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Energieneutrale Gebäude
2.1 Einführung
Energieneutrale Gebäude (oder Null-Netto-Energie-Gebäude) stehen für eine Bau- und Planungsmethode, die darauf abzielt, ein energieeffizientes, mit dem Erdreich verbundenes Gebäude zu schaffen, das in der Lage ist, seine eigene Energie zu erzeugen, um den von ihm erzeugten Energiebedarf zu kompensieren [5], [6]. Dies bedeutet, dass energieneutrale Gebäude einen Netto-Null-Energieverbrauch haben, was bedeutet, dass der gesamte jährliche Energiebedarf fast der Menge an erneuerbarer Energie entspricht, die vor Ort oder in der Nähe erzeugt wird.
Energieneutrale Gebäude nutzen auf effiziente Weise die Erzeugung erneuerbarer Energie, um so viel Energie zu nutzen, wie vor Ort erzeugt werden kann. Auch wenn es schwierig ist, ein vollständiges Gleichgewicht zwischen Energieerzeugung und -verbrauch zu erreichen, ist dies ein zunehmend erreichbares Ziel, das in verschiedenen Teilen der Welt mehr und mehr an Bedeutung gewinnt [7].
Private gewerbliche Immobilieneigentümer interessieren sich zunehmend für die Errichtung energieneutraler Gebäude, um ihre Unternehmensziele zu erreichen, während die Behörden als Reaktion auf gesetzliche Auflagen energieneutrale Gebäude anstreben [6].
Obwohl energieneutrale Gebäude am häufigsten mit Geschäftsgebäuden in Verbindung gebracht werden, kann jede Struktur, einschließlich Wohnhäusern, energieneutral sein, da das Prinzip skalierbar und für fast jede Art von Struktur relevant ist, egal ob es sich um eine große Mehrzweckeinrichtung oder ein kleines Haus handelt [6], [7]. Das Konzept kann sogar für komplette Netto-Null-Städte und -Einrichtungen verwendet werden.
Quelle: https://www.energyintime.eu/nearly-zero-energy-standard-2050-eu-half-dream-half-reality/
Legende:
Zero net energy building = Null- Netto- Energie- Gebäude
Solar collectors = Solaranlage
Wind turbines = Windturbinen
Energy optimized windows = Energieoptimierte Fenster
Photovoltaic panels = Photovoltaikanlagen
Floor heating system = Fußbodenheizung
Efficient insulation = Effiziente Isolierung
Geothermal heat pumps = Geothermische Wärmepumpen
Rainwater collection = Sammlung von Regenwasser
Heat recovery ventilation = Lüftung mit Wäremrückgewinnung
Optimized building orientation = Optimierte Gebäudeausrichtung
2.2 Baumaterialien
Die Herstellung von Baumaterialien und -gütern erfordert Rohstoffe und Energie in Form von Holz, Stein, Mineralien, Chemikalien und Elektrizität, Öl, Kohle bzw. Gas [8]. Die Herstellung und der Transport von Baumaterialien sind eng mit der Emission von Treibhausgasen verbunden, die wiederum zu entsprechenden Umweltfolgen führen [8], [9].
Ein übermäßiger Einsatz energieintensiver Materialien und eine übermäßige Nutzung können sowohl die Energie- als auch die Materialressourcen erschöpfen und die Umwelt schädigen. Außerdem ist es nicht einfach, die ständig steigende Nachfrage nach Gebäuden ausschließlich mit energieeffizienten traditionellen Materialien und Bauverfahren zu decken.
Deshalb sind langfristige, umweltfreundliche und energieeffiziente Baulösungen gefragt. Um diese Ziele zu erreichen, ist eine möglichst effiziente Nutzung der verfügbaren Energieressourcen und Rohstoffe erforderlich [8].
