Solare Wandheizung mitTransparenter Wärmedämmung
Werner Platzer
Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme
Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg
email: [email protected]
Inhaltsübersicht
• Motivation
• Passive Solarenergie
• TWD-Materialien und Produkte
• Funktionsweise Solarwand
• Energetische Bewertung
• Sommerlicher Wärmeschutz
• Wirtschaftlichkeit
• Fazit
Heizenergieverbrauch Wohngebäude
Altbau – das Potenzial der Zukunft
Quelle: Hauser / FVS 2008
Gebäudebestand in Deutschland 2003 (Schätzung)
nach: Hauser / FVS 2008
Primärenergiebedarf und CO2-Emissionen
Quelle: Hauser / FVS 2008
Szenarium „CO 2 minus 40 Prozent“
• Vollsanierungsquote der Gebäude < 1979 ab 2008 3 %
• Qualität der Sanierung ab 2008 +30%
• EnEV Neubau 2008 + 30%; 2012 +50%; Basis 2007
• Verstärkte Umstellung auf Erneuerbare, so dass 2020 Anteil Gasheizungen 50%; 2/ 3 mit solarer Warmwasserbereitung
• Ölheizungen 25%; 40% mit solarer Warmwasserbereitung
• Pelletkessel 12,6%
• Strom und Fernwärme unverändertQuelle: Hauser / FVS 2008
Schlussfolgerung aus Studie
• 40 % Ziel (2020):
Nur über die erhöhte Sanierung
des Bestands und Einbindung
erneuerbarer Wärmeerzeuger
realisierbar!
Quelle: Hauser / FVS 2008
Warum passive Maßnahmen in der Gebäudehülle?
Einfach, günstig, wartungsarm?
Gebäudeenergiebilanz
0
50
100
150
200
Altbau Neubau NEH
TransmissionLüftung InternSolar
Heizung
Potenzial Solarenergie
Solarbeitrag bei Wohngebäuden
Passive Solarnutzung Fenster:
15% von 600 TWh/a
-> 80-100 TWh/a
Aktive Solarnutzung Kollektoren:
8-10 Mio m2 à 400 kWh
-> 4-5 TWh/a
Bedarfsdeckung
Heizung
Warmwasser (+ Heizung)
=> Solare Heizung ist die Zukunft!
Orientierung und Solarstrahlung
Vertikale Wände
� Winter: Hoher Direktanteil -> tiefstehende Sonne-> Südwand
� Sommer:-> Süd, Ost und West nahezu gleichwertig 0
1000
2000
3000
4000
5000
J F M A M J J A S O N D
Ein
stra
hlun
g [W
h/m
2d]
Horizontal
SüdOst/West
Nord
Grundvarianten solarer Fassadennutzung
• Direktgewinn über Fenster• passive Speicherwand mit transparenter
Wärmedämmung• externe zweite Glashülle als Wintergarten oder
Doppelfassade• aktive Solarenergienutzung über Wasser- oder
Luftkollektoren• Zuluftvorwärmung• Stromgewinnung über Photovoltaikfassaden
Solare Wandheizung und Wärmedämmung
Wärmedämmung Solarwand
Eigenschaften der Solarwand
T AbsorberT InnenEinstrahlung
Phasenverschiebung
Tem
pera
tur
[°C
]
Ein
stra
hlun
g [W
/m²]
0:00
12:0
0
23:5
9
Zeit
0
50
100
100
200
300
500
0Solare Gewinne kommen nach Sonnenuntergang ins Haus!
Passive Solarwand
• Wärmedämmeigenschaft + Solarenergienutzung
• Wärmespeicherfunktion
• Wand als großflächiger Niedertemperatur-Radiator
• keine mechanische Hilfsenergie erforderlich
• äußere, sichtbare Gebäudehülle
• Eignung für Neubau und Altbaunachrüstung
• keine Regelbarkeit der Solargewinne im Kurzzeitbereich
Transparente Wärmedämmmaterialien
Wabenstrukturen und Nanomaterial
ZellstrukturenZellstrukturen
•• MehrfachstegplattenMehrfachstegplatten•• TransluzenterTransluzenter SchaumSchaum
AbsorberAbsorber--paralleleparallele
StrukturenStrukturen
•• FolienabdeckungenFolienabdeckungen•• MehrfachverglasungMehrfachverglasung
AbsorberAbsorber--senkrechtesenkrechte
StrukturenStrukturen
•• WabenstrukturenWabenstrukturen•• Kapillaren und RöhrchenKapillaren und Röhrchen•• FolienstrukturenFolienstrukturen
Homogene MaterialienHomogene Materialien
•• AerogeleAerogele
Transparente Wärmedämmmaterialien
Transparente Wärmedämm-materialien
Absorbersenkrechte Kapillarstruktur
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0 15 30 45 60 75 90
Einfallswinkel [Grad]
so
lare
Tra
ns
mis
sio
n [
-]Dreifachverglasung Float
Wabenstruktur mit Deckglas
Aerogel
nanoporöse Struktur -O-Si-O-Ketten
20nm
1-2nm
Eigenschaften von Aerogel
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 10 20 30 40 50
Schichtdicke [mm]
so
lare
Tra
ns
mis
sio
n [
-]
granular, direkt granular, diffus
monolithisch, direkt monolithisch, diffus
Wärmeleitfähigkeit16 – 19*10-3 W/mK !
