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Bei der passiven Solarenergienutzung wird eingestrahlte Solarenergie in Form von Wärme und Licht für die Temperierung von Bauteilen und Bauten genutzt. Direkte Sonnen- und diffuse Himmelsstrahlung erwärmen Bauteile und Raumluft im Gebäudeinneren. Die passive Solarenergienutzung wird unterstützt durch:
- lange Sonnenscheindauer und klare Atmosphäre (z.B. über der Hochnebeldecke in den Bergen),
- verschattungsfreien Horizont,
- energetische Ausrichtung der Gebäude sowie optimierter Grundriss- und Schnittgestaltung,
- grosse Verglasungen mit guter Südorientierung,
- geringe Sonnenschutzfunktion des Glases (kleiner g-Wert),
- gute Wärmeabsorptionsfähigkeit der bestrahlten Bauteile (dunkle Oberflächen),
- hohe Speicherfähigkeit der im Innenraum von der Sonne direkt bestrahlten Materialien und
- gute Luftdichtheit der thermischen Gebäudehülle (minimale Luftwechselverluste).
Über die letzten zwei Jahrtausende haben sich die Konzepte zur passiven Nutzung der Solarenergie in der Architektur und Gebäudetechnik verfeinert und spielen beim solaren Bauen mehr denn je eine Rolle.
6.2.1 Orangerien oder Gewächshäuser und Palmenhäuser
Das typischste Beispiel für eine passive Nutzung der Sonnenstrahlung sind Gewächshäuser. Damit Tomaten, Palmen und Zitruspflanzen im Winter nicht eingingen, begann man ab dem 17. Jahrhundert in Frankreich, Niederlande, Schweden oder England unbeheizte Glashäuser zu bauen, die im Norden entweder in den Boden eingegraben oder an massive Gebäudeteile angebaut waren. Zu Beginn bestanden die Verglasungen aus kleinformatigen Flachgläsern, welche in filigrane hölzerne oder stählerne Rahmenprofile eingebaut wurden. Diese Konstruktionen waren weder besonders witterungs- noch korrosionsbeständig. Auch floss durch Wärmebrücken viel Energie wieder ab und es trat entsprechend Oberflächenkondensation auf.
Im 19. Jahrhundert entstand aus der Idee der Orangerie das in der Regel künstlich beheizte Palmenhaus. Bei diesen kühnen Stahl-Glas-Konstruktionen potenzierten sich die Korrosionsprobleme, die Unterhalts- und Energiekosten einfach verglaster Palmenhäuser waren exorbitant und deren Lebensdauer beschränkt.
6.2.2 Wintergärten
Der «echte», das heisst «dem Energiesparen dienende» und somit unbeheizte Wintergarten zählt heute in den meisten Kantonen nicht zur Ausnutzung. Das Zürcher Baugesetz z.B. differenziert mit dem Begriff «Wintergarten», ob es sich um eigentliche Wintergärten oder andere temperierte oder beheizte verglaste Balkone, Veranden oder Alkoven handelt. Voll verglaste, nicht verschattbare Wintergärten ohne viel Speichermasse und ohne genügende Querlüftungsmöglichkeiten sind Hitzefallen, die weder für Pflanzen noch für Lebewesen angenehm sind. Aus baubewilligungstechnischer und energierechtlicher Sicht gilt z.B. im Referenzkanton Zürich für Wintergärten:
- Dem Gebäude vorgesetzte Wohnraumerweiterungen mit grossen Glasflächen – fälschlicherweise oft «beheizte Wintergärten» genannt – müssen die Wärmedämmvorschriften wie alle beheizten Anbauten einhalten. Die entsprechenden Flächen zählen wie Wohnräume auch zur Ausnutzung.
- «Temperierte Wintergärten» als verglaste Anbauten mit Frostschutzheizung (z.B. auf 4 °C) müssen die Wärmedämmvorschriften nicht einhalten, werden aber wie Wohnräume zur Ausnützung gerechnet.
- Verglaste Balkone, Veranden und Vorbauten ohne heiztechnische Installationen erhalten einen Ausnutzungsbonus. Diese Wintergärten werden bis zu 10 % der Summe aller anrechenbaren Geschossflächen nicht zur Ausnützung angerechnet. Mindestens 70 % der vertikalen Bauhüllenteile gegen Aussenluft müssen als verglaste Elemente (Fenster, Fenstertüren, Glasfaltwände etc.), ohne übermässigen Rahmenanteil, ausgebildet sein.
6.2.3 Trombewand und transparente Wärmedämmung (TWD)
Die nach dem französischen Ingenieur Félix Trombe benannte Trombewand aus den 1950er-Jahren basiert auf dem Prinzip des Glashauseffekts zur Speicherung solarer Energie in massiven Bauteilen. Sie besteht aus einer aussenliegenden Hülle (Glas, Folie), einem dahinter angeordneten Luftzwischenraum (10 bis 15 cm) und der Speichermasse als Flächenkollektor. Speicher bilden in der Regel massive Bauteile aus Beton, Mauerwerk oder wassergefüllten Behältern. Durchdringt Sonnenstrahlung die Aussenhaut aus einer gespannten Folie oder Glas und die eingefangene Wärme gelangt über den Zwischenraum an die Speicherwand, heizt sich diese auf. Optimale Energieausbeute wird an Südfassaden erzielt. Zur Vermeidung von Überhitzung muss die Sonneneinstrahlung im Sommer verringert werden. Im Winter wird tiefstehende Sonne über die gesamte Fassadenfläche genutzt. Trombewände bewirken eine Phasenverschiebung über den Tageszyklus: Durch die Pufferung der kurzwelligen Solarwärme in massiven, Wärme absorbierenden Speicherwänden (oder z.B. Steinspeichern), wird die Wärme tagsüber akkumuliert und in der Nacht als langwellige Wärmestrahlung an den Raum zurückgestrahlt.
