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| Quelle: Colt
International Licensing Ltd |
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Sonnenschutzgläser
- Quelle: Flachglas MarkenKreis GmbH
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Lichtkamine |
Quelle:
TALIS Tageslichtsysteme GmbH |
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Quelle:
Gatermann + Schossig mit Köster Lichtplanung |
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Heliostaten und Lichtlenksysteme |
Quelle: Colt International
Licensing Ltd
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| Die
Regulierung des Sonneneinfalls in das Gebäude
ist eine der einfachsten, günstigsten und wirkungsvollsten
Methoden der Gebäudekühlung. Durch die Vermeidung oder
Verminderung der direkten Sonneneinstrahlung kann die größte
Kühllast begrenzt werden. Der Sonnenschutz kann durch vorspringende
Bauteile, Dachüberstände, starre und bewegliche Sonnenschutzanlagen,
Sonnenschutzgläser und Sonnenschutzfolien erreicht werden. |
Bewegliche
Sonnenschutzvorrichtungen
sind am besten geeignet. Am sinnvollsten sind äußere,
steuerbare Sonnenschutzanlagen, so z. B. Jalousien, Markisen. Sonnenschutzvorrichtungen
gibt es in ihrer Anbringung als |
- außen liegenden Sonnenschutz
- in den Fenstern integrierten Sonnenschutz
- innen liegenden Sonnenschutz
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Richtige
Sonnenschutzgläser
haben einen geringen Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert). Der g-Wert
gibt an, wie viel Sonnenenergie über das Glas ins Gebäudeinnere
gelangt. Der g-Wert setzt sich zusammen aus der Sonnenenergie im
Wellenbereich zwischen 300 nm und 2500 nm von der der Anteil der
Reflexion und der Anteil der Absorption der Gläser abgezogen
wird. Je größer der Reflexions- und Absorptionsgrad ist,
desto geringer ist die Energie, die in den Innenraum gelangt. |
Als einfache bzw. Notlösung
können auch Sonnenschutzfolien innen oder
außen auf das Glas aufgebracht werden. |
Das Glaslamellen-System
ist eine Vorsatzfassade mit dem Colt-Shadoglass-System.
Dieses System besteht aus horizontal angeordneten beweglichen Glaslamellen.
Die Lamellen bestehen aus transparentem Glas und einer zweiseitig
in Farbe bedruckten Folie. Die Lamellen werden automatisch in die
richtige Position im Verhältnis zum Sonnenstand gebracht. |
Die Vorsatzfassade
gewährleistet einen guten Sonnenschutz, Blickschutz
und Schallschutz sowie einen guten Luftaustausch
über die Fassade. |
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Besonders
in innenliegenden Sanitärräumen, aber
auch in Räumen, die durch Außenbeschattung
oder Büroräume mit großer Raumtiefe kein oder sehr
wenig Tageslicht bekommen, gibt es die sog. "Lichtkamine".
Da konstant gleichbleibendes Licht auf Dauer als unangenehm empfunden
wird, kann durch diese Technik die Beleuchtungsstärke abhängig
vom Sonnenstand und Wetter beeinflusst werden. Dieses wechselnde
Licht gibt den Bewohnern bzw. den im Büro arbeitenden Personen
Informationen über die Lichtsituation im Freien, was die Leistungsfähigkeit
und Kreativität steigert. |
Die Optimierung
von Tageslichtnutzung und ein Überhitzungsschutz
setzt eine gute Tageslichtplanung voraus. Dies
erfolgt durch eine integrale Analyse von Tageslicht und thermischem
Raumverhalten für den betreffenden Innenraum. Dazu werden ein
Ist-Zustand sowie geeignete Variationen des Raumes in Bezug auf
Tageslicht und Wärmeverhalten untersucht. Das Ziel einer solchen
Untersuchung mit Ausbildung von Variationen ist es, eine Optimierung
der Tageslichtversorgung in Gebäuden zu erreichen. Es wird
eine ausreichende Anzahl von Variationen eines Gebäudeentwurfs
durch den Vergleich unterschiedlicher Maßnahmen auf ihre Wirkung
hin untersucht und bewertet, um anschließend die beste Lösung
(Maßnahme) festzustellen. Dabei wird sinnvollerweise die Vorgehensweise
Fragestellung – Analyse – Lösung eingehalten. |
Heliostaten
und Lichtlenksysteme sorgen für eine Raumausleuchtung
und Gebäudeausleuchtung mit Tageslicht. Die
Lichteinspiegelung übernehmen Heliostatensysteme. Sie lenken
das Tageslicht gezielt und punktgenau selbst über große
Entfernungen. Richtig eingesetzt bringen sie Sonnenstrahlen selbst
in die unterirdischen Bereiche eines Gebäudes. |
Heliostatische
Beleuchtung bedeutet, dass durch Präzisionsinstrumente
geführte Beleuchtungsspiegel und ergänzende feste Spiegel
Sonnenstrahlen exakt konzentrieren und an einen gewünschten
Ort leiten.
