Passive solare Kühlung

Die einfachste, kostengünstigste und wirkungsvollste Methode der Gebäudekühlung ist die Solarkontrolle, d.h. die Regulierung des Sonneneinfalls in ein Gebäude (z.B. Gebäudebeschattung). Diese Methode ist in der Regel bei klimagerechten Gebäudeentwürfen und geeigneten Baumaterialien für die Gebäudekühlung in Klimazonen mit sommerlichen Tagestemperaturen bis 30°C voll ausreichend.

Die solare Kühlung ist ein umfangreiches Gebiet und ist Bestandteil der passiven Gebäudekühlung. Es gibt verschiedene Möglichkeiten.

• Konvektionskühlung
• Windtürme
• Trombe-Wand
• Konduktionskühlung
• Strahlungskühlung
• PCM - Phasenwechselmaterialien

Für Klimazonen mit sehr hohen Tagesaußentemperaturen (bis 40°C) ist zusätzlich zur Solarkontrolle die Konvektionskühlung sinvoll. Gezielte Luftbewegungen durch das Gebäude kühlen dabei die Speichermassen im Gebäude ab. Die Leistungsfähigkeit dieser Kühlungsmethode wird durch die Maximal- und Minimaltemperaturen des Tag-Nacht-Rhythmus sowie durch die Windbedingungen bestimmt. Fenster mit regelbaren Lüftungsvorrichtungen in Kombination mit thermischen Speichermassen im Gebäude erfüllen bereits die Bedingungen eines einfachen Kühlsystems. Die gesteuerte Luftströmung führt die in den Speichermassen enthaltene Wärme wieder ab. Luftbewegungen mit unterschiedlicher Dichte der Luft lassen sich mit sehr einfachen Mitteln erreichen.

Mit der Anordnung eines thermischen Abzugrohres im obersten Gebäudeteil wird aus dem nördlichen Fassadenbereich einströmende kühle Luft an den Speichermassen vorbeigeführt. Diese erwärmt sich dabei, wird leichter, steigt auf und wird über das Entlüftungsrohr nach außen abgeführt. Auch mit einem Steinspeicher läßt sich Konvektionskühlung erreichen. Bei dieser Methode wird mit Hilfe eines Lüfters in der Nacht kühle Außenluft durch den Steinspeicher geleitet. Während des Tages wird warme Außenluft durch den Speicher geleitet, abgekühlt und dann den Wohnräumen zugeführt. Ein derartiges System ist im Winter mit einem Luftheizungssystem kombinierbar.

In Gebieten mit stetigen Winden und geringen Nacht- und Morgentemperaturen bietet sich die Nutzung des Windes zur Konvektionskühlung (Windturm bzw. Windfänger) an.

Windtürme sind ein Wahrzeichen der klassischen Architektur in der Region des Persischen Golfes und des Mittelmeerraumes. Sie reichen von 2 m über dem Erdgeschoß bis in eine Höhe von 15 m. An heißen Tagen wird der kühle Seewind durch Leitvorrichtungen an der Oberseite des Turmes durch die Öffnungen in den schattigen Innenraum des Turmes geleitet. Die kühle Luft sinkt aufgrund höherer Dichte ab. So strömt die kühle Luft in die Wohnräume und verdrängt die vorhandene warme Innenluft über den von der Windseite abgewandten Schacht des Turmes sowie über die Fenster und die Türen.

In der Nacht und bei Windstille funktioniert der Windturm wie ein Kamin über den Dichteunterschied der warmen und kalten Luft. Die Hitze, die während der Tageszeit in den dicken Wänden des Turmes gespeichert wurde, erwärmt die Luft in den Innenräumen. Diese wird dadurch leichter, steigt im Turm hoch und zieht frische Luft durch Fenster und Türen des Gebäudes nach. Bei Wind ändert sich die Strömungsrichtung der Luft. Da die Mauern des Turmes warm sind, ist die Nachtluft aus dem Windturm weniger stark gekühlt als die Tagesluft. Viele Bauten im Iran zeigen, dass die Kühlwirkung des Windturmes durch Einbeziehen des Prinzips der Wasserverdunstung (adiabatische Kühlung) noch verbessert werden. Vielfach wird dabei die Luft aus dem Windturm durch einen feuchten Keller oder über wassergefüllte poröse Tankzüge geleitet. Durch die Verdunstung wird der Umgebung Wärme entzogen. Die kühle angefeuchtete Luft bedeutet eine zusätzliche Annehmlichkeit dieser wirkungsvollen sonnen- und windbetriebenen Klimaanlage.

Die Windtürme vieler Gebäude in Dubai am Persischen Golf sind zweiseitig geöffnet, um am Tag den kühlen Seewind und nachts den wärmeren Landwind in die darunterliegenden Wohnräume leiten zu können. In Heyderabad, Indien, sind die Windturmöffnungen nur nach Südosten orientiert, um den über das ganze Jahr wehenden, vom Meer kommenden kühlen und feuchten Südostpassat einfangen zu können.

