ökologisches Bauen: Energiehaushalt und Klimatisierung

ökologisches Bauen: Energiehaushalt und Klimatisierung

 

Für ökologisches Bauen ist entscheidend, den Verbrauch nicht erneuerbarer Energie so weit wie möglich zu senken. Dies lässt sich vor allem durch eine Minimierung des Heizenergieverbrauchs erreichen. Niedrigenergiehäuser, die längst das Stadium von unbezahlbaren Versuchshäusern hinter sich haben, verfolgen diese Strategie. Es lassen sich Energieeinsparungen von bis zu 50 Prozent erreichen. Einsparungen von über 80 Prozent gegenüber vergleichbaren konventionellen Neubauten lassen sich beispielsweise mit dem Passivhauskonzept realisieren. Bei den Plusenergiehäusern wird auf eine konventionelle Heizung ganz verzichtet, da die Sonnenenergie konsequent genutzt wird. Als Standardbauweise sind diese Häuser jedoch heute noch zu teuer.

 

Um ein »echtes« ökologisches Energiekonzept zu verwirklichen, reicht es nicht, die Wärmedämmung zu verstärken oder eine moderne Haustechnik einzusetzen, sondern ein ganzheitlicher Ansatz ist gefragt. Dieser beginnt bei den städtebaulichen Rahmenbedingungen und einer (energie) bewussten Siedlungsentwicklung und reicht bis zur Auswahl der verwendeten Baustoffe. Erst wenn das Gebäude Energie ins Netz zurückspeist (Plusenergiehaus), ist das Ziel einer tatsächlich nachhaltigen Hauswirtschaft erreicht. Konzepte, die diesen Ansatz verfolgen, gibt es beispielsweise mit dem Heliotrop-Haus in Freiburg bereits.

 

Dabei handelt es sich um ein drehbares, kompaktes, zylinderförmiges Solarhaus. Das achtzehneckige Baumhaus mit einem Stamm von lediglich neun Quadratmetern hat einen Außendurchmesser von elf Metern und besteht im Wesentlichen aus einer Holzskelettkonstruktion. Es ist zu einer Seite hin verglast, zur anderen Seite und in der Dachfläche hochwärmegedämmt. Die Glasfassade aus Dreifach-Wärmeschutzverglasung dämmt fünf- bis sechsmal so gut wie herkömmliche Isolierverglasung. Sie kann während der Heizperiode der Sonne nachgeführt oder aber im Sommer von der Sonne abgewandt werden. Aktive Solarnutzung, beispielsweise durch Photovoltaik, und Erdwärmetauscher stellen im Jahressaldo mehr Energie als benötigt bereit, wodurch das Heliotrop-Haus zum Plusenergiehaus wird.

 

Dieser Idealfall lässt sich nicht für jedes Bauvorhaben realisieren. Aber die Einsparung von nicht erneuerbarer Primärenergie und der damit verbundene Beitrag zur Verringerung der Kohlendioxidemissionen sollte eines der wichtigsten Ziele ökologischen Bauens sein. Denn die Gebäudeheizung bewirkt den bei weitem größten Energieverbrauch in privaten Haushalten. Am Ausstoß des Gases Kohlendioxid (CO₂) als größtem Verursacher des Treibhauseffektes sind Haushalte und Kleinverbraucher mit rund 22 Prozent beteiligt.

 

Demnach muss beim Neubau beziehungsweise bei der Renovierung der Vermeidung von Wärmeverlusten und der umweltfreundlichen Wärmegewinnung größte Aufmerksamkeit geschenkt werden. Im Rahmen der kommunalen Hoheit in Fragen der Stadtplanung und Stadtentwicklung können Städte und Gemeinden durch planerische Festlegungen eine nachhaltige Senkung der Kohlendioxidemissionen bewirken.

