POW-Award: Reduktion von THG-Emissionen bei Einfamilienhäusern

Das Schuljahr 2023/24 ist schon voll angelaufen, die ersten Maturant:innen sind schon fleißig am Verfassen ihrer Abschlussarbeit. Für manche von ihnen eröffnet sich durch den ersten Kontakt mit wissenschaftlichem Arbeiten ein ganz neuer Horizont! Und einige lernen auch Protect Our Winters kennen, denn wir sammeln jedes Jahr mit dem Projekt “POW Awards” viele Abschlussarbeiten österreichweit und prämieren über eine interne Fachjury die besten drei Einreichungen. Dieser Artikel eröffnet die Präsentation der diesjährigen Gewinner:innen, Laurenz Schnabl erreichte mit seiner Arbeit zur “Reduktion von Treibhausgasemissionen im Einfamilienhaus” den dritten Platz!

Der Sektor der Bau- und Gebäudewirtschaft ist laut den Vereinten Nationen für 38 Prozent der weltweiten CO2-Emissionen verantwortlich. Diese lassen sich in Emissionen während Baumaßnahmen sowie in Emissionen, die während des Betriebes entstehen, unterteilen. Nachdem die Errichtung und die Nutzung von Gebäuden meist einen unverzichtbaren Zweck erfüllen, liegt das Hauptaugenmerk der Arbeit auf technischen und baulichen Möglichkeiten, Treibhausgasemissionen im laufenden Betrieb von Gebäuden, im Speziellen von Einfamilienhäusern, zu minimieren. Es sollen Maßnahmen aufgezeigt werden, um den Energiebedarf für technische Einrichtungen, welche die Behaglichkeit im Gebäude gewährleisten sollen, zu verringern, da die Generierung dieser Energie für die größten Teile der Emissionen abseits der Errichtung und des Rückbaus von Gebäuden verantwortlich ist.

Einflüsse auf das Gebäude

Der Standort eines Gebäudes hat hohe Auswirkungen auf die äußeren Einflüsse, so spielen die Klimazone, regionale Kleinklimata, Sonneneinfallswinkel, -stunden und Strahlungsintensität im Jahresverlauf sowie Wettereinflüsse aus Wind, Schnee und Regen in die Gestaltung der Gebäudehülle hinsichtlich Wärmedämmung, Gebäudeform (Dachform) und statischer Dimensionierung hinein. Diese ist wiederum hauptausschlaggebend, neben dem Nutzerverhalten, für den Energiebedarf. Abhängig vom Grad der Gebäudeisolierung kann eine Erhöhung der Raumtemperatur um nur 1°C den Energiebedarf der Heizung um 5 bis 15% erhöhen. (Bauer et. al. 2013)

Technische und bauliche Möglichkeiten

Einfach den Heizwärmeenergiebedarf durch natürlichen Energieeintrag zu substituieren wäre die simpleste Methode, und sie ist möglich. Durch die Anordnung von Räumen mit tageszeitlicher Nutzung und damit höheren Anforderungen an die Raumwärme im Süden (thermische Zonierung) und dementsprechende Planung von Fensterflächen kann der solare Wärmeeintrag ins Gebäudeinnere ausgenutzt werden. Eine Südhang-Lage verbessert hier die Möglichkeiten, dennoch ist zum Schutz vor Überhitzung durch die steilere, intensive Sommersonne immer die äußere Verschattung von Fensterflächen mitzudenken. Außerdem begünstigen hohe Wärmespeichermassen im Inneren diesen sogenannten “Treibhauseffekt”. Um die Behaglichkeit zu gewährleisten, muss allerdings auch eine gewisse Luftzirkulation aufrechterhalten werden. In Gebieten der Erde, die weniger technische Möglichkeiten haben, sind hier intelligente architektonische Planungen zur Nutzung des Windes gang und gebe. Windtürme auf Häusern in arabischen Regionen – sogenannte “Bagdire” – saugen Luftströmungen in das Gebäude und lassen sie mit zu warmer Luft wieder entweichen. (Bauer et. al. 2013) 

Alles in allem lässt sich über eine “Wärmebilanz”, also einen Vergleich von Wärmeeinträgen und -verlusten durch die Gebäudehülle, die erforderliche externe Energiezufuhr, der Heizwärmebedarf, ermitteln. (Hegger et.al. 2007) Um neben der Maximierung der Einträge noch die Verluste minimal zu halten, und damit diesen Energiebedarf zu verringern, gibt es weiterhin die Möglichkeiten, die Außenfläche des Gebäudes und ihren Wärmedurchgang, beschrieben durch den “U-Wert”, durch entsprechende Bau- und Dämmaterialien zu minimieren. Ein guter U-Wert für alle lichtundurchlässigen Bauteile liegt bei 0,15 W/m²K. (Hegger et.al. 2007) Um den verbleibenden Heizwärmebedarf zu decken, ist in unseren Breiten meist dennoch ein Heizsystem notwendig. Das ausgestoßene CO₂ von Holz als alternativer Heizstoff zu Gas und Öl ist nur dann weniger schädlich im Sinne des Klimawandels, wenn das zuvor in dem Baum gebundene Kohlendioxid durch neuerliche Aufforstung von Waldgebieten wiederum gebunden wird. Moderne Alternativen generieren die Heizwärme direkt oder indirekt über Strom, wobei hier zur Beurteilung der Klimafreundlichkeit die Quelle der elektrischen Versorgung entscheidend ist. Wärmepumpen erzielen den gewünschten Effekt außerdem unter deutlich geringerem Strombedarf als Elektro-Heizstäbe. (Hegger et.al. 2007)

Musterlösung

Um die praktische Machbarkeit solcher Maßnahmen aufzuzeigen, wurde ein Musterhaus geplant, welches vor allem die Aspekte der Gebäudeform, der thermischen Zonierung und der Maximierung der solaren Gewinne in den Fokus rückt. Die gewählte Rechteckform mit 12,4×8 Meter macht Abstriche in der Minimierung der Außenfläche, steigert dafür den solaren Wärmeeintrag an der Südseite und lässt mehr Tageslicht in die Wohnräume eindringen. Der U-Wert der Außenwand in Holzriegelbauweise mit 20 cm Zellulose-Dämmkern liegt bei 0,149 W/m²K, ohne Berücksichtigung der Holzriegel. Mit Standort in der Nähe von Graz ergibt sich bei 23% Fensteranteil (G-Wert 0,62) ein solarer Wärmeeintrag von 208,18 kWh im Jänner. Variiert der Fensteranteil verändert sich auch der solare Wärmeeintrag und damit der Heizwärmebedarf. Das folgende Diagramm zeigt diesen Zusammenhang für den Monat Jänner mit einer durchschnittlichen Strahlungsenergie von 25 kWh/m² für das geplante Musterhaus.

Fazit

Mit der erarbeiteten Musterlösung wird ersichtlich, dass unter Berücksichtigung einiger planerischer Grundsätze der Heizwärmebedarf von Einfamilienhäusern niedrig gehalten werden kann. Der Treibhausgasausstoß im Gebäudesektor ist dennoch eng mit Rohstoff- und Energiequellen verbunden und die optimalen Formen des Wohnbaus hinsichtlich bestehenden und zukünftigen Problematiken sind nicht unbedingt mit dem Einfamilienhaus verknüpft. Auch in den Bereichen der Gebäudetechnik und der Nutzung von Gebäuden besteht großes Einsparungspotenzial bezüglich Energiebedarf. In Summe kann und muss viel im Gebäudesektor geändert werden, um für den Wandel gerüstet zu sein.

Titelbild © Laurenz Schnabl