Leitfaden für nachhaltiges Bauen

Der moderne Mensch verbringt die meiste Zeit seines Lebens in Gebäuden. Deshalb ist es unerlässlich einen angemessenen Komfort für den Innenraum von Wohn-, Arbeits-, Verwaltungsgebäuden und jeglichen Gebäuden mit sozialen Funktionen zu erreichen und gesundheitliche Gefahren auszuschließen.
Ziel des Leitfadens ist es, öffentlichen und privaten Konsumenten Hilfe, Unterstützung und einen Überblick über die möglichen planungsregel für nachhaltiges bauen zu geben, in denen Umwelt- und Klimaschutzaspekte maßgeblich berücksichtigt werden. Auf diese Weise soll dazu beigetragen werden, eine fundierte Entscheidung bezüglich der Auswahl des wirtschaftlichsten Angebotes zu ermöglichen, und gleichzeitig für die Nutzer gesundheitlich unbedenkliche Gebäude zu schaffen.

Behaglichkeit

Behaglichkeit

Übersicht

Behaglichkeit beschreibt ein Gefühl des Wohlbefindens, das von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst wird. Im Bereich der Gebäudetechnik ist damit in der Regel die termische Behaglichkeit gemeint. Sie bezeichnet einen Zustand, in dem sich die Wärmebilanz des Körpers im Gleichgewicht mit dem Umgebungsklima befindet, in dem der Nutzer es weder als zu warm noch als zu kalt empfindet. Thermische Behaglichkeit ist ein wichtiges Kriterium für die bestimmungsgemäße Nutzbarkeit eines Gebäudes. Die Aufenthaltsqualität in einem Gebäude hat vielfältige Auswirkungen auf die Konzentrations- und Leistungsfähigkeit sowie den Krankenstand.

Wohlbefinden und gesundes Raumklima

Abb. Faktoren des menschlichen Wohlbefinden
Abb. Faktoren des menschlichen Wohlbefinden

Gebäude sind als dritte Haut des Menschen ein wesentlicher Faktor für Lebensqualität und Gesundheit. Nur durch ein hohes Maß an Wohlbefinden
kann eine hohe Arbeitsqualität erzielt werden, können kreative Ideen und Prozesse entstehen oder der Körper kann regenerieren und heilen. Die damit verbundene mögliche hohe Leistungsfähigkeit des Menschen bezieht sich auf den Berufsalltag und auf den zwischenmenschlichen Umgang. Natürlich sind die Einflussgrößen auf das menschliche Wohlbefinden und seinem Biorhythmus sehr vielfältig. Einige Kriterien sind physikalisch messbare Größen, wie z.B. die Lufttemperatur. Andere Kriterien sind biologischer Natur, wie Gesundheit und Alter, oder die ethnisch unterschiedliche Erziehung. Das thermische Behaglichkeitsempfinden des Menschen wird durch die Wärmeflüsse seines Körpers bestimmt. Die im Organismus gebildete Wärme muss vollständig an die Umgebung abgegeben werden, um das thermische Gleichgewicht zu erhalten. Der menschliche Organismus besitzt die Fähigkeit, seine innere Kerntemperatur unabhängig von den Umgebungsbedingungen und bei unterschiedlichen körperlichen Aktivitäten innerhalb einer geringen Schwankungsbreite relativ konstant zu halten. Unter extremen Klimabedingungen kann der menschliche Regelkreis bei der Anpassung der Körpertemperatur überfordert werden, sodass diese sinkt oder ansteigt.

Abb. Raumklimatische BehaglichkeitskriterienAbb
Abb. Raumklimatische BehaglichkeitskriterienAbb

Die von Menschen in Räumen empfundene Behaglichkeit wird durch die unterschiedlichsten Einflüsse bestimmt. Die wichtigsten Behaglichkeitskriterien sind der Strahlungsaustausch zwischen Mensch und Raum, der Aktivitätsgrad der jeweiligen Person, der Wärmeleitwiderstand der Kleidung, die Raumlufttemperatur, die Luftgeschwindigkeit und ihre Turbulenz, die Luftfeuchtigkeit, die Farbgebung des Raumes, psychische Faktoren sowie Beleuchtung und Geräusche.

In einem Raum fühlt der Mensch sich behaglich ( bezogen auf die thermische Betrachtung ), wenn die momentane Wärmeabfuhr der momentanen Wärmeproduktion des Menschen entspricht. Der größte Teil der Wärmeabgabe des Menschen erfolgt durch Wärmeübergang, durch Konvektion und Strahlung ( rund 2 / 3 ). Ca. 37 % an Wärme werden durch Atmung und Verdunstung abgegeben. Günstige Behaglichkeitsbedingungen in einem Raum können nur über eine Betrachtung der Abhängigkeit von Lufttemperatur. Umfassungstemperatur der Oberflächen eines Raumes, der Luftgeschwindigkeit, der Luftfeuchtigkeit und dem Wärmeleitwiederstand der Kleidung angegeben werden.

Empfundene Temperaturen

Abb. Empfundene Temperaturen
Abb. Empfundene Temperaturen  

Die Temperatur ist die bestimmende Einflussgröße auf die individuelle thermische Behaglichkeit. Je nach Stimmungslage, Aufenthaltsdauer und Örtlichkeit wird die Situation von derselben Person unterschiedlich bewertet. So kann eine direkte Besonnung des Körpers beim Entspannen im eigenen Wohnzimmer als angenehm empfunden werden, in Stresssituationen jedoch führt diese Wärmezufuhr zu Unbehagen. Der Mensch fühlt eine Temperatur, die sich aus der angrenzenden Lufttemperatur, der einzelnen Temperaturen der umgebenden Oberflächen sowie aus einer möglichen direkten Besonnung zusammensetzt. Die so wahrgenommene Temperatur wird als Empfindungstemperatur bezeichnet. Für Räume mit längerer Aufenthaltsdauer wird als Kriterium die mittlere Empfindungstemperatur ohne direkte Besonnung verwendet. Diese wird vereinfachend als Mittelwert aus den vorhandenen Oberflächentemperaturen der inneren Umfassungsflächen und der Raumlufttemperatur bestimmt. Die Oberflächentemperaturen werden auch als Strahlungstemperaturen bezeichnet. Die Verhältnisse aus Strahlungstemperatur und Lufttemperatur können durch die wärmedämmenden Eigenschaften des Fassadensystem, durch die vorhandene Gebäudemasse sowie durch die eingesetzten technischen Anlagen verändert werden.

Raumluftfeuchte

Abb. Richtwerte für Raumtemeraturen und relative Luftfeuchte
Abb. Richtwerte für Raumtemeraturen und relative Luftfeuchte

Bei Umgebungstemperaturen von 20 bis 22 °C kann die relative Raumluftfeuchte zwischen 35 und 70 % schwanken, um als behaglich empfunden zu werden. In diesem Behaglichkeitsbereich steigt pro 10 % erhöhter Luftfeuchte die gefühlte Raumtemperatur des Menschen um 0,3 K. Ab 70 % relativer Feuchte besteht die Gefahr von Tauwasseranfall sowie einer vermehrten Schimmelpilzbildung an kalten Außenbauteilen, soweit sie über keinen guten Wärmeschutz verfügen. Ein Feuchtegehalt der Luft unter 35 % begünstigt demgegenüber die Staubentwicklung und fördet die elektrostatische Aufladung von Bauteilen, was insbesondere bei Fußböden und metallischen Berührungsflächen als unangenehm empfunden wird. Infolgedessen wird als Richtwert eine Raumluftfeuchte von 40 bis 60 % empfohlen.

Luftgeschwindigkeit

Abb. Richtwerte für die Auslegung der Abluftvolumenströme
Abb. Richtwerte für die Auslegung der Abluftvolumenströme

Eine lokale thermische Unbehaglichkeit wird vor allem dann empfunden, wenn der Energieumsatz des Körpers sehr gering ist. Dies ist meist bei sitzenden Tätigkeiten der Fall. Bei einem höheren Aktivitätsgrad, wie beim Gehen oder anderen körperlichen Tätigkeiten, ist das lokale Wärmeempfinden nicht so ausgeprägt. In diesem Fall ist die Gefahr von lokalem Unbehagen sehr viel geringer. Bei der Bewertung von Zugerscheinungen auf die thermische Behaglichkeit sind diese Voraussetzungen immer zuerst zu prüfen, bevor bauliche und technische Systeme dafür ausgelegt werden. Für sitzende Personen in Büro - , Wohn - , Schul - und Konferenzräumen ist die Zugluft die häufigste Ursache für eine lokale Unbehaglichkeit. Übermäßige Wärmeabstrahlung und Zugluft können zum einen passiv durch Kaltluftabfall an kalten Oberflächen ( z.B. bei schlecht gedämmten Wänden oder hohen Glasfassaden ) oder aktiv durch maschinelle und natürliche Lüftungssysteme hervorgerufen werden. Die Wirkung ist in beiden Fällen gleich: Es findet eine lokale Abkühlung des menschlichen Körpers statt, die durch die höhere Luftgeschwindigkeit und den dadurch höheren Wärmeübergang verursacht wird. Je nach Höhe der Luftgeschwindigkeit, der Fluktuation ( Turbulenz ) und der Lufttemperatur wird die Luftbewegung mehr oder weniger akzeptiert. So ist eine Luftbewegung im Winter mit einem kalten Luftstrom sehr schnell unbehaglich, während etwas wärmere Außenluft im Sommer über Fensterlüftung durchaus wohltuend sein kann, da dadurch die Wärmeabfuhr des Körpers positiv unterstützt wird.

