Wir haben alle die Tipps in den Zeitungen gelesen, wie wir unsere Heizkosten senken können. Drehen Sie Ihr Thermostat herunter und besorgen Sie sich ein programmierbares Gerät. Dichten Sie Ihre Luftlecks ab. Isolieren Sie Ihren Dachboden. Blah blah blah.
Es ist langweilig, aber ein wichtiger Ratschlag, denn die US-Haushalte geben im Durchschnitt etwa 960 Dollar pro Jahr aus, um sich warm zu halten. Das sind drei Monate Lebensmittelgeld für eine Familie, die Wärme in ein undichtes Sieb pumpt, das eigentlich so gebaut sein könnte, dass es viel weniger oder gar keine zusätzliche Wärme benötigt, je nach Standort und Klima.
Während also die Heizungsartikel im Stil von USA Today für diese Leser gut genug sind, sind sie für uns nicht gut genug. Ich möchte nicht nur meine Heizkostenrechnung senken, sondern sie zerstören. Mein letztendliches Ziel für jedes Haus, in dem ich mich langfristig niederlasse, ist es, dass es den ganzen Winter über keine Energie aus fossilen Brennstoffen benötigt, um es warm zu halten.
Um das Heizen zu verstehen, müssen Sie zunächst wissen, wofür Sie bezahlen. Wärme wird oft in BTUs, British Thermal Units, gemessen. 100.000 BTUs werden auf meiner Erdgasrechnung als „therm“ bezeichnet, und ein therm kostet derzeit etwa 1,00 $.
Dann müssen Sie verstehen, wie Sie Ihre Wärme verlieren. Die wichtigste Form des Wärmeverlusts in Ihrem Haus ist der Wärmedurchgangskoeffizient, auch U-Faktor genannt. Dabei handelt es sich eigentlich nur um eine Zahl, die angibt, wie undicht dieses Material ist, und die auf der Undichtigkeit einer einzelnen Glasscheibe basiert.
Ein Einfachglasfenster hat einen U-Faktor von 1. In englischen Einheiten bedeutet dies, dass jeder Quadratfuß Glas pro Stunde eine BTU Wärme entweichen lässt, und zwar für jedes Grad Fahrenheit, das Ihr Haus wärmer ist als die Außenluft.
Wenn Sie also durch ein riesiges 10×10-Fuß-Fenster (100 Quadratmeter) aus einem 70-F-Zimmer in einen tödlich kalten Schneesturm blicken, entweicht aus Ihrem Fenster 100 x 70 = 7.000 BTU pro Stunde Wärme in die Nacht. Das sind 7 Cent pro Stunde oder 50,40 $ pro Monat an Wärme aus diesem einen Fenster.
Der „R-Wert“, von dem Sie wahrscheinlich schon gehört haben, ist einfach der Kehrwert des U-Faktors. Das heißt, 1 geteilt durch U ist gleich R, und 1 geteilt durch R ist gleich U. Sie haben sicher schon von R-13-Wandisolierung gehört, oder? Der U-Faktor davon ist 1/13, also 0,08.
Mit diesem Wissen können wir den Wärmeverlust eines ganzen Hauses besser verstehen. Ein 1000 Quadratmeter großes Haus hat wahrscheinlich eine Außenfläche von etwa 2000 Quadratmetern, einschließlich des Daches. Wenn es eine Standard-Wandisolierung von R-13 hat (und in diesem Beispiel keine Fenster) und die Innentemperatur 68° C beträgt, wie viel Wärme geht an einem Tag mit 32° C verloren?
2000 Quadratfuß x 0,08 U-Faktor x 36 Grad Temperaturunterschied = 5760 BTU pro Stunde = 1,38 $ pro Tag.
„Hey, das ist eine ziemlich günstige Gasrechnung für ein ganzes Haus in einem ziemlich kalten Klima“, sagen Sie. Aber warte, es kommt noch besser.
Stellen Sie sich vor, dieser Haushalt verbraucht die gleiche Menge an Strom wie ich, etwa 299 Kilowattstunden pro Monat, was einem durchschnittlichen Dauerverbrauch von 415 Watt entspricht. Wie viel Wärme wird dem Haus durch diesen Stromverbrauch zugeführt? Die Antwort lautet 1416 BTU pro Stunde.
