Energetisches Bauen - Energiewirtschaftliche
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Bauforschung Energetisches Bauen Energiewirtschaftliche Aspekte zur Planung und Gestaltung von Wohngebäuden F 1833 Fraunhofer IRB Verlag F 1833 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 werden hier unverändert wiedergegeben, sie geben nicht unbedingt die Meinung des Zuwendungsgebers oder des Herausgebers wieder. Dieser Forschungsbericht wurde mit modernsten Hochleistungskopierern auf Einzelanfrage hergestellt. Die Originalmanuskripte wurden reprotechnisch, jedoch nicht inhaltlich überarbeitet. Die Druckqualität hängt von der reprotechnischen Eignung des Originalmanuskriptes ab, das uns vom Autor bzw. von der Forschungsstelle zur Verfügung gestellt wurde. © by Fraunhofer IRB Verlag Vervielfältigung, auch auszugsweise, nur mit ausdrücklicher Zustimmung des Verlages. Fraunhofer IRB Verlag Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau Postfach 80 04 69 70504 Stuttgart Nobelstraße 12 70569 Stuttgart Telefon (07 11) 9 70 - 25 00 Telefax (07 11) 9 70 - 25 08 E-Mail [email protected] www.baufachinformation.de INSTITUT FÜR BAUFORSCHUNG E.V., HANNOVER ENERGETISCHES BAUEN -ENERGIEWIRTSCHAFTLICHE ASPEKTE ZUR PLANUNG UND GESTALTUNG VON WOHNGEBÄUDEN E- pGOi! /%-2 .2 F 606 d.2 . G 4_82 Energetisches Bauen Energiewirtschaftliche Aspekte zur Planung und Gestaltung von Wohngebäuden Auftraggeber: Bundesministerium für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau, Bonn Bearbeiter: Askan Blum Michael Trykowski Ewald Wente Wilfried Zapke F 606 April 1982 Inhaltsverzeichnis Seite 1 2 Problemformulierung und Untersuchungsansatz Grundlagen 2.1 1 6 Energie 2.1.1 Ener g ie und Arbeit 2.1.2 Energiedefinitionen 2.2 Sonnenenergiedargebot 10 2.2.1 Sonnenstrahlung 10 2.2.2 Orientierung der Flächen zur Gewinnung der Sonnenenergie 2.3 Wärmeschutz 15 6 6 8 19 2.3.1 Wärmeschutz im Winter 19 2.3.2 Wärmeschutz im Sommer - passive Solarenergienutzun425 2.4 Wärmebedarf 31 3 Energieverbrauch und Energieverwendung 36 3.1 Die privaten Haushalte als Energieverbraucher 36 3.2 Einflüsse auf den Energieverbrauch von Gebäuden 38 3.2.1 Energieverbrauch für Herstellung, Erhaltung und Abbruch 3.2.2 Energieverbrauch bei der Nutzung 4 Nutzung der Sonnenenergie 4.1 Aktive Solarsysteme 4.2 Passive Solarsysteme 40. 48 56 56 Wärmespeichersysteme 62 68 Planerische und konstruktive MaBnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Wärmegewinne 73 5.1 Umweltbedingungen 73 5.2 Gebäudegeometrie 5.3 Zonierung des Gebäudes 81 87 5.4 Wärmedämmung der Gebäudehülle unter Berücksichtigung der Wärmegewinne 91 Begrenzung der Lüftungswärmeverluste 103 5 5.5 Seite 6 Maßnahmenkatalog energetisches Bauen 7 Beispiele für energetisches Bauen 108 113 7.1 Haus mit minimalem Wärmebedarf in Skive, Solhaven 10 114 Haus mit Wärmepumpe, Solarkellektoren und vorgelagertem Glashaus in Skive, Solhaven 8 117 7.2 7.3 Haus mit aktiver und passiver Solarenergienutzung in Skive, Solhaven 12 120 129 7,4 KP1hRligh House in Princeton, T.J7A 7.5 7.6 Grüne Solararchitektur der Gruppe LOG ID 125 Wohnhaus in Regensburg mit passiver Solarnutzung 128 7.7 7.8 Energiesparhaus Grünstadt 131 Energiesparhaus Bernkastel-Kues 135 7.9 Energiesparhaus Neuwied 138 7.10 Freistehendes Einfamilienhaus (Wettbewerb "Melkerei Landstuhl") 7.11 141 Eingegrabenes Einfamilienhaus (Wettbewerb "Melkerei Landstuhl") 144 7.12 Energiesparhaus Kassel 147 7.13 Energiesparhaus Berlin 151 7.14 Energiesparhaus Berlin 154 7.15 Energiesparhaus Berlin 7.16 Energiesparhaus Berlin 157 160 Problemformulierung und Untersuchungsansatz Die explosionsartige Entwicklung der Preise für Rohöl im Laufe der letzten Jahre und die daraus resultierenden Preissteigerungen auch für die anderen Energieträger hat Energie zu einem besonders kostbaren Wirtschaftsgut werden lassen. Es ist deutlich geworden, daß Energie in allen Lebens- und Produktionsbereichen äußerst sparsam verwendet und optimal ausgenutzt werden muß. Sparsamer und rationeller Energieeinsatz sowie die Nutzung alternativer Technologien ist eine der großen Zukunftsaufgaben, insbesondere vor dem Hintergrund der begrenzten Brennstoffvorräte und der aus ihrer Verbrennung resultierenden Umweltbelastungen. Ungefähr die Hälfte des bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe freigesetzten CO, verbleibt in der Atmosphäre, während die andere Hälfte von Pflanzen und Meerwasser aufgenommen oder auf andere Weise aus der Atmosphäre abgezogen wird. Der Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit /1/, in dem erstmals die verschiedenen korrelierenden Einflüsse in globalem Rahmen betrachtet wurden, hat zwar inzwischen starke Korrekturen erfahren und wurde durch neue Prognosen ergänzt, in seiner Grundproblematik jedoch hat er keineswegs an Aussagekraft verloren und soll deshalb zur Verdeutlichung der Probleme in unmittelbarem Zusammenhang mit der Energiekrise herangezogen werden. Das vom Club of Rome entwickelte Weltmodell macht es möglich, die Auswirkungen 'verschiedener Einflußgrößen im globalen Rahmen mittels Computersimulation zu bestimmen. 2 CC C CO CO co dB 0Bevölkerung---'71 CO Umweltverschmutzung ‘71 Abb. 1: Standardlauf des Weltmodells/1/ Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse von Berechnungen unter der Voraussetzung, daß keine größeren Veränderungen physikalischer, wirtschaftlicher und sozialer Zustände eintreten, auf der Basis der historischen Entwicklung von 1900 bis 1970. Nahrungsmittelerzeugung, Industrieproduktion und Bevölkerungszahl werden weiter exponentiell steigen, bis der akute Mangel an Rohstoffen zum Zusammenbruch des industriellen Wachstum führt. Da aber zeitliche Verzögerungsfaktoren wirken, steigen Bevölkerungszahl und Umweltverschmutzung'dennoch. einige Zeit weiter an. Schlechtere Nahrungsmittelversorgung und der Ausfall medizinischer Fürsorge schließlich führen zu einer steigenden Sterberate und zu einem Stop des Bevölkerungswachstums. Die amerikanische Studie "Global 2000, Bericht an den Präsidenten" /2/ bestätigt die Thesen des Club of Rome in der Grundtendenz und weist u.a. ausdrücklich auf den Zusammenhang zwischen dem Bedarf an fossilen Brennstoffen, dem CO 2 -Gehalt in der Atmosphareund daraus resultierende tiefgreifende Klimaveränderungen hin. Damit wird deutlich, daß nicht nur der steigende Energiebedarf und seine Deckung ein Problem darstellen, sondern auch eine unmittelbar folgende Umweltverschmutzung. 1200 (4-fache vorindustrielle Konzentration) 1 1 0 0 Voliständige Ersetzung von Ti durch synthetische Brennstoffe, von Gas durch Kohle; Zuwachsrate far beide: 4.3 % pro Jahr; in der Atmosphäre verbleibender Anteil: 55 %. - Kohlendioxydkonrentration in der Atmosphäre ppmv (Teile pro Million Volumen) 1000 --- 900 (3-fache vorindustrielle Konzentration) 800 Mengen und Anteile der fossilen Brennstoffe wie bisher (keine synthetischen Brennstoffe); Zuwachsrate: 4.3 % pro Jahr; in der Atmusphäre verbleibender Anteil: 55 %. 700 I 600 (2-fache vorindustrielle Konzentration) 500 400 — -__ Vollständige Ersetzung der Kohle durch Erdgas; 01 wird zur Hälfte durch Erdgas ersetzt (keine synthetischen Brennstoffe); Zuwachsrate Air Erdgas und Ill: 4.34 ore f, ein Zuwachs bei fossilen Brennstoffen nach 1985. ,0 Jahr; in der Atmosphäre verbleibender Anteil: 55 %. Neltenergieszenario des Dept. of Energy (NEP 2); in der Atmosphäre verbleibender Anteil: 55 Z. 300 (vorindustr)elle Konzentration) 200 100 - Heute Geschätzt 0 1900 1 1925 Prognostiziert Beobachte - 1950 1 1 1 1 1975 2000 2025 2050 Jahr Abb. 2: Kohlendioxydkonzentration in der Atmosphäre nach verschiedenen Energieszenarien. Bei verstärkter Kohleveredelung zu synthetischen Brennstoffen steigt der CO,Gehalt zusätzlich an /2/ Mittel- und langfristig gesehen müssen also gezielt Anstrengungen unternommen werden, nicht einen Brennstoff durch einen anderen zu ersetzen, sondern - wo auch immer möglich - die natürlichen Energiequellen zu nutzen (Abb. 3). Anstatt Brennstoffe für - 4 die Energieerzeugung einzusetzen, sollten diese besser als Rohstoffe für Industrieprodukte Verwendung finden. Energiequellen Energieträger Geothermische Energie Erdkern Erdkruste Grundwasser krftrkpnccpr nwa Solarenergie __---------- Biomasse Sonnenstrahlung Umgebungsluft Erdrotation Wind Wellen Gravitation Gezeiten Abb. 3: Natürliche Energiequellen Übertragen auf die Bemühungen zur Energieeinsparung bei der Planung und Ausführung von Hochbauten,ergibt sich danach neben den beiden in diesem Zusammenhang am meisten diskutierten Aspekten "energiesparender Wärmeschutz" und "Optimierung von Heizungsanlagen" ein breites Feld für energiesparende Konzeptionen. Hierzu gehört die Nutzung moderner Technologien unter Verwendung von Energie aus der Umwelt ( Sonne, Wasser, Wind) ebenso wie die Planung und Gestaltung von Gebäuden unter dem Gesichtspunkt der sparsamen Energieverwendung, vor allem der passiven Sonnenenergienutzung_ Auch die Inteatation in die Umgebuna mit dem Ziel, den Energieverbrauch während der Nutzungsdauer zu senken, z.B. windgeschützte Lagen, ist eines dieser Kriterien.- . Im Sinne einer Gesamtwirtschaftlichkeit des Entwurfes sind bezogen auf die Lebensdauer von Gebäuden-auch die Möglichkeiten zur-Einsparung von Energie beim Bau sowie beim Abbruch in die Überlegungen einzubeziehen. ENERGIEEINSPARUNG INDIREKT DIREKT ENERGIE FOR WARMWASSERBEREITUNG HEIZUNGSENERGIE BAUPLANERISCHE MASSNAHHEN BAUTECPNISCHE MASSNAHMEN ANLAGEN- UND REGF,UNGSTECHNISCHE HASSNAHMEN NUTTERABHÄNGIGE MASSNAHMEN ANWENDUNG DER SONNENENERGIE ANLAGEN- UND ÄLGELUNGSTECHNISCHE NUTZERABHANGIGE HASSNAHMEN HASSNAHMEN HERSTELLUNGSENERGIE ANWENDUNG EINSPARUNG DER SONNENENERGIE SUBSTITUTION ENERGIE- BAUSTOFFEN AUFWENDIGER BAUSTOFFE RECYCLING VON BAUSTOFFEN VERLÄNGERUNG DER LEBENSDAUER VON GEBAUDEN Abb. 4: Energieeinsparungsbereiche /5/ "Energetisches Bauen" hat also zum Ziel, generell den Primärenergieeinsatz unter Beachtung von Wirtschaftlichkeitsgesichtspunkten zu minimieren. Dabei ergeben sich bei Abwägung der Energieverluste und -gewinne unter Berücksichtiaung des thermischen Verhaltens der Gebäude Gebäudeformen und Konstruktionen, die nicht allein die kompakte Hausform mit möglichst kleinen Fenstern als die energiesparendste Lösung erscheinen lassen. Im übrigen sind bei Beschränkung auf die passiven Möglichkeiten zur Nutzung der Umweltenergie komplizierte technische Geräte und Einrichtungen weitgehend überflüssig, was jedoch den Vorteil hat, daß die Technik nur in den Bereichen ein gesetzt wird, wo ihr zum Erhalt eines bestimmten Komfortstandards vom Menschen einentscheidendes ökonomisches Gewicht beigemessen wird. Nicht zuletzt sind hierbei auch Probleme der Eingliederung (besser: Wiedereingliederung) des Bauens und der Nutzung von Bauwerken in ökologisch-natürliche Kreisläufe zu beachten. 6 2 Grundlagen 2.1 Energie 2.1.1 Energie und Arbeit Der Begriff "Energie" wird in den unterschiedlichsten Zusammenhängen verwendet, z.B. in Verbindung mit körperlicher oder geistiger Tätigkeit, im Zusammenhang mit der Nahrung, der Heizung oder der Sonne. Man erkennt Energie an ihren Wirkungen (Wärme, Schall, Bewegung, Licht, Elektrizität) und spricht demgemäß von Wärmeenergie, Schallenergie, Bewegungsenergie, Strahlungsenergie, elektrischer Energie. Energie im physikalischen Sinne ist gespeicherte Arbeit. Sie wird daher wie die Arbeit berechnet und hat die gleichen Maßeinheiten. Als Wärmeenergie oder besser Wärme bzw. Wärmemenge ist sie mit der Einheit "Wattsekunde" (Ws) behaftet. Unter Leistung versteht man den Quotienten aus verrichteter Arbeit und der dazu benötigten Zeit: Leistung - Arbeit Zeit Fol glich 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, z.B. in einer Sekunde, flieSt. 2.1.2 Energiebilanz Energiebilanzen sind zwar noch nicht allgemein üblich, haben aber in der Vergangenheit bei der haustechnischen Planung häufig ihre Nützlichkeit unter Beweis gestellt und werden künftig bei Entwurf, Planung und Ausführung von Wohngebäuden unter dem Aspekt sparsamer und rationeller Energieverwendung einen festen Platz einnehmen. Bilanzelemente während der Nutzungsphase sind auf der einen Seite die eingesetzten Energien wie Brennstoffe für Heizung und Warmwasserbereituna, elektrischer Strom für Beleuchtung und Geräte, die Sonnenwärme sowie die Wärmeabgabe der Bewohner und auf der anderen Seite die Umwand3 -LU.11 , 0 LL0 L11 1 VV. CA 1 mV La 0 0 L L '4-, -1- t..t_titsj Transmissionswärmeverluste, die Lüftunaswärmeverluste und zum geringen Teil Wärmeverluste über Abwasser. Inwieweit Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung, Beleuchtung u.ä. zur Verringerung des Wärmeverbrauches beitragen, hängt wesentlich von der Speicherfähigkeit vor allem der Innenbauteile ab. elektrischer Strom far Beleuchtung und Geräte Laftungswärmeverluste durch Fenster und Türen Wärmeabgabe der Bewohner Wärmeleitung durch Außenflächen Brennstoff für Heizung und Warmwasser Abb. 5: Qualitative Energiebilanz eines Einfamilienhauses /6/ Beschränkt man den Bilanzierungszeitraum nicht nur auf die Nutzungsphase, so sind sämtliche Energieverbräuche, auch für Herstellung und Abbruch, als die Energiebilanz belastende Elemente mit in die Betrachtung einzubeziehen. Inwieweit ein solch umfassender Ansatz sinnvoll ist, hängt nicht zuletzt von der Größenordnung der Energieverbräuche während der einzelnen Phasen - Herstellung, Nutzung und Abbruch - ab. - 8 - 2.1.2 Energie-Definitionen /7/ Vorbemerkung Die in der Ö ffentlichkeit und in der Fachwelt weiter zunehmende Diskussion über Fragen der Energieversorgung und rationellen Energieverwendung ist häufig durch unklare Begriffsbestimmungen geprägt. Energiefachleute, Verbände und die Weltenergiekonferenz sind bemüht, eine vereinheitlichte Nomenklatur zu schaffen. Der nachstehende Auszug wichtiger Definitionen stützt sich auf Vorschläge einer Arbeitsgruppe der Weltenergiekonferenz, des VDI-Ausschusses „Terminologie in der Energietechnik" sowie Ergänzungen des Lehrstuhles für Energiewirtschaft und Kraftwerkstechnik der TU München. Es handelt sich demzufolge noch um Vorschläge, die allerdings einen wichtigen Beitrag zu einer einheitlichen Nomenklatur darstellen können. 1 Physikalische Grundlagen und technische Begriffe: Energie: Fähigkeiten eines Systems, äußere Wirkungen hervorzubringen. Exergie: Derjenige Teil der Energie, der sich in jede andere Energieform umwandeln läßt. Der Exergieanteil eines Energiestromes nimmt bei allen Umwandlungsvorgängen ab (bleibt theoretisch höchstens konstant); es entstehen äußere Energieverluste (Wärme) und innere Exergie-Verluste (Umwandlung von Exergie in Anergie). Anergie: Nicht in eine andere Energieform umwandelbarer Teil der Energie (z.B. Wärme bei Umgebungstemperatur). Erscheinungsformen der Energie: - Mechanische Energie (potentielle und kinetische); Thermische Energie; Chemische Bindungsenergie; Physikalische Bindungsenergie; Elektrische Energie; Elektromagnetische Strahlung. Primärenergie (Rohenergie): Energieinhalt von Energieträgern, die noch keiner Umwandlung unterworfen wurden. Sekundärenergie: Energieinhalt von Energieträgern, die aus der Umwandlung von Primärenergieträgern oder aus anderen Sekundärenergieträgern gewonnen wurden. Bezugsenergie: Energieinhalt aller Energieträger, die der Energieendverbraucher bezieht. Endenergie: Bezugsenergie vermindert um die Umwandlungsverluste und den Eigenbedarf bei der Strom- oder Gaseigenerzeugung hei Endverbra ucher. Nutzenergie: Energie, die beim Verbraucher nach der letzten Umwandlung fin- den jeweiligen Zweck zur Verfligung steht. Technische Form der Energie, welche der Verbraucher fin- den jeweiligen Zweck benötigt, also z.B. Wärme, mechanische Energie, Licht, Nutzelektrizität (z.B. fur Galvanik und Elektrolyse) und elektromagnetische Strahlung. Energieumwandlung (Energieumformung): Änderung der chemischen und/oder physikalischen Form von Energieträgern; sie schließt auch die Energieumwandlung in Nutzenergie mit ein. Wirkungsgrad: Verhältnis von Nutzen zu Aufwand, d.h. Quotient aus der nutzbaren abgegebenen Leistung und der zugeführten Leistung. Der Wirkungsgrad kann als energetischer oder exergetischer Wirkungsgrad bestimmt werden. Der Wirkungsgrad gilt nur für einen bestimmten stationären Betriebszustand. Nutzungsgrad: Quotient aus der von einer oder einer Gruppe von Maschinen oder Anlagen abgegebenen nutzbaren Energie in einem bestimmten Zeitraum und der gesamten zugeführten Energie im gleichen Zeitraum. Die betrachteten Zeiträume können Pausen-, Leerlauf-, Anfahr- und Abfahrzeiten mit einschließen. Energieverluste: Der aus einem System austretende, nicht im Sinne des Prozesses genutzte Teil der zugeführten Energie. Sie treten bei Gewinnung, Umwandlung, Transport, Verteilung und Anwendung auf. Sie sind zum Teil naturgesetzlich bedingt unvermeidbar, zum anderen Teil durch technische Mittel und/oder persönliches Verhalten vermeidbar. Energieverluste sind immer auch äußere Exergieverluste; zu diesen treten innere Exergieverluste, die keine Energieverluste sind. 2 Brennstoffe: Fossile und rezente Brennstoffe: Stoffe, aus denen chemisch gebundene Energie freigesetzt werden kann. Fossile Brennstoffe: Kohle, Torf, Holz und brennbare feste Abfälle. Flüssige Brennstoffe: Mineralöl und seine Produkte, flüssige brennbare Abfälle. Gasförmige Brennstoffe: Naturgase und produzierte Gase einschließlich der Biogase. Kernbrennstoffe: Stoffe, aus denen physikalisch gebundene Energie freigesetzt werden kann. BAUPHYSIK I/1979 3 Natürliche physikalische Erscheinungsformen der Energie: Sonnenenergie: Alle Formen regenerativer Energie, die direkt von der Sonne stammen. Direkte Sonnenenergie: Energie der Sonnenstrahlung. Windenergie: Energie von natürlichen Luftbewegungen relativ zur Erdoberfläche. Wasserkraft: Kinetische und potentielle Energie von Fließund Speichergewässern. Wasserwärme: Die in oberflächennahen Schichten großer Gewässer gespeicherte Sonnenenergie. Erdreichwärme: Die in oberflächennahen Schichten enthaltene thermische Energie. Geothermische Energie: Die im Erdinnern enthaltene thermische Energie. Gezeitenenergie: Unterschied der potentiellen Energie des Meerwassers zwischen Ebbe und Flut. Spezifischer Energieverbrauch: Auf eine geeignete Bezugsgröße (z.B. Stückzahl, Menge, Fläche, Wert) des Zielprozesses bezogener Energieverbrauch. Energieeinsparung: Umfaßt alle Maßnahmen zur Verminderung des Energieverbrauchs. Rationelle Energieverwendung: Zweckmäßigster Energieeinsatz zur Verwirklichung i rts ch a ftch f : Vh'^-^.n^, ü und ^^u Beried alw^l4wwirtschaftlicher L l.0 l+e 1 Zwecke lJl.11a1l 114111,111j., WII gung individueller Bedürfnisse ohne Einbuße an Produktivität oder Komfort . Substitution von Energieträgern: Ersatz eines oder mehrerer Energieträger durch einen oder mehrere andere bei einem bestirnten Bedarfsdeckungsprozeß aus technischen, wirtschaftlichen und/oder politischen Gründen. 5 Begriffe für die Umweltenergie- und Abwärmenutzung Zugeführte Energie: Ist die Gesamtheit der in ein System eintretenden Energie. Um wärme: Ist jeglicher innerhalb des betrachteten Systems rückgeführter Wärmestrom. Abwärme: 4 Energie- (Exergie-) Bilanzen und Energiehaushalt: Energie- (Exergie-) Bilanzen für technische Systeme: Gegenüberstellung der in ein System eintretenden bzw. austretenden Energie- (Exergie-) Ströme. Energie- (Exergie-) Bilanzen für Wirtschaftsräume: Statistischer Nachweis von Aufkommen und Verwendung von Energieträgern innerhalb eines bestimmten Wirtschaftsraumes für eine bestimmte Zeitspanne unter Berücksichtigung der bei der Gewinnung, beim Umwandeln, Umformen und Fortleiten auftretenden Verluste einschließlich des nicht energetischen Verbrauchs von Energieträgern. Energiebedarf:: Die zur Erfüllung eines bestimmten Zweckes unter Einsatz einer bestimmten Technologie benötigten Mengen an Energie in der jeweils erforderlichen Form. Energiebedarf löst eine Nachfra g e nach Energie aus. Energieverbrauch: Die für die Deckung von Energiebedarf verbrauchte Menge an Energie in der jeweils eingesetzten Form. Er ist für Zeiträume oder auch für Vorgänge angebbar. BAUPHYSIh 11 1474 Umfaßt alle das System verlassenden fühlbaren und latenten Wärmeströme einschließlich der Verluste. Fortwärme: Enthält alle an die Umgebung freigesetzten fühlbaren und latenten Wärmemengen aus anthrppogenen Prozessen, die mit Energieumsatz verbunden sind. Umweltenergie: • Umfaßt neben der Umweltwärme auch alle anderen Formen ständig verfügbarer Energien aus natürlichen Quellen (z.B. mechanische Energie, Strahlungsenergie,usw)_ Abwärmenutzung: Läßt sich im Prinzip nach drei A rt en unterscheiden: a) Wärmerückgewinnung ohne gezielte Zufuhr von Exergie, b) Aufwertung von Abwärme niederer Temperatur in nutzbare Rückwärme durch gezielte Zufuhr von Exergie, c) Wandlung von Abwärme niederer Temperatur in Heizwärme durch Änderung des Zielprozesses. Herbert Ehm - 10 2.2 Sonnenenergiedargebot 2.2.1 Sonnenstrahlung Die Sonne ist Hauptenergiequelle der Erde. Die von ihr ausgesandte Strahlung erwärmt Atmosphäre und Erdoberfläche, läßt Wasser zu Dampf verdunsten (Wolkenbildung) und verursacht Luftbewegungen (Wind, Sturm). Die auf die Erdatmosphäre auftreffende Sonnenstrahlung weist eine gleichbleibende Intensität von 1.353 W/m2 auf. Beim Durchgang durch die Schichten der Atmosphäre wird sie teilweise reflektiert und absorbiert, so daß im Mittel nur etwa 66% der Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche auftreffen. 11 as_ 1 35 kW/ Atmosphäre Verluste durch Reflexion, Streuung und Absorption direkte Strahlung diffuse Strahlung Bei wolkenlosem Himmel treffen ca. 1.000 W/m2 auf die Erde Abb. 6: Weg der Sonnenstrahlung von außerhalb der Atmosphäre auf die Erdoberfläche /8/ - 12 Ein Teil der Strahlung erreicht die Erdoberfläche ohne Streuung und Absorption und wird daher als direkte Strahlung bezeichnet. Die direkte Strahlung schwankt sowohl im Laufe des Tages wie auch des Jahres. Sie erreicht ihren Höhepunkt mittags und im Jahresverlauf in den Monaten April bis September. Ihre Intensität ist von der Reflexion an den einzelnen Schichten je nach Einfallswinkel, der Lange des Weges durch die Atmosphäre und dem Trübungsfaktor abhängig. Die maximalen Werte der direkten Strahlung liegen in unseren Breiten bei 900 W/m2. Der Strahlungsanteil, der von den Molekülen der Luft, Aerosolpartikeln, Wolken u.ä. abgelenkt wird, heißt diffuse (indirekte) Strahlung. Die Streuung kann in unterschiedliche, vorher nicht bestimmbare Richtung erfolgen, so daß die diffuse Strahlung aus allen Richtungen des Raumes kommt. Auch bei bedecktem Himmel gibt die diffuse Strahlung im Winter noch eine Leistung von ca. 50 bis 100 Wm' ab. Das Verhältnis der beiden Strahlungsanteile hängt von Einflußgrößen wie der geografischen-Lage, der Jahreszeit, der Tageszeit und den meteorologischen Bedingungen ab. Während im Norden der Bundesrepublik Deutschland im Jahresmittel der diffuse Anteil überwiegt, halten.sich im süddeutschen Raum beide Anteile die Waage. STRAHLUNGSINTENSITAT • WETTER GLOBAL DIFFUS KLAR BLAUER HIMMEL fl 1000W/zrn 11 10% 1 STARK DUNSTIG 1000 50% IN 400METER HÖHE --\ I SONNE BRICHT DURCH 600 30% 1 GELBE SCHEIBE L50 50% WEISSE SCHEIBE SONNE ERAHNBAR 300 70% 200 100% TRÜBER WINTER TAG 100 100% Abb. 7: Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Witterung /9/ Je nach Umgebung kann noch ein dritter Faktor von Bedeutung sein, die sogenannte Albedo, die Reflexion der Globalstrahlung. Sie kann erhebliche Werte annehmen, z.B. bei schnee- und eisbedeckten Flächen. Einen Überblick über die Sonneneinstrahlungsverhältnisse in der Bundesrepublik Deutschland vermittelt die in Einstrahlungszonen unterteilte Landkarte (Abb. 8)-. Gebiete mit hohen Werten der Strahlungsenergie und hoher Sonnenscheindauer sind ausschließlich in der Zone I in Süddeutschland zu finden. In Gebieten mit derselben mittleren Sonnenscheindauer von 1.600 bis 1.700 h/a, wie z.B. in der Umgebung von Frankfurt (Zone III), werden etwa 1.000 bis 1.060 kWh/m 2 a oder in der Umgebung von Hamburg 930 bis 1.000 kWh/m2a eingestrahlt. Besonders niedrige Werte weist der mittlere Teil der Bundesrepublik Deutschland und dort speziell das Ruhrgebiet auf (Zone VI). Der Unterschied der in verschiedenen Stationen gemessenen Sonnenscheindauer kann bis zu 700 h/a betragen. Für Abschätzungen, die sich auf die Bundesrepublik als Ganzes beziehen, kann für die Einstrahlung der Mittelwert von 1.000 kWh/m 2 a und für die Sonnenscheindauer der Mittelwert von 1.650 h/a verwendet werden, EINSTRAHLUNGSZONEN kWh/m2a I =-=1130-1240 II . ----1060-1130 IV, 930-1000 V 860-930 VI, 780-860 HANNOVER SONNENSCHEINSTUNDEN/JAHR 1900-2000 1800-1900 1700-1800 1600-1700 1500-1600 1400-1500 1300-1400 Abb. 8: Sonneneinstrahlungszonen in der Bundesrepublik/10/ während für exakte Berechnungen auf die in /73/ und /74/ enthaltenen detaillierten meteorologischen Daten zur Sonneneinstrahlung zurückgegriffen werden sollte. 