Styropor 35 – 45*10-3 W/mK
Produktvarianten
Tageslichtnutzung und Solare Wandheizung
Transparentes Wärmedämmverbundsystem
Pfosten-Riegel-Konstruktion
Profilglas-TWD
außen
innen
Stegplatten-TWD
Solare Wandheizung mit Latentspeicherund saisonalem Sonnenschutz
Projekt AlterswohnenDomat /Ems
Architekt:D. Schwarz
Verglasung:Ug = 0.48 W/(m2K)g = 37% (variabel)
Weiterentwicklung Solare Umweltwand
Spezialstegplatte mitsaisonalem Sonnenschutz
Ug = 0.8 W/(m2K)g = 60% (variabel)
Weiterentwicklung Solare Umweltwand
Hochwärmedämmende Verglasungen mit Konvektions-unterdrückung
Ug = 0.6 bis 0.9 W/(m2K)g = 60% bis 65%
Funktionsweise Solarwand
Einfach massiv!
Einfluss der Orientierung des Kollektors
0
20
40
60
80
100
120
90 120 150 180 210 240 270
Kompaßwinkel [Grad]
Energ
ieein
sparu
ng [kW
h/m
2a]
Einfluss der Rohdichte
50
70
90
110
130
150
1000 1400 1800 2400
Rohdichte der Außenwand [kg/m3]
En
erg
iee
ins
pa
run
g [
kW
h/m
2a
]
Einfluss des Gebäudestandards
0%
10%
20%
30%
40%
ungedämmt Energiespar
Wärmeschutzstandard des Gebäudes
TW
D-H
eiz
be
itra
g in
Pro
ze
nt
Komfort durch erhöhte Wandtemperaturen
14
16
18
20
22
24
26
28
14 16 18 20 22 24 26 28
Lufttemperatur [°C]
Str
ah
lun
gs
tem
pe
ratu
r [°
C]
Energetische Bewertung
Nutzbare Solargewinne tragen zur Reduzierung des Heizenergieverbrauchs bei!
Solare Wandheizung in der Praxis
• Anwendung hauptsächlich in Wohngebäuden
• Anforderungen+ Reduzierung des Heizenergiebedarfs+ Erhöhung thermischer Komfort+ Vermeidung sommerlicher Überhitzung
• Auslegung: Kollektorfläche auf SüdfassadeRichtwert: 1 m2 Kollektor pro 10 m2 Wohnfläche
-> Lohnt sich der Aufwand? Funktioniert das?
Effekt der Solaren Wandheizung
0
100
200
300
400
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Fassadenanteil TWD
Südbelegung Ost- und Westbelegung
Bandbreite lange Heizsaison
Bandbreite kurze Heizsaison
tS
⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅= AIRUgFFQ sTWDTWDFTWD
WärmegewinnWärmegewinn
RahmenfaktorRahmenfaktor
VerschattungVerschattung
GesamtenergiedurchlassGesamtenergiedurchlass(Richtlinie FVTWD)(Richtlinie FVTWD)
FlächeFlächeEinstrahlungEinstrahlung
WärmedurchgangskoeffWärmedurchgangskoeff..
BerechnungszeitraumBerechnungszeitraum
Berechnung des Solaren Energiegewinns (aktive Fläche)
Effektiver Wirkungsgrad
0.50
0.55
0.60
0.65
0.70
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Monat
S
SW/SO
W/O
NO/NW
N
TWD-Strukturenreagieren auf Sonnenstand!
Wirkungsgrad
� Der Wirkungsgrad η entspricht dem g-Wert des Fensteraber: Effektivwert, nicht Maximalwert für senkrechten Strahlungseinfall!
� Einfache Berechnung der solaren Gewinne der solaren Wandheizung als zusätzliches „Fenster“!
