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Die Erfindung betrifft ein Niedrigenergiegebäude, insbesondere
energie-autarkes Gebäude
bei dem der Energieverbrauch zur Beheizung des Gebäudes durch
Ausnutzung von Sonnenenergie minimiert werden soll. Im günstigsten
Fall kann ein Niedrigenergiehaus auch als energie-autarkes Gebäude ausgebildet
sein, d.h. das Gebäude
ist durch das Ausnutzen von Sonnenenergie sowohl zur Beheizung als
auch zur dessen Versorgung mit elektrischer Energie und der Energie
für warmes
Wasser von Fremdenergie unabhängig.
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Zur zusätzlichen Beheizung eines Gebäudes ist
bekannt, Solarkollektoren zu verwenden, die ein Wärmeträgermedium
benutzen. Das Wärmeträgermedium
kann dann seine Wärme
an das, sich in einem Speicher befindliche, kühlere Brauchwasser abgeben.
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Es ist des Weiteren bekannt, Gebäudeteile zu
verglasen und den Treibhauseffekt zur Beheizung des Gebäudes auszunutzen.
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Photovoltaische Solarzellen werden
bei Niedrigenergiehäusern
häufig
zum Ersatz der aus dem öffentlichen
Netz entnommenen elektrischen Energie eingesetzt.
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Beispielsweise ist aus HUG-FLECK,
C. „Energie
auch an strahlungsarmen Tagen",
IKZ-Haustechnik, 1993, Heft 10, Seiten 71 bis 74 ein Niedrigenergiehaus
bekannt, bei dem die Südseite
des Gebäudes
eine vertikal verlaufende, im Grundriss kreisförmige Wand aufweist, um die
einfallende Sonnenstrahlung optimal zu nutzen. Die Nordfassade ist
dagegen mit einer geraden Wand möglichst
klein gehalten, um Energieverluste zu minimieren. Das Haus weist
auf dem Dach Solarzellen zur Stromproduktion und Solarkollektoren
zur Warmwassererzeugung auf. Diese Elemente sind in üblicher
Weise zur Verbesserung des Wirkungsgrades schräg gestellt. An der Hausfassade
selbst sind keine Solarzellen angebracht, weil diese Flächen zur
solaren Wandbeheizung genutzt werden. Die Fassade weist eine „transparente
Wärmedämmung" auf, die die Sonnenwärme in das
Mauerwerk leitet und zeitversetzt gleichmäßig an die Innenräume abgibt.
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In LESSING, S. G. "Sonnenwende", Das Hachdecker-Handwerk
(DDH), 1999, Heft 9, Seiten 86 bis 91 ist ein solarautarkes Gebäude beschrieben, bei
dem das oberste Geschoss teilweise unter dem Dach vorgesehen ist,
wobei auf dem schräg
verlaufenden Dach in üblicher
Weise Sonnenkollektoren vorgesehen sind. An der Südseite ist
ein sich über sämtliche
Geschosse erstreckender Wintergarten vorgesehen, dessen obere Schräge mit dem
Dach fluchtet.
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Aus der
DE 42 22 572 A1 ist ein
Niedrigenergiehaus bekannt, bei dem die der Hauptsonneneinstrahlrichtung
zugewandte Hausseite zumindest teilweise als vertikal verlaufende
Glasfront ausgebildet ist und bei dem das Haus zur entgegengesetzten Richtung
hin niedriger wird. Der Grundriss des Hauses entspricht im Wesentlichen
einem Kreissektor oder einem Vieleck, wobei die Glasfront im Grundriss gekrümmt oder
abgewinkelt und im Bereich des Außenbogens des Sektors angeordnet
ist.
