Technologische Neuerungen

im Bauen und Wohnen

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Dieser Bericht soll dem interessierten Kreis der privaten Bauherrn und Eigentümer Informationen, Tipps und Anregungen geben. Er will und kann Gesetzestexte nicht ersetzen. Bei Rechtsfragen sollten daher immer die zuständigen Behörden oder die allgemein zur Rechtsauskunft befugten Stellen befragt werden. Dort können Sie z.B. auch Ausführungsbestimmungen erfahren, die nicht immer alle dargestellt werden können und die häufig von Bundesland zu Bundesland verschieden sind.

Stand: Mai 2007 Alle Rechte vorbehalten

Technologische Neuerungen im Bauen und Wohnen

Bearbeiter: Projektleiter: Dipl.-Ing. Andreas Rietz, Architekt BDB Wissenschaftliche Mitarbeiter: Dipl.-Ing. Claus Asam Architekt M.A. Abdulla Fakhro Dr.-Ing. Eberhard Helmstädter Dr.-Ing. Roland Herr Dipl.-Ing. Burkhard Kaßner Dipl.-Ing. Dirk Markfort Dipl.-Ing. Heidemarie Schütz Prof. Dr. -Ing. Frank Ulrich Vogdt Mitarbeiter: Jan Legner Doris Meyer

u.a.

Inhalt 1

Einleitung

5

2

Gebäudeentwurf unter Berücksichtigung neuer Entwicklungen

6

2.1

Formale Kriterien an ein komfortables und energetisch effizientes Wohngebäude

2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5

Standort Gebäudeausrichtung Gebäudeform Gebäudezonierung Raumanordnungen

2.2

Funktionale Gestaltungskriterien an ein energetisch effizientes Gebäude

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7

Energiebilanzierung von Gebäuden Energetisches Niveau von Gebäuden Wärmedämmung Luftdichtigkeit in Gebäuden Passive und aktive Sonnenenergienutzung Heizungskonzepte Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung

11 11 12 14 15 16 17 18

3

Neue Baukonstruktionen und Baustoffe

22

3.1

Entwicklung und Tendenzen

22

3.1.1

3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6

Einsparung von fossilen Brennstoffen (insbesondere Erdöl und Erdgas) und Rohstoffressourcen Optimierung von Produktions- und Arbeitsprozessen im Sinne des Wettbewerbs Reinhaltung von Fassaden bzw. Oberflächen Förderung des gesunden Wohnens Innovationstransfer aus anderen Forschungsbereichen Informations- und Kommunikationstechniken

3.2

Neue Baukonstruktionen

3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5

Bauweisen Energiesparendes Bauen Wärmebrückenoptimiertes Bauen Fassaden Tageslicht-Lenksysteme

3.3

Neue Baustoffe

3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 3.3.8

Massivwand-Baustoffe Latentwärmespeicher in Baustoffen Wärmedämmstoffe Abdichtung Materialien mit Selbstreinigungseffekt Materialien mit Luftreinigungseffekt Weitere Innovative Farb- und Putzsysteme Neue Bautenschutzmittel

3.1.2

6 6 8 9 10 10

22 23 23 24 24 24 25 25 32 34 35 42 44 44 45 47 51 51 55 57 58

4

Technische Gebäudeausrüstung

60 60 60 64

4.1

Wärmeversorgung

4.1.1 4.1.2

Wärmeerzeugung (Heizung- und Warmwasserbereitung) Wärmeverteilung und –übergabe

4.2

Lüftungssysteme

4.2.1 4.2.2 4.2.3

Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung Freie Lüftung Steuerung von Lüftungsanlagen

4.3

Stromerzeugung

4.3.1 4.3.2

Öffentliche Stromversorgung Alternative Lösungen zur Stromerzeugung

4.4

Beleuchtung

4.4.1 4.4.2 4.4.3

Energiesparende Leuchten und energieeffiziente Leuchtensysteme Leuchtmittel Leuchtdioden (LED)

4.5

Gebäudeleittechnik (GLT)

4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4 4.5.5 4.5.6 4.5.7 4.5.8 4.5.9 4.5.10 4.5.11

Gebäudeautomation Ebenen der Atomationssysteme Steuersysteme Heizungsregelung Medienkommunikation Beleuchtungssysteme Sicherheitssysteme Welche neuen Möglichkeiten bietet die Gebäudeautomation (GA)? Welche Vorteile ergeben sich durch Nutzung einer Gebäudeautomation? Mit welchen Nachteilen muss man rechnen? Sinnvoller Einsatz im Ein- und Zweifamilienhausbereich – Tendenz für die Zukunft

66 66 67 69 70 70 70 72 72 73 74 76 76 77 78 78 79 79 79 80 80 81 81

5

Ausblick und weiterführende Forschungsansätze 82 für neue Entwicklungen im Bereich Wohnungsbau

5.1

Ausblick

82

5.2

Forschungsprojekte und Förderinitiaven

82

6

Literatur- und Bildnachweis

83

4

Einleitung

1

Einleitung

Aufgrund der Notwendigkeit der Ressourcenschonung - insbesondere von fossilen Energieträgern und der Verringerung von CO2-Emissionen sowie der aktuellen Baugesetzgebung - findet ein Umdenken in ökologischer und ökonomischer Hinsicht statt. Der Bausektor reagiert auf die Anreize mit der Entwicklung von neuen Lösungsmöglichkeiten für energieeffiziente Bauweisen, bessere Wärmedämmmaßnahmen und nachhaltige Energieversorgungssysteme. Ein zunehmender Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnik gestaltet nicht nur das Leben sicherer und einfacher, sondern leistet durch bedarfs- und zeitgerechte Steuerung von Heizungs-, Lüftungs- und/ oder Klimaanlagen einen wesentlichen Beitrag zur Energieeinsparung. Im vorliegenden Bericht werden die Einflüsse neuer Entwicklungen auf die Gebäudegestaltung dargestellt. Weiterhin wird der technologische Entwicklungsstand im Bereich der Baustoffe, Baukonstruktionen und der Gebäudetechnik - im Hinblick auf die Eignung und die Einsatzmöglichkeiten im Wohnungsbau aufgezeigt.

Die vielfältigen Produkte werden in der Praxis zum großen Teil bereits erprobt, finden jedoch im privaten Wohnungsbau meist noch nicht die breite Anwendung. Der Bericht will - neben der reinen Information - Anregungen geben, die technologischen Neuerungen im Wohnungsbau einzusetzen. Auch wenn manche Entwicklungen heute noch unwirtschaftlich sind, können diese, z.B. aufgrund der steigenden Energiepreise, in naher Zukunft wirtschaftlich und im Übergang von der Herstellung in Kleinserie zur Massenproduktion, zukünftig günstiger in der Anschaffung werden. Die z.T. vertiefte Darstellung der neuen Ansätze zum intelligenten Bauen und Wohnen richtet sich an die privaten Bauherren und Eigentümer, aber auch an die Planer von Ein- und Zweifamilienhäusern. Diese werden immer häufiger von ihren Auftraggebern gefordert, einen Überblick über das breite Angebot der technologischen Neuerungen und deren zukünftige Entwicklung geben zu können. Die zusammengefasste Dokumentation dieser Angebote und Entwicklungen soll einen kleinen Beitrag dazu leisten, dass in den - auch für den Fachplaner - nahezu unüberschaubaren Produktangeboten, Entwicklungstendenzen auch für den interessierten Laien erkennbar werden.

5

Gebäudeentwurf - formale Kriterien

2

Gebäudeentwurf unter Berücksichtigung neuer Entwicklungen

Das Erstellen eines Gebäudeentwurfs erfordert die ganzheitliche Betrachtung von Gestalt und Funktion eines Wohngebäudes unter Berücksichtigung der energetischen und technischen Anforderungen und deren Umsetzungsmöglichkeiten. Neue technologische Anforderungen und die Bilanzierung des Gebäudes über den gesamten Lebenszyklus bedingen eine neue Planungskultur. Ziel dabei ist es, ein Konzept für ein energetisch, ökologisch und ökonomisch hochwertiges Wohnhaus kombiniert mit Komfort, einfacher Bedienung und Wartung zu entwickeln. Diese Aufgaben sind nur mit einem integrativen Planungsansatz umzusetzen, da immer das „Gesamtsystem Gebäude“ gesehen werden muss. Eine an diesen Grundsätzen orientierte

2.1

Vorplanungsphase, die alle entsprechenden Einflussfaktoren berücksichtigt, legt die Grundlage für ein ökologisch und ökonomisch effizientes Gebäude. Das Planungsteam trifft in einem iterativen Prozess – unter Hinzuziehung der erforderlichen Spezialisten – schrittweise die Entscheidungen, die zu optimalen Lösungen führen. Die umfassende Bewertung eines Gebäudeentwurfs bzw. der Variantenvergleich über den gesamten Lebenszyklus des Gebäudes ist heute – dank dem Einsatz von EDV- bzw. CAD-gestützten Berechnungen und Unterstützung durch dynamische Gebäude- und Anlagensimulationen – bei vertretbarem Planungsaufwand möglich.

Formale Kriterien an ein komfortables und energetisch effizientes Wohngebäude

2.1.1 Standort Die geschickte Berücksichtigung der an einem Standort vorhandenen Randbedingungen – wie z.B. der natürlichen Ressourcen (Erdwärme etc.) – im Gesamtkonzept des Gebäudes bzw. die Abstimmung des Entwurfs auf diese Randbedingungen, ermöglicht eine Reduzierung des Investitions- und Nutzungsaufwands.

stärkt die Verfügbarkeit moderner technischer Netze für Medien und Kommunikation. Dieser Aspekt gewinnt durch neue Organisationsformen der Berufstätigkeit – Stichwort Homeoffice – zunehmend an Bedeutung.

2.1.1.1 Infrastruktur

Die ökologische Qualität eines Gebäudes definiert sich nicht nur über den Baukörper, die Auswahl der Baukonstruktionen und Baustoffe sowie die Gebäudetechnik, sondern wesentlich auch über den Standort und die Ausrichtung auf dem Grundstück. Letztendlich entscheidet bereits die richtige Auswahl eines Grundstücks über die Potenziale, die im späteren Gebäudeentwurf entwickelt werden können. Eine unverbaubare Lage mit ganzjähriger und ganztägiger Besonnung bietet optimale Bedingungen für eine solare Nutzung und das Wohlbe-

Die Veränderungen auf dem Wohnungsmarkt, die durch den demographischen Wandel entscheidend beeinflusst werden, stellen heute deutlich höhere Anforderungen an die Standortqualität eines Gebäudes. Ein wesentliches Merkmal ist dabei die Einbindung in die regionale Infrastruktur. Neben den bekannten Kriterien – wie z.B. Erreichbarkeit von Bildungs-, Freizeit- und Kultureinrichtungen, Einzelhandelsangeboten und Verkehrserschließung – zählt dazu ver6

2.1.1.2 Sonnenstand, Beschattung durch die Umgebung

Die Anordnung des Gebäudes im Gelände sowie seine Orientierung haben entscheidenden Einfluss auf die Besonnung und Verschattung des Gebäudes insgesamt, aber auch der einzelnen Räume. Da im Sommer die Sonne mittags sehr hoch steht und somit kleine Dachüberstände oder Balkone eine Verschattung der Hauptfassade und damit ihrer Fensterflächen bewirken, ist eine reine NordSüd-Orientierung günstig. Diese wirkt sich auch im Winterfall bei dann tiefer stehender Sonne positiv auf den Wärmegewinn eines Gebäudes aus. Bei einem Ost-West ausgerichteten Gebäude ist eher mit Überhitzung und Blendwirkung zu rechnen, da die Sonne hier vormittags und nachmittags direkt auf die Fassade scheint. Konventionelle außenliegende Verschattungssysteme reichen in der Regel aus, um eine Überhitzung zu vermeiden. Moderne Systeme können dabei über eine verbesserte Lichtlenkung (siehe Kap. 3.1.5 TagesLichtlenksysteme) einen hohen Tageslichtanteil in die Räume bringen.

Gebäudeentwurf - formale Kriterien

finden der Bewohner. Allerdings sind dabei auch die Belange des sommerlichen Wärmeschutzes zu berücksichtigen. Dabei sollten sich natürliche – wie Bepflanzung mit Laubbäumen zur sommerlichen Verschattung – und technische Maßnahmen – wie Dachüberstände oder außenliegender Sonnenschutz – sinnvoll ergänzen.

und Behaglichkeitseinbußen durch Zugerscheinungen zu rechnen ist. Lagebedingte Wärmeverluste können durch eine Ausrichtung des Gebäudes mit weitgehend geschlossenen und luftdichten sowie gut wärmegedämmten Außenwänden zur Hauptwindrichtung vermindert werden. Insofern sollten die mikroklimatischen Verhältnisse des Standortes bei der Planung bekannt sein und einbezogen werden. Gezielt durchgeführte Lüftungsvorgänge dienen zur Einhaltung eines gewünschten Luftwechsels und damit der Erhaltung der Lufthygiene in den Räumen sowie der erforderlichen Ableitung von Feuchte. Dieser Anteil des Lüftungswärmeverlustes ist damit unvermeidbar, kann jedoch mit einem Lüftungskonzept in seiner Größe reduziert werden. Um Lüftungswärmeverluste zu reduzieren, können bei der Fensterlüftung regulierbare Lüftungseinrichtungen oder anlagentechnische Maßnahmen vorgesehen werden (siehe Kap. 2.2.6 Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung). Durch die Anpflanzung von windhemmenden Hecken oder Bäumen in Hauptwindrichtung können die Verluste reduziert werden und gleichzeitig die Aufenthaltsqualität z.B. auf Terrassen oder Balkonen verbessert werden. Andererseits sind gerade für das Klima in innenstädtischen Quartieren zusammenhängende Durchlüftungsschneisen notwendig und bei der übergeordneten Bebauungsplanung zu berücksichtigen.

2.1.1.3 Klima, Windrichtung Erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch hat das Mikroklima des Standortes, also Faktoren wie topographische Lage, Intensität der Sonneneinstrahlung und die Windverhältnisse. Bei windexponierten Gebäuden ist verstärkt auf die Fugendichtigkeit – insbesondere an Bauteilfugen und Fenstern – zu achten, da sonst mit erhöhten Wärmeverlusten

Bild 2.1: Windeinfluß in unterschiedlichen Lagen

2.1.1.4 Bodenbeschaffenheit (Erdwärmenutzung) Der natürliche Wärmehaushalt der oberflächennahen Schichten unserer Erde wird im Wesentlichen durch zwei Effekte beeinflusst: - die Sonneneinstrahlung und - den geothermischen Wärmeeinfluss aus dem Erdinnern.

Bild 2.2: Beschattung durch die Umgebung

7

Gebäudeentwurf - formale Kriterien

Bis in eine Tiefe von ca. 20 m beeinflusst im Normalfall die Sonnenwärme die Temperatur des Untergrundes. Diese Tiefe gilt als atmosphärische Pufferzone. Erdwärme ist also im Boden gespeicherte „Energie von der Sonne“ und in diesem Sinne eine der wichtigsten Formen der erneuerbaren Energien mit einem nahezu unerschöpflichen Energiepotenzial. Im Sommer dringt Wärme ein, im Winter geht Wärme verloren. Insofern könnte man bei der Nutzung der untiefen Geothermie zum Teil auch von passiver, saisonaler Wärmespeicherung sprechen. Je nach Beschaffenheit der Erdoberfläche (Strasse, Fels, Gras, Wald, Schnee) wird ein mehr oder weniger großer Teil der Sonnenstrahlung vom Untergrund absorbiert. Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, da die Temperaturen das gesamte Jahr hinweg mit 7 bis 13 °C (in 2 m Tiefe) relativ gleichmäßig sind. Erdwärme ist ideal nutzbar für die Raumheizung - im Sommer auch für die Raumkühlung - und die Warmwasserbereitung und damit für den größten Anteil des Energieverbrauchs im Wohngebäude.

Horizontal verlegte Erdkollektoren oder vertikal in die Erde eingebrachte Erdsonden fördern die gespeicherte Wärme in einem geschlossenen System mit einem Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (Sole) zum Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe. (Siehe Kap. 4.1.1.3 Regenerative Energieträger.) Die spezifische Entzugsleistung von Erdwärmekollektoren steht in engem Zusammenhang mit der Bodenbeschaffenheit. So wird die höchste Entzugsleistung von Erdwärmekollektoren bei wassergesättigtem Boden erreicht. Vereinfacht ausgedrückt: Die Speichereigenschaften und die Wärmeleitfähigkeit sind um so größer, je mehr der Boden mit Wasser angereichert ist, je höher der Anteil der mineralischen Bestandteile ist und je geringer die Porenanteile sind. Bodenart

Entzugsleistung qE

trocken sandig

10 bis 15 W/m2

feucht sandig

15 bis 20 W/ m2

trocken lehmig

20 bis 25 W/m2

feucht lehmig

25 bis 30 W/m2

Grundwasserführender Boden

30 bis 35 W/m2

Tab. 2.1: Entzugsleistungen für das Erdreich [1]

2.1.2 Gebäudeausrichtung

Bild 2.3: Siedlungsstruktur ausgerichtet in Nord-Südausrichtung (links) und ungeordnet (rechts), nach [2]

Wesentliche Festlegungen hinsichtlich einer sinnvollen Ausrichtung der Gebäude werden bereits mit der Bebauungsplanung vorgenommen. So sollte bereits die Gemeinde bei der Aufstellung des Bebauungsplans die Grundsätze der energiesparenden Optimierung berücksichtigen und den Bauherren und Planern damit die Möglichkeit geben, ihre Gebäude optimal auszurichten. Das bedeutet z. B. auch, dass Verschattungen der Gebäude untereinander ausgeschlossen werden. 8

Ein solarorientierter Bebauungsplan ermöglicht eine effiziente solare Nutzung. Die richtige Ausrichtung eines Gebäudes spielt sowohl für die innere Grundrissorganisation – z.B. hinsichtlich der Belichtung der verschiedenen Gebäudezonen – wie auch für die Nutzung von Solarenergie eine wichtige Rolle. Nach den Grundsätzen der Solararchitektur ist ein Wohngebäude mit seinen Hauptnutzungszonen und Dachflächen nach Süden auszurichten.

Daneben trägt eine effiziente Tageslichtnutzung wesentlich zur visuellen Behaglichkeit bei. Eine verbesserte Tageslichtnutzung kann insbesondere durch architektonische Maßnahmen (Gebäudeorientierung, Fensterflächen, Tageslichtlenkung) und organisatorische Maßnahmen (Aktivitäten mit hohem Lichtbedarf in Fensternähe) erreicht werden. Die integrale Betrachtung und Abstimmung der einzelnen Aspekte in einem Konzept trägt zur optimalen Nutzung bei. Diese Grundsätze stehen einer standortorientierten Bebauungsplanung nicht entgegen, da auch eine unter energetischen Gesichtspunkten optimierte Gebäudeausrichtung zu interessanten Siedlungsstrukturen führen kann. [2]

Gebäudeentwurf - formale Kriterien

Dies gilt für die passive Nutzung über Fensterflächen oder transparente Wärmedämmung sowie die aktive Nutzung über Solarthermie- oder Photovoltaikanlagen. Hier ist für den Ertrag entscheidend, dass ausreichend südorientierte Dachflächen für die Integration der Anlagen zur Verfügung stehen. Eine geringe Abweichung ist dabei zu vernachlässigen.

lichen Zusammenschluss der einzelnen Verbraucher zu einem solargestützten Nahwärmenetz. Eine deutlich verbesserte Ausnutzung des solaren Energieertrages lässt sich in einem solchen Netz durch den Einsatz von LangzeitWärmespeichern (siehe auch Kap. 4.1.1.5 Wärmespeicherung) und damit einer saisonalen Speicherung von solar erzeugter Wärme erreichen. Beispiele für realisierte Anlagen mit Langzeit-Wärmespeicher sind in Friedrichshafen-Wiggenhausen und Hamburg-Bramfeld in Betrieb. Beide Projekte verfügen über Heißwasser-Wärmespeicher in Form eines eingegrabenen wärmegedämmten Betonbehälters. [3]

Die Entwicklung einer auf diese geänderten Randbedingungen angepassten Gebäude- und Siedlungsplanung setzt allerdings eine genaue Kenntnis der Einsatzgrundsätze moderner Technologien und Bauprinzipien voraus. Neben der Anordnung in einem solarisierten Bebauungsplan und der energetischen Optimierung der einzelnen Gebäude, stehen in einem nächsten Schritt zu einem integralen Energiekonzept Überlegungen über einen mög-

Bild 2.4: Wärmegewinn bei unterschiedlicher Aufteilung der Flächen auf die Nord- und die Südfassade [4]

2.1.3 Gebäudeform Die Wärmeverluste eines Gebäudes werden – auch bei optimierter Wärmedämmung – zu einem erheblichen Teil von der Hüllfläche des Gebäudes durch die Transmissionswärmeverluste1 bestimmt. Je kompakter das Gebäude geplant wird, je günstiger also das A/VeVerhältnis2 ist, desto geringer sind die benötigte Heizenergie und damit die Kosten. (Siehe Bild 2.6)

1

Günstig ist ebenfalls, wenn die sonnenbeschienene Südfassade größer ist als die Nordfassade, die kaum solare Gewinne verbuchen kann. Daraus resultieren die bei Passivhäusern häufig eingesetzten nach Süden geöffneten Pultdachlösungen. (Siehe Bild 2.5)

Transmissionswärmeverlust ist die durch Wärmeleitung verlorene Energie eines Hauses über die Umschließungsflächen beheizter Räume, wie Wände, Fußböden, Decken, Fenster. 2

Das A/Ve-Verhältnis ist der Quotient aus der wärmeübertragenden Außenfläche A [m²] und dem (aus den Außenmaßen bestimmten) Volumen V [m³] eines Gebäudes.

9

Gebäudeentwurf - formale Kriterien

Bild 2.5: passive Solarenergienutzung

-

eingeschossiger Bungalow: A/Ve > 1,0 m-1

-

Doppelhaushälfte: A/Ve = 0,6 -0,75 m-1

-

freistehendes Einfamilienhaus: A/Ve = 0,7 - 0,9 m-1

-

Reihenmittelhaus: A/Ve = 0,5 - 0,65 m-1

Bild 2.6: Typische A/Ve- Verhältnisse

2.1.4 Gebäudezonierung Ein integraler Gebäudeentwurf bezieht bei der Grundrisszonierung und der Ausführung der Gebäudehülle nicht nur die gestalterischen und nutzungsspezifischen, sondern vor allem auch energetische Gesichtspunkte in die Planung ein. Durch eine intelligente Zonierung des Gebäudes – d.h. Hauptaufenthaltsräume nach Süden, anschließend Schlaf-

und Arbeitsräume sowie Nebenräume und Verkehrsflächen (z.B. Treppen auf der Nordseite) – ist eine hierarchische Anordnung der Räume nach Nutzungsund Temperaturanforderungen und damit eine Reduzierung des Heizwärmebedarfs zu erreichen. Durch Pufferzonen – z.B. einen Wintergarten – können die Wärmeverluste zusätzlich reduziert werden.

2.1.5 Raumanordnungen 2.1.5.1 Anordnung der Räume nach energetischen und akustischen Anforderungen

sind diese auch durch eine günstige Anordnung von Aufzugsanlagen möglichst gering zu halten.

In hoch gedämmten, energetisch günstigen Wohngebäuden ist es nicht mehr erforderlich, die Heizkörper an den Außenwänden im Bereich der Fenster vorzusehen. Durch geschickte Anordnung an den Innenwänden können damit die erforderlichen Rohrlängen deutlich verkürzt und damit Wärmeverluste verringert werden. Um entsprechende Effekte auch für die Warmwasserverteilleitungen zu erreichen, ist eine konzentrierte Anordnung der Sanitärräume und damit der in Bädern und Küchen anzubringenden Anschlüsse vorzusehen. Kurze Kanalanbindungen sind erst recht für Lüftungskanäle – schon aus Kostengründen – wichtig.

Räume für Kommunikation – insbesondere bei intensiver Medienausstattung (TV, Audio) – sollten in der Grundrissorganisation so eingeordnet werden, dass Störungen eher ruhiger Räume und Ruhezonen minimiert werden können.

Damit wird bereits die Grundrissorganisation maßgeblich beeinflusst. Die Zusammenfassung der Sanitärräume bringt auch schallschutztechnische Vorteile im Hinblick auf akustische Beeinträchtigungen. Bei Mehrfamilienhäusern 10

2.1.5.2 Flexible Grundrissgestaltung für individuelle Nutzungsanforderungen Eine integrale Planung erfordert eine frühe und intensive Auseinandersetzung mit den Bedürfnissen und Wohnvorstellungen der Bewohner. Ihre intensive Mitwirkung in diesem Prozess sollte durch den Architekten moderiert werden. Kostengünstiges Bauen beginnt mit der Konzentration auf die tatsächlich notwendigen Flächen als Umsetzung der Raumanforderungen der zukünftigen Bewohner. Vielfach lassen sich bei zielge-

Vor dem Hintergrund der langen Nutzungsdauer eines Wohngebäudes spielen insbesondere Möglichkeiten einer flexiblen Raumnutzung eine wichtige

2.2

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

richteter Diskussion Flächeneinsparungen erreichen, ohne damit die spätere Nutzung einzuschränken. So kann durch die Überlagerung verschiedener Nutzungen (multifuntktionale Räume) eine effizientere Flächenausnutzung erreicht werden, ohne damit die Wohnqualität zu beeinträchtigen. Jeder nicht gebaute Raum spart Investitions- und Nutzungskosten.

Rolle. Deshalb sehen zukunftsfähige Entwurfsansätze zunehmend Individualräume (Schlaf-, Kinder- und Gästezimmer) vergleichbarer Größe vor, um diese je nach Haushaltsstruktur in unterschiedlicher Anordnung nutzen zu können. Wenn dann die verschiedenen Nutzungsebenen noch flexibel schaltbar sind, können diese Wohngebäude den wechselnden Anforderungen, z.B. aus dem Lebenszyklus eines Haushalts heraus, ohne größeren baulichen Aufwand angepasst werden.

Funktionale Gestaltungskriterien an ein energetisch effizientes Gebäude

2.2.1 Energiebilanzierung von Gebäuden Die energetische Bilanzierung dient der Bewertung von Gebäuden. Durch Berechnungen wird der Energiebedarf ermittelt, durch Messungen der Energieverbrauch. Eine Darstellung erfolgt mit geeigneten Kennwerten. Die Berechnung auf der Basis einer Wärmebilanzierung führt zum Wärme- bzw. Energiebedarf, hierzu Bild 2.7 Der Heizwärmebedarf (die Nutzenergie) wird durch folgende Wärmeverluste bzw. –gewinne bestimmt: - Transmissionswärmeverluste – Wärmeleitung über die Außenbauteile, aber auch über Bauteile zu niedrig- und unbeheizten Räumen, z.B. Außenwände, Kellerdecken, Dächer bzw. oberste Geschossdecken, Fenster und Türen; - Lüftungswärmeverluste – Für das Gebäude ist ein Mindestluftwechsel sicherzustellen. Ein in der Regel nutzerabhängiger erhöhter Luftwechsel führt zu einem erhöhten Lüftungswärmeverlust, ein über einen längeren Zeitraum zu niedriger Luftwechsel kann zu bauphysikalischen Schäden führen; - Den Wärmeverlusten stehen externe (solare) Wärmegewinne über Verglasungen und transparente Wärmedämmungen und interne Wärmegewinne durch Personen, Kochen und Waschen, Betrieb elektrischer Geräte gegenüber.

Bild 2.7: Wärmebilanz für ein Gebäude (beheiztes Gebäudevolumen ist rot gekennzeichnet)

Unter Berücksichtigung von Verteilungsund Umwandlungsverlusten im Gebäude lässt sich aus dem Heizwärmebedarf die Endenergie für die Raumheizung, siehe Bild 2.8, ermitteln, die sowohl für die Wärme als auch für den Strom als Hilfsenergie ausgewiesen wird. Bei der Endenergie kann es sich um Gas oder Öl handeln, aber auch um regenerative Energien oder Nah- und Fernwärme. Mit Primärenergiefaktoren wird der Primärenergiebedarf ermittelt. Gegenüber konventionellen Gebäudeheizungen mit Gas oder Öl weisen Elektroheizungen 11

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

hohe Faktoren auf, regenerative Energieträger und Wärme aus Kraft-WärmeKopplung werden dagegen mit niedrigen Faktoren – also günstiger – bewertet.

Bild 2.8: Energetische Ebenen, Beschreibung und Bilanzierungsgrenzen [5]

In der seit 2002 gültigen Energieeinsparverordnung (EnEV) – aber auch in deren Fortschreibung in 2007 – werden Anforderungen für neu errichtete Wohngebäude an den Primärenergiebedarf Q´´P [kWh/(m²a)] und an den mittleren Transmissionswärmeverlust H´T [W/(m²K)] unter Berücksichtigung von Wärmebrücken gestellt, siehe Bild 2.9. Die Anforderungen werden in Abhängigkeit von der Kompaktheit der Gebäude formuliert, dargestellt durch das A/VeVerhältnis [m-1], siehe auch Kap. 2.1.3 Gebäudeform. Ein Gebäude kann als energieeffizient bezeichnet werden, wenn - der Energiebedarf gering ist, - die Bereitstellung der Energie mit einem hohen Nutzungsgrad bzw. einem geringen Aufwand erfolgt und - der Energiebedarf zu einem hohen Anteil durch erneuerbare Energien gedeckt wird.

Bild 2.9: Energetische Ebenen, Beschreibung und Bilanzierungsgrenzen [5]

2.2.2 Energetisches Niveau von Gebäuden Das energetische Niveau von Gebäuden lässt sich mittels Energiekennwerten vergleichen, diese werden mit dem Heizwärmebedarf und/oder Primärenergiebedarf gebildet. Wichtig für die Vergleichbarkeit sind gleiche Berechnungs- und Bezugsgrößen. Energetische Level fanden vor allem für Ein- und Zweifamilienhäuser Anwendung, in den letzten Jahren aber auch für Mehrfamilienhäuser. Während der Heizwärmebedarf für den Gebäudebestand bis etwa 1995 bei 150 bis 250 kWh/(m²·a) liegen kann, für Einund Zweifamiliehäuser auch deutlich darüber, wurde bereits mit der WärmeschutzV´95 eine deutliche Absenkung erzielt auf 60 bis 100 kWh/(m²·a) und mit der EnEV 2002 auf 40 bis 100 kWh/ (m²·a). Die Anforderungen der EnEV 12

können mit wirtschaftlichen Maßnahmen auch bei der energetischen Sanierung im Bestand erreicht werden. Der Begriff des Niedrigenergiehauses (NEH) hat in der Vergangenheit eine Fortschreibung erfahren: Vor 2002 repräsentierten die für die EnEV in Aussicht gestellten Anforderungen das NEH-Niveau. Heute werden als NEH Gebäude erfasst, die die Anforderungen der EnEV deutlich unterschreiten– sowohl Bestand als auch Neubau. Als Merkmale eines Niedrigenergiehauses gelten gemäß [6], [7], [8]: - sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile und nachgewiesene Luftdichtheit, passive und aktive Solarenergienutzung,

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

- Minimierung von geometrischen Wärmebrücken (wenig Fassadenvorsprünge, geringe Gebäudegliederung) und Vermeidung konstruktiver Wärmebrücken, - Lüftung – Abluftanlagen, Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung und - Energieversorgung durch Brennwerttechnik, Kraft-Wärme-Kopplung oder regenerative Energien. Zur Charakterisierung der energetischen Effizienz eines Gebäudes ist der Begriff des 3-Liter-Hauses verbreitet - 3 Liter Heizöl á 10 kWh/(m²·a) entsprechen 30 kWh/(m²·a) Heizwärmebedarf. Dieser Kennwert stellt auch heute noch einen hohen Anspruch dar, angesiedelt zwischen einem Niedrigenergiehaus und einem Passivhaus. Für das Passivhaus, Bild 2.10, beträgt der Jahres-Heizwärmebedarf weniger als 15 kWh/(m²·a). Niedrige Wärmeverluste werden durch eine „supergedämmte“ Gebäudehülle, eine kompakte, wärmebrückenfreie und luftdichte Bauweise sowie durch dreifachverglaste Fenster mit speziell gedämmten Rahmen erreicht. Ein großer Teil des Wärmebedarfs wird durch die solaren Gewinne der Fenster (große Südfenster, minimale Fensterflächen nach Nord) und durch interne Wärmegewinne gedeckt. Im Ergebnis kann die Beheizung allein durch ein Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung aus der Abluft (ggf. mit eingeschränkter Nachheizung) erfolgen. Bild 2.11 gibt zusammenfassend einen größenordnungsmäßigen Vergleich der vorgenannten energetischen Standards an, hier der Heizwärmebedarf, bezogen auf die Nutzfläche der Gebäude. In der ausgewiesenen Streubreite spiegelt sich die Kompaktheit der Gebäude wieder (kleines A/Ve-Verhältnis – geringer Bedarf; großes A/Ve -Verhältnis – hoher Bedarf). Ein Nullheizenergiehaus hat keinen fossilen Heizenergiebedarf für Raumwärme, wohl aber für Warmwasserbereitung, Beleuchtung und andere elektrische Anlagen. Ein Nullheizenergiehaus wird durch passive Sonnenenergienutzung und interne Wärmegewinne beheizt. Der Baukörper ist sehr kompakt und hervorragend gedämmt.

