Passive Solarsysteme: Was sie sind und wie sie funktionieren

Passive Solarsysteme sind architektonische und technologische Lösungen, die die passive Solarenergie (Sonnenstrahlung + Komponenten der Gebäudehülle) nutzen, um Räume ohne spezielle mechanische Systeme zu heizen oder zu kühlen.

Sie funktionieren durch drei Aktionen: die Sonne einfangen (Glas/integrierte Kollektoren), Wärme speichern (thermische Masse) und sie im Gebäude verteilen durch natürliche Prozesse wie Strahlung, Leitung und Konvektion.

Im Bauwesen erfordert diese bioklimatische Strategie ein Gleichgewicht zwischen winterlicher Sonnenaufnahme und sommerlichem Sonnenschutz, insbesondere in mittleren und hohen Breiten. Zu den am weitesten verbreiteten Systemen gehört das bioklimatische Gewächshaus, das zur Reduzierung des Energiebedarfs beitragen kann, wenn es korrekt entworfen und dimensioniert wird.

Was ist passive Solarenergie und wie wird sie in Gebäuden genutzt?

Die passive Solarenergie ist die Nutzung der Sonnenstrahlung, um ein Gebäude ohne spezielle mechanische Systeme zu heizen oder zu kühlen, wobei ausschließlich Ausrichtung, Gebäudehülle, thermische Masse und Schutzvorrichtungen genutzt werden.

Aus dem Entwurf der passiven Solarenergie entstehen die sogenannten Passive Solarsysteme, also architektonische Lösungen, die im Gebäude integriert sind und in der Lage sind, die thermischen Austauschdynamiken zwischen Außen- und Innenbereich zu steuern, indem sie die Sonnenstrahlung als primäre Energiequelle nutzen.

Wie funktionieren passive Solarsysteme?

Passive Solarsysteme nutzen die auf die Oberflächen der Gebäudehülle einfallende Sonnenstrahlung und natürliche Mechanismen (d.h. ohne die Hilfe von Energie, die durch thermische Systeme erzeugt oder aus dem Netz bezogen wird) für den Transfer der absorbierten Wärme ins Innere des Gebäudes.

Passive Solarsysteme tragen dazu bei, den Energiebedarf erheblich zu senken, insbesondere in Gebäuden mit effizienter und gut isolierter Hülle.

Da keine mechanischen Systeme verwendet werden, ist der mit ihrem Betrieb verbundene Energieverbrauch null, obwohl zu beachten ist, dass sie als integraler Bestandteil der Architektur entworfen werden müssen, wobei eine korrekte Dimensionierung und eine optimale Ausrichtung vorgesehen werden müssen.

Daher ermöglichen passive Solarsysteme das Sammlung, Speicherung und Verteilung von thermischer Energie durch natürliche Prozesse wie Strahlung, Leitung und Konvektion, um das thermo-hygrometrische Niveau der Umgebung zu regulieren.

Passive Solarsysteme basieren auf 3 grundlegenden Prinzipien, die die Säulen der bioklimatischen Architektur bilden:

• Aufnahme der Energie durch den Treibhauseffekt: Dieses Prinzip nutzt die Fähigkeit von Glas, Sonnenstrahlung durchzulassen, während es den Durchgang von langwelligen Strahlungen (ca. 11.000 nm), die von den beheizten Oberflächen emittiert werden, verhindert. Die Wärme bleibt eingeschlossen und kann in verschiedenen Formen genutzt werden, gemäß dem gleichen Prinzip, das das Leben auf der Erde regelt;
• Speicherung: Die Energie wird in schweren Strukturen mit hoher thermischer Trägheit, wie Wänden und Decken, gespeichert, mit einer zeitlichen Verzögerung und einer Dämpfung der thermischen Welle;
• Verteilung: Die gespeicherte Wärme wird dann verteilt und in die Umgebung abgegeben, wodurch der Energiebedarf des Gebäudes gesenkt wird.

