Passive Solarnutzung
Der Anteil der Nachfrage nach Wärmeenergie (vor allem zur Raumheizung)
im Wohn- und Tertiärbereich an der Energie-Gesamtnachfrage in der EU
(15 Mitgliedstaaten) beträgt 23%. Schätzungen gehen davon aus, daß 40%
der in diesem Sektor tatsächlich verbrauchten Energie in Wirklichkeit
in Form von Sonnenenergie durch Fenster in die Gebäude gelangt. Diese
passive Energiequelle findet in den Statistiken jedoch keine Berücksichtigung.
Daraus folgt, daß für eine weitere Reduzierung der Nachfrage nach Wärmeenergie
in Gebäuden unter Einsatz der verfügbaren Technologien zur passiven Nutzung
der Sonnenenergie ein erhebliches Potential vorhanden ist. Die Errichtung solarer bzw. energiearmer Gebäude
kostet kaum mehr als herkömmliches Bauen. In Österreich gesammelte Erfahrungen
haben gezeigt, daß bei Gebäuden mit passiver Solartechnologie die Gesamtwohnkosten
nur um etwa 4% höher sind als bei konventionellen Gebäuden, während Wärmeenergieeinsparungen
von 75% erzielt werden können. Auch bei bereits vorhandenen Gebäuden
sind durch Nachrüstung von Fenstern
und Fassaden sowie durch eine verstärkte Nutzung des natürlichen Sonnenlichts
und eine gleichzeitige verbesserte Isolierung erhebliche Energieeinsparungen
zu erzielen. Neue Werkstoffe für Fenster, zur Nutzung des Tageslichteinfalls
und zur Isolierung sind im Handel erhältlich. In den letzten paar Jahren
sind auch passive Kühltechniken entwickelt worden, die dazu beitragen
könnten, die schnell wachsende Nachfrage nach Kühlanlagen in südeuropäischen
Ländern zu decken. Selbst vorsichtige Schätzungen gehen davon aus, daß die
Nachfrage nach Wärmeenergie in Gebäuden bis zum Jahre 2010 durch eine
verstärkte passive Nutzung
der Sonnenenergie um 10% gesenkt werden könnte. Wenn man davon ausgeht,
daß der Anteil der Nachfrage nach Wärmeenergie im Wohn- und Tertiärbereich
an der Energie-Gesamtnachfrage mit 23% stabil bleibt, entspräche dies
einer Brennstoffeinsparung von 35 Mio. t RöE. Die Schweiz hat sich bereits
verpflichtet, den Energieverbrauch zu Heizzwecken in Gebäuden bis zum
selben Jahr um 30% zu reduzieren. Dieser zusätzliche Gewinn ist bei der
Bilanzierung des Bruttoenergieverbrauchs der Europäischen Union zu berücksichtigen.
Grundlage für die Betrachtung passiver Solarnutzung ist die
Wärmeausbreitung die auf folgende Arten geschieht und der Klimaraum
in dem sich ein zu untersuchendes Projekt liegt.:
Wärmeleitung
In festen Körpern findet ein Temperaturausgleich durch Übergang der der
Bewegungsenergie von Molekül zu Molekül statt, der als Wärmeleitung bezeichnet
wird. Die Wärmeleitfähigkeit gilt als Stoffkonstante und ist abhängig
von der Rohdichte des Stoffes, von der Art, Grösse und Verteilung der
Poren, von der mineralischen Struktur und von der Feuchtigkeit des Stoffes.
Wärmeströmung
In flüssigen und gasförmigen Stoffen wird Wärme übertragen, indem Masseteilchen,
an die Wärme gebunden ist, ihre Lage verändern. Dis erfolgt auf Grund
von Druckunterschieden in der Regel als Folge von Temperaturdifferenzen.
Es ist ein stoffgebundener Vorgang und es handelt sich dabei in der Regel
um Luft oder Wasser. Warme Luft wird z.B. leichter, dehnt sich aus und
steigt auf. Dadurch strömt kühlere Luft nach und es entsteht eine kontinuierliche
Luftbewegung. Man nennt dies eine natürliche oder mit mechanischer Unterstützung
künstliche Konvektion.
Wärmestrahlung
Sonnenstrahlen durchdringen sowohl luftleeren Raum oder gasgefüllte Körper,
ohne sie zu Erwärmen. Sind zwei verschieden temperierte Körper nur durch
ein strahlendurchlässiges Medium (Luft) voneinander getrennt, setzt eine
Strahlung vom wärmeren Körper zum kälteren ein. Mann nennt dies eine
Wärmeabstrahlung. Die Sonnenstrahlung ist eine kurzwellige Lichtstrahlung,
Strahlung von festen Körpern ist langwellige Infrarotstrallung.
Der Klimaraum
Der Klimaraum indem sich ein Objekt findet ist massgeblich beteiligt
wie ein Projekt energetisch zu planen ist und setzt sich aus folgenden
Faktoren zusammen:.
Aussentemperatur
Aus der minimalen- und maximalen Tagestemperatur, sowie aus dem monatlichen
Durchschnittswert leiten sich die Heiztage für die Wärmebedarfsrechnung
ab.
