Heizung und Kühlung.
Zunächst eine Vorbemessung als Entscheidungshilfe.
Das vereinfachte Verfahren der Energieeinsparverordnung EnEV gibt folgende Verbräuche für ein Beispiel. Haus : Länge 12m; Breite 7m; Traufhöhe 6m; Dachneigung 45°.

(Beheiztes Volumen Ve = 651 m^3; Fiktive Nutzfläche An = 0,32*Ve = 208 m^2)
  Spalte 4:                                      Referenzgebäude nach EnEV 2009 Anl. 1,Tab. 1                                                            
                                                                    kWh Verluste         Gewinne     Verluste      
Fenster 20 m^2 (U=1; g=0,6)                               1320               1054             1716
Wände 253m^2 (U=0,15)                                     2500                                   4667
Dach 119 m^2 (U=0,14)                                        1100                                  1571
Boden 84m^2 (U=0,2)                                           665                                   1164               Summe Transmissionsverluste                                           5585                                  9163              Mittlerer U-Wert: W/m²K                                                                    0,19                                  0,30

Interne Quellen Qi = 22*An                                 4576
Lüftung Hv =0,163 Ve (295 m^3/Stunde)           7003
_______________________________________________
Heizenergiebedarf nach EnEV Qh = 6961 kWh pro Jahr = 34 kWh/m^2*a
Hinzu kommen 12,5 kWh/m^2 für Warmwasserbereitung, also 2600 kWh.            Gesamtbedarf nach EnEV : 9737 kWh.                                                                            Gesamtbedarf des Referenzgebäudes 10539kWh + Warmwasser. Einsparung durch Passivhausdämmung 3587 kWh = 34%. Dies kann wahrscheinlich auf die Verpflichtung nach §5 Erneuerbare Energiengesetz angerechnet werden.

Der Wärmebedarf nach EnEV ist geeignet, Vergleiche anzustellen und wird zur Vorlage bei Behörden verwendet.

Es lohnt sich jedoch, auch realistischere Werte zu betrachten.

Die internen Quellen Qi bestehen aus Stromverbrauch und Körperwärme. Unser Beispielhaus sei mit 4 Personen bewohnt, die 70% ihrer Zeit zu Hause sind. Die Körperwärme incl. Schlaf (vgl. Tab 1 unten) sei 100 W=0,1kW. Täglicher Stromverbrauch pro Person sei 3kWh. Die Heizperiode sei 180 Tage lang. Aus diesen Annahmen ergibt sich

Qi = 4*(24*0,7*0,1 + 3) * 180 = 3370 kWh, EnEV ist also mindestens 1200 kWh zu günstig  

(hinzu kommt, dass Elektrogeräte in Zukunft sparsamer werden und dass Wasch- und Spülmaschine einen  Teil der elektrisch erzeugten Wärme ungenutzt ablaufen lassen.)

Lüftungsverluste.

Die Lüftungsverluste nach EnEV sind höher, als alle anderen Verluste zusammen.                      Dies legt den Gedanken nahe, sie  mit einem Wärmetauscher (WT) drastisch zu reduzieren.     Bei absolut dichter Gebäudehülle könnte der WT fast den gesamten Luftstrom erfassen.         Reale Gebäude sind aber nicht ganz dicht. Es entsteht Falschluft, die der WT nicht erfassen kann. Er kann nur die Luft vorwärmen, die nicht als Falschluft in das Gebäude gelangt.

Wärmetauscher mit ihrem Leitungssystem und Stromverbrauch sind jedoch so teuer, dass es sich lohnt, hierüber eine gesonderte Untersuchung anzustellen.

Diese Untersuchung wird im folgenden Kapitel "Potential von Wärmetausch" wiedergegeben. Ich nehme ihr Ergebnis vorweg:

Die Lüftung ist nach DIN 1946 und bei maximaler Kohlendioxydkonzentration von 0,15% mit 14 m³ Luft pro Person und Stunde ausreichend.     Diese Luftmenge steht aber nur teilweise zur Wärmerückgewinnung in WT zur Verfügung.

Ohne Wärmetausch ergibt sich für vier Personen: Hv = 4*66*14*1250/3600 =1283 kWh

Hv ist also  nach dem CO2-Kriterium um 5757 kWh zu ungünstig.

Der wahrscheinliche Heizverbrauch liegt demnach bei 6960 + 1200 - 5757 = 2403 kWh entsprechend 11,6  kWh/m²  zuzüglich Warmwasser.

Das ist Passivhausqualität.

