1. Wohngebäude
Marktfähigen Konzepten ist gemeinsam, dass für eine energetische Zielsetzung bei Begren- zung der Investitionskosten eine sinnvolle Abwägung zwischen den einzelnen Maßnah- men zur Steigerung der Energieeffizienz – Wärmedämmung, Wärmerückgewinnung, Regelungstechnik, etc. und Maßnahmen zur Solarenergienutzung wie Solarkollektoren, Photovoltaik, etc. – gesucht wird. Dies beginnt beim individuellen Einfamilienhaus, gilt aber in besonderer Weise für Reihenhäuser, Mehrfaili- enhäuser oder Siedlungsprojekte des Immo- bilienmarkts. Nachdem die Solarenergienut- zung beim individuellen Einfamilienhaus den Markt schon seit einigen Jahren erreicht hat, zeigen die aktuellen Demonstrationsprojekte den Markt von Morgen.
Kurzfassung
Zukunftsfähige Gebäude erfordern eine deutli- che Minderung des Energieverbrauchs. Die Energieeinsparverordnung wird 2001 den Weg zu sinkendem Wärmebedarf von Neubauten fortschreiben. Darüber hinaus sind schon heute Gebäude bis hin zum Nullemissionshaus mit verfügbaren Strategien und Technologien und zu vertretbaren Kosten in der Praxis umsetzbar.
Die erhöhte Energieeffizienz ist dabei die Basis für die große Bedeutung der Solarenergie für den Energiehaushalt der Gebäude.
Während der Energieverbrauch von Wohnge- bäuden vom Wärmebedarf für Heizung und Warmwasser dominiert wird, überwiegt in Bürogebäuden der Stromverbrauch. Geeignete Solarkonzepte basieren hier auf einem Ausbau der Tageslichtnutzung und der passiven Kühlung, um den Stromverbrauch der techni- schen Gebäudeausrüstung zu verringern.
Solares Bauen –
Neue Märkte und Konzepte
Prof. Joachim Luther Fraunhofer ISE luther@ise.fhg.de
Dr. Karsten Voss Fraunhofer ISE karsten.voss@ise.fhg.de
Abbildung 1 Der externe Energie- bedarf von Wohnge- bäuden (Endenergie) unterschiedlichen Standards im Ver- gleich. Die Zahlenan- gaben beziehen sich auf Einfamilienhäuser.
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Größere Gebäude haben in der Regel einen geringeren Heizwärmebedarf (Kompaktheit) bei höherem Warmwasserbedarf (Verluste durch Zirkulation). Die Konzepte Wärmeschutzverordnung (WschVo) bzw. Energieeinsparverordnung (EnEV) beschreiben den heute gültigen bzw. ab 2001 vorgesehenen gesetzlichen Standard. Ab dem Niedrigenergiehaus 2001 (NEH 2001) ist eine thermische Solaranlage berücksichtigt, für das Nullemissionshaus eine Solarstromanlage (PV). Die Solarstromanlage ist im Beispiel so dimensioniert, dass ihr primärenergetisch gewichteter Ertrag den Primärenergieauf- wand von Haustechnikstrom, Heizung und Warmwasserbereitung in der Jahresbilanz vollständig deckt. Der Stromver- brauch im Haushalt kann in allen Fällen durch erhöhte Geräteeffizienz ohne Komfortverzicht halbiert werden.
Bestand WschVo 1995 EnEV 2001 NEH 2001 3-Liter Haus Solar-Passivhaus
Nullheizenergie Nullemission
kWh/m2a
0 50 100 150 200 250 300
Raumwärme Warmwasser Haustechnikstrom Haushaltsstrom PV
-25%
-25%
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1.1 Solar-Passivhäuser
Passivhäuser sind eine Weiterentwicklung des Niedrigenergiehauses. Ein Passivhaus ist da- durch gekennzeichnet, dass die Wärmeverluste der Gebäudehülle und der Lüftung soweit reduziert werden, dass allein die Nutzung der Sonnenenergie über Fenster und Fassaden (z.B. mit transparenter Dämmung) genügt, um den Jahresheizwärmebedarf im hiesigen Klima auf ein Niveau von etwa 15 kWh pro m2 zu senken. Ein sehr hoher baulicher Wärmeschutz bei hoher Ausführungsqualität und eine mecha- nische Wohnungslüftung mit Wärmerückge- winnung sind die dafür notwendigen Voraus- setzungen. Ohne die kontrollierte Wohnungs- lüftung mit Wärmerückgewinnung sind Passiv- häuser nicht möglich; erst durch den Einsatz vorgefertigter Bauelemente ist die hohe Quali- tät der Gebäudehülle wirtschaftlich erreichbar.
