Das Klima unseres Planeten ist ein empfindliches und sich stets veränderndes System, in das der Mensch zunehmend eingreift. Die anthropogenen Umweltbelastungen führen zu starken Klimaveränderungen, die den Menschen vermehrt schaden. Um dem entgegen zu wirken, kommt es zu Beratungen zwischen Staatsoberhäuptern verschiedenster Länder. Die Umweltpolitik soll entsprechend den Beschlüssen in den Umweltgipfeln vorangetrieben werden. So entstehen in Deutschland zum Beispiel Energiesparverordnungen, infolge deren die Eigenheimbauer auf eine Energieversorgung zurückgreifen sollen, die auf regenerativer Energieerzeugung basiert. In diesem Sinne werden häufig Energiesparhäuser (Passiv-, Niedrigenergie-, Plusenergiehäuser) thematisiert. Diese sind durch einen möglichst niedrigen Energieverbrauch, zumeist durch Nutzung regenerativer Energiequellen, charakterisiert.
Doch nicht nur innerhalb der Umweltpolitik sind die Energiesparhäuser von Bedeutung. Durch die mediale Aufarbeitung dieser Thematik zeigt sich, dass auch in der breiten Bevölkerung Interesse an Energiesparhäusern besteht. Es wird allerdings wenig darauf eingegangen, wie man Energie überhaupt sparen und so die Umwelt schonen kann. Manchmal werden Technologien, wie Wärmepumpen, Solaranlagen und Windkrafträder, genannt, ohne aber auf die genauen Funktionsweisen dieser einzugehen.
Die vorliegende Staatsexamensarbeit soll einen Überblick über die verschiedensten Maßnahmen zum Energiesparen im Wohnhaus schaffen. Dabei wird der Fokus auf die chemisch-technischen Grundlagen gelegt. So werden in dieser Arbeit aktuelle Tendenzen bzw. Technologien zum energieeffizienten Bauen gegeben. In Abgrenzung zur Staatsexamensarbeit von Hanna Maier, in der es um die Geo- und Solarthermie am Beispiel von einem Wohnhaus geht, wird gezeigt, dass die Chemie ebenso wie die Physik für diese Thematik von Bedeutung ist. Dafür werden zunächst grundlegende Begriffe der Thermodynamik und des Energiesparens erläutert. Dabei wird herausgearbeitet, dass der Energieeintrag, die Energiespeicherung und der Energieaustrag von zentralem Interesse sind, weshalb diese Aspekte in den darauf folgenden Kapiteln genauer untersucht werden. Daran anschließend soll die Frage erläutert werden, ob sich dieser Kontext für den Chemieunterricht als geeignet herausstellt, bestimmte Inhalte der physikalischen Chemie zu erarbeiten. Abschließend wird innerhalb des Fazits ein Ausblick auf aktuelle Forschungsschwerpunkte und mögliche Folgeuntersuchungen gegeben.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Grundlegende Begriffsbildung
2.1. Thermodynamische Systeme
2.2. Zustandsgrößen
2.3. Prozesse in thermodynamischen Systemen
2.4. Energie
2.4.1. Bindungsenergie
2.4.2. Thermische Energie
2.4.3. Strahlungsenergie
2.5. Hauptsätze der Thermodynamik
2.5.1. Nullter Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.2. Erster Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.3. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
2.5.4. Dritter Hauptsatz der Thermodynamik
2.6. Bedeutung des Energiesparens
2.6.1. Energiesparhäuser
2.6.1.1. Niedrigenergiehaus/Niedrigstenergiehaus
2.6.1.2. Passivhaus
2.6.1.3. Nullenergiehaus
2.6.1.4. Plusenergiehaus
2.6.1.5. Zusammenfassung
3. Energieeintrag
