Interdisziplinäres Planen im Neubau und Bestand

  Magisterarbeit Interdisziplinäres Planen im Neubau und Bestand  

  Inhaltsverzeichnis  

1  Einleitung  1

2  Grundlagen  3

2.1  Ökologische und ökonomische Notwendigkeit des Energiesparens  3

2.1.1  Energieverbrauch und Ressourcen  3

2.1.2  Der Treibhauseffekt  6

2.1.3  Reduzierung der CO Emissionen  9

2.2  Wärmeschutz von Gebäuden  11

2.2.1  Begriffe und Definitionen  12

2.2.1.1  Kenngrößen zur Berechnung der bauphysikalischen  

  Eigenschaften von Bauteilen  12

2.2.1.2  Wärmetransport  14

2.2.1.3  Wärmebrücken  15

2.2.1.4  Wärmegewinne  19

2.2.1.5  Wärmeverluste  21

2.2.1.6  Luftdichtheit  23

2.2.1.7  Energiekennwerte  24

2.2.1.8  Bauteilkenngrößen stationärer und instationärer  

  Wärmebewegungen  25

2.2.2  Aktuelle Vorschriften zum Wärmeschutz von Gebäuden  27

2.2.2.1  Energieeinsparverordnung (EnEV)  27

2.2.2.2  DIN 4108  29

2.2.3  Gebäudestandards mit niedrigem Heizwärmebedarf  31

2.2.3.1  Das Niedrigenergiehaus (NEH)  32

2.2.3.2  Das 3 Liter-Haus  33

2.2.3.3  Das Passivhaus  34

2.2.3.4  Das Plusenergiehaus  35

2.2.3.5  Tabellarische Übersicht der Kennwerte der  

  Gebäudestandards  36

2.3  Wärmeabhängiger Feuchteschutz von Gebäuden  36

2.3.1  Begriffe und Definitionen  36

2.3.1.1  Luftfeuchte  37

2.3.1.2  Wasserdampfdiffussion  38

2.3.1.3  Tauwasserbildung  38

2.3.1.4  Kapillare Wasseraufnahme  39

2.3.1.5  Tauwasserfreiheit  39

2.3.2  Aktuelle Vorschrift zum bauphysikalischen Feuchteschutz  

  DIN 4108 3  40

2.4  Der Baustoff Holz  41

2.4.1  Eigenschaften  41

2.4.2  Vorteile  43

2.4.3  Holzschutz  44

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2.4.4  Holzbauweisen  45

2.4.4.1  Der Blockbau  45

2.4.4.2  Der Fachwerkbau  46

2.4.4.3  Die Skelettbauweise  47

2.4.4.4  Der Holzrahmenbau  47

2.4.4.5  Holztafelbau  48

2.4.4.6  Mischbauweisen  49

2.4.4.7  Zusammenfassung  50

2.5  Die Passivhausbauweise  50

2.5.1  Definition  50

2.5.2  Verschiedene Passivhausbauweisen  51

2.5.2.1  Massivbau  51

2.5.2.2  Holzbau  53

2.5.3  System Naumann und Stahr  55

2.6  Statische Nachweise nach Grenzzuständen  57

2.6.1  Erläuterungen zum semiprobabilistischen Bemessungskonzept  57

2.6.2  Erläuterungen zur Bemessung nach E DIN 1052:2000 05  58

2.6.2.1  Einwirkungen  58

2.6.2.2  Tragwiderstand  59

2.6.2.3  Grenzzustände der Tragfähigkeit  59

2.6.2.4  Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit  61

2.6.2.5  Nutzungsklassen  62

2.6.2.6  Klassen der Lasteinwirkungsdauer  63

2.6.3  Erläuterungen zur DIN 1045:2001 07  65

2.6.3.1  Bemessungswert des Tragwiderstandes  65

2.6.3.2  Grenzzustände der Tragfähigkeit  66

2.6.3.3  Grenzzustände der Gebrauchstauglichkeit  67

3  Altbausanierung  69

3.1  Istanalyse Altbaubestand  69

3.1.1  Wärme und Feuchteschutz  69

3.1.2  Schallschutz  71

3.1.3  Brandschutz  73

3.1.4  Statik  74

3.1.5  Zusammenfassung (Problembenennung)  76

3.2  Zielstellung  77

3.2.1  Wärme und Feuchteschutz  77

3.2.2  Schallschutz  79

3.2.3  Brandschutz  80

3.2.4  Statik  81

3.2.5  Haustechnik  82

3.3  Lösungsansätze  84

3.3.1  Wärmeschutz unter Beachtung des Feuchteschutzes  84

3.3.1.1  Dach  84

3.3.1.2  Wände  89

3.3.1.3  Fenster  94

3.3.1.4  Decken  95

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3.3.1.4.1  Decke gegen unbeheizte Dachgeschosse  95

3.3.1.4.2  Kellerdecken  98

3.3.1.4.3  Fußböden gegen Erdreich  100

3.3.1.5  Haustüren  101

3.3.1.6  Reduzierung von Wärmebrücken  101

3.3.2  Schallschutz  102

3.3.2.1  Dach  104

3.3.2.2  Außenwände  105

3.3.2.3  Wohnungstrennwände  110

3.3.2.4  Fenster  111

3.3.2.5  Decken  114

3.3.2.5.1  Massivdecken  114

3.3.2.5.2  Holzbalkendecken  117

3.3.2.6  Treppen  122

3.3.2.7  Türen  123

3.3.3  Brandschutz  124

3.3.4  Statik  141

4  Stahlbetongebäude aus 3 Schicht-Platten  160

4.1  System 3 Schicht-Platte  162

4.2  Istanalyse  162

4.2.1  Wärme und Feuchteschutz  162

4.2.2  Schallschutz  164

4.2.3  Brandschutz  165

4.2.4  Statik  166

4.2.5  Zusammenfassung  169

4.3  Zielstellung  170

4.4  Lösungsansätze  170

4.4.1  Wärmeschutz unter Beachtung des Feuchteschutzes  170

4.4.2  Schallschutz  178

4.4.3  Brandschutz  180

4.4.4  Statik  183

5  Neuentwicklungen von Passivhauskomponenten  184

5.1  Weiterentwicklung eines Passivhaus bzw Nullheizenergiehaus  

  tauglichen Kastenfensters  184

5.1.1  Passivhausgeeignete Fenster  184

5.1.2  Weiterentwicklung des Kastenfensters von Naumann Stahr  186

5.2  Entwicklung einer Solarfassade  200

6  Weiterentwicklung des Passivhauses zum  

  Nullheizenergiehaus  206

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7.1.3 Problemstellung 214

7.2 Darstellungen und Berechnungen zum Wärmeschutz des

bestehenden Gebäudes 216

7.2.1 Beschreibung und Berechnung bauphysikalischer

Kennwerte der Hüllbauteile 216

7.2.2 Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs 241

7.2.3 Einstufung des Wärmeschutzes nach Energiekennzahl

für das bestehende Gebäude 247

7.2.4 Berechnung ausgewählter Wärmebrücken 253

7.3 Beschreibung und Berechnung der verbesserten

Hüllbauteile mit Nachweis der Tauwasserfreiheit 278

7.3.1 Dach

7.3.2 Außenwände

7.3.3 Fenster

7.3.4 Kellerdecke

7.4 Nachweis des erreichten Passivhausstandards

7.5 Brandschutz

7.5.1 Brandschutznachweis der Bauteile des Anbaues

7.5.2 Brandschutznachweis der Bauteile des Bestandsgebäudes

7.5.3 Weitere Anforderungen zum baurechtlichen Brandschutz

7.6 Schallschutznachweise

7.6.1 Nachweise der Bauteile des Anbaues

7.6.2 Nachweise der Bauteile des Bestandsgebäudes

7.7. Statische Nachweise

7.7.1 Lastannahmen

7.7.2 Zulässige Schnittgrößen der Tragprofile

7.7.3 Dachdecke Anbau

7.7.4 Geschossdecke Anbau

7.7.5 Holzbalkendecke Bestandsgebäude

7.7.6 Kellerdecke Bestandsgebäude

7.7.7 Bodenplatte Anbau

7.7.8 Außenwände Anbau

7.7.9 Bundwände des Bestandsgebäudes

7.8 Ökologische Bewertung der Baustoffe

7.9 Haustechnikkonzept

7.9.1 Heizwärmeversorgung

7.9.2 Warmwasserversorgung

7.9.3 Lüftung 439

Literaturverzeichnis 443

Softwareverzeichnis 451

Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 459

Ein bisher bei der Planung von Gebäuden im Neubau und Bestand etwas vernachlässig- ter Aspekt gewinnt immer mehr an Bedeutung: Die Berücksichtigung des Energiever- brauches während der Herstellung und vor allem während der Nutzung des Gebäudes. Den größten Energiebedarf bei einem Gebäude verursacht derzeit die Heizenergie- bereitstellung, die Strom- und Warmwasserbereitung folgen.

Bei neueren Wohngebäuden wird durch die geltende Energieeinsparverordnung der Heizenergiebedarf bereits drastisch gesenkt, technisch sind im Neubau mittlerweile Gebäude ohne Heizwärmebedarf herstellbar.