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In „Kiessler, U., Wissenschaftspark
Gelsenkirchen, Baumeister 5/1995, Seiten 25 bis 31, ist ein Gebäude beschrieben,
bei dem eine Längsseite
mit einer wintergartenartigen, schräg zur Vertikalen verlaufenden
Glasfassade versehen ist. Der Raum zwischen der Verglasung und den
eigentlichen Gebäudeteilen
dient als Wärmepuffer
und überdachter
Zugang zu den Räumen
des Gebäudes.
Bei Sonneneinstrahlung wird die Strahlung in der Pufferzone in Wärmeenergie
umgewandelt und zum Teil an die übrigen Gebäudeteile
abgegeben. Zur Vermeidung eines Hitzestaus bei starker Sonneneinstrahlung
ist die Fassade mit öffenbaren
Teilen versehen. Die Pufferzone ist jedoch weder als dauernder Aufenthaltsraum
geeignet, noch mit dieser Konzeption hierfür geeignet.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt
der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Niedrigenergiehaus, insbesondere
energie-autarkes Haus zu schaffen, bei welchem die Ausnutzung der Sonnenenergie
optimiert ist, wobei das Gebäude
einfach herstellbar sein soll und zudem architektonisch/ästhetischen
Gesichtspunkten genügt.
Zudem soll das Haus eine optimale Raumnutzung, auch zu Wohnzwecken,
ermöglichen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis
aus, dass ein schräges
zur Vertikalen verlaufendes Dach, welches sich zumindest an einer
Gebäudefront,
vorzugsweise in südöstlicher
bis südwestlicher
Richtung gelegen, im Wesentlichen über die gesamte Gebäudefront
erstreckt den Vorteil bietet, dass durch Glasflächen im Dach einfallendes Sonnenlicht
wesentlich besser zur Beheizung des Gebäudeinneren ausgenutzt werden
kann, als wenn entsprechende Glasflächen in senkrecht verlaufenden
Gebäudefronten
vorgesehen werden. Des Weiteren bietet ein über die gesamte Gebäudefront
verlaufendes schräges
Dach den Vorteil einer einfachen und kostengünstig zu realisierenden Konstruktion.
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Das Dach ist erfindungsgemäß modular
aufgebaut. Hierzu besteht die Möglichkeit,
das Dach entweder aus modularen, miteinander verbindbaren Dachelementen
zusammenzusetzen oder aus modularen, miteinander verbindbaren Aufnahmeelementen,
in welche entsprechende Dachelemente aufnehmbar sind, auszuführen. In
jedem Fall ergibt sich hierdurch der Vorteil einer großen Variabilität beim Entwurf
eines Dachs. Da die Dachelemente, welche als Fensterelemente, feststehende,
lichtdurchlässige Elemente,
ein Wärmeträgermedium
erhitzende Solarkollektoren, photovoltaische Solarkollektoren oder als
lichtundurchlässige,
Elemente ausgebildet sein können,
das Dach bilden, ergibt sich gegenüber einem konventionellen Dachaufbau
mit nachträglicher Installation
von Solarkollektoren ein einfacherer und ästhetisch ausgewogener Aufbau.
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Das Dach wird zumindest zu einem
Teil aus lichtdurchlässigen
Dachelementen, zu einem anderen Teil aus hochwärmegedämmten, nicht durchsichtigen
Dachelementen und zu einem weiteren Teil aus Dachelementen gebildet,
die als ein Wärmemedium erhitzende
Solarkollektoren ausgebildet sind und die an der Unterseite bzw.
Rückseite
eine hochwärmegedämmte Schicht
aufweisen. Die Anordnung und Auswahl der Dachelemente ist so getroffen,
dass infolge der in das Gebäude
eintretenden Sonnenstrahlung und deren Umsetzung in Wärmestrahlung
innerhalb des Gebäudes
durch Wände,
Böden und
Decken dem Gebäude
keine zusätzliche
Heizenergie zugeführt
werden muss. Die Neigung des Dachs liegt im Bereich von 30° bis 60°.