Dieser wunderbare Beleuchtungseffekt des Sonnenlichts wird allein
durch das Spektrum der Sonnenstrahlen erzielt und kann nicht durch
künstliches Licht ersetzt werden. Der Vorteil natürlichen
Sonnenlichts begründet sich auf der Tatsache, dass die menschliche
Physiologie besser an natürliches Licht angepasst ist als an
künstliches. Es ist erwiesen, dass natürliches Licht die
Kreativität steigert und eine angenehme Atmosphäre schafft. |
| Die heliostatische
Belichtung ist nichts Neues. Schon die alten Agypter waren dafür
bekannt, natürliche Lichtquellen geschickt zu nutzen. Mit Hilfe
von Hand geführter Spiegel brachten Sie das Sonnenlicht bis
ins Innere der Pyramiden. Quelle: Colt International
Licensing Ltd |
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1
Wurzelfeste Dachabdichtung - 2 Schutzschicht - 3 Dränschicht
- 4 Filterschicht - 5 Vegetationstragschicht |
Quelle:
LWG Bayern |
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Quelle: Senatsverwaltung
für Stadtentwicklung Berlin
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Eine
begrünte Fassade
kann einen aktiven Sonnenschutz bieten. Die Fassadenbegrünung
steht im unmittelbaren Zusammenhang mit der energetischen
Optimierung des Gebäudes. Im Sommer soll die Fassade
begrünt sein, während das Sonnenlicht im Winter
die Glasfassade ungehindert passieren kann. Ein zweiter Effekt
ist die Erzeugung von Verdunstungskälte zur Verbesserung
des Mikroklimas innerhalb des Gebäudes und im unmittelbaren
Gebäudeumfeld. Kletterpflanzen müssen unter extremen
Bedingungen in Pflanzkübeln wachsen können. Hier
soll sich der Blauregen (Wisteria sinensis) und Knöterich
am besten eignen. Efeu und Wilder Wein ist wegen der Saugwurzeln
an Glasfassaden nicht geeignet. |
Auch die Begrünung
von Dächern hat ein großes Potenzial,
durch Verdunstung die Oberflächentemperaturen zu reduzieren
und damit das Mikroklima innerhalb und um das Gebäude
zu verbessern. |
Bevor eine Dachbegrünung
durchgeführt wird, sind einige technische Voraussetzungen
zu überprüfen, damit eine einwandfreies Wachstum
sichergestellt ist und keine Schäden am Bauwerk entstehen. |
Zur Begrünung muss die Tragfähigkeit
des Daches für eine zusätzliche
Lastaufnahme von 6O - 120 kg/m2 geeignet sein.
Hierzu ist der Statiker oder Dachdecker zu befragen. Außerdem
müssen die Dächer mit wurzelfesten Schutzbahnen
erforderlich ausgestattet werden. |
| Vor der Herstellung
des Gründaches muss sichergestellt sein, dass die Dachkonstruktion
einwandfrei abgedichtet ist. Hier hat
sich das Überstauen der Abdichtung mit Wasser bewährt.
Es sollte dabei ein Mindestüberstau von 10 cm und eine
Anstaudauer von 72 Stunden angestrebt werden. Vorhandene Dachabläufe
werden in dieser Zeit entweder mit einem kurzen Rohrstück
oder mit einer Verschlusskappe abgedichtet. Bei geneigten
Dachflächen kann durch den Einsatz eines Regners eine
flächige Bewässerung zu Prüfzwecken hergestellt
werden. |
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Quelle: vetsch architektur
ag
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Traditionell
verputzen die Südländer ihre Häuser mit weißem
Kalk: Das reflektiert die Sonnenstrahlung und mindert die
Erwärmung. |
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Helle
bzw. weiße Gebäudeanstriche
können die Häuser kühl halten. Dadurch können
sie mit ca. 20 % weniger Energie für die Kühlung
auskommen. Ein gutes Beispiel sind die Gebäude in den
südlichen Ländern. |
| Die rein passiven Systeme
zur Gebäudekühlung können in Wohnhäusern
auch im Hochsommer ein angenehmes Raumklima schaffen. Gerade
für in gemäßigten Klima ist keine Klimaanlage
notwendig, wenn man Kombinationen aus den verschieden Möglichkeiten
der passiven Kühlung nutzt. |
| Gewerblich
genutzten Gebäuden dagegen ist es nicht so einfach,
ein angenehmes Raumklima mit rein passiven Systemen zu erreichen,
da dort noch ein Wärmeeintrag aus anderen Wärmequellen
in die Raumluft stattfindet, der in Wohngebäuden wenig
bis gar nicht vorhanden ist. so z.B. Maschinen, Computer,
Lampen. |
| Erdhäuser |
Erdhäuser
sind vollständig oder zum Teil
unterirdisch und mit einer Erdschicht bedeckt.
Die Gebäudehülle besteht aus runden Formen und Kuppeln.
