Das Passivhaus Autor: Dirk Tschentke Inhaltsverzeichnis 0
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Das Passivhaus Autor: Dirk Tschentke Inhaltsverzeichnis 0. Einleitung * 1. Erläuterungen * 1.1. Erläuterung der Begriffe Niedrigenergie-/Passivhaus * 1.1.1. Das Niedrigenergiehaus * 1.1.2. Das Passivhaus * 1.2. Planungsgrundsätze von Niedrigenergie-/Passivhäusern * 1.2.1. Der Standort * 1.2.2. Gebäudeorientierung * 1.2.3. Gebäudeform * 1.2.4. Wärmedämmung * > 1.2.5. Zonierung des Gebäudes * 1.2.6. Dichtheit der Außenhülle * 1.2.7. Wärmebrücken * 1.2.8. Gebäudemasse / Speicherfähigkeit * 1.2.9. Abschlußbemerkung * 2. Verbesserung und zielgerichteter Einsatz des baulichen Wärmeschutzes * 2.1. Arten des Wärmeschutzes * 2.1.1. Die Außendämmung * 2.1.2. Die Innendämmung * 2.1.3. Die Zwischendämmung * 2.1.4. Die transparente Wärmedämmung * 3. Techniken der aktiven und passiven Sonnenenergienutzung * 3.1. Sonnenenergie * 3.2. Unterscheidung zwischen aktiver und passiver Sonnenenergienutzung * 3.2.1. Definition * 3.3. Systeme der passiven Sonnenenergienutzung * 3.3.1. Systemeinteilung * 3.3.2. Systeme zur direkten Nutzung * 3.3.3. Systeme zur indirekten Nutzung * 3.3.4. Systeme mit getrennten Systemkomponenten * 3.4. Systeme der aktiven Sonnenenergienutzung * 3.4.1. Systemeinteilung * 3.4.2. Wasserkollektoren * 3.4.2.1. Flachkollektoren * 3.4.2.2. Vakuumkollektoren * 3.4.2.3. Nutzungsmöglichkeiten * 3.4.3. Luftkollektoren * 3.4.3.1. Luftkollektoren * 3.4.3.2. Fensterkollektoren * 3.4.3.3. Nutzungsmöglichkeiten * 3.4.3.4. Berechnung der Erträge von Luftkollektoren * 4. Lüftungskonzepte * 4.1. Einteilung der Lüftungskonzepte * 4.2. Erläuterung der Lüftungskonzepte * 4.2.1. Fugen- oder Selbstlüftung * 4.2.2. Fensterlüftung * 4.2.3. Schachtlüftung * 4.2.4. Abluftanlagen * 4.2.5. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung * 4.2.6. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung mit nachgeschalteter Wärmepumpe * 4.2.7. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung und vorgeschaltetem Erdwärme- tauscher * 4.2.8. Einzelgeräte * 5. Planungsweg * 0. Einleitung ~[2] [3] [7] [22] [32] [34] [42] [49] [61]~ Das Bauen war im entferntesten Ursprung die Lösung der Energiefrage. Der Mensch wurde durch Klimaveränderung und Besiedlung nördlicher Gebiete dazu gezwungen, Wohnstätten zu errichten, die ihm das Überleben unter kalten klimatischen Verhältnissen ermöglichten. Sie dienten dem einzigen Zweck, dem Schutz gegen Regen, Kälte und Schnee. Sokrates äußerte sich zu diesem Thema so: " Abb. 1 Längsschnitt und Grundriß des Hauses von SOKRATES (496 - 397 vor Christus) Er (Sokrates) meinte auch, dieselben Häuser seien schön und nützlich, und es schien mir, als wolle er damit lehren, wie man sie bauen müsse. Er überlegte aber folgendermaßen: Wenn jemand ein Haus haben will, wie es sein muß, soll er es dann so errichten, daß das Leben darin angenehm und nützlich wird? Als man auch dies zugab, fuhr er fort: Ist es nicht angenehm, wenn es im Sommer kühl, im Winter warm ist? Als man auch dies zugestand, meinte er weiter: Scheint nicht in den nach Süden gelegenen Häusern die Sonne im Winter unter die Vorhalle, im Sommer aber wandert sie über uns und die Dächer hinweg, daß wir Schatten haben? Wenn es nun angenehm ist, daß es so geschieht, muß man dann nicht die südlichen Zimmer höher bauen, damit die Wintersonne nicht abgeschlossen wird, die der Nordseite aber niedriger, damit die kalten Winde nicht einfallen können? Um es kurz zu sagen: das dürfte mit Recht die schönste und angenehmste Behausung sein, in der man sich in jeder Jahreszeit wohl fühlt und seinem Besitz am sichersten verwahrt." Xenophon (ca. 400 v. Chr.) in MEMORABILIA, Band III. Mit der Entwicklung der Zivilisation wurde die Energieproblematik am Bau mehr oder weniger in den Hintergrund gedrängt, und geblendet durch den technischen Fortschritt und die neu erschlossenen, scheinbar unerschöpflichen Energiereserven der Erde wurde der Zweck der Baukunst ganz vergessen. Erst mit den Ölkrisen in den siebziger Jahren wird die Energieproblematik wieder in die Öffentlichkeit gerückt. Nach Ende der Ölkrise kommt es zu ersten Bemühungen, den Energieverbrauch von Gebäuden durch gesetzliche Bestimmungen (Verordnungen) zu begrenzen. Durch die Verabschiedung der Wärmeschutzverordnung vom 16. August 1994 kommt es zur Festlegung einer weiteren Novellierung zum Ende des Jahrzehntes mit einer weiteren Verschärfung von rund 25 – 30%. Damit wird das Niedrigenergiehaus gesetzlich eingeführt. Die Niedrigenergiebauweise wird mit der Einführung der neuen Energiesparverordnung zum Standard im Neubau von Gebäuden, damit wird ein weiterer Schritt in die Richtung des Passivhauses gegangen und der Energieverbrauch in diesem Bereich reduziert sich wesentlich. Damit ist aber nur ein geringer Teil der Gebäude zu erfassen und der Gebäudebestand mit seinen Instandsetzungszyklen von 20 – 50 Jahren nur sehr langfristig in die energetische Sanierung einzubeziehen. Da der Gebäudebestand aber über 75% der Gebäude ausmacht, ist hier das größere Einsparpotential vorhanden. Die Energiefrage wird die Welt in den nächsten Jahren merklich verändern, da die Vorräte an Energieträgern in den nächsten 50 – 80 Jahren zu Ende gehen und ein Ausgleich nur durch den verstärkten Einsatz der Sonne erfolgen kann. Mit diesen gemachten Aussagen ist es ersichtlich, daß die Energiefrage im Baubestand an Bedeutung zunehmen wird und hier besondere Anstrengungen zum Erreichen des Niedrigenergiehaus/Passivhausniveaus erforderlich sind. Dabei gilt auch im Gebäudebestand: Vermeidung von Wärmeverlusten vor dem Einsatz der Solarenergie in all ihren Formen. Die Sonne liefert 35.000.000.000.000.000 kWh zur Erde, damit deckt sie alle 8 Minuten den Gesamtenergieverbrauch eines Jahres auf der Erde. Auch in unseren Breitengraden fällt noch die 88fache Menge des Energieverbrauches in Deutschland an, wobei sich ein deutlich ungünstigeres Verteilungsverhältnis der Energiemenge zur Verbrauchsmenge in Deutschland ergibt. Die größten Strahlungsmengen fallen in den Monaten mit dem geringsten Bedarf an und sind damit für die Nutzung ohne Speicherung nicht verfügbar. Durch die Ausführung unterschiedlichster Konzepte und Lösungsansätze wurde gezeigt, daß auch bei uns Gebäude (Passivhaus Freiburg, Energieautarkes Solarhaus Freiburg, NullHeizenergiehaus Berlin) mit minimalem Energieverbrauch möglich sind. Bei dem Bau und der Instandsetzung des Gebäudebestandes und unserer Lebensweise sollte der Einsatz der Sonne mit ihrem unerschöpflichen Potential, 35.000.000.000.000.000 kWh, die entscheidende Rolle in unserer zukünftigen Energieversorgung spielen. 