Die transparente Wärmedämmung (TWD) stellt eine Weiterentwicklung für besonnte opake Aussenwände dar. Das Spezialprodukt TWD ist eine Kreation der Glas- und Dämmstoffindustrie, bestehend aus lichtdurchlässigen Waben- bzw. Kapillarstrukturen (z.B. Glas oder Kunststoff, Hohlkammerstrukturen, Aerogel). TWD funktioniert genau wie die hohlen Grannenhaare von Polarbären:
- Ideale Wärmedämmeigenschaften sind gepaart mit hoher Lichtdurchlässigkeit.
- Dunklere Schichten hinter der Wärmedämmung absorbieren Sonnenlicht wie bei der Trombewand und geben es zeitverzögert weiter nach innen.
Die Fassadenindustrie hat das TWD-Konzept verfeinert, indem statt Glaskapillaren Wellkarton oder profilierte Holzstrukturen eingesetzt werden. Seit hochdämmende Verglasungen mit sehr guten Isoliergläsern (U-Werte < 1,0 W/m2·K) und Kompaktwärmedämmsysteme an opaken Fassaden auf dem Markt sind, ist der Einsatz von TWD beim solaren Bauen rückläufig. Dieser Trend wird begünstigt durch physikalische Probleme und Preisentwicklungen auf dem Markt:
- TWD benötigt einen sommerlichen Überhitzungsschutz, der aus dem einfachen und kostengünstigen Konzept ein komplexes System macht. In der Praxis erwiesen sich Fassaden aus Backsteinmauerwerk als leicht bzw. zu wenig wärmespeichernd; hohe Temperaturen im System schädigten sowohl das TWD-Material als auch dahinter liegende konventionelle Maueraufbauten aus Putz/Backstein.
- Aktivsolare Komponenten wie Warmwasser-Kollektoren oder Photovoltaik ermöglichen einen besseren Transfer der Nutzenergie direkt zur sekundären Wärmeverteilung (Heizungsnetz, Wärmepumpe etc.).
Normale Fenster mit hochwertigen Isolierverglasungen wurden als passivsolare Systeme ab den 90er-Jahren zu einer preisgünstigen Alternative der TWD, da sie bei genügender Südorientierung einen bilanziellen Energiegewinn übers Jahr erzielen können (energieäquivalente U-Werte ≤ 0 W/m2·K).
6.2.4 Kollektorfassaden und solare Direktgewinnhäuser
Kollektorfassaden (Englisch Solar walls) stellen den Sonderfall eines solar betriebenen Luftheizungssystems dar:
- Die durch die Sonne erwärmte Luft wird aus einem Fassadenzwischenraum hinter einer verglasten Wand angesaugt und über ein Lüftungssystem oder Klappen in das Gebäude geleitet.
- Bei ungenügender Kollektoraustrittstemperatur wird die vorgewärmte Luft in einem Lufterhitzer nacherwärmt und auf die gewünschte Raumtemperatur gebracht.
Die Anforderungen an den Brandschutz, Überhitzung im Sommer, Brandentrauchung nebst Filterung der Aussenluft und Freihalten von Kleingetier sind mit entsprechenden Mitteln zu gewährleisten. Bei Kollektorfassaden lassen sich Sonnenschutzvorrichtungen gut im Fassadenzwischenraum unterbringen und zudem fassadenintegrierte PV einbauen.
Eine durchdachte passive Sonnenenergienutzung kann an geeigneten Standorten eine konventionelle Heizung erübrigen, sofern sehr gut gedämmte und zur Sonne orientierte Gebäude mit hochwertigen Verglasungen, viel Speichermasse, kompakter Gebäudeform und sehr guter Dämmung ausgerüstet werden (vgl. Bilder 6.2.6 und 6.2.7).
6.2.5 Passivsolare Kombinationslösungen
Als Folge des Siegeszuges hochisolierender Verglasungen und thermisch getrennter Profile werden in der internationalen Architektur häufig modifizierte Ansätze des solaren Bauens kreiert: Bei Atrien, Höfen, Foyers, Sky Gardens von Büros, Schulen, Verwaltungs- bis öffentlichen Bauten werden klimapuffernde Raumschichten den Nutzungsbereichen vorgelagert (z.B. Commerzbank Frankfurt, Post Tower in Bonn).
Bei oft nahezu voll verglasten Aussenfassaden wird der Überschuss an Sonnenwärme idealerweise über Klimapufferzonen saisonal selektiv abgelüftet oder den Nutzflächen zugeführt. Der thermische Ausgleich funktioniert dabei umso besser, als das Innenraumklima in über mehrere Stockwerke reichenden Atrien, mit Springbrunnen oder Pflanzen im Innenraum, adiabatisch gekühlt wird. Auch intensiv bepflanzte Balkone verbessern das gebäudenahe Makroklima.
Nachdem Städte immer dichter und in Zeiten des Klimawandels immer mehr zu Wärmeinseln werden, sind heute auch passivsolare Lösungen für Gebäude gefragt, welche sommerliche Wärmeschübe nicht nur dämpfen sollen, sondern über ein bepflanztes Ambiente adiabatische Kühlung, aktive Beschattung und ein Wohlfühlklima generieren. Selbst eine ausgeklügelte Fassaden- und Haustechnik kann mit Energieeinsatz und viel Material nicht jenes Wohlgefühl vermitteln, welches etagenweise Gärten in Innenhöfen oder Balkone nach sich ziehen.