2.2.2 Orientierung der Flächen zur Gewinnung der Sonnenenergie Die maximalen Gewinne aus direkter Sonnenstrahlung werden erzielt, wenn die energiesammelnde Fläche, der "Kollektor", jeweils senkrecht zum Strahlenbündel steht. Abb. 9: Abhängigkeit der Strahlungsenergie auf die Flächeneinheit vom Einfallswinkel /11/ Da aber die Sonne sowohl im Laufe eines Tages als auch eines Jahres ihre Bahn ändert, wären dazu bewegliche Kollektoren notwendig, wie sie bei Sonnenkraftwerken mit großem Aufwand eingesetzt werden. Unter normalen Bedingungen und einem hohen Anteil diffuser Strahlung ist dieses Verfahren unwirtschaftlich. Vielmehr muß der Energiesammler fest installiert und entsprechend ausgerichtet und geneigt sein. Der Einfluß der Orientierung auf eine mit 45° geneigte Fläche ist in Abbildung 10 zu erkennen. Im Bereich von SUdost bis Südwest zeigen sich dabei nur geringe Unterschiede in den Einstrahlungsmengen, obwohl gerade in den Wintermonaten eine nicht genau - 16 nach Süden ausgerichtete Fläche geringere Gewinne aufweist. Bei größeren Abweichungen von der Südrichtung fallen die Einstrahlungswerte im Winter stark ab. Abb. 10: Tägliche direkte Sonneneinstrahlung bei verschiedenen Anstellrichtungen für Köln /12/ Wenn die durch die topografische Lage und den Bebauungsplan in Verbindung mit anderen Vorschriften vorgegebene Grundstückssituation es zuläßt, sollten also energiesammelnde Flächen nach Süden orientiert sein.' Den Einfluß des Neigungswinkels einer südorientierten Fläche auf die mittlere Globalstrahlungssumme zeigt die Abbildung 11. - 17 - 6 Tagessumme der Giobalstr für Noerschiedene Neigungswinkel 1 Ma-,atsmniel h.:Han-bur 0° 5 r. 4 3- J F M A M J a _Ngrk rWaoerchte, Zeit Abb. 11: Monatlicher Mittelwert der täglichen Globalstrahlung auf eine geneigte Fläche für Hamburg /12/ Auch bei einem Neigungswinkel von 90° ist eine gleichmäßigere Verteilung des Strahlungseinfalles zu erkennen als bei 0°. Von Februar bis Oktober ist der Verlauf der Kurve nahezu konstant, und von Oktober bis Februar sind die mittleren Einstrahlungswerte-größer als für eine horizontale Fläche. Die maximalen mittleren Gewinne im Winter weist eine Fläche mit einem Neigungswinkel von 60° auf. Das rührt nur zum Teil von dem Einfallswinkel der direkten Strahlung her, der von November bis Januar maximal 20° beträgt, für den also eine Fläche mit einem Nei gungswinkel von 70° optimal sein müßte. Die Ursache liegt auch im Einfluß des diffusen Strahlungsanteiles, der bei steilerer Neigung - 18 zum Teil ausgschaltet wird. Die maximal möglichen Gewinne einer vertikalen Wand zeigt Abbildung 12. Sie sind im Winter wesentlich größer als bei einer horizontalen Fläche und zeigen, daß bei Sonnenschein auch im Winter mit großen Energieeinstrahlungen zu rechnen ist. Daß die Summe der q frAhliing q gPwinn g, einer horizontalen Fläche über ein Jahr größer ist, ist von geringerer Bedeutung, da der Hauptenergiebedarf eines Hauses im Winter auftritt. Die Energiemengen, die im Sommer benötigt werden, lassen sich auch mit anderen Einfallswinkeln und verringertem Wirkungsgrad abdecken. Abb. 12: Maximale Gesamtsumme der täglich anfallenden Strahlungsenergie /13/ Die optimale Ausrichtung einer stationären Fläche ist demzufolge bei möglichst genauer Südorientierung (± 22°) - mit Schwerpunkt Sommernutzung ein Neigungswinkel von 30° - 19 - bei Ganzjahresnutzung ein Neigungswinkel von 45° - bei hauptsächlicher Winternutzung ein Neigungswinkel von 60° bis 70°. 2.3 Wärmeschutz 2.3.1 Wärmeschutz im Winter Der Wärmeschutz von Gebäuden wurde bis zu den krisenhaften Entwicklungen auf dem Energiesektor fast ausschließlich unter den Gesichtspunkten der Gewährleistung eines hygienisch einwandfreien Raumklimas und zum Schutze der Baukonstruktion vor Feuchtigkeitseinwirkungen gesehen. Die hieraus resultierenden Mindestanforderungen an den baulichen Wärmeschutz waren durch DIN 4108 - Wärmeschutz im Hochbau - Ausgabe August 1969 einschließlich zahlreicher Ergänzungen und der Ergänzenden Bestimmungen geregelt. Die dort angegebenen Mindestwerte (vergl. Abb. 13) sind bauteilbezogen, jedoch von der Bauart und dem Nutzungszwecke sowie der architektonischen Gestaltung des Baukörpers unabhängig. Diese Mindestwerte haben sich, wie ein Vergleich der Anforderungen nach DIN 4108, Ausgabe August 1981, zeigt, nur geringfügig geändert (Abb. 13 und 14). - 2 0 - Wärmedurchla8widerstand k 1/A m Wärmedurchgangskoeffizien K W Bemerkung W/(m2 K in den ärmedämmgebieten II I III III II 0,86 0/89 im Mittel 0,43 1,45 an der ungünstigsten Stelle 0,86 0,89 0,93 1,95 00 U0 U 00 im Mittel an der ungünstigsten Stelle in nicht zentralbeheizten Gebäuden 0,35 Li 0 Li 1,64 an jeder Stelle Eli in zentralbeheizten Gebäuden Li 0,17 2,33 an jeder Stelle 0L86 0,83 im Mittel 0,43 130 an der ungünstigsten Stelle • 1 0,47 0,56 1,56 1,37 an jeder Stelle in nicht zentralbeheizten Gebäu den 0,26 1,92 an jeder Stelle in zentralbeheizten Gebäuden 0,07 3,03 0,26 1,92 an jeder Stelle an jeder Stelle Abb. 13: Mindestwerte des Wärmeschutzes von Wänden und Decken für Mehrfamilienhäuser nach den Ergänzenden Bestimmungen zu DIN 4108, Fassung Oktober 1974 WärmedurchlaBwiderstand Wärmedurchgangskoeffizien 1/A k K/W Bemerkung w /(m 2 K) 0,90 0,90 im Mittel 0,45 1,52 an der ungünstigsten Stelle OL90 0,90 im Mittel 0,45 1,52 an der ungünstigsten Stelle allgemein [1,641) 1,452) 2 in zentralbeheizten Bürogebäuden 0,35 0,17 2,331) 1,962) an jeder Stelle an jeder Stelle OL90 OL81 im Mittel 0,45 1,27 an der ungünstigsten Stelle allgemein 4 0,55 1,39 1,323) an jeder Stelle in nicht zentralbeheizten Gebäuden 0,25 1,96 an jeder Stelle in zentralbeheizten Gebäuden 0,07 3,03 0,25 ,96 an jeder Stelle an jeder Stelle Abb. 14: Mindestwerte des Wärmeschutzes von Wänden und Decken für Mehrfamilienhäuser nach DIN 4108, August 1981 1) Wärmestrom von unten nach oben 2) Wärmestrom von oben nach unten 3) mit hinterlüfteter Außenhaut 22 - - Heute ist zu den beiden eingangs erwähnten Aspekten ein weiterer hinzugetreten, nämlich der des sparsamen Energieverbrauches bei der Beheizung von Gebäuden. Die Anforderungen für einen erhöhten energiesparenden Wärmeschutz sind in der Wärmeschutzverordnung enthalten, und zwar wird der Bereich des erhöhten energiesparenden Wärmeschutzes durch die Kurve der maximalen mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten k m ,max nach oben abgegrenzt (Abb. 15). km w - 1,BC, 03 N 02 0,5 0,4 ___LLLL 1 I 1_1 _111 I 1.111 1_11 0.7 06 11 1,0 0.9 06 1 11.11 lilI I k .1.1 1 II 1 n 1,2 1,3 14 _LI , 1 80 1,70 1.7 0 1,60 1,60 WSVO 1,50 1,50 vom 11.8.1977 1,40 1111 1,40 1,30 1.30 1,20 1,10 - 4- 1,20 T ', 1 1,00 1.10 1,00 0,00 0,90 1 0,80 ik 0.80 1 ,'"-...., 0.70 0,70 0,60 0,50 0,1.0 0,60 NOVELLIERUNG WSVO vom 27,2.1982 i 050 1 . -1, -4, 1 1 0,40 1 1 .-4 1 0,3C ! 1 ,3C 0.20 0,20 0,10 0,00 1 . ; i n f I ! i 0.2 , . : 0.3 , 1 : I 0,4 1 ; , , i 1; 0.5 : i C46 1 ' 7, -1, ' ) 1 ; t n 0,7 1 I i 1 ' 0,6 c I il 0.9 l. t 1 ,10 H 1,1 i 1 i i 1.2 .00 I 1.3 14 A /V In(13 Abb. 15: Maximaler mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient k m,max für Gebäude mit normalen Innentemperaturen - 23 Die obere Kurve in Abb. 15 beschreibt die zur Zeit gültigen Anforderungen und die untere Kurve die um etwa 25% angehobenen Bedingungen, wie sie mit der novellierten Wärmeschutzverordnung ab 1. 1. 1984 festgeschrieben werden. Ausgangspunkt für die Begrenzung der wärmeschutztechnischen Anforderungen für Gebäude durch die maximalen mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten k m,max ist die Begrenzung der Transmissionswärmeverluste Q T über die wärmeübertragende Umfassungsfläche F (in Zukunft mit A bezeichnet) eines Gebäudes. Es gilt: Q mit k T = k m . F (0) m = mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient der wärmeübertragenden Umfassungsfläche des Gebäudes in W/(m2K) F = Umfassungsfläche des Gebäudes in m2 Innentemperatur 1.9. minus Außentemperatur 19-a. in K. Formt man diese Gleichung um, indem man mit 1/V erweitert, so erhält man QT V = k V (0.1) wobei V das von der wärmeübertragenden Umfassungsfläche F umschlossene Volumen des Gebäudes ist. Q /V wird T als volumenspezifischer Wärmebedarf mit der Einheit W/m3 und F/V als geometrische Kompaktheit mit der Einheit m -1 bezeichnet. Damit wird deutlich, daß sich der volumenspezifische Wärmebedarf direkt proportional zu der geometrischen Kompaktheit verhält, solange die beiden anderen Größen in Gleichung (0.1) konstant bleiben. - 24 Für die Berechnung des mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten k sind die in Abb. 16 aufgeführten Rechenm schritte erforderlich. Zunächst ist der Wärmedurchlaßwiderstand 1/AL der einzelnen Bauteile gemäß Gleichung (1) zu bestimmen. Aus der Berechnung nach Gleichung (1) ergibt sich durch Addition der Wärmeübergangswiderstände 1/c6 der Wärmedurchgangswiderstand 1/k gemäß aleichung (2). Der Wärmedurchgangskoe ff izient k-wird schlieBlich nach Gleichung (3) errechnet. Die Gleichung (5) ist die Beziehung für die Berechnung des mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten k . Hier ist F wiederum die wärmeübertragende Umfassungsfläche des Gebäudes. m (1) Wärmedurchlaßwiderstand (1 a) einschichtiges Bauteil 1 d (1b) mehrschichtiges Bauteil 1 1 1 1 ——+-+....+— 1 A, A A d2 d, x• x4 x3 X2 (2) Wärmedurchgangswiderstand 1 1 1 1 ÷ ÷ a, — k = — (3) Wärmedurchgangskoeffizient 1 1 für das Bauteil k- 1 1 1 1 — —+—+— kalAN (4) mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient der Außenwände pro Geschoß kw Fw + k FF kin.W+F= Fw FF (5) mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient für das von der wärmeübertragenden Umfassungsfläche 'eingeschlossene Gebäudevolumen kw Fw+ k F • FF + 0,8 • k D • FD + 0,5 • kG • Fa + 1:4. ' Fot km Abb. 16: Rechenverfahren x2 x, - 25 2.3.2 Wärmeschutz im Sommer - passive Solarenergienutzung Die Problemkreise "sommerlicher Wärmeschutz" und "Nutzung der Sonneneinstrahlung im Winter" sind eng miteinander verknüpft, wenn auch mit entgegengesetzten Vorzeichen. Während im Sommer eine Uberwärmung der Räumlichkeiten durch Besonnung vermieden werden soll, ist im Winter eine Beteiligung der Sonneneinstrahlung an der Erwärmung der Räume erwünscht. Damit wird deutlich, daß gerade bei Maßnahmen zur passiven Nutzung der Sonnenenergie besonderes Augenmerk auf den sommerlichen Wärmeschutz zu legen ist, um zu verhindern, daß im Sommer und gegebenenfalls auch schon an sonnenreichen.Tagen während der Übergangszeiten unerträglich hohe Raumtemperaturen auftreten. Der sommerliche Wärmeschutz wie auch die passive Solarenergienutzung hängen ab von der Energiedurchlässigkeit der transparenten Außenbauteile (Fenster und Fensterverglasungen) - ihrem Anteil an der Außenfläche - ihrer Orientierung nach der Himmelsrichtung - der Wärmespeicherfähigkeit, insbesondere innenliegender Bauteile - den Wärmeleiteigenschaften der nichttransparenten Bauteile, im wesentlichen der Außenwände, unter instationären Randbedingungen. Empfehlungen für den sommerlichen Wärmeschutz von Gebäuden ohne raumlufttechnische Anlagen werden in DIN 4108 Teil 2, Ausgabe August 1981, gegeben. Die maßgebliche Größe für die Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes ist danach das Produkt aus Gesamtenergiedurchlaßgrad und dem. Fensterflächenanteil f. Dieses Produkt hängt von der Innenbauart - leicht oder schwer -, den Lüftungsmöglichkeiten im Sommer sowie der Gebäude- bzw. Raumorientierung ab. - 26 Der Gesamtenergiedurchlaßgrad selbst hängt von der Verglasung und evtl. zusätzlichen Sonnenschutzvorrichtungen ab. Er wird ermittelt aus dem Energiedurchlaß g multipliziert mit den Abminde- -gradeVlsung rungsfaktoren durch Sonnenschutzvorrichtungen z. Die nachstehenden der DIN 4108 entnommenen Tabellen bilden die für die Berechnung notwendigen Grundlagen. Auf die umfangreichen Fußnoten zu diesen Tabellen wird ausdrücklich hingewiesen. — 27 — Abb .17: smpmxieneHörh,uwrrte (gr • J) In Abhöngigkelt von den natürlichen LÜnunamnÜexcx' kohonunuuw,|nnonuauert Spalte 1 2 Innenbauart Zeile Erhöhte natürliche Belüftung nicht vorhandonq 0') Erhöhte natürliche Belüftung vo,handon3) 1 |eiuht 4) 0\12 0.17 2 ouhwe,4) 0.14 0,25 Hierin bedeuten: XrGeoamtonnrgiodumhla8grad f Fensterflächenanteil, bezogen auf die Fenster enthaltendeAuBonwondOäuha(|ichteRohbaunna8e): AF /_ Verglasung Zeile 3 Empfoh|eneHÜohntworte(gr' Abb ~ 18: Ge»anntonemi'uu,ch}aDomde g|vsungen g von Ve, X 1.1 Doppelverglasung aus K|am|av 0,8 1.2 Dreifachverglasung eunK|a,g|au 0.7 2 Glasbausteine 0\8 3 Mehrfachverglasung mit Sonderg|ä,e,o yWünnuoohut,g|ao. Sonnennuh"tz0|am>1) 1 0,2 bis 0,8 1) Die Gooamtona,V/odu,cNuOgrado g von Onnder g|öne,nkönnenaufg,vndvonEintä,bunQbzw.Obe,' flächcnbchand|ung der Glasscheiben sehr untnr mchied|iche*in.|mBnza|taUiotdu,Naohweiu8omäU DIN 57507zvfÜh,on. Ohne Nachweis darf nur der ungünstigere Gronz' wertanQewvngetwenjyn. Aw+ Ap Bei Dachfenstern kn der Fensterflächenanteil auf die direkt besonnte Dach- bzw. Dachdeckenfläche zu be' öehen.Fu8noto 1 ist nicht anzuwenden. In den Höchstwerten (gr• 0 ist der Rahmenanteil an der FcnatorOüohom|t300/0bo,Ückoiuhtigt. 1) Bei nach Norden orientierten Räumen oder solchen, bei denen eine ganztägige Beschattung (cB. durch Verbauung) vodiegt, dürfen die angegebenen /erA-WortovmO.25erhöh1we,don. Als Nord-Orientierung gilt ein V0nke|be,eioh, der bis zu etwa c2.5°von der Nord-Richtung abweicht. 2) Fenster werden nachts oder in den frühen Morgenstunden nicht geöffnet (cB. häufig bei 8Ü,ogebäu' denunUSchu|en). 3) Erhöhte natürliche Belüftung (mindestens etwa 2 Stunden), insbesondere während der Nacht- oder in den frühen Morgenstunden. Dies ist bei zu öffnenden FenvtrmindorRogo|engnbon(z. B. bei Wohngebäuden). 4) Zu,Untarnoheidungin|oichtevndnchwe,olnnenbau' art wird raumweise der Quotient aus der Masse der ,avmumnnh|ieH:nden Innenbauteile sowie gnQobe' nonYal|sandorer|nnonbautei|evndde,AuDenwand'' Uäoho ({vfA J. die die Fenster enthält, ermittelt. FÜ,einenOuotionten>e0Okg/rn2|iogtoinesuhworo innenbauart vor. Für die Holzbauweise ergibt sich in der Reuo||einUta|nnenbmoert, Die Masoon der Innenbautei|owenivnwiyfolgtbc' nÜcksicx«gt: — Bei Innenbauteilen ohne Warmedämmschicht wird die Masse zur Hälfte angerechnet. — Bei Innenbauteilen mi1vvä,medümmnnhivhtdarf die Masse derjenigen Schichten angerechnet we,don, die zwischen der raumseitigen Bautei|' nberf|öchnvndderDämnnxchichtangco,dn*txind. jedoch höchstens die Hälfte der Gesamtmasse. Als Dämmschicht gilt hier eine Schicht mit '10<{\1NV(m K) und 1/A >o.o5m` KM — BoiInnrnbaot,i|enmh Holz odc'Holzwerkonffon dürfen die Schichten aus Holz oder Holzwerkstoffon näherungsweise mit dem 2fachen Wert ihrer Masse angesetzt werden. Abb ~1B: Abminderungsfaktoren z von Sonnenschutz- vorrichtungen 1) in Verbindung mit Verglasungen Zeile Sonnenschutzvorrichtung z 1 foh|onUoSnnn^noohubvor richtung 2 innenliegend und zwischen den Scheiben liegend 2.1 Gewebe bzw. Folien 2) 2.2 Jalousien 3 nuDenliegond al Jalousien,' drehbare hinterlüftet 3.2 Jalousien, Rolläden, Fensterladen, heststohendondo, d^nhhu,oLamnUen 0,3 3.3 Vordächer, Loggien 3) 0,3 3.4 Markisen,' oben ventiliert 3) 0,4 3.5 K^arkison.aUgcmein3) 0,5 1/3 0,4 bis 0,7 0,5 ' 0,25 Die SonnrnsohutzvnnichmngmuOfeminmomrrtnein (z. R. Lam o l|erI O.cr P s). U h lichc rlekornfive Vo,h^ngo gelten nicht als Sonnenschutzvorrichtung. Die Abmindemngsfak/on:n z können aufgrund der 2) Gewebestruktur, der Farbe und der Reflexionseigenschaften sehr unterschiedlich n:in. |m Bnrelh,Uist der Nachweis in Anlehnung an DIN 67507 zu führen. 0hnmNachweis dart nu, der unQÜngigen,Grcozwort angewenumwe,Uou 9 siehe nachfolgende Seite Y - 28 - Abb. 19 (Fortsetzung) 3) Dabei muß näherungsweise sichergestellt oein, daß keine direkte Besonnung des Fensters erfolgt Dies iA der Fall, wenn — beiSÜdn,ientia,un0 der Abdockwinka|/3 50° ist — beiOs1'undVVeato,ienöo,unOon1wode, der Abdock*inko|fi 85° oder y 115° ist. Zudonjowei|igonOöentie,ungongohö,nnYVinke|bo,ninhovon±22.5".BoiZwiouheno,ientinrungonix\derAhdeok' winke| 80° erforderlich. Vertikalschnitt durch Fassade Horizontalschnitt durch Fassade West' OM Der Wärmespeicherfähigkeit von Bauteilen kommt i m Winter wie im Sommer eine große Bedeutung zu, da eine gute Speicherfähigkeit zu jeder Jahreszeit ausgleichend a u f das Innenklima wirkt. Unter d e r Speicherfähigkeit von Bauteilen versteht man deren Eigenschaft, bei Zunahme d e r Lufttemperatur Wärme aufzunehmen und diese b ei Abnahme d e r Lufttemperatur wieder abzugeben. Diese Fähigkeit wird hauptsächlich durch d i e Baustoffrohdichte bestimmt und nimmt mit größer werdender Ma sse zu. Da d i e Aufnahme und A bgab e der Wär me durch die Innenbauteile in Wechselbeziehung zur Raumtemperatur erfolgt ' wirken wärmespeichernde, d.h. schwere Bauteile, ausgleichend auf Schwankungen der Raumtemperatur. 8: roe t 1 foci 161- 16 121 12 a 4 — • 0 6 8 10 12 14 16 h 0 500 1000 p •.D Zeitlicher Verlauf der Lufttemperaturzunanme verschiedener Bauarten. 0.) leichte Bauart (p < 500 kgirn3) mntelschwere Bauart 1000 kg/rn3) L.T schwere Bauart (p e 1500 kg/m3) ii Räumen Erhohung der Raumluttternperatur in Abhängigkeit von der Rohdichte p der raumumschließenden Bauteile. Abb. 20: Einfluß der Rohdichte der raumumschließenden Bauteile auf die Raumlufttemperaturzunahme /14/ Das Wärmespeichervermögen wächst mit zunehmender Bauteildicke. Von einer gewissen Dicke an nimmt sie nur noch in geringem Umfange zu. Diese Dicke liegt für Schwerbeton bei etwa 8 cm, für Ziegel bei etwa 14 cm und für Gasbeton bei etwa 20 cm. Bei mehrschichtigen Innenbauteilen kommt es auf die Dicke der einzelnen Schichten und vor allem auf ihre Reihenfolge an. Leichte wärmedämmende Schichten auf der Innenseite des Raumes lassen dahinterliegende speicherfähige Schichten nicht oder nur unwesentlich wirksam werden. Innenliegende Bauteile mit nur geringer Speicherfähigkeit können im Sommer leicht ein unbehagliches Innenraumklima (Barackenklima) verursachen. Außenbauteile sind wechselnden klimatischen Beanspruchungen - Sommer und Winter, Tag und Nacht - ausgesetzt. Daher ist strenggenommen ein zeitlich konstanter Wär- - 30 - mestrom nie vorhanden. Vor allem im Sommer verursacht die Sonneneinstrahlung starke, sich in unregelmäßigen Abständen wiederholende Temperaturschwankungen an der äußeren Bauteiloberfläche. Diese setzen sich im Bauteil fort, werden dabei gedämpft und machen sich in der Regel erst nach Stunden auf der Wandinnenseite bemerkbar. Bei Bauteilen mit speziellen Wärmedämmschichten ist diese Erscheinung weniger stark ausgeprägt. Generell kann gesagt werden, daß sich außenliegende Dämmschichten und innenliegende speicherfähige Schichten in der Regel günstig auswirken, weil sie im Sommer verhindern, daß Wärme von außen eindringt, und weil im Winter die über die Fensterflächen eingestrahlte Sonnenenergie im Gebäude verbleibt. Winter Tag Winter Nacht Sommer Tag Speichern Entspeichern Entspeichern zur Erwärmung Sommer Nacht Speichern zur Kühlung Abb. 21: Natürliche Klimatisierung /15/ 31 2.4 Wärmebedarf Der Wärmebedarf eines Gebäudes hängt hauptsächlich von den baulichen Gegebenheiten ab. Hierzu gehören u.a. die Lage und Gliederung des Gebäudes , Größe der wärmeübertragenden Oberfläche und deren Wärmedämmung sowie Lage, Größe und Art der Fenster. Welche Heizenergiemengen zur Deckung dieses Wärmebedarfes aufgebracht werden müssen, hängt nicht zuletzt vom Wirkungsgrad der Heizungsanlage und der Regelfähigkeit des gesamten Heizsystems ab. Der Wärmebedarf für ein Gebäude setzt sich bekanntlich aus dem Wärmebedarf zur Deckung der Transmissionswärmeverluste und der Lüftungswärmeverluste zusammen (Abb. 22). Transmissionswärmeverluste entstehen dadurch, daß Wärme infolge der unterschiedlichen Temperaturen außen und innen über die Gebäudehülle nach außen strömt, Ermittelt werden diese Verluste über die Wärmedurchgangskoeffizienten (k-Werte) der die Gebäudehülle bildenden Bauteile. Bei Fenstern und Türen tritt zu den Transmissionswärmeverlusten der Lüftungswärmeverlust über die Fugen als eine Art "Dauerlüftung" hinzu. Die Durchlässigkeit der Fugen wird durch den Fugendurchiaßkoeffizienten (a-Wert) beschrieben. Je kleiner der a-Wert und die Fugenlänge sind, desto weniger Wärme geht verloren. Grundlage für die exakte Bestimmung des Wärmebedarfes bildet die Norm DIN 4701 - Regeln für die Berechnung des Wärmebedarfs von Gebäuden - in der zur Zeit noch gültigen Fassung vom Februar 1959. Diese Norm wird jedoch überarbeitet. Ein Entwurf der Neufassung liegt seit März 1978 vor. 32 - TRANSM GE I SS I ONSWÄRMEBEDARF SAMTWARMEBEDARF LOFTUNGSWARMEBEDARF Abb. 22: Wärmebedarf Da die Berechnung des Wärmebedarfes nach DIN 4701 einen relativ großen rechnerischen Aufwand erfordert, wird vorgeschlagen, den Wärmebedarf - vor allem für überschlägige Berechnungen - wie folgt zu ermitteln: - Der Transmissionswärmeverlust ergibt sich unter Verwendung des aus der Wärmeschutzverordnung vorliegenden mittleren Wärmedurchgangskoeffizienten k m aus der Beziehung Q T = km . F .AxY (7) mit QT = Transmissionswärmeverlust in W k m = mittlerer Wärmedurchgangskoeffizient, errechnet nach der Wärmeschutzverordnung, in W/(m2.K) F = wärmeübertragende Umfassungsfläche nach der Wärmeschutzverordnung in m2 IN.--,,'=InnentemperaturIcY.minus AuBentemperatur 1 in K a Dabei kann AI- unter Zugrundelegung einer Innentemperatur von 20°C und einer Außentemperatur von -15°C mit 35°C (35 K) angenommen werden. - Zu diesem Wert wird der Lüftungswärmebedarf QL in Form eines Minimums,welches eine ausreichende Heizleistung für einen hygienisch notwendigen Mindestluftwechsel sicherstellt, addiert. - 33 Es gilt: min . c . A. 4L mit min V . V (8) = Mindestluftwechselzahl = spezifische Wärmekapazität der Luft Innentemperatur -27 minus Außentemperatur a in K = das von der wärmeübertragenden Umfassungsfläche eingeschlossene Volumen in m'. Man geht dabei in der Regel von einer Mindestluftwechselzahl von 0,7 h -1 aus. Diese Zahl besagt, daß innerhalb einer Stunde eine Luftmenge, die dem 0,7fachen des Raumvolumens entspricht, über die durchlässigen Fugen mit der Außenluft ausgetauscht wird. Die spezifische Wärmekapazität der Luft kann mit 0,36 Wh/(m 3 K) und die Temperaturdifferenz L0-1 hinreichend genau ebenfalls mit 35 K angenommen werden. FaBt man die Gleichungen (7) und (8) unter gleichzeitigem Einsetzen der als konstant angenommenen Größen zusammen, so ergibt sich nachstehende sehr einfache Beziehung für den stündlichen Wärmebedarf: Qh = 35 (k m • F + 0,25 V) (9) Gleichung (9) . enthält allerdings keinen Ausdruck, welcher die Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung, Personen, Beleuch. tung usw. erfaßt. Zumindest die solaren Energiegewinne sollten jedoch bei der Wärmebedarfsermittlung berücksichtigt werden,.da eine energetische Bewertung von Gebäuden ausschließlich auf der Basis der Wärmeverluste häufig die tatsächlichen Verhältnisse nicht hinreichend genau beschreibt. Dies kann durch die Verwendung sogenannter "äquivalenter" k-Werte erfolgen, die neben den Transmissionswärmeverlusten auch die nutzbaren Wärmegewinne einschließen /16/, /17/, /18/ (siehe auch Kapitel 5.4). - 34 Voraussetzung für ein derartiges Vorgehen ist wegen der sich während der Heizperiode verändernden Einstrahlungsverhältnisse der Ubergang vom stündlichen zum jährlichen Heizwärmebedarf, der wie folgt ermittelt wird (siehe auch VDI 2067 E, Blatt 2 /19/): h Q a - 1000 . b (10) mit Q a = jährlicher Wärmebedarf in kWh/Jahr Q h = stündlicher Wärmebedarf in W b = Faktor für die jährliche Benutzungsdauer in Std./Jahr (Jahresvollbenutzungsstunden). 