Energieautarke Gebäude

Unsere Welt, in der wir leben, hat die unangenehme Eigenschaft, dass wir für fast alles was wir tun Energie benötigen. Die Energie muss irgendwo herkommen. Fossile Brennstoffe sind Jahrmillionen alt und auf unserem Planeten endlich. Die Nachfrage nach fossilen Brennstoffen steigt stetig an. Zugleich produzieren sie aufgrund der Oxidationsprozesse Kohlendioxid, das dann in die Atmosphäre entweicht und dort als Treibhausgas die Wärmestrahlung adsorbiert und remittiert. Ein komplettes Verbrennen der fossilen Energieressourcen, die konservativ auf 5 Billionen Tonnen Kohlenstoff geschätzt werden, würde hingegen zu einem weltweiten Temperaturanstieg von ca. 6,4 bis 9,5 °C führen, was sehr starke negative Auswirkungen auf Ökosysteme, menschliche Gesundheit, Landwirtschaft, die Wirtschaft usw. hätte [1-1].

Passivhäuser sind Gebäude, in denen sowohl im Winter als auch im Sommer behagliche Temperaturen ohne ein separates Heizungs- oder Klimatisierungssystem erreicht werden [2-1]. Dementsprechend sucht der Besucher im Innern des Gebäudes vergeblich nach traditionellen Öfen und Heizkörpern. Der Wohnkomfort wird durch einen Heizwärmebedarf von weniger als 15 kWh/m2 (Energiegehalt von etwa 1,5 Liter Heizöl) pro Jahr unter Einsatz weitgehend „passiver Techniken“ herbeigeführt. Die maximal zulässige Heizlast beträgt 10 W/m² und muss auch im Winter an ungünstigen Tagen über die Zuluft zugeführt werden können. Dabei ist das Passivhaus keine neue Bauweise, sondern ein Baustandard, der besondere Anforderungen bezüglich Architektur, Technik und Ökologie festlegt und nicht auf einen bestimmten Gebäudetyp beschränkt ist.

Als Wärmebrücken (oft umgangssprachlich als Kältebrücken bezeichnet [3-1]) bezeichnet man Bereiche in der Gebäudehülle, bei denen während der Heizperiode gegenüber dem ungestörten Bauteil erhöhte bzw. zusätzliche Wärmeabflüsse auftreten, sodass auf der inneren Seite von Außenbauteilen die Oberflächentemperatur örtlich begrenzt stark absinkt. Fugen und Undichtigkeiten sind keine Wärmebrücke im engeren Sinn. Sie haben durch die lokale Auskühlung von Bauteilen aber praktisch den gleichen Effekt.

Mit der Diskussion zur zukünftigen Energiebereitstellung und zum Einsatz rationaler Energieverwendung in Gebäuden, rückt die Energiegewinnung durch aktive regenerative Systeme in der Gebäudehülle immer mehr in den Mittelpunkt moderner Gebäudetechnik. Als aktive Energieerzeuger (oder genauer gesagt Energiewandler) integriert in Fassaden, sind vorrangig Solarthermie- und die Photovoltaik-Systeme zu nennen. Betrachtet man die kurze Geschichte der beiden Technologien, findet sich diese größtenteils als Produkt für Dachanwendungen wieder. Dies ist einerseits nachvollziehbar und vernünftig, erhalten doch in der Regel Dächer weitaus größere solare Einstrahlungsmengen als Fassaden. Zudem sind Bauregelwerke für Aufdachanlagen häufig weniger restriktiv als für Fassaden. Dem gegenüber steht das Streben nach architektonisch ansprechenden Lösungen für energieerzeugende Systeme an Fassaden. Ein weiteres Argument findet sich in dem Flächenpotenzial für Fassaden, das weitaus größer ist, als das der zur Verfügung stehenden Dachflächen. Grundsätzlich gilt für alle energieerzeugenden Systeme, die für eine Fassadenanwendung zum Einsatz kommen sollen:

Neben der Sonnenenergie bietet sich zur nachhaltigen Energieerzeugung auch der Wind an. Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Dies geschieht, indem die Bewegungsenergie der Windströmung auf die Rotorblätter wirkt und sie somit den Rotor in eine Drehbewegung versetzt [5-1].

Das Raumklima ist ein wesentlicher Bestandteil von Wohnqualität und Behaglichkeit. Es wird vor allem durch die Temperatur der Luft und die Luftfeuchtigkeit bestimmt.

Die Luftfeuchtigkeit wird vom Menschen nur bei Extremwerten bemerkt. Allerdings führt schon moderat hohe relative Luftfeuchte zu Kondensation und Schimmelbildung an kühlen Oberflächen.

Ist die Luftfeuchtigkeit zu gering werden Materialien wie Holz, Leder oder Plastik spröde oder rissig und trocknen aus. Auch der menschliche Körper reagiert empfindlich auf zu geringe Luftfeuchtigkeit. Brennende Augen, spröde Lippen und trockene Schleimhäute sind die Folge.