Luftfeuchtigkeit
Die relative und die vorhandene Luftfeuchtigkeit bilden die Faktoren.
Nebel ist ein gutes Wärmeleitmedium und erhöht den Wärmeverlust eines
Gebäudes.
Windrichtung und Windgeschwindigkeit
Massgeblich ist die jährliche Windhäufigkeit die dominierende Windrichtung.
Niederschlag
Massgeblich sind Niederschlagsmenge, Zeitpunkt und Niederschlagsart (Regen,
Schnee, Hagel)
Globalstrahlungsverhältnisse
Gemessen in Wh / qm / Monat, das heisst die Sonneneinstrahlung auf 1
qm horizontaler Fläche.
Sonnenscheindauer in Stunden
Gemessen in Stunden pro Monat, als Grundlage zur Speicherdimensionierung
und den solaren Heizungsbeiträge.
Sonnenstand
- Sonnenstrahlung
Sonnenkarten und Sonnendiagramme
Zwei anschauliche und farbenfrohe Produkte des SIR helfen Ihnen zur Beurteilung
der Besonnungssituation an jedem Ort in Salzburg. Sie sind damit für
Zwecke der Energienutzung, Gebäudeplanung, Raumordnung und vieles andere
mehr einsetzbar.
Die SIR-Sonnenkalender sind für jede Gemeinde des Landes Salzburg verfügbar.
Sie zeigen Ihnen besonders anschaulich, wo die "schattigen Flecken" und
die "sonnigen Plätzchen" liegen. Mit Sonnenkalendern kann für alle 12
Monate beurteilt werden, wieviele Stunden pro Tag eine beliebige Fläche
im Land von der Sonne bestrahlt wird, bzw. wie lange sie durch das umgebende
Gelände abgeschattet wird.
Besonnungsdiagramme sind Detailstudien z.B. für einen konkretes Grundstück.
Sie erlauben sogar das Ablesen von Uhrzeiten an denen die Beschattung
des Platzes durch das Gelände einsetzt oder endet.
Die Grundlage dafür bilden astronomische Programme, ein landesweites
digitales Geländemodell und Eigenentwicklungen im GIS-Bereich des SIR.
Beispiel für einen Sonnenkalender - Sonnenkalenderausschnitte
Grödig:
Sonnenlicht und -wärme sind sowohl wichtige Faktoren für das menschliche
Wohlbefinden, als auch für diverse Formen umweltfreundlicher Energienutzung.
Gerade in einem Gebirgsland wie Salzburg gibt es jedoch Gebiete,
die für unterschiedliche, z.T. sehr lange Zeiträume vom Gelände
beschattet werden. Die im Beitrag vorgestellten Simulationsergebnisse
- Besonnungsdiagramme, Besonnungskarten für Einzelzeitpunkte, Karten
der Sonnenscheindauer - dienen der leicht verständlichen Illustration
von komplexen, orographisch bedingten Besonnungs- und Abschattungsverhältnissen.
Das Licht und die Wärme der Sonne spielen eine enorme Rolle für das
geistige und körperliche Wohlbefinden des Menschen. Parallel zu diesen
positiven Effekten liefert uns die Sonne zusätzlich kostenlose, saubere
Energie. Gerade in gebirgigen Regionen wie im Land Salzburg beeinflußt
jedoch das Gelände durch seine Abschattungswirkung die Menge und
Zeitdauer der Sonnenstrahlung, welche die Erdoberfläche tatsächlich
erreicht, teilweise erheblich.
Die Beobachtung dieser orographisch bedingten Schattenwirkung
ist allerdings durch den laufenden Positionswechsel der Sonne im
Tages- und Jahreslauf recht schwierig. Zwar haben viele Menschen
in ihrer persönlichen Umgebung recht gute Kenntnisse über besondere
Zeitpunkte im Jahr, an denen die Sonne beispielsweise "das erste
Mal nach dem Winter den ganzen Nachmittag wieder über den Berg
kommt" oder ähnliches. Weiters gibt es auch Messungen der Sonnenscheindauer
an ausgewählten meteorologischen Stationen. Aber erst die GIS-Simulation
ermöglicht in Verbindung mit digitalen Geländemodellen ein recht
universelles, flächendeckendes und je nach Geländemodell auch kleinräumiges
Simulieren und Modellieren des Phänomens "Sonne und Geländeschatten".
Das Salzburger Institut für Raumordnung und Wohnen als Forschungs-,
Planungs- und Beratungseinrichtung möchte dieses Thema im Bundesland
Salzburg besonders für den Anwendungsbereich Raumordnung - Bauen
- Wohnen - Energie in leicht verständlicher Form aufbereiten. Der
vorliegende Beitrag zeigt verschiedene Formen anschaulicher Ergebnisse,
die durch Kombination von detaillierten Sonnenstandsdaten, Geländemodell,
topographischen Karten und GIS-Modellierung erarbeitet wurden.
Der "Lauf der Sonne" als tages- und jahreszeitliche Bewegung der Sonne
am Himmel über einem Beobachter auf der Erdoberfläche entsteht durch
die Kombination der Erddrehung mit der Bewegung der Erde um die Sonne.