Beide Aspekte verändern das Bauen. Solar- Passivhäuser nutzen die Solarenergie durch Kol- lektoren für Warmwasserbereitung und / oder durch Photovoltaik zur Stromerzeugung. Bei- des ist deshalb von großer Bedeutung1, weil der Energiebedarf und die damit verbundenen Emissionen bei der Passivhausbauweise von der Warmwasserbereitung und vomStromver- brauch im Haushalt dominiert werden Abb. 1.
Die ersten Solar-Passivhäuser entstanden Anfang der 90er Jahre mit den Reihenhäusern in Darmstadt-Kranichstein. Das 1991 fertigge- stellte Energieautarke Solarhaus des Fraunhofer ISE war ein, auf die vollständige Energieautar- kie erweitertes Solar-Passivhaus. Waren diese Pioniergebäude durch Einsatz von Komponen- ten und Bauteilen als Prototypen noch mit extrem hohen Kosten verbunden, konnte im Laufe der Zeit der finanzielle Aufwand in Folge von Erfahrungen und neuen Entwicklungen deutlich reduziert werden. Beispielhaft für aktuelle Projekte ist die Reihenhausanlage in Neuenburg (Abb. 2). Die sieben Gebäude wur- den mit Mehrkosten für Baukonstruktion und Haustechnik von etwa 15% der Baukosten erstellt. Eine hochwärmegedämmte Gebäude- hülle, energieeffiziente 3-fach-Verglasung, Lüftungswärmerückgewinnung, Luft-/ Erdre-
gister, Abluftwärmepumpe und Solaranlage sind die Bausteine des geringen Energiebe- darfs bei gleichzeitig hohem Wohnkomfort.
Die Solarenergienutzung durch Fenster und Solaranlage deckt bei solchen Gebäuden zwi- schen 30 und 50% des gesamten Wärmebe- darfs (Abb. 4).
Voraussetzung der kostengünstigen Bauweise ist die integrale, ingenieurmäßige Planung auf der Basis der Erfahrungen von Vorgängerpro- jekten und ein hohes Maß an Vorfertigung.
1Informationen zur Bundesförderung (KfW) für Passivhäuser im Internet: www.kfw.de
Abbildung 2 Reihenhausanlage, Neuenburg
(Architektur: Hansen, phasea baugestalt, Freiburg).
Abbildung 3 Mehrfamilienhaus
”Wohnen & Arbeiten”
Vauban, Freiburg (Architekt: M. Gies, Freiburg).
Die Gebäude werden mit finanzieller Förderung der Energiestiftung Baden-Württemberg und der EnBW über zwei Jahre vermessen. Basis der Wärmeversorgung sind jeweils dezentrale Lüftungs- Kompaktgeräte und Solaranlagen.
Die Förderung durch die Bundesstiftung Umwelt ermöglichte eine intensive Energieplanung. Im Rahmen der Arbeit in der Internationalen Energieagentur IEA und mit finanzieller Förderung des BMWi wird das Gebäude im Betrieb vermessen.
In Baden-Württemberg fördert aktuell der Energieversorger EnBW den Bau von 100 Solar-Passivhäusern mit thermischen Solaran- lagen und Kleinwärmepumpen (siehe Kap. 1.2).
Mit der Evaluierung des Programms steht in Zukunft ein breites Querschnittswissen über die erreichte Energieeinsparungen, die Wirt- schaftlichkeit und die Betriebserfahrung zur Verfügung.
1999 entstand auf Initiative einer Bauherren- gemeinschaft und mit finanzieller Förderung
durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU der erste mehrgeschossige Wohnungsbau als Solar-Passivhaus (Abb. 3). Bei Mehrkosten in Höhe von 9% der Baukosten werden die CO2- Emissionen gegenüber einer marktüblichen Bauweise um 80% reduziert. Weitere Kosten- reduktionen können vor allem bei der Lüftung mit Wärmerückgewinnung ansetzen, die be- reits 1/3 der gesamten Mehrkosten ausmacht, während die 45 m2große thermische Solar- anlage für Mehrkosten eines besseren Boden- belages realisiert wurde. Hieran zeigt sich die zunehmende wirtschaftliche Attraktivität von Solaranlagen mit der Anlagengröße, während Lüftungsanlagen im Geschosswohnungsbau gegenüber Anlagen in kleinen Wohngebäuden durch Brand- und Schallschutzmaßnahmen teurer werden.2
Bei derart geringem Wärmebedarf ist der Schritt zum sogenannten Nullemissionshaus nicht mehr weit. Die Idee: Der Jahressumme des Primärenergieverbrauchs wird das Energie- äquivalent der Stromerzeugung mit einer netz- gekoppelten Solarstromanlage gegenüberge- stellt. Das Stromnetz übernimmt mit seinen Energieerzeuger die Aufgabe des zeitlichen Ausgleichs von Angebot und Nachfrage. Am Jahresende entspricht die Energieerzeugung dem Energieverbrauch (Abb.5). Nach ersten Demonstrationsprojekten wird dieses Konzept derzeit in Freiburg mit der im Bau befindlichen Solarsiedlung im großen Maßstab umgesetzt3.