Bekleidung und Aktivitätsgrad

Abb. Aktivitätsgrade des Menschen
Abb. Aktivitätsgrade des Menschen

Bei körperlicher Anstrengung erhöht sich der Energieumsatz im menschlichen Körper und damit das Bedürfnis, Wärme an die Umgebung abzugeben. Bei geringer Bewegung wird wenig Energie umgesetzt, und die Wärmeabgabe darf nicht zu groß sein. Der Aktivitätsgrad des Nutzers hat daher ebenfalls maßgeblichen Einfluss auf das Behaglichkeitsempfinden. Die als behaglich empfunden Temperaturen sind umso höher, je niedriger der Aktivitätsgrad ist. Zudem akzeptieren Menschen bei geringer körperlicher Aktivität ( z.B. ruhige, sitzende Schreibtischtätigkeit ) in der Regel weniger Abweichungen von der „ idealen Temperatur “ als bei erhöhter Aktivität ( Sport, körperliche Arbeit usw. ). Unabhängig von der körperlichen Aktivität, beeinflusst die Bekleidung die Wärmeabgabe und damit die Wärmebilanz des Körpers. Je geringer der Bekleidungsgrad, desto größer die Wärmeabgabe des menschlichen Körpers an die Luft und an die umgebenden Oberflächen. So werden in Barfuß oder Nacktbereichen ( z.B. in Duschen oder Saunalandschaften ) häufig erhöhte Lufttemperaturen und zusätzlich warme Oberflächen ( z.B. Fußbodenheizung ) vorgesehen, um Unbehaglichkeiten zu vermeiden. Umgekehrt nimmt mit steigendem Bekleidungsgrad die Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Umgebungsklimas aufgrund der Isolationswirkung der Kleidung ab. Die Fähigkeit des menschlichen Körpers, sich kurz, mittel - oder langfristig an bestimmte Klimasituationen ( z.B. Hitzeperioden ) zu gewöhnen, bezeichnet man als Adaption bzw. Akklimatisation.

Visueller Komfort

Abb. Richtwerte für Beleuchtungsstärken
Abb. Richtwerte für Beleuchtungsstärken

Visuelle Raumwahrnehmung erzeugt über die Unverwechselbarkeit der Gestaltung die Bildung einer Identität. Sind die für den Benutzer notwendigen Informationen übersichtlich verfügbar, erhöhen sich Wohlbefinden, Orientierungsfähigkeit, Sicherheitsgefühl und Produktivität. Doch auch physikalische Rahmenbedingungen des Sehens tragen maßgeblich zum Wohlbefinden bei. Das menschliche Auge nimmt die elektromagnetische Strahlung des Sonnenlichts in einem Wellenlängenbereich von ca. 380 nm ( violettes Licht ) bis etwa 780 nm ( rotes Licht ) wahr. Vor allem der Visuelle Cotrex im Gehirn verarbeitet die vom Auge stammenden Erregungsmuster nachfolgend zur Empfindung von Licht und Farbe. Optimaler Sehkomfort für Arbeitsbereiche besteht, wenn die Leuchtdichteverhältnisse der Arbeitsplatzumgebung ( Umfeldleuchtendichte ) auf die jeweilige Sehaufgabe ( Infeldleuchtendichte ) abgestimmt sind. Dies lässt sich prinzipiell durch Tageslicht, künstliche Beleuchtung oder eine Kombination beider Lichtquellen erreichen. Allerdings erzeugt natürliches Tageslicht komfortablere Bedingungen, da es alle Spektralfarben umfasst.

Akustik

Äußere und Innere Lärmquellen
Abb. Äußere (links) und innere (rechts) Lärmquellen 

Akustische Einflüsse werden vom Menschen meist nur unbewusst wahrgenommen. Körperliches und geistiges Wohlbefinden können mitunter ganz erheblich von der Geräuschart und -menge abhängen, der eine Person ausgesetzt ist. Äußere Lärmquellen, die Einfluss auf Konzentration bzw. Arbeitsleistung, Kommunikation oder erforderliche Ruhe haben, sind vor allem durch den Verkehr bedingt. Dabei wird zwischen einem kontinuierlich vorhandenen Lärmpegel ( Straße ) und einem kurzzeitigen Lärmpegel ( Flugzeug, Zug ) unterschieden. Bei gleichmäßigen Quellen lassen sich zusätzliche bauliche Maßnahmen, wie Schallschutzschilde und Doppelfassaden, in das Gesamtkonzept integrieren. Innere Lärmquellen entstehen durch Personen, technische Installationen oder sonstige Geräte. Dabei muss unterschieden werden, ob eine nahezu vollständige Unterbindung der Schallübertragung erforderlich wird oder ob nur die Verständlichkeit von Gesprächen verhindert werden soll. Ein hoher akustischer Komfort ist dann gegeben, wenn Schalleinflüsse auf den eigenen Nutzbereich minimiert und die Sprachverständlichkeit innerhalb des Nutzbereichs erhöht werden. Dies betrifft alle Arten von Nutzungen. Die Anforderungen an die Materialien sind jedoch unterschiedlich. Bei der Vielzahl schallharter Ausbaumaterialien ist es immer häufiger erforderlich, den Nachhall in den Räumen durch akustisch wirksame Vorsatzschalen, wie abgehängte Decken, zu verringern.

Luftqualität

Abb. Empfohlene Luftwechselzahl LW
Abb. Empfohlene Luftwechselzahl LW

Zur Sicherung einer hygienischen Luftqualität im Innern eines Gebäudes ist es erforderlich, die Raumluft in bestimmten Zeiträumen auszutauschen, also verbrauchte Luft und Schadstoffe abzuführen und durch Frischluft zu ersetzen. Diese Aufgabe erfüllen in der Regel öffenbare Fenster, aber oftmals auch mechanische Lüftungsanlagen. Wie häufig die Luft in einem Raum ausgetauscht werden muss, um eine gesunde Raumluft zu gewährleisten, ist vor allem in Abhängigkeit von der jeweiligen Nutzung eines Raumes zu sehen. Die erforderliche Menge der dem Raum zuzuführenden frischen Außenluft pro Zeiteinheit, der sogenannte Außenluft - Volumenstrom V ( meist angegeben in m³ / h ) sollte besser in Abhängigkeit der zu erwartenden Schadstoffbelastung durch Personen und sonstigen Emissionen berechnet werden. Aus dem so ermittelten Volumenstrom und dem Raumvolumen kann eine Luftwechselrate als zusätzliche Planungsgröße berechnet werden. In Räumen, deren Luft nicht wesentlich durch Schadstoffemissionen von Baustoffen oder besonderen Nutzungen belastet ist, ist in der Regel der Personenbezug maßgebend. Als Frischluftbedarf eines Menschen gilt ein Luftaustausch, bei dem die empfohlene Obergrenze für die CO2- Konzentration in der Raumluft nicht überschritten wird. Der erforderliche Außenluftvolumenstrom hängt also von der Nutzungsart, der zu erwartenden Schadstoffbelastung des Raumes und von der Anzahl der Peronen im Raum ab.

Gebäude

Gebäude

Übersicht

Der Temperaturtausch zwischen dem Gebäudeinneren und der Umgebung wird von der Form des Gebäudes beeinflusst. Unter anderem die Ausrichtung des Gebäudes ist bestimmend für die Möglichkeit, Wärmegewinne aus der Sonneneinstrahlung zu realisieren. Diese Wärmegewinne sind im Winterfall willkommen, im Sommer aber meist nicht erwünscht ( Überhitzung ). Die Gebäudeorganisation kann zu einem Temperaturausgleich unterschiedlich temperierter nebeneinanderliegender Räume führen, sie bietet aber auch die Möglichkeit, die Innenraumtemperatur im Verhältnis zum Tempertur oder Strahlungsangebot der Umgebung zu optimieren.