Diese Sonnenbahn am Himmel läßt sich in Form einzelner Kurven für besonders
aussagekräftige Tage darstellen. Diese Kurvendiagramme unterscheiden
sich dabei je nach geographischer Breite des Standortes mitunter erheblich.
Die X-Achse eines derartigen Diagramms stellt die Himmelsrichtung
dar, in der sich die Sonne aus der Sicht eines Beobachters mit
definiertem Standort befindet. Im Fall von Salzburg variiert beispielsweise
die Himmelsrichtung des Sonnenaufgangs je nach Jahreszeit von Südost
bis Nordost. Die Y-Achse zeigt die Winkelhöhe der Sonne über dem
Standort in Altgrad. Die Höhe der Sonne bestimmt zusammen mit der
Geländeform die Dimension des Geländeschattens. Die starke jahreszeitliche
Variation der Sonnenhöhe zu Mittag läßt erahnen, wie unterschiedlich
groß der Schatten ein und desselben Berges im Winter und im Sommer
ausfallen kann. Die Länge der Sonnenkurven veranschaulicht die
jahreszeitlich unterschiedliche Tageslänge, die auch an den Sonnenaufgangs-
bzw. Untergangszeiten abzulesen ist.
Zur Beurteilung der Schattenwirkung des Geländes benötigt man
nun noch den Verlauf des Geländehorizonts, wie er sich vom bestimmten
Standort aus ergibt. Dieser Geländeverlauf kann mittels Theodolit
oder Heliograph (R. KRISMER, 1997) vom Standort aus genau vermessen
werden. Im gegenständlichen Beispiel wurde er für eine grobe Abschätzung
der Geländewirkung direkt aus einem landesweit verfügbaren Geländemodell
mit 50x50 Meter Rasterweite errechnet.
" Mit einem Blick" läßt sich nun ablesen, zu welchen Jahres- und
Tageszeiten die Sonne vom Gelände verschluckt wird, wann also ein
vom Gelände verursachter Schatten auf den Beobachtungstandort fällt.
Dies trifft immer dann zu, wenn die Sonnenkurven im grauen Bereich
des Geländes verlaufen. Liegen die Kurven höher als das Gelände,
scheint am Standort die Sonne - sofern sie nicht durch Wolken oder
lokale Objekte wie Bäume oder Gebäude verdeckt ist.
Das beiliegende Diagrammbespiel (Abbildung 1) beschreibt eine
Straßenkreuzung im Süden der Stadt Salzburg in der Siedlung Fürstenbrunn.
Südlich dieses Gebiets erhebt sich der Untersberg, der den Talboden
um rund 1400 Meter überragt und im Diagramm deutlich zu erkennen
ist. Der zweite, weiter westlich gelegene Bergrücken ist sehr viel
niedriger, liegt dem Standort aber viel näher. An den Kurvenverläufen
wird sichtbar, daß die Sonne im Winter diesen Standort zwischen
Ende November und Ende Jänner nur zwei Stunden pro Tag erreicht.
Zur "dunkelsten" Zeit liegt der Standort praktisch den ganzen Tag
im Schatten des Untersberges.
Derartige Diagramme charakterisieren einen einzelnen Standort
sehr gut und eignen sich besonders für einen Vergleich von einzelnen
Standortvarianten, z.B. bei der Auswahl zwischen mehreren Grundstücken
für den Hausbau.
Die Veränderung der besonnten bzw. beschatteten Bereiche im Verlauf
eines Tages in Form von animierten Karten zählt zu den anschaulichsten
Möglichkeiten, die Auswirkungen des "Laufs der Sonne" zu demonstrieren.
Kartenserien bilden die besonnten und beschatteten Gebiete in
einen bestimmten Raumausschnitt auf dem Hintergrund einer topographischen
Karte zu frei gewählten Zeitpunkten ab, z.B. zu jeder Stunde am
21. Dezember. Läßt man diese Kartenbilder hintereinander am Computerbildschirm
ablaufen, erhält man einen sehr lebendigen Eindruck der Besonnungsbedingungen.
Man erkennt dabei beispielsweise sehr gut, wie weit ein bestimmter
Berg an diesem kürzestem Tag im Jahr seinen Geländeschatten ins
Tal wirft, oder ab/bis wann ein Gebiet Sonnenstrahlung erhält.
Interessante Vergleiche ergeben sich, wenn man diesen stündlichen
Ablauf nun für verschiedene, markante Tage im Jahr durchspielt.
Diese Darstellungsform eignet sich optimal für Lehrzwecke.
Die untenstehende Kartenabbildung (Abbildung 2) zeigen ein Beispiel
eines Tagesablauf, wieder mit dem Untersberg, direkt südlich der
Salzburger Stadtgrenze, am 21. Dezember, dem kürzesten Tag mit
dem niedrigsten Sonnenstand im Jahr: Am Vormittag erreicht die
Sonne die Ostflanke des Berges und auch den Talboden im Norden
des Berges. Über Mittag wandert der Bergschatten nordwärts, gibt
den nordwestlich angrenzenden Talboden kurzzeitig frei und verschluckt
um 15.00 bereits wieder den gesamten Gebietsausschnitt.