„Was? Sie sprachen gerade von Heizung und jetzt von Strom – sind das nicht zwei verschiedene Dinge?“.
Nein, es hat sich herausgestellt, dass sie tatsächlich direkt miteinander verbunden sind. Fast der gesamte Strom, den Sie in Ihrem Haus verbrauchen, wird mit 100 %iger Effizienz in Wärme umgewandelt. Ihre Glühbirnen geben Wärme und Licht ab, und das Licht wird im Raum reflektiert und schließlich von den Wänden absorbiert und ebenfalls in eine winzige Menge Wärme umgewandelt. Das Gleiche gilt für Ihre Geräte, Ihren Computer usw.
Das bedeutet, dass jeder Strom, den Sie während der Heizperiode verbrauchen, einen Teil Ihrer Wärme liefert und die Menge, die Ihr Ofen liefern muss, reduziert. Die einzige Ausnahme von dieser Regel sind Elektrogeräte, die ihre Abwärme nach draußen ableiten, wie Wäschetrockner oder Außenlampen. Aber wir benutzen doch keine Wäschetrockner, oder?
Kehren wir also zu dem 1000 Quadratmeter großen Haus zurück. Es braucht 5760 BTU pro Stunde, um warm zu bleiben, und 1416 dieser BTUs stammen allein aus dem Strom, den Sie verbrauchen, während Sie dort wohnen. Sie brauchen also immer noch den Ofen, um warm zu bleiben.
Aber was wäre, wenn wir die Wand- und Dachisolierung auf R-53 erhöhen würden? Damit vervierfacht sich die Dämmung, was den Wärmeverlust um das Vierfache reduziert. Und raten Sie mal – Sie haben ein sich selbst heizendes Haus!
Praktisches Beispiel: Der Dachboden dieses Hauses ist 1000 Quadratmeter groß. Wir wollen die Isolierung von R-13 auf R-53 vervierfachen. Um die zusätzlichen R-40 zu erreichen, müssten Sie einfach etwa 12 Zoll Zellulosedämmung einblasen. Dafür bräuchte man 61 Säcke des Materials, das vor Steuergutschriften 610 Dollar kostet.
Wenn Sie Ihren Dachboden für 610 Dollar isolieren, sparen Sie in dieser Situation etwa 15 Dollar pro Monat an Heizkosten – 60 Dollar pro Jahr bei einer viermonatigen Heizperiode. Außerdem wird dadurch der Verbrauch Ihrer Klimaanlage gesenkt. Das ist also eine jährliche Rendite von mindestens 12 %, und zwar für immer.
Das selbstheizende Haus ist der heilige Gral der Hausheizung, und auf diese Weise könnten Häuser in vielen Teilen der USA gebaut werden, um ihre Heizkosten im Winter zu senken. Bei richtiger Planung wären die Kosten für die zusätzliche Isolierung im Vergleich zu den Energieeinsparungen gering. Änderungen wie diese sind in der Tat in Sicht – die internationalen Bauvorschriften von 2003 und 2007, die die meisten Städte und Gemeinden für alle Neubauten übernommen haben, enthalten viel höhere Isolierungsstandards, was bedeutet, dass glückliche Hauskäufer in Zukunft viel niedrigere Kosten haben werden.
Nun, mein Beispiel war etwas albern, denn das Haus war nur ein einfacher rechteckiger Kasten von 25×40 ohne Fenster. Was wäre, wenn wir Fenster hinzufügen?
Gute Fenster mit Doppelverglasung haben einen U-Faktor von etwa 0,3. Wenn das Beispielhaus acht 3×5-Fenster hat (insgesamt 120 Quadratmeter Glas), bedeutet dies einen Wärmeverlust von etwa 1296 BTU pro Stunde. Oje! Das ist fast die gesamte kostenlose Wärme, die wir durch unseren Strom erhalten! Wie können wir das ausgleichen? Zum Glück haben die Fenster auch eine gute Nachricht.
