat im Sommer etwa DM 10,- und im Winter DM 5,60 (Gesamtkosten im Jahr ca. DM 80,-).
Zu beachten ist, daß Einsparungen nur während
der etwa drei Sommermonate denkbar sind und
lediglich Bruchteile der genannten Kosten
während dieser Zeit betragen können. Wird z. B.
mit einer monatlichen Einsparung in dieser Zeit
von etwa DM 5,- gerechnet, so dürfen die Investitionen hierzu (ebenfalls personenbezogen) nicht
mehr als DM 150,- betragen [10].
Quellen:
[1] Geottling, D. und Kuppler F.: Heizkostenverteilung Technische Grundlagen und praktische Anwendung. C.
F. Müller Verlag, Karlsruhe, 1981.
[2] Verbrauchsabhängige Wärmekostenabrechnung.
Kommentar zur Heizkostenverordnung und DIN-Normen
Teil 4, Beuth-Verlag 1981.
[3] Schulz, H.: Was sind Warmwasserkostenverteiler?
Wärmetechnik 5,1981, S. 274/276.
[4] DIN 4708: Teil 1 bis 3: Zentrale Wassererwärmungsanlagen, Ausgabe Oktober 1979.
[5] Sander, H.: Warmwasserbereitungsanlagen für
Wohn- und Zweckbauten, 2. Auflage 1963, Verlag
Hänchen und Jäh, Berlin.
[6] Buderus-Handbuch, 32. Ausgabe 1975, VDI-Verlag
Düsseldorf.
[7] Sprenger, E. (Hrsg.): Recknagel-Sprenger,
Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, 61. Ausgabe
1981, Verlag R. Oldenbourg, München/Wien.
[8] VDI 2067, Blatt 4: Warmwasserversorgung,
Ausgabe September1979.
[9] RWE Bau-Handbuch, Technischer Ausbau,
1981/82, Energie-Verlag Heidelberg.
[10] Dittrich, A.: Wi rtschaftlichkeit von Sommerbrauchwasser-Anlagen mit Sonnenenergie. HLH 23 (1977) Nr. 4.
Kurzbiografie des Autors:
Prof. Dr.-Ing. Heinz Bach ist Leiter der Abteilung Heizung
- Lüftung - Klimatechnik im Institut für Kernenergetik
und Energiesysteme der Universität Stuttga rt. Er leitet
damit zugleich die Prüfstelle Heizung - Lüftung - Klimatechnik, die im großen Umfang z. B. Heizkörper, Wärmeaustauscher, Thermostatventile, Heizkostenverteiler
oder Heizkessel untersucht. Er hat promovie rt über Wärmeaustauscher und sich habilitie rt mit einer Arbeit zum
Wärmeübergang bei freier Konvektion. Hervorgetreten ist
er durch Veröffentlichungen über die an der Prüfstelle
untersuchten Anlagenelemente, aber auch über Probleme der Abwärmeentstehung, der Wärmerückgewinnung,
die Niedertemperaturheizung, den Nutzungsgrad von
Heizanlagen und über Raumluftströmung.