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 (11): G t b = 24 . mit G t = Gradtagzahl mit der Einheit Kelvin . Tag K . d) Jahr a i = Innentemperatur nach DIN 4701 in °C fir = Außentemperatur nach DIN 4701 in °C. Die Gradtagzahlen ergeben sich aus der täglichen Differenz der mittleren Innen- und Außentemperaturen sowie der Anzahl an Heiztagen - die genaue Definition enthält VDI 2067 E, Blatt 1, Ziffer 2.8 - und berücksichtigen den Einfluß des unterschiedlichen Klimas auf die Beheizung für bestimmte Orte. Bei Vorausberechnungen werden die in VDI 2067 E, Blatt 1, Tafel 21 und 22 aufgeführten mittlere n Gradtagzahlen verwendet. Sie beruhen auf Messungen von 134 meteorologischen - 35 Stationen in der Bundesrepublik Deutschland während des Beobachtungszeitraumes 1951 bis 1971. Für Nachberechnungen können die tatsächlichen Heizgradtage für die entsprechenden Zeiträume den einschlägigen Fachschriften entnommen werden. Ein einheitliches Rechenverfahren zur Ermittlung des Jahreswärmebedarfes unter Einbeziehung der solaren Energiegewinne existiert nicht. Die Palette reicht von detaillierten Computer-Simulationen auf einer Stunde-für-Stunde-Basis bis hin zu Näherungsrechnungen /18/, /20/, /21/. 3 Energieverbrauch und Energieverwendung 3.1 Die privaten Haushalte als Energieverbraucher Aus der Energiebilanz für unser Land ist zu ersehen, daß immerhin rd. 1/3 des gesamten Primärenergieverbrauchs auf den sogen. Umwandlungssektor entfällt, während die restlichen 2/3 die Endverbraucher - man unterscheidet zwischen den Bereichen "Haushalte und Kleinverbraucher", "Industrie" und "Verkehr" - erreichen. Schon im Umwandlungssektor geht bei der Umwandlung von Primärin Sekundärenergie, z.B. bei der Stromerzeugung, bei der Herstellung von Heizöl und Benzin oder bei der Kokserzeugung ein Großteil der Primärenergie, meistens in Form von Abwärme, verloren, und natürlich kann auch in diesem Bereich, z.B. durch Nutzung des Prinzips der Kraft-Wärme-Kopplung, noch erheblich Energie eingespart werden. Die Größe dieses Potentials wird deutlich, wenn man sich vergegenwärtigt, daß beispielsweise elektrischer Strom in Kraftwerken aus Kohle oder öl mit einem Wirkungsgrad von nur ca. 35% erzeugt wird. Auf der Sekundärenergieseite ist heute der Sektor "Haushalt und Kleinverbraucher" mit ca. 44% der größte Verbraucher, während auf die Industrie 36% und auf den Verkehr 20% entfallen. Abb. 23: Gesamtenergiebedarf Deutschlands aufgeschlüsselt nach Verbrauchssektoren /3/ - 37 - Eine Analyse des Energieverbrauchs der privaten Haushalte ist stets mit großen Schwierigkeiten verbunden, weil die Statistiken nur Angaben für den sehr heterogen zusammengesetzten Sektor "Haushalte und Kleinverbraucher"*) insgesamt ausweisen. Detaillierte Untersuchungen haben ergeben, daß 60% bis 65% des Energieverbrauchs des Bereichs"Haushalte und Kleinverbraucher" auf die privaten Haushalte entfallen und daß sich dieser Verbrauch wie folgt gliedert: Abb. 24: Energieverbrauch eines Haushalts aufgeschlüsselt nach "Energieverbrauchern" /4/ *) Der Verbrauchssektor "Haushalte und Kleinverbaucher" umfaßt u.a. die Verbrauchergruppen private Haushalte, öffentliche Einrichtungen, militärische Dienststellen, Handel und Gewerbe, Landwirtschaft. Demnach ist die Raumheizung mit fiber 80% am Energieverbrauch der privaten Haushalte beteiligt, und es ist nur logisch, daß dort, wo am meisten verbraucht wird, auch am meisten eingespart werden kann. 3.2 Einflüsse auf den Ener2ieverbrauch von Gebäuden Die Forderung nach energetischem Bauen sollte sich nicht nur auf die Reduzierung des Energieverbrauchs für die Beheizung von Wohngebäuden beschränken, auch wenn dieser Bereich im Vergleich zu anderen Energieverbräuchen sehr stark dominiert. Will man langfristig und von Anfang an die vielfältigen energetischen Einflüsse berücksichtigen, muß man den Gesamtenergieverbrauch innerhalb der Lebensdauer eines Gebäudes berücksichtigen. Dieser ist eine heterogene Größe und setzt sich zusammen aus: • der Herstellungsenergie eines Gebäudes - Rohstoffgewinnung für - Herstellung der Baustoffe, Halbzeuge und Bauteile - Transporte - Arbeiten auf der Baustelle • der Energie für die Erhaltung eines Gebäudes durch - Reinigung - Instandhaltung, Instandsetzung - Modernisierung • der Energie während der Nutzung eines Gebäudes - Heizung, Klimatisierung für - Warmwasserversorgung - Hausgeräte, Kochen, Beleuchtung • der Energie zum Abbruch eines Gebäudes bei - Beachtung der Wiederverwendung durch Recycling. - 39 - Grundsätzlich läßt sich der GesamtenergieverbrauCh also in zwei Bereiche aufteilen, und zwar to den Energieverbrauch für Herstellung, Erhaltung und Abbruch und • den Energieverbrauch während der Nutzungsdauer. Der erstgenannte Bereich wurde bisher bei energetischen Erwägungen kaum berücksichtigt,daer imVergleich zum Energieverbrauch bei der Nutzung der Gebäude weniger ins Gewicht fällt (Abb.25). Zudem lagen nur spärliche Informationen über den Energieverbrauch für Herstellung, Erhaltung und Abbruch vor. Er ist in Abhängigkeit von der Bauart für Ein- und Mehrfamilienhäuser unterschiedlich groß (Abb.25) und kann nach 11..5/ im Maximum etwa 6% vom Gesamtenergieverbrauch-ausmachen. .427100 3,5 3 231 5 11 3180000 n 3.0 9 630900 — 2.5 Pr f 1 1, 2.0 crt L5 0 11..11 MEMMUVUMWENIMITUMWMUMMEn IIPUIPPTA I Ira ml- • Ma 0,5 WU A, D Ziegelbauweise B Betonbauweise Gasbetonbauweise F Holztafelbauweise Energieaufwand fur Abriß Energieaufwand fur Herstellung Energieaufwand fur Raumheizung B C Mehrfamilienhaus E Einfamilienhaus F Energieaufwand für Warmwasserbereitung Energieaufwand fur Licht etc Abb. 25: Gesamtprimaerenergiebedarf für Wohnungen bei 40 Jahren Nutzungsdauer /5/ - 4 0 - 3.2.1 Energieverbrauch für Herstellung, Erhaltun2 und Abbruch Über den Energieverbrauch zur Herstellung von Baustoffen wird von Marine /22/ in einer grundlegenden Arbeit berichtet. Danach setzt sich der Energieverbrauch zur Baustoffherstellung per Definition zusammen aus dem Primärenergieverbrauch für • die Rohstoffgewinnung • den Rohstofftransport und • die Verarbeitung zu Halbzeugen. Die dort angegebenen Werte stammen zum großen Teil direkt von der Baustoffindustrie und können für den Planer, sofern er den Energieverbrauch für die Herstellung der Baustoffe mit in die energetischen Überlegungen einbeziehen will, eine Entscheidungshilfe darstellen. In der nachstehenden Tabelle (Abb. 26) ist der für die Herstellung einiger Baustoffe erforderliche Energieverbrauch bezogen auf das Einheitsvolumen 1 m' angegeben. Die Daten sind /22/ entnommen und basieren auf dem Stand des Jahres 1980. - Baustoff Rohdichte (kg/m') Aluminiumbleche 2 Stahlbaubleche 7 Betonstabstahl 7 Stahlprofile 7 Polystyrol 1 Rohre aus HDPE 1) Polyaethylen hoher Dichte Rohre aus PVC 2} 1 1 Polyvinylchlorid Folie aus LDPE 3) Rohre aus LDPE 3) Polyaethylen niedriger Dichte 2 Flachglas Hohlglas 2 Verschnittbitumen 1 Betonfertigteile,bewehrt 2 2 Betonrohre,bewehrt 1 Steinzeugrohr 2 Stahlbeton B 25 mit PZ 1 Asbestzementprodukte 2 Klinker 1 Destillations-Bitumen 1 Mauerziegel (Vollziegel) 1 Dachziegel 1 Blaehton-Leichtbeton LB 25 EPS-_Leichtbeton Mauerziegel (Hochlochziegel) 1 Polystyrolschaum 1 Bitumenemulsion Betonfertigteile, unbewehrt 2 2 Betonrohre, unbewehrt Spanplatten Gipskartonplatten (18 mm) Polystyrolschaum Gasbeton Leichtziegel (Poroton) Blaehton-Leichtbetonsteine 2 Bituminöses HeiBmischgut Polystyrolschaum Betondachsteine Bauschnittholz Transportbeton (B 25 mit PZ) Normalbeton B 25 mit PZ Kalksand-Vollsteine Blaehton Kalksand-Lochsteine Normalbeton B 25 mit HOZ Bituminöses Kaltmischgut Bimsbetonsteine (Hohlblock) Naturstein, gebrochen Kalkstein, gebrochen Sand, Kies 2 2 2 1 1 2 2 2 2 2 700 800 800 800 070 960 960 380 380 920 920 920 400 400 000 500 500 650 500 800 000 000 750 700 600 800 200 25 000 300 300 450 15,3 20 700 800 650 600 15 300 600 300 300 800 450 400 300 550 700 700 700 550 41 -Energieverbrauch (MJ/m') 704 251 236 201 133 94 90 83 77 71 71 68 52 43 18 11 11 10 9 9 6 4 4 4 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 214 878 434 895 041 910 235 075 458 674 674 022 445 718 600 508 508 961 969 245 230 992 898 617 641 355 132 123 023 988 988 883 731 499 279 182 152 882 874 810 693 624 594 568 537 219 083 936 720 267 224 38 1) High Density Polyethylen 2) Polyvinylchlorid 3) Low Density Polyethylen Abb. 26: Für die Herstellung von Baustoffen erforderlicher Energieverbrauch /22/ - 42 - Der Vergleich einiger nach ihrer Wärmeleitfähigkeit geordneter Wandbaustoffe hinsichtlich des zu ihrer Herstellung erforderlichen Energieverbrauchs ergibt folgendes Bild /22/: Rohdichte Wärmeleitfähigkeit kg/m3 W/(m-K) Energieverbrauch MJ/m3 1 693 2 279 3 Rangfolge Bauholz 600 Gasbeton 700 0,13 0,21 BlähbetonLeichtbausteine 650 0,27 2 152 4 EPS-Leichtbeton 800 0,28 3 355 8 Leichtziegel (Poroton) 800 0,34 2 182 5 Bimsbetonsteine 700 0,35 650 1 Mauerziegel (HLz) 1 200 0,50 3 132 7 Kalksandsteine (KSL) 1 4nn 0,70 1 219 2 BlähtonLeichtbeton 1 600 0,73 3 641 9 Mauerziegel (Vollziegel) 1 750 0,81 4 898 10 Stahlbeton B 25 mit PZ 2 500, 2,1 9 969 11 Abb. 27: Energieverbrauch für die Herstellung und die Wärmeleitfähigkeit einiger Baustoffe /22/ 6 -- 43 - Abbildung 27 enthält zwar nur einen kleinen Ausschnitt aus dem großen Spektrum möglicher Wandbaustoffe, läßt aber cum grano salis die Berücksichtigung materialspezifischer Energieverbräuche zu. Besonders für energiesparendes Bauen geeignet sind - ganz allgemein - Baustoffe, die sowohl einen geringen Energieverbrauch bei der Herstellung aufweisen als auch eine kleine Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dabei ist die jeweilige Eignung des Baustoffes zu berücksichtigen, da speziell bei den Wandbaustoffen Faktoren wie Wärmedämmung, Tauwasserschutz, Speicherfähigkeit, Druckfestigkeit ebenso wichtige Auswahlkriterien sind wie der Energieverbrauch bei der Herstellung, wenn nicht sogar gewichtigere. Um den Transportenergieverbrauch der Baustoffe und fertigen Halbzeuge zu senken, sollte verstärkt darauf geachtet werden, daß regional verfügbare Baustoffe verarbeitet werden.Es ist im Prinzip energiepolitisch falsch, z.B. italienische Fliesen nach Deutschland zu transportieren, wenn qualitativ gleichwertige Produkte praktisch "vor der Haustür" hergestellt werden. Holzfenster werden häufig aus exotischen Hölzern hergestellt. Es bliebe zu klären, ob unter energetischen Gesichtspunkten einheimisches Holz nicht ebenso gut geeignet ist. Schließlich muß bei der Herstellung noch der Energieverbrauch für Arbeiten auf der Baustelle berücksichtigt werden, der aber kaum allgemein quantifizierbar ist und .daher objektspezifisch abgewogen werden muß. - 4 4 - Auch wenn das entscheidende Energiesparpotential bei der Nutzung von Gebäuden liegt, sollten die Einflüsse durch energiebewußtes Handeln und Planen schon bei der Wahl der Baustoffe und der Herstellung der Gebäude nicht zu gering bewertet werden. Daß sich Planer zunehmend unter energetischen Aspekten entscheiden, bestätigt eine 1980 in der Schweiz von der ZSM Zutter Sommer Marketing AG durchgeführte Umfrage bei Architekten und Baufirmen /76/. Danach vertreten 50% der Befragten die Meinung, daß die Energiesituation und die Wärmedämmeigenschaften für die Baustoffwahl entscheidend sind. Demgegenüber treten Faktoren wie der Preis (15%), Stabilität und Formbeständigkeit (14%) sowie Alterungsbeständigkeit (12%) deutlich in den Hintergrund, während ästhetische Aspekte mit 9% an letzter Stelle stehen. Die Bedeutung bewußter Baustoffwahl wird zudem daran deutlich, daß viele Baustoffe wie auch andere Rohstoffe aufgrund der begrenzten Reserven dem Gesetz der allmählichen Verknappung unterworfen sind. Die Rohstoffgewinnung wird in Zukunft kompliziertere und aufwendige-re Abbauverfahren erforderlich machen, wodurch der Energieaufwand und damit auch der Preis stark ansteigen werden (vgl.Abb. 28). 240 220 Titanium in Böden 200 180 Titanium in ilmenitreichen Strandsanden Titanium in Erden 160 Titanium in eisenhaltigen Erden 140 Titanium in rutilreichen Strandsanden 120 Aluminium in Anorthosit Aluminium in Tonerden z 100 80 Bereich 60 des AI,0,-Gehalts von Tonerden Aluminium in Bauxi (A1,0,) Bereich des A1,0,-Gehalts der US-Bauxitressourcen Eisen in Magneto-Taconit Kupfer in Sulfiden 111 Bereich des Eisengehalts von Taconiten Bereich des Eisengehalts / von Lateriten Eisen in Taconit 14111140,4001. Eisen in Specularit Eisen in Lateriten 10 70 80 Abb. 28: Energiebedarf für die Gewinnung von Eisen, Titanium und Aluminium verschiedener Qualitaeten und Herkunft /2/ - 46 - Der für den Abbruch von Gebäuden notwendige Energieeinsatz muß in erster Linie in Verbindung mit den Möglichkeiten des Recyclings gesehen werden. Grundsätzlich läßt sich sagen, daß eine Rückführung in den Produktionsprozeß durch Recycling umso schwieriger ist, je mehr unterschiedliche Materialien innig vermischt im Endprodukt vorhanden sind. So sind beispielsweise Aluminium und Stahlbeton als Produkte mit einem hohen Grad an Gemischtheit (Entropie) für ein Recycling nur schwer nutzbar. Eine andere wichtige Einflußgröße auf den Energieverbrauch von Gebäuden ist die Lebensdauer. Je länger die bei der Herstellung in ein Gebäude investierte Energiegenutzt wird, desto rationeller und damit auch sparsamer wurde mit ihr umgegangen.Bei zwanzigjähriger Lebensdauer eines Gebäudes kann der Energieverbrauch, der zur Herstellung erforderlich ist, nach /5/ bereits ca. 20% des Gesamtenergieverbrauchs ausmachen, während dieser Anteil bei achtzigjähriger Lebensdauer auf ca. 6% sinkt. 47 - - 3,23 0,14 0, 0,10 0,20 0,16 j 0,1 0 ß U E C 3,18 F Lebensdauer 80 Jahre 1,39 1,70 1,66 0,93 0,89 7,34 1,25 0,14 0,11 Lebensdauer 40 Jahre 1,01 0,76 0,72 0,64 0,81 r77771 rr1-i 1lö'i1 ln'Y A A g_ C (^-i j '' 15 (( F777-1 13 DEF ® Lebensdauer 20 Jahre Frimärenergieaufwand für die Nutzung SEMST PrimäreLergieaufwand für die Herstellung Mehrfamilienhäuser A Ziegelbauweise B Betonbauweise C Gasbetonmauerwerk Einfamilienhäuser D Ziegelmauerwerk E Gasbetonmauerwerk F Holztafelbauweise Abb. 29: Einfluß der Lebensdauer' von Wohngebaeuden auf das Verhaeltnis des Energieverbrauchs für die Herstellung zur Nutzung /5/ 3.2.2 Energieverbrauch bei der Nutzung Betrachtet man den anteiligen Energieverbrauch während der Nutzungsdauer auf der Grundlage statistischer Erhebungen, so stellt man fest, daß für Kochen, Beleuchtung und Hausgeräte insgesamt nur etwa 10% verbraucht werden. In der gleichen Größenordnung liegt der Anteil für die Warmwasserbereitung, während für Heizzwecke durchscnittlich 80% der benötigten Endenergie eingesetzt werden. Damit wird nur allzu deutlich, warum sich energiebewußtes Bauen zunächst auf die Reduzierung des Heizenergieverbrauchs konzentrieren muß, zumal, wenn man sich vergegenwärtigt, daß in der Regel nur etwa die Hälfte der eingesetzten Energie dem Nutzer am Ende des Heizprozesses als Wärme zugute kommt. Alle anderen energierelevanten Größen, auch die Energieverbräuche für Herstellung, Erhaltung und Abbruch, treten demgegenüber in den Hintergrund, so daß ihr Einfluß im weiteren Verlauf der Arbeit nur noch am Rande behandelt wird. mair AKTIVE ENERGIE WARM EA13- STRAHL G 5-10% ENERGIEINHALT DES aLS EL E KTILISCHE ENERGIE‘b UM WANDLUNGS VERLUSTE 5-70% 40 -12X HE/Z- e ACESSEL NUTZ- i .qEIZ- 30 -4,sx, NICHT AKRVE ENERGIE ENERGIE KOR PER ; ELEKTRJSCHE ENERGIE 1% AkT7VE ENERGIE Abb. 30: Energiefluß bei der Raumheizung/23/ - 49 - pie den Heizenergieverbrauch von Gebaeuden beeinflussenden Faktoren lassen sich im Prinzip fünf Klassen zuordnen: • Umweltbedingungen • Gebaeudegeometrie, Grundrißgestaltung • bauphysikalische Merkmale • anlagentechnische Konzeption • Raumklima unter nutzungsspezifischen Aspekten. Die maßgeblichen umweltbedingten Faktoren sind die Aufienlufttemperatur und die Windverhaeltnisse waehrend des ganzen Jahres sowie die Sonneneinstrahlung im Laufe der Heizperiode. Die Gebaeudegeometrie wird gepraegt von der Ausbildung des Baukörpers, seine raeumliche Form, (die durch das Volumen und die Hüllflaeche gekennzeichnet ist), seine Orientierung und nicht zuletzt seine Höhe. Zu den bauphysiaklischen Merkmalen zaehlen die Waermedaem7 mung und bei Nutzung der Sonneneinstrahlung die thermische Qualitaet der Fenster. Die anlagentechnische Konzeption wird bei Gebaeuden ohne raumlufttechnische Anlagen bestimmt durch die Art der Heizungsanlage (Waermeerzeugung, Waermeverteilung, Waermeabgabe, S f4.114,rl ing sowie die "inneren Lasten", z.B. Beleuchtung. Die raumklimatischen Verhaeltnisse schließlich werden primaer durch bestimmte Behaglichkeitskriterien (Temperatur und Feuchte der Raumluft, Luftbewegung im Raum) sowie den Frischluf tbedarf für die Personen und sekundaer durch die taegliche Nutzungsdauer, die Art der Nutzung sowie die Haeufigkeit und die Dauer des Lüftens beeinflußt. Grundsaetzlich sind zwei Teilaspekte bei der Planung und Gestaltung von Wohngebaeuden zu unterscheiden, Energieeinsparung und Energiegewinnung. Die Einsparung von Heizenergie ist Grundvoraussetzung energetischen Bauens und wird möglich durch: • Verringerung der Waermeverluste über die Gebaeudehülle - Transmissionswaermeverluste Lüftungswaermeverluste • Verringerung der Waermeverluste bei der Waermeerzeugung und -verteilung - Abgasverluste - Stillstands- und Bereitschaftsverluste - Leitungsverluste - 50 - r Verringerung der Wärmeverluste durch intelligentes Nutzerverhalten - Nachtabsenkung - Lüftung. Die Energiegewinnung durch Nutzung zusätzlicher neuer Energiequellen kann zunächst einmal unter Zuhilfenahme entsprechender Technologien erfolgen. Zu nennen wären hier die Nutzung der Umweltwärme aus Wasser, Luft und Erde, der Sonnenergie und ggf. der Wasserkraft. Auch in der Wärmerückgewinnung liegen etliche Reserven für die Reduzierung des Energieverbrauchs. Darüber hinaus aber ist es notwendig und sinnvoll, bereits die Gebäude selbst so zu konzipieren, daß sie Energie aus der Umwelt - vorrangig durch Sonneneinstrahlung - gewinnen und damit der Heizenergieverbrauch gesenkt wird. Vor allem die Glasflächen in der Gebäudehülle sind hier von großer Bedeutung, da im Zusammenspiel mit Maßnahmen des temporären Wärmeschutzes die Möglichkeiten der Nutzung der Sonnenenergie durch Einstrahlungsgewinne in den Vordergrund treten. Auch unter dem Aspekt der zunehmenden Verknappung der Energievorräte müssen größte Anstrengungen zur Einsparung von Energie unternommen werden. Derzeit sind auf der Erde an Brennstoffvörräten, die nach dem heutigen Stand der Technik wirtschaftlich gefördert werden können, vorhanden: 687 Mrd. t SKE*) Kohle 127 Mrd. t SKE*) Erdöl 88 Mrd. t SKE*) Erdgas. Diesen Vorräten stehen an Jahresverbräuchen gegenüber: 2,8 Mrd. t SKE*) Kohle 3,7 Mrd. t SKE*) Erdöl 1,9 Mrd. t SKE*)Erdgas. Besonders augenfällig ist dabei das gravierende Mißverhältnis zwischen den jeweiligen Energievorkommen und den dazugehörigen Weltjahresverbräuchen. *) Die Steinkohle- Einheit (SKE) wurde festgelegt als 1 kg Steinkohle mit einem Heizwert von 29,3 Mega-Joule = 29,3 MJ - 51 Alternative Lösungen zur Nutzung der Umweltenergie befinden sich z.T. noch im Entwicklungsstadium oder setzen sich, sofern sie serienreif sind, am Markt nur schleppend durch. So gibt es z.B. inzwischen zwar über 60 Hersteller von Waermepumpen, doch sind die Verkaufszahlen gerade in letzter Zeit stark rücklaeufig. Insgesamt sind derzeit rund 60000 Ein- und Zweifamilienhaeuser mit derartigen Anlagen ausgestattet. Bei den vorhandenen Möglichkeiten kann dies kaum als durchschlagender Erfolg angesehen werden. Auf der anderen Seite dürfen Maßnahmen zur Verringerung des Energieverbrauchs in Gebäuden - im Winter wie im Sommer - nicht zu raumklimatischen Verhältnissen führen, bei denen sich die Bewohner nicht mehr wohlfühlen. 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. Die thermische Behaglichkeit wird im wesentlichen durch folgende eng miteinander verknüpfte physikalische Größen bestimmt: • Temperatur der Raumluft • mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen (Wände, Decke, Fußboden) • relative Luftfeuchte im Raum • Luftbewegung im Raum. Physiologische Untersuchungen haben gezeigt, daß die Raumlufttemperatur beheizter Wohnräume zweckmäßigerweise bei 20 bis 22 °C liegt und in Schlafräumen Lufttemperaturen zwischen 17 und 20 °C zu empfehlen sind. Niedrigere Temperaturen führen i.a. zu raumklimatischen Verhältnissen, die als unbehaglich empfunden werden, während bei_höheren_Temperaturen der Brennstoffverbrauch stark ansteigt. Ein Grad Celsius mehr im ganzen Haus macht etwa 6% Mehrverbrauch aus. Im Sommer sollte die Raumlufttemperatur 24 °C möglichst nicht überschreiten. Die in Abschnitt 6, Tab. 3, der DIN 4701 E "Regeln für die Berechnung de Wäimebedarfs von Gebäuden" angegebenen Norm-Innentemperaturen für beheizte Räume sind dagegen sogen. empfundene Temperaturen und scharf von den Raumlufttemperaturen zu trennen. 52 - - Die vom Menschen empfundene Temperatur wird sowohl von der Raumlufttemperatur als auch von der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen bestimmt und kann nur dann behaglich sein, wenn die Temperaturdifferenz von Raumluft zu Raumumschließungsflächen hinreichend klein ist. Als Richtgröße kann gelten, daß die durchschnittliche Temperatur der Raumumschließungsflächen 3 bis 2 K von der Raumlufttemperatur abweichen darf. Abb.31 zeigt, daß z.B. bei einer Lufttemperatur von + 22°C eine mittlere Temperatur der Raumumschließungsflächen von + 18°C bis 20°C nötig ist, um ein behagliches Raumklima zu schaffen. 30 'C 26 .._ . 1111-, Irehoglich I a unkehoglich ." = 1. ' 1111 22 Ill 24 rill k„ 20 I Ill 1111i, 11:111_k_ 11111111 16 14 111111111111Mili E 6ehogi. 12 11 16_ k 10 1 II WI 12 14 16 18 20 27 24 '`‘C 20 Raumlufttemperatar Abb. 31: Behaglichkeitsfeld für das Wertepaar Raumlufttemperatur und Raumumschließungsflaechentemperatur (nach Frank) Die Wirkung der relativen Luftfeuchtigkeit der Raumluft zeigt Abb. 32' Luftfeuchtigkeiten zwischen 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. - 53 - Raumlufttemperatur Abb. 32: Behäglichkeitsfeld für das Wertepaar Raumlufttemperatur und relative Luftfeuchtigkeit im Raum (nach Frank) 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 m/s sein. 9.50 ha& 0.40 — 0 30 111111111111111111/11111WAIMMIll , 111E11111• AwAimumml 1111/1111211111111 mom ,r IR / t" 4U 21111111111 ABEIII OMNI ' AI IIIIIII 1111111111 1111111111111 Aff111111111111 MIMI 1111111111111/ - III 1111.....0011111111111111111111 a'' .P <° • V, 0.20 0.10 22 24 *C 28 R aumMt Temperatur Abb. 33: Behaglichkeitsfeld: Luftgeschwin_ digkeit und Raumtemperatur in Abhaengigkeit von der Art der Taetigkeit /24/ - 5 4 - Qm ein behagliches Raumklima zu gewährleisten, sind grundsätzlich drei Aspekte zu beachten: 1. Die Raumlufttemperatur muß in Abhängigkeit von der mittleren Temperatur der Raumumschließungsflächen so empfunden werden, daß die Körperwärme weder zu schnell (Kältegefühl) noch zu langsam (Hitzegefühl) an die Umgebung abgegeben wird. 