3.1. Wärmepumpen
3.1.1. Theoretische Grundlagen
3.1.1.1. Kreisprozesse
3.1.1.1.1. Realer Clausius- Rankine- Prozess
3.1.2. Bauarten und Funktionsweise der Wärmpepumpen – reale Kreisprozesse
3.1.2.1. Kompressionswärmepumpen
3.1.2.2. Absorptionswärmepumpen
3.1.2.3. Adsorptionswärmepumpen
3.1.3. Kältemittel
3.1.4. Wärmepumpen in der Anwendung
3.1.4.1. Luft als Energiequelle
3.1.4.2. Erdreich als Energiequelle
3.1.4.3. Grundwasser als Energiequelle
3.1.4.4. Eisheizung – Heizen mit Eis? – Eis als Energiequelle
4. Energiespeicherung
4.1. Speicherung thermischer Energie
4.1.1. Sensible Wärmespeicherung
4.1.1.1. Sensible Wärme
4.1.1.2. Wärmekapazität
4.1.1.3. Sensible Wärmespeicher
4.1.2. Latente Wärmespeicherung
4.1.2.1. Latente Wärme
4.1.2.2. Anforderungen an PCMs
4.1.2.3. Speicher für latente Wärme
4.1.2.3.1. Organische PCMs
4.1.2.3.2. Salzhydrate
4.1.2.3.3. PCMs in der Anwendung
4.1.3. Thermochemische Speicherung
4.1.3.1. Silicagel
4.1.3.2. Zeolith
4.1.3.3. Aktivkohle
4.1.3.4. Sorptionswärmespeicher
4.1.3.5. Metallhydridspeicher
4.1.3.6. Salzhydrate
4.1.3.7. Weitere chemische Reaktionen
4.1.4. Zusammenfassung
5. Energieaustrag
5.1. Wärmedämmung
5.1.1. Grundlegender Sachverhalt
5.1.2. Opake Wärmedämmung
5.1.3. Transparente Wärmedämmung
5.1.4. Gewöhnliche Fenster und optisch schaltbare Fenster
5.1.4.1. Glas
5.1.4.1.1. Elektrochrome Gläser
5.1.4.1.2. Thermochrome und thermotrope Gläser
5.1.4.1.3. Photochrome und phototrope Gläser
5.1.4.1.4. Gasochrome Gläser
5.2. Technologien für die Lüftung
5.2.1. Lüftung mit geöffneten Fenstern
5.2.2. Lüftungsanlagen bei Luftdichtheit des Gebäudes
5.2.2.1. Wärmetauscher
5.2.2.1.1. Luft- Luft- Wärmetauscher
5.2.2.1.2. Erd– Luft- Wärmetauscher
6. Fachdidaktische Aspekte dieser Thematik
7. Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit analysiert die chemisch-technischen Grundlagen zum energieeffizienten Bauen und Energiesparen im Wohnhaus. Das primäre Ziel ist es, einen Überblick über Maßnahmen zu schaffen und die Eignung dieses Kontexts für den naturwissenschaftlichen Chemieunterricht unter Berücksichtigung thermodynamischer Konzepte zu untersuchen.
- Thermodynamische Grundlagen wie Energiespeicherung und Energieaustrag
- Einsatz technischer Apparaturen wie Wärmepumpen zur effizienten Energienutzung
- Methoden der Wärmedämmung und Lüftungstechnologien
- Didaktische Konzepte zur Vermittlung physikalisch-chemischer Inhalte
- Speichertechnologien (sensibel, latent, thermochemisch) im Haushalt
Auszug aus dem Buch
3.1.2. Bauarten und Funktionsweise der Wärmpepumpen – reale Kreisprozesse
Die folgenden Betrachtungen beziehen sich nicht auf jeden Kühl- und Heizfall, sondern thematisieren speziell die Wärmepumpen. Auf die Kältemaschinen wird lediglich kurz verwiesen. Die Wikrungsweise von Kältemschinen gleicht der der Wärmepumpen. Die Kältemaschinen werden genutzt, um dem Raum Wärme zu entziehen und in die Umgebung abzugeben.
Wärmepumpen werden zur Gebäudeheizung und Warmwasserbereitung genutzt. Dabei übertragen Wärmepumpen innere Energie einer bestimmten Temperatur aus einer Wärmequelle unter Aufwendung von Arbeit auf ein höheres Temperaturniveau. Diese Wärme wird dann für die Heizung oder die Warmwasserbereitung bereitgestellt [vgl. 149, S.247].
