Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden

450 Pages·1997·17.874 MB·German

by  Andreas Wagner (auth.), Dr.-Ing. Armin Marko, Dipl.-Ing. Peter Braun (eds.)

A. Marko, P. Braun (Hrsg.)
Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Achim Marko · Peter Braun (Hrsg.)
Thermische
Solarenergienutzung
anGebäuden
Mit 203 Abbildungen
Springer
Dr.-Ing. Armin Marko
Robert Bosch GmbH
FV/FLC-E
Postfach 106050
70049 Stuttgart
Dipl.-Ing. Peter Braun
+
Kpp ingenieur bauentwicklungsgesellschaft mbH
Ferdinand-Lasalle-Str. 6
04109 Leipzig
Die Deutsche Bibliothek -CIP-Einheitsaufnahme
Marko, Achim: Thermische Solarenergienutzung an Gebäuden 1 Achim Marko ; Peter Braun -
Berlin ; Heidelberg ; New York ; Barcelona; Budapest ; Hongkong ; London ; Mailand ; Paris;
Santa Clara ; Singapur ; Tokio: Springer, 1997
ISBN 978-3-642-63857-2 ISBN 978-3-642-59120-4 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-59120-4
NE: Braun, Peter [Hrsg.]
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@ Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1997
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1997
Softcover reprint ofthe hardcover 1st edition 1997
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Vorwort
Der Mensch, die sogenannte "Krone der Schöpfung", ist aufdem besten Weg,
sich selbst die Lebensgrundlage seiner Existenz zu entziehen. Durch die mas
sive Ausbeutung fossiler Energiequellen und ihrer Verbrennung werden wir
bereits innerhalb der nächsten zwei bis drei Jahrzehnte die Grenzen unseres
Wirtschaftssystemszuspürenbekommen,daswesentlichaufdemGrundpfeiler
"Energie" aufgebaut ist.
Neben den Möglichkeiten der rationellen Energieverwendung und dem
schlichten Energiesparen ist die Nutzung der Solarenergie daher in den kom
menden Jahrzehnten aus ökologischen Gründen notwendig. Für die nächsten
Jahre gilt jedoch, daß sich die Solarenergiennutzung nur dann durchsetzen
wird, wenn dies politisch gewollt wird und sich dieser Wille in den ökonomi
schen Rahmenbedingungen, z.B. durch Einführung einer Energie- oder CO2
Steuer niederschlägt. In diesem Fall ist mit einer sehr schnellen Durchsetzung
solarer Techniken auf dem Markt zu rechnen.
Das größte und wirtschaftlich interessanteste Potential der solaren Energie
nutzung liegt in der Erzeugung von Wärme für den Niedertemperaturbereich,
wie er typischerweise in Gebäuden für Beheizungs- und Warmwasserzwecke
benötigt wird. Diese Form von Energie macht zur Zeit knapp die Hälfte un
seres gesamten Nutzenergieverbrauchs aus, kann andererseits aber mit relativ
einfachen Mitteln aus Sonnenenergie gewonnen werden. Schon heute trägt die
Sonne unbewußt zu einem erheblichen Teil zur Deckung des Energiebedarfs
unserer Gebäude bei: jedes Fenster gewinnt Energie in Form von Wärme und
Tageslicht aus der Sonne.
Die erweiterte und gezielte Nutzung der Solarenergie unterliegt allerdings
anderen Rahmenbedingungen als wir sie im Umgang mit den bisherigen, fos
silen "Energiequellen" gewohnt sind: Die Solarenergie ist eine nach menschli
chem Ermessen unbegrenzte Energiequelle, hat aber den Nachteil des zeitlich
schwankenden Flusses natürlicher Quellen. Die fossilen "Energiequellen" da
gegen sind in Wirklichkeit begrenzt vorhandene Energiespeicher mit hoher
Energiedichte. Das Aufbrauchen eines Speichers ist jedoch einfacher als die
direkte Nutzung der Energiequelle Sonne.
Andere Rahmenbedingungenerfordernandere Techniken,welchezusätzlich
zu den bisherigen erlernt werden müssen. Die Einbindung neuer Lehrinhalte
in die Berufsausbildung dauert jedoch lange und das neue Wissen erreicht
zunächst nur den Auszubildenden bzw. Studierenden. Hier ist ein schnellerer
und direkter Weg erforderlich.
Das Fraunhofer-Insititut für Solare Energiesysteme erarbeitete deshalb zu
sammen mit nationalen und internationalen Partnern Seminare über die An-
VI Vorwort
wendung solarer Technologien, gedacht zur Weiterbildung von Ingenieuren,
Architekten und dem Handwerk. Diese Bemühungen wurden motiviert durch
das Bildungsprogramm COMETT der Kommission der Europäischen Union,
welches aufeine Intensivierung des Technologietransfers zwischen Forschung
und Wirtschaft abzielte.