� Konservative Abschätzung (Südseite) mittels diffusem g-Wert:
TWDTWDTWD RUg ⋅⋅=η
g F g g WhSüdTWD, ⋅≅≥
Nutzbare monatliche GewinneMonatswerte der nutzbaren Gewinne [kWh/Monat]
0
200
400
600
800
1 000
1 200
1 400
1 600
1 800
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
Heizung intern Fenster opake Bauteile TWD Glasvorbau direkt Glasvorbau indirekt
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Deu
tsch
land
Nord
erne
yHa
mbu
rgAr
kona
Pots
dam
Brau
nsch
weig
Harz
gero
de
Esse
nG
eisen
heim
Che
mn i
tz
Hof
Wü r
zbur
gM
annh
eim
Fre i
burg
Mün
chen
Gar
misc
h
Heiz
en
erg
ieb
ed
arf
[kW
h/a
] RMH ohne TW D RMH mit TW D
Berechnung RMH nach EnEV und standortabhängig
Reduzierung Heizenergie
25
30
35
40
45
50
55
60
0 5 10 15 20 25 30
TWD-Fläche [m2]
Heiz
en
erg
ie p
ro W
oh
nfl
äch
e
[kW
h/m
2a]
Frankfurt
Hamburg
Chemnitz
Garmisch
Jährliche Brennstoffeinsparung
50
60
70
80
90
100
110
0 5 10 15 20 25 30TWD-Fläche [m
2]
Pri
märe
nerg
ie p
ro W
oh
nfl
äch
e
[kW
h/m
2a]
Frankfurt
Hamburg
Chemnitz
Garmisch
Sommerlicher Wärmeschutz
... das wird doch sowieso viel zu heiß!?
Sommerlicher Wärmeschutz
Einflussgrößen Gebäudekategorie – Nutzerstandard
Gebäudestandard – Wärmedämmung
Interne Lasten
Solare Gewinne durch Fenster
Raumgröße / Lüftung
Wirkungsgrad Solarwand
Flächenbelegung Solarwand
Phasenverschiebung
Verschattungsvorrichtungen
Saisonaler Sonnenschutz
Für die gelb unterlegten Sonnenstände wird meist keine Heizenergie benötigt!
Saisonale Verschattung
Balkon und ÜberhängePrismenverglasungStreckbleche, Stanzbleche
-> nur sinnvoll bei südorientierten Fassaden!
Schnellwachsende Pflanzen (z.B. Hopfen)
Asymmetrische Prismenstruktur
Prismen außenliegendISFH-Patent
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Einfallswinkel [Grad]
Tra
nsm
issi
on [-
]
Verschattung durch Balkon
Orientierung Süd
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
mo
natl
ich
e T
ran
sm
issio
n [
-]tau_eff tau_dir tau_dif
Saisonale Verschattung mit Prismen
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez
mo
na
tlic
he
r W
irk
un
gs
gra
d [
-]
effektiv direkt
c
Prismenglas Glasfabrik Lamberts
Prismenglas GlassX
Sommerlicher Wärmeschutz DIN 4108-2
• Norm bezieht sich nur auf transparente Bauteile, nicht auf die Solare Wandheizung!
• In der Planung sollte dennoch der Anteil der Solaren Wandheizung mit berücksichtigt werden, auch wenn dies baurechtlich nicht zwingend ist
• Tatsächliches Verhalten lässt sich am besten mit dynamischer Gebäudesimulation berechnen
Beispiel StoSolar auf Kalksandstein
• StoSolar 140mm gdif=0.40, R=1.13 m2K/WKSS240 240mm R=0.24 m2K/W
• Berechnung des effektiven g-Wertes (Wirkungsgrad) der Solarwand mit Exceltool „enev-fenster.xls“geff=0.34
Spezielle Abhängigkeit des g-Wertes von Sonnenstand (niedriger Wert im Sommer!) ist NICHT berücksichtigt!
Beispielrechnung Fenster
Wohnraum, südorientiertFassade 5m x 6m Fenstertür 2.0m x 2.3m
Fenster 3.0m x 1.5mgV (WSV) 0.62
Schwere Bauart, keine NachtlüftungSmax = 0.14 / 0.18Sonnenschutz: innenliegende Jalousien Fc=0.75
Maximaler g-Wert der Verglasung:gmax = 0.53 / 0.68
Beispielrechnung TWD allein
Wohnraum, südorientiertFassade 5m x 6m TWD 2.0m x 5.0m
geff 0.34
Schwere Bauart, keine Nachtlüftung
Smax = 0.18 / 0.22
Sonnenschutz: keiner(!) Fc=1.00
Maximaler geff-Wert der Solarwand:geff,max = 0.46 / 0.56
Beispielrechnung Fenster+TWD
10m2 TWD + 9m2 FensterSmax = 0.14 / 0.18 (KEINE erhöhte Nachtlüftung)Sonnenschutz saisonal: FC,SW=0.50 FC,F=0.50
Maximaler g-Wert des Fensters:geff,max = 0.56 / 0.86
Mit ausreichendem Dachüberstand für Fenster + Solarwand ist der sommerliche Wärmeschutz gewährleistet!
