Sparsame Nutzung externer Energiequellen 4.. 4.1 Aus der Bauphysik: Wärmeschutz, Gebäudekonzepte, Passivhaus 4.10 Einführung: Energiedienstleistungen

Sparsame Nutzung externer Energiequellen

4.

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 externerEnergiequellen

Energie im Haushalt

4.104.1

Energiedienstleistungen im Haushalt

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

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

Energiedienstleistungen im Haushalt

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 effizienteEnergienuzung

Endenergie in [ kWh/(m2a)]

210 kWh /(m2a)

10.5

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

Exkurs: Einige allgemeinere Worte zur Bauphysik

goto: V4.1a_Bauphysik_Uebersicht.ppt

http://V4.1a_Bauphysik_Uebersicht.ppt/

Wärmetransport durch Wände


4.111

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. Stromstärkeq ~ I

Temperaturdifferenz ~ el. Spannung T ~ V

Ohm‘sches und Kirchhoff‘sche Gesetze gelten analog.

R = Rn ; „U“ = 1/ R

U = „Wärmedurchgangskoeffizient“

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

Beispiele für die Berechnung von U-Werten:siehe PHHP2002 Programm- Blatt U-Wert

U-Wert von AußenwandU-Wert von Dach etc.

Analogie :

Wärmespeicher ~ el. KapazitätQS = ρ *cp*Volumen ~ C = ε0 ε * A/d

Kapazitiver Blindstrom:I = - jω QS * T(ω) ~ I = - jω*C *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

Wärmetransport durch Fenster


4.112


Wärmetransport durch Fenster: Ersatzschaltbild

gggIR- Reflexschicht

Edelgas

Wärmeschutzverglasung mitWiderstands- Ersatzschaltbild:

Rs = StrahlungswiderstandRL = Wärmeleitungs- Widerstand

Ra = 1/ alpha_a = äußerer WärmeübergangswiderstandRi = 1/ alpha_i = innerer Wärmeübergangswiderstand

U -Wert des Fensters in W/(m2K)


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


Sonnenstrahlung, Augenempfindlichkeit und Wärmestrahlung

Terrestrisches Spektrum der Sonnenstrahlung für AM 1,5 , Hellempfindlichkeitsgrad des Auges und Schwarzkörperstrahlung bei T = 10°C


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

Lüftungsverluste


4.113

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 :

qL = * V * hLW in [kWh]

L 28,56 [ kWh / (m3 / h) ]

hLW = Luftwechsel-Rate

Grobe NebenRechnung:L * cp * Heizgradstunden

1,3 [kg/m3] * 1000 /3600 [Wh/(kg*K)] * 79 000 [Kh]

= 28,53 [ kWh / (m3/h) ]

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

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).

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

Zukunftsorientierte Gebäudekonzepte

aktuell verfügbar und sogar wirtschaftlich:

Niedrigenergiehaus ( NEH ) Passivhaus (PH )

technisch möglich:

NullHeizenergiehaus, Nullenergiehaus

4.12

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 beziehensich auf Einfamilienhäuser.

Anmerkungen _>

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

mit therm.Solaranlage

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

Zwei in sich geschlossen stimmige

energiesparende Gebäudekonzepte :

das Niedrigenergiehaus

das Passivhaus

Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von

Niedrigenergiehäuser beträgt unter 70 kWh/(m2a) (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:

1. Der Wärmebedarf ist ohne Wärmerückgewinnung aus der Abluft auch bei sehr guter Dämmung nicht unter ~25 kWh/(m2a) zu senken (maximale Heizlast ~25 W/m2 am Auslegungstag), was über eine Zuluftnacherwärmung allein nicht abzudecken ist.

2. Zweischeiben-Wärmeschutzverglasungen (k~1,3 W/(m2K) haben bei -10°C Außentemperatur eine innere Oberflächentemperaturen unter 15 oC. 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


NEH braucht noch konventionelle WW-Heizung:

Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von

Passivhäusern beträgt unter 15 kWh/(m2a) (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


Solch ein Passivhaus kann auf eine konventionelle Heizanlage verzichten.

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.


PH braucht keine konventionelle Heizungsanlage mehr:

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

Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1.Passivhaustagung-1996;/PHT1-96/; p.29-40; Abb.1;p.30

vom schlecht gedämmten Altbau

über das Niedrigenergiehaus zum

Passivhaus - Durch den Wegfall der Heizung werden Investitionen gespart. - Die Behaglichkeit nimmt dabei immer mehr zu - Der Energieverbrauch und die Umweltbelastung nehmen ab.

Beim Nullheizenergiehaus nimmt der Aufwand wegen der additiven Systeme wieder zu.

Entwicklung der Hausstandards:

Passivhaus-Foliensatz: Folie 2; Energiekennwerte, PHI-2000

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