 

Dem Ziel der Kohlendioxidreduktion dient sowohl eine kompakte Gebäudeform und eine verdichtete Bauweise zur Verringerung der Wärmeabstrahlungsflächen als auch eine hohe Wärmedämmung an den verbleibenden Abstrahlungsflächen. Die passive Nutzung der Sonnenenergie durch »Energiefallen«, beispielsweise Wintergärten, sollte verstärkt betrieben werden. Weitere Voraussetzungen zur Reduzierung der Kohlendioxidbelastung stellen ein effektives und umweltgerechtes Heizungssystem und gegebenenfalls die Nutzung alternativer regenerativer Energiequellen dar. Geht der Wärmeverbrauch in Gebäuden zurück, so sinkt der Verbrauch fossiler Energieträger und damit der Kohlendioxidausstoß.

 

Stand früher die Energieträgerwahl im Vordergrund, so folgt aus dem Leitbild der Kohlendioxidreduktion ein umfassender Ansatz, der es erfordert, Bebauungsstruktur, Anordnung der Gebäude, Wärmeschutzstandard und schließlich die Wärme- und Stromversorgung integriert zu betrachten. Um Kohlendioxid reduzierende Konzepte zu verwirklichen, muss schon bei der Ausweisung von Planungsgebieten und der Aufstellung von Bebauungsplänen auf der Basis der geplanten Nutzfläche der zukünftige Energiebedarf abgeschätzt werden.

 

 Standortwahl und Gebäudeplanung

 

Die Standortwahl eines Gebäudes ist für dessen Energiehaushalt von außerordentlicher Bedeutung. Natürliche Idealstandorte sind heute fast nirgends mehr verfügbar. In Kenntnis der notwendigen Bedingungen ist es jedoch mitunter möglich, einen Standort so zu gestalten, dass er günstige Voraussetzungen für ein energiesparendes Gebäudekonzept aufweist. Die Lage eines Gebäudes in der Landschaft beeinflusst beispielsweise seine Energiebilanz. Wird der Wärmebedarf in freier, ungeschützter Lage mit 100 Prozent angesetzt, so liegt dieser Wert in einer Mulde (Kaltluftmulde) bereits bei 125 Prozent, auf einer Bergkuppe bei 110 Prozent, an einem Südhang dagegen nur bei 85 Prozent. Günstige Grundstückslagen sind nach Osten, Süden und Westen geneigte Hänge. Reine Nordhänge sollten gemieden werden.

 

Der Energiehaushalt eines Gebäudes wird ferner viel wirtschaftlicher, wenn es sich nach Süden zur Sonne hin öffnet und zur Nord- und Wetterseite — je nach Breitengrad im Südwesten oder Nordwesten gelegen — hin möglichst geschlossen ist. Ist das Gebäude erheblichem Wind ausgesetzt, so kann dies bis zu 50 Prozent Wärmeverlust bewirken.

 

Im Übrigen sollte man die Anordnung eines Hauses auf dem Grundstück so planen, dass möglichst viel Sonneneinstrahlung eingefangen, Verkehrslärm durch eine spätere Bepflanzung weitgehend abgeschirmt, eine große Fläche nicht einsehbaren Freiraums gewonnen und eine vernünftige Gartenanlage möglich wird.

 

Mindestens genauso wichtig wie ein geeignetes Grundstück und die richtige Lage des Gebäudes darauf ist es, auf die Gebäudeform zu achten. Große Bauteilflächen führen zu hohen Wärmeverlusten, kleine Bauteilflächen zu kleinen. Stark gegliederte Baukörper verhalten sich wie Kühlrippen, die Wärme abführen. Daher sind einzeln stehende Einfamilienhäuser unter energetischer Betrachtung immer ungünstiger als Reihenhäuser oder Häuserblocks.

 

Generell gilt, dass pro Kubikmeter umbauten Raumes (V) die Wärme abgebenden Bauteilflächen (A) möglichst klein sein sollten. Kompakte Wohngebäude besitzen ein kleineres A/V-Verhältnis als frei stehende Bungalows und verbrauchen deshalb bei gleichem Wärmeschutz pro Kubikmeter umbauten Raumes weniger Heizenergie. Dieses Verhältnis hängt von der Gebäudeform und den Gebäudeabmessungen ab.

 

 Wärmedämmung

 

Eine gute Wärmedämmung der Gebäudehülle ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für einen reduzierten Heizenergieverbrauch. Sie muss sich wie eine zweite Haut nahtlos um das Gebäude legen.

