Technik

Technikfibel Energie und Raumklima

Dämmung Dämmstoffe reduzieren die Transmissionswärmeverluste und verbessern aufgrund einer höheren Oberflächentemperatur im Inneren die Behaglichkeit. Neben Mineralfaser- und Polystyrolplatten gibt es mittlerweile eine Vielzahl von Dämmstoffen. Sie können mineralischen Ursprungs (z. B. Perlite oder Schaumglas), aus nachwachsenden Rohstoffen (z. B. Kork, Flachs oder Schafwolle) oder aus Recyclingmaterial sein (z. B. Zellulose-Dämmstoffe). Die wesentlichen Unterschiede betreffen Einbau- und Verarbeitungsmöglichkeiten, Druckfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit. Die derzeitigen Dämmstoffdicken liegen bei 15 bis 20 cm für das Niedrigenergiehaus und bis über 30 cm für das Passivhaus.

Vakuumisolationspaneele (VIP) ermöglichen hoch wärmedämmende Wandaufbauten mit geringen Wandstärken. Die Vakuumdämmung besteht aus mikroporösen, in einer gasdichten Folie eingeschweißten Materialien. Das Vakuum verhindert den konvektiven Wärmeübergang und erhöht so die Wärmedämmwirkung um den Faktor 5. Dadurch kann mit Dämmstoffdicken von 2 bis 6 cm eine gute Dämmwirkung erzielt werden. Die inzwischen technisch ausgereiften Elemente eignen sich besonders als Brüstungspaneele oder im Bereich des Geschossdeckenanschlusses sowie bei der Sanierung. Der sehr guten Dämmwirkung stehen ein hoher Preis sowie eine erhebliche Funktionsminderung bei Beschädigung entgegen.
Wärmeschutzverglasungen (WSV) reduzieren den Wärmedurchgang auf zwei Arten: Eine transparente Silberbeschichtung auf der Außenseite der inneren Scheibe reduziert das Wärmeemissionsvermögen, so dass nahezu kein Strahlungsaustausch mehr zwischen den Scheiben stattfindet. Zusätzlich vermindert eine Edelgasfüllung den Wärmeaustausch durch Wärmeleitung. Dadurch konnte der U-Wert von Verglasungen von über 3 W/m2K auf etwa 1,1 W/m2K bei Zweischeibenverglasungen beziehungsweise auf 0,6 W/m2K bei Dreischeibenverglasungen verbessert werden. Durch die erheblich verbesserte Dämmwirkung sind größere Fensterflächen energetisch vertretbarer geworden, zusätzlich vermindern sich Behaglichkeitsprobleme aufgrund Kaltluftabfall oder Strahlungsasymmetrie. Eine kleinteilige Fassadenausbildung sollte vermieden werden, da die thermische Schwachstelle bei Randverbund und Rahmen liegt.
Sonnenschutzglas Eine selektive Beschichtung auf der Innenseite der äußeren Scheibe von Sonnenschutzverglasungen lässt viel sichtbares Licht, aber nur wenig energiereiche Strahlung in den Raum. Damit können auch bei großflächigen Verglasungen die solaren Strahlungseinträge reduziert und so die sommerlichen Verhältnisse verbessert werden; im Winter vermindern sich jedoch auch die solaren Wärmegewinne. Im Sommer sind in der Regel ergänzende Sonnen- und Blendschutzsysteme erforderlich. Für die Verglasung von Büroräumen sind g-Werte bis zu 0,3 vertretbar. Bei geringeren Werten (bis 0,15) ergeben sich Farbverschiebungen, Spiegelungen auf der Außenseite sowie ein stark reduzierter Tageslichteintrag.