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Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, bei der das Dach aus modularem, miteinander verbundenen
Aufnahmeelementen besteht, in welche die Dachelemente eingesetzt
sind, ergibt sich der Vorteil, dass zunächst die Dachkonstruktion und auch
in diesem Stadium die Aufteilung und Art der zu verwendenden Dachelemente
festgelegt oder geändert
werden kann. Zudem ergibt sich hierdurch der Vorteil, dass bei Veränderungen
im Inneren des Gebäudes
Dachelemente in gewünschter
Weise einfach ausgetauscht werden können.
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Die Elemente des modularen Dachaufbaus können somit
auf Veränderungen
des Gebäudeinnenraums
reagieren (beispielsweise durch einen Umbau) und somit den wechselnden
Anforderungen der Bewohner in einem längeren Zeitraum angepasst werden.
Die Aufnahmeelemente und Dachelemente sind vorzugsweise so aufeinander
abgestimmt, dass auch bei Verwendung unterschiedlicher Dachelemente
deren Außenseiten
fluchten.
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Dieses energetische Wohnhaus kann
in einer Ausführungsform
mit einer automatischen Be- und Entlüftungsanlage mit Wärmetaucher
(z.B. Kanalstromprinzip mit Gegenstromluftführung) versehen werden.
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Da Solarkollektoren in beiden Ausführungsformen
eine Glas- oder glasartig wirkende Oberfläche aufweisen, sind in der
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung aus optischen und praktischen Gesichtspunkten auch
die lichtundurchlässigen, hochwärmegedämmten Elemente
mit einer Glas- oder glasartig wirkenden Oberfläche versehen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung sind die
Dachelemente oder die Aufnahmeteile auf einer Sparrenkonstruktion
angeordnet, wobei der Abstand der Sparren im Wesentlichen der Breite
eines Dachvolumens oder eines Aufnahmeelements entspricht. Hierdurch
ergibt sich ein einfacher und kostengünstiger Aufbau.
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In der bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Gebäudes weisen
die Dachsparren lediglich zwei Auflager auf. Einmal oben auf der Firstpfette
und zum Anderen auf der Fußpfette.
Das bedeutet, dass im Bereich der Geschossböden keine weiteren Auflager
benötigt
werden. Diese Tatsache hat auch innenarchitektonische Vorteile.
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Insbesondere können die Geschossböden, zumindest
in Teilbereichen, eine vorbestimmte Strecke vor den Sparren enden
(in der Ebene der Geschossböden
gesehen) und mit Zangen derart mit den Sparren verbunden sein, dass
im Zwischenraum zwischen der Dachinnenseite und dem Ende der Geschossböden Dachs
oberhalb der Ebene der Geschossdecke ein oder mehrere lichtdurchlässige Dachelemente
vorgesehen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer zusätzlichen
Belichtung des darunter liegenden Geschosses. und einer weiter verbesserten
Ausnutzung der passiven Solarenergie zur Erwärmung des Gebäudes. Des
Weiteren kann hierdurch eine Luftzirkulation zwischen den Geschossen und
damit eine schnelle und gleichmäßigere Erwärmung des
gesamten Innenraums erreicht werden.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen
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1 einen
Schnitt durch ein Niedrigenergiegebäude nach der Erfindung.
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2 eine
Dachaufsicht des Niedrigenergiegebäudes in 1.
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3 einen
Schnitt durch das Dachsystem und die wärmegedämmte Verschattungseinrichtung.
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Das in 1 dargestellte
Niedrigenergiegebäude 1 weist
3 Geschosse I, II, III auf. Das Dach 3 des Niedrigenergiegebäudes 1 erstreckt
sich im Wesentlichen über
die gesamte Gebäudefront,
wobei lediglich aus praktischcn Gründen ein minimaler Kniestock 5 vorgesehen
ist. Das Dach weist in der dargestellten Ausführungsform aus architektonischen
bzw. grundrißgemäßen Gründen eine
Dachneigung von 34° auf.