Weitergehende, regionale Vergleiche der Besonnungsverhältnisse verlangen
neben der obigen Beobachtung von Einzelstandorten (Diagramm) oder Einzelzeitpunkten
auch generelle Überblicksinformation. Dazu eignen sich besonders Darstellungen,
welche die potentielle Sonnenscheindauer eines Gebiets in Abhängigkeit
vom Gelände und von der Jahreszeit ausweisen.
Dazu ist es nötig, im GIS-Modell für feine Zeitintervalle (z.B.
10 Minuten) großflächige Einzelberechnungen zur regionalen Besonnung
bzw. Beschattung durchzuführen und sie dann für den jeweils interessanten
Zeitraum zusammenzufassen. Als Ergebnis können beispielsweise stundenweise
abgestufte Zonen ausgewiesen werden, die potentiell gleich lange
volles Sonnenlicht erhalten oder auch Zonen, die im gewählten Zeitraum überhaupt
keine direkte Sonnenstrahlung erhalten. Diese Simualtionsergebnisse
sind besonders aussagekräftig, wenn sie über mehrere Zeiten berechnet,
dann nebeneinander gestellt werden und somit einen längeren, jahreszeitlichen
Vergleich zulassen.
Vom November bis Jänner erhält der südliche Teil der Ortschaft
Fürstenbrunn teilweise überhaupt keine direkte Sonne, teilweise
nur ein bis zwei Stunden (siehe Besonnungskarten der Einzelzeitpunkte,
Abbildung 2). Die beiliegende Sonnenscheindauerkarte (Abbildung
3) illustriert wieder das oben beschriebene Gebiet, diesmal Mitte
Februar. Im Februar ist der südliche Teil der Siedlung Fürstenbrunn
weiterhin besonnungsmäßig benachteiligt. Der nördlich angrenzende
Teil erhält jedoch nun schon 8-9 Stunden Sonne und somit mehr als
die Siedlung Grödig, direkt im Osten des Untersberges. Der Schatten
des Berges, der im Dezember speziell die Bergnordseite trifft,
liegt im Februar besonders lange über dem östlichen Talboden. Der
Grund liegt im höheren Sonnenbogen, der nun auch schon weiter nach
Osten bzw. Westen reicht, im Dezember nur von Südost bis Südwest
(siehe Grafik Besonnungsdiagramm).
Alle Berechnungen basieren auf einer ARC-INFO-GRID-Applikation
des SIR. Damit werden sowohl die Geländehorizonte für die Besonnungsdiagramme
ermittelt, als auch die Besonnungskarten errechnet. Als Grundlagen
für die Sonnenstandsdaten stehen diverse astronomische Tabellen
oder Programme zur Verfügung. GIS-Datengrundlage war überall ein
Geländemodell des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen mit
einem 50x50 Meter Raster. Daraus ergibt sich von vornherein eine
gewisse Ungenauigkeit. Sie kann sich besonders bei lokal sehr stark
schwankenden Geländehöhen aus, die durch die Rasterweite unter
Umständen "verschluckt" werden. Besonders bei den Horizontdiagrammen
kann der relativ grobe Raster stark wirksam werden, wenn sehr nahe
des Standortes große Höhendifferenzen zum Standort auftreten.
Gebäude, Baumbestände und Witterungsverhältnisse finden im Modell des
SIR keine Berücksichtigung. Dies hätte erst Sinn, wenn die Genauigkeit
aller Ausgangsdaten für lokale, kleinsträumige Auswertungen extrem erhöht
würde. Dazu erscheinen Horizontaufnahmen durch Vermessung vor Ort geeigneter.
Deren Gültigkeit schwankt allerdings unter Umständen schon innerhalb
weniger Meter, speziell auch vertikal, z.B. Vergleich Erdgeschoß erster
Stock. Die Produktion von Karten auf Basis zahlreicher einzelner Horizontaufnahmen
verlangt anschließend zahlreiche Interpolationsschritte um zu flächendeckenden
Aussagen zu kommen (H. RÖCK, 1987).
GIS-Raster-Analysen können jedoch auch mit sehr hochauflösenden
Geländemodellen angewandt werden, wie z.B. SCHAAB und LENZ 1999
anhand von Vegetationsbeständen oder HERMESMEYER, ILSEMANN und
RIENK (1999) anhand eines LaserScan-Höhenmodells von Gebäuden der
Stadt Ravensburg und deren Einstrahlungsparametern zeigen.
Die Domäne der besprochenen Simulationen des SIR bleibt der Kartenmaßstabsbereich
um 1:20000 und kleiner. Insgesamt liegt die Stärke dieser Auswerteformen
sicherlich im regionalen Überblick, der großräumigen Flächendeckung,
der Nachvollziehbarkeit, sowie natürlich im Sichtbarmachen und
Vereinfachen eines komplexen dynamischen Prozesses - des Laufs
der Sonne.