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. - 55 Zusammenfassung Umweltbelastungen Umweltschaedigungen )1 Verknappung von Energie- und Rbhstoffressourcen 40% des Energieverbrauchs für RauMheizung 45% des Endenergieverbrauchs für Haushalte Das Energieproblem in der Architektur Energiebedarf für Herstellung, Erhaltung und Abbruch eines Gebaeudes Energiebedarf waehrend der Nutzungsdauer für Heizung, Warmwasser, Hauseti&k, • •- klat4INm Wahl von Baustoffen mit geringer Herstellungsenergie Wahl regionaler Baustoffe mit geringem Transportenergieverbrauch Berücksichtigung der Energiequalitaeten für Heizung und Warmwasser Umweltwaerme gut geeignet Strom, Öl, Gas zu "kostbar" sle von Baustoffen mit geringer Entropie geringer Energiebedarf für Abbruch Eignung für Recycling Wahl de Herzung Verantwortung des Planers, des Bauausführenden und des Nutzers Warmwasser . Planers, des DciaVer-a-bx.prt-ag AeN, ausführenden und des Nutzers Hausgeraete, Kochen, Beleuchtung Verantwortung der Industrie und des Nutzers .Lo ergieBedarf fossiler traeger für Heizung durch: Substitution durch regenerative 1 Energietraeger - 56 4 Nutzung der Sonnenenergie Die Sonnenenergie ist unabhängig von den beschränkten Energiereserven und verursacht keine Umweltbelastungen.Sie ist daher in besonderer Weise geeignet, die angespannte Lage auf dem Energiesektormittel-und langfristig zu entschärfen. Doch gerade in unseren Breitengraden ist eine umfassende Nutzung der Sonnenenergie wegen des begrenzten Sonnenenergiedargebotes mit großen Schwierigkeiten verbunden und technisch noch nicht zufriedenstellend gelöst. Grundsätzlich sind vier Verfahren zur Nutzung der Sonnenenergie möglich: • die thermische Umwandlung zur Wärmegewinnung • die photovoltaische Umwandlung zur Elektrizitätserzeugung • die fotobiologische oder fotochemische Umwandlung zur Erzeugung von Kohlenwasserstoffen • die fotolytische Umwandlung zur Wasserstofferzeugung. Für die energetische Versorgung von Gebaeuden ist derzeit nur das erstgenannte Vorhaben einsatzbereit, da die anderen drei Verfahren sich entweder erst im Stadium der Grundlagenforschung befinden oder noch nicht wirtschaftlich einsetzbar sind. Die Umwandlung von Sonnenenergie auf thermischem Wege dagegen ist mit Hilfe einfacher technologischerVerfahren möglich, die es sogar dem Laien erlauben, Sonnenenergie im Zuge des "Selbermachens" und "Selbstbauens" zu nutzen. Das gilt gleichermaßen für aktive wie auch passive Systeme. 4.1 Aktive Solarsysteme Technische Einrichtungen für die- Gewinnung der Solarenergie mit Hilfe von Kollektoren, Solarzellen u.ä. werden als aktive Systeme bezeichnet. Sie ermöglichen die Nutzung der Sonnenstrahlung für den Bereich energiesparenden Bauens bei der Raumheizung und der Warmwasserbereitung (Abb. 34). Dabei wird unterschieden zwischen - 57 - • direkter und • indirekter Nutzung der Sonnenenergie. Als direkte Nutzung bezeichnet man die unmittelbare Verwertung der solaren Strahlungsenergie, während man unter indirekter Nutzung die Nutzbarmachung der solaren Umgebungsenergie (Luft, Erdreich, Grund- oder Laufwasser) versteht. Häufig werden Komponenten zur direkten und indirekten Sonnenenergienutzung in einer Anlage kombiniert. Beispielsweise bieten die Hersteller solarer Systeme für die Raumheizung häufi g sogenannte bivalente Wärmepumpenheizungen an, bei denen eine Wärmepumpe die Temperatur des Wärmeträgermediums auf ein höheres für die Raumheizung nutzbares Niveau anhebt. Auf diese Weise können etwa 2/3 des jährlichen Heizwärmebedarfs sowie die Warmwasserbereitung durch die Wärmepumpe gedeckt werden, und nur während besonders kalter Tage springt ein konventioneller Heizkessel (Öl, Gas) zur Deckung des Spitzenbedarfs ein. Auch die Absorbersysteme werden in der Regel für bivalenten Heizbetrieb angeboten. WARMWASSER - ZAPFSTELLEN NACHER- WARMUNG SON/ NEN STRAH LUNG KOLLEKTOR WARMWASSER - SPEICHER WARME TA U SCHER 1 K A LT WA SSER ›—} TE MPERAT URGE STE UERTE UM WA LZP UM PE Abb. 34: Solar-Warmwasserbereitung sanlage /25/ - Nr. Bezeichnung 58 - Schematische Darstellung Erklärung 1 Flachkollektor Sonnenkollektor zur Nutzung der Sonnenenergie über ein Wärmeträgermedium (z.B. Wasser) für Niedertemperaturheizsysteme ein- oder mehrscheibig abgedeckt 2 Konzentrierender Kollektor (z.B. Kollektor mit zylinderförmigem Parabolspiegel) Sonnenkollektor zur direkten Nutzung der Sonnenenergie, vorzugsweise für Hochtemperaturheizsysteme 3 Absorber Wichtigster Bestandteil eines Sonnenkollektors z.B. geschwärzte Metallplatte, auf dessen Oberfläche die Sonnenenergie in thermische Energie umgewandelt wird. Unmittelbar unterhalb des Absorbers wird die gewonnene Wärme an ein in Rohrleitungen strömendes Wärmeträgermedium abgegeben 4 Kollektormatte aus Kunststoff Sonnenkollektor ohne Abdeckung, hauptsächlich für Zwecke der Niedertemperaturheizung im Sommer, z.B. Freischwimmbäder 5 Flachdachkollektor Sonnenkollektor zur direkten Nutzung der Sonnenenergie, ausgerüstet mit einem Reflektor, zur Montage auf Flachdächern gut geeignet Abb. 35: Komponenten von Anlagen zur Sonnenenergienutzung (nach /8/) - Nr. Bezeichnung 59 - Schematische Darstellung Erklärung Luftkollektor Sonnenkollektor mit Abführung der thermischen Energie mittels Luft Kollektor nach dem Wärmerohrprinzip Sonnenkollektor mit Ubertragung der thermischen Energie an eine leicht siedende Flüssigkeit innerhalb eines Rohres und Ubertragung der Kondensationswärme an einen flüssigen Wärmeträger am hochgelagerten Ende des Rohres 8 Bläschenkollektor Plastikfolie mit eingeschlossenen kleinen Luftkammern, hauptsächlich verwendet zur Abdeckung von Schwimmbädern während Betriebspausen zur Verminderung der Wärmeverluste 9 Solarziegel Sonnenkollektor in Form von Dachziegeln (Biberschwanz oder Frankfurter Pfanne), in denen ein hindurchfließender Wärmeträger erwärmt wird Absorberdach (Energiedach) Blechdach mit Kanälen zur Abführung zugeführter Umgebungswärme, die mit Hilfe von Wärmepumpen für Heizzwecke verwertet wird 10 Fortsetzung Abb. 35 - 60- Nr. Bezeichnung 11 Absorberdach mit Überdeckung Blechdach, wie vorher beschrieben, jedoch mit optisch und witterungsdurchlässiger Überdeckung zur Anhebung des Temperaturniveaus 12 Energiefassade Verwendung der Außenhaut eines Gebäudes als Wärmeaustauschfläche zur Gewinnung von Umgebungsenergie. Die gewonnene Energie wird über ein eingebautes Rohrleitungssystem und einen geeigneten Wärmeträger aus der AuBenhaut abgeführt und über eine Wärmepumpe für Heizzwecke verwertbar gemacht. Es kann sich auch lediglich um eine Blechverkleidung an der Außenwand handeln, in der, ähnlich wie beim Absorberdach, Kanäle eingebaut sind, durch die mittels eines Wärmeträgers Umgebungswärme abgeführt werden kann. 13 Energiezaun Wärmetauscherfläche zur Gewinnung von Umgebungsenergie, ähnlich wie beim Absorberdach, jedoch mit einer Formgebung, die sich als Zaun verwenden läßt Schematische Darstellung Fortsetzung Abb. 35 Erklärung - 61 - Nr. Bezeichnung 14 Wärmepumpe Energieträger Umgebungsluft Gewinnung indirekter Sonnenenergie aus der Umgebungsluft mit Hilfe des Wärmepumpenprinzips, Antriebsenergie Elektrizität, flüssige oder gasförmige Brennstoffe 15 Wärmepumpe Energieträger Erdreich Gewinnung indirekter Sonnenenergie aus dem Erdreich mit Hilfe des Wärmepumpenprinzips, Antriebsenergie Elektrizitaet, flüssige oder gasförmige Brennstoffe 1 G 17 Scheme Darstellung Erklaerung Waermepumpe üCr, epumpe Energietraeger Grund- oder Laufwasser Gewinnung indirekter Sonnenenergie aus dem Grund- oder Laufwasser mit Hilfe des Waermepumpenprinzips, Antriebsenergie Elektrizitaet, flüssige oder gasförmige Brennstoffe Waermepumpe Energietraeger Umgebungswaerme Gewinnung indirekter Sonnenenergie aus der Umgebungswaerme mit Hilfe des Waermepumpenprinzips, Antriebsenergie Elektrizitaet, flüssige oder gasförmige Brennstoffe Fortsetzung Abb. 35 - 62 - 4.2 Passive Solarsysteme Eigentlich wird Sonnenenergie in jedem Hause passiv genutzt. Man denke nur an die waehrend sonnenreicher Wintertage durch die Fenster einfallende gemeinhin als behaglich empfundene Sonneneinstrahlung. Doch beruhen solche Effekte mehr auf Zufaelligkeiten als auf energiebewußter Planung. Unter passiven Solarsystemen im engeren Sinne werden Systeme verstanden, bei denen die Sonnenenergie allein durch entwurfliche und baukonstruktive Maßnahmen ohne jegliche technische Hilfsmittel einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung des Heizenergieverbrauchs leistet. Passive Systeme sammeln, speichern und verteilen die Sonnenwaerme als Einheit und benötigen keine speziellen Solarkomponenten. Kollektor, Waermespeicher sowie Waermeabgabeflaechen auf der einen Seite und Gebaeudekonstruktion auf der anderen Seite 77MTIIWIF7701571515711 11/177W7.11 36, M1111 a 1111140/451111 /157115147 n 51/4515011157111111(16115 570151167S1O 1A541151657 CF11JA51) 1•1175 1.neo loa An 11511504115/ 1117171 5311GEL 7-501/19 • 15/110:16LLS 2-sw6 mocur TiE BE WOW/ KM SPE1017114.471 SRC 11/1117,71111717170 1E11111411111157116 t 50 2.0G. rS. Fl 431111475 54771151017.1141/15, PLA77E111111GE 111111101911151 117577111111 11111511 711114175 FOG WFIrrEW !O. 00.35,_79i4K EG 57071111 g 1 I ,475 4-- 17551115111115 4 1107 111 .5101.57•411111 • 19 as TIIISTS1141 4145. /.5 ESTRIC1 NIT <M. 11077771/17K • 7 <a 51100E11K 1 aft 1.5 to 7511 1 511 Wait )1574641111751 Iii I 7W7E1A1V1EI 101-7% 715110511•05115111 6115117E C7115111 Ti 6llIt1111 [17 5111151, 55/79115 1016111111151 -1117 11,5 TM I76E111-111Pf1 1190f1U71111 air 5101411 Lft EI5S00.171 51151771 MM 1757117171 17511111 011fE7-1/1/01S Mal% 15-75a 11.111111/ /I711171-711RUS1111 11.71771-1111111 014/011 ITS 25. In La FE*71- 71715 (.111U 117751.111YE - 117371/1 771777151$ ein Energiesparhaus in Berlin Abb. 36: Entwurf (Architekten Kilpper + Partner /26/ - 63 - sind miteinander identisch und können nicht wie bei aktiven Systemen voneinander getrennt werden. Dennoch erlaubt passive Energienutzung erstaunliche Variationen bei der Entwurfsarbeit, auch wenn die Entwürfe stets als Antwort auf die mikroklimatischen Bedingungen angesehen werden müssen. Generell basiert die Wirkung passiver Systeme darauf, daß Sonnenenergie • entweder durch transparente Bauteile wie Fenster, Oberlichter und Gewaechshaeuser gesammelt und durch die Innenbauteile gespeichert wird, um erforderlichenfalls als Heizwaerme an das Gebaeudeinnere abgegeben zu werden • oder aber über die nichttransparenten Bauteile wie z.B. Außenwaende genutzt wird, indem diese die Funktionen der Energiegewinnung, der Speicherung und der Verteilung übernehmen. Übliche Isolierverglasungen lassen Licht mit Wellenlaengen zwi- schen etwa 390 bis 780 nm praktischohne Behinderungen durchtreten® Sie sind damit für ca. 80% des sichtbaren Lichts durchlaessig, und zusaetzlich wird auch ein Teil des Infrarotspektrums bis ca. 2700 nm,der sogen. Waermestrahlung, hindurchgelassen. Wellenlängen in (nm) VV §P.§§§?.?..g §11!1§PA/„ 9.11 eillia".91111111111•M=====m111111 1 011111111101111111111111111111111111111111111IMINEMI 1 011111111101011111111101101111111111111111111011111111 1 11111110111101111110111111111101111101111110111111M1 1 I 11111111111111111111111111111111111111111111111110111111 I 111111111111100111111101111111111111111111111111•1011111. I 1111101•11111110111111111111011•011••111•111111101 I 1110110111111111111111111111111111111011111101111111111 I 1111111111111111•01101101111111111111111111111111111111 Abb.37 Durchlaessigkeit für Lichtund Waermestrahlung bei normalem Glas /27/ Im Rauminneren wird einfallendes Licht bei Auftreffen auf nichttransparente Flaechen (Möbel, Waende, Decken) absorbiert und in langwellige Waermestrahlung umgewandelt, für die Glas im Bereich von ca. 4000 bis 60000 nm undurchlaessig ist, so daß sich der hinter Glasflaechenliegende Raum allmaehlich erwaermt. Glas wirkt also in Abhaengigkeit von der Intensitaet der Einstrahlung als . ”/aermefaIle". - 64 - Abb.38 : Waermefallenwirkung des Fensterglases /28/ Die Untersuchung der Wirkungsweise von Fenstern als Kollektor führt unmittelbar zu neuen Überlegungen, Waende und Verglasungen in bisher unüblicher Kombination zu verwenden, wie die nachstehenden Beispiele zeigen. Verglasungen dienen nicht mehr nur der Belichtung der Innenraeume, sie tragen auch zur Erwaermung bzw. zur Reduktion von Waermeverlusten bei. Wetterhaut Dämmschich .-. n.111.,'• • ' (!Iw Beweglicher Sonnen- - -7/ schutz Abb.39 : Direkter Energiegewinn durch Sonnenfenster/8/ - 65 - Wetterhaut egulierbare Off nung Bewegliche Wärmedämmschicht i vf. , , . Regulierbare Öffnung -• -..,.. ...,.. -,..eor• 4,_.,.., i 1 1.1. i t 1. . . :i. .404Tat4,4. •, ' .. 4.....,..q. 2, '40,. /[1 16 iiiI r ' II I if 111 Abb.40 : Indirekter Energiegewinn durch verglaste Außenwand (Trombe-Wand-Effekt) /8/ Wetterhaut Dämmschicht Regulierbare .Offnung Speicherwand Regulierbare Bewegliche Wirrnedämmschicht Öffnung Glas "'"14,iitirz:Afisr.orsar•fir DJLrj Iit rItJVtIt1 •Iimititsfshrzil 11 1 1 III If Abb. 41: Indirekter Energiegewinn durch vorgelagerte Pufferzone (Treibhauseffekt) /8/ - 6 6 - Bestimmte Formen der Be- und Entlüftung, der temporaere Waermeschutz, Maßnahmen des sommerlichen Waermeschutzes sowie die Ausnutzung der Speicherfaehigkeit ausgewaehlter Bauteile verbessern die Effizienz passiver Solarsysteme und eröffnen ein weites Feld prinzipieller Möglichkeiten zur passiven Nutzung der Sonnenenergie. Einen Überblick über Grundkonzeptionen vermittelt Abb. 42. Bereits in den Übergangszeiten können Raeume in Gebaeuden mit passiver Solarenergienutzung durch die Sonnenstrahlung überwaermt werden. Sonnenschutzeinrichtungen sind daher unabdingbarer Bestandteil solcher Konstruktionen. Sie sollten außen angeordnet werden, damit der größte Teil der eingestrahlten Energie gar nicht erst in die Raeume gelangt. Sie müssen aber andererseits auch so konstruiert sein, daß natürliches Licht in seiner vollstaendigen spektralen Zusammensetzung in ausreichendem Umfang in die Raeume gelangt. Sonnenschutzeinrichtungen sollten daher so geplant werden, daß die direkte Sonnenstrahlung bis ca. 60° ausgeblendet und die hohe Leuchtdichte des Zenitlichtes in Bereichen zwischen 60 und 90° für die Raeume genutzt wird. - 67 - Grundkonzepte „passiver" Sonnen-Heizsysteme* 1 I Südfenster als Sonnenkollektor 2 zusätzlich bewegliche Dämmung 11 Speichermasse a diffus t' 3 äc D ' t c PIMA e ai 00 u E b - ' b SA* arft• it zu beachten: Wärmeverlus' durch große Glasflächen, Sonnenschur; im Sommer, evtl. Überhitzung' Konflikte: 3 zusätzlich temporärer — Wärmeschutz II Speichermasse nicht diffus Über nach Süden orientierte Verglasungsflächen dringen die Sonnenstrahlen tief in den Raum ein. Die Wärme wird in den raumumschließenden, massiven Bauteilen gespeichert und mit einer Zeitverschiebung an den Raum zurückgegeben. Außendämmung gegen Außentemperaturschwankungen und temporärer Wärmeschutz der Südfenster sollten in Betracht gezogen werden. tmntnuutratmtg a Aussicht ^Möbelierung D. Wright 2 tiiz411 t+7 tittanu " 3 zusätzlich temporärer Wärmeschutz 4 dicke, dunkelfarbige Speicherwand a MasseSpeicherwand n tawtmxuNtreiec -= _ is dtt F. Trombe b 5 zusätzlich beweglicher Wärmeschutz 6 Wasserbehälter I u EV E = 3 W asser- w St. Beet Nimrt±_a4 1j17°a'et't"""ttz Speicherwand Beide Systeme sind oft verwendet. b Eine nach Süden orientierte, massive Wand mit dunkel gestrichener Oberfläche (bessere Wärmeaufnahme). Sie ist auf der Außenseite mit einer Verglasung abgedeckt. Der Wohnraum liegt hinter der Wand. Ta gsüber speiche rt die Wand Sonnenurcraung Strahlungwewiezeitc verschoben verscoen durch wärme und un gibt sie zeitlich der an den Raum ab. Für sofortigen Wärmegewinn wird die zwischen Wand und Glasabdeckung entstehende Warmluft üb er Öffnungen in den Raum geleitet. zu beachten: Überhitzung Speicherung Konflikte: Aussicht, Zugang, Systemdimensionierung Im Prinzip das gleiche System wie die Masse-Speicherwand (Trombe-Wand, 2a). Das Speichermedium ist Wasser, das bei gleichem Volumen die doppelte Wärmespeicherkapazität von Beton besitzt und die Wärme gleichmäßiger über die Fläche verteilt. Die Wärmeaufnahmefähigkeit ist durch die niedrigeren Oberflächentemperaturen höher. Probleme entstehen bei den 3ehältern Im Prinzip das gleiche System wie die Wasser-Speicherwand. Das Wasser befindet sich bei diesem Typ auf dem Dach. Eine bewegliche Wärmedämmung ist unerläßlich, um unerw•ünschte Wärmeverluste im Winter zu vermeiden und an Sommertagen die Aufheizung des Wassers zu verhindern. Probleme: ,zusätzliche Dachtaste, Diese Raumform entspricht dem Wintergarten, Atrium oder Gewächshaus. Ein nach Süden orientierter, voll verglaster Raum, der gegen den Wohnraum abgeschirmt ist. Es entsteht saisonbedingter zusätzlicher Wohnraum. Als Speicher kann eine Masse- oder Wasserüand dienen. Die Warme kann aber auch in Fußboden oder Decke des Wohnraumes gespeiche rt werden und mittels Ventilator an den Raum abgegeben werden. zu beachten: Sonnenschutz und Durchlüftung im Sommer Dieses System nutzt den Temperaturunterschied innerhalb des W armetransportmediums aus (in diesem Fall Luft), um einen Kreislaufzwischen Kollektor und Speichermasse in Gang zu bringen. Ein kleiner Ventilator zur Unterstützung der Zirkulation kann erforderlich werden. Die Speichermasse kann im Fußboden oder in der Decke des Wohnraumes untergebracht werden. zu beachten: der Kollektor muß sich unterhalb der Speichermasse befinden vwtUt+•. exte:äei C c 7 bewegliche Dämmung (nachts zu) 8 Metalldecke WasserDachSpeicher 7-,-,--= " e Konflikte: die flacheinfallende Sonne e v - G. Löf 3 yxrxtnrauatnr: 9 zusätzliche Dämmung Glas 10 Sonnenschutz 11 Speichermasse a Sonnenraum r^? v = -, p a $ „ ^, i c , 1 = eao ,. D. Balcomb rrz 3 iS b mThermosyphonSystem 3 temporärer Wärmeschutz 12 Warmluftkollektor (im Sommer abgedeckt) 13 Steinspeicher - "` .. 3 t . ° _ ±, t yp t '•- ` r/ f/ II ' * Ralph Lebens Abb. 42: Grundkonzepte zur passiven Nutzung der Sonnenenergie /29/ - 68 - 4.3 Waermes2eichersysteme Eines der größten Probleme bei der Nutzung der Sonnenenergie liegt darin, daß die Sonnenstrahlung tages- wie auch jahres- zeitlich betraechtlichen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen resultieren aus dem Wechsel zwischen Tag und Nacht, aus den tages- und jahreszeitlich bedingten unterschiedlichen Sonnenstaenden und den gerade in unseren Breiten haeufig wechselnden Bewölkungsverhaeltnissen. Es ist daher notwendig, Zeiten, in denen die Sonne nicht oder nur selten scheint, durch den Einsatz geeigneter Zusatzsysteme zu überbrücken. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten: 1. Speichern der aus der Sonne gewonnenen Waerme für Zeiten mit wenig oder gar keinem Sonnenschein, 2. Einsatz sogen. bivalenter Systeme, die im Bedarfsfall das Solarsystem unterstützen. Primaer sollten solche Zeiten durch Einsatz eines einfachen Speichersystems überbrückt werden. Erst wenn nach Nutzung dieser Möglichkeiten noch ein Restenergiebedarf verbleibt, muß ein Zusatzheizsystem vorgesehen werden. Welche Zusatzheizung für den jeweiligen Standort am wirtschaftlichsten ist, muff im Einzelfall entschieden werden. In der Praxis werden heute schon eine Fülle von Möglichkeiten angeboten, angefangen bei konventionellen. Zentralheizungen über Anlagen zur Waermerückgewinnung bis hin zur Nutzung der Umgebungswaerme über Waermepumpen u.a Ein Speicher kann Waerme durch Temperaturerhöhung (Kapazitaetsspeicher) oder durch Aenderung des Aggregatzustandes (Latent- speicher) des Speichermediums in sich speichern. Waehrend im ersten Fall die gespeicherte Waermemenge von der Temperatur des Speichermediums abhaengt, laeßt sie sich im zweiten Fall bei nahezu konstanter Temperatur speichern. Heute werden am haeufigsten Wasser-Waermespeicher benutzt, obwohl Korrosionsprobleme gelegentlich Schwierigkeiten bereiten können. Wasser besitzt im Vergleich zu anderen Speichermedien - 69 - (Gestein, Erdreich) die größte Speicherfaehigkeit, und zwar speichert 1 m 3 Wasser 4,2 MJ/K. Wegen der geringen Materialkosten von Steinen bei relativ guter Waermekapazitaet und der unkomplizierten Bauweise werden diese gern zur Waermespeicherung benutzt. Es ist jedoch zu beachten, daß Gesteins-und Schotterspeicher mit Luft als Waermetraegermedium etwa das drei- bis vierfache Volumen von Wasserspeichern bei gleicher Leistung benötigen. Wenn die Waerme über die Luft, wie dies bei passiven Systemen haeufig der Fall ist, an den Speicher abgegeben wird, ist ein Gesteinsspeicher trotz des großen Volumens am sinnvollsten. Durch einen Brauchwasserspeicher als Kern des Steinspeichers können die Vorteile beider Speichermedien genutzt werden. 1. SONNENSTRAHLEN 2. SONNENKOLLEKTOR WASSERSPEICHER 3. UNTERIRDISCHER ISOLIERTER WASSERTANK 4. STEINSCHOTTUNG IN ISOLIERTEM SPEICHERRAUM 5. DICKE BETONWAND ALS SPEICHER (AUSSENSEITE SCHWARZ) 6. WARIB4ASSERTANK STEINSCHOTTUNGSSPEICHER 7. WARMEABGABE 8. KALTLUFT STEINSCHOTTUNGS-WASSER-SPEICHER NACH: P.R. SABADY "SOLARBAUTECHNIK" SCHWEIZER BAUDOKUMENTATION BHMSV 000 75 OKTOBER 1976 Abb. 43: Speicherarten /25/ Verschiedentlich wird auch Erdreich als Speichermedium vorgeschlagen. Hierbei wird von der Sonne erwaermtes Wasser durch in der Erde verlegte Rohrleitungen gepumpt, um dadurch den Boden zu erwaermen. In Zeiten erhöhten Waermebedarfs wird die gespeicherte Waerme dem Boden mit Hilfe von Waermepumpen wieder entzogen. - 70 Für Speicher, welche die latente Waerme ausnutzen, bieten sich vor allem Salzhydrate an, die in ihrem Kristallwasser schmelzen. Sie nehmen dabei Schmelz- und Hydrationswaerme auf und geben diese beim Erstarren wieder an die Umgebung ab. Latentpeicher können pro Volumeneinheit erheblich mehr Energie speichernd als die Kapazitaetsspeicher. Sie weisen im Vergleich zu einem Warmwasserspeicher eine mehr als fünffache SpeicherLaehigkeit auf. Speichersysteme dieser Art sind im Wohnungsbau derzeit noch nicht üblich. Speichermaterial Speichermenge in MJ/m3 Kapazitaetsspeicher 167 Wasser Gestein 80 Ziegel 52 • • • 60 Erde (trocken) 34 • • • 68 112 L-151-= 40 K j,atentspeicher Glaubersalz (Na 2 SO 4 *10 H 2 O) 389 14 K Abb. 44: Speicherfaehigkeit verschie- dener Speichermaterialien Die einfachste Möglichkeit, Waerme zu speichern, liegt in der Nutzung der Speicherfaehigkeit der Innenbauteile eines Gebaeudes. Dies gilt vor allem für die direkt von der Sonnenstrahlung getroffenen Innenbauteile. Waehrend der Einstrahlungsphase - 71 - wird die auftreffende Sonnenstrahlung absorbiert und in langwellige Waermestrahlung umgewandelt, die von den speichernden Bauteilen aufgenommen und bei fehlender Einstrahlung an den Raum abgegeben wird. Wie bereits erwaehnt, wirken sich schwere Bauteile ausgleichend auf Schwankungen der Raumtemperatur aus (vgl. Abb.45 ). Damit sind speicherfaehige Innenwaende bei Haeusern mit passiver Sonnenergienutzung eine der wichtigsten Maßnahmen für ein ausoeglichenes Raumklima. 111111111111111111111111111111111111111111111111111111 Temperaturverlauf eines tunes im uli 15 cm dicke Innenwände-t—I— aus verschiedenen Baustoffen -RI' 1111111111111111111111111M11111111M1111111111111M111 1111111111111111111111111111111. 