Klima

klima

Das Klima gibt den mittleren Zustand der Atmosphäre für größere Gebiete der Erde wieder. Das über lange Messreihen beobachtete komplexe Wettergeschehen wird in für diese Gebiete typische Jahresverläufe umgesetzt. Damit ist das Klima der charakteristische periodische jährlich wiederkehrende Ablauf des Wetters eines Gebietes, also eine Funktion des Ortes. Es beeinflusst den Gebäudeentwurf, liefert die Basiswerte für das Bemessen einer raumtechnischer Anlagen und bestimmt damit wesentlich deren Investitionskosten.

Das Klima wird in drei Maßstäbe gegliedert:

  • das Mikro bzw. Kleinklima
  • das Mesoklima, auch Lokalklima genannt
  • das Makro bzw. Großklima.

Klimafaktoren / Klimaelemente

Abb. Einflußfaktoren des Außenklimas
Abb. Einflußfaktoren des Außenklimas

Die klimabestimmenden Prozesse und Zustände eines Ortes bezeichnet man als Klimafaktoren. Hierzu zählen die geografische Breite ( z.B. Sonneneinstrahlung ), Lage zum Meer ( z.B. Niederschläge, geringere Temperaturschwankungen in Meereshöhe ), Höhenlage bzw. Lage zu Gebirgen ( Temperaturabnahme mit zunehmender Höhe, Niederschläge in Abhängigkeit von Wind zu- und abgewandter Seite ) sowie Bodenbedeckung ( z.B. niedrige Temeraturen in Waldgebiten, höhere in Städten ). Klimaelemente hingegen stellen meteorologische Größen dar, die messbare Eigenschaften des Klimasystems kennzeichnen. Folgende Elemente sind bei der Konzeption von Gebäuden von zentraler Bedeutung : - Sonnenstrahlung ( direkt und diffus ), - Lufttemperatur und ihre tages -bzw. jahreszeitliche Schwankung, - Luftdruck, - Luftfeuchtigkeit, - Wind ( Stärke und Richtung ), - Niederschlag ( Menge und zeitliches Auftreten ), - Verdunstung. Die Klimafaktoren beeinflussen somit das tägliche Wetter, dessen Ausprägung sich durch messbare Klimaelemente bestimmen lässt. Über 30 bis 40 Jahre betrachtet, bilden die Durchschnittswerte dieser Messgrößen das Klima ab.

Klimazonen

Abb. Klimazonen der Erde
Abb. Klimazonen der Erde

Infolge der Kugelform der Erde und der daraus sich ergebenden unterschiedlichen Einfallwinkel der Sonnenstrahlung sowie der geneigten Erdachse sind auf der Erde stark unterschiedliche Temperaturen zu verzeichnen. Zudem bestimmt die Planetenrotation als zentraler Wirkungskomplex sowohl die Wetterdynamik der Erdatmosphäre als auch die Klimazonen. Die Vielzahl der vorhandenen Klimaklassifikationen basiert entweder auf den globalen Windzirkulationssystemen oder leitet sich von den Wirkungen auf die Erdoberfläche ab. Am verbreitesten ist die „ ökoklimatische Klassifikation “ aus dem Jahr 1923. Sie unterteilt die Erde anhand bestimmter meteorologischer Größen ( z.B. Temperatur, Niederschläge ) in vier unterschiedlichen Klimazonen : - Polarzone ( kalt ), - gemäßigte Zone ( gemäßigt ), - Subtropen ( trocken - heiß ), - Tropen ( feucht - warm ). Diese Zonen werden in weiteren Klimatypen ( z.B. Kalt - bzw. Warmtropen ) oder Vegetationszonen ( z.B. Tundra, Steppe oder tropischer Regenwald ) gegliedert. Von Nord nach Süd erstrecken sich o.g. vier Klimazonen in annähernd parallelen Gürteln um den Erdball. Mit zunehmender Entfernung vom Äguator bzw. vom nächsten Ozean verstärken sich die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen der jeweiligen Zonen.

Klimazone - Polarzone ( kalt ) - Klimaelemente:

Abb. Klimaelemente der Polarzone
Abb. Klimaelemente der Polarzone
  • geringe Sonneneinstrahlung, jahreszeitlich sehr niedrige Jahresdurchschnittstemperaturen ( 0 - 6 °C )
  • geringe tägliche Temperaturunterschiede ( Sommer : lange Helligkeit, Winter : anhaltende Dunkelheit )
  • hohe jähliche Temperaturunterschiede bei kontinentaler Lage ( Sibirien 45 - 60 K )
  • mittlere / niedrige jähriche Temperaturunterschiede bei meeresnaher Lage ( Island, Norwegen 11 - 15 K )
  • geringe relative Luftfeuchte besonders in den Wintermonaten
  • lange Frostperioden ( 5 - 9 Monate ), zum Teil Dauerfrost in den tieferen Bodenschichten
  • geringe Niederschlagsmengen ( ca. 250 mm / a in der Arktisrandzone )

Klimazone - gemäßigte Zone ( gemäßigt ) - Klimaelemente:

Abb. Klimazonen der gemäßigte Zone
Abb. Klimazonen der gemäßigte Zone
  • sehr unterschiedliche Sonnenstrahlungsitensität ( in Mitteleuropa hoher Anteil diffuser Strahlung bei häufiger Bewölkerung, in den Übergangsgebieten
  • zu den Tropen teilweise höhere direkte Strahlungsmengen )
  • hohe jährliche Temperaturunterschiede ( in Mitteleuropa durchnittlich ca. 18 - 20 K )
  • mittlere bis geringe tägliche Temperaturunterschiede ( in Mitteleuropa durchschnittlich ca. 6 - 8 K )
  • mittlere bis hohe relative Luftfeuchte ( in Mitteleuropa ca. 60 - 80 % )
  • mittlere Niederschlagsmengen ( in Mitteleuropa ca. 800 - 1000 mm pro Jahr, in den Übergangsgebieten zu den Tropen ca. 300 - 400 mm pro Jahr )

Klimazone - Subtropen ( trocken - heiß ) - Klimaelemente:

Abb. Klimazonen der Subtropen
Abb. Klimazonen der Subtropen
  • intensive direkte Sonneneinstrahlung
  • niedrige relative Luftfeuchte ( ca. 10 - 50 % )
  • sehr geringe durchnittliche Niederschlagsmengen ( ca. 0 - 250 mm pro Jahr ), jedoch seltene Regenfälle mit kurzzeitig hohen Niederschlagsmengen
  • hohe Lufttemperaturen am Tage ( Maximaltemperatur im Jahresdurchschnitt ca. 35 - 38 °C, Einzeltemperaturen in kontinentalen Wüstengebieten über 50 °C
  • mittlere, teilweise niedrige Lufttemperaturen während der Nacht ( minimaltemperaturen im Jahresdurchschnitt ca. 16 - 20 °C , Einzeltemperaturen bis zur Frostgrenze möglich )
  • hohe tägliche Temperaturschwankungen ( durchschnittlich 20 K )
  • unterschiedliche, teilweise starke Luftbewegung, in Wüstengebieten als Sand- und Staubstürme
  • geringe Bewölkerungsdichte, meist klarer Himmel, zeitweise hoher Staubanteil der Luft

Klimazone - Tropen ( feucht - warm ) - Klimaelemente:

Abb. Klimazonen der Tropen
  • bei wolkenlosem Himmel hohe, ansonsten meist durch Bewölkerung gemäßigte, direkte Sonnenstrahlung
  • hohe relative Luftfeuchte ( 60 - 100 % )
  • hohe Niederschlagsmengen ( 1200 - 2000 mm / a, im Extremfall bis 5000 mm / a )
  • geringere tägliche und jährliche Temperaturunterschiede ( Tagesmittel ca. 7 K, Jahresmittel : ca. 5 K )
  • höchste Tages - Lufttemperaturen im Jahresdurchschnitt ca. 30 °C
  • niedrigste Nacht - Lufttemperaturen im jahresdurchschnitt ca. 25 °C
  • hohe Bewölkerungshäufigkeit, d.h. hoher Anteil an diffuser Strahlung
  • niedriger Luftdruck
  • oft nur geringe Luftbewegung, bei Regenfällen jedoch zum tropischen Sturmböen
  • regionales Vorkommen tropischer Wirbelstürme ( Zyklone, Taifune, Hurrikans )

 

Gebäudeform

Abb. Transmissionswärmeverluste verschiedener Körper
Abb. Transmissionswärmeverluste verschiedener Körper 

Ein Gebäude steht über seine Hülle in Verbindung mit der Außenwelt. Die Größe der Wärme übertragenden, thermischen Hülle bestimmt somit auch die Menge an Wärme, die übertragen wird. Daher ist die Gebäudeform ein ganz wesentlicher Entwurfsparameter für die Energiebilanz eines Gebäudes. Die energetische Kenngröße für die Gebäudekubatur ist das sogenannte A / V - Verhältnis, also das Größenverhältnis zwischen Wärme übertragender Gebäudehüllfläche ( A ) und dem von ihr eingeschlossenen Gebäudevolumen ( V ). Beim Gebäudeentwurf sind in der Regel verschiedene Parameter wie Raumhöhen, Tageslichtversorgung in tiefen Räumen oder funktionale Zusammenhänge zu berücksichtigen, welche die energetischen Optimierungsmöglichkeiten der Kubatur einschränken. Grundsätzlich führen jedoch die Auflösung einer Bauaufgabe in mehrere voneinander getrennte Baukörper ( z.B. Einzelgebäude ) sowie die ausgeprägte Strukturierung von Grundrissen zu vergleichsweise großen Hüllflächen und somit ungünstigen energetischen Voraussetzungen. Energetisch besser sind daher kompakte Formen sowie eine möglichst geringe Anzahl von Baukörpern.