Um günstige Voraussetzungen für einen Bauplatz in einer natürlichen Umgebung
zu erkennen und zu nutzen, muss zuvor untersucht werden welche klimatologische
und landschaftlichen Eigenschaften vorhanden sind. Dadurch werden alle
Kriterien für den Energieverbrauch und ev, Energiegewinn ermittelt. Das
Grundstück ist durch seine Höhenlage, seine geographische und topographische
Situation bestimmt. Der Heizenergieverbrauch wird neben den bauphysikalischen
Eigenschaften auch von den makro- und mikroklimatischen Einflüssen bestimmt.
Am Beispiel des Salzburger Klimakalender http://www.geo.sbg.ac.at/projects/klimastudie/index.htm
kann die Klimasituationeines Standortes im Jahrsablauf verfolgt werden:
Wie Standortphänomene die Energiebilanz beeinflussen
kann am Beispiel der Stadt. Wärmeinsel in Salzburg gezeigt werden:
Die städtische Wärmeinsel von Salzburg zeigt im Mittel Temperaturdifferenzen
von 1.5°K. Die größten Differenzen zwischen Mirabellplatz und Flughafen
treten während der Nacht auf. Dies ist im Winter überwiegend auf die
Abwärme der beheizten Gebäude, im Sommer auf die erhöhten Temperaturen
der versiegelten Flächen (z.B. am Mirabellplatz) zurückzuführen. So erscheint
die Wärmeinsel in den Monaten Februar, Mai, Juli und August am intensivsten.
Dass der Juni die Periode Mai bis August unterbricht, könnte als Auswirkung
häufigerer atlantischer Störungen zu deuten sein. Diese Zweigipfeligkeit
der Wärmeinsel wird auch von FEZER auf Grundlage zahlreicher Publikationen
für den Raum München - Wien beschrieben. (FEZER, 1995, S 53ff).
Es sind sowohl negative als auch positive Aspekte der städtischen Wärmeinsel
auf das menschliche Wohlbefinden zu beachten. Die Stadtbewohner empfinden
hohe Lufttemperatur und Luftfeuchte als negativ. Zusätzlich ist die Windgeschwindigkeit
in der Stadt geringer. Die Wärmebelastung wird somit noch erhöht. Demgegenüber
wird es aber als angenehm empfunden, dass speziell an Sommerabenden die
Temperaturen in der Stadt höher sind und so Gelegenheit für zahlreiche
Aktivitäten im Freien besteht.
Im Winter bewirkt die städtische Wärmeinsel einen geringeren Energiebedarf
im Zentrum, zusätzlich ist im Zentrum die Windgeschwindigkeit herabgesetzt.
Jahres- und Tagesgang der Wärmeinsel von Salzburg, Temperaturdifferenzen
zwischen Mirabellplatz und Flughafen
Sonnenscheindauer
Die Strahlung der Sonne wird nach Tages- und Jahresgang differenziert.
Unabhängig von der Bewölkung und dem Witterungsverlauf ergäbe sich ein
astronomisches Strahlungsmaximum im Juni sowie ein Strahlungsminimum
im Dezember. In Salzburg kommt es, beeinflusst durch den europäischen
Sommermonsun (vermehrte NW-Wetterlagen mit Schlechtwetter) jedoch zu
dem relativen Strahlungsmaximum erst im August. Im Juni vermindert sich
sogar die Sonnenscheindauer gegenüber dem Mai. Juli und August zeigen
jedoch fast die gleiche Anzahl an Sonnenscheinstunden. Zwischen 1987
und 1998 wurden bei der Station Freisaal durchschnittlich 1710 h und
50 min Sonnenschein im Jahr registriert.
Mittlere registrierte Sonnenscheindauer/ h , Freisaal 1987
- 1998
Besonnungskarten
Zusätzlich beeinflusst das Gelände die Dauer der potentiellen Sonnenscheindauer.
In Salzburg ergeben sich durch die Stadtberge sowie durch die Beckenlage
räumlich markante Unterschiede. Sonne und Wärme sind wichtige Faktoren
für das Wohlbefinden, und damit ist auch die Dauer des Sonnenscheins
ein wichtiges Qualitätsmerkmal für Siedlungsgebiete.
Durchströmung der bodennahen Luftschicht
Die Durchströmungsverhältnisse in einer Stadt sind für die klimatische
und lufthygienische Situation von großer Bedeutung. Ein intakter vertikaler
und horizontaler Luftaustausch bewirkt zum Einen eine Abschwächung der
städtischen Wärmeinsel, zum Anderen die Erneuerung der mit Schadstoffen
kontaminierten Stadtluft. Ist Letzteres besonders aus lufthygienischer
Sicht bedeutend, stellt die klimatische Komponente einen wichtigen energetischen
Faktor dar.
Mikroklima
Das Mikroklima kann durch die unmittelbare Umgebung des Bauwerkes beeinflusst
werden und Auswirkungen auf den Energiebedarf haben wie z.B.:
Kaltluftschichten in Tallagen
Beschattung durch Buschwerk und Wald
Windschutz durch Buschwerk und Wald
Strahlenreflektierende Wasserflächen
Exponierte Höhenlage
Besonnte ruhige Flachlagen mit lichtem Wald
Offene Süd- und Hanglagen
Diese Faktoren sind bereits bei der Widmung von Bauland und Bebauungsplänen
zu berücksichtigen.