Der Neubau stellt aber nur einen geringen Bestandteil der in Deutschland befindlichen Gebäude dar. Eine Analyse des Gebäudebestandes im Jahr 2000 führte zu folgender zeitlicher Aufteilung:

< 11% der Gebäude in Deutschland sind jünger als 13 Jahre < 11% der Wohnungen wurden von 1979-87 gebaut <

78 % der Gebäude wurden vor 1979 errichtet

In Deutschland sind über 2/3 aller Wohnungen Altbauwohnungen. Man kann sich schon anhand der zu den entsprechenden Zeitabschnitten gültigen Energiesparverordnungen und sonstiger gesetzlicher Regelungen ausrechnen, welchen Energieverbrauch und welche Betriebskosten diese Gebäude haben.

Dies zeigt die Notwendigkeit vor allem bei älteren Gebäuden Maßnahmen zur Energie- einsparung zu ergreifen. Eine Sanierung sollte aber die vorhandene Bauweise berücks- ichtigen, um Bauschäden sicher zu vermeiden. Die entstehenden Investitionskosten sollen sich durch einen geringeren Verbrauch an Heizenergie amortisieren und nicht wegen Abschreibemodellen und Steuervergünstigungen auf sich genommen werden.

Wie schon erwähnt, beim Gebäudebestand handelt es sich, betrachtet man die heutigen

2

technischen Möglichkeiten, um energetische Museen (Altbau 150-220 kWh/m a, da-

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gegen Passivhausneubau 15 kWh/m a). Das bedeutet aber nicht, dass dieser Altbau- bestand wertlos ist. Die gigantische graue Energie und die Bauleistungen unserer Eltern und Großeltern müssen wir nutzen.

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Dabei sollten wir aber nicht deren Baufehler archivieren und erhalten. Die Vorteile der Altbausubstanz liegen in der sehr großen Energiespeichermasse des Gebäudes, die richtig genutzt werden muß. Ebenfalls kann der Baukörper als Rohbau genutzt werden, damit er nicht erneut errichtet werden muß. Dies würde wiederum Herstellungsenergie für Baustoffe und vor allem Transportaufwand bedeuten, denn auch der Abbruch müßte erst transportiert werden.

In der vorliegenden Magisterarbeit wird die Sanierung eines unter Denkmalschutz stehenden Gründerzeithauses zum Passivhaushaus planerisch vorgearbeitet und durch Entwicklungen im Neubau von Passiv- bzw. Nullheizenergiehäusern ergänzt. Die Aus- arbeitung erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Naumann & Stahr aus Leipzig, das jahrelange Erfahrungen in der Planung von Passivhäusern aufweist.

Die Komplexität in der Planung von Passivhäusern in der Altbausanierung umschreibt Herr Naumann so: “Die bisherige Umsetzung des Passivhausstandards bei der Altbau- sanierung unter Denkmalschutzbedingungen in Deutschland kann man wahrscheinlich an einer Hand abzählen. Es ist mit Sicherheit eine der schwierigsten und anspruchvoll- sten Aufgaben, die man sich vorstellen kann. Zum einen soll der Denkmalcharakter erhalten bleiben, zum anderen sollen die Gebäude den heutigen Anforderungen der Bauphysik, der Energieeinsparung und damit geringen Betriebskosten entsprechen. Dabei geht es aber vor allem um die Schaffung einer wesentlich verbesserten Wohn- qualität in Verbindung mit gleichzeitiger Qualifizierung aller Umweltschutzdaten. Dabei spielt ein hochwertiger Schallschutz genauso eine Rolle, wie der Primärenergieeinsatz bei der Herstellung der Baustoffe. Das Ganze ist eine interdisziplinäre Aufgabe an der alle Beteiligten gleichberechtigt arbeiten müssen, um das angestrebte Ergebnis zu erreichen.”

Das interdisziplinäre Planen umfasst vor allem die Bereiche Wärme-, Brand- und Schallschutz im Zusammenspiel mit Statik und Befestigungstechnik bis zum konstrukti- ven Holzschutz. Eine Betrachtung der Sanierungs-, Wartungs- und Energiekosten am konkreten Projekt zeigen die sinnvolle Umsetzung des Projektes, bei der die Umwelt in Zukunft entlastet und die Mieter außerdem zu günstigeren Konditionen ein besseres Wohnklima erleben.

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2.1 Ökologische und ökonomische Notwendigkeit des Energiespa-

rens

2.1.1 Energieverbrauch und Ressourcen

Der Energieverbrauch steigt weltweit trotz aller Bemühungen zur Energieeinsparung weiter an, Ursachen sind die nahezu unverändert hohen Energieverbräuche in den Industriestaaten als auch der zunehmende Energiebedarf in den Entwicklungsländern. Der Primärenergiebedarf der Welt setzte sich Anfang der 90-er Jahre wie folgt zu- sammen:

Nordamerika:

Asien:

Europa ohne Deutschland:

Deutschland:

GUS:

Südamerika:

Afrika:

Ozeanien: 1 %

Es wird deutlich, dass etwa 3/4 des Weltprimärenergiebedarfs von den Industrienationen in Asien, Europa und Nordamerika verbraucht werden, diese Staaten stellen aber nur rund 1/4 der Weltbevölkerung. Der Verbrauch an Primärenergie betrug 1999 ca. 12,2 Milliarden Tonnen Steinkohleneinheiten (Mrd. t SKE), noch 1983 betrug er lediglich ca. 7,7 Mrd. t SKE.

Die einzelnen Energieträger Erdöl, Erdgas, Stein- und Braunkohle, Kernenergie sowie regenerative Energien stellen den Energiebedarf in unterschiedlichen Grössenord- nungen bereit, die größten Anteile stellen Erdöl mit ca. 36 %, Kohle mit ca. 28 % und Erdgas mit ebenfalls ca. 29 %. Der Anteil der Kernenergie liegt bei ca. 8 %, regenerative Energien sind mit etwa 3 % noch auffallend gering im Einsatz.

Die fossilen Energieträger sind jedoch in ihrem Vorkommen beschränkt. Die derzeit bekannten und erschließbaren Vorkommen reichen bei einen Weltprimärenergiebedarf von etwa 14 Mrd. t SKE noch voraussichtlich 76 Jahre.

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Bei Berücksichtigung der so genannten unkonventionellen Vorkommen, ist bei deren Erschließung eine Reichweite von mehreren hundert Jahren möglich. Der Weltprimär- energiebedarf wird nach Prognosen der IIASA im Jahr 2050 auf ca. 28,3 Mrd. t SKE und im Jahr 2100 auf 50 Mrd. t SKE anwachsen.

Die Beschränktheit der Rohstoffe mehr aber noch der Ausstoß an Treibhausgasen zwingt zur Einsparung an Energie. Hier müssen sich die Industrienationen besonders ihrer Verantwortung für die Nachwelt bewusst werden. Eine Einsparung an Primär- energie erfolgt am zweckmäßigsten durch die Verringerung der Endenergieverbräuche, da Umwandlungs- und Transportverluste sich dadurch auch verringern. Dennoch sollten diese Verluste durch effizientere Prozesse weiter reduziert werden.

Abb. 1: Darstellung der Energiearten [67] Als Endenergie wird die vom Verbraucher genutzte Energie bezeichnet, welche z.B. in Form von Strom, Stadtgas oder Fernwärme anliegt. Die für den Betrieb der einzelnen Geräte notwendige Energie bezeichnet man als Nutzenergie.

Die Endenergie wird in verschiedenen Sektoren beim Verbraucher benötigt, so z.B. für mechanische Energie, Prozess- und Raumwärme sowie für Beleuchtung und Kommuni- kation. Die Bereitstellung der Energie für die Raumwärme nimmt in Deutschland mit einem Drittel der gesamten Endenergie einen beträchtlichen Teil in Anspruch.

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Abb. 2: Aufteilung der Endenergie auf die Verbrauchssektoren [67]

Gerade in diesem Bereich sind die Einsparmöglichkeiten sehr groß. Durch den Einsatz geeigneter Dämmung und Schaffung einer möglichst luftdichten Hülle können die Verbräuche bis auf ein Zehntel des Ursprungsverbrauchs reduziert werden. Die Bereitstellung der Endenergie für Raumwärme erfolgt hauptsächlich für Gebäude mit Aufenthalts- oder Arbeitscharakter, also Wohn- und Geschäftshäuser. In den Bereichen Haushalt und Gewerbe wird nahezu der gesamte Bedarf an Endenergie für Raumwärme benötigt.

Abb. 3: Aufteilung der Endenergie für Raum wärm e auf die Verbrauchssektoren [67]

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Der Primärenergiekennwert der in Westdeutschland vor der ersten Wärmeschutzver- ordnung (1984) bzw. in Ostdeutschland vor 1990 errichteten Gebäude liegt in einer Größenordnung von 330 kWh(m² a). Davon fallen rund 2/3 für die Heizenergie an. Dieser Wert muß und kann technisch drastisch reduziert werden, was bei einem Be- stand an diesen Gebäuden von ca. 85 % auch als großes Potential für die Bauwirtschaft gesehen werden soll. Die Einsparung von Heizenergie im Gebäudebestand schont nachhaltig die Natur, verbessert die Wohnbedingungen der Nutzer und verlangt nach qualitativ hochwertiger Planung und Ausführung der Projektbeteiligten.

