DE4241460A1 - Energiesparhaus, bei dem die Wärmeverluste von innen nach außen durch die Unterbrechung der Wärmestrahlung insbesondere im Dachbereich vermieden werden - Google Patents

Energiesparhaus, bei dem die Wärmeverluste von innen nach außen durch die Unterbrechung der Wärmestrahlung insbesondere im Dachbereich vermieden werden

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Description

Die absehbare Verknappung vorhandener Energieressourcen und auch die mit zunehmen­ der Bevölkerungsdichte zunehmende Luftverschmutzung durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, zwingt zu immer besseren Maßnahmen bei der Wärmeisolation von Häusern.
Es wird ein erheblicher und sicherlich auch berechtigter Aufwand getrieben, neue Wärme­ dämmstoffe mit immer besseren Isolationseigenschaften zu entwickeln und zum Einsatz zu bringen.
Eine Schwachstelle des Hauses bezüglich der Wärmeisolation soll hier hervorgehoben werden, die Fenster. Da sich hier die Wärmeleitwerte nicht unendlich herunterschrauben lassen, wurden erstmalig neue Prinzipien eingesetzt.
Durch eine metallische Bedampfung wurden die Fenster weitgehend zur Strahlungssperre für Infrarotstrahlung. Ursprünglich war bei diesem Effekt daran gedacht, zu starke Sonnen­ einstrahlung in Büroräume zu verhindern. Bald fand man heraus, daß die Metallbedamp­ fung, ist sie innen auf der Fensterscheibe, die im Raum emittierte Wärme zurückreflektiert.
Dieser, in unserer Klimazone sicher wünschenswerte Effekt, ist jedoch durch den Wir­ kungsgrad der Metallbedampfung begrenzt. Mit zunehmender Dichte der Metallbedamp­ fung wird zwar der thermische Wirkungsgrad besser, die optische Transparenz wird jedoch in gleichem Maße unakzeptabel.
Nachteilig ist auch die geschlossene, metallische Bedampfung, die bezogen auf die Nut­ zung des Effektes, das damit ausgerüstete Haus aufgrund der hohen elektrischen Leitfähig­ keit der Metallbedampfung zu einem Faradayschen Käfig machen würde, der zudem noch dampfundurchlässig ist und damit die Raumfeuchtigkeit nicht durch die Wände nach außen diffundieren kann.
Die vorliegende Erfindung macht es sich zur Aufgabe, daß in Ansätzen, wie z. B. bei Fen­ stern mit Metallbedampfung vorhandene Prinzip der Strahlungssperre, generell für das ganze Haus zu nutzen.
Insbesondere über das Dach eines Hauses geht aufgrund des großen Temperaturgefälles zum Himmel Wärmeenergie verloren.
Dabei spielt auch die Dachneigung eine gewisse Rolle. Je größer die Dachneigung, umso größer ist auch die Dachfläche, die aufgrund des vorhandenen Temperaturgefälles zum Himmel, Wärme abstrahlen kann.
Als Beispiel sei hier ein Haus mit einer Grundfläche von 8 × 10 = 80 m2 genannt. Bei einer Dachneigung von 30 Grad beträgt die unterbaute und damit wärmeabstrahlende Dachfläche statt 80 schon 92 m2. Bei einer Dachneigung von 40 Grad wäre die abstrahlende Fläche be­ reits 104 m2.
Die große Fläche und vor allem das große Temperaturgefälle zum Himmel, dessen Tem­ peratur im Wellenlängenbereich 8-14 µm je nach Klarheit der Luft bei -60 Grad Celsius liegt, lassen erkennen, wie wichtig es ist, gerade in diesem Bereich des Hauses den Wär­ mefluß nach außen zu unterbrechen.
Auch die besten Isoliermaterialien haben einen, wenn auch kleinen, Wärmeleitwert und werden, sofern sie nicht mit einer im thermischen Infrarotbereich niedrig emittierenden Schicht ausgerüstet ist, die keinen Kontakt zur nächsten Folgeschicht nach außen hat, einen Teil der Innenwärme nach einer gewissen Zeit nach außen abstrahlen.
