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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft ein mit Solarenergie beheizbares Gebäude, mit
mindestens einem Wärmespeicher, mit einer Wärmeisolation und Solarenergiekollektoren.
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Prinzipiell ist jedes oberirdische Gebäude mit Solarenergie beheizt,
insbesondere ein mit Fenstern versehenes Gebäude, da sowohl die Gebäudeoberfläche
wie auch die Fenster Solarenergie aufnehmen. Ein Gebäude mit viel Fensterfläche
weist mehr Wärmeverluste als Wärmegewinne auf.
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Alle bisher bekannten mit Solarenergie heizbaren Gebäude weisen jedoch
höhere Gesamtgestehungskosten als solche mit konventioneller Heizung auf.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derart verbessertes,
mit Solarenergie beheizbares Gebäude zu schaffen, bei dem sowohl die Gebäude-Gestehungskosten
wie auch die Heizungsbetriebskosten gesenkt werden können.
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Das wird dadurch erreicht, daß bei dem mit Solarenergie beheizbaren
Gebäude die durchschnittliche Wärmeisolation des Gebäudes einen Wärmedurchgangswert
unter 0,35 W/0C/h/cm2 Wand- oder Dachfläche aufweist und daß die Solarkollektorfläche
größer als die halbe Grundfläche des Gebäude ist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die durchschnittliche Wärmeisolation einen
Durchgangswert unter 0,23 W/OC/m2/h /h aufweist.
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Es ist günstig, wenn die Gebäude-Außenwände und das Dach Uberwiegend
folgenden Aufbau aufweisen: Außenhaut aus Profilblechen, Tragkonstruktion, Polystyrolschaum-
Granulat
in aus Kunststoff bestehenden Säcken, Dampfsperre, Innenverkleidung.
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Es ist förderlich, wenn die Gebäude-Außenwände und das Dach überwiegend
folgenden Aufbau aufweisen: Außenhaut aus Profilblechen, Tragkonstruktion, Isolierschlacke,
Dampfsperre, Innenverkleidung.
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Es ist förderlich, wenn die Gebäude-Außenwände und das Dach überwiegend
folgenden Aufbau aufweisen: Außenhaut aus Blech, Tragkonstruktion, Biologisches
Wärmeisolier-Material, Dampfsperre, Innenverkleidung.
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Zweckmäßigerweise ist die Bauart des Gebäudes so gestaltet, daß es
mehrgeschoßig ausgebildet ist, wobei das unterste Geschoß unwesentlich in den Baugrund
hinunterragt und dieses Geschoß eine größere Grundfläche als ein oberes Geschoß
aufweist.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Gebäudeaußenwände und das Dach durch
tragende Holzständer bzw. Sparren und auf diesen befestigte Querlatten bzw. Pfetten
gebildet sind.
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Es ist günstig, wenn mindestens ein Teil der Fenster zusätzlich mittels
wärmereflektierenden Folien und mit wärmeisolierenden Fensterladen versehen ist.
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Es ist förderlich, wenn eine Ersatzheizung vorhanden ist in Form eines
Badeofens mit Heißwasserkessel, welcher an das Heizungsnetz angeschlossen ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
dargestellt.
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Es zeigen:
Fig. 1 den Grundriß des Obergeschoßes,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß Figur 1, Fig. 3 einen Schnitt nach
der Linie III-III gemäß Figur 1, Fig. 4 einen Schnitt durch die Außenwand nach der
Linie IV-V gemäß Figur 1, Fig. 5 einen waagerechten Schnitt durch die Außenwand
nach der Linie V-V gemäß Figur 4, Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI gemäß
Figur 1 durch die Wand, Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII gemäß Figur
2 durch das Dach, Fig. 8 eine perspektivische Skizze eines weiteren Ausführungsbeispieles
des mit Solarenergie Heizbaren Gebäudes.
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Es ist bekannt, daß die Globalstrahlung derSonne in Süddeutschland
auf einer zur Strahlung senkrechten Fläche beträgt: am 1. Mai 12,oo Uhr 1080 W/m²,
am 21. Dez. 12,oo Uhr 930 W/m2.