Gebäudeausrichtung

Abb. links: Solarer Jahresertrag in Abhängigkeit von der Einstrahlungsrichtung, Fensterorientierung 170 ° (SSO) _ Der solare Jahresgesamtertrag beträgt 255,9 kWh / m² Fensterfläche 
Abb. rechts: Solarer Jahresertrag in Abhängigkeit von der Einstrahlungsrichtung, Fensterorientierung 260° (WSW) _Der solare Jahresgesamtertrag beträgt 88,9 kWh / m² Fensterfläche Fensterorientierung 80° (ONO) _ Der solare Jahresgesamtertrag beträgt 42,9 kWh / m² Fensterfläche

Die Ausrichtung des Gebäudes beeinflusst seine Energiegewinne durch Sonneneinstrahlung und seine Energieverluste durch erhöhten Windeinfluss. Über die Ausrichtung und Zonierung eines Gebäudes können solare Gewinne zu Gunsten von Energieeinsparung und Behaglichkeit vorteilhaft genutzt werden. In einem Wohngebäude mit überwiegendem Heizwärmebedarf ( z.B. in Nordeuropa ) sollten die Räume mit den höchsten Temperaturanforderungen ( z.B. Wohnräume ) mit großen Glasflächen zur Sonne hin orientiert sein, um maximal von solaren Gewinnen profitiert zu können. Räume mit niedrigeren Temperaturen ( z.B. reine Schlafräume ) können von der Sonne abgewendet werden. Einen thermisch hoch belasteten Raum ( z.B. Besprechungsraum mit hoher Personenbelegungsdichte ) hingegen sollte man nach Möglichkeit von der Sonne abgewandet orientieren, um zusätzliche Überhitzung und eventuelle Kühllasten durch solare Einstrahlung zu vermeiden. Zonen mit untergeordneter Nutzung und geringeren Anforderungen an Temperaturen und Behaglichkeit ( z.B. Erschließungsbereiche) können zudem so um die Hauptnutzungsbereiche angeordnet werden, dass sie als Pufferzonen zwischen Innen - und Außenklima wirken.

Gebäudezonierung

Der Grundriss eines Gebäudes muss hinsichtlich einer optimalen Nutzung solarer Gewinne und der Minimierung von Wärmeverlusten zoniert werden. Ensprechend der Funktion des Raumes und seiner Anforderung sollte dieser in Grundriss postioniert werden. Im gemäßigten Klima Mitteleuropas sollten in Wohngebäuden z.B. Abstellräume, Treppenhäuser, Windfänge und nur temporär genutzte Räume nach Norden orientiert werden. Sie dienen als Puffer und reduzieren die Wärmeverluste über die unbessonte Nordseite. Schlafräume und Küchen nach Osten, Wohn und Kinderzimmer nach Süden oder Westen, um die Sonneneinstrahlung in Abhängigkeit von der Tageszeit zur Erwärmung des Gebäudes nutzen zu können, in anderen Klimazonen ( z.B. Wüstenklima ) führt die Sonneneinstrahlung eventuell zu einer Überhitzung des Gebäudes. Die Zonierung muss dementsprechend anders erfolgen. Die Haupträume sollten sich auf der sonnenabgewandten Seite befinden. Auch in der vertikalen Gliederung ergeben sich Möglichkeiten zur energieeffizienten Zonierung von Grundrissen. Über die gezielte Anordnung von Pufferzonen und in Abhängigkeit von der Ausrichtung, die Nutzung passiver solarer Gewinne kann der Gebäudeentwurf energetisch optimiert, aber auch architektonisch gestaltet werden. Dabei müssen immer die unterschiedlichen Jahres - sowie Tages und Nachzeiten berücksichtig werden.

Energiebilanzierung

Abb. Energiebedarf eines Gebäudes
Abb. Energiebedarf eines Gebäudes  

Die Energiebilanzierung dient der energetischen Bewertung von Gebäuden. Durch Berechnungen auf Basis einer Wärmebilanzierung wird der Wärme - bzw. Energiebedarf ermittelt und durch Messungen der Energieverbrauch bestimmt. Der Heizwärmebedarf wird im Wesentlichen durch Transmissionswärmeverluste, Lüftungswärmeverluste, als auch externe und interne Wärmegewinne beeinflusst. Unter Berücksichtigung von Verteilungs- und Umwandlungsverlusten im Gebäude lässt sich aus dem Heizwärmebedarf die Endenergie für die Raumheizung ermitteln. Diese wird sowohl für die Wärme als auch für den Strom als Hilfsenergie ausgewiesen. Die Endenergie kann über unterschiedliche Energieträger, wie z.B. Gas oder Öl, aber auch um regenerative Energien oder Nah - und Fernwärme bereitgestellt werden. Der Primärenergiebedarf liefert die Basis für die Beurteilung des Energieverbrauchs und damit verbundene Schadstoffemissionen. 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.

EnEV

Die Energieeinsparverordnung ( EnEV ) ist in Deutschland die nationale Rechtsnorm zur Verbesserung und Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden.
Die DIN V 18599 enhält die Rechenregeln zur Ermittlung des langfristigen Energiebedarfs für Gebäude und schätzt die Einsatzmöglichkeiten erneuerbarer Energie ab.

PRIMÄRENERGIEBEDARF

Die Primärenergiebedarf Qp ist die Summe der Energiemenge, die zur Deckung des Endenergiebedafts erforderlich ist, sowie der zusätzlichen Energiemenge, die bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung der jeweils eingesetzten Energieträger ( z.B. Erdöl, Erdgas, Kohle, Erdwärme ) eingesetzt wurde.

ENDENERGIEBEDARF

Der Endenergiebedarf Qe ist die Energiemenge, die zur Sicherung des Heizwärmebedarfs ( plus Verluste ) und der Warmwasserbereitung ( plus Verluste ) notwendig ist. Diese Energie ( z.B. Strom, Fernwärme, Heizöl ) wird an der Gebäudehülle übergeben und entspricht der Energiemenge, die der Verbraucher bezahlt. Für Pumpen, Regelung usw. benötigte Hilfsenergie wird mit einbezogen.

NUTZENERGIEBEDARF

Die Nutzenergiebedarf Qn ist die im Innenraum für Wärme, Licht oder Kälte benötigte Energiemenge. Sie wird durch Umwandlung von Endenergie erzeugt.

Gebäudehülle

Die Hülle eines Gebäudes definiert die Trennung zwischen innen und außen, sie prägt das äußere Erscheinungsbild des Bauwerks und kommuniziert mit ihrem Umfeld. In der Entwicklungsgeschichte der Gebäudehülle stehen daher gestaltprägende Merkmale wie Proportion, Materialität und kulturelle Bedeutungen im Vordergrund. Ihr funktionaler Nutzen besteht primär darin, das Bauwerk vor Wind, Niederschlag und Sonneneinstrahlung zu schützen. Mit zunehmenden Behaglichkeitsanforderungen übernimmt die Gebäudehülle jedoch auch eine komplexere klimaregulierende Funktion.

Wärmeschutz

Die Fassade eines Gebäudes stellt die Schnittstelle zwischen den äußeren und inneren Klimabedingungen dar. Während das Raumklima in ganzjährigen Aufenthaltsräumen sich in einem relativ engen Temperaturkorridor von 4 bis 8 K bewegt, kann das Außenklima je nach Standort durchaus einen Temperaturunterschied von bis zu 80 K aufweisen: So sind zum Beispiel in Chicago/ USA minimale Außenlufttemperaturen im Winter von –40 °C ebenso keine Seltenheit wie maximale Temperaturen von +40 °C im Sommer. In Mittel- und Nordeuropa wird ein
hoher Wärmeschutz vor allem aufgrund der längeren Winterperiode angestrebt. Die Mindestdämmstärken dienten vor allem dazu, bauphysikalische Schäden an Außenbauteilen zu vermeiden. Heutzutage orientieren sich die Dämmstärken vielmehr an folgende Kriterien:

  • Heizenergiebedarf
  • thermische Behaglichkeit durch hohe Innenoberflächentemperaturen
  • und ganzheitliche Wirtschaftlichkeit für das System Gebäudehülle und - technik.