Dadurch ergibt sich eine kleinstmögliche Hüllfläche
im Verhältnis zur Grund- und Nutzfläche und es entsteht
ein geringerer Wärmeaustausch gegenüber konventionellen
Häusern. |
Ein angenehmes Raumklima
besteht über das ganze Jahr, da die Erdschicht, die das
Haus bedeckt, eine Aufwärmung der Außenhülle
und eine Erwärmung der Innenräume
verhindert. Die Fenster sollten so angelegt
sein, dass der Wärmeeintrag im Sommer gering
und im Winter möglichst groß
ist. |
Wenn
der Kühleffekt durch diese Bauweise
nicht hoch genug sein, so kann man z. B. die Bodenplatte mit
dem Erdreich thermisch verbinden, um im Sommer die Wärme
an das Erdreich abzugeben. Ein weiterer Vorteil der Erdhäuser
ist, dass im Winter die kleine Hüllfläche weniger
Wärmeenergie von Innen nach Außen abgibt. Die Erdschicht
sorgt nicht nur für Schatten, sondern dient dem Gebäude
auch als zusätzliche Dämmschicht. Zudem ist auch
die thermische Kopplung der erdberührten Bauteile an
das umgebene Erdreich zur Wärmegewinnung nutzbar. |
Ein weiterer Vorteil
ist die Luftfeuchtigkeit um die 50 %, ganz
im Gegensatz zu den überheizten winterlichen Räumen
in konventionellen Häusern und der damit zu geringen,
relativen Luftfeuchtigkeit. Für ein optimales, ausgeglichenes
Wohnklima sorgt ausserdem der Lehm-Putz,
der auf die Wände aufgetragen wird. Die Luftdichtheit
der Erdhäuser stellt eine ideale Voraussetzung für
eine kontrollierte Komfortlüftung dar. |
| Über breite Glassfassaden
sind die Räume ausreichend hell. Bäder und Nebenräume
können mit Oblichtkuppeln oder Lichtkamine
belichtet werden. |
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| Natürliche Wärmesenken
- hybride Systeme |
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| Erdwärmetauscher
- Luft |
Der Erdwärmetauscher besteht aus
Rohren, die nahezu horizontal im frostfreien Erdreich verlegt
werden. Dies ist rund um die Baugrube oder auch unter offenen
Flächen wie dem Garten möglich. Bei Einfamilienhäusern
beträgt die Länge maximal 30 bis 50 Meter. Die
Aufenthaltsdauer der Luft im Erdwärmetauscher ist entscheidend.
Der Durchmesser der Rohre beträgt 150-200 Millimeter.
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Der Luftbrunnen ist keine neue Erfindung.
Schon in der Antike wurden solche Systeme hauptsächlich
zur Kühlung von Gebäuden in den heißen Gegenden
eingesetzt. Er sorgt für eine ökologische Kühlung
des Gebäudes mit i.d.R. bis zu 16°C Einströmtemperatur
(bei bis zu 30°C Außentemperatur).
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| Grundwasser |
| Betonkernaktivierung,
auch thermische Bauteilaktivierung genannt,
bezeichnet Systeme, die Gebäudemassen zur Temperaturregulierung
nutzen. Diese Systeme werden zur alleinigen oder ergänzenden
Heizung und Kühlung verwendet, indem Rohrleitungen (Kunststoffrohre)
in Massivdecken oder auch in Massivwänden verlegt werden,
durch die Wasser als Heiz- bzw. Kühlmedium fließt.
Die gesamte durchflossene Massivdecke bzw. -wand wird dabei
als Übertragungs- und Speichermasse thermisch aktiviert. |
| Eine
wichtige Eigenschaft ist, dass die aktivierten Bauteile über
ihre gesamte Fläche je nach Heiz- oder Kühlfall
Wärme aufnehmen oder abgeben. Aufgrund der vergleichsweise
großen Übertragungsfläche können die
Systemtemperaturdifferenzen niedrig gehalten werden, sodass
das Medium nicht so stark erwärmt werden muss wie beispielsweise
das Wasser der Zentralheizung mit Heizkörpern. Aufgrund
dieser geringeren Vorlauftemperaturen können zum Heizen
z.B. Wärmepumpen effizient eingesetzt werden. Zum Kühlen
eignen sich Umweltenergien, wie freie Rückkühlung
über Flächenkollektoren, Grundwasserkühlung
oder auch Kaltwassersätze. |
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| Adiabatische
Kühlung und adiabatische Befeuchtung |
Quelle: WinCool Deutschland
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Wasserfliessbett
in einer KWL
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Quelle:
Fritz Curtius |
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| Adiabate
Abluftkühlung |
In den Klimaanlagen
kann Regenwasser zur Kühlung des Gebäudes in den
Sommermonaten verwendet. Bei der adiabaten Abluftkühlung
wird Wasser in den Abluftstrom des Gebäudes versprüht
und die Zuluft über einen Wärmetauscher vorgekühlt.
Bei der Verwendung von Regenwasser anstelle von Trinkwasser
in den Klimaanlagen wird zugleich Wasser und Abwasser gespart.
Diese Technik ist aber in der Fachwelt umstritten, weil nur
keimfreies Wasser verwendet werden darf und sollte deswegen
nur in den Abluftstrom gesprüht werden, damit kein Kontakt
zur Zuluft besteht. |
| Wirkungsvoller ist
das Einsprühen von Wasseraerosolen oder über einen
Flächenbefeuchter direkt in die Zuluft. Dieser Prozess
der Gebäudeklimatisierung ist derart effektiv, dass noch
bei Außentemperaturen von bis zu 30°C die Zuluft
auf 21–22°C vorgekühlt werden kann, ohne auf
technisch erzeugte Kälte zurückgreifen zu müssen.
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Verdunstungskühlung
(adiabatische Kühlung) |
Die meisten
indirekten Wärmeeinträge finden
über das Dach statt. Es ist immer sinnvoll, diese Wärme
nicht in ein Haus zu lassen. Auch die beste Außendämmung
verhindert das Eindringen von Wärme nicht, wenn sich
z. B. die Dachfläche stark aufheizt. Der Einsatz einer
Verdunstungskühlung (adiabatische Kühlung)
ist hier eine Alternative zu aufwendigen Kühlsystemen
und kann mit einer natürlichen Nachtlüftung
kombiniert werden. |
Eine Dachberieselung
ist eine Art der Verdunstungskühlung auf Flachdächern.