Bild 2.10: Passivhaus [9]

Bild 2.11: Spezifischer Heizwärmebedarf von Wohngebäuden

Der Aufwand für die Effizienzsteigerung vom Passivhaus zum Nullheizenergiehaus ist hoch, eine Wirtschaftlichkeit kann derzeit noch nicht nachgewiesen werden. Umso mehr ist die Entwicklung zum Nullenergiehaus gekennzeichnet durch neue technische Lösungen im Bereich der Wärmedämmung und der Anlagentechnik. So könnte die Restenergie mittels Solarkollektoren und/oder Photovoltaikmodulen erzeugt werden. Ein weiterer Schritt geht zum Plusenergiehaus. Hier wird die Solarenergie konsequent genutzt, jährlich produzieren die Anlagen mehr Energie als die Bewohner verbrauchen. Das Hausdach und die Fassade des Plusenergiehauses werden zum Solarkraftwerk, welches sauberen Strom produziert. (Informationen zum Plusenergiehaus unter www. plusenergiehaus.de [10]).

13

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

2.2.3 Wärmedämmung Bauteil

Symbol

Wärmedurchgangskoeffizient U in W/(m²·K) Altbestand

EnEV 2002

Richtwerte NEH

Reale Werte [11]

Außenwand

UAW

0,6 -2,0

0,35 - 0,45

≤ 0,3

0,12 - 0,15

Dach

UD

0,8 - 4,0

0,25 - 0,3

≤ 0,2

0,13

Oberste Geschossdecke

UOG

0,9 - 3,0

0,4 - 0,5

≤ 0,2

0,1 - 0,14

Kellerdecke

UKD

1,0 - 1,2

0,4 - 0,5

≤ 0,4

0,18 - 0,24

Fenster

Uw

2,5 - 5,0

1,7

≤ 1,4

0,7 - 0,9

Tab. 2.2: Richtwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten

2.2.3.1 Anforderung an die Bauteile 2.2.3.2 Wärmebrücken Bauteil

Dimension

Dämmstoffdicken/ Wärmedurchgangskoeffizient Standard

Zielwert

Außenwand

cm

0 -10

16 - 24

Dach

cm

10 -16

25 - 30

Oberste Geschossdecke

cm

10 -16

25 - 30

Kellerdecke

cm

0-8

10 - 20

W/(m²·K)

1,4 - 1,7

≤ 0,8

Fenster

Tab. 2.3: Richtwerte für Passivhaus-Komponenten [12]

Der Transmissionswärmeverlust eines Bauteils ist gekennzeichnet durch den Wärmedurchgangskoeffizienten U in W/(m²·K). Der Wärmedurchgang wird durch die Dicke des Bauteils bzw. der Wärmedämmung und die Wärmeleitfähigkeit λ in W/(m·K) bestimmt, aber auch durch den Einfluss von Wärmebrücken.

3

Massestrombedingte Wärmebrücken entstehen durch undichte Fugen auf der Innenseite eines Außenbauteils, wobei die ausströmende warme Innenluft Feuchtigkeit in das Bauteil transportiert, die sich als Kondenswasser niederschlägt und das Bauteil durchfeuchtet.

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Richtwerte für Wärmedurchgangskoeffizienten sind in Tabelle 2.2 angegeben, sowohl für den Gebäudebestand, als auch reale Werte für den Niedrigenergiehausstandard. Übliche Dämmstoffdicken sind in Tabelle 2.3 zusammengefasst. Aus den erhöhten energetischen Anforderungen an die Bauteile resultieren folgende Maßnahmen: - optimale Bauteildicken ohne Zusatzwärmedämmung, - optimale Dicken der Zusatzwärmedämmung, Zielwerte in Tabelle 2.3, - Minimierung der Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe, beispielsweise mit λ ≈ 0,020 - 0,025 W/(m·K) oder gar Vakuumdämmung (siehe Kap. 3.2.3.4) mit λ ≈ 0,001 - 0,002 W/(m·K).

Wärmeschutztechnische Schwachstellen der Gebäudehülle treten als Wärmebrücken in Erscheinung, abhängig von den konstruktiven Details, aber auch von der Qualität der Ausführung der Außenbauteile. Die Wärmebrücken vermindern den Wärmeschutz (zusätzliche Transmissionswärmeverluste) und erhöhen auf Grund abgesenkter Oberflächentemperaturen die Gefahr von Schimmelpilz durch Tauwasserbildung. In Gebäuden mit sehr gut gedämmten Bauteilen kann im ungünstigsten Fall der Anteil der zusätzlichen Wärmeverluste auf Grund von Wärmebrücken 20% bis 40% erreichen. [13] Typische Wärmebrücken sind: - Wandecken (Außenwand), - Einbindung von Innenwänden in die Außenwände, - auskragende Bauteile, z.B. Balkonplatten, - Übergang von Fundament bzw. Bodenplatte zu den Außenwänden und Einbindung von Kellerwänden (unbeheizter Keller) in die Kellerdecke, - Anschlüsse von Fenstern und Türen, Stürze und Fensterlaibung, - Übergänge Außenwand bzw. oberste Geschossdecke zum Dach u.a.m. und - massestrombedingte Wärmebrücken4 Undichtheiten in der Gebäudehülle.

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

2.2.4 Luftdichtigkeit in Gebäuden Mit der Luftdichtheit von Gebäuden im Allgemeinen ist nicht nur die Luftdichtheit der Gebäudehülle gemeint, d.h. das Vermeiden von Fugen, Ritzen in Dach und Außenwänden und mangelhaften Abdichtungen von Fenstern, Außentüren und Durchdringungen der Gebäudehülle (Rohre und Kabel), sondern auch die interne Luftdichtheit zwischen einzelnen Wohneinheiten innerhalb eines Gebäudes ist von Bedeutung. Bei Mehrfamilienhäusern sollten als Vorsorgemaßnahme gegen ungewollten Geruchsübertragungen zu benachbarten Wohnungen notwendige Abdichtungen im Bereich von Installationsschächten, aber auch bei Durchführungen von Strangleitungen der Heizungsanlage vorgenommen werden. Im Laufe der Zeit können sich Undichtheiten vergrößern oder u.U. auch neue entstehen. Luftdichtheit beginnt mit der Planung einer Luftdichtheitsebene. Der Verlauf der luftdichtenden Ebene [14] sollte in allen Plänen, auch Detailplänen, mit einer Linie kenntlich gemacht werden. Dies erleichtert dem Architekten die Planung und dem Handwerker die sachgemäße Ausführung. „Zusätzlich sind die Anschlusspunkte in der Ausführungsplanung zu zeichnen. Die Lösung muss so gestaltet sein, dass der Handwerker auf der Baustelle das Konzept möglichst selbstständig umsetzen kann. Wichtig ist, dass der Handwerker durch Erläuterung vor Ort den Sinn und die Notwendigkeit für die Umsetzung erkennt.“ [15] Zur Erreichung einer hohen Luftdichtheit der Gebäudehülle können folgende Planungs- und Ausführungsempfehlungen [16] gegeben werden: - Die verwendeten Bau- und Werkstoffe müssen miteinander verträglich sein. Die verwendeten Bau- und Werkstoffe müssen abhängig vom Einbau eine ausreichende Feuchte-, Oxidationsund UV-Beständigkeit aufweisen. - Fugen sind bereits in der Planungsphase zu berücksichtigen. Die Verarbeitungsrichtlinien der jeweiligen Fugenmaterialien sind zu beachten.

- Beim Herstellen der Luftdichtheitsschichten ist auf eine sorgfältige Ausführung aller Gewerke zu achten. Luftdichtheitsschichten und ihre Anschlüsse dürfen während und nach dem Einbau weder durch Witterungseinflüsse noch durch nachfolgende Arbeiten beschädigt werden. - Bei der Festlegung der bau- und haustechnischen Konstruktion ist die Lage der Luftdichtheitsschicht zu beachten. Ein Wechsel der Luftdichtheitsmaterialien in den jeweiligen Konstruktionen ist problematisch und nach Möglichkeit zu vermeiden. - Die Anzahl von Fugen, Stößen und Überlappungen ist auf ein Minimum zu reduzieren. - Unvermeidbare Fugen sind so zu planen, dass sie dauerhaft luftdicht verschlossen werden können. - Verputztes Mauerwerk und massive Dachkonstruktionen sind im Allgemeinen luftdicht. Bei anderen Konstruktionen kann häufig mittels Folien die Luftdichtheit erzielt werden, wobei jedoch den Stößen, Durchdringungen usw. besonderes Augenmerk zu schenken ist. - Um Durchdringungen der Luftdichtheitsschichten zu reduzieren, sollten alle Installationsebenen auf der Rauminnenseite vor der Luftdichtheitsschicht vorgesehen werden. Wird die Herstellung der Luftdichtheit als Fremdleistung erbracht, ist unbedingt darauf zu achten, dass sie Bestandteil der Ausschreibung ist und vertraglich vereinbart wird. In der Ausschreibung sollte auch der Nachweis der Luftdichtheit durch eine entsprechende messtechnische Untersuchung enthalten sein.

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Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

2.2.5 Passive und aktive Sonnenenergienutzung 2.2.5.1 Passive Sonnenenergienutzung Für die Wärmebilanz eines Gebäudes spielen neben den internen Wärmegewinnen die externen (solaren) Wärmegewinne eine Rolle. Ausschlaggebend für ein konventionelles Gebäude sind hierbei die Fenster. Die Fenstergrößen sollten unter Berücksichtigung von Wärmeverlusten, Wärmegewinnen in der Heizperiode und Erwärmungen im Sommer, aber auch der Tageslichtnutzung optimiert werden. Ein optimaler Wärmegewinn im Winter kann einhergehen mit einer Überhitzung im Sommer, der mit Mitteln des sommerlichen Wärmeschutzes zu begegnen ist. Sommerlicher Wärmeschutz, Blendschutz, Tageslichtversorgung und Energiegewinn während der Heizperiode sind sich zum Teil widersprechende Anforderungen. Im Gegensatz zu Sonnenschutzgläsern können sich schaltbare Verglasungen (siehe Kap. 3.1.4.4) diesen Anforderungen dynamisch anpassen.

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Phase Change Material (englisch für „Phasenveränderungsmaterial“): Salze oder Paraffine, die beim Phasenübergang Wärme speichern und abgeben. Anwendung bei Latentwärmespeichern.

Die Aussagen zu den Fenstern gelten im übertragenen Sinne auch für Wintergärten. Wintergärten (Glasvorbauten) im ursprünglichen Sinn sind nicht beheizt. Sofern sie beheizt sind, gehen erhöhte Wärmeverluste im Winter mit erhöhten Wärmegewinnen im Sommer einher. Auch eine transparente Wärmedämmung (TWD) dient der passiven Solarenergienutzung. Während bei einer opaken (lichtundurchlässigen) Wärme-

dämmung ein erheblicher Anteil der solaren Strahlung an der Oberfläche reflektiert wird und damit nur ein geringer Teil der Strahlungswärme an die speicherfähige Wandkonstruktion übergeben wird, ist die transparente Wärmedämmung im Winter bei tiefstehender Sonne für einen erhöhten Teil der Strahlungswärme durchlässig. Bei der transparenten Wärmedämmung kommen unterschiedlich strukturierte Dämmmaterialien und Funktionstypen zur Anwendung. (Informationen zu TWD siehe Kap. 3.1.4 Fassaden und Kap. 3.2.3.3 lichtdurchlässige Wärmedämmstoffe – TWD.) Bei allen Systemen sind die unterschiedlichen Anforderungen im Sommer und im Winter zu beachten, wobei der Wärmegewinn im Winter und der Wärmeschutz im Sommer eine besondere Rolle spielen. (Es gibt eine große Zahl von Beispielobjekten unter www.dbu.de [17]). Die energetische Effizienz, den sommerlichen Wärmeschutz und die Wirtschaftlichkeit sollte man detailliert untersuchen lassen. Der Einsatz mikroverkapselter PCM (Phase Change Material)5 kann gleichfalls der passiven Solarenergienutzung dienen. Es erfolgt eine Speicherung von latenter Wärme, was insbesondere bei geringen Materialdicken interessant ist. (Siehe Kap. 3.1.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe (TWD) auf opaker Außenwand, (passiv) und 3.2.2. Latentwärmespeicher in Baustoffen.)

2.2.5.2 Aktive Sonnenenergienutzung Die aktive Nutzung von Solarenergie erfolgt vorrangig mittels Photovoltaikanlagen (Stromerzeugung) und Solarkollektoranlagen (Warmwasserbereitung, Heizung). In Photovoltaikanlagen wird die Solarstrahlung direkt in elektrischen Strom umgewandelt (siehe Bild 2.12). Optimal ist die Ausrichtung der Solaranlage nach Süden bei einer Neigung der Module von ca. 35°. Bild 2.12: Schema Photovoltaikanlage [18]

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Thermische Solarkollektoranlagen wandeln die Solarstrahlung in nutzbare Wärme für die Heizung und die Warmwasserbereitung um. Sie haben vor allem in Ein- und Zweifamilienhäusern vorrangig zur Warmwasserbereitung breite Anwendung gefunden, werden zunehmend aber auch für Mehrfamilienhäuser und Nahversorgungssysteme eingesetzt. Der prinzipielle Aufbau einer Anlage zur Warmwasserbereitung mit Zwangsumlauf ist in Bild 2.13 dargestellt. Alternativ

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

Der Stromertrag aus Photovoltaikanlagen wird wesentlich vom Wirkungsgrad der einzelnen Anlagenkomponenten, der Intensität der solaren Einstrahlung, der Ausrichtung zur Sonne und der Verschaltung der Zellen bestimmt.

zum Zwangsumlauf werden Anlagensysteme unter Nutzung der Schwerkraft angeboten (Thermosiphonanlagen). Ein Solarhaus zeichnet sich durch die passive und aktive Nutzung der Solarenergie in Verbindung mit einer energiesparenden/gut gedämmten Bauweise aus. Ein Solarhaus kann auch vollständig energieautark sein. Solararchitektur beschreibt eine Form des Bauens, die die Möglichkeiten zur aktiven und passiven Nutzung von Sonnenenergie optimal ausschöpft. Die wesentlichen Elemente sind: - Ausrichtung nach Süden, große Fenster nach Süden, kleine Fenster nach Norden, - gute Wärmedämmung, - solarthermische Unterstützung der Brauchwassererwärmung und Heizung, - Photovoltaik-Anlagen zur Stromerzeugung. Die solare Architektur leistet einen wesentlichen Beitrag zur Entwicklung von Niedrig-, Passiv- und Nullheizenergiehäusern sowie Plusenergiehäusern.

Bild 2.13: Thermische Solaranlage zur Wasserbereitung[19]

2.2.6 Heizungskonzepte Aufgabe der Gebäudeheizung ist die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines behaglichen Raumklimas. Die MindestRaumlufttemperatur sollte den Anforderungen des Nutzers entsprechen. Die Raumtemperaturen liegen in Abhängigkeit von der Nutzung der beheizten Räume bei 15°C bis 24°C, sollten aber bedarfsgerecht geregelt werden. Die Gebäudeheizung trägt auch zu einem dauerhaften Erhalt des Gebäudes durch Vermeidung bauphysikalischer Schäden an der Gebäudehülle bei. Die standardgemäße Ausrüstung für die Wärmeversorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern ist die Ausrüstung mit Heizkesseln. Die Entwicklung vollzog

sich vom konventionellen Standardkessel mit hohen Heizmedien- und Abgastemperaturen über den Niedertemperaturkessel zum Gas- bzw. ÖlBrennwertkessel. Mit der Entwicklung der Kessel und Brenner wurden die Schadstoffemissionen vermindert und die Nutzungsgrade6 bis hin zur Brennwerttechnik deutlich erhöht. In der Brennwerttechnik wird die im Abgas enthaltene Verdampfungswärme des Wasserdampfes genutzt. Die auf Grundlage dieser Technologie entstandenen Brennwertkessel erzielen Nutzungsgrade bis über 100%, bezogen auf den Heizwert.

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(Jahres-) Nutzungsgrad des Heizkessels – Verhältnis der gelieferten Wärme zur Energie des eingesetzten Brennstoffes.

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Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

Bei der Wärmeerzeugung werden Energieträger (Brennstoffe) verbrannt, die mit Schadstoffen bzw. klimarelevanten Gasen die Umwelt belasten. Zum einen kann durch Maßnahmen an der Gebäudehülle (Wärmeschutz) der Heizwärmeverbrauch minimiert und damit der Einsatz der Brennstoffmenge reduziert werden. Zum anderen trägt die Anlagentechnik einschließlich Wärmeerzeugung mit hohen Nutzungsgraden (effiziente Brennstoffausnutzung) bzw. mit niedrigen Aufwandszahlen zur Vermin-

Bild 2.14: Mehr- und Minderbedarf (Primärenergie) von Heizungssystemen [18]

derung des Brennstoffeinsatzes bei und führt mit entsprechendem Energieträger zur Verminderung der Emissionen. Minimale Emissionen werden bei umfassender Nutzung erneuerbarer Energien erzielt, heute meist noch gekoppelt mit konventioneller Anlagentechnik. Die Gegenüberstellung von Heizungssystemen auf Bild 2.14 verdeutlicht die Verminderung des Primärenergieeinsatzes gegenüber einem Niedertemperaturkessel. Es sind berücksichtigt: Brennwertkessel mit Solaranlage, Erdwärmepumpe und Nah- und Fernwärme aus KWK. Heizungsanlagen mit erneuerbaren Energieträgern setzen den Trend zu einem niedrigen Primärenergiebedarf fort. Eine über den Standard hinaus gehende Entwicklung der Heizungstechnik umfasst folgende Schwerpunkte: - Durch Wärmedämmung der Gebäudehülle lässt sich der Heizwärmebedarf deutlich absenken bis hin zum Passiv- oder Nullheizenergiehaus. - Ein hohes Potenzial besteht im erweiterten Einsatz von erneuerbaren Energieträgern, einschließlich der umfassenden Nutzung von Solarenergie und des verstärkten Einsatzes von Wärmepumpen. - Eine Verbesserung der bedarfsgerechten Regelung, beispielsweise durch Einsatz von Systemen der elektronischen Einzelraumtemperaturregelung, vermindert die nutzerabhängigen Wärmeverluste.

2.2.7 Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung 2.2.7.1 Gestaltung von Luftdurchlässen Bei freier Lüftung und bei Abluftanlagen strömt die Außenluft während der Heizzeit unvorgewärmt über die Gebäudehülle in den Wohnbereich. Mit zunehmender Dichtheit der Gebäude geschieht das nicht mehr fein verteilt über Fugen und andere Undichtheiten, sondern muss über sogenannte Außenluftdurchlässe (ALD) erfolgen. Durch die konzentriertere Form der Außenluftzuführung kann es – bei falscher Wahl der ALD – zur Unbehaglichkeit in der Nähe solcher ALD 18

kommen. Ursache dafür sind zu niedrige Lufttemperatur und zu hohe Luftgeschwindigkeit (Zugluft) im Aufenthaltsbereich. Die dadurch hervorgerufene Einschränkung der thermischen Behaglichkeit kann zur Akzeptanzminderung von Lüftungsanlagen im Wohnungsbau beitragen. Nachfolgend werden Entwicklungen von ALD beschrieben, die eine Komfortansprüchen genügende Außenluftzuführung gerade auch während der Heizperiode erlauben. Fensterintegrierte ALD in Sturzhöhe sind überwiegend mit Schlitzauslässen

Außenwandintegrierte ALD in Sturzhöhe sind vorwiegend Luftdurchlässe mit radial und parallel zur Außenwand ausblasender Luftzuführung, deren größter Volumenstrom – der zu keiner wesentlichen Beeinträchtigung der thermischen Behaglichkeit durch Zugluft führt – mit ca. qv ≤ 20 m³/h angegeben werden kann. Bei den außenwandintegrierten ALD in Brüstungshöhe sollte der größte Volumenstrom nicht größer als qv = 30 m³/h sein. Die oben angeführten Grenzwerte beruhen auf Erfahrungswerten, die im Zusammenhang mit zahlreichen messtechnischen Untersuchungen erworben wurden. Sie dienen daher als Anhaltswerte für die Auslegung von Außen-Luftdurchlässen bei der kontrollierten Wohnungslüftung – je nach Anwendungsfall und Volumenstrombedarf. Die verschiedenen ALD sind als technisch gleichwertige Lösungen zu sehen. Bei der Zuführung kalter Außenluft über ALD in Wohnräume können Zuluftstrahlen, die sich oberhalb des Aufenthaltsbereiches an die Decke anlegen, die thermische Behaglichkeit wesentlich beeinträchtigen. Gestaltungsziel bei der Konstruktion von ALD sollte eine möglichst außenwandparallele Luftzuführung sein, die darüber hinaus mit geringem Impuls, ähnlich dem Quellluftprinzip, arbeitet. Die zentrische Anordnung eines Heizkörpers zum ALD sollte in diesem Zusammenhang immer beachtet werden. Eine geringe Fallhöhe der Zuluft über dem Fußboden wirkt sich ebenfalls positiv auf das Raumklima aus. Zur Vermeidung der Taupunktunterschreitung an den raumseitigen Oberflächen von ALD, sollten diese herstellerseitig mit geeigneter Wärmedämmung versehen sein.

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

anzutreffen. Zur Vermeidung von negativen Zuglufterscheinungen sollte bei der Luftführung senkrecht nach oben der von der Außenlufttemperatur unabhängige, größte Volumenstrom qv =10 m³/h je Luftdurchlass nicht überschreiten. Bei größeren Volumenströmen empfiehlt sich eine Luftführung senkrecht nach unten.

Die Volumenstrombegrenzung eines ALD sollte höchstens nur den von den jeweils gegebenen Randbedingungen abhängigen oberen Volumenstrom zulassen. Auf welche Art diese Begrenzung stattfindet, ist aus Sicht der thermischen Behaglichkeit nicht von Bedeutung. Bei der schalltechnischen Auslegung der Außenbauteile eines Gebäudes ist der Einfluss der ALD unbedingt zu berücksichtigen. Siehe hierzu z.B. VDI 2719 „Schalldämmung von Fenstern und deren Zusatzeinrichtungen“.

2.2.7.2 Leitungsführung bei Zu- und Abluftanlagen Die wichtigste Frage bei der Verlegung eines Lüftungskanalnetzes im Wohnungsbereich lautet: Wohin mit den Kanälen? [20] Selten werden im Wohnungsbereich offene, sichtbare Konstruktionen toleriert, wie sie im gewerblichen Bereich möglich sind. Aus diesem Grund ist eine Planung sowie rechtzeitige Abstimmung mit anderen Gewerken notwendig, um gemeinsam die Integration der Lüftungskanäle in die Baukonstruktion zu erzielen. Dabei fällt die Integration im Holzrahmenbau relativ leicht. Hier kann bei Verwendung entsprechender Flachkanäle auf vorhandene Installationsebenen zurückgegriffen werden. Schwieriger ist die Integration im Massivbau, da hier die Außenhülle meist keine Möglichkeit der Installation bietet. Oft bleibt nur eine Installationswand bzw. ein Installationsschacht für die vertikale Verteilung. Die horizontale Verteilung kann, wie auch im Holzrahmenbau, teilweise im Fußbodenaufbau, unter der Kellerdecke oder auf dem Spitzboden erfolgen. Bei der Planung und Ausführung von Lüftungsleitungen sind ggf. die Belange der jeweiligen Länderbestimmungen über die brandschutztechnischen Anforderungen an Lüftungsanlagen zu berücksichtigen. So werden z.B. nach Landesbauordnung in Nordrhein-Westfalen keine Anforderungen an Lüftungsanlagen in Wohngebäuden mit nicht mehr als zwei Wohnungen und nicht für Lüftungsanlagen innerhalb einer Wohnung oder Nutzungseinheit vergleichbarer Größe gestellt. In allen anderen Fällen muss die Lüftungsanlagen-Richtlinie eingehalten werden. 19

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien 6

TALärm: Sechtse AvwV vom 26.8.98 zum Bundesimmisionsschutzgesetz, Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm

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Hinweise, wie auch im Altbau auf einfache Art und Weise Lüftungskanäle untergebracht werden können, sind nachfolgend für verschiedene Fallbeispiele aufgeführt [21]: - Sofern eine ausreichende Deckenhöhe vorhanden ist, können bei Zu- und Abluftanlagen die Zuluftkanäle in abgehängten Flurdecken geführt werden. Die Zuluft wird dann mit Weitwurfdüsen über den Türen in die Zulufträume eingeblasen. - Das Dachgeschoss wird ausgebaut. In der Regel ist in der Abseite Platz für die Leitungsführung und evtl. auch für Lüfter bzw. Zentralgerät. Darunter liegende Räume können über Deckenventile erschlossen werden. - Ein Gebäude wird im Rahmen der Sanierung stark wärmegedämmt. Hier können Flachkanäle auch auf der Fassade unterhalb der Wärmedämmung verlegt werden. Hier muss durch die Fachplanung sichergestellt werden, dass keine Kondensation in den Kanälen auftritt und dass hinreichende Reinigungsöffnungen vorhanden sind. - Bei der Planung der Leitungsführung ist zu beachten, dass der Wärmeübertrager und warme Luftleitungen, sowohl Zu- als auch Abluft, nicht außerhalb der thermischen Hülle angeordnet werden, da ansonsten mit ggf. starken Einbußen bei den energetischen Gewinnen aus der Wärmerückgewinnung zu rechnen ist. Ist eine Leitungsführung außerhalb der thermischen Hülle nicht zu vermeiden, muss entsprechend stark und sorgfältig gedämmt werden und die Vermeidung von Kondenswasser in den Leitungen gewährleistet sein. - Bei der Planung des Rohrnetzes ist darauf zu achten, dass in keinem Teilstück mehr als 3 m/s Luftgeschwindigkeit auftritt. Darüber hinaus sind insbesondere Zuluftkanäle und Küchenstränge mit ausreichend Reinigungsöffnungen zu versehen. Es ist auf die Einregulierbarkeit der Anlage mittels Drosselklappen, Volumenstromreglern etc. zu achten. - Es ist bei der Planung und Installation zu beachten, dass durch die nachträglich eingebaute Lüftungsanlage der bestehende Schallschutz zwischen fremden Wohneinheiten nicht verschlechtert werden darf.

2.2.7.3 Frischluftgewinnung und –zuführung in die Räume Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung stellen eine Komfortlösung innerhalb der Wohnungslüftung dar [20]. Daher sollte nicht nur auf eine angemessene schalltechnische Qualität des Gerätes und einen dem Nutzerkomfort entsprechenden Regelungskomfort geachtet werden, sondern auch auf eine hohe Qualität der Ansaugung frischer Außenluft. Es ist zu beachten, dass für die von einer Lüftungsanlage ausgehenden Geräusche die rechtlich verbindlich einzuhaltenden Immisionsrichtwerte der TALärm7 gelten. Die Außenluftansaugung sollte an Stellen erfolgen, an denen die Luftqualität möglichst gut ist. Verschmutzungsquellen am eigenen und benachbarten Gebäude wie Fortluftdurchlässe, Kamine, Mülleimer, KFZ-Parkplätze, aber auch Erdboden und Komposthaufen müssen bedacht werden. Die Öffnung sollte zumindest an öffentlich zugänglichen Orten nicht direkt mit der Hand erreichbar sein und einen wirksamen Schutz vor Regen bzw. auch im Winter eine schneefreie Ansauglage besitzen. Um die Anlage ausreichend zu schützen, sind bei Ansaugventil und Fortluftventil Vogel- und Insektenschutzgitter notwendig. Ein Kurzschluss zwischen Frischluftansaugung und Fortluftausblasung lässt sich vermeiden, indem auf einen Abstand von mindestens drei Metern zwischen den Luftdurchlässen geachtet wird. Positive Lösungen für die Frischluftansaugung im Zusammenhang mit Erdwärmetauschern sind die Ansaugung über Ansaugfilterkästen mit groß dimensionierten Taschenfiltern zur Vermeidung hoher Druckverluste und die Frischluftansaugung über freistehende Lamellenhüte aus Edelstahl mit Ringfilter. Eine Frischluftansaugung ohne Filter ist mit Über-Dach-Lösungen möglich. Eine Dachansaughaube ist vor allem für Anlagen ohne Erdwärmetauscher und bei Lüftungsgeräteaufstellung im Dachbo-

Filter sind ein wesentlicher und notwendiger Bestandteil von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Sie dienen zum einen dazu, den Eintrag von Stäuben, Pollen, Ruß etc. bei der Zuluft zu reduzieren und andererseits sollten sie den Wärmetauscher bzw. die Rohrleitungen vor Verschmutzungen schützen (Zu- und Abluft). Daraus ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die Qualität der Filter. Die Filterqualität wird in DIN EN 779 im Zuluftstrang mit einem Feinfilter F5 und im Abluftstrang mit einem Grobfilter G4 empfohlen. Ziel bei der Auswahl von Filtern ist es, eine möglichst große Oberfläche zu erreichen, um den Druckverlust gering zu halten und eine möglichst lange Standzeit (Zeit bis zum nächsten Wechsel) zu erreichen.

Gebäudeentwurf - funktionale Kriterien

denbereich interessant. Der Druckverlust ist aufgrund des nicht benötigten Filters äußerst gering [22].

In der Wohnungslüftung werden meist folgende Filterbauarten eingesetzt: - Filtermatten: Diese kostengünstigen Filter bedeuten in der Praxis meist einen etwas höheren Druckverlust bzw. geringere Standzeiten aufgrund der durch das Gerät bzw. den Kanal beschränkten Größe. Sie werden daher meist nur im Grobfilterbereich (bis G4) eingesetzt. - Ringfilter: Insbesondere bei frei stehenden Ansaughauben werden diese Filter eingesetzt. Durch die große Oberfläche über dem Umfang bzw. die Länge des Filters lässt sich ein geringer Druckverlust erreichen. - Filterzellen: Durch Falten des Filtergewebes ergibt sich eine deutlich höhere Filteroberfläche. Sie werden daher meist im Feinfilterbereich eingesetzt. - Taschenfilter: Sie haben aufgrund der Taschenform den geringsten Druckverlust bei gleichzeitig großer Oberfläche. Sie werden daher ebenfalls vor allem im Feinfilterbereich eingesetzt.

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Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung

3

Neue Baukonstruktionen und Baustoffe

3.1

Entwicklung und Tendenzen

Der Wohnungsbau ist traditionell ein Fachgebiet, dass in seiner Entwicklung auf wertbeständige, erprobte und bewährte Techniken setzt. Deshalb werden große Teile eines Gebäudes seit vielen Jahrzehnten oder sogar Jahrhunderten mit den gleichen Rohstoffen errichtet. Das Bauwesen reagiert langsamer auf Neuerungen als andere Wirtschaftszweige, da große Mengen an Baumaterialien benötigt werden, um ein Gebäude zu errichten. Diese Mengen müssen in aufwendigen Logistikprozessen gewonnen, verarbeitet und vermarktet werden. Des weiteren müssen die massenhaft eingesetzten Baustoffe möglichst günstig sein, damit ein Gebäude trotz seiner Größe vom Eigentümer wirtschaftlich finanziert werden kann. So kostet z.B. der Rohbau eines Einfamilienhauses oft nicht mehr als ein hochwertiger MittelklassePkw. Dies verdeutlicht die Preisspannen, die für die Neuentwicklung von Bauprodukten zur Verfügung stehen. Nichts desto trotz reagiert das Bauwesen auf Zeitströmungen genauso wie andere Produktionszweige.

In der Vergangenheit war dies vor allem die Zeit der Industrialisierung und Mechanisierung der Produktionsprozesse. So waren z.B. bedeutende Entwicklungen, die das Bauwesen wesentlich prägten: - Die Herstellung von großflächigen Glasscheiben ab dem Ende des 17. Jh. und die im späteren Verlauf massenhafte Produktion von Fensterglas zu Belichtungs- und Isolationszwecken. - Die Nutzbarmachung von Eisen und dessen Veredelung zu zugfestem Stahl führte ab Ende des 18 Jh. zu einer bautechnischen Revolution im Brü ckenund Hallenbau. - Die industrielle Herstellung von Zement für die Betonherstellung wurde ab Mitte des 19 Jh. möglich. Als nächster Schritt führte die Kombination von Beton und Stahl zu Stahlbeton seit Ende des 19. Jh. zu einem sehr kostengünstigen Konstruktionsbaustoff, der bis heute Hauptbestandteil unseres Bauens ist. Auch gegenwärtig wird der Roh- und Ausbaubereich im Hochbau von einigen Entwicklungstendenzen stark beeinflusst. Wichtige Stellschrauben werden in den folgenden Kapiteln dargestellt:

3.1.1 Einsparung von fossilen Brennstoffen (insbesondere Erdöl und Erdgas) und Rohstoffressourcen Das Bestreben zur Einsparung von fossilen Brennstoffen aufgrund der Rohstoffressourcenknappheit und den daraus resultierenden Preissteigerungen (siehe hierzu Bild 3.1 und 3.2) - bewirkte die Entwicklung einer Fülle von neuen Fassaden-, Fenster- und Dämmprodukten.