Elemente, die passive Solarsysteme bilden

Die wesentlichen Elemente der passiven Solarenergieaufnahme sind:

• Kollektoren: bestehen aus einer transparenten oder durchscheinenden Oberfläche, die an gut exponierten Fassaden des Gebäudes oder auf dem Dach integriert ist, und einem Absorber, einer dunklen, opaken Oberfläche, die der Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, die durch die transparente Oberfläche dringt;
• Speichermassen: bestehen aus verschiedenen Materialien und sind dafür zuständig, Wärme zu speichern, um sie auch in Abwesenheit von Sonnenstrahlung wieder abzugeben;
• Kontrollelemente: können fest oder beweglich sein, manuell oder automatisch betrieben werden und sind Schutzvorrichtungen zur Regulierung des Eintritts von Sonnenstrahlung, Reflektoren zur Erhöhung der Strahlung, die die Öffnungen erreicht, verschiedene Arten von Ventilen, die auf die natürliche Bewegung der Wärmeträgerflüssigkeiten zwischen den Elementen wirken, verstellbare Öffnungen zur Kontrolle der Außenluft usw.

Beispiele für passive Solarsysteme

Passive Solarsysteme können unterschiedlich sein und jedes hat seine eigenen spezifischen Eigenschaften.

Je nach der Beziehung zwischen dem Punkt, an dem die Wärme erfasst wird, und dem tatsächlichen Ort ihrer Nutzung, können passive Systeme klassifiziert werden in:

• System mit direkter Gewinnung: Der vorherrschende Wärmeaustausch erfolgt direkt durch Strahlung;
• System mit indirekter Gewinnung: Der vorherrschende Wärmeaustausch erfolgt konvektiv, der strahlende ist indirekt, durch die Speichermauer;
• System mit isolierter Gewinnung: Die Erfassungsfläche ist vom Wärmespeicher getrennt, der Austausch erfolgt indirekt durch Strahlung mit einer Masse, die speichert, ohne erwärmte Luft direkt in die Umgebung einzuführen.

Die folgende Vergleichstabelle klassifiziert die passiven Solarsysteme basierend auf der Beziehung zwischen Erfassung, Speicherung und der Art der Wärmeübertragung in die Innenumgebung; in den folgenden Abschnitten werden die spezifischen Konstruktions- und Leistungsmerkmale jeder Lösung vertieft.

System mit direkter Gewinnung

Systeme mit direkter Gewinnung sind die einfachste Anwendung der passiven Solarenergie. Sie ermöglichen es der strahlenden Energie, direkt in den zu beheizenden Raum einzutreten. Diese Energie wird normalerweise von Elementen gespeichert, die auch andere Funktionen haben, wie Wände und Böden, und dann innerhalb des Gebäudes zur Beheizung durch Advektion freigesetzt.

Das System sieht die Installation von großen Verglasungen an den nach Süden ausgerichteten Fassaden vor, während die blinden Wände, insbesondere die nach Norden ausgerichteten, gut isoliert sein müssen. Die Sonnenstrahlung durchdringt die Verglasungen und wird im Inneren durch den Treibhauseffekt gehalten. Die Baukonstruktionen, wie Wände und Böden, sind aufgrund ihrer Masse besonders effektiv als Wärmespeicher. Daher ist es ratsam, die Isolierung außen an den Wandflächen zu platzieren, damit diese als thermischer Schwungrad im Inneren fungieren können.

Die Verglasungen müssen so gestaltet sein, dass sie den Wärmeverlust minimieren. Darüber hinaus ist es entscheidend, dass Decken, Böden und Innenwände über eine ausreichende Masse verfügen, um als Speicher zu fungieren, was aufgrund der häufigen Verwendung von leichten Materialien wie Gipskarton, synthetischen Böden und Holz im modernen Bauwesen nicht immer gegeben ist.

Direktes Gewinnsystem

Indirektes Gewinnsystem

Was den indirekten Gewinn betrifft, so wird die Wärme in einem angrenzenden Raum erzeugt: Das Sonnenlicht wird von einer nach Süden ausgerichteten Wand absorbiert, die Wärme speichert und diese dank der Luftbewegungen im dahinterliegenden Raum an den Innenraum abgibt.

