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Was ist Solararchitektur?

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Physics

University, School

NBS Rottweil

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gut->Axel Maier, Lehrer

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Solararchitektur



Inhaltsverzeichnis

Seite

1.1 Was ist Solararchitektur? 3


2.1 Was ist ein Passivhaus? 3


3.1 Die Sonne


3.1.1 Einstrahlungsenergie 3-4


3.1.2 Einstrahlungswinkel 4


4.1 Bauweise einer Solararchitektur 4-5


5.1 Wärmequellen


5.1.1 Fenster 5


5.1.2 Solarkollektoren 5


5.1.2.1 Zusammenhang von Wirkungsgrad und Temperatur 6


5.1.3 andere Wärmequellen 6


5.1.3.1 Ölheizung 6


5.1.3.2 Holzheizung 6


6.1 Quellenangaben 7


7.1 Versicherung 7


1.1 Was ist Solararchitektur?


Solararchitektur ist eine Bauweise, bei welcher man auf die Klimabedingungen achtet und viel Energie der Sonneneinstrahlung verwendet wird. Weiter versucht man den Energiebedarf des Hauses durch energiesparende elektrische Geräte herunterzufahren. [1][9]


2.1 Was ist ein Passivhaus?


Ein Passivhaus ist ein Haus, bei dem die ganze Heizenergie von Abwärme und Sonnenbestrahlung benutzt wird. Weiter wird das Haus sehr gut gedämmt, wodurch man nicht so viel dazu heizen muss.

Meist wird noch ein Lüftungssystem eingebaut, wobei die „verbrauchte“ Raumluft die neue Raumluft anwärmt und somit nicht so viel Wärmeenergie zum Wärmen der neuen Luft gebraucht wird. Dazu verlegt man ein unterirdisches Rohr, durch welches die neue Luft in das Haus kommt, um die frische Luft im Winter durch die Erdwärme zu wärmen und im Sommer durch die Erde zu kühlen.

Daneben wird dann, zur weiteren Erwärmung, das Abluftrohr verlegt. Dies kann natürlich nur funktionieren, wenn auf das manuelle Lüften verzichtet wird. Somit wird die Wärmezuführung durch Öl, Holz,… fast nicht gebraucht. Damit auch der Stromverbrauch sinkt, werden sparsame Geräte genutzt.

Durch diese Methoden hat ein Passivhaus einen geringen Energiebedarf von ungefähr 30 kWh/m² jährlich. Damit das Passivhaus immer schön warm ist, ist man täglich auf 2,5 kWh Sonnenstrahlungsenergie angewiesen. Was in den Wintermonaten zu wenig Strahlung ankommt, muss mit Wärmepuffern gespeichert werden. [2][8]


3.1 Die Sonne


3.1.1 Einstrahlungsenergie


Die Sonnenenergie, welche auf der Erde als Strahlen ankommt, beträgt jährlich 1,5 x 1018 Kilo-Watt-Stunden. Im Gegensatz dazu hat die gesamte Menschheit 2006 „nur“ 1,0 x 1014 Kilo-Watt-Stunden verbraucht.

Würde man einen Bruchteil der Sonnenstrahlungsenergie, die auf der Erde auftrifft, umwandeln, könnte man die ganze Welt mit emissionsfreier Energie versorgen und bräuchte nicht mehr auf Atomkraftwerke oder Öl zurückzugreifen. Im Januar kann man täglich, an wolkenlosen Tagen, auf einer Fläche von 10 m² 1,9 kWh erwarten.

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Im Vergleich dazu kann man im Durchschnitt im Januar täglich auf 10 m² nur 0,9 kWh erwarten. Somit ist die Sonnenkraft im Januar an wolkenfreien Tagen ca. 2-mal so groß wie im Durchschnitt. Am meisten Sonnenenergie kann man im Juni erwarten mit 10 kWh/10 m² an wolkenfreien Tagen.