Bild 3.1: Entwicklung des Primärenergieverbrauchs (PEV) weltweit nach BP (einzelne Enrgieträger ohne Biomasse) und Prognose der IEA (International Energy Agency) - 2005 bis 2030. [23] Gtoe: Gigatonnen Öläquivalent (= 42.7 Gigajoule oder 11.861 kWh)

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Weiterhin ist eine Tendenz zu multivalenten Bauteilen, also Bauteilen mit mehreren Funktionen zu beobachten. Die traditionelle, monolithische, aber auch die ökologisch-traditionelle Bauweise wird den energetischen Anforderungen immer weniger gerecht. Statt dessen werden Fassaden verstärkt in verschiedenen Funktionsschichten aus technologisch hochwertigen Materialien

Die verstärkte Notwendigkeit zur Energieeinsparung wirkte sich auch positiv auf die Entwicklung von Bauprodukten aus nachwachsenden Rohstoffen aus. Auch hier wurden in erster Linie Produkte zur Wärmedämmung entwickelt. In diesem Zusammenhang ergibt sich auch die Schonung von Rohstoffressourcen.

Bild 3.2: Entwicklung der nominalen Preise für Energieträger (Jahresmittelwerte) seit dem Jahr 1940. [23]

3.1.2 Optimierung von Produktions- und Arbeitsprozessen im Sinne des Wettbewerbs Die Optimierung von Produktions- und Arbeitsprozessen führte in einigen Bereichen zu Fertigprodukten – insbesondere bei Produkten im „High Tech-Bereich“, wo konstante Produktionsbedingungen benötigt werden. Aber auch Produkte, die auf eine kurze Bauzeit optimiert werden, weisen meist einen hohen Vorfertigungsgrad auf. Beispiele sind im Wohnungsbau vereinzelt als Raumzellenbauweise zu finden, bei der komplett ausgestattete Räume montagefertig auf die Baustelle geliefert werden.

Auf der anderen Seite steht die VorortProduktion. Sie stellt im Sinne der Neuerung im Bauwesen eine Bremse dar. Denn nach wie vor werden die meisten Bauprodukte auf der Baustelle handwerklich oder teilmechanisiert zu einem Gebäude zusammengefügt. Insbesondere im Bereich der tragenden Bauteile wird die Bautechnik von der Ortbetonund Mauerwerkstechnologie dominiert. Hier werden vor allem billige Lohnarbeiter benötigt, da die Bauprozesse sehr arbeitskraftintensiv sind.

3.1.3 Reinhaltung von Fassaden bzw. Oberflächen Moderne Architektur zeichnet sich seit einiger Zeit durch einen hohen Glasanteil in der Fassade aus. Dies kann vor allem bei Gewerbeobjekten beobachtet werden, die teilweise mit Ganzglasfassaden bekleidet sind. Aber auch im Wohnungsbau werden zur besseren Nutzung solarer Wärme südseitig häufig große Fensterflächen eingesetzt. Dies verursacht einen hohen Reinigungsaufwand – insbesondere in städtischen Ballungsräumen, wo eine erhöhte Luftverunreinigung vorherrscht. Ein weiterer optischer Mangel, der besonders verschattete Außenbauteile betrifft, ist die Veralgung. Dieses Phänomen ist nicht neu,

jeder kennt bemooste Dachziegel auf der Nordseite alter Gebäude. Dies wird im wesentlichen durch einen für Algenwachstum optimales Temperatur- und Feuchteniveau hervorgerufen. Auch unsere neuen Gebäude können veralgen. Hervorgerufen durch den immer effizienteren Wärmeschutz werden die Oberflächen der Außenbauteile, wie Fassade und Dach immer weniger durchwärmt – im Hinblick auf den Wärmeschutz eine positive Entwicklung – was jedoch tendenziell erhöhten Algenwachstum hervorruft. Diese Aspekte führten zu einer Reihe neuer Entwicklungen im Baustoffwesen. 23

Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung

aufgebaut, die zusammen eine energetisch und klimatechnisch wirksame Wandkonstruktion ergeben.

Neue Baukonstruktionen und Baustoffe - Entwicklung

3.1.4 Förderung des gesunden Wohnens Die Diskussion um gesundes Wohnen wird seit einiger Zeit verstärkt in der Öffentlichkeit geführt. Viele Menschen sind auf Grund umweltbedingter Krankheiten für gesundes Wohnen sensibilisiert. Insbesondere Allergiker müssen auf eine hygienische Umgebung achten. Neben den äußeren Umwelteinflüssen wird das gesunde Wohnen vom energiesparenden Bauen beeinflusst. Die geforderte Dichtigkeit der Gebäudehüllen bedingt die Umsetzung abgestimmter Lüftungskonzepte, um den notwendigen Luftwechsel in den Räumen sicherzustellen. Die bisher praktizierte Fensterlüftung, die durch bauartbedingte Undichtigkeiten unterstützt wurde, erfordert

auf Grund des Einbaus immer dichterer Fenster, ein konsequentes Lüftungsverhalten der Bewohner, das jedoch nicht immer gewährleistet werden kann. Daher werden immer mehr Gebäude statt mit freier Fensterlüftung von einer maschinellen Lüftung versorgt. Sie funktioniert nur dann einwandfrei, wenn sie gebäudebezogen geplant, von den Bewohnern akzeptiert und richtig bedient wird. (Siehe Kap. 2.2.7 Ausführungsaspekte zur kontrollierten Lüftung.) Vor diesem Hintergrund wurden zur Unterstützung der hygienischen Verhältnisse bereits einige Baustoffe entwickelt, die aktiv die Raumluft verbessern.

3.1.5 Innovationstransfer aus anderen Forschungsbereichen Vor einigen Jahrzehnten zählte das Bauwesen noch zu den Schlüsseltechnologien in der Forschung. Wichtige gesellschaftsprägende Erfindungen, wie der Computer, der vom Bauingenieur Konrad Zuse entwickelt wurde, kennzeichneten die Forschungslandschaft. Heutzutage werden immer weniger Grundlagen im Bauwesen selbst entwickelt, vielmehr werden aus anderen Forschungsbereichen, wie z. B. der Luft- und Raumfahrt oder des Maschinenbaus, neue Entwicklungen adaptiert und für das Bauwesen

angepasst. Dies sind z.B. die Roboter gestützte Bauproduktion, Klebeverfahren für tragende Bauteile, neue leichte Werkstoffe aus Kunstfasern, die vor allem in Ingenieurbauwerken für Hochleistungstragwerke zum Einsatz kommen, oder aber EDV-unterstützte Informations- und Kommunikationstechnik zur Überwachung und Regelung von Bauwerken. Diese meist für öffentliche Bauten entwickelten Produkte finden zunehmend auch im Wohnungsbau Anwendung.

3.1.6 Informations- und Kommunikationstechniken Insbesondere die Informations- und Kommunikationstechnologie nahm in jüngster Zeit enormen Einfluss auf das Wohnen. Dies lässt sich auf den Leistungsschub in der Datenübertragung und -verarbeitung mit dem einhergehenden Preisverfall der Geräte zurückführen. Wurde bereits in den frühen 80er Jahren über das „intelligente Haus“ in Fachkreisen diskutiert, scheiterte die Markteinführung an den zu

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teuren und wenig leistungsfähigen Geräten. Gegenwärtig überbieten sich die einzelnen Anbieter von Internetzugängen, Computern und anderen Endgeräten mit „Schnäppchenangeboten“. Die technischen Komponenten für Kommunikation, Haustechnik, etc. lassen sich heute schon miteinander vernetzen und bringen dem Kunden in Zukunft reale Erleichterungen im Alltagsleben.

Neue Baukonstruktionen

3.2

Neue Baukonstruktionen

3.2.1 Bauweisen 3.2.1.1 Vom Mauerwerk zum Elementbau

Bild 3.3: Historischer Mauerstein. Kleinteilige massive Steine benötigten großen handwerklichen Einsatz.

Bild 3.4: Handvermauerung eines modernen Mauersteins. Durch die Verwendung poröser Baustoffe und ergonomischen Griffhilfen sind größere Bausteine verarbeitbar. [24]

Mauerwerk ist eines der ältesten handwerklichen Bauweisen zur Erstellung von Gebäuden. Bereits vor tausenden Jahren wurde die gleiche Technik verwandt, wie sie noch heute Anwendung findet. Dabei werden die unterschiedlichsten Materialien in eine von Hand zu verarbeitenden Größe gebracht und so vorbereitet, dass die Steine auf der Baustelle mit Mörtel zu einem Mauerwerksverband zusammengesetzt werden können. Obwohl die Mauerwerkstechnik veraltet scheint und im Vergleich zu neueren industriellen Bauweisen Nachteile aufweist, entwickelte sie sich ständig weiter. Dabei wurde an zwei Stellschrauben gedreht. Erstens an der Größe der Steine, um die Erstellungszeiten zu verringern. Die Steine wurden über die Jahre so groß, dass sie nicht mehr von Hand verlegt werden konnten. Zweitens wurde die Passgenauigkeit der Fugen verbessert. Dazu werden die Steine je nach Baustoff geschliffen und profiliert. Dadurch wird weniger Mörtel benötigt und die Arbeitsgeschwindigkeit steigt. Die Mauerwerksbauweise hat ihre Vorteile in der leichten und einfachen Verarbeitbarkeit. Selbst die großen Mauerblöcke können durch den Handwerker

Bild 3.5: Moderner Mauerblock, der mit einem Hebezeug versetzt wird. Das klassische Mörtelbett wird durch eine Klebefuge ersetzt. [24]

versetzt und bei Bedarf vor Ort bearbeitet werden. Die neuen Mauerblöcke sind deshalb besonders für kleinere Bauwerke oftmals eine sehr wirtschaftliche Lösung. Insbesondere die Verwendung kleiner Hebehilfen oder Minikräne ist im Vergleich zur Elementbauweise, bei der größere Transportgeräte zum Einsatz kommen, von Vorteil.

Bild 3.6: Rohbau mit großformatigen Mauerblöcken [24]

Bild 3.7: Minikran zum Versetzen von Mauerblöcken [25]

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Neue Baukonstruktionen

3.2.1.2 Elementbauweise

a) Massivbau

Die Element- oder Fertigteilbauweise wird bereits seit Anfang des letzten Jahrhunderts im Wohnungsbau vermehrt eingesetzt. Dabei wird der Nachteil des arbeitsintensiven Vor-Ort-Bauens – wie beim Mauerwerk oder der Ortbetontechnik – durch großformatige Fertigteile vermieden. Die Bauteile werden vorgefertigt und auf der Baustelle mit schwerem Gerät montiert. Der große Vorteil der Fertigteilbauweise ist die schnelle Bauzeit und die höhere Ausführungsgenauigkeit, da die Produktion unabhängig von Wind und Wetter in Werkhallen stattfindet. Die Bauweisen werden je nach Baustoffeinsatz in Massivbauweise oder Leichtbauweise unterschieden.

Mauerwerk – Robotereinsatz Eine Technik, die den traditionellen Mauerwerksbau und den Fertigteilbau verbindet, ist die Mauerwerksfertigteilbauweise. Hier werden in Fertigungsbetrieben mit Hilfe von Mauerrobotern wandgroße Mauerwerksscheiben hergestellt. Durch den Einsatz von Robotern kann die Erstellungszeit enorm verkürzt und die Bauteiltoleranzen gegenüber dem vor Ort erstellten Mauerwerk verbessert werden. Dabei werden die Roboter so eingestellt, dass sie mit herkömmlichen Mauersteinen arbeiten können. Die Mauerscheiben können vom Planer frei bestimmt werden.

Die Hochzeiten dieser Bauweisen waren im Wohnungsbau in den 70er und 80er Jahren, leider nicht immer mit hohem architektonischen Anspruch. Insbesondere in Ostdeutschland wurde der Mehrfamilien-Wohnungsbau mehrheitlich in Fertigteilbauweise realisiert. Heute noch bietet diese Bauweise spannende Neuerungen, ohne monoton wirken zu müssen.

Bild 3.8: Besonders in den 70er und 80er Jahren wurde die Fertigteilbauweise im Wohnungsbau forciert.

Bild 3.9: Mauerwerksroboter im Einsatz. [26]

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Bild 3.10: Transport [27]

Die Planung wird mit CAD-gestützten Programmen ausgeführt, die gleichzeitig als Grundlage für die Steuerung des Mauerroboters dient. Damit hat die Werksproduktion weiterhin den Vorteil, dass Installationsaussparungen gleich vorgesehen werden, so dass eine zeitaufwendige, laute und schmutzige Schlitzarbeit auf der Baustelle entfallen kann. Nachdem das Fertigteil produziert ist, wird es mit Schwerlasttransportern auf die Montagebaustelle gebracht. Für den Transport wurden die nötige Transportbewehrung und die Anschlagmittel bereits vorgesehen, so dass die Bauteile binnen weniger Tage zu einem massiven Fertigteilhaus montiert werden können. Beton - Recyclingbauweise Eine weitere massive Fertigteilbauweise, die sich im Hintergrund des Überangebots von Wohnungen in ostdeutschen Großwohnsiedlungen zur Zeit entwi-

Bild 3.11: Montage der Mauertafeln auf der Baustelle [27]

Die Grundrisse der Pilothäuser orientieren sich am alten Grundraster der Spendergebäude, um den Bearbeitungsaufwand zu minimieren. Prinzipiell ist jedoch jede geradlinige Form herstellbar, da die Wandelemente als Teilscheiben aus Innenwandelementen geschnitten werden können.

Bild 3.12: Demontage eines Fertigteilelements

Bild 3.15: Die bearbeiteten Elemente werden zum Montieren auf die Baustelle gefahren.

Bild 3.13: Die demontierten Deckenelemente werden gestapelt.

Bild 3.16: Die Montage erfolgt wie im herkömm lichen Fertigteilbau.

Bild 3.14: Die Elemente werden nach der Reini gung und Prüfung bearbeitet.

Bild 3.17: Der Rohbauzustand nach Einbau der Fenster.

überwiegend Innenwand- und Deckenelemente – Recyclingelemente aus aktuellen Rückbauvorhaben – verwendet. Die Elemente werden nach der Demontage geprüft und gereinigt und bei Bedarf mit üblichen Betonsägeverfahren zurecht geschnitten.

Durch den Schnitt entsteht eine glatte stumpf gestoßene Wandfuge, deren Qualität mit neuen Bauprodukten verglichen werden kann. Die Verbindungen der Betonelemente werden mit demontierbaren Dübelverbindungen erstellt.

Neue Baukonstruktionen

ckelt, ist das Bauen mit demontierten Betonfertigteilen. Auf Grund der architektonischen und baukonstruktiven Ergebnisse und den ökonomischen sowie ökologischen Vorteilen gegenüber herkömmlichen massiven Bauweisen wurden bereits mehrere Pilotprojekte realisiert. Für die Rohbaukonstruktion wurden

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Ein Beispielobjekt: Bei dem Gebäude handelt es sich um ein freistehendes Einfamilienhaus mit 212 m² Wohnfläche. Das Haus verfügt über 8 Zimmer, 1 Küche, 1 Bad, 2 Toiletten, eine Dachterrasse und einen Betriebsraum. Energetisch erreicht es den Standard eines KfW60-Energiesparhauses. Die Montagedauer für 34 Deckenelemente und 56 Wandelemente dauerte 7 Arbeitstage. Für das Pilotprojekt wurden 27 ganze Deckenelemente und 22 ganze Innenwandelemente aus dem 5 km entfernten Spendergebäude verwendet. Die Elemente wurden auf der Demontagebaustelle aufgearbeitet und montagefertig nach Anforderung des Monteurs geliefert. Der Ausbau erfolgte herkömmlich.

Bild 3.18: Gebäude von der Straßenseite

Bild 3.19: Gartenseite

Bild 3.20: Schema der Fräsanlage und Abbundmaschine zum Verbinden der Bretter zu Holztafeln - hier werden die Wandtafeln zu montagefertigen Bauteilen gefräst. [28]

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Holzmassivbau – mit Holzabschnitten Die Massivholzbauweise ist nicht neu, schon einige Jahrhunderte werden aus Vollholzprofilen Blockhäuser errichtet. Bis in die gegenwärtige Zeit wird diese Bauweise vereinzelt noch angewandt. Der große Nachteil dieser Bauweise sind jedoch die starken Schwindmaße, die ein Gebäude während der Holztrocknung erfährt. Bis zu einem Balkenquerschnitt kann eine Wand während der Holztrocknung schrumpfen. Dies muss während des Bauens berücksichtigt werden. Außerdem muss auf der Baustelle Balken für Balken, ähnlich wie bei Mauerwerk, aufeinander gesetzt werden. Die Bauzeit und die Ausführungsgenauigkeit ist deshalb von der Erfahrung des Handwerkers abhängig. Deshalb etablierte sich schon seit einigen Jahren eine Holzmassivbauweise, die mit vorgefertigten Wand- und Deckenelementen diesen Schwächen entgegen tritt. Die Holztafeln werden aus schichtweise längs und quer verleimten Holzstäben hergestellt. Wie überdimensionale Tischlerplatten werden diese Elemente nach den Wünschen des Planers mit computergesteuerten Anlagen in die richtige Form gebracht. Dabei können sämtliche Öffnungen und Aussparungen - wie für die Installation - bereits mit eingefräst werden. Die fertigen Elemente werden - wie im Mauerwerks- oder Betonfertigteilbau - mit Schwerlasttransportern auf die Baustelle gefahren und in kurzer Zeit montiert. Als neueste Entwicklung im Bereich des Massivholzbaues gilt die Nutzbarmachung von minderwertigem Brettholz, sogenannter Seitenschnitt, der bei der Balkenproduktion im Sägewerk anfällt. Diese Bretter werden in mehreren Arbeitsgängen zu hochwertigen Massivholzelementen zusammengefügt. Im ersten Schritt werden die rohen Bretter mit einer Fräse profiliert. Auf einer Abbundmaschine werden dann die vorbereiteten Bretter schicht- und kreuzweise mit Aluminiumnägeln verbunden. Dabei können Holztafeln mit Abmessungen 3,25 m x 6,0 m produziert werden. In einem weiteren Arbeitsgang werden auf einer Fräsanlage nach CAD-Vorlage raumbildende Wand- und Deckenelemente mit Aussparungen für die Installation und

Bild 3.21: Transport der Massivholzelemente [28]

Neue Baukonstruktionen

Fenster- und Türöffnungen gefertigt. Die Fräsarbeiten können dabei problemlos durchgeführt werden, da durch die „weichen“ Aluminiumnägel durchgefräst werden kann, ohne das Werkzeug zu beschädigen.

Die fertigen Bauteile werden mit Fertigteillogistik transportiert und montiert. Durch die Außenwanddicken von 20,5 bis zu 34 cm und die guten Wärmedämmeigenschaften ist eine homogene Außenwand nach EnEV-Standard möglich. Die Fertigteilmethode erlaubt eine kurze Bauzeit.

Bild 3.22: Montage der Massivholzwände [28]

Bild 3.23: Ein Geschoss ist fast fertig [28]

b) Holz-Leichtbau Holzrahmen mit Schnellverbindern Neben dem Massivbau existiert der Leichtbau, der überwiegend in Holzrahmenbauweise erstellt wird. Im Gegensatz zum Massivbau wird der Leichtbau aus tragenden Ständern, die mit Platten beplankt sind, gebaut. Der Zwischenraum ist mit Dämmung ausgefüllt. Je nach Anforderung an den Wärmeschutz kann eine zusätzliche Wärmedämmschicht an der Außenseite angebracht werden. Diese Konstruktion wird im Wohnungsbau insbesondere im kleineren Fertighausbereich angewendet, da hier die Anforderungen an den Schall- und Brandschutz niedriger sind als im mehrgeschossigen Bauen.

Die Fertigstellungszeit sinkt dabei auf wenige Tage, da bereits der Ausbau weitestgehend am Bauteil im Fertigteilwerk vorgenommen werden kann.

Bild 3.24: Fertigung von Holzrahmenbauteilen mit Schnellverbindertechnik [29]

Dadurch können leichte und gegenüber dem Massivbau größere Elemente vorgefertigt werden, die zu einer schnellen Bauzeit führen. Insbesondere neue Entwicklungen im Bereich der Montageverbindungen, bei denen die Bauteile über Steckverbindungen positioniert und dauerhaft fixiert werden, bringen hier noch deutlichere Vorteile. Die neueste Entwicklung realisiert dabei neben der kraftschlüssigen Verbindung auch die Verbindung von Medienleitungen wie Elektro- und Wasserleitungen, die über kombinierte Steckverbindungen mit verbunden werden.

Bild 3.25: Stapellagerung [29]

Bild 3.26: Detail Schnellverbinder [29]

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Eine weitere Optimierung im Bereich der Bauzeiten stellt die Raumzellenbauweise dar. Dabei handelt es sich um vorgefertigte Räume, die bis hin zur Inneneinrichtung ausgestattet werden können und modular, Raum für Raum vor Ort zu

Raumzellen, die mangelhafte Variabilität, die sich über die vorgegebene Containerstruktur nur in Maßen verändern ließ, wurde durch ein Mobilitätskonzept wettgemacht. Die Idee wurde darauf gegründet, dass die einzelnen Raumzellen bei Bedarf den Ortswechseln seiner Bewohner mitmachen. Z.B. könnten die Bewohner

Bild 3.28: Helikoptertransport eines ganzen Hauses [31]

Bild 3.29: Raumzellentragstruktur in Osaka, Weltausstellung 1970 [31]

einem fertigen Haus zusammengesetzt werden. Aus Gewichtsgründen werden die Zellen meist in Leichtbauweise erstellt. Die Größe wird durch die Transportkapazität von Fahrzeugen und Straßenverhältnissen vorgegeben.

beim Umzug in eine andere Stadt ihre ganze Wohnung inklusive Mobiliar mit den Raumzellen mitnehmen, dadurch sollte sich eine sich ständig in Bewegung befindliche Stadt- und Gebäudestruktur einstellen. Diese Utopie hat sich nicht bewahrheitet, dennoch ist diese Idee nicht ausgestorben. Bis heute sind immer wieder neue Entwicklungen und Anwendungen in Raumzellenbauweise zu beobachten.

3.2.1.3 Zellenbauweise

Bild 3.27: Raumzellen werden zu Wohneinheiten zusammen gefügt [30]

Bereits in den 70er Jahren wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Raumzellenkonstruktionen für Wohnräume entwickelt, da sie als optimierte Form des Fertigteilbaus galten. Der große Nachteil der

Bild 3.30: Dachgeschossaufstockung auf ein neobarockes Wohnhaus in Frankfurt a.M.[32]

30

Bild 3.31: Die Dachaufstockung wird als vorgefertigte Raumzelle auf das Wohngebäude aufgebracht. Durch die fertige Raumzel le konnte der Eingriff am Altbau optimiert werden. [32]

Bild 3.32: Die komplett ausgestattete Raumzelle in Leichtbauweise. [32]

Besonders die flach gedeckten mehrgeschossigen Stadthäuser bieten für diese Bauweise noch einiges Entwicklungspotenzial. Denn gerade die vom Untergebäude unabhängige Konstruktion und die schnelle und störungsfreie Montage, Inbetriebnahme und ggf. auch wieder Demontage leichter Raumzellen bringt für bisher nur schwer nutzbare Flächen

Neue Baukonstruktionen

Insbesondere bei der Nachnutzung von Dächern, bei der das Eigengewicht des Aufbaus eine maßgebliche Rolle spielt, können Raumzellen punkten. Die leichten Zellen werden im voll ausgebauten Zustand auf das Dach des Bestandsgebäudes gehoben und positioniert. Durch die fast 100 prozentige Vorfertigung kann eine Montage in wenigen Stunden abgeschlossen werden, ohne dass die Bewohner des Bestandsbaues Beeinträchtigungen erfahren.

neue Ideen. Auch der Mobilitätsgedanke der 70er Jahre, den die Raumzellen verkörpern, könnte in der heutigen Zeit auch ökonomische Vorteile mit sich bringen. Eine weitere Anwendung der Raumzellenbauweise wurde in Holland umgesetzt. Aus ausrangierten Schiffscontainern ist durch modulares Aneinanderreihen und Stapeln ein außergewöhnliches Wohnhaus entstanden. Dieses Pilothaus wurde aus der Idee geboren, vorhandene Altcontainer – wie sie in Hafengegenden häufig zur Verschrottung anfallen – wieder zu verwenden. Durch den raumbildenden Charakter der Container konnte sehr schnell das Rohbaugerüst errichtet werden. Im Hinblick auf einen möglichen Standortwechsel sind die Verbindungen zwischen den Containern de- und remontabel ausgeführt worden. Die Umsetzung kann mit Kran und ContainerTransportern erfolgen.

Bild 3.33: Musterraumzelle „Loftcube“ von Werner Aisslinger zum Aufstellen auf Flachdächern – Eingangsseite

Bild 3.34: Musterraumzelle - Rückseite Die Raumzelle wird aus glasfaserverstärkten Kunststoff gefertigt.

Bild 3.36: Wohnhaus aus Frachtcontainern [33]

Bild 3.35: Innenraum des „Loftcube“

Bild 3.37: Pilothaus in Almere

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3.2.2 Energiesparendes Bauen 3.2.2.1 Vom homogenen zum mehrschichtigen Bauteil Einer der wichtigsten Einflussgrößen im Bereich der Baukonstruktion ist die Energieeinsparung, die im wesentlichen durch Verbesserung der Anlagentechnik und Optimierung der Wärmedämmeigenschaften der Gebäudehülle umgesetzt wird. Da Deutschland nach wie vor einen Großteil seiner Heizenergie mit fossilen Energieträgern deckt, wird durch gesetzliche Vorschriften Einfluss auf die Energieeffizienz von Gebäuden genommen. Dabei wurden seit den 70er Jahren, als es 1973 durch ein Ölembargo zur ersten Ölkrise kam, die Bestimmungen ständig verschärft. Zusätzlich zu den gesetzlichen Vorschriften entstehen immer mehr freiwillige Standards, die die gesetzlichen Standards noch übertreffen und den zukünftigen Entwicklungen bereits vorauseilen. Hier sind Begriffe wie Niedrig-

Bild 3.38: Die Ölpreisentwicklung von 1970 bis 2006.

32

energiehaus und Passivhaus im Spiel (siehe Kap. 2.2.2 Energetisches Niveau von Gebäuden). Dabei wird angestrebt, die Energieverluste eines Gebäudes so gering wie möglich zu halten. Für die Gebäudehülle bedeutet dies, dass der Wärmedurchgang durch immer dickere bzw. bessere Bauteile optimiert wird. Insbesondere bei Außenwänden werden bis heute zwei unterschiedliche Philosophien verfolgt: 1. Die homogene Bauweise, bei der das Bauteil zum Großteil aus einem Baustoff besteht, der neben der Wärmedämmung alle anderen Eigenschaften, wie Tragfähigkeit, Schallschutz, etc., mit abdeckt. 2. Die mehrschichtige Bauweise, die auf die Spezialisierung unterschiedlicher Bauteilschichten setzt, wobei jeder Bauteilschicht ihre Aufgabe zugewiesen wird, z. B. Tragschicht und Dämmschicht bei Außenwänden.

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3.2.2.2 Beispiel Außenwand Zur Verdeutlichung der vorher genannten Standpunkte werden an Hand der Entwicklung einer typischen massiven Außenwandkonstruktion die Unterschiede wie folgt dargestellt:

Homogene Außenwand

Mehrschichtige Außenwand

Noch zu Beginn des 20. Jahrhunderts waren kleinformatige Ziegelsteine der Hauptbaustoff für Wände. Doch bereits um 1900 ist neben den massiven auch zweischaliges Mauerwerk dokumentiert. Durch die Hohlräume sollte die Wärmedämmung verbessert, aber auch Feuchtigkeit ferngehalten oder einfach Material eingespart werden.

1900

ab 1920 Begriff Mindestwärmeschutz

Die Entwicklung neuer Dämmstoffe leitet ab den 70er Jahren die Mehrschichtigkeit der Wandaufbauten ein. Eine Anfangs nur wenige Zentimeter dicke Dämmschicht ergänzte den Wärmeschutz des Mauerwerks.

Im weiteren Verlauf entwickelten sich die homogenen Bauprodukte zu porösen Materialien, die durch Luftporen bzw. Luftkanälen den Wärmeschutz verbesserten.

ab 1977 1. Wärmeschutzverordnung ab 1982 2. Wärmeschutzverordnung

Im Zuge der Energieeinsparung wurden die Dämmschichten immer dicker. Eine gegenwärtige mehrschichtige Außenwand besteht aus einer annähernd gleich dicken Trag- und Dämmschicht. Wobei die Tragschicht für den Wärmeschutz keine Rolle spielt.

Die homogenen Wände entwickelten sich bis heute zu hochporösen Werkstoffen, die in ihrer Eigenschaft zwischen einem tragfähigen und einem dämmfähigen Material stehen. Hochlochsteine werden bereits in tragende (enge Lochweite) und dämmende (große Lochweite) Bereiche eingeteilt und nähern sich immer mehr den mehrschichtigen Wandaufbauten.

ab 1952 DIN 4108 Mindestwärmeschutz

ab 1995 3. Wärmeschutzverordnung ab 2002 Energieeinsparverordnung

2007 EnEV

Tab. 3.1: typische Außenwandkonstruktionen

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3.2.3 Wärmebrückenoptimiertes Bauen Um langfristig schadensfreie und wärmeschutzoptimierte Gebäude zu erhalten, ist es wichtig, wärmebrückenoptimiert zu planen und zu bauen. Deshalb werden insbesondere dort, wo Kräfte über und durch die thermische Hülle eines Hauses übertragen werden, spezielle Detailausbildungen nötig. Im weiteren werden stellvertretend einige neue Lösungen vorgestellt, die teilweise auch für die Altbaumodernisierung verwendet werden können.

3.2.3.1 Schraubbares Verbindungselement zur thermischen Entkopplung => nachträgliche Montage von Balkonen Für die Übertragung von Zug-, Druck-, und Querkräften, wie sie beispielsweise bei auskragenden Balkonplatten entstehen, steht seit einigen Jahren ein wärmeschutzoptimiertes Anschlussdetail zur Verfügung.

Bild 3.39: Schraubbares Verbindungeselement zur thermischen Entkopplung [34]

Damit ist es möglich, ungedämmte Bauteile an die tragenden Bauteile des Gebäudes anzuschließen. Bei dem Detail handelt es sich um einen Knotenpunkt, der aus einem Edelstahlinlet besteht, das mit einem druckstabilen und wärmeisolierenden Kunststoff ummantelt ist. Seit Neuestem steht auch eine schraubbare Variante bereit, die für die Anschlüsse von Stahlprofilen entwickelt wurde. Damit kann jedes Bauteil, das mit Schraubverbindungen versehen werden kann, befestigt werden. Dies ist vor allem im Bestandsbau von Vorteil, wo oftmals neue Ergänzungen mit Bolzen am Altbau angebracht werden.

3.2.3.2 Entkoppelte Schwerlastverankerung Bei der Befestigung von Markisen, Vordächern und ähnlichen schweren Bauteilen werden große Lasten in die Außenwand eingetragen. Dazu sind Schwerlastbefestigungssysteme – in der Regel aus Stahl – nötig. Die Stahlverankerungen stellen im wärmebrückenoptimierten Bauen eine Schwachstelle dar, die in ungünstigen Fällen auch zu Bauschäden führen kann. Ein führender Hersteller von Befestigungstechnik hat deshalb einen Klebedübel auf den Markt gebracht, der durch eine Kunststoffplombe die zwischen den Dübel eingebaut wird, den Wärmefluss minimiert. Der Anker wird eingeklebt und kann sowohl in massiven, als auch in porösen oder gelochten Baustoffen eingesetzt werden.

Bild 3.41: Einsatz des wärmebrückenoptimierten Schwerlastankers [35] Bild 3.40: Anwendungsbeispiel - Schnitt [34]

34

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3.2.3.3 Druckstabile Dämmsteine Ein weiterer wichtiger Detailpunkt im wärmebrückenoptimierten Bauen ist der Fußpunkt eines Hauses. Hier steht das Gebäude auf einem wärme- und feuchteübertragenden Fundament. Die Dämmung der Außenwand und der Bodenplatte kann bis zum Fußpunkt herangezogen werden. Unter der Wand kann jedoch mit herkömmlichen Dämmstoffen nicht gedämmt werden, da die Druckkräfte unter der Wand so groß sind, dass jeder herkömmliche Dämmstoff versagen würde. Ungedämmte Fußpunkte stellen jedoch wärmetechnische Schwachpunkte dar, die sehr anfällig für Schimmelpilzbefall auf Grund von Wärmebrücken sein können. Mit speziellen druckstabilen Dämmsteinen, sog. Kimmsteinen, die aus verschiedenen druckstabilen Dämmmaterialien hergestellt werden, lassen sich diese Schwachstellen vermeiden.

Bild 3.42: druckstabiler Dämmstein [34]

Bild 3.43: druckstabiler Dämmstein - Schnitt [34]

3.2.4 Fassaden Fassaden bestimmen das Erscheinungsbild eines Gebäudes, da sie das ganze Gebäude wie einen Schutzmantel umgeben und damit die Außenwirkung dominieren. Bestanden Fassaden früher aus monolithischen Wänden, die durch klar gegliederte Fensterflächen geprägt waren, geht heute der Trend immer häufiger zu multifunktionalen und mehrschichtigen Konstruktionen. Hier beeinflusst insbesondere die Wärmeschutzfunktion die Fassadenkonstruktion. Neben der reinen Verbesserung der Dämmwirkung von Wandaufbauten durch High-Tech-Dämmstoffe spielt vor allem die Nutzung der Sonnenenergie eine große Rolle. Durch den Einsatz von durchscheinenden (transluzenten) Dämmstoffen kann das Sonnenlicht in das Gebäude dringen und so tagsüber die Außenwand oder den Innenraum erwärmen. Weiterhin können transluzente Dämmstoffe, die in fensterähnlichen Konstruktionen eingebaut sind, zur Belichtung eines Raumes beitragen.