Für eine bessere Kontrolle der Innentemperatur wird zudem häufig ein Belüftungssystem über und unter der Wand integriert, um bei der Regulierung der Temperatur zu helfen.

Indirektes Gewinnsystem

Die Hauptsysteme mit indirekter Gewinnung sind:

• Sonnenmauer;
• Trombewand;
• Roof Pond (solare Deckensysteme).

Sonnenmauer

Dieses System sieht die thermische Gewinnung durch die Auffangung der Sonnenenergie über speziell gestaltete Verglasungen vor, die vor einer Speichermauer, bekannt als Sonnenmauer, angebracht sind. Diese absorbiert, speichert und strahlt die thermische Energie nach innen in das Gebäude ab. Das System besteht hauptsächlich aus einer auffangenden Verglasungsfläche, die vor einer Speichermauer (Sonnenmauer) angebracht ist.
Die Verglasung schafft einen Hohlraum vor der Sonnenmauer, wodurch ein Gewächshaus-Effekt entsteht, der die Temperatur der Speichermauer erhöht, die die eingefangene Sonnenstrahlung absorbiert und speichert. Während der Verteilungsphase strahlt die Sonnenmauer die gespeicherte Energie durch ihre innere Fläche nach innen ab. Die Wärmeverteilung kann durch konvektive Strömungen verstärkt werden, die durch Öffnungen in den unteren und oberen Bereichen der Mauer aktiviert werden, die den Raum zwischen der Verglasung und der Mauer mit der Innenumgebung verbinden.

Trombewand

In der Trombe-Wand besteht das Speicherelement aus einer Wand, die aus Materialien mit hoher thermischer Trägheit gefertigt ist, nach Süden ausgerichtet und in einer dunklen Farbe gestrichen, um die Strahlung besser zu absorbieren. An der Wand sind geeignete obere und untere Luftöffnungen angebracht, die je nach Bedarf geöffnet oder geschlossen werden können, und vor ihrer Außenseite ist eine Verglasung installiert, die als auffangendes Element fungiert.

Roof Pond

Isoliertes System

Das isolierte solarthermische System nutzt die Wärme, die an einem Punkt erzeugt wird, der von der Umgebung, die Sie heizen möchten, entfernt ist, und transportiert sie dann durch natürliche oder erzwungene Konvektion. Der Vorteil der Verwendung dieser Art ist ihre einfache Anpassungsfähigkeit an bestehende Gebäude.

Isoliertes Solarsystem

Zu den isolierten Systemen gehören:

• Luftkollektoren mit Steinschicht;
• Barra-Costantini-Solarkamine;
• Luft-Solarkollektoren;
• Solargewächshäuser.

Luftkollektoren mit Steinschicht

Dieses System ist besonders geeignet für Einfamilienhäuser oder Gebäude mit ein oder zwei Etagen. Die Luftkollektoren, die außen am Gebäude angebracht sind, sind geneigt und niedriger, während eine Steinschicht unter dem Erdgeschoss als voluminöser Wärmespeicher fungiert.

Es wird im Allgemeinen nicht für die Renovierung empfohlen, auch nicht für niedrige Gebäude, da dies erhebliche Änderungen an der Struktur der Erdgeschossdecke oder sogar deren vollständigen Abriss erfordern würde. Dies könnte die Einführung des Systems entmutigen, es sei denn, es bestehen erhebliche Mängel in Bezug auf die statischen Anforderungen oder den Komfort der Gebäudebasis oder große Geschosshöhen, die durch die Einbringung der Speichermasse und eines neuen Bodenbelags reduziert werden könnten.

Solarkaminen

Das beschriebene System sieht die Verwendung eines innen isolierten Mauerwerks mit einem verglasten Kollektor und einer schwarzen Metallplatte im Hohlraum vor, die Wärme absorbiert und die Geschwindigkeit der warmen Luft erhöht. Die warme Luft steigt auf, durchquert Kanäle in der horizontalen Trennwand, gelangt in den Innenraum, kühlt ab, gibt Wärme ab und kehrt in den Hohlraum zurück.