Variochrome Gläser ermöglichen eine reversible Änderung ihrer Eigenschaften hinsichtlich Licht- und Strahlungstransmission durch das Anlegen einer Spannung (elektrochrom), das Einbringen eines Gases in den Scheibenzwischenraum (gaschrom) oder durch Temperaturerhöhung (thermotrop). Sie bieten einen steuerbaren witterungs- und windgeschützten Sonnenschutz mit hoher Effizienz. Elektro- und gaschrome Gläser verfärben sich auf Knopfdruck bläulich, die Durchsicht bleibt erhalten. Sie benötigen jedoch eine aktive Regelung sowie einen Stromanschluss. Thermotrope Gläser trüben sich bei einer bestimmten, wählbaren Schalttemperatur ein. Dadurch sind sie selbstregelnd, eine Eingriffs- und Steuerungsmöglichkeit besteht nicht. Der Vorteil von variochromen Gläsern als Sonnenschutz liegt in dem geringen Wartungsaufwand und der witterungsunabhängigen Funktionsweise. Die Nachteile sind ein sehr hoher Preis und die eingeschränkte Marktverfügbarkeit.
Transluzente Wärmedämmung (TWD) verbessert den Wärme-schutz und ermöglicht Wärmegewinne über Außenwände. Sie besteht aus transluzentem Dämmmaterial, das für Licht durchlässig ist; Solarstrahlung kann durch die Dämmung treten, die Wärme aus dem Inneren wird jedoch am Durchgang gehindert. Transluzente Wärmedämmung kann entweder vor massiven Wänden eingebaut oder zwischen Glasscheiben eingebettet werden. Bei der Kombination mit massiven Wandbauteilen wird die Wärme zeitversetzt nach innen abgegeben, solare Gewinne lassen sich dadurch besser nutzen. Die Einbettung in Glas bewirkt eine lichtstreuende Wirkung, die Tageslichtsituation wird verbessert. Der hohe Preis und die erforderliche Verschattung der TWD-Elemente im Sommer haben nur zu einer geringen Verbreitung geführt. In der Praxis bietet sich die Verwendung von TWD vor allem bei Gebäuden an, die auch in der Übergangszeit beziehungsweise im Sommer Heizwärme benötigen oder bei denen die Tageslichtsituation verbessert werden soll.
Nachtauskühlung Hierbei werden die tieferen Lufttemperaturen während der Nacht genutzt, um durch Lüftung die frei liegenden Speichermassen des Raums auszukühlen. Diese stehen am nächsten Tag als Kältequelle zur Verfügung. Die Nachtlüftung bietet eine Kühlmöglichkeit ohne weitere Betriebskosten, es können jedoch keine Grenztemperaturen garantiert werden. Die Nachtlüftung eignet sich besonders für Gebiete mit Nachttemperaturen unter 15 °C und für massive Gebäude. Um eine effiziente Entwärmung zu erzielen, sollte der Luftwechsel bei 3–4 h-1 oder höher liegen. Dazu sind ausreichend große Lüftungsöffnungen in der Fassade vorzusehen. Für Gebäude mit Fensterflächenanteilen unter 50 %, einem guten Sonnenschutz und geringen internen Wärmelasten ermöglicht die Nachtauskühlung ohne zusätzlichen Energieeinsatz im Sommer ein behagliches Raumklima. Sind keine aktivierbaren Speichermassen vorhanden, können diese durch PCM ersetzt werden.
Phase Change Material (PCM) nutzt den Phasenübergang von fest zu flüssig zur Energiespeicherung. Als Materialien werden Paraffine und Salzhydrate verwendet, deren Schmelzpunkt zwischen 23 und 26 °C liegt. Die Paraffine werden mikroverkapselt und können konventionellen Baustoffen wie etwa Gips bei Gipskartonplatten beigemischt werden; Salzhydrate sind in Kunststoff eingeschweißt und können zum Beispiel in abgehängte Decken eingelegt werden. Der Vorteil der Speicherung beim Phasenübergang liegt in einer um etwa 10- bis 20fach größeren Speicherdichte im Vergleich zu konventionellen Wandbaumaterialien sowie der Einspeicherung bei konstanter Temperatur. Die hohe Speicherdichte reduziert das notwendige Speichermaterial und erhöht die Speicherleistung, da die Eindringtiefe um ein Vielfaches geringer ist. So kann das thermische Verhalten insbesondere von »leichten« Gebäuden im Sommer verbessert werden. Große Potenziale liegen auch in der Nachrüstung oder im Sanierungsbereich. Die eingespeicherte Wärme-energie muss wieder entladen werden, beispielsweise durch Nachtlüftung oder durch wassergeführte Systeme, ähnlich einer Betonkernaktivierung. Mittlerweile sind PCM zu wirtschaftlich interessanten Preisen am Markt. In der Praxis ersetzt eine Putzschicht mit PCM die Speicherfähigkeit einer Betonwand.