So werden die beiden bekannten Fassadenarten „Wand“ (opak = lichtundurchlässig) und „Fenster“ (transparent = durchsichtig) durch eine dritte die „transluzente“ (durchscheinende) Fassade ergänzt. Fassadensysteme sind neben der Einteilung in die verschiedenen Stufen der Lichtdurchlässigkeit auch nach der Anpassbarkeit auf unterschiedliche Situationen zu unterscheiden. Es existieren bereits mehrere Produkte, die aktiv auf eine veränderte Situation reagieren. Z.B. können schaltbare Verglasungen, je nach Anforderung von transparent auf transluzent oder opak geschaltet werden. Dabei geht die Entwicklung zu Fassadensystemen, die auf die jeweilige Anforderung angepasst werden. Der derzeitige Stand der Technik zeigt erste Ansätze, verschiedene Fassadenelemente miteinander zu kombinieren. Im weiteren Verlauf werden aktuelle Entwicklungen vorgestellt, die zwischen passiven und aktiven bzw. opaken, transluzenten und transparenten Fassadensystemen anzusiedeln sind. 35

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3.2.4.1 Opake Fassaden Vakuumdämmsysteme (passiv, opake hoch wirksame Dämmung) Insbesondere im Passivhausbereich werden die Anforderungen an den Wärmeschutz so hoch, dass Dämmstoffdicken mit herkömmlichen Dämmmaterialien von 30 cm bis 40 cm bereits ausgeführt werden. Durch die hohen Wanddicken kommt es neben den Verlusten an nutzbaren Raum auch zu Belichtungsproblemen durch den erhöhten Schattenwurf der breiten Laibung. Alternativ wurden deshalb bereits hocheffiziente Dämmstoffe, wie die sog. Vakuumdämmung, die aus dem Maschinen- und Gerätebau stammt, auch im Bauwesen eingesetzt. Mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,004 W/(mK) ist die Dämmwirkung 10 mal besser als bei herkömmlichen Dämmstoffen der Wärmeleitgruppe WLG 040 (0,04 W/(mK)). Durch die sehr gute Dämmwirkung lassen sich mit geringen Wanddicken hoch gedämmte Gebäudehüllen herstellen.

Bild 3.44: Wandaufbau Betonfertigelementfassade mit Vakuumdämmung [36]

Bild 3.45: Montage eines Betonfertigteil mit Vakuumdämmung [37]

Ein weiterer Einsatzschwerpunkt sind bisher schwer lösbare Details, wie der barrierefreie Übergang von Dachterrasse und Wohnraum oder die Dämmung von Fensterlaibungen im Außenbereich. Auch im Bestandsbau gibt es Anwendungsgebiete. Überall dort, wo sehr wenig Platz

zur Verfügung steht, kann die Vakuumdämmung eine Alternative darstellen. Dies ist zum Beispiel bei gehwegbündigen Fassaden, wie sie bei der überwiegenden Anzahl von städtischen Wohngebäuden vorkommen, der Fall. Hier kann mit sehr schlanken Dämmfassaden ein Optimum an Wärmeschutz erreicht werden. Noch bestehende Nachteile der Vakuumdämmung sollen jedoch nicht verschwiegen werden. Dies sind zum einen der hohe Anschaffungspreis, der sich proportional zur Dämmfähigkeit entwickelt und zum anderen die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Beschädigung. Da der Dämmstoff mit einer luft- und dampfdichten Kunststofffolie umgeben ist, die das Vakuum im Dämmstoff erhält, darf diese Folie nicht beschädigt werden. Beschädigungen hätten zur Folge, dass Umgebungsluft in den Dämmstoff eindringen kann und die Dämmwirkung rapide nachlässt. Aus diesem Grund muss die Dämmung im Baueinsatz rechnerisch so dimensioniert werden, als ob kein Vakuum vorhanden wäre. Jedoch selbst bei diesem worst-case bringt die Dämmung immer noch 5 mal bessere Werte (0,008 W/mK) als konventionelle Dämmstoffe. Die Vakuumdämmung wird als vorgefertigte Dämmpaneele, die speziell auf die Fassadengeometrie angepasst wurden, hergestellt. Diese vorgefertigten Paneele müssen exakt passen, da ein nachträgliches Bearbeiten nicht mehr möglich ist. Außerdem müssen spezielle Befestigungen verwendet werden, die keine Beschädigung bei der Montage und gleichzeitig keine Wärmebrücken verursachen. Für den dauerhaften Schutz ist eine stabile Bekleidung oder auch die Einbettung als Kerndämmung zu empfehlen. (Siehe auch Kap. 3.3.3.4 Evakuierte Wärmedämmung.)

Bild 3.46: Gegenüberstellung konventionelle Dämmung und Vakuumdämmung

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Schaltbare Wärmedämmsysteme zur Solarenergienutzung (aktiv, Dämmwirkung wird den Anforderungen angepasst) Die schaltbare Wärmedämmung (SWD) vereint die guten Dämmeigenschaften einer opaken Dämmung mit den Eigenschaften der transparenten Wärmedämmsysteme, Sonnenenergie an das Gebäudeinnere weiterleiten zu können. Die noch im Versuchsstadium befindliche Dämmung besteht aus nur 2 cm dicken Paneelen, die mit Edelstahlblech ummantelt sind. Das Paneelinnere ist mit Glasfasern verpresst und evakuiert. Im Paneel sind wenige Gramm eines Metallhydrids eingeschlossen, das durch eine elektrische Schaltung angeregt, bei Bedarf Wasserstoff abgeben und auch wieder aufnehmen kann. Durch die gezielte Freisetzung des Wasserstoffs wird die Wärmeleitfähigkeit des Paneels um den Faktor 40 erhöht. Um diesen Zustand dauerhaft aufrecht erhalten zu können, muss eine elektrische Leistung von etwa 5 W/m² Paneelfläche angelegt werden. Wird der Strom abgeschaltet, stellt sich wieder der hochdämmende Zustand ein. Dabei wird ein U-Wert von 0,2 W/(m²K) erreicht. Da der Schaltvorgang vollständig reversibel ist, kann die Dämmung je nach Bedarf auf leitend oder dämmend geschaltet werden. Dadurch lassen sich während der Heizperiode (wie bei den TWD) solare Zugewinne über die Außenwände nutzbar machen. Aber auch im Sommer können kühle Nächte besser zur Akklimatisierung der Gebäudemasse eingesetzt werden.

3.2.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe (TWD) auf opaker Außenwand, (passiv) Im Gegensatz zu lichtundurchlässigen (opaken) Dämmstoffen tauchen in letzter Zeit immer häufiger transluzente Systeme für den Wärmeschutz auf. Dabei handelt es sich um Fassadenbekleidungen, die eine lichtdurchlässige Deck- und Dämmschicht besitzen. Dadurch kann das Sonnenlicht durch die Fassade hindurchdringen und die dahinterliegende Wand mit solarer Energie erwärmen. Dies ist der große Vorteil gegenüber konventionellen opaken Dämmstoffen. Denn obwohl die

Bild 3.47: Schema des schaltbaren Wärmedämmsystems [38]

Dämmwirkung transluzenter Dämmstoffe in der Regel schlechter ausfällt als bei opaken, können – je nach Standort – im Jahresmittel durch die aktiven solaren Zugewinne Heizenergie hinzugewonnen werden. Hauptverantwortlich ist hier die transluzente Wärmedämmung, die in unterschiedlichen Formen und Materialien angeboten wird. (Siehe auch Kap. 3.3.3.3 Transluzente Wärmedämmung.) Zur Zeit wird am häufigsten eine wabenförmige, aus transparenten Kunststoff bestehende, Matte eingesetzt. Die Waben bestehen aus Röhrchen oder Stegen. Statt Kunststoff kommen auch feine Glasröhrchen zum Einsatz. Weiterhin werden auch gefaltete kreuzweise verlegte Zelluloseacetatfolien und Glasfasermatten aus Klarglas angeboten. Hier können je nach Standort und Ausrichtung zwischen 50 und 150 kWh/m² Fassadenfläche pro Jahr gewonnen werden. Die Zugewinne können jedoch sogar so groß werden, dass insbesondere in der Sommerzeit eigene Verschattungseinrichtungen notwendig werden, um eine Überhitzung zu vermeiden.

Bild 3.48: Kapillarstruktur einer transparenten Wärmedämmung [39]

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Die TWD-Systeme können in drei verschiedene Hauptsysteme eingeteilt werden: Konvektives System Das konvektive System besteht aus einem eigenständigen TWD-Element, das aus einer transparenten Deckschicht (Verglasung), einer transparenten Dämmschicht und einer rückwärtigen Absorberschicht besteht. Das TWD-Element wird mit einigen Zentimetern Abstand vor der massiven Tragkonstruktion angebracht, die als Wärmespeicher dient. Die Wärme wird über den Absorber an die Luftschicht weitergegeben, die wiederum die Wand erwärmt. Bei zu großer Hitzeentwicklung, z.B. bei Überhitzung im Sommer, dient die Luftschicht zur Wärmeableitung.

Bild 3.49: Schema konvektives TWD-System, nach [40]

In jüngster Zeit wurden Fassadensysteme vorgestellt, die als komplette Einheit am Gebäude montiert werden können. Diese bestehen aus mehreren Funktionsschichten, in der Regel Glasscheiben, die in bestimmten Abständen in einem Rahmen montiert werden. In den Zwischenräumen werden Verschattungsschutz, transparente Dämmung und Wärmespeicher integriert. Für den Wärmespeicher kommen häufig Latentwärmespeicher aus Wechselspeichermaterialien (PCM, siehe Kap. 3.2.2. Latentwärmespeicher in Baustoffen) zum Einsatz, die trotz ihres geringen Gewichts viel Wärme zwischenspeichern und über einen längeren Zeitraum wieder abgeben können. Dadurch werden schlanke und leichte Fassadenkonstruktionen möglich, die das Verhalten von herkömmlichen Massivkonstruktionen zeigen.

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Hybridsystem Das Hybridsystem ist eine Weiterentwicklung des konvektiven Systems. Hier wird durch gezielte Weiterleitung der in der Hinterlüftungsschicht erwärmten Luft eine bessere Ausnutzung der solaren Zugewinne erzielt. Dabei kann die erwärmte Luft bei Luftheizungen direkt zur Heizungsunterstützung genutzt oder aber über ein Rohrnetz, ähnlich wie bei solarthermischen Anlagen, zur Warmwasser- oder Heizungsunterstützung, genutzt werden.

Bild 3.50: Schema Hybridsystem

Transluzentes Wärmedämmverbundsystem Beim transluzenten Wärmedämmverbundsystem (TWDVS) besteht die Deck-, Dämm-, Absorber- und Wärmespeicherschicht aus einer Einheit. Im Vergleich zum opaken WDVS wird der Deckputz aus einem mit Glasperlen und transparentem Binder bestehenden Gemenge auf eine transparente wabenstrukturierte Dämmschicht aufgetragen. Die Dämmschicht wird mit einem dunkel gefärbten mineralischen Kleber, der gleichzeitig als Absorberschicht dient, an der Außenwand befestigt. Mit speziell angebotenen Übergangsdetails kann die transluzente direkt mit der opaken Schicht verbunden werden.

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Neben den wärmetechnischen Eigenschaften sind die weiteren Eigenschaften von transluzenten Fassaden eher mit denen von Fenstern als mit denen von opaken Wänden zu vergleichen.

Bild 3.51: Einstrahlwinkel im Winter [41] Im Winter, wenn die Sonne tief steht (15°), ist der Energiegewinn am höchsten.

Bild 3.52: Einstrahlwinkel im Sommer [41] Im Sommer, wenn die Sonne hoch steht (65°), ist der Energiegewinn am niedrigsten.

Somit können ebene Fassaden erstellt werden, die sich optisch lediglich durch die Putzstruktur und –farbe unterscheiden. Auch hier ist die Ausrichtung nach dem Sonnenstand zu planen und eine mögliche Überhitzung ggf. mit geeigneten Verschattungssystemen zu vermeiden.

Die Lichtdurchlässigkeit birgt den Vorteil, dass sie zur Belichtung von Räumen verwendet werden können. Die transparenten Dämmstoffe bewirken dabei eine Streuung des Tageslichtes. Das gleichmäßige diffuse Licht bietet schattenfreie Beleuchtungsmöglichkeiten von Räumen und darüber hinaus neues architektonisches Potenzial zur Gestaltung.

Bild 3.54: Schema eines Direktgewinnsystems nach [40]

Bild 3.53: Beispiel Fassade mit TWDVS [42]

3.2.4.3 Transluzente Fassaden (passiv) Direktgewinnsystem Neben den TWD mit Speicheraktivierung werden Direktgewinnsysteme eingesetzt. Die Direktgewinnsysteme speichern die solare Energie nicht in einem Zwischenspeicher, sondern geben sie, wie beim Fenster, direkt an den dahinter liegenden Raum ab. Die zeitliche Phasenverschiebung des Wärmeaufkommens im Innenraum, wie er bei den TWD mit Zwischenspeicher (massive Außenwand oder Latentwärmespeicher) auftritt, ist daher nicht zu beobachten. Die von der TWD durchgelassene Wärmestrahlung erwärmt direkt den Raum. Deshalb bedarf es in jedem Fall einer Verschattungseinrichtung, um eine Überhitzung der Innenräume zu verhindern.

Die transluzenten Systeme zeichnen sich durch hohe Transparenz bei gleichzeitig hohem Dämmvermögen aus. Der Aufbau folgt im Allgemeinen dem des Fensters. In einem Rahmen wird eine transparente Stegplatte oder Glasscheibe eingesetzt, in deren Hohlraum der transluzente Dämmstoff eingebracht wird. Dabei kommen auch die wabenförmigen Dämmstoffe wie vorher bei den TWD-Fassaden beschrieben wurden zur Anwendung. Aber auch transluzentes Granulat aus Kieselsäure, das die beste Dämmeigenschaft besitzt, wird eingesetzt. Das Silikat-Aerogel, das ursprünglich aus der Raumfahrt und Prozessund Analysetechnik kommt, kann nun mit einem neuen Verfahren großtechnisch hergestellt werden. Dabei steht der Dämmstoff nicht in reinster Form zur Verfügung, jedoch reicht die Qualität für den Einsatz als transluzenter Dämmstoff im Bauwesen vollkommen aus. Die als Schüttgranulat unter dem Namen „Nanogel“ angebotene Ware erreicht einen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,018 W/m² K und ist damit 2,5 mal besser als herkömmliche opake Dämmstoffe. 39

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3.2.4.4 Transparente Fassaden Fenster Unter transparenten Fassaden werden im Allgemeinen Fenster verstanden. Fenster bestehen aus Blendrahmen, Rahmen und Glas, die zusammen eine funktionale Einheit bilden. Hier wurde insbesondere beim Glas eine Vielfalt unterschiedlicher Produkte entwickelt. Die Gläser erfüllen z.B. den Wärmeschutz, Schallschutz und den Einbruchschutz bei maximaler Lichtdurchlässigkeit. In der letzten Zeit wurde vor allem im Bereich des Wärmeschutzes verstärkt nach effizienteren Systemen gesucht. So hat sich im Wohnungsbau das Zweischeiben-Isolierglas mit einem Wärmedurchgangskoeffizenten Ug (nicht zu verwechseln mit Uw)8 von 1,5 W/(m²K) als Standard durchgesetzt. Der Zwischenraum der Scheiben ist dabei mit Luft gefüllt. Wird dieser statt dessen mit Edelgas ausgefüllt, werden Ug-Werte von 1,2 W/(m²K) bei Argonfüllung bzw. 1,1 W/(m²K) bei Kryptonfüllung erreicht. Eine weitere Steigerung der Dämmwirkung von Isoliergläsern wird durch die Anordnung einer dritten Scheibe erreicht. Hier werden je nach Edelgasfüllung Ug-Werte zwischen 0,5 bis 0,6 W/(m²K) angegeben, bei VakuumIsoliergläsern können Ug-Werte bis 0,4 W/(m²K) erzielt werden. Auch bei der Randverbund-Technik und bei der Konstruktion der Fensterrahmen gibt es neue Entwicklungen. So wurde der Randverbund durch Abstandshalter aus Kunststoff (früher Aluminium) wärmetechnisch optimiert. Zudem werden die Glasscheiben, zur Minimierung von Wärmebrücken, so tief wie möglich in den Rahmen eingebunden. Die Rahmen selbst erreichen durch Dämmstoffeinlagen aus Polyurethan oder Kork Uf-Werte8 bis zu 0,7 W/(m²K).

Als zusätzliche Maßnahme können Gläser ein- oder zweiseitig mit Beschichtungen versehen werden. Je nach Beschichtung lassen sich dabei verschiedene Effekte erzielen. Für den Wärmeschutz (auch für den sommerlichen Wärmeschutz) werden bereits seit einigen Jahren mit Metalloxiden bedampfte Oberflächen eingesetzt. Eine Weiterentwicklung dieser passiven Beschichtungen sind schaltbare Beschichtungen, die durch Anregung aktiv an die jeweilige Anforderung angepasst werden können. So entstehen schalt- und regelbare Fassaden, die aus dem Zustand transparent in den Zustand transluzent oder opak wechseln können. Schalt- und regelbare Fassaden Diese Fassaden bestehen in der Regel aus einer oder mehreren Schichten, die durch Anregung ihre Lichtdurchlässigkeit ändern können. Der Schaltvorgang kann dabei durch elektrische Energie, Temperatur, Gas oder Licht ausgelöst werden. In der folgenden Tabelle sind neun unterschiedliche Arten von schalt- bzw. regelbaren Fassaden beschrieben. Dabei sind die unterschiedlichsten Eigenschaften zu erreichen. Einige Verglasungen sind im ungeschalteten Zustand hell und durchsichtig, die PBLC- und SPD-Verglasungen sind jedoch nur im geschaltetem Zustand klar. Alle Verglasungen schirmen das sichtbare Licht ab, doch nicht alle halten auch die solare Wärmestrahlung ab. Hier ist für jede Anforderung das schaltbare Modul mit anderen Bauteilen (z.B. zur Wärmedämmung, etc. ) zu kombinieren, um den Anforderungen gerecht zu werden. Die Zukunft wird zeigen, in welchen Bereichen sich die unterschiedlichen Systeme bewähren. Momentan befindet sich diese junge Technik in der Entwicklungsund Erprobungsphase.

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Der Gesamt-U-Wert eines Fensters (Uw) wird errechnet aus folgenden Größen: - Ug der Verglasung - Uf des Rahmens - Ψ (Wärmebrückenverlustkoeffizient) des Randverbunds - Ag Glasfläche - Af Rahmenfläche - lg Länge Randverbund

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Glas (Ug)8 Randverbund (Ψ)8 Rahmen (Uf)8

Bild 3.55: Dreischeiben-Isolierglasfenster

Bild 3.56: Beispiel schaltbare Verglasung oben: AUS - unten: EIN [43]

Neue Baukonstruktionen Tab. 3.2: Systeme schalt- und regelbare Verglasungen, nach [44]

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3.2.5 Tageslicht –Lenksysteme

gegangen. Auch spezielle Systeme zur Tageslichtlenkung finden bereits Einzug in den Wohnungsbau. 3.2.5.1 Kombinierte Verschattungs-/ Tageslichtlenksysteme Mit dem Trend zur solaren Energienutzung werden Fensterflächen nach dem Sonnenstand ausgelegt. Besonders die sonnenintensive Südseite verspricht dabei hohe Energieerträge in der Heizperiode. Dagegen neigen im Sommer solche Räume besonders häufig zur Überhitzung.

Bild 3.57: Wirkweise tageslichtleitender Systeme integriert in Fensterkonstruktionen, nach [45]

Ein weiterer Beitrag zur effizienteren Gestaltung von Fassaden sind Tageslichtlenksysteme. Mit diesen Systemen wird es möglich, Tageslicht weitgehenst für die natürliche Belichtung von Gebäuden zu verwenden. Die Tageslichtbeleuchtung bringt neben der Energieeinsparung für den Kunstlichtbetrieb auch ein besseres Wohlbefinden im Raum. Hier werden auf dem Gebiet des sommerlichen Wärmeschutzes und Blendschutzes neue Wege

Bild 3.58: Beispiel für lichtlenkende Jalousie im Innenbereich [46]

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Ein sommerlicher Wärmeschutz, oftmals auch ein Blendschutz in Form eines außenliegenden Rollladens, schafft hier Abhilfe. Doch bei einem herkömmlichen Rollladensystem wird dabei auch das Tageslicht soweit vom Raum abgehalten, dass oftmals auch tagsüber Kunstlicht benötigt wird. Abhilfe verspricht hier ein innovatives Rollladensystem, dessen Lamellen in Bereiche aufgeteilt sind und getrennt angesteuert werden können. Dadurch wird es möglich, im Sommer den oberen Bereich so einzustellen, dass Tageslicht über die Lamellen in den Raum gelenkt wird. Der untere Bereich wird so eingestellt, dass das Sonnenlicht reflektiert wird und bei Außenmontage den Raum vor Überhitzung schützt. In der „Lichtlenkstellung“ reflektieren die unteren Lamellen die Sonne und sorgen für einen blendfreien Arbeitsplatz, während die oberen Lamellen das Licht gegen die Zimmerdecke reflektieren und so den Raum gleichmäßig ausleuchten.

Bild 3.59: Die Montage einer lichtlenkenden Jalousie im Außenbereich bietet gleichzeitig Schutz gegen Überhitzung. [46]

Über die separat ansteuerbaren Rollladensysteme hinaus werden auch in der Verglasung integrierte Lichtlenksysteme eingesetzt. Dabei handelt es sich in der Regel um Systeme die zwischen den Scheiben einer Isolierverglasung untergebracht sind. Stellvertretend für eine innenliegende Lichtlenkung soll die in Bild 3.60 gezeigte Konstruktion kurz erläutert werden.

1 Lichteintritt 2 Lichtumlenkung 3 Beschichtung zur Vermeidung von Blendung 4 Diffusor 5 Isolierglasscheibe

Bild 3.60: Passives Element in Isolierverglasung (Oberlichtbereich) integriert, nach [38]

Das Lichtlenkelement besteht je nach Bedarf aus einem oder mehreren Modulen, die aus übereinander gestapelten, transparenten Profilen aufgebaut sind. Diese übereinandergestapelten, lamellenförmigen Profile werden in den Scheibenzwischenraum einer Isolierverglasung, die Schutz vor Witterung und Verschmutzung bietet und somit eine langjährige Funktionstüchtigkeit gewährleistet, eingebaut. Dabei wird das Licht in Abhängigkeit vom Einstrahlwinkel durch die transparenten Profile gebrochen und somit umgelenkt. Ein Blendschutz verhindert, dass direktes Licht zu Blenderscheinungen führt. Der Diffusor sorgt für die Zerstreuung des gebündelten Lichts.

3.2.5.3 Spiegelschächte Ein weiteres Beispiel für die effiziente Nutzung von Tageslicht sind Spiegelschächte. Durch Spiegel wird das Tageslicht so umgelenkt, dass es in den Innenraum gelangt und so tagsüber auch

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3.2.5.2 Lichtlenkelemente in Isolierverglasung

fensterlosen oder dunklen Räumen den Eindruck verleiht, als wären sie direkt besonnt. An Stelle eines herkömmlichen Lichtschachts wird ein spezieller Schacht eingebaut, der eine gläserne Abdeckung und eine Lichtumlenkeinrichtung besitzt.

Bild 3.61: Lichtlenkung über einen Spiegelschacht für Räume im Soutterain [47]

Bild 3.62: Funktionsweise eines Spiegel schachtes [47]

Die Umlenkspiegel werden so eingestellt, dass ein Maximum an Tageslicht in den zu beleuchteten Raum gelangt. Die Lichtausbeute ist dabei 10 bis 20 mal höher als bei Lichtschächten ohne Lichtlenkung.

3.1.5.4 Lichtröhren und -säulen Eine Weiterentwicklung der Spiegelschächte sind sog. Lichtröhren oder Lichtsäulen. Hier wird das Tageslicht durch eine Spiegeloptik, die nach dem Sonnenstand orientiert wird, gebündelt und in eine lichtleitende Röhre geleitet. Die Lichtröhre ist mit einer speziellen, transparenten und lichtleitenden Folie ausgekleidet. Diese Folie leitet das Licht besonders effizient weiter. Möglich wird dies, da die Rückseite mit einer Prismenstruktur und die Vorderseite besonders glatt ausgerüstet ist. Mit den Lichtröhren lassen sich besonders reizvolle punktuelle Akzente in ansonsten dunklen Räumen schaffen. Auf eine künstliche Zusatzbeleuchtung kann jedoch in der Regel nicht verzichtet werden, da die Lichtausbeute lediglich 25% beträgt.

Bild 3.63: Funktionsweise Lichtsäule mit Spiegellenkung [47]

Bild 3.64: Lichtverteilung im Innenraum [47]

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Neue Baustoffe

3.3

Neue Baustoffe

Die Baustoffindustrie und die Bauindustrie sind ein bedeutender Wirtschaftsfaktor in Deutschland. Der Stand der Bautechnik und insbesondere der zugrundeliegende Stand der Forschung und Entwicklung von neuen Baustoffen und Bautechnologien gehören zur Weltspitze. Jüngste Entwicklungen in der Bauchemie und der Bauphysik – basierend auf „Molecular design“, Nanotechnologie und deren ingenieurtechnische Umsetzungen – haben dazu beigetragen, neue energieeffiziente und die Dauerhaftigkeit verbessernde Bausysteme zur Marktreife zu führen. Diese Systeme stehen jetzt als technologische Neuerungen im Bauen und Wohnen einer breiten Öf-

fentlichkeit zur Nutzung zur Verfügung. Die neuen Baustoffe und Bausysteme betreffen beispielsweise effizientere und solargestützte Wärmedämmungen, spektralselektive Fassaden- und Oberflächenbeschichtungen sowie generell „intelligente“ Oberflächen. Der vorliegende Beitrag dient der Information von interessierten Bauherren, insbesondere der vertieften Fachinformation von Architekten, Planern und Bauberatern über Neuentwicklungen auf dem Baustoff- und Bautechnologiesektor sowie dem Stand und den Möglichkeiten der Anwendung dieser Neuerungen in der Baupraxis des Wohnungsbaus.

3.3.1 Massivwand-Baustoffe 3.3.1.1 Wärmedämmziegel ohne Dämmfüllung

Bild 3.65: Wärmedämmziegel ohne Dämmfüllung [48]

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bei einer Wanddicke von 42,5 cm erreichbar. Damit sind die Planziegel für Passivhäuser anwendbar. Die Druckfestigkeit ist, trotz der Hohlräume, aufgrund der hohen Rohdichte für Wärmedämmziegel verhältnismäßig hoch. Weitere technische Details - Steinfestigkeitsklassen = 4 bis 10, vorzugsweise 8 N/mm², - zulässige Druckspannung beträgt 4 bis 11 N/mm², - Rohdichte liegt zwischen 0,6 bis 0,7 kg/dm³.

Gegenstand Neue Plan- und Blockmauerziegel mit hoher Porosierung und geringer Sinterdichte, ohne Dämmfüllung, für einschaliges Mauerwerk/ einschalige Außenwand.

3.3.1.2 Wärme- und Schalldämmziegel mit Dämmfüllung

Neue Funktion und Eigenschaften Der neue hochwärmedämmende Planund Blockmauerziegel, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,09 - 0,10 W/(mK), beidseitig geschliffen mit 1 bis 3 mmKlebemörtelfugen, wird in Wanddicken von 24 bis 49 cm hergestellt und ist für den Bau einschaliger Außenwände ohne Füllung und ohne außenliegende Wärmedämmung geeignet. U-Werte von bis zu 0,20 W/(m²K) sind

Bild 3.66: Wärmedämmziegel mit Dämmfüllung [49]

Gegenstand Neuer Plan-, Block-, Füll- und Schalungsziegel mit großem Hohlraum zur Füllung mit Hohlwand-Perlit zur Wärme-

Neue Funktion und Eigenschaften Der hochdruckfeste Füllziegel wird als Plan- und Blockmauerziegel mit einer Füllung aus hochwärmedämmenden, nicht brennbarem Perlit (Hohlwand-Perlit) in den Festigkeitsklassen 8, 12 und 20, aber auch mit Füllungen aus Blähton, Leichtlehm oder Schaumglasgranulat, hergestellt. Er ist zur Errichtung von einschaligen Wärme- und Brandschutzwänden als Außen- und Innenwände im Ein- und Mehrfamilienhausbau geeignet und auch mit Schlitzeinbindung erhältlich.

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dämmung oder zur Füllung mit konventionellem Beton (ggf. auch mit Bewehrung) als Schallschutz-Verfüllziegel.

Die Wärmedurchgangskoeffizienten (UWerte) der Rohdichteklasse 0,65 kg/dm³ nehmen wanddickenabhängig von d = 30 cm mit U = 0,28 W/m²K bis zu d = 49 cm auf U = 0,17 W/m²K ab. Schalungsziegel der gleichen Festigkeitsklassen können zum Füllen mit Beton und verbunden mit einer Mauerwerksverstärkung durch Einlegen einer horizontalen Bewehrung als Schallschutz-Verfüllziegel zur Errichtung von schalldämmenden Innenwänden im Ein- und Mehrfamilienhausbau eingesetzt werden. Der Grad der Schalldämmung hängt wesentlich von der Rohdichte des Betons und der resultierenden mittleren Rohdichte der Wand ab.

3.3.2 Wärmespeicher in Baustoffen Latenwärmespeicher durch Phasenumwandlung in Baustoffen

Bild 3.67: Mikroverkapselte PCM im Innenputz [50]

Neue Funktion und Eigenschaften PCM (Phase Change Material) sind Substanzen mit einer hohen Schmelzbzw. Kristallisationswärme in einem speziellen Temperaturbereich. PCM sind in der Lage größere Energiemengen aufzunehmen oder freizusetzen. Die spezifische Schmelz- bzw. Kristallisationswärme dieser Stoffe ist 5 bis 14 mal größer als die spezifische Wärme von Wasser, Mauerwerk oder Felsgestein. Latentwärmespeicher sind insbesondere für den sommerlichen Wärmeschutz geeignet, da durch die Kappung von Temperaturspitzen eine gleichmäßigere Raumtemperatur erreicht werden kann. Typische Latentwärmespeicherstoffe sind z.B. Salzhydrate, Fettsäuren oder Paraffine.

Bild 3.68: PCM-haltiger Gipsputz unter dem Rasterelektronenmikroskop [50]

Gegenstand Energiespeicherung durch Ausnutzung der latenten Wärme, die bei Phasenumwandlung von fest zu flüssig spezieller Stoffgruppen entsteht. Die temperaturabhängigen Änderungen der Struktur- und/ oder Kristallmodifikation finden im Temperaturfeld von 20 bis 30 °C statt.

Bild 3.69: Ausgleich der Temperaturspitzen, nach [51]

45

Neue Baustoffe

Allgemein gilt für Latentwärmespeicher, dass - die Wärmespeicherkapazität um so größer und der Temperaturverlauf um so konstanter sind, je höher der PCMSpeicheranteil im Speichersystem ist, - der Vorteil der latenten Wärmespeicherung in Bezug auf einen angestrebten „Sollwert“ um so größer ist, je kleiner die Temperaturdifferenz um diesen Sollwert (z.B. „Wohlfühlwert“ bei der Raum-Klimatisierung) schwankt und - hohe PCM-Anteile in Speichern aus compoundiertem8 Material den Bau von kompakten Speichern ermöglichen. Derzeit ist noch ein Preisnachteil gegenüber PCM-freien Baustoffen zu verzeichnen. Bei PCM-haltigen Ausbauplatten ist der Materialpreis ca. 10 mal so hoch. Weitere technische Details Latentwärmespeicher im Baustoffsektor bestehen in der Regel aus einem konventionellen Träger- bzw. Einbettungs-

material und einem Speichermaterial, das in einem engen Temperaturintervall latente Wärme (Schmelzenthalpie) bei der Zuführung von Wärme aufnimmt („die Umgebung kühlt“) und beim Abkühlen (Erstarrungsenthalpie) wieder freisetzt („die Umgebung wärmt“). Nach den dabei in diesen Materialien ablaufenden, reversiblen Phasenübergängen festflüssig bzw. flüssigfest wurden der deutsche Terminus „Phasenübergang“ im englischen Sprachgebrauch mit dem Begriff PCM (Phase Change Materials) übersetzt. Beispiele für Anwendungen Innenputze und Gipsbauplatten als Energiespeicher und zur Klimatisierung von Gebäuden, „Abfall“-Wärmenutzung, Wärmepumpensysteme, Laptop ComputerKühlung, Skibekleidung mit Ausnutzung der Übergangswärmen. Die Einsatzmöglichkeiten sind vielfältig, jedoch noch nicht in allen Fällen langfristig erprobt. Gegenstand sind insbesondere die Träger- und Einbettungsmaterialien.