Dieses System bietet eine bessere Leistung als eine Trombe-Wand, jedoch zu höheren Installationskosten. Ästhetisch erfordert es Aufmerksamkeit aufgrund der großen verglasten Flächen vor dunklen Elementen. Der Luftstrom wird durch Klappen oder Ventile gesteuert. In der jüngeren Wohnungsbauweise, mit minimalen Geschosshöhen, ist die Annahme dieses Systems jedoch ohne Ausnahmen unpraktisch.

Luft-Solarkollektoren

Die Luft-Solarkollektoren sind entlang des Gebäudeverlaufs installiert und nutzen die natürlichen Konvektionsbewegungen, um die Luftzirkulation zwischen dem Kollektor und den Innenräumen zu erleichtern.

Solargewächshäuser

Die Solargewächshäuser (oder bioklimatischen) vereinen die Eigenschaften des direkten Gewinns mit denen einer Speichermauer. Sie funktionieren als ein direktes Gewinnsystem, da sie direkt von den Sonnenstrahlen beheizt werden und die Wärme über eine thermospeichernde Wand an die angrenzende Umgebung übertragen wird. Die Sonnenstrahlung wird von der Rückwand des Gewächshauses absorbiert, in Wärme umgewandelt und ein Teil davon wird an das Gebäude übertragen.

Der Betrieb eines bioklimatischen Gewächshauses basiert auf dem Konzept des Treibhauseffekts: Es wird die Sonnenstrahlung genutzt, um die Innentemperatur der Struktur zu erhöhen.

Konkret durchdringt die Energie des sichtbaren Lichts das Glas, das das Gewächshaus umschließt, wird von den Objekten im Gewächshaus absorbiert und dann mit einer größeren Wellenlänge (Infrarotlicht) wieder emittiert, die nicht durch das Glas nach außen übertragen wird. Das Ergebnis ist die Erwärmung im Inneren des Gewächshauses.

Wie ein passives Solargewächshaus die nachhaltige Heizung unterstützt

Ein Solargewächshaus unterstützt die nachhaltige Heizung, weil es die Sonnenwärme natürlich einfängt und speichert, wodurch die Notwendigkeit für externe Heizung reduziert oder sogar eliminiert wird.

Hauptsächlich aus transparentem Material wie Glas gefertigt, hat es die Fähigkeit, die Solarernte zu maximieren und, nachdem die verglaste Fläche überwunden wurde, wird die Sonnenstrahlung in Wärme umgewandelt, dank des bekannten Treibhauseffekts.

Durch die Nutzung des Treibhauseffekts speichert es tagsüber die thermische Energie und gibt sie langsam im Inneren des Hauses ab, weshalb es nützlich ist, massive Elemente im Inneren zu platzieren, die die Wärme speichern und dann allmählich in die Umgebung abgeben.

Sie sind ein Instrument von hoher Nachhaltigkeit, da sie so konzipiert sind, dass sie sich an die verschiedenen Jahreszeiten anpassen:

• In der Winterzeit funktionieren sie als echter Wärmespeicher, die Sonnenstrahlung dringt durch die verglasten Flächen ein, wird in Wärme umgewandelt und im Inneren gehalten. Die während des Tages absorbierte thermische Energie wird langsam im Inneren des Hauses freigegeben, weshalb es nützlich ist, massive Elemente im Inneren zu platzieren, die die Wärme speichern und dann allmählich in die Umgebung abgeben. Dies trägt dazu bei, das Haus nachhaltig und nahezu kostenfrei zu heizen und zu beleuchten;
• In der Sommerzeit hingegen werden Abschirmungssysteme, selektive Gläser, Sonnenschutz oder Öffnungen für die natürliche Belüftung verwendet, um eine Überhitzung im Inneren zu verhindern und ein gutes Komfortniveau aufrechtzuerhalten, indem der Luftaustausch gefördert und die natürlichen Strömungen genutzt werden.