Die folgenden Konzepte stellen nachhaltige Alternativen zu Bautechnologien dar [8]:
- Einsparung von Energie,
- Minimierung von Materialien, die einen hohen Energieeinsatz erfordern,
- Minimierung von Transporten und verstärkte Nutzung lokaler Ressourcen und Materialien,
- Optimale Nutzung lokaler Fähigkeiten und dezentralisierte Produktion,
- Einbeziehung von Industrieabfällen in den Produktionsprozess von Baumaterialien,
- Wiederverwendung und Recycling der beim Bau anfallenden Abfälle,
- Nutzung erneuerbarer Energiequellen.
Einige Beispiele für kohlenstoffarme Alternativen für Baumaterialien und -technologien finden Sie unten [8], [9]:
- Gemischte Zemente,
- Stabilisierte Lehmsteine für Mauerwerk,
- Verdichtete Flugascheblöcke,
- Stampflehmwände,
- Boden- und Dachsysteme mit niedriger Energieintensität
Legende:
Roofing = Bedachung
Nonconventional = nicht- konventionell
Conventional = konventionell
Rammed Earth = Stampflehm
Tar/ Asphalt = Teer/ Asphalt
Green = Grün
Metal Sheeting = Verblechung
Thatched = gedeckt
Bamboo = Bambus
Wood = Holz
Fiber- Reinforced Mortar = Faserverstärkter Mörtel
Steel = Stahl
Recycled Plastic = Recycletes Plastik
Concrete = Beton
Straw Bale = Strohballen
Fiberglass = Fiberglas
Adobe = Lehmziegel
Polyurethane Foam = Polyurethane Schaum
Recycled Cotton = recycelte Baumwolle
2.3 Luftströmung
Gebäude mit natürlicher Belüftung haben das Potenzial, erhebliche Mengen an elektrischer Energie für Kühlung und Ventilatoren einzusparen [10]. Es gibt zwei Arten des Luftstroms in einem energieneutralen Gebäude: natürliche Lüftung und mechanische Lüftung.
Bei der natürlichen Lüftung werden natürliche Kräfte wie Temperatur und Wind genutzt, um den Luftstrom und den Luftaustausch in einem Gebäude zu erleichtern. Bei der mechanischen Lüftung hingegen werden elektrische Ventilatoren eingesetzt, um den Luftstrom in einem Gebäude zu lenken und zu steuern. Die mechanische Lüftung kann unabhängig von den Wetterbedingungen einen konstanten Luftstrom und Luftaustausch gewährleisten, verbraucht jedoch elektrische Energie und erfordert einen regelmäßigen Wechsel der Lüftungsfilter, die eine Quelle der Verschmutzung darstellen. [10]-[12]
In Bezug auf den Luftstrom und die natürliche Belüftung in einem energieneutralen Gebäude gibt es zwei Hauptbelüftungskonzepte [13]:
- Angemessene Luftqualität in Innenräumen ohne den Einsatz von Elektrizität zur Förderung der Luftbewegung,
- Verbesserung der Luftgeschwindigkeit am Tag und hohe Nachtlüftungsraten für thermischen Komfort im Sommer.
Der größte Nachteil ist die Rückgewinnung von Winterwärme aus der warmen Raumluft. Der Hauptvorteil besteht jedoch darin, dass hohe Lüftungsraten zur Kühlung im Sommer ohne Stromverbrauch erreicht werden können, was zu weiteren Energieeinsparungen führt [13].
Legende:
Natural ventilation = Natürliche Belüftung
Background ventilation with stack ducts = Hintergrundbelüftung mit Schornsteinkanälen
Cross- ventilation with open windows = Querlüftung mit offenen Fenstern
Stack effect with open windows = Stapel- effect bei geöffneten Fenstern
Mechanical ventilation = Mechanische Belüftung
Balanced decentral supply and extract = ausgewogene dezentrale Versorgung und Gewinnung
Decentral extract = dezentrale Auszug
Balanced central supply and extract = ausgewogene zentrale Versorgung und Entnahme
2.4 Beleuchtung
Bei allen energieneutralen Gebäudeentwürfen sollte die natürliche Beleuchtung genutzt werden. Nach der Optimierung und Maximierung des durch natürliches Licht erreichten Beleuchtungsniveaus sollte in Bereichen wie Küchentheken, Badezimmern, Büros usw. Aufgabenbeleuchtung hinzugefügt werden.