3.3.3 Wärmedämmstoffe Neue Wärmedämmstoffe für das Bauwesen sind nach ihren physikalischen Wirkungsprinzipien einerseits in verbesserte konventionelle Dämmstoffe und andererseits in Wärmedämmsysteme zu unterteilen, die bekannten physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgen, aber bisher noch nicht bei der Entwicklung von Baustoffen, Bauelementen und Baukonstruktionen praktisch angewendet wurden. Neue konventionelle organische und anorganische Wärmedämmstoffe sind z.B. Papierzellulose- und GraszelluloseDämmstoffe, Schaumgläser und mikroporöse Calciumsilicathydrat-Baustoffe. Diese Dämmstoffe funktionieren auf Grundlage der niedrigen Wärmeleitung in luftgefüllten Porenräumen ohne we8

Compoundierte Materialien sind Kunststoffe, denen Füllstoffe, Verstärkungsstoffe oder andere Additive beigemischt wurden, um deren Eigenschaften zu modifizieren.

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sentlichen konvektiven Wirkungsanteil sowie auf der Adsorption und Desorption von Wasserdampf durch kristalline, oberflächenreiche und poröse Gefüge. Neue Wärmedämmstoffe mit bisher noch nicht – bei der Herstellung von Massenbaustoffen – angewendeten Wirkprinzipien betreffen die Anwendung von Vakuum-Dämmplatten zur Verminderung des Wärmeabflusses aus Gebäuden sowie die Wärmezuführung durch lichtdurchlässige Wärmedämmstoffe mittels der so genannten „transluzenten Wärmedämmung“. (Siehe auch Kap. 3.2.4.1 Opake Fassaden.)

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3.3.3.1 Organische Wärmedämmstoffe

b) Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen auf Basis von Schafwolle

a) Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen auf Basis von Zellulose

Bild 3.71: Graszellulose [53] Bild 3.70: Einbringen von Zellulosedämmung aus Altpapier [52]

Gegenstand Neue organische, poröse Dämmstoffe auf Zellulose-Basis mit Borverbindungen gegen Pilze, Algen, Bakterien sowie zur Sicherstellung des Brandschutzes. Neue Funktion und Eigenschaften Die neuen organischen Dämmstoffplatten, -pellets und Einblasdämmungen aus Abfallpapier (Zeitungen, alte Banknoten), Holz und auf der Basis von Zellulose aus extrahierten Gräsern weisen Rohdichtewerte zwischen 30 bis 150 kg/m³ auf. Die Wärmeleitfähigkeit der Produkte liegt bei 0,040 – 0,060 W/(mK) und ist somit vergleichbar mit Polystyrol- und Mineralwollefaserplatten. Stofflich-materialtechnische Probleme der Anwendung dieser Wärmedämmstoffe sind der Brandschutz und die Erfordernis des Schutzes gegen Schädlinge und gegen die biologische Zersetzung der Zellulose durch Pilze und Algen. Zur Erreichung dieser Zielsetzungen, speziell zur Realisierung des Brandschutzes, werden den Zellulose-basierten Dämmstoffen Borverbindungen (Borsäure: Sassolin, Borax: Natriumborat, wasserhaltig) in Mengen zwischen 3 bis 18 % bei Zellulose aus Altpapier und 3 bis 6% bei Graszellulose zugesetzt. Dadurch wird der Dämmstoffpreis signifikant erhöht und – was für einen so genannten ökologischen Baustoff besonders problematisch ist – der Wärmedämmstoff verwandelt sich aus der Sicht eines späteren Rückbaus des Gebäudes in Sondermüll. Vereinzelt werden boratfreie Produkte angeboten, die jedoch einen geringeren Brandschutz aufweisen, was durch die sehr niedrige Brandschutzklasse B2 angezeigt wird.

Bild 3.72: Schafwolle als Dämmstoff [54]

Gegenstand Schafwolle als normal entflammbares Dämmmaterial, verwendbar als Wärmeund Schalldämmung nach DIN 18421 (VOB-C: Dämmarbeiten an technischen Anlagen), DIN 4108 (Wärmeschutz im Hochbau) und DIN 4140 (Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen). Neue Funktion und Eigenschaften Die aluminium- und papierkaschierten Schafwollmatten werden mit Schichtdicken von 40 bis 100 mm in den Handel gebracht und haben eine mittlere Wärmeleitfähigkeit von 0,032 bis 0,033 W/(mK). Diese Schafwollprodukte zeigen auch bei gelegentlicher Durchfeuchtung einen sehr hohen Widerstand gegen Verrottung und Ungeziefer. Schafwollen bilden wegen ihrer Faserdicke von etwa 30 μm keine lungengängigen Stäube. Sie sind ein schwer brennbares Material mit guten flammenhemmenden Eigenschaften wegen des hohen Stickstoffgehalts der Fasern von 16 %. Die Fasern sind unter Schwingungsbelastungen von Kulissenund Rohrschalldämpfern dauerhaft elastisch und bruchsicher. 47

Neue Baustoffe

Beispiele für Anwendungen Dachdämmung, Außenwanddämmung, Deckenauflage für abgehängte Decken, Schallschutz- Maßnahmen, Rohr-, Armaturen- und Behälterisolierungen.

3.3.3.2 Anorganische Dämmstoffe a) Dämmstoffe auf CalciumsilikathydratBasis

Für Innenwärmedämmungen sollte die Plattendicke vorzugsweise 50 mm oder dicker sein. Bei der Montage ist auf vollflächige Verklebung der Platten zu achten, da sich bei einer eventuellen Taupunktunterschreitung in Übergangszeiten entstehendes Kondenswasser im Hohlraum zwischen Calciumsilikatplatte und Außenwand sammeln könnte, was nicht in den Innenraum ausdiffundieren kann. Es ist weiterhin darauf zu achten, dass keine absperrenden Deckschichten aufgebracht werden dürfen. Tapeten- und Anstrichsysteme müssen nach Angaben der Calciumsilikatbaustoff-Hersteller ausgewählt werden. b) Dämmstoffe auf Schaumglas-Basis

Bild 3.73: Wärmedämmplatten auf Calciumsilikathydrat-Basis [55]

Gegenstand Kapillaraktives, mikroporöses kristallines Calciumsilicathydrat-System – anorganische Ausbauplatten als Innenwärmedämmung. Neue Funktion und Eigenschaften Die relativ neuen anorganischen Calciumsilikathydrat-Dämmstoffe sind feuchteunempfindlich, diffusionsoffen, mikroporös und nicht brennbar. Infolge der Mikroporigkeit können die Calciumsilikatbaustoffe durch Kapillarkondensation die 3-fache Feuchtigkeitsmenge im Vergleich zu ihrer Eigenmasse aufnehmen und bei ausreichender Energiezufuhr auch wieder verdampfen, ohne dass ein Taupunkt auftritt. Die Anwendung der Ausbauplatten verbietet den Einbau einer konventionellen Dampfsperre. Infolge der langzeitlich bestehenden hohen Alkalität (pH-Wert etwa 10) der kristallinen, mikroporösen Calciumsilikathydratplatten erfolgt kein Befall mit Schimmelpilzen. Die Montage der Calciumsilikatplatten erfolgt nach den Systemangaben der Hersteller im Allgemeinen nach folgenden Arbeitstufen: 1. Grundierungsbehandlung der Platten, 2. Klebemörtel-Auftragung, 3. Dämmplattenanbringung, 4. Dämmspachtel- mit Gittergewebeauftrag und 5. Oberflächenspachtel- bzw. Oberflächen-Edelputz-Auftragung. 48

Bild 3.74: Dämmstoffplatten- und -formteile aus Schaumglas [56]

Gegenstand Geschlossenzelliges Schaumglas als Granulat oder in Blöcken, Platten sowie Formteilen. Neue Funktion und Eigenschaften Schaumglas besitzt eine hohe Druckfestigkeit, nimmt kein Wasser auf, ist praktisch dampfdicht formstabil, schädlingssicher, frost- ,verrottungs- sowie relativ säure- und chemikalienbeständig und nicht brennbar. Rohstoffgrundlage der Blähglasherstellung sind Altgläser aus dem Recycling-Bereich Auto-Altglas und Flaschen-Altglas. Beispiele für Anwendungen Schaumglasplatten werden verwendet für 1. begehbare und befahrbare Kompaktdächer, 2. Bodendämmungen und Perimeterdämmungen, 3. Innenwanddämmungen, 4. Deckendämmungen, 5. Dämmungen für den Sockelbereich von Passivhäusern.

Der Kontaktbereich zwischen Schaumglasgranulat als Wärmedämmschicht für flach gegründete Gebäude mit Fundamentbetonplatte darf nicht dauerhaft durch Grundwasser, Schichtenwasser etc. durchnässt sein.

3.3.3.3 Transluzente (lichtdurchlässige) Wärmedämmung (TWD)

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Haupteinsatzgebiet von Schaumblähglasgranulat ist die Dämmung von Fundamentplatten und von Kellerwänden (Perimeterdämmung), die Hohlraumdämmung von Decken, die Ausfüllung zweischaliger Mauerwerke und die Herstellung geneigter Dächer. Ein weiterer Einsatzbereich von feinkörnigem Blähglasgranulat ist die Verwendung als Zuschlag für Leichtputze.

den tragenden Wandbildner Baustoffe mit hoher Rohdichte, z.B. Kalksandstein oder Beton verwendet. Lichtdurchlässige Dämmstoffe sind Hohlkammerstrukturen aus Kunststoff oder Glas, Kartonwabenstrukturen, spezielle Mineralfaserschichten, Nanogel aus hydrophobierter Kieselsäure, etc. Im Sommer und in der Übergangszeit kann es bei starker Sonneneinstrahlung zur Überhitzung des Systems kommen, so dass in der Regel ein temporärer Sonnenschutz durch Verschattungsanlagen und/oder durch eine Hinterlüftung erforderlich sind. Ein Nachteil ist der derzeit noch hohe Preis, der sich bei ca. 200 €/m² bewegt. Beispiele für Anwendungen Anwendungsmöglichkeiten siehe Kap. 3.1.4.2 Transluzente Wärmedämmstoffe (TWD) auf opaker Außenwand.

3.3.3.4 Evakuierte Wärmedämmung „Vakuumdämmung“

Bild 3.75: lichtdurchlässiger Dämmstoff: Nanogel [57]

Gegenstand Lichtdurchlässige Wärmedämmstoff für eine transluzente Wärmedämmung TWD zur passiven solaren Energiegewinnung - mit Hohlkammerstrukturen, Umwandlung von kurzwelligem Licht in Wärmestrahlung. Neue Funktion und Eigenschaften Die lichtdurchlässigen Wärmedämmstoffe sind die Grundlage für das Konstruktionsprinzip der TWD für den Wärmeschutz und die solare Energiegewinnung analog zum biologischen System „Eisbärenfell“ 9. Zur Umwandlung der Lichtenergie in Wärmestrahlung werden Absorberschichten auf einer schwarz gestrichenen Absorberwand verwendet. Die Wände wirken als Niedertemperatur-Strahlungsheizkörper, somit können Wärmeverluste vollständig vermieden und darüber hinaus Energiegewinne von 100 kWh/(m²a) und mehr erreicht werden. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden für

Bild 3.76: Vakuum-Isolations-Panele im Schnitt [38]

Gegenstand Vakuum-Dämmplatten, Vakuum-IsolationsPaneele, evakuierte Hohlräume mit Stützstrukturen aus Polyurethan und Kieselgel. Neue Funktion und Eigenschaften Neu entwickelte Vakuumdämmplatten ermöglichen es bei vergleichbaren Dämmwerten mit konventionellen Fassadenvollwärmeschutz, die Dicke der Dämmstoffschichten um den Faktor 5 bis 10 zu reduzieren. Dieser Sachverhalt ist für die nachträgliche Wärmedämmung von Altbauten, die häufig mit dem Argument „kein Platz für die Dämmung“ abgelehnt wird, von besonderer Bedeutung. Damit verbunden könnte ein Teil des im Altbaubereich steckenden Reduzierungspotenzials für den Energieverbrauch bei der Gebäudenutzung von ca. 600 Mrd. kWh/a aktiviert werden.

9

Die transluzente Wärmedämmung hat einen ähnlichen Effekt wie das Eisbärenfell: Die Haare des Eisbären sind hohl, wirken durch die eingeschlossene Luft isolierend und leiten gleichzeitig das Sonnenlicht zur dunklen Hautoberfläche.

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Das Konzept der Anwendung der Vakuumdämmtechnik des Bayerischen Zentrums für Angewandte Energieforschung in Würzburg beruht auf der Verwendung von gasdichten Umhüllungsfolien und einem (partiell) evakuierten Dämmkern aus mikroporöser Kieselsäure, deren Wärmeleitfähigkeit wenig empfindlich auf einen ansteigenden Gasdruck ihrer Umgebungsatmosphäre (λ = 0,005 W/(mK) bei 10 mbar, λ = 0,008 W/(mK) bei 100 mbar Gasdruck) ist.

Offene Fragen werden im Rahmen von Pilotprojekten durch die Bearbeitung von Kleinflächenerprobungen und großen Demo-Projekten aufgedeckt und gelöst. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Arbeiten ist die Entwicklung von langzeitlich gasdichten Folien (Wasserdampf, Sauerstoff, organische Umweltschadstoffe etc). Beispiele für Anwendungen Anwendungsmöglichkeiten siehe Kap. 3.1.4.1 Opake Fassaden – Vakuumdämmung.

3.3.4 Feuchteschutz Feuchteadaptive Dampfbremse (FADAB)

Bild 3.77: Funktionsweise der feuchteadaptiven Dampfbremse [58]

Gegenstand Feuchteadaptive „intelligente“ Dampfbremse – Polymerstruktur und Wassereinlagerungs-/ -durchlässigkeitseigenschaften. Neue Funktion und Eigenschaften Die neue, feuchteadaptive Dampfbremse besteht aus einer Folie aus Polyamid (Nylon), deren Dampfdurchlässigkeit im feuchten Zustand deutlich höher ist als im trockenen Zustand. Das feuchteadaptive Verhalten der Polyamidfolie beruht auf ihrer Eigenschaft, um so mehr Wassermoleküle zwischen die langkettigen Polymermoleküle einzulagern, je höher die Umgebungsluftfeuchte ist. Dadurch schaffen sich die Wassermoleküle praktisch ihre eigenen Porenräume, in denen sie stark beweglich sind. Unter trockenen Umgebungs-

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bedingungen werden entsprechend weniger Wassermoleküle sorbiert, mit der Folge, dass die Dampfdurchlässigkeit deutlich abnimmt. Bei niedrigen relativen Luftfeuchten im Winter ist der Wasserdampfdiffusionswiderstand 10 mal höher als im Sommer bei hohen relativen Luftfeuchtigkeitswerten. D. h. in der Tauperiode (Wintermonate) wird das Eindiffundieren von Feuchte gehemmt, in den Sommermonaten (Verdunstungsperiode) das Ausdiffundieren aus der Konstruktion begünstigt. Die Polyamidfolie ist schwer entflammbar, besitzt eine etwa 3 mal so hohe Reißfestigkeit wie Polyethylen und hat eine hohe Sperrwirkung gegen Sauerstoff und organische Stoffe in der Luft (z.B. Holzschutzmittel, Aromastoffe). Über das Langzeit-Alterungsverhalten der PA-Folie unter baupraktischen Bedingungen gibt es derzeit keine publizierten Befunde. Weitere technische Details Der Dampfdiffusionswiderstand (sd-Wert) liegt bei 90 % r.F. bei sd = 0,40 m und bei 30 % r.F. bei sd = 4 m. Beispiele für Produkte PA-Folie, 15 bis 25 Mikrometer Dicke, Polyamid-Folie PA 6 und Verbundfolie mit PE-LD (insbesondere für Lebensmittel-Verpackungen), Ultramid-Folie.

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3.3.5 Materialien mit Selbstreinigungseffekt Neue Baustoffe mit Selbstreinigungseffekt beruhen auf gezielten Veränderungen ihrer Oberflächeneigenschaften, speziell ihrer Oberflächenenergiezustände gegenüber Wasser (Kontaktwinkel), Wasserdampf und anderen in der Umgebungsluft enthaltenen Inhaltsstoffen, wie z.B. volatilen organischen Verbindungen VOC, Stäuben, Schwefel- und Stickoxiden, Rußpartikeln, Bakterien, Sporen, Pilzen etc.. Diese Stoffe lagern sich auf Baustoffoberflächen ab, besiedeln diese und tragen dort zur Bildung von Biofilmen bei, die stoffspezifisch unterschiedlich zur Verschmutzung bis hin zur Zerstörung von Baustoffoberflächen führen können. Eine sehr effektive Methode zur Reinhaltung von Baustoffoberflächen ist die Selbstreinigung von Oberflächen nach dem Prinzip der Photokatalyse in Verbindung mit Wasser ( z.B. Regen). Dieses Prinzip beruht auf den Halbleitereigenschaften des Titanminerals Anatas, das in die Baustoffoberflächen eingebaut wird. Durch Energieeintrag der natürlichen UV-Strahlung (im Wellenlängenbereich von 320 bis 390 nm (UV-A)) bilden sich Sauerstoffradikale und Hydroxylgruppen (OH-Gruppen) auf der Materialoberfläche. Die hohe Dichte der oberflächenständigen OH-Gruppen bewirkt – über die Wasserstoffbrückenbindungen des Wassers – eine stark hydrophilierte Oberfläche (Wasser „liebende“ bzw. „wasseranziehende“ Oberfläche. Anhaftende Schmutzpartikel werden z.B. durch Regenwasser unterwandert, wodurch die Schmutzteilchen selbsttätig von der Oberfläche abgewaschen werden. Eine andere sehr effektive Methode zur Reinhaltung von Oberflächen ist die Hydrophobierung von Oberflächen, d.h. die Senkung der Oberflächenenergie des Substrats, verbunden mit einer Steigerung des Abperlverhaltens (Kontaktwinkels) von Wasser durch Silizium-organische oder fluorhaltige Substanzen. Ein weiterer Effekt der bakteriellen Reinhaltung von z.B. Textilien – wie Teppiche und Stoffe – beruht auf der Anwendung der Silbernanopartikel-Technologie.

3.3.5.1 Photokatalytisch wirksamer Beton

Bild 3.78: Beispiel: Neue katholische Kirche „Dives in Misericordia“, Rom [59]

Gegenstand Photokatalytisch modifizierter selbstreinigender Beton entsteht durch Zusatz von Titandioxid in der Kristallform Anatas TiO2 zum Betongemenge, vorzugsweise von Beton auf der Basis von Weißzement und weißen Zuschlägen. Neue Funktion und Eigenschaften Selbstreinigung der Betonoberfläche gegen Verschmutzung durch organische Verbindungen in der Luft (Mineralölkohlenwasserstoffe MKW, Ruß) und durch biogene Systeme (Algen, Moose). Die Wirkung beruht auf der photokatalytischen Zersetzung der organischen Verbindungen durch freie Sauerstoffradikale, die bei der katalytischen Zersetzung des Wassers durch UV-Strahlung an der Anatas-Oberfläche entstehen. Damit verbunden, wird z.B. die Ablagerung eines MKW-Fettbelages auf der Betonoberfläche verhindert. Weitere technische Details Chemisch-stoffliche Problemkreise bei der Anwendung von photokatalytisch modifiziertem weißem Beton sind die Bildung von Stickstoffoxiden (NOx) und die schnelle Oxidation von Schwefeldioxid aus der Luft an der Betonoberfläche zu Nitraten und Sulfaten. Diese Verbindungen bilden im Kontakt mit der Betonoberfläche leichtlösliche Alkali- und Calciumsalze; diese dringen in den Beton ein und tragen neben der herkömmlichen Karbonatisierung zur Versäuerung der Randzone der Baustoffe unter Bildung von Calciumnitrat und Gips bei. 51

Neue Baustoffe

Damit verbundene Sekundärreaktionen können zur Baustoffkorrosion in carbonatisch-silicatisch-aluminatisch gebundenen Baumaterialien durch Treibvorgänge führen (Gipsbildung, Ettringitbildung, Thaumasitbildung) sowie durch Aufhebung der Passivierung zum frühzeitigen Rosten von Bewehrungsstahl (schlaffe Bewehrung) führen oder im Falle von Spannbeton eine nitratinduzierte Spannungsrisskorrosion verursachen. Als Maßnahme zum Schutz gegen Betonkorrosion infolge von photokatalytisch wirksamen weißem Beton ist die neue katholische Kirche „Dives in Misericordia“ in Rom aus den o.g. Gründen unter Verwendung von säurepuffernden karbonatischen Zuschlägen (Marmor) und unter Verwendung von Edelstahl als Bewehrungsstahl gebaut worden.

Neue Funktion und Eigenschaften Die Selbstreinigungswirkung beruht nach Angaben des Herstellers sowohl auf dem bereits beschriebenen Schmutzabspüleffekt (hydrophilierte Oberfläche) als auch auf der oxidativen Zerstörung von hydrophoben organischen Verbindungen (Fette, Ruß) durch Sauerstoffradikale, die bei der katalytischen Zersetzung des Wassers an der Anatas-Oberfläche entstehen. Damit verbunden, wird die Ablagerung eines „Fettbelages“ und die Senkung der Oberflächenspannung durch fettige Maskierungsschichten auf der Glasoberfläche verhindert. Der wirtschaftliche Vorteil der Anwendung von phototokatalytisch wirksamem Glas ist die Kosteneinsparung bei der Gebäudereinigung. Stoffliche und Wirkungsprobleme sind bisher keine bekannt geworden.

3.3.5.2 Hydrophiliertes Glas Die Breitenanwendung wird derzeit noch behindert, Grund ist der hohe (gegenwärtig etwa doppelte) Preis vergleichsweise zum normalen, nicht hydrophilen Spiegelglas aus der Floatglastechnologie. Dem gegenüber steht der stark verminderte Aufwand für Reinigung und Pflege. Bild 3.79: Funktionsweise hydrophiliertes Glas

Beispiele für Anwendungen Glasfassaden, Fenster, Wintergärten etc..

3.3.5.3 Hydrophobiertes Glas

Bild 3.81: Wassertropfen Bild 3.82: Hydrophobierauf einer siliconisierten tes Glas [61] Oberfläche [60]

52

Bild 3.80: hydrophiliertes Glas [43]

Gegenstand Hydrophobiertes, selbstreinigendes Glas mit veredelter Oberfläche.

Gegenstand Hydrophiliertes, selbstreinigendes Glas. Es handelt sich um ein – auf der Basis von UV-Strahlung – photokatalytisch wirksames Glas mit einer eingeschmolzenen Beschichtung aus Anatas (TiO2Modifikation).

Neue Funktion und Eigenschaften Der Selbstreinigungseffekt entsteht hier durch starke Hydrophobierung (Abperlen von Wasser) durch Einbrennen von Siliconöl oder Erzeugung einer definierten Mikro-Rauhigkeit. Hydrophobierte Beschichtungen verringern Kalkablage-

Eine Anwendung im Außenfassadenbereich setzt allerdings die genaue Kenntnis des Wandaufbaus und der bauphysikalischen Gegebenheiten voraus, um Feuchtestau durch ein „Einsperren“ von Feuchtigkeit zu vermeiden. Ggf. müssen hydrophobierte Maßnahmen aufgefrischt werden. Noch bestehen wirtschaftliche Vermarktungsprobleme wegen des 2-fachen Preises, verglichen mit Normal-Glas, der z.T. durch den geringeren Pflegeaufwand kompensiert wird. Beispiele für Anwendungen Duschwände, Leder, Schlagregenschutz bei Außenfassaden.

3.3.5.4 Wasserabweisendes hydrophobiertes Plexiglas (PMMA) Gegenstand Hydrophobiertes Plexiglas PMMA (Polymethylmethacrylat) Neue Funktion und Eigenschaften Herkömmliches Plexiglas (PMMA) weist bedingt durch seine chemische Struktur – insbesondere durch seine hydrophilen Carboxy-Gruppen – einen relativ stark polaren Oberflächenenergieanteil von ca. 30 % der Gesamtgrenzflächenenergie auf. Dies bewirkt eine relativ starke Wassersorption und Schmutzverklebung. Durch die chemische Modifizierung der PMMA-Oberfläche, die nicht offengelegt ist, wird die Senkung der polaren Energieanteile der Oberfläche bewirkt und die Haftung des Wasser wird signifikant vermindert. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit, Oberflächenreinheit und Lichtdurchlässigkeit des Plexiglases verbessert. Beispiele für Anwendungen Das dauerhafte, hydrophobierte Plexiglas ist für hochwertige lichtdurchlässige Terrassendächer und Carports geeignet.

Neue Baustoffe

rungen im Sanitärbereich. Technische Probleme sind hierbei keine bekannt geworden.

3.3.5.5 Hydrophobiertes Polyurethan Gegenstand Hydrophobiertes Polyurethan (PUR) Neue Funktion und Eigenschaften Dauerhaft hydrophobiertes Polyurethan für Anstrichstoffe und PUR-Plastikmaterial wird durch die Oberflächen-Fluorierung des Polyurethans hergestellt. Herkömmliches PUR weist, bedingt durch seine chemische Struktur – insbesondere durch seine hydrophilen IsocyanatGruppen, einen relativ stark polaren Oberflächenenergieanteil von ca. 20 % von der Gesamtgrenzflächenenergie auf. Daraus resultieren eine relativ starke Wassersorption und relativ geringe Hydrolysebeständigkeit. Bei küstennahen Gebäuden bewirken Wassersorption und Salzanlagerung häufig zusätzliche Korrosionsprobleme. Durch die Oberflächenfluorierung wird in gewisser Analogie zum Polytetrafluorethylen (PTFE) eine signifikante Senkung der spezifischen Oberflächenenergie und des Effektes der Wasserabweisung von PUR-Anstrichstoffen bewirkt. Beispiele für Anwendungen Gartenstühle

3.3.5.6 Hydrophilierte Feinkeramik

Bildung eines dünnen Wasserfilms auf der hydrophilierten Fliesenoberfläche, der Verschmutzungen unterwandert und sich einfacher entfernen lässt.

Bild 3.83: Wirkweise der hydrophilierten Feinkeramik [62]

Gegenstand Die hydrophilierte Feinkeramik ist eine selbstreinigende Wand- und Bodenkeramik. 53

Neue Baustoffe

Neue Funktion und Eigenschaften Es handelt sich um eine – auf der Basis von UV-Strahlung – photokatalytisch wirksame Keramik mit einer eingeschmolzenen Beschichtung aus Anatas (TiO2-Modifikation). Derartig ausgerüstete Keramik-Fliesen wirken antibakteriell gegen organische Geruchsbildner und Bakterien sowie gegen Algenbildung und Vermoosung. Die Wirkung beruht auf der photokatalytischen Zersetzung der organischen Verbindungen durch freie Sauerstoffradikale, die bei der katalytischen Zersetzung des Wassers an der AnatasOberfläche entstehen. Nachteilige Effekte, wie z.B. ein Versagen der Hydrophilie, sind bisher nicht bekannt geworden. Beispiele für Anwendungen Vorteilhaft einsetzbar ist diese Keramik in Krankenhäusern (Anti-Keimwirkung) und für Keramik-Fassaden in Bereichen starker Verschmutzungsgefahr durch organische Verbindungen, so z.B. in der Nähe von Wärmekraftwerken (Beispiel: Viborg, Dänemark).

3.3.5.7 Hydrophilierte Grobkeramik

Bild 3.83: Dachziegel als Beispiel für photokatalytisch ausgestattete Grobkeramik [63]

Gegenstand Hydrophilierte Grobkeramik Neue Funktion und Eigenschaften Es handelt sich um eine auf der Basis von UV-Strahlung wirkende photokatalytisch wirksame Keramik mit einer anorganisch-thermischen Fixierung der Anataspartikel. Derartig ausgerüstete Grobkeramikerzeugnisse wirken gegen Verschmutzung und Algenbildung und Vermoosung. Die Wirkung beruht auf der photokatalytischen Zersetzung der organischen Verbindungen durch Hydroxyl- und aktive Sauerstoffradikale, die aus oberflächlich angelagertem Wasser und Luftsauerstoff durch UV-Licht an der Anatasoberfläche entstehen. Beispiele für Anwendungen Dachziegel und Kamine

3.3.6 Materialien mit Luftreinigungseffekt 3.3.6.1 Luftreinigende Beschichtungen - photokatalytisch wirksame Baustoffoberflächen

In der Raumluft schwebende Stoffe und Gase treffen auf die Farboberfläche der Wand und der Decke.

Licht aktiviert den Katalysator in der Farbe und baut an der Grenzoberfläche die Stoffe in Bestandteile ab.

Das Ergebnis: Spürbar bessere Raumluft.

Bild 3.85: Herstellerangabe: Wirkweise des Innenraumanstrichs mit Luftreinigungseffekt [41]

Gegenstand Photokatalytisch modifizierter Beton mit luftreinigenden (NOx-abbauenden) Eigenschaften entsteht durch Zusatz von Titandioxid in der Kristallform Anatas zum Baustoffgemenge und/oder zum Anstrichstoff. 54

Neue Funktion und Eigenschaften Mit Anatas modifizierte Bauwerksoberflächen können nach den Befunden aus dem EU-Projekt PICADA (Photo-Catalytic-Innovativee Coverings Applications for Depollution Assessment) gegen Luftverschmutzung durch organische Verbindungen in der Luft (VOC, Ruß), Stickoxide, Schwefeloxide und NOx in städtischen und industriellen Ballungszonen eingesetzt werden. Wie im EU-Projekt PICADA untersucht und nachgewiesen wurde, können photoaktive Oberflächen NOx-Gase wirksam abbauen und mitwirken, den von der EU vorgeschriebenen oberen Grenzwert von Stickoxiden von 40 mg NOx/m³ Luft in Industrie- und Stadtzentren einzuhalten. Zu beachten ist dabei allerdings, dass Probleme mit frühzeitiger Betonkorrosion auftreten können (sh. Kap. 3.2.5.1 Photokatalytisch wirksamer Beton).

Neue Baustoffe

Neben der allgemeinen luftreinigenden Funktion im Bereich der UV-Strahlung ermöglichen modifizierte Anatas-Strukturen eine photokatalytische Wirkung bereits im Wellenbereich des sichtbaren Lichts, was besonders für Beschichtungen im Innenraum interessant ist. (Siehe auch Abs. 2 in Kap. 3.2.5 Materialien mit Selbstreinigungseffekt.) Aussagekräftige Erfahrungswerte aus der praktischen Anwendung können derzeit noch nicht genannt werden.

tischen Abbau organischer Schadstoffe in Innenräumen, die aus Baustoffen, Mobiliar oder der Raumnutzung stammen können. Technische oder funktionelle Probleme aber auch das Preisgefüge sind nicht bekannt. Es gibt noch Untersuchungsbedarf in Bezug auf die Lebenszyklusbetrachtung bei Gipsputzsystemen, da noch Entsorgungslösungen entwickelt werden müssen. b) Lehmputz

3.3.6.2 Innenputze a) Gipsputz

Bild 3.86: Herstellerangabe: Wirkweise des Innen putzes mit Luftreinigungseffekt [64]

Gegenstand Zersetzung von organischen Luftschadstoffen durch Photokatalyse durch Zugabe von Anatas-Pulver (TiO2) in GipsSpachtelmasse Neue Funktion und Eigenschaften Durch den photokatalytischen Effekt von Anatas, UV-Strahlung und Feuchtigkeit werden organische Luftschadstoffe aus dem Innenraum, die sich auf der Gipsputzoberfläche absetzen, zu Wasser und Kohlendioxid abgebaut. Das gipsbasierende Innenputz-Produkt stellt eine folgerichtige Weiterentwicklung dieses allgemeinen Entwicklungstrends aus dem Bereich der hydraulisch-mineralisch gebundenen Baustoffe (Analogie zum Beton und zu Geopolymermörteln) dar. Der Produkteinsatz führt bei der Innenraumnutzung zu einem photokataly-

Bild 3.87: Herstellerangabe: Grafische Darstellung der Luftfeuchtesortion von Lehmputzen und Nicht-Lehmputzen [65]

Bild 3.88: Innenausbau mit Lehmbauplatte [65]

Gegenstand Feuchteregulierende und Luftschadstoffe aufnehmende und abbauende Sanierputze und Lehmbauplatten. Neue Funktion und Eigenschaften Sanierputze und Lehmbauplatten sind umweltfreundliche, das Wohnraumklima positiv beeinflussende, recyclebare Baustoffe, mit einer Vielzahl von Vorteilen: Regulierung der Luftfeuchte in Bereichen 55

Neue Baustoffe

der relativen Luftfeuchtigkeit von 45 bis 55 %, gute Schalldämmung, Dämpfung bis Totalabsorption von hochfrequenter Strahlung, Aufnahme und Abbau von Luftschadstoffen wie flüchtig organische Verbindungen (VOC) allgemein, Tabakrauchinhaltsstoffe, Aldehyde, Stickoxidverbindungen u.a.. Untersuchungsergebnisse zur Schadstoffabbaukapazität von flüchtig organischen Verbindungen haben gezeigt, dass Lehmbaustoffe das Lösemittel Propanol schneller absorbieren können als Gipskarton oder Porenbetonsteine. [66] Zur Verbesserung der Abbaueigenschaften von Formaldehyd wurden ein spezieller Sanierungsputz auf Lehmbasis entwickelt, der Lehme mit hoher Sorptionskraft und zusätzlich Schafwollhaare enthält. Über die Wechselwirkung zwischen Wolle und Formaldehyd ist seit 1949 und genauer seit 1964 bekannt, dass Wollproteine in zwei Reaktionsschritten einen vollständigen Abbau von Formaldehyd bewirken, in dem das Formaldehyd-Molekül unter Wasserbildung zu einer Methylenbrücke zwischen zwei Polypeptidketten kondensiert. Weitere technische Details Die Schadstoffbindung aus der Luft durch Lehmbaustoffe beruht auf der Ladungsverteilung insbesondere in den Dreischicht-Tonmineralien. Moleküle mit einem Elektronendefizit können ebenso wie die Metallkationen K+, Ca 2+ , Mg 2+ u.a. von den negativ geladenen SilicatAluminat-Schichten gebunden werden. Aber auch Moleküle, die nicht in Ionenform vorliegen, sondern in denen die Ladung nur räumlich verteilt ist (polare Verbindungen), können an Tonmineralen angelagert werden.

