Ökologisch Bauen - das Prinzip von Energiesparhäusern

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Energiesparende Gebäudearten
2.1 Niedrigenergiehaus
2.2 Energiesparhaus
2.3 Passivhaus
2.4 Nullenergiehaus
2.5 EnergieEinsparhaus
2.6 Anmerkung zu den Gebäudearten

3. Energiebilanz eines Hauses
3.1 Faktoren
3.1.1 Standort
3.1.1.1 Außenklima
3.1.1.2 Lage und solare Raumplanung
3.1.2 Innenklima
3.1.3 Gebäudegeometrie
3.1.4 Weitere Faktoren
3.2 Energiehaushalt in Gebäuden
3.2.1 Energieverbrauch in Deutschland
3.2.2 Energieflüsse eines Gebäudes
3.2.3 Innere Gewinne
3.2.4 Wärmeverluste
3.2.4.1 Transmissionswärmeverluste
3.2.4.2 Lüftungswärmeverluste
3.2.5 Wärmebilanz eines Gebäudes
3.3 Prinzipien eines Energiesparhauses

4. Gesetzliche Grundlagen

5. Passive Solarenergienutzung und Fenster
5.1 Der Glashauseffekt
5.2 Ausrichtung der Fenster

6. Wände, Dach und Keller
6.1 Allgemeines
6.2 Wände
6.2.1 Monolithische Wand
6.2.2 Wand mit Außendämmung
6.2.3 Wand mit Innendämmung
6.2.4 Wand in Leichtbauweise
6.3 Keller und Dach

7. Strom sparen
(Fortsetzung auf S. 3)
Fortsetzung Inhaltsverzeichnis

8. Lüftung
8.1 Allgemeines
8.2 Lüftungsarten
8.2.1 Fensterlüftung
8.2.2 Mechanisches Abluftsystem
8.2.3 Lüftung mit Wärmerückgewinnung

9. Heizung und Warmwasser
9.1 Das Prinzip
9.2 Heizung
9.2.1 Verteilersysteme
9.2.2 Anordnung der Heizkörper
9.2.3 Strahlungs- und Konvektionsanteil
9.2.4 Moderne Heizkessel
9.3 Warmwasserbereitung
9.4 Zusammenfassung des Themas „Heizung“
9.5 Die „Heizung“ im Passivhaus

10. Wirtschaftliche Bewertung von Energiesparhäusern

11. Abschließende Bemerkungen

12. Literatur

1. Einleitung

Jedes Wohnhaus benötigt Energie, z.B. zum Heizen, Kochen, Duschen und für das Licht, aber auch zur Herstellung der Baumaterialien werden Rohstoffe und Energie verbraucht. Dafür wird Primärenergie verwendet. In Hinblick auf die stark wachsende Weltbevölkerung werden in einigen Jahren allerdings die Primärenergieträger (Erdöl, Erdgas, Steinkohle etc.) knapp. Hinzu kommt, dass bei der Verbrennung der eben genannten fossilen Brennstoffe Kohlendioxid frei wird, dessen Konzentration in der Erdatmosphäre immer größer wird und Klimaveränderungen mit sich bringen wird. Es ist also an der Zeit, den weltweiten Energieverbrauch zu senken und auf regenerative Energiequellen wie Sonne oder Wind zurückzugreifen (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 14ff.). Einen Beitrag dazu leisten kann der Bau von Energiesparhäusern.

In der vorliegenden Arbeit soll das Prinzip von Energiesparhäusern deutlich gemacht werden. Auf Details wie z.B. Baustoffkunde oder chemische Vorgänge in einem Heizkessel wird nicht eingegangen. Der Leser soll lediglich einen Überblick über das Thema bekommen, wenngleich kleinere Ausschweifungen sich nicht vermeiden lassen.

2. Energiesparende Gebäudearten

Zunächst ein Überblick über die verschiedenen Gebäudearten. Die genauen Definitionen differieren in der Literatur, manche Autoren erfinden eigene Standards, z.B. MEYERs „EnergieEinsparhaus“ (MEYER 2001, S. 11).

