DE3530416C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiespargebäude, insbesondere Wohngebäude, zur passiven Nutzung der Solarenergie mit einem im wesentlichen dreieckigen oder trapezförmigen Grundriß, welcher eine Südost- und eine Südwestfassade aufweist.

Ein derartiges Energiespargebäude ist z. B. in dem RKW Merk­ blatt 73, Seite 8 als "Energiesparhaus Bad Vilbel (1981/83)" beschrieben. Die Südost- und die Südwestfassade dieses Gebäu­ des bestehen im wesentlichen aus Fensterflächen. Man ist da­ bei bestrebt, die aus Südosten, Süden und Südwesten ein­ fallenden Sonnenstrahlen durch das Glas in das Gebäude einzu­ lassen und auf diese Weise die Sonnenenergie einzufangen. Da­ bei nützen allerdings die Fenster in der Südost-Fassade wenig oder nichts, wenn die Sonne im Südwesten steht, und die Fen­ ster in der Südwest-Fassade sind in den Vormittagsstunden wirkungslos. Es kommt als weiterer Nachteil hinzu, daß die Innenraumflächen und lnnenraumwände nach Lage und Ausführung normalerweise für die Wärmespeicherung ungeeignet sind. Der Zimmerfußboden kann nicht viel Wärme aufnehmen, weil insbe­ sondere die aus Südosten und Südwesten einfallenden Sonnen­ strahlen nur unter einem verhältnismäßig spitzen Winkel auf den Fußboden auftreffen und weil dieser meistens mit einem isolierenden Belag, z. B. Teppichboden oder Parkett, bedeckt ist. Vor den Wänden stehen häufig Schränke, und die Tapeten behindern den Wärmeübergang. Außerdem treffen die durch ein Fenster eintretenden Sonnenstrahlen nur selten auf die dem Fenster gegenüberliegende Innenwand und meistens nur unter einem sehr spitzen Winkel auf die Seitenwände. Alle diese Um­ stände führen dazu, daß sich die Innenräume, die der Sonnen­ strahlung ausgesetzt werden, sehr schnell überhitzen, so daß die Fenster geöffnet werden müssen, daß aber nur verhältnis­ mäßig wenig Wärme gespeichert wird, die auch noch am Abend und in der Nacht zur Erwärmung des Gebäudes beiträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß bekannte Ener­ giespargebäude dahingehend weiterzubilden, daß die Flächen der Südost- und der Südwestfassade länger der Bestrahlung ausgesetzt sind und mehr aus der Sonneneinstrahlung gewonnene Wärmeenergie gespeichert wird.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Der Vor­ teil dieses Vorschlags besteht darin, daß sowohl die Südost- wie auch die Südwest-Fassade vom frühem Vormittag bis zum späten Nachmittag bestrahlt werden. Diese Strahlung trifft zum wesentlichen Teil auf die Außenflächen von wärmespei­ chernden Außenwänden, welche die Strahlungsenergie in Form von Wärme aufnehmen und verhältnismäßig lange speichern. Die Wintergärten erwärmen sich und stellen wie bei der sog. Trombe-Wand einen Schutz gegen Wärmeverluste der umschlosse­ nen Außenwandbereiche dar. Im Gegensatz zur Trombe-Wand bie­ ten sie aber auch genügend Raum für die geschützte Unterbrin­ gung der im Winkel zu den Fassaden auszurichtenden Refle­ xionsflächen und haben darüber hinaus die Vorteile eines be­ gehbaren Raums. Im übrigen gestatten die Wintergärten an der Südost- und der Südwest-Fassade weiterhin den unmittelbaren freien Austritt aus dem Haus nach Süden, z. B. auf eine Ter­ rasse.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie bevorzugte Ausge­ staltungsmerkmale werden nachstehend anhand der Zeichnung nä­ her erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen trapezförmigen Grundriß eines Ener­ giespargebäudes mit Wintergärten an der Südost- und der Südwest-Fassade;

Fig. 2 einen im Vergieich zu Fig. 1 um eine nördliche Pufferzone erweiterten Grund­ riß;