3.3.6.3 Photokatalytisches Papier

Bild 3.89: Funtionsweise des photokatalytischen Papiers nach Herstellerangabe [67]

Gegenstand Absorption und Abbau von organischen Luftschadstoffen durch anatasgestützte Photokatalyse Neue Funktion und Eigenschaften Photokatalytisch wirksames Papier trägt, durch Einbau von photokatalytisch wirksamen Titandioxid (Anatas) in die Papiermasse, zur Verbesserung der Raumluftqualität im Innenraum bei. Durch den photokatalytischen Effekt werden Bakterien, Viren, Milben, Pilze und organische Luftschadstoffe, die von „building related illness (BRI)“ her bekannt sind, wie Formaldehyd, chlorierte Kohlenwasserstoffe, Tabakrauch-Inhaltsstoffe (bis zu 1000 Verbindungen), Autoabgase, Gerüche, z.B. Ammoniak, Harnstoff etc., abgebaut. Tapeten oder Möbelfolien dürfen nicht mit absperrenden Deckschichtbildnern überstrichen werden. Beispiele für Anwendungen Jalousien, Lampenschirme, Möbeloberflächen und Raumteiler (Paravents).

3.3.7 Weitere Innovative Farb- und Putzsysteme 3.3.7.1 Mikronisierte Farbpigmente

Bild 3.90: Farbpigmente [68]

56

Gegenstand Einfärbung von anorganischen und organischen Bau- und Werkstoffen durch mikronisierte Farbpigmente mit hoher Partikeldispersion und Deckkraft durch Pigmentpartikel im Nanomaßstab.

3.3.7.2 Putz- und Anstrichsysteme zur Verminderung von Algenbildung auf WDVS

Bild 3.91: Biologischer Bewuchs auf WDVS [58]

Gegenstand Verminderung von biologischen Bewuchs auf Wärmedämmverbundsystemen mit Hilfe von Infrarotstrahlung reflektierenden Fassadenfarben, ggf. in Kombination mit PCM (Phase Change Materials, siehe Kap. 3.3.2.1 Latentwärmespeicher durch Phasenumwandlung in Baustoffen). Neue Funktion und Eigenschaften Biologischer Bewuchs, wie z.B. Algen, bildet sich vorwiegend dann auf Wärmedämmverbundsystemen, wenn Oberflächentauwasser vorhanden ist. Die Ursache ist, dass diese Putz- und Anstrichsysteme von den „warmen“ Wandbausystemen abgekoppelt sind und selbst über keine eigene ausreichende Wärmekapazität verfügen. Deshalb wurden in den vergangenen Jahren mehrere Ansätze entwickelt, die auf der Erhöhung der Wärmekapazität des Putzes beruhen:

Neue Baustoffe

Neue Funktion und Eigenschaften Für die massemäßige Verminderung der Zusatzmengen von anorganischen Farbpigmenten auf der chemischen Basis von Magnetit, Mangan-Eisen-Spinellen, Chromoxiden etc. wurden in den vergangenen Jahren sehr feinteilige Pigmente, so bezeichnete „mikronisierte Pigmente“ entwickelt. Es handelt sich um einfach handhabbare Pigmentsuspensionen, die bei der Herstellung von Ortbeton, Betonfertigteilen und Betonpflastersteinen eingesetzt werden, d.h. für bewehrten und unbewehrten Beton nach EN 12878 ( Pigmente zum Einfärben von zement- und/oder kalkgebundenen Baustoffen – Anforderungen und Prüfverfahren). Vorherrschende Teilchengröße: 0,15 bis 0,6 μm (150 bis 600 nm). Nachteile sind nicht bekannt.

Auf ein WDV-System auf der Basis von geschäumtem Polystyrol (EPS) mit einer EPS-Dicke von 10 cm und einem Wärmedurchgangskoeffizienten U = 0,35 W/m²K wurden verschiedene Deckschichten zur Oberflächenabdichtung aufgetragen [69], u. a. : - mehrere IR-reflektierende Farbanstriche - Einsatz eines Latentwärmespeichersystems (PCM-Systems aus optimiertem Paraffin) mit 5 mm Dicke unter der Putzschicht und - Einsatz eines PCM-Systems von 5 mm Dicke unter der Putzschicht aus optimiertem Paraffin und zusätzlichen IRreflektierenden Anstrichen. Das Untersuchungsergebnis zeigt, dass die Infrarotstrahlung reflektierende Fassadenfarben durch die Eigenschaft der Taupunktunterschreitung niedrigere Emissionsgrade e = 0,49 - 0,59 aufweisen als handelsübliche Farben des gleichen Farbtons (Emissionsgrade e von 0,84 - 0,94). Durch die geringere Wärmeabstrahlung W/m² [70] und den verbleibenden höheren Oberflächentemperaturen kann die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer um etwa 30 % vergleichsweise zu einem Standardsystem vermindert werden. Eine Latentwärmespeicherschicht auf der Basis von schmelzpunktoptimiertem Paraffin mit einer Schichtdicke von 5 mm, die unter einer dünnen Putzschicht angeordnet ist, kann die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer sogar um 70 % reduzieren. Durch eine Kombination von IR-Wirksamkeit und PCM lässt sich naturgemäß das beste Ergebnis erzielen: Hierbei sind signifikante Verminderungen der Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer von 100 % (Vergleichssystem) bis auf ca. 13 % nachweisbar. Die Taupunkttemperatur-Unterschreitungsdauer hängt unter vergleichbaren Bedingungen in den frühen Morgenstunden außerdem vom chemischen Aufbau (Hydrophobizität) und der Oberflächenstruktur der Wandanstrichsysteme ab. Im Falle der Tauwasserbildung an der Außenfläche des Gebäudes ist die Oberflächenfeuchte bei der mikrostrukturierten Oberfläche einer Mikrostrukturfarbe (mit Lotuseffekt) am höchsten. Im Gegensatz zur Befeuchtung mit großen Regentropfen perlen die kleinen Tauwassertröpfchen nicht ab, 57

Neue Baustoffe

sondern verbleiben auf der Oberfläche. Nicht wesentlich besser ist die Situation mit einer Silikonharzfarbe, während eine Dispersionssilikatfarbe am schnellsten eine trockene Oberfläche aufweist. Dies ist auf ihre etwas geringere Hydrophobie zurückzuführen, so dass ein Teil des Oberflächenwassers durch Kapillartransport vom Untergrund aufgenommen wird [71].

Ein wichtiges künftiges Forschungsfeld für die Weiterentwicklung der bauphysiklischen Eigenschaften von Putzoberflächen und Anstrichstoffen gegenüber Schlagregen und Tauwasser ist das Gebiet der Beständigkeit von IR-wirksamen Farben und von PCM-Systemen in Außenwandsystemen sowohl unter Laborals auch Feldbedingungen. Hier bedarf es weiterer Untersuchungen [72].

3.3.8 Neue Bautenschutzmittel 3.3.8.1 Tiefenhydrophobierung und Beton-Korrosionsschutz

Bild 3.92: Sanierungsfall Balkonbewehrung [73]

Gegenstand - Einsatz von Silan- und Siliconprodukten zur Senkung der Oberflächenenergie und Erhöhung der Hydrophobizität der Oberflächen der Beton-Kapillarporen. - Anwendung maßgeschneiderter Siliconbautenschutzmittel für die Hydrophobierung von Beton-, Mörtel-, Ziegel und andere kapillaraktive, äußere Bauwerksoberflächen. Neue Funktion und Eigenschaften Die Vorteile des präventiven Betonschutzes durch Tiefenhydrophobierung beruhen auf der Verhinderung von Schadensmechanismen am Beton durch Frost-Tausalz-Angriff und chlorid-induzierte Korrosion des Bewehrungsstahls. Der Vorgang beruht auf der kapillarkraftbrechenden Wirkung der Hydrophobierungsmittel und der damit verbundenen Verhinderung der Wasser- und Salzwasser-Aufnahme des Betons. Neu entwickelte alkalistabile Silane verhindern das Ablaufen von der vertikalen Betonoberfläche und setzen die Verdunstung von flüchtigen Silanen so weit herab, dass der Untergrund die Silane über einen längeren Zeitraum aufnehmen (aufsaugen) kann. 58

Durch die hohen Kontaktzeiten sind in der Praxis wirksame Eindringtiefen von 5 bis 12 mm realisierbar (Tiefenhydrophobierung). Im Vergleich dazu können konventionelle Makro- oder Mikroemulsionen nur 1 bis 2 mm in die Betonoberfläche eindringen. Die Verhinderung der Wiederbefeuchtung von Beton infolge einer starken Hydrophobierung führt zu einer ständig fortschreitenden Austrocknung des gesamten Betonquerschnitts, verbunden mit ansteigenden Schwindungswerten und einer evtl. schnell ansteigenden Karbonatisierungstiefe. Die damit verbundenen langzeitlichen Auswirkungen der Tiefenhydrophobierung von Brückenbetonen auf einen möglichen Schwindspannungsaufbau und Schwindrissbildungen sowie verstärkte Karbonatisierung und Stahlkorrosion im „austrocknenden“ Beton sind bisher noch nicht systematisch erforscht. Diesbezüglich werden gegenwärtig umfangreiche Untersuchungen durchgeführt.

3.3.8.2 „Easy to Clean“ Oberflächen

Bild 3.93: Entfernung von Graffiti [73]

Gegenstand Korrosionsschutz (corrosion control), Graffitischutz (graffiti controll) und Oberflächenreinhaltung (easy-to-clean surfaces) durch Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen.

Neue Baustoffe

Neue Funktion und Eigenschaften Silan- und Siliconprodukteneinsatz senken die Oberflächenenergie und erhöhen die Hydrophobizität der Oberflächen der Baustoff-Kapillarporen. Die Oberflächen- und Fassaden-Hydrophobierung ist ein wichtiger Baustein des modernen Bautenschutzes, in dessen Mittelpunkt der Feuchtigkeitsschutz steht. In Verbindung mit einem effektiven Feuchtigkeitsschutz werden eine Reihe von Problemen der Baustoffkorrosion und –alterung gelöst, die mit Transportphänomenen von Baustoff-Schadstoffen aus der Luft und aus der Umgebung zusammenhängen. Die Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen für die genannten Schutzziele ist im Allgemeinen unproblematisch und führt in der Regel zu einer Erhöhung der Dauerhaftigkeit der Baustoffe und Baukörper. Der unter Kap.3.2.8.1 diskutierte Einfluss einer besonders starken Hydropho-

bierung (Tiefenhydrophobierung) auf das Schwindungs- und Karbonatisierungsverhalten von Beton ist noch im Detail zu untersuchen. Weitere technische Details Die Hydrophobierung von Bauwerksoberflächen mit Hilfe von silizium-organischen Verbindungen – vorzugsweise Silanen und Silioxanverbindungen – bewirken in Abhängigkeit vom Substrat (Keramischer Ziegel/Klinker, Naturstein, Kalksandstein, Putz, Beton u.a.), vom chemischen Aufbau der Hydrophobierungsmittel, ihrer Auftragsmenge, Eindringtiefe, Vernetzung mit der Substratoberfläche u.a. unterschiedlich dominierende Wirkungen in Bezug auf Wasserablaufverhalten, Korrosionsschutz, Graffitischutz und Oberflächenreinhaltung. Die Anwendung bei Naturstein erfordert wegen den besonderen Eigenschaften der porösen Oberfläche eine Fachberatung.

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Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

4

Technische Gebäudeausrüstung

Eine Vielzahl von technischen Ausrüstungen hilft die Anforderungen einer Bauwerknutzung zu erfüllen. Für den Betrieb eines komfortablen und hochwertigen Wohnhauses ist eine moderne Gebäudetechnik im Hinblick auf die energetische, ökologische und wirtschaftliche Effizienz von besonderer Bedeutung.

4.1

Unter diesen Aspekten werden nachfolgend neue Entwicklungen im Bereich der Wärmeversorgung, Lüftung, Stromerzeugung, Beleuchtung und der Gebäudeleittechnik als Bausteine einer ganzheitlichen bzw. nachhaltigen Gebäudeausrüstung aufgezeigt.

Wärmeversorgung

4.1.1 Wärmeerzeugung (Heizung- und Warmwasserbereitung) 4.1.1.1 Entwicklung der Heizungstechnik Der Stand der Technik ist durch Niedertemperatur- und Brennwertkessel gekennzeichnet. Die Brennwerttechnik hat sich bei Gaskesseln durchgesetzt, auch für Ölkessel wird sie zunehmend eingesetzt. Zeitgemäße Anlagen (Gas- und Ölkessel) arbeiten modulierend, sie passen die Kesselleistung dem Bedarf an. Niedertemperaturheizungen arbeiten mit Vorlauftemperaturen von 55°C bis 60°C

bei Heizkörpern und 35°C bis 40°C bei Fußboden- und Wandheizungen. Hierdurch werden Wärmeversorgungslösungen erschlossen, die insbesondere bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten – wie z.B. Brennwerttechnik, Solaranlagen und Wärmepumpen. Schwerpunkt der weiteren Entwicklung der Heizungstechnik sind die Verminderung des Primärenergieeinsatzes für die Gebäudeheizung durch Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) und der verstärkte Einsatz regenerativer Energien und der Solarenergie.

4.1.1.2 Kraft-Wärme-Kopplung Die Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) hat eine erhebliche Bedeutung für die effiziente Wärmeversorgung. Heizkraftwerke erzeugen elektrischen Strom und Wärme. Gegenüber einem Kondensationskraftwerk werden deren Wärmeverluste deutlich reduziert.

Bild 4.1: Schema der Kraft-Wärme-Kopplung [74]

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Im Beispiel, Bild 4.1, ist die gekoppelte Erzeugung von Strom und Wärme in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) der getrennten Versorgung von Strom (Kraftwerk) und Wärme (Ölkessel) gegenübergestellt. Die erzielte Primärenergieeinsparung liegt bei 36%. Wesentlicher Aspekt ist, dass die bei der Elektroenergieerzeugung anfallende Abwärme für die Gebäudeheizung genutzt wird.

Die Stirlingmaschine wird mittels Wärmequellen mit niedrigen und mittleren Temperaturen betrieben, z.B. von Vakuum-Solarkollektoren, Biogas-, Deponiegasbrennern oder anderen Wärmequellen. Der Heißluft-Motor ist eine periodisch arbeitende Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt. In Brennstoffzellen werden Strom und Wärme in einem elektrochemischen Prozess gewonnen – in diesem Prozess erfolgt eine kontrollierte Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, als Endprodukt entsteht Wasserdampf. Derzeitig wird aber der Wasserstoff durch eine Umwandlung (Reformierung) von Erdgas, also einem kohlenstoffhaltigen Brennstoff, gewonnen. Es gibt unterschiedliche Typen von Brennstoffzellen (Zelltypen), aber auch weit gefächerte Einsatzgebiete. Niedertemperaturzellen können direkt für die Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung eingesetzt werden. Man rechnet mit der Einführung kleiner dezentraler Brennstoffzellen zur Versorgung von Ein- und Zweifamilienhäusern in den nächsten Jahren. [75]

Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

Für Nah- und Fernwärme hat sich die KWK seit langem durchgesetzt. Zunehmend werden KWK-Anlagen für Gebäudekomplexe, Gebäude, aber auch für Ein- und Zweifamilienhäuser eingesetzt, letztere als Kleinst-BHKW (Mini-BHKW mit einer elektrischen Leistung von Pel > 5 kW bis 50 kW und Micro-BHKW Pel < 5 kW). Bislang arbeiten Motor betriebene BHKW´s mit Gas oder Öl, aber auch mit Biogas, Rapsöl und anderer Biomasse. Neben Gasmotoren können auch Stirling-Motoren oder Dampfkraftmaschinen eingesetzt werden, häufig befinden sich diese allerdings noch im Erprobungsstadium.

4.1.1.3 Regenerative Energieträger Wärmerückgewinnung Bei Abwärmenutzung im Wohnbereich, sowohl im Neubau als auch bei der Sanierung im Bestand, denkt man vorrangig an die Wärmerückgewinnung (WRG) in Zu- und Abluftanlagen mit Rückgewinnungsgraden von 80% bis über 90%. In Ein- und Zweifamilienhäusern sind diese Anlagen bereits anzutreffen, nicht nur im Neubau, auch im Gebäudebestand. Für Gebäude mit einem niedrigen Heizwärmebedarf (Passivhaus, Nullheizenergiehaus) sind Zu- und Abluftanlagen mit WRG zwingend notwendig. Bei der Bewertung dieser Anlagen sollten Aspekte berücksichtigt werden, wie bedarfsgerechte Lüftung, Filterung der Frischluft, ggf. Schallschutzmaßnahmen. Für die Lüftung ist vorzusehen, dass die Frischluftzuführung bzw. -ansaugung in den Wohn- und Schlafräumen erfolgt, die Absaugung in den hochbelasteten Räumen wie Küche und Bad-/WC-Bereiche. Auch dieser Fakt der Doppelnutzung der Frischluft in den Wohnbereichen stellt eine Form der Abwärmenutzung dar. Abgesehen von der Wärmeerzeugung in einem BHKW (Abwärme der Stromerzeugung) liegt das Hauptfeld der Abwärmenutzung im Bereich der Lüftung: - Zu- und Abluftanlage mit WRG, zentral oder dezentral - Zu- und Abluftanlage mit WRG, zentral oder dezentral, Einsatz einer Abluftwärmepumpe oder - Abluftanlage mit Außenluftdurchlässen (ALD) und Abwärmenutzung mittels Wärmepumpe, Nutzung für Heizung bzw. Warmwasserbereitung. Wärmepumpen

Für den Einsatz von BHKW´s empfehlen sich immer Wirtschaftlichkeitsvergleiche mit anderen Versorgungsvarianten. Eigennutzung des erzeugten Stromes oder Vergütung des in das öffentliche Netz eingespeisten Stromes können das BHKW gegenüber einem konventionellen Brennwertkessel wirtschaftlich machen. BHKW´s sollten aus Effizienzgründen eine hohe Laufzeit aufweisen.

Bild 4.2: Prinzip einer Wärmepumpe

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Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

Wärmepumpen sind Anlagen zur Nutzung regenerativer Energien, die ca 25% Antriebsenergie und 75% Sonnenwärme nutzen, siehe Bild 4.2. In Bild 4.3 ist die Anwendung in einer Erdsondenanlage mit Nutzung von Umweltwärme (z.B. im Erdreich gespeicherte Solarenergie) und/oder Abwärme (z.B. Abluft) dargestellt. Neben Erdsonden bis zu einer Tiefe von 100 m kommen für die Erdwärmenutzung auch Erdwärmekörbe in einer Tiefe von 1,5 bis 3,5 m oder horizontal verlegte Erdkollektoren zum Einsatz.

Der Nutzen (Heizenergie) muss in einem vernünftigen Verhältnis zum Aufwand (Antriebsenergie) stehen, die Jahres-Arbeitszahl sollte größer als 3,5 sein: Arbeitszahl

=

Nutzen Aufwand

=

Heizenergie Antriebsenergie

> 3,5

Dann kann davon ausgegangen werden, dass die von der Wärmepumpe bereitgestellte Heizenergie trotz des verbrauchten Stroms (Strom-Mix – überwiegend fossile Kraftwerke) mit einem geringeren Primärenergieeinsatz erzeugt wird, als eine Brennwertkesselanlage zur Bereitstellung derselben Heizwärme benötigt. Primärenergetisch sind Gasmotor-Wärmepumpen als am günstigsten zu bewerten. Im kleineren Leistungsbereich (Pel < 50 kW) werden Elektrowärmepumpen eingesetzt, weil für diese Leistungen derzeitig keine Gasmotor betriebenen Wärmepumpen kostengünstig angeboten werden. Die Effektivität der Wärmepumpe kann deutlich erhöht werden, wenn sowohl Heizung als auch Kühlung vorgenommen wird, wenn auch letzteres im Wohnbereich noch unüblich ist. Der Untergrund kann dann als saisonaler Speicher genutzt werden, der die im Sommer aufgenommene Wärme im Winter für den Heizbetrieb zur Verfügung stellt.

Bild 4.3: Prinzip einer Wärmepumpe [76]

Der Einsatz von Wärmepumpen für Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung nimmt in Deutschland stetig zu. Verbreitete Wärmepumpentypen sind: - Luft/ Wasser-Wärmepumpen (Gewinnung von Umgebungswärme aus Außenluft oder Abluft) - Wasser/ Wasser-Wärmepumpen (Wärmeaufnahme aus dem Grundwasser) - Sole/ Wasser-Wärmepumpe (Erdreichwärmepumpe). Der Nutzung der Umweltwärme mittels Wärmepumpe steht der Einsatz von Strom (Elektrowärmepumpe) oder Gas (Gasmotor) gegenüber (Antriebsenergie). 62

Wärmepumpen werden mono- oder bivalent betrieben. Bei der monovalenten Betriebsweise ist die Wärmepumpe in der Lage den Wärmebedarf über das ganze Jahr zu decken. Das setzt eine Wärmequelle voraus, die dauerhaft über das Jahr zur Verfügung steht. Im bivalenten Betrieb wird ggf. bei niederen Temperaturen ein zweiter Wärmeerzeuger zugeschaltet, in der Regel ein Heizkessel. Neben Gasmotorwärmepumpen werden auch Gas-Wärmepumpen betrieben, die beispielsweise von einer Gas-BrennwertTherme versorgt werden. Diese Gas-Wärmepumpen arbeiten entweder nach dem Absorptions- oder Adsorptionsprinzip. Sie weisen einen geringeren Primärenergiebedarf als Elektrowärmepumpen auf.

Holzpelletkessel mit modulierter Leistung und integriertem Wärmeübertrager sind für Heizung und Warmwasserbereitung geeignet. Die Anlagen werden automatisch beschickt, bezüglich CO2 sind sie nahezu emissionsneutral. Die Kombination mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung stellt ein Optimum dar: im Winter wird das warme Wasser über die Holzpelletheizung nachgeheizt, im Sommer ist die Solaranlage ausreichend. Grundsätzlich lassen sich fossile Energieträger – beispielsweise Heizöl durch Rapsöl und Gas durch Biogas ersetzen. Dem werden aber für den Wohngebäudebereich derzeitig noch wirtschaftliche Grenzen gesetzt, wie höhere Investitionskosten und höhere Energieträgerkosten. Diese Bedingungen verbessern sich für größere Einheiten – Gebäudeheizung, Nah- und Fernwärmeversorgung. In Motor betriebenen BHKW´s kommen dann auch Rapsöl und Rapsölmethylester (RME) zum Einsatz.

4.1.1.4 Solarenergie Der wesentliche Teil von Anlagesystemen sowohl zur solargestützten Warmwasserbereitung als auch zur Raumheizung sind die thermischen Solarkollektoren. Als Kollektoren kommen Flachkollektoren (meistgenutzter Kollektortyp) und Röhrenkollektoren – auch Vakuumröhrenkollektor genannt – zum Einsatz.

Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

Biomasse Biomasse ist ein Oberbegriff für viele Energieträger, wie beispielsweise Stroh, Holz, Getreidepflanzen, Biogas. Diese werden in unterschiedlicher Verbreitung für Gebäudeheizsysteme in Ein- und Zweifamilienhäusern, in Mehrfamilienhäusern, aber auch in Nah- und Fernwärmeversorgungssystemen eingesetzt. Für den Einsatz dieser Energieträger besteht noch ein beachtliches Potenzial. Der Einsatz von Anlagen der Biomassenutzung ist derzeitig durch die Wirtschaftlichkeit begrenzt – wegen hoher spezifischer Investitionskosten trotz häufig geringerer Brennstoffkosten. In energetisch effizienten Gebäuden werden Heizanlagen benötigt, die im kleinen Leistungsbereich effizient arbeiten – wie Holzheizkessel für Stückholz-, Pelletund Hackgutfeuerung.

Solarkollektoranlagen werden derzeitig vorrangig für die Warmwasserbereitung eingesetzt, eine Nachheizung erfolgt ggf. durch den Heizkessel. Es gibt Auffassungen, die deutlich vom Gewohnten abweichen. Nicht die Warmwasserbereitung sollte in jedem Fall Vorrang haben, vielmehr gilt: „Die Kombianlage unterstützt die Heizung und erwärmt das Duschwasser, nicht umgekehrt“ [77]. Hierzu bedarf es einer Optimierung von Erträgen, Kollektorflächen und Speichergrößen, die mit entsprechenden Simulationsrechnungen erfolgt. Kollektoren kann man auf das Dach legen, in das Dach einbauen oder von Anfang als Solardach ausführen. Beim Neubau ist das integrierte Solardach die rundum vernünftige Lösung. Auf einem Flachdach sind aufgeständerte Kollektoren unvermeintlich. Kollektoren im Solardach sind immer Flachkollektoren. Vakuumröhrenkollektoren weisen eine höhere Effizienz auf, haben allerdings höhere Kosten und können nur als Aufdachkonstruktion eingesetzt werden. Ein wichtiger Bestandteil von Solaranlagen sind die Speicher. Ein Solarspeicher ist ein Vorratsbehälter zum Speichern von solar erwärmtem Wasser. Als Grundelemente besitzt dieser Wärmeübertrager und Anschlüsse für den Solarkreislauf sowie für die Nachheizung. Ein zunehmender Anteil von solarer Heizung bzw. Heizungsunterstützung erfordert Langzeitspeicher. Während Wasserspeicher eine umfängliche Größe erreichen könnten, fallen Latentwärmespeicher wegen der höheren spezifischen Wärmekapazität deutlich geringer aus. Im Vergleich von Wasser- und Paraffinspeicher dürfte der letztere ein um 60% bis 70% geringeres Volumen haben, allerdings verbunden mit bedeutend höheren Kosten. Die benannten Systeme bzw. Bauteile sind bekannt, technisch in der Regel ausgereift. Es bestehen folgende Entwicklungstendenzen: - Entwicklung von Solarkollektoren mit hohen Wirkungs- bzw. Nutzungsgraden bei sinkenden Kosten, aber auch erhöhten Lebensdauern, - Entwicklung von effektiven solaren Speichern hin zu Langzeitspeichern, ggf. saisonalen Speichern. 63

Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

4.1.1.5 Wärmespeicherung Bei Solarkollektoranlagen und/ oder Stückholzöfen [78] steht nur zeitweise eine hohe Wärmeleistung zur Verfügung. Mittels Pufferspeicher wird die erzeugte Wärme für Bedarfszeiten gespeichert, in denen die Wärmeleistungen nicht zur Verfügung stehen. Für die solare Heizungsunterstützung sind Pufferspeicher unabdingbar. Wasserspeicher Die Wärmespeicherung erfolgt in der Regel mit Wasserspeichern für eine Langzeitspeicherung. In einem Einfamilienhaus mit Solarkollektoranlage [78] wurde beispielsweise ein Speicher mit einem von Volumen von 11.000 Liter realisiert. Die Kollektorfläche der Solaranlage beträgt 68 m². Ein anderes Beispielobjekt für ein „Sonnenhaus“ [79] erhält einen Speicher mit 40.000 Litern und auf dem

Süddach eine Kollektorfläche von 84 m² mit dem Anspruch, keine weiteren Energieträger für die Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung zu benötigen. Latentwärmespeicher Gegenüber Wasserspeichern weisen Latentwärmespeicher eine wesentlich höhere Speicherdichte auf [80]. Die typischen PC-Materialien für Temperaturbereiche von 5°C bis 130°C sind Salzhydrate und Paraffine. (Siehe auch Kap. 3.3.2 Latentwärmespeicher in Baustoffen.) Durch den Effekt der latenten Wärme-speicherung ohne nennenswerte Temperaturänderung, ist es möglich – in einem kleinen Temperaturbereich – relativ große Wärmemengen zu speichern und hohe Speicherdichten zu erreichen. Einen wichtigen Anwendungsbereich können diese Speicher bei der Gebäudeheizung finden. [80]

4.1.2 Wärmeverteilung und –übergabe 4.1.2.1 Überblick

4.1.2.2 Konventionelle Heizsysteme

Wärmeübergabesysteme sind neben den konventionellen Heizkörpern die Flächenheizung in Fußböden, Wänden und Decken, die Luftheizung und als Sonderfall die Einzelheizung in Form des (offenen) Kaminfeuers.

Heizkörper haben bereits eine lange Entwicklung hinter sich. Sie umfassen Rohrheizkörper, Rippenrohrheizkörper, Flachheizkörper (einschließlich Plattenheizkörper, Flachradiatoren u.a.), Radiatoren (in der Regel die klassischen Gliederheizkörper), Rohrradiatoren, Konvektoren und Sockelheizkörper.

Mit zunehmender Wärmedämmung der Außenwand verlieren die Aspekte einer verminderten Behaglichkeit im Bereich der Außenwände und Fenster an Bedeutung, da die raumseitigen Oberflächentemperaturen gleichfalls zunehmen. Heizleitungslängen können optimiert werden, indem man Heizkörper an den Innenwänden anordnet. Aus Gründen der Behaglichkeit, aber auch aus energetischen und optischen Gründen, wurden Flächenheizungssysteme entwickelt und werden zunehmend genutzt. Energetische Vorteile liegen vor allem in niedrigen Temperaturen. In Passivhäusern kann auf konventionelle, wasserführende Heizungssysteme verzichtet werden. Stattdessen können Luftheizsysteme für den Restwärmebedarf eingesetzt werden. 64

Die Entwicklung wurde in den letzten Jahren vor allem beeinflusst: - erhöhte Ansprüche an das Design (Rohrheizkörper), - Absenkung des Wärmebedarfs und der Vor- und Rücklauftemperaturen, - Behaglichkeit (nicht mehr zwingend notwendig, die Heizkörper unter den Fenstern zu installieren), - Verzicht auf konventionelle Heizkörper für Passivhaus bzw. Nullheizenergiehaus. Sockelheizkörper [81] (auch Fußleistenheizkörper oder Heizleisten genannt) sind langgestreckte, schmale und niedrige Heizkörper, die an den Wänden der Räume, namentlich an den Außenwänden, wie Scheuerleisten angebracht werden. Sie stellen Konvektoren dar. Die Wärme-

Den Vorteilen wie geringer Platzbedarf, geringer Preis, gute Wärmeverteilung im Raum und leichte Installation stehen als Nachteile eine erschwerte Reinigung, Verminderung von Stellflächen, hohe Auslegungstemperaturen gegenüber. Für Heizungssysteme ist die Regelung eine wesentliche Voraussetzung für einen energieeffizienten Betrieb. Über den aktuellen Stand der Heizungsreglung mit Thermostatventilen hinausgehend bieten Systeme der elektronischen Einzelraumtemperaturregelung energetische Vorteile. Diese umfassen raumweise und zeitabhängige Temperatureinstellungen, Optimierung (Adaption) der Vorlauftemperatur, Kopplung von Fensteröffnung und Heizkörper (Abschaltung) und bei Bedarf eine mögliche Kombination mit der Heizkostenverteilung.

4.1.2.3 Flächenheizsysteme Flächenheizungssysteme haben sich in drei gängigen Ausführungsvarianten entwickelt, siehe auch Fachinformation des Bundesverbandes für Flächenheizungen [82]: Fußbodenheizung, Deckenheizung und Wandheizung. Die wesentlichen Typen der Fußbodenheizung sind: - Warmwasser-Fußbodenheizung – die Beheizung erfolgt mittels warmen Wassers, die Heizrohre bestehen aus Kunststoff oder Kupfer, - Elektro-Fußbodenheizungen als Direktheizung oder als Speicherheizung. Warmwasserheizungen sind bestens für Niedertemperaturheizsysteme (beispielsweise Brennwerttechnik, Wärmepumpe, Solaranlagen) geeignet. Mit der wachsen-

Technische Gebäudeausrüstung - Wärmeversorgung

übertragung an den Raum erfolgt primär vorrangig durch Konvektion, sekundär aber auch durch Strahlung über die erwärmten Wandflächen. Diese Heizkörper erzielen eine gute Verteilung der Wärme im Raum. Die Fußleistenheizkörper legen gewissermaßen über die gesamte Raumbreite eine aufsteigende Warmluftströmung an die Außenwände an. Diese wirkt dem Kaltluftabfall nicht nur entgegen, sondern hebt ihn sogar auf. Sockelheizkörper sind Konvektoren, die mit relativ hohen Temperaturen betrieben werden.

den Nutzung regenerativer Energieträger ist mit der Zunahme von Flächenheizungen zu rechnen. Die Elektro-Flächenheizungen stellen aus ökologischer Sicht keine Alternative dar, weil sie einen hohen Primärenergiebedarf aufweisen. Neben Fußbodenheizungen als Flächenheizungen werden mehr und mehr auch Wandheizungen eingesetzt. Wandheizungen fördern die Behaglichkeit im Raum – die Wärme wird überwiegend als Strahlungswärme abgegeben. Auch diese werden als Niedertemperaturheizung betrieben. Deckenheizungen sind grundsätzlich möglich, finden aber aus physiologischen Gründen vorraussichtlich keine umfassende Akzeptanz, da sich der Mensch bei Strahlungstemperaturunterschieden, die durch warme Decken bzw. durch kalte Wände verursacht werden unbehaglich fühlt. Wand- und Deckenheizungen können, bei Schaffung der technischen Voraussetzungen, im Sommer zur Kühlung genutzt werden.