2.1 Niedrigenergiehaus

Niedrigenergiehäuser sind Gebäude, deren Heizwärmebedarf weitaus niedriger ist, als der von Gebäuden, die nach Wärmeschutzverordnung (siehe Kapitel 4) gebaut wurden. Niedrigenergie-Einfamilienhäuser haben nach FEIST eine Energiekennzahl für Heizwärme von maximal 70 kWh pro m² im Jahr (nach FEIST 1997, S. 1).

2.2 Energiesparhaus

Der Begriff Energiesparhaus wird teilweise Synonym für Niedrigenergiehäuser verwendet. Nach DWORSCHAK/WENKE hingegen ist ein Energiesparhaus „die gemäßigte Variante des Niedrigenergiehauses“ (DWORSCHAK/WENKE 1997, S. 179).

2.3 Passivhaus

Ein Passivhaus hat keine Heizung, lediglich die Nutzung passiver Solarenergie (durch die Sonne, die durch die Fenster scheint, nicht mittels Kollektoren) und innere Gewinne (z.B. Abwärme elektrischer Geräte) decken den Heizwärmebedarf. Durch optimale Dämmung liegt dieser bei maximal 15 kWh/m² im Jahr (nach FEIST 1996, S. 8). Der Bau von Passivhäusern ist etwas teurer als der von normalen Gebäuden; pro eingesparter Kilowattstunde bezahlt man ca. 30 Pfennig mehr (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 21).

2.4 Nullenergiehaus

Das Nullenergiehaus besitzt, wie das Passivhaus, keine Heizung, verwendet allerdings Solarkollektoren und verfügt über einen Warmwasserspeicher (nach DWORSCHAK/WENKE 1997, S. 180). Diese technischen Einrichtungen sind allerdings sehr teuer. Das sogenannte Energieautarke Haus deckt sogar den eigenen Strombedarf selbst. Nach HISCH/LOHR liegt es mit Mehrkosten von 3 DM pro eingesparter Kilowattstunde fernab der Wirtschaftlichkeit (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 21).

2.5 EnergieEinsparhaus

Das von MEYER entworfene EnergieEinsparhaus wird folgendermaßen definiert (nach MEYER 2001, S. 11):

- Jahresheizwärmebedarf: 35 kWh/m²/a
- nicht teurer als ein normales Haus
- besitzt eine Mini-Heizung, lässt sich zum Passivhaus nachrüsten
- Fensteranteil: max. 30 %

2.6 Anmerkung zu den Gebäudearten

Exakte Trennstriche lassen sich nicht immer ziehen, die Übergänge sind fließend. Allerdings kann man die verschiedenen Gebäudearten in eine Reihenfolge bringen: Energiesparhaus, Niedrigenergiehaus, EnergieEinsparhaus, Passivhaus, Nullenergiehaus.

3. Energiebilanz eines Hauses

3.1 Faktoren

Jedes Wohngebäude stellt einen Energiewandler dar: Energie wird in das Haus eingeführt, und ein Teil davon verlässt das Haus ungenutzt. Die Idee des Energiesparhauses ist es, den Anteil der ungenutzten Energie möglichst gering zu halten, und somit die benötigte Energiemenge zu senken. Im Folgenden werden Faktoren genannt, die die Energiebilanz eines Hauses beeinflussen.

3.1.1 Standort

3.1.1.1 Außenklima

Zunächst spielt das Außenklima eine entscheidende Rolle. Zu nennen sind hierbei vor allem die Klimazone, der Jahres- und Tagesgang der Temperaturen und die Anzahl der Heiztage im Jahr. Das sind jene Tage im Jahr, an denen der Tagesdurchschnitt der Temperatur (auf lange Zeit gesehen) durchschnittlich kleiner als 12°C ist. Hierfür wurde die sogenannte Heizgradtagzahl eingeführt. Es wird davon ausgegangen, im Gebäude seien 20°C Raumtemperatur. An Heiztagen wird täglich die Differenz zwischen der Innen- und der Außentemperatur berechnet (in Kelvin). Die einzelnen Werte in einem Jahr addiert ergeben die Heizgradtagzahl. In Deutschland beträgt sie durchschnittlich 3500 Kd/a (nach HIRSCH und LOHR 1996, S.203).