Beim Warmwasser liegt es nahe, den Verbrauch mit einer Solaranlage zu senken.        Sie kann etwa die Hälfte des Verbrauchs einbringen und man kann die Heizanlage im Sommer ganz abschalten. (Besonders wichtig bei Biomasseheizung, z.B. Hackschnitzel, die man nicht nach Belieben an- und abschalten kann.)

Wirtschaftliche Überlegungen sind jedoch angebracht: Wenn vier Personen täglich einmal duschen, benötigt man im Jahr netto 1460 kWh (nach EnEV 2600kWh)

Nach EnEV ist das Sparpotential 1300 kWh, nach obiger Überlegung 730 kWh. Die billigste Solaranlage, die ich im Internet gefunden habe, lag bei € 2500.-. Rechnet man für Amortisation und Zinsen jeweils (niedrige) 4%, sind die jährlichen Kosten € 200.- Die Kosten nach EnEV wären demnach 200/1300= € 0,154 pro kWh, bei obiger Annahme € 0,274, also höher als Strom. Es lohnt sich daher, sich um die preiswerteren Schwerkraftanlagen, wie sie im Mittelmeerraum üblich sind, zu bemühen. Sie sind zwar technisch weniger effizient, wirtschaftlich aber umso mehr.

Am effizientesten dürfte Schwerkraftbetrieb in Kraft-Wärmekopplung sein.

Potential von Wärmetausch.

Bei Passivhausdämmung mit U<0,15 und Fenstern mit U<1 bekommen die Lüftungswärmeverluste nach EnEV eine dominierende Bedeutung. Herkömmlich werden sie auf das bewohnte Volumen bezogen. Bei EnEV lässt sich aus den Verbrauchswerten eine Rate von 0,5 pro Stunde (entsprechend DIN 4701) errechnen.

Der Grund für hohe Luftraten ist, dass bei älteren Bauten die in Kanten und Ecken durch geometrische Wärmebrücken erhöhte relative Luftfeuchtigkeit Schimmel verursachen kann, dessen Sporen in der Atemluft gefährlich sind. Man kann nachweisen, dass bei ungestörten ebenen Wänden bei Norm-Innenluft mit 20°C und 50% rel. Feuchte der Wärmewiderstand R=0,55 m²K/W ausreicht.

Problematisch sind die "geometrischen Wärmebrücken". Man kann mit numerischer Mathematik nachweisen, dass der Wärmewiderstand in Kanten auf ein Drittel; in Ecken, dem Schnittpunkt dreier Kanten, sogar auf ein Zehntel des Werts ungestörter ebener Wände sinkt. Hinzu kommt, dass die Anströmung der Wand mit Innenluft in diesen Bereichen gestört ist, was den inneren Übergangswiderstand Ri erhöht, mit der Folge weiterer Abkühlung in den Problembereichen. Als einzige Abhilfe hatte man früher starke Lüftung, um die relative Feuchte zu senken. Dadurch wird die Luft aber unbehaglich trocken.

Bei Passivhausdämmung ist der Wandwiderstand R>6.  Selbst extreme geometrische Abminderung auf ein Zehntel führt zu keiner Schimmelgefahr.

Das Kriterium "Schimmel" ist damit technisch beseitigt. Andere Gesichtspunkte treten an seine Stelle.

Raumluftbezogener Aussenluftstrom.

Zunächst: Sauerstoff ist im Wohnbereich immer genug vorhanden. Wenn Luft unangenehm und "stickig" ist, liegt dies nicht an Sauerstoffmangel oder zu viel Stickstoff. Hauptgrund ist neben Gerüchen das Kohlendioxyd.

Kohlendioxyd CO2. Wir atmen CO2 aus. Das bereits in der Luft befindliche CO2 behindert die Lunge dabei, das im Blut befindliche CO2 osmotisch abzugeben.

Aus einer Bekanntmachung des Bundesumweltamts von 2008 kann man die zulässigen CO2-Konzentrationen entnehmen.  Nach DIN EN 13779; 2007-9

Raumluftkategorie Beschreibung Absolute Konz. Lüftungsrate IDA                                                     Der Innenluft in ppm              in m³ / h Person

1 Hohe Raumluftqualität                                 <800                               > 15

2 Mittlere "                                                   800 - 1000                      10 - 15

 3 Mäßige "                                                 1000 - 1400                         6 - 10

4 Niedrige "                                                 > 1400                               < 6

1 ppm (pars per million) : 10 000 ppm = 1%

Die Maximale Arbeitsplatzkonzentration MAK = 0,5% Als hygienische Bewertung wird angegeben:

CO2-Konzentration                 Hygienische Bewertung            Empfehlungen <1000ppm unbedenklich keine weiteren Maßnahmen 1000-2000 auffällig Lüftungsverhalten verbessern >2000 inakzeptabel weitere Maßnahmen nötig

Im Allgemeinen ist man jede Woche ca. 50 h außer Haus, entsprechend einer Anwesenheitsrate von 0,7 (70%).

