Das Sonnenhaus

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Sonnenhaus-Heizkonzept

Auch beim Sonnenhaus wird auf einen guten Dämmstandard wert gelegt. Der wesentliche Unterschied zum "üblichen" Passivhaus besteht aber darin, daß die Wärmeversorgung grundsätzlich und ausschließlich regenerativ erfolgt, nämlich überwiegend durch die Sonne selbst und zum Zweiten durch Biomasse als gespeicherte Sonnenenergie. Lediglich für die Solar- und Heizungsumwälzpumpe wird noch elektrischer Strom benötigt. Wenn Energiesparpumpen zum Einsatz kommen, beschränkt sich der jährliche Verbrauch an Hilfsenergie auf ca. 300 kWh. Trotz des i.d.R. höheren Heizwärmebedarfes kann im Sonnenhaus also mit Wärmeenergie relativ sorglos umgegangen werden – zumindest in Zeiten ausreichender Solarenergieversorgung. Auch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, die ja für den Ventilator elektrischen Strom benötigt, könnte den sehr niedrigen Primärenergieaufwand von 5 bis 15 kWh/m²a nicht weiter verringern.
Zum Vergleich: Ein im Jahr 2002 veröffentlichter Praxistest des Frauenhoferinstitutes ISE ergab, daß der Primärenergiebedarf für die Haustechnik wärmepumpenbeheizter Passivhäuser zwischen 40 und 80 kWh/m²a lag. Auch wenn bei neueren Projekten von etwas besseren Werten auszugehen ist, fällt der Primärenergievergleich zwischen beiden Konzepten eindeutig zugunsten des Sonnenhauses aus, und zwar um den Faktor 4 bis 5 ! Ähnliche Ergebnisse brachte eine vom Sonnenhaus-Institut betreute Studie zum Vergleich verschiedener Baustandards und Heizkonzepte.

Auch hinsichtlich Wohnkomfort kann das Sonnenhaus-Heizkonzept Pluspunkte verbuchen: Gleichmäßige Strahlungswärme aus den Wänden und Böden sorgen für ein angenehmes Raumklima, und die Temperatur der einzelnen Räume läßt sich durch Thermostate individuell regeln.

Auf der Suche nach einer Synthese der beiden Minimalenergiekonzepte läßt sich feststellen, daß die hohe Anforderung an den Heizwärmebedarf (Passivhaus) und das solare Heizkonzept mit großem Wärmespeicher (Sonnenhaus) im Grunde zwei Seiten der gleichen Medaille darstellen. Solar beheizte Passivhäuser sind nicht nur technisch möglich, sondern könnten bei weiter steigenden Energiepreisen eines Tages auch in wirtschaftlicher Hinsicht sinnvoll werden.

Quelle: Sonnenhaus-Institut e.V., Wolfgang Hilz

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Baukonzept eines Sonnenhauses und die richtige Orientierung zur Sonne   

Etwa ein Drittel der Primärenergieträger (Erdöl, Erdgas, Kohle) wandeln wir in Wärme um; davon wird der größte Teil für Raumheizung und Warmwasser verwendet. Der Klimawandel und die Importabhängigkeit von fossilen Energieträgern, deren Vorräte in wenigen Jahrzehnten zur Neige gehen, zwingen zu schnellem Handeln. Weitgehend solar beheizte Wohnhäuser zeigen bereits heute, wie wir diese Herausforderung ohne Verlust an Lebensqualität meistern können.

Es gilt aber nicht nur im Bauen neue Standards zu setzen, sondern auch die Energieverbräuche im Gebäudebestand drastisch zu reduzieren. Durch sinnvolle Sanierungsmaßnahmen und eine große thermische Solaranlage ließe sich der Wärmeverbrauch auf ein Drittel bis ein Viertel senken. Nur unter diesen Voraussetzungen reichen in Zukunft die Recourcen nachwachsender Rohstoffe (wie Holz) aus um den Restenergiebedarf zu decken.



Ein steil nach Süden geneigtes Solardach und ein großer, im Wohnbereich integrierter Wassertank sind die prägenden Merkmale der Sonnenhaus-Architektur und Symbole für eine weitgehend unabhängige Energieversorgung.

Der Jahres-Primärenergiebedarf von 5 bis 15 kWh pro m² Gebäudenutzfläche unterschreitet den eines Passivhauses mit Klimakompaktgerät oder elektrischer Wärmepumpenheizung etwa um das Vierfache.
Der Primärenergiebedarf eines Systems umfasst zusätzlich zum eigentlichen Energiebedarf auch Hilfsenergien (wie elektrischen Strom für Pumpen) und die Energiemenge, die durch vorgelagerte Prozessketten außerhalb der Systemgrenze bei der Gewinnung, Umwandlung und Verteilung des Energieträgers benötigt wird.