Mit dieser Unterstützung wurde es ermöglicht, neben einer internationa
len Seminarreihe auch qualitativ hochwertige Seminarunterlagen zu erstel
len. So entstand in Zusammenarbeit mit ausgewählten europäischen Experten
die Vorlage zu diesem Buch. Zunächst nur als Begleitmaterial gedacht, zeigte
die Nachfrage, daß diese ursprünglich nur einfach gebundene Materialsamm
lung auch als eigenständiges Lehr- und Nachschlagewerk benötigt wird. Dank
der privaten Bereitschaft der Beitragenden wurde deshalb das ursprüngliche
Seminar-Begleitmaterial neu überarbeitet und in der hier vorliegenden Form
zusammengefaßt.
Das Buch ist der thermischen Nutzung der Solarenergie im Gebäudesektor
gewidmet,wobeiauchdie Tageslichtnutzungeinbezogenwird. Diephotovoltai
sche Nutzung der Sonne wird in anderen, vom Fraunhofer-Institut für Solare
Energiesysteme unterstützten Seminaren behandelt.
Im ersten Teil dieses Buches werden die passive Solarenergienutzung und
die Solararchitektur behandelt, wobei neben innovativen Gebäudekomponen
tenauchwichtige und notwendigekonventionelleTechnikenvorgestellt,erklärt
und diskutiert werden. Der zweite Teil des Buches behandelt die aktive So
larenergienutzung, dabei insbesondere solarthermische Kollektorsysteme zur
Warmwasserbereitung und Heizungsunterstützung. Ausgehend von den Defi
nitionen und der technischen Beschreibung von Kollektoren werden die ver
schiedensten Anwendungsfelder solarthermischer Anlagen angeführt und die
Problemfelder erläutert. Zusätzlich werden im vorliegenden Buch auch Luft
kollektoren und solarthermische Kühlung behandelt.
Die Inhalte der einzelnen Kapitel bauen aufeinander auf. Um sie trotzdem
eigenständig lesbar und verständlich zu halten, wurden bewußt einige Wieder
holungen zugelassen.
An dieser Stelle möchten wir uns bei allen Autoren der Einzelbeiträge für
ihre Mitarbeit bei der Erstellung des Buches herzlich bedanken. Sie waren
der wesentliche Grundstein für den Erfolg. Und natürlich gilt unser Dank
auch allen Mitarbeitern des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme,
die durch wertvolle Hinweise, das Beitragen neuer Gesichtspunkte und nicht
zuletzt durch das Korrekturlesen zum Zustandekommen dieses Buches beige
tragen haben.
Freiburg, im Juli 1996 Armin Marko
Peter O. Braun
Inhalt
Teil I: Passive Solarenergienutzung, Hrsg.: Peter O. Braun
I Klimatische Parameter und ihre Bedeutung für die Planung
von Andreas Wagner .
1.1 Allgemeine Aspekte zu klimatischen Größen und zur
klimabewußten Planung 1
1.2 Solarstrahlung 4
1.3 Lufttemperatur 9
1.4 Wind 11
1.5 Verfügbarkeit von Klimadaten und einfache
Planungshilfsmittel 13
Literatur 16
2 Grundlagen passiver Solarenergienutzung
von Anne Grete Hestnes 17
2.1 Der Energieverbrauch in Gebäuden . 17
2.2 Thermische Behaglichkeit . . . . . . 18
2.3 Grundstücksauswahl bei der Solarenergienutzung 20
2.4 Strategien zur passiven Beheizung von Gebäuden 22
2.5 Passive Kühlungsstrategien 30
2.6 Kombinationsmöglichkeiten . 33
3 Fenster und Verglasungen
von Werner J. Platzer 37
3.1 Spektrale Eigenschaften und Energieeffizienz 37
3.2 Quantitative Charakterisierung von Fenstern 39
3.3 Glasarten . 43
3.3.1 Floatglas . 43
3.3.2 Transparent selektiv beschichtetes Glas 43
3.3.3 Streuende Gläser . 48
3.3.4 Optisch schaltbare Gläser . 49
3.4 Scheibenzwischenraum der Verglasungseinheit 54
3.4.1 Gasfüllungen . 54
3.4.2 Kunststoffolien . 55
VIII Inhalt
3.5 Transparente Wärmedämmaterialien (TWDM) . 55
3.5.1 Kleinzellige Waben- und Kapillarstrukturen aus Kunststoff 55
3.5.2 Glaskapillaren . . . . . . . . 57
3.5.3 Aerogel . 59
3.5.4 Zusammenfassung . 61
3.6 Randverbund einer Verglasungseinheit 63
3.6.1 Allgemeine Überlegungen 63
3.6.2 Der Randverbund . 64
3.7 Rahmenkonstruktion 66
3.7.1 Holzrahmen 66
3.7.2 Aluminiumrahmen 66