Eine Berechnung auf der Grundlage der physikalischen Chemie und der in der Literatur ebenfalls häufig genannten zulässigen CO2-Konzentration von 0,15% führt zu einem etwas anderen Ergebnis:

Der Verbrennungswert von Kohlenstoff ist 9,3 kWh/kg; für Wasserstoff 33,7 kWh/kg. (Jeweils unter Berücksichtigung der Bindungsenergie von Kohlenwasserstoffen)

Auf ein C-Atom kommen ca. 2,3 H-Atome. Für die durchschnittliche Leistung von 100 W wird pro Stunde 6,34 g C verbrannt. Daraus werden 23,2 g CO2.

Luft hat 1250 g/m³. In der Luft befinden sich 0,04% CO2; es dürfen also 0,15 - 0,04 = 0,11% = 1,37g CO2 hinzugefügt werden.

Daraus ergibt sich als Luftrate 23,2/1,37 = 17 m³/hPerson .

In der Literatur werden häufig 20 m³/hPerson als Mindestwert genannt.

Wir verwenden daher als Luftrate bei Anwesenheit 20 bzw. bei 70% Anwesenheit im Mittel 14 m³/hPerson.


Für das Kriterium "Gerüche" weitere Werte aus DIN 1946.

Raumluftqualität. Wenn wir Raumluft als verunreinigt empfinden, nehmen wir dies als Geruch wahr. Diese Wahrnehmung ist stark beim Betreten eines Raums und nimmt dann schnell ab. Man gewöhnt sich. DIN 1946; T2; Anhang A gibt Zahlenwerte:

Tab.1 Wärmeabgabe von Menschen.

Tätigkeit                                                               Aktivitätsstufe 

Statische Tätigkeit im Sitzen wie Lesen und Schreiben         I          120W

Sehr leichte Tätigkeit im Stehen oder Sitzen                     II           150W

Leichte körperliche Tätigkeit                                           III         190 W

Mittelschwere bis schwere körperliche Tätigkeit                IV        über 270 W

Tab.2: Verunreinigungslas                                t von Personen:

Tätigkeit    Verunreinigungslast in olf

Aktivitätsstufe I                          1                     1 olf ist die Luftverunreinigung die

"                     II                         1,5                  ein Mensch bei Aktivitätsstufe I abgibt.

"                    III                          2

"                    IV                  2,5      Raucher beim Rauchen 25 Raucher im Durchschnitt 6

Tab A1 (Subjektiv) Empfundene Luftqualität in dezipol.

Unzufried ene Personen  beim Betreten des Raums                                                       Hoch        0,7 dezipol       <10%                               1 Dezipol ist die Luftverunreinigung

Mittel        1,4      "           <20%                               die entsteht, wenn 36m³/h reine Luft

Niedrig     2,5      "            <30%                               mit 1 olf verunreinigt werden.

Typische Aussenluftqualitäten CAL

Ort                                                     

dezipol Gebirge , Meer                  0,05

Städte mit hoher Aussenluftqualität 0,1

" mittlerer "                                  0,2

" geringer "                                 0,5

Ein Beispiel: Stadt mit hoher Aussenluftqualität; Aktivitätsstufe I Luftwechsel 20 m³ /h: Luftverunreiniung 1 olf ergibt 36/20 = 1,8 Dezipol.                                                       Empfundene Luftqualität 0,1 + 1,8 = 1,9 Dezipol, also zwischen "mittel" und  "niedrig" nach Tab A1.

Dies heißt, dass ca 25% der Menschen beim Betreten des Raums nicht zufrieden sind. Anders ausgedrückt: Ca. 75% sind zufrieden.

Problemstoffe: Flüchtige organische Verbinungen TVOC.

Es gibt eine furchterregende Zahl von Wohngiften. Natürlich vermindert sich ihre Konzentration mit der Lüftung. Das Beispiel "Raucher" in Tab 2 zeigt jedoch, dass eine starke Verunreinigungsquelle  durch verstärktes Lüften nicht neutralisiert werden kann.                  Man muss sie durch  baubiologisch einwandfreie Einrichtung vermeiden.