Abb. 4: Spezifischer Energieverbrauch in Gebäuden [kW h(m ² a)] [67]

2.1.2 Der Treibhauseffekt

Die kurzwelligen Sonnenstrahlen dringen nahezu ungehindert in die Erdatmosphäre ein und werden vom Erdboden absorbiert. Durch eine Wärmeabstrahlung der Erde in den Weltraum wird diese Energiezufuhr ausgeglichen. Die Bestandteile der Erdatmosphäre wie z.B. CO , Wasserdampf, Wolken, Spurengase behindern diese Wärmeabstrahlung

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durch Absorption und strahlen einen Teil der Energie wieder zum Erdboden zurück, dadurch stellt sich auf der Erdoberfläche eine höhere Gleichgewichtstemperatur ein (im

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Mittel 15/C). Durch, von Menschen verursachte, Emissionen von Treibhausgasen wird das existierende Gleichgewicht gestört und die Konzentration der Gase erhöht, so dass der natürliche Treibhauseffekt verstärkt wird (anthropogener Treibhauseffekt). [4] Der Zusammenhang von Klimaentstehung und Treibhauseffekt wird in nachfolgenden Abbildungen deutlich:

Abb. 5: Darstellung der Klim abildung [68]

Das Klima wird bestimmt durch die unterschiedliche Einstrahlung der Sonne, durch Winde und Meeresströmungen und deren komplexe Wechselwirkung mit der Litho - und Biosphäre. [68]

Abb. 6: Schem atische Darstellung des Treibhauseffektes [68]

Der anthropogene Treibhauseffekt wird durch die Produktion großer Mengen von Treibhausgasen, wie Kohlendioxid, Methan oder Lachgas verursacht. Er verstärkt den natürlichen Treibhauseffekt um ein Vielfaches. Gegenüber den vorindustriellen Zeiten hat die atmosphärische Konzentration an Kohlendioxid um etwa 30 % zugenommen. Die Hauptursache ist die Verbrennung von fossilen Brenn- und Treibstoffen. Durch die intensivierte Landwirtschaft (Massenviehhaltung, großflächiger Düngemitteleinsatz) kam es bei Methan zu einer Zunahme um 145 % und bei Lachgas um ca. 15 %.

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Die globalen Folgen des anthropogenen Treibhauseffektes sind noch nicht vollständig erforscht. Sicher ist jedoch eine Erhöhung der mittleren Erdtemperatur um 2 K in einem Zeitraum von 100 Jahren. Die Komplexität des Klimasystems hat in der Forschung zu vielfältigen Modellen zur Klimasimulation geführt. Das Referenzszenario der zwischen- staatlichen Sachverständigengruppe über Klimaänderungen (IPCC), dem relativ opti- mistische Annahmen bezüglich Emissionsentwicklung zugrunde liegen, geht weltweit von einem mittleren Temperaturanstieg um 2 K bis zum Jahr 2100 aus.

Die Sachverständigen vermuten eine ausgeprägtere Erwärmung über den Landflächen und den Polargebieten gegenüber den Ozeanen und Tropenregionen. Die nördliche Hemisphäre wird eher erfasst werden als die südliche, Ursache dieser Verzögerung ist die Wärmeaufnahmefähigkeit der im Süden dominierenden Ozeane. Die Erwärmung wird in den hohen nördlichen Breiten maximal sein. In den höheren Lagen von Nord und Süd werden die Niederschläge weiter zunehmen.

Weiterhin wird ein Anstieg des Meeresspiegels um etwa 50 cm prognostiziert. Dadurch droht die Überflutung dichtbesiedelter Küstenregionen, so dass weltweit Millionen Menschen neuer Lebensräume bedürfen. Durch den raschen Klimawandel könnten die sich nur langsam erneuernden Wälder überfordert werden.

Am härtesten trifft es die struktur- und finanzschwachen Entwicklungsländer, da ihre technischen und ökonomischen Möglichkeiten zur Abwehr oder Bewältigung der Proble- me gering sind. Mit wachsenden gesellschaftspolitischen Spannungen und heftigen Verteilungskämpfen um wertvolle Naturgüter, wie Süßwasser oder fruchtbaren Boden, ist zu rechnen.

Ein Drittel der Weltbevölkerung lebt auf einem Küstenstreifen von 60 km Breite, Millio- nen Menschen haben ihr Zuhause in den fruchtbaren Mündungsgebieten großer Ströme und das exakt auf Meeresspiegelhöhe.

Um zu gewährleisten, dass der Meeresspiegel in den nächsten 10 Jahren nicht mehr als

2 cm ansteigt und die Temperatur im nächsten Jahrzehnt nicht mehr als 0,1 K zunimmt,

müßten die Industrieländer ihre Emissionen der Treibhausgase bis 2010 mindestens um

30 bis 55 % gegenüber 1990 senken. Das geht über die Forderung der dritten Klima-

konferenz von Kyoto 1997 hinaus, in der sich die meisten europäischen Staaten bis 2010 zu einer Reduzierung um 8 % gegenüber 1990 verpflichteten.

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In Deutschland wurden 1990 ca. 1 014 500 Gigagramm (Gg) Kohlendioxid und ca. 5273

Gg Methan emittiert. Im Jahr 2000 betrugen die Emissionen 857 908 Gg CO und 2885

2

Gg CH , das entspricht einem Rückgang von 15 % beim CO und 45 % beim CH . Bei

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den Fluorkohlenwasserstoffen ist jedoch ein gegenläufiger Trend nachweisbar, die

Emissionen stiegen im gleichen Zeitraum von 200 Gg auf ca. 5000 Gg, eine Zunahme

um den Faktor 25. [69]

2.1.3 Reduzierung der CO -Emissionen

2

Um eine globale Klimaveränderung mit nicht vorhersehbaren Folgen zu verhindern, ist

eine Reduktion der Spurengas- Emissionen dringend notwendig. Seit etwa 200 Jahren

steigt die CO - Konzentration kontinuierlich an, sie liegt derzeit bei 360 ppm (= “parts per

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million”). Ursache für diese Entwicklung ist hauptsächlich die Nutzung fossiler Brenn-

stoffe. Je höher der Kohlenstoffanteil im Brennstoff, umso höher ist auch der CO - Anteil

2

im Abgas während des Verbrennungsvorganges.

Folgende Grafik zeigt die CO - Emission verschiedener fossiler Energieträger:

2

Abb. 7: CO -Bildung in kg CO pro kW h Brennstoffeinsatz [4]

2 2

In Deutschland entstanden 1999 CO - Belastungen von rd. 860 Millionen t. Schätzungen

2

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des Umweltbundesamtes ergaben, dass etwa 1/3 dieser Menge durch die Nutzung von Gebäuden hervorgerufen wird. Private Wohngebäude sind mit etwa 180 Millionen t/a und Gebäude der Kleinverbraucher sowie der Industrie mit 110 - 120 Millionen t/a beteiligt. [70]

Nach derzeitigen Prognosen wird sich der weltweite CO -Ausstoß bei Beibehaltung des

2

gegenwärtigen Trends des Weltenergiebedarfs bis zum Jahr 2050 gegenüber heute verdoppeln, er müßte aber zur Stabilisierung des Erdklimas in diesem Zeitraum minde- stens halbiert werden. Die jährliche Belastungsgrenze der Erde an CO -Emission liegt

2

bei ca. 10 Milliarden t. Bei schätzungsweise 10 Milliarden Menschen im Jahr 2050 bedeutet dies eine Tonne pro Person und Jahr. Die deutsche Pro-Kopf-Emission ist heute zehnmal so groß, siehe Abbildung 8.

Abb. 8: CO -Belastung in Deutschland heute und max. Aufnahmefähigkeit der Erde [71]

2

Der Energiebedarf von Wohngebäuden wird in den 3 Hauptbereichen Heizung, Warm- wasser und Haushaltsstrom verursacht und fällt zunächst als “Nutzenergiebedarf” an den Abgabestellen (z.B. Heizkörper) an. Als “Endenergie” wird die an einer Zulieferstelle im oder am Haus (z.B. Gas-, Stromzähler) eingespeiste Energie bezeichnet. Diese muss ihrerseits unter erheblichen Verlusten aus Energierohstoffen gewonnen werden. Erfas- sung und Zurechnung deren Verluste führen zum Begriff “Primärenergie”.

In Folge der zum Klimaschutz notwendigen Reduktion von CO -Emissionen um den

2

Faktor 10 ist der spezifische Energieverbrauch [kWh/(m²a)] in Wohngebäuden ebenfalls

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um den Faktor 10 zu senken, siehe Abbildung 9.

Abb. 9: Spezifischer Energieverbrauch in W ohngebäuden [71]

2.2 Wärmeschutz von Gebäuden

In den nachfolgenden Abschnitten 2.2.1 bis 2.4.3 werden für das Verstehen der Ma- gisterarbeit notwendige Begriffe erläutert. Das interdisziplinäre Planen erfordert Kennt- nisse der Bauphysik, für Passivhausprojekte speziell des Wärmeschutzes. Weiterhin werden grundlegende Hinweise zum Holzbau gegeben, die die Entwicklung des Bau- systems Naumann & Stahr nachvollziehbar machen.

