Solare Wandheizung mitTransparenter Wärmedämmung

Werner Platzer

Fraunhofer Institut für Solare Energie Systeme

Heidenhofstr. 2, D-79110 Freiburg

email: werner.platzer@ise.fraunhofer.de

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

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mbu

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dam

Brau

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Harz

gero

de

Esse

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misc

h

Heiz

en

erg

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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

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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

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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