1. Erläuterungen ~[5] [9] [11] [17] [22] [37] [43]~ 1. Erläuterung der Begriffe Niedrigenergie-/Passivhaus 1. Das Niedrigenergiehaus Das Niedrigenergiehaus ist ein international fest definierter Begriff, der klimaunabhängig festgelegt ist: Niedrigenergiehäuser haben einen spezifischen Jahresheizwärmebedarf (bezogen auf die beheizte Nutzfläche und die Heizgradtagszahl) kleiner oder gleich 0,02 kWh/(m²Kd) (Bezugspunkt Einfamilienhaus) Wird dieser Definition die mittlere deutsche Heizgradtagszahl von 3500 Kd/a zugrundegelegt, ergibt sich für das Einfamilien-Niedrigenergiehaus Energiekennwert Heizwärme ca. 70 kWh/(m²a) und das Mehrfamilien-Niedrigenergiehaus Energiekennwert Heizwärme ca. 55 kWh/(m²a). Dieses entspricht einem Wert, der ~30 % unter der heute noch gültigen Wärmeschutzverordnung liegt. Mit der Einführung der Energiesparverordnung ist die Niedrigenergiebauweise als Standard eingeführt. Merkmale von Niedrigenergiehäusern Sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile Empfohlene u-Werte der Außenhülle Dach ca. 0.15 W/(m²K) Wand ca. 0.25 W/(m²K) Kellerdecke ca. 0.30 W/(m²K) Fenster ca. 1.10 W/(m²K) Reduzierung der Wärmebrücken Die Dämmung sollte geschlossen um das Haus angebracht werden. Auskragende Bauteile sind zu vermeiden. Bei Leichtbauteilen ungedämmte Querschnitte vermeiden. Kontrollierte Wohnungslüftung mit oder ohne Wärmerückgewinnung Mit dem Einsatz der Lüftungstechnik wird eine gute Raumluftquallität erzeugt. Die Wärmerückgewinnung ist von untergeordneter Bedeutung. Im Regelfall reichen im Niedrigenergiehaus einfache Abluftanlagen aus. Dichtheit der Außenhülle Die Außenhülle sollte im Blower-Door-Test eine Dichtheit von n50 kleiner 1,0 h aufweisen. Optimierung der passiven Sonnenenergienutzung Beim Einsatz von transparenten Bauteilen ist eine gute Dämmwirkung und hoher Energiedurchlaß wichtiger als die Fenstergröße. Angepaßtes Heizsystem Das Heizsystem muß dem niedrigen Heizenergiebedarf angepaßt sein und sich selbsttätig und flink regeln Warmwasserbereitung Der Wärmeschutz des Speichers und des Verteilsystems muß sehr gut sein. Nutzung elektrischer Energie Durch die Auswahl besonders sparsamer Haushaltsgeräte und Haustechnikkomponenten läßt sich der Stromverbrauch erheblich reduzieren. Nutzerfreundlichkeit aller Komponenten Die gute Bedienbarkeit ist ein wesentlicher Punkt zur Akzeptanz und Anwendung der eingesetzten Systeme. 2. Das Passivhaus Das Passivhaus ist die konsequente Weiterentwicklung des Niedrigenergiehauses. In diesem sind durch weitere Verbesserungen des wärmetechnischen Standards, der Verglasung und der technischen Einrichtung ein Gesamtenergieverbrauch, einschließlich Elektroenergie, von unter 30 kWh/(m²a) anzustreben. Dieses führt zu einem Energiekennwert Heizwärme von kleiner 15 kWh/(m²a), für Haushaltsstrom von 8 kWh/(m²a) und 7 kWh/(m²a) für die Warmwasserbereitung. Ein Passivhaus ist ein Gebäude, das komfortable raumklimatische Bedingungen im Winter wie im Sommer ohne aktives Heiz- und Klimatisierungssystem sicherstellt. Durch Verbesserung und Verstärkung der äußeren thermischen Hülle (Wärmedämmung, Fenster) ist ein so niedriger Energiebedarf erreicht, daß dieser über den Einsatz von erneuerbaren Energiequellen zu decken, bzw. über technische Komponenten weiter zu verringern ist. Merkmale von Passivhäusern Sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile Empfohlene u-Werte der Außenhülle Dach ca. 0.10 W/(m²K) Wand ca. 0.14 W/(m²K) Kellerdecke ca. 0.18 W/(m²K) Fenster ca. 0.80 W/(m²K) Reduzierung der Wärmebrücken Die Dämmung sollte geschlossen um das Haus angebracht werden. Auskragende Bauteile sind zu vermeiden. Bei Leichtbauteilen ungedämmte Querschnitte vermeiden. Kontrollierte Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung Mit dem Einsatz der Lüftungstechnik wird eine gute Raumluftquallität erzeugt. Die Wärmerückgewinnung ist von großer Bedeutung für das Energiekonzept. Der Wirkungsgrad der Lüftung sollte größer 80 % sein. Dichtheit der Außenhülle Die Außenhülle sollte im Blower-Door-Test eine Dichtheit von n50 kleiner 0,6 h aufweisen. Optimierung der passiven Sonnenenergienutzung Beim Einsatz von transparenten Bauteilen, ist eine gute Dämmwirkung und ein hoher Energiedurchlaß wichtiger als die Fenstergröße. Warmwasserbereitung Der Wärmeschutz des Speichers und des Verteilsystems muß sehr gut sein. Nutzung elektrischer Energie Durch die Auswahl besonders sparsamer Haushaltsgeräte und Haustechnikkomponenten läßt sich der Stromverbrauch erheblich reduzieren. Nutzerfreundlichkeit aller Komponenten Die gute Bedienbarkeit ist ein wesentlicher Punkt zur Akzeptanz und Anwendung der eingesetzten Systeme. 2. Planungsgrundsätze von Niedrigenergie-/Passivhäusern Die Planung von Niedrigenergie-/Passivhäusern erfordert kein grundsätzlich neues Planungskonzept, sondern es ist die Zusammenführung und Integration aller am Bau beteiligten Disziplinen. Dabei ist das Gebäude nicht nur unter dem Gesichtspunkt der möglichst guten Wärmedämmung zu betrachten (geringer Heizenergieverbrauch), sondern dem Punkt der Sonnenenergienutzung, mit guter Wärmegewinnung, ist besondere Beachtung zu schenken. Wärmedämmaßnahmen sind nur bis zu einem bestimmten Punkt kostengünstiger als die Solarwärmegewinnung. Bei der Gestaltung des Baukörpers finden die historisch gewachsenen Methoden des klimagerechten Bauens wieder ihre Anwendung. Die Gesamtenergieeinsparung des Gebäudes wird über das Gesamtkonzept erreicht, dazu werden die folgenden Punkte ausgeführt. 1. Der Standort Bei der Auswahl des Standortes ist die Berücksichtigung des Mikroklimas von Bedeutung, und es sind folgende Punkte zu berücksichtigen: Orientierung des Baugrundes zur Sonne Abb. 2 Stand zur Sonne Gebäude sollten so auf Baugrundstücke gestellt werden, daß eine optimale Besonnung gewährleistet ist. Damit sind südorientierte Hanglagen besonders begünstigt, aber auch Baugebiete mit großzügiger Flächenauslegung bzw. kompakter Bebauung, daß eine Verschattungsfreiheit gegeben ist. * Beschattung durch Bäume, Berge und Gebäude, vor allem im Winter und in der Übergangszeit Abb. 3 Lage in der Vegetation Die Beschattung des Gebäudes bringt immer eine Verringerung der solaren Einstrahlung und damit weniger nutzbare solare Gewinne. Die Verschattung schützt aber auch im Sommer vor Überhitzungserscheinungen, was bei Bergen und Gebäuden durch den Sonnenstand im Sommer meistens nicht gegeben ist. Durch Einsatz des Mittels der Bepflanzung und Baumauswahl konnte dieser Umstand ausgenutzt werden. Abb. 4 Exponiertheit der Lage Örtlich begrenzte Klimaerscheinungen Dabei handelt es um örtlich begrenzte Erscheinungen, die sich gegenseitig aufheben bzw. verstärken können. Ausbildung von Kaltluftstaubereichen In Mulden und Kaltluftstaubereichen können sich bis zu 6° C Temperaturen ausbilden. Abb. 5 Lage zu Gewässern Örtliche Wasserflächen Große oder kleinere Wasserflächen mildern die Tiefstwerte der Temperaturen im Winter lokal ab, desweiteren werden die Temperaturextreme in der Übergangszeit abgemildert (späte und frühe Nachtfröste) * Abb. 6 Lage zum Wind Windrichtung und mittlere Windgeschwindigkeit Der Wärmeverlust von Gebäuden wird durch den Wind im Zusammenhang mit der Dichtheit der Gebäudehülle und der Lage zum Wind beeinflußt. Die Verluste infolge des Windes können bis zu 50% der Gesamtbilanz ausmachen. Das Entstehen der Winde hängt mit dem Auftreten von Hochund Tiefdruckgebieten zusammen und wird durch die lokale Topographie (Gebirgszüge, Täler,...) beeinflußt. Lokal entstehende Winde sind durch die unterschiedliche Erwärmung eines begrenzten Gebietes gekennzeichnet (dicht bebautes Stadtgebiet, Land – Wasserfläche). * Nutzung örtlicher Ressourcen Dabei ist der Nutzung des Grund- und Oberflächenwassers, Holz der nahen Umgebung und verfügbarer Abwärme besondere Beachtung zu schenken. 