Es ist möglich über Düsen auf dem Dach, das
Dach zu berieseln und so mit Wasser zu bedecken. Die Berieselung
findet in der Nacht statt. Tagsüber kann dieser Wasserfilm
verdunsten, wobei viel Wärmeenergie verbraucht wird,
die somit das Gebäude nicht aufheizen kann. |
Bei zirkulierenden
Wasserschichten wird Wasser über die Dachoberfläche
geleitet. Durch die Geschwindigkeit, die durch die Bewegung
entsteht, steigert sich der Verdunstungsprozess und damit
auch die Kühlleistung. Das Wasser wird in Zisternen
gespeichert und zirkuliert von da aus über ein Leitungssystem
auf das Dach und kühlt dieses ab. Das Wasser läuft
in einem „geschlossenen“ Kreislauf über die
Regenrinne zurück in die Zisterne. Auch erwärmte
Wasser kann noch genügend Kühlung erreichen. Der
Einsatz eines Erdkollektors kann das Zisternenwasser
abkühlen bzw. direkte in das Leitungssystem geleitet
werden. |
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Ein
Dachteich ist eine einfachere Lösung
im Gegensatz zu der Berieselung oder zirkulierender Wasserschichten.
Hierbei werden Dachteiche auf Flachdächern installiert.
Diese müssen allerdings während des Tages beschattet
werden, z.B. durch eine bewegliche Dämmung, um eine Überhitzung
zu vermeiden. |
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Wird ein
Luftstrom in einem raumlufttechnischen Gerät durch Wasserzerstäubung
befeuchtet, kühlt sich die Luft bis zu 2,5 K ab. Der
Zustandsverlauf der adiabaten Kühlung läßt
sich sehr einfach im h-x-Diagramm nachvollziehen. |
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| Transparente
Wärmedämmung (TWD) |
In
unserem Klima ist nur die transparente Wärmedämmung (TWD)
von energetischer Bedeutung. Dabei ist die Einstrahlung auf eine
Außenwand eine Form der passiven Sonnenenergienutzung. |
Eine
Außenwand mit einer transparenten Wärmedämmung (TWD)
erreicht eine positive Energiebilanz. Diese arbeitet nach folgendem
Prinzip: |
Das
Sonnenlicht durchdringt eine Glasscheibe und die transparente Wärmedämmung
und wir an einer dahinter liegenden schwarzen Wand von kurzwelliger
in langwellige Strahlung umgewandelt. Die Wand erwärmt sich.
Diese Wärme gelangt langsam durch die Wand an deren Innenseite.
Die Wandtemperatur steigt über 20 °C und wirkt wie eine
Flächenheizung. Diese „Heizung“ wird durch Verschattungseinrichtungen
geregelt. Vor allem im Sommer ist eine Verschattung und
Hinterlüftung dieser Konstruktion notwendig und die
Südwand wird kühl gehalten. Durch einen erhöhten
Luftwechsel in den Nachtstunden (Nachtkühlung)
kann die Masse der TWD-Wand tagsüber zur passiven Raumlufttemperaturkühlung
in den Sommermonaten verwendet werden. |
Die
Systeme zur transparenten Wärmedämmung haben sich in Großprojekten
bewährt, ist aber wegen der relativ hohen Investititionskosten
(vor allem bedingt durch die erforderliche Verschattungseinrichtung)
nicht sehr verbreitet. Entwicklungen dieser Bauelemente zur passiven
Sonnenenergienutzung haben vor allem die Reduzierung der Kosten
zum Ziel, so durch die Verwendung günstiger Materialien (Wabenstrukturen
aus Pappe, Abdeckung durch transparente Kunststoffe) oder andere
Ansätze wie die Anreicherung von Putzen durch transparente
Zusätze, so genannte Aerogele. |
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| Grundstruktur
solarer Klimatisierung
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Quelle: Solarserver.de
/ Fraunhofer ISE
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| Funktionsprinzip
Solare Kühlung
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Quelle:
Solution |
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"Überschüssige“
Sonnenenergie kann zur Kühlung
von Gebäuden oder Geräten besonders in der heißen
Tageszeit genutzt werden. Die Solare Kühlung spart Strom
und hat im Gegensatz der solaren Heizung keine Speicherprobleme:
Der Kühlbedarf steigt und fällt im Verhältnis
mit dem Angebot an Sonnenenergie. |
Bei der
solaren Kühlung werden je nach Anwendung verschiedene
Verfahren eingesetzt. Kühlschränke können nach
dem Prinzip der Wärmepumpe oder nach thermoelektrischen
Verfahren betrieben werden. Gebäude und Räume werden
gekühlt, indem man der warmen Raumluft durch Adsorption
an geeigneten Materialien Wasser entzieht und sie damit kühlt
(Verdunstungskälte). Damit die Adsorptionsmaterialien
wieder Feuchtigkeit aufnehmen können, werden sie durch
Wärme getrocknet, die der Sonnenkollektor liefert. Der
gleiche Sonnenkollektor kann also im Sommer zur Kühlung
und im Winter zur Heizungsunterstützung eingesetzt werden. |
| Die solare
Kühlung wird auch zunehmend in Mitteleuropa eingesetzt.
Ein besonderer Einsatzbereich ist die "passive Gebäudekühlung".