Fig. 3 den Grundriß eines Gebäudes entsprechend Fig. 2 mit teilweise detailliert gezeich­ neten Außen- und Innenwänden;

Fig. 4 ein Gebäude ähnlich Fig. 3 mit in den Wintergärten montierten, einstellbaren Reflexionsflächen;

Fig. 5 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, eines auf einer Drehscheibe aufgebauten Energiespargebäudes;

Fig. 6 A, B das Gebäude nach Fig. 5 in vereinfachter Draufsicht in zwei verschiedenen Stellun­ gen der Drehscheibe;

Fig. 7 A-D vier Varianten von Wintergärten im Grund­ riß;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Ener­ giespargebäudes mit ungleichseitigem Grundriß;

Fig. 9 eine Außenansicht eines Energiespargebäu­ des in perspektivischer Darstellung mit Blickrichtung von Süden nach Norden;

Fig. 10 als Detail einen drehbaren Teil der wär­ mespeichernden Außenwand des Gebäudes nach Fig. 3 im Zusammenwirken mit einer verstellbaren Reflexionsfläche;

Fig. 11 den drehbaren Teil der Außenwand nach Fig. 10 in Draufsicht im Zusammenwirken mit einer fokussierenden Reflexionsflä­ che;

Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Reflexionsfläche in vereinfachter Seiten­ ansicht;

Fig. 13 Seitenansicht einer auf einem Fahrgestell montierten Reflexionsfläche;

Fig. 14 einen Wintergarten mit mehreren im Winkel zueinander versetzten Reflexionsflächen im Grundriß.

Das in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Gebäude hat einen trapezförmigen Grundriß und ist so ausgerichtet, daß die mit A bezeichnete kürzeste Seite die Südseite des Gebäudes bil­ det. Sie hat im Beispielsfall eine Länge von 4 m. Die gegen­ überliegende nördliche Außenwand ist 12 m lang, und die Süd­ ost- sowie die Südwest-Fassade haben jeweils eine Länge von 9 m. Somit werden insgesamt 22 m Länge der Außenwand von der Sonne beschienen, und nur 12 m bleiben unbesonnt.

Vor einem Teil der Südost-Fassade und der Südwest-Fassade ist jeweils ein Wintergarten angebaut. In den Wintergärten befin­ den sich Reflexionsflächen, welche Sonnenstrahlen gegen die Südost- bzw. Südwest-Fassade reflektieren. Außerdem haben die Wintergärten windabweisende äußere Fronten.

Grundsätzlich gilt für die trapezförmige Bauform nach Fig. 1, daß sich die Südost- und die Südwest-Fassade jeweils unter einem Winkel zwischen 50° und 69° zur Ost-West-Richtung er­ strecken sollte und daß die in Nord-Süd-Richtung gemessene Gebäudetiefe dabei kleiner bleibt als die Länge der nördli­ chen Außenwand. Bei einer gleichschenkligen Trapez-Grundform und einem Winkel von etwa 60° zwischen der Südost- bzw. Süd­ west-Fassade und der Ost-West-Richtung wird dann in der Regel die kleinere der parallelen Seiten ca. 1/3 bis 1/4 und die Höhe des Grundrisses ca. 2/3 der größeren der beiden paral­ lelen Seiten betragen.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von der nach Fig. 1 nur dadurch, daß vor die hier mit d1 bezeichnete nördliche Wand des trapezförmigen Grundrisses Nebenräume d als Pufferzone vorgebaut sind. Bei ansonsten gleichen Maßen beträgt das Verhältnis der besonnten zu den unbesonnten Flä­ chen 1,8 : 1. Die nördliche Pufferzone d, die auch gemäß Fig. 4 in mehrere Nebenräume f und e unterteilt sein kann, erspart den Kellerbau.

