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Diplomarbeit
Gliederung
01 Thema
02 Einleitung
03 Energieverbrauch
04 Windkraft
05 Photovoltaik
06 Sonnenkollektoren
07 Geothermie
08 Sterlingmotoren
09 Biomasse
10 Inselsysteme
11 Solararchitektur
12 Umfrage
13 Förderungen
14 Danksagung
15 Anhang
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Diplomarbeit
11 Passive Solararchitektur
  11.1 Grundsätzliches:

Erstes Gebot passiver Solararchitektur ist es Energie einzusparen. Die wird zum einen durch hohe Wärmedämmung und zum anderen durch die konsequente Südausrichtung von Aufenthaltsräumen mit entsprechenden hohen Verglasungsanteilen erreicht. In der folgenden Abbildung erkennt man den Fortschritt, den die neue 3. WSVO gebracht hat; der zulässige Energieverbrauch liegt nunmehr zwischen 50 und 80 kWh/m²a.

Abbildung 11-1 zeigt die Entwicklung des spezifischen Wärmebedarfs in der BRD seit 1979 bis heute, sowie einige geförderte Forschungsobjekte des Bundes: [1]

11.2 Potential, Einsatzmöglichkeit:

Potential: [2]

Durch Solararchitektur und ergänzende Techniken können bis zu 70% der Heizenergie eingespart werden.

Einsatzmöglichkeit:

Selbst in verschatteten Lagen ist eine Gebäudeoptimierung möglich. Da es sich bei der passiven Solararchitektur vordringlich um Gebäudetypologische Grundsätze handelt, ist deren Einsatz an jedem Objekt denkbar.


11.3 Elemente einer passiven Solararchitektur, Standortwahl:

Bei der Planung eines Gebäudes mit niedrigem Energieverbrauch ist zu beachten: [3]


Bei der Standortbeurteilung sind die örtlichen Klimafaktoren wie z.B. Wind, Kaltluftschneisen, Sonneneinstrahlung und Nebelbildung unbedingt zu berücksichtigen. Wichtig ist hierbei eine vorbereitende Funktions- und Gestaltsplanung des Gebäudes. Ziel ist dabei ein möglichst hoher Sonnenwärmegewinn und Windschutz.

Wichtigste Faktoren hierbei sind in gewichteter Reihenfolge:


- Wahl des am längsten besonnten Standorts auf dem Grundstück, unter Berücksichtigung
   bestehender bzw. geplanter Gebäude und Bepflanzungen
- Ausrichtung der Gebäudebreitseite nach Süden
- Kompaktheit des Gebäudes (m³ Bruttorauminhalt / m² Wohnfläche = 4 - 4,5)
- Anordnung der Aufenthaltsräume nach Süden mit Optimierung der Fenstergröße zur
   Wärmegewinnung
- Anordnung der Nebenräume und der Räume mit nutzungsbedingten Wärmeanfall
   (Küche, Bad) im Norden als sogenannte Pufferräume
- Minimierung der beheizten Flächen (geringe Verkehrsflächen etc.)
- Anordnung von Pufferräumen (Wintergarten) an der Südseite, die als unbeheitzte Wärmefallen
   in den Übergangszeiten dienen können.
- Minimieren der Fensterflächen auf Nord, Ost und z.T. Westseite des Gebäudes unter Beachtung
   der vorgeschriebenen Mindestbeleuchtungsquerschnitte
- Beachtung der natürlichen Konvektion zum Wärmetransport von der Südseite, in die an der
   Nordseite gelegenen Räumlichkeiten.
-Schnell reagierendes Heizsystem einbauen um auf die wechselnde Sonnenstrahlung reagieren
  zu können (keine Fußbodenheizung, da Masse des Estrichs zu groß!).
- Reflektierende Flächen im inneren des Hauses, die einstrahlende Energie in den hinteren
   Bereich des Hauses transportieren.
- Auf eine ausreichende Lüftung im Sommer achten (Hitzetod!).

Zusätzlich zu diesen passiven Systemen sind folgende Aktive Erweiterungen denkbar:

· Kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung

· Aktive Solarenergie Systeme mit Speicher benutzen um bei schlechter Witterung eine Reserve
   zu haben

· Wärmespeicher, Wärmetresore groß genug dimensionieren


11.3.1 Wärmedämmung, k-Wert


Durch eine gute Wärmedämmung lassen sich die Heizkosten deutlich reduzieren. Neben den ökologischen Gesichtspunkten steigt auch der Wiederverkaufswert des Hauses bzw. der Wohnung. Zudem ist eine gute Wärmedämmung die beste Versicherung gegen steigende Energiepreise


Eine gute Wärmedämmung trägt zur Erhöhung des Wohnkomforts bei. Durch geringeren Wärmeabfluss durch die Außenwände erhöht sich die Innenwandtemperatur, wodurch die Behaglichkeit gefördert wird.


