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--- grundlagen:sonne:indirekte_waermezufuhr [2024/04/30 22:33] – wfeist
+++ grundlagen:sonne:indirekte_waermezufuhr [2024/04/30 22:47] (aktuell) – [Anwendung: Außenbauteile] wfeist
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   - Im August nämlich ist der Wärmeverlust durch ein solches Bauteil nahezu vernachlässigbar, mit rund 21°C Außenlufttemperatur und einer gewünschten Innentemperatur von 24°C ist der "Kühleffekt" durch ein Bauteil mit U-Wert $U$ gerade das etwa 3-Kelvin-Fache des U-Wertes. Die mittlere Einstrahlung auf Flächen (von Ost- über Süd- bis Westorientierung) beträgt jetzt aber rund 120 Watt/m². Der indirekte Solareintrag, in diesem Fall eine solare Last für den Innenraum, ergibt sich dann zum rund 2-K-Fachem des U-Wertes: In unseren Breiten frisst die indirekte Solarlast im Sommer den "Kühleffekt" durch Wärmeverluste von Außenbauteilen somit zu etwa zwei Dritteln weg. Diesen Effekt dürfen wir nicht vernachlässigen, das ist tatsächlich einer der Gründe, warum es in vielen Wohnungen im Sommer zu heiß wird, mit steigender Tendenz durch den Klimawandel. In südlicher gelegenen Lagen, z.B. schon in Italien oder Spanien, gibt es durch diese Absorption der Solarenergie an nicht extrem hellen Flächen regelmäßig einen Netto-Zusatz-Aufheizeffekt im Sommer. Auch bei uns gilt dies schon für nach Süden geneigte Dächer, die das zwei- bis dreifache der Strahlung erhalten, wie eine vertikal orientierte Wand. Hier wird auch verständlich, warum der bessere Wärmeschutz (Reduzierung von U) hier im Sommer zu einer zusätzlichen Kühlwirkung führt.
   - Der Vollständigkeit halber merken wir hier noch an, dass es aus den oben dargestellten Gründen empfehlenswert ist, die Oberflächen von opaken Außenbauteilen hell (d.h. strahlungsreflektierend) zu gestalten oder zu verschatten((Das kann z.B. auch durch Laubbäume erfolgen)): Der dadurch 'verlorene' indirekte passiv solare Gewinn im Winter ist praktisch unbedeutend; aber die Entlastung von solaren Lasten im Sommer verbessert die sommerliche Behaglichkeit in den Gebäuden erheblich. Die typische Mittelmeer-Insel-Architektur mit den strahlend weiß getünchten Gebäuden illustriert anschaulich, dass die Menschen sich dieser Tatsache schon bald bewusst wurden. Mit zunehmenden Auswirkungen des Klimawandels wird die "weiße Außenoberfläche"((übrigens auf das gesamte Solarspektrum zu beziehen, also inklusive des nahen Infrarot, das Stichwort sind dann die sog. "cool colors")) auch bei uns in Mitteleuropa eine ratsame Maßnahme. Dies hat sogar noch einen weiteren Vorteil: Weil weniger Strahlung absorbiert wird, reduziert sich auch der sog. "Wärmeinsel-Effekt" in den Städten, d.h., auch im Außenbereich unserer Siedlungen wird es dadurch weniger heiß. Das kann eine bedeutende Verbesserung der Lebensqualität bedeuten.