 

Schon bei der Planung ist darauf zu achten, dass keine Wärmebrücken entstehen. Konstruktionsbedingte thermische Schwachstellen sind beispielsweise Außenecken, Anschlussstellen von auskragenden Balkonplatten und Decken, Anschlussstellen von Dächern und Fenstern, Rollladenkästen und Heizkörpernischen. Daher müssen diese Bereiche bei der Wärmedämmung besonders beachtet werden. Gerade bei Niedrigenergiehäusern können Wärmebrücken die Energiebilanz — aufgrund der geringen übrigen Energieverluste — stark verschlechtern.

 

Die einzelnen Gebäudeteile weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Konstruktion Besonderheiten auf, die auch an die Wärmedämmung besondere Anforderungen stellen.

 

Dächer trennen beheizte Räume oder den unbeheizten Dachstock von der Außenluft. Die Wärmedämmung dieser Bauteile sollte die beheizten Räume möglichst unmittelbar umschließen. Dächer können in Massivbauart und in Leichtbauart ausgeführt werden und geneigt oder flach sein. Die Wärmedämmung liegt bei Sparrendächern zwischen, unter oder über den Sparren. In der Praxis ist es sehr schwierig, Dächer winddicht zu bekommen. Das Einbringen von Folien und das Verkleben von Dichtungsbahnen muss mit großer Sorgfalt geschehen. Bei geneigten Dächern muss die Dachhaut mindestens regensicher sein, bei Flachdächern dauerhaft wasserdicht.

 

Auf den Heizenergieverbrauch hat der Wärmeschutz der Wände erheblichen Einfluss, da bis zu 40 Prozent der Heizenergie durch die Außenwände verloren gehen können. Der Wärmeschutz kann in Abhängigkeit von der Wanddicke entweder mit Steinen geringer Rohdichte oder durch Dämmstoffschichten verbessert werden. Da es so viele unterschiedliche Wandkonstruktionen und Baumaterialien gibt, müssen die einzelnen Komponenten des Wandaufbaus sorgfältig aufeinander abgestimmt werden, um auf Dauer die Standsicherheit und den Wärme-, Feuchte-, Schall- und Brandschutz zu gewährleisten. Dies ist vor allem bei der nachträglichen Dämmung von Altbauten zu berücksichtigen. Zur Verringerung von Wärmebrücken, die erhöhte Wärmeverluste und Feuchteschäden mit sich bringen, sollte man eine außen liegende Dämmung einer Innendämmung vorziehen.

 

Fenster erhellen und belüften die Räume. Die Wärmeverluste durch die Fenster sind wesentlich höher als durch die Wände. Der Einbau von beschichteten Wärmeschutzverglasungen ist daher empfehlenswert. Neue Fenster sind so dicht, dass der erforderliche Luftaustausch für den Raum nur über das Öffnen der Fenster oder mechanische Lüftungseinrichtungen erzielt werden kann.

 

Durch Fensterflächen gelangt ein Teil der Sonneneinstrahlung in den Raum, der unmittelbar zur Raumerwärmung beiträgt (passive Nutzung der Sonnenenergie) und vor allem während der Heizperiode beträchtliche Energiegewinne liefert. Temporäre Wärmeschutzmaßnahmen (Rollläden, Fensterläden und Vorhänge) verringern zusätzlich die Energieverluste.

 

Unbeheizte Wintergärten tragen zur Energieeinsparung bei, wenn sie sinnvoll mit dem Gebäude verbunden sind. Ihr Beitrag zum Wärmeschutz ist aber mit einem hohen Investitionsaufwand verbunden.

 

Keller, die selten oder gar nicht beheizt werden, müssen gegenüber dem Fußboden der darüber liegenden Räume wärmegedämmt werden. An Kellerdecken lassen sich wirkungsvolle Dämmmaßnahmen ausführen. Gewöhnlich wird die Dämmung auf dem Boden verlegt, darauf kommt der Estrich. Wird eine zusätzliche Wärmedämmung auf der Unterseite (Kellerdecke, Bodenplatte) angeordnet, so lassen sich weitere Einsparungen erzielen. Die Außenwände beheizter Kellerräume sowie Trennwände zwischen beheizten und nicht beheizten Kellerräumen müssen zusätzlich wärmegedämmt werden.

