Solarenergie und Bioklimatisches Design: Prinzipien und Anwendungen

Solarkurs: Grundlagen der Erdbewegung

Die Erde ist der dritte Planet von der Sonne. Sie ist größtenteils von Wasser bedeckt, und ihre Atmosphäre besteht aus Stickstoff und Sauerstoff. Die Temperatur variiert zwischen -50 °C und 50 °C, mit einem Durchschnitt von 22 °C.

Solargeometrie und Erdbewegung

Die Umlaufbahn der Erde um die Sonne ist elliptisch. Ihre Rotationsachse ist um 23,45° geneigt, was die Jahreszeiten verursacht. Am 21. Dezember ist die Sommersonnenwende auf der südlichen Hemisphäre, und am 21. Juni ist die Wintersonnenwende auf der gleichen Hemisphäre.

Der Himmel: Eine imaginäre Kugel

Der Himmel ist eine imaginäre Kugel über der Position eines Gebäudes. Die Sonne bewegt sich zu jedem Zeitpunkt in diesem scheinbaren Gewölbe. Der Pfad, der alle diese Punkte markiert, ergibt einen Tag. Die gesamte Verschiebung der Sonne in ihrer Neigung, von Winter- auf Sommerzeit, beträgt einen Winkel von 49,6°.

Sonnenhöhe und Azimutwinkel

Die Sonnenhöhe wird in einer vertikalen Ebene von einer horizontalen Ebene aus gemessen. Der Azimutwinkel wird in der horizontalen Ebene gemessen. Mit beiden Winkeln kann die Position der Sonne zu jedem Zeitpunkt definiert werden.

Steuerung der direkten Sonnenstrahlung durch Fenster

Nach Norden ausgerichtete Fenster fangen die Sonnenstrahlung ein, um Heizwege zu erzwingen (Dachüberstände oder Vorsprünge sollen Schattenwurf verhindern).

Natürliche Elemente und Schatten

Pflanzenwachstum im Winter und Frühjahr blockiert den Durchgang direkter Strahlung. Laubabwerfende Bäume hingegen ermöglichen den Eintritt direkter Strahlung im Herbst und Winter.

Dimensionierung von Dachüberständen für die Nordausrichtung

Ein horizontales Element, das die direkte Strahlung verhindert, kann mobil sein.

Sonnenschutz für Ost- und Westausrichtungen

Horizontale Elemente funktionieren hier nicht gut; besser sind vertikale Lamellen oder Gitter (die in die Fenster integriert werden).

Wärmestrom, Bioklimatisches Design und Thermische Behaglichkeit

Der menschliche Körper kann seine Temperatur bei 37 °C halten. Diese Wärme stammt aus zwei Quellen: der Lufttemperatur und der Temperatur der umgebenden Wände und Objekte. Die Komforttemperatur liegt bei 20 °C.

Faktoren des thermischen Gleichgewichts

Physikalische Faktoren:

• Lufttemperatur
• Temperatur der Oberflächen in der Nähe
• Relative Luftfeuchtigkeit
• Luftbewegung in Kontakt mit dem Körper
• Thermischer Widerstand der Kleidung

Physiologische Faktoren:

• Körpergröße und Körpergewicht
• Stoffwechsel oder die Produktion von Körperwärme

Faktoren für Komfort in der Bauweise

• Charakter des Ortes
• Lokales Wetter und saisonale Designstrategien
• Nutzung
• Leistungsfähigkeit von Materialien und deren Anwendungsstrategien

Thermisches Verhalten von Werkstoffen

Wärmefluss zwischen Objekten oder Räumen:

Leitung (Konduktion)

Kraftübertragung durch die Moleküle eines Festkörpers.

Strahlung

Durch elektromagnetische Wellen.

Konvektion

Durch die Heizflüssigkeit (Luft oder Wasser).

Wärmeleitfähigkeit

Messung der Energiemenge, die durch ein Material geleitet wird.

Wärmedurchgang

Messung der gesamten Wärme, die durch einen Materialquerschnitt übertragen wird.

Wärmewiderstand

Messung des Widerstands gegen die Wärmeübertragung, den die Komponenten eines Bauelements bieten.

Wärmedämmung

• Spart Energie und erhält den Innenraumkomfort.
• Reduziert auf nationaler Ebene den Energiebedarf eines Hauses sowie die Ausgaben für Öl und Gas.
• Senkt die öffentlichen Gesundheitsausgaben.