Dabei gibt es drei verschiedene Wirkungsprinzipien bzw. Bauarten von Wärmepumpen:
- Kompressionswärmepumpe,
- Absorbtionswärmepumpe,
- Adsorptionswärmepumpe [vgl. 100, S. 323].
Die wesentlichen Wirkungsweisen und die Unterschiede werden im Folgenden näher expliziert.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die Notwendigkeit von Energiesparmaßnahmen vor dem Hintergrund aktueller Umweltbelastungen und stellt das Ziel der Arbeit vor, chemisch-technische Grundlagen für den Chemieunterricht nutzbar zu machen.
2. Grundlegende Begriffsbildung: Dieses Kapitel definiert wesentliche thermodynamische Konzepte wie Systeme, Zustandsgrößen und Hauptsätze der Thermodynamik im Bezug auf den Wohnraum.
3. Energieeintrag: Das Kapitel untersucht die Nutzung von Wärmepumpen als effiziente Technologie zur Gebäudeheizung, basierend auf thermodynamischen Kreisprozessen.
4. Energiespeicherung: Hier werden Methoden zur Speicherung thermischer Energie (sensibel, latent, thermochemisch) erläutert, um saisonale Schwankungen auszugleichen.
5. Energieaustrag: Dieses Kapitel behandelt Strategien zur Wärmedämmung und Lüftungstechnologien, um Energieverluste durch Gebäudehüllen zu minimieren.
6. Fachdidaktische Aspekte dieser Thematik: Der Abschnitt diskutiert Möglichkeiten, die technischen Inhalte rund um das Haus in den naturwissenschaftlichen Unterricht zu integrieren.
7. Fazit und Ausblick: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen und hebt das Potential für zukünftige Unterrichtskonzepte hervor.
Schlüsselwörter
Energieeintrag, Energiespeicherung, Energieaustrag, Thermodynamik, Wärmepumpe, Kreisprozesse, Wärmedämmung, Wärmetauscher, PCM, Phasenwechsel, Salzhydrate, Chemieunterricht, Energieeffizienz, Nachhaltigkeit, Klimawandel
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit bietet einen Überblick über chemisch-technische Aspekte des Energiesparens im Wohnhaus, insbesondere in Bezug auf den Energieeintrag, die Speicherung und den Energieaustrag.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Thermodynamik, Wärmepumpen, Wärmespeicher (sensibel, latent, thermochemisch) sowie moderne Dämm- und Lüftungstechnologien.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist die Analyse technischer Energiesparmaßnahmen sowie die Untersuchung, ob sich dieser Kontext eignet, um Inhalte der physikalischen Chemie im Unterricht zu vermitteln.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer theoretischen Analyse technischer Prozesse und deren didaktischer Einordnung in den Rahmenlehrplan für den naturwissenschaftlichen Unterricht.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in drei Kernbereiche: den Energieeintrag (Wärmepumpen), die Energiespeicherung (thermische Systeme) und den Energieaustrag (Wärmedämmung und Lüftung).
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Kernbegriffe sind Thermodynamik, Wärmepumpe, Energiespeicherung, PCM, Wärmedämmung und Chemieunterricht.
Warum sind Wärmepumpen ein wichtiger Bestandteil der Arbeit?
Wärmepumpen werden als umweltfreundliche Technologie analysiert, die unter Aufwendung von Arbeit Wärme auf ein nutzbares Niveau anhebt, was sie zu einer zentralen Lösung für energieeffizientes Bauen macht.
Welche Rolle spielen PCMs bei der Energiespeicherung?
PCMs (Phase Change Materials) ermöglichen eine effiziente latente Wärmespeicherung bei konstanter Temperatur während des Phasenübergangs, was sie platzsparender als sensible Speicher macht.
Wie unterscheidet sich die Eisheizung von anderen Systemen?
Die Eisheizung nutzt die Erstarrungsenergie von Wasser als Wärmequelle und kombiniert somit einen Energiespeicher mit einer Wärmepumpentechnologie, was eine hocheffiziente Nutzung der Kristallisationswärme ermöglicht.
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- Felix Kasten (Autor), 2012, Energieeintrag, Energiespeicherung, Energieaustrag, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/209453