Im Durchschnitt kann man dort 6 kWh/10 m² erwarten. Am wenigsten Sonnenenergie kann man im Dezember erwarten, an wolkenlosen Tagen nur 1,25 kWh/10m², im Durchschnitt kommen sogar nur 0,8 kWh auf 10 m² an. [3]

3.1.2 Einstrahlungswinkel


Der Einstrahlungswinkel der Sonne variiert durch die Drehung der Erde um die Sonne und durch die geneigte Drehachse der Erde immer im Jahresrhythmus. Am 21.12. des Jahres steht die Sonne am tiefsten, nämlich nur 18,4° über dem Horizont.

Am 21.1. des Jahres steht sie dann schon bei 21,97°. Am höchsten steht sie dann am 21.6., nämlich bei 65,27°, wobei sie danach wieder immer tiefer steht. Der Höchststand kann immer um halb eins (Winterzeit) gemessen werden. Diese Werte beziehen sich auf die Stadt Rottweil. [6]


4.1 Bauweise einer Solararchitektur


Wenn man solararchitektonisch bauen will, sollte man darauf achten, dass man große Fenster auf der Südseite und kleine Fenster auf der Nordseite anbringt. Durch die Sonneneinstrahlung auf die Fenster im Süden wird das Haus dann geheizt.

Damit im Sommer aber die Räume nicht zu warm werden, hat man mehrere Möglichkeiten. Einerseits kann man durch einen Balkon über den Fenstern den steilen Einfallswinkel der Sonne ausschließen, welcher im Sommer auftritt. Somit kann man erreichen, dass nur im Winter die Sonnenstrahlen direkt auf das Fenster treffen und somit den Raum erwärmen.

Als zweites kann man eine Markise oberhalb der Fenster anbringen, um die Sonne nicht direkt auf die Fenster brennen zu lassen. Auch Vorhänge haben den Effekt, dass die Sonnenstrahlen nicht mit ganzer Kraft den Raum erwärmen. Vorhänge und Markisen haben den Vorteil im Gegensatz zum Balkon, dass man ganz nach Belieben die Sonnenstrahlen aus den Räumen halten kann.

Eine weitere Möglichkeit um nur die Wintersonne mit ganzer Kraft wirken zu lassen sind spezielle Fenster, die mit Hilfe von Prismen die Sonnenstrahlen ab einem bestimmten Winkel nach draußen verbannen. Darauf werde ich aber nachher noch genauer bei den Fenstern eingehen.

Es gibt sogar Systeme, bei denen im Fußboden durch Sonnenstrahlen Luft erwärmt wird und diese in der Nacht der Raumluft zugeführt wird und man sozusagen im Fußboden einen Wärmespeicher hat.


Damit diese Methoden auch einen lohnenden Effekt erzielen, wird das Haus noch gut gedämmt, damit die Wände nicht die ganze Wärmeenergie wieder an die Umwelt abgeben. Wie auch beim Passivhaus wird eine kontrollierte Raumlüftung empfohlen. [1][9]


5.1 Wärmequellen


5.1.1 Fenster


Einerseits kann man schon einfache Fenster als Wärmequelle einsetzen, andererseits gibt es natürlich auch spezielle Fenster. Einfache Fenster lassen die Sonnenstrahlen durch, die sich dann, wenn sie auf ein Objekt auftreffen, in Wärmeenergie verändern, welche aber nicht mehr so leicht durch die Fenster nach außen kann.

Natürlich gibt es durch die Fenster Verluste an Wärmeenergie, weshalb man auf der Nordseite eines Hauses nur kleine Fenster anbringen sollte, aber auf der Südseite wird durch die großen Fenster mehr Wärmeenergie gewonnen als verloren geht.

Weiter kann dieses Spezialglas am Tag Wärme speichern, die es in der Nacht wieder der Umgebung abgibt. [5]


5.1.2 Sonnenkollektoren


Sonnenkollektoren sind Platten, die mit Hilfe der Sonnenstrahlen Wärme produzieren. In einem Sonnenkollektor wird ein Wärmeträger erhitzt. Diese Flüssigkeit kann Wasser, Natrium oder Isobutan sein und sie transportiert die Wärme durch isolierte Leitungen ins Haus.