Eine Wärmepumpe wandelt thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Energie unter Aufwendung von technischer Arbeit in Nutzwärme mit höherer Energie um. Im Prinzip ist es die Umkehrung des Wärme-Kraft-Prozesses, bei dem Wärmeenergie mit hoher Temperatur aufgenommen und teilweise in mechanische Nutzarbeit umgewandelt und die Restenergie bei niedrigerer Temperatur als Abwärme abgeführt wird, meist an die Umgebung.

Für die Speicherung von regenerativ erzeugter elektrischer Energie von Solarzellen und Windkraftanlagen für Smart-Energy-Grids ist die Energiedichte der Speichersysteme, Abb. 8.1, die Kosten pro KWh und die Ladungs- und Entladungszyklen entscheidend. Berücksichtigt werden sollte auch, dass bei tiefen Temperaturen die Energiedichte der Speichersysteme mehr oder weniger stark abnimmt.

Elektrische Energie aus chemischen Energieträgern gewinnt man meist durch Verbrennung und Nutzung der entstehenden heißen Gase in einer Wärmekraftmaschine mit nachgeschaltetem Generator. Chemische Energie wird verbrannt und als thermische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt. Erst aus dieser wird im Generator Strom erzeugt. Eine Brennstoffzelle wandelt die chemische Energie direkt in elektrische Energie um. Die unmittelbare Energiewandlung hat im Hinblick auf die Energieausbeute große Vorteile gegenüber den Wärmekraftmaschinen, Abb. 9.1.

Neben Pflanzen nutzen auch Algen das Sonnenlicht als Energiequelle zur Biomasseproduktion und stellen in der Gruppe der phototropen Organismen sogar die wichtigsten Primärproduzenten der Erde dar. In ihrem Stoffwechsel fixieren sie CO₂, produzieren O₂ und bilden den Anfang der wichtigsten globalen Nahrungsketten und Stoffkreisläufe. Ohne Mikroalgen gäbe es auf unserem Planeten weder auf dem Land noch im Meer höheres Leben, weil fast 90 Prozent des Sauerstoffbedarfs von Mikroalgen geliefert wird. Mikroalgen sind phototrophe uni- und oligozelluläre Organismen, die ubiquitär verbreitet sind und eine sehr hohe Biodiversität aufweisen.

Eine Mikrogasturbine ist eine kleine Gasturbine für den Einsatz in der dezentralen Energieversorgung mit einer Leistung bis 200 kW elektrisch. Mikrogasturbinen sind kompakt gebaut, haben hohe Drehzahlen, niedrige Brennkammerdrücke und Temperaturen. Sie können mit einem breiten Spektrum an Kraftstoffen wie Erd- und Biogas, sowie flüssigen Brennstoffen betrieben werden [11-1]. Abb. 11.1 zeigt den Anwendungsbereich im Verhältnis zu anderen Energieerzeugungssystemen.

Energieeffizienz, Fernüberwachung, Komfortgewinn – Gebäudeautomation ist für die Entwicklung von Smart Energy Grids eines der interessanten Themen im Portfolio der praktischen Anwendung von Industrie 4.0. Eine intelligente Gebäudevernetzung trägt dazu bei, dass sich Komfort, Sicherheit und Energieeffizienz gleichermaßen steigern lassen – sowohl in den eigenen vier Wänden, dem Smart Home, als auch in Smart Energy Grids. Die Märkte rund um das Thema Gebäudeautomation haben in den vergangenen Jahren stark an Dynamik gewonnen. Grund dafür sind u. a. zwei Megathemen unserer Zeit: die Energiewende und der demografische Wandel. So kann Gebäudeautomation dazu beitragen, Gebäude bzw. die Kombination von Gebäuden energiewendefähig zu machen – sei es z. B. durch die Gewinnung von Energie aus erneuerbaren Quellen wie Solar und Wind, die Speicherung überschüssiger Energien oder den Verbrauch von selbsterzeugter Energie. Der demografische Wandel wiederum macht es erforderlich, den Menschen die Möglichkeit zu geben, möglichst lange selbstständig und ohne Einbußen von Lebensqualität in den eigenen vier Wänden leben zu können. Hier können zahlreiche Funktionen eines smarten Gebäudes eine wichtige Hilfestellung bieten. Gebäudeautomation kann aber auch auf andere Bereiche wesentlich Einfluss nehmen, die auf den ersten Blick nicht unmittelbar damit zusammenhängen. Ein Beispiel hierfür ist das Thema Elektromobilität: Das Elektroauto kann an ein intelligentes Energiemanagement-System im Gebäude angeschlossen werden und nachts mit der gespeicherten, überschüssigen Energie bzw. mit billigerem Nachtstrom aufgeladen werden.