Gegenstand der Erfindung
Gegenstand der Erfindung ist die Unterbrechung der Wärmeverluste eines Hauses über die abgestrahlte Wärme im Wellenlängenbereich des thermischen Infrarot, insbesondere im Bereich der atmosphärischen Fenster bei 3-5 µm und 8-14 µm, in denen die Atmo­ sphäre für Wärmestrahlung weitgehend transparent ist.
Bei klarem Himmel, sei es im Winter oder im Sommer, liegt die Strahlungstemperatur des Himmels je nach Luftfeuchtigkeit und Luftverschmutzung bei -50 bis -60 Grad Celsius. Das bedeutet bei einer Dachtemperatur eines Hauses im Winter von 0 Grad Celsius, ein Tem­ peraturgefälle von 50 bis 60 Kelvin.
Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, die bei diesem Temperaturgefälle starke Wärme­ abstrahlung des Hauses mit einer oder mehreren Strahlungssperren zu unterbrechen.
Erreicht wird dies erfindungsgemäß durch den Einsatz von Schichten, die im Bereich des thermischen Infrarot niedrig emittierend mit einem Emissionsgrad <60% bzw. reflektierend mit einem Reflexionsgrad < 40% ausgelegt sind.
Überraschenderweise hat sich dabei gezeigt, daß der Einsatz dieser Schichten gerade im Dachbereich eines Hauses zu drastischen Energieeinsparungen führt. Ferner hat sich über­ raschenderweise gezeigt, daß die metallischen Schichten nicht aus einer einzigen Metall­ schicht, die nachteiligerweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat und dampfundurch­ lässig ist, bestehen müssen, sondern daß sie auch aus nebeneinander liegenden, kleinen metallischen Plättchen bestehen können, deren Lineardimensionen nur groß gegen die zu reflektierende Wellenlänge sein müssen.
Zweckmäßigerweise werden diese Metallplättchen in eine infrarottransparente Folie oder in eine infrarottransparente Farbe eingebunden.
Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Energiesparhaus als eine schematisierte Darstel­ lung, die aber alle wichtigen Merkmale enthält, die zur Erfindung beitragen.
Dabei ist (1) das Dach mit einer oder mehreren Strahlungssperren, (2) und (3) die Außen­ wände, bzw. die Wand oder Decke zum Dach, die innen und außen mit einer niedrig emit­ tierenden bzw. < 40% reflektierenden Schicht (5) versehen sind und (4) ist eine Innenwand, die im sichtbaren Bereich absorptiv eingefärbt ist und damit die durch das Fenster ein­ fallende Lichtstrahlung absorbieren kann und im thermischen Infrarotbereich aufgrund ei­ nes niedrigen Emissionsgrades nur langsam abgeben kann.
Fig. 2 zeigt eine Detailansicht einer Außenwand (2) mit einer inneren und äußeren niedrig emittierenden Schicht (5).
Fig. 3 zeigt den Dachaufbau (1) mit einer ersten, niedrig emittierenden Schicht (6), die als Farbe mit 10 bis 70% Metallplättchen gefüllt, auf die vorhandene Teerpappe aufgetra­ gen ist und eine zweite, niedrig emittierende Schicht (7), die über die Konterlattung (10) des Daches (1) gespannt ist und durch die Querlattung (11) des Daches (1) befestigt ist, so daß sie außer den Berührungsstellen zu Konter- und Querlattung keine Berührungsstel­ len zu darunter- oder darüberliegenden Schichten des Dachaufbaues hat.
Ferner sind in Fig. 3 zwei Dachziegel (8) und (9) dargestellt, von denen der Dachziegel (8) mit einer bei der Herstellung eingebrannten Lasur, die im thermischen Infrarotbereich < 60% niedrig emittierend bzw. < 40% reflektierend eingestellt ist, beschichtet ist und der Dachziegel (9) wurde nachträglich mit einer niedrig emittierenden bzw. reflektierenden Farbe versehen.