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die solare Einstrahlung; sowohl die monatliche Einstrahlung pro Jahr, als auch der Sonnenstandsverlauf. Hinzu kommt die Einberechnung großräumiger und lokaler Winde und deren Richtung, Luftfeuchtigkeit und Niederschläge.

3.1.1.2 Lage und solare Raumplanung

Beim Bau eines Energiesparhauses, gleichgültig welcher Art, wird die Energie der Sonne mit eingeplant. Es ist daher sinnvoller, das Haus an einen Südhang zu stellen, als in ein schattiges Tal. Als Hilfe können Verschattungsdiagramme erstellt werden, um zu sehen, zu welcher Jahres- und Tageszeit andere Gebäude, Bäume, Berge etc. Schatten auf das Grundstück werfen (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 62f.).

3.1.2 Innenklima

Das gewünschte Innenklima bestimmen zu einem Großteil die Bewohner selbst. Jedoch gibt es allgemeine Regeln, was der Mensch als behaglich empfindet, und was nicht. Das menschliche Temperaturempfinden ändert sich je nach Aktivitätsgrad und Bekleidung. Luftbewegung wird im Allgemeinen eher als unangenehm empfunden: Je mehr „es zieht“, desto wärmer muss es sein, um eine gewisse Behaglichkeit zu erreichen (nach HISCH und LOHR 1996, S. 29ff).

3.1.3 Gebäudegeometrie

Auf den Energieverbrauch eines Gebäudes hat die Gebäudeform einen großen Einfluss. „Je zergliederter ein Gebäude ist, d.h. je mehr Vor- und Rücksprünge, Gauben und Erker es hat, desto mehr Energie geht über die Außenfläche verloren.“ (SCHARPING 1997, S. 9). Hierfür wird das sogenannte A/V-Verhältnis berechnet. Die Oberfläche der Gebäudehülle A wird dividiert durch das Gebäudevolumen V. Je kompakter ein Gebäude, desto kleiner das A/V-Verhältnis. Je größer die Oberfläche, desto mehr Energie geht verloren. (nach SCHARPING 1997, S. 9f)

3.1.4 Weitere Faktoren

Auf die wichtigsten Faktoren, die für die Energiebilanz eines Hauses entscheidend sind, wie Dämmung, Heizung, Lüftung, Fenster etc. wird im weiteren Verlauf der Arbeit genauer eingegangen.

3.2 Energiehaushalt in Gebäuden

3.2.1 Energieverbrauch in Deutschland

Der Energieverbrauch in privaten Haushalten in Deutschland gliederte sich 1998 wie folgt:

Tabelle 1 (nach KIENZLE, GÖRG und BLOCH 1998, S.2)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1 zeigt, dass mit Abstand die meiste Energie in Haushalten zur Erzeugung der Raumwärme benutzt wird. Daraus folgt, dass bei Energiesparhäusern der Schwerpunkt der Bemühungen, Energie zu sparen, auf diesen Bereich verwendet wird.

3.2.2 Energieflüsse eines Gebäudes

Abbildung 1 (Quelle: HIRSCH und LOHR 1996, S. 42)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Abbildung 1 werden die Energieflüsse eines Gebäudes gezeigt. Die Endenergieträger Heizöl, Gas oder Strom, welche vorher aus Primärenergie gewonnen wurden, werden im Haus in Nutzenergie umgewandelt. Das Öl oder Gas wird im Heizkessel in Wärme umgewandelt, die zum Heizen oder zum Erwärmen von Wasser genutzt wird. Allerdings strahlen der Heizkessel selbst oder die Warmwasserrohre Wärme ab, die nicht genutzt wird. Elektrischer Strom wird zum Betreiben von Geräten oder zum Erzeugen von Licht verwendet. Hinzu kommt die regenerative Energie der durch die Fenster scheinenden Sonne, welche zur Erhöhung der Raumtemperatur beiträgt.