Die Erklärungen erfolgen in der Regel in kurzer, übersichtlicher Form und sie sind sinngemäß der einschlägigen Fachliteratur oder themenähnlichen Diplomarbeiten entnommen. Verwendete Kenngrößen sind mit Formelzeichen und Einheit tabellarisch aufgelistet, auf die ausführliche Beschreibung der Berechnungsvorschriften wird verzich- tet. Dazu stehen dem Anwender mittlerweile ausreichend Lehrbücher und Berechnungs- programme zur Verfügung.

Für die Nachweise zum Wärme- und Feuchteschutz erfolgt die Benennung der wichtigs- ten Normen DIN 4108 und Energieeinsparverordnung (EnEV) 2002. Die Energieeinspar- verordnung stellt die zur Zeit gültige Vorschrift für den Wärmeschutz von Gebäuden dar, die bei Neu- und Umbauten anzuwenden ist.

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Die Entwicklung zum Passivhausstandard erfolgte stufenweise vom Niedrigenergiehaus über das 3-Liter-Haus. Eine kurze Charakteristik des einzelnen Gebäudestandards macht die Einsparung von Heizenergie im Wohnungsbau deutlich. Erst durch stete Forschungsarbeit und ein steigendes Umweltbewusstsein der Bauwilligen konnte die Entwicklung zum Passiv- und Nullheizenergiehaus auf den heutigen Stand gebracht werden.

2.2.1 Begriffe und Definitionen

2.2.1.1 Kenngrößen zur Berechnung der bauphysikalischen Eigenschaften

von Bauteilen Die Kenngrößen tragen die Symbole nach DIN 4108-2:2003-04, in Klammern sind, wenn abweichend, die früheren Symbole angeben.

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2.2.1.2 Wärmetransport

Der Wärmetransport erfolgt als Wärmeleitung, Wärmeübergang und als Wärmestrah- lung. Gemeinsam ist allen Vorgängen eine Übertragung von Wärmeenergie von einem Medium hoher Temperatur zu niedriger Temperatur. Man unterscheidet den Wärme- transport an Grenzstellen der Medien in oben genannte Komponente. Wärmetransport durch Wärmeleitung

Der Wärmetransport in festen Stoffen erfolgt durch Leitung. Es ist ein an die Materie gebundener Energietransport, wobei der Wärmeaustausch zwischen unmittelbar be- nachbarten Molekülen stattfindet. Kenngrößen der Wärmeleitung sind die Wärmeleit-

Wärmetransport durch Wärmeübergang

In Gasen und Flüssigkeiten erfolgt der Wärmetransport zusätzlich zur Wärmeleitung durch die Fortbewegung der Moleküle innerhalb des zur Verfügung stehenden Raumes, wobei diese ihren Energiegehalt mit sich führen. Strömungen innerhalb der Gase oder Flüssigkeiten können z.B. durch örtliche Temperaturunterschiede verursacht werden, was einer natürlichen Konvektion entspricht. Ein Wärmeaustausch zwischen Gasen bzw. Flüssigkeiten und einer angrenzenden festen Oberfläche wird als Wärmeübergang bezeichnet. [1] Wärmetransport durch Wärmestrahlung

Jeder Körper emittiert elektromagnetische Strahlung, deren Intensität und spektrale

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Energieverteilung von seiner Temperatur und Oberflächenbeschaffenheit abhängt. Entscheidende Einflußgröße ist dabei die Temperatur, so dass diese Strahlen häufig auch als Temperaturstrahlen bezeichnet werden. Die von einem Körper ausgestrahlte Energie wird durch die Kelvintemperatur T und den Strahlungseigenschaften der Ober- fläche bestimmt. Ein Körper, der bei der Temperatur T die höchstmögliche Energiemen- ge abstrahlt, wird als “schwarzer Strahler” bezeichnet. [1] Der Emissionsgrad g nennt das Verhältnis der von der Oberfläche eines realen Körpers emittierten spezifischen Ausstrahlung zu der des schwarzen Körpers. Durch Anwendung der Strahlungskonstanten C des schwarzen Strahlers kann somit die Strahlungskon-

s

stante C jeden beliebigen Körpers definiert werden.

2.2.1.3 Wärmebrücken

Definition

Wärmebrücken kennzeichnen örtlich begrenzte Störstellen, bei denen im Vergleich zu den angrenzenden ungestörten Bauteilen die Wärmestromlinien (Isothermen6 Linien gleicher Temperatur) nicht mehr parallel zueinander verlaufen. Diese Bereiche erhöhter Wärmstromdichte verursachen neben einem höheren Wärmeverlust als die flächigen, ungestörten Bereiche auch eine geringere Oberflächentemperatur. [2] Vor allem bei nicht ausreichend wärmegedämmten Gebäuden kann diese Tatsache zu Kondensatausfall an der Bauteilinnenoberfläche führen. Oberflächenkondensat und ein geeigneter Nährboden, wie z.B. Raufasertapete (enthält hohen Zuckeranteil, Eiweiß und Lignin) bilden eine ideale Grundlage für die Entstehung von Pilzkulturen. Diese sehen nicht nur unschön aus, sondern sind auch aus gesundheitlichen Gründen unbedingt zu vermeiden. Weiterhin kommt es bei dauerhafter Durchfeuchtung zu Schäden der Bausubstanz.

Klassifizierung

Die Klassifizierung unterscheidet in geometrisch und material bedingte Wärmebrücken: < Geometrisch bedingte Wärmebrücken

entstehen, wenn die wärmeaufnehmende Fläche eines Bauteils größer oder kleiner als

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die der wärmeabgebenden Fläche ist. Paradebeispiel hierfür sind Gebäudeecken und - kanten. So steht im Fall einer Gebäudeaußenkante der kleinen wärmeaufnehmenden Fläche eine wesentlich größere Auskühlfläche entgegen. Infolge dessen kommt es zu einem im Vergleich zu einer geraden Wand erhöhten Wärmeverlust (Kühlrippeneffekt).

< Materialbedingte Wärmebrücken

entstehen, wenn Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit parallel zum Wärmestrom nebeneinander liegen. Typische Beispiele sind Betonstützen im Mauer- werk oder in Decken eingebundene Stahlträger (Verbundbauweise). Durch eine ent- sprechende Wahl von Baustoffen mit ähnlichen Wärmeleitfähigkeiten oder durch das Trennen von tragender und thermischer Hülle kann diese Art von Wärmebrücken vermieden bzw. erheblich reduziert werden. Nachfolgende Abbildungen zeigen je eine geometrisch und eine materialbedingte Wärmebrücke.

Abb.10: Geom etrisch bedingte W ärm ebrücke Abb.11: Materialbedingte W ärm ebrücke

am Beispiel Außenwandecke [72] Des weiteren werden noch unterschieden:

< Umgebungsbedingte (konstruktive) Wärmebrücken,

die als Folge von Schwächungen des Wärmeschutzes entstehen, wie dies z.B. häufig infolge von Heizkörpernischen (reduzierte Wandstärke) der Fall ist. < Massenstrombedingte Wärmebrücken treten als Folge von Luftströmungen durch Bauteile (Luftundichtheit) auf. Die letztgenannten Wärmebrücken sind bei umsichtiger Planung und Bauausführung vermeidbar.

Eine zweite Möglichkeit der Unterteilung von Wärmebrücken ist die Einteilung nach ihrer Henry Schäfer - HTWK Leipzig - Seite 16 -

Erscheinungsform. Es gibt linienförmige Wärmebrücken, wie z.B. an Gebäudekanten, und punktförmige Wärmebrücken, wie sie unter anderem bei der Befestigung von Wärmedämmung an Wänden (Befestigungsdübel) vorkommen können.

Beispiele für Wärmebrücken und Vorschläge zu deren Vermeidung bzw. Reduzierung sind in der Fachliteratur ausreichend vorzufinden. Empfehlenswert für Wohngebäude ist der “Wärmebrückenatlas für den Mauerwerksbau” von Gerd Hauser / Horst Stiegel. Für den Holzbau, speziell für das Bausystem Naumann & Stahr existiert eine ausführliche Diplomarbeit zum Thema von Herrn Schiller. [2] Wichtiger Bestandteil ist darin auch die Betrachtung der Wärmebrücken beim Fenstereinbau und die Entwicklung eines nach den Kategorien des Passivhaus-Institutes wärmebrückenfreien Einbaudetails {Q # 0,01 W/(m²K)}.

Der Anschluss des Fensters zeigt 2 Wärmebrückeneffekte auf engsten Raum. Zum einen kann der Anschluss der Fensterscheiben am Fensterrahmen durch Wärmebrü- cken der Abstandshalter und Glaseinbindung in den Rahmen zu erhöhten Wärme- verlusten führen. Andererseits ist der Anschluss des Fensters an das Mauerwerk möglichst ohne erhöhte Wärmeverluste auszuführen.