Beispiele
Für die Versuchsanordnung wurden zwei Modellhäuser im Maßstab 1 : 20 aus Styropor ge­ baut. Beide Häuser haben den exakt gleichen Aufbau. Als Dach wurden für beide Häuser jeweils zwei gebrannte Tonplatten als Dachziegelsimulation eingesetzt. Die Dachneigung des Giebeldaches betrug 30 Grad. Als Wärmeisolierung zum Tondach wurden bei beiden Häusern wiederum Styroporplatten eingesetzt die keine direkte Berührung zur Tonplatte als Dach hatten.
In beide Häuser wurde eine elektrische Widerstandsheizung eingebaut, die beide über einen Thermostaten regelbar waren. Als Regelgröße wurde die Lufttemperatur in den Häu­ sern gemessen.
Die Häuser wurden auf einem Gestell in einer Position installiert, wo beide den exakt glei­ chen Wetterbedingungen ausgesetzt waren.
Zur Dokumentation der Versuchsbedingungen wurden beide Häuser innen mit Temperatur­ fühlern versehen, ferner wurden sämtliche wichtigen Wetterparameter während der Versu­ che von einem Rechner aufgezeichnet.
Die Schaltzyklen der temperaturgeregelten Heizung wurden ebenfalls vom Rechner aufge­ zeichnet.
Das Integral der Einschaltzeiten der jeweiligen Heizung bestimmte dabei das Maß an En­ ergieeinsparung des Energiesparhauses gegenüber dem Normalhaus.
Da die Vermessung und Bewertung der Strahlungsverluste der beiden Modellhäuser nur im Freien möglich ist - ein -60 Grad kalter Himmel ist unter kontrollierten Laborbedingungen vermutlich nicht, oder wenn ja, dann nur mit erheblichem Aufwand darstellbar - mußten wetterbedingte Schwankungen der Meßergebnisse in Kauf genommen werden.
Beispiel 1
Die Innen- und Außenwände des Energiesparhauses wurden mit einer niedrig emittieren­ den Farbe deren Emissionsgrad < 40% und somit der Reflexionsgrad < 60% war, gestri­ chen. Es handelte sich hier um eine wasserverdünnbare Farbe auf Silikatbasis, die für den Innenbereich mit Aluminiumplättchen deren maximale Lineardimension bei 20 µm lag, mit 20% gefüllt war. Für den Außenbereich wurden statt der Aluminiumplättchen Edelstahlplätt­ chen mit der gleichen Größe eingesetzt.
Ebenso wurde die als Wärmeisolation zum Dach dienende Styroporplatte mit dieser Farbe beidseitig gestrichen. Die als Dach dienende Tonplatte wurde ebenfalls beidseitig mit ei­ ner niedrig emittierenden Farbe eingestrichen. Das hier eingesetzte Bindemittel war ein herkömmlicher Bitumenbinder, der für den unterseitigen Anstrich mit 30% Aluminiumplätt­ chen der genannten Größe und für den dachoberseitigen Anstrich mit 30% Edelstahlplätt­ chen der genannten Größe, gefüllt war.
Die Außenwände des Normalhauses aus Styropor wurden lediglich mit einer Wetterschutz­ farbe versehen.
Die Innentemperatur beider Häuser wurde auf 20 Grad Celsius eingestellt. Die Einschalt­ zyklen der Heizungen wurden in Langzeitversuchen unter unterschiedlichen Wetterbedin­ gungen von einem Rechner registriert und ausgewertet. Die Energieeinsparung des Ener­ giesparhauses lag bei 20% gegenüber dem Normalhaus.