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Daraus folgt, daß die Globalstrahlung mit ungefähr 1000 W/m2 im Maximum
zur Verfügung steht. Daraus folgt weiter, daß man Solarkollektoren noch so hoch
in der Leistung entwickeln kann, jedoch nicht mehr als die vorhandene Strahlungsenergie
gewinnen kann. Somit liegt die optimale Nutzung der Solarstrahlung
in
großflächigenSolarkol lektoren.
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Großflächige Kollektoren, das heißt solche, welche das ganze Dach
und'in ganze Fassade nach Slden bedecken, widersprechen jedoch dem Wunsch nach dem
Vorhandensein von nach Süden gerichteten Fenster. Es ist auch nicht optimal, Solarkollektorcn
außerhalb des Gebäudes anzuordnen, da es kostengünstig ist, diese im Dach oder in
der Fassade zu integrieren.
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Das nachstehend beschriebene Beispiel zeigt einen annehmbaren Kompromiss
zwischen diesen Anforderungen. In Fig. 1 ist ein Grundriß eines mittelgroßen Einfamilienhauses
dargestellt mit einem Wohnraum 1, einer Küche 2, einem Solartun 3, Schlafräumen
4 und 5, einem Schwimmbad 6, einer Terrasse 7 und mit Solarkollektoren 8, 9. Es
ist ersichtlich, daß genügend Fensterfläche nach Süden vorhanden ist. Mit dem Ausdruck
Solarium ist ein Mehrzweckraum mit Glasfassade und transparentem Dach bezeichnet.
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Figur 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II gemäß Figur 1, mit
einem Untergeschoß 10 und Obergeschoßen 11 und 12.
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Bei 13 ist die Oberfläche des gewachsenen Baugrundes angedeutet. Die
Südseite 14 des Daches ist auf ihrer gesamten Fläche als atarkollektor ausgebildet.
Ebenso kann die Nordseite 15 als Kollektor ausgebildet sein, wenn sie als Wärmeaustauscher
mittels einer Wärmepumpe genutzt wird. Bei 8, 9 sind die Solarkollektoren des Untergeschoßes
10 ersichtlicht.
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Figur 3 zeigt einen Schnitt nach der Linie 111-1 II gemäß Figur 1,
mit im Untergeschoß eingebautem Schwimmbad 6, dem Solarkollektor 8 und den Obergeschoßen
11 und 12.
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Aus Figur 2 und 3 ist ersichtlich, daß durch das Weglassen eines Kellergeschoßes
erhebliche Mittel gespart werden können. Der Aushub ist hierbei nur gering und die
Erstellung der Fundamente ist dabei kostengünstig. Da im Baugrund unter dem Gebäude
ein Wärmespeicher vorgesehen ist, welcher den vorhandenen Baugrund als Speichermaterial
nutzt, kann dieser nicht gefrieren. Deshalb entfallen Funamentmauern, welche sonst
bis in die frostfreie Tiefe reichen müssen. Die Betriebskosten können niedrig gehalten
werden, wenn das Gebäude sehr gut wärmeisoliert ist. Dadurch können nicht nur die
Betriebskosten, sondern ebenso die Erstellungskosten undder Kapitaldienst für die
Heizanlage gesenkt werden.
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Bis 1974, als Heizöl billig war und der Umweltschutz nicht beachtet
wurde, wurde ein k-Wert von 1 keal/°C/h/m² Außenmauer oder Dach als optimal betrachtet.
Ein k-Wert von etwa 0,1 kcal würde begrüßt, wenn die Isolationskosten dem nicht
entgegenstehen würden. Anhand von Figur 4 und 5 wird erläutert, wie erfindungsgemäß
ohne Kostensteigerung, evtl. sogar billiger als bisher, ein k-Wert von 0,1 erreicht
werden kann. Mit 16 ist die Wand des Untergeschoßes dargestellt, welche aus Isoliermaterial
wie Gasbeton oder Beton besteht, der Polystyrolgranulat enthält. Darüber ist eine
Platte 17 der Terrasse 7 angeordnet. Diese besteht aus armiertem Isolierbeton mit
Polystyrolgranulat. Die Wände des Obergeschoßes sind in Ständerbauweise erstellt.