Beim Sonnenhaus-Heizkonzept ist der fossile Energieeinsatz sehr gering, da die Wärme zu 100% regenerativ erzeugt wird. Zudem kommen Hocheffizienzpumpen zum Einsatz, so daß nur ein jährlicher Stromverbrauch von 200 bis 300 Kilowattstunden für Hilfsenergien anfällt.

Passive Sonnenenergienutzung

Transparente Bauteile (Fenster, ggf. auch Wintergärten) versorgen das Gebäudeinnere mit Licht und Wärme - besonders wenn sie nach Süden orientiert sind. Sie stellen jedoch auch Wärmeverlustquellen dar, wenn die Sonne nicht scheint: selbst der U-Wert von Dreifach-Wärmeschutzglas ist etwa viermal so hoch wie der einer gut gedämmten Außenwand. Es kommt also auf zweierlei an: hohe Qualität der Fenster (viel Energiedurchlaß bei möglichst geringem Wärmeverlust inklusive der Rahmen) und eine adäquate Dimensionierung des Fensteranteils an der Fassade - abhängig von der Himmelsrichtung und Speicher-fähigkeit des Gebäudes. Im Norden soll der Glasanteil möglichst gering sein; an der Südfassade soll er groß - aber nicht zu groß sein.

Um Überhitzungen im Sommer und in den Übergangszeiten zu vermeiden sollten große Fensterflächen im Süden und Westen konstruktiv verschattet oder mit einem außenliegenden Sonnenschutz versehen sein.

Scheint die Sonne, kommt ein Sonnenhaus auch an kalten Tagen häufig ohne aktive Heizung aus. Die passive Sonnenenergienutzung konkurriert jedoch nicht mit der aktiven, weil die durch die Kollektoren geerntete Solarstrahlung im Tank über mehrere Tage oder sogar Wochen zwischengespeichert werden kann.
Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung: eine Option, aber kein Muß

Mit diszipliniertem Lüftungsverhalten der Bewohner halten sich die Wärmeverluste durch freie Lüftung in vernünftigen Grenzen. Durch eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung können die Lüftungswärmeverluste etwas mehr als halbiert werden. Dies schlägt sich allerdings kaum in der Primärenergiebilanz nieder, da die Wärme im Sonnenhaus zu 100% regenerativ erzeugt wird, und der Stromverbrauch der Ventilatoren zu berücksichtigen ist.

Orientierung zur Sonne

Ein Sonnenhaus "lebt" von und mit der Sonne
Daher ist eine Architektur und Gebäudeorientierung, die zu allen Jahreszeiten dem Sonnenstand gerecht wird eine wichtige Grundvoraussetzung.



Im Winter gilt es die Sonneneinstrahlung aktiv und passiv optimal zu nutzen.
Im Sommer wird durch konstruktive Maßnahmen eine Überhitzung des Gebäudes und der Solaranlage vermieden.



Idealerweise wird die Kollektorfläche nach Süden mit einer Neigung von 60 bis 70° ausgerichtet um die direkte Sonnen-strahlung im Winter optimal nutzen zu können.
Die Orientierung sollte möglichst innerhalb der angegebenen Grenzen liegen.



Nutzbarer Solarertrag für ein Sonnenhaus in % vom Maximum
in Abhängigkeit von der Orientierung der Kollektorfläche:



Quelle: Sonnenhaus-Institut e.V.

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Das Heizkonzept im Sonnenhaus   

Der Jahres-Wärmebedarf für Raumheizung und Warmwasser wird im Sonnenhaus zu mehr als 50% mit einer thermischen Solaranlage gedeckt. Die Nachheizung des Pufferspeichers erfolgt auch regenerativ - zum Beispiel durch einen wohnraumbeheizten Holzofen mit Wassereinsatz. Ein Flächenheizsystem sorgt mit seiner -raumweise regelbaren - Strahlungswärme für hohen Wohnkomfort bei niedrigen Heizmitteltemperaturen.



Wichtig für einen hohen Heizkomfort und Solarertrag ist eine Speicherbewirtschaftung mit guter Temperatur-schichtung: Im oberen Bereitschaftsteil des Speichers soll warmes Wasser auf Nutztemperaturniveau zur Verfügung stehen. Unten soll der Speicher so gut und lange als möglich ausgekühlt sein, damit die Solaranlage bei niedriger Betriebstemperatur arbeitet und so einen hohen Wirkungsgrad erreicht.

 
   
So funktioniert die Sonnenheizung:

Die Solaranlage kann Wärme liefern, wenn die Kollektortemperatur größer wird ist als im unteren (kältesten) Bereich des Pufferspeichers. Eine aus Frostschutzmittel und Wasser bestehende Wärmeträgerflüssigkeit wird durch die jetzt einschaltende Pumpe im Solarkreis umgewälzt, erhitzt sich dabei im Kollektor um 10 bis 15 Grad und gibt diese Wärme über den unteren Wärmetauscher an das Wasser im Speicher ab. Wenn die Temperatur am Vorlauf höher wird als die im oberen Speicherdrittel, schaltet der zweite Wärmetauscher dazu. Nun wird der Wassertank auf ganzer Höhe bei guter Temperaturschichtung durchgeladen. Im Sommer kann Überwärme nachts über die Kollektoren rückgekühlt werden

Die Entladung über den Heizkreis wird durch einen speziellen Mischer so gesteuert, daß vorrangig der untere Speicherbereich ausgekühlt wird. Nur wenn hier die Temperatur nicht mehr ausreichend hoch ist wird der Heißwasservorrat oben angezapft. Dort in der heißen Zone befindet sich auch der Warmwasserboiler; durch ein langes Rohr wird das unten einströmende Kaltwasser vorgewärmt.