Abb. 12: W ärm ebrückenverluste Q an einem Fenster [2]

Fazit der Wärmebrückenproblematik ist, dass sich Wärmebrücken um so schädlicher auswirken, je besser der Wärmeschutz eines Gebäudes an anderen Stellen ausgeführt wurde. Wärmebrücken führen nicht nur zu vermeidbaren Energieverlusten, sondern erhöhen die Schadensträchtigkeit von Gebäuden erheblich. Da das Nutzerverhalten (Heizen, Lüften, Möblieren) nicht zu reglementieren ist, muß um so mehr Wert auf die Vermeidung “unzulässiger “ Wärmebrücken gelegt werden. [2]

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Vor allem für Passivhäuser ist dies von enormer Bedeutung. Auch bei sehr gutem Wärmeschutz der Regelaufbauten können die Wärmeverluste infolge mangelhafter Qualität von Details so weit anwachsen, dass der Passivhausstandard nicht mehr erreicht wird.

Berücksichtigung von Wärmebrücken in der Normung

Im Gegensatz zur Wärmeschutzverordnung WschV 95, bei der Verluste durch Wärme- brücken in der Berechnung des Transmissionswärmeverlustes von Gebäuden keine Berück-sichtigung fanden, werden diese in der Energieeinsparverordnung EnEV (seit 1. Februar 2002) mit einbezogen.

Nach EnEV Anhang 1, Nr. 2.5 kann die Ermittlung des Jahres-Heizwärmebedarfs H

WB zur Berücksichtigung von Wärmebrücken nach 3 verschiedenen Verfahren erfolgen: 1. Berücksichtigung durch Erhöhung der Wärmedurchgangskoeffizienten um )U = 0,10 W/(m²K) für die gesamte wärmeübertragende Umfassungs-

WB

fläche, (nach DIN V 4108-6: 2000-11 Pkt. 5.5.2.2) 2. bei Anwendung von Planungsbeispielen nach DIN 4108 (Regel konstrukti- on), Beiblatt 2: 1998-08 ; Berücksichtigung durch Erhöhung der Wärme- durchgangskoeffizienten um )U = 0,05 W/(m²K) für die gesamte wärme-

WB

übertragende Umfassungsfläche, 3. durch genauen Nachweis der Wärmebrücken nach DIN V 4108-6: 2000-11 in Verbindung mit weiteren anerkannten Regeln der Technik

Die Berücksichtigung in der Normung lässt erkennen, dass Wärmebrückeneffekte nicht mehr vernachlässigbar sind und eine Reglementierung dieser Effekte erreicht werden soll. Die Varianten I) und II) liefern pauschale Aufschläge, die für den Standard nach EnEV sicher ausreichende Ergebnisse liefern. Variante III) stellt die genaueste Lösung dar und ist bei Gebäuden, deren Wärmeschutz weit über der EnEV liegt, eine sinnvolle Alternative zu den erst genannten Varianten I) und II), da diese hier ungünstigere Werte liefern würden.

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2.2.1.4 Wärmegewinne

Bei einer heutzutage üblichen Bilanzierung des Wärmebedarfes von Gebäuden werden Wärmegewinne den Wärmeverlusten gegenübergestellt. Daraus entsteht eine Übersicht der Energieflüsse, die am Betrieb eines Gebäudes beteiligt sind. Die Differenz stellt den Heizwärmebedarf des Gebäudes dar.

Zu den Wärmegewinnen in einem Wohnhaus zählt man einerseits die solaren Gewinne, welche zu einem bedeutenden Beitrag in der Wärmebilanz eines Gebäudes werden. In normalen Gebäuden entstehen solare Gewinne durch die solare Strahlung, die durch die Fenster in das Gebäudeinnere gelangt, absorbiert und in Wärme umgewandelt wird. Den Vorgang die solare Energie im Gebäude zu halten nennt man Glashauseffekt.

In ihrer Zusammensetzung besteht solare Strahlung aus direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung. Die letztere fällt aus allen Himmelsrichtungen etwa gleich- mäßig ein. Die direkte Sonnenstrahlung trifft im Winter auf südorientierte Flächen, in den Übergangszeiten auf Flächen nach Ost, Süd und West und im Sommer besonders intensiv auf Ost- und Westflächen. Durch nach Süden gerichtete Fenster lassen sich daher in der Heizperiode besonders solare Gewinne erzielen.

Für die Berechnung der solaren Gewinne müssen die Beiträge getrennt nach der Orientierung berechnet und danach zusammengefasst werden. Den jeweiligen Beitrag ergibt das Produkt aus Fensterfläche, Gesamtenergiedurchlassgrad, Reduktionsfaktor (Verschmutzung, Verschattung) und solarer Gesamtstrahlung.

Abb.13: Solare W ärm egewinne durch die Fenster eines Gebäudes [4]

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Auf opaken Bauteilen wie Wänden und Dächern liefert die absorbierte Strahlung nur geringe Beiträge. Durch zusätzliche Elemente wie Glasvorbauten, transparente Wärme- dämmung (TWD) oder ähnliches können die solaren Gewinne verstärkt werden. [4]

Andererseits sind innere oder interne Gewinne der Energiebilanz eines Hauses zu- zurechnen. Als solche wird die von Geräten und Menschen im betrachteten Gebäude abgegebene Wärme verstanden. Bei den Verfahren zur Wärmebilanzberechnung werden sie in der Regel pauschaliert, bei dem Berechnungsprogramm PHPP werden sie möglichst genau erfasst.

Technische Geräte wie Fernseher, Kühlschrank oder Ofen liefern (Ab-) Wärme. Anlass dafür ist meist eine nicht optimale Gerätetechnik oder menschliche Bequemlichkeit (“stand by”-Betrieb). Mit energieeffizienteren Geräten sind Abwärmereduzierungen ohne Nutzungseinbußen möglich. Empfehlenswert ist der Einsatz von Energiesparlampen, bei etwa gleicher Lichtmenge verbraucht eine solche z. B. 15 W elektrischer Energie gegen- über 60 - 75 W bei herkömmlichen Lampen. Zwischen 70 % und 80 % der Energie einer herkömmlichen Glühlampe wird in Wärme umgewandelt.

In der thermischen Gebäudehülle wird außerdem Wärme aus der Stromnutzung frei, die wie generell die internen Gewinne mit zwei Nachteilen verbunden ist. Einerseits ist die Wärmeabgabe nicht durch den Heizbedarf gesteuert, es erfolgt die Freisetzung auch in Zeiten ohne Heizbedarf. So trägt sie auch im Sommer zur Erwärmung bei, eine Überhit- zung (Übertemperatur) kann eintreten.

Abb. 14: Innere W ärm egewinne durch Personen, elektrisches Licht und Elektrogeräte

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Die Bewohner eines Hauses geben bedingt durch ihren Stoffwechsel Wärme ab, deren Menge vom Aktivitätsgrad und der körperlichen Konstitution des Menschen abhängt. Bei leichter Tätigkeit entstehen so ca. 100 W pro Stunde.

2.2.1.5 Wärmeverluste

Wärmeverluste entstehen zum einen durch Wärmeleitung durch die Bauteile der Gebäu- dehülle, die sogenannten Transmissionswärmeverluste. Zum anderen sind es die Lüftungswärmeverluste, die durch erwünschten und unerwünschten Luftwechsel ent- stehen.

Für die Transmissionswärmeverluste sind diejenigen Bauteile relevant, die das beheizte Gebäudevolumen von der äußeren Umgebung, unbeheizten Räumen oder Erdreich trennen. Die Verluste an Bauteilanschlüssen, auskragenden Bauteilen und Außenecken eines Gebäudes fasst man unter dem Begriff Wärmebrücken zusammen, siehe Ab- schnitt 2.2.1.3. [4]

Maßgebend für die Verluste ist der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) des Bauteils, er gibt an wie viel Wärme durch einen Quadratmeter Bauteilfläche bei einem Tempera- turunterschied von einem Kelvin hindurch wandert. Die U-Werte verschiedener Bauteile liegen relativ weit auseinander. So kann eine Einscheibenverglasung einen Wert über 5,10 W/(m² K) erreichen, die Holzständerwand von Naumann & Stahr liegt dagegen bei 0,10 W/(m² K). In der Verbesserung der Wärmedämmung der Außenbauteile liegt bei Altbauten ein großes Potential zur Verringerung des Heizwärmebedarfs. Die Hüllbauteile Dach, Wand und Grund werden bei der Berechnung des Transmissionswärmebedarfes mit unterschiedlichen Wärmeübergangswiderständen R versehen. So wird dem rich- tungsabhängigen Verlauf des Wärmestromes Rechnung getragen. In nachfolgender Abbildung werden die Transmissionswärmeverluste durch die Außenbauteile grafisch verdeutlicht.