Dass ein guter Wärmeschutz nicht nur für Länder mit einem lang anhaltenden, kühlen Außenklima sinnvoll ist, wird bei näherer Betrachtung schnell klar. In Süd europa besitzen die Gebäude häufig keine Heizung. Ein vertretbarer Raumkomfort ist daher nur mit erhöhtem Wärmeschutz möglich. Für Länder mit heißem Außenklima mit bis zu 50 °C, wie im Mittleren Osten, besteht nahezu derselbe Temperaturgradient von 25 bis 30 K zwischen Außen- und Innenklima wie in Deutschland – nur eben umgekehrt. Das Gebäude verliert keine Wärme nach außen, sondern gewinnt sie unweigerlich von außen. Um den thermischen Raumkomfort einzuhalten muss deshalb nicht geheizt, sondern gekühlt werden. Natürlich gibt es Klimazonen, in denen aufgrund des kontinentalen, gleichmäßigen Außenklimas keine hohen Anforderungen an den Wärmeschutz gestellt werden müssen. In Mittelafrika verläuft die Außentemperatur sehr gleichmäßig zwischen Tag und Nacht sowie zwischen Winter und Sommer mit 10 bis 30 °C. In solchen Regionen sollte jedoch ein Wärmeschutz, vor allem im Hinblick auf Feuchteschäden ( bei hohen Außenluftfeuchten ) sowie ein Schallschutz ( bei hohem Außenlärm ) vorgesehen werden.

Sonnenschutz

Die Sonneneinstrahlung in das Gebäude hat einen wesentlichen Einfluss auf den Energiebedarf. Der Sonnenschutz muss daher die entgegengesetzten Ziele maximaler solarer Einstrahlung bei kalter Witterung und Überhitzungsvermeidung bei warmem Wetter bestmöglich ausbalancieren können. Sonnenschutzmaßnahmen sind nach starren und flexiblen Maßnahmen zu unterscheiden. Die starren Maßnahmen wie Fenstergröße, Orientierung, bauliche Verschattung ( durch das eigene oder andere Gebäude, Vordächer, Bäume usw. ) und der Gesamtenergiedurchlassgrad des verwendeten Glases können jahres - noch tageszeitlich variiert werden, wodurch sich Nachteile gegenüber flexiblen Systemen ergeben. Flexible Maßnahmen ( Jalousien, Rollos usw. ) bieten die Möglichkeit, kurzfristig zu beeinflussen, wie viel Strahlung in den Raum gelangt. Damit kann der Heizwärmebedarf im Winter so weit wie möglich reduziert und gleichzeitig eine Raumüberhitzung ( bzw. Erhöhung des Kühlenergiebedarfs ) im Sommer vermieden werden. Flexible Systeme sind aus diesem Grund gegenüber starren Systemen zu bevorzugen.

Schallschutz

Primäre Aufgabe bei der Planung des Schallschutzes ist die Wahl einer schalldämmenden Konstruktion für geschlossene Bauteile. Dies betrifft sowohl die Gebäudehülle ( Schallschutz von außen ) als auch die Innenwände und -decken ( innerer Schallschutz ). Unter der Maßgabe des energieeffizienten Bauens müssen Bauteile mehrere Funktionen gleichzeitig übernehmen: Fassaden müssen an befahrenen Straßen den Schall auch dann abmindern, wenn die Räume über Öffnungsflügel belüftet werden sollen.

Die Stellung des Gebäudes bewirkten Schallschutz ist abhängig von den auftretenden Außenschallpegeln und den individuellen Ruhebansprüchen. Schallschutz gegen Außenlärm sollte dabei auch auf den Schallschutz innerhalb des Gebäudes abgestimmt sein. Denn wirksamer Schallschutz gegen Außenlärm kann zum Hervortreten von Lärmquellen innerhalb des Gebäude ( z.B. Installationsgeräusche, Wohnungsnachbarn ) führen. Schallschutzmängel innerhalb von Häusern und Wohnungen stellen also ein häufiges Problem dar. Bei der Grundrissgestaltung sollte daher möglichst eine konsequente Trennung in „ Ruhezonen “ und „ Lärmzonen “vorgenommen werden. Zu den Lärmzonen zählen Treppenräume, Küchen , Bäder und Toiletten. Hinsichtlich der Wohnräume lässt sich heutzutage meist keine konsequente Zuordnung zu bestimmten Nutzungen mehr voraussetzen. Entsprechend sollte jeder Wohnraum zu der Nachbarwohnung und zu den „ Lärmzonen “ möglichst optimal schallgeschützt, d.h. möglichst durch schwere, tragende Wände bzw. dazwischen angeordnete Flure getrennt sein. Um den Schallschutz zwischen verschiedenen Wohnungen auch in vertikaler Richtung zu gewährleisten, sind auch die Wohnungstrenndecken ausreichend schalldämmend auszuführen. Da Holzbalkendecken in der Regel wenig Masse besitzen, ist hier besonders auf gute Schalldämmung Wert zu legen. Geräuschbelästigungen durch Sanitäranlagen zählen zu den unangenehmen Störungen im Wohnhaus. Sie werden auch bei teilweiser Verdeckung durch andere Geräusche meist noch deutlich wahrgenommen. Bereits in der Phase der Bauplanung durch Stellung des Gebäudes für optimalen Schallschutz ist empfohlen auf folgende Paramter zu achten:

  • Wohn - und Schlafräume auf der lärmabgewandeten Seite zu planen
  • Schalldämmung der Fenster ist besonders wichtig, Mehrscheiben
  • Verglasungen sind vorteilhaft
  • Schalldämmung innerhalb der Wohnung ( Installationsgeräusche, Nachbarn ) bedenken.

Tageslicht

Tageslichtsysteme

Lichtlenkende Systeme können das Tageslichtangebot erheblich verbessern. Sie bewirken bei seitlicher Beleuchtung auch bei großer Raumtiefe eine gleichmäßige und erhöhte Tageslichtausbeute. Einige Systeme ermöglichen zudem bei sehr hohen oder engen Räumen ( z.B. Atrien ) die Lichtlenkung über Dachverglasungen. Die Vielzahl der unterschiedlichen Lösungen kann in Bezug auf ihre Veränderbarkeit in statische und regelbare Systeme unterteilt werden. Darüber hinaus unterscheidet man nach Einbausituation ( Dach, Oberlicht, Fenster und Brüstung ) sowie der Lage zur Verglasung ( außerhalb, im Scheibenzwischenraum oder raumseitig ). Das Funktionsspektrum der nachfolgend beschriebenen Lichtlenksysteme umfasst:

  • Lichtstreuung : Licht wird diffus in den Raum eingebracht und bewirkt eine gleichmäßige Ausleuchtung
  • Lichtlenkung : Über reflektierende Oberflächen wird Licht in die Raumtiefe gelenkt
  • Lichttransport : Über lichtleitende Elemente wird Licht in dunkle Außenbereiche oder fensterferne bzw. fensterlose Räume transportiert.

Tageslichtquotient

Der Tageslichtquotient ( TLQ ) dient dem Vergeich zwischen der horizontalen Beleuchtungsstärke E0 im Freien und der Beleuchtungsstärke
E1 im Rauminneren. Ein Tageslichtquotient von 10 % - also ein Zehntel der horizontalen Beleuchtungsstärke von draußen - wird als hell bis
sehr hell empfunden. Ein TLQ von unter 3 % gilt dagegen als nicht ausreichend.

Tageslichteinfall

Eine gute Ausleuchtung mit Tageslicht spart nicht nur Kunstlicht und damit Energie, sondern gewährleistet auch eine hohe Behaglichkeit
für die Nutzer. Die Zeitspanne, in der ausschließlich mit Tageslicht gearbeitet werden kann, ist allerdings begrenzt. Die Ausrichtung des Gebäudes
kann darauf großen Einfluss haben.

Tageslichtlenkung

Tageslichtlenkung dient zur Erhöhung des Tageslichtanteils an der Raumbeleuchtung. Über reflektierende Flächen wird Tageslicht an die
Raumdecke geleitet, von wo es diffus in die Tiefe des Raums fällt, ohne störende Blendung zu verursachen. Die äußere Form von lichtlenkenden
Elementen reicht von unauffälligen, speziell profilierten Rafflamellen bis zu großen, die Gestalt des Gebäudes prägenden Lichtschaufeln.
Tageslichtlenksysteme können mit direkter und indirekter Strahlung arbeiten.