Bauteilaktivierung dient zur Kühlung im Sommer und zur Grundbeheizung im Winter. Die Heiz-/Kühlrohre liegen in der statisch neutralen Zone der Geschossdecke und machen diese als Speichermasse thermisch wirksam: Lastspitzen werden durch eine Phasenverschiebung umgangen, die Energie kann – etwa mittels nächtlicher Rückkühlung – zeitversetzt bereitgestellt werden. Die Bauteilaktivierung wirkt über den Fußboden und die Decke, also über eine große energieübertragende Fläche. Deshalb sind geringe Temperaturunterschiede zwischen Vorlauf- und Raumtemperatur möglich. Regenerative Wärme- und Kältequellen wie Erdreich, Grundwasser oder Wärmepumpen können effizient eingesetzt werden. Die maximale Leistung von 40 W/m2 erfordert eine Begrenzung der internen und solaren Wärmelasten. Die erforderliche thermische Ankopplung der Speichermasse an den Raum kann zu Trittschall- und Raumakustikproblemen führen; eine Einzelraumregelung und getrennte Abrechnung nach Geschossen ist nicht möglich. Mittlerweile hat sich die Bauteilaktivierung zu einem weit verbreiteten Raumklimatisierungssystem bei Verwaltungsgebäuden entwickelt. Sie verbindet Energieeffizienz und ein sehr gutes Raumklima auf ökonomische Weise .
Dezentrale Lüftungsgeräte saugen Außenluft direkt vor der Fassade an, erwärmen oder kühlen diese und bringen sie dann gefiltert in den Raum. Sie können entweder nur als Zuluftgeräte mit zentraler Abluft oder als Zu- und Abluftgeräte realisiert werden. Die Kühlleistung liegt bei bis zu 50 W/m2. Aufgrund der Zuluftführung über die Fassade sind horizontale Lüftungsinstallationen im Gebäude nicht erforderlich, Installationsraum wird eingespart und ein Freihalten der Speichermassen ist leichter möglich; Schachtflächen werden minimiert und die Flexibilität erhöht. Nachteile liegen im hohen Wartungsaufwand, außerdem kann die Wechselwirkung mit den Druckverhältnissen an der Fassade zu nicht definierten Luftwechseln führen. Bei hoher Kühlleistung ist aufgrund des Tauwasserausfalls eine Kondensatableitung erforderlich.
Solarkollektoren Am Dach aufgeständert oder in die Fassade integriert, wandeln sie Solarstrahlung in Wärmeenergie um, die zu Heizzwecken und insbesondere zur Brauchwassererwärmung genutzt werden kann. Typische Bauformen sind Flach- und Vakuumröhrenkollektoren, wobei letztere einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Aufgrund der vorwiegenden Nutzung zur Brauchwassererwärmung liegt der Haupteinsatzbereich bei Wohngebäuden. Je Quadratmeter können bis zu 400 kWh/a an Wärme gewonnen werden. Im Allgemeinen ist eine Kollektoranlage auf etwa 50 bis 70 % des jährlichen Warmwasserbedarfes ausgelegt, pro Person werden circa 2 m2 Kollektorfläche benötigt. Wird eine Solaranlage zur Heizungsunterstützung genutzt, muss aufgrund der niedrigeren Vorlauftemperatur ein Flächenheizsystem zur Wärmeübergabe gewählt werden. Unter Zugrundelegung einer mittelfristigen Amortisationszeit sind thermische Solarsysteme wirtschaftlich effektiv.