Jahresdauerkennlinie aus Simulation
Balkon+Nachtlüftung
16
18
20
22
24
26
28
30
32
34
36
0 720 1440 2160 2880 3600 4320 5040 5760 6480 7200 7920 8640
time [h]
tem
pe
ratu
re [
°C]
TW and
Top
Vergleich DIN4108 Teil 2 mit Simulation
• TWD: Überhitzungsstunden aus der Simulation werden für gerade noch erlaubten Fall (TWD-Fläche) berechnet
• Klimazonen: Kassel, Freiburg
• Erlaubt sind etwa 250-450h über 26°C (3-5%)erlaubt sind etwa 50-230h über 28°C (0.5-2.5%)
• Fall nur Fenster (Konstantlüftung) :mehr als 700h über 26°C, 360h über 28°C!
=> Simulation zeigt, dass TWD weniger kritische Zustände produziert als Fenster!
Weitere Faktoren pro Solarwand
• Zeitverzögerung der Wärmwelle durch die Wand macht es wesentlich einfacher, die Wärme nachts wieder abzuführen
• Die Winkelabhängigkeit der TWD reduziert den Sonneneintrag stark bei hochstehender Sonne im Sommer (geff kleiner als berechnet)
gn,B=0.59 gh,B=0.40 => Sommerwert gSo = 0.35Wirkungsgrad geff = 0.31 < 0.34
Anwendung
Architektur und Wirtschaftlichkeit
• Wärmedämmung
• Solare Wandheizung10cm StoSolar
• Verglasung Ug=0.4 W/m2K
• SolaranlagenBrennwertkessel
Energetische Sanierung Gründerzeitvilla
Tageslicht und Arbeitssicherheit im Industriebau
Saniertes Industriegebäude, Saniertes Industriegebäude,
SalzgitterSalzgitter
Passivhaus mit Holzelementbau und TWD
Architekt: Dieter Schwarz, Domat/Ems
Sanierung Volksbank St. Blasien
Transparentes WDVSStoSolar
Niedrigenergiesiedlung Eulachhof/Winterthur
Architektur GlassX
136 Wohnungen
Minergie-P-Eco
Heizenergie 13
kWh/m2a
Bürgerhaus Döbeln – Transluzente Fassade
OkaluxVerglasungzur Lichtstreuung
Supermarkt Souchaix - Frankreich
Nanogel und ProfilglasMurail Architecture
Wirtschaftlichkeit
... Geiz ist geil - aber auf die Dauer teuer!
Wirtschaftlichkeit Umweltwand
Aufwand <
Investitionsmehrkosten
Betriebskosten
Instandhaltung, Wartung
Wartungskosten
Nutzen
Energieminderkosten
Marktpreis NiedrigstenergiehäuserVermiedene Umweltschäden, CO2-
Reduzierung
ImagegewinnGestaltungUnabhängigkeit
Wirtschaftlichkeit - Teil1
Sanierung Berlin/Emrichstraße
Sanierung Berlin/Emrichstraße
834605,35107TWDHinterlüftetes System
63105015,95319FlachkollektorenBuderus
75163020,75415VakuumkollektorenParadigma CPC14
312307,20144TWDSto Solar 14cm
15624,0080WärmedämmungWDVS 14cm
Stat. Amortisat. [a]
Abgerechn. Kosten[€/m2]
Energiekost.einsparung[€/m2a]
Energieein-sparung[kWh/m2a]
System
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
0.16
0.18
0.04 0.05 0.06 0.07 0.08
aktueller Energiepreis [€]
mit
tlere
r E
nerg
iep
reis
[€]
3%
5%
7%
Betrachtete TWD-Systeme
Energiepreissteigerung und mittlere Brennstoffkosten
Wirtschaftlichkeit - Teil 3Solarhaus Gundelfingen
TWD-Fläche25 m2 brutto21 m2 netto
Energieverbrauch Heizung
WSVO 95 Ausweis
Verbrauchswerte gemessen über 11 Jahre
=> 40% Einsparung !