Die Ständer 19, bestehen beispielsweise aus 12/20 cm Holzbalken, die auf einem Riemen
18 aus Gasbetonblöcken stehen. Auf die Ständer 19 sind seitlich Querlatten 20 und
21 geschraubt. Diese können einen Querschnitt von 6/10 aufweisen. Die Schrauben
23 müssen korrosionsfest sein. Die Außenhaut 25 besteht aus Blechprofilen, welche
mit rostfreien Schrauben auf die Querlatten 21 geschraubt sind. Die Querlatten sind
in gegenseitigen Abständen von 70 bis 80 cm angeordnet, die Ständer 19 in solchen
von 1 m bis 1,2 m. An den Ständern 19 sind Deckenbalken 26 befestigt. Auf die Querlatten
20 ist eine Innenverkleidung 27, hier ein Holztäfer aufgenagelt. Die Querlatten
20
können mit Vorteil etwas enger angeordnet sein, z.B. mit gegenseitigen Abständen
von 50 bis 70 cm.Zwischen der Außenhaut 25 und der Innenverkleidung 27 besteht ein
Zwischenraum von etwa 40 cm. Dieser wird beim Anbringen der Verkleidungen laufend
mit aus Kunststoff bestehenden Säcken 32, welche mit Polystyrolgranulat gefüllt
sind, vollgestopft. Die aus Kunststoff bestehenden Säcke 32 sind jedoch nicht prall
gefüllt, sondern nur zu 2/3, wodurch sie etwas schlaff sind. Derart ist der Zwischenraum
leicht, schnell und nahezu vollständig ausfüllbar. Es ist dabei darauf zu achten,
daß die Ständer 19 tlnd die Querlatten 20, 21 nicht vollständig umhüllt werden.
DIL Zw;-schcnräume 28, 29, 30, 31 zwischen den Säcken 32 und dem Holz dienen der
Luftzirkulation (Fig. 6). Die Luftzirkulation ist so gering, daß sie die Wärmeisolation
der Wand nicht beeinträchtigt, jedoch ausreichend,um das Holz atmen zu lassen. Die
Säche 32 bilden eine geschlossene Isolierwand und sind gleichzeitig eine Dampf sperre.
Gegebenenfalls kann bei 32' (Fig. 5) eine zusätzliche Dampfsperre angeordnet werden,
z.B. eine Kunststoff-Folie oder eine Dachpappe. Figur 5 und 6 zeigen einen Schnitt
durch die aus mit Kunststoffgranulat gefüllten Säcken 32 gebildete Wärmeisolation
der Wand.
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Es ist vorteilhaft, das Polystyrolgranulat gleich beim Lieferanten
in Kunststoffsäcke auf die vorgeschriebene Weise abfüllen zu lassen. Es giht verschiedene
zweckmäßige Kunststoffe für die Säcke, z.B. Polyester.
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Der aus Gasbeton-Blöcken bestehende Riemen 18 verhindert ein Eindringen
von Wasser in das Gebäude.
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Analog dem in Figur 5 dargestellten Schnitt durch die Außenwand ist
der Schnitt(VII-VII in Figur 2) durch das Dach gebildet, der in Figur 7 dargestellt
ist. Die Sparren 33
tragen die Pfetten 34 und 35. Auf die Pfetten
34 ist der Solarkollektor 36 aufgeschraubt, welcher wie ein Doppeldach wirkt. Auf
die Pfetten 35 ist die Innenverkleidung 37, z.B. Täfer, genagelt. Wie bei Fig. 6
dienen die Zwischenräume 38, 39 sowie die Kanäle 40 der Luftzirkulation für die
Belüftung des Holzes.
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Für die Außenhaut 25 (Fig. 4) stehen z.B. folgende Materialien zur
Verfügung: Stahlblech-Profile, verzinkt und mit Einbrennlack versehen, Aluminium-Profile,
mit Einbrennlack versehen, Asbest-Zement-Profile oder lfache Platten, Glasfaserverstärkte
Polyester-Profile und andere Kunststoffe.
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Alle diese Materialien stehen dem Architekten in reicher Auswahl zur
Gestaltung zu, mit verschiedenen Farben, Profilen und Texturen bis hin zu Ziegel-
und Holz-Imitationen.