Beispiel 2
Der Aufbau der beiden Häuser war identisch mit Beispiel 1. Lediglich die Innenwände des Energiesparhauses waren statt des niedrig emittierenden Anstriches in einem ersten Ver­ such mit einer dampfdurchlässigen, aluminiumbedampften Folie versehen, deren Oberflä­ che mit einer infrarottransparenten Farbe weiß eingefärbt war. In einem zweiten Versuch wurde die Folie durch eine dampfdurchlässige, aluminiumbedampfte Papiertapete ersetzt. Beide Anordnungen wurden wiederum in Langzeitversuchen unter unterschiedlichen Wet­ terbedingungen vermessen.
Die Ergebnisse beider Versuchsreihen waren vergleichbar und lagen bei 21,5% Energie­ einsparung gegenüber dem Normalhaus.
Beispiel 3
Der Aufbau des Energiesparhauses war wiederum identisch mit dem in Beispiel 1 geschil­ derten Aufbau. Lediglich wurden anstelle der Innenanstriche die Innenwände mit einem Polyäthylenwirrvlies beklebt und zwischen die Dachplatte aus Ton und die als Wärmeisola­ tion zum Dach dienende Styroporplatte wurde eine Polyäthylenfolie gespannt, die mit 20% Aluminiumplättchen, deren maximale Lineardimension bei 20 µm lag, gefüllt war. Die Po­ lyäthylenfolie hatte außer an den Stellen wo sie eingespannt war, keinen Kontakt zur Dachplatte oder zur drunterliegenden Styroporplatte. Zur mechanischen Verfestigung hatte die Polyäthylenfolie ein Gitter aus Polyesterfasen mit einer Gitterkonstanten von ca. 10 mm.
Beide Anordnungen, also das Energiesparhaus und das Normalhaus, wurden wiederum in Langzeitversuchen unter unterschiedlichen Wetterbedingungen vermessen.
In der Versuchsperiode herrschten überwiegend Wetterbedingungen, die durch einen kla­ ren Himmel gekennzeichnet waren. Das heißt, das große Temperaturgefälle zwischen Haus und kaltem Himmel kam in dieser Periode voll zur Geltung. Die Energieeinsparung war dementsprechend groß und lag bei 26%.
Beispiel 4
In einer identischen Versuchsanordnung wie in Beispiel 3 beschrieben, wurde die zwischen Dachplatte und Styroporplatte eingespannte, metallgefüllte Polyäthylenfolie durch eine beidseitig mit Polyäthylen kaschierte Aluminiumfolie ersetzt und Langzeitversuchen unter verschiedenen Wetterbedingungen unterzogen. Die Energieeinsparung des Energiespar­ hauses gegenüber dem Normalhaus lag bei 21%, wobei das schlechtere Ergebnis eher auf das regnerische, überwiegend bewölkte Wetter zurückzuführen ist, als auf die unter­ schiedlichen Folien.
Beispiel 5
Der Grundaufbau dieses Versuches war identisch mit dem Aufbau aus Beispiel 1, lediglich die als Dach eingesetzten, niedrig emittierend eingefärbten Tonplatten, wurden gegen neue Tonplatten in die eine niedrig emittierende Lasur mit Edelstahlplättchen der genann­ ten Größenordnung eingebrannt war, ersetzt.
Das Ergebnis der Langzeitversuche war auch hier eine Energieeinsparung beim Ener­ giesparhaus, die im Bereich 21% lag.
Beispiel 6
In einem letzten Versuch wurden in beide Modellhäuser Fenster geschnitten, die mit nie­ tallverspiegeltem Glas verschlossen wurden. In die Häuser wurden ferner schwarz einge­ färbte Schamottesteinblöcke so eingesetzt, daß sie sich durch Sonneneinstrahlung aufhei­ zen konnten. Der Aufbau des Energiesparhauses war sonst identisch mit dem aus Beispiel 5. Der Schamottestein des Energiesparhauses war mit einer schwarzen Farbe, die im Be­ reich des thermischen Infrarot niedrig emittierend mit einem Emissionsgrad < 40% einge­ färbt.