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Abbildung 4 Jahreswärmebilanz eines beispielhaften Solar-Passivhauses aus dem Förderpro- gramm der EnBW (Haus Steuernagel, Büchenau). Die Bilanz basiert auf der Aus- wertung von Mess- daten eines Jahres.
Abbildung 5 Szenario für Energie- bedarf und Energieer- zeugung im Jahresver- lauf eines Nullemis- sionshauses auf der Basis der zeitlich auf- gelösten Messdaten nach Abb. 4
2Informationen zur Bundesförderung (BMWi, Bundesamt für Wirtschaft) für thermische Solaranlagen im Internet: www.bawi.de 3Informationsangebot im Internet. www.solarsiedlung.de
125 100 75 50 25 0 -25 -50 -75 -100 125
< - Deckung Bedarf - >
kWh/m2a
Mit Einsatz von 13 kWh/m2a Strom wird ein Gesamtwärme- bedarf von 110 kWh/m2 gedeckt (Faktor 8).
Wesentliche Beiträge leistet die Solarenergie nutzung mit Fenstern und Kollektoren.
WRG: Wärme- rückgewinnung, EWT: Erdwärme- tauscher Gesamt-
wärme- bedarf 110 kWh/m2a
Stromeinsatz 13 kWh/m2a Solare
Deckung 40%
Verteilverluste Warmwasser
Lüftung Transmission
interne Quelle WRG EWT
Fenster Solarkollektor Wärmepumpe Elektrowärme
Stromverbrauch HAUSTECHNIK:
13 kWh/m2= 1.550 kWh/a Stromverbrauch
(EFFIZIENZ-) HAUSHALT:
2.000 kWh/a
Systemwirkungsgrad der Solarstromanlage: 10%
TGA: Technische Gebäudeausrüstung (Haustechnik)
Stromverbrauch/-erzeugung, kumulierte kWh
Jahresverlauf
PV-Ertrag, 16 m2 Haushaltsverbrauch
PV-Ertrag, 13 m2 TGA-Verbrauch
2000
1500
1000
500
0
1.2 Technologieentwicklung
Wegen des zunehmend geringeren Heizwär- mebedarfs ist eines der Entwicklungsziele, eine kostengünstige aber effiziente Minimal-wärme- quelle zu erschließen, wenn es bei einer dezen- tralen Hausversorgung bleiben soll. Dazu eig- nen sich entweder die nicht leitungsgebunde- nen fossilen Brennstoffe (Flüssiggas, Öl, Holz- pellets) mit herunterskalierter Brennertechno- logie oder z.B. der Einsatz elektrischer Energie.
Bei Einsatz von Strom sind die Umwandlungs- und Verteilungsverluste entscheidend, so dass erst der Einsatz von Wärmepumpen mit einer Jahresarbeitszahl4 oberhalb 3 eine sinnvolle Variante ergibt. Erfolgversprechend ist vor allem eine solche Variante, bei der die Erschlies- sungskosten einer Wärmequelle für die Wärme- pumpe entfallen. Dies gelingt bei Einsatz einer Abluftwärmepumpe, die die Restenergie der Abluft nach der passiven Wärmerückgewinnung nutzt. Wird ein Erdreichwärmeübertrager im Winter zum Vorwärmen der Frischluft einge- setzt, so reicht beim Baustandard des Solar- Passivhauses die sensible und latente (Konden- sationsenergie der Luftfeuchte) Wärme der Ab- luft aus, um zusammen mit der elektrischen Antriebsenergie der Wärmepumpe (400 W) den größten Teil des Restwärmebedarfs mit einer Heizleistung von 1,3 kW via Luftheizung zu decken. Solche Lüftungs-Kompaktgeräte sind u.a. die Energiezentralen der Gebäude in Neuenburg (Abb. 2 und Abb. 7).
Industrie und Forschung arbeiten seit einiger Zeit gemeinsam an der Entwicklung und Optimierung solcher Versorgungskonzepte.
Aufbauend auf den bisherigen Erkenntnissen wurden Ansätze für die Verbesserung der Gerätekonzeption entwickelt.
In einer langfristigen Entwicklung wird die Integration von Brennstoffzellen kleiner Leis- tung vorbereitet. Eine solche Brennstoffzelle kann als Modul anstelle der Wärmepumpe in das Lüftungskompaktgerät integriert werden.
Abbildung 6 Lüftungs-Kompakt- gerät als Energiezen- trale für Solar-Passiv- häuser.
Abbildung 7 Beispiel für den Heiz- betrieb mit einem Kompaktgerät in der Reihenhausanlage Neuenburg.