1 11111n21MMINIMMIIIIZ INIMI11111111111111111111M111111111EMEM 111111111111111111111111/21111111PP'EN1111111111 Wärmespeicherung: Fähigkeit der schweren Wand, durch ihr Wärmebeharrungsverrnögen eindringender Wärme und Kälte erfolgreich widerstehen zu können. Günstig bei plötzlichen Temperatureinbrüchen oder bei Heizungsdefekt. Für die Wärmespeicherung sind alle raumumschließenden Bauteile, also auch Wände und Decken, von Bedeutung, auch die Wärmespeicherfähigkeit der Innenwände beeinflußt die Raumtemperatur entscheidend. mommummumiciduliteimmis mommmurramommiramift milumwmintramminmmumumir. ArroPso . lumumsmosionumumonasziase metroaa-1111111111111110111111111111111 II r ik":1111111111111111111111111111111111111111111111111111 Si Abb. 45: Einfluß der Speicherfaehigkeit verschiedener Innenwaende auf das Raumklima /30/ Dennoch , ist zu überlegen, ob nicht zusaetzlich ein spezieller Speicher in Form eines Kapazitaetsspeichers vorgesehen wird, dessen Speicherwaerme kontrolliert genutzt werden kann. Hierfür ist ein Mindestmaß von Technik zur "Aktivierung" des Systems nötig, z.B. je nach S p eichersystem Pumpen, Rehrleitungen, Ventilatoren. Das Speichervolumen haengt davon ab, für welche Zeitraeume der Speicher Waerme liefern soll. Ein Kurzzeitspeicher kann die Waermeversorgung bis zu einer Dauer von mehreren Tagen übernehmen.Durch Langzeitspeicherung wird der Waermeüber schuß des Sommers für den Winter gespeichert. Die letztgenannten Speicher sind zwar generell realisierbar, aber nach dem heutigen Stand der Technik noch unwirtschaftlich. - 72 - Entscheidend für die Effizienz eines Speichers ist neben einer guten Waermedaemmung aehnlich wie bei den Baukörpern das Verhaeltnis zwischen der Hüllflaeche und dem von ihr, eingeschlossenen Volumen. Um die Waermeverluste des Speichers dennoch zu nutzen, wird gelegentlich vorg eschlagen, den Speicher zentral im Gebaeude anzuordnen (vgl. Abb.46 ). Allerdings geht eine derartige Lösung auf Kosten der Wohnflaeche und kann u.U. auch zu Problemen bei der Gestaltung des Grundrisses führen. Schnitt Abb. 46: Entwurf für ein Enerciesparhaus in Kassel /.),/ - 7 3 5 Planerische und konstruktive Maßnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung der Wärmegewinne Sämtliche Maßnahmen zur Minimierung des Energieverbrauchs und zur Steigerung von Wärmegewinnen werden im wesentlichen durch standortspezifische und gebäudespezifische Parameter geprägt. Standortspezifische Parameter sind nicht veränderbare Größen, wie z.B. geographische Lage, Topographie, Jahresgang der Außentemperaturen, Niederschläge, Wind, Sonneneinstrahlung, die je nach Größe und Intensität einen mehr oder weniger großen Einfluß auf die Gesamtkonzeption ausüben und im Extremfall sogar dominieren können. Liegt erst einmal der Standort für ein Gebäude fest, müssen alle am Planungsprozeß Beteiligten aus dem Standort resultierende Parameter, die Einfluß auf einzelne Konzeptionsbereiche oder möglicherweise auf die gesamte Gebäudekonzeption haben können, feststellen und entsprechend berücksichtigen. Doch sollten über die Suche nach neuen Konzeptionen bewährte Lösungen nicht aus den Augen verloren werden. Ebenso wie sich in den verschiedenen Klimaten im Laufe der Zeit bestimmte Bauformen entwickelt haben, wurden und werden in einzelnen Regionen zur Abwehr der durch das Klima geprägten Einflüsse bestimmte Baustoffe und Bauarten verwendet. Beispielsweise wird einschaliges Mauerwerk vorwiegend im süddeutschen Raum eingesetzt, während man in Norddeutschland häufig dem segen. Luftschichtmauerwerk den Vorzug gibt. 5.1 Umweltbedingunaen Früher war es selbstverständlich, Hauser windgeschützt anzulegen. Dörfer hatten einen umgebenden schützenden Baumoder Heckengürtel, Aussiedlerhöfe, freistehende Gehöfte, die von der Dorfgemeinschaft getrennt errichtet wurden, schützten sich, zumindest vor der Hauptwindrichtung, durch dichte Bepflanzung oder Erdwälle. Doch die zunehmende Entfernung von traditionellen Techniken und Bauformen brachte auch einen Verlust des Gefühls für die korrelierenden Bedingungen durch standortund gebäudespezifische Einflüsse mit sich. n ^^ ^ }•, ^^ . ^' _ v^ r^r.R -tag^; ^ ^ ^^ iTß ^7y_, - 75 - So war auch die Bepflanzung als Mittel des thermischen Schutzes in Vergessenheit geraten, und erst in den letzten Jahren hat man sich wieder dieser Möglichkeiten erinnert. Daß mit der Rückbesinnung auf traditionelle Methoden des Windschutzes der richtige Weg beschritten wird, zeigen u.a. Messungen von Frank /75/ an zentralbeheizten Wohnblöcken.Danach nimmt der Heizwärmeverbrauch zwischen 4 und 9% zu, wenn die Windgeschwindigkeit um 1 m/s steigt Ein Beispiel für die Anpassung an besondere Windverhältnisse stellt die sogen. Cabane der Carmargue/Rhodendelta dar (Abb. 48). Da in dieser Gegend häufig ein kalter Landwid (Mistral) weht, hat sich eine Gebäudeform entwickelt, die in Windrichtung abgerundet ist und dort nur wenige kleine Öffnungen aufweist. Auch verdichtetes Bauen kann unter dem Gesichtspunkt einer Anpassung an spezielle Windverhältnisse praktiziert werden, wie Abb. 48a zeigt. Doch ist einschränkend zu bemerken, daß solche Lösungen mit einer Vergrößerung der Windangriffsfläche einher gehen und unter Umständen den Heizenergieverbrauch ungünstig einflussen. Außerdem weht in unseren Breiten der Wind vorwiegend aus nördlichen Richtungen, so daß die aus Gründen der passiven Solarenergienutzung gewünschte Öffnung der Gebäude nach Süden nicht oder nur unzureichend erfolgen kann. - 76 - Abb. 48: Cabane in Südfrankreich WIND r^ ^ Y n ARBEUFM ARBEIIEM qQ ^ ^ ^^^ _K91fl^^Eg^^ p U 1 1 u Obi ^ . v1 4•1 IEmIMEM ^^ r-•u-^.-. ► ((^^jjl_, .^ t^ M!1 - s i1 1111101W MI[St. 400 ^^1621 .01, r_.^ _^_^^^ t7.00 ANIN. +•4 ►0 ti al iJ al(IELLELIci, • y '1/4 DER A4CNITE •1:J! T J REIHENHAUS - WOHNAN AGE HAGEN- ERPEMHAUSEN EPPENHAUSER STRAS E 161 HERDECKE, 18 57 1,7E Asti - 77 - Für niedrige Gebäude (max. vier Geschosse) bietet ein dichter Baumbestand außerdem im Sommer einen nahezu idealen Sonnenschutz. Beim Stoffwechsel der Bäume werden durch Verdunstung über das Blattwerk große Mengen Wasser an die Umgebung abgegeben. Dadurch wird der Umgebungsluft Verdunstungswärme entzogen, so daß die Temperaturen im Baumschatten durchschnittlich um 3 bis 5°C unter denen im Gebäudeschatten liegen. Diese Temperaturdifferenz wirkt sich günstig auf die Fensterlüftung aus. Im Winter, wenn die Wärme der Sonne genutzt werden soll, behindern die laubfreien Bäume die Sonneneinstrahlung nur wenig. Abb.49 Abb. 50 Laubbäume schirmen im So mmer von tu starker Sonneneinstrahlung ab und lassen im Winter Energie gewinne infol ge dieser Einstrahlung zu. /33/ _ 79 _ Hausnahe Bepflanzungen wie auch direkte Bepflanzungen der Fassaden bilden also 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 Wärmeübergangswiderstandes 1/p<, a zu erklären, und zwar weist geringer bewegte Luft eine höhere Wärmedämmfähigkeit auf als stärker bewegte Luft. Abb. 51: Verminderung der Auskühlung der Außenwandfläche durch Fassadenbegrünung /34/ Auch zum sommerlichen Wärmeschutz können Fassadenbepflanzungen und hinterlüftete Außenwandkonstruktionen einen positiven Beitrag leisten, weil bei genügend großem Zwischenraum die angestaute Wärme durch Luftzirkulation entweichen kann (Kaminwirkung). - 80 - Die Temperaturen im Außenbereich können vor allem im Süden und Westen auch durch frei aufgestellte dunkle Wände beeinflußt werden.Diese speichern die eingestrahlte Wärme und geben sie allmählich wieder an die Umgebung ab. Hierbei sollten bestimmte Abstände vom Gebäude nicht unterschritten werden, um Verschattungen zu vermeiden und den Ausblick nicht zu verstellen. Außerdem müssen diese Wände so angeordnet werden, daß der Außenraum noch gut nutzbar ist. Ihre Höhe sollte etwa ein Drittel des Abstandes zum Gebäude betragen, d.h. z B., daß die Höhe bei einem Abstand von der Fassade von 5,0 m ca. 1,60 m betragen soll. Städte und Industrieansiedlungen verändern das Mikroklima in merklicher Weise. Bekanntlich liegt die Lufttemperatur in Großstädten im Jahresmittel etwa 1°C über jener der unbebauten Umgebung. Erklärt wird diese Erscheinung mit der Verringerung der Strahlungsintensität durch Luftverunreinigungen, der Speicherfähigkeit der Gebäude und anderer Bauwerke sowie die während der kalten Jahreszeit durch Beheizung freiwerdenden Wärmemengen. Außerdem können die Niederschläge in Städten nicht im gleichen Maße im Boden versickern wie im unbebauten Gelände, so daß sich der Einfluß der Verdunstungskälte auf das Mikroklima verringert. Zusammenfassung Wärmeverluste über die Gebäudehüllfläche 4 geschwindigkeit Umgebungstemperatur Win anheben herabsetzen Nik Ausnutzen der topographischen Bedingungen (exponierte Lagen vermeiden) Bepflanzung durch Hecken und Bäume Fassadenbegrünung Anschüttungen Öffnungsan eile in Windrichtung klein halten Belichtung sichern (Gebäudeabstände, Bepflanzung) Fugen gut dichten, Fugendurchlaßkoeffizient der Fenster minimieren - 81 - 5.2 Gebäudeareometrie Der Zylinderkopf eines luftgekühlten Verbrennungsmotors ist so konzipiert, daß die Verbrennungswärme über eine möglichst große Oberfläche so rasch wie möglich abgeführt werden kann (Kühlrippeneffekt). Doch was beim Verbrennungsmotor beabsichtigt ist, wirkt bei beheizten Gebäuden geradezu energieverschwenderisch, denn im Gegensatz zum Verbrennungsmotor soll die Wärme möglichst lange im Gebäudeinnern verbleiben. Abb. 52: Marina City Towers, USA Der Transmissionswärmebedarf eines Gebäudes ist direkt proportional zur Größe seiner Umfassungsfläche. Je geringer die wärmeau5tauschende Hüllfläche eines Gebäudes im Verhältnis des von ihr eingeschlossenen Volumens ist, desto kleiner ist der volumenspezifische Wärmebedarf (vgl. Abschnitt 2, Glchg. (0.1). Damit stellt das Verhältnis F/V , die sogen. "geometrische Kompaktheit", eine geeignete Kenngröße dar, um die energetische Qualität zu beschreiben. = 18 a' F - 4 a3 V F/V - 4,5/a F = 16 a2 4 a' = V 4/a F/V = F V F/V = 18 a2 = 4a3 4,5/a a a F V F/V a/3 = 24 a2 4 a' = = 6/a /3 = 28,7 a2 = 4 a' = 7,2/a a/6 Abb. 53: F/V bei konstantem Volumen - 33 Setzt man unter Annahme einer Geschoßhöhe von 2,75 m für a = 16,50 mein, so geben die in Abb.53 dargestellten Gebäudeformen in etwa den Bereich der in Anlage 1 Tabelle 1 der Wärmeschutzverordnung aufgeführten F/V-Werte wieder. Obwohl sich das Baukörpervolumen in keinem Falle verändert, schwankt das F/V-Verhältnis zwischen 0,24 und 0,85. Damit ist der volumenspezifische Transmissionswärmebedarf der Teppichbebauung bei gleichbleibendem Wärmeschutz (k m = const.) mehr als dreieinhalbmal so groß wie der des aus vier Würfeln raumartig zusammengefügten Gebäudes. Weiterhin wird die Abhängigkeit von der Gebäudegröße deutlich. Da sich das Verhältnis F/V und der Faktor a als Parameter für die Gebäudegröße umgekehrt proportional zueinander verhalten, wird bei gleichbleibender geometrischer Gebäudeform-F/V mit zuneh- mender Gebäudegröße kleiner (Abb. 54). a = 5 a = 10 m a = 15 m a F/V = 0,90 F/V = 0,45 F/V = 0,30 Abb. 54: Beispiel für die Abhängigkeit von.der'Gebäudegröße' • Die Hülifläche im Verhältnis zu dem von ihr umschlossenen Volumen zu minimieren, ist nur ein Aspekt bei der Erfüllung der Forderung nach Energieeinsparung über den Entwurf. Auch die Nutzung der Sonneneinstrahlung über. sogen. "passive Systeme" beeinflußt die Gebäudegeometrie. So wird man einen möglichst großen Anteil der Außenfläche nach Süden orientieren und im Zusammenspiel mit anderen Maßnahmen, z.B.Bildung von Pufferzonen durch vorgelagerte Wintergärten u.ä., großzügig verglasen, während der gesamte Bereich von Ost über Nord bis West so gestaltet werden muß, daß die nichttransparenten und vor allem die transparenten Transmissionsflächen möglichst klein sind. Dieser Ansatz führt in letzter Konsequenz zur sogen. "Trichterform" mit ausgeprägter Südorientierung (Abb. 55). - 84 - VERTIKAL-SYSTEM Abb. 55:Entwurf für ein Energiesparhaus in Kassel (Architekten Dietz + p artner) /35/ In geradezu idealer Weise werden Minimierung der Wärmeverluste durch geometrisch kompakte Bauform und die Maximierung der Energiegewinne durch solare Einstrahlung durch Verdrehen des Baukörpers mit quadratischer Grundfläche gegen die Südrichtung miteinander verknüpft. Zwar reduziert sich der Einstrahlungsgewinn bei einer Verdrehung um 45° gegenüber der reinen Südorientierung auf jeweils etwa 85%, doch führt die Verdoppelung der besonnten Flächen zu einer Vergrößerung der Energiegewinne auf das 1,7fache (Abb.56 ). - 85 - NM/ kS- SPLICiti ShOti fla CAE • wiNIER-mDRUN (ARNO AriAtC6 YON IVES1E1 Abb. 56: Entwurf für ein Energiesparhaus in Kassel (Entwurf ARGE Energiesparhaus in Massivbauweise)/36/. Auch die Raumhöhen sind bei der Gebäudeform zu berücksichtigen. Während imSüden höhere Räume pas Folge einer guten Nutzung der Einstrahlung sinnvoll erscheinen, können die Räume im Norden niedriger sein. In einfacher Weise verdeutlicht dies auch die Solarhaus-Konzeption von Sokrates. - 86 - ' -46 1 Sonneneinstrahlung auf die Siidfassade im Sommer 2 SonneneinstraNung auf die Südfassade im Winter '3 Gedeckte. Terrasse 4 Wohnraum 5 Vorratsräume als thermische Pufferzone 6 •1solierwand gegen Norden Abb. 57: Solarhaus-Konzeption von Sokrates (4.Jhrh. v. Chr.) /25/ Zusammenfassung Abhängigkeit der Transmissionswärmeverluste von der Umfassungsfläche F/V möglichst klein halten unter Berücksichtigung der k-Werte für die einzelnen Bauteile Verdichtetes Bauen anstreben (geschlossene Bauweise) .1, Kühlrippeneffekte vermeiden Sonneneinstrahlung nutzen -87 - 5.3 Zonierung des Gebäudes Die Wärmestromdichte in einem Bauteil ist unter anderem abhängig von der Differenz zwischen innerer und äußerer Oberflächentemperatur, dem sogen. Temperaturgefälle. So wie man bei Flüssen Staustufen anlegt, damit die Strömung nicht zu reißend wird, kann man den Wärmestrom von innen nach außen durch Zwischenschalten von Pufferzonen verzögern. Schattenpuffer Theffnikpuffer Windpuffer Sonnenpuffer Bodenpuffer (,) Pufferhmich atelhereich Abb. - 58 Elneang Loggu Abet Z.1 PLENAR-Haus, schematische isometrische Darstellung und Grundriß /37/ Ein Vorteil dieses Prinzips ist, daß man in der kalten Jahreszeit die Wohnfunktionen auf den eigentlichen Kernbereich (Reduit) konzentriert und die Bewohner je nach den außenklimatischen Verhältnissen die Pufferzonen variabel nutzen können. Natürlich erfordert die Einplanung eines zentralen Rückzugsbereiches ein überdenken der gewohnten Grund- - 88 - risse. Man wird den Raum,der hauptsächlich den Wohnfunktionen dienen soll, nicht exponieren, sondern im Sinne einer Temperaturzonierung zum Kern des Gebäudes hin orientieren und ihm eine Pufferzone, z.B. in Form eines Wintergartens, nach Süden hin vorlagern. Man nähert sich damit wieder früher praktizierten Wohnvorgängen, als die Küche sozusagen der "Allraum" für alle möglichen Aktivitäten war und der Küchenherd neben den Speisen und Getränken auch den Raum erwärmte. Die "gute Stube" dagegen wurde nur zu besonderen Anlässen genutzt und beheizt (siehe Abb. 59 ). Abb. 59 Frühere Küche, der "Allraum" - 89 - Bei konsequenter Anwendung des Temperaturzonenprinzips liegen im Kernbereich Bad und WC, ggf. Küche und Teile des Wohnraumes mit einem Wärmeerzeuger. Nach Norden schließen sich Schlafräume und sekundäre Aufenthaltsbereiche mit feingestaffelter Temperaturzonierung an. In diesem Zusmmmenhang erhebt sich die Frage, inwieweit für alle Aufenthaltsräume generell eine bestimmte Mindesttemperatur sinnvoll und richtig ist. Vom energetischen_Standpunkt ebenso wie vom medizinischen ist infrage zu stellen, ob gleichmäßige möglichst konstante Raumtemperaturen erforderlich sind. Der äußere, unbeheizte Pufferbereich wird durch verglaste Laubengänge, Garagen, Bodenraum, Keller und an der Südseite durch Wintergärten oder Gewächshäuser gebildet. Entsprechend den Außentemperaturen können sie sich schrittweise öffnen, so daß im Sommer übergangszonen entstehen und sich der Innenraum mit der GebäudeUmgebung verbindet. Somit entsteht eine spezifische Sommer-Winter-Nutzung.Wintergärten und Laubengänge sind durch verschiebbare oder hochklappbare Glaspaneele im Sommer als durchlüftete Freibereiche verwendbar und müssen ihrerseits eine ausreichende Belüftung der dahinterliegenden Wohnbereiche garantieren, damit im Sommer nicht unerträglich hohe Innentemperaturen im Kernbereich auftreten. lorurg des kunidasses sit Abriehrnerahts lernperofirgeldItt von men noch Bosun Spealm: 1091.26.1. fer Sotemos Abb. 60 : Grundrißzonierung und -disposition /15/ - 90 - Eine schon heute im allgemeinen vorgesehene Pufferzone ist der Windfang.Er hat allerdings nicht nur Pufferfunktionen zu erfüllen, sondern soll als Luftschleuse den Luftaustausch zwischen beheiztem und unbeheiztem Bereich auf ein Minimum beschränken. Zusammenfassung Zonierung des Gebäudes Temperaturgefälle von innen nach außen verringern durch unterschiedlich temperierte Räume Konzentrieren der Wohnfunktionen auf den Kernbereich Einschalten von unbeheizten Pufferzonen Wintergärten, Laubengänge, Treppenhäuser u.ä. außen vorlagern 5.4 Wärmedämmung der Gebäudehülle unter Berücksichtiqung der Wärmegewinne über die transEaTeTiTeri-AuEenEa5tile Maßnahmen der Wärmedämmung beeinflussen den Heizenergieverbrauch nachhaltig. Ausschlaggebend für eine Minimierung der Transmissionswärmeverluste ist die Dämmung der an Außenluft grenzenden Wände und Decken bzw. der Dachflächen, Größe und Art der Verglasung sowie Material und Konstruktion der Fenster. Es gibt Stoffe, die Wärme gut leiten, d.h. viel Wärme durchlassen (z.B. Metalle), und Stoffemiteiner geringeren Wärmeleitung, z.B.Wärmedämmstoffe. Dies unterschiedliche Verhalten wird durch die Wärmeleitfähigkeit beschrieben. Kleine /-Werte stehen für schlechte Wärmeleitung und damit gute Wärmedämmung. HARTSCHAUM KORK HOLZ -TRÖCKENER cDC===voLLDEGEL_IL_J J J GLAS 1====D' 1:=3 L - ) 1 1 1 MI I IN I (=i (1 'N 1-1 itkBET F LJö ) J I 1 1 iF I OCHBAUKLI N KF_R 11W ) NATURSTEIN tp, Cl3 J A .X. XN%X V jE r )r--1 it cp Abb. 58: Die Dicke verschiedener Baustoffe bei gleichem Wärmeschutz r—nS 'III t__1 - 92 Die Wärmeleitfähigkeit für Baustoffe ist wesentliche Ausgangsgröße für wärmeschutztechnische Berechnungen. Sie ist eine stoffspezifische Größe und wird mit genormten Meßverfahren festgestellt. Dabei wird die Wärmemenge in Wattsekungen (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 anderenPublikationenX-Werte 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. Welch starken Einfluß der unterschiedliche Standard der Wärmedämmung von Gebäuden hat,zeigt :die Abbildung 59 am Beispiel eines freistehenden Einfamilienhauses und eines fünfstöckigen Mehrfamilienhauses unter Berücksichtigung der Wärmegewinne durch Sonne, Personen, Beleuchtung usw. Angegeben sind jeweils die Verhältnisse bei Erfüllung der • Mindestanforderungen nach DIN 4108, Ausgabe August 1969 • Wärmeschutzverordnung vom 11.8.1977. • novellierten Wärmeschutzverordnung vom 24.2.1982. *) Bezug durch Bundesanzeiger-Verlagsgesellschaft, Postfach 10 80 06, 5000 Köln 1 - 93 - Wärmegewinne durch Sonne, Personen, Be- m E leucht. etc. ca . 160 kWh/m 2 a - Außenwand Transmission Fenster Transmission Fenster Lüftung /Keller Lüftung ^m Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 August 1969 Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 August 1969 E r: `i Wärmegew. ca. \ 140 kWh/m2a 111 ^ m E H,ei.-warmebedarf ca. 210 .;,:W'h:'m2a 3 E m E Dach Wärmegew. ca . 110 kWh/m2a Außenwand Transmission Fenster Heizwärme beda rf ca. —Lüftung 130 kWh/m2a Keller 5 0 Erhöhter Wärmeschutz nach WSchVO 11. August 1977 ro m E 3 c z Dach Außenwand Transmission Fenster Lüftung Keller Erhöhter Wärmeschutz nach WSchVO 11. August 1977 E Wärmegew. ca . 110 kWh/m2a Heizwärme-. bedarf ca. 130 kWh/m2a Dach Außenwand • Dach /Außenwand Wärmegew. ca. 75 kWhim2a Transmission — Fenster Lüftung Heizwarmebedarf ca. 80 kWh'm2a \ Keller Voraussichtliche Novellierung der WschVO 1982 Jahreswärmebilanz eines freistehenden, 11/2stöckigen Einfamilienhauses Transmission Fenster E Lüftung ^ c Keller z Voraussichtliche Novellierung der WSchVO 1982 e 14 Jahreswärmebilanz eines 5stöckigen • Mehrfamilienhauses Abb. 59: Jahreswärmebilanzen /18/ 15 - 94 - Man erkennt, daß sich die Wärmeverluste durch Anwendung der Wärmeschutzverordnung von 1977 gegenüber den Mindestanforderungen nach DIN 4108 um etwa 25% verringert haben und sie nach Inkrafttreten der Novellierung im Jahre 1984 nahezu hal biert werden . Die Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung und durch innere Wärmequellen nehmen zwar absolut ab, dekken aber dennoch einen immer größer werdenden Anteil an den Wärmeverlusten. Damit verringert sich der anteilige Heizwärmebedarf durch Maßnahmen der Wärmedämmung nicht nur absolut, sondern auch relativ. In diesemZusammenhang kommt den Fensterflächen bzw. Verglasungen besondere Bedeutung zu.Während Wärmegewinne über Wände und Dächer mit wenigen Ausnahmen nur unter Zuschaltung technischer Hilfsmittel, z.B.Absorberflächen in Verbindung mit Wärmepumpen, möglich sind, erzielen Fensterflächen durch passive Kollektorwirkung merkliche Gewinne. 100 '111- durch Sonnenstrahlung zugeführte Warme Eindringende Warme in r i- Zurückgewiesene Wärme m % Nortnalgtas r Einfachscheibe,4mm I 1 73 27 Zweifarhscheibe, Thermopane 11 ,83 11 1 Absorptionsglas 1 Einfachscheibe, Grauglas Einfachscheibe, Griinglas i Zweifachscheibe, Grauglas mit Spiegelglas 40 60 44 56 45 55 . Reflexionsgias Einfachscheibe, mattbedampft 55 45 Zweifachscheibe, mattbedampft mit Spiegelglas 60 40 Einfachscheibe, Goldbelag 71 29 Zweifachscheibe, Goldbelag mit Spiegelglas , 72 . 28 Abb. 60: Verhalten verschiedener Glasarten bei Wärmeeinstrahlung/37/ - 95 - Berechnungen und Messungen von Eggenberger /38/, der den W/cir- medurchgang von Fenstern sowie den strahlungsbedingten Wärmegewinn in Kompensation ermittelte, führten in Abhängigkeit von der Orientierung der Fenster zu dem Ergebnis, daB über südorientierte Fenster mit normaler Isolierverglasung Wärmegewinne erzielt und bei anders orientierten Fenstern je nach Himmelsrichtung die Transmissionswärmeverluste durch die tags über wirkende direkte bzw. diffuse Sonnenstrahlung unterschiedlich stark verringert werden (Abb. 61). effektiver k-Wert in w / (m 2 R) 2,6 Richtung N NO 2,6 0 1,7 SO 0,5 S 0,0 SW 0,8 W 1,7 Abb. 61: effektive k-Werte für normales Isolierglas (4/12/4 mm LZR k-Wert 3,0 W/(m2K) Ort: Bern Zeit: Oktober - April) Wird stattdessen eine Wärmeschutzverglasung vorgesehen, so können die Wärmegewinne noch weiter gesteigert werden: effektiver k-Wert in W/(m2K) Richtung N 1,7 NO 1,6 0,7 SO S 0,0 SW 0,0 0,0 0,8 NW 1 1,5 Abb. 62: effektive k-Werte für Wärmeschutzisolierglas (k-Wert 1,9 W/(m2K)) - 96 - In diesem Fall sind für den gesamten Bereich von SO bis SW erhebliche Wärmegewinne festzustellen. Sogar die Nordfenster zeigen noch leichte Verbesserungen des k-Wertes und tragen damit zur Minderung der Wärmeverluste in Zeiten mit Sonneneinstrahlung bei. Ähnliche Untersuchungen wurden von verschiedenen Stellen angestellt und im wesentlichen jeweils bestätigt. Schon bei Nordfenstern mit den heute üblichen Isolierverglasungen sind danach die Transmissionswärmeverluste infolge diffuser Sonneneinstrahlung geringer, als sie nach der Wärmeschutzverordnung ermittelt werden. Es zeigte sich, daß bei der Bewertung von Fenstern hinsichtlich ihres Wärmegewinns eine Reihe sehr unterschiedlicher Einflußgrößen zu berücksichtigen sind, nämlich: • fensterspezifische Größen wie Wärmedurchgangskoeffizient, Gesamtenergiedurchlaßgrad, Rahmenanteil • meteorologische Größen wie Sonneneinstrahlung (direkt aracii-Ag7ahl und diffus), • gebäudespezifische Größen wie Fensterfläche, Orientie- rung der Fenster nach den Himmelsrichtungen, Wärmeschutz der Gebäudehülle, Wärmespeicherfähigkeit der innenliegenden Bauteile • heizungsspezifische Größen wie Wärmebedarf des Gebäudes, Heizungsregelung, Wärmezufuhr durch interne Wärmequellen (Personen, Beleuchtung), natürliche Lüftung. Die wesentlichen Kenngrößen für eine Minderung der Transmissionswärmeverluste bei gleichzeitiger Steigerung der Wärmegewinne durch diffuse und direkte Sonneneinstrahlung sindderWärmedurchgangskoeffizient k F des Fensters und der Gesamtenergiedurchlaßgrad g der Verglasung. Als Rechengröße für die Praxis - 97 - wird daher der sogenannte "äquivalente" k-Wert k äq,F vorgeschlagen, der neben den Wärmeverlusten auch die Energiegewinne durch Sonneneinstrahlung einschließt /17/ und für überschlägige Berechnungen mit hinreichender Genauigkeit benutzt werden kann: mit käq,F= k F - 1,2 • g • h k = Wärmedurchgangskoeffizient des Fensters F in W(/m2K) g h = Gesamtenergiedurchlaßgrad gemäß DIN 4108 (vgl. Abb. 18) = Einfluß der Himmelsrichtung Norden und dauernd verschattete Fenster h = 1 Ost/West h = 1,5 Süd h = 2. Der Faktor 1,2 basiert auf mittleren Tiefstwerten der in der Bundesrepublik Deutschland zu erwartenden Strahlungsangebote und Außenlufttemperaturen und ist ein Näherungswert, der im Einzelfall genauer zu bestimmen ist /18/. Generell läßt sich sagen, daß Fenster mit kleinem k-Wert und hohem Gesamtenergiedurchlaßgrad im Orientierungsbereich von Südwesten bis Südosten möglichst groß sein sollten, damit die Strahlungswärme während der Heizperiode vermindernd auf den Heizenergieverbrauch wirken kann .Der Wärmeschutz im Sommer ist zu beachten, verursacht aber keine Schwierigkeiten, wenn Vorrichtungen wie Dachüberstand, Pergola, Lamellen o.