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

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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 Energiedienstleistungen im Haushalt W.Feist: Energie im Haushalt, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Springer Verlag; p

5 W.Feist: Energie im Haushalt, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Springer Verlag; p , 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 Das Wichtigste in (für Physiker angemessener) Kürze

8 Exkurs: Einige allgemeinere Worte zur Bauphysik goto: V4.1a_Bauphysik_Uebersicht.ppt V4.1a_Bauphysik_Uebersicht.ppt

9 Wärmetransport durch Wände J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p

10 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p , Abb ,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 Ohmsches und Kirchhoffsche 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, ,040 [ W/(mK)] mit Schwergasfüllung : bis auf 0, ,025 Evakuierte Dämmstoffe : 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 = - 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

14 Wärmetransport durch Fenster J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p

15 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p , Abb ,p.845 Wärmetransport durch Fenster: Ersatzschaltbild gggggg 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 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p , Abb ,p.845 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 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p , Abb ,p.846 Sonnenstrahlung, Augenempfindlichkeit und Wärmestrahlung Terrestrisches Spektrum der Sonnenstrahlung für AM 1,5, Hellempfindlichkeitsgrad des Auges und Schwarzkörperstrahlung bei T = 10°C

18 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p , Abb ,p.846 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 J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p

20 Rechenwert für jährliche Lüftungs-Wärmeverluste J.Fricke und A.Beck: Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p ; 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/(kg*K)] * [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 , Abb ,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 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

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 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 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:

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


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