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Abb. 15: Transm issionswärm everluste durch die Außenbauteile eines Gebäudes [4]

Der erwünschte Luftwechsel, ein Austausch von Innenluft durch Außenluft, versorgt die Nutzräume mit notwendigem Sauerstoff und führt ausgeatmetes Kohlendioxid, Wasser- dampf, Gerüche und eventuell auch Schadstoffe nach draußen. Der Luftwechsel ist nach dem Bedarf des Menschen zu organisieren, ein zeitweises, gänzliches Öffnen der Fenster, sogenanntes Stoßlüften, ist die energetisch sinnvollste Form. Einen höheren Luftwechsel erhält man durch angekippte Fenster über einen längeren Zeitraum, da- durch steigen aber die Wärmeverluste an, außerdem führt dies zur Auskühlung der angrenzenden Bauteile (z. B. Fensterlaibungen). Ein genaues Einstellen des gewünsch- ten Luftwechsels erlauben Lüftungsanlagen (sinnvollerweise mit Wärmerückgewinnung).

Der Frischluftbedarf eines Mensches bei leichter Tätigkeit liegt bei 20 - 30 m³/h. Bei einer Wohnung mit 30 m² Fläche und 2,40 m Raumhöhe ist ein Luftwechsel von 0,3 h -1 -1

bis 0,4 h angemessen. In der jahreszeitlichen Übergangszeit steigt der Frischluftbedarf feuchtebedingt an.

Abb. 16: Erwünschter Luftwechsel [4]

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Der unerwünschte Luftwechsel findet in Gebäuden, vor allem im Altbau, als zusätzlicher Luftwechsel durch Fugen statt. Diese finden sich an undichten Fenstern und Türen, an Einbaufugen von Durchdringungen oder an Wechseln zwischen einzelnen Materialien (Holz und Mauerwerk). Durch Winddruckverhältnisse und Temperaturdifferenzen zwischen innen und außen variiert dieser „ungewollte” Luftwechsel im Jahresgang. Diese Lüftung ist nicht regelbar und muß so gering wie möglich gehalten bzw. vermieden werden.

Für Passivhäuser ist daher eine winddichte Hülle zwingend erforderlich. Der Nachweis der Dichtheit des Gebäudes erfolgt mit dem Blower-Door-Test, bei Über- und Unterdruck -1

von 50 Pascal darf der Luftwechsel 0,6 h nicht überschreiten. Ausführlich werden die Anforderungen an die Luftdichtheit im nachfolgenden Abschnitt beschrieben.

2.2.1.6 Luftdichtheit

Ist die Konstruktion der Gebäudehülle nicht luftdicht, dann ist die Wirksamkeit der Wärmedämmung stark reduziert. Die Dämmwirkung beruht auf unbewegter Luft in zahlreichen geschlossenzelligen Poren. Wenn diese Poren durch eine Windbewegung durchspült werden, verringert sich die Dämmwirkung erheblich. Neben den dadurch auftretenden Wärmeverlusten kann, durch die geringeren Temperaturen in der Wand, Tauwasserbildung in einzelnen Wandschichten und damit ein erheblicher Bauschaden auftreten. Undichtigkeiten an der Wandinnenseite führen zu ungewollten Luftströmungen von innen nach außen. Diese konstruktiv vermeidbaren Wärmebrückeneffekte verursa- chen damit erhöhte Lüftungswärmeverluste.

Die Gebäudehülle eines Passivhauses muss daher über eine luftdichte Ebene verfügen, die ein Ausströmen von Raumluft bzw. ein Einströmen von Außenluft verhindert, und sie benötigt eine winddichte Außenhaut, die eine Belüftung der Wärmedämmschicht verhin- dert. Die luftdichte Hülle sollte identisch mit der thermischen Hülle sein. Als Maß für die Luftdichtheit eines Gebäudes wird die Luftwechselzahl n verwendet. Sie gibt an wie oft in einer Stunde das gesamte Luftvolumen der Innenräume ausgetauscht wird. Gemes- sen wird sie mit dem bereits erwähnten Blower-Door-Test. Dabei wird in die Haustür

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oder andere Außenöffnungen ein Ventilator luftdicht eingebaut und im Haus jeweils ein Unter- und ein Überdruck von 50 Pa erzeugt. Der gemessene aus- bzw. einströmende Luftvolumenstrom ergibt mit dem Raumvolumen dividiert den n -Wert. In Passivhäusern

50

-1

muss dieser Wert unter 0,6 h liegen.

2.2.1.7 Energiekennwerte

Unter Energiekennwerten versteht man spezifische Größen, die den Energiebedarf eines Gebäudes pro Quadratmeter Wohnfläche und für einen Zeitraum von einem Jahr ausweisen.

Im Heizwärmekennwert wird diejenige Wärmemenge benannt, die einem Gebäude zugeführt werden muß, um die Bilanz von Wärmeverlusten gegenüber den Gewinnen auszugleichen. Der Heizwärmekennwert ist abhängig vom Wärmeschutzstandard des Gebäudes, aber unabhängig vom Heizungssystem.

Der Heizenergiekennwert benennt die Endenergiemenge, die gekauft werden muss um den Heizwärmebedarf des Gebäudes zu decken. Er umfasst alle erforderlichen Mengen an Brennstoffen, wie Kohle, Öl, Gas, Strom und Fernwärme. Auftretende Kesselverluste bei der Heizwärmebereitstellung sind mit eingeschlossen.

Für den Endenergiekennwert wird die gesamte Endenergiemenge betrachtet, die für Raumheizung, Warmwasserbereitstellung und den Betrieb von Haushaltgeräten benötigt wird. Eingeschlossen sind Betriebsverluste von Heizung und Geräten.

Der Primärenergiekennwert gibt diejenige Menge nicht-regenerativer Primärenergie an, die vom Endverbraucher erworben wird, um die Endenergiemenge bereitzustellen. Eingeschlossen sind Verluste bei Gewinnung, Aufbereitung und Transport von Brenn- stoffen, sowie Umwandlungsverluste bei der Stromerzeugung. Der nicht-regenerative Primärenergieeinsatz stellt ein Maß für Ressourceneinsatz und Umweltbelastung dar. Für die Stromerzeugung hängt der Primärenergieaufwand vom Kraftwerksmix ab, der

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den Standort des Gebäudes versorgt. In den Berechnungen wird hilfsweise der mittlere Mix für ganz Deutschland zugrunde gelegt. In den vorhandenen Statistiken wird für Wasserkraft, Kernenergie und erneuerbare Energieträger zumeist die ersetzte fossile Brennstoffmenge ausgewiesen. [43]

2.2.1.8 Bauteilkenngrößen stationärer und instationärer Wärmebewegun-

gen

In den Räumen von Wohnhäusern wird im mitteleuropäischen Klima im Zeitraum Mitte Oktober bis Mitte April immer eine höhere Temperatur erwartet als die der Außenluft. Aufgrund der so ständig vorliegenden positiven Temperaturdifferenz von innen nach außen kann der Wärmeverlust so behandelt werden, als liege immer die gleiche mittlere Innen- und Außentemperatur vor. Man bezeichnet diesen Fall als “stationär”, also unveränderlich. [1] Stationäre Wärmebewegungen werden durch konstante thermische Bauteilbedingungen gekennzeichnet, so dass im Bauteil eine zeitlich konstante Temperaturverteilung vor- liegt. Es entstehen stationäre Wärmeströme, die durch folgende Bauteilkenngrößen beschrieben werden:

< Wärmedurchgangswiderstand R

T Folgende Widerstände wirken dem Wärmefluß durch eine Außenwand entgegen:

C der Wärmeübergangswiderstand R an der Innenseite

si

C der Wärmedurchlasswiderstand R des Bauteils

C der Wärmeübergangswiderstand R an der Außenseite

se

Als Summe dieser Widerstände ergibt sich der Wärmedurchgangswiderstand.

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< Wärmedurchgangskoeffizient U

Der Wärmedurchgangskoeffizient ist die Wärmemenge, die je Sekunde durch 1 m² Bauteilfläche unter Berücksichtigung der Wärmeübergangswiderstände übertragen wird. Der Lufttemperaturunterschied beiderseits des Bauteils beträgt dabei 1 K.

< Wärmestromdichte q

Die Wärmestromdichte kennzeichnet die Wärmemenge, die je Sekunde und je 1 m² das Bauteil durchströmt. Im stationären Zustand ist sie an jeder Stelle im Bauteil und in den Wärmeübergangsbereichen gleich.

Für den Sommerfall gilt die Annahme einer ständig vorliegenden positiven Temperatur- differenz von innen nach außen nicht mehr. Tageszeitlich schwanken die Temperaturen im Außenbereich über oder unter die Raumtemperatur. Die Temperaturdifferenz ver- ändert sich verändert sich mit zeitweisem Wechsel des Vorzeichens. Diesen Vorgang bezeichnet man daher als instationär.

Instationäre Wärmebewegungen sind durch veränderliche thermische Bedingungen der Bauteilumgebung charakterisiert. Infolge Auf- oder Abkühlung im Bauteil sind die Luft- temperaturen zu beiden Seiten des Bauteils nicht konstant. Das wärmeschutztechnische Verhalten der Bauteile wird nicht mehr allein von der Wärmeleitfähigkeit 8 des Materials bestimmt. Neben ihr sind noch die Rohdichte D und die spezifische Wärmekapazität c von Bedeutung. Kenngrößen der instationären Wärmebewegung sind: < Temperaturleitfähigkeit a

Die Temperaturleitfähigkeit a bestimmt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Tempera- turfeldes im Bauteil.