Lichttransmissionsgrad τ

Der Lichttransmissionsgrad gibt den Prozentsatz des Tageslichts an, der durch die Verglasung fällt .

  • der Lichttransmissionsgrad beim Wärmeschutzglas 2 - fach = 0,6 - 0,7
  • der Lichttransmissionsgrad beim Wärmeschutzglas 3 - fach = 0,3 - 0,6
  • der Lichttransmissionsgrad beim Sonnenschutzglas = 0,3 - 0,6

Solarstrahlung

Für die passive und aktive Nutzung der Sonnenenergie stellt die Solarstrahlung
eine wesentliche Einflussgröße dar. Sie zeichnet sich durch die Eigenschaft aus
als Energiequelle, genauer als Wärmequelle für Gebäude dienen zu können. Die
Sonnenstrahlung kann immer dann merkliche Beiträge zur Wärmeversorgung
liefern, wenn sie ( z.B. durch Fenster ) ins Gebäudeinnere gelangt und dort absorbiert
wird.
Die solare Strahlung setzt sich aus zwei Komponenten zusammen, der diffusen
Himmelsstrahlung und der direkten, gerichteten Sonnenstrahlung.

Direkte Strahlung

Die direkte Strahlung erreicht den Erdboden nur, wenn keine Wolken den Strahlungsweg
behindern. Die Intensität der direkten Strahlung beträgt außerhalb
der Erdatmosphäre etwa 1365 W / m² und auf der Erdoberfläche bei trüber Atmosphäre
etwa 500 W / m², in hohen Gebirgslagen können bei klarer Atmosphäre
bis 1000 W / m² erreicht werden.

Diffuse Strahlung

Die diffuse Himmelstrahlung ensteht durch Streuung eines Teils der direkten
Sonnenstrahlung auf dem Weg durch die Atmosphäre an der Luft, an Schwebeteilchen
( Dunst ) und an Wolken. Die diffuse Strahlung trifft aus allen Richtungen
des Himmels - Halbraums auf die Erdoberfläche. Die gesamte diffuse
Einstrahlung auf der ( horizontalen ) Erdoberfläche beträgt maximal etwa 200
W / m².

Globalstrahlung

Die Überlagerung von diffuser und direkter Strahlung auf die horizontale Erdoberfläche
nennt man Globalstrahlung. Die Globalstrahlung kann bei klarer
Atmosphäre und hohem Sonnenstand etwa 1000 W / m² erreichen.

Fassade

Fassadenkonstruktionen haben sich in den vergangenen Jahrzehnten stark verändert. Heutige Fassaden werden für energieeffiziente Gebäude so konzipiert, dass sie neben den gestalterischen Aufgaben optimale Rahmenbedingungen für den Raumkomfort schaffen. Dabei müssen alle energiebezogenen Einzelthemen wie:

  • Wärme - , Sonnen - , Blend - und Schallschutz
  • Tageslichtlenkung
  • natürliche Lüftung
  • Luftdichtigkeit

zu einer funktionierenden Einheit zusammengeführt werden. Ziel ist es, den Bedarf für technische Anlagen durch bauliche Optimierung klein zu halten. Die Fassade ist eines der wichtigsten Bestandteile eines Gebäudes, aus diesem Grund muss bei der Planung von Anfang an darauf geachtet werden, dass die Fassadenkonzepte den Anforderungen an das Raumklima und der Nutzung entsprechen. Dies kann, was die energetischen Aspekte betrifft, durch eine thermische Gebäudesimulation, durch eine Strömungssimulation oder durch Laborversuche geklärt werden. Im weiteren Planungsverlauf muss die Fassade bis hin zum Maßstab 1 : 1 detailliert werden. Um die gestalterische Wirkung zu überprüfen, wird für größere Gebäude meist eine Musterfassade gebaut. Damit lässt sich der entstehende Gebäudeeindruck am besten bewerten. Anders als bei der Gebäudetechnik können Einzelelemente der Fassade im Betrieb weder gemessen, ausgetauscht noch optimiert werden. Aus diesem Grund ist es erforderlich, dass vor der Fassadenproduktion und - installation alle wesentlichen Eigenschaften nachgewiesen werden. Hierzu gehören Versuche zu:

  • Schlagregendichtigkeit
  • Luftdichtigkeit, elementweise
  • Klimabelastung
  • Stabilität von beweglichen Teilen
  • Gesamtenergiedurchlassgrad für Verglasung mit Sonnenschutz.

Gebäudetechnik

Das gesunde Raumklima ist ein wichtiges Thema in der Architektur, das weit über die rein technische Umsetzung von Heizung, Kühlung- und Lüftungsanlagen hinausgeht. Intelligente Entwürfe und ihre Umsetzung vernetzen Gebäudestruktur, Funktion und Technik zu einer ganzheitlichen Lösung, um auf diese Weise den Energiebedarf des Gebäudes zu reduzieren oder sogar komplett zu vermeiden. Um diesen Leitgedanken im Entwurf von Beginn an berücksichtigen zu können, ist das Wissen über die Anforderungen, Möglichkeiten und technische Systeme der Bedarfsdeckung bei der Gebäudetechnik notwendig.

Heizen

Heizen

Neben den herkömmlichen, auf dem Einsatz fossiler Energien beruhenden Systemen werden immer häufiger auch regenerative Energien eingesetzt, um den gesamten Bedarf der Wärmeversorgung zu decken.

Wärmebedarf

Der Wärmebedarf eines Gebäudes setzt sich zusammen aus den Wärmeverlusten der Gebäudehülle, der Lüftung und der für die Warmwassererzeugung benötigten Energie. Er errechnet sich nach DIN EN 12831. EnEV und DIN V 18599 bewerten den Wärmebedarf.

Wärmeerzeugung

Die verschiedenen Systeme unterscheiden sich neben der Art der benötigten Endenergie vor allem in ihrem Wirkungsgrad.

Wärmeübertragung

Die Wärmeübertragung erfolgt immer von der höheren zur niedrigeren Temperatur. Bei der Übertragung durch Konvektoren von Gliederheizkörper wird die Wärme im Wesentlichen durch Luftbewegung transportiert ( Konvektion ), bei Flächenheizung ( Plattenheizkörper, Fußbodenheizung etc. ) wird die Wärme durch Strahlung übertragen.

Lage der Raumheizung

Die Lage der Heizflächen ist für das Behaglichkeitsempfinden wesentlich: Fußbodenheizungen empfindet der Mensch aufgrund des Raumtemperaturprofils ( warme Boden, kühle Decken ) als besonders angenehm.

Norm-Heizlastberechnung

Die Norm - Heizlastberechnung ermittelt die Wärmemenge ( = Wärmebedarf ), die dem Gebäude vom Heizsystem zur Verfügung gestellt werden muss, um die gewünschte Raumtemperatur zu erhalten.

DIN EN 12831

Diese Norm definiert das Berechnungverfahren zur Ermittlung der Wärmezufuhr, die notwendig ist, um sicherzustellen, dass bei der lokal gültigen Norm - Außentemperatur die erforderliche Norm - Innentemperatur erreicht wird.

Norm-Heizlast

Die Norm - Heizlast wird berechnet, um Heizanlagen ( z.B. Kessel ) und Heizflächen auszulegen. Zur Auslegung der Heizanlage werden, unter Berücksichtigung von v ( Außentemperatur ) und int ( Innentemperatur ), nur Verluste nach Außen, nicht aber zu Nachbarräumen, berücksichtigt. Zur Auslegung der Heizflächen erfolgt die Berechnung raumweise.

Transmissionswärmeverluste

Transmissionswärmeverluste sind die Energieverluste, die über Wärmeleitung durch Gebäudebauweise wie Wände, Fenster, Dach oder an das Erdreich grenzende Flächen verlorengehen.

Lüftungswärmeverluste

Als Lüftungswärmeverluste werden die Energieanteile bezeichnet die durch Fensterlüftung, Bauteilfugen oder durch mechanische Lüftung an die Umwelt abgegeben werden.

 

Lüften

Raumlufttechnische Anlagen (RLT-Anlagen)

Raumlufttechnische Anlagen konditionieren die Qualität der Raumluft. Lüftungsanlagen stellen den hygienisch erforderlichen Luftwechsel sicher und können eine thermische Behandlungsfunktion haben. Teilklimaanlagen und Klimaanlagen lüften und haben zwei bis drei bzw. vier thermische Behandlungsfunktionen. Da mechanische Lüftungen genau die erforderliche Zuluftmenge zur Verfügung stellen, sind sie insbesondere in Verbindung mit einer Wärmerückgewinnung, der natürlichen Lüftung in hygienischer und energetischer Hinsicht überlegen. Lüftungsanlagen werden zudem verwendet, wenn die Raumgeometrie ( T / H > 2,5 bzw. > 5 bei Querlüftung ) eine Fensterlüftung nicht zulässt. Der Einsatz einer Klimaanlage ist sinnvoll bei einer Kühllast > 30 W / m². Kühllasten > 30 W /m² können durch Fensterlüftungen nicht mehr sicher abgeführt werden.