Vergleich zwischen aktiven und passiven Solarsystemen: Hauptunterschiede

Ein aktives System unterscheidet sich von einem passiven System durch den Einsatz von mechanischen oder technologischen Geräten, die Energie verbrauchen. Es verwendet tatsächlich Anlagen und mechanische Geräte, um Wärme zu sammeln und zu transportieren.

Die mechanischen Anlagen eines aktiven Systems sind für die Erfassung, Speicherung und Verteilung der thermischen Energie zuständig, die ihre Funktionen unabhängig von der Form und Technologie der eigentlichen Architektur ausführen.

Sie unterscheiden sich von den passiven Solarsystemen durch die folgenden Spezifikationen:

• Das Erfassungssystem, sei es Wasser oder Luft, ist in der Regel ein modulares Bauteil (Sonnenkollektor), das industriell hergestellt wird und aus einer transparenten Platte (in der Regel Glas), einem Luftzwischenraum, einer schwarzen absorbierenden Platte mit darunterliegender Isolierung und einem Metallgehäuse besteht, das die oben genannten Schichten zusammenhält;
• Das Verteilungssystem ist ein echtes Anlagensystem aus Pumpen und Rohren (Wasser) oder Ventilatoren und Kanälen (Luft), das die Flüssigkeit zu den Wärmeübergabepunkten transportiert, die traditionelle Heizkörper oder Niedertemperatur-Schlangen (Boden- oder Deckenheizung) im Falle von Wasserflüssigkeit oder Ventilkonvektoren oder Belüftungsöffnungen im Falle von Luftflüssigkeit sein können.

Allgemein sind Gebäude, die passive Lösungen in ihrer Architektur integrieren, nicht autark: Das bedeutet, dass sie nicht in der Lage sind, die Komfortbedingungen des Projekts über die gesamte Zeit hinweg zu gewährleisten.

Daher sind Sie gezwungen, ein Hilfssystem einzuplanen, um die Bedürfnisse und Anforderungen zu decken, die nicht passiv erfüllt werden können.

Zu den wichtigsten aktiven Systemen, die die Sonnenenergie nutzen, zählen die flachen Sonnenkollektoren oder Konzentrationskollektoren sowie die Speichersysteme.

Die Vorteile der passiven Solarplanung für die Energieeffizienz

Die passive Solarplanung ist mehr als nur ein einfaches Konzept: Es ist ein ganzheitlicher Ansatz, der architektonische Elemente, Materialien und die natürliche Umgebung integriert, um die Sonnenenergie für die Heizungsversorgung zu optimieren.

Während des Planungsprozesses ist es wichtig, die Säulen der bioklimatischen Architektur im Hinterkopf zu behalten und zu berücksichtigen:

1. Die Positionierung der Fensteröffnungen: Es ist wichtig, dass sie nicht von anderen Gebäuden blockiert oder beschattet werden und nach SÜDEN (innerhalb von 30°) ausgerichtet sind;
2. Die Integration des Absorbers: Der Absorber ist die Fläche, die das Element zur thermischen Speicherung abdeckt und das durchgelassene Licht absorbiert und an die thermische Speicherung weitergibt; dies kann beispielsweise die Verkleidung einer Wand oder eines Bodens sein;
3. Die Integration eines Elements mit hoher thermischer Masse: Dies ist das Material unter der Absorberverkleidung, das die Wärme speichert;
4. Die Wärmeverteilung: Es ist wichtig, während der Planungsphase zu berücksichtigen, wie die Wärme zirkuliert und sich in den Räumen verteilt. Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung sind die natürlichen Übertragungsmethoden, aber sie kann auch mit Hilfe von Ventilatoren oder Diffusoren unterstützt werden;
5. Die Integration von solaren Steuerungselementen: Vorhänge, Jalousien und Überhänge sind Elemente, die verwendet werden, um die Verglasungsflächen während der Sommermonate zu beschatten.