ä. eine direkte Sonneneinstrahlung verhindern. Je kleiner der Raum im Verhältnis zur Fensterfläche ist, desto höher ist der Wärmegewinn im Raum. Hierbei sind in jedem Falle auch die Absorptionsbedingungen im Raum selber von Bedeutung, da je nach den Gegebenheiten bei starker Sonneneinstrahlung sehr hohe Raumtemperaturen auftreten können. Um dies zu kompensieren, sind innenliegende Speichermassen erforderlich, die ausgleichend auf das Raumklima wirken. Nicht zuletzt spielen in diesem Zusammenhang Farben im Raum eine Rolle, da sich dunkle Oberflächen bekanntlich stärker erwärmen als helle. - 98 - Da die Wärmegewinne durch Sonneneinstrahlung nur tagsüber möglich sind, ergibt sich für die Nachtstunden die Notwendigkeit,durch zeitweiligen Wärmeschutz Verluste zu verhindern. Eine gute Möglichkeit ist der Einsatz sogen. wandelbarer Wärmedämmungen, und zwar wird in Zeiten, in denen das Fenster zur Belichtung und als Sichtverbindung nicht notwendig ist, - z.B. nachts - der Fensterbereich zusätzlich wärmegedämmt. Grundsätzlich sind folgende Möglichkeiten der temporären WäLmedämmung von Fenstern denkbar: 1) Einbringen eines wärmedämmenden Schüttgutes zwischen die Glasscheiben • Vorteile: An- und Abtransport mittels Gebläse durch flexible Leitungen Minimaler Bedienungsaufwand Mittlerer techn. Aufwand • Nachteile: Gefahr der Verstopfung, mech. Festigkeit und elektrostat. Aufladung der Teilchen ungeklärt. Fein Diffusionswiderstand innerhalb der Wärmedämmung Ausbilden von Öffnungsanteilen schwierig 2) Vor-oder Zwischenschieben eines kompakten Wärmedämmpakets aus dem Untergeschoß • Vorteile: Bauphysikalisch sicher minimaler Bedienungsaufwand • Nachteile: Technischer Aufwand sehr hoch komplizierte UntergeschoBausbildung 3) Wärmedämmung durch Jalousien, Rolläden, Fensterläden u.a. • Vorteile: technisch einfach, evtl. kombiniert mit Diebstahlsicherung auch für öffnungsanteile leicht möglich • Nachteile: erhöhter Bedienungsaufwand Problem der Abdichtung und der Unterbringung im ungenutzten Zustand 99 Der Einfluß des temporärer rschutzes läßt sich rechnerisch berücksichtigen, indem man statt des in den einschlägigen Vorschriften gebräuchlichen Wärmedurchgangskoeffizienten kF einen k-Wert k * für das Fenster benutzt, der die sich im TaF gesablauf verändernde Wärmedämmung im Fensterbereich erfaßt: k * F mit k F kF • F + kT .t tT 24 h = Wärmedurchgangskoeffizient gemäß DIN 4108 bzw. Wärmeschutzverordnung in W/(m2K) k T = Wärmedurchgangskoeffizient einschließlich temporärer Maßnahmen in W/(m2K) t F = Zeiten ohne temporären Wärmeschutz in h t T = Zeiten mit temporärem Wärmeschutz in h. Unterstellt man, daß die Zeiten mit und ohne temporärer Wärmedämmung gleich groß sind, vereinfacht sich obige Gleichung: k * = 0,5(k + k T ) F F Der Beitrag der nichttransparenten Außenflächen zur Deckung der Wärmeverluste durch Wärmegewinne ist vergleichsweise gering. Während z.B. bei isolierverglasten Fenstern etwa 70% der durch Sonneneinstrahlung zugeführten Wärme in den Raum gelangt, liegt dieser Anteil bei Außenwänden, die der größte Teil der Sonneneinstrahlung auf ein Gebäude trifft, bei nur etwa 10%. Wird .die Außenwand als schwere massive Speicherwand konzipiert, vor der eine Verglasung angeordnet wird, so können die Wärmegewinne beträchtlich vergrößert werden. Man bezeichnet diese Konstruktion als Trombe-Wand. Ihre Wirkung beruht darauf, daß die kurzwelligen Sonnenstrahlen durch, die Glasfassade dringen, von der dahinterliegenden Wand mit möglichst dunkler Oberfläche absorbiert und in langwellige Wärmestrahlung verwandelt werden. Je nach Wanddicke und Art des Materials wird die aufgenommene Sonnenenergie unterschiedlich lange gespeichert, bis sie Stunden später den dahinterliegenden Wohnräumen als Wärmegewinn zugute kommt. Am Beispiel eines Dacheckraumes mit westlicher Orientierung des Fensters und nach Süden orientierter Trombe-Wand zeigt sich dieser Einfluß recht deutlich, und zwar liegt der Wärmebedarf bei Einfachverglasung der Trombe-Wand um 5% und bei DoppelVerglasung um 16% unter dem Wärmebedarf eines mit herkömmlichen Außenwänden versehenen Raumes. - 100 - herkömmliche Wand (24 cm Hlz 1,6 mit 4 cm Außendämmung, beidseits verputzt) Trombe-Wand, (40 cm Beton mit schwarzem Anstrich, 10 cm Luftschicht, Einfachverglasung) Trombe-Wand, (40 cm Beton mit schwarzem Anstrich, 10 cm Luftschicht, Doppelverglasung) Quelle: Forschungsprojekt "Bau und Energie" des BMFT Projekt-Nr.: ET 5247 A Abb. 63: Einfluß des Trombe-Wand-Effektes auf den Wärmebedarf eines Eckraumes in einem mehrgeschossigen Gebäude /47/ - 101 Dabei muß berücksichtigt werden, daß der k-Wert der Trombe-Wand bei Einfachverglasung 1,65 W/(m 2 K) und bei Doppelverglasung 1,39 W/(m 2 K) beträgt, während die Vergleichswand einen k-Wert von 0,656 W/m 2 K) aufweist. Der Wärmedurchgangskoeffizient k der Trombe-Wand ist also im ersten Fall 2,5 und im zweiten Fall 2,1 mal so groß wie der Vergleichswert der scheinbar besseren Wand. Gegenüber herkömmlichen Konstruktionen verursacht die Trombe-Wand aufgrund der großflächigen Verglasung allerdings erhebliche Mehrkosten, so daß eine gründliche Überprüfung der Rentabilität angeraten erscheint. Ansonsten ist die Nutzung von Wänden und Dächern zur Gewinnung von Umgebungswärme nur unter Verwendung technischer Hilfsmittel möglich. Nach der Entwicklung und Erprobung der Solarkollektoren, die Strahlungswärme aufnehmen und , wie sich zeigte, in unseren Breiten sinnvoll zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden können, kamen mehr und mehr Absorbersysteme auf. Absorber als Energiedach oder Energiefassade sind weniger von der direkten Sonnenstrahlung abhängig als Sonnenkollektoren und nehmen Umweltenergie aus Strahlung, Luft, Wind und sogar latente Energie aus dem Wechsel des Aggregatzustandes auf.Die Betriebstemperaturen sind geringer als bei Sonnenkollektoren und besonders für den bivalenten Betrieb von Wärmepumpen zur Beheizung von Wohngebäuden und zur Warmwasserversorgung geeignet. Wegen standortspezifischer Randbedingungen wie Grundstücksgröße oder Grundstücksbeschaffung ist diese Wärmepumpentechnik besonders empfehlenswert in Verbindung mit Absorberdächern.Dächer lassen sich relativ leicht zur Sonne ausrichten, so daß die Sonneneinstrahlung Optimal genutzt werden kann. Sie sollen in solchen Fällen möglichst südorientiert sein und eine Dachneigung von 60 bis 65° aufweisen, um - 102 - Strahlungsgewinne vor allem im Winterhalbjahr zu erzielen. MIN. A BST. Abb. 64: Ausnutzung von Wand- und Dachflächen zur Gewinnung von Umgebungswärme Absorberflächen lassen sich grundsätzlich oberhalb sowie unterhalb der Dachdeckung installieren oder aber in die Dachhaut integrieren. Der Vorteil der zweiten Lösung liegt darin, daß hierbei die Technik durch das Dach vollständig verdeckt wird und der Planer in gestalterischer Hinsicht keinenZwängen unterworfen ist, auch wenn der Wirkungsgrad etwas niedriger liegt als bei den außenliegenden Absorbern. 1 Braas Energiedach 2 Dachlatte 30/50 ( hochd r ucKimpr4niertes Kiefernholz) 3 Konterlatte 40/60 ( ho c h d r uckimpragniertes Kiefernholz) 4 k ondensatabfehrende Schicht 5 Wärmedämmung (hart) 6 Dampfsperre 7 Sichtschalung o.a. 8 Sparren 9 Pohriegister Abb. 65: Beispiel für unterhalb der Dacheindeckung liegende Absorberfläche /48/ - 103 - 5.6 Begrenzung der Ltiftungswärmeverluste Im Fenster- und Türbereich tritt zu den Transmissionswärmeverlusten der Lüftungwärmeverlust über die Fugen als eine Art "Dauerlüftung" hinzu. Sowohl die Wärmeschutzverordnung /41/ als auch DIN 4108 /40/ schreiben daher zur Begrenzung der Lüftungswärmeverluste Fugendurchlaßkoeffizienten vor, die von der Gebäudehöhe und der Beanspruchungsgruppe gemäß DIN 18055 E "Fenster; Fugendurchlässigkeit, Schlagregensicherheit und mechanische Beanspruchung; Anforderungen und Prüfungen. abhängen und nichtüberschrittenwerde n dürfen. Die anderen Fugen in der wärmeübertragenden Umfassungsfläche müssen dauerhaft und entsprechend dem Stand der Technik luftundurchlässig abgedichtet sein (WSVO 3). Die Begrenzung der Fugendurchlässigkeit ist also eine der Voraussetzungen zur wirksamen Reduzierung der Wärmeverluste. Auf der anderen Seite aber muß gesichert sein, daß Wohn- und Aufenthaltsräume unter Beibehaltung natürlicher Lüftung mit der aus hygienischen Gründen notwendigen Frischluftmenge versorgt werden. Vorsicht ist vor allem bei Räumen mit sogen. "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. In DIN 1946 "Lüftungstechnische Anlagen (VDI-Lüftungsregeln)" /43/ ist die Mindestaußenluftrate r .mit 20 bis 40 m 3 pro Person und Stunde festgelegt, woraus sich die für übliche Wohnverhältnisse Mindestluftwechselzahl von 0,5 h -1 ableitet. Luftwechselraten bis zu 0,5 h -1 treten bei den heute üblichen Fugendichtungen je nach den klimatologischen Verhältnissen in der Gebäudeumgebung, im wesentlichen Wind, auch bei geschlossenen Fenstern und Türen auf. Bei wenig bzw. halb geöffneten Fenstern sind in Abhängigkeit von der Rolladenstellung bereits Luftwechselzahlen bis zu 10 h -1 möglich, so daß eine Zwangslüftung zunächst nicht notwendig erscheint. ▪ 0• ▪ - ▪ 104 - -1 Luftwechaelzahl (h ) ii • cacao . A ca ca• o O CO Ca (..) C. CO A 0 P.) A cacao Pd Fenster zu, Türen zu Fenster gekippt, Rolladen zu Fenster gekippt Kein Rolladen Fenster halb offen Fenster ganz offen Fenster und Fenstertüren ganz offen gegenüberliegend) Abb. 66: Luftwechsel in Abhängigkeit von der Fensterstellung (nach Gertis) Da die Lüftungswärmeverluste aufgrund ihrer Abhängigkeit vom Außenluftwechsel nicht beliebig gesenkt werden können - sie steigen linear mit wachsendem Luftwechsel an -, wird ihr Einfluß gegenüber den Transmissionswärmeverlusten je nach Dämmniveau dominant. - Stufe • Stufe TA 105 - II Stufe 2,4 2.4 2,4 2,0 2.0 2, 1,6 1,6 1,2 0. E 111v, 0,4 0 0 0,4 0 34 2 1 LuMvediselftrl 0 uIrIIII IPi I011011hJllhI MOM 111111 Tom 34 1 2 Luftwechsel th-f] III 1,6 .2 0, 0,4 0 0 1 2 Luftwechsel 34 th, Abb. 67 : Volumenbezogene Gesamtwärmeverluste als Funktion der Luftwechselzahl. Die schraffierte Fläche entspricht den Lüftungswärmeverlusten /44/ Während bei Stufe I (WSVO 1977) noch die Transmissionswärmeverluste überwiegen, verschiebt sich dieses Bild bei Stufe II (WSVO 1982) bereits zugunsten der Lüftungswärmeverluste, und bei Stufe III, die eine nochmalige Anhebung der Anforderungen um 20 bis 25% gegenüber Stufe II beinhaltet, werden die gesamten Wärmeverluste fast ausschließlich durch die Lüftung verursacht. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird aus dem bereits heute häufig anzutreffenden Lüftungsproblem mit Tauwasserausfall und Schimmelpilzbildung an gefährdeten Stellen ein Energieproblem, und es ist zu überlegen, auf welche Art und Weise die Lüftungswärmeverluste zusätzlich vermindert werden können. Schon seit einiger Zeit sind Lüftungssysteme mit integrierter Wärmerückgewinnung auf dem Markt. Sie haben sich nur zögernd mit wachsenden Energiepreisen durchsetzen können, hauptsächlich in größeren Büro-, Verwaltungs- und Industriebauten, die ohnehin mit einer maschinellen Lüftung ausgestattet sind. Im Wohnungsbereich aber ist der Einsatz von Lüftungsgeräten mit integrierter Wärmerückgewinnung eine Seltenheit.Dabei ließen sich auf diesem Wege- erhebliche Wärmemengen einsparen. Es wird je nach System mit einem Wärmerückgewinnungsgrad (Wirkungsgrad) von bis zu 90% gerechnet. Der Idealfall wäre bei 100%iger Wärmeübergabe erreicht, die allerdings nur durch Zuschaltung einer Wärmepumpe zu erzielen ist. - 106 - Das Prinzip der Wärmerückgewinnung besteht darin, daß warme Luftmassen, die stetig aus der Küche und den Naßräumen abgesaugt werden, einen Wärmetauscher - man unterscheidet Rekuperatoren und Regeneratoren - im Gegenstromverfahren durchströmen.Dabei wird die Wärme von der verbrauchten Luft an die angesaugte Frischluft übergeben. Die verunreinigte abgekühlte Luft wird an die Umgebung abgegeben, während die erwärmte frische Luft den Wohnräumen zugeführt wird. Abb. 68 zeigt, wie der Wärmehaushalt in einem Haus mit kontrollierter Lüftung und Wärmerückgewinnung reguliert werden kann. ZeitschaltO EVITIVVEOSerthemostat Idndergesicherg Abb. 68: Wärmerückgewinnung durch Wärmetauscher und zusätzliche Wärmepumpe /46/ - 107 Damit ein Wärmerückgewinnungssystem wirklich effektiv arbeitet, ist es notwendig, die Außenwandöffnungen fugendicht auszubilden.Das bedeutet, daß Fenster von wenigen Ausnahmen abgesehen festverglast und Windfänge als Luf t schleusen ausgeführt werden müssen. Zusammenfassung Begrenzung der Lüftungswärmeverluste a-Werte gemäß WSVO, Anlage 2, Tab. 1 Wärmerückgewinnung .k nicht unter das wohnhygienisch notwendige Maß umlaufende dauer° elastische alte-' rungsbeständige DichtUngen_an Fen-' stern -und-Tiiren' übrige Fugen in der Gebäudehülle luftundurchlässig Windfang Einsatz von Lüftungswärmetauschern Rückgewinnung bis 711 90% Einsatz von Wärmepumpen Rückgewinnung 100% Verminderung der unkontrollierten Lüftung Klimafenster oder Festverglasung Lüftungskanäle o.ä. notwendig Windfang als Luftschleuse 10& MASSNAHMENKATALOG ENERGETISCHES POTENTIAL BAUEN PLANUNGSMERKMAL ASPEKT Sonneneinstrahlung Angaben der Wetterämter (Sonnenatlas) Beachtung des Geländereliefs (Berg, Tal, Mulde, Hangneigung und -orientierung) Vegetationsbestand (hoch, niedrig, dicht) Verschattungszonen (tages- und jahreszeitlich) durch Topographie Vegetation Bebauung Beginn und Dauer des Laubabwurfs Beachtung des Geländereliefs (Berg, Tal, Mulde, Hang) Hauptwindrichtung durch Windverformungen an Bäumen und Sträuchern Lage im Windschatten (Topographie, Vegetation, Bebauung) bei Windhindernissen Berücksichtigung von Windstau und -sog (Düsenwirkung) Schlagregen Niederschlagsmengen nach Ort und Zeit Schlagregenhäufigkeit nach Ort und Zeit Angaben der Wetterämter bemooste Schlagregenseite an Bäumen , Gebäuden und Zäunen 109 POTENTIAL ASPEKT Besonderheiten des Stadtklimas PLANUNGSMERKMAL Art und Dichte der Bebauung Art und Dichte der Vegetation örtliche Windverhältnisse energetische Situation des Standortes standortspezifische Energieversorgung Kraft-Wärme-Kopplung (Fernwärme) Abwärme von Industrie und Gewerbebetrieben Oberflächengewässer stehende oder flieBende Gewässer Karten des Gewässernetzes, der Einzugs- und Quellbereiche, der Wasserstandshöhen Grundwasser Grundwassergualität Karten der Grundwasservorkommen und -stände Nähe von Oberflächengewässern Orientierung des Gebäudes Anpassung an die Hauptwindrichtung Gebäudeöffnungen in windberuhigten Zonen kompakte Bauform möglichst kleine Hüllfläche bei großem Gebäudevolumen Vermeidung von Kühlrippeneffekten verdichtetes Bauen (geschlossene Bauweise) GrundriBdisposition energetisch günstige Anordnung der unterschiedlich temperierten Räume (warme Kernzonen) Pufferzonen wie Windfang, Wintergarten, Erker (aber: Gewährleistung ausreichender Fensterlüftung vor allem im Sommer) kleine GebäudeauBenflächen nach Norden (Trichterform) 110 ASPEKT Wärmeverluste PLANUNGSMERKMAL nichttransparente AuBenbauteile geringe Transmissionwärmeverluste durch o Wärmeschutz o Bepflanzung der Fassaden o Begrünung der Dächer o Vermeidung konstruktiver Wärmebrücken (Balkone, Vordächer u.ä.) o Windschutz mit Bäumen, Hecken, Sträuchern o an Erdreich grenzende Bauteile transparente Außenbauteile geringe Transmissionswärmeverluste durch o Mehrfachverglasung o kleine Fensterflächen zur Nord- und zur Windseite o temporären Wärmeschutz (Rolläden, Fensterläden) geringe Ltiftungswärmeverluste bei Gewährleistung des hygienisch notwendigen MindestLuftwechsels Strahlungsgewinne (passive Solarnutzung) Orientierung des Gebäudes Hauptorientierung der transparenten AuBenbauteile nach Süden Verdrehen des Baukörpers um einen Winkel von 45° gegen die Südrichtung Grundrißdisposition nutzungsorientierte Auslegung der Räume (Wohnräume nach Süden) nichttransparente Außenbauteile Trombe-Wand-Effekt bzw. Treibhaus-Effekt (aber: Gewährleistung ausreichender Fensterlüftung der hinter den Pufferzonen liegenden Wohnbereiche) transparente Außenbauteile große Fensterflächen nach Süden feste oder variable Sonnenschutzvorrichtungen Speicherfähigkeit gutes Wärmespeichervermögen der raumumschließenden Bauteile für passive Solarnutzunc entscheidend 111 POTENTfAL thermische Innenlasten ASPEKT Energiebilanz für das Gebäude PLANUNGSMERKMAL Bilanzierungszeitraum Kalenderjahr oder Heizperiode Zeitprofile für die Nutzung o Personenbelegung o Art und Dauer der Beleuchtung in Abhängigkeit von den Helligkeitsverhältnissen o Art und Nutzungsdauer der Haushaltsgeräte Wärmerückgewinnung Nutzung der Abluft aus Räumen mit Wärmeüberschuß ( Küche, Bad ) durch maschinelle Lüftung; aber keine Einschränkung der Fensterlüftung mit Rücksicht auf das Sommerklima Nutzung des Abwassers als Wärmequelle Umweltwärme Wärmepumpen Wärmequelle o Luft o Wasser o Erdreich Energieträger o Strom o Gas o Dieselöl Betrieb, o monovalent o bivalent - alternativ o bivalent — parallel Strahlungsgewinne (a ktive Solarnutzung) Sonnenenergiesammler Kollektorfläche auf der Südseite klimatechnisch richtige Neigung je nach Nutzung (Warmwasser und/oder Heizung) Absorberfläche relativ unabhängig von Orientierung und Neigung; Einsatz von Wärmepumpe notwendig ästhetisch und technisch befriedigende Integration in di^ Architektur 112 POTENT I PLANUNGSMERKMAL AL Strahlungsgewinne (a ktive Solarnutzung) Speicherung Art des Speichers o Kapazitätsspeicher (Wasser, Gestein) o Latentspeicher Dauer der Speicherung o Kurzzeitspeicher (wenige Tage) o Langzeitspeicher (Sommer - Winter) 13 7 Beispiele für energetisches Bauen Richtungsweisende Entwicklungen sind seit den 70er Jahren aus den USA bekannt. Es handelt sich hierbei zum großen Teil um Entwürfe, die versehen mit einem Mindestmaß an Anlagentechnik unter Ausnutzung des thermischen Verhaltens der Gebäude eine Minimierung des Energiebedarfs erzielen. Die Beispiele aus den USA beschränken sich fast ausschließlich auf den Einfamilienhausbau, und es muß beachtet werden, daß dort andere klimatische Verhältnisse vorherrschen als in unseren Breiten. /551/56/750/ Die nachstehend aufgeführten Beispiele sollen schwerpunktmäßig einen Überblick über die Vielfalt der Möglichkeiten energetischen Bauens vermitteln. Dabei wird weniger über bereits realisierte Projekte zu berichten sein als vielmehr über geplante bzw. im Bau befindliche Gebäude. Uber gemessene Energieeinsparungserfolge unter üblichen Nutzungsbedingungen liegen nur wenig Informationen vor, mnd Simulationsberechnungen über den zu erwartenden Energieverbrauch solcher Gebäude stoßen wegen der Kompliziertheit der Gesamtsysteme an ihre Grenzen. Die Beispiele zeigen, daß eine Patentlösung nicht existiert und wegen der in gewisser Weise im Ansatz konträren energetischen Maßnahmen, die der Planer ergreifen kann, auch nicht existieren wird. Je nachdem, welchen energetischen Kriterien manden Vorrang in der Gesamtkonzeption einräumt, werden sich i mm er wieder unterschiedliche Lösungen herauskristallisieren. Dies gilt besonders für passive Systeme, bei denen die standortspezifischen Randbedingungen maßgeblich Eingang in die Entwurfsarbeit finden. Damit wird die Arbeit des Planers auf lange Sicht gesehen nicht nur darauf abzielen können, bisher übliche Bauformen technisch zu vervollkommnen und neuartige Heiztechnologien zu integrieren, sondern durch sorgfältige Verknüpfung einzelner Parameter energetischen Bauens und eine ganzheitliche Betrachtungsweise neue zukunftsweisende Formen des Bauens zu entwickeln und zu realisieren. -- 114 - 7.1 Haus mit minimalem Wärmebedarf in Skive, Solhaven 10 Abb. 69: Ansicht und Grundriß - 115 - Beschreibung Die Firma Heraflex ging bei der Konzeption dieses Hauses davon aus, eine ganze Reihe von Energiesparmaßnahmen zu ergreifen, ohne dabei jedoch neue Energiequellen einzusetzen. Die zwölfeckige, fast runde Form des Bauwerks macht die Hüllflaeche des Hauses so klein wie möglich und die faecherförmige Form der Raeume ermöglicht es, relativ kleine Fensterflaechen zu verwenden. Gleichzeitig kann die Wohnflaeche besser als in anderen Haeusern genutzt werden. Es werden supergedaemmte Dach- und Wandelemente ohne Waermebrücken verwendet, darunter neuentwickelte Sandwich-Elemente von H & H-Gasbeton, sowie ein Elt-Heizsystem mit effektiver Steuerung und Verteilung der Waerme.Thermogardinen sorgen für eine zusaetzliche Waermedaemmung waehrend der Nachtstunden. Die Raumerwaermung erfolgt durch eine "Elpan"-FuBleistenHeizung, die entlang allen Waenden und vor allen Einbauschraenken verlaeuft. Dieses Heizsystem bewirkt, daß der Temperaturunterschied zwischen Fußboden und Decken nur etwa 0,5°C betraegt. Das System bewirkt eine Verringerung des Energieverbrauchs, was unter anderem auf folgenden Vorteilen beruht: 1 Ein physiologisches Waermewohlbefinden ist schon bei 21°C zu erwarten. (Andere Heizsysteme ergeben ungleiche Temperaturen im Raum und erfordern eine Mitteltemperatur von etwa 25°C in Knöchelhöhe.) 2 Der Waermeverlust an den Fensterpartien wird herabgesetzt. 3 Auch die Lüftungswaermeverluste werden dadurch herabgesetzt, daß die Raumlufttemperatur niedriger ist. 4 Durch eine Zonensteuerung, die eine thermostatische Regelung in den einzelnen Raeumen mit automatischer zeitabhaengiger Steuerung umfaßt, wird eine zusaetzliche Waermeeinsparung erzielt. - 116 - Verglichen mit einem traditionellen Haus, das den daenischen Bauvorschriften von 1972 entspricht, rechnet man bei diesem Haus mit einer Verminderung des Gesamtverbrauchs auf etwa 60%. Abb. 70: Solhaven 10, Haus in Skive - 117 - 7.2 Haus mit Warme2um2e, Solarkollektoren und vor2e1a2ertem Glashaus in Skive !. Solhaven 8 Abb. 71: Ansicht Abb. 72: Grundriß - 118 - Abb.73 : Teilansicht und Sonnenkollektoren Beschreibung Das Haus hat zwei Waermequellen: Sonne und Erdwaerme. Die Verantwortlichen entschieden sich dafür, durch Sonnenkollektoren in Verbindung mit einer Waermepumpe das Brauchwasser er-, waermen zu lassen, da die Anlage nicht mit einem speziellen Waermespeicher für die Raumheizung ausgestattet ist. Stattdessen wird der Erdboden als "Kalt-Speicher" verwendet, dem die Waerme mit Hilfe der Waermepumpen entzogen werden kann. Es wurden zwei Waermepumpen installiert, damit die Waermeerzeugung dem Waermebedarf besser angepaßt werden kann und außerdem ein Maximum an Sicherheit gewaehrleistet ist. Die eine Pumpe wird den Warmwasserbedarf decken können. Waehrend eines großen Teils des Jahres wird die andere in der Lage sein, allein für die Heizwaerme zu sorgen. In Spitzenzeiten können beide Pumpen für das Heizungssystem arbeiten. - 119 - Außerdem kann eine elektrische Direktheizung in Funktion treten. Sie ist gleichzeitig als Sicherung bei eventuellem Ausfall eines Kompressors gedacht. Die Warmwasserbereitung kann teils über den Sonnenkollektor und teils über eine Waermepumpe erfolgen.Sofern die Sonnenkollektorentemperatur 50°C oder mehr erreicht, kann die Erwaermung ausschließlich durch den Kollektor erfolgen. Bei niedrigen Temperaturen im Sonnenkollektor wird dieser die Waerme an die Waermepumpe liefern, die dann die Warmwasserbereitung übernimmt. 