In tropischen und subtropischen Gegenden wird die solare Klimatisierung
schon länger eingesetzt. |
Unter
dem Motto "Helfen statt Haben" engagieren sich Schüler
und Lehrer der Staatlichen Berufsschule Altötting seit
Ende der siebziger Jahre in verschiedenen erfolgreichen Entwicklungshilfeprojekten,
so entwickelten sie einen Sorptions-Kühlschrank. |
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| Qua'a
Empfangshalle |
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| Quelle:
lrz-muenchen.de |
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Natürliche
und mechanische Nachtlüftung |
Das
Klima in Mittel- und Nordeuropa (einige
Regionen ausgenommen) bietet gute Voraussetzungen für
die passive Kühlung mit natürlicher
und mechanischer Lüftung, weil auch während
der heißesten Sommertage die Nächte unter
20°C abkühlen. Auch der Einsatz eines Erdwärmetauschers
oder ein Luftbrunnen
kann die Außentemperatur absenken. Mit diesen
Temperaturen können bei richtigen Rahmenbedingungen
die Wärmelasten des Tages abgeführt werden. |
Die
wichtigsten Rahmenbedingungen sind: |
- Begrenzung der Wärmelasten
- Kühllasten (Summe aus internen und externen
Lasten)
- Speichermasse im Gebäudeinneren
- Ein auf die Nachtlüftung
abgestimmtes Lüftungskonzept
|
Da
bei diesem Lüftungskonzept die
Wärme überwiegend nur nachts abgeführt
werden kann, muss vor allem die Überwärmung
der Räume tagsüber vermieden werden. Dazu
ist die Reduktion der Wärmelasten auf ein möglichst
geringen Wert eine wichtige Voraussetzung (passive Gebäudekühlung).
Ergibt die Summe aus internen und externen Lasten
max. 150 Wh/m²d, so kann man davon ausgehen, dass
diese Lasten durch eine Nachtlüftung
abgeführt werden können. |
Bei
der natürlichen Lüftung werden
Lüftungsöffnungen und Druckdifferenzen zwischen
innen und außen benötigt. Eine Thermik über
mehrere Geschosse (z. B. Treppenhaus, Wohngalerie) kann
hilfreich sein. Der thermische Auftrieb wird nur dann
wirksam, wenn die Raumluft wärmer ist als die Außenluft
bzw. eine Druckdifferenz durch den Windanfall erzeugt
wird. Es können Luftwechselraten
von über 10 h-1 erreicht werden. Der
große Vorteil bei der natürlichen Lüftung
liegt im ausreichender Luftaustausch bei geringen Betriebskosten.
Natürlich müssen die Lüftungsöffnungen
am Tage geschlossen sein. |
| . |
Der „Qua’a“
ist ein zentraler Raum im Obergeschoss, der dem Gästeempfang
dient. Traditionell setzt er sich aus drei ineinander
übergehenden Räumen zusammen: Einem geschlossenen,
höher gelegenen Nischen, den Iwanen. Dieses Raumsystem
bildet einen geschlossenen Kreislauf für die zirkulierende
Luft, die im Innenhof durch den Springbrunnen weiter
abgekühlt wird. Die heißer werdende Luft
steigt in einem hohen Turm, dem „Shuksheika“,
auf und kann dort über Lüftungsklappen, den
„Mashrabiya“, austreten. Im Winter können
die Öffnungen geschlossen werden, um die warme
Luft im Innenbereich zu halten. Quelle:
ARCHITEKT HASSAN FATHY - lrz-muenchen.de |
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PCM
(phase change material) |
Phasenwechselmaterialien
(Latentwärmematerial)
können zur Wärme- und Kältespeicherung
und zur Begrenzung von Temperaturspitzen
(Überhitzungsschutz) eingesetzt werden. Durch
die Nutzung des Phasenwechsels (fest-flüssig
oder flüssig-fest) verfügt das Material über ein
hohes Speichervolumen, da die Wärmekapazität
um ein vielfaches höher ist als herkömmliche
Materialien bzw. Medien. |
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| Wärmekapazität
verschiedener Materialien |
| Quelle:
Rubitherm Technologies
GmbH |
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Die PCM's
werden aus Salzen (z.B. Glaubersalz,
Natriumacetat) oder organischen Verbindungen
(z.B. Paraffine, Fettsäuren) hergestellt. |
Die thermische Energie
kann bei einer festgelegten Temperatur zeitversetzt
entnommen werden. Dadurch ergeben sich viele
verschiedene Einsatzmöglichkeiten: |
- Speicher zur Raumklimatisierung
- Speicher zur Spitzenlastverringerung
- Pufferspeicher für Solar-,
Festbrennstoff- und Wärmepumpentechnik bzw.
Heizungstechnik
- Fassadendämmung
- Luftkollektoren
- Verpackungen (Menütransporte)
- Speicher für medizinische Anwendungen - Transportkühlung
- in der Kleidung zur Pufferung der Körpertemperatur
- Temperaturpufferung an elektrischen Bauteilen
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| Abpufferung
der Raumtemperaturspitzen |
| Quelle:
ZAE Bayern |
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Der Vorteil
des PCM's liegt in der Nutzung der
latenten Wärme während
des Phasenwechsels. Aber es wird auch sensible
(fühlbare) Wärme gespeichert.
Hier liegt auch der Grund, dass sie in unterschiedlichen
Baumaterialien (Gipsplatten und -putze,
Porenbetonsteine, Kühldeckenelemente, Estriche,
Holzwerkstoffe, Spachtelmassen) eingesetzt werden.