Standortstrategien für Passive Solarnutzung
In nördlichen oder alpinen Gebieten in denen die Tageshöchsttemperaturen
selten über 30° C steigen ist eine Gebäudegeometrie zu suchen die voll
auf die Südausrichtung orientiert ist. Die sonnen- abgewandten kalten
Seiten sind durch räumliche Puffer und gepflanzten oder gebauten Schutzmassnahmen
gegen Wind und Wetter zu schützen.
In wärmeren Gegenden wie in der ungarischen Tiefebene würde eine Südausrichtung
im Sommer unerträglich sein und zusätzlicher Sonnenschutzeinrichtungen
bedürfen. Ein Aufenthalt im Freien an der Südseite eines Hauses ist im
Sommer unerträglich. Deshalb haben sich auch traditionelle Bauformen
entwickelt bei denen die schmale Giebelseite nach Süden orientiert ist
und die lange Ostseite, machmal sogar die Nordseite eines Hauses zum
Aufenthalt und Arbeiten genutzt wird.
Ab dem späten Vormittag liegt der Laubengang bereits im Schatten und
ist nicht so Aufgewärmt!
Im Winter ermöglicht die Nordsüdausrichtung an der langen Ostseite bereits
eine volle Ausnutzung der Vormittagssonne. Die Südseite hat bedingt durch
die Situation im Sommer, kleine Fenster und bietet im Winter eine grosse
Speicherfläche als Sonnenwand, ebenso die Westwand.
Solares
Innenraumkonzept
Bei der Konzeption der Innenräume unter Berücksichtigung der solaren
Faktoren muss auch die Klimazone berücksichtigt werden, indem das Objekt
stehen wird. Dabei muss für die Wohn- und Aufenthaltsräume mit einer
erforderlichen Raumtemperatur von 20° der Standort gefunden werden
der im Sommer und im Winter der optimale ist. Thermisch besonders zu
Schützen sind die Nassbereiche wie das Bad mit einer erforderlichen
Raumtemperatur von 24°. Diesen primäre Räumlichkeiten sind Temperaturpufferzonen
zuzuordnen wie Windfang, Eingang, WC, Abstellräume, Schrankräume, Hausarbeitsräume
und Hobbyräume die gegen die kalten Aussenseiten schützen sollen. .
In nördlichen oder alpinen Gebieten in denen die Tageshöchsttemperaturen
selten über 30° C steigen ist eine Gebäudegeometrie zu suchen die voll
auf die Südausrichtung orientiert ist. Die sonnen- abgewandten kalten
Seiten sind durch räumliche Puffer und gepflanzten oder gebauten Schutzmassnahmen
gegen Wind und Wetter zu schützen.
n wärmeren Gegenden wie in der ungarischen Tiefebene würde eine Südausrichtung
im Sommer unerträglich sein und zusätzlicher Sonnenschutzeinrichtungen
bedürfen. Ein Aufenthalt im Freien an der Südseite eines Hauses ist
im Sommer unerträglich. Deshalb haben sich auch traditionelle Bauformen
entwickelt bei denen die schmale Giebelseite nach Süden orientiert
ist und die lange Ostseite, machmal sogar die Nordseite eines Hauses
zum Aufenthalt und Arbeiten genutzt wird.
Ab dem späten Vormittag liegt der Laubengang bereits im Schatten und
ist nicht so Aufgewärmt!
Im Winter ermöglicht die Nordsüdausrichtung an der langen Ostseite
bereits eine volle Ausnutzung der Vormittagssonne. Die Südseite hat
bedingt durch die Situation im Sommer, kleine Fenster und bietet im
Winter eine grosse Speicherfläche als Sonnenwand, ebenso die Westwand.
Sonnenschutz statisch,
beweglich, transparent
Südorientierte Flächen erhalten in den Übergangszeiten und im Sommer
zuviel Sonneneinstrahlung und ohne Sonnenschutz währen südorientierte
Räumen mit grossen Fensterflächen nicht bewohnbar. Deshalb müssen hier
Sonnenschutzvorkehrungen getroffen werden. Man unterscheidet.
Statischen Stationären Sonnenschutz
Dazu zählen alle gebauten Vorkehrungen wie Vordächer, Balkone, statische
Sonnenlammellen und Wäandteile in horizontaler und vertikaler Richtung..
Dafür muss ein Abschattungsdiagramm erstellt werden welches von der Himmelrichtung
der Sonnenschutzeinrichtung und von der geografischen Lage des Standortes
beeinflusst wird.Versucht wird zu erreichen dass in der Heizperiode eine
Besonnung der Fensterflächen gewährleistet ist und sonst eine Beschattung
erfolgt.
Beweglichen Sonnenschutz
Dazu gehören Rollläden, bewegliche Lammellen, Fensterläden und Markisen.
Die ersten beiden ermöglichen auch bei geeigneter Ausführung einen Wärmeschutz
im nächtlichen Winter. Bei Rolllädenund beweglichen Lamellen ist im letzterem
Fall darauf zu achten,dass es keine Kältebrücken durch Bedienungseinrichtungen
gibt.