7.3. Haus mit aktiver und passiver Solarenergienutzung in Skive, Solhaven 12 Abb. 74: Ansicht 330 m' dobbelt carport ta cm: /2,s m' nndlang 5,3m' tekniknam 12,6 m' sovevar relse F 00 00 entre 3 Q 17,2 m' kekkerrairum 23,8 m' stue Abb. : Grundriß Beschreibung Bei diesem Haus sind die Probleme des Grundrisses und der Gebäudeform nahezu ideal gelöst. Der Grundriß hat ein Seitenverhältnis von 1:2, und die langen Fassaden schauen zum Süden und Norden. Hinter der Südfassade liegen die beheizten Räume. Sie nutzen die durch die Südfenster eingestrahlte Sonnenenergie zur Raumheizung. Hinter der Nordfassade liegen selten beheizte Räume und solche mit kleinen Fenstern, wie Gästezimmer, Windfang, Technikraum, Bad und Hobbyraum. An der Nord-Ost-Ecke wird der Hobbyraum noch von dem vorgelagerten Kfz-Einstellplatz und dem Geräteraum abgeschirmt. Die nach Süden orientierte Dachfläche hat eine Neigung von etwa 70° und ist mit 15 Sonnenkollektorelementen von je 1,8 m2 bestückt. Die Abdeckung der Kollektoren erfolgt durch schmale Glaselemente, die die Struktur und Formensprache der verbretterten Fassadenflächen aufnehmen. Unterhalb der KollektorDachfläche befindet sich eine für Reparatur- und Reinigungsarbeiten begehbare Pergola. Auf dem Foto ist zu erkennen, daß bei hochstehender Sonne die südorientierten Fenster durch die Pergola verschattet werden. Im Winter, wenn die Sonne wesentlich tiefer steht, scheint sie ungehindert bis tief in die Räume hinein. Die Fenster sind mit Dreifachverglasung ausgestattet./49/ - 122 - 7.4 Kelbau9h House in Princeton, USA 1. wohnrauen 2. EBplatz 3. Küche 4. Wintergarten/Criinhaus 5. WC 6. Eingang 7. Garderobe B. Gartengerät 9. Kamin 10. Kellertreppe 11. Abstellraum 12. Kerzennische 13. lberdachung Abb. 76: Grundriß Erdgeschoß 14. Eitemschiafziirn r 15. Arbeitsraum 16. Kinderzimmer 17. Sah lafbcx3 n 18. Wäscheraum 19. Bad 20. WC 21. Abstell Abb. 77: Grundriß Obergeschoß - 123 - Beschreibung Die Sonnenstrahlung wird von der ganzen Südfassade gesammelt, die vollständig doppelverglast ist. Hinter der Verglasung befindet sich ein 15 cm breiter Luftraum, dann eine senkrechte 40 cm dicke Betonmauer, deren Südseite leicht selektiv beschichtet ist. Jedes Zimmer, außer den Badezimmern, grenzt an die Betonmauer. Aus jedem Raum zirkuliert kühlere Luft nahe dem Boden durch einen Schlitz in der Wand, wird, während sie aufsteigt, im Raum zwischen der Verglasung und dem Beton erwärmt und kommt durch Schlitze auf Deckenhöhe wieder in den Raum zurück. Die Umwälzung entsteht durch den Gewichtsunterschied zwischen der warmen und der kalten Luft. Nachts bei geschlossenen Schlitzen gibt die massive Mauer Strahlungswärme an die Zimmer. Das doppeltverglaste' Gewächshaus hat einen dicken Betonboden, der durch die Strahlung erwärmt wird und damit den Raum und den darunterliegenden Keller heizen hilft. Dank der Wärmespeicherung in der massiven Mauer und dem Gewächshausboden wird das Haus zu etwa zwei Dritteln mit Sonnenenergie geheizt. Das letzte Drittel liefert ein gasgeheizter thermostatgesteuerter Warmluftofen im Keller. In einem sonnigeren Klima würde das System bis zu 90% der erforderlichen Heizenergie abgeben. Im Sommer wird der Raum zwischen der Verglasung und der Betonmauer Jam Dachrand entlüftet, wobei, wenn die Schwerkraft-Konvektion nicht genügt, vier kleine Ventilatoren eingeschaltet werden. Durch den Entzug der Heißluft wird kühle Luft von der Nordseite des Hauses angesaugt. Die massive Betonmauer ergibt einen zusätzlichen Kühlungseffekt, indem sie tagsüber Wärme aus den Räumen auf-, nimmt, die nachts nach außen entlüftet wird. Laubbäume spenden während des Sommers Schatten./50/ - 124 - Abb. 78: Ansicht (Trombe-Wand + Grünhaus) riN I- -1 13 L 1. 2. 3. 4. 5. 6. Winter sun Double glass Concrete wall Air slot Air inlet Air cant 7. 8. 9. 10. Air circulation Radiant heat Hot en furnace Insulation 11. Greenhouse 12. Concrete floor Abb. 79: Schema des passiven Systems 11 Cellar 14. Summer sun 15. Exhaust fan 16. Vent 11. Shades 18. Solar water hearer - 125 - 7.5 Grüne Solararchitektur der Gruppe LOG ID (..0 14-LO 090 ^^ ®`^, i !IIL JL ! - 1--^--I' { , t ^ L. - I i ^^:: II n^ _.r^-. ^ 1 ^ ^ .-... I V ...,,gt ay 1 - BEREICH ^^ V fff .^^ ^ .o^+^,.lt I 14 ^ ^.. . -^ ^ . ,, .'^ . ^r'I C^. __^.^ :.1 yi,,^^l^^\ ua l ' a.a x — _ ' ^) . ^ImEy ^^ '^• a i ^ • .^. ^^.^^M. .r ^^^^ 1/ ELTERr !^ . ` _IM il KIND ^- ^ ^ ^ `` ^i..rJ^ r i.C, \i^. ^^SPIEL `^^ ^ /^ X . es Q^C'^3^s^' x Ipor• . ^^ ^^^\^,/^' I .i : i ^ ^^0 ra; n wa . ^^.. I h ^^`..^,y^ '_ T ECHNIK WARMEPUMPE "0 uo wo 97.90m 11611111 EBENE Abb. 80: Grundrisse (Ebene +1, Ebene -1) des Wohn-Gewächs-Hauses • - 126 - RIALUFT ERZE SONNEN-UND KALTESCHUTZ(SEWEGL) SONNENKOLLEKTOR FUR BRAUCH WASSER GEWACHSKAUS a ;ear •• 4 ....._..,v,....,.,,,.....,,,,.......:..... 1 (I wARMESPEIGHER Abb. 81: Schemaschnitt des Wohn-Gewächs-Hauses Beschreibung Die Pläne und Schnittzeichnung (Abb. 80 und 81) zeigen ein kleines massives Wohnhaus, das nach Norden und Osten massiv isoliert ist, und ein im Süden und Westen vorgebautes bepflanztes Gewächshaus. An kalten Tagen kann das Wohnhaus zum Gewächshaus hin abgeschottet werden. Der Pflanzenbereich dient zu allererst der Solarwärmeerzeugung. Die Speicherung der Wärme geschieht in den Mauern des Massivhauses und mit einem Wärmespeicher. Küche, Eßplatz und Wohnraum können zusätzlich mit einem Kachelofen beheizt werden. Wird eine 'zweistöckige Bauweise gewählt, liegen der Schlafbereich und das Bad über diesen Räumen und können so von dieser Heizquelle mitversorgt werden. Der Wohn- und Eßbereich ist dem Gewächshaus hin zugeordnet. Eingang, Toilette und Schlafbereich werden bei einstöckiger Bauweise als kühlere Pufferzone nach Norden und Osten orientiert. Das Klima wird weitgehend durch die Pflanzen reguliert. Sie erzeugen ein eigenes Kleinklima mit einem verlängerten Sommer von Ende Februar bis Ende Oktober mit einem hohen Sauerstoffgehalt und nicht zuletzt mit individuellem Pflanzen- und Blütendu ft. Natürliche interessante Raumveränderungen sind im Gewächshaus durch das Wachsen und Sterben der Pflanzen gegeben. So ergibt sich ein Raum von hohem Freizeitwert als Spielplatz für Kinder und als Hobbyraum. Ein Nutzpflanzenanbau (Feigen, Baumtomaten sowie her- F:4 A Cl) -H -H bi 0 0 r4 ••••• .5! 5v &aa 01 01. CO 2 0,2)Cf.C5'201 0, 0 7. N. 01 a4Mailiaaaa N INI.M111.0n1 NI l0 02 0 0 V - 129 - Beschreibung Der Grundriß it in Nord-Süd-Richtung linear in 4 Zonen gegliedert: Der Erschließungsgang im Norden zwischen Gebäudewand und Rankgewächsen/ Die Nebenraumzone mit den Installationen/ Die Zone der Haupträume/ Der Temperaturzwischenbereich mit den Gewächshäusern im Süden. Durch die starke Transparenzwird der gestaffelte Übergang von außen nach innen auch im Gebäude wahrgenommen. Diese räumlichen Bezüge sind durch verschiebbare Wandelemente veränderbar. Unterschiedliche räumliche Sequenzen entstehen durch den Wechsel von Einengung und Ausweitung in der Raumhöhe und den Versatz der verschiedenen Grundrißzonen. Die Gartenplanung verstärkt noch die Wirkung der vorgefundenen natürlichen Bedingungen. Die Einschnitte im Süden des Gebäudes lassen Freibereiche entstehen, die vor Einsicht weitgehend geschützt als Terrassen dienen - einmal in der Sonne liegend, einmal im Schatten eines großen Baumes. Das tragende Skelett wurde aus verleimtem Fichtenholz montiert. Der dreieckige Querschnitt wirkt dabei als Windaussteifung. Um den "Hausbaum", eine große Buche, zu schonen und wegen des hohen Grundwasserstandes wurde es auf Pfähle gesetzt. Die Außenwände sowie sämtliche Innenwände bestehen ebenfalls aus Holz. Es sind stark isolierte Leichtwände mit einer äußeren hinterlüfteten Schale aus massiven Oregon-Brettern.-Innen wurden großformatige Spanplatten (in den Feuchträumen Sperrholz) mit einem Lärchenfurnier verwendet. Decken- und Dachunterseiten sind aus dem gleichen Material hergesellt. Etwas von der Wohnlichkeit alter getäfelter Stuben sollte in das neue Konzept eines Montagebaues auf diese Weise eingebracht werden. Die Fenster bestehen aus Isolierglas, auf der Nordseite aus Thermoplus. Die Dachdeckung ist aus Titan-Zinkblech, im Glasbereich aus Sekurit. Der Fußboden enthält 20 cm Dämmaterial, darauf eine Fußbodenheizung.Es war wichtig, die Bodenplatten nicht - 130 - schwer wirken zu lassen. Deshalbwurden als Belag kleinformatige bruchrauhe Plättchen aus Sollnhofener Kalkstein eingebaut, wie sie in der Nähe von Regensburg gewonnen werden. Das Energiekonzept beinhaltet den Einsatz passiver Maßnahmen mit der Möglichkeit, über dem Wohnbereich ein Absorberdach nachzuinstallieren: - Räumliche Trennung von Wohnbereich (tagsüber geheizt) und Schlafbereich (nachts temperiert). - Keine Wärmebrücken durch reine Holzkonstruktion. - Geringer Transmissionswärmeverlust im Bereich der Nord-, Ost- und Westseiten durch starke Dämmung und Thermoplusverglasungen. - Voll verglaste Südwand mit Schiebetüren und vorgelagertem Wintergarten. Dieser wirkt in der Übergangszeit als großräumiger Luftkollektor und im Winter als Wärmepuffer, der dem Wohnbereich zugeschaltet oder davon getrennt werden kann (Lüftung und Transmission). Im Sommer Verschattung durch einen großen Laubbaum. - Überhitzung wird verhindert durch dosierbare Querlüftung über die Giebelwände und Zutritt kalter Luft von der Gebäudeunterseite. Der Jahresenergieverbrauch für Heizung und Warmwasser liegt bei ca. 140 kWh/m 2 (entspricht ca. 50% vom Durchschnittsverbrauch für freistehende Ein- und Zweifamilienhäuser)./52/ 7.7. Energies2arhaus Grünstadt WAR nEEA LLE- 1A011LAp01 _M0. REFEE%SCiiIChl_._.— I SEICH_ERWANq BEl BNSIEINE WARMl{I ♦^FII1Nf yZARMIIIE17EN7RUN ' ,__ _ ' 55_505_11 001G SLHUE55ENOfNLAPPFLUyE_L NIEASRg MVERAi pR HEIINURPER_ ....... 54110 a015_1EI4__.—_. ZUWn W^FMLUMOEEN_.. WARMEPU_M L___ WARMESffI[HERHEIZUNG 9AMMILNG.. Abb. 86: Ansicht t 1 1 ' : L''''' :dorm iM=11„- I .,* ro egt t ..01, —iiirmwom .411Weir s c-iiiirk oinaufwpowaralwast, Aummuma oommiummor tammaimmus. tonsum. a ---I EINIIIIMMINTM, Abb. 87: Grundrisse und Schnitt - 133 - Beschreibung te, Haustyp Zweigeschossiges, freistehendes Einfamilienhaus für einen 4- bis 6-Personenhaushalt mit separater Einlieger- oder Ateliereinheit im Untergeschoß, dazu freistehende Garage und 2 Pkw-Einstellplätze • Architektonische Merkmale: Das Haus ist gekennzeichnet durch seine Kompaktheit, der Baukörper nähert sich der Würfelform an: Durch die möglichst geringen Außenwandflächen im Verhältnis zur Kubatur bzw. zum vorgegebenen Raumprogramm vermindert sich der Transmissionswärmeverlust. Um den Baukörper dennoch zu gliedern, ist der "Treppenturm" nach innen gezogen und durch Einschnürungen sichtbar abgesetzt, der ISchattenbalkon"vor die Südfront gestellt, die Eingangspartie durch Leitwände und Pergola betont und räumlich gefaßt. Das Zeltdach betont die Kompaktheit, nimmt aber auch mit seinen Schrägen Bezug auf zur regionalen Bauweise. • Räumliche Anordnung (Passive Energienutzung): Alle Haupträume (Wohn-, Mehrzweck-, Schlaf- und Kinderzimmer) liegen an der Südseite des Hauses und öffnen sich weit zur winterlichen Sonneneinstrahlung. Der Sonnenschutz-Vorbau sorgt für Abschattung im Sommer. Die sonnenabgewandten Öffnungen sind so weit reduziert, wie es Belichtungs- und Beflüftungsansprüche zulassen® • Konstruktion: Wärmeschutz und Wärmenutzung: Kostenoptimierte Wärmedämmung vermindert den Einsatz von Heizenergie. Eine lückenlose Rundum-Wärmedämmung hüllt das Haus ein. Tragende Wände aus Vollsteinen begrenzen alle HaupträUme.Sie dienen gleichzeitig als Wärmespeicher.Die kleineren zweifach verglasten Fensteröffnungen sind nachts mit Wärmedämmläden zu schließen. Die großen Südfenster erhalten Dreifachverglasung, soweit sie nicht durch die Wärmeschleuse geschützt sind. Schwere Vorhänge wirken hier nachts als Wärmeabfluß-Bremsen. - 134 - Sonnenenergie, während der Heizperiode einfallend, wird im keramikbelegten Fußboden-Estrich gespeichert. Zudem hilft Sonnenstrahlung, die Luft im Dachraum vorzuwärmen, die in der LuftWasser-Wärmepumpe verwendet wird. Für die Abgrenzung unterschiedlicher Temperatur-Zonen (z.B. Aufenthaltsraum, Flur, Treppenhaus) sorgen selbsttätige Türschließer. Lüftung: Die konsequent durchgeführte Abdichtung von Fenster- und Türfugen macht kontrollierte Lüftung notwendig. Da von den Hausbewohnern eine pünktliche Bedienung der Lüftungseinrichtungen kaum zu erwarten ist, müssen selbsttätig schließende Beschläge helfen, Lüftungs-Wärmeverluste zu vermindern. Die Mindestfrischluftrate wird überdies durch eine mechanische Be- und Entlüftungsanlage . einfacher Ausführung erreicht. Die Frischluft wird durch Hohlkörperdecken zugeführt und erwärmt sich dort zusätzlich, nachdem sie durch eine Rückgewinnungsanlage vortemperiert wurde. • Heizung (aktives System): Zur Deckung der Restwärme, die unabhängig von den passiven Maßnahmen gebraucht wird, soll eine Luft-Wasser-Wärmepumpe eingesetzt werden. Der im Dachraum angeordnete Verdampfer saugt die Luft des Dachraums an und führt sie zum Wärmeaustauscher. Die Wärmepumpe mit Gasmotorbetrieb heizt den im Kellergeschoß stehenden Wasserspeicher bis zu einer Temperatur von 70° auf. Die Räume werden durch Niedertemperatur-Heizflächen erwärmt. Diese sind an den wärmespeichernden 24 cm dicken Innenwänden angebracht. Weil die Sitzmöblierung von den kühleren Fensterwänden (trotz Dreifachverglasung) jeweils abgerückt werden kann, scheint diese Anordnung vertretbar, zumal beträchtliche Rohrleitungslängen hierdurch einzusparen sind. Die Brauchwasserbereitung erfolgt dezentral, d.h. unabhängig von der Heizungsanlage. Zusätzlich kann die hierfür installierte Gastherme dem Heizungssystem bei Minustemperaturen zugeschaltet werden. Die Gasversorgung übernimmt ein außenlie g ender Flüssiggastank. Die Energieausnutzung des vorgesehenen Systems ist mit 75% Primärenergie gegenüber 141% bei konventioneller Ölheizung anzunehmen. /53/ - 135 - 7.8 Ener2ies2arhaus Bernkastel-Kues 0 BAD --, 10,5 1 111 ELTERN 195 ANN .1.111111•1•111 /22 6 SaiENSWC II6 z PUFFg 3 0 KINDER 16,0 o / f i / P i / 00 • 5 OG ki)p) KUOIE6 704.4 Rai ACE 0 0 4,6 CARCER LE 75 / tzl I /11 L- - D4 CH 111111 • •111111111111111•11 DER WINTERGARTEN ALS SONNENFANGER UND KLIMAPUFFER ?AWN .................................... Abb. 88: Grundriß, Schnitt und passives System - 136 - Beschreibung Entwurfskonzept: Einfamilienhaus freistehend Winkeltyp - eingeschossig Kompakter südorientierter Baukörper Räume, Dachflächen und Glashaus optimal zur Sonne orientiert Multifunktionaler Familien-EB-Wohn-Bereich Erweiterung des Wohnbereiches durch Wintergarten Ungestörter Individualbereich Geschlossenheit nach Norden • Konstruktions- und Energiekonzept: Konventioneller Mauerwerksbau Zweischalige Außenwandkonstruktion Handelsübliche einfache Baustoffe Eigenleistungen können integriert werden. Vorschlag für die Außenwandkonstruktion: 1,5 cm Innenputz 24,0 cm Mauerwerk - tragend 7,0 cm Wärmedämmung 4,0 cm Luftschlitz 11,5 cm Mauerwerk (o.a. Vorsatzschalen) 2,0 cm Wärmedämmung 0,5 cm Kunstharzputz 50,5 cm Holzfenster-KOmbination einfach/zweifach verglast Normaldach zweischalig, teilweise , Glasdach als Luftkollektor Konstruktionsschwerpunkt bezügl. passiver Energienutzung: - Wirtschaftliche Wärmedämmung in Dach- und Außenwänden - Wärmedämmläden und Pufferzonen vor-sämtlichen Außenwandöffnungen gegen Wärmeverluste - Direktor Sonnenwärmegewinn durch Züdfenster und Wintergarten - Erf. Sommersonnenschutz durch Dachüberstände - Wintergarten = Sonnenfänger mit Wärmespeicherung in Massivwand und Boden mit zeitverschobener Wärmeabgabe. Überhitzung des Glashauses wird durch direktes Ablüften oder mechanisches Abführen über einen Steinspeicher geregelt. Wärmeverluste der Speicherwand zum Glashaus (nachts)werden durch wärmedämmende Rolläden vermieden. Kamin und Kachelofen erzeugen zusätzliche Wärme für den Massespeicher. Dieser Wintergarten ergibt im Jahresmittel eine positive Energiebilanz. - 137 - Der durch die passiven Maßnahmen stark reduzierte Heizwärmebedarf wird durch ein Niedertemperaturheizungs-System gedeckt, dessen Energie aus den Gesamtwärmeverlusten des Hauses und der Sonnenenergie gewonnen wird./53/ - 138 - 7.9 Energiesparhaus Neuwied ANSICHT NORDWEST GRUNDRISS UG Abb. 89: Grundrisse, Schnitte, Ansichten - 139 - Beschreibung • Passive Nutzung Auslegung des Gebäudes, daß es die einfallende Sonnenstrahlung aufnimmt und die Sonnenwärme zur Beheizung der Räume mitbenutzt. Auf diese Weise wird ein erheblicher Teil der herkömmlichen Heizenergie gespart. • Glasvorbauten Bilden ein Luftpolster an der Außenwand des Hauses. In der kalten Jahreszeit bieten sie eine zusätzliche Wärmedämmung. In der Übergangszeit und im Sommer können sie in den Wohnbereich einbezogen werden. Durch Abtransport der im Glasvorbau erwärmten Luft werden die sich im Innern des Hauses befindlichen Speicherwände aufgeheizt. Durch Fensterläden und Rollos für Fenster und Glasvorbauten wird der Wärmeverlust im Winter und in kalten Nächten reduziert und eine Überhitzung im Sommer vermieden. Zusätzliche Abschattungseinrichtung durch gezielte Bepflanzung der Außenanlagen (Bäume, Hecken), so daß im Sommer Sonnenschutz gegeben ist und in den kälteren Perioden die Sonnenwärme aufgenommen werden kann. • Fenster Nach Süden gerichtet zweifach verglaste Fenster zur Nutzung der Sonnenwärme. Nach Norden gerichtete Fenster sind klein und dreifach verglast, um Wärmeverluste gering zu halten. • Fassade Durch wintergrüne Bepflanzung der Nord- und Nordostfassade Bildung eines Luftpolsters, Pufferwirkung. • Raumaufteilung Je nach ihrem Nutzungszweck werden in den einzelnen Räumen des Hauses unterschiedliche Temperaturen benötigt (z.B.Wohnräume, Schlafräume). Durch die optimale Ausrichtung des Gebäudes zur Sonne bzw. zum Schatten sollen die Räume mit dem höchsten Wärmebedarf die meiste Sonnenwärme einfangen. Daher Orientierung der Wohn- und Aufenthaltsräume nach Süd/Südwest. - 140 - Abpuffern der Wohn- und Aufenthaltsräume durch Nebenräume und wenig benutzte Räume nach Norden bzw. nach Nordosten. Weitere Pufferzonen durch Bepflanzung der Nord/Nordostfassade und durch die im Nordosten vorgelagerte Garage. • Pufferzone Dach Durch das Sammeln von Warmluft im Dachraum zur Beheizung von Speicherwänden gleichzeitiges Abpuffern der Dachfläche Nord. • Speicherwände Massive mit Sand gefüllte Speicherwände grenzen die bewohnten Räume des Hauses nach Norden ab. • Luftkollektoren am First Durch den Einsatz der Schrägverglasung am Dachfirst heizt sich die dahinterliegende Luftschicht auf. Zusammen mit der ebenfalls in diesen Dachraum abgeleiteten Warmluft aus dem Glasvorbau wird die erhitzte Luft mittels eines einfachen Gebläses den Speicherwänden zugeführt. Die Speicherwände heizen sich somit während der Heizperiode des Jahres tagsüber auf und geben ihre Wärme phasenverschoben nachts an das Haus ab. Eine Auskühlung des Gebäudes wird dadurch vermieden und ein erheblicher Teil der herkömmlichen Heizenergie eingespart. • Kamin Der Kamin im Wohnraum ist so ausgelegt, daß er über ein Rohrsystem die Wärme der Rauchgase an die Speicherwände abgibt. Durch Anordnung des Kaminplatzes unter der Galerie bildet sich hier die wärmste Zone des Hauses, in die man sich an kalten Wintertagen zurückzieht. Durch das Abtrennen des Kaminplatzes mittels eines Vorhanges oder ähnlichem unterhalb der Galerie entsteht eine Wärmekoje für besonders kalte Winterabende. • Aktive Nutzung/Alternativ Die Schrägverglasung am Dachfirst (Luftkollektor) läßt sich durch einfache Maßnahmen umrüsten für den Einbau von Flachkollektoren. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Dachfläche Süd/Südwest als Energiedach auszubilden. /53/ -I4I7.10 Freistehendes EiofamiIiec] b "2 ei Architekt: Professor 0. M.ongem.xümnxvoa N. Y. Innen: Steinhaus — Darüber: Glashaus — Darüber: Grünhaus. Axiometrie. Freistehendes Einfamilienhaus. Winteransicht ^~^^_- z;/.//)k-; | ~ . ^^; Ü i -/;/-://;/ /(;;-;%/, /''''' //:////2",'/// • ''' ' Schnitt Abb. 89 Tvnmxaooenem und Trombe-Wand. Glashaus a/o Pufferzone. Bei der Trombe-Wand (nach Professor Felix Trombe, Odeillo) ist vor einer mcxensteinupe/cne."waouoinoG|o,=and angeordnet. ''//'' . stubl") - 142 - Beschreibung Der Entwurf ist als Haus im Haus konzipiert, wobei sich Grundund Aufriß schalenförmig von innen nach außen entwickeln. - das Steinhaus, der Kernbereich, als innerste und wärmste Zone: das Winterhaus; - das Glashaus als thermisdhe Pufferzone, die den-Kernbereich umhüllt und nach außen abschirmt: das Ubergangshaus; - das Grünhaus, die eigentliche Außenhaut des Gebäudes. Das Grünhaus, das im Norden mit immergrünen Kletterpflanzen bewachsen ist, bildet so einberuhigtesLuftpolster über den Glasflächen, das kalten Wind und Regen abhält. Im Süden und teilweise im Osten und Westen schützen blattabwerfende Pflanzen im Sommer vor zu starker Sonneneinstrahlung.Im Frühjahr, Herbst und Winter kann die Sonnenstrahlung ungehindert in das Gewächshaus und die dahinterliejenden Räume dringen. Massive Fußböden und Wandkonstruktionen sorgen für die Absorption der Strahlung und Speicherung der Wärme. Das Haus "wächst" bzw. "schwindet" mit den Saisonveränderungen.Es atmet mit den Jahreszeiten ein und aus. Im Frühling und Herbst läßt sich ein Sonnenwärmegewinn erzielen. Es bildet sich ein Mikroklima, die Wohnfläche wird am Tage erweitert, der Wohnwert verbessert, die Natur in das Gebäude hereingezogen. Selbst im Winter ist bei Sonneneinfall ein temporärer Sonnenwärmegewinn zu erzielen, der stündenweise eine Nutzung des erweiterten Wohnraumes zuläßt und den Wärmeabfluß aus dem Gebäude über die Speicherwirkung massiver Bauteile erheblich reduziert. Die erwärmte Luft des Gewächshauses kann am höchsten Punkt abgesaugt und durch den unter dem Fußboden liegenden Steinspeicher geführt werden, der, so aufgewärmt, als zusätzliches Wärmepolster für die Pufferzone wirkt. Ein durch einfache, in der Sockelzone des Hauses angeordnete Wasserkollektoren erwärmtes Wasserbecken sorgt für weiteren Klimaausgleich. Die Wohnräume im Kern des Gebäudes werden über die vorgeschaltete Gewächshauszone belüftet und mit Tageslicht beleuchtet. Die in diesem Bereich schon erwärmte Luft vermindert den Lüftungswärmebedarf. Temporärer Wä/meschutz im Bereich der Fenster verhindert den Wärmeabfluß durch die Fenster - 143 - in der Nacht. Die an das Gewächshaus angrenzenden geschlossenen Wandflächen sind im Obergeschoß verglast. Die eingeschlossene Luft wirkt nachts bei geschlossener Luftführung als Wärmedämmung. Am Tag wird die eingestrahlte Sonnenenergie wie bei einer Trombewand in Wärme umgesetzt, von der Wand gespeichert und nachts phasenverschoben an die dahinterliegenden Räume abgegeben. Die im Luftspalt erwärmte überschüssige Luft kann bei Öffnung der Luftführung wie die erwärmte Luft aus dem Gewächshaus dem Steinspeicher zugeführt werden. Der verbleibende Restwärmebedarf wird durch eine konventionell betriebene Fußbodenheizung gedeckt. Der Warmwasserbedarf wird in den sonnenreichen Jahreszeiten mit einer Sonnenkollektoranlage im Südsockel des Hauses gedeckt. /54/ bene::. In d?.e F. ! eingegraben, mit verglastem. Atrium;; f. U-Form mit Öffnung nach Süden. Über dem Dach des Glashauses steht eine Pergola for Begrünung im Sommer. Sequenz: Erdhaus — Glashaus — Grünhaus für saisonabhängige Nutzung. Professor Ungers erhielt für seine Entwürfe den Architekturpreis der Stadt Landstuhl. Seine Arbeiten haben eine prototypische Bedeutung, vor allem für die passive Nutzung der Sonnenenergie. Abb. 90 - 145 - Beschreibung Der Entwurf basiert auf einer U-förmigen Grundrißform. Dabei öffnen sich alle Räume zu einem Innenhof, während die völlig geschlossenen Außenfassaden und das Dach mit Erde bedeckt und bepflanzt sind. Der Innenhof ist mit einem Glasdach und einer Holzpergola überdeckt und orientiert sich mit seiner Südseite zu einem abgegrabenen windgeschützten Freiplatz. Die großen Fensterflächen zum Innenhof werden durch einen verglasten Erschließungsgang nach außen und zum zentralen Glashaus (Gewächshaus)abgeschirmt. Verschiebbare Wärmedämmelemente verhindern das Auskühlen der Wohnräume in der Nacht. Die im Erschließungsgang aufgestellten gläsernen transparenten Wasserspeicher absorbieren einen großen Teil der eingestrahlten Sonnenenergie und stabilisieren die Lufttemperaturen. Zusammen mit dem Wasserbecken im Gewächshaus sorgt dieses passive System für eine Temperierung des gesamten "Pufferbereiches". Die Zusammenschaltung oder Abkopplung von Kernbereich und Pufferzone entspricht der saisonabhängigen Nutzung des Hauses. Im Winter zieht man sich auf den eigentlichen Wohnbereich zurück; der innerste Teil des Hauses wird von einem begehbaren Kamin gebildet. In den Übergangsjahreszeiten dehnt sich der Wohnbereich über die Pufferzone in das Gewächshaus aus. Im Sommer bilden die bepflanzte Pergola und im Gewächshaus gespannte Sonnensegel Sonnenschutz. Glasdachelemente, die sich öffnen und auch abbauen lassen, sorgen für ausreichende Querlüftung und verhindern einen unerwünschten Wärmestau. Der durch die passiven Systeme noch nicht abgedeckte Heizwärmebedarf wird durch eine konventionell betriebene Fußbodenheizung ausgeglichen.Dieses Niedertemperatursystem erlaubt einen späteren Austausch der Heizquelle z.B. durch Sonnenkollektoren, Wärmepumpe etc. Durch die Installation eines einfachen Lüftungssystems mit - 146 - Wärmerückgewinnung in Verbindung mit der vorgewärmten Gewächshauszone können Luftfeuchtigkeit und Frischluftanteil individuell geregelt werden. Damit wird ein "Bunkerklima" verhindert und zusätzlich Energie gespart. /54/ - 147 - und Energie: Arge Ene rgleaparhaus in Messivbauzeise Essen Deutecher Heusbeu- Verband Hamburg Dipl.