3.2.3 Innere Gewinne

Des weiteren sind die inneren Wärmegewinne zu nennen. Zum einen strahlt der menschliche Körper (bei leichtem Aktivitätsgrad) ca. 2,4 kWh pro Tag an Wärme ab. Entsprechend steigt die Raumtemperatur, wenn sich viele Menschen darin aufhalten. Zum anderen sind mit der Stromnutzung auch immer gewisse Wärmegewinne verbunden. Eine normale Glühbirne beispielsweise erzeugt 90 % Wärme und nur 10 % Licht. Allerdings entspricht diese Abwärme nicht immer dem Heizbedarf (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 42f).

3.2.4 Wärmeverluste

Die nach Abbildung 1 größten Energieverluste eines Gebäudes bilden Wärmeabgabe durch Außenbauteile (Transmissionswärmeverluste) und Wärmeverluste durch Lüften (Lüftungswärmeverluste).

3.2.4.1 Transmissionswärmeverluste

Durch die Außenbauteile Wand, Fenster, Dach und Keller gelangt ein großer Teil der Raumwärme ungewollt nach draußen. Dies geschieht überwiegend durch Wärmeleitung. „Bereiche in der Gebäudehülle, die eine schlechtere Wärmedämmung haben als angrenzende Bauteile“ (MEYER 2001, S. 55) werden Wärmebrücken genannt. Das können beispielsweise Rolladenkästen, Fugen oder Betonplatten sein. Sie gleichen die Temperaturunterschiede von innen und außen besonders gut aus und sollten so weit es geht vermieden werden.

Zur Bestimmung der Wärmeverluste durch Außenbauteile wurde der sogenannte k-Wert eingeführt (in neuerer Literatur auch U-Wert genannt) (nach MEYER 2001, S. 32). Diese Wärmedurchgangszahl gibt an, welche Wärme in einer Sekunde pro Grad Temperaturdifferenz durch eine Wand von 1m² fließt und wird angegeben in W/m² K. Bei einer Wand müssen die Wärmeleitfähigkeiten der einzelnen Baustoffe (Mauerwerk, Putz, Dämmstoff etc.) zusammengerechnet werden. Entscheidend ist hierbei auch die Dicke des Baustoffs. Eine nach Wärmeschutzverordnung 1995 gebaute Wand beispielsweise hat einen k-Wert von 0,50 W/m² K. Sehr gut gedämmte Wände von Niedrigenergiehäusern können k-Werte von bis zu 0,20 W/m² K aufweisen. Alte, einfach verglaste Verbundfenster liegen bei etwa 4 W/m² K, wohingegen neue Wärmeschutzfenster mit dreifacher Verglasung sogar unter 1 W/m² K liegen können (nach KIENZLE, GÖRG und BLOCH 1998, S. 3).

3.2.4.2 Lüftungswärmeverluste

Ein Mensch benötigt durchschnittlich 20-30 m³ Frischluft pro Stunde. Außerdem müssen Schadstoffe, Geruchsstoffe und Wasserdampf aus Gebäuden entfernt werden. Dies geschieht meist durch das Öffnen von Fenstern. Dadurch entweicht allerdings Raumwärme (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 44). Dazu kommen unerwünschte Luftwechsel in Fugen oder Ritzen, die von Wind und Temperaturdifferenz abhängig sind.

3.2.5 Wärmebilanz eines Gebäudes

Die Transmissionswärmeverluste für ein nach Wärmeschutzverordnung 1984 gebautes Haus betragen ca. 100 kWh pro m² Wohnfläche im Jahr. Hinzu kommen Lüftungswärmeverluste von ca. 40 kWh/m²/a. Zusammengerechnet sind dies ca. 140 kWh/m², die jedes Jahr ungenutzt verloren gehen. Die Gewinne aus solarer Einstrahlung durch die Fenster und aus Abwärme der Stromnutzung betragen ca. 30 kWh/m²/a (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 48).