-  - Das sozusagen "andere Extrem" ist die bewusste Erhöhung der Nutzbarkeit der im Bauteil absorbierten Solarstrahlung, um einen erhöhten passiv solaren Gewinn zu erreichen. Das kann auf zwei Wegen erfolgen, für die ebenfalls die oben hergeleitete Gleichung (5-ind) die entscheidenden Hinweise gibt: (a) Der Absorptionsgrad an der strahlungsabsorbierenden Oberfläche kann bewusst erhöht werden (höheres $\alpha$, anschaulich "schwärzere Oberfläche"); damit steigt das passive Angebot proportional. (b) Die Erhöhung des äußeren Wärmedurchlasswiderstanden $R_A$, welcher dafür sorgt, dass absorbierte Energie in geringerem Umfang nach außen und in höherem Umfang nach innen abgeführt wird. Näherungsweise ist auch diese Auswirkung zunächst etwa proportional zur Erhöhung in $R_A$, allerdings im "komplett durchoptimierten" Grenzfall kann $g_{opak}$ natürlich nicht größer werden als 1; letzteres wäre der Fall, wenn der gesamte Wärmedurchlasswiderstand außen vor der Absorberoberfläche liegt - das allerdings wäre dann eine Absorption im Raum entspr. einer 100%igen Transmission der Strahlung nach innen; das kann dann natürlich kein opakes Bauteil mehr sein, es wäre vielmehr ein ideales Fenster((Die exakte Abhängigkeit von $R_A$ kann durch eine einfache Umstellung von (5-ind) erkannt werden: Wir können den Leitwertefaktor wie folgt umschreiben (Kürzen mit $R_A$:\\ \\ $\frac {R_A}{R_A+R_B}=\frac {1}{1+R_B/R_A} $ \\ \\ So wird erkennbar, dass dieser Nutzbarkeitsanteil zunächst, solange $R_A$ klein ist, proportional zu $R_A$ ansteigt. Wird $R_A$ aber "groß gegenüber $R_B$", so geht die Nutzbarkeit asymptotisch gegen 1.)). Praktisch kann eine Erhöhung von $R_A$ z.B. durch eine außen vor die Absorberfläche vorgestellte Glasscheibe erfolgen, oder einer anderen transparenten Fläche, im optimierten Fall eine Verglasung mit geringem U-Wert aber hohem g-Wert. Diese Art Konstruktionen werden generell als sog. "transluzente Wärmedämmung" bezeichnet. Es gab einen regelrechten Hype in der Diskussion solcher Lösungen - und es gibt sogar zertifizierte Passivhaus-Konstruktionen, die nach einem solchen Prinzip arbeiten((Das ist eine sog. Kartonwaben-Wärmedämmung: Wabenkartons, wie aus der Verpackungsbranche bekannt, werden hier als Dämmstoff außenseitig der z.B. gemauerten Fassade verwendet. Den äußeren Schutz bietet z.B. eine Glasscheibe. Die 'Löcher' werden dabei im Optimalfall in Richtung der zur Nutzung der gewünschten Strahlungsquelle ausgerichtet; das kann z.B. der Januarstand der Sonne sein. Die Strahlung dringt dann durch die Löcher in der betreffenden Zeit besonders tief in die Dämmlage ein (dadurch: hoher $R_A$-Wert). Zu anderen Zeiten, z.B. wenn im Sommer die Sonne hoch steht, dringen die Strahlen nur bis Nahe unter der äußeren Oberfläche ein: $R_A$ ist dann geringer, zugleich aber auch $R_B$ höher, so dass trotz der erhöhten Absorption die Netto-Solarlast im Sommer begrenzt wird. Das sind praktikable Lösungen, die sich auch in der Praxis bewährt haben. Eine gewisse Komplikation bei der Einschätzung des Netto-Nutzens solcher Lösungen besteht darin, dass die erzielten passive solaren Gewinne durch diese opaken Bauteile unter genau den gleichen Randbedingungen auftreten, unter denen auch die "konventionellen solaren Gewinne" durch Fenster maximal sind((Eben z.B. an einem klaren Januartag)). Zur korrekten Behandlung müssen diese passive Solarangebote dann ähnlich behandelt werden wie diese Strahlungsangebote durch die Fenster. Ziemlich genau geht dies durch eine umfangreiche dynamische Simulation eines solchen Bauteils im Gesamtkontext des Gebäudes - so werden die effektiven Kennzahlen solcher Systeme bei der Zertifizierung durch das PHI behandelt. Aber auch mit dem PHPP ist eine ausreichend genaue Abschätzung möglich - dies erfolgt dann mit Hilfe einer an (5-ind) angelehnten Gleichung und der Einspeisung des so bestimmten passiv solaren Wärmeangebotes in die Gesamtsumme der verfügbaren freien Wärme, für welche dann ein effektiver "solarer Nutzbarkeitsgrad" des Gebäudes bestimmt wird. Diese Methodik hat sich ebenfalls bewährt.