KS-Nord e.V.

Sommerlicher Wärmeschutz

Das sommerliche Verhalten eines Gebäudes wird in der Planung weitgehend vorherbestimmt. Ziel einer Optimierung ist es, soweit wie möglich ohne das Zutun technischer Anlagen ein ‚gutmütiges‘ thermisches Verhalten zu bewirken und sommerliche Überhitzung bereits konstruktiv weitgehend zu verhindern.

Wärmeeintrag durch solare Einstrahlung
Bei der Tageslicht-Planung ist auch zu beachten, dass die solare Einstrahlung durch die Fenster eine erhebliche Heizleistung in ein Gebäude einbringen kann. Bei niedriger Außentemperatur im Winter kann das erwünscht sein. Aber spätestens in der warmen Jahreszeit wird eine Überwärmung die Folge sein.

Einfache Außenjalousie

Innenliegender Sonnenschutz

außenliegender Sonnenschutz

Beim Tageslicht spielt insbesondere die diffuse Einstrahlung aus bedecktem Himmel eine Rolle, da es darum geht, auch bei bedecktem Himmel genügend Tageslicht zu erhalten. Die diffuse Strahlung soll dabei möglichst ungehindert den Innenraum erreichen. Optimal ist es daher, die direkte Sonnenstrahlung vom Raum abzuschirmen, ohne das diffuse Licht am Einstrahlen zu hindern.

Ein fest stehender Sonnenschutz müsste einen großen Teil des sichtbaren Himmels verdecken und würde somit den Einfall des Tageslichts erheblich reduzieren. Folglich muss ein Sonnenschutz zeitlich variabel und steuerbar sein. Er muss entfernt werden können, damit das Tageslicht an trüben Tagen nicht behindert wird.

Herkömmlich geschieht das mechanisch mit beweglichen Teilen wie Jalousien oder Markisen. In Entwicklung befindliche Verglasungen mit veränderlichem Transmissionsgrad, so genannte „schaltbare Gläser“, könnten zukünftig als Blend- und Sonnenschutz ohne bewegliche Teile eine Rolle spielen.

Merkmale einiger Sonnenschutztypen (Auswahl)

Innere Wärmequellen
Neben der solaren Einstrahlung spielen Wärmequellen im Inneren des Gebäudes eine wichtige Rolle, in Bürogebäuden sind das die Menschen im Raum und elektrisch betriebene Bürogeräte – in erster Linie die Arbeitsplatz-Computer sowie die elektrische Beleuchtung. Die pro Tag abgegebene Wärmemenge wird bei allen Wärmequellen von zwei Faktoren bestimmt: der abgegebenen Wärmeleistung und der Zeit ihrer Wirksamkeit, also der Anwesenheitszeit von Personen und der Betriebszeit von Geräten bzw. Leuchten.

Die Wärmeabgabe der Menschen im Raum kann man mit rund 100 W pro Person abschätzen. Ein einfacher, Strom sparender Bürorechner mit TFT-Flachbildschirm benötigt etwa 100 W.

Moderne PC-Drucker fallen als Wärmequelle nur ins Gewicht, solange sie drucken. Da heutzutage Büroarbeit weitgehend am Computer erfolgt, entspricht die Betriebszeit der Computer etwa der Anwesenheitszeit der Arbeitskräfte. Die Wärmeabgabe durch Beleuchtung ist fast identisch mit dem Stromverbrauch. Die Bedeutung der elektrischen Beleuchtung als Wärmequelle hängt wesentlich von deren Betriebszeit ab. Für fensternahe Arbeitsplätze kann diese im Sommer sehr gering sein, in Großraumbüros entspricht sie der Betriebszeit des Büros.

Wärmespeicherung: Wärmelasten zeitlich verteilen
Die zeitliche Verteilung der Wärmeeinträge in einen Büroraum im Tagesverlauf ist so, dass diese alle zugleich tagsüber auftreten und alle nachts entfallen. Um die Erwärmung des Raums tagsüber zu vermindern, ist es hilfreich, die Wärmeeinträge in den Bauteilen zwischen zu speichern. Diese gespeicherte Wärmemenge muss nachts durch eine möglichst hohe Lüftung abgeführt werden.

Sinnvoll ist daher, die im Raum wirksame Wärmespeicherkapazität zu vergrößern. Man macht sich dabei den Zusammenhang zwischen Temperatur, Wärmemenge und Wärmespeicherkapazität zunutze.
Bei gegebenem Wärmeeintrag fällt die Temperaturerhöhung umso niedriger aus, je größer die wirksame Wärmespeicherkapazität ist.

Innenwände aus Kalksandstein bieten wirksame thermische Speichermasse

Die wirksame Wärmespeicherkapazität Cwirk ergibt sich aus dem Produkt von spezifischer Wärmekapazität und Rohdichte. Kalksandstein verfügt über eine besonders hohe Rohdichte -ausgedrückt durch die Steinrohdichteklasse (RDK)- und damit auch über ein besonders hohes Wärmespeichervermögen Thermischen Speicher dürfen nicht durch leichte Vorsatzschalen, Bekleidungen, Hohlraumböden, abgehängte Decken o.ä. thermisch abgekoppelt werden.