Durch diese Dachneigung ergibt sich der Vorteil, dass das Sonnenlicht,
anders als bei senkrechten Verglasungen, weit in den Innenraum des Gebäudes einstrahlen
kann (siehe 1 Führung der
Sonnenstrahlen). Die Geschoßböden weisen vorzugsweise
einen dunklen, offenporigen Bodenbelag auf, der die kurzwellige
Sonnenstrahlung absorbiert und als Wärmestrahlung wieder abgibt.
Dies ist ein physikalischer Prozess, der bei dem Vorgang zur Erzeugung
der passiven Solarenergie deutlich wird.
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Die Wärmestrahlung erwärmt Wände, Böden und
Decken. Diese geben die Wärmestrahlung
zeitversetzt an die sie umgebenden Räume ab, so dass eine „Entwärmung" nur sehr langsam
vonstatten geht. Diese hängt
im Wesentlichen mit der besonderen, schichtweisen und hochwärmegedämmten Ausführung der
Außenwände, der
Dächer
und der Erdgeschoßböden bzw.
der Keller ab. Der k-Wert
dieser sogenannten „Hülldämmung" kann sogar bis zu
einem Wert von k = 0,10 W/m2 K absinken.
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Die Dachneigung von 34° ergibt sich
außerdem
aus der Architektur und dem Schnitt des Gebäudes. Es ergeben sich dadurch
3 Geschosse, eine Wohnetage, eine Schlafetage und eine Dachterrassen-
Etage mit einem Technik- Abstellraum.
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Für
zu öffnende
und teststehende Fenster im Dach werden vorzugsweise Solargläser verwendet, welche
einen k-Wert von 0,7 W/m2 K, oder sogar
weniger, aufweisen können.
Zusätzlich
kann eine speziell aufgetragene, infrarot reflektierende Schicht
auf der Innenseite der Glasflächen
vorgesehen werden, die die entfliehende Wärmestrahlung reflektiert und somit
die Wärme
deutlich länger
in dem energetischen Gebäude
behalten kann.
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Außerdem können verschiedene Farbeinfärbungen
der Solargläser
erfolgen und getroffen werden. Durch die möglichen farblichen Einfärbungen würde die
Erzeugung von passiver Solarenergie sowie der K-Wert der Solargläser geringer.
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Für
die Außenwände kann
eine Konstruktion mit einer Ziegelschüttung, vorzugsweise aus wiederverwendbaren
Altziegeln, mit einer Stärke
von beispielsweise 30 cm und einer Wärmedämmung (konventionell oder baubiologisch)
von z.B. 20 cm vorgesehen sein. Die Außenwände können aber ebenso beispielsweise
aus einer Holzständer-
Konstruktion, Pfosten- Riegel-Konstruktion
o.ä. bestehen.
Auch materialmäßige Mischformen
oder eher neue Materialien wie die transparente (transluzente) Wärmedämmung, können bei
Niedrigenergiegebäuden
verwendet werden.
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Das Gebäude kann so bei entsprechender Dimensionierung
der Glasflächen
und der hochwärmegedämmten Außenflächen selbst
im Frühling
und Herbst in einigen Sonnenstunden erwärmt werden. Selbst im Winter
kann, im Zusammenhang mit der Verwendung beispielsweise einer automatischen
Be- und Entlüftung
mit dem Kanalstromprinzip, eine ausreichende Erwärmung stattfinden. (siehe Prinzip
der Passivhäuser)
Dies ist daher möglich,
weil diese energetische Wohngebäudeart
sehr geringe Mengen an Strahlung benötigt. Es ist sogar möglich, dass eine
Erhöhung
der Innentemperatur bei leicht bedecktem Himmel vonstatten geht.
Wann eine Erhöhung
der Innentemperatur noch möglich
ist, hängt auch
von der Beleuchtungsstärke
ab.