\\ //Zur Gesamtbewertung des Ansatzes einer "transluzenten Wärmedämmung"//: Tatsächlich ist z.B. mit der teil-transluzenten Kartonwaben-Dämmung für eine wenig verschattete südausgerichtete opake Fassade eine höhere Heizwärmeeinsparung erreichbar: Der Netto-Wärmeverlust im Winter kann so auf nahe Null reduziert werden, in gut geeigneten Fällen kann es sogar Netto-Wärmegewinne geben((Reduktion der Verluste dann gegenüber eine ungedämmten Fassade bei 95 bis 110%; eine konventionelle Dämmung "schafft" hier rund 90%)). Allerdings steigt die Übertemperaturhäufigkeit im Sommer in den Räumen angrenzend an die transluzent gedämmte Fassade signifikant an((rund 5 bis 12% häufigere Übertemperaturen)). In sommerheißen Lagen wird sich unter diesen Umständen eine Notwendigkeit zur aktiven Kühlung kaum vermeiden lassen - das wiederum wird wohl in der Zukunft auf Grund des Klimawandels ohnehin weitgehend auch für konventionelle Gebäude, unabhängig von deren Wärmeschutz, der Fall sein: Mit aktiver Kühlung erhöht sich der Kühlkältebedarf durch eine optimierte transluzente Wärmedämmung dann um rund 4 bis 10 kWh/(m²a) - dementsprechend werden dafür rund 1 bis 3 kWh<sub>el</sub>/(m²a) an elektrischer Energie im Sommer mehr verbraucht. Diese sind künftig jedoch leicht aus erneuerbarer Energie beisteuerbar; die erforderliche Vergrößerung der PV-Flächen dafür ist nicht bedeutend. Die Einsparung beim Heizwärmebedarf gegenüber einem opak wärmegedämmten Standardfall liegt bei rund 6 bis 10 kWh/(m²a) Heizwärme. Der COP der Wärmeerzeugung durch Wärmepumpen im Winter ist ist allerdings geringer, so dass die dabei im Winter eingesparte elektrische Energie rund 2 bis 4 kWh<sub>el</sub>/(m²a) beträgt. Für die Bereitstellung von Strom zu Raumheizzwecken, insbesondere durch Wärmepumpen, ist eine etwa 1,75fach erhöhte ganzjährige Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie erforderlich ([[grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt|PEr-Faktor Heizung]]). Der zuvor erwähnte leicht zu deckende sommerliche Mehrbedarf (1 bis 3 kWh<sub>PEr</sub>/(m²a) erneuerbare Primärenergie) wird also durch die Reduktion im Winter (3,5 bis 7 kWh<sub>PEr</sub>/(m²a) mehr als ausgeglichen. Setzen wir eine Möglichkeit zur effektiven aktiven Kühlung voraus, so bieten optimierte transluzente Dämmsysteme tatsächlich ein weiteres Potential zur Erleichterung der Energiewende. Zu bedenken ist freilich, dass entsprechende Flächen auch stattdessen mit PV-Paneelen belegt werden können. Diese können dort rund 70 kWh/(m²a) an elektrischer Energie liefern - das ist weit mehr, als die Differenzen, die wir eben dargestellt haben. Fazit: Alle drei dargestellten Wege führen für das betreffende Objekt zu einer nachhaltigen Lösung bzgl. des Energiebedarfs für Kühlen und Heizen: Die opake Dämmung (-90% des Verbrauchs), eine optimierte transluzente Dämmung in Verbindung mit einer aktiven sommerlichen Kühlung (rund -110% des Verbrauchs) und die Belegung der Gedämmten Fassade mit PV-Paneelen (rund 130% Energiegewinn bei weiterhin 90% Einsparung der Verluste). Eine ungedämmte Altbauwand allerdings führt auf derart hohe Wärmeverluste (rund 90 kWh/(m²a) und entsprechend hohen winterlichen Wärmepumpenstrombedarf), dass sich die Energiewende damit kaum realistisch umsetzen lässt.