Das in Fig. 3 dargestellte Gebäude entspricht im Grundriß dem nach Fig. 2. Die wärmedämmenden Außenwände sind mit g, die wärmespeichernden Außenwände mit a und die wärmespeichernden lnnenwände mit b bezeichnet. Der Gebäudewinkel beträgt 60°. Die äls Pfeile eingezeichnete solare Einstrahlung trifft un­ mittelbar auf die Südost-Fassade, wird aber auch gleichzeitig durch Reflexion an der Innenwand c1 des Wintergartens c an der Südwest-Fassade gegen diese reflektiert.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, sind die von den Wintergärten c umschlossenen Fassadenflächen im wesentlichen die Außenflä­ chen von wärmespeichernden Außenwänden a. Für die wärmespei­ chernden Wände a ist ein Material mit hohe Wärmespeicherzahl zu wählen. Zur zügigen Erwärmung der schweren Baustoffe kann ein Putz aus umgehend Wärme aufnehmenden Stoffen verwendet werden. Die Resorption der solaren Energie wird außerdem ver­ stärkt, wenn die Wände rauh und dunkel gehalten werden. Selbstverständlich ist dabei die thermische Belastbarkeit des Materials bzw. der Konstruktion zu beachten und zu prüfen.

Fig. 3 veranschaulicht weiterhin, daß eine qualitative Raum­ gestaltung vorgenommen werden kann, die u. a. besonders in der Übergangs- und Sommerzeit einen direkten Austritt in die vor dem Gebäude liegenden Freiflächen gestattet, ohne erst einen eventuell überhitzten Glasvorbau passieren zu müssen. Die Bauform ermöglicht darüber hinaus für die Wohn- bzw. Ar­ beitsräume seitlich einfallendes Tageslicht und somit eine geschlossene Raumaufteilung, im Gegensatz zu einer bei be­ kannten Energiesparhäusern wegen der Wärmeverteilung und des Lichts notwendigen offenen Grundrißgestaltung, die in akusti­ scher Hinsicht und wegen störenden Durchgangsverkehrs proble­ matisch ist.

Schließlich ist im Zusammenhang mit Fig. 3 festzustellen, daß direkt von der Sonne bestrahlte Wärmespeicherflächen viermal so effektiv sind wie Wände, die über die Konvektion der Luft erwärmt werden. Darüber hinaus trägt aber auch die in den Wintergärten c erwärmte Luft durch Konvektion zur Erwärmung der wärmespeichernden Außenwände a bei. Teile T dieser Wände können auch mit der Außenfläche nach innen drehbar ausgebil­ det sein, um die in den äußeren Wandbereichen gespeicherte Wärme schneller nach innen bringen zu können.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie bei einem Gebäude mit einem Grundriß entsprechend den Fig. 1 bis 3 mittels beweglicher Reflexionswagen k, die um Achsen k1 schwenkbar sind, im Ver­ laufe eines Tages die Sonnenstrahlen optimal ausgenutzt wer­ den können, indem sie nach Möglichkeit im 90°-Winkel auf die wärmespeichernden Außenwände a gelenkt werden. Gezeigt ist für ein Gebäude an einem Ort 51° nördlicher Breite die Son­ neneinstrahlung am 21. Februar um 9 Uhr unter einem Azimut­ winkel von 135° (45°), außerdem die Einstrahlung eine Stunde später unter einem Azimutwinkel von 150° (60°) sowie schließ­ lich die Einstrahlung gegen 14 Uhr unter einem Azimutwinkel von etwa 210° (60°). In allen Fällen besteht die Möglichkeit, durch Veränderung der Stellung der Reflexionswagen k die Son­ nenstrahlen so gegen die Südwest- bzw. Südost-Fassade zu len­ ken, daß sie dort senkrecht auftreffen. Generell lassen sich die Bewegungen der Reflexionswagen k so steuern, daß sie dem jeweiligen Sonnenverlauf folgen und durch ihre Regelbarkeit die solare Einstrahlung als Reflexion im 90°-Winkel auf eine gewünschte Fläche auftreffen lassen. Bei Ausstattung des Re­ flexionswagens k mit fokussierenden Spiegeln R1 können diese wahlweise auf der Hauptreflexionsfläche R (siehe Fig. 11) und/oder zwar mit dem Reflexionswagen verbunden, aber in größerem Abstand vor der Hauptreflexionsfläche R postiert werden.