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Diese Materialien können auch für die Innenverkleidung dienen, wobei
hier auch Holztäfer, Spannplatten und Gipsplatten sinnvoll sind. Die beiden letzteren
können auch tapeziert werden.
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Als kostengünstiges Wärmeisoliermaterial wird ferner Schaumglas-Granulat,
leichte Kohlenschlacke, imprägniertes Stroh, Holzspäne, Heu, Papier vorgeschlagen.
Ein preisgünstiges Imprägniermaterial ist Natron-Wasserglas, welches nach dem Erhärten
wasserfest und schädlingssicher wird.
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Die genannten Wärmeisoliermaterialien können lose oder in Säcken abgefüllt
in die Wand eingebracht werden. In diesem Fall müssen die Regeln der Holzbelüftung
beachtet werden.
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Gewiß ist die Schallisolation sicher leichter Wärmeisolationsmaterialien
nicht optimal. Bei Wandstärken von 30 bis 40 cm und mehr ist sie jedoch in Wohnzonen
genügend. Weit wichtiger wäre der Schdlschutz bei Fenstern.
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Wie aus Figur 2 und 3 erwichtlich ist, kann im Untergeschoß die Wärmelsolation
42 auf die vorgeschlagene Weise durchschnittlich 1 m dick sein.
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Insbesondere im Untergeschoß ist eine Innenverkleidung 41 (Fig. 5)
aus Stahl- oder Aluminiumblechen vorteilhaft, welche hinterschnittene Rippen aufweisen.
Solche gerollte Blechprofile sind im Handel kostengünstig verfügbar. Diese Rippen
erlauben mittels besonderen Muttern eine Befestigung von Gestellen, Möbeln oder
mobilen Wänden. Diese fertig beschichtet käuflichen Bleche sind gleichzeitig eine
Dampfsperre.
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Es ist naheliegend bei einem gut isoliertem Haus auch die Isolation
der Fenster zu verbessern, da hier die größte Wärmemenge entweicht. Dem steht jedoch
der Preis von dreifachverglasten Fenstern entgegen. Vierfach verglaste Fenster finden
aus diesem Grund noch weniger Anwendung. Außerdem ist das Dichtungs- und Reinigungsproblem
von 3- bis 4-fach verglasten Fenstern noch nicht befriedigend gelöst.
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Es wird deshalb vorgeschlagen, 2- oder 3-fachverglaste Fenster mit
einer zusätzlichen Reflexfolie zu verwenden unter Betrachtung der folgenden Wärmedurchgangswerte:
2-fach Glas : k = 3,28 W/°C/m2/h (2,83 kcal) 2-fach Glas mit Reflexfolie: k = 1,6
" (1,38 3-fach Glas mit Reflexfolie: k = 1,16 " (1,0 n Diese Werte sind ungefähre
Werte. Sie sind von der Fensterkonstruktion abhängig. Mit Reflexfolien ist eine
Vorrichtung bezeichnet, welche eine Folie aufweist mit aufgedampfter Spiegelnder
Metallschicht, aufrollbar auf einen Rollo, und seitlich geführt in Leisten. Solche
Reflexfolien sind auf dem Markt erhältlich.
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Eine weitere Senkung der Wärmeverluste ist möglich durch Verwendung
von wärmeisolierenden Fensterladen. Vorteilhaft sind solche aus Polystyrol- oder
Polyurethan-Schaum mit beidseitiger Beschichtung mit Aluminiumblech. Die 40 mm starke
Wärmeisolation weist einen k-Wert von ca.
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0,9 W/°C/m²/h auf. Solche formsteifen Schichtplatten sind ebenso vorteilhaft
für Garagentore.
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Betrachtung des Verhältnisses Wohnfläche/Kollektorfläche: Heizbarer
Wohnraum ohne Solarium (192m³) 80 m² mit mit ausgebautem Dach 114 m2 -"- mit " -"-
144 m² Kollektorfläche Unterschoß 70 m Dachkollektoren 107 m2 2 177 m 2 Einer Wohnfläche
von 80 bis 144 m stehen also eine Kollektorenfläche von 107 m2 gegenpber. Das ist
ein sehr günstiges Verhältnis.