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< Wärmeeindringkoeffizient b

Der Wärmeeindringkoeffizient kennzeichnet den Einfluss der thermischen Material- und Bauteileigeneigenschaften auf den Wärmestrom im Bauteil und ist ein Maß für die Beurteilung des Verhaltens von Stoffen bei kurzzeitigen Wärmeströmungsvorgängen (z.B. Fußwärme von Böden).

2.2.2 Aktuelle Vorschriften zum Wärmeschutz von Gebäuden

Die nachfolgenden Abschnitte geben eine kurze Darstellung zur Energieeinsparver- ordnung 2002 und zur DIN 4108 “Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden”. Für ausführlichere Informationen stehen dem interessierten Anwender zahlreiche Seiten im Internet bereit. Zahlreiche Fachbücher geben Hinweise zu Berechnungsalgorithmen und veranschaulichen die Bilanzierung an Beispielen.

2.2.2.1 Energieeinsparverordnung (EnEV)

Die Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagen- technik bei Gebäuden, kurz Energieeinsparverordnung, trat am 01. Februar 2002 in Kraft. Ziel der Vorschrift ist es, den Heizwärmebedarf von Wohngebäuden deutlich zu senken, die Begrenzung orientiert sich dabei an dem Standard von Niedrigenergiehäu- sern. Nachfolgende Tabelle gibt einen kurzen Überblick über den Heizwärmebedarf unter Beachtung vorangegangener Vorschriften.

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Eine vernünftige Beurteilung von Maßnahmen zur Senkung des Energieverbrauchs ist nur über komplexe Beurteilungsverfahren sinnvoll, wobei die Anforderungen, als auch die zur Verfügung stehenden Rechenverfahren immer umfassender werden.

Aufgrund der komplexeren Methodik seitens der Anforderungen und des Nachweis- verfahrens kommt es zu einer Veränderung der Bilanzgrenze. Während nach Wärme- schutzverordnung die zur Verfügung zu stellende Raumwärme als wichtige Zielgröße galt und somit die „Bilanzgrenze” vor dem Heizkörper endete, muss der neue Ansatz als Zielgröße die Energiemenge haben, welche an der Gebäude (Grundstücks-) grenze für die Beheizung des Gebäudes (einschließlich der ggf. vorhandenen Warmwasserberei- tung) notwendig ist.

Die Anforderungskurve der EnEV bilanziert somit in Abhängigkeit vom A/V - Verhältnis e

den Heizenergie-Endenergie-Bedarf. Das A/V - Verhältnis beinhaltet die Summe der e

wärmeübertragenden Hüllflächen geteilt durch das Gebäudevolumen. Der spezifische

Tabelle 1: Entwicklung des durchschnittlichen Heizenergiebedarfs von W ohngebäuden

Heizenergiekennwert wird auf die EnEV-Nutzfläche bezogen, die pauschal aus 0,32 x V e

bestimmt wird. Dieser Wert wird als spezifischer Jahresheizwärmebedarf Q’‘ bezeich- h

net. Ein direkter Vergleich zum Heizenergiekennwert des Gebäudes ist nicht möglich, da bei dessen Berechnung die Energiebezugsfläche nach II. Berechnungsverordnung zugrunde gelegt wird (z.B. PHPP).

Entscheidende Zielgröße im Neubau, unter gewissen Umständen auch im Bestand, ist der Jahres- Primärenergiebedarf Q . Er ist nach DIN EN 832: 1998-12 in Verbindung mit P

DIN V 4108-6: 2000-11 und DIN V 4701-10: 2001-02 zu ermitteln.

In der Berechnung unterscheidet die EnEV zwei unterschiedliche Verfahren. Das Heizperiodenbilanzverfahren ist ein kompaktes, vereinfachtes Verfahren für Gebäude

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bilanzverfahren. Es ist auf alle Gebäudetypen anwendbar und erfasst Gebäudetypologie

und Nutzerverhalten genauer. Im Monatsbilanzverfahren wird der Jahresheizwärmebe- darf Q als Differenz des Wärmebedarfs (Transmissions- und Lüftungswärmebedarf)

h

abzüglich Wärmegewinne (solare und innere Gewinne) ermittelt. Nach Bestimmung des monatlichen Ausnutzungsgrads erfolgt die Bilanzierung des monatlichen Heizwärmebe- darfs. Die Bemessung ist anschaulich im Bauphysik-Kalender 2002 erklärt. Zum Nachweis nach Energieeinsparverordnung (EnEV) ist prinzipiell die DIN EN 832 [7] einschließlich der über diese Norm einbezogenen technischen Regeln zu verwenden. Allerdings müssen zur Umsetzung des Bilanzierungsansatzes nationale Regelungen der europäischen Normenansätze (wie z.B. Festlegungen zu Klimadaten, nutzungs- und lebensstandabhängige Daten wie Innentemperaturen, interne Wärmegewinne und ähnliches) getroffen werden. Diese Funktion übernimmt auf der „Bauseite” die DIN V 4108-6 [8], welche als nationale Berechnungsnorm das Umsatzdokument für die in Bezug zu nehmenden europäischen Normen ist. In ihr wird das Monatsbilanzverfahren als Regelverfahren der EnEV und dass auf Basis der DIN EN 832 ausgearbeitete Heizperiodenbilanzverfahren (in der Verordnung als -vereinfachtes Verfahren- bezeich- net) beschrieben.

Die Berechnung der Wärmedurchgangskoeffizienten (U- Werte) erfolgt nach DIN EN

ISO 6946. Der Wärmeschutz im Hochbau ist in der Neufassung der DIN 4108 Teil 2 bis

Teil 7 verankert.

Vorgenannte Normen treten in der EnEV als Verweis auf. Einen Überblick über die direkt und indirekt in Bezug genommenen Normen geben Tabellen auf Ratgeberseiten im Internet. [9] Die parallel zu dieser Magisterarbeit im Büro Naumann & Stahr angefertigte Diplomarbeit “Interdisziplinäres Planen eines Passivhauses” [10] setzt sich gründlich mit der EnEV auseinander und gibt vorgenannte Berechnungsalgorithmen und Tabellen wieder.

2.2.2.2 DIN 4108

Die DIN 4108 “Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden” regelt als deutsche Norm den Wärme- und auch Feuchteschutz. Sie wurde in den letzten beiden Jahren überarbeitet und liegt in Teilen erst als Vornorm vor. Nachfolgend sind die Teile mit

ihrem fachlichen Inhalt aufgeführt.

Tabelle 2: Teile der DIN 4108

Für den Nachweis der Tauwasserfreiheit und die Einordnung der ermittelten Tauwasser- menge ist Teil 3 der DIN anzuwenden. Ein hygienisches Raumklima sowie ein dauerhaf- ter Schutz der Baukonstruktion gegen klimabedingte Feuchteeinwirkungen wird dadurch sichergestellt.

Für die Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs (im Zusammenhang mit der EnEV) sind die Grundlagen im Teil 6 der Vorschrift niedergelegt. Neben der Begriffsbestim- mung werden darin die in der EnEV angewandten Verfahren (Heizperioden- und Mo- natsbilanzverfahren) reglementiert. Im Anhang F ist ein ausführliches Beispiel zur Bilanzierung nach beiden Verfahren dargestellt.

Ein wichtiger Aspekt beim Bau von Niedrigenergie- und Passivhäusern ist die Schaffung einer luftdichten Ebene zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste. In DIN 4108-7 sind die Anforderungen an die Luftdichtheit aufgeführt, getrennt nach Gebäuden mit und ohne Lüftungsanlage. Zudem werden Materialien zur Herstellung luftdichter Ebenen und Stöße benannt. Als hilfreiche Unterstützung für die Planung erweisen sich die zahlrei-

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chen Prinzipskizzen zur fachgerechten Ausführung.

Die Anforderungen zum Mindestwärmeschutz sind im 2. Teil der DIN 4108 beschrieben. Dadurch werden feuchtebedingte Schädigungen an Hüllbauteilen und gesundheits- schädliche Raumklimata bei sachgerechter Nutzung weitestgehend vermieden. Durch die Begrenzung der Wärmedurchgangskoeffizienten der Bauteile werden ökonomisch vertretbare Wärmeverluste eingehalten. Für Niedrigenergie- und Passivhäuser sind diese U-Werte weiter zu reduzieren. Im weiteren sind Anforderungen an den sommerli- chen Wärmeschutz festgelegt. Zur Vermeidung von unerträglich hohen Raumtemperatu- ren sind Festlegungen zu transparenten und nichttransparenten Bauteilen aufgeführt. Der sommerlicher Wärmeschutz spielt eine sehr wichtige Rolle in Gebäuden, die im Winter durch solare Gewinne energetisch unterstützt werden.

2.2.3 Gebäudestandards mit niedrigem Heizwärmebedarf

Die ersten Bemühungen energiesparende Häuser zu entwickeln kamen aus den skandinavischen Ländern. So wurde bereits 1974 das erste Null-Energie-Haus in Kopenhagen von der Technischen Universität Dänemark entwickelt und gebaut. In Schweden wird seit 1991 für Neubauten der Niedrig-Energie-Haus Standard vorge- schrieben.