+  - Das sozusagen "andere Extrem" ist die bewusste Erhöhung der Nutzbarkeit der im Bauteil absorbierten Solarstrahlung, um einen erhöhten passiv solaren Gewinn zu erreichen. Das kann auf zwei Wegen erfolgen, für die ebenfalls die oben hergeleitete Gleichung (5-ind) die entscheidenden Hinweise gibt: (a) Der Absorptionsgrad an der strahlungsabsorbierenden Oberfläche kann bewusst erhöht werden (höheres $\alpha$, anschaulich "schwärzere Oberfläche"); damit steigt das passive Angebot proportional. (b) Die Erhöhung des äußeren Wärmedurchlasswiderstanden $R_A$, welcher dafür sorgt, dass absorbierte Energie in geringerem Umfang nach außen und in höherem Umfang nach innen abgeführt wird. Näherungsweise ist auch diese Auswirkung zunächst etwa proportional zur Erhöhung in $R_A$, allerdings im "komplett durchoptimierten" Grenzfall kann $g_{opak}$ natürlich nicht größer werden als 1; letzteres wäre der Fall, wenn der gesamte Wärmedurchlasswiderstand außen vor der Absorberoberfläche liegt - das allerdings wäre dann eine Absorption im Raum entspr. einer 100%igen Transmission der Strahlung nach innen; das kann dann natürlich kein opakes Bauteil mehr sein, es wäre vielmehr ein ideales Fenster((Die exakte Abhängigkeit von $R_A$ kann durch eine einfache Umstellung von (5-ind) erkannt werden: Wir können den Leitwertefaktor wie folgt umschreiben (Kürzen mit $R_A$:\\ \\ $\frac {R_A}{R_A+R_B}=\frac {1}{1+R_B/R_A} $ \\ \\ So wird erkennbar, dass dieser Nutzbarkeitsanteil zunächst, solange $R_A$ klein ist, proportional zu $R_A$ ansteigt. Wird $R_A$ aber "groß gegenüber $R_B$", so geht die Nutzbarkeit asymptotisch gegen 1.)). Praktisch kann eine Erhöhung von $R_A$ z.B. durch eine außen vor die Absorberfläche vorgestellte Glasscheibe erfolgen, oder einer anderen transparenten Fläche, im optimierten Fall eine Verglasung mit geringem U-Wert aber hohem g-Wert. Diese Art Konstruktionen werden generell als sog. "transluzente Wärmedämmung" bezeichnet. Es gab einen regelrechten Hype in der Diskussion solcher Lösungen - und es gibt sogar zertifizierte Passivhaus-Konstruktionen, die nach einem solchen Prinzip arbeiten((Das ist eine sog. Kartonwaben-Wärmedämmung: Wabenkartons, wie aus der Verpackungsbranche bekannt, werden hier als Dämmstoff außenseitig der z.B. gemauerten Fassade verwendet. Den äußeren Schutz bietet z.B. eine Glasscheibe. Die 'Löcher' werden dabei im Optimalfall in Richtung der zur Nutzung der gewünschten Strahlungsquelle ausgerichtet; das kann z.B. der Januarstand der Sonne sein. Die Strahlung dringt dann durch die Löcher in der betreffenden Zeit besonders tief in die Dämmlage ein (dadurch: hoher $R_A$-Wert). Zu anderen Zeiten, z.B. wenn im Sommer die Sonne hoch steht, dringen die Strahlen nur bis Nahe unter der äußeren Oberfläche ein: $R_A$ ist dann geringer, zugleich aber auch $R_B$ höher, so dass trotz der erhöhten Absorption die Netto-Solarlast im Sommer begrenzt wird. Das sind praktikable Lösungen, die sich auch in der Praxis bewährt haben. Eine gewisse Komplikation bei der Einschätzung des Netto-Nutzens solcher Lösungen besteht darin, dass die erzielten passive solaren Gewinne durch diese opaken Bauteile unter genau den gleichen Randbedingungen auftreten, unter denen auch die "konventionellen solaren Gewinne" durch Fenster maximal sind, eben z.B. an einem klaren Januartag)). Zur korrekten Behandlung müssen diese passive Solarangebote dann ähnlich behandelt werden wie diese Strahlungsangebote durch die Fenster. Ziemlich genau geht dies durch eine umfangreiche dynamische Simulation eines solchen Bauteils im Gesamtkontext des Gebäudes - so werden die effektiven Kennzahlen solcher Systeme bei der Zertifizierung durch das PHI behandelt. Aber auch mit dem PHPP ist eine ausreichend genaue Abschätzung möglich - dies erfolgt dann mit Hilfe einer an (5-ind) angelehnten Gleichung und der Einspeisung des so bestimmten passiv solaren Wärmeangebotes in die Gesamtsumme der verfügbaren freien Wärme, für welche dann ein effektiver "solarer Nutzbarkeitsgrad" des Gebäudes bestimmt wird. Diese Methodik hat sich ebenfalls bewährt.