Luftfeuchtigkeit. Man kann mit 40g Dampfababe pro Person und Stunde rechnen. (VDI-Richtlinie 2078) Der Außenluft werden damit 40/14 = 2,9 g/m³ hinzugefügt.                   

Da Aussenluft bei 0°C 4g Dampf enthält, enthält die Innenluft 6,9 g. Das sind bei 20°C 40% rel. Feuchte.

Bei 20°C Innentemperatur beginnt der "noch behagliche" Bereich bei 20% Luftfeuchte. 37 bis 73 % sind "behaglich". Die Luftfeuchte ist also "behaglich". Dampfdiffusion durch Wände oder erhöhte Luftraten würden die Luft unbehaglich austrocknen.

(Bei Luftrate 0,5 und 40m² WF pro Person ergäbe sich bezüglich Gerüchen hohe Luftqualität von 0,6 Dezipol und eine rel. Luftfeuchte von 26%.("noch behaglich") Zu trockene Luft riecht man nicht. Man nimmt sie indirekt wahr durch gereizte Schleimhäute und gesprungene Lippen. Wollte man durch Luftbefeuchtung 35% erreichen müsste man pro Person und Tag 1,6 l Wasser verdunsten. Dies kostet bei vier Personen in 180 Tagen 720 kWh Wärmeenergie; die  RLT für Luftwärmetausch verbraucht 280 kWh Strom !)

Die Luftrate nach dem CO2-Kriterium führt zu "behaglicher" Luftfeuchte. Sie sollte nicht grösser sein. Diese Luftrate wird aber bereits im Wesentlichen durch Falschluft erbracht.

Unvermeidliche Lüftung (Falschluft) entsteht  durch                           a. Undichtigkeiten; b. Absaugen von Gerüchen bzw. Stosslüften; c. Öffnen der Haustüre.

Nach EnEV 2009, Anl. 4 misst man die Dichtigkeit bei 50 Pa Druckdifferenz.                          Die Luftrate soll dann bei Häusern ohne raumlufttechnische Anlage (RLT) den Wert 3; mit RLT 1,5 nicht überschreiten. Für Passivhäuser gilt < 0,6.                                                             Ab mittleren Windgeschwindikeiten überwiegt Wind als Ursache von Druckdifferenzen; bei Windstille oder tangentialer Anströmung der durch die warme Innenluft verursachte statische Druck.  (Annahme: Innen 20°C; außen 0°C)                                                 Man kann beide Einflüsse nicht addieren, da sie sich teilweise neutralisieren.                                      Statischer Druck verursacht 3 bis 6,4%; Wind bei 4m/s 13% der 50-Pa-Luftraten.

(Die mittleren Windgeschwindigkeiten v sind in Deutschland für jeden Ort kartiert.                   Als "windschwach" gelten v < 3,5m/s, "windstark" ist v>3,5 m/s. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten dürften i.A. geringer sein, weil Häuser windgeschützt stehen können. Mitunter werden deshalb nur die statischen Drucke für die Falschluft angesetzt.)

Begründung: Der Luftdurchsatz ist proportional zu Druck^(2/3). Da die eintretende Falschluft auch wieder austreten muss, steht jeweils nur die halbe Undichtigkeit zur Verfügung.

Damit ergibt sich als Minderungsfaktor gegenüber 50 Pa: 0,5 *(Druck/50)^2/3 Der Staudruck von Wind ist bei 4m/s 10 Pa. Nach DIN 1055 ist der Sog 30% des Drucks. Daraus erhält man für den Winddruck 6,5 Pa.; der statische Druck zweigeschossiger Wohnungen ist 2,3 Pa; bei eingeschossigen Wohnungen sind es 0,7 Pa.

Die durchschnittliche Wohnungsgröße ist 40 m² pro Person, entsprechend einem Volumen von 100m³. Täglich einmaliges Stoßlüften bringt 4m³; Türöffnen ca. 1m³. Konkret ergibt sich als Falschluft: Ohne RLT 14 bis >44m³; mit RLT 10 bis >25 m³; Passiv: 7 bis >13 m³     Damit liegt man im Bereich der mittleren Luftrate nach dem CO2-Kriterium von 14m³/h.