Wenn gemäß Fig. 5 in Verbindung mit Fig. 6A, B das erfin­ dungsgemäße Energiespargebäude auf eine Drehscheibe D ge­ stellt wird, kann es im Verlauf eines Tages mit der Sonne ge­ dreht werden, so daß die Sonnenstrahlen zu jeder Tageszeit unmittelbar sowohl die Südost- wie auch die Südwest-Fassade beaufschlagen und außerdem noch durch Reflexionsflächen in den Wintergärten c gegen die Wände des Hauptgebäudes reflek­ tiert werden. Außerdem zeigt Fig. 5 ebenso wie Fig. 9, daß das vorgeschlagene Energiespargebäude auch in mehrgeschossi­ ger und in Blockbauweise für private, gewerbliche und andere Zwecke erstellt werden kann.

Über die Ausführungsbeispiele nach Fig. 1 bis 4 hinaus, sind in Fig. 7A-D weitere Gestaltungsmöglichkeiten der Winter­ gärten c dargestellt. Die Form sollte jeweils von der Funk­ tion bestimmt werden und beste Reflexion sowie günstige Be­ schattungs- bzw. Dämmungsmöglichkeiten gestatten.

Abweichungen sind auch von den bisher beschriebenen gleich­ schenkligen Trapez-Grundformen der Gebäude möglich. So kann z. B. ein ungleichseitiges Gebäude gemäß Fig. 8 ausgeführt werden, insbesondere wenn es sich bei dem Standort um ein nebliges Gebiet handelt, wo z. B. erst spät am Vormittag eine intensive Nutzung der solaren Energie möglich ist.

Die Darstellung nach Fig. 9 zeigt eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform eines Energiespargebäudes, bei welchem nicht nur die nach Süden gerichteten Fronten der Wintergärten c, son­ dern auch deren Dachabdeckung G aus Glas besteht.

Die Darstellung nach Fig. 10 zeigt den drehbaren Teil T der wärmespeichernden Außenwand a gemäß Fig. 3 im senkrechten Schnitt sowie einen mobilen Reflexionswagen k mit einer schwenkbaren Reflexionsfläche R. Wie in der Draufsicht nach Fig. 11 angedeutet, ist der Teil T der wärmespeichernden Außenwand a um 360° um eine zentrale senkrechte Achse Q dreh­ bar. Der Wandteil T kann z. B. in einen Rahmen gesetzt und in Massivlehm ausgeführt sein. Diese Ausbildung gestattet hohe thermische Belastungen, so daß gemäß Fig. 11 bei der Refle­ xion fokussierende Spiegel R1 eingesetzt werden können.

Die Fig. 12, 13 und 14 zeigen verschiedene Ausführungsmög­ lichkeiten der Reflexionsflächen. Gemäß Fig. 12 ist an der Wintergartenwand c1 ein Reflexionsrollo R2 befestigt, das mit seinem äußeren Ende an bestimmten, dem Sonnenverlauf entspre­ chenden, am Boden befindlichen Arretierungspunkten R3 befe­ stigt wird und dadurch zu jeder Zeit die beste Reflexion er­ möglicht. Bei Beendigung der Reflexion kann das Rollo R2 die dahinter liegende Fläche, z. B. eine transparente Wintergar­ tenwand, freigeben. Wird die Wintergartenwand c1 mit einer inneren Speicherwand versehen, kann das Rollo R2 zur Mitte der Wintergartendecke hin angebracht werden, so daß dann zu­ sätzlich zur Reflexion auf die wärmespeichernde Außenwand a solare Energie auf die Speicherwand c1 einstrahlen kann. Die variable Verwendung mehrerer und/oder in unterschiedliche Stellungen gebrachter Rollos R2 statt eines einzigen ist ebenfalls möglich.

Der in Fig. 13 dargestellte Reflexionswagen k kann als Refle­ xionsfläche eine schwenkbare, spiegelnde Platte oder ein aus­ ziehbares, am Rahmen gelagertes und dadurch ebenfalls schwenkbares, mit einer reflektierenden Beschichtung verse­ henes Rollo enthalten. Die dem Sonnenverlauf folgende Steue­ rung und Beförderung der Reflexionswagen und Reflexions­ schirme wird entweder manuell oder z. B. über ein Federwerk oder über einen Motor vorgenommen. Die Schwenkachse k1 des auf einem Fahrgestell k2 verfahrbaren Reflexionswagens k kann je nach Sonnenstand variabel versetzbar sein.