Nehmen wir an, die klugen Planer dieses Hauses haben zwei Drittel der Fenster auf der Südseite des Hauses angebracht. Die Sonne scheint im Durchschnitt fünf Stunden pro Tag in diese Region und liefert 1000 Watt pro Quadratmeter (90 Watt pro Quadratfuß) hauptsächlich auf die Seite des Hauses. Die Fenster lassen eine bestimmte Menge dieser Wärme ins Haus, die sich nach ihrem solaren Wärmegewinnkoeffizienten richtet, der normalerweise bei 0,3 oder 30 % liegt.
Auf der Südseite befinden sich 80 Quadratmeter Glas, die mit 90 Watt pro Quadratmeter beleuchtet werden, und 30 % der Wärme gelangt ins Haus. Das sind 2160 Watt Wärme für fünf Stunden, oder 36.850 BTU Wärme pro Tag, die ins Haus scheint. Über die 24 Stunden eines Tages gerechnet, kommen allein durch die nach Süden ausgerichteten Fenster 1535 BTU pro Stunde an Wärme in Ihr Haus.
Die Lehre daraus ist: 2/3 der Fenster sind der Sonne zugewandt, was den gesamten Wärmeverlust des Hauses durch alle Fenster mehr als ausgleicht!
Faustformel: Jedes 3×5-Fenster, das nach Süden ausgerichtet ist, bringt Ihnen etwa 2 $ pro Monat an kostenloser Wärme (in einem mäßig sonnigen Klima).
Sie können die Leistung Ihrer Fenster drastisch verbessern, indem Sie sie mit Rollläden oder Vorhängen versehen. Öffnen Sie sie, wenn die Sonne scheint, und schließen Sie sie nachts und sogar an bewölkten Tagen, wenn Sie möchten. Ein eng anliegender Vorhang oder ein Wabenrollo, oder noch besser ein Satz Innenjalousien, kann den Wärmeverlust durch die Fenster noch einmal halbieren. Denken Sie nur daran, sie wieder zu öffnen, wenn die Sonne ins Fenster scheint.
Das letzte, was Sie leicht kontrollieren können, ist die Innentemperatur. Wie wir oben gesehen haben, hängt der Wärmeverlust Ihres Hauses vollständig von der Differenz zwischen der Innen- und der Außentemperatur ab.
Angenommen, ich lebe in San Francisco, wo die durchschnittliche Wintertemperatur (Tag und Nacht) bei moderaten 50 Grad Celsius liegt. Wenn ich mein Haus auf 50 Grad halte, muss ich absolut nicht heizen, um es warm zu halten. Wenn Sie Ihr Haus auf 70 Grad halten, brauchen Sie etwas Wärme, und wenn jemand zwischen uns 60 Grad mag, wird er genau die Hälfte der Wärmemenge verbrauchen, die Sie verbrauchen.
Wenn Sie also die Innentemperatur senken, sparen Sie etwas Geld. Selbst wenn Sie die Temperatur nur für ein paar Stunden senken, während Sie spazieren gehen oder bei der Arbeit sind, sparen Sie Wärme, weil Sie den durchschnittlichen Unterschied zwischen Innen- und Außentemperatur verringern.
In meinem Klima beträgt die durchschnittliche Tages-/Nachttemperatur im Januar 30 Grad. Wenn ein durchschnittlicher Mensch sein Haus bei 72 F hält (ein Unterschied von 42 Grad), und ich meins bei 67 F halte (ein Unterschied von 37 Grad), wird meine Gasrechnung etwa 12 Prozent niedriger sein als seine. Wenn ich meinen Durchschnitt weiter senke, indem ich die Temperatur in der Nacht auf 60° C senke, kann ich weitere 8 % sparen.
Lektion: Wenn Sie Ihr Haus tagsüber bei 67° C und nachts bei 60° C betreiben, sparen Sie etwa 20 % Ihrer Gasrechnung im Vergleich zu einem Haus, das rund um die Uhr bei 72° C läuft.
Damit haben wir die drei wichtigsten Punkte abgedeckt: Isolierung, Sonneneinstrahlung und Fensterverluste sowie die Innentemperatur. Mit der richtigen Kombination dieser drei Dinge und einer ausreichenden thermischen Masse, um die Temperatur angenehm und konstant zu halten, können Sie ein selbstheizendes Haus haben.