Mischlüftung

Bei der Mischlüftung ( Strahllüftung ) wird die Zuluft im Decken oder Wandbereich in den Raum geblasen. Dabei wird ruhende Luft mit der Zuluft vermischt ( induziert ). So wird die Luftqualität sichergestellt. Mischlüftung eignet sich für Räume mit hoher Personenbelegung, wo eine starke Kühlleistung erforderlich ist.

Quelllüftung

Quelllüftung ist eine impulsarme Verdrängungslüftung ( Zuluftgeschwindigkeit < 0,2 m / s ) bzw. eine thermisch induzierte Lüftung (Komfortlüftung ). Bei der Quelllüftung wird die Zuluft mit 2 bis 4 K unter Raumtemperatur, möglichst in Fußbodennähe eingebracht. Die Abluft wird im Deckenbereich abgeführt. Die Kühlleistung ist gering, meist wird Quelllüftung in Kombination mit Kühldecken eingesetzt. Anwendungsbereiche sind z.B. Theater, Restaurants, Sporthallen, Büros, Küchen und Labore.

Verdrängungslüftung

Bei der Verdrängungslüftung tritt die Zuluft über Luftdurchlässe, die über Decken, Boden oder Wand verteilt sind, in den Raum ein und strömt zu den gegenüberliegenden Abluftöffnungen. Angestrebt wird dadurch eine gleichmäßige und vollständige Lufterneuerung bei hoher Kühlleistung. Anwendungsgebiete sind z.B. OP - Räume, Labore, Lackierereien.

Luftführung

Bei normal hohen Räumen bis zu 3 m können die Zuluftdurchlässe in Decke, Wand oder Boden eingesetzt werden. In der Decke werden im Allgemeinen Drall - Durchluftauslässe verwendet, die eine Mischlüftung erzeugen und größere Lasten abführen können; in Wand und Boden sind meist Quellluftauslässe angeordnet, bei denen die Luft impulsarm in den Raum eintritt. In großen Räumen wird die Luft durch Weitwurfdüsen mit verstellbarer Strahlcharakteristik eingeblasen. Um Zugerscheinungen zu vermeiden, sollte die Temperatur der eingeblasenen Luft maximal 4 K unter der mittleren Raumtemperatur liegen.

Abluftleuchte

Die Abluft wird im Allgemeinen im Deckenbereich abgesaugt. Dazu können auch sogenannte Abluftleuchten dienen.

Kühlen

Sonnenschutz

Der Sonnenschutz umfasst die Funktionen Wärme- und Blendschutz, wobei ein Wärmeschutz zusätzlich die Funktion des Blendschutzes übernehmen kann. Das Sonnenschutzsystem steuert den Energieeintrag durch die Sonne und den Einfall von Sonnen- und Tageslicht ins Gebäude.

Kühllast

Die Kühllast ist die Dimensionierungsgröße für das Raumkühlsystem. Der Energieaufwand für die Kühlung mit wassergeführten Systemen ( z.B. Kühldecken ) liegt deutlich unter dem von luftgeführten Systemen ( Klimaanlage ).

Kühlsysteme

Neben RLT - Anlagen werden zunehmend thermisch aktive Raumflächen ( z.B. Kühldecken oder Betonkerntemperierung ) zur Kühlung von Gebäuden eingesetzt. Vorteile sind eine hohe thermische Behaglichkeit und mehr Möglichkeiten zur Nutzung von Umweltenergien, z.B. bei der freien Kühlung.

Freie Kühlung

Bei der freien Kühlung wird der mechanische Kälteprozess durch natürliche Kühlmedien wie Luft oder Grundwasser ersetzt oder ergänzt. Die Einsatzdauer der mechanischen Kühlung kann durch die Anwendung der freien Kühlung deutlich reduziert werden.

Mechanische Kühlung

Die mechanische Kühlung erfolgt meist durch Kompressionskältemaschinen. Dabei wird mithilfe eines Kältemittels in einem Verdampfer Kälte für die mechanische Kühlung erzeugt, anschließend mittels eines Kompressors auf ein höheres Temperaturniveau gebracht, das es ermöglicht, die aufgenommene Energie über einen Kühlturm wieder an die Umgebung abzuführen.

Kühlen

Zum Einhalten komfortabler Raumkonditionen oder bestimmter Temperaturen in Produktionsstätten müssen Räume gekühlt werden. Besteht keine Möglichkeit zur natürlichen Kühlung, sind mechanische Kühlanlagen erforderlich.

Kälteanlagen

Kälteanlagen sind Systeme zur Kälteerzeugung, meist in Form von Kaltwassersätzen ( kompakte Kühlanlagen ), durch die das Kühlmedium ( Luft oder Wasser) gekühlt wird. Dieses Kühlmedium wird den Räumen beispielweise durch RLT - Anlagen oder durch Wasserkühldecken zugeführt.

Rückkühlsysteme

Die dem Kühlmedium entzogene Energie wird durch eine Kältemaschine auf ein höheres Temperaturniveau gebracht und anschließend über ein Rückkühlsystem an die Umgebung abgeführt. Rückkühler sind nass oder trocken betriebene Kühltürme.

Nur-Luft-Systeme

Bei Nurluftsysteme wird die Kühllast ausschließlich durch Einblasen kalter Luft gedeckt ( RLT - Anlagen ).

Wassergeführte Systeme

Bei diesen Systemen wird mit Wasser in einem geschlossenen Rohrsystem gekühlt, z.B. Kühldecken oder Bauteilaktivierung.

Luft-Wasser-Systeme

Ein Luft - Wasser - System besteht aus einer RLT - Anlage, welche die Frischluftzufuhr sicherstellt und einen Teil der Kühllast abführt, in Kombination mit einem wassergeführten System.

Kühllasten

Die Kühllast wird nach VDI 2078 in äußere und innere Kühllasten eingeteilt. Sie ist die Auslegungsgröße für Kühlsysteme. Soll die Zuluft durch RLT - Anlagen entfeuchtet werden, ist die dazu erforderliche Kühlleistung der Kältemaschine höher als die Kühllast.

Sensible Kühllast

Lasten, die zu einem Temperaturanstieg im Raum führen, wie Wärmeübertragung, Sonneneinstrahlung oder Beleuchtung.

Latente Kühllast

Lasten, die durch die Zufuhr erhöhter Außenluftfeuchte oder Atmung von Peronen anfallen.

Energieerzeuger

Alle Gebäude müssen mit Strom, und je nach lokalen Klimabedingungen und Behaglichkeitsanforderungen auch mit Wärme und Kälte versorgt werden. Meist wird die Wärme durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen wie Öl oder Gas im Gebäude selbst erzeugt. Strom wird in der Regel von einem Energieversorger geliefert und oftmals auch für die Kälteerzeugung genutzt. Wachsendes Umweltbewusstsein, Liberalisierung des Energiemarkts, steigende Energiepreise und attraktive Fördermaßnahmen führen dazu, dass auch andere Energieerzeugungskonzepte erprobt und entwickelt werden.

Energieträger

Während für die Luftbeförderung in einer mechanischen Lüftungsanlage im Wesentlichen Strom als Energieträger zum Einsatz kommt, stehen bei der Erzeugung von Wärme und Kälte häufig verschiedene Energieträger zur Auswahl die ihre Aufgabe in unterschiedlichen Wärme - oder Kälteerzeugung erfüllen können. Hierbei sind zunächst fossile Energieträger und erneuerbare Energien zu unterscheiden.

FOSSILE ENERGIETRÄGER ( z.B. Erdöl, Erdgas und Kohle ) sind über lange Zeiträume durch biologische und physiologische Vorgänge im Erdinnern und an der Erdoberfläche enstanden, sodass sie nicht in naher Zeit nachproduziert werden können. Ihr Bestand auf der Erde kann also nicht erneuert werden, die Vorräte sind endlich. Diese Energieträger basieren auf Kohlenstoffdioxidverbindungen ( CO2 ), die bei der Verbrennung in die Atmosphäre entweichen und als wesentliche Ursache für die globale Erderwärmung gelten.