3.3 Prinzipien eines Energiesparhauses

Aus den genannten Faktoren ergeben sich folgende Prinzipien für Energiesparhäuser (nach KIENZLE, GÖRG und BLOCH 1998, S. 5):

- kompakte Gebäudeform
- guter Wärmeschutz der Außenbauteile, Vermeidung von Wärmebrücken, Luftdichtheit
- passive Solarenergienutzung
- reaktionsschnelle Heizungsregelung
- umweltschonende Wärmeerzeugung
- bedarfsgesteuerte Wohnungslüftung
- Stromsparende Haushaltsgeräte

4. Gesetzliche Grundlagen

Bereits Ende der 70er Jahre schrieb die schwedische Baunorm die Einsparung von Heizenergie vor (nach FEIST 1997, S. 1). Nach und nach kamen auch in Deutschland Gesetze auf, die die Einsparung von Energie für Neubauten vorschrieben. Die Wärmeschutzverordnung (WschVO) von 1977 beschrieb allerdings höchstens den Bestand der Gebäude. Demnach wurden in einem Gebäude ca. 170 kWh pro m² im Jahr verbraucht. Die WschVO 1984 schrieb nun eine Dämmstärke von 5 cm in Außenwänden vor. Dies führte zu einem Verbrauch von ca. 130 kWh/m²/a (nach DWORSCHAK und WENKE 1997, S. 179). Sehr viel genauer wurde die WschVO 1995. Neben einer Dämmstärke von 10 cm schrieb sie nun auch k-Werte vor: Für Wände 0,5 W/m² K, für das Dach sogar 0,22 W/m² K und für Fenster 1,8 W/m² K. Damit liegt der Energieverbrauch meist um 100 kWh/m²/a (KIENZLE, GÖRG und BLOCH 1998, S. 3). Im Jahre 2001 wurde die Energie-Einspar-Verordnung eingeführt. Sie schriebt nun eine Bilanzierung des Energiebedarfs vor, in die auch Wärmeschutz, Lüftungsanlagen und die Effizienz der Heizung mit einbezogen werden. Außerdem werden Wärmeerzeugung und Wärmeverluste zusammen betrachtet (nach MEYER 2001, S. 38 f).

5. Passive Solarenergienutzung und Fenster

Zu den Energiegewinnen in einem Gebäude gehören vor allem die der Sonne. „Passiv“ bedeutet, dass „die Nutzung der Sonnenenergie nicht mittels zusätzlich am Gebäude angebrachter technischer Einrichtungen wie etwa Kollektoren erfolgt, sondern mittels der Eigenschaften des Gebäudes selbst.“ (HIRSCH und LOHR 1996, S. 55)

5.1 Der Glashauseffekt

Im Gegensatz zum Treibhauseffekt, der in der Erdatmosphäre stattfindet, bezieht sich der Glashauseffekt auf Gebäude. Das Prinzip ist jedoch ähnlich: Die auf die Erde eintreffende kurzwellige Strahlung wird von Fenstern problemlos durchgelassen. Bauteile und Gegenstände im Innern des Hauses absorbieren die Strahlung und wandeln sie in langwellige thermische Strahlung um. Diese jedoch kann durch Fensterscheiben so gut wie gar nicht durchdringen: Die Wärme bleibt im Gebäude (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 57).

Als Maß für die solare Energie, die in ein Gebäude durch die Fenster eindringt, wurde der sogenannte g-Wert eingeführt (Gesamtenergiedurchlassgrad). Er gibt an, wie viel Prozent der auf die Scheibe treffende Sonnenenergie durch diese durchdringt. Das beinhaltet zum einen die durchgelassene Strahlung, zum anderen die Strahlung, die durch Absorption im Fenster und anschließenden Wärmetransport ins Innere gelangt (nach FEIST 1997, S 81). Tabelle 2 zeigt einige Beispiele für g-Werte.

Tabelle 2 (nach HIRSCH und LOHR 1996, S. 57)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

In Tabelle 2 erkennt man, dass Fenster mit besonders guten k-Werten (Wärmeschutzverglasung) leider auch geringere g-Werte aufweisen. Ein geeignetes Fenster sollte demnach trotz niedrigem k-Wert einen hohen g-Wert aufweisen.

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