Energieneutrale Gebäude nutzen das natürliche Licht so weit wie möglich, indem sie in den Wohnbereichen strategisch platzierte Fenster haben. Bei der künstlichen Beleuchtung sollten neue und energieeffiziente Leuchtmittel eingesetzt werden, die das Potenzial haben, den Energieverbrauch zu senken [14].
So sind Leuchtdioden (LEDs) die erste Wahl, da sie die effizientesten und langlebigsten Lichtquellen sind [15], [16]. Ein weiterer Vorteil von LEDs – abgesehen davon, dass sie Energie sparen und die Beleuchtungskosten senken – ist die Tatsache, dass sie auch die Quecksilberbelastung vermeiden, die bei der Verwendung von Leuchtstoffröhren auftritt [14].
Die Art und Weise, wie LEDs Licht erzeugen, unterscheidet sich von anderen Beleuchtungstechnologien. In einer herkömmlichen Glühlampe wird ein Wolframfaden durch elektrischen Strom erhitzt, bis er glüht und Licht aussendet [17]. In einer Leuchtstofflampe treibt ein elektrischer Strom das Gas an, um ultraviolette (UV-)Strahlung zu erzeugen, die auf die Phosphorbeschichtung in der Glasabdeckung trifft und diese dazu bringt, sichtbares Licht zu erzeugen [17].
Eine LED hingegen ist eine Halbleiterdiode, ein Bauelement, das den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt und aus einem Halbleitermaterial besteht, das eine Positiv-Negativ-Übergangsstruktur (P-N) bildet [16], [17]. Sobald ein Strom an den P-N-Übergang angelegt wird, bewegen sich die überschüssigen Elektronen (die negativ geladen sind) zur positiven Seite und die überschüssigen Teilchen von der positiven Seite (bekannt als „Löcher“) zur negativen Seite. Am P-N-Übergang kommt es zu einer Wechselwirkung zwischen den Löchern und den Elektronen, die Energie in Form von Licht freisetzt [17].
2.5 Wärmepumpen
Wärmepumpen sind Außengeräte, die Teil eines Heiz- und Kühlsystems sind. Sie sind in der Lage, ein Haus sowohl zu heizen als auch zu kühlen. Eine Wärmepumpe funktioniert, indem sie im Winter Wärme aus der kalten Außenluft aufnimmt und ins Haus leitet, und im Sommer, indem sie Wärme aus dem Haus entnimmt und nach außen leitet. Wärmepumpen werden mit Strom betrieben und übertragen – über ein Kältemittel – Wärme, um für Komfort zu sorgen [18]. Außerdem verwenden sie im Gegensatz zu Öfen keine fossilen Brennstoffe zum Heizen, was sie umweltfreundlich und entscheidend für energieneutrale Gebäude macht.
Wärmepumpensysteme sind eine kosteneffiziente Möglichkeit zur Rückgewinnung von Wärme aus verschiedenen Quellen nicht nur im Wohnbereich, sondern auch im gewerblichen und industriellen Bereich [19]. Angesichts des Anstiegs der Energiekosten spielen Wärmepumpen eine Schlüsselrolle bei der Energieeinsparung und Kostenreduzierung.
Fortschrittliche Kreislaufkonzepte für wärme- und arbeitsbetriebene Systeme, verbesserte Kreislaufkomponenten (einschließlich der Wahl des Arbeitsmediums) und die Maximierung der Nutzung in einer größeren Vielfalt von Anwendungen standen im Mittelpunkt der jüngsten Fortschritte bei Wärmepumpensystemen [19].
Im Vergleich zu elektrischen Widerstandsheizungen wie Öfen und Fußbodenheizungen können die heutigen Wärmepumpen die Heizkosten um bis zu 50 % senken [20]. Im Sommer entfeuchten hocheffiziente Wärmepumpen besser als typische zentrale Klimaanlagen, was zu einem geringeren Energieverbrauch und mehr Komfort führt.
Quelle: https://riverreporter.com/stories/the-heat-pump-basics,41466