Die Wärmedämmung schützt nicht nur gegen winterliche Kälte. Sie ist auch ein Schutz vor übermäßiger Erwärmung bei hochsommerlichen Wetterlagen.

Wärmedämmung kann an allen Bauteilen angebracht werden.

Abbildung 11-2 zeigt verschiedene Dämmungsarten für ein Gebäude: [4]

In dieser Abbildung fehlt die zwischenzeitlich mögliche Dämmung an der Bodenplatte. Durch Schaumglas ist auch die Unterseite einer im Wasser liegenden Bodenplatte dämmbar.


K-Wert:

Wichtig für den Vergleich von Wärmedämmungen ist der sogenannte k-Wert:

Dieser Wert gibt an, wie groß der Wärmestrom ist, der durch einen Quadratmeter des Bauteils fließt, wenn der Lufttemperaturunterschied zu beiden Seiten 1 °C bzw. 1 K beträgt. Je kleiner der k-Wert, desto besser ist die Wärmedämmung.

Heizenergieverbrauch in Abhängigkeit vom Dämmstandard: [5]

(siehe dazu auch Abbildung 3-1)

Seit 1. Januar 1995 gilt für alle Neubauten die neue Wärmeschutzverordnung (WSVO). Dadurch wird der Standard der Wärmedämmung so weit verbessert, daß gegenüber der alten WSVO von 1982 zukünftig ca. 30 % Heizenergie eingespart wird. Die hierfür erforderlichen erhöhten Kosten amortisieren sich im Laufe der Jahre durch niedrigere Heizkosten. Zudem ergibt sich eine nicht unerhebliche Ökologische Entlastung.



Der Jahresheizwärmebedarf liegt für bestehende Wohnungen derzeit im Durchschnitt bei 22 l Heizöl bzw. bei 22 m³ Erdgas pro m² Wohnfläche. Durch die WSVO von 1982 wurde er auf 15 l (15 m³) verbessert, und nach der neuen WSVO werden Werte von ca. 10 l Heizöl (10 m³ Erdgas) erreicht. Der hohe Energieverbrauch des Bestands erklärt sich aus der mangelnden Wärmedämmung vieler älterer Häuser. Durch nachträgliche Wärmedämmasnahmen sind erhebliche Einsparungen bei den Heizkosten zu erzielen.



In Schweden dürfen seit Jahren nur noch sogenannte Niedrigenergiehäuser gebaut werden. Auch in Deutschland gab es in den vergangenen Jahren ein langsam wachsendes Interesse an diesem hohen Dämmstandard. Niedrigenergiehäuser verbrauchen nur etwa 5 l Heizöl (5 m³ Erdgas) pro m² und Jahr und sind schon heute Stand der Technik.



- transparente Wärmedämmung

Während herkömmliche Wärmedämmung an Gebäuden nur Energieverluste vermindert, erzielt Transparente Wärmedämmung zusätzlich Solargewinne. Mit rund 450 DM/m2 kostet StoTherm Solar nur ein Drittel bisheriger Systeme. Dafür liefert es pro Jahr etwa 100 kWh/m2 Sonnenenergie frei Wohnzimmer.

Und so funktioniert das Ganze: Auf die Hauswand wird das vorbereitete Systemelement geklebt und fugenlos an konventionelle Wärmedämmverbundsysteme angeschlossen. Das Sonnenlicht gelangt durch die Transparente Wärmedämmung auf die Hauswand und wird dort in Wärme umgewandelt. Diese Energie kann nicht mehr nach außen entweichen, sondern wird in der massiven Wand gespeichert und zeitverzögert nach innen abgegeben. So heizt die Mittagswärme das Wohnzimmer pünktlich zu den Abendnachrichten auf.

Richtig eingesetzt benötigt StoTherm Solar keine mechanische Abschattung sondern regelt sich selbst: Die Oberflächenstruktur sorgt bei hohem Sonnenstand im Sommer für hohe Reflexion während sie im Winter das Licht besonders gut durchläßt. Der einfache Aufbau macht das System robust und preiswert. Es ist gleichermaßen für Neubauten und für Altbauten geeignet.

Und der Pionier der Transparenten Wärmedämmung (TWD) Karl Gertis, verzichtete in Leopoldstadt (bei Wien) auf ihren Einbau Obwohl die TWD in seinem Institut entwickelt wurde. Er hält sie inzwischen schon für überholt: "Die modernen Scheiben bringen mehr.“ (Wärmeschutzisolierglasscheiben, Anm. d. Autors).