Transparenten Sonnenschutz
Er ist in der Lage Sonnenstrahlung zu filtern, wie z.B. die Lichtstrahlung,
UV-Strahlung, Wärmestrahlung. Es gibt dazu mehrere angewendete und in
der Entwicklung befindliche Systeme:
Mit keramischen Farben beschichtetes Glas. Die Farben werden durch den
speziellen Herstellprozeß fest mit dem Glas verbunden. Die Farbenerfüllen
noch weitere Funktionen. Reduzierung der Sonneneinstrahlung, Verringerung
der Blendung, Sichtschutz, Lichtstreuung, Sicherheit, etc. Durch den
Farbauftrag wird der Strahlungsdurchlaß verringert und damit der Beschattungsfaktor
verbessert. Der Verbesserungsgrad steht im direkten Verhältnis zum Bedruckungsgrad
und der gewählten Farben. Die Wahl der Farbe beeinflußt die Lichtdurchlässigkeit
und den Energiedurchlaß. Generell haben hellere Farben eine höhere Lichtdurchlässigkeit
als dunklere Farben. Helle Farben bieten auch den Vorteil einer größeren
Energiereflexion und damit einer geringeren Wärmeaufnahme als dunkle
Gläser, die dann ihr hohes Wärmepotential über die Sekundärabgabe (auch
nach innen) abstrahlen. Keramische Farben erreichen durch den Einbrennvorgang
folgende Eigenschaften:
-abriebfest
-säurebeständig (außer Flußsäure)
-weitgehend laugenbeständig
-lösungsmittelbeständig
-UV-beständig (Lichtechtheit nach Wollskala Wert 8, zum Vergleich organische
Farben z.B. Lacke haben den Wert 4)
-temperaturwechselbeständig bis ca. 150 K bei Einscheibensicherheitsglas
und bei teilvorgespanntem Glas bis ca. 100 K.
-Opake Farben haben deckende Eigenschaften, sind blickdicht und nahezu
lichtundurchlässig. Sie eignen sich für strahlungstechnische Anwendungen.
-Transluzente Farben sind Anmischungen aus opaken Farben und ebenfalls
blick- dicht. Ihre besonderen Eigenschaften bestehen in der guten Lichtstreuung
und Lichtdurchlässigkeit, die teilweise bis über 40 % variiert werden
kann. Mit transluzenten Farben beschichtete Gläser eignen sich besonders
für hinterleuchtete Anwendungen wie z.B. Lichtdecken, Reklameschilder
oder Informationstafeln.
-Transparente Farben haben eine hohe Lichtdurchlässigkeit und sind
nicht blickdicht. Im Gegensatz zu den opaken Farben haben transparente
Glasfarben eine geringere Resistenz gegenüber sauren und alkalischen
Flüssigkeiten. Deshalb sollte bei Fassadengestaltungen der Farbauftrag
auf der raumzugewandten Seite erfolgen.
Der Farbauftrag erfolgt im Siebdruckverfahren oder durch Walzen
.
Der (aufwendigere) Farbauftrag im Siebdruckverfahren
bewirkt eine homogene besonders feine Oberfläche, die bei Lichtdurchflutung
eine ausgezeichnete Lichtstreuung erzeugt.
Einbrennvorgang
Die aufgetragene Farbe wird bei ca. 650 °C eingebrannt (emailliert).
Gleichzeitig wird durch die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit das Glas
wärmeverfestigt (vorgespannt).
Bedruckungsgrad
Mit dem Bedruckungsgrad wird das Verhältnis von bedruckter Fläche zur
Gesamtfläche einer Glaseinheit ausgedrückt. Die Wahl des Dekors bestimmt
den Bedruckungsgrad. Umgekehrt können, ausgehend von einem gewünschten
Bedruckungsgrad, neue Dekore definiert werden. Die Einheit und Angabe
des Bedruckungsgrades a erfolgt in %.
Die Farbwirkung der Beschichtung bei der Durchsicht
stark verändert wird.
Glasdicke
Die Glasdicke übt einen direkten Einfluß auf die Lichtdurchlässigkeit
und den Gesamtenergiedurchlaß aus. So beträgt die Lichtdurchlässigkeit,
bezogen auf die Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges, einer 5
mm Floatglasscheibe ca. 89 %. Der Gesamtenergiedurchlaß beträgt ca. 84
% bei gleicher Scheibendicke. Beide Werte nehmen mit zunehmender Scheibendicke
ab. Daneben wird durch die zunehmende Glasdicke die Farbwirkung einer
Farbbeschichtung verändert.
Metallbeschichtungen
Weitere Parameter, die die strahlungstechnische und optische Qualität
beeinflussen können sind dann zu berücksichtigen, wenn metall(oxid)beschichtete
Sonnen- bzw. Wärmeschutzgläser in die Konfiguration einbezogen werden.
Das Prinzip dieser Beschichtungen beruht darin, daß bestimmte Strahlen
(insbesondere im sichtbaren Wellenbereich 380 - 780 nm) durchgelassen
werden, andere Strahlen (über 780 nm Wellenlänge) durch die aufgebrachte
Schicht zurückgeworfen d.h. reflektiert werden. Die Beschichtungen sind
auch für die Farbgebung (z.B. silber, gold) verantwortlich .