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Im Sommer muss das Gebäude im Bereich der
lichtdurchlässigen
Dachflächen
großflächig verschattet
werden, da es sonst zu einer unerwünscht starken Erwärmung kommen
kann. Hier kann eine sogenannte wärmegedämmte Verschattungseinrichung
Verwendung finden, die innentemperatur-gesteuert, mechanisch oder
auf einer anderen Weise funktionieren kann und eine aufgerollte
Verschattung zunächst
teilweise, dann gänzlich
von unten über
die zu verschattenden Solarglaselemente abrollt.
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Im Winter hingegen soll das energetische Wohngebäude nicht
vor zu viel Sonneneinstrahlung, sondern vor Wärmeverlusten durch Transmission und
Konvektion geschützt
werden. Deshalb erhält
die sich von unten aufwickelnde Verschattung eine zentimeterdicke
Wärmedämmung, die
z.B. bei einer Außentemperatur
von –10°C und einer
Innentemperatur von 20°C
eine Temperaturdifferenz von delta t = 30°C abpuffern kann. Dies geschieht
in der Weise, dass ein Temperaturpuffer zwischen Innenraum und Außenraum
dadurch entsteht, dass neben der schräg verlaufenden, wärmegedämmten Verschattungseinrichtung
eine umlaufende, beispielsweise 40 cm hohe, vertikal stehende Solarverglasung
entsteht, die einen eigenen, abgeschlossenen Temperaturpuffer zwischen
Innenraum und Außenraum
bildet. Dieses thermische Luftpolster verzögert nachts im Winter deutlich
eine Auskühlung
des solaren Wohngebäudes
und trägt
dazu bei, dass eine „Auskühlung" des Gebäudes noch
langsamer vonstatten geht.
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Wie aus 1 ersichtlich, endet der Geschoßboden 7 mit
einer Strecke L vor den Sparren 9 des Dachs 3 (in
der Ebene der Oberseite der Geschoßdecke 7). Im Bereich
der Tiefe L ist die Geschoßdecke 7 mittels
Trägerelemente 11 mit
der Dachkonstruktion verbunden. Hierzu können die Trägerelemente 11 als
Zangenkonstruktion ausgebildet sein. Das Gleiche gilt auch für die Geschoßdecke 5 im
Bereich der Tiefe K. Durch diese Bauweise ergibt sich der Vorteil,
dass durch die Ebene der Geschoßdecke 7 im
Bereich der Strecken K und L hindurch Licht im Bereich des Geschosses
I und II Fensterelemente vorgesehen sind.
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Aus der in 2 dargestellten Dachaufsicht auf das
Dach 3 ist ersichtlich, dass die Dachkonstruktion aus einer
Vielzahl einzelner Dachelemente 13 besteht, die jeweils
identische Außenmaße aufweisen.
Die Systemlinie der Abmessungen der Dachelemente können beispielsweise
1,0 mal 2,0 Meter betragen.
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Die hellgrau dargestellten Bereiche
repräsentieren
Dachelemente in Form von zu öffnenden oder
feststehenden Fensterelementen. Die im mittleren Bereich des Dachs
dunkler angelegten Flächen stellen
Solarkollektoren dar, die zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums
dienen. Die im oberen Bereich des Dachs dunkelgrau dargestellten
Flächen stellen
Dachelemente 13 in Form von photovoltaischen Solarkollektoren
dar.
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Die unterschiedlichen Dachelemente
weisen üblicherweise
eine unterschiedliche Dicke auf. Um das Gesamtbild des Dachs nicht
zu stören,
sind die unterschiedlich dicken Dachelemente 13 jeweils
so verbunden, dass deren Oberflächen
jeweils zur Bildung der Dachaußenseite
fluchten. Die eigentlichen Dachelemente in Form der beiden verschiedenen
Typen von Solarkollektoren, von lichtdurchlässigen Elementen und lichtundurchlässigen Elementen,
können in
Aufnahmeelementen 17 vorgesehen sein, die zur Bildung eines „Grundgerippes" der Dachkonstruktion miteinander
verbunden werden können.