Außerdem sind sie billiger, weil man für den Sommer nur vor den Fenstern einen wirksamen Sonnenschutz anbringen muß, und nicht vor der gesamten Fassade. "Das bezahlt nur ein Verrückter." Für die Außenwände wurden Leichtziegel verwendet. Laut Gertis: "Ein gut wärmedämmendes, marktübliches Produkt."

- Wärmedämmfenster

Fenster sind Schwachpunkte in der Wärmedämmung. Je nach Lage kommt es am Tag zu solaren Energiegewinnen, die in Nord-, Ost- und Westlage durch die Transmissionswärmeverluste jedoch in der Gesamtbetrachtung zu erheblichen Energieverlusten führen. Insgesamt kann nur bei Südorientierten Fenstern von deutlichen Energiegewinnen ausgegangen werden. Neben den Transmissionswärmeverlusten tragen auch die Lüftungswärmeverluste zur Negativbilanz der Fenster bei.


Die nachfolgende Tabelle zeigt den Unterschied in der Dämmung bei verschiedenen Glasarten: [6]


Glasart k-Wert [W/(m²K)] Innenoberflächenteperatur der Scheibe bei -10° C außen und 20° C innen
Einscheibenglas 5,6 minus 1,0° C
2-Scheiben-Isolierglas 2,9 - 3,1 8,4 ° C
3-Scheiben-Isolierglas 2,1 12,1° C
2-Scheiben - Wärmeschutz - Isolierglas 1,3 - 1,6 13,8 -15,1° C
3-Scheiben - Wärmeschutz - Isolierglas 0,7 - 0,8 16,8 - 17,3° C

Abbildung 11-3 zeigt die Gewinn- und Verlustrechnung von verschiedenen Fenstern: [7]

Die Dämmwirkung der Verglasung wird vor allem durch die Luft bzw. Edelgasfüllung im Scheibenzwischenraum erzielt. Dieser sollte 12 mm nicht unterschreiten. Durch den Einbau von Wärmeschutzisolierglas läßt sich der Wärmeschutz um 50-60 % gegenüber herkömmlichem Isolierglas verbessern. Die Vorteile von Wärmeschutzisolierglas:

- Südlich orientierte Fenster werden zum Sonnenkollektor. Die Wärmeverluste über die Scheiben
   sind vergleichbar mit den Wärmegewinnen durch die Sonneneinstrahlung.

- Durch eine wärmere Innenoberfläche wird mehr Behaglichkeit erzielt.

- Die Wärmeverluste halbieren sich gegenüber isolierverglasten Fenstern

- Die Dämmwirkung ist höher als bei normalem Isolierglas mit Rolläden oder Vorhängen

- Die Energieeinsparung pro m² Wärmeschutz - Isolierverglasung beträgt den Gegenwert
   von 9-14 l Heizöl oder m³ Erdgas. Bei Öl- oder Gaspreisen von etwa 0,50 DM/m³ amortisiert
   sich diese Verglasungsart immer.


11.4 Simulationsprogramme


ÖKO-RAT: [8]

Wirtschaftlichkeitsberechnung

Das Programm bietet die Möglichkeit, folgende Szenarien zu untersuchen:

- die Berechnung der für die Wirtschaftlichkeit erforderlichen Höhe einer Anfangsförderung auf
   die Investition

- die Berechnung des notwendigen Energiepreises für die Amortisation der Investition
   (z.B. die notwendige Einspeisevergütung für Strom aus Solaranlagen),

- die Berechnung einer zur Amortisation führenden Energiepreissteigerungsrate für die
   betrachtete Anlage.

- Anfängliche Investitionskosten für die Anlage

- Betriebskosten, die mit einer jährlichen Inflationsrate steigen können

- Energieeinsparungskosten (Gewinne), die gegebenenfalls mit einer anderen Inflationsrate
   steigen können.

Vom Benutzer ist außerdem ein Kalkulationszinssatz vorzugeben, mit dem die Amortisationszeit
berechnet wird sowie die Nutzungsdauer der Anlage, mit Der der interne Zinssatz berechnet wird.

Durch Anwendung des Programms kann überprüft werden:

- ob die Amortisationszeit unter der Lebensdauer liegt

- welches die sinnvolle Reihenfolge mehrerer Investitionsalternativen ist, die sich alle
   amortisieren. Dies kann man mit Hilfe des internen Zinssatzes ermittelt werden

RESA: [9]

Energetischer Sanierungsratgeber für Altbausanierung

1. Erfassung des Ist-Zustands: Dieser Teil besteht aus einer graphisch gestützten Eingabeschnittstelle für die Gebäudegeometrie und einer integrierten Datenbank, aus der in Abhängigkeit von Gebäudetyp und Baujahr Konstruktionsdetails von Bauteilen abrufbar sind.