 

Für die Feststellung der Dichtigkeit von Gebäuden stellt der k-Wert eine wichtige Vergleichsgröße dar.

 

In der Wärmeschutzverordnung (WSchVO) von 1995 sind die maximalen k-Werte für Einzelbauteile bei Neubauten und bei der Sanierung von Altbauten vorgeschrieben. Daher ist es unerlässlich, die k-Werte der einzelnen Bauteile genau zu berechnen.

 

Die WSchVO unterscheidet zwischen Gebäuden mit normalen Innentemperaturen, Gebäuden mit niedrigen Innentemperaturen (zwischen 12 und 19 Grad Celsius und mehr als vier Monate im Jahr beheizt) und baulichen Änderungen bestehender Gebäude. Die neuen maximalen k-Werte — der Kürze halber meist ohne die zugehörige Einheit Watt pro Quadratmeter und Kelvin, W/(m² · K), angegeben — beispielsweise für Neubauten sind für die Außenwände 0,5, für die Fensterverglasung 0,7, für Dach und Decken zu unbeheizten Dachböden 0,22 und für Kellerdecken und Wände zu unbeheizten Räumen sowie Wände gegen das Erdreich 0,35. Der k-Grenzwert für Außenwände von 0,5 bedeutet zum Beispiel für die Modernisierung einer bisher ungedämmten Außenwand aus Hohlblock- oder Ziegelsteinen, dass eine zusätzliche Dämmschicht von mindestens sechs Zentimeter Dicke hinzugefügt werden muss. Welche Dämmschichtdicke im Einzelfall erforderlich ist, hängt vom vorhandenen k-Wert und dem gewählten Dämmmaterial ab. Beides wird in der Außenwandanalyse berücksichtigt und auch die zu erwartende Energieeinsparung durch verschiedene Maßnahmen ermittelt.

 

Die Wärmeschutzverordnung 1995 begrenzt aber vor allem den Jahresheizenergiebedarf von Gebäuden. Interessant ist daher ein Vergleich der Heizwärmebilanz bei Häusern mit unterschiedlicher wärmetechnischer Ausrüstung. Durch die Verringerung des Heizenergieverbrauchs wird der Schadstoffausstoß deutlich reduziert.

 

Die Heizwärmebilanz setzt sich aus dem Heizenergiebedarf, den Solargewinnen und den internen Wärmegewinnen zusammen. Während der kalten Jahreszeit treten aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen Gebäudeinnerem und Außenluft Transmissionswärmeverluste und Lüftungswärmeverluste auf. Um die Raumtemperatur auf einem angenehmen Niveau zu halten, müssen diese Verluste durch die Heizung ausgeglichen werden. Teilweise werden sie auch durch interne Wärmegewinne (Menschen, elektrische Geräte, Beleuchtung) und solare Energiegewinne (Fenster, Wintergärten, transparente Wärmedämmung) kompensiert.

 

 Klimatisierung

 

Unabhängig vom Dämmstandard des Gebäudes ist »gute Luft« sowohl aus hygienischen Gründen als auch für das Wohlbefinden notwendig. Die Luft in Wohnräumen sollte dazu etwa alle drei Stunden komplett ausgetauscht werden, in Bad und Küche sogar noch öfter. Gelegentlich fünf bis zehn Minuten Stoßlüften über den Tag verteilt reichen zum Lüften aus. In der Praxis scheitert diese Maßnahme allerdings am Verhalten der Nutzer und die Wärmeverluste steigen deutlich an. Um die Lüftungswärmeverluste zu reduzieren, gehört daher neben der dichten Ausführung der Gebäudehülle zumindest eine einfache Abluftanlage zur Grundausstattung eines Niedrigenergiehauses. Dadurch lassen sich die Wärmeverluste durch Lüftung um rund zwei Drittel reduzieren. Wirkungsvoll sind vor allem zentrale Anlagen, die für frische Luft von außen über die Wohnräume zu den Nassräumen sorgen, wo die verbrauchte, feuchte Luft abgesaugt wird.