Während der normal schwarz eingefärbte Schamottestein des Normalhauses schon tags­ über unter Sonneneinstrahlung die eingekoppelte Lichtenergie in Form von Wärme wieder abgab, so daß die Raumtemperatur des Normalhauses zu heiß wurde, gab der niedrig emittierend schwarz eingefärbte Schamottestein aufgrund seines niedrigen Emissionsver­ mögens die Wärme nur langsam ab, so daß ein großer Teil der eingekoppelten Lichtener­ gie auch noch in der Nacht abgegeben wurde.
Die Energieeinsparung des so ausgerüsteten Energiesparhauses lag bei den beiden Meß­ zyklen mit Sonneneinstrahlung und sternenklarer Nacht bei 31%.
Zusammenfassung
Energiesparhaus bei dem die Wärmeverluste von innen nach außen durch die Unterbre­ chung der Wärmestrahlung insbesondere auch im Dachbereich mit Schichten, die im Wel­ lenlängenbereich des thermischen Infrarot niedrig emittierend bzw. reflektierend ausgelegt sind, vermieden werden.

Claims (16)

1. Energiesparhaus, dadurch gekennzeichnet, daß das Dach (1), die Außenwände (2) und die Wände (3) zum Dach mit einer oder mehreren Infrarotstrahlungssperren versehen sind, die besonders im Bereich der atmosphärischen Fenster bei 3-5 µm und 8-14 µm durch niedrige Emission bzw. hohe Reflexion wirksam sind und die, die im Innenraum des Hauses emittierte Wärme zum überwiegenden Teil zurückreflektieren und den absorbierten Anteil an Strahlungswärme auf der anderen Wandseite aufgrund der niedrigen Emission nur zu einem geringen Teil abstrahlen können.
2. Energiesparhaus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (2) und (3) eine äußere Schicht (5) haben, deren Emissionsgrad im thermischen Infrarotbereich der atmosphärischen Fenster bei 3-5 µm und 8-14 µm < 60% ist bzw., deren Reflexionsgrad in diesen Wellenlängenbereichen < 40% ist.
3. Energiesparhaus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus einer dampfdurchlässigen Folie besteht, die auf von der Wand wegweisenden Seite, nie­ tallisch bedampft oder gesputtert ist und auf deren Metallschicht eine dampfdurchlässige, im thermischen Infrarotbereich transparente Farbe aufgetragen ist.
4. Energiesparhaus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus einer dampfdurchlässigen Papiertapete besteht, die auf von der Wand wegweisenden Seite, metallisch bedampft oder gesputtert ist und auf deren Metallschicht eine dampf­ durchlässige, im thermischen Infrarotbereich transparente Farbe aufgetragen ist.
5. Energiesparhaus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus einer im thermischen Infrarotbereich weitgehend transparenten, dampfdurchlässigen Farbe besteht, die mit Metallplättchen deren maximale Lineardimensionen < 10 µm sind zu 10 bis 70% bezogen auf das Volumen der getrockneten Farbschicht gefüllt ist.
6. Energiesparhaus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (5) aus einem dampfdurchlässigen Polyäthylen- oder Polypropylen-Wirrvlies besteht, die auch in­ frarottransparent eingefärbt sein kann.
7. Energiesparhaus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wirrvlies aus Polyäthylen oder Polypropylen durch thermische Nachbehandlung verfestigt sein kann.
8. Energiesparhaus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dach (1) eine Schicht (6) hat, die im thermischen Infrarotbereich, insbesondere in den Bereichen der at­ mosphärischen Fenster bei 3-5 µm und 8-14 µm, niedrigemittierend mit einem Emissi­ onsgrad <60% ausgelegt ist.