4.1.2.4 Luftheizung Luftheizungen nutzen zirkulierende Luft als Wärmeträger. Die in Luftheizgeräten erwärmte Luft wird in die zu beheizenden Räume geleitet, gibt dort die Wärme ab und wird in Abhängigkeit vom Außenluftanteil vollständig oder teilweise dem Gerät zurückgeführt. Im Vergleich zu anderen Ländern – beispielsweise USA, Skandinavien – findet die Luftheizung in Deutschland eine relativ geringe Verbreitung. Auch wenn das weniger technisch und wirtschaftlich begründbar ist, so ist sicher der erhöhte Aufwand an elektrischer Hilfsenergie ein Aspekt, der gegen den Einsatz von Luftheizungen in normalbeheizten Wohngebäuden spricht. [81] Hauptbestandteile der Anlagen sind: - Luftheizgerät (indirekte Beheizung) oder Warmlufterzeuger (direkte Beheizung), - Kanalsystem für die Zuluftverteilung sowie die Umluftrückführung und - Regelung. 65

Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung

In Gebäuden des Bestandes bis hin zu Niedrigenergiehäusern werden konventionelle Wasserheizungssysteme eingesetzt, weil mit Wasser wesentlich höhere Wärmeleistungen transportiert werden können, was bei der Luftheizung durch höhere Luftvolumenströme auszugleichen ist, die in der Regel deutlich den hygienisch notwendigen Außenluft(Frischluft-) Volumenstrom übersteigen können. Interessant wird die Luftheizung wieder für Gebäude mit niedrigem Heizwärmebedarf (Passivhäuser) zur Deckung des Restheizwärmebedarfs. Für niedrige Außentemperaturen kann ein solcher Restbedarf notwendig werden, wenn auch ggf. eine Vorwärmung der Außenluft mittels Erdwärmeübertrager und eine Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragungsgraden von über 80% erfolgt. Kriterium sollte hierbei sein, dass aus Gründen der Behaglichkeit die Zulufttemperatur über 17°C liegt. Zu empfehlen ist, bei Vorhandensein einer Lüftungsanlage auch Strategien für den Sommer zu entwickeln [83], beispielsweise: Fensterlüftung/ Nachtlüftung, Regelstrategien (Zeit- oder Temperatur-

4.2

steuerung) u.a.m. Auch erscheint es wichtig, optimale Lösungen für den Gebäudebestand zu untersuchen [83], beispielsweise: - Wohnungszentrale Lösungen mit optimalen Kanalführungen, - raumweise dezentrale Lösungen oder - Lösungen mit Geräten, die mehrere Räume versorgen. Die Luftheizung stellt bei niedrigem Heizwärmebedarf eine Alternative zu Flächenheizungen wie Fußboden- oder Wandheizung dar. Aus primärenergetischen Gründen sollte keine elektrische Lufterwärmung erfolgen. Wegen der möglichen Störgeräusche müssen Schallschutzanforderungen gegenüber Nachbarwohnungen (DIN 4109) und der Nachbarschaft in der Umgebung (TALärm der BImSchG, siehe 7 Seite 20) eingehalten werden. Für die Störgeräusche einer Anlage in der eigenen Wohnung gibt es keine rechtlich verbindlich einzuhaltenden Anforderungen.

Lüftungssysteme

4.2.1 Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung Jede Lüftungsanlage ist nur so gut, wie es der Nutzer zulässt. Die beste Wärmerückgewinnung ist nutzlos, wenn zusätzlich zur Lüftungsanlage intensiv über Fenster gelüftet wird. Ein angepasstes Nutzerverhalten ist notwendig, um Energieeinsparung über die Lüftungsanlage zu realisieren. Das heißt aber keinesfalls, dass Fenster nicht mehr geöffnet werden dürfen. Da Lüftungsanlagen nur den Mindestbedarf an frischer Luft decken sollen, kann bei kurzzeitig erhöhter Personenzahl („Party-Belegung“ der Wohnung) oder erhöhter Luftbelastung (Rauchen) bedenkenlos das Fenster zusätzlich geöffnet werden. - Zu- und Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung (WRG) arbeiten mit einem zentral angeordneten 66

Lüftungsgerät, in dem mindestens Zu- und Abluftventilator, Wärmeüberträger zur Vorwärmung der angesaugten Außenluft mittels Abluftwärme (Wärmerückgewinnung) und Luftfilter untergebracht sind. - Die (Ab-)Luft wird wie bei einer Abluftanlage abgesaugt, über Luftleitungen zum Lüftungsgerät transportiert, dort entsprechend der Wärmerückgewinnung abgekühlt und über Dach abgeführt. - Die Außenluft wird aus hygienischen und thermischen Gründen in mindestens 3 m Höhe über Grund angesaugt und gefiltert zum Lüftungsgerät transportiert. In diesem wird sie durch Aufnahme von Wärme aus der Abluft erwärmt und anschließend an geeigneten Stellen als Zuluft in den Zulufträumen verteilt.

Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung

- Die Nachwärmung der Zuluft kann entfallen, wenn Geräte mit Rückgewinnungsgraden von mehr als 85 % eingesetzt werden. - Mit Zu- und Abluftanlagen kann wegen der Wärmerückgewinnung am meisten Energie eingespart werden. . Voraussetzung ist, dass die Gebäudehülle möglichst luftdicht ist und die Nutzer in der Heizzeit die Fenster weitestgehend geschlossen halten.

- Weitere Einsparpotenziale können mit Erdreich-Wärmeübertragern (Rohrregister zur Außenluftvorwärmung unter dem Haus) und Wärmepumpen erschlossen werden. Wegen der zusätzlichen Kosten finden sie z.Z. überwiegend nur im Passivhausbau mit einem Heizwärmebedarf kleiner als 15 kWh/(m2a) Anwendung.

4.2.2 Freie Lüftung Bei der freien Lüftung erfolgt der Austausch der belasteten (verbrauchten) Luft gegen unbelastete (frische) und trockene Außenluft über Undichtheiten der Gebäudehülle (ältere Bestandsgebäude), über geöffnete Fenster sowie über technische Hilfsmittel der freien Lüftung. Diese technischen Hilfsmittel sind modifizierte Funktionsfugen der Fenster und Außentüren, regulierbare oder selbstregelnde Außenluftdurchlässe (ALD), Lüftungsschächte mit raumseitigen Abluftdurchlässen oder mit Abluftherdhauben ohne Ventilator [84].

viel gelüftet wird. Ersteres kann zu einer starken Verschlechterung des Raumluftzustandes führen, letzteres führt zu einem erhöhten Heizenergieverbrauch mit den entsprechenden Mehrkosten bei der Heizkostenabrechnung.

Wegen der Abhängigkeit von meteorologischen Zufallsfaktoren, der zunehmenden Dichtheit der Gebäudehüllen und der daraus resultierenden Abhängigkeit von der Nutzermitwirkung funktioniert die freie Lüftung ohne Zusatzmaßnahmen in einer z. Z. anscheinend anwachsenden Anzahl von Wohnungen/ EFH nicht ausreichend gut. Probleme treten vorrangig in Zimmern auf, in denen geschlafen wird. Das hängt mit der relativ hohen Feuchtefreisetzung bei gleichzeitig fehlender Möglichkeit der Stoßlüftung zusammen. Häufig ist wegen starker Lärmexposition oder Zugluftbildung nachts auch das energetisch ungünstige Ankippen der Fenster nicht möglich.

4.2.2.2 Marktübersicht Außenluftdurchlässe [85]

4.2.2.1 Fensterlüftung Bei der freien Lüftung über Fenster ist es für den Nutzer problematisch, die Intensität der Fensterlüftung den meteorologischen Gegebenheiten so anzupassen, dass weder zu wenig noch zu

Für die notwendige Außenluftzuführung werden im Bereich der Wohnungslüftung vermehrt Außenluftdurchlässe für den Wand- und Fenstereinbau eingesetzt, um eine kontrollierte Frischluftversorgung zu gewährleisten.

Die technischen Lösungen marktüblicher ALD, die bei der freien Lüftung als technische Hilfsmittel eingesetzt werden, sind vielfältig. Sie reichen von der einfachen manuell verschließbaren Wandöffnung bis zu Luftdurchlässen mit Ventilatoren und Wärmeübertragern. Viele Hersteller bieten Lösungen an, die mit einem Fenster, einer Fensterbank oder einem Rollladenkasten kombiniert sind. Andere Lösungen benötigen einen Durchbruch in der Außenwand, wobei dieser in unterschiedlichen Raumhöhen liegen kann. Je nach Philosophie des Herstellers kann das hinter einem Heizkörper in Brüstungshöhe oder in Sturzhöhe neben dem Fenster sein. Einige Hersteller bieten ALD in Kombination mit Heizkörpern an. Dabei soll die während der Heizperiode die in den Raum einströmende kalte Außenluft vom Heizkörper erwärmt werden.

67

Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung

Fast alle ALD verfügen über eine Art Insektenschutzgitter oder –filter. Bei einigen fensterintegrierten Lösungen ist die außenliegende Öffnung so gestaltet, dass ein zusätzlicher Insektenschutz entfallen kann. Falls zusätzliche Filter vorgesehen sind, kommen häufig Filterklasse 10 G 2 und G 3 zum Einsatz. Mindestens ein Hersteller bietet ALD mit Filterklasse F 7 an.

10

In Deutschland werden Filter nach der europäischen Norm DIN EN 779 klassifiziert. Die DIN EN 779 unterscheidet zum einen die Grobstaubfiltern, Filterklassen G1 bis G4 (ehemals EU1 bis EU4) und zum anderen die Feinstaubfiltern, F5 bis F9 (ehemals EU5 bis EU9). 11

Schallschutzklassen und bewertete Schalldämm-Maße R`w des am Bau funktionsfähig eingebauten Fenstes, gemessen nach DIN 522105 in dB nach VDI 2719: Schallschutzklasse

ALD unterscheiden sich auch beim notwendigen Aufwand für die Montage. Außenwandintegrierte Lösungen können im Neubau leichter realisiert werden, als in bereits bestehenden Gebäuden. Bei einem ohnehin notwendigen Fensterwechsel bieten sich fensterintegrierte Lösungen an. Darüber hinaus gibt es fensterintegrierte ALD unterschiedlicher Hersteller, die sich im Bestand leicht nachrüsten lassen.

4.2.2.3 Schachtlüftung Eine wirksamere Form der freien Lüftung stellt die Schachtlüftung dar, siehe Bild 4.4. Diese funktioniert überwiegend über thermischen Auftrieb, aber auch durch die Unterstützung durch Windkraft. Der Auftrieb bewirkt, dass über ALD in der Gebäudehülle und Luftdurchlässigkeit der Gebäudehülle Außenluft in die angeschlossenen Wohneinheiten nachströmen kann. In den Wohneinheiten bewegt sich die Luft in Richtung der Ablufträume (Küche, Bad und WC). Technologische Neuerungen gehen dahin, die meteorologischen Zufallsfaktoren Wind und thermischer Auftrieb durch sogenannte zentrale Stützventilatoren zu ergänzen. Dabei werden besonders energiesparende Ventilatoren in zentrale Sammelschächte ergänzt und bei zu geringem thermischen Auftrieb wird dieser

bew. Schalldämm-Maß R`w

1

25 bis 29

2

30 bis 34

3

35 bis 39

4

40 bis 44

5

45 bis 49

6

≥ 50

Anmerkung: Je höher die Schallschutzklasse, desto höher der Schallschutz. Übliche Einfachfenster mit Isolierverglasung (ohne ALD) können mindestens in Schallschutzklasse 2 eingeordnet werden.

68

Fast alle Systemlösungen verfügen über mehr oder weniger gute Schalldämm-Eigenschaften. Mehrere Hersteller bieten nach eigenen Angaben fensterintegrierte Lösungen der Schallschutzklasse 4 11 an, wobei letztere überwiegend durch entsprechend gute Fenster erreicht wird. Die außenwandintegrierten ALD bieten aufgrund ihrer Bauform mit größerem Platzangebot gegenüber den fensterintegrierten ALD mehr Raum für schalldämpfende Maßnahmen. Die gängigen fensterintegrierten Lösungen müssen sich in ihren Abmessungen an den Fensterrahmen anpassen. Teilweise sind diese ALD vollständig in diesen integriert und somit für den Nutzer unsichtbar.

Die von den Herstellern bereit gestellten Produktunterlagen sind von unterschiedlicher Qualität. Teilweise enthalten sie gute Erläuterungen zur Notwendigkeit der Lüftung. Die Vorteile kontrollierter Wohnungslüftung, wie z. B. gute Raumluftqualität, Feuchteabfuhr und Minimierung der Lüftungswärmeverluste werden angeführt. Zu den üblichen technischen Daten, die von den Herstellern genannt werden, gehören Angaben zum Luftvolumenstrom in Abhängigkeit vom Differenzdruck, Angaben zum Schallschutz und zur Schlagregendichtheit.

Einzelschächte

einfacher Sammelschacht

Doppel-Sammelschacht

Bild 4.4: Schachtlüftung mit Einzel- und („Einfach- und Doppel“-) Sammel-Schächten

Sammelschächte können bei der Schachtlüftung den Luftaustausch zwischen Wohnungen nicht unterbinden. Deswegen sind sie seit Juni 1981 in Deutschland nicht mehr genormt und sollten bei Neubau und Modernisierung nicht eingesetzt werden. Vorhandene Schächte unterliegen im unveränderten Zustand dem Bestandsschutz. Nach DIN 1946-6 führt die Überlagerung von Wind- und Auftriebskräften in Wohneinheiten mit Schachtlüftung zu einem durchschnittlich möglichen Luftwechsel von 0,25/h•WE. Um den notwendigen Mindestluftwechsel zu gewährleisten,

Technische Gebäudeausrüstung - Lüftung

durch den Betrieb des Stützventilators verstärkt. Dadurch ist eine kontinuierlicher Luftwechsel in den angeschlossenen Wohneinheiten gewährleistet.

müssen entsprechend dimensionierte ALD eingesetzt werden. Zur Gewährleistung der Luftströmung aus den Zulufträumen in die Ablufträume müssen – insbesondere bei der freien Lüftung – sogenannte Überström-Luftdurchlässe den Luftstrom von einen Raum in den anderen ermöglichen. Üblicherweise werden hierbei entweder die Türblätter um einige wenige Zentimeter gekürzt oder es werden kleine Gitter in die Innentüren integriert. Technologische Neuerungen gehen dahin, dass die Überströmung für das Auge unsichtbar im Türrahmen integriert ist. Darüber hinaus gibt es in Innentüren integrierte Überström-Möglichkeiten. Hierbei wird die Luft durch das Türblatt von (außen) oben nach (innen) unten geführt.

4.2.3 Steuerung von Lüftungsanlagen Vielfach wird die kontrollierte Wohnungslüftung [86] als ein wesentlicher Beitrag zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste von Gebäuden verstanden. Vor allem bei Systemen ohne Wärmerückgewinnung treten erwartete Energieeinsparungen häufig nicht auf. Eine beachtenswerte Alternative zur Wärmerückgewinnung kann in der Bedarfsregelung von Lüftungsanlagen bestehen.

Luftvolumenstroms notwendig sind. Geeignete Sensoren sind z.B. Fühler für die Messung von CO2 in der Raumluft oder die Bestimmung der relativen Feuchte der Raumluft sowie Anwesenheitssensoren (Personen). Wesentlich für die Funktion und den Betrieb sind dabei die Messgenauigkeit und die Langzeitstabilität, aber auch der Stromverbrauch der Fühler.

Gegenüber herkömmlich durchgängig oder zeitabhängig betriebenen Lüftungsanlagen mit Ventilatorbetrieb wird mit der bedarfsgeregelten Lüftung durch die Förderung geringerer Luftmengen einerseits Heizenergie und andererseits Strom für den Betrieb von Ventilatoren gespart. Im Ergebnis werden bei sehr guter Raumluftqualität und thermischer Behaglichkeit Energiekosten reduziert. Für bedarfsgeregelte Lüftungsanlagen sind drei wesentliche Komponenten charakteristisch: - Sensoren / Fühler, - Aktoren / Stellglieder und - geeignete Regelstrategie.

Die sogenannten Aktoren (Stellglieder) sorgen für die raum- und wohnungsweise Anpassung der Luftvolumenströme an die Lastverhältnisse (Verunreinigung der Raumluft). Die für die Anpassung notwendigen Stellglieder sind zentrale (gebäudeweise) Ventilatoren, dezentrale (raumweise) Zu- und Abluftventile sowie Außenluftdurchlässe (raumweise dezentral). Um den geförderten Volumenstrom der Luftbelastung anpassen zu können, sind bei den Stellgliedern die Kennlinien, die Autorität und die Druckverluste zu beachten und gegebenenfalls dem jeweiligen Fall anzupassen. Darüber hinaus ist auch hier der Hilfsenergieverbrauch zu berücksichtigen.

Mit Hilfe der Fühler werden die relevanten Raumluftparameter bzw. die Luftqualität erfasst, die für die Bedarfsregelung des

Wesentlich für die energetische und hygienische Wirksamkeit der Bedarfsführung ist eine geeignete Regelstrategie. Neben 69

Technische Gebäudeausrüstung - Stromversorgung

den in der Wohnungslüftung üblichen Grundfunktionen (durchgehende Grundlüftung und Schaltung von Grundlüftung auf kurzeitige Bedarfslüftung durch den Nutzer) soll eine lastabhängige Fahrweise unter Verbesserung der hygienischen Verhältnisse und Minimierung des Luftwechsels und Energieverbrauches sichergestellt werden. Die Regelung ist dabei für die Auswertung der Daten aus den Fühlern und die Weitergabe von Steuerbefehlen an die Stellglieder zuständig. In den Prozess der Regelung muss gleichzeitig auch der Eingriff des Nutzers (z.B. zusätzliche Fensterlüftung)

4.3

miteinbezogen werden. Im Planungsprozess muss der Regelalgorithmus (z.B. CO2- oder feuchteabhängige Bedarfsregelung), der Nutzeranspruch an die Regelung und auch die Regelgüte sowie der Stromverbrauch für die Regelung festgelegt bzw. beachtet werden. Mit steigendem Anspruch des Nutzers an Regelgüte und Regelalgorithmus nimmt auch der finanzielle Aufwand zu. Die Einsparpotenziale der bedarfsgeregelten Lüftung sind unbestritten, während die Wirtschaftlichkeit dieser Systeme im Einzelfall zu prüfen sind.

Stromerzeugung

4.3.1 Öffentliche Stromversorgung Die übliche Versorgungsart für Strom ist die öffentliche Stromversorgung, die im Verbundnetz betrieben wird. Gemäß Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW) [87] erfolgte von 1995 bis 2005 die Zunahme des Nettostromverbrauches in Deutschland um ca. 25%, bei gleichzeitiger Verschiebung in der Energieträgerstruktur. Die Anteile von Erdgas und erneuerbaren Energien haben zugenommen. Die erneuerbaren Energien umfassen bei der Stromerzeugung vor allem Wasserkraft und Windenergie, Photovoltaik und Biomasse, aber auch Geothermie.

Die Entwicklung hin zur verstärkten Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien wird unterstützt durch die Nachfrage nach Ökostrom. Der aus dem Netz entnommene Strom (Strom-Mix) wird durch den Anbieter als Strom aus erneuerbarer Energie eingespeist. Das öffentliche Netz schafft die Voraussetzungen für eine stabile Stromversorgung und Versorgungssicherheit für Industrie, Gewerbe und Wohnen.

4.3.2 Alternative Lösungen zur Stromerzeugung 4.3.2.1 Überblick Es bestehen Möglichkeiten einer autarken Wärme- und Stromerzeugung für Gebäude. Dezentrale Stromversorgungslösungen werden in der Regel in Wechselwirkung mit dem öffentlichen Stromversorgungsnetz betrieben. Hierdurch sind sichergestellt: - Grundlast und Versorgungssicherheit , - Einspeisung von Strom dezentraler Anlagen in das Netz und - Einspeisevergütungen für in dezentralen Anlagen erzeugten Strom als Förderinstrument. 70

Einspeisevergütungen werden durch folgende Gesetze geregelt: - Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (Erneuerbare-EnergienGesetz –EEG) [88], - Gesetz für die Erhaltung, die Modernisierung und den Ausbau der KraftWärme-Kopplung (Kraft-WärmeKopplungs-Gesetz) [89]. Ziel des EEG [88] ist es, im Interesse des Klima- und Umweltschutzes eine nachhaltige Entwicklung der Energieversorgung zu ermöglichen und den Beitrag erneuerbarer Energien an der Stromversorgung deutlich zu erhöhen.

4.3.2.2 Photovoltaik Ziel der Photovoltaik-Entwicklung ist die Reduktion der Stromerzeugungskosten. Die Fördermaßnahmen gemäß EEG sollen diese Entwicklung unterstützen. Photovoltaikanlagen werden als netzgekoppelte Anlagen und als Inselanlagen ausgeführt. Solarzellen bestehen aus verschiedenen Halbleitermaterialien, die unter Zufuhr von Licht oder Wärme elektrisch leitfähig werden. Über 95% aller auf der Welt produzierten Solarzellen bestehen aus dem Halbleitermaterial Silizium (Si). Zum Stand der Entwicklung von Solarzellen: - Solarzellen aus kristallinem Material (mono- oder polykristallin) sind am weitesten entwickelt (Silizium-Solarzellen). Deren Wirkungsgrad erreicht 17% bis zu 20%. - Dünnschicht-Solarzellen werden gegenwärtig weiterentwickelt. Bei der Herstellung von Dünnschichtzellen werden photoaktive Halbleiter als dünne Schichten auf ein Trägermaterial aufgebracht. Die Schichtdicken betragen hierbei nur etwa 0,001 mm! Die Kosten für Dünnschichtzellen aus amorphem Silizium sind derzeit noch sehr hoch. Um die Solartechnik noch effektiver und kosten-

Technische Gebäudeausrüstung - Stromversorgung

Dieses Gesetz betrifft die Betreiber von Stromerzeugungsanlagen und regelt die Abnahme und die Vergütung von Strom, der einerseits aus Wasserkraft, Windkraft, solarer Strahlungsenergie, Geothermie, und andererseits ausschließlich aus Deponiegas, Klärgas, Grubengas oder aus Biomasse gewonnen wird. Die Biomasse V [90] regelt für den Anwendungsbereich des EEG, welche Stoffe als Biomasse gelten, welche technischen Verfahren zur Stromerzeugung aus Biomasse in den Anwendungsbereich des Gesetzes fallen und welche Umweltanforderungen bei der Erzeugung von Strom aus Biomasse einzuhalten sind. Zweck des KWK-Gesetzes [89] ist es, durch den Einsatz der Kraft-WärmeKopplung die Kohlendioxid-Emission zu vermindern. Das soll durch den Schutz und die Modernisierung von KWK-Anlagen sowie durch den Ausbau der Stromerzeugung in kleinen KWK-Anlagen erreicht werden.

günstiger einsetzen zu können, ist die Erforschung neuer Materialien notwendig. Der Begriff „Standardmodul“ bezeichnet Solarmodule, welche seriell gefertigt werden. Der Kunde kann sie im Großoder Einzelhandel beziehen oder vom Installateur als Bestandteil einer produktionsfertig installierten Solaranlage erwerben. Solardachziegel sind Photovoltaikmodule, die in die konventionelle Dacheindeckung integriert werden. Die einzelnen „Ziegel“ werden auf der Unterseite durch elektrische Steckverbindungen zu größeren Einheiten zusammengeschlossen. Diese Solarmodule liefern Strom zum Eigenverbrauch oder zum Einspeisen in das öffentliche Netz. Unter Berücksichtigung von Förderung und Einspeisevergütung nach dem EEG kann für effiziente PV-Anlagen eine Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden. Sinkende Investitionskosten (neue Technologien, Produktionszahlen) und ggf. steigende Energiekosten verstärken diese Entwicklung.

4.3.2.3 Blockheizkraftwerke Blockheizkraftwerke – auch Kleinst-BHKW bzw. Mini- und Micro BHKW – können sowohl im Inselbetrieb als auch netzgekoppelt betrieben werden. Die spezifischen Investitionskosten für ein Kleinst-BHKW sind relativ hoch, es ist immer anzustreben, dass die Anlagen mit einer hohen Betriebsstundenzahl betrieben werden. Für eine hohe Betriebsstundenzahl ist auch eine stabile Grundlast für die Wärme erforderlich, beispielsweise für die Warmwassererwärmung. Für Ein- und Zweifamilienhäuser liegen wegen der kleinen Leistungen hohe leistungsspezifische Investitionskosten vor. Wesentliche Einflussgrößen für einen wirtschaftlichen Betrieb von BHKW´s sind die Investitionskosten, die Energiekosten (beispielsweise Gas, Öl, Strom) und Einspeisevergütungen für den erzeugten Strom. Das derzeitig geltende KWK-Gesetz ist bis 2010 (mit Ausnahmen für Brennstoffzellen) gültig, eine Fortschreibung ist zwar möglich, aber derzeitig noch nicht in Sicht. 71

Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung

4.4

Beleuchtung

Entscheidend für die Qualität einer Lichtquelle sind der kontinuierliche Verlauf und die Breite des Spektrums, die Farbwiedergabe (Ra) und die Farbtemperatur. Ideal ist es, sich hierbei am natürlichen Sonnenlicht zu orientieren, da dies seit Jahrtausenden unsere Lichtquelle darstellt und sich nachweislich positiv auf unsere Gesundheit und unser Wohlbefinden auswirkt. [91] Die Beleuchtung muss vielfältige Aufgaben mit individuellen Funktionen erfüllen, je nach Raumnutzung oder Tätigkeit. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich sowohl Intensität als auch Richtung der Lichtquellen verändern lassen. Die Auswahl der richtigen Plätze und die Auswahl der Lichtquellen sind nicht voneinander zu trennen. [92] Beliebt ist das brillante warmweiße Licht von Hochvolt-Halogenlampen oder Niedervolt-Halogenlampen für Akzentbeleuchtungen und Allgemeinbeleuchtung in den Wohnräumen und im Bad. Kompaktleuchtstofflampen, mit und ohne integriertes Vorschaltgerät (Lichtfarbe: warmweiß), haben die alten Glühlampen meist ersetzt, da sie wesentlich bessere Lichtleistungen bei gleichem Strombedarf haben. Besonders seit es diese Energiesparlampen auch in kleineren Abmaßen und in den Formen der alten Glühlampe oder als Zapfenlampe gibt, ist der Einsatz in Wohnräumen gestiegen. [93] Neue Entwicklungen sind darauf gerichtet, dass diese Energiesparlampen

gedimmt werden können und somit der Einsatz auch in individuellen Lichtregelungen möglich ist. Als Arbeitsplatzbeleuchtung in der Küche wird auf die stabförmige Leuchtstoffröhre häufig zurückgegriffen. Diese zeichnen sich durch hohe Lichtleistung aus. Hier werden immer bessere Leuchtstofflampen entwickelt, die kleiner in den Abmaßen aber gleiche Lichtleistung auszeichnet. Für Effektbeleuchtungen stehen heute Leuchtdioden (LED) zur Verfügung. Die erzielbare Leuchtstärke ist für allgemeine Beleuchtungsanwendungen noch zu gering. Ein weiterer Nachteil der Silizium-LED ist die punktförmige Lichtabstrahlung. Die Entwicklungen bemühen sich, diese Nachteile in einer neuen Generation, den OLED, abzustellen. Diese aus organischen Stoffen hergestellten Leuchtdioden können auch flächenhaft Licht abstrahlen.

Bild 4.5: Beispiel einer Leuchte mit LED-Technik [94]

4.4.1 Energiesparende Leuchten und energieeffiziente Leuchtensysteme Die Entscheidung, ob ein Leuchtensystem bzw. eine Leuchte energiesparend ist, kann man am besten durch Gegenüberstellung der Lichtausbeute der jeweiligen Leuchtmittel treffen. Die Energieeffizienz einer Leuchte hängt in erster Linie von der benutzten Lampe (Leuchtmittel) ab. Zur Klarstellung hier die Definitionen der Begriffe: 72

Der Lichtstrom Φ ist die Lichtleistung einer Lampe. Er beschreibt die von der Lichtquelle in alle Richtungen abgestrahlte Leistung im sichtbaren Bereich und wird in Lumen (lm) gemessen. Die Lichtausbeute ist das Maß für die Wirtschaftlichkeit einer Lampe. Sie sagt aus, wie viel Lumen (lm= Lichtleistung) pro Watt (W= elektrischer Leistung) eine Lampe erzeugt. Je höher das Verhältnis Lumen/Watt, desto besser setzt eine

Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung

Lampe die eingebrachte Energie in Licht um. Beispiele: Allgebrauchsglühlampe 12 lm/W, Halogenlampe 20 lm/W, Energiesparlampe 60 lm/W, stabförmige Leuchtstofflampe 90 lm/W.

neu entwickelten Leuchten zeichnen sich durch hervorragende Reflexionseigenschaften und Lichtleitsysteme aus, die eine optimale Beleuchtung des Raumes erzielen können. Durch die Weiterentwicklung der Lampen müssen auch die Leuchten ständig angepasst werden. Besonders die LED- Beleuchtungen erfordern neue Konzepte. Bei Markteinführung der flächenstrahlenden OLED wird die Leuchte vielleicht völlig überflüssig, wenn die Tapete strahlt!

Aus gestalterischen Gründen und zur Verhinderung von Blendungseffekten wird die maximal mögliche Lichtausbeute der Lampe in der Regel durch die Leuchte bzw. durch ihre Glasabdeckung oder ihren Lampenschirm, gedämpft. Die

4.4.2 Leuchtmittel Die folgende Übersicht zu den gebräuchlichen Lampen mit Angabe der möglichen Lichtausbeute und Farbgüte soll zur Auswahl der passenden energiesparenden Lampe dienen: Leuchtmittel

Elekr. Leistung [Watt]

Lichtstrom [Lumen]

Allgebrauchsglühlampe

15 - 200 90 - 3.150

Hochvolt-Halogenlampen PAR1)-Reflektorlampen

40 - 100

-

Hochvolt-Halogenlampen Reflektorlampen

50 - 75

-

Hochvolt-Halogenlampen ohne Reflektor mit Hüllkolben

Farbwiedergabe Index Ra

Sockel

warmweiß (ww)

≥ 90

E27

-

warmweiß (ww)

≥ 90

E14, E27

-

warmweiß (ww)

≥ 90

GU10, GZ10

60 - 250 840 - 4.200 14 - 17

warmweiß (ww)

≥ 90

E27

Hochvolt-Halogenlampen ohne Reflektor Kerzenform

25 - 60

10 - 14

warmweiß (ww)

≥ 90

E14

Hochvolt-Halogenlampen ohne Reflektor zweiseitig gesockelt

60 - 500 840 - 9.500 14 - 19

warmweiß (ww)

≥ 90

R7s

Hochvolt-Halogenlampen ohne Reflektor ohne Hüllkolben

25 - 250 250 - 4.200 10 - 17

warmweiß (ww)

≥ 90

E15d

Niedervolt- Halogenlampen ohne Reflektor (Stiftsockel)

5 - 150

warmweiß (ww)

= 90

G4, GY6,35

Niedervolt- Halogenlampen mit Reflektor (Ø 51 mm)

20 - 65

-

-

warmweiß (ww)

≥ 90

GU 5,3

Niedervolt- Halogenlampen Kaltlichtreflektorlampen (Ø 35 mm)

10 - 35

-

-

warmweiß (ww)

≥ 90

GU 4

250 - 840

60 - 3.200

Lichtausbeute [Lumen/ Watt] 6 - 16

12 - 21

Lichtfarbe

1)PAR (Parabolic Aluminized Reflector) Tabelle 4.1: Übersicht Daten Allgebrauchs- und Halogenlampen, nach [93].

73

Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung

Leuchtmittel

Elekr. Leistung [Watt]

Lichtstrom [Lumen]

Lichtaus- Lichtfarbe beute [Lumen/ Watt]

Farbwiedergabe Index Ra

Sockel

Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät E27

5 - 23

240 - 1.500 48 - 65

warmweiß (ww)

≥ 90

E27

Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät E14

3 - 11

100 - 600

33 - 55

warmweiß (ww)

≥ 90

E14

Kompaktleuchtstofflampen mit integriertem Vorschaltgerät Birnenform

5 - 15

200 - 900

40 - 60

warmweiß (ww)

≥ 90

E27

Leuchtstofflampen Dreibanden Ø 26 mm

18 - 58

1.350 - 5.200

752) – 932)

(ww, nw, tw) 3)

80 - 90

G13

Leuchtstofflampen Dreibanden Ø 16 mm1) hohe Lichtausbeute

14 - 35

1.350 - 3.650

96 - 104

(ww, nw, tw) 3)

80 - 90

G5

Leuchtstofflampen Dreibanden Ø 16 mm1) hohe Lichtstrom

24 - 80

2.000 - 7.000

83 - 93

(ww, nw, tw) 3)

80 - 90

G5

Leuchtstofflampen Dreibanden Ø 7 mm

6 - 13

310 - 1.030 52 - 79

(ww, nw, tw) 3)

80 - 90

W4,3

1) Betrieb ausschließlich mit elektrischem Vorschaltgerät (EVG); 2) bei Betrieb mit EVG wird die Lichtausbeute auf 81 lm/W bis 100 lm/W gesteigert (ohne VG-Verluste) – die Leistung sinkt von 18 W auf 16 W, von 36 W auf 32 W und von 58 W auf 50 W 3) (ww, nw, tw) = warmweiß, neutralweiß, tageslichtweiß Tabelle 4.2: Übersicht Daten Kompakt- und Leuchtstofflampenlampen, nach [93].