Photovoltaik Solarzellen bestehen meist aus Siliziumscheiben, die Sonnenlicht direkt in Strom umwandeln. Die einzelnen Zellen sind zur Erhöhung der Spannung zu so genannten Strings in Reihe geschaltet und in Glas eingebettet. Die dabei entstehenden Solarmodule können auf Dächer aufgeständert oder in Fassaden integriert werden. Ein optimales Ergebnis liefert die geneigte Ausrichtung nach Süden. Ein Quadratmeter Solarzellenfläche kann jährlich bis zu 150 kWh an Strom gewinnen. Dieser wird entweder lokal in Batterien gespeichert (Inselbetrieb) oder über einen Wechselrichter in das öffentliche Stromnetz eingespeist (Netzparallelbetrieb). Beim Netzparallelbetrieb wirkt das öffentliche Stromnetz als Speicher. Der Inselbetrieb bietet sich bei abgelegenen Standorten an. Sowohl Module als auch Wechselrichter und Laderegler sind längst technisch ausgereift am Markt; durch den hohen Modulpreis lässt sich der Einsatz von Photovoltaik derzeit jedoch nur aufgrund der Einspeisevergütung von etwa 50 Cent/kWh wirtschaftlich darstellen.
Grundwasser Durch das ganzjährig annähernd konstante Tempe-raturniveau des Grundwassers von circa 12 °C kann dieses als Kältequelle zur Kühlung im Sommer und mit Hilfe einer Wärmepumpe zur Wärmeversorgung im Winter genutzt werden. Auch eignet es sich für die Kälteversorgung von Zuluftregistern und Kühldecken, wodurch höhere Kühllasten abgeführt werden können. Die Grundwassernutzung ermöglicht die Raumklimatisierung eines Gebäudes mit sehr geringem Primärenergieeinsatz, erfordert aber einen erhöhten baulichen Aufwand für den Saug- und Schluckbrunnen sowie eine wasserrechtliche Genehmigung. Je kW-Leistung müssen etwa 180 Liter Wasser pro Stunde zur Verfügung stehen.
Energie aus dem Erdreich Das Temperaturniveau des Erdreiches (etwa 10 °C) kann über eine Sohlplatte, über Bohrpfähle oder Erdsonden (zur Kälteversorgung) und über eine Wärmepumpe (zur Wärmeversorgung) genutzt werden. Die Leistungsfähigkeit hängt stark von den Erdreichverhältnissen ab; günstig wirken sich ein hoher Grundwasserstand und feuchte Böden mit hoher Wärmeleitfähigkeit aus. Während Sohlplatten und Bohrpfähle zusammen mit der Gründung eines Gebäudes realisiert werden, ist bei – bis zu 100 m tief gebohrten – Erdsonden eine nachträgliche Bohrung möglich.
Erdkanal Zur Vorkühlung und Vorwärmung der Außenluft nutzen Erdkanäle – als Einzelrohre oder als Register ausgebildet – das im Erdreich vorhandene Temperaturniveau. Für ihre Verwendung ist eine mechanische Zuluftführung erforderlich. Um Kosten für Erdarbeiten zu sparen, sollten sie im Aushubbereich des Gebäudes verlegt werden, eine Möglichkeit ist die Aufdopplung zum Beispiel der Tiefgaragenwand. Die Leistungsfähigkeit steht in direkter Wechselwirkung mit der Erdreichbeschaffenheit. Bei Verwaltungsbauten werden Erdkanäle hauptsächlich für den Kühlfall ausgelegt, im Wohnbereich dienen sie vor allem der Zuluftvorwärmung und der Vermeidung winterlicher Vereisung von Wärmetauschern. Die größte Effizienz wird bei den ersten 30 m Baulänge erreicht – so ist es günstiger, mehrere kurze Rohre anstatt eines langen Rohres zu realisieren. Durchmesser und Anzahl richten sich nach dem Volumenstrom und den Bodeneigenschaften. Für kleine Durchmesser eignen sich Kunststoffrohre, für große sind Betonrohre sinnvoller.