2. Berechnung der Energieterme: Gebäudeverluste und Gewinne werden nach der Schweizer SIA-Norm 380/1 ermittelt. Der Jahresnutzungsgrad der Heizung wird nach Recknagel-Sprenger "Heizung- und Klimatechnik" bzw. nach der VDI-2067, Blatt 1 berechnet.

3. Bauteilspezifische Identifizierung der günstigsten Maßnahmen zur Sanierung des Gebäudes.

4. Ausgabe der Ergebnisse in Diagrammen.

CASA: [10]

Lernsoftware CASA

- Wie wirken sich die Gebäudegeometrie und die Gebäudeausrichtung auf die
   Transmissionsverluste aus?

- Was passiert, wenn sich die k-Werte der Außenwände durch Dämmung ändern?

- Welche Fenstertypen und Fensterflächen passen zu einer Süd- bzw. zu einer Nordfassade?

- Welche Auswirkungen hat eine Drehung des Gebäudes aus der Südausrichtung?

FLOVENT: [11]

Das Programm FLOVENT wird eingesetzt, um dreidimensionale Luftströmungen und die Wärmeverteilung in Räumen und bestimmten Geometrien zu berechnen.

SUNCODE.: [12]

Temperaturverläufe, Heizleistung und solare Einstrahlung in der Solargewinnzone, Thermische Simulation eines Solarhaus.

SOMBRERO: [13]

Schattenberechnung

HEAT2: [14]

Wärmebrückenberechnung

DIAS: [15]

Werkzeug für Baufachleute zur Konzeption von energiesparenden, Passiv-Solaren Bauten.

Energiebilanz gemäß Empfehlung SIA 380/1, zugelassen für den behördlichen Nachweis, k-Wert Berechnung, Berechnung von Schlagschatten, Verbrauchsanalyse, Umwandlung von Einheiten und Vergleich von Energiebilanzen, Datenbank mit Lexikon, Dokumentation etc. von schon bestehenden Bauten.

Kosten: Studentenversion: 100,- sFr

Vollversion für Fachleute: 400,- sFr

NESA: [16]

Multimediale Datenbank zu Niedrigenergie- & Solar-Architektur

Das Programm besteht aus vier elementaren Komponenten:

- Karten

- Objekte

- Berechnungswerkzeuge

- Lexikon

TRNSYS: [17]

TRNSYS (A Transient System Simulation Program)

Der Klassiker für thermische Solaranlagen und solares Heizen.

Preis: ca. 7000 DM

Sprache: Englisch

Transsolar GmbH, Ledergasse 59, D-73525 Schwäbisch Gmünd

SUNDI: [18]

Einstrahlungsberechnung

Komfortables Programm zu Berechnung von Sonnenbahndiagrammen und der Einstrahlung nach Reduzierung durch Abschattungen.

Shareware

Sprache: Deutsch

Computersystem: MS-Windows 3.1

Zu beziehen bei: Volker Quaschning, Tu-Berlin, Institut für Elektrische Energietechnik, Sekr. EM4, Einsteinufer 11, D-10587 Berlin.

Adeline: [19]

Simulationsprogramm für passive Solarenergienutzung.

Entwickelt von der International Energy Agency (IEA). Nähere Informationen siehe Fußnote.


11.5 Wirtschaftlichkeit

Wie läßt sich passive Solararchitektur wirtschaftlich berechnen?

Eine Wärmebedarfsrechnung muß für das geplante Gebäude erstellt werden. Dabei hat der Architekt mit seiner Gestaltung wesentlichen Einfluß auf den Energieverbrauch des Gebäudes. Durch Anwendung eines Simulationsprogrammes können verschiedene Szenarien erprobt und auf Ihre Wirtschaftlichkeit getestet werden. Im großen und ganzen wird aber bei einer frühzeitigen Berücksichtigung in der Planung weitgehend Kostenneutralität erreicht.


11.6 Beispiele:

Für die Transparente Wärmedämmung gibt es das Beispiel der Villa Tannheim. Aus Platzgründen wird die Villa deshalb nur erwähnt. Zusätzliche Informationen gibt es bei der FHG.