Bei der natürlichen Lüftung werden Lüftungsöffnungen und Druckdifferenzen zwischen innen und außen benötigt. Eine Thermik über mehrere Geschosse (z. B. Treppenhaus, Wohngalerie) kann hilfreich sein. Der thermische Auftrieb wird nur dann wirksam, wenn die Raumluft wärmer ist als die Außenluft bzw. eine Druckdifferenz durch den Windanfall erzeugt wird. Es können Luftwechselraten von über 10 h^-1 erreicht werden. Der große Vorteil bei der natürlichen Lüftung liegt im ausreichender Luftaustausch bei geringen Betriebskosten. Natürlich müssen die Lüftungsöffnungen am Tage geschlossen sein.

Der Windturm (Malqaf) ist ein massiv gebauter Turm bzw. Erhöhung auf einem Gebäude mit dem die Temperaturdifferenz zwischen der nächtlichen kalten Außenluft und der warmen Innenluft genutzt wird. Der Kamineffekt sorgt auch ohne Wind für einen Luftaustausch durch Fensteröffnungen und die Öffnungen im Windturm. Die Masse des Gebäudes (Wände, Decken, Fußboden) werden abgekühlt.

Der Windfänger (Badgir) ist ein massiv gebauter Turm, der über das Dach hinausreicht. Er hat in der Regel vier senkrechte Lüftungskanäle, die oben in alle vier Himmelsrichtungen offen sind. Je nach dem Windanfall wird der jeweilige Kanal durch Lüftungsklappen geöffnet und kalte (Nacht-)Luft wird in das Gebäude transportiert. Der Staudruck auf der der Windrichtung zugewandten Seite (Luv) drückt die kalte Luft in das Gebäude. Liegt der statische Druck in der strömenden Luft unter dem natürlichen Luftdruck, kann die unter natürlichem Luftdruck stehende Raumluft auf der Windschattenseite (Lee) abgeführt werden.

Der "Qa’a" ist ein zentraler Raum im Obergeschoss, der dem Gästeempfang dient. Traditionell setzt er sich aus drei ineinander übergehenden Räumen zusammen: Einem geschlossenen, höher gelegenen Nischen, den Iwanen. Dieses Raumsystem bildet einen geschlossenen Kreislauf für die zirkulierende Luft, die im Innenhof durch den Springbrunnen weiter abgekühlt wird. Die heißer werdende Luft steigt in einem hohen Turm, dem „Shuksheika“, auf und kann dort über Lüftungsklappen, den „Mashrabiya“, austreten. Im Winter können die Öffnungen geschlossen werden, um die warme Luft im Innenbereich zu halten. Quelle: Architekt Hassan Fathy - lrz-muenchen.de

Ein Qanat kann in Verbindung mit einem Windturm (Malqaf) oder Windfänger (Badgir) in den heißen Regionen (persischer, arabischer und Mittelmeerraum) zur Kühlung (Free Cooling) von Gebäuden eingesetzt werden.
Durch die Einbindung eines Qanats in das Lüftungssystem kann die Kühlleistung zusätzlich erhöht und auch am Tage wirksam werden. Die Außenluft wird über einen Lüftungsschacht des Qanats dem Qanatkanal zugeführt und von dort über einen Kanal in das Gebäude transportiert. Hier wird die Verdunstungskühlung (adiabatische Kühlung) wirksam, die im Qanat durch das Vorbeistreichen der Luft an der Wasseroberfläche stattfindet. Außerdem kühlt die Luft auch an den kalten Qanatwänden ab.

Im folgenden sollen einige Dachaufsätze vorgestellt werden, mit deren Hilfe Räume gekühlt werden können. Bei einer eindeutig vorherrschenden Hauptwindrichtung können dabei einfache Ausführungen angewendet werden, die die leeseitige Sogwirkung ausnutzen. Bei wechselnden Windrichtungen bieten sich Turbinen an.

Für Klimagebiete mit starkem Windaufkommen empfiehlt es sich, die Öffnungen entgegen der Hauptströmungsrichtung anzuordnen. Ein drehbarer Rohraufsatz mit einem Windleitblech empfiehlt sich für Gegenden mit ständig wechselnden Windrichtungen, er sorgt für eine permanente Ventilation.

Die Richtung des Fensterflügelanschlags ist für die Art und Weise der Luftbewegung wichtig. Schwingflügel erlauben den Frischlufteintritt und sind regenabweisend. Lamellenfenster sorgen für eine ungehinderte permanente Luftzirkulation und Kippflügel für eine freie abwärtsströmende Luftbewegung.