Die Nachheizung durch den Ofeneinsatz oder Heizkessel erfolgt von oben nach unten. Es gilt das Wasser oben im Puffer möglichst schnell für den Gebrauch aufzuheizen. Erst dann lenkt der Vierwege-Mischer den Rücklauf in den unteren Speicherbereich um, so daß auf Vorrat weitergeheizt werden kann. Eine hohe wasserseitige Leistung und ein großer Brennstoff-Füllraum des Kessels begünstigen den Heizkomfort.

Auch andere Speicherkonzepte, die eine gute Wärmeschichtung gewährleisten, eignen sich prinzipiell gut.

Solarer Deckungsgrad in Abhängigkeit von Kollektor- und Speichergröße



Quelle: Sonnenhaus-Institut e.V.

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Komponenten einer Sonnenhausheizung:



Sonnenkollektor
Um 50 bis 80% der Wärme für ein gut gedämmten Einfamilienhauses solar zu erzeugen, ist eine Kollektorfläche von 30 bis 70 m² erfoderlich. Sie soll möglichst steil nach Süden geneigt sein, daß auch im Winter gute Erträge erzielt werden können. Am besten eignen sich Großflächenkollektoren, die als anschlußfertige Module mit dem Kran montiert werden. Sie werden vorzugsweise mit umlaufender Blecheinfassung als zusammenhängende Fläche in die Dachhaut oder Fassade integriert. Auf diese Weise wird sowohl eine ansprechende Optik als auch ein guter Witterungsschutz erreicht. Die verbleibende Dachfläche kann mit einer Photovoltaikanlage zur solaren Stromgewinnung bestückt werden.

Solarspeicher
Ein großer Pufferspeicher mit integriertem Warmwasserboiler speichert die Solarwärme für Heizung und Warmwasser über mehrere Tage oder sogar Wochen. Das Speichervolumen wird bei Sonnenhäusern mit einem solarem Deckungsgrad von 50 bis 80% mit 150 bis 250 L pro qm installierter Kollektorfläche ausgelegt. Bei völlig solarbeheizten Häusern werden noch größere Speicher in der Größenordnung 40 m³ benötigt. Günstig für eine gute Temperatur-schichtung ist eine schlanke Form. Bevorzugt kommen zweigeschossige Kombispeicher mit zweistufiger Be- und Entladung zum Einsatz. Die Beladung kann durch interne oder externe Wärmetauscher erfolgen. Anstelle des Innenboilers ist auch die Trinkwassererwärmung über eine Frischwasserstation möglich. Die Aufstellung des Speichers im Wohnbereich ermöglicht einen nahezu verlustfreien Betrieb der Solaranlage, da die Speicherabwärme voll der Raumheizung zugute kommt. Dennoch sollte die Dämmdicke der Speicherisolation möglichst 25 bis 30 cm betragen.

Schichtung bedeutet Trennung verschiedener Temperaturzonen im Speicher, es gilt dabei eine Durchmischung dieser Zonen und die damit verbundenen „Exergie“-Verluste zu vermeiden. Der Be- und Entladevorgang ist daher elementar für eine effiziente Speicherbewirtschaftung. Speichersysteme mit integrierten Schichtladeeinrichtungen verfolgen noch konsequenter das Ziel Wärme (und Kälte) exakt in die passenden Temperaturzonen einzuschichten. Eine Vorsortierung des Solarvorlaufes in zwei verschiedene Einströmhöhen ist bei hohen Speichern zu empfehlen.

Nachheizung mit Biomasse
Eine Biomasseheizung (Stückholz oder Pellets) stellt die ideale Ergänzung zur Solaranlage dar. Holz ist gespeicherte Sonnenenergie und verbrennt CO2- neutral. Bei Sonnenhäusern ist der Brennstoffbedarf sehr gering. In Kombination mit dem großen Pufferspeicher muss daher nur selten nachgeheizt werden. Als zusätzliche Wärmequelle reicht oft ein Kamin- oder Kachelofen mit Wassereinsatz. Dieser sollte eine hohe wasserseitige Leistung bei moderater Wärmeabgabe an den Raum haben. Noch mehr Komfort bietet ein Holzvergaserkessel, der einen größeren Füllraum hat, oder eine vollautomatisch arbeitende Pellet-Zentralheizung.

Quelle: Sonnenhaus-Institut e.V.