Der Palast der Alhambra, Granada: Bioklimatische Strategien

• Fenster der Türme sind einander zugewandt und fangen den Wind ein.

• Patio der Löwen

  Hier gibt es vier Filter: die Terrasse mit üppiger Vegetation, Brunnen und Kanäle, die Beschattung der Terrasse und den Windturm.

• Unkontrolliertes Klima

  Ein Fenster zur Außenlandschaft. Lichtfilter auf die gleiche Weise, um ihre Grenzen deutlich zu kennzeichnen.

• Generalife

  Der Innenhof eines Hauses, der ein Paradies schafft: die Architektur der Sinne, der Duft der Blumen, das Geräusch von Wasser und Vögeln, die Frische der Schatten und der Wasserstrahlen der Quellen, die Texturen von Pflanzen, Wasser, Wänden und Böden.

• Labyrinthe, andalusische Patios, schmale (sehr schmale) Gassen.

Im arabischen Palast und Gehäuse

Die Zimmer blicken auf den Garten und profitieren von den Umgebungsbedingungen. Der Hauptraum in einem Turm und der Hof schaffen ein Mikroklima im Freien durch Verdunstungskühlung mittels Wasser und Vegetation.

Drei thermophysikalische Elemente:

• 1. Auftrieb (Kamineffekt)

  Zenitfenster leiten die Wärme nach oben und initiieren eine natürliche Luftbewegung.

• 2. Venturi-Effekt

  Der Wind über den oberen Fenstern erzeugt eine Luftbewegung von unten nach oben.

  Zwei Fensterebenen:

  • Oben
  • Am Boden und auf Terrassen

• 3. Erzwungenes Eindringen von Wind

  Trotz hoher Außentemperaturen ist das thermische Verhalten bei windigen Bedingungen viel besser. Mehr Lüftung führt zu einer homogeneren Lufttemperatur. Die Form des Turms fördert die Zirkulation, wodurch die Luftschicht im oberen Raum durch Querlüftung entfernt wird. Die Form des Gartens reduziert die Luftgeschwindigkeit. Das Portal ermöglicht es, dass beide Mikroklimata strikt getrennt sind.

Natürliches Licht: Eigenschaften und Anwendungen

Licht verhält sich auf drei Arten: Absorption, Transmission und Reflexion. Licht leitet uns und hilft uns, die Grenzen des Raumes zu erkennen.

Der Schatten

Ermöglicht die Wahrnehmung der dreidimensionalen Realität.

Lichtphänomene in der Natur

• Sonnen- und Mondfinsternisse
• Aurora Borealis (Nordlichter), Aurora Australis (Südlichter)
• Sonnenuntergang, Regenbogen, Vollmond

Oberflächen und Lichteinwirkung

Reflexion

Die Rückkehr der Strahlung, die auf eine Oberfläche trifft.

• Spiegelnde Reflexion

  Wenn das Material eine sehr glatte Oberfläche hat, ist der Einfallswinkel gleich dem Reflexionswinkel.

• Diffuse Reflexion

  Wenn das Oberflächenmaterial rau ist.

• Gemischte Reflexion

  Tritt bei den meisten Materialien auf, die beide Arten kombinieren.

Transmission

Wenn das Material eine gewisse Transparenz besitzt und Licht durchlässt.

• Einige Materialien übertragen fast das gesamte Licht (Wasser, klares Glas).
• Papier lässt nur einen Teil des Lichts durch.

• Gerichtete Transmission

  Wird durch transparente Körper wie Kristalle und Glas erzeugt.

• Diffuse Transmission

  Schillerndes oder Milchglas, das weniger Blendung verursacht.

Natürliche Lichtquellen

Tagsüber:

• Direkte Sonneneinstrahlung
• Klarer Himmel
• Wolken
• Reflexionen von Gebäuden oder Oberflächen

Nachts:

• Der Mond
• Blitze

Tipps für die Lichtgestaltung: Ausrichtung der Fenster

• Die Ausrichtung hängt von Klima und Standort ab.
• Norden sammelt besseres Licht, aber auch Süden hat gutes Licht.
• Man muss sich um die direkte Strahlung kümmern, die im Sommer regelmäßig auftritt, um sie für den Winter zu nutzen.