Die Raumlüftung kann auch durch Sonneneinstrahlung bewirkte Luftdichteunterschiede erzeugt werden. Nach Süden orientierte Lüftungskamine mit einer schwarzen Absorberfläche heizen die im Kamin strömende Luft auf, so dass sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, was zugleich das Absaugen der Raumluft verstärkt. Ein Speicher hinter der Absorberfläche ermöglicht die Wirkung dieses Effektes auch in den Abendstunden nach Sonnenuntergang. Durch die Bedienung von Dämmklappen kann der Lüftungsprozess gesteuert werden. Solarschornsteine mit großer Oberfläche, außen opak, innen mit wärmeabsorbierendem Material versehen, können Luftmassen transportieren und folglich auch größere Räume ohne Zusatzenergie kühlen.

Der französischer Ingenieur Félix Trombe entwickelte 1950 eine massive Speicherwand, die außen dunkel angestrichen bzw. verkleidet ist, damit sich möglichst wenig Sonnenstrahlen reflektieren. Vor dieser Wand wird eine Glas- oder Kunststoffschicht installiert, und dadurch wird die Sonnenenergie in Wärmeenergie umzuwandeln und die Konstruktion auch klimatechnisch stabilisiert. Die Wand wird von der Sonne tagsüber erwärmt und speichert die Wärmeenergie. Die Wärme wird Abends an den Innenraum abgegeben. Durch diese Phasenverschiebung steht die Wärme in den kühlen Abendstunden zur Verfügung, während sie tagsüber in der Wand gespeichert wird und nicht in den Raum gelangt.

Das System der Trombe-Wand wurde in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts erstmals erprobt und seitdem immer weiterentwickelt. Mittlerweile gibt es Kühlsysteme, die als Konvektionskühlung ausgelegt sind, und Wasser-Trombewände, die höhere Speicherkapazität aufweisen als Beton- oder Ziegelwände.

Die Trombe-Wand ist eine schwere, dunkel gestrichene solare Speicherwand, die im Abstand von etwa 10-15cm hinter einer Verglasung angeordnet ist. Die durch den Treibhauseffekt entstehende warme Luft kann über Öffnungen direkt durch Konvektion in den dahinterliegenden Raum geleitet werden. Mit entsprechenden Klappen lässt sich die Luftumwälzung regeln bzw. schließen, damit eine umgekehrte Zirkulation verhindert wird. Die in der schwarzen Massivwand gespeicherte Wärme wird zeitlich verschoben als Strahlungwärme (Transmissione) an den Raum abgegeben. Die Trombe-Wand sollte möglichst nach Süden ausgerichtet sein, da hier die höchste und längst Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Nachteilig ist der im Vergleich zu einer TWD-Fassade relativ geringe Wärmeschutz der Wand.

Das Prinzip der Wärmeleitung kann zur natürlichen Kühlung herangezogen werden. Vielfach wird die thermische Speichermasse des gebäudeumgebenden Erdreichs dafür eingesetzt. Zum Teil ist es ausreichend, die Betonfußbodenplatte eines nichtunterkellerten Gebäudes mit dem darunterliegenden Erdreich hermetisch zu verbinden.

Weitere Maßnahmen sind das Anschütten der Außenwände mit Erdmassen, bzw. ein Teil des Hauses einzugraben. Der Erfolg der Konvektionskühlung bei diesen Erdhäusern hängt von der Erdbodentemperatur, der Erdkonsistenz, der Bodendichte und dem Feuchtigkeitsgehalt ab. Die erzielbare Kühlungsmengen sind begrenzt, da sie von der dem Erdboden ausgesetzten Fläche bestimmt wird. Die Effektivität kann durch die Kombination mit einer Konvektionskühlschleife zur Gewinnung kühler Luft geringfügig gesteigert werden.

Ein  ist Die einfachste Art der Strahlungskühlung ist ein weißes Dach, welches die Sonnenstrahlung reflektiert. Das Dach nimmt so wenig Wärmeenergie auf und speichert wenig. In der Nacht kommt es dann zum Strahlungsaustausch vom Gebäude zum Himmel.

Die dem Nachthimmel ausgesetzten horizontalen Dachflächen des Skythermhaus haben einen großen Kühleffekt. Auf dem Flachdach dieses Hauses liegen Wassersäcke von 15 – 20 cm Dicke, die oberseitig transparent und unterseitig schwarz sind. Die Säcke werden am Tage wärmedämmend abgedeckt, so dass das Wasser die Wärme aus dem Gebäudeinnern absorbiert. Nachts wird die Abdeckung entfernt, so dass die Wärme infolge Konvektion innerhalb der Säcke und durch Strahlung an den klaren Nachthimmel wieder abgegeben wird. Die abgekühlten Wassersäcke stehen am nächsten Tag wieder der Raumkühlung zur Verfügung. Eine Aufheizung durch die Tagesstrahlung wird durch die Abdeckung verhindert. Quelle: J Nothvogel