Auch in Glasscheiben kann das Material
eingebracht werden. |
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Das Micronal®
PCM ist ein Phasenwechselmaterial, das
bei einer Raumtemperatur bei 21 °C, 23 °C oder 26 °C
einen Phasenwechsel von fest nach flüssig vollzieht. Dabei
werden sehr große Mengen an Wärme gespeichert. Das Material
enthält im Kern der Mikrokapsel (ca. 5 µm)
ein Latentwärmespeichermaterial aus einer
speziellen Wachsmischung. Diese nimmt bei einem
Temperatur-anstieg über eine festgelegte Temperaturschwelle
(21 °C, 23 °C oder 26 °C) die überschüssige
Wärmeenergie der Raumluft auf und speichert diese im Phasenwandel.
Wenn die Temperatur unter die Temperaturschwelle absinkt gibt die
Kapsel diese gespeicherte Wärmeenergie wieder ab. |
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30 kg
Micronal® PCM bieten etwa 1 kWh
Speicherleistung. |
- 26 °C
für den sommerlichen Überhitzungsschutz
(z.B. in Dachgeschossen oder für die passive
Anwendung in warmen Regionen)
- 23 °C
für die Stabilisierung der Raumtemperatur
im Komfortbereich, dadurch häufige Nutzung des
PCM-Effektes. Wichtigstes Produkt für aktive
und passive Anwendungsfälle.
- 21 °C
für die Nutzung in Flächenkühlsystemen
|
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Die Beladung
des Speichers findet eigenaktiv
statt. Die Entladung des Speichermaterials kann
durch die natürliche Luftbewegung, durch eine
mechanische Lüftung oder durch regenerative
oder konventionelle Kühlkonzepte
erfolgen. |
| |
Das Micronal®
PCM kann in unterschiedlicher Form in die Baustoffe
integriert werden. Die Mikrokapseln
(BASF Micronal® PCMDispersionen) können in
flüssiger
Form in Wasser dispergiert oder in
pulverförmiger
Form in Baustoffen (trockene Fertigmischungen
z. B. Gips- oder Zementmörtel) gemischt werden.
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Wirkungsweise |
Anwendung
als Putz |
Quelle:
BASF SE |
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| Beispiel 1 |
Das regenerative
Kühlkonzept mit Kühldecken des Gebäudes
basiert auf der regenerativen Kühlung durch Erdwärmesonden,
deren Kühlwasser im Kreis durch die Kühldeckensegel gepumpt
wird. Die Regeneration des PCM erfolgt somit durch Wasser als Energietransportmedium
und ist unabhängig von den nächtlichen Temperaturen. Die
Gebäudemasse wird durch Nachtauskühlung
mit automatischen Fensteröffnungen zusätzlich entladen.
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| Regeneratives
Kühlkonzept mit Kühldecken |
| Quelle:
Dipl.-Ing. (FH) Marco Schmidt, BASF SE |
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| Tagsüber
erfolgt die Kühlung
des Gebäudes durch stille Kühlung
über die Kühlsegel. Das PCM darin
stellt im Bedarfsfall (bei unzureichender
“just-in-time” Kühlleistung)
weitere Kühlreserven zur Verfügung
und dämpft die Spitzenlast ab. Die Lüftungsanlage
ist im Sommerfall nur für
den hygienischen Luftwechsel
zuständig und übernimmt im Winterfall
die Luftführung für die Wärmerückgewinnung.
Die Fußbodenheizung
wird betrieben mit Abwärme
aus der Produktionshalle, welche sich an das
Gebäude anschließt. Alle konventionellen
Kühlaggregate konnten entfernt werden.
Quelle: BASF SE |
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| Beispiel 2 |
Micronal®
PCM stellt die Grundlage für viele intelligente
und energieeffizient Systemlösungen dar. Ein Beispiel
sind die fertig integrierten Kühldeckenelemente
der Firma Ilkazell aus Zwickau. Abgeleitet aus der Sandwichtechnologie
(Metalloberfläche / PURHartschaum-Dämmung / Metalloberfläche)
wurden hocheffiziente Kühldeckensegel entwickelt, die
im einfachen Plug-and-Play an bestehende Wasser-Kühlkreisläufe
angeschlossen werden können. Dabei wurde eine Metalloberfläche
durch eine PCM Gipsbauplatte ersetzt. Kapillarrohrmatten
befinden sich auf der Rückseite der zum Raum hin orientierten
PCM Schicht. Somit wird Wasser als Wärmeträger verwendet.
Man wird hierdurch unabhängig von Lufttemperaturen und
die Entladeleistung steigt erheblich. Über Strahlungsaustausch
mit dem darunter befindlichen Raum wird überschüssige
Wärme entzogen – bei höchstem Komfort.
Die Kombination mit PCM in der Decke eröffnet die Möglichkeit
auf regenerative Kälte zurückzugreifen, die nicht
immer dann zur Verfügung steht, wenn die Kühlung
gerade gebraucht wird. Die zeitliche Entkopplung von Wärmeanfall
und Wärmebehandlung wird dabei vom PCM geleistet. |
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| Kühldeckenelement
mit PCM-Gipsbauplatte |
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Frei
hängende Kühldecken-Segel / Wärmebild
der aktiven Kühldecke |
Quelle:
Ilkazell Isoliertechnik GmbH |
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Die Kühlelemente
sind relativ leicht und können sowohl im
Neubau als auch in der Sanierung eingesetzt werden.