11.6.1 Energieautarkes Solarhaus Freiburg [20]

Heizen wird im Haus der Zukunft zur Nebensache: 72 kWh Heizenergie in Form von Wasserstoff verbrauchte das Energieautarke Haus des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg im Jahr 1994, das entspräche 7 l Heizöl. Im milden Winter 94/95 blieb es trotz großer thermischer Behaglichkeit sogar völlig unbeheizt. Das ist das Ergebnis konsequenter Niedrigenergiebauweise und passiver Solarenergienutzung mit optimierten Fenstern und Transparenter Wärmedämmung. Ausgerechnet das Energieautarke Solarhaus mit seinem aufwendigen Wasserstoffsystem liefert damit den Impuls für eine starke Vereinfachung in der Gebäudeheiztechnik. Schon eine handelsübliche Campinggasflasche mit Wärmestrahler würde als kompakte und mobile "Notheizung" ausreichen.

Auch bei der Stromerzeugung setzt das Energieautarke Solarhaus Zeichen: Weltweit zum ersten Mal stellte im Winter 1994/95 eine Brennstoffzelle im Alltagsbetrieb die autarke Stromversorgung eines Wohnhauses sicher. Sie wandelt in längeren Schlechtwetterperioden den im Sommer solar erzeugten Wasserstoff hocheffizient in Strom um. Da die dabei entstehende Abwärme zur Nachheizung des Brauchwassers genutzt wird, wurde hier ein lautloses und schadstoffreies Miniatur-Blockheizkraftwerk mit 1 kW elektrischer Leistung und einem Gesamtwirkungsgrad von über 80 % realisiert.


11.6.2 Das Null-Heizenergiehaus für jedermann [21]

Das Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) entwickelte das Null-Heizenergiehaus, das nun ein Fertighaushersteller für jedermann anbietet Die Basis für Null-Heizenergie-Konzepte sind Solarkollektorsysteme, die Sonnenwärme nicht nur passiv einfangen, sondern speichern und sie dann erst an die Innenräume abgeben, wenn sie benötigt wird.

Ein in Berlin nach Plänen des IBP errichtetes Haus besitzt im Kern des Gebäudes einen großen Wassertank. Damit werden die Solargewinne des Sommers in den Winter verlagert, wodurch auf einen Heizkessel verzichtet werden kann. Die Solarkollektoren auf dem Dach erwärmen zum einen das Brauchwasser, zum anderen heizen sie einen 18 m3 großen Wasserspeicher im Keller bis 95 °C auf. Dieser gut isolierte Speicher speist im Winter die Heizung. Die aus den Entwicklungsprojekten des IBP gesammelten Erfahrungen sollen zukünftig mit der Fertighausfirma WeberHaus nach einem Entwurf des Freiburger Solararchitekten Rolf Disch in Häuser für jedermann umgesetzt werden.

Die ersten Musterhäuser errichtet das Unternehmen bis zum Herbst in Durbach-Ebersweiler. Der Heizenergieverbrauch des Null-Hauses liegt bei jährlich 16 kWh/m2.


11.7 Fazit Solararchitektur

Die vielfältigen Erfahrungen mit den Niedrigenergiehäusern zeigen, daß sich die Mehrkosten für die aufwendige Dämm- und Klimatechnik auf nur etwa 10 % belaufen, so daß sich diese Investitionen auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten lohnen.

Als wichtigste Voraussetzung gilt, daß bereits in der Konzeptionsphase auf die Belange passiver Solarenergienutzung Rücksicht genommen wird.


 

[1]Quelle: Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie [zurück]
[2] Quelle: Erneuerbare Energien in Bayern [zurück]
[3] Quelle: http://ourworld.compuserve.com/homepages/hgrasshoff/system.htm [zurück]
[4] Quelle: Erneuerbare Energien in Bayern [zurück]
[5] Quelle: http://www.infos.de/Energiewende [zurück]
[6] Quelle: http://www.infos.de/Energiewende [zurück]
[7] Quelle: Erneuerbare Energien in Bayern[zurück]
[8] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[9] Quelle: http://www.uni-siegen.de /[zurück]
[10] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[11] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[12] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[13] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[14] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[15] Quelle: Universität Genf, Prof. W. Weber, compagnon@eldp.epfl.ch [zurück]
[16] Quelle: http://www.uni-siegen.de/ [zurück]
[17] Quelle: Server der Tu-Berlin, Fachgebiet erneuerbare Energien [zurück]
[18] Quelle: Server der Tu-Berlin, Fachgebiet erneuerbare Energien [zurück]
[19] Quelle: http://www.ibp.fhg.de/wt/adeline/adeline.htm [zurück]
[20] Quelle: Fraunhoferinstitut Freiburg [zurück]
[21] Quelle: idEE, Informationsdienst erneuerbare Energien [zurück]