Dort wird mit Hilfe des Trägers entweder direkt das Wasser erwärmt oder man speichert die Wärmeenergie innerhalb eines Puffers. Dieser kann je nach Größe die Wärmeenergie nur kurze Zeit als auch sehr lange Zeit speichern. Es gibt zwei Arten von Sonnenkollektoren. Flachkollektoren sind, wie der Name schon sagt, flach und sind weiter verbreitet als die zweite Art, die konzentrierenden Kollektoren.

Der Wirkungsgrad eines Sonnenkollektors beträgt zwischen 60 und 75 %, das bedeutet, dass man 75 % der hingeführten Energie verwenden kann und nur 25 % „verloren“ gehen. [4][9]

5.1.2.1 Zusammenhang von Wirkungsgrad und Temperatur


Es gibt beim Wirkungsgrad und der Temperaturdifferenz zwischen dem Sonnenkollektor und der Umgebung einen Zusammenhang. Die Temperatur des Sonnenkollektors entspricht der Temperatur, die man im Endeffekt herausbekommen will.

Also wenn man Brauchwasser von 60°C benötigt und es draußen nur 20°C hat, dann hat man einen Unterschied von 40°C. Die folgenden Zahlen beruhen auf einem 800 W/m² Kollektor mit einem Wirkungsgrad von 80 % bei 0°C Temperaturunter-schied. Bei 10°C Unterschied hat er nur noch einen Wirkungsgrad von 73 % und bei 40°C Temperaturunterschied beträgt der Wirkungsgrad nur noch 57 %. Wenn man bei 20°C Umgebungstemperatur kochendes Wasser bekommen möchte, beträgt der Wirkungsgrad gerade mal 31 %. Also hat man einen Vorteil, wenn man eine geringere Wassertemperatur benötigt und in einem warmen Gebiet wohnt. [7]



Damit man das Haus warm hält, muss man gerade im Winter noch Alternativen zur Sonnenenergie haben. Beispielweise kann man noch eine Öl- oder eine Holzheizung ins Haus einbauen.


5.1.3.1 Ölheizung


Bei einer Ölheizung hat man den Vorteil, dass die Ölheizung mit sehr wenig Bedienung auskommt. Aber man hat den Nachteil, dass man recht viel CO2 produziert. Bei einer Ölheizung wird das Öl, welches man in einem Tank im Haus lagert, in der Heizung verbrannt, was Wärmeenergie zum Heizen des Wassers und der Räume freisetzt.


5.1.3.2 Holzheizung


Bei Holzheizungen gibt es viele verschiedene Möglichkeiten. Zum Einen die Pellets-heizung, bei welcher kleine Holzpressstücke mit Hilfe eines Leitungssystems aus dem Lagerraum in die Heizung transportiert und dann verbrannt werden.

Als dritte Möglichkeit kann man einen Scheitholzofen im Keller des Hauses installieren, der manuell mit Holzscheiten befüllt wird und dann Brauchwasser sowie Wasser für ein Heizkörpersystem erwärmt, das dann im ganzen Haus verwendet werden kann.


6.1 Quellenangaben


1. :

2. :

3. :

4. :

5. :

6. :

7. :


8. : GEO Themenlexikon Band 7 Naturwissenschaften und Technik Begriffe, Methoden, Zusammenhänge H-Pg Verlag: GEO, Gruner + Jahr AG & Co KG Seite 848

9. : GEO Themenlexikon Band 8 Naturwissenschaften und Technik Begriffe, Methoden, Zusammenhänge Ph-Z Verlag: GEO, Gruner + Jahr AG & Co KG Seite 1121, 1122


7.1 Versicherung:


Ich versichere, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig und nur unter Heranziehung der angegebenen Hilfsmittel verfasst habe. Es ist mir bekannt, dass eine Zuwiderhandlung als Betrug gewertet wird.



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