Abführen überschüssiger Wärme
Die tagsüber in den Bauteilen gespeicherte Wärme muss nachts wieder entladen werden. Anderenfalls kumuliert die Wärme in den Speichermassen und der Baukörper heizt sich immer weiter auf. Die einfachste Möglichkeit ist es, dazu die nächtliche Abkühlung der Außenluft zu nutzen.

Im mitteleuropäischen Klima kühlt die Außenluft nachts selbst im Sommer fast immer um 5 bis 10 °C, bei klarem Himmel auch mehr, ab. In dieser Zeit können die Innenräume mit kühler Außenluft versorgt werden. Diese nimmt die tagsüber von den Bauteilen gespeicherte Wärme auf und führt sie aus dem Raum. Besonders effektiv ist dieses Vorgehen in den frühen Morgenstunden vor Sonnenaufgang, wenn die Außenlufttemperatur ihr Minimum erreicht.

Damit wirksam Wärme abgeführt wird, muss ein hinreichender Luftaustausch stattfinden. Zwei Wege sind prinzipiell möglich:

Freie Lüftung mit Gebäudedurchströmung
Die thermischen Auftriebskräfte benötigen Temperaturunterschiede zwischen innen und außen und einen Höhenunterschied zwischen Einström- und Ausströmöffnungen. Bei den geringen sommerlichen Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen erfordert thermische Lüftung einen Luftweg über mehrere Etagen und genügend große Öffnungen. Der Winddruck kann als Antrieb der Lüftung sehr wirksam sein, wenn das Gebäude quer durchströmt werden kann. Dann können auch geringe Winde als Antrieb ausreichen.

Da bei der freien Nachtlüftung das Gebäude durchströmt werden muss, kann es zu Zielkonflikten mit dem Brandschutz kommen, die im Einzelfall mit den Brandschutzbehörden geklärt werden müssen. Zusätzlich muss der Einbruchschutz gewährleistet sein.

Fensterlüftung

Lüftungszentrale für ein Gebäude mit ca.1000 m2 Nutzfläche

Lüftungszentrale für ein Gebäude mit über 5000 m2 Nutzfläche

Bei Einsatz einer Lüftungsanlage kann die Nachtlüftung „erzwungen“ werden und es entfällt die Notwendigkeit einer Durchströmung ganzer Gebäudeteile. Auch wird die durchströmende Luftmenge kaum noch von der Wetterlage abhängig. Andererseits wird elektrische Antriebsenergie benötigt. Dieser Energiebedarf kann jedoch planerisch in weiten Grenzen beeinflusst werden. Insbesondere kann eine strömungsgünstige Planung des Kanalnetzes mit großzügigen Querschnitten den Energiebedarf relativ gering halten. Der Brandschutz wird teilweise in die Lüftungsanlage verlagert.

Wärmelastdynamik
Jedes Klimatisierungskonzept eines Gebäudes ist gekennzeichnet durch eine „Wärmelastdynamik“. Bei einer konventionellen Klimaanlage in Räumen mit wenig wirksamer Speichermasse ist die Obergrenze eine maximale Kälteleistung, auf die die Anlage ausgelegt ist. Bei Räumen mit hoher Speicherfähigkeit ist dagegen die Tagessumme der eingebrachten Wärmemenge die entscheidende Größe, die über die Eignung und Funktionsfähigkeit von Systemen entscheidet.

Möglichkeiten der Erhöhung der Wärmelastdynamik ohne aktive Kühlung mit einer Kältemaschine:

  • Die Zuluft wird in einem Erd-Luft-Wärmetauscher vorgekühlt. Da das Erdreich an warmen Tagen wesentlich kühler ist als die Außenluft, besteht damit auch tagsüber die Möglichkeit, mit der Lüftung Wärme abzuführen.
  • Nutzung speicherfähiger Bauteile für die Wärmeabfuhr. Dazu werden üblicherweise in den Betongeschossdecken, analog zur Fußbodenheizung, Rohre eingegossen. Diese können dann mit einem Wasserkreislauf die überschüssige Wärme ins Erdreich abführen. Mithilfe einer Wärmepumpe kann diese „thermische Bauteilaktivierung“ im Winter umgekehrt zum Beheizen verwendet werden. Die Bauteilaktivierung erfordert ebenso wie die thermische Speicherung einen direkten Kontakt der Bauteile zum Innenraum. Die thermische Bauteilaktivierung  kann auch durch Kalksandstein- mauerwerk mit durchgehenden vertikalen Installationskanälen (aus E-Steinen) praktiziert werden. Z.B.„KS-Quadro Therm“.

KS-Lexikon

Infomaterial

  • Produktprogramm des KS-Nord e.V.
Kalksandstein - Produkt und Anwendung in Norddeutschland Produktprogramm des KS-Nord e.V.
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