Über Tausende von Jahren vor dem Aufkommen der Klimaanlage nutzten die Baumeister in den heissen, trockenen Regionen der Welt lokale Schwankungen der Temperatur von Tag zu Nacht, indem sie schweres Mauerwerk als THERMISCHE MASSE verwendeten.
Thermische Masse ist die Fähigkeit eines Materials, Wärmeenergie aufzunehmen und zu speichern. Es wird viel Wärmeenergie benötigt, um die Temperatur von hochdichten Materialien wie Beton, Ziegel und Fliesen zu verändern. Die Temperatur z.B. einer Steindecke ist nicht einheitlich; es kann ein Unterschied von zwei oder drei Grad zwischen der Kerntemperatur und der Oberflächentemperatur geben. Die Temperaturschwankung ist normalerweise in einer Aussenwand grösser. Temperaturschwankungen bewegen sich langsam durch das Material. Diese Materialien sollten daher eine hohe thermische Masse aufweisen. Leichte Materialien wie Holz haben eine geringe thermische Masse.
Indem die thermische Masse des Innenraums des Gebäudes der kühlen Nachtluft ausgesetzt wird (Nachtkühlung), kann das Innere des Gebäudes leichter während des Tages kühl gehalten werden. In der Vergangenheit wurden hohe Decken verwendet, um warme Raumluft über die bewohnte Zone zu erheben. Schattige (im Stadtpalast in Jaipur, Indien) oder leitende Luftwege (in der Alhambra in Spanien) wurden geschaffen.
Höfe, die in Gebäuden die Quelle der natürlichen Belüftung für das Innere des Gebäudes waren, hatten Wasserbecken oder Springbrunnen, um die Luft zu kühlen. Hassan Fathy beschreibt komplexe Arrangements zum Kühlen der oberen Innenböden, indem man Luft durch kühle Keller oder unterirdische Gewölbe fliessen lässt. 'SOLARGEWINN' ist die Wärme, die durch Sonneneinstrahlung durch Verglasung erzeugt wird, dadurch kann eine hohe Innentemperatur auftreten. In der Vergangenheit, in heissen Ländern, war das Tageslicht über reflektiertes Licht (indirekte Sonneneinstrahlung), um Überhitzung zu verhindern. Ein DACHÜBERHANG ist vielleicht die älteste Technik zur Reduzierung von SOLARGEWINN, während trotzdem ein vernünftiges Mass an natürlichem Licht ermöglicht wird. Mit unser nördlichen Breite ist ein DACHÜBERHANG pro Etage erforderlich.
BLENDUNG, die Wirkung eines extremen visuellen Kontrasts, der durch niedrige oder reflektierte Sonnenstrahlen durch Verglasung erzeugt wird, muss ebenfalls vermieden werden. Besonders problematisch ist es an Ost- und Westfassaden. Externe Jalousien geben hervorragenden Schutz vor Blendung, sowie Reduzierung (aber nicht Beseitigung) von Solargewinn. Ihre Verwendung während des Tages benötigt allerdings künstlicher Beleuchtung, die Energie verbraucht. LICHTREGALE helfen, den Solargewinn zu reduzieren und das Tageslicht tief in den Raum zu führen. VERTIKALE BESCHATTUNG blockiert das direkten Sonneneinstrahlung, ohne das Tageslicht deutlich zu reduzieren. Das VERGLASUNGSVERHÄLTNIS des Gebäudes ist ein wichtiger Faktor für den Solargewinn. Eine Verringerung der Verglasung schränkt jedoch oft die Freiheit der Architekten in Bezug auf Fassadengestaltung und Tageslicht ein. DOPPELFASSADEN enthalten Schattierungselemente, um Blendung und Sonneneinsatz zu reduzieren. HOCHLEISTUNGSGLAS spiegelt die Sonnenwärme wider, während trotzdem Licht in das Gebäude gelangen kann.
Wo die Fassade nicht komplett aus Glas besteht, kann die POSITION DER VERGLASUNG zur Steuerung des Solargewinns verwendet werden. Oberlicht-Verglasung kann in Verbindung mit einem Dachüberhang verwendet werden, um Blendung sowie Solargewinn zu reduzieren. Diese Strategie ist in Computerräumen von Vorteil.