Passivhaus-
Kompaktgerät Abluft Zuluft
Warm- wasser Wärmepumpe
Kaltwasser Fortluft Außenluft
Erdreichwärmeübertrager Plattenwärmeübertrager
Solarkollektor
Speichermodul B E S TA N D T E I L E :
• Erdwärmetauscher
• Plattenwärmeübertrager
• Kompressionswärmepumpe
• Speicher
• Heizstab
• Solarkollektor
4Verhältnis von Wärmeertrag zu elektischem Energieeinsatz
65
Ab 4.11.99 wurde ab 10 Uhr die Wärmepumpe zur Beheizung der Zuluft in Betrieb genommen.
Zuvor sorgen allein das Erdregister und die Wärmerückge- winnung für eine ausreichende Temperierung der Zuluft.
WRG: Wärmerück- gewinnung, EWT: Erdwärme- tauscher 50
40
30
20
10
0
-10
00 02 04 06 08 10 12 14 16 18 20 22 Uhrzeit
Wärme- pumpe
WRG
EWT
Zuluft
Frischluft nach EWT
Außenluft
Temperatur in °C
Mit der Abwärme bei der Stromproduktion kann sowohl die Zuluft als auch das Brauch- wasser erwärmt werden. Der Brennstoff für die Brennstoffzelle könnte z.B. über Reforma- tion aus Erdgas bereitgestellt werden.
Entsprechende Arbeiten sind unter anderem Bestandteil eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie geförderten Leit- projektes zum Thema „Neue Gesamtenergie- konzepte für Gebäude“.
Solares Heizen mit Kollektoranlagen bei hoher solarer Deckungsrate erfordert heute noch selbst bei geringstem Wärmebedarf sehr große Speichervolumina von 20 m2und mehr. Neue Impulse liefert die seit einigen Jahren laufende Entwicklung von thermochemischen Wärme- speichern auf der Basis von Sorptionsprozessen (Abb. 8).
Ein derartiger Speicher besteht aus einem Behälter mit Silikagel als reversibler Adsorber für Wasserdampf. Mit solarer Wärme wird Wasser desorbiert und das Silikagel daher ge- trocknet (Sommer). Der freigesetzte Wasser- dampf wird kondensiert und in einem zweiten Behälter aufbewahrt. Wird bei Wärmeanforde- rung die Verbindung zwischen beiden Behältern geöffnet, kann das Wasser wieder unter Wär- mefreisetzung adsorbiert werden (Winter). Ziel sind Speicherdichten in der Größenordnung von 200 kWh/m2bei nahezu verlustfreier
Speicherung. Damit würde bei gleichzeitig weitgehend verlustfreier Speicherung die Ener- giedichte konventioneller Warmwasserspeicher um das Vierfache übertroffen. Je höher die Speicherdichte zukünftiger Systeme in der Praxis sein wird, um so höher kann die solare Deckungsrate ansteigen, ohne dass große Volumina in Gebäuden benötigt werden.
Gleichwohl werden die marktfähigen Systeme auf hohe Deckungsraten und nicht auf eine Volldeckung ausgelegt werden. Dazu müssen Systemlösungen für den solaren und den nicht solaren Anteil entwickelt werden.
2. Bürogebäude
Bürogebäude benötigen bei meist geringerem Wärmebedarf mehr elektrische Energie als Wohngebäude (Abb. 9). Hauptursachen sind die höhere Dichte an Personen und techni- schen Geräten, sowie strengere Anforderungen an die Lichtverhältnisse und das Raumklima.
Große Baukörper (günstiges Verhältnis von Oberfläche zu Volumen), ein hoher elektrischer Energieverbrauch (interne Wärmequellen) und die im Vergleich zu Wohngebäuden kürzere Nutzungszeit verringern die Bedeutung des Heizwärmebedarfs. Energiebedarf für die Was- sererwärmung spielt nur eine untergeordnete Rolle und wird wegen der geringen Abnah- Abbildung 8
Langzeit-Wärmespei- cherung durch ein Sorptions-Speicher- system mit hoher Energiedichte und geringsten Verlusten, Systemschema
Heizungssystem
Kollektor
Sommer Winter
Abwärme
Ventil Absorber
Verdampfer/
Kondensator
Sorptionsspeicher
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schnittstellen wird dazu beitragen, die Hand- habbarkeit im Planungsalltag der Zukunft wei- ter zu verbessern. Darüber hinaus müssen die Programme für die Behandlung neuartiger Systeme und Materialien erweitert und in Teil- bereichen sogar grundlegend überarbeitet werden.
Beispiele für solche ”schlanken Bürogebäude“
werden derzeit u.a. mit finanzieller Unterstüt- zung für den planerischen Mehraufwand und die meßtechnsiche Evaluierung im Betrieb im Rahmen des Förderprogramms ”SolarBau” des Bundesministeriums für Wirtschaft und Techno- logie, BMWi, erstellt. Eine umfangreiche Doku- mentation der Bauprojekte steht im Internet unter ”www.solarbau.de“ zur Verfügung.
medichte zumeist durch dezentrale elektrische Systeme gedeckt. Thermische Solaranlagen sind daher in der Regel kein wirkungsvoller Ansatz zur Energiebereitstellung für Heizung und Warmwasserbereitung. Anders als bei Wohnbauten ist der überwiegende Teil des Stromverbrauchs durch die technische Gebäu- deausrüstung und nicht durch die Geräteaus- stattung bestimmt (Abb. 10). Dies ändert sich erst bei sehr „schlanken“ Gebäudekonzepten, wie sie im nachfolgenden Kapitel vorgestellt werden.