Dort können sie u. U. eine Betonkernaktivierung
ersetzen. Sie können deckenintegriert
oder frei hängend montiert werden. |
Die IR-Thermografie
zeigt die Funktion der Kühlflächen.
Ca. 50 W/m² werden dem Raum entzogen. Dies
ist ausreichend für die üblichen Lastfälle
in Büroanwendung. Gerade wenn man in Betracht
zieht, dass Energieeffizienz auch Reduktion von
thermischen Lasten mit ins Konzept einschließen
muss, sind bisher übliche 70 W/m² -
und mehr - nicht mehr zeitgemäß. Der
Anteil an PCM in den raumseitigen PCM-Gipsbauplatten
reicht theoretisch für 2 Stunden Volllast
ohne Kühlungsunterstützung. Liegt nur
eine Teillast an, reicht die Wärmespeicherkapazität
der Kühldecke entsprechend länger. Damit
sind die Ilkazell-Kühldeckenelemente herkömmlichen
Metallkühldecken ohne Speicherfähigkeit
deutlich überlegen – denn diese müssen
immer “just-in-time” kühlen.
Selbst eine Art "Notlaufeigenschaft"
im Leichtbau lässt sich realisieren. |
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An vielen
Tagen im Jahr kann die Kühlung damit komplett entfallen,
da das PCM die anfallende Wärme aufnimmt
und in die Nacht verschiebt. Die nächtliche
automatische Fensteröffnung sorgt dann
für eine Entladung des PCM und des restlichen
Gebäudekörpers. Jede kWh, die nicht mit Kühleinrichtungen
behandelt werden muss, ist reale Einsparung und CO2-Reduktion.
Im diesem Fall resultiert ein "vollklimatisiertes"
Bürogebäude mit einem Primärenergieverbrauch
von nur 54 kWh/m²a. Ein klarer Beweis, dass sich integrierte
Konzepte schlussendlich rechnen. Quelle:
BASF SE |
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Der
PCM-Porenbeton
Dämmleistung und Masse |
Quelle:
BASF SE |
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Höchste Wärmespeicherkapazität im
Porenbeton: Durch den Einsatz eines
latenten Wärmespeichers wird
mit gleichen Wandstärken doppelte Wärmespeicherkapazität
erreicht. Im realen Anwendungsfall wird darum eine
gleich bleibendere Oberflächentemperatur erreicht,
als es mit einem auf die Spitze getriebenen Lambda-Wert
alleine möglich wäre.
Außerdem steigt das Energieniveau der Wand,
was auch zu erheblichen Einsparungen an Heizenergie
führt. Dies wurde u. a. mit der dynamischen Gebäudesimulation
"PCMexpress“ nachgewiesen. Quelle:
BASF SE
Wassergestützte
Latentwärmespeicher in Putz- und Dünnestrichsystemen
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| National
Gypsum ThermalCORE mit Micronal PCM |
Quelle:
BASF SE / National Gypsum |
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National
Gypsum ThermalCORE mit Micronal
PCM absorbiert und speichert die Wärme
während des Tages und kühlt dadurch
den Raum und gibt die Wärme in den kühleren
Abendstunden bei absinkender Temperatur wieder
ab. |
Die
Platten werden wie
normale Gipskartonplatten verarbeitet und montiert
und sorgen für eine zusätzliche
thermische Masse, die in der Regel
in herkömmlichem Leichtbau nicht vorhanden
ist. Die Paneele erfordern eine Spachtelung
und Dekoration ähnlich der Standard-Gipskartonplatten.
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PCM zur passiven Klimatisierung
Dieses PCM funktioniert wie ein Wärmespeicher.
Das Speichermaterial besteht aus Salzhydrate,
die im Gegensatz zu Paraffinen nicht brennbar
sind. Sie sind somit ideal für den Einsatz in
Gebäuden mit höheren vorbeugenden Brandschutzanforderungen.
Wenn dem Material (Deckenpaneele)
Wärme zugeführt wird, ändert sich bei
Erreichen der Schmelztemperatur der Aggregatzustand
von fest zu flüssig. Im umgekehrten Phasenwechsel
wird die gespeicherte Wärme wieder abgegeben.
So lassen sich Temperaturschwankungen glätten
und Wärmespitzen verhindern,
ohne dass Energie zum Kühlen eingesetzt werden
muss. |
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| DELTA®-COOL
Board |
| Quelle:
Dörken GmbH & Co. KG |
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| PCM Warmluftspeicher |
Zunehmend werde
Energiespeicher (Latentspeicher) aus PCM
Materialien hergestellt. In diesem wird die thermische
Energie verborgen, verlustarm und mit vielen Wiederhohlzyklen
über lange Zeit gespeichert. |
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PCM
Materialien haben festgelegte Temperaturgrenze
an denen Sie schmelzen. Die Nutzung
eines Phasenübergangs ist für
die Energiespeicherung dabei wesentlich
effektiver als das bloße Erwärmen eines Mediums.
Die Zustandsänderung der Speichermaterials für
die Energiespeicherung sollte im Bereich zwischen 25
- 35 °C liegen. |
Der Speicher wird im Wohnraum
(beheizte Gebäudehülle) betrieben, um unnötige
Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten.
