Sparsame Nutzung externer Energiequellen 4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen

4. Sparsame Nutzung externer Energiequellen 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

4.1 4.10 Energie im Haushalt

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

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

88 % Einsparung durch effiziente Energienuzung Endenergie in [ kWh/(m2a)] 210 kWh /(m2a) 10.5 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 W.Feist: „Energie im Haushalt“, in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002), Tab 5.3-1;p816

Bauphysik - Wärmeschutz 4.11 Bauphysik - Wärmeschutz Das Wichtigste in (für Physiker angemessener) Kürze J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859

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

Wärmetransport durch Wände 4.111 Wärmetransport durch Wände J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859

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 =  Rn ; „U“ = 1/ R U = „Wärmedurchgangskoeffizient“ J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-2,p.842

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: U-Wert von Außenwand siehe PHHP2002 Programm- Blatt U-Wert U-Wert von Außenwand U-Wert von Dach etc.

nur zur Vollständigkeit Wärmespeicher Analogie : Wärmespeicher ~ el. Kapazität QS = ρ *cp*Volumen ~ C = ε0 ε * A/d Kapazitiver Blindstrom: I = - jω QS * T(ω) ~ I = - jω*C *U(ω) In einem homogenen Materialstück ist Leitfähigkeit und Speicherfähigkeit verteilt. Analogie zur Mikrowellentechnik mit einer „induktionslosen (!)“ Leitung. 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 J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859

Edelgas IR- Reflexschicht Wärmetransport durch Fenster: Ersatzschaltbild IR- Reflexschicht Edelgas Wärmeschutzverglasung mit Widerstands- Ersatzschaltbild: Rs = Strahlungswiderstand RL = Wärmeleitungs- Widerstand Ra = 1/ alpha_a = äußerer Wärmeübergangswiderstand Ri = 1/ alpha_i = innerer Wärmeübergangswiderstand ggg U -Wert des Fensters in W/(m2K) J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-5,p.845

U -Wert und Scheibenabstand d bei versch. Füllgasen Luft Ar Kr Xe U -Wert von Zweischeibenverglasungen mit IR-Beschichtung ( = 0,05) mit verschiedenen Füllgasen als Funktion des Scheibenabstands d . Füllungen: (...) Luft (-) Argon (---) Krypton, (- .-) Xenon J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-6,p.845

Sonnenstrahlung, Augenempfindlichkeit und Wärmestrahlung Terrestrisches Spektrum der Sonnenstrahlung für AM 1,5 , Hellempfindlichkeitsgrad des Auges und Schwarzkörperstrahlung bei T = 10°C J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-7,p.846

Optische Eigenschaften einer Spezial-Glasscheibe Reflexions- grad Transmissions- grad Metallisch beschichtete 4 mm dicke Glasscheibe mit hoher Transmission im sichtbaren und solaren Bereich sowie mit hohem Reflexionsgrad (= niedrigem Emissionsgrad) im IR . J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859, Abb. 5.4-7,p.846

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

hLW = Luftwechsel-Rate Rechenwert für jährliche Lüftungs-Wärmeverluste Jährliche Lüftungswärmeverluste nach WSchV 1995 : qL = 28.56 * V * hLW in [kWh] L = 28,56 [ kWh / (m3 / h) ] hLW = Luftwechsel-Rate Grobe NebenRechnung: L = r * cp * Heizgradstunden 1,3 [kg/m3] * 1000 /3600 [Wh/(kg*K)] * 79 000 [Kh] = 28,53 [ kWh / (m3/h) ] J.Fricke und A.Beck: „Bauphysik, Wohnen und Energieeinsatz“ , in E.Rebhan(Hrg.) Energiehandbuch (2002) ; p.839-859; p.854

Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung Schematische Darstellung einer 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

Instationärer Heizbetrieb 4.114 Instationärer Heizbetrieb 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

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

Zukunftsorientierte Gebäudekonzepte 4.12 Zukunftsorientierte Gebäudekonzepte aktuell verfügbar und sogar wirtschaftlich: Niedrigenergiehaus ( NEH ) Passivhaus (PH ) technisch möglich: NullHeizenergiehaus, Nullenergiehaus

Endenergiebedarf von Wohngebäuden mit therm.Solaranlage Werte beziehen sich auf Einfamilienhäuser. Der externe Energiebedarf von Wohngebäuden (Endenergie) unterschiedlichen Standards im Vergleich. Anmerkungen _> Luther, J. und Voss,K.: „Solares bauen-Neue Märkte und Konzepte“ ; Abb.1; p.62; inFVS Themen 2000;p.62-71

Anmerkungen zu Endenergiebedarf von Wohngebäuden: 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. 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

Das Niedrigenergiehaus (NEH) Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von Niedrigenergiehäuser beträgt unter 70 kWh/(m2a) (Jahresheizwärmebedarf bezogen auf die Wohnflache). Dies kann erreicht werden durch: guten Wärmeschutz, Wärmeschutzverglasungen und eine kosten-günstige Abluft -Lüftungsanlage Solch ein Niedrigenergiehaus benötigt aber noch eine konventionelle warmwasserführende Heizanlage: Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

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

Das Passivhaus (PH) Def.: Der Energiekennwert Heizwärme von Passivhäusern beträgt unter 15 kWh/(m2a) (Jahresheizwärmebedarf bezogen auf die Wohnflache). 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. Quelle: Feist, W.: „Passivhäuser-Behaglichkeit ohne Heizung“; in 1Passivhaustagung-1996; p.29-40;p.29

PH braucht keine konventionelle Heizungsanlage mehr: 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

Gegenüberstellung der Wärmebilanzen bei NEH und PH 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. Quelle: W. Feist: Gestaltungsgrundlagen Passivhäuser, (2001), Abb.3, p.

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

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