1. Gebäudeorientierung Bei der Orientierung des Gebäudes ist darauf zu achten, daß eine der Längsseiten in Süd oder Süd-Westen (wegen Morgennebels im Winter) verläuft. Es sollten südorientierte Dachflächen zur Verfügung stehen, um die aktive Solarnutzung zu ermöglichen. Dabei ist es unerheblich, ob diese Flächen eine 30° Abweichung in Ost- oder Westrichtung aufweisen. Das Gebäude ist so einzufügen, daß ein möglicher Windschutz und die freie Besonnung nicht eingeschränkt werden. Die Ausführung als Mehrfamilienhaus sollte so erfolgen, daß alle Wohnungen möglichst südorientiert sind. 2. Gebäudeform Bei der Entscheidung der Form der energetisch günstigsten Umhüllungsfläche spielen viele Überlegungen eine Rolle. Dabei ist besonders das Verhältnis der Gesamtoberfläche zu dem Gebäudevolumen und das Verhältnis der sonnenbestrahlten Oberfläche zur Schattenfläche von Bedeutung. Das Verhältnis der Gesamtoberfläche zu dem Gebäudevolumen (F/V) ist deshalb bedeutsam, weil ein bedeutender Teil des Wärmeverlustes durch die durchströmte Oberfläche bestimmt wird. Diese Verluste lassen sich auch bei optimalen Wärmeschutzmaßnahmen nicht verhindern, sondern nur reduzieren. Der Wärmeverlust eines Baukörpers verändert sich bei gleichbleibenden äußeren und inneren Temperaturbedingungen und gleichem u-Wert proportional zur Oberfläche. Damit bildet das größte mögliche eingeschlossene Volumen zur geringsten Außenoberfläche die energetisch günstigste Lösung. Unterschiedliche Grundflächen ergeben Abweichungen, da der Wärmeverlust zum Erdreich geringer ist. Abb. 7 Volumen- und Oberflächengleichheit bei unterschiedlicher Grundfläche Bei der Steigerung des Volumens verringert sich die Oberfläche des Baukörpers und damit deren Transmissionswärmeverluste. Daraus ergibt sich für die Halbkugel die energetisch günstigste Form, da das Kugelvolumen mit der kleinsten Fläche zu umhüllen ist, und das stehende Rechteck als ungünstigste Variante. Abb. 8 Folgen der Verdoppelung des Volumens Ein Körper mit der Volumeneinheit V mit 100% Oberfläche hat bei seiner 16fachen Vergrößerung nur noch einen Oberflächenanteil von 31% und somit wesentlich geringere Wärmeverluste. Daraus ergibt sich die Forderung, das Bauvolumen möglichst zusammenzufassen und die Abkühlungsfläche zu verringern. Abb. 9 Addition von gleichgroßen Einheiten Die Abkühlungsfläche wird weiterhin verringert, indem man Baukörper gleichen Temperaturniveaus aneinanderreiht. Dabei ist zu beachten, daß Wärmeverluste durch Wind sich proportional zur Außenoberfläche verhalten, bei Ecklagen können durch Strömungsverdichtung wesentlich höhere Verluste auftreten. Abb. 10 Einbettung ins Erdreich Die Gebäudeform wird nicht nur von dem Verhältnis von Gebäudeoberfläche zu Gebäudevolumen (F/V) bestimmt, sondern auch von den Fassadenteilen wie Vor- und Rücksprünge, Erker, Gauben etc. vergrößern die Gesamtoberfläche und führen zu einem ungünstigeren F/V-Verhältnis. Der mögliche Energiegewinn durch die Sonne sollte nicht unberücksichtigt bleiben. Das Verhältnis von sonnenbestrahlter Fläche zur Schattenfläche sollte zugunsten der Sonnenfläche verschoben werden. Das Ziel ist so zu formulieren, den sonnenzugewandten Teil der Fassade zu vergrößern und den abgewandten Teil zu verringern, was die passive Sonnenenergienutzung durch direkte Nutzung durch Fenster und speicherfähige Massen verbessert. Eine weitere Möglichkeit der Wärmeverlustverringerung bildet die Einbettung ins Erdreich. Dabei bildet das Erdreich eine Pufferzone, welches die Verluste verringert. 3. Wärmedämmung Die Wärmedämmung sollte des Gebäudes vollkommen lückenlos in gleicher Dämmstärke umschließen. Die Anforderungen an die Dämmstärke sind vom gesetzten Ziel abhängig, dabei sollten folgende u-Werte angestrebt werden: Bauteil NEH Passivhaus Dach 0,15 W/(m²K) 0,10 W/(m²K) Außenwand 0,20 W/(m²K) 0,14 W/(m²K) Fenster 1,50 W/(m²K) 1,00 W/(m²K) Wand/Boden an Erdreich/Kellerdecke 0,30 W/(m²K) 0,18 W/(m²K) Wand zu unbeheizten Räumen 0,60 W/(m²K) Bei der Gestaltung der Außenhülle ist auf die Vermeidung von Wärmebrücken (nachfolgender Punkt) zu achten. 4. Zonierung des Gebäudes Die Aufteilung des Gebäudes in verschiedene Wärmezonen ist eine Möglichkeit, um Wärmeverluste zu verringern, da die hochbeheizte Zone mit ihren Wärmeverlusten die angelagerte Zone mitheizt, wobei deren Wärmeverluste wesentlich geringer sind. Abstellräume, Treppenhäuser und Verkehrsflächen sollten als Pufferzone in nördlicher Richtung angeordnet werden. 5. Dichtheit der Außenhülle Die Dichtheit der Außenhülle des Gebäudes gewinnt bei einem sehr hohen Dämmstandard vermehrt an Bedeutung. Die Wärmeverluste durch Undichtigkeit der Gebäudehülle können bis zu 50% der Wärmeverluste ausmachen. Wie die dämmende Hülle muß auch die luftdichte Hülle des Gebäudes vollständig und ohne Unterbrechung einschließen. Die Dichtebene liegt stets auf der raumseitigen Seite der dämmenden und der tragenden Außenkonstruktion. Planungsgrundsätze für die Dichtung der Gebäudehülle * Durchdringungen der dichtenden Hülle sind zu vermeiden. * Einfachheit: Die Details sollten so einfach wie möglich ausführbar sein, um Mängel in der handwerklichen Ausführung zu vermeiden. * Es gilt der Grundsatz: möglichst große geschlossene Flächen mit einer einzigen, einfachen Konstruktion. Dieses ergibt wenige Wechsel im Material und somit nur wenige Anschlußdetails zu gestalten. * Bewährte und zuverlässige Grundkonstruktionen sollten immer wieder eingesetzt werden und nicht ständig neue Dichtprinzipien entwickelt werden. Bewährte Grundkonstruktionen: Dachkonstruktion: Unterhalb der Konterlattung wird eine Polyäthylenfolie in großen Bahnen angebracht. Stöße in der Bahn sollten möglichst vermieden werden, wo sie unumgänglich sind, ist der Stoß mit doppelseitigem Butyl-Kautschuk Klebeband zu sichern. Außenwände und Wohnungstrennwände: Der durchgehende Gipsinnenputz ist immer bis auf den Rohfußboden auszuführen. Kellerdecke: Die Decke sollte möglichst ohne Öffnungen zum Wohngebäude ausgeführt sein. Möglichkeit der Verlegung des Kellerzuganges prüfen. Durchdringungen sind luftdicht auszuführen. * Prinzipientreue: Anschlußdetails sind stets bei gleichen Randbedingungen in derselben Ausführung an allen Stellen einzusetzen. 1. Wärmebrücken Bei der Ausbildung von Konstruktionen ist auf die Vermeidung von Wärmebrücken zu achten. Dabei sind zu unterscheiden die geometrischen und konstruktiven Wärmebrücken: Geometrische Wärmebrücken entstehen dort, wo die Außenoberfläche größer ist als die Innenoberfläche (z.B. Ecken bei monolithischen Wandaufbau). Dieses führt zu verstärktem Wärmeabfluß über die Oberfläche. Konstruktive Wärmebrücken entstehen durch den Wechsel von Baustoffen innerhalb eines Bauteils oder am Anschluß zwischen verschiedenen Bauteilen. Die Ausführung solcher Schwachpunkte in der Konstruktion muß vermieden werden. Prinzipien zur Vermeidung und Reduktion von Wärmebrücken * Details, die zu Wärmebrücken führen, ganz vermeiden * dämmende Hülle so gestalten, daß sie vollkommen lückenlos geschlossen in gleichbleibender Stärke um das Gebäude geführt wird * Verzicht auf auskragende Bauteile (Balkonplatten, Attika, Schotten,...), Ersatz durch außen getrennt aufgestellte Bauelemente Wärmedämmverfahren vermeiden, deren Haltekonstruktionen die Dämmung durchdringen # Abb. 11 Wärmebrückenreduktion 1. Gebäudemasse / Speicherfähigkeit Die in das Gebäude einfallende Sonnenenergie kann nicht immer zu dem Zeitpunkt genutzt werden, in welchem sie anfällt. Daraus ergibt sich die Forderung, sie einzuspeichern und zu einem späteren Zeitpunkt nutzbar zu machen. Dabei spielt die Speichermasse eines Gebäudes die entscheidende Rolle, sie wirkt ausgleichend auf das zeitlich schwankende Solarenergieangebot und bewirkt so eine Dämpfung der Temperaturschwankungen im Raum. Zwischen der Massivbauweise und der Leichtbauweise ergibt sich in Hinblick auf die Speichermasse ein bedeutender Unterschied. Dieser Unterschied hat bei Niedrigenergiehäusern aber keine Auswirkungen, da sich zwei Effekte gegenseitig aufheben. Der Vorteil der Leichtbauweise ergibt eine schnelle Anpassung der Temperatur an die Randbedingungen. Die Nachtabsenkung ermöglicht eine schnelle Temperaturabsenkung und damit eine Heizenergieeinsparung, und der Raum kann bei Bedarf schnell aufgeheizt werden. Die Massivbauweise bringt den Vorteil, daß Solargewinne gespeichert werden können und bei fehlender Solarstrahlung den Heizbedarf verringern können. Im Passivhaus gilt dieses nicht mehr so, da einem sehr guten Dämmstandard die vermehrte passive Sonnenenergienutzung gegenübersteht. Dieses ist nur mit einer hochgedämmten Außenhülle und verteilten innenliegenden Speichermassen möglich. 