Selbstverständlich
können
die Aufnahmeelemente 17 jedoch auch einzeln auf der Dachunterkonstruktion,
beispielsweise den Sparren 9 montiert sein, ohne untereinander
verbunden zu sein.
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Hierdurch ergibt sich der Vorteil,
dass die eigentlichen Dachelemente 13 leicht ausgetauscht werden
können.
Dies kann bei einer Beschädigung oder
einer Anpassung der Dachkonstruktion an geänderte Verhältnisse im Innenraum des Gebäudes erforderlich
sein. Des Weiteren kann ein Einsatz der Dachelemente 13 dann
sinnvoll sein, wenn beispielsweise verbesserte Solarkollektoren
verfügbar
sind und deren Einsatz rentabel erscheint.
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Das erfindungsgemäße Gebäude weist somit eine einfache
und variable Dachkonstruktion auf, welche alle, ein energieautakes
Gebäude
erforderlichen „energieerzeugenden", Elemente integriert. Durch
eine geeignete Dimensionierung der „energieerzeugenden" Elemente in Form
der lichtdurchlässigen
Dachelemente und der beiden Typen von Solarkollektoren kann in einer
energetischen Sonderform auf eine herkömmliche Energieversorgung zur
Beheizung, zur Warmwasser-bereitung und zur Versorgung des Gebäudes mit
elektrischem Strom verzichtet werden.
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Dies insbesondere dann, wenn eine
automatische Be- und Entlüftung
mit Wärmetauscher
vorgesehen wird, die ihre Energie ebenfalls von der eigenen Photovoltaikanlage
erhalten kann. Voraussetzung hierfür ist selbstverständlich ein
energieeffizienter Einsatz der vom und im Gebäude erzeugten Energie.
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3 zeigt
eine über
den Solarglaselementen vorgesehene „wärmegedämmte Verschattungseinrichtung", die derart ausgebildet
ist, dass ein, wie eine Rolle aufgewickelter Wärmeschutz, sich von unten nach
oben, in beispielsweise 0,40 m Abstand von der Dachaußenfläche aufrollt.
Dieser Sonnenschutz ist auf der Unterseite mit einer Wärmedämmschicht versehen,
so dass er einen Temperaturpuffer zwischen dem Innenraum des Niedrigenergiegebäudes und
dem Außenraum
bildet. An den vier Seiten sind senkrecht angeordnete Solarglasteile
vorgesehen, die den Raum des Puffers seitlich abschließen. In den
Sommermonaten können
die senkrechten Solarglasteile herunter geklappt werden, so dass
sich der Thermopuffer nicht mittels Transmission erhitzt und dann
seinerseits die Innentemperatur des Gebäudes erhöht.
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Die Konstruktion der wärmegedämmten Verschattungseinrichtung
hat den Vorteil, dass die beiden großen Solarglasflächen des
Niedrigenergiegebäudes
und damit das Gebäudeinnere
sich durch Sonnenstrahlen in den Sommermonaten nicht zu stark erwärmen kann
(bei geschlossener Stellung keine Entstehung von passiver Solarenergie
mehr möglich).
Während
der Wintermonate, vornehmlich in kalten Nächten, bildet die wärmegedämmte Verschattungseinrichtung
einen beispielsweise +20°C warme
Innenluft weist mit der beispielsweisen –10°C kalten Außenluft eine Temperaturdifterenz
von 30°C auf.
Gäbe es
diese Verschattungseinrichtung nicht, dann würde sich die Innentemperatur
durch Transmission, und bei nicht winddichter Ausführung durch Konvektion,
schneller abkühlen.
Die Temperatur des thermischen Pufferraums wird sich zwischen den
beiden Temperaturbereichen bewegen und den Innenraum des Niedrigenergiegebäudes vor
zu schneller Auskühlung
bewahren.