 

Durch diese zentralen Be- und Entlüftungsanlagen wird nur die gebäudehygienisch notwendige Luftmenge dem Gebäude zugeführt und erwärmt. Durch den Einsatz einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung kann der verbrauchten Luft ein Großteil der enthaltenen Wärme entzogen werden, um die durch eine getrennte Leitung entgegenströmende frische Luft zu erwärmen. Solche Anlagen arbeiten heute mit Wirkungsgraden bis zu 90 Prozent.

 

Zu unterscheiden sind diese Anlagen von Klimaanlagen, die wegen ihres hohen Energieverbrauchs nicht mehr in Häuser eingebaut werden sollten.

 

Die immer wieder aufgestellte Behauptung, dass hochwärmegedämmte und dichte Gebäude nicht »atmen« können, ist rein fachlich nicht aufrechtzuerhalten: Ein Haus atmet nicht durch die Wände, sondern über eine — wie auch immer gestaltete — Lüftung. Der unkontrollierte Luftwechsel über Fugen und Ritzen ist in jedem neuen Gebäude zu vermeiden. Die Dichtigkeit eines Neubaus sollte — gerade auch beim Einsatz von Lüftungsanlagen — mit einem Blower-Door-Test (Luftdichtigkeitsprüfung) nachgewiesen werden.

 

 Passive Nutzung von Sonnenenergie

 

Um den Heizenergieverbrauch noch stärker zu reduzieren, gibt es verschiedene Ansätze, die Sonnenenergie für Wärmezwecke zu nutzen. Die passive Nutzung der Sonnenenergie, auch Solararchitektur genannt, bedeutet die Nutzbarmachung der Solarstrahlung beziehungsweise der solarthermischen Wandlung ohne technische Hilfsmittel, das heißt allein durch bauliche Maßnahmen. Ziel ist dabei, die Sonnenenergie zu sammeln, zu speichern und im Gebäude zu verteilen, um zu jeder Jahreszeit ein behagliches Raumklima zu schaffen. Für eine passive Nutzung der Sonnenenergie können die Fenster, interne Wärmespeicher, Wintergärten und eine lichtdurchlässige Wärmedämmung eingesetzt werden. Grundsätzlich gilt, je besser ein Gebäude gedämmt wird, desto größer ist der solare Heizbeitrag der passiven Maßnahme.

 

Passive Solarenergienutzung beeinflusst in starkem Maße die Architektur eines Gebäudes und erfordert gebäudespezifische Lösungen. Im Gegensatz dazu werden bei aktiven Solarsystemen Pumpen oder Ventilatoren benötigt, um die gewonnene Energie dem Gebäude zuzuführen.

 

Glas als für Sonnenlicht mehr oder weniger transparentes Medium spielt durch seine Verwendung in Fenstern bei allen passiven, aber auch bei vielen aktiven Solarenergiesystemen eine ganz entscheidende Rolle. Glas lässt die energiereiche, kurzwellige Sonnenstrahlung durch, die im Raum auf Gegenstände wie Wände und Böden trifft und dabei in langwellige Wärmestrahlung umgewandelt wird. Für Wärmestrahlung sind die Fenster weniger durchlässig, sodass sich der Raum hinter dem Fenster erwärmt (Treibhauseffekt). Damit die Sonne zur Gebäudeheizung genutzt werden kann, müssen Orientierung, Größe und Art der Fenster richtig gewählt werden.

 

Die Beschichtungstechnologie von Gläsern hat in den letzten Jahren eine immense Entwicklung genommen, die selbst von Experten in diesem Maße nicht erwartet wurde. Ergebnis sind heute bereits am Markt erhältliche Fenster mit k-Werten um 0,4 W/(m² · K), die allein von ihrem statischen Dämmwert her gut gedämmtem Mauerwerk entsprechen. Berücksichtigt man zusätzlich die solaren Strahlungsgewinne aufgrund der Lichttransparenz des Glases, so erreichen sie in der Bilanz über längere Zeitperioden (beispielsweise in der Heizperiode) negative äquivalente k-Werte. Diese hängen jedoch stark von der Himmelsausrichtung der Fenster, also dem Umfang der eingefangenen Sonnenstrahlung ab.