(Würde man wie oben berechnet in einem Passivhaus mit (ohne Stoßlüftung) 3m³ Falschluft weitere 47m³ Lüftung durch eine RLT mit 80% Wärmetausch vorsehen, ergäbe sich der Energiebedarf von 3 + 47*0,2 = 12,4m³ Lüftung zuz. 16W Strombedarf für die RLT ; als Luftqualität 0,6 Dezipol, als Luftfeuchte 26%. Man hätte keine Energieersparnis, aber geruchsfreiere dafür etwas zu trockene Luft)

Wärmegewinn mit Wärmetauscher ist demnach nur bei Passivhausdichtigkeit und auch dort nur begrenzt möglich.  Er müsste zudem bei höheren Windgeschwindikeiten abregeln, um keine Energie zu verschwenden. Weiterhin gilt es zu bedenken, dass Dichtungen durch Alterung nachlassen, die Falschluft also zunimmt.

RLT mit ihren beweglichen Teilen altern und können Geräusche verursachen.                Zusätzlich brauchen sie Strom. Als günstiger Wert gilt 0,4 W pro m² Wohnfläche.

(Stosslüftung: Eine RLT, die entsprechend den obigen Überlegungen in Passivhäusern nur ca. 10 m³/(Stunde;Person) Lüftung bringt, könnte starke Gerüche, wie sie beim Kochen entstehen nicht schnell genug beseitigen.)

Unsere Bauweise ist mit oder ohne RLT möglich.

Da bei uns die Kombination aus Ökologie und Ökonomie im Vordergrund steht, empfehlen wir, keine RLT einzubauen. Damit erreichen wir nicht ganz die (theoretischen) Werte von Passivhäusern und reden deshalb von Quasi-Null-Qualität.

Erfolgversprechender als RLT sind in unseren Augen folgende Maßnahmen:

1. Grauwassernutzung mit Wasservorwärmung. Das warme Abwasser aus Dusche und Waschmaschine (Grauwasser) wird in einem drucklosen Kessel zwischengespeichert und zur WC-Spülung verwendet. In dem Kessel befindet sich ein Druckboiler, in dem das mit ca. 10°C einfließende Kaltwasser auf ca. 20°C vorgewärmt wird.

2. Sammeln und Trocknen von Biomasse. Alle Abfallbiomasse einschließlich Speiseresten und Fäkalien wird getrocknet und im Winter - möglichst mit nachgeschaltetem Brennwert - Abgaswäscher - verheizt. Diese Möglichkeit wird man nicht unbedingt sofort anwenden wollen. Man kann sie aber als Reserve für Notzeiten betrachten und durch eine entsprechende Heizanlage, z.B. Hackschnitzel vorbereiten.

Kühlung durch "Natürliche Klimatisierung".

Im Sommer entsteht Kühlungsbedarf. Auch in Deutschland kann es vorkommen, dass ein Haus sich allmählich unbehaglich aufheizt. Abhilfe schafft die bekannte "Natürliche Klimatisierung":   Die am Tag aufgenommene Wärme wird nachts wieder abgegeben.

Die Räume sind dann morgens  kühl und erwärmen sich allmählich. Dies ist innerhalb des behaglichen Bereichs möglich. Man hat also keine fest einstellbare Raumtemperatur.

Dies kann sogar komfortabler sein, als bei Klimaanlagen: Da jeder Mensch eine andere Temperatur als behaglich empfindet, kommt im Lauf des Tages jeder zu seinem Recht.

Natürliche Klimatisierung  sollte man technisch vorbereiten: Mindestens ein Fenster im EG sollte man einbruchssicher vergittern und eventuell mit Mückennetz versehen, damit man es unbesorgt die ganze Nacht offen lassen kann. Im OG muss ebenfalls ein Fenster offen bleiben können. In unseren Breiten reicht diese Maßnahme erfahrungsgemäß aus.

In heissen Ländern besteht bei Passivhausdämmung nur Kühlungsbedarf. Starke Dämmung macht dort Heizung überflüssig und vermindert das unerwünschte Eindringen sommerlicher Wärme. Hier muss man durch bauliche Maßnahmen, die nur im konkreten Fall geplant werden können, die nächtliche Kühlung verstärken.

Bei Wüstenklima mit kalten Nächten lassen sich Klimaanlagen immer vermeiden.

Bei Tropenklima mit warmen Nächten und hoher Luftfeuchtigkeit wird dies nicht immer möglich sein. Aber auch dort ist starke Dämmung und natürliche Klimatisierung nützlich, um den Klimatisierungsaufwand zu minimieren.

(Sonnenschutzmaßnahmen sind selbstverständlich)