Ein Niedrigenergie-Gebäude wird in der Regel ein umfangreiche GEBÄUDELEITSYSTEM benötigen. Bei solche Gebäude ist die Herausforderung des Steuerungs nicht zu unterschätzen. Die Gestaltung des GLS kann daher nicht dem gewählten GLS-Lieferanten überlassen werden.
Passivbauleistungen, genauer gesagt, die Betrachtung und Ausnutzung der passiven Eigenschaften von Materialien, sollte nicht als zusätzlicher und negierbarerer Bestandteil des Entwurfs angesehen werden.
Das fertige Gebäude wird zum Mikroklima; es wirft grosse Schatten; Solarenergie verursacht Luftdruckänderungen und Luftbewegung als Räume Hitze und Kälte. Die mechanischen und elektrischen Anlagen, die den Komfort der Insassen garantieren sollen, können gegen die passiven Eigenschaften des Gebäudes arbeiten, die zu Zugluft, Feuchtigkeit, Überhitzung, kalten Flächen, Trockenheit oder schlechter Luftqualität führen. Die mechanischen und elektrischen Dienstleistungen müssen in das Passivhaus integriert werden. Der Dienstleister muss daher die passiven Attribute des Gebäudes verstehen.
Gebäudesimulierung
Simulation kann Temperatur, Luftbewegung, Tageslichtniveau, Blendung und Energieverbrauch in einem Gebäude vorhersagen. Eine vorläufige Simulation kann mit einer Kalkulationstabelle durchgeführt werden, in der Regel wird aber von uns ein spezielles Computer-Softwarepaket durchgeführt. Wir verwenden seit mehr als 23 Jahren Gebäudesimulationssoftware und finden es ein sehr nützliches Werkzeug, um die genaue Wirkung von z.B. Solar-Gewinn auf die Innentemperatur, oder die Wirkung und Effizienz der Luft-Transfer-Strategien zu zeigen. Wir sind uns auch bewusst, dass, wenn falsche oder unangemessene Daten in das Programm eingegeben werden, die Ergebnisse verwirrend oder irreführend sind.
Baukonzepte müssen zwischen Ingenieur und Architekt so weit wie möglich vor der Simulation entwickelt werden, da eine übermässige Abhängigkeit von der Computersimulation zu eindeutigen und monotonen Gebäuden führen kann. Das komplexeste Computerprogramm ist kein Ersatz für menschliche Kreativität und Erfahrung.
Unsere Erfahrung in frühen Niedrigenergie-Bürogebäuden wie der Steinstrasse 101, Potsdam (K + K Architekten, 1995), die mit dem Einsatz von Gebäudesimulationssoftware entworfen wurde, bedeutet, dass wir aus erster Hand sowohl die Kraft als auch die Einschränkungen von solcher Software erfahren habe. Wir sind auch in verschiedenen Bauleistungsarbeitsgruppen, dem Bundesamt für Energie und verschiedenen Kantonen engagiert. Dies führt zu u.a. unserem Wissen über die Erfolge und Misserfolge verschiedener älterer Energiespartechniken.
Dennoch ist die Simulation ein wesentliches Instrument für die Konstruktion. Wir haben sogar Simulationen für Leichtbauten verwendet, um mittelgrosse Bauplatten zu dimensionieren und zu positionieren, um thermische Masse zu erzeugen, und externe Lamellen, um Licht zu ermöglichen, aber keinen Sonneneinsatz auszuschliessen und somit die Notwendigkeit einer Klimaanlage zu vermeiden.
Tageslicht- und Schattierungssimulation
In städtischen Gebieten kann eine grosse Anzahl von vorhandenen Eigenschaften an den Standort angrenzen. Unsere Tageslicht- und Schattierungssimulationen veranschaulichen Sonnen- und Schattierungsmuster im Sommer und Winter. Die frühzeitige Simulation des Gebäudes ermöglicht es dem Architekten, eine Vielzahl möglicher Baugrundstücke und Gebäudehöhen zu erkunden, um Überschatten- und Tageslicht-Effekte auf benachbarte Gebäude zu ermitteln.