Wenn wir uns nun unsere Wohnraumtemperatur ansehen,
liegt diese zwischen 18 und 22 °C. Wenn der Speicher
entladen wird, kühlt das geschmolzene PCM ab
und gibt die Wärme an die durch den Speicher
strömende Luft ab. Hierzu ist eine Temperaturdifferenz
von einigen Grad (Kelvin) erforderlich. Wenn nun die
Wohnraumtemperatur auf ca. 17 °C absinkt, so soll
diese abgekühlte Raumluft automatisch durch den
Speicher transportiert und wieder auf ca. 22 °C
erwärmt werden.
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Hierbei behält
der Speicher solange seine Temperatur von z. B. 27 °C
(gewählte Schmelztemperatur des PCM Materials)
bis alle gespeicherte Energie an die Luft abgegeben
das PCM wieder vollständig erstarrt ist –
der Speicher ist entladen. |
Eine elektronische
Regelung sorgt dafür, dass der Speicherlüfter
erst dann seinen Betrieb startet, wenn die Raumtemperatur
unter eine voreingestellte Temperaturgrenze sinkt. Zur
Ladezyklenoptimierung werden leise
und leistungsfähige Walzenlüfter und eine
elektronische Steuerung aus dem Solarbereich verbaut. |
Bei diesen geringen
Wärmeunterschieden von 5 - 7 K spielt auch die
Eigenabkühlung des PCM keine wesentliche Rolle,
zumal die Energie nicht verloren geht, sondern auch
zur Raumerwärmung mit beiträgt. Die Eigenabkühlung
ist aber so gering, dass am nächsten Morgen der
Speicher noch immer eine Kapazität von ca. 80%
hat, wenn die gespeicherte Wärme nicht abgerufen
wurde. Quelle: Trubadu.de |
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Die passive solare
Architektur ist nicht neu, sie wird in allen Teilen der
Erde schon seit Jahrtausenden angewandt. Ein Beispiel
mag das antike Griechenland vor rund 2.500 Jahren geben, das damals
ebenfalls in einer Energiekrise steckte. Als Lösung für
das Problem des immer knapper und teurer werdende Brennholzes wurde
die verglaste Südfläche mit weitüberstehendem Vorbau
entwickelt. Sokrates beschrieb dies so: "In Häuser, die
nach Süden blicken, dringt die Sonne im Winter durch die Vorhalle
bis in die Wohnräume vor und wärmt sie. Im Sommer jedoch
hält das Dach der Vorhalle die Sonne ab und spendet kühlenden
Schatten." mehr > hier
ein paar Beispiele Quelle:
Buch der Synergie - Achmed A. W. Khammas |
| Ein Beispiel ist das Heliotrop-Haus |
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| Heliotrop® |
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| Holzkonstruktion
des Heliotrop |
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| Drehkranz |
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Heliotrop-Solarpanel |
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| Heliotrop-Haus |
| Das
Hauskonzept entspricht dem Prinzip der Sonnenblume.
Diese Blume dreht ihre Blütenköpfe und Blätter
nach dem Sonnenstand von Osten nach Westen. Die Frucht
bleibt in der Oststellung stehen. |
| Dem
drehbaren Solarhaus Heliotrop®
liegt die Idee zugrunde ein Gebäude zu konstruieren,
das höchsten Ansprüchen an Architektur und
Umweltschutz genügt und dennoch ohne lästige
Einschränkungen seinen Bewohnern exklusiven Wohnkomfort
bietet. |
| Das
Heliotrop® ist nicht nur ein architektonisch außergewöhnliches
Wohn- und Geschäftshaus, es repräsentiert
vielmehr ein Konzept, das in jeder Hinsicht so ressourcenschonend
wie möglich vorgeht. Erstmals wurde der zukunftsweisende
Plusenergiehausstandard zu einem einzigartigen Wohnerlebnis
komponiert. |
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| Das
Grundgerüst des Hauses, das aus
Fichten-Brettschichtholz besteht, windet
sich in einer Höhe von 6 m zylinderförmig
um eine 14 m hohe, tragende Zentralsäule, in der
die Elektrostationen untergebracht sind. Die Räume
sind über eine Wendeltreppe an der Zentralsäule
zu erreichen. |
Die
Wohn- und Arbeitsräume sind umlaufend, ansteigend
in einer 18-eckigen Spiralkonzeption angeordnet und
sind so alle miteinander verbunden. Die optimale Ausrichtung
nach dem Sonnenstand wird durch einen Drehkranz mit
Schwenklager und einem Elektromotor möglich. Eine
passive Kühlung kann bei Bedarf
durch das Drehen der großen Glasflächen des
Hauses aus der Sonne erfolgen. |
Auf
der zentralen Säule ist über der Dachterrasse
ein zweiachsig nachgeführtes Fotovoltaik-Solarkraftwerk
angebracht, das fünf bis sechsmal soviel Strom
erzeugt, als im Haus selbst verbraucht wird. Dadurch
wird es zu einem Plusenergiehaus. Durch
die Konstruktion des Hauses wird das Haus durch die
Sonne, Vakuumröhren-Kollektoren
und einem Erdwärmeaustauscher
beheizt und Trinkwasser erwärmt. Hierzu kann auch
ein Pufferspeicher eingesetzt werden. |
Dass
in diesem Haus auch die Abfälle und Fäkalien
kompostiert und das Abwasser durch eine Teichklärung
wiederverwendet werden, ist wohl auch eine Selbstverständlichkeit. |
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