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Bei Sonnenschein genügt etwa die Solarenergie,welche durch die Fenster
dringt, um die Räume zu heizen, weil die Wäreisolation sehr gut ist. Die anfallende
Energie der Kollektoren kann praktisch gänzlich in den Speicher gehen.
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Mit Vorteil wird ein Wärmespeicher nach Patentanmeldung Nr.
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3725/77 verwendet. Dieser speichert Wärme im Baugrund unter dem Gebäude.
Im vorliegenden Erfindungsbeispiel könnte der Speicher etwa 7000 kWh speichern,
bei einer Annahme von 840 m² Erde und 20° Temperaturerhöhung.
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Nimmt man für das Haus eine maximale Heizleistung von unter 6 kW an,
so dürfte dieses in Folien Gegenden gänzlich mit Solarenergie heizbar sein. Dies
ist bisher schon erreicht worden, jedoch unwirtschaftlich, d.h. die Investitionskosten
waren noch zu hoch.
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Vergleich der Investitionskosten: Zweischalenmauerwerk, konventionell
Rohbaustein, geschält, silikonisiert, 12 cm DM 85,-Polystyrol-Wärmeisolation 2 cm
stark 6,-Backstein 12 cm 43,80 Zweischalenmauerwerk, k-Wert ca.
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1,16 W/OC/m2/h 2 DM 134,80 /h m DM pwm Bei einer Wandkonstruktion
gemäß dem erfindungsgemäßen Beispiel ergeben sich etwa 20 % niedrigere Baukosten
je qm bei einem etwa 10 x geringeren k-Wert und zwar bei folgender Bauweise: Konstruktionsholz,
Tanne DM 35,-Außenhaut Aluminiumblech, gerollt, mit Einbrennlack beschichtet, verlegt
24,-Wärmeisolation Polystyrol-Granulat in Säcken , 40 cm 21,-Innenverkleidung Holztäfer
40,-2 Wandkonstruktion pro m ,k-Wert ca. 0,116 W 110,-- DM Wandkonstruktion für
Untergeschoß -wie oben, jedoch Innenverkleidung mit HOLORIB-Blechen, statt Holztäfer,
beschichtet mit Einbrennlack DM 97,-/m2 Die vorgeschlagenen Wandkonstruktionen sind
also noch etwa 10 % billiger als bekannte, obwohl sie etwa 10 mal besser isolieren.
Die Dachkosten entsprechen, ebenfalls mit mehrfach verbesserter Wärmeisolation,
den bekannten Konstruktionen. Die gesamte Solarheizung kommt billiger zu stehen
als eine konventionelle öl-Zentralheizung.
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Als Ersatzheizung dient ein ölbeheizter Badeofen mit Schalenbrenner
und Heißwasserkessel. Die bekannte Marke WALMU plus 2000 leistet bis 11,6 kW und
kann damit den Wärmebedarf von
höchstens 6 kW des vorgeschlagenen
Hauses leicht decken.
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Dieses Badeofen-Modell kostet ca. Fr. 600,-- installiert ca. Fr. 1000,-.
Es kann gleichzeitig für die Warmwasserbereitung wie für die Raumheizung eingesetzt
werden.
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Ebenso kann ein gasbeheizter Badeofen verwendet werden, wobei mehrere
zweckmäßige Modell im Handel erhältlich sind.
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Figur 8 zeigt in einer perspektivischen Skizze ein weiteres Erfindungsbeispiel
mit einer Südfront 51 mit Fenstern und Glastüren. Sowohl die Dachfläche 52 im Osten
wie auch die Dachfläche 53 nach Westen ist gänzlich mit Solarkollektoren eingedeckt.
Das Untergeschoß weist eine Terrasse 54 auf mit Solarkollektoren 55, 56, 57 und
Fenstern 58, 59, 60.
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An der Stelle von Fenstern könnten auch teilweise Glastüren vorgesehen
sein. Das Untergeschoß kann vielseitig benutzt werden. Es können Werkräume, eine
Garage oder Wohnräume eingebaut sein.