Eine solche Simulation kann auch die Tageslichtdurchdringung in Höfen und in die einzelnen Blöcke untersuchen, um die Wirkung von Tageslicht und Sonnenlicht für die Gebäudebewohner und Benutzer zu maximieren. Unsere Simulationen wurden in vielen Planungsanwendungen eingesetzt, um die Befürchtungen der Planungsbehörden und Nachbarn über das Überschatten zu lindern.
Nicht nur 'Minergie' Gebäude, sondern jedes Gebäude, hat passive Attribute, die den Energieverbrauch und Insassenkomfort im Gebäude beeinflussen. Jedes Material im Gebäude hat Eigenschaften der Lichtreflexion, Absorption und Freisetzung von Wärme und Absorption und Freisetzung von Feuchtigkeit. Der Gebäudetechniker sollte, wenn er schon nicht in der Auswahl dieser Materialien involviert ist sich zumindest über die Auswahl dieser Materialien und ihrer Eigenschaften bewusst sein.
Da unser Region wegen ihrer geographischen Lage und ihrer Berge viele Sonnenstunden (auch im Winter) und niedrige Nachttemperaturen (auch im Sommer) hat, ist sie ein idealer Gegend, um natürliche Energien zu nutzen, um gemütlicher Bedingungen zu bieten und dabei so wenig wie möglich "externe" Energie verbrauchen zu müssen.
Zu unserer Philosophie gehört, dass die Gestaltung der "Rohre und Drähte" das Passivgebäude nur ergänzen und nicht dominieren sollte, um eine leicht steuerbare Integration von passiven und aktiven Systemen zu ermöglichen. Bei der Entwicklung neuer Gebäude oder bei der Optimierung bestehender Gebäude nutzen wir bewusst passive Attribute. Diese Attribute geben dann die Grundkomfortbedingungen im Gebäude. Mechanische und elektrische Systeme unterstützen sie bei Bedarf. Das GEBÄUDEVOLUMEN (lang und schmal, quadratisch usw.) bestimmt, wieviel Tageslicht und frische Luft in das Gebäude eindringen können. RAUMHÖHEN und -TIEFEN haben einen erheblichen Einfluss auf die natürliche Belüftung und Tageslichtung. Diese müssen im frühesten Stadium des Entwurfs berücksichtigt und berechnet werden, sonst ist eine natürliche Belüftung und Tageslichtung nicht möglich. Die VERGLASUNG des Gebäudes, die ein wichtiger Faktor für den Sonneneinstrahlung sind, muss ausgewählt und entworfen werden, um übermässige Temperaturen oder Kühllasten zu vermeiden. Die Position und Orientierung (Norden, Süden, Osten, Westen) der verglasten Flächen können zur Steuerung des Sonneneinstrahlungs genutzt werden. Oberlicht-Verglasung kann in Verbindung mit einem Dachüberhang verwendet werden, um Blendung sowie Sonneneinstrahlung zu vermeiden. Diese Strategie kann z.b. in Computerräumen genutzt werden. Die PLANUNG DER FENSTERÖFFNUNGEN kann einen bedeutenden Einfluss auf den Erfolg einer natürlichen Lüftungsstrategie haben. Es kann angebracht sein, Öffnungen an verschiedenen Höhen zu plazieren.
PERMAVENTS können Teil des Fensterdesigns sein und eine ausreichende Belüftung im Winter gewährleisten, auch wenn die Fenster geschlossen sind. Sie können durch passive Thermostate gesteuert werden, die dieselbe Technologie wie thermostatische Heizkörperventile verwenden. KLAPPEN (hand oder motorisiert) könne feiner gesteuert werden als Fenster; sie können für Lufteinlass oder Auslass verwendet werden; z.B. als Einlässe hinter Kühlerplatten. Wir verwenden Handberechnungen und Tabellenkalkulationen, um die passenden Dimensionen und Eigenschaften der passiven Elemente des Gebäudes im Frühstadium des Projekts abzuschätzen. Wenn die Form und das Volumen des Gebäudes klar geworden sind, verwenden wir die Software GEBÄUDE SIMULATION, um die Bedingungen innerhalb des Gebäudes im Detail zu überprüfen und Überschattungsmuster der benachbarten Gebäude zu erzeugen.