\\ //Zur Gesamtbewertung des Ansatzes einer "transluzenten Wärmedämmung"//: Tatsächlich ist z.B. mit der teil-transluzenten Kartonwaben-Dämmung für eine wenig verschattete südausgerichtete opake Fassade eine höhere Heizwärmeeinsparung erreichbar: Der Netto-Wärmeverlust im Winter kann so auf nahe Null reduziert werden, in gut geeigneten Fällen kann es sogar Netto-Wärmegewinne geben((Reduktion der Verluste dann gegenüber eine ungedämmten Fassade bei 95 bis 110%; eine konventionelle Dämmung "schafft" hier rund 90%)). Allerdings steigt die Übertemperaturhäufigkeit im Sommer in den Räumen angrenzend an die transluzent gedämmte Fassade signifikant an((rund 5 bis 12% häufigere Übertemperaturen)). In sommerheißen Lagen wird sich unter diesen Umständen eine Notwendigkeit zur aktiven Kühlung kaum vermeiden lassen - das wiederum wird wohl in der Zukunft auf Grund des Klimawandels ohnehin weitgehend auch für konventionelle Gebäude, unabhängig von deren Wärmeschutz, der Fall sein: Mit aktiver Kühlung erhöht sich der Kühlkältebedarf durch eine optimierte transluzente Wärmedämmung dann um rund 4 bis 10 kWh/(m²a) - dementsprechend werden dafür rund 1 bis 3 kWh<sub>el</sub>/(m²a) an elektrischer Energie im Sommer mehr verbraucht. Diese sind künftig jedoch leicht aus erneuerbarer Energie beisteuerbar; die erforderliche Vergrößerung der PV-Flächen dafür ist nicht bedeutend. Die Einsparung beim Heizwärmebedarf gegenüber einem opak wärmegedämmten Standardfall liegt bei rund 6 bis 10 kWh/(m²a) Heizwärme. Der COP der Wärmeerzeugung durch Wärmepumpen im Winter ist ist allerdings geringer, so dass die dabei im Winter eingesparte elektrische Energie rund 2 bis 4 kWh<sub>el</sub>/(m²a) beträgt. Für die Bereitstellung von Strom zu Raumheizzwecken, insbesondere durch Wärmepumpen, ist eine etwa 1,75fach erhöhte ganzjährige Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie erforderlich ([[grundlagen:nachhaltige_energieversorgung_mit_passivhaeusern:passivhaus_-_das_naechste_jahrzehnt|PEr-Faktor Heizung]]). Der zuvor erwähnte leicht zu deckende sommerliche Mehrbedarf (1 bis 3 kWh<sub>PEr</sub>/(m²a) erneuerbare Primärenergie) wird also durch die Reduktion im Winter((3,5 bis 7 kWh<sub>PEr</sub>/(m²a) )) mehr als ausgeglichen. Setzen wir eine Möglichkeit zur effektiven aktiven Kühlung voraus, so bieten optimierte transluzente Dämmsysteme tatsächlich ein weiteres Potential zur Erleichterung der Energiewende. Zu bedenken ist freilich, dass entsprechende Flächen auch stattdessen mit PV-Paneelen belegt werden können. Diese können dort rund 70 kWh/(m²a) an elektrischer Energie liefern - das ist weit mehr, als die Differenzen, die wir eben dargestellt haben. Fazit: Alle drei dargestellten Wege führen für das betreffende Objekt zu einer nachhaltigen Lösung bzgl. des Energiebedarfs für Kühlen und Heizen: Die opake Dämmung (-90% des Verbrauchs), eine optimierte transluzente Dämmung in Verbindung mit einer aktiven sommerlichen Kühlung (rund -110% des Verbrauchs) und die Belegung der Gedämmten Fassade mit PV-Paneelen (rund 130% Energiegewinn bei weiterhin 90% Einsparung der Verluste). Eine ungedämmte Altbauwand allerdings führt auf derart hohe Wärmeverluste (rund 90 kWh/(m²a) und entsprechend hohen winterlichen Wärmepumpenstrombedarf), dass sich die Energiewende damit nicht mehr realistisch umsetzen lässt.