Fig. 14 schließlich zeigt eine Ausführung mit einem Refle­ xionswagen k mit mehreren, in verschiedene Richtungen ab­ strahlenden Reflexionsflächen. Dadurch kann Blendfreiheit für den Bereich der Fensterflächen und den Gebäudeinnenraum er­ reicht werden bei gleichzeitiger Konzentrierung der solaren Energie auf die wärmespeichernden Außenwandbereiche a. Dar­ über hinaus kann der Reflexionswagen k in jeder beschriebenen Ausführung unterteilt und ggf. zusammenklappbar sein.

Claims (13)

1. Energiespargebäude, insbesondere Wohngebäude, zur passiven Nutzung der Solarenergie mit einem im wesentlichen drei­ eckigen oder trapezförmigen Grundriß, welcher eine Südost- und eine Südwest-Fassade aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß vor wenigstens einem Teil der Südost-Fassade und der Südwest-Fassade jeweils ein Wintergarten (c) mit einer zu­ sätzlichen Reflexionsfläche angebaut ist, wobei die auf Seiten der Südost-Fassade angeordnete Reflexionsfläche so ausgerichtet ist, daß sie auch aus südwestlichen Richtun­ gen einfallende Sonnenstrahlen, die keine Richtungskompo­ nente normal zur Südost-Fassade haben, auf deren vom Win­ tergarten umschlossene Fläche reflektiert, und die auf Seiten der Südwest-Fassade angeordnete Reflexionsfläche so ausgerichtet ist, daß sie auch aus südöstlichen Richtungen einfallende Sonnenstrahlen, die keine Richtungskomponente normal zur Südwest-Fassade haben, auf deren vom Wintergar­ ten umschlossene Fläche reflektiert, und daß die von den Wintergärten (c) umschlossenen Fassadenflächen im wesent­ lichen die Außenflächen von wärmespeichernden Außenwänden (a) sind.

2. Energiespargebäude nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß sich die Südost- und die Südwest-Fassade jeweils unter einem Winkel zwischen 50° und 69° zur Ost-West-Rich­ tung erstreckt.

3. Energiespargebäude nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die in Nord-Süd-Richtung gemessene Gebäude­ tiefe kleiner ist als die Länge der nördlichen Außenwand.

4. Energiespargebäude nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß vor die nördliche Außenwand eine Pufferzone (d) nach Norden vorgebaut ist.

5. Energiespargebäude nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß es auf einer Drehscheibe (D) steht.

6. Energiespargebäude nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil (T) einer Außenwand (a) in demjenigen Bereich, in welchem ihre Außenfläche von einem Wintergarten (c) umschlossen ist, mit der Innenseite nach außen drehbar ist.

7. Energiespargebäude nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Wintergärten (c) im Grundriß im wesentlichen dreieckig oder trapezförmig aus­ gebildet sind.

8. Energiespargebäude nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen derart bewegbar sind, daß sie den unterschiedlichen Ein­ strahlungswinkeln folgend die Sonnenstrahlen jeweils gegen die ihnen zugeordnete Südost- oder Südwest-Fassade reflek­ tieren.

9. Energiespargebäude nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Reflexionsflächen um eine vertikale und/oder horizontale Achse (K1) schwenkbar sind.

10. Energiespargebäude nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Reflexionsflächen durch einen oder mehrere mit unterschiedlichen Winkeln auf einem Fahrge­ stell (K2) angebrachte Schirme (R) gebildet sind.

11. Energiespargebäude nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Reflexionsflächen von Rollos (R2) gebildet sind.

12. Energiespargebäude nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, daß eine Reflexionsfläche einen fokussierenden Spiegel (R1) enthält.

13. Energiespargebäude nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stellung der Reflexionsflä­ chen in Abhängigkeit vom Sonnenstand steuerbar ist.