9. Energiesparhaus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Schicht (6) um eine weitgehend infrarottransparente Farbe, die mit 10 bis 70% Metallplätt­ chen mit einer maximalen Lineardimension von < 10 µm, bezogen auf das Trockenvolumen der Farbe, gefüllt ist und die auf die vorhandene Teerpappe aufgebracht ist, oder um eine mit Metallplättchen dieser Kategorie gefüllte Polyäthylen- oder Polypropylenfolie, oder um eine mit Polyäthylen kaschierte Aluminiumfolie handelt.
10. Energiesparhaus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dach (1) eine im Abstand zu Schicht (6) und im Abstand zu den Dachziegeln (8) und (9), vorzugsweise zwischen Konterlattung (10) und Querlattung (11) installierte Schicht (7) aufweißt, die im Bereich des thermischen Infrarot insbesondere in den Bereichen der atmosphärischen Fen­ ster bei 3-5 µm und 8-14 µm, niedrig emittierend, mit einem Emissionsgrad < 60%, bzw. reflektierend mit einem Reflexionsgrad < 40% ausgelegt ist.
11. Energiesparhaus nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Schicht (7) um eine weitgehend infrarottransparente Folie, die mit 10 bis 70% Metallplätt­ chen mit einer maximalen Lineardimension von < 10 µm, bezogen auf das Volumen der Folie, gefüllt ist, oder um eine Aluminiumfolie handelt, die mit einer weitgehend infra­ rottransparenten Folie kaschiert ist.
12. Energiesparhaus nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der weitgehend infrarottransparenten Folie um eine Folie aus vorzugsweise Polyäthylen oder Polypropylen handelt und daß zur mechanischen Verstärkung der Folie ein grobes Gitter aus Glasfasern oder Polyesterfasern mit einkaschiert ist, wobei die Flächenbelegung des Gitters maximal bei 10% liegt.
13. Energiesparhaus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dach (1) mit Dachziegeln (8) und (9) gedeckt ist, die mindestens auf der dem Dach (1) zugewandten Seite, vorzugsweise jedoch ebenso auf der dem Himmel zugewandten Seite, im Bereich des thermischen Infrarot insbesondere in den Bereichen der atmosphärischen Fenster bei 3-5 µm und 8-14 µm, niedrig emittierend, mit einem Emissionsgrad <60%, bzw. reflek­ tierend mit einem Reflexionsgrad < 40% ausgelegt sind, gedeckt ist.
14. Energiesparhaus nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dachziegel (8) mit einer Lasur (12) versehen sind, die Metallplättchen mit einer maximalen Lineardimension < 10 µm in einer Volumenkonzentration von 10 bis 70% enthält und im Bereich des thermischen Infrarot weitgehend transparent ist und damit insbesondere im Bereich der atmosphärischen Fenster bei 3-5 und 8-14 µm einen Emissionsgrad <60% besitzt.
15. Energiesparhaus nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dachziegel (9) mit einer infrarottransparenten Farbe (13) versehen sind, die Metallplättchen mit einer maximalen Lineardimension< 10 µm in einer Volumenkonzentration von 10 bis 70% enthält und im Bereich des thermischen Infrarot weitgehend transparent ist und damit insbeson­ dere im Bereich der atmosphärischen Fenster bei 3-5 und 8-14 µm einen Emissionsgrad <60% besitzt und die auch nachträglich auf vorhandene Dächer mit alten Ziegeln aufgetra­ gen werden kann.
16. Energiesparhaus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine oder meh­ rere Innenwände besitzt, die im Bereich des sichtbaren Lichtes einen hohen Absorptions­ grad haben und im Bereich des thermischen Infrarot, insbesondere im Bereich der atmo­ sphärischen Fenster bei 3-5 und 8-14 µm einen geringen Emissionsgrad < 60% haben und die durch die Fenster des Hauses (1) einfallende Lichtstrahlung erwärmt werden.
DE4241460A 1992-12-09 1992-12-09 Energiesparhaus, bei dem die Wärmeverluste von innen nach außen durch die Unterbrechung der Wärmestrahlung insbesondere im Dachbereich vermieden werden Withdrawn DE4241460A1 (de)

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