Die unmittelbar mit dem Bezug von Energie verbundenen Kosten sind in der Mehrzahl der Fälle nur ein Bruchteil der gesamten anfallen- den Kosten in einem Gebäude: In Bürogebäu- den dominieren die Gehälter der Mitarbeiter, während die unmittelbaren Energiekosten nur etwa 1% ausmachen. Wegen der hohen Be- deutung der Personalausgaben stehen optimale Bedingungen am Arbeitsplatz im Mittelpunkt einer Gebäudeplanung, um die Produktivität des Personals zu fördern. Thermischer und visueller Komfort sind dabei entscheidende Aspekte und eng verbunden mit dem planeri- schen Konzept eines Gebäudes in den Berei- chen Lüftung, Kühlung und Beleuchtung.
2.1 ”Schlanke Bürogebäude“
Solarkonzepte für Bürogebäude basieren heute in erster Linie auf einer verbesserten Nutzung des Tageslichts und dem Ersatz von aktiver Klimatisierung durch eine sogenannte ”passive Kühlung”. Solche Gebäude zeichnen sich durch niedrige Investitions- und Unterhaltskosten für die technische Gebäudeausrüstung bei gleich- zeitig steigendem Budget für die Baukonstruk- tion aus (Kostenverschiebung)(siehe Abb 11 und 12). Ziel ist eine kostenneutrale oder kostengünstigere Bauweise bei hohem Komfort am Arbeitsplatz und geringem Energiever- brauch. Eine integrale Gebäudeplanung unter Einsatz moderner Simulationswerkzeuge ist heute in der Lage, die vielfältigen Einflüsse des Baukörpers auf die Lichtverhältnisse und das sommerliche Raumklima abzubilden, so dass frühzeitig Planungssicherheit erreicht werden kann. Die notwendige Weiterentwicklung von
Programmen, Oberflächen und Programm- 67
Die Verbrauchssumme beträgt bezogen auf die Netto- grundfläche 95 kWh/m2a. Mit den Sektoren Kühlung, Beleuchtung und Lüftung sind fast 60% des Bedarfs pla- nerisch im Vorfeld beeinflussbar. (Quelle: Weber et.al, 1999)
EDV 9%
18%
18%
22%
33%
Lüftung Kühlung Beleuchtung Sonstiges
Abbildung 9
Der Energiebrauch des Gebäudebestands im Vergleich.
Abbildung 10 Elektrischer Energie- verbrauch von Ver- waltungsgebäuden, getrennt nach Ver- brauchssektoren.
Die Zahlen für Wohn- gebäude beruhen auf einer Verbrauchsstatis- tik in Deutschland (BMWi, 1995).
Für die Bürogebäude wurde eine repräsenta- tive Querschnittsstudie von 100 Gebäuden in der Schweiz heran- gezogen. (Quelle:
Weber et al., ”Energie- verbrauch in Büroge- bäuden” Bundes für Energie, Schweiz, Bern 1999).
Energiekennzahl in kWh/m2a
Wärme Strom Primärenergie
Wohngebäude Bürogebäude 450
400 350 300 250 200 150 100 50 0
Abbildung 11 Bürogebäude der Lamparter GbR, Weilheim (Architektur:
Werkgemeinschaft Maier-Weinbrenner- Single, Nürtingen).
2.2 Planungswerkzeuge und Technologien
2.2.1 Tageslichtnutzung
Tageslicht ersetzt das Kunstlicht und trägt damit wesentlich zur Energieeinsparung bei:
Ein Büro ohne Tageslicht hätte bei wochentäg- lich 8 Benutzungsstunden einen elektrischen Energieverbrauch von mindestens 20 kWh/m2 a.
In Deutschland existiert keine gesetzliche An- forderung an die Begrenzung des Energiever- brauchs der Beleuchtung. Wegen des hohen Primärenergieinhalts von Strom kommt einer
Senkung des Beleuchtungsenergieverbrauchs um 10 kWh/m2 a eine Heizenergieeinsparung von 30 kWh/m2 a gleich. Darüber hinaus wird das sommerliche Raumklima bei guter Lichtpla- nung durch weniger Wärmeentwicklung bela- stet, da Tageslicht mit 80 Lm/W (direktes Son- nenlicht) bis 110 Lm/W (bedeckter Himmel) eine höhere Lichtausbeute als die heute übli- chen Kunstlichtsysteme hat.5
Von Seiten des visuellen Komforts kann Kunst- licht das Tageslicht nicht ersetzen. Obwohl eine blendfreie Beleuchtung von Bildschirmar- beitsplätzen mit Kunstlicht einfacher zu errei- chen ist als mit Tageslicht, sind der Außen- bezug sowie die dynamische Natur des Tages- lichtes wesentliche Aspekte des visuellen Kom- forts. Hoher visueller Komfort ist die Voraus- setzung für Produktivität und geringe Fehler- häufigkeit z.B. am Bildschirmarbeitsplatz.
Eine an der Tageslichtnutzung orientierte Ge- bäudeplanung beginnt beim architektonischen Entwurf und setzt sich bis zur Auswahl des geeigneten, komplementären Kunstlichtsys- tems fort. Durch Simulation der Lichtvertei- lung in einem Gebäude können auf einfache Weise Stärken und Schwächen eines Entwurfs aufgezeigt und Verbesserungen erarbeitet werden (Abb. 13). Solche Simulationen nutzen 3-dimensionale CAD-Modelle aus der Planungs- arbeit der Architekten als Geometrieinforma- tion über das Gebäude. In einer weiteren Stufe kann über die Bestimmung der sogenannten Tageslichtautonomie festgestellt werden, wie
68
Das Gebäude besitzt Licht- schwerter und Jalousien mit Lichtlenkwirkung für besseres Tageslicht am Arbeitsplatz.
Nachtlüftung und ein Luft- /Erdregister sind Teil des passi- ven Kühlkonzepts. Durch hoch- wertige Dämmung der Gebäu- dehülle und eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung liegt der Heizwärmebedarf rechnerisch unter 15 kWh/m2 a. (Foto:
Architektenwerkgemeinschaft Maier-Weinbrenner-Single, Nürtingen)
5Lm steht für Lumen als Einheit des Lichtstroms pro W Strahlungsleistung.
Etwa die Hälfte des solaren Energieangebotes liegt im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts Zentrales Merkmal des Verwaltungsgebäudes ist das Atrium als Teil der Stragie zur passiven
Kühlung durch freie Auftriebslüftung. Beitrag zur verbesserten Nutzung des Tageslicht sind iso- lierglasintegrierte Folienrollos als kombinierter Sonnen- und Blendschutz. Die Rollos laufen von unten nach oben im Scheibenzwischenraum. (Foto: K. Ortmeyer)
Abbildung 12 Verwaltungsgebäude der Fa. Athmer, Arnsberg (Architektur:
Banz & Rieks, Bochum)
der heute verfügbaren Systeme besitzen zum Nachteil der Tageslichtnutzung bei diffusem Licht eine geringere Lichtdurchlässigkeit als herkömmliche Verglasungen. Darüber hinaus ist die Anforderung der Durchsicht nach Außen ein zentraler Aspekt für den visuellen Komfort, der in der Regel nicht der Lichtlenkwirkung ge- opfert werden kann. Solche Aspekt sind Grund dafür, in enger Zusammenarbeit zwischen For- schung und Herstellerfirmen von Sonderver- glasung und Sonnen-/Blendschutzsystemen neue Bewertungsverfahren zu entwickeln, die eine für die Planungspraxis taugliche Charakte- risierung sowohl von den bekannten als auch von den neuen lichttechnischen Elemente er-
möglichen. 69
hoch das Energieeinsparpotential für eine auto- matische Regelung der künstlichen Ergänz- ungsbeleuchtung ist (Abb. 14). Die dazu erfor- derlichen dynamischen Lichtsimulationen wur- den durch aktuelle Fortschritte in der Program- mentwicklung mit sinnvollen Rechenzeiten bei hoher Präzision möglich. Geregelte Kunstlicht- systeme rechnen sich vor allen dann, wenn die Tageslichtautonomie am Arbeitsplatz in einem mittleren Bereich liegt. Bei hoher Tageslicht- autonomie kann der Eigenstromverbrauch einer Beleuchtungssteuerung die Energieein- sparung der Leistungsregelung übertreffen;
bei zu geringer Autonomie wird quasi ständig Kunstlicht erforderlich sein, was eine Regelung überflüssig macht.
Auf dem Gebiet der Materialentwicklung er- geben sich vielfältige Ansätze zur Verbesser- ung der Tageslichtnutzung. Einerseits geht es darum, die Tageslichtverteilung im Raum so zu beeinflussen, dass die Helligkeit im fensterna- hen Bereich zugunsten einer Aufhellung in der Raumtiefe abnimmt. Ansatz dafür sind Verglas- ungen mit der zusätzlichen Eigenschaft der Lichtumlenkung. Neue Entwicklungen konzen- trieren sich darauf, derartige Eigenschaften auch durch nano- und mikrostrukturierte Ober- flächen zu erreichen. All diese Entwicklungen müssen die Tatsache berücksichtigen, dass in unserem Klima nur 50% der Arbeitszeit direk- tes Licht zur Verfügung steht, während in der übrigen Zeit das Diffuslicht überwiegt. Viele
ROT entspricht 10% TQ GRÜN entspricht 5% TQ BLAU deutet auf mangelndes Tageslicht hin
10
5
0 falsecolor scale TQ (%)
Abbildung 13 Lichtsimulation zur Bestimmung des Tageslichtangebots in einem Gebäude am Beispiel des Bürohaus Athmer (vergl. Abb.
12). Der Farbverlauf gibt den Tageslicht- quotienen TQ als das Verhältnis der Be- leuchtungsstärke im Raum zur Außenhel- ligkeit wieder:
Abbildung 14 Die Tageslichtauto- nomie als Funktion der Raumtiefe eines Büros mit ansch- ließendem Flur am Beispiel des
Lamparter-Gebäudes (vergl. Abb. 11).
Die Tageslichtautonomie drückt aus, zu wieviel Prozent der Arbeitszeit das zur Verfügung stehende Tageslicht die Beleuchtungsanforderungen vollständig abdeckt. Im Falle eines Büros liegen die typischen Anforderungen bei 500 Lux Nennbeleuchtungsstärke in der Arbeitsebene, für eine Verkehrsfläche sollten 50 Lux nicht unterschritten werden.
Würden wir im Freien arbeiten, wäre für nahezu 95% der Arbeitszeit die Beleuchtungsstärke für Büroarbeit ausrei- chend! Die Geometrie des Raumes (Raumpotential), die Fassadeneinteilung in opake und transparente Flächen (Raum mit Fassade), die Rahmenanteile der Fenster (Apertur) und die Glasart (effektive Apertur) nehmen Einflusss auf die Tageslichtautonomie.
Sonnen- und Blendschutz durch schaltbare Verglasungen sind seit kurzem in einer ersten Variante mit elektrochromen Verglasungen am Markt verfügbar. Neu ist die Entwicklung von Gläsern, deren Transparenz durch eine katalyti- sche Gasreaktion geschaltet wird, sogenannte
„gaschrome Verglasungen“. In Kooperation zwischen Industrie und Forschung und mit fi- nanzieller Förderung durch das BMWi wurde ein System bis zu ersten Prototypfassaden entwickelt (Abb. 15). Als Doppelverglasung mit Wärmefunktionsschicht erlaubt das Sys- tem eine Transmissionschaltung von 70% auf 10%.
2.2.2 Passive Kühlung
Ein angenehmes sommerliches Raumklima zu schaffen, ist selbstverständliches Ziel jeder Bürogebäudeplanung. Die Verbindung dieser Forderung mit moderner Glasarchitektur ge- lingt nicht immer mit einem überzeugenden Ergebnis für die Nutzer, vor allem dann nicht, wenn auf aktive Klimatechnik verzichtet wird.
Mögliche Gründe für einen solchen Verzicht können sowohl wirtschaftliche Aspekte (Inves- titions-, Unterhalts- und Energiekosten) wie auch Diskussionen über das sogenannte ”Sick Building Syndrome“ (Gebäude- und Technik induziertes Nichtwohlbefinden) sein. Immer öfter werden daher Architekten und Fachin- genieure vor die Aufgabe gestellt, ein Gebäude zu errichten, das ohne Klimaanlage ein ange- nehmes sommerliches Raumklima sicherstellt.
Als passive Kühlung werden in diesem Zusam- menhang diejenigen Konzepte bezeichnet, die - mit oder ohne Ventilatoren - auf den Einsatz von Kältemaschinen verzichten. Alternativ wer- den natürliche Kältequellen wie das Erdreich, 70
das Grundwasser oder die kühle Nachtluft her- angezogen.
Passive Kühlung erfordert wie die tageslichtge- rechte Gebäudeplanung in besonderem Masse die integrale Planung und die Anwendung von Simulationsprogrammen. Die dazu erforderli- chen Werkzeuge werden in Kooperation zwi- schen Planern und Wissenschaft ständig wei- terentwicklet. Aktuelle Beispiele sind die freie Gebäudelüftung durch Wind- und Auftriebs- kräfte sowie die Simulation von Luft-/Erdregister (Abb. 16).
Die Wärmekapazität eines Gebäudes ist wesent- licher Faktor für die Wirksamkeit einer passiven Kühlung. Neben der Bestrebung zur Verwen- dung schwerer Baustoffe und gutem thermi- schem Kontakt der Bauteile zur Raumluft (freie Decken) ergeben sich erweiterte Möglichkeiten durch neuste Erkenntnisse aus der Materialfor- schung zu den bauteilintegrierten Latentwär- mespeichermaterialien.
Abbildung 15
Schaltbare Verglasung auf der Basis einer ka- talytischen Gasreaktion imScheibenzwischen- raum einer Doppelver- glasung. Scheibe oben links: geschalteter Zu- stand mit geringster Transmission; Scheibe rechts: ungeschalte- ter Zustand; Scheibe unten links: Schaltpro- zess in einer Folge.
Abbildung 16 Bau des Luft-/Erdre- gister beim Neubau des Fraunhofer ISE Institutsgebäude in Freiburg .
Ein Register aus 7 je 100 m langen Polyäthylen-Rohren mit je 250 mm Nennweite kühlt (Sommer) und wärmt (Winter) den Zuluftvolumenstrom von 3.000 bis 6.000 m3/h zu einem Vortragsraum und einem Atrium. Das Bild zeigt 4 der 7 Rohre während der Verlegearbeiten.
71 Erste Ergebnisse aus Laborversuchen und Simu-
lationen unterstreichen die Wirksamkeit zur Senkung der sommerlichen Temperaturspitzen.
2.2.3 Solare Kühlung
Im saisonalen Maßstab und oft auch im Tages- zyklus fallen Kühllasten und Solargewinne zeit- lich zusammen. Daher ist eine Nutzung von Solarenergie für Kühlzwecke ohne aufwendige Speicherung unmittelbar möglich. Dies gilt in besonders hohem Maße für die Länder Süd- europas. Thermische Kollektoren arbeiten besonders wirkungsvoll in Kühlprozessen mit Niedertemperaturwärme. Beispiel dafür sind Anlagen auf der Basis offener Verdunstungs- kühlprozesse, den sogenannten DEC-Verfahren (dessicant cooling), mit Arbeitstemperaturen von ca. 55°C. Dabei können im Prinzip alle heute marktgängigen Kollektoren zum Einsatz kommen, u.a. auch Luftkollektoren.
Hinsichtlich der Konzeption von solar betriebe- nen DEC-Anlagen sind zwei unterschiedliche Konzepte generell zu unterscheiden: Anlagen mit ausschließlich solarem Antrieb und Anla- gen, bei denen der Solarkollektor nur einen Teil der Antriebswärme bereitstellt (solar unter- stützte Anlagen, (Abb. 17). Im Sommerbetrieb wird die Wärme vom Kollektor direkt oder über den thermischen Pufferspeicher zum Re- generationslufterhitzer geliefert. Bei DEC-Sys- temen wird ein Sorptionsmaterial getrocknet, das zuvor Feuchtigkeit aus der Zuluft eines Gebäudes aufgenommen hat. Die eigentliche Kühlwirkung wird durch die Befeuchtung der zuvor getrockneten Luft erzielt. Im Winter an- fallende Energiegewinne der Solaranlage kön- nen zur Erwärmung der Zuluft eingesetzt werden.
3. Fazit Ausblick
Der zunehmende Wärmeschutz bei Neubauten liefert die Basis für die stark wachsende Bedeu- tung der Solarenergienutzung in der Gesamt- wärmebilanz von Wohngebäuden. Besonders im Geschosswohnungsbau sind Solaranlagen in Zukunft der wesentliche Anknüpfungspunkt zu einer über die kommende Energieeinspar- verordnung hinausgehenden Absenkung des Energiebedarfs. Die Erfahrungen aus Demons- trationsprojekten zeigen Verbesserungspoten- ziale vor allem bei der Systemintegration, der Hydraulik und der Regelung. Auf diesen Gebie- ten können Verbesserungen weitgehend kos- tenneutral verwirklicht werden.
Wesentliches Defizit auf dem Weg zur Reduk- tion von Energieverbrauch und Klimagasemis- sionen in Nichtwohngebäuden ist das Fehlen von Bedarfsgrenzwerten für die künstliche Be- leuchtung und Systeme der technischen Gebäu- deausrüstung für Lüftung und Klimatisierung (TGA). Die gesetzlichen Rahmenbedingungen zur Begrenzung des Energieverbrauchs in Gebäuden beschränken sich mit der Wärme- schutzverordnung oder der zukünftigen Ener- gieeinsparverordnung auf den Sektor Wärme.
Erweiterte Energiekennzahlen steigern die Nach- frage nach neuen Technologien und Planungs- werkzeugen, um den Forderungen in der Gebäudepraxis zukünftig gerecht zu werden.
Abbildung 17 Solar unterstütze Verdunstungskühlung durch ein DEC-System, Systemschema.
warm
kühl, trocken Zusatz-
wärme- quelle Puffer-
speicher
Befeuchter Kühllasten
Wärmerück- gewinnung Sorptionsrad
Die zunächst getrocknete Zuluft wird nach Wärmetausch mit der Gebäudeluft erneut befeuchtet, um dabei abzukühlen. Die zur kontinuierlichen Trocknung am Rotationsrad verwendeten Substanzen werden durch Solarwärme entfeuchtet. In der Heizperiode kann die solare Wärme zur Vorwärmung der Raumluft eingesetzt werden.