2. Abschlußbemerkung Die gemachten Aussagen im vorrigen Abschnitt sind im Fall des Bauens im Bestand nicht alle einhaltbar bzw. durch den Bestand vorgegeben. Die Anmerkungen zu Standort, Gebäudeorientierung und –form gelten auch in alten, gewachsenen Siedlungsgebieten, da sie Grundsätze der alten Siedlungsstrukturen sind. Die Verbesserung der Wärmedämmung, die entstehende Zonierung und die Vermeidung und Minimierung von Wärmebrücken durch die Auswahl des Sanierungskonzeptes am Gebäude, sind die entscheidenden Punkte, die bei einer Instandsetzung zu bearbeiten sind. Die Speichermasse ist im Gebäudebestand in der vorherrschenden Bauweise gegeben, weil überwiegend massiv gebaut wurde. Im Gebäudebestand kommt es zu unterschiedlich umfangreichen Sanierungen in deren Planung nachfolgende Sanierungsschritte schon berücksichtigt werden sollen, um keine doppelten Arbeiten durchzuführen oder die Nachrüstung ohne großen Aufwand erfolgen kann. 0. Verbesserung und zielgerichteter Einsatz des baulichen Wärmeschutzes ~[2] [3] [5] [10] [13] [14] [15] [16] [18] [21] [25] [26] [33] [35] [41] ~ 1. Arten des Wärmeschutzes Die Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes ist die erste und kostengünstigste Möglichkeit, um den Energieverbrauch eines bestehenden Gebäudes zu verbessern. Es sind drei Arten des Wärmeschutzes zu unterscheiden, dabei handelt es sich um die Innen-, Außen- und Zwischendämmung. Der Einsatz der Art des Wärmeschutzes im Gebäudebestand wird durch zahlreiche Randbedingungen (Denkmalschutz, Wandaufbau, Gebäudeansicht...) bestimmt. 1. Die Außendämmung Bei dieser Dämmart wird auf der bestehenden Wand vollflächig ein Dämmstoff aufgebracht und mit einer wetterfesten Außenhaut versehen, dieses kann auch in einer zusätzlichen Außenschale (zweischaliges Mauerwerk, Kerndämmung) erfolgen. Dabei ist es unwichtig ob ein harter (Polystyrol, Schaumglas, Kork...)oder ein weicher (Mineralfaser, Kokosfaser...) Dämmstoff Verwendung findet. Abb. 12 Wärmedämmstoffe Die erzielbaren Verbesserungen des Wärmeschutzes ergeben sich aus der Schichtdicke und von der Art des eingesetzten Dämmstoffes. Die Außendämmung ist die energetisch wirksamste Form der Dämmung im Sanierungsfall, da dort bestehende Wärmebrücken und Dämmstandardunterschiede der Wand am wirksamsten überbrückt werden können. Desweiteren kann ein beliebiger Dämmstandard erreicht werden (keine Begrenzung der Auftragshöhe) bzw. die Nutzfläche des Gebäudes wird nicht eingeschränkt. Die Außendämmung mit Putzschicht hat den Vorteil, die Dämmwerte mit einem relativ geringen Wandaufbau zu erreichen, als Nachteil ist zu sehen, bei sommerlicher Bestrahlung kommt es in der äußeren Putzschicht zu größeren thermischen Spannungen, infolge der geringen Wärmeleitung des Dämmstoffes, die berücksichtigt werden müssen. Dagegen sollte die Dämmschicht gegen mechanische Einwirkungen durch eine Armierung geschützt werden. Das zweischalige Mauerwerk und die Kerndämmung entsprechen der Außendämmung, vermeiden aber dessen Nachteil innerhalb der Außenschicht, benötigen aber wegen der zusätzlichen Außenschale viel Platz. WDVS, zweischaliges Mauerwerk, Kerndämmung Abb. 13 Außendämmung Durch den Denkmalschutz und die Außengestaltung von Fassaden sind der Anwendung der Außendämmung im Sanierungsfall Grenzen gesetzt. 2. Die Innendämmung Abb. 14 Innendämmung Die Innendämmung ist wohl die wichtigste Form der Dämmung für die energetische Sanierung von denkmalgeschützten Fassaden und bei Fällen, wo eine Außendämmung nicht möglich (Grenzbebauung, Erhaltung der äußeren Ansicht) ist. Dabei wird eine Dämmschicht auf der Innenseite der Wand aufgebracht. Die Dämmschicht ist in ihren Abmessungen begrenzt und muß durch eine fugenlos ausgeführte dampfsperrende Schicht gesichert werden. Diese muß wiederum gegen mechanische Beschädigungen (Nägel, Verankerungselemente) geschützt werden. Bei Anschlüssen von Wand und Decken entstehen unvermeidlich Wärmebrücken, die nicht vermieden werden können. Infolge der innenliegenden Dämmung kommt es im Winter zum tiefen Eindringen des Gefrierpunktes in die Wand und bei der thermischen sommerlichen Belastung im äußerem, tragenden Mauerwerk zu großen Bewegungen. Durch die kleine Speichermasse der raumseitigen Bauteilschicht kann es zur sommerlichen Überhitzung kommen. Aus den gemachten Aussagen ist ersichtlich, daß eine Innendämmung wesentlich aufwendiger zu erstellen ist und nicht die Wirksamkeit einer Außendämmung erreicht. 3. Die Zwischendämmung Die Zwischendämmung ist die ausgeführte Dämmung, die zwischen dem statisch erforderlichen Tragsystem eingebracht wird. Dieses erfolgt im Sanierungsfall im Dachbereich (Zwischensparrendämmung) und im Fall von Leichtbauwänden, auch Fachwerkswände. Beim Neubau ist es die Bauweise, die bei der Vorfertigung von Wand-, Decken- und Dachelementen zum Einsatz kommt, also im Sanierungsbereich bei vorgefertigten Gauben und vorgefertigten Wandelementen. Bei dieser Ausführungsart der Dämmung kommt es immer zu einer Unterbrechung der Dämmung durch das Tragsystem und folglich zu Wärmebrücken. Diese lassen sich durch eine weitere Auf- bzw. Unterdämmung des Tragsystems verringern, aber nicht ganz ausschalten. Die durchgehende und lückenlose Ausführung der dampfbremsenden und winddichten Schicht ist hier für die richtige langlebige Funktion des Bauteils von besonderer Bedeutung. 4. Die transparente Wärmedämmung Mit transparent gedämmten Wandkonstruktionen (TWD) wird versucht, eine gute Wärmedämmung der Wand mit einer hohen Durchlässigkeit von außen nach innen zur Nutzung der Sonnenenergie zu verbinden. Abb. 15 Transparente Wärmedämmung unterdrückt bei einem günstigen Aspektverhältnis (Beschreibung der Zellenlänge zur Zellenweite) den konvektiven Wärmetransport fast vollständig. Die eingeschlossene ruhende Luft mit ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit bildet die Grundlage der guten Dämmeigenschaft. Das einfallende Sonnenlicht wird so reflektiert, daß es diffus gestreut auf die Absorberfläche auftrifft und diese erwärmt. Die aufgenommene Wärme wird zeitverzögert in Abhängigkeit des Materials und der Dicke an den dahinterliegenden Raum abgegeben. Die transparente Wärmedämmung besteht aus der Abdeckung (transparentes Bauteil) und eine zwischen einem Absorber (meist Hauswand) angeordneten transparenten Material in Kapillar- und Wabenstruktur. Die absorbersenkrechte offenzellige Hohlkammerstruktur besitzt eine hohe Strahlungstransmission und 1. Techniken der aktiven und passiven Sonnenenergienutzung ~[1] [3] [4] [5] [6] [7] [9] [10] [13] [19] [21] [26] [27] [28] [29] [31] [33] [35] [36] [37] [38] [39] [44] [47] [52] [53] [54] [55]~ 1. Sonnenenergie Die Sonne ist die Hauptenergiequelle der Erde. Die Strahlung der Sonne erwärmt die Erdoberfläche und Atmosphäre und löst damit die Prozesse aus, die zur Entstehung und Erhaltung des Lebens notwendig sind. Durch die unterschiedliche Erwärmung der Erdoberfläche und den sich daraus ergebenden Druckunterschieden kommt es zu der Luftbewegung (Winde). Die Erwärmung sorgt auch dafür, daß Wasser verdunstet und durch Luftbewegung in höheren, kühleren Zonen abregnet. Der biologische Prozeß der Photosynthese ist ohne die Sonnenstrahlung nicht möglich und damit Grundlage allen Pflanzenlebens in der gesamten Nahrungskette. Die Sonne hat auf ihrer Oberfläche eine Strahlungsintensität von 70000 bis 80000 kW/m², davon sind am Rande der Erdatmosphäre jedoch nur noch 1,35 kW/m² (Solarkonstante) verfügbar, und auf der Erdoberfläche beträgt die mittlere Strahlungsintensität noch 0,6 bis 1,2 kW/m². Die Strahlung der Sonne läßt folgende Nutzungen zu: * Wärmeenergienutzung durch passive Nutzung (Fenster, Glashaus usw.) und aktive Systeme (Kollektoren) * Elektrizitätserzeugung durch photoelektriche Umwandlung (Solarzelle), Windkraftnutzung und Wasserkraftnutzung * Produktion von Biomasse durch Photosynthese Die Nutzung der Sonnenstrahlung, ist noch von folgenden Faktoren wie geografische Breite, Klima und Topographie abhängig. 