Wärmerückgewinnung (WRG) Hierbei wird die in der Abluft enthaltene Wärmeenergie mit Hilfe eines Platten- oder Rotationswärmetauschers oder eines Kreislaufverbundsystems auf den Zuluftstrom übertragen; oder aber mit einer Abluftwärmepumpe dem Heizsystem zur Verfügung gestellt. Die Wärmerückgewinnung reduziert einerseits die Lüftungswärmeverluste, andererseits erleichtert sie eine behagliche Zulufteinbringung. Allerdings ist ein Abluftstrom erforderlich, eine freie Abströmung der Abluft ist nicht möglich. Die Technik ist bewährt, benötigt jedoch eine mechanische Lüftungsanlage. Es werden Rückgewinngrade von bis zu 80 % erreicht.
Wärmepumpe Sie entzieht der Umgebung Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau und gibt sie auf einem höherem Temperaturniveau an das Heizungssystem ab. Als Wärmequellen dienen Erdreich, Wasser oder Luft. Je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungswärme und Heizungskreislauf, desto effizienter arbeiten Wärmepumpen. Um einen energetisch sinnvollen Betrieb zu erzielen, sollte die Wärmeenergie mindestens das Dreifache an eingesetzter elektrischer Energie betragen (Arbeitszahl). Daher ist die Verwendung einer Flächenheizung mit niedrigen Vorlauftemperaturen günstig.
Brennwertkessel sind für die permanente Kondensation eines Großteils des in den Abgasen enthaltenen Wasserdampfes ausge-legt. Bei der Kondensation des Wasserdampfs kann die so genannte Latentwärme genutzt werden, wodurch sich ein Wirkungsgrad bezogen auf den unteren Heizwert von 110 % ergibt. Voraussetzung für den Betrieb eines Brennwertkessels ist eine Rücklauftemperatur, die unter dem Taupunkt des Wasserdampfes in den Abgasen liegt.
Blockheizkraftwerk (BHKW) Bestehend aus einem öl- oder gasbetriebenen Motor, der einen Generator zur Stromerzeugung antreibt, wird die dabei entstehende Abwärme zur Beheizung eines Gebäudes genutzt. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr hoher primärenergetischer Wirkungsgrad. Blockheizkraftwerke sollten möglichst lange Jahreslaufzeiten haben. Sie eignen sich besonders für Gebäude, die nahezu ganzjährig einen Wärmebedarf wie zum Beispiel für die Warmwasserbereitung aufweisen und werden typischerweise mit konventionellen Spitzenlastkesseln kombiniert. Der Leistungsanteil des BHKW liegt dann bei etwa 50 %. BHKWs gibt es mit 5 kW elektrischer Leistung (5 kWel) für Mehrfamilienhäuser und bis zu 2 MWel für Wohngebiete oder Fabriken. Unter Umständen kann mit ihnen die Notstromversorgung sichergestellt werden. Denkbar ist auch die Kopplung mit Kältemaschinen, wodurch sich die Jahreslaufzeit erhöhen lässt. Die Nachteile liegen in höheren Investitionskosten und einem größeren Wartungsaufwand.
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff in einer katalytischen Verbrennung in Strom um. Als Brennstoff können reiner Wasserstoff oder reformiertes Erdgas genutzt werden. Der elektrische Wirkungsgrad liegt bei etwa 40 bis 70 %, der Rest wird als Abwärme frei, die als Prozesswärme oder zu Heizzwecken nutzbar ist. Der Vorteil von Brennstoffzellen liegt in einem hohen elektrischen Wirkungsgrad und im Fehlen von mechanischen Teilen; die Nachteile dagegen in einem (noch) hohen Preis und der eingeschränkten Verfügbarkeit – die Technik ist in der Markterprobungsphase. G. H., M. S., P. L.
Literaturhinweis: Hausladen, Gerhard, Michael de Saldanha, Petra Liedl und Christina Sager: ClimaDesign. Lösungen für Gebäude, die mit weniger Technik mehr können, Callwey, München, 2005