4.4.3 Leuchtdioden (LED) LED sind Leuchtdioden, das Kürzel steht für Licht Emittierende Diode bzw. Light Emitting Diode. LED sind elektronische Halbleiter-Bauelemente, die unter Spannung Licht in den Farben Rot, Grün, Gelb oder Blau erzeugen. Mit Hilfe einer zusätzlichen internen Leuchtschicht können blau leuchtende LED auch weißes Licht erzeugen. LED werden in Orientierungsleuchten und gelegentlich auch schon für allgemeine Beleuchtungszwecke eingesetzt. In vielen Anwendungen genutzte, spezifische Vorteile unterschiedlicher LED-Bauformen sind hohe Lebensdauer, Wartungsfreiheit, IR/UVFreiheit des Lichts, geringer Energieverbrauch, Farbstabilität, Stabilität gegen Erschütterungen. [93] LED-Module bestehen aus mehreren Halbleiterkristallen oder Einzel-LEDs (Halbleiterkristalle mit Gehäuse), die auf einer Leiterplatte aneinander gereiht oder in anderer Form kombiniert sind. Es ist sinnvoll, das elektrische Layout der Leiterplatte auf die vorgesehene Anwen74

dung abzustimmen. LED-Module sind in verschiedenen Formen und Größen auf dem Markt. Wesentliches Unterscheidungsmerkmal ist die Aufbautechnologie: - Module mit bedrahteten LEDs in Durchstecktechnologie, - Module in SMD-Technologie (Surface Mounted Device - aufputzmontiertes Bauteil), - Module auf Basis innovativer CoBTechnologie (Chip-on-Board - Produk tionstechnologie „ Chip auf Leiterplatte montiert“) und - SMD oder CoB-Module für Hochleistungs-LEDs (Hochleistungsmodule). Organische Leuchtdioden (abgekürzt: OLED für Organic Light Emitting Device) sind Bauelemente aus ultradünnen organischen Schichten – ähnlich wie Plastikfolien – die beim Anlegen einer Spannung Licht aussenden. Diese Bauelemente sind nicht nur sehr flach, sondern prinzipiell auch großflächig herstellbar und

OLED können in den verschiedensten Farben hergestellt werden. Derzeit werden organische Leuchtdioden bereits als Displays in elektronischen Kleingeräten wie Mobiltelefonen, Autoradios und Digitalkameras eingesetzt. In der Beleuchtungstechnik gibt es jedoch noch keine echten Anwendungen. Experten erwarten jedoch, dass die OLED-Technologie mittelfristig Einzug in vielfältige neue Anwendungsfelder halten wird. Eine Marktabschätzung für organische Leuchtdioden im Jahr 2003 ergab einen weltweiten Umsatz von etwa 260 Millionen US-Dollar. Schon bis zum Jahr 2008 wird eine Steigerung auf über 6,5 Milliarden US-Dollar erwartet. [95]

Technische Gebäudeausrüstung - Beleuchtung

energieeffizient bei der Lichterzeugung. Erste Muster dieser Bauelemente zeigten auch, dass sie flexibel sind. Im Unterschied zu „klassischen“ Leuchtdioden sind organische Leuchtdioden Flächenstrahler. Dies ist für die meisten Anwendungen, in denen große Flächen be- und hinterleuchtet werden, ein deutlicher Vorteil.

Aus Sicht der Forschung sind damit technische Herausforderungen verknüpft: - Verbesserung der Lebensdauer der Bauelemente, z.B. durch Optimierung der Kapselungstechnologie, - Verbesserung der Effizienz organischer Leuchtdioden durch Bauelementdesign und neuartige Materialien, - Entwicklung neuer Strukturierungsverfahren für Displays und - Optimierung der Herstellungstechnologien zur drastischen Kostenreduzierung. [95] In spätestens fünf Jahren will die Industrie erste OLEDs als Lichtquellen in den Handel bringen, zunächst im dekorativen Bereich. Denkbar sind farbige Leuchtelemente, die an Wände oder beispielsweise den Kühlschrank geklebt werden können. Auf die leuchtende Tapete im Wohnzimmer, die sich an grauen, trüben Herbsttagen in eine blühende Frühlingslandschaft verwandelt, werden wir noch einige Jahre warten müssen. [96]

Mit der Förderinitiative „Organische Leuchtdioden“ des BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung) werden derzeit deutsche Unternehmen in ihren Entwicklungen in diesem innovativen und international stark beachteten Feld unterstützt.

75

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

4.5

Gebäudeleittechnik (GLT)

Der Einsatz von Gebäudeleittechnik auch bei Wohngebäuden war vor Jahren kaum denkbar, aber der Trend in Richtung „Intelligentes Gebäude“ ist besonders seit Einführung der digitalen Technik zur Informationsgewinnung, Übertragung und Verarbeitung nicht mehr aufzuhalten. Die “Intelligenz“ eines Gebäudes wird zunehmend gekennzeichnet durch die Möglichkeiten, die Daten verschiedener Gewerke in einer Zentrale zu verarbeiten und damit ganzheitliche Automationsund Bedienkonzepte zu entwickeln. Nutzer und Betreiber haben den Vorteil einfacher Bedienung und Erzielung eines hohen Nutzwertes durch z.B. energieeffiziente Heizungs- und Lüftungsanlagen. Die zentrale Bedien- und Überwachungseinrichtung wird als Gebäudeleittechnik bezeichnet. Der Zustand der einzelnen Geräte und Anlagen kann durch die GLT angezeigt werden, ohne dass die Per-

son zum Beispiel in den Heizungskeller gehen muss. Die GLT dient als zentrale Steuerungs- und Anzeigeeinheit aller im Hause befindlichen Anlagen, darunter auch Brandschutz- und Sicherheitseinrichtungen. [97] In modernen Gebäuden wird meist ein Computer (PC) oder bei kleineren Anlagen ein PDA (Personal Digital Assistant) als Anzeige und Bedienterminal eingesetzt. Durch die Verbindung über Funknetze (WLAN) ist eine Steuerung der Hausanlagen von jedem beliebigen Ort im Haus möglich. Eine Übertragung über das Telefonnetz an eine Zentrale oder an ein Funktelefon zur Brand- bzw. Einbruchsmeldung sind möglich. Der Trend zur stärkeren Automation und zentralen Steuerung der häuslichen Systeme wird alle denkbaren Bereiche erfassen. [98] [99]

4.5.1 Gebäudeautomation

Bild 4.6: Anwendungsbereiche der Gebäudeautomation [100] 12

BUS ist der in der Datenverarbeitung verwendete Begriff für ein Leitungssystem zum Austausch von Daten zwischen mehr als zwei Teilnehmern. Die Informationszuordnung erfolgt über elektronische Datenübertragung.

76

Die Gebäudeautomation (GA) umfasst alle Prozesse der Steuerung und Regelung der hausinternen Systeme zur Sicherstellung einer guten Heizung, Klimatisierung, Lüftung, Beleuchtung und Sonnenschutzfunktion. Die Gebäudeautomation arbeitet unabhängig von den Nutzern und sorgt entsprechend den eingestellten Parametern automatisch für die optimale Betriebsweise der Gebäudetechnik. Damit diese Funktionen ablaufen können, werden Daten von den einzelnen Sensoren zur Berechnung der nächsten Stellgrößen benötigt. Diese Daten werden in der Regel über BUS-Systeme 12 im Haus transportiert. Entsprechend der unterschiedlichen Aufgaben und der notwendigen Reaktionsgeschwindigkeiten werden unterschiedliche BUS-Systeme eingesetzt. Gebäudeautomationssysteme funktionieren auch ohne GLT entsprechend den ihr zuletzt übermittelten SOLL-Parametern. [101]

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

4.5.2 Ebenen der Automationssysteme Die klassische Gebäudeautomation wird in drei Ebenen unterteilt. Die Feldebene, die Automationsebene und die Managementebene. Durch die rasante Entwicklung der Mikroprozessoren in den letzten Jahren wird die bisherige Aufteilung von Feld- und Automationsebene immer mehr verwischt. Es wandert mehr Intelligenz in die Sensoren und Aktoren, so dass diese inzwischen auch direkt an die Feldbusse der DDC (Direct Digital Control) angebunden werden. Die klassische Aufteilung der Ebenen ist im Bild 4.7 zu sehen. [102]

4.5.2.1 Feldebene (Messen, Stellen, Zählen) Die unterste Ebene wird als Feldebene bezeichnet. Hier erfolgt die Verbindung der Sensoren (Taster, Bewegungsmelder, Helligkeit, Dämmerung, Sonnenschein, Wind, Regen, Zeitschaltuhren, Temperatur, Kontaktschalter, Lichtschranken, Fernbedienung, Gas, Rauch, Kohlendioxid, mechanische Zähler, wie Gas-, Wasser-, Elektrizitäts- und Wärmemengenzähler) und Aktoren (Schalter, Rollladenschalter, Dimmer, Heizkörperventile, Schalter mit höhere Leistung) mit den speicherprogrammierbaren Steuerungen (DDC). Die Messwertbildung übernimmt die DDC mit ihrem speziellen Programm. Viele Sensoren besitzen bereits direkte Busankopplung mit entsprechender Intelligenz. Dieser Trend wird sich fortsetzen und separate DDC als Koppelglieder vielfach ersetzen. [103]

4.5.2.2 Automationsebene (Mess-, Steuer-, Regelprozesse) Auf der Automationsebene erfolgt der Austausch von Daten zwischen den DDC mittels Bussystemen. Trotz Standardisierung sind auch heute noch vielfach Bussysteme im Einsatz, die herstellerabhängig sind. Schnittstellen zu anderen Systemen können nur mit erheblichem Aufwand hergestellt werden. Es ist bei der Auswahl abzuschätzen, ob Erweiterungen unter Einbeziehung anderer Fabrikate geplant sind. Wenn ja, sollten nur DDC, die mit offenen nach Standard

Bild 4.7: Ebenenaufteilung einer Gebäudeautomation nach [97]

13

aufgebauten Systemen auf Automationsebene arbeiten, eingesetzt werden. Obwohl sie zur Zeit noch teurer sind, ist eine weite Verbreitung abzusehen und durch den vielfachen Einsatz auch mit Preisreduktionen zu rechnen. Für den Wohnungsbau ist der Installationsbus KNX/EIB (Konnex Association/Europäischer Installationsbus) als herstellerübergreifendes Bussystem verbreitet und wird speziell durch die elektrotechnischen Installateure aufgrund der einheitlichen, herstellerübergreifenden Software und der Herstellervielfalt favorisiert. Auf der Automationsebene der Heizungsund Klimatechnik wird häufig das Local Operating Network (LON) als herstellerübergreifendes Bussystem benutzt, da es für Automatisierungsaufgaben der Steuer- und Regeltechnik speziell entwickelt wurde. Ankopplung an das KNX/EIB-System ist möglich. Moderne Funksysteme eignen sich zur Ergänzung oder zur Nachrüstung besonders gut, wenn keine neuen Kabel gezogen werden sollen oder können. Die meisten Funksysteme sind jedoch nicht miteinander kompatibel. Einige wenige erfüllen die EN 50090 als den weltweit ersten offenen Standard für die Haus- und Gebäudeautomatisierung, der sowohl Draht / TP 14, Powerline 15 und Funksysteme umfasst. Bei drahtlosen Systemen muss auf die entsprechende Verschlüsselung der Daten geachtet werden, damit kein Missbrauch durch Dritte möglich ist. [103] [104]

13

Feldbus ist ein industrielles Datenübertragungssystem, das eine Vielzahl von Geräten in der Feldebene mit den Steuerungsgerätenverbindet. Es ersetzt die herkömmliche Installationstechnik. DDC Device ist eine – dem Computer ähnliche – elektronische und programmierbare Baugruppe, die für die Steuerungs- und Regelungsaufgaben in der Gebäudeautomatisierung eingesetzt wird.

14

TP (twisted pair) ist ein zweiadriges , gegeneinander verdrilltes, Kupferkabel zur Datenübertragung.

15

Powerline bedeutet die Datenübertragung über das Stromnetz.

77

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

4.5.2.3 Managementebene (Stör- und Meldungsüberwachung, Betriebsführung) Die Managementebene ist die Ebene, mit deren Hilfe die Anlagen überwacht, gesteuert und für den Betreiber visuell dargestellt werden. In der Managementebene kommt spezielle Software, die Gebäudeleittechnik, zum Einsatz. [97]

Es gibt diverse herstellerabhängige Systeme, die ihre Vor- und Nachteile haben. Die Entwicklung neuer Anzeige- und Visualisierungstechniken wird einen immer besseren Überblick über die Gesamtsysteme gestatten. Die Verknüpfung mit Bildsystemen im Hause werden auch Personen ohne Kenntnis der Haustechnik durch Visualisierung in die Lage versetzen, die passende Parametrisierung vorzunehmen. [103]

4.5.3 Steuersysteme Die einfachsten Steuerungssysteme sind die durch Wandschalter zu bedienenden Beleuchtungsanlagen und Rollos, bei denen lediglich die Energieversorgung abgeschaltet oder zugeschaltet wird. Um eine bessere Funktionalität zu erreichen und den Komfort zu steigern, können z. B. die Möglichkeiten des KNX/EIB genutzt werden. Bei der EIB-Technik, die 1992 eingeführt wurde, werden zwei Leitungsnetze, das Stromnetz zur Stromversorgung mit 230 V Wechselspannung und das Steuerungsnetz (=EIB-Netz) mit maximal 29 V Gleichspannung unabhängig voneinander bzw. parallel im Haus verlegt. Der Verbraucher wird über einen Aktor, der sich beispielsweise in der Steckdose befindet, mit der Stromversorgung verbunden. Wenn über die Datenleitung (Gleichspannung) der Befehl zum Einschalten des Verbrauchers empfangen wird, so wird die Stromversorgung (230V) durchgeschaltet. Falls es sich um einen Dimm-Aktor handelt,

kann das empfangene Befehlstelegramm die Stärke der einzustellenden Ausgangsspannung variieren. Die Befehle für die Aktoren können direkt von Sensoren (z.B. Schalter, Helligkeit, Temperatur, CO2Konzentration, Wind, Sonnenlicht, Bewegungsmelder) oder indirekt von einem Netzwerkcomputer kommen, der zeitabhängige Schaltungen oder programmierte Szenarien je nach Programmierung auslöst. Wo sich der anzusprechende Aktor und wo sich der steuernde Sensor befindet, ist beim Bussystem völlig egal. Entscheidend sind die programmierten Adressen in den BUS-Geräten. Daher sind Veränderungen ohne bauliche Maßnahmen leicht durch Programmierung möglich. Die Entwicklung zukünftiger Systeme wird in erster Linie in der Verkleinerung der Baugruppen und in der Verbesserung der Programmiermöglichkeiten liegen. Ein Übergang zur optischen Datenübertragung ist ebenfalls denkbar. [104] [105] [106] [107]

4.5.4 Heizungsregelung Die Regelung der Heizungsanlage erfolgt entsprechend der Parameter des Herstellers und gewährleistet dadurch eine sichere und störungsfreie Betriebsführung. Oft benutzen die Hersteller als Feldbus das Local Operating Network (LON) zur Steuerung, Regelung und Überwachung der Anlage. Zur bedarfsgerechten Heizung werden Sensoren im Freien abgefragt, die eine Anpassung der benötigten Heizleistung für das relativ träge Heizsystem entsprechend der Witterungslage rechtzeitig ermöglichen. 78

Über eine Schnittstelle ist eine Verbindung zum Bussystem der Gebäudeautomatisierung (z.B. EIB) vorhanden, die zur Parametrierung und Visualisierung der Heizungsanlage eingesetzt wird. Durch im Gebäude verteilte Sensoren können die Temperaturen in jedem Raum erfasst werden. Aktoren an den Heizkörpern oder an den entsprechenden Ventilen einer Fußbodenheizung gestatten die individuelle Temperatursteuerung jeden Raumes über das BUS-System. [103] [108]

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

4.5.5 Medienkommunikation In einem modernen Haushalt werden die Bereitstellung von externen Verbindungen wie Sprechfunk, Telefon, Fernsehen, Internet, Satellitenfunk u.a. erwartet. Durch die Installation eines Funknetzes z.B. WLAN (Wireless Local Area Network) ist es möglich an jedem beliebigen Ort im Haus eine Internetverbindung aufzubauen. Zur Realisierung einer zentralen Versorgung mit Fernsehen, Satellitenprogrammen und Video-, DVD-Unterhaltung im Haus ist der Aufbau einer schnellen Ethernet-Kabelverbindung 16 im Giga- Bit- Bereich erforderlich, die mit Unterstützung zentraler Rechentechnik diese Angebote an jede im Haus befindliche Empfangsanlage verteilen kann. Die Auswahl der gewünschten Medien kann am jeweiligen Ort durch das Gebäude-Steuerungssystem am PDA über Funk realisiert werden. Diese ver-

teilten Informationsangebote gestatten auch weitere Automatisierungsfunktionen wie z. B. die selbstständige Bestellung von Lebensmitteln bei einem Unterschreiten des vordefinierten Minimums über Internetshops vom Kühlschrank aus, die Abfrage gewünschter Kochrezepte und automatischer Bestellung der benötigten Zutaten und den zeitgesteuerten Start des Kaffeeautomaten und Toasters mit Fertigmeldung am jeweils gewünschten Ort. Die Möglichkeiten sind hier manchmal größer als der Bedarf. Viele dieser Funktionen werden zukünftig sprachgesteuert sein, so dass Bedienterminals entfallen können. Das intelligente Haus der Zukunft wird dem Nutzer alle Wünsche von den Lippen ablesen können. [98]

4.5.6 Beleuchtungssysteme DALI ist der Nachfolger für die zur Zeit weit verbreitete analoge Regelung der Lichtleistung von Entladungslampen durch Änderung einer Gleichspannung (1-10 V Standard) am elektronischen Vorschaltgerät (EVG). Für die Gestaltung von Lichtspielen oder für bestimmte stimmungsvolle Beleuchtungen bietet das Digital Adressable Lighting Interface (DALI) die Voraussetzungen. Es ist ein Steuerprotokoll zur Steuerung digitaler, lichttechnischer Betriebsgeräte in Gebäuden (z.B. Transformatoren, Vorschaltgeräte (EVG’s), Leistungsdimmer, etc.). Jedes Betriebsgerät, das über eine DALI- Schnittstelle verfügt, kann über DALI- Kurzadressen einzeln angesteuert werden. Durch einen bidirektionalen Datenaustausch kann ein DALI-

Steuergerät den Status einer Leuchte abfragen bzw. den Zustand verändern. In Verbindung mit entsprechenden Lichtsensoren sind damit tageslichtabhängige Regelungen realisierbar, die in Verbindung mit Anwesenheitssensoren für eine energiesparende Beleuchtung der Wohnung sorgen. Eingangsbeleuchtungen, die mit Hilfe von Tageslicht- und Bewegungsmeldern selbsttätig ein- und ausschalten, können mit dem Sicherheitssystem korrespondieren und bei Erkennung der Person eine Türöffnung Auslösen bzw. eine Überwachungskamera starten. Veränderungen sind durch die digitale Programmierung leicht durchführbar und können mit in das GLT- System integriert werden. [106] [107] [108]

4.5.7 Sicherheitssysteme 16

Die Sicherheitstechnik mit der Zutrittsregelung, der Videoüberwachung gefährdeter Bereiche, Anwesenheitsdetektoren, Brand- bzw. Glasbruchmeldern und an-

derer Sensoren lässt sich in das Gesamtsystem einpassen und gestattet dadurch eine hohe Funktionalität und Flexibilität. Die Signale der Sicherheitsanlagen kön-

Ethernet ist ein Standard für kabelgebundene Datenübertragungstechnik für lokale Datennetze (LAN) und umfasst u.a. Festlegungen für Kabeltypen.

79

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

nen bei nicht zu hohen Anforderungen (Datenübertragung wie z.B. Video) über das Bussystem der Gebäudeautomation mit übertragen werden und gestatten somit eine einfache Einbeziehung in die vorhandene Visualisierung der Hausdaten. Gefährdete Bereiche werden parallel auf gesonderten Datenwegen digital codiert übertragen und somit der Manipulation durch Unbefugte weitgehend verhindert.

Die Entwicklung der drahtlosen Technik wird auch bei den Sicherheitssystemen zu höherer Flexibilität führen. Komplizierte Verschlüsselungsalgorithmen gewährleisten eine abhörsichere Verbindung zwischen den einzelnen Komponenten. Durch Eigendiagnoseprogramme können Ausfälle und Störungen schnell lokalisiert und beseitigt werden. [106] [108]

4.5.8 Welche neuen Möglichkeiten bietet die Gebäudeautomation (GA)? - Die Beleuchtung kann bedarfs-, tageszeit- bzw. jahreszeit- und bewegungsabhängig geschaltet bzw. gedimmt werden. - Heizung, Lüftungs- und/oder Klimaanlage werden bedarfs- und zeitgerecht gesteuert. - Verschattungseinrichtungen werden in Abhängigkeit von Sonnenlicht und Windzeit bedarfsgerecht ausgerichtet. - Die Überwachung von Fenster- und Türkontakten sowie von Bewegungsmeldern erhöht die Sicherheit, - Zutrittskontrollsysteme sind realisierbar und flexibel veränderbar.

- Alle Steuerungsvorgänge im Gebäude können zentral erfasst und angezeigt werden. - Schalten bzw. Dimmen von Beleuchtungskörpern erfolgt mit Funk- oder Infrarotfernbedienung. - Fernüberwachung und Fernsteuerung über das Telefonnetz oder über das Internet (Fernwirken) bei Abwesenheit sind möglich. - Vebrauchsdatenerfassung von Wärmezählern, Wasserzählern, Gaszählern und Stromzählern erfolgt zentral und kann leicht ausgewertet werden. [97] [105] [106] [109]

4.5.9 Welche Vorteile ergeben sich durch Nutzung einer Gebäudeautomation? - Energieverbrauchsreduktion durch intelligente Regelung der Anlagensysteme, - Komfortgewinn durch intelligente Steuerung: z.B. kann auf einen Tastendruck eine vordefinierte Beleuchtungssituation hergestellt werden, anstatt das mehrere Lampen einzeln geschaltet oder gedimmt werden müssen, oder durch logische Verknüpfungen von Schaltzuständen können alternativ definierte Aktionen ausgelöst werden,

80

- Anwesenheitssimulation zum Schutz gegen Einbrüche, - Sicherheit für die Bewohner durch Alarmierung beim Auftreten von kritischen Situationen auch außerhalb des Gebäudes möglich (Polizeinotruf, Feuerwehralarm) und - zentrale Überwachungsmöglichkeit der Anlagen mit automatischer Alarmweiterleitung an Reparaturstützpunkte oder anderes technisches Personal. [97] [105] [110] [105]

Technische Gebäudeausrüstung - Gebäudeausrüstung

4.5.10 Mit welchen Nachteilen muss man rechnen? - Auf den ersten Blick entstehen höhere Anschaffungskosten im Vergleich zur normalen Gebäudeinstallation. Jedoch sind die Betriebskosten des Gebäudes durch die Energieeinsparungen geringer. Zum anderen sind viele Komfortfunktionen mit herkömmlicher Gebäudeinstallation gar nicht realisierbar oder viel teurer. - Die Komplexität der Anlagen erfordert teilweise qualifiziertes Personal zur Nachjustierung, Wartung und Reparatur. - Abhängigkeit vom Installateur bzw. Hersteller (DDC Hersteller) der Anlagen, da eine Erweiterung, Umbau oder Reparatur meist die Kenntnisse des ersten Installateurs erfordern und der Kauf neuer oder zusätzlicher Ge-

räte beim gleichen Hersteller erfolgen muss. Es ist daher darauf zu achten, dass sämtliche Unterlagen incl. der aktuellen Programme in den DDC´s bei Fertigstellung übergeben werden, so dass die nachträgliche Erweiterung der Anlagen nicht unbedingt durch den Errichter erfolgen muss. - Bei Verwendung von Bussystemen mit zertifizierten Produkten (KNX/EIB, LONmark) ist in der Regel eine Austauschbarkeit der Komponenten gewährleistet. Durch die große Herstellervielfalt ergeben sich mitunter neue Möglichkeiten der Anlagengestaltung und es können die preiswertesten Angebote ausgesucht werden. [97]

4.5.11 Sinnvoller Einsatz im Ein- und Zweifamilienhausbereich – Tendenz für die Zukunft Die Entscheidung, ob der Einbau in einem Ein- oder Zweifamilienhaushalt sinnvoll ist, hängt von den Forderungen und Wünschen des Nutzers ab [98]. Die neuen Möglichkeiten der GLT sind besonders auch für Gruppen von Menschen interessant, die z.B. unter körperlichen Behinderungen leiden, die sie in ihrer Beweglichkeit einschränken. Durch das Bussystem ist der Aufwand für die zusätzliche Installation von automatischen Türöffneranlagen, Visualisierung von schlecht zu erreichenden Bereichen, Warnung bei beliebigen Ereignissen relativ klein. Notrufsysteme und automatische Benachrichtigung von Hilfspersonen sind unkompliziert im gesamten Haus auslösbar. Durch die Visualisierung aller relevanten Daten auf Displays ist für die Korrektur von Heizparametern oder Ähnlichem keine umständliche VorOrt-Einstellung erforderlich. Der Vorteil des Bussystems ist es – ohne großen baulichen Aufwand – neue Nutzerforderungen, die nach der Planung bekannt werden, noch integrieren zu können. Dies wird bei Menschen mit Behinderung, auf Grund der unbestimmten Gesundheitsentwicklung, besonders hilfreich sein.

Die neue Technik bietet viele Funktionen, die mit der traditionellen Installation nicht oder nur sehr umständlich zu realisieren sind. Werden keine derartigen Komfortwünsche gestellt, so ist eine traditionelle Technik die preiswertere, wenn auch nicht zukunftssichere Variante. Je höher die Ansprüche an Flexibilität und Automatisierung gestellt werden, desto sinnvoller ist die moderne Technik mit ihren vielen neuen Möglichkeiten. Einzelne Firmen bieten Musterlösungen an, die als Komplettlösungen für schlüsselfertige Häuser – abgestimmt auf die speziellen Wünsche des späteren Nutzers – in der neuen Technik realisiert werden. Ein Zusammenwirken der verschiedenen Gewerke während der Planungsphase und Bauphase ist notwendig, um die gewünschte Komplexität der Lösung zu erreichen. Ziel ist es, mit einem zentralen visuellen System alle Funktionen der unterschiedlichsten Geräte und Anlagen einfach bedienen zu können, zukünftig bestimmt auch sprachgesteuert und Stimmenkodiert.

81

Ausblick - Forschungsansätze

Herstellerunabhängigkeit / offene Systeme Voraussetzung für die komplexe Bedienung und Kontrolle aller Geräte durch die Gebäudeleittechnik ist, dass die Datentelegramme auf den Busleitungen richtig interpretiert werden. Viele Hersteller benutzen eigene – für ihre Technik optimierte – Telegrammstrukturen, die von Geräten anderer Hersteller nicht verstanden werden. Soll ein solches System erweitert werden, so ist der Bauherr auf den Hersteller der Alt-Anlage festgelegt. Möchte er neue Fabrikate eines anderen Herstellers einsetzen, so benötigt er ein so genanntes „Gateway“. Dieses Gerät übersetzt die Protokolle der unterschiedlichen Herstellergeräte, so dass diese von dem jeweils anderen Herstellergerät

5

Ausblick und weiterführende Forschungsansätze für neue Entwicklungen im Bereich Wohnungsbau

5.1

Ausblick

Die dargestellten technologischen Neuerungen stellen den derzeitigen Stand der Entwicklung dar. Es hat sich im Verlauf der Untersuchung deutlich gezeigt, dass hier in den nächsten Jahren weitere Entwicklungen zu erwarten sind. Die neuen Produkte und Bausteine werden heute noch primär bei öffentlichen Gebäuden

5.2

und größeren Bauprojekten eingesetzt. Man kann davon ausgehen, dass – zu dem Zeitpunkt da verwertbare Langzeitergebnisse vorliegen und die Herstellung vieler Produkte kostengünstiger wird – die Relevanz sowie die Einsatzmöglichkeiten für den Wohnungsbau steigen.

Forschungsprojekte und Förderinitiaven

Das BMBF hat mit dem Forschungsprogramm „Bauen und Wohnen im 21. Jahrhundert“ ein ressortübergreifendes, interdisziplinäres Programm geschaffen, das die Entwicklung und Erprobung neuer Wege und Modelle für das Leben in unseren Städten und Regionen unter den Aspekten der Nachhaltigkeit und Zukunftsverträglichkeit unterstützt. Neben der Grundlagenforschung (Erarbeitung von Orientierungswissen), Beiträgen zum Wissenstransfer und den Verbundprojekten „Modelle für zukünftiges Wohnen in Stadt und Region“ und 82

interpretiert werden können. Besonders kompliziert und teuer wird es, wenn zusätzlich Geräte eines dritten Anbieters eingesetzt werden, da dann ein weiteres Gateway erforderlich ist. Die Problemlösung liegt in der konsequenten Verwendung von Geräten, die dem Standard herstellerübergreifender Bussysteme (z.B. KNX/EIB oder LON) entsprechen. Diese Geräte sind leider meist etwas teurer, der Vorteil liegt jedoch bei der wesentlich flexibleren Handhabung bei Erweiterungen. Bei Wartung und Reparaturarbeiten ist trotzdem eine Hersteller-abhängigkeit gegeben, da beim Ersatz eines gestörten Gerätes in der Regel auf den gleichen Hersteller zurückgegriffen werden muss. [97]

„Bauforschung und -technik für die nachhaltige Stadt- und Raumentwicklung“ ist ein weiterer Schwerpunkt mit dem dritten Verbundprojekt „Bauforschung und -technik im Wohnungsbau“ mit dem Ziel der Erhöhung der Qualität und Lebensdauer von Bauwerken gesetzt worden. Darüber hinaus gibt es in diesem Bereich Forschungsthemen, die sich mit Verbesserungen des Planungsprozesses, der Bauorganisation und einem effizienteren Bauablauf mit Hilfe von modernen Technologien befassen.

Literatur- und Bildnachweis

6

Literatur- und Bildnachweis

Kap. 2.1 [1] Wärmepumpe, Lüftung und Heizungen mit Erdwärme. URL: http://www.effiziento.de/erdwaermepumpe.html [Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007]. [2]

Wuppertal Institut für Klima-Umwelt-Energie, Planungsbüro Schmitz, Aachen: Energiegerechtes Bauen und Modernisieren, Bundesarchitektenkammer, Birkhäuser Verlag, 1996.

[3]

Fisch, N., Kühl, L. (IGS, TU Braunschweig): Integrale Gebäudeplanung. URL: ftp://www.igs.bau.tu-bs.de/pub/Publikationen/IGS_FKS_15_Num.pdf [Datum des letzten Zugriffs: 03.07.2006].

[4]

Informationsblatt 5.2: Energiekennwerte und Energieausweis, Kompetenzzentrum „Kostengünstig qualitätsbewusst Bauen“ im IEMB (e. V.) an der TUBerlin, 2006.

Kap. 2.2 – 2.2.3 [5] Bauphysik Kalender, hrsg. von Univ.-Prof. Dr. Erich Cziesilski. 5. Auflage, Ernst&Sohn, 2005. [6]

Güte- und Prüfbestimmungen für die Planung und Bauausführung von Häusern in Niedrigenergiebauweise. Gütegemeinschaft Niedrigenergie-Häuser e.V., Detmold 2002. URL: http://www.guetezeichen-neh.de/Downloads/downloads.html [Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007].

[7]

Ein- und Mehrfamilienhäuser in Niedrigenergiebauart richtig bauen – richtig nutzen. Herausgegeben vom Niedersächsischen Ministerium für Frauen, Arbeit und Soziales, Hannover 1999.

[8]

Niedrigenergiehäuser. Information für Bauinteressenten und Planer. Ministerium der Finanzen Rheinland Pfalz, Mainz 2002. URL: http://www.fm.rlp.de/service/doc/bauen_und_wohnen/niedrigenergiehauser.pdf [Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007].

[9]

proKlima – Der enercity-fonds der Stadtwerke Hannover

[10]

Das Plusenergiehaus von Rolf Disch. URL: www.plusenergiehaus.de

[11]

Hinz, E.: Projekt „Niedrigenergiehaus im Bestand“ – 2. Projektwelle „Moder nisierungsvarianten für Gebäude mit zentraler Erdgasversorgung“ – Kurzbericht. BGW/ IWU. 2005.

[12]

Internetpräsentation des Passivhaus Institutes Darmstadt: www.passiv.de

[13] Wissensdatenbank der dena – Niedrigenergiehaus im Bestand. Hierzu: Anton, H. – Wärmebrücken, 2005. Kap.2.2.4 [14] Homepage Fachverband für Luftdichtheit im Bauwesen (flib). URL: www.flib.de [Datum des letzten Zugriffs: 31.01.2007].

83

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