QH 52 kWh/m2a (ohne TWD-Gewinne)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
1998 1999 2000 2001 2002 2003
En
de
ne
rgie
[k
Wh
/m2
a]
Heizung W armwasser Strom
Gemessene Energietransmission
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
g_
eff
[%
]Verschattung
durch 1.1m breiten Balkon funktioniert!
Kosten der TWD (Kosten 1997)
Material
Arbeit Eigenleistung
Wärmedämmung
TWD 780 €Glas 780 €Kleber 650 €Aluprofile 800 €Holz, Sonstiges
Summe 4000 €entspricht 160 €/m2
13200 € entspricht 130 €/m2
Wirtschaftlichkeit – Teil4
Altbau MFH-SanierungRang Ökomaßnahme Amorti-
sationszeit(Jahre)
Lebens-dauer
(Jahre)
ÄquivalenterEnergiepreis
(Eurocent / kWh)1 M2 Holzpellet-Kessel für besteh.
Zentralheizung,5.....5.....5 20 Nicht sinnvoll, da
Energiemehrverbr.2 M6 TWD an Fassade
Einfachsystem19...24...32 40 2,8 Ct/kWh
3 M7 TWD an Fassade Mittlerer Aufwand
23...28...39 40 3,4 Ct/kWh
4 M1 WDVS auf 30 cm erhöhen 23...28...39 40 3,4 Ct/kWh
5 M8 TWD an Fassadehocheffektiv
24...30...kA 40 3,8 Ct/kWh
6 M3 Kollektoren zurHeizungsunterstützung
22...27...kA 30 5,0 Ct/kWh
7 M4 Lüftungsanlage mit WRG 22...28...kA 30 5,2 Ct/kWh
Amortisationszeitangaben für optimistische, mittlere und pessimistische Entwicklung
Quelle: Vergleichende Studie Kerschberger/Binder, 2006
Fazit
• Die solare Umweltwand ist mehr als Wärmedämmung, sie ist ein Kollektorsystem zur Reduktion des Heizenergiebedarfs
• Deutliche Einsparungen bei vertretbaren Kosten
• Handwerkliche Lösungen / Eigenbau sind möglich -> Info 7 mit Ratschlägen zur Verlegung
• Guter sommerlicher Komfort bei vernünftiger Auslegung –Nachtlüftung und saisonaler Sonnenschutz unterstützen Komfort
Infos
Mehr Informationen ?
www.umwelt-wand.de
Viele Infos
Im Bereich Service/Download
Solarhaus Gundelfingen
Daten zum Gebäude
Wärmebilanzen
-100
-75
-50
-25
0
25
50
75
100
125
Solarhaus Gundelfingen100 kWh/m²a
Passivhaus Vauban98 kWh/m²a
<-
Decku
ng
I
Bed
arf
->
Warmwasser
Verteilverluste
Transmission
Lüftung
Warmwasser
Verteilverluste
Transmission
Lüftung
interne Quellen
passiv solar
aktiv solar
Wärmepumpe
Nahwärme
passiv solar
aktiv solar
BHKW
solareDeckung38% solare
Deckung32%
interne Quellen
WRG
Architekt: D. Hölken, Vörstetten
Mehrfamilienhaus Gundelfingen
Transparente Wärmedämmung
Energieeffiziente Verglasung
Mehrfamilienhaus Gundelfingen
Nahwärme
Heizung, Warmwasser
Speicher
VentilatorWärmepumpe
Abluft
Frischluft
Solarkollektor
Gebäudetechnik
Mehrfamilienhaus Gundelfingen
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
WSVO 95mit NT-
Gaskessel
Passivhausmit BW-
Gaskessel
Solarhausmit
Nahwärme
CO
2-E
mis
sio
ne
n i
n T
on
ne
n p
ro J
ah
r
Einsparung Energieversorgung
Einsparung Gebäude
CO2-Emissionen Wärme
- 54%
-71%
CO2-
Emissions
Mehrfamilienhaus Gundelfingen
0.38
0.00
0.46
0.42
0.59
0.64
0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50
Erhöhter Wärmeschutz
Nahwärmeanschluß
Solaranlage
Mechanische Lüftung
TWD
Wärmepumpe
Wärmepumpe (N)
3-fach-Verglasung
Preis-Leistungs-Verhältnis / Kosten der CO2-Einsparung [DM/kg*a]Statische Amortisation ohne Verzinsung
(2,7)
(20,5)
Preis-Leistungs-Verhältnis
Mehrfamilienhaus Gundelfingen