Schnitt durch ein Gebäude mit Schlüsselfaktoren der passiven Planung

Eine präzise Planung von Passive Solarsysteme, begleitet von der intelligenten Nutzung von Materialien, ermöglicht es:

• den Energieverbrauch erheblich zu reduzieren;
• die Kohlenstoffemissionen zu verringern;
• eine qualitativ hochwertige Bauweise zu erreichen;
• den Wohnkomfort zu erhöhen;
• die Lebensqualität zu verbessern.

FAQ zu Passive Solarsysteme

Was ist passive Solarenergie?

Passive Solarenergie ist die Nutzung der Sonnenstrahlung zur Beheizung oder Kühlung eines Gebäudes ohne spezielle mechanische Anlagen. Sie basiert auf der Integration von Ausrichtung, Verglasungsflächen, thermischer Masse und Beschattungen, wodurch die Architektur selbst in der Lage ist, Wärme durch natürliche Prozesse zu erfassen, zu speichern und zu verteilen.

Was sind Passive Solarsysteme?

Passive Solarsysteme sind architektonische Lösungen, die in das Gebäude integriert sind und passive Solarenergie nutzen, um die Räume ohne den Einsatz spezieller mechanischer Anlagen zu beheizen oder zu kühlen. Sie verwenden Verglasungsflächen, um die Sonnenstrahlung zu erfassen, Materialien mit hoher thermischer Trägheit, um Wärme zu speichern, und natürliche Prozesse wie Strahlung, Leitung und Konvektion, um diese innerhalb des Gebäudes zu verteilen.

Ihr Betrieb hängt von einer korrekten Ausrichtung, einer angemessenen Dimensionierung und der Integration von Sonnenschutz-Elementen wie Beschattungen und regulierbaren Öffnungen ab.

Was sind die Haupttypen von Passive Solarsysteme?

Passive Solarsysteme werden in drei Hauptkategorien eingeteilt, basierend auf der Beziehung zwischen Wärmeaufnahme und -nutzung:

• Direkte Gewinne, bei denen die Strahlung direkt durch Verglasungsflächen in den Raum gelangt.
• Indirekte Gewinne, bei denen die Wärme in einer Wand oder einer mittleren Masse gespeichert wird, bevor sie ins Innere abgegeben wird.
• Isolierte Gewinne, bei denen die Wärmeaufnahme in einem separaten Raum erfolgt und die Wärme anschließend in den bewohnten Raum übertragen wird.

Wie funktioniert ein direktes Gewinnsystem?

Im direkten Gewinnsystem durchdringt die Sonnenenergie Verglasungsflächen, die vorzugsweise nach Süden ausgerichtet sind, und wird von Wänden und Böden mit hoher thermischer Masse absorbiert. Die gespeicherte Wärme wird dann allmählich ins Innere des Gebäudes abgegeben und trägt zur natürlichen Beheizung der Räume bei.

Was ist eine Trombe-Wand?

Die Trombe-Wand ist ein indirektes Gewinnsystem, das aus einer massiven Wand mit hoher thermischer Trägheit besteht, die nach Süden ausgerichtet und durch eine äußere Verglasungsfläche geschützt ist. Die Wand absorbiert die Sonnenstrahlung, speichert Wärme und gibt sie nach innen ab, auch durch konvektive Strömungen, die durch obere und untere Öffnungen reguliert werden.

Reichen Passive Solarsysteme aus, um ganzjährig Komfort zu gewährleisten?

Im Allgemeinen nein. Gebäude, die Passive Solarsysteme integrieren, sind nicht vollständig autark und benötigen ein unterstützendes System, um den Energiebedarf in Zeiten zu decken, in denen der solare Beitrag nicht ausreicht, um die geplanten Komfortbedingungen zu gewährleisten.

Was ist der Unterschied zwischen Passive Solarsysteme und aktiven Solarsystemen?

Passive Solarsysteme integrieren die Erfassung, Speicherung und Verteilung von Wärme direkt in die Architektur des Gebäudes und funktionieren durch natürliche Prozesse. Aktive Solarsysteme hingegen verwenden technische Komponenten wie modulare Kollektoren, Pumpen, Ventilatoren und Verteilungskreise, um thermische Energie zu sammeln und zu transportieren.