 

Natürlich ist ein nach Süden ausgerichtetes Fenster am günstigsten, jedoch gilt, dass bei einer Abweichung von der Südorientierung um bis zu 20 Grad nach Osten oder Westen die Energiegewinne nur um etwa fünf Prozent reduziert werden.

 

Die Auslegung der Fenstergröße hängt unter anderem von den Dämmeigenschaften eines Fensters ab. Daneben ist entscheidend, ob genügend Speichermasse, wie massive Wände und Decken, zur Verfügung stehen. Je nach Speichermasse, Material und Temperaturunterschied erfolgt eine um Stunden bis Tage verschobene Wärmeabgabe an den Raum.

 

Die direkte Nutzung der Solarstrahlung stößt jedoch wegen der möglichen Überhitzungsgefahr besonders im Sommer (bei superisolierten Gebäuden jedoch sogar im Winter) an Grenzen. Selbst der Einbau großer interner Wärmespeicher wie beispielsweise Betonmassen kann nicht verhindern, dass ein Gebäude mit vielen Fensterflächen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt ist. Es muss also Bereiche einer Gebäudefassade geben, die lichtundurchlässig sind, aber dennoch keine Wärmeverlustflächen sein sollten.

 

Bei einem Neubau müssen durch den Planer Fensterfläche und Speichermasse optimal aufeinander abgestimmt werden, bei einem bereits bestehenden Gebäude üblicher Bauart sollte die Fensterfläche nach Süden 25 Prozent der Bodenfläche eines Raumes nicht überschreiten.

 

Der Ansatz der passiven Solarenergienutzung wurde bei der transparenten Wärmedämmung in Richtung aktiver Nutzung weiterentwickelt. Klassische Dämmmaßnahmen zielen darauf, die Transmissionswärmeverluste möglichst gering zu halten. Die Folge ist eine Reduktion des nach außen gerichteten Wärmestroms. Die auf Wandflächen auftreffende Sonnenstrahlung steht dabei aber für die passive Gebäudeheizung kaum zur Verfügung. Im Gegensatz dazu ist eine transparente Wärmedämmschicht für Sonnenstrahlung möglichst durchlässig und verfügt darüber hinaus über gute Wärmedämmeigenschaften. Die auf das Mauerwerk auftreffende Solarstrahlung erwärmt die Wand, die damit als thermischer Speicher wirkt. Mit entsprechender Verzögerungszeit wird die Wärme in den Innenraum abgegeben.

 

Trotz der Möglichkeiten der passiven Sonnenenergienutzung kann in den meisten Fällen in den gemäßigten Breiten nicht auf ein konventionelles Heizsystem verzichtet werden. Allerdings werden aufgrund der besonderen Aspekte der passiven Sonnenenergienutzung auch besondere Anforderungen an die konventionelle Heizung gestellt. Da die Sonneneinstrahlung schwankt, kommt es oft zu abrupten Temperaturwechseln. Um die Behaglichkeit in den Räumen sicherzustellen, bedarf es daher einer Heizungsanlage, die diese Schwankungen erkennt und ausgleicht. Von Vorteil sind auch Heizsysteme, die ein solares Überangebot in Südräumen zur Beheizung der Nordräume nutzen. Hier bietet sich ein Warmluftheizsystem an. Dabei kann gleichzeitig mithilfe eines Wärmetauschers die Wärme aus der Abluft zurückgewonnen sowie ein etwaiges Luftkollektorsystem integriert werden.

 

Entscheidend für die Effektivität aller Maßnahmen ist das Benutzerverhalten. Untersuchungen an Häusern mit passiver oder aktiver Solarnutzung ergaben, dass der Energieverlust durch falsches Verhalten der Bewohner größer sein kann als der Energiegewinn durch die beschriebenen Maßnahmen.

 

Dipl.-Biol. Bettina Kapahnke-Knittel

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

ökologisches Bauen: Baustoffe

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

ökologisches Bauen und Stadtentwicklung

 

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