Das Haus der Familie MMM ist nicht gerade einfach zu beheizen, daher hat es diesen Status noch nicht erreicht, aber ich bin auf dem Weg dahin. Es ist etwa 2600 Quadratmeter groß, wovon 1800 über dem Boden liegen. Es gibt etwa 30 Außenfenster und -türen, von denen einige ziemlich groß sind, und sie sind (noch) nicht so gut für das Einfangen von Sonnenwärme optimiert. Und vor allem beherbergt es eine Frau indischer Abstammung und einen kleinen Jungen, die beide ziemlich unglücklich werden, wenn die Innentemperatur tagsüber unter 19,5 Grad Celsius fällt.
Ich habe diese Änderungen bisher vorgenommen und die ungefähren jährlichen Einsparungen in Dollar daneben aufgeführt:
20 Säcke Einblasdämmung auf dem Dachboden: $25
Isolierung des Doppelgaragentors aus Stahl: $25
Verwendung von 10 isolierten Fensterläden, um die Fenster im zweiten Stock jede Nacht zu schließen: $50
Öffnen der Rollläden an 6 großen, nach Süden ausgerichteten Fenstern, um die Sonneneinstrahlung abzufangen: $50
Abdecken großer, selten genutzter Kellerfenster mit abnehmbaren, isolierten Stöpseln im Winter: $20
Senken der Innentemperaturen, insbesondere nachts: $80
Die Gesamteinsparungen belaufen sich bisher auf etwa 250 Dollar pro Jahr, was bedeutet, dass die Heizkostenrechnung 650 Dollar pro Jahr betrug, als wir hier einzogen, und jetzt 400 Dollar. Das ist eine Senkung um 40 %. Ein Teil der verbleibenden 60 % lässt sich so ausgleichen:
150 Quadratmeter Sonnenschutzglas auf der Südseite (fast kostenlos aus einem Geschäft für recycelte Baumaterialien): $80
Viel mehr Isolierung in dem Teil des Dachbodens, zu dem ich noch nicht gekommen bin: $50
Isolierte Fensterläden für die verbleibenden großen Fenster: $50
Solarkollektor auf dem Dach für Warmwasser und Solarstrahlungswärme: $50.
Damit halbiert sich die Rechnung wieder auf 200 Dollar pro Jahr. Aber danach gehen mir die Ideen aus. Unser derzeitiges Haus ist von vornherein nicht energieeffizient gebaut, so dass es schwierig ist, es vollständig selbst zu heizen. Weitere Änderungen könnten vorgenommen werden, aber sie würden exotischer werden und somit mehr kosten, als sie an Einsparungen bringen. Ein zukünftiges Haus von uns wird jedoch eines Tages aus den Beschränkungen dieses Hauses lernen und von Anfang an mit natürlicher Wärme ausgestattet sein. Vielleicht wird es Ihres auch!
Update: Dieser Artikel wurde bereits 2011 geschrieben. Ein paar Jahre später zogen wir in ein „neues“ Haus (eigentlich ein Haus von 1959, das ich gekauft und dann fast von Grund auf neu gebaut habe). Es ist ein kleineres Haus mit einer viel besseren Ausrichtung zur Sonne, und ich habe alle in diesem Artikel beschriebenen Prinzipien angewendet. Das Ergebnis ist, dass es viel näher am Optimum ist, fast die gesamte Wärme umsonst bekommt und im Sommer nicht gekühlt werden muss. Ein wahr gewordener Traum für Ingenieure und Naturliebhaber, denn von den meisten Zimmern aus hat man nur Sonne und Bäume im Blick.
Bonuspunkte: Nachdem ich mit diesem Artikel nur an der Oberfläche gekratzt habe, haben die Leser in den Kommentaren unten eine Reihe weiterer nützlicher Energiespartechniken gepostet. Schauen Sie sich diese an, um mehr zu lernen, insbesondere den Kommentar von Brian M. über das Abdichten von Lecks in einem älteren Haus. Luftlecks sind sogar noch wichtiger (und billiger zu beheben) als die Isolierung, wenn Sie also noch welche haben, sollten Sie sie reparieren.