-Ing. Hoffmann Neustadt Ausführung: Weno Massivhaus W91ffnbültel HEIZUNG Heizfläche: Raumregelung: , Wärmeabrechnungsart: je Geschoß ein Gasofen im Speicherblock; Stichkanäle zum Kinderzimmer, Untergeschoß, Schlafzimmer bzw. Dusche Obergeschoß; Ventilatoren saugen aus beheiztem Raum (Ober Speicherblock). Einliegervohnung wie Hauptwohnung, jedoch ohne Kanäle Thermostatische Raumregelung, Nachtabsenkung manuell beide Wohnungen mit Gasverbrauchsanzeige Sm Wohnzimmer (LED- Anzeige) Wärmeversorgung: Gasofen 3,5 kW je Geschoß im Speicherblock je 1 Gasofen UG, OG, DG; Gasofen im DG ohne Speicherblock. Schlafraumheizung durch natürlichen Dichteunterschied durch Treppenloch. I,atentspetcher in Decken und Wänden Speichersystem: Latentspeicherelemente in Decken, Wänden. Speicherblock; Wasserspeicher in Decken, Wänden; Speicherbauteile aus Ziegelwerkstoffen in Brüstungen, gemauerten Wandteilen, manuell über Holzklappen geregelt LUFTUHG Wohnräume: dezentrale Kapillarventilatoren: Zu-/Abluft Ontergeschop: Wohnraum, Kinderzimmer Obergeschoß: Kinderzimmer, Schlafzimmer Ventilatoren benutzerabhängig, manuell schaltbar Küche,Bad,WC: dezentrale Kapillarventilatoren: Zu-/Abluft Untergeschoß: Küche Obergeschoß: Bad Einliegerwohnung: Kochnische Yärmerückge- Winnung: Kaplllarventllatoren: Zuluft /Abluft Abb. 91: Grundriß und Schnitt 148 - Beschreibung Das Energiesparhuas Kassel der "ARGE Energiesparhaus in Massivbauweise" ist ein mit konventionellen Baustoffen geplantes Einfamilienhaus mit Einliegerwohhung auf dem vorgegebenen Wettbewerbsgrundstück, das sich besonders durch die diagonale Stellung des guadratischen Baukörpers auf dem Grundstück auszeichnet.Dadurch können zwei Seiten des Hauses dem Sonnenlauf voll geöffnet werden, was eine gute passive Solarnutzung erwarten läßt. Die Nordseiten sind völlig geschlossen, aus Massivmauerwerk ausgeführt, das zusätzlich durch Erdanschüttung und die Überdachung zweier Pkw-Unterstellplätze vor der Witterung geschützt wird. Das Haus wird durch ein als Pufferraum dienendes Treppenhaus in der Nordecke geschlossen. über dieses Treppenhaus wird auch die Einliegerwohnung nach 63 der Hess. Landesbauordnung erschlos- sen, die in sich abgeschlossen ist, aber mit durch das Treppenhaus mit der übrigen Wohnung verbunden ist. • Die an den Nordseiten angeordneten Dachflächenabschleppungen dienen zum Schutz der Nordwand vor kalten Winden und Durchfeuchtung. Sie bilden zwischen Haus und einfacher ungedämmter Dachdeckung Unterstellplätze für Pkw's und Gartengeräte. Die Südseite des Hauses ist mit einer zweiten Glashaut in Form eines Glashauses überzogen. Dieses Glashaus dient als "dritte Scheibe" für die Fenster, als Schutz der Sonnenschutz- und Dämmladen, als 'Temperatur- und Windpufferzone und damit zur passiven Solarenergiegewinnung. Die sommerliche Nutzung wird durch das Herausklappen von Glaswandelementen an eine Sturmsicherung erreicht, die damit einen überdeckten Sitzplatz im Freien schaffen und gleichzeitig eine permanente Durchlüftung und den Abzug der erwärmten Luft aus dem Glashaus ermöglichen.Das energiegewinnende Glashaus stellt nicht nur im Sommer, sondern auch im Winter eine Erweiterung des Wohn- und Lebensbereiches dar. An ,seiner Außenseite - 149 - sind Halterungen für Kletterpflanzen angebracht, die dem verstärken Sommersonnenschutz dienen, aber die Solarnutzung im Winter durch Blattabwurf nicht behindern. Diese Kletterpflanzen können bei entsprechendem Wachstum von Schattenbäumen wieder entfernt werden. Das sehr einfach und preiswert konstruierte Glashaus dient gleichzeitig als Wetterschutz für die eigentliche Fassade, deren Details dadurch sehr einfach werden können. Die haustechnischen Anlagen sind konventionell und aus Energiespargründen dezentral ausgeführt. Die Heizung erfolgt geschoßweise über kleine thermostatisch geregelte Gasöfen mit Schornsteinanschluß, die in den Speicherblock integriert sind. Vom Speicherblock aus führen in der Zone der Vorhangschienen Stichkanäle zum Kinderzimmer im Untergeschoß und zu dem Elternschlafzimmer bzw. Duschbad, Wannenbad im Obergeschoß. In den jeweils zu versorgenden Räumen sitzen kleine thermostatisch geregelte Ventilatoren, die manuell angeschaltet werden müssen, sich aber nach Erreichen der eingestellten Temperatur thermostatisch selbsttätig ausschalten. Auf diese Weise wird die benötigte Warmluftmenge für diese Räume aus dem Speicherkern abgezogen bzw. wenn der Speicherkern entladen ist, aus den jeweiligen beheizten Räumen abgezogen. Die Aufstellung eines Gasofens auf jedem Geschoß verhindert die nachteiligen Wirkungen der Schallübertragung bei den üblichen Luftheizungen und ist wegen des geringen Wärmebedarfs und damit der geringen Gasofengröße sehr wirtschaftlich. Die Beheizung der Einliegerwohnung erfolgt nach dem gleichen System, jedoch ohne entsprechende Kanäle, da das Schlafnest automatisch über den natürlichen Dichteunterschied der erwärmten Luft durch das Treppenhaus erwärmt wird. Die Holzbalkendecke zwischen Einliegerwohnun g und Schlafnest ist als von unten "offene n Holzdeckenkonstruktion ausgeführt, in der Latentspeicherelemente untergebracht sind, die überschüssige Wärme vor dem Übertritt in das Schlafnest abspeichern und in Form einer milden Decken- bzw. Bodenheizung nach oben und unten mit großer zeitlicher Verzögerung wieder abgeben. - 150 - Die Beheizung von nicht an die Warmluftführung angeschlossenen Räumen wie z.B. das Bad in der Einliegerwohnung erfolgt über kurzfristig an- und abschaltbare elektrische Infrarotstrahler. Die Lüftung für die kalte Jahreszeit wird durch Kapillarventilatoren der Firma Maico vorgenommen, die eine Wärmerückgewinnung von 50% und eine Feuchterückgewinnung von 60% bei gleichzeitig geringer Wartung ermöglichen. Folgende Bereiche werden mit diesem preiswerten Wärmerückgewinnungssystem dezentral ausgestattet: Untergeschoß - Küche, Wohnraum, Kinderzimmer, Obergeschoß - Kinderzimmer, Bad, Elternschlafzimmer, Einliegerwohnung - Kochnische. Die Kapillarventilatoren sind mit einem einschaltbaren Zeitschalter versehen, der nach Raumgröße und Normluftwechsel eingesellt wird. Die Lüftung wird nur bei Bedarf manuell in Gang gesetzt. (Auszug aus der Baubeschreibung der "ARGE Energiesparhaus in Massivbauweise") - 151 - 7.13 Eneraiesparhaus Berlin Architekten: Dipl.-Ing. Bernd Faskel, Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic, Kassel Energie: Prof. Dr.-Ing. Rouvei, Forschungsstelle für Energiewirtschaft, Munchen Ausführung: SF-Bau Gesellschaft fur schlüsselfertiges Bauen mbH, Köln Heizung Heizfläche: Niedertemperatur-Konvektoren mil Gebläse 60/40° C bis 175% der DIN 4701-Heizieistung: Schlatimmer: Plattenheizkörper ohne Gebläse, ohne Ventilatorenbetrieb + 15° C Raumtemperatur Raumregelung: Heizkörper-Thermostatventile Wärmeabrechnungsart: Verdunstungsmessung Wärmeversorgung: atmosphärischer Niedertemperatur-Gaskessel ,_, 1.1 ,_ .1'15' i' r', --;-.1 Li ij Lüftung Wohnräume: Natürliche Luftvorwärmung in Pufferzonen; Nachströmung durch mechanische Abut in Bad, WC (Küchen) Luftwechsel = 0,7fach Küche, Bad, WC: mechaniSche Abluft: Bäder, WCs. Küchen teilweise, nachts 50% Wärmerückgewinnung: Aus Abluft für Warmwasserbereitung 12 EROGESCHOSS Abb. 92: Grundriß und Schnitt - 152 Beschreibung Das Gebäude ist nach dem. Prinzip "Haus im Haus" aufgebaut. Diese Organisationsform ermöglichst eine vielfältige Nutzung von Wohnungen (parallele Erschließung von Räumen), gehört zu den Grundprinzipien der "passiven" Solarenergienutzung und schafft eine gute Schallabschirmung des Wohnbereichs gegenüber der sehr lauten Verkehrsader im Norden des Grundstücks. Die Architektur baut auf dem Prinzip der Integration - energieparender - kommunikativer Maßnahmen in dem gestalterischen Konzept auf. Es ist ein Versuch, die Prinzipien der Energieeinsparung in die adäquate Architektursprache umzusetzen. Das Gebäude ist in einzelne thermische Zonen gegliedert. Im Innern des Gebäudes sind "warme Räume; in dem Randbereich "kältere" und "kalte" Räume angeordnet. An der Nord-Ost- und West-Außenwand des Gebäudes wird durch thermische Pufferzone - Wintergarten - die beheizte Fläche vor der Außenluft abgeschirmt. In der übergangszeit und in den meisten Wintertagen mit relativ hoher Sonneneinstrahlung und niedrigerer Außentemperatur kann der Wintergarten als erweiterte nicht beheizte Wohnfläche genutzt werden. In der Sommerzeit verhindert an der Süd-Ost- und West-Seite die außenliegende Bepflanzung, beweglicher Sonnenschutz und wirksame Lüftung (oben und unten) des thermischen Puffers - Wintergarten.die Aufheizung. Da die Wohnräume über den Wintergarten be- und entlüftet werden, kann der Lüftungswärmeverlust durch eine Art "Wärmerückgewinnung" im Wintergarten gemindert werden: Anstatt die warme Abluft aus den Wohtfräumen direkt nach außen entweichen zu lassen, wird die in der Abluft vorhandene Wärme zur Aufheizung des "Zwischenraumes" genutzt. Ebenso wird kalte Frischluft, bedingt durch die natürliche Querlüftung, in das Gebäudeinnere über den Zwischenraum geführt und vorgewärmt. Eine Kombination von natürlicher Be- und Entlüftung der Wohnräume über den Wintergarten und einer gesteuerten Entlüftung innenliegender Bäder und Küchen sorgt für eine Minderung der_ Lüftungswärmeverluste durch die Wärmerückgewinnung aus der Abluft. Die Wärme wird zur Warmwasseraufbereitung (teilweise auch Heizung) ausgenutzt. Die Süd-, Ost- und West-Fassaden der Wintergärten sowie der Nordbereich des Treppenhauses sind intensiv bepflanzt. Die Bepflanzung dient einmal als temporärer Sonnenschutz in den Sommermonaten, zum anderen erzeugt sie ein günstigeres ökologisches Verhalten des gesamten Gebäudes. - Bepflanzte Fassaden sind ein Beitrag zur Verbesserung der Stadtökologie. - Lauben-Effekt. Es wäre denkbar, daß auch die Dachfläche als Grasdach ausgebildet wird. (Auszug aus der Baubeschreibung der Architekten Faskel und Nikolic] - 7.14 154 - s Berlin 4°``1,1114 Ill 34411 if' oiP.If Architekten: von Gerkan, Marg + Partner, Berl n Energie und Ausführung: Ingenieurgesellschaft mbH Dr. Walter Herbst, Berlin Heizung Heizfläche: Fußbodenheizung, keine Temperaturangaben, Baderaumtemperatur 20° C + Elektrowärmestrahler Raumregelung: Einzelraumregelung; individuelle Festlegung der Absenkungszeit für die Raumtemperatur; zentrale Erfassung der Raumtemperatur über Mikroprozessor, der als zentraler Regler für die Einzelraumregelung wirkt Wärmeversorgung: Elektro-Wärmepumpe; monovalent Umweltwärmequelle: Außenluft Speichersystem: Zwischenspeicher Lüftung Wohnräume: mechanische Zuluft über Verteitraum in Flurzwischendecke, zentrale Entlüftung über Bad und Küche (Türschlitze), Luftwechsel 0,7fach Küche, Bad, WC: mechanische Entlüftung nach DIN 18017; Bad 60 m 3/h, Küche 85 m3/h Wärmerückgewinnung: Rekuperator Abluft/Zuluft (Wärmerohr); 2. Stufe: Elektro -Wärmepumpe Abluft/ Zuluft Wärmeversorgung: durch Wärmerückgewinnung der Wärmepumpe aus Abluft Abb. 93: Grundriß und Schnitt - 155 - Beschreibung Entsprechend den Randbedingungen wurden die Wohnungen nur nach Süden und Norden orientiert. Die Flanken bleiben mit Ausnahme kleiner Lüftungsfenster für die Küchen vollständig geschlossen. Obwohl unter reinen Energiegesichtspunkten falsch, wird die Nordseite mehr als nur für die Belichtung erforderlich geöffnet, um den Ausblick auf den Kanal und das stadttypische Leben und den Verkehr der Straße einzufangen. Die Nordfassade als "Adresse" der Wohnungen wird mit Rücksicht auf den urbanen Maßstab und die Einbindung in die Umgebung ruhig und streng symmetrisch gestaltet, um die Individualität des Hauses und nicht die der einzelnen Wohnungen zu betonen. Die Südseite erhält vor den Zimmern liegende Terrassen, die als "Wintergärten" verglast werden und eine klimatische und optische Zwischenzone zum Hof bilden. Zur Gliederung des Baukörpers und zur Verbesserung der Belichtungsverhältnisse sind die Ecken des Hauses stark plastisch zurückgesetzt. Erdgeschoß und oberstes Geschoß sind von den vier Regelgeschossen durch Varianten der Wohnungsgrößen unterschieden und erlauben die betonte Gestaltung von Fuß und oberem Anschluß des Baukörpers. Im Sinne der Aufgabenstellung werden folgende Baumaßnahmen unter Abwägung der energetischen und wirtschaftlichen Aspekte vorgesehen: - Kompakte Bauweise mit geringer Oberfläche, soweit es die vorgegebene Einzelhausanordnung zuließ - Stark wärmegedämmte Außenwände ( k = 0,4 W/m 2 K) - Fenster der Aufenthaltsräume mit Dreifach-Verbundfenster (k = 1,7 Wm' K) - Schwere Massivbauweise mit geeigneter Wärmespeicherkapazität und Möglichkeit zur Verteilung der Wärme - 156 - - Weitestgehende Öffnung des Hauses nach Süden. Süd-Fenster als einfachste Form von Sonnenkollektoren - Wintergärten als Pufferzone auf Südseite mit Zweifach-Verglasung (k = 2,8 W/m 2 K). Dabei Klinkerböden zur Wärmeabsorption und Speicherung. Nicht weiter vorgeschlagen wurden die ursprünglich angedachten zusätzlichen Maßnahmen wie Sonnenkollektoren oder Absorberflächen auf dem Dach oder wärmegedämmte Fensterläden bzw. Außenjalousien, da ihr Kosten-Nutzen-Verhältnis zu gering und ihr Einsatz zu störanfällig und wartungsintensiv wäre. Sonnenkollektoren in der Stadt arbeiten aufgrund des hiesigen Wetters und der Verschmutzung zu sporadisch und machen zusätzliche technische Geräte zur vollständigen Wärmegewinnung gerade in der kältesten Zeit nicht entbehrlich. (Auszug aus der Baubeschreibung der Architekten von Gerkan-Marg + Partner) -- 157 .a raiesLarhaus _ Berl in ^..1yu l i^ ^ L^V Architekten: Dipl.-Ing. Architekten BDA Pysall-Jensen- Stahrenberg & Partner, Berlin Energie: Haustechnik-Planungs -GmbH, Berlin Ausführung: Boswau & Knauer, Berlin ^°^----. t ..,. ©I► PUFFERZONE Heizung Heizfläche: Niedertemperatur-Röhrenradiatoren 50/40° C Raumregelung: Heizkörper-Thermostatventil mit Max-Begrenzung Wärmeabrechnungsart: Wärmemengenzähler je Wohnungseinheit Wärmeversorgung: Elektro-Wärmepumpe (Wasser/ Wasser), monovalent: zentraler Wohnbereich mit Warmluftkachelofen Umweltwärmequelle: Grundwasser Speichersystem: Hochtemperatur-Pufferspeicher 3 250 I REDUZIERTER WOHNBEREICH Lüftung Wohnräume: Fensterlüftung Küche, Bad, WC: Fensterlüftung PUFFERZONE -"1"j44-111-"1---4, ta-_-^-_-__ v—>e3 _._Y(1 LTA 'i i 1N4 s.: DBttttl_ __'-al_y^ ia+ UMW /^ _. _. .^^il ^ ^ ^ ^^ !•^^^ ^c ^ PI r °"° ows sasas en^^ vs SAL1 B-184 nmcaSIrus+ee a , .. _ ll^^il I ° F^ ^ C— c= B L'CC OSICVgU. MESA BASK W +09Wt[aCt U1 47 B Il1 CC ^^."i► ..` W^>. N Sam MI6 I W. ° ,+^: ,I^B 19 i i= `^ Abb. 94: Grundriß und Schnitt - 158 - Beschreibung Bei der Planung des vorliegenden Energiesparhauses wurde unter der Findung des planerischen und technischen Konzeptes der passiven und aktiven Energienutzung die Konzeption des Gesamtentwurfes dahin interpretiert, daß aufwendige planerische Gestaltung und Gebäudetechnik nicht als energie- und kostensparend gelten. Hohe Investitionskosten für passive energetische Bauteile in Form von gebäudeumschließenden Glasflächen und aufwendige Dachflächen in den einzelnen Geschossen für die aktive Energienutzung wurden außer Betracht gelassen. Das vorliegende planerische Gesamtkonzept beinhaltet eine Vielzahl von konstruktiven und technischen Einzelmaßnahmen am Gebäude und an Gebäudeteilen für die passive Energienutzung bzw. zum Schutz von Energieverlusten, aktive Energienutzung in der Gebäudetechnik erfolgt mit der Energiequelle Grundwasser für die NT-Heizung und die Sonnenenergie für die Brauchwassererwärmung. Mit dem technischen Gesamtkonzept werden auch die Energiespitzenlasten abgedeckt. Auf der Basis der Vorgabe für die Art der Bebauung als Einzelhäuser in kompakt-kubischer Form und den funktionalen Maßnahmen der Raumzuordnungen in Nord/Süd-Lage werden die planerischen Möglichkeiten der Energiereduzierung berücksichtigt: Zentraler, reduzierter Wohnbereich als Speicherzone im Gebäudezentrum mit vorgelagertem kombinierten Energiepuffer und -speicher auf der Südseite (Wintergarten/Loggia, Eßplatz), Räume mit Gebäudeteehnik in der Wohnung zentralisiert auf minimale Installation und ohne maschinelle Entlüftung, Räume mit reduzierbarem Energiebedarf (Schlafräume) auf der Nordseite. Vegetationsflächen am und zwischen den Gebäuden berücksichtigen die Vorgabe der Einzelbaukörper in bezug auf die klimatischen Bedingungen und deren Bezug auf den Energiebedarf mit Entlastungsfunktion, gleichzeitig Emissionsfilter von der Straße zum Gebäude und den Freianlagen im Hofbereich. - 159 Das monovalente Energiekonzept aus Grundwasser und Sonnenenergie bei Anpassung an die verschiedenen Bedingungen und die individuellen Bedürfnisse der Nutzer ermöglicht dem Nutzer direkte EinfluBnahme auf Energieeinsparung. Für die im Bereich der Fassade beschriebenen Fensterkonstruktionen werden an der Nordfassade als temporärer Wärmeschutz wärmegedämmte Klappläden, für die sonstigen Fenster Rolläden mit wärmegedämmten Kunststoffprofilen angeordnet, die teilweise (Bereich Eßplatzfenster) auch Sonnenschutzfunktionen übernehmen. Sonnenschutzanlagen in Form von verstellbaren Lamellenkonstruktionen mit mechanischer Betätigung und sekundärer Wärmeschutzfunktion werden im Bereich der Wintergärten ausgeführt. Im Bereich der Schlafräume an der Nordseite des Gebäudes werden als zus. Puffer zur EnergieabfluBminderung hinterlüftete Einbauschränke angeboten. Im zentralen Wohnbereich wird ein Warmluftkachelofen mit Verbindung zu den Räumen an der Nordseite des Gebäudes als individuelle Möglichkeit des Wohnungsnutzers zur Energieeinsparung bei übergangszeiten und in Spitzenlasten angeordnet. (Auszug aus der Baubeschreibung der Architekten Pysall-JensenStahrenberg& Partner) 160 rlin - 7.16 EnerglesparnL Architekten: Architekten Kilpper + Pa rt ner, Stuttga rt Energie: Deutsche Forschungs- und Versuchsanstalt für Luft- und Raumfahrt und Ingenieurbüro Scheer, Stuttgart Ausführung: Bauunternehmen Züblin AG, Stuttga rt Heizung Heizfläche: Fußbodenheizung 45/35° C Raumregelung: Thermostatische Einzeiraumregetung: zentrale witterungsgeführte Vorlauftemperatur mit Tag/Nachtprogramm Wärmeabrechnungsart: Elektronische Wärmemengenzähler je Wohnungseinheit Wärmevers: Diesel-Wärmepumpe, monovalent Umweltwärmequelle: Landwehrkanal Speichersystem: Pufferspeicher 1 000 I Lüftung Wohnräume: Fensterlüftung (Stoßlüttung) Küche, Bad, WC: mechanische Abluft Bad, WC nach DIN 18017 benutzerabhän g ig, Nachlauf 10 nun; EntIühung 90 m3/h l ^l ^t• ^t "^ `-s ^^2 r, ^!ssr n^ rlllnn= wuIiSi e, r ^^^IYNIMf IMP ^ DO m aa aunMmnm a.raur, a a.Maumm,euvan MOM rosw aaonmmn MOON km ballb a^^ r n.m mn arm, smwaauiva s 61 boa. •ult . run. i be assn uu ^ va:ms mm .umMUaba n n sawanu am , W r.n vau.Mw nrs. p nw ' IOW ,aYa. a MO/Um a ae 4 0 aeuw,.emn.nn aMU uaa ^^ a a. aa.y, . w.aam amna a emu,ma vasx , sa uua u.äim ,-mania m La • w^iwx^,n^ uuuns ural Abb. 95: Grundriß und Schnitt - 161 Beschreibung Das Gebäude ist als kompakter Zweispänner ohne außenwandvergrößernde Vor- und Rücksprünge konzipiert. Die oberen Geschosse werden aus gestalterischen und energetischen Gesichtspunkten mit Dachschrägen geplant. Es werden im Prinzip zwei unterschiedliche Grundrißorganisationen gewählt. Die Grundrisse der Normalgeschosse sind nach einem klaren Temperaturzonenprinzip gegliedert. Zur Südseite sind Wohnund Kinderzimmer orientiert, in der Mitte liegen Bad und Eßplatz und nach Norden hin Küche und Schlafzimmer. Zur passiven Nutzung der Sonnenenergie werden vor allen Aufenthaltsräumen Pufferzonen ausgebildet.Dies geschieht durch schrägliegende Isolierverglasung der Balkone in Zusammenwirkung mit angebundenen Speichermassen, so daß sich ein "Glashauseffekt" einstellt. Durch die Verglasung vor den Schlafräumen der Nordseite wird eine Gewinnfläche für diffuse Sonneneinstrahlung gewonnen und zudem der hier besonders erwünschte Effekt eines Lärmpuffers erzielt. Die seitlichen, erkerartigen Aufklapper an den Eßplätzen bieten die Möglichkeit, auch die Mittelzone direkt zu besonnen. Die Sondersituationen Erdgeschoß und oberstes Geschoß werden aufgrund ihrer spezifischen Lage im Gebäude und zur Außenwelt anders organisiert. Die größeren 4 1/2 Zimmer-Erdgeschoßwohnungen werden durch teilweises Einbeziehen des Untergeschosses als Maisonette ausgebildet. Dadurch können - bis auf das Schlafzimmer - alle Räume nach Süden zu einem vorgelagerten Grünhaus hin orientiert werden. Dem Grünhaus ist ein zur Wohnung gehörender Garten vorgelagert.,der in einer Sonnenmulde geschützt liegt. Ein Erdwall mit intensiver Bepflanzung verhindert das Vordringen bodennaher Kaltluft an das Gebäude. Um den Einbau eines Aufzuges zu vermeiden und somit Investitions- und Betriebskosten zu senken, umbauten Raum zu verringern und Schallprobleme zu umgehen, wurden die obersten Wohnungen als Maisonette ausgebildet. Durch Aufklappen der - 162 - obersten Decke ist es zudem möglich, im Norden liegende Räume von Süden her zu belichten und zu besonnen. Für die Gewächshausverglasung wird Zweischeiben-Isolierglas mit verzinkter Stahlkonstruktion und kittlosen Klemmprofilen vorgesehen. Zur Durchlüftung und um Uberheizungen zu vermeiden, sind oben und unten Lüftungsklappen angeordnet, die eine natürliche Luftzirkulation ermöglichen. Zum Sonnenschutz dienen außenliegende Markisen, die sich je nach Sonneneinfall regulieren lassen. In den Normalgeschossen sind zusätzlich als feststehender Sonnenschutz die vorgelagerten Balkone vorgesehen. Sie erhalten, um zu starke Verschattungen zu vermeiden, schrägliegende Brüstungen und erlauben der flachstehenden Wintersonne,tief in die Wohnräume einzudringen. Um die Verluste bei Nichteinstrahlung zu reduzieren, wird ein temporärer Wärmeschutz angeordnet. Hierzu werden innenliegende Wäremdämmrollos verwendet, die zusammen mit den außenliegenden Markisen sehr wirkungsvoll sind. Mit diesen Entwurfs- und Baumaßnahmen, unter näherungsweiser Berücksichtigung des Strahlungsgewinns ist es gelun7 gen, den sehr geringen Restwärmebedarf von nur 36 W/m 2 zu verifizieren. Für die Deckung des Restwärmebedarfs ist eine Nutzung aktiver SOlarenergie über Sonnenkollektoren, Energiedächer- und Fassaden oder Wärmepumpensysteme denkbar. Aufgrund der direkten Nachbarschaftdes Landwehrkanals bietet sich im vorliegenden Fall der Einsatz einer monovalent betriebenen Wasser/Wasser-Wärmepumpe als derzeit wirtschaftlichste Lösung an. (Auszug aus der Baubeschreibung der ARGE "Energiesparhaus Berlin - Züblin/Kilpper/DFVLR/Scheer") LITERATURVERZEICHNIS /1/ Meadows, D.; Meadows, D.; Zahn, E.; Milling, P.; /2/ /3/ Schäfer; /4/ /5/ Die Grenzen des Wachstums - Bericht des Club of Rome zur Lage der Menschheit Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart 1972 Global 2000 - Der Bericht an den Präsidenten Zweitausendeins, Frankfurt 1981 Struktur und Analyse des Energieverbrauchs der Bundesrepublik Deutschland Technischer Verlag Resch, Gräfelfing 1980 Arbeitsgemeinschaft für zeitgemäßes Bauen e.V., Kiel Energieeinsparung Teil 1 und 2 Juli/August 1980 Weller, K.; Rehberg, S.; /6/ Schuh, U.; Sachsse, G.; Wehrle, P.J.; Spinola, A.; Formulierung der zukünftigen, umweltbezogenen Anforderungen an industriell herstellbare Wohnbauten und Erarbeitung von Lösungsansätzen DFG-Forschungsgesellschafts -Vorhaben, Technische Universität Berlin, Fachgebiet Industrielles Bauen, Berlin 1979 Energiesparbuch für das Eigenheim - Eine Anleitung zu Verbesserungen an Haus und Heizung - Wie es gemacht wird - was es kostet - was es bringt Schriftenreihe "Bau- und Wohnforschung" des Bundesministers für Raumordnung, Bauwesen und Städtebau, Bonn, Heft 04.024 1977 /7/ Ehm, Bauphysik - in Kürze (Energiedefinition) Bauphysik 1/1979 - Seite 37 ff /8/ Ankirchner, H.; Beinroth, E.; Krinninger, H.; Spiecker, H.; Sonnenenergie-Fibel Informationen über die Nutzung von Sonnenenergie für Architekten und Bauherren Karl Wenschow GmbH., München 1980 Umweltfreundliches Wohnen Seminarzwischenbericht WS 1977 Schröder TUM /9/ /10/ Hrsg. 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