Die Definition “low energy house” ist ein internationaler anerkannter Begriff und wurde speziell in Kanada und Skandinavien geprägt. Dort ist er seit 1979 für Gebäude im Gebrauch, die ein gegenüber der damaligen Baunorm mehr als halbierten Heizwärme- bedarf haben.

Von einigen Fachleuten wurde auch in Deutschland schon Anfang der achtziger Jahre die Idee vertreten, energiesparendes Bauen konsequent weiterzuentwickeln. Aufgrund der wenig entwickelten Materialien (vor allem Fenster) wurde anfangs eine gewisse Restheizung zugelassen, um zu kleine Fenster zu vermeiden, und der Begriff Niedrig- Energie-Haus wurde geprägt. Anfang der neunziger Jahre fand der Gedanke der Niedrig-Energie-Häuser auch staatliche Anerkennung, die WSchV95 blieb jedoch hinter den Forderungen des Instituts für Wohnen und Umwelt Darmstadt zurück. Erst die EnEV 2002 legte für Neubauten den Niedrig-Energie Standard fest. Weitere Forschungen und Weiterentwicklungen der Komponenten, vor allem der Wärmeschutzverglasung, führten

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zur Festlegung des Passivhausstandards. Im Abschnitt 2.2.3.5 sind die heute gebräuch- lichen energietechnischen Standards für Gebäude in einer Tabelle zusammengefasst.

2.2.3.1 Das Niedrigenergiehaus (NEH)

Der Niedrigenergiehausstandard, der mit Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung EnEV als Neubaustandard eingeführt wurde, schreibt eine Reduzierung des Heiz- energiebedarfes um 30 % gegenüber den Werten nach WschV 95 vor. Unter dem Begriff NEH versteht man ein Gebäude, in dem die Energieverluste durch Einsparmaß- nahmen minimiert und die Energiegewinne, hauptsächlich durch passive Sonnen- energie, optimiert werden. Als Niedrigenergiehaus wird derzeit ein Gebäude bezeichnet, dessen Heizenergiebedarf einen Grenzwert von 70 kWh/(m²a) nicht überschreitet.

Nachfolgend ein kurzer Überblick einiger Merkmale von Niedrigenergiehäusern: [2] < Sehr guter Wärmeschutz der Außenbauteile

Empfohlene U- Werte der wärmeübertragenden Hüllbauteile:

Tabelle 3: Em pfohlene W ärm edurchgangskoeffizienten U in W /(m ²K) für NEH [43]

< Reduzierung von Wärmebrücken Die Dämmung sollte ohne Unterbrechung geschlossen um das Haus geführt werden, auskragende Bauteile sind zu vermeiden, ungedämmte Vollholzquerschnitte bei Holz- Henry Schäfer - HTWK Leipzig - Seite 32 -

bauteilen sind zu reduzieren.

< Dichtheit der Außenhülle

Es ist eine dichte Außenhülle herzustellen, Zielwert für den Leckageluftwechsel nach Blower- Door- Test: n #1,0 h .

-1

50

< Optimierung der passiven Solarenergienutzung

Qualität transparenter Bauteile (gute Wärmedämmung und hoher Gesamtenergiedurch- lass) ist wichtiger als ihre Quantität (Fenstergröße).

< Kontrollierte Wohnungslüftung ohne oder mit Wärmerückgewinnung

Lüftungstechnik soll Raumluftqualität liefern, erst als zweites Energieeinsparung, ein- fache Abluftanlagen reichen oft aus.

2.2.3.2 Das 3-Liter-Haus

Viele Hersteller, vor allem Fertighaus - Hersteller und Anbieter aus dem Holzbau, bieten heute Häuser an, deren Heizwärmebedarf noch deutlich unter dem nach EnEV ge- forderten Grenzwert liegt. Dabei handelt es sich um das sogenannte 3-Liter-Haus, das durch erhöhten Wärmeschutz der einzelnen Bauteile einen maximalen Heizwärmebe- darf von 30 kWh/(m²a) besitzt. Das entspricht einer Energieeinsparung von über 50 % gegenüber Gebäuden mit Niedrigenergiehausstandard. Zudem benötigt das 3-Liter- Haus weniger als die Hälfte der Menge an Brennstoff für die Heizwärme, vergleichbar mit 3 Litern Heizöl pro Quadratmeter Wohnfläche und Jahr.

Verschärfte Anforderungen bezüglich der geforderten Luftdichtigkeit werden an die Gebäudehülle gestellt. Während die EnEV den Luftdichtigkeitstest nur empfiehlt (nach EnEV nicht zwingend vorgeschrieben) und dabei einen Grenzwert von n # 1,0 h -1

50

vorgibt, sollte ein 3-Liter Haus in Anlehnung an die EnEV ebenso einen Wert unter 1,0

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h ; am besten unter 0,5 h aufweisen. Dies bedingt eine Optimierung der nahezu wärmebrückenfreien Konstruktion, wodurch ein sehr geringer Wärmeverlust durch Verringerung der Undichtigkeiten in den Außenflächen erreicht wird. Das Augenmerk liegt hierbei in den Details.

Bei der Auswahl von Wärmeversorgungssystemen sind verschiedene Variationen möglich. Neben dem Einsatz von energiesparenden Gas- oder Öl- Brennwertkesseln können auch Wärmepumpen zur Anwendung kommen. Der Einsatz von thermischen Solaranlagen ist vorzusehen, um die Warmwasseraufbereitung für das Sommerhalbjahr zu übernehmen und bei Kombisystemen eine Unterstützung der Heizung in der Über- gangszeit zu gewährleisten.

Der Einbau einer Wohnungslüftungsanlage gehört zum Bestandteil des 3-Liter Hauses. Sie dient der Komfortsteigerung bezüglich einer besseren Luftqualität im Haus und der Energieeinsparung. Die in Wohn- und Aufenthaltsräume stetig frisch eingebrachte Luft kann im Wärmetauscher mit Hilfe der warmen Abluft vorgewärmt werden.

2.2.3.3 Das Passivhaus

Eine nochmalige Halbierung des Heizwärmebedarfes auf maximal 15 kWh/(m²a) wird mit der Realisierung des Passivhausstandards erreicht.

Ziel ist es, dass die Wärmegewinne, die durch die Sonneneinstrahlung (solare Wärme- gewinne) und die Eigenwärme der Bewohner, sowie durch die von elektrischen Geräten erzeugte Wärme (interne Wärmegewinne) entstehen, die Wärmeverluste durch Trans- mission und Lüftung zum größten Teil ausgleichen. Der restliche Wärmebedarf wird über eine “Notheizung” sichergestellt. Um einen derart geringen Jahresheizwärmebedarf erreichen zu können, müssen an die Gebäudehülle (Transmissionswärmeverluste) und an die Haustechnik (Lüftungswärmeverluste) besondere Anforderungen gestellt werden.

Eine Hauptforderung beim Passivhausbau ist unter anderem die Einhaltung der Wärme-

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brückenfreiheit der Gebäudehülle, denn ohne wärmebrückenfreie Konstruktion ist ein Passivhaus ökonomisch nicht realisierbar.

Um diese Bedingung zu erfüllen, müssen die Wärmebrücken bezüglich der Außenmaße der Gebäudehülle einen negativen Wert oder den Wert Null (minimale positive Werte zugelassen) aufweisen. Aus dieser Überlegung folgt die sogenannte Passivhaus - Wärmebrückenbedingung: Q #0,01 W/(m@K).

i,außen

Zur effizienten Ausnutzung der solaren Erträge ist die Ausrichtung des Gebäudes mit Südorientierung und die Verschattungsfreiheit zu gewährleisten. Bei der Auswahl des Bausystems sollte auf einen möglichst geringen Energieeinsatz bei der Herstellung der Baumaterialien sowie bei der Montage geachtet werden. Durch den Einsatz von natur- nahen Baustoffen, was auch im Interesse der zukünftigen Nutzer des Gebäudes hin- sichtlich gesundheitlich unbedenklicher Baustoffe liegt, ist die Konstruktion nach ökologi- schen Gesichtspunkten zu optimieren, um den hohen und ganzheitlichen Ansprüchen zu genügen. In dieser Hinsicht bietet die Holzbauweise sehr gute Möglichkeiten. Aufgrund der im Holz gebundenen erheblichen Mengen an CO ist der Baustoff Holz sehr zu

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empfehlen.

Eine ausführlichere Dokumentation zu dem Thema erfolgt im Abschnitt 2.5, wo neben der Definition des Passivhauses verschiedene Bauweisen vorgestellt werden.

2.2.3.4 Das Plusenergiehaus

Der bei einem Passivhaus verbleibende minimale Energiebedarf kann heutzutage technisch durch erneuerbare Energien gedeckt werden. Dies kann durch die Installation einer Photovoltaikanlage oder Wind- bzw. Wasserenergienutzung geschehen. Erbringen diese Einrichtungen mehr Energie als das Haus selber benötigt, spricht man von einem Plusenergiehaus. Überschüssige Energie wird in das Versorgungsnetz eingespeist, dabei wird die Energie zu einem Preis vergütet, der über dem Bezugspreis liegt.

Henry Schäfer - HTWK Leipzig - Seite 35 -