Solare Architektur – Forschung und Entwicