Sparsame Nutzung externer Energiequellen

(1)

Sparsame Nutzung externer Energiequellen

4.

(2)

4.1 Aus der Bauphysik:

Wärmeschutz, Gebäudekonzepte, Passivhaus 4.10 Einführung: Energiedienstleistungen im Haushalt

4.11 Bauphysik - Wärmeschutz

.111 Wärmetransport durch Wände .112 Wärmetransport durch Fenster .113 Lüftungsverluste

.114 Instationäre Heizung

4.11a Ergänzung: Bauphysik - Wärmeverluste von Feuerungsanlagen

4.12 Zukunftsorientierte Gebäudekonzepte

NEH = Niedrigenergiehaus ; PH = Passivhaus ; Nullenergiehaus

4.13 Das Passivhaus

4.14 Die EnergieEinsparVerordnung EnEV

4. Sparsame Nutzung externer

Energiequellen

(3)

Energie im Haushalt

4.10

4.1

(4)

Energiedienstleistungen im Haushalt

W.Feist: „Energie im Haushalt“, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Springer Verlag; p.815-838

(5)

W.Feist: „Energie im Haushalt“, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Springer Verlag; p.815-838, Tab 5.3-1;p816

Energiedienstleistungen im Haushalt

(6)

W.Feist: „Energie im Haushalt“, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Tab 5.3-1;p816

Vergleich des

durchschnittlichen Energieverbrauchs in einem deutschen Haushalt (1996)

mit

dem gemessenen Verbrauch im 4 Familienhaus "Passivhaus Darmstadt Kranichstein".

Durch konsequente Anwendung von Effizienztechniken ist es gelungen, 88 % des üblichen Energieeinsatzes einzusparen.

Die Geräteausstattung und der Komfort sind dabei noch besser als im Durchschnitt

88 % Einsparung

durch effiziente Energienuzung

Endenergie in [ kWh/(m

²

a)]

210 kWh /(m

²

a)

10 .5

(7)

Bauphysik - Wärmeschutz

J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859

4.11 Das Wichtigste in (für Physiker angemessener) Kürze

(8)

Exkurs: Einige allgemeinere Worte zur Bauphysik

goto: V4.1a_Bauphysik_Uebersicht.ppt

(9)

Wärmetransport durch Wände

4.111

(10)

J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-2,p.842

Wärmetransport in opaken Bauteilen

Stationärer 1-dim.

Wärmetransport :

q =  /d * T

 WärmeLeitfähigkeit

Analogie :

Wärmefluss ~ el. Stromstärke q ~ I

Temperaturdifferenz ~ el. Spannung T ~ V

Ohm‘sches und Kirchhoff‘sche Gesetze gelten analog.

R =  ^R

_n

; „U“ = 1/ R

U = „Wärmedurchgangskoeffizient“

(11)

Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen

Massive, nicht poröse Baustoffe : um  = 1 [ W/(mK)]

(Stein, Beton, Glas)

Kunststoffe, Holz (typisch):  0,2 [ W/(mK)]

 von Dämmstoffen:

konventionelle Dämmstoffe : um 0,035 - 0,040 [ W/(mK)]

mit Schwergasfüllung : bis auf 0,020 - 0,025

Evakuierte Dämmstoffe : 0,002 - 0,005

Zum Vergleich Kupfer :  = 390

J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ ,.... ,p.841

(12)

Beispiele für die Berechnung von U-Werten:

siehe PHHP2002 Programm- Blatt U-Wert

U-Wert von Außenwand

U-Wert von Dach etc.

(13)

Analogie :

Wärmespeicher ~ el. Kapazität Q

_S

= ρ *c

_p

*Volumen ~ C = ε

₀

ε * A/d

Kapazitiver Blindstrom:

I = - jω Q

_S

* T(ω) ~ I = - jωC U(ω)

Wärmespeicher

In einem homogenen Materialstück ist

Leitfähigkeit und Speicherfähigkeit verteilt.

Analogie zur Mikrowellentechnik mit einer

„induktionslosen (!)“ Leitung.

nur zur Vollständigkeit

Konzepte der Elektrotechnik und Mikrowellentechnik wie: Ersatzschaltbilder, Zwei- und Mehrtore, komplexe Leitwerte, Frequenzabhängige Ortskurven, harmonische Analyse mit Laplace-und Fourier Transformationen etc. kann man auch auf Wärmeleitungsphänomene anwenden.

Bei Publikum erntet man meist Staunen –Unverständnis- Ablehnung, es sei denn man findet einen echten Bau-

Physiker

(14)

Wärmetransport durch Fenster

4.112

(15)

Wärmetransport durch Fenster: Ersatzschaltbild

g

^g

g

IR- Reflexschicht Edelgas

Wärmeschutzverglasung mit

Widerstands- Ersatzschaltbild:

R

_s

= Strahlungswiderstand

R

_L

= Wärmeleitungs- Widerstand

Ra = 1/ alpha_a =

äußerer Wärmeübergangswiderstand Ri = 1/ alpha_i =

innerer Wärmeübergangswiderstand

U -Wert des Fensters in W/(m

²

K)

(16)

U -Wert und Scheibenabstand d bei versch. Füllgasen

Füllungen:

(...) Luft (-) Argon (---) Krypton, (- .-) Xenon

U -Wert von

Zweischeibenverglasungen

mit IR-Beschichtung (  = 0,05)

mit verschiedenen Füllgasen

als Funktion des Scheibenabstands d .

Luft

Ar Kr

Xe

(17)

Sonnenstrahlung, Augenempfindlichkeit und Wärmestrahlung

Terrestrisches Spektrum der Sonnenstrahlung für AM 1,5 ,

Hellempfindlichkeitsgrad des Auges und Schwarzkörperstrahlung bei T = 10°C

(18)

Optische Eigenschaften einer Spezial-Glasscheibe

Metallisch beschichtete 4 mm dicke Glasscheibe mit

hoher Transmission im sichtbaren und solaren Bereich

sowie mit hohem Reflexionsgrad (= niedrigem Emissionsgrad) im IR .

Transmissions- grad

Reflexions-

grad

(19)

Lüftungsverluste

4.113

(20)

Rechenwert für jährliche Lüftungs-Wärmeverluste

J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859; p.854

Jährliche Lüftungswärmeverluste nach WSchV 1995 :

q _L **=  * V * h _LW**  ^{in [kWh]} 





_L

 28,56 [ kWh / (m

³

/ h) ]

^h

_LW

= Luftwechsel-Rate

Grobe NebenRechnung :

 

_L

  * c

_p

* Heizgradstunden

1,3 [kg/m

³

] * 1000 /3600 [Wh/(kgK)] 79 000 [Kh]

= 28,53 [ kWh / (m

³

/h) ]

(21)

Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung

J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb.5.4-15,p.855

Schematische Darstellung einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung

(22)

Instationärer Heizbetrieb

Quelle: Luther, G. : „Einsparung von Heizkosten durch zeitweises Abschalten der Heizung“; GI - GesundheitsIngenieur; Bd. 100,Heft 12 (1979), p.384-386

4.114 Für den Heizwärmeverbrauch

alleine maßgebend ist die Temperaturdifferenz

zwischen innen und außen, gemittelt über die gesamte Heizperiode.

Speichereffekte und generell instationäres Verhalten

können höchstens bei der Frage der Ausnutzung von Überwärmunge (z.B. durch passive Solarenergie) eine Rolle spielen.

(Vermeidung von überflüssigem Lüften zur Abkühlung eines überhitzten Raumes).

(23)

Quelle: Luther, G. : „Einsparung von Heizkosten durch zeitweises Abschalten der Heizung“; GI - GesundheitsIngenieur; Bd. 100,Heft 12 (1979), p.384-386

(24)

Zukunftsorientierte Gebäudekonzepte

aktuell verfügbar und sogar wirtschaftlich:

Niedrigenergiehaus ( NEH ) Passivhaus (PH )

technisch möglich:

NullHeizenergiehaus, Nullenergiehaus

4.12

(25)

Luther, J. und Voss,K.: „Solares bauen-Neue Märkte und Konzepte“ ; Abb.1; p.62; inFVS Themen 2000;p.62-71

Endenergiebedarf von Wohngebäuden

Werte beziehen sich auf

Einfamilienhäuser.

Anmerkungen _>

Der externe Energiebedarf von Wohngebäuden (Endenergie) unterschiedlichen Standards im Vergleich.

mit therm.Solaranlage

(26)

1. Größere Gebäude haben in der Regel einen geringeren Heizwärmebedarf (Kompaktheit) bei höherem Warmwasserbedarf (Verluste durch Zirkulation).

2. Die Konzepte Wärmeschutzverordnung (WschVo)

bzw. Energieeinsparverordnung (EnEV)

beschreiben den bis bzw. ab 2002_0201 gültigen gesetzlichen Standard . 3. Ab dem Niedrigenergiehaus 2001 (NEH 2001) ist eine thermische Solaranlage berücksichtigt.

4. Für das Nullemissionshaus ist eine eine Solarstromanlage (PV) berücksichtigt. Die Solarstromanlage ist im Beispiel so dimensioniert, dass ihr primärenergetisch gewichteter Ertrag den Primärenergieaufwand von Haustechnikstrom, Heizung und Warmwasserbereitung in der Jahresbilanz vollständig deckt.

5. Der Stromverbrauch im Haushalt kann in allen Fällen durch erhöhte Geräteeffizienz ohne Komfortverzicht halbiert werden.

Anmerkungen zu Endenergiebedarf von Wohngebäuden:

Luther, J. und Voss,K.: „Solares bauen-Neue Märkte und Konzepte“ ; Abb.1; p.62; inFVS Themen 2000;p.62-71

(27)

Zwei in sich geschlossen stimmige energiesparende Gebäudekonzepte :

das Niedrigenergiehaus

das Passivhaus

(28)

Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von

Niedrigenergiehäuser beträgt unter 70 ^kWh/(m

²

^a)

(Jahresheizwärmebedarf bezogen auf die Wohnflache).

Das Niedrigenergiehaus (NEH)

Dies kann erreicht werden durch:

guten Wärmeschutz,

Wärmeschutzverglasungen und eine kosten-günstige Abluft -Lüftungsanlage

Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

Solch ein Niedrigenergiehaus benötigt aber noch eine

konventionelle warmwasserführende Heizanlage:

(29)

1. Der Wärmebedarf ist ohne Wärmerückgewinnung aus der Abluft auch bei sehr guter Dämmung nicht unter ~25 kWh/(m

²

a) zu senken (maximale

Heizlast ~25 W/m

²

am Auslegungstag), was über eine Zuluftnacherwärmung allein nicht abzudecken ist.

2. Zweischeiben-Wärmeschutzverglasungen (k~1,3 W/(m

²

K) haben bei -10°C Außentemperatur eine innere Oberflächentemperaturen unter 15

^o

C. Dadurch käme es am Fenster zum Kaltluftabfall, wenn nicht ein Heizkörper unter dem Fenster für die Umkehrung der Strömungsrichtung sorgte;

der Heizkörper wird zudem benötigt, um den Strahlungsvvärmeentzug

auszugleichen.

3. Durch den Außenluftdurchlaß (ALD) tritt im Winter kalte Frischluft in den Raum; dies würde zu Zugerscheinungen und zum Kaltluftsee führen.

Daher muss unter dem ALD ein Heizkörper stehen, der die eintretende Frischluft in die Warmluftwalze einbindet und so Behaglichkeit garantiert

Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

NEH braucht noch konventionelle WW-Heizung:

(30)

Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von

Passivhäusern beträgt unter 15 ^kWh/(m

²

^a)

(Jahresheizwärmebedarf bezogen auf die Wohnflache).

Das Passivhaus (PH)

Dies kann erreicht werden durch:

noch besseren Wärmeschutz

Dreischeiben - Wärmeschutzverglasungen und eine

Zu -/ Abluftanlage mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung

Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

Solch ein Passivhaus kann auf eine konventionelle Heizanlage

verzichten.

(31)

Die im Vehältnis zum Niedrigenergiehaus noch weitergehende Verbesserung der Wärmedämmung und der Fenster und die Abluft-Wärmrückgewinnung sind für sich alleine genommen unwirtschaftlich.

Beim Passivhaus führen jedoch die Mehrinvestionen in den Wärmeschutz und die Wärmerückgewinnung zu

einer konzeptionelle Vereinfachung:

Die Investitionen in die Lüftungstechnik ersetzen

die konventionelle Ausgaben für die Installation des Heizsystem.

Auch im Passivhaus paßt alles zusammen.

Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

PH braucht keine konventionelle Heizungsanlage mehr:

(32)

Quelle: W. Feist:

Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser, (2001), Abb.3, p.

Gleichgewicht von

Wärmeverlusten (links) und

Wärmegewinnen (rechts)

in einem

"normalen Niedrigenergiehaus“

und in einem Passivhaus.

Im Passivhaus werden die

Wärmeverluste so stark verringert, daß die durch Fenster

eingestrahlte Sonnenenergie und die inneren Wärmequellen

zusammen mit der

Zuluftnachheizung aus reichen, um die Verluste

auszugleichen.

Gegenüberstellung der Wärmebilanzen bei NEH und PH

(33)

Sparsame Nutzung externer Energiequellen