ERNEUERBARE ENERGIEN werden Energiequellen genannt, die nach menschlichen Maßstäben unerschöpflich und nachhaltig sind: Sie können ohne dauerhafte Auswirkungen auf die Umwelt gewonnen werden. Als erneuerbare Energiequellen in diesem Sinne werden insbesondere Sonnenenergie ( Solarstromerzeugung oder Solarthermie ), Wasserkraft, Windenergie, Geothermie und Bioenergie ( Biomasse wie z.B. Holz und Biogas wie z.B. Faulgase aus Kläranlagen ) verstanden. Die Verbrennung von Biomasse und Biogas setzt zwar ebenfalls CO2 in Verbrennungsprozessen in die Atmosphäre frei, doch ist dieses Kohlenstoffdioxid während des Pflanzenwachstums im Vorfeld aus der Atmosphäre gebunden worden und würde beim natürlichen Verrottungsprozess der Pflanze ohnehin wieder freigesetzt. Die Verbrennung biologischer Energieträger wird daher als CO2 - neutral bezeichnet. Entscheidend ist also nicht generell die Freisetzung von CO2 , sondern die Vermeidung von CO2 - Emissionen, die ohne den Verbrennungsprozess nicht entstanden wären und die Atmosphäre belastet hätten.

Sonnenenergie

Die Sonne ist die Hauptenergiequelle der Erde. Ihre Strahlung ewärmt Atmosphäre und Erdoberfläche und löst Prozesse aus, die für Entstehung und Erhaltung von Leben notwendig sind. Sie setzt durch Umwandlung von Wasserstoff in Helium Strahlungsenergie frei, die an ihre Oberfläche eine Intensität von 70 000 bis 80 000 k W / m² besitzt. Durch Umwandlung der Sonnenstrahlung ergeben sich folgende Nutzungsmöglichkeiten:

  • Wärmegewinnung durch passive Maßnahmen ( z.B. Glashaus, Südfenster ) und aktive Systeme ( Kollektoren )
  • Elektrizitätserzeugung durch photoelektrische Umwandlung ( Solarzellen )
  • Produktion von Biomasse durch Photosynthese

Alle drei Nutzungsformen sind ökologisch vertretbar, da sie durch Bindung der Sonnenenergie deren Abstrahlung verhindern oder verzögern und dadurch einen Gewinn bringen. Die technische Nutzung darf in keinem Fall zu ökologischen Belastungen führen. Selbst unter Berücksichtigung einer aus biologischen und klimatischen Gründen flächenmäßig eingeschräkten Nutzungsmöglichkeit und geringer Anlagenwirkungsgrade ergibt sich durch die Ausschöpfung mit technischen Mitteln ( Kollektoren, Sollarzellen usw. ) noch ein großes Energiepotential.

Biomasse

Der Bergiff Biomasse beschreibt ein sehr breites Spektrum von Energieträger: Biologisch umfasst er grundsätzlich alle Stoffe organischer Herkunft und damit alle Pfanzen und Tiere, deren Rückstände, die abgestorbene, aber noch nicht fossile Pflanzenmasse sowie alle Stoffe, die durch eine Umwandlung bzw. stoffliche Nutzung daraus entstanden. Unter energetischer Nutzung von Biomasse als Brennstoff versteht man feste, flüssige und gasförmige Brennstoffe, die mit verschiedenen Umwandlungstechniken verarbeitet und nutzbar gemacht werden. Die dafür verwendeten Stoffe sind organischer Herkunft, entweder natürliche Stoffe oder Abfallstoffe von lebenden und toten Organismen. Für Konzeption mit ökologischer Gebäudetechnik ist zukünftig vor allem die Nutzung von Holz und von Biodiesel bedeutsam. Biodiesel kann zur Substitution von Heizöl für BHKWs und Heizölkessel verwendet werden. Holz benötigt besondere Wärmeerzeuger, auf die nachfolgend eingegangen wird. Biomasse aus nachwachsenden Rohstoffen wird zu den erneuerbaren Energieträgern gerechnet, weil diese während ihres Wachstums nicht weniger Kohlendioxid aus der Atmosphäre entziehen als bei der Energieumwandlung wieder freigesetzt wird. Diese Form der Energiegewinnung wird deshalb CO2 - neutral bezeichnet. Die Nutzung von Biomasse erfolgt durch thermochemische oder biologische Verfahren. Unter thermochemischen Verfahren versteht man Verbrennung, Vergasung und Verflüssigung von Biomasse. Die Verbrennung von Biomasse setzt aufgrund der schwierigen Regelungen der Verbrennungsvorgänge Grenzen insbesondere durch die Emissionsschutzgesetze des Bundes bzw. der Technischer Anleitung zur Reinhaltung der Luft. Eine bessere Methode stellt die Vergasung von Biomasse dar. Unter Verflüssigung versteht man die Verfüssigung ölhaltiger nachwachsender Rohrstoffe. Über biologische Verfahren gewonnenes Biogas aus Dünger und Gülle dient zur Strom und Wärmeerzeugung in Blockheizkraftwerken. Die Potenziale für die Nutzung von Biomasse für Energieversorgungsanlagen sind bei weitem nicht ausgeschöpft. Einsatzmöglichkeiten sind nach dem jeweiligen Standort des geplanten Gebäudes zu untersuchen.

Windenergie

Windenergie ist die Umwandlung von Bewegungsenergie ( Kinetischer Energie) zu elektrischer Energie. Diese wird dann in das Stromnetz eingespeist. Sie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie und zählt deshalb zu den erneuerbaren Energien. Die Bewegungsenergie entsteht durch die Luftschichten, welche von der Sonne unterschiedlich erwärmt werden. Durch die Temperatur - und Druckunterschiede zwischen den kälteren und wärmeren Luftschichten geraten die Luftmassen in Bewegung und es entsteht Wind. Dieser treibt die Rotoren der Windräder an. Getriebe ( Übersetzungen ) wandeln die langsame Bewegung in eine schnellere um. Damit wird der Generator angetrieben. So wird die Bewegungsenergie in Elektrizität umgesetzt.

Luftströmungen, die den Wind verursachen, sind die Folge von Druckausgleichsströmungen in der Atmosphäre. Diese Luftströmungen lassen sich mit Windkraftanlagen zur Stromerzeugung nutzen. Schon seit dem 12. Jahrhundert wurde die Windkraft genutzt, um Windmühlen zu betreiben. Die technische Entwicklung und die sinkenden Energiepreise führten dazu, dass die Windkraft nicht weiterentwickelt wurde.

Windenergie kann mit Windrädern, die nach dem Widerstands - oder nach dem Auftriebsprinzip arbeiten, genutzt werden. Widerstandsräder werden durch den Luftwiderstand der Rotorblätter gedreht. Sie haben große Blattflächen und geringe Drehzahlen. Meist werden diese für den Antrieb von Wasserpumpen eingesetzt und haben einen Leistungsbeiwert von rund 20 %. Auftriebsräder dagegen nutzen die Druck- und Sogkräfte am Flügelprofil und erzielen aufgrund der aerodynamischen Form der Flügel und ihres geringen Widerstands einen hohen Leistungsbeiwert von 40 bis 50 %. Diese Windkraftanlagen eignen sich zur Stromerzeugung. Für einen wirtschaftlichen Einsatz sind mittlere Windgeschwindigkeiten zwischen 4 und 5 m /s erforderlich.

Wärmepumpe

Wärmepumpe Erdreich / Wasser

Die Erdwärme liefert unabhängig von der Außentemperatur ganzjährig eine nahezu konstante Temperatur von ca. 10 °C. Diese Wärme ist für den monovalenten Betrieb einer Wärmepumpe ausreichend, so dass keine weitere Wärmequelle benötigt wird.

Wärmepumpe Wasser / Wasser

Eine Wasser - Wasser - Wärmepumpenanlage arbeitet in Kombination mit einem Förderbrunnen und einem Schluckbrunnen. Aufgrund seiner konstanten Temperatur und seiner Wärmeleitfähigkeit ist Grundwasser eine günstige Wärmequelle.

Wärmepumpe Luft / Wasser

Dieser Wärmepumpentyp nutzt die Umgebungsluft als Energiequelle. Da die meiste Heizenergie bei sehr niedriegen Außentemperaturen benötigt wird, verwendet man bei diesem System häufig eine zusätzliche Heizquelle ( Kesselsystem ).

Von der Konzeptphase bis hin zur Detailoptimierung steht heute immer mehr eine nachhaltige und ganzheitliche Betrachtung von Architektur im Fokus, um energie- und klimaoptimiert bauen zu können. Hochtechnisierung kann hier nicht Lösung sein, vielmehr müssen die vielen teilweise verloren gegangenen passiven Kräfte mobilisiert und auf aktive Maßnahmen abgestimmt werden. Das Maximum an Behaglichkeit mit einem Minimum an Energie erreichen - ClimaDesign