1. Unterscheidung zwischen aktiver und passiver Sonnenenergienutzung 1. Definition Passive Sonnenenergienutzung Unter der passiven Sonnenenergienutzung ist die Nutzung der Sonnenwärme ausschließlich auf physikalischen Vorgängen beruhend zu verstehen. Dazu ist kein Einsatz von Fremdenergie notwendig. Der Wärmetransport zwischen Absorptionsfläche, Wärmespeichermasse und Raumluft erfolgt ausschließlich über natürliche Konvektion, Transmission und Strahlungsaustausch. Die passive Sonnenenergienutzung beruht immer auf, daß Durchdringen eines transparenten Bauteils (Fenster) und der Umwandlung des Solarspektrums in Wärmestrahlung an der Bauteiloberfläche. Abb. 16 Passive Sonnenenergienutzung Als Beispiele für das wichtigste passive Solarelement sind das Fenster, das Gewächshaus und die transluzente Wärmedämmung zu nennen. Aktive Sonnenenergienutzung Unter der aktiven Sonnenenergienutzung ist die Nutzung der Sonnenwärme mit Hilfe von Fremdenergie zu verstehen, der Energiefluß vom Kollektor zur Wärmeabgabestelle wird durch technische Hilfsmittel (Pumpen, Regelung, Ventile) gesteuert und kontrolliert. Die aktive Sonnenenergienutzung beruht auf dem Einfangen der Solarstrahlung auf einer Absorberoberfläche und der Weitergabe an ein Wärmeträgermedium (Wasser, WasserGemisch, Luft) und deren Umwälzung mit technischen Hilfsmitteln zum direkten Nutzer (Heizfläche, Wasserspeicher). Als Beispiele für die aktive Sonnenenergienutzung sind die Wasserkollektoren zur Warmwasserbereitung und der Heizungsunterstützung und die Luftkollektoren zur direkten Warmluftnutzung aufzuführen. Hybride Sonnenenergienutzung Ist die Kombination der beiden vorgenannten Systeme, sie besitzen sowohl eine aktive Komponente, z.B. aktive Aufladung einer Speichermasse, sowie eine passive Komponente, z.B. die passive Wärmeabgabe vom Speicher an den Raum. Sobald ein passives System mit einer Hilfsenergie betrieben wird, handelt es sich um ein hybrides System. Abb. 17 Systemunterscheidung 2. Systeme der passiven Sonnenenergienutzung 1. Systemeinteilung Ein Unterscheidungsmerkmal für solarpassive Systeme ist der Energieübertragungsmechanismus, dabei sind zu unterscheiden: * Systeme zur direkten Nutzung: Der Wohnraum wird direkt als Kollektor genutzt, wobei die Innenraummasse zur Wärmespeicherung dient (man wohnt direkt im Kollektor). * Systeme zur indirekten Nutzung: Die Wärme der absorbierten Solarstrahlung wird in Teilen der Gebäudestruktur gespeichert und erreicht den Wohnraum nur indirekt über Wärmetransportvorgänge (Wärmeleitung, Luftzirkulation). * Systeme mit getrennten Systemkomponenten: Die Absorberfläche ist von den Speichermassen bzw. dem Wohnbereich getrennt. Es ist ein Wärmeträgermedium zur Nutzung der eingespeicherten Solarenergie notwendig. 1. Abb. 18 Passive Nutzung 1 Systeme zur direkten Nutzung Das sind alle Räume, die durch transparente Bauteile (Glasflächen) zur Außenluft abgegrenzt sind. Hier sind zu nennen als Vertreter: jeder Wohnraum, der Fenster besitzt, gewinnt aus der einfallenden Solarstrahlung, dabei sind südlich ausgerichtete Räume von besonderer Bedeutung im Zusammenhang mit einem Niedrigenergie-/Passivhauskonzept. Dort sind die Flächen zur passiven Sonnenenergienutzung so auszubilden, daß der Solargewinn möglichst groß ausfällt. Der Glasvorbau als Pufferraum als Teil der Zonierung eines Gebäudes. Dabei sind im Niedrigenergie-/Passivhausbau die Ausrichtung dieser Vorbauten in Richtung Norden zu bevorzugen, um dort Erschließungswege einzurichten. 2. Systeme zur indirekten Nutzung Abb. 19 Passive Nutzung 2 Dieses sind Systeme, die einen Speicher direkt bedienen, und der Speicher sich wiederum an den Wohnraum durch Strahlung, Transmission und Konvektion entlädt. Die einfachste Art einer solchen Speicherwand ist die Wand zwischen Wohnraum und Wintergarten. Die entstehende Wärme kann über die direkte Lüftung über Türen oder Fenster genutzt werden. Die durch direkte Bestrahlung erwärmte Wand gibt ihre Wärme zeitverzögert wieder an beide Raume ab. Das bekannteste System ist dabei die Trombe-Wand, dabei handelt es sich um eine im Abstand von 10 bis 15 cm hinter einer Verglasung befindlichen schweren, dunkel gestrichenen solaren Speicherwand. Die Funktion beruht auf dem Treibhauseffekt; die im Zwischenraum erwärmte Luft strömt über die oberen und unteren Öffnungen in den dahinterliegenden Raum, dabei kann der Luftstrom mittels Klappen reguliert werden. Die Wand erwärmt sich auch direkt und gibt die gespeicherte Wärme mit zeitlicher Verzögerung über Strahlung an den Raum ab. Die Orientierung der Trombe-Wand sollte nach Süden erfolgen, um lange Bestrahlungszeiten zu haben. Der Nachteil der Trombe-Wand ist, daß die Außenwand keine äußere Wärmedämmung besitzt. Bei der Anwendung der transluzenten oder transparenten Wärmedämmung verbindet sich die Nutzung der Sonnenenergie mit der erforderlichen Wärmedämmung für den Wärmeschutz. Die direkte Sonnenstrahlung, die durch die transparente Wärmedämmung auf die Speicherwand auftrifft, wird dort eingespeichert und mit einer Zeitverzögerung je nach Wandstärke an die dahinterliegenden Räume abgegeben. Der Wärmegewinn kann über eine außenliegende Verschattungseinrichtung geregelt werden. Abb. 20 Transparente Wärmedämmung 3. Systeme mit getrennten Systemkomponenten Abb. 21 Passive Nutzung 3 und 4 In diesen Systemen wird ein Wärmeträgermedium (Luft, Wasser) in einer Komponente erwärmt und bei Luft über Konvektion direkt dem Raum zugeführt oder in einem Speicher zwischengespeichert. Das Wasser bewegt sich mittels Schwerkraft an seinen Bestimmungsort (direkte Nutzung) oder in einen Speicherboden, der später über Strahlung direkt entladen wird. 1. Systeme der aktiven Sonnenenergienutzung 1. Systemeinteilung Bei der Einteilung der Systeme der aktiven Sonnenenergienutzung wird man nach den Wärmeträgermedien einteilen. Als Wärmeträgermedien kommen Luft und Wasser/Gemische zum Einsatz Luft Wasser/Gemische Luftkollektoren Fensterkollektoren Flachkollektoren Vakuumkollektoren 2. Wasserkollektoren 1. Flachkollektoren Flachkollektoren bestehen aus den grundlegenden Komponenten wie transparente Abdeckung, Absorber mit Beschichtung, Rahmen und Isolation. Abb. 22 Aufbau und Wirkung eines Flachkollektors Die Sonnenstrahlung trifft zunächst auf die transparente Abdeckung des Kollektors. Durch Reflektion an der Oberfläche und beim Durchgang (Transmission) durch die Abdeckung geht ein Teil der Strahlung für die Nutzung im Kollektor verloren. Die Reflexionsverluste sind vom Einfallswinkel der Strahlung sowie von der Anzahl der Abdeckungen und deren Brechungsindex abhängig. Die Transmissionsverluste werden hingegen von der Lichtdurchlässigkeit des Materials bestimmt. Die auf den Absorber auftreffende Strahlung wird je nach Art der Beschichtung fast vollständig in Wärme umgewandelt. Die Beschichtung sollte ein hohes Absorptionsvermögen und einen möglichst geringen Emissionsgrad haben. Durch die eingebetteten Wärmeträgerschlangen wird die Wärme zum Verbraucher abgeführt. 