Gaschrome Fenster. Die Fenster lassen sich auf Knopfdruck verdunkeln.
Für die blaue Färbung sorgen dünne Wolframoxid-Schichten. Ein Elektrolyseur
zersetzt dazu Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Wird der Edelgasfüllung
im Scheibenzwischenraum der gaschromen Verglasung ein wenig Wasserstoff
beigemengt, so färbt sich die Wolframoxidschicht blau. Durch Beimengung
von Sauerstoff verschwindet die Farbe wieder. Die erforderlichen Konzentrationen
des Schaltgases liegen unter einem Prozent, so dass der Elektrolyseur
klein gehalten und mühelos in die Fassade integriert werden kann. Die
gaschromen Fenster stehen kurz vor der Marktreife.
Intelligente Kunststoffschichten . Diese werden genutzt, um die Lichtdurchlässigkeit
von Verglasungen gezielt zu verändern.
Thermotrope Systeme. Hier verändern die Gläser bei einer bestimmten Temperatur
ihre Transmission. An heißen Sommertagen sind die Scheiben milchig weiß,
an kalten, aber sonnigen Wintertagen bleiben sie transparent, damit die
Solarenergie genutzt werden kann.
Mikrostrukturierte Oberflächen. Die feinen Strukturen lenken das Licht
in eine gewünschte Richtung. Steht die Sonne im Sommer hoch, werden die
Strahlen von den schräg hervorragenden, winzigen »Nasen« reflektiert.
Die flach einfallende Wintersonne kann dagegen durch die Scheibe dringen.
So gelangen Licht und Wärme in die Räume.
Wärmespeicherung
Primäre und sekundäre Wärmespeicherung in Innenräumen
Sonnenfenster als Sonnenkollektor
Das Fenster wird als Sonnenfenster definiert, wenn die Sonneneinstrahlung
abzüglich unvermeidbarer Transmissionswärmeverluste während der gesamten
Heizperiode eine positive Energiebilanz aufweist.
Die Wirkungsweise hängt von mehreren Faktoren ab:
Örtliche Globalstrahlungsverhältnisse
Fensterorientierung
Thermische Qualität der Verglasung, ( Strahlungsdurchlässigkeit und Wärmedurchgangszahl
k)
Wärmedämmung in der Nacht (beweglich)
Art- und Kapazität der Wärmespeicherung im Innenraum
Zusätzliche Sonnenreflektoren (Schnee, Gewässer)
Elastisches Heizsystem mit thermostatischer Steuerung
Primäre und sekundäre Wärmespeicherung in Innenräumen Wintergarten
/ Glashaus
Eine Sonnenveranda, Sonnenloggia oder Glashaus / Wintergarten kann als
passives Sonnenheizsystem angesehen werden, wenn es gegenüber dem anliegenden
Innenraum (t innen = +20°) über die Heizperiode zu einer positiven Wärmebilanz
kommt.
Zusätzlich zu den Kritärien beim Sonnenfenster kommen noch folgende faktoren
für eine Bewertung hinzu:
Sommerliche Abschattung und Entlüftung
Die natürliche Luftkonvektion mit den Innenräumen des Gebäudes
Regelung der Luftkonvektion im Glashaus und Zusatzheizung im Innenraum
des Gebäudes
Primäre und sekundäre Wärmespeicherung in Innenräumen Sonnenwand
/ Trombenwand
Sie wird definiert, dass sie gegenüber beheizten Innenräumen eine um T
= +2° C positive Wärmebilanz über die gesamte Heizperiode aufweist. Die
Trombenwand besteht aus der massiven Speichermasse als Wand die schwarz
gestrichen ist und einer transparenten Abdeckung. Die Wirkung ist gleich
eines Sonnenkollektors. In der Nacht muss diese Fläche isoliert werden.
Eine Weiterentwicklung ist die Verwendung einer Transparenten Isolierung.
Transparente aneinander gereihte geschlossene Kunststoffröhrchen lassen
das Licht durch, die Wärme jedoch nicht mehr zurück. Im Sommer muss dieses
System jedoch abgedeckt werden, sonst kommt es zu einem Hitzestau. Durch
die Amplitudenverschiebung wir die Wärme von der Wand als Speicherkörper
erst nach 6 12 Stunden an den Innenraum abgegeben. Es wird damit ein
Temperaturausgleich bewirkt.
Zusätzlich zu den vorgenannten Faktoren beim Sonnenfenster und Wintergarten
wird das System noch beeinflusst von:
Wärmedämmung bei Nacht oder der Isolierfähigkeit der Transparenten
Wärmedämmung.
Von der Strahlungsabsorption an der Oberfläche
Von Ventilationsöffnungen zur konvektiven Ankoppelung des absorberseitigen
(Sonnenkollektor) Luftraumes mit dem beheizten Innenraum.Von der Dicke,
Dichte und dem medium der Wärmespeichermasse.
Ausschaltung der Wärmezufuhr während der Sommrermonate (Abschattungsvorrichtungen)
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