3.7.3 Kunststoffrahmen . 68
3.7.4 Zusammenfassung Rahmen 69
3.8 Beispiele neuer Fensterprodukte 69
3.8.1 Verglasungen mit Kapillareinlage . 69
3.8.2 Verglasungen befüllt mit granularem Aerogel 70
3.8.3 HIT-Fenster 71
3.9 Schlußfolgerungen 73
Literatur 74
4 Wärmeschutz
von Friedrich W. Grimme 77
4.1 Wärmeschutz, Feuchteschutz und Wärmespeicherung 77
4.2 Wärmeschutz opaker Bauteile 79
4.2.1 Wärmeleitfähigkeit . 79
4.2.2 Wärmedurchlaßkoeffizient 82
4.2.3 Wärmedurchlaßwiderstand 83
4.2.4 Innere und äußere Wärmeübergänge 83
4.2.5 Wärmedurchgangskoeffizient 84
4.3 Raumklimabeeinflussung durch opake Bauteile 86
4.3.1 Wärmeeindringkoeffizient . 86
4.3.2 Auskühlverhalten . 87
4.3.3 Verhalten bei instationären Wetterbedingungen 88
4.4 Beispiele . 92
4.4.1 Monolithische Konstruktionen 92
4.4.2 Mehrschichtige Konstruktionen 93
4.4.3 Wärmebrücken 94
4.5 Resümee 98
Literatur 100
Inhalt IX
5 Transparente Wärmedämmung von Gebäudefassaden
Wärme, Licht und Komfort von der Sonne
von Peter O. Braun . 101
5.1 Die Gebäudewand als Solarsystem . 101
5.U Was bedeutet: Transparente Wärmedämmung? 101
5.1.2 Wie funktioniert eine Transparente Wärmedämmung? 103
5.1.3 Der Einsatzbereich Transparenter Wärmedämmaterialien 104
5.2 Trombe-Wand kontra Fenster: wo liegen die Vor- und
Nachteile . 105
5.2.1 Passive Massivwand (Trombe-Wand Prinzip) 106
5.2.2 Aktive Wandsysteme .. . 106
5.2.3 Direktgewinnsystem - Tageslichtnutzung . 107
5.3 Physikalische Beschreibung . 107
5.4 Simulationsprogramme . 109
5.5 Komponenten eines passiven TWD-Systems 109
5.6 Demonstrationsprojekte - eine Auswahl 111
5.6.1 Sanierung eines 8-Familien-Wohnhauses mit TWD 112
5.6.2 Energieautarkes Solarhaus, Freiburg . 115
5.6.3 Sanierung einer Gründerzeit-Villa als neuer Geschäftssitz der
Internationalen Solarenergie Gesellschaft (lSES). 116
5.6.4 Bürogebäude in Düsseldorf 118
5.7 Solarenergiegewinne 119
5.8 Zusammenfassung 120
Literatur 121
6 Tageslichtnutzung (Daylighting)
von Friedrich Sick . 123
6.1 Tageslichtnutzung und Gebäudeenergiebedarf 123
6.2 Einflüsse auf Energie und Komfort im Gebäude 124
6.2.1 Die exergetische Bedeutung des Tageslichts 124
6.2.2 Blendungsbegrenzung und visueller Komfort 126
6.2.3 Kunstlichtregelung . 127
6.3 Tageslichtkonzepte, -komponenten und -systeme 128
6.3.1 Konzepte der Gebäudegeometrie 128
6.3.2 Passive Lichtlenkung . 130
6.3.3 Aktive Lichtlenkung . . 136
6.4 Tageslichttechnische Planung . . . . . . . 138
6.4.1 Modelluntersuchungen unter freiem und künstlichem Himmel 138
6.4.2 Überblick über Berechnungsmethoden 138
6.4.3 Software-Beispiele . 140
6.5 Nomenklatur der Lichttechnik 141
x
Inhalt
6.5.1 Beschreibung des Raumwinkels . 141
6.5.2 Photometrische und strahlungsphysikalische Größen 142
6.6 Tageslichtangebot . 145
6.6.1 Die Lichtausbeute des Tageslichts . 145
6.6.2 Sonnenstandsabhängige Beleuchtungsmodelle 146
6.6.3 Leuchtdichteverteilungen des Himmels 147
Literatur 151
7 Solararchitektur
von S. Robert Hastings . 153
7.1 Solararchitektur von damals bis heute 153
7.2 Voraussetzungen 153
7.2.1 Multi-Funktionalität 153
7.2.2 Klima . . 154
7.2.3 Solararchitektur und Gebäudetypen 154
7.3 Planung . 155
7.3.1 Siedlungen . 155
7.3.2 Zonierung nach Nutzung 156
7.3.3 Infrastruktur . 157
7.4 Form . 157
7.4.1 Trendwende im 20. Jahrhundert 158
7.4.2 Verlust minimieren oder Gewinn optimieren 158
7.4.3 Optimierung des Querschnittes 158
7.5 Raum . 160
7.5.1 Direktgewinn-Räume . 160
7.5.2 Pufferräume 161
7.5.3 Kollektor-Räume 161
7.6 Komponenten 162
7.6.1 Fenster 163
7.6.2 Kollektorfassaden und -dächer 165
7.6.3 Speicherelemente 167
7.7 Materialien 168
7.7.1 Optische Wahrnehmung . 168
7.7.2 Thermische Wahrnehmung 169
7.7.3 Taktile Wahrnehmung 170
7.7.4 Akustische Wahrnehmung 170
7.8 Schlußbemerkungen 171
Literatur 171