2. Vakuumkollektoren Vakuumkollektoren werden aus herstellungstechnischen Gründen meist als Röhrenkollektoren ausgeführt. Dabei wird ein schmaler, selektiv beschichteter Absorberstreifen in eine hoch lichtdurchlässige wärmebeständige Glasröhre eingehängt. Durch Evakuierung des Raumes zwischen Glasabdeckung und dem Absorber werden die Verluste durch Konvektion und Wärmeleitung weitgehend unterdrückt. Prinzipiell unterscheidet man bei Vakuumkollektoren zwischen direkt durchströmten Systemen und Heat-Pipe-Systemen. Bei direkt durchströmten Systemen wird das Wärmeträgermedium wie bei Flachkollektoren direkt durch den Absorber geleitet. Bei Heat-Pipe-Systemen wird das Absorberrohr als Wärmerohr (Heat-Pipe) ausgeführt. Dieses ist in der Regel mit Methanol gefüllt. Sobald die Solarstrahlung Abb. 23 Vakuumröhrenkollektor den Absorber erwärmt, verdampft das Methanol im Wärmerohr und transportiert die Wärme in den oberen Teil in den Kondensator. Im Kondensator wird über Wärmeleitung die Wärme an die Wärmeträger abgegeben. Das kondensierte Methanol fließt zurück in den unteren Teil des Wärmerohres und damit kann der Wärmetransportvorgang erneut beginnen. Abb. 24 Wirkungsgrade von Kollektoren 3. Nutzungsmöglichkeiten Die Nutzungsmöglichkeiten von Wasserkollektoren sind sehr vielfältig, aufgrund ihrer Konstruktionsmöglichkeiten ist ihr Einsatzfeld sehr weit gefächert. Dieses geht von einfachen Schwimmbadheizungen im Freibad über die Warmwasserbereitung mit und ohne Heizungsunterstützung bis zur Prozeßwärmebereitung. 3. Luftkollektoren Besitzen als Wärmeträgermedium Luft, welches viele Vorteile hat, trotzdem sind sie kaum in Europa verbreitet. Ihr Einsatz beschränkt sich meist auf größere Gebäude mit RTL-Anlagen (Schulen, Krankenhäusern, Verwaltungsgebäuden), die sowieso über eine Lüftungsanlage verfügen müssen und deren Nutzung überwiegend am Tag stattfindet und somit der Wärmebedarf in der Zeit der Sonneneinstrahlung anfällt. Bei Ein- und Zweifamilienhäusern konnte sich die kontrollierte Wohnungslüftung bzw. Umluftheizung bisher noch nicht durchsetzen. Bei der weiteren Verschärfung der Wärmeschutzverordnung ist es sinnvoll, über den Einsatz einer Wohnungslüftungsanlage nachzudenken, und dann könnten Lüftungskollektoren integriert werden. Der Luftkollektor hat folgende Vorteile: * Luft erwärmt sich schneller als Wasser aufgrund der wesentlich geringeren Wärmekapazität, daraus folgt: Solarluftkollektoren bieten schon bei niedrigen Einstrahlungswerten ein nutzbares Temperaturniveau. * Der eingesetzte Wärmeträger kann nicht einfrieren bzw. hat keine Siedetemperatur. * Das Korrosionsproblem ist wesentlich geringer. Nachteile: * Für viele Anwendungen fehlen effektive Speichertechniken. * Die luftführenden Kanäle sind groß und benötigen wertvollen Platz im Gebäude. * Der elektrische Hilfsenergiebedarf ist oft höher als bei flüssigkeitsführenden Kollektoren. Bei dem Einsatz von Luftkollektoren sind folgende Punkte zu beachten: * Der Wirkungsgrad eines Luftkollektors hängt von den klimatischen Standortbedingungen, die vorzufinden sind, zum überwiegenden Teil ab. * Das Kollektorfeld des solaren Heizsystems sollte nach Süd/Ost bis Süd/West ausgerichtet sein und zur Horizontalen unter einem Winkel von g = f ± 10° ( f = Breitengrad ) geneigt sein. * Längere Kollektorfelder (großes lk/bk) führen zu größeren Erträgen =>höherer Deckungsanteil. * Die Wärmekapazität des Absorbers sollte kleiner als 15 kJ(K*m²) sein. * Die Spaltweite des Strömungskanals sollte zwischen 5 bis 15 mm liegen. * Es ist zu überlegen, ob der Kollektor im Über- bzw. Unterdruck betrieben wird: Unterdruck: Durch Leckagen dringt Frischluft ein, und der Kollektor hat niedrigere Systemtemperaturen und kann verschmutzen. * Überdruck: Beim Betrieb geht Warmluft verloren, was zu einer Verringerung des Kollektorwirkungsgrades führt, wodurch das Verschmutzungsproblem relativ gering ist. * Eine Verbesserung der Wärmedämmung des Gebäudes führt bis zu einem bestimmten Punkt (Optimum) zu einer Erhöhung des Deckungsanteils. * Die Heizflächen sollten so ausgelegt werden, daß Kollektortemperaturen von 25-28°C bereits zu Heizzwecken genutzt werden können. * Wird ein Speicher eingesetzt, so sollte dieser möglichst gut gedämmt werden. Bei der weiteren Einteilung der Luftkollektoren benutzt man den Begriff Luftkollektor weiter für richtige Kollektorsysteme, ein weiteres System ist der Fensterkollektor. 1. Luftkollektoren Diese wandeln die einstrahlende Sonnenenergie in Wärme um und geben diese an den Wärmeträger Luft ab. Sobald die Temperatur eine bestimmte Temperaturdifferenz übersteigt, wird die Luft über Kanäle zum Speicher bzw. Heizflächen geführt. Sind die Strahlungswerte zu gering, ist der Zwischenraum als Pufferraum zu verstehen und verhindert damit Transmissionsverluste des Gebäudes. Der Luftkollektor kann nur die Direktstahlung nutzen. Abb. 25 Luftkollektoren 2. Fensterkollektoren Sind Kombinationen von Fenster mit einem Luftkollektor. Der Zwischenraum zwischen zwei Doppelverglasungen wird als Kollektorraum genutzt, dazu wird in diesen ein Rafflamellenstore aufgehangen, welcher als Absorber und Sonnenschutz dient. Die genügend erwärmte Luft wird wie beim Luftkollektor über Kanäle zum Speicher bzw. Heizflächen transportiert. Abb. 26 Luftkollektoren Der Systemwirkungsgrad des Kollektors ist dem des Luftkollektors gleich, der Unterschied besteht darin, daß die diffuse Strahlung durch Hochziehen der Rafflamellenstores direkt genutzt werden kann. Der Fensterkollektor, als verglastes Bauteil, weist einen relativ schlechten u-Wert auf, was die erhöhten Gewinne wieder aufbraucht. Abb. 27 Nutzungsmöglichkeiten von Fensterkollektoren 3. Nutzungsmöglichkeiten Diese Systeme sollten nur eingesetzt werden, wenn das Gebäude einen sehr guten Wärmeschutz aufweist und die Beheizung auf einem niedrigen Temperaturniveau erfolgen kann. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: die eine bedingt große Heizflächen, welche nur an Fußboden, Decke oder Wänden zur Verfügung stehen. Die Wände sind meistens nur bedingt nutzbar, da dort oft die Heizflächen durch Möbel verdeckt sind. Die zweite kann auch direkt über die Luftführung/Warmluftheizung genutzt werden. Bei der Beheizung mit der Flächenvariante ist noch ein sehr positiver Effekt hervorzuheben. Da die Wärmeabgabe überwiegend über Wärmestrahlung erfolgt, ist ein sehr positives Klima gegeben (Behaglichkeit), und die Temperatur kann um einige Grade abgesenkt werden bzw. es läßt sich eine niedrigere Raumtemperatur einstellen. Die Speicherung des Wärmegewinns läßt sich als Kurzzeitspeicherung in Decken und Wänden vornehmen, zur Langzeitspeicherung sind spezielle Speicher zu bemessen. Zu diesem Zweck werden überwiegend Geröllspeicher genutzt oder andere Speicherkonfigurationen (Betonmassen,Ziegeldecken)erstellt. Der Wirkungsgrad der beiden Kollektoren unterscheidet sich kaum und ist mit einem Bemessungsdiagramm auslegbar. Abb. 28 Wirkungsgrad von Luft- und Fensterkollektor 4. Berechnung der Erträge von Luftkollektoren Die Berechnung von Luftkollektoren erfolgt mit einem Ansatz aus dem Handbuch der passiven Sonnenenergienutzung. Die Ertragsauslegung des Luftkollektors kann über die Formel errechnet werden: QLK = S Af * G * r * h LK Af Kollektorfläche inkl. Rahmen [m²] G Globalstrahlung auf die Kollektorebene [kWh/(m²Monat)] r Reduktionsfaktor für Beschattung und Rahmenanteil h LK Nutzungsgrad des Kollektorsystems oder Prüfzeugnisse Sep. Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. Mar. Apr. h LK 22 29 29 26 31 35 33 24 Die Ertragsauslegung des Fensterkollektors kann über die Formel errechnet werden: QDG = S Af * G * r * h DG QKG = S Af * G * r * h KG Af Kollektorfläche inkl. Rahmen [m²] G Globalstrahlung auf die Kollektorebene [kWh/(m²Monat)] r Reduktionsfaktor für Beschattung und Rahmenanteil h DG Nutzungsgrad für Sonneneinstrahlung für Direkt-Gewinn h KG Nutzungsgrad für Sonneneinstrahlung durch KonvektivGewinn Sep. Okt. Nov. Dez. Jan. Feb. Mar. Apr. h DG 22 26 30 33 30 23 23 27 h KG 19 21 20 16 21 25 25 20 h tot 41 47 50 49 51 48 48 47 0. Lüftungskonzepte ~[7] [17] [26] [27] [38] [46] [47]~ Infolge des wesentlich verbesserten Wärmeschutzes und der weiteren Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste über die Außenflächen nimmt der Anteil der Lüftungswärmeverluste überproportional zu. Deshalb sind bei der Gestaltung von Niedrigenergie-/Passivhäusern andere Wege der Luftauswechselung anzustreben. 1. Einteilung der Lüftungskonzepte Die Lüftungskonzepte sind wie folgt einzuteilen: Lüftungssysteme Freie Lüftung Lüftungsanlagen Fugen- oder Selbstlüftung Abluftanlagen Zu/Abluftanlagen mit Fensterlüftung Wärmerückgewinnung Dachaufsatz-/Schachtlüftung 2. Erläuterung der Lüftungskonzepte 1. Fugen- oder Selbstlüftung Die Lüftung erfolgt ausschließlich über ungeregelte Öffnungen (Fugen, Ritzen,...). Als Antriebskraft ist hier der Winddruck und der thermische Auftrieb zu nennen. Da diese beiden Antriebsarten stark von den klimatischen Randbedingungen abhängig und sehr stark wechselhaft sind, erfolgt eine ungeregelte Lüftung. Damit ergibt sich ein sehr stark schwankender unkontrollierter Luftwechsel, der im Niedrigenergie-/ Passivhaus nicht erwünscht ist und mit den Ausführungen der Gebäudedichtigkeit nicht in Einklang zu bringen ist. Es kommt zu Zugerscheinungen, die den Komfort (Behaglichkeit) der Wohnung einschränken und nicht tolerierbar sind. Bei der Durchströmung der Fugen kann es zu Ausfall von Kondensat kommen, welches zu Bauschäden führen kann. 2. Fensterlüftung Bei der Fensterlüftung erfolgt die Lüftung nun über eine definierte Öffnung, das Fenster. Die Antriebskraft bleibt weiterhin die Thermik und der Wind. Durch das vollständige Öffnen der Fenster läßt sich ein sehr hoher Luftwechsel, je nach Temperatur- und Windverhältnissen erzeugen. Typische Werte für den Luftaustausch bei einem gekippten Fenster sind 0,8 – 4,0 und geöffnetem Fenster von 5 – 15 mal pro Stunde. Daraus ergibt sich die Schwierigkeit, den Luftwechsel genau richtig zu wählen, und es folgt eine zu lange Fensteröffnung. Aus der zu langen Öffnungszeit ergibt sich ein unnötig hoher Lüftungswärmeverlust. Aus den gemachten Aussagen ergibt sich, daß die Fensterlüftung für das Niedrigenergiehaus bei möglichst genauer Einhaltung der Fensteröffnungszeiten noch eine praktikable Lösung darstellt, für das Passivhaus aber keine praktikable Lösung ist. 3. Schachtlüftung Die Schachtlüftung beruht auf dem Prinzip des thermischen Auftriebes (bei höheren Temperaturen im Raum als außen) und auch auf die Sogwirkung bei Wind. Im Schacht kommt es zu einer Luftströmung nach oben, welche im Raum einen Unterdruck erzeugt und Außenluft ansaugt und nachströmen läßt. Die Wirksamkeit der Anlage wird durch die Luftgeschwindigkeit bestimmt und steigt mit der Schachthöhe und der Temperaturdifferenz. Abb. 29 Die Schachtlüftung Aufgrund der Schwankung der Antriebskräfte, müßte bei bedarfsgerechter freier Dauerlüftung mit einstellbaren, sich selbst regulierenden Zu- und Abluftöffnungen gearbeitet werden. Der Regelbereich der Öffnungen müßte extrem groß sein, was nicht praktikabel ist. 4. Abluftanlagen Die einfachste, zuverlässigste und kostengünstigste Lösung für die kontrollierte Wohnungslüftung ist die Abluftanlage. Bei ihr wird die Abluft mit Hilfe eines zentralen oder mehreren dezentralen Ventilatoren aus den belasteten Räumen (Küche, Bad, Toilette) abgezogen und übers Dach abgeführt. Die Zuluft strömt über Wanddurchlässe in Wohn- und Schlafräumen sowie über noch vorhandene Undichtigkeiten in der Gebäudehülle nach. Von den Wohn- und Schlafräumen ausgehend wird die Wohnung ständig zu den Feuchträumen hin durchströmt. Damit können sich Feuchte und Gerüche nicht in den Wohnräumen ausbreiten. Abb. 30 Die Abluftanlage Eine gute Luftqualität wird hier mit vertretbarem Energieaufwand erreicht. Gute Regelbarkeit des Volumenstroms, weitgehende Wetterunabhänigkeit und Lüftungseffizienz durch gerichtete Luftführung ermöglichen zudem eine Reduzierung der Lüftungswärmeverluste gegenüber Fensterlüftung. Für die Bewohner ergibt dieses einen erheblichen Komfort- und Qualitätsgewinn. 5. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung Bei zentralen Zu-/Abluftanlagen wird die Abluft ebenfalls aus den Feuchträumen und über den Wärmetauscher nach außen abgeführt. Im Gegensatz zur reinen Abluftanlage wird auch die Zuluft zentral angesaugt und über ein Kanalnetz/Wärmetauscher auf die Wohn- und Schlafräume verteilt. Damit ergeben sich die gleichen positiven Eigenschaften und Verbesserungen wie bei einer Abluftanlage. Abb. 31 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung Zu-/Abluftanlagen ermöglichen durch Wärmeübertragung, durch den Wärmetauscher, von der Abluft auf die Zuluft eine deutliche Einsparung bei den Lüftungswärmeverlusten. Durch Wärmeleitung versucht sich die Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Zuluft auszugleichen. Ein dichter Einbau der Wärmetauscherteile ist notwendig, um eine Mischung von Abluft und Zuluft zu verhindern. Ein weiterer Vorteil der Zu-/Abluftanlage ist, daß die Zuluft gefiltert (Pollen, Staub) werden kann und damit ein Komfortgewinn für die Nutzer besteht. Durch die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung kann der Lüftungswärmebedarf erheblich reduziert werden, damit ist sie im Passivhaus obligatorisch. Damit eine Zu-/Abluftanlagen energetisch vernünftig funktioniert, müssen bestimmte Voraussetzungen erfüllt sein: * Die Luftdichtheit des Gebäudes muß unter 1/h bzw. 0,6/h bei 50 Pa liegen. * Die Luftkanäle müssen ausreichend dimensioniert sein, damit der Strömungswiderstand und somit der Stromverbrauch für die Ventilatoren für den Lufttransport nicht so hoch sind. Die Strömungsgeschwindigkeit im Kanalnetz sollte unter 3 m/s bzw. um 1 m/s liegen. * Die Förderdrücke der gewünschten Luftwechselrate sind mit den Leistungen der Ventilatoren abzustimmen. * Die effizientesten stromsparenden Ventilatoren, am besten Gleichstromventilatoren, müssen eingesetzt werden, damit die Lüftungsersparniss nicht vom Stromverbrauch aufgezehrt wird. 1. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung mit nachgeschalteter Wärmepumpe Bei diesen Anlagen kann eine Luft/Luft-Wärmepumpe oder Luft/Wasser-Wärmepumpe zum Einsatz kommen, dadurch unterscheiden sich auch die nachgeschalteten Systeme. Durch die nachgeschaltete Wärmepumpe wird die Abluft weiter abgekühlt und das entsprechende Wärmeträgermedium erwärmt. Durch den Einsatz einer Luft/Luft-Wärmepumpe ist es möglich, daß die Zuluft das gleiche Temperaturniveau aufweist wie die Abluft. Abb. 32 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung mit nachgeschalteter Wärmepumpe Der Einsatz einer Luft/Wasser-Wärmepumpe führt zu einem System der Warmwasserbereitung für das Brauchwasser und/oder für einige wenige Heizflächen im Haus. Damit kann bei sehr guter Dämmung des Gebäudes ein weiteres Heizsystem entfallen. Der große Nachteil solcher Anlagen ist ihr Stromverbrauch und die daraus resultierende hohe Arbeitszahl die erforderlich ist. Die Anlagen müssen den größten Ertrag erbringen, wenn sie die ungünstigsten Randbedingungen für hohe Arbeitszahlen vorfinden, damit sind solche Systeme einer besonderen wirtschaftlichen und energetischen Prüfung zu unterziehen. 2. Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung und vorgeschaltetem Erdwärmetauscher Bei der Ausführung von Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung mit vorgeschaltetem Erdwärmetauscher ist es unabhängig ob eine Nachschaltung einer Wärmepumpe erfolgt. Da im Passivhaus Wärmetauscher mit hohen Rückwärmzahlen (Wirkungsgrad >80%) eingesetzt werden, kommt es bei niedrigen Außentemperaturen infolge Tauwasseranfall zur zeitweisen Vereisung der Abluftseite. Die Funktion des Wärmetauschers ist damit im Spitzenbedarfsfall eingeschränkt. Entgegengewirkt wird diesem durch die Verringerung oder Vorheizung des Zuluftstroms. Abb. 33 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung und vorgeschaltetem Erdwärmetauscher Diese Technologien passen aus energetischen bzw. lufthygienischen Gründen nicht zum Passivhaus. Die Außenluft wird im Erdwärmetauscher, der außerhalb oder unterhalb des Gebäudes verlegt sein kann, vorgewärmt. Ein Erdwärmetauscher hilft damit mit, die Lüftungswärmeverluste zu verringern und trägt damit zur Minimierung der Bedarfsspitzen bei. Bei der Planung von Erdwärmetauschern sind insbesondere hygienische und energetische Gesichtspunkte zu beachten: * Ein Erdwärmetauscher muß am Lufteinlaß einen wirksamen Filter aufweisen, um einen Schmutzeintrag in das Rohrsystem zu verhindern. Desweiteren sollte er die Möglichkeit der Reinigung bieten. * Der Druckverlust und die Wärmeleistung des Wärmetauschers müssen wegen der Energieeffizienz in einem ausgewogenen Verhältnis stehen. Eine weitere Nutzung kann die Zuluftkühlung im Sommer sein. Mit dem relativ geringen Volumenstrom liegt die Kühlleistung jedoch typisch unter 500 W. Für den Bau bieten sich als Rohrmaterialien Beton-, PE- und PVC- Rohr an. Aus statischen Gründen werden bei großem Rohrdurchmesser Betonrohre eingesetzt, bei kleinen Durchmessern wird aus Kostengründen auf PE- und PVC- Rohr zurückgegriffen. 1. Einzelgeräte Im Gegensatz zu zentralen Anlagen in Wohnungen oder Gebäuden werden die dezentralen Geräte nur für einen Raum eingesetzt. Genau wie die zentralen Geräte bestehen sie aus einem Wärmetauscher für Abluft/Zuluft, Filter und Ventilatoren. Die Geräte dienen entweder zur Lüftung des Raumes, wenn eine Lüftung über die Fenster nicht möglich oder die relative Luftfeuchtigkeit im Raum zu begrenzen ist. Dabei lassen sich die Luftmenge der Geräte über Stufenschalter oder stufenlose Drehzahlregelung einstellen. Abb. 34 Das Einzelgerät Die Außenluft wird durch Öffnungen in der Außenwand angesaugt, gefiltert und über den Wärmetauscher erwärmt und dem Raum zugeführt. Die verbrauchte Luft vom Innenraum wird angesaugt, und im Wärmetauscher wird ihr die Wärmeenergie entzogen. 0. Planungsweg ~[8]~ Die Bauplanung im Gebäudebestand ist mit einer ordentlichen Bauaufnahme zu beginnen, dabei ist der IstZustand von entscheidender Bedeutung. Ausgehend von dem festgestellten Ist-Zustand ist eine Zielsetzung für die Systemanforderungen des Projekts festzulegen. Für das zu bearbeitende Objekt ist ein Raumprogramm mit den Anforderungen aufzustellen und mit den Standortbedingungen und Energiekonzept in Einklang zu bringen. Daraus geht schon hervor, daß alle an der Planung beteiligte Fachleute einzubeziehen sind und ihr Fachwissen schon in dieser frühen Planungsphase einbringen. Dieses Vorgehen verspricht, daß eingebrachte Einzellösungen zu einer ganzheitlichen Problemlösung zusammengeführt werden. Vorentwurf Abb. 35 Anforderungen und Entwurfsweg Im Vorentwurf sind die Entscheidungsfreiheiten der Planer noch relativ hoch. Der Entwurfsprozeß wird von den gegebenen Randbedingungen des Geländes, der örtlichen Infrastruktur, dem lokalen Klima, den Anforderungen des Bauherrn, Gesetzen und Vorschriften bestimmt. Mit den Randbedingungen der Zielsetzung und dem lokalen Klima kann das Raumprogramm erarbeitet und daraus folgend das Energiekonzept erstellt werden, dabei stehen die genannten Planungseinheiten in ständiger gegenseitiger Beziehung. Bei der Einbeziehung von Fachplanern in diesem frühen Planungsstadium können die einzelnen Komponenten besser aufeinander abgestimmt werden. Dabei kommt es zu einem niedrigen Energieverbrauch, und der höhere Planungsaufwand in dieser Phase führt zu weniger Korrekturen in den späteren Planungsphasen, welches zur Folge hat, daß eine optimale Lösung nicht durch dann bereits erfolgte Festlegungen auf Kompromißlösungen zurückgreifen muß. Abb. 36 Energiepotentiale Entwurf Nun wird der Vorentwurf überarbeitet und entsprechend konkretisiert, es werden die entsprechenden Strategien und technischen Konzepte eingearbeitet. Auftretende Überschneidungen einzelner Bestandteile des Konzeptes müssen durch Überarbeitung des Vorentwurfes bereinigt werden. Damit kann es zur Revision von Teilen des Vorentwurfs kommen. In dieser Planungsphase sind noch leichte Veränderungen der Strategien und Konzepte möglich. Werkplanung Bei der Ausführung der Werkplanung kommt es auf die Sorgfalt der Ausführung der Planung und der Abstimmung der Fachplaner untereinander an. Dabei sind alle kritischen Punkte aufzuführen, anzusprechen und Detaillösungen festzulegen. Der Ausarbeitung der Detaillösungen für die kritischen Punkte kommt besondere Bedeutung zu. Änderungen des Konzeptes sind zu diesem Zeitpunkt meist nicht mehr möglich, weil der zeitliche und finanzielle Aufwand unverhältnismäßig hoch ausfällt. Ausführung Bevor das Bauprojekt zur Ausführung kommt, sollte die Planung vollständig abgeschlossen sein und alle Pläne, die für die Ausführung notwendig sind, vorliegen. Bei der Ausführung ist eine gute Bauleitung von besonderer Bedeutung, da nur die Bauüberwachung der Umsetzung der Planvorgaben mit hoher Ausführungsquallität die Zielsetzungen des Bauherrn erfüllen kann. 1. Literatur- und Abbildungsverzeichnis 1. Literaturverzeichnis 1. 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Abbildungsverzeichnis Abb. 1 Längsschnitt und Grundriß des Hauses von SOKRATES (496 bis 397 vor Christus) [8] Abb. 2 Stand zur Sonne [26] Abb. 3 Lage in der Vegetation [35] Abb. 4 Exponiertheit der Lage [26] Abb. 5 Lage zu Gewässern [35] Abb. 6 Lage zum Wind [26] Abb. 7 Volumen- und Oberflächengleichheit bei unterschiedlicher Grundfläche [35] Abb. 8 Folgen der Verdoppelung des Volumens [35] Abb. 9 Addition von gleichgroßen Einheiten [35] * Abb. 10 Einbettung ins Erdreich [35] * Abb. 11 Wärmebrückenreduktion [12] * Abb. 12 Wärmedämmstoffe [8] * Abb. 13 Außendämmung [10] * Abb. 14 Innendämmung [10] * Abb. 15 Transparente Wärmedämung [2] * Abb. 16 Passive Sonnenenergienutzung [27] * Abb. 17 Systemunterscheidung [9] * Abb. 18 Passive Nutzung 1 [35] * Abb. 19 Passive Nutzung 2 [35] * Abb. 20 Transparente Wärmedämmung [35] * Abb. 21 Passive Nutzung 3 und 4 [35] * Abb. 22 Aufbau und Wirkung eines Flachkollektors [9] * Abb. 23 Vakuumröhrenkollektor [9] * Abb. 24 Wirkungsgrade von Kollektoren [22] * Abb. 25 Luftkollektoren [49] * Abb. 26 Luftkollektoren [49] * Abb. 27 Nutzungsmöglichkeiten von Fensterkollektoren [35] * Abb. 28 Wirkungsgrad von Luft- und Fensterkollektor [47] * Abb. 29 Die Schachtlüftung [38] * Abb. 30 Die Abluftanlage [24] * Abb. 31 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung [24] * Abb. 32 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung mit nachgeschalteter Wärmepumpe [24] * Abb. 33 Zu-/Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung und vorgeschltetem Erdwärmetauscher [12] * Abb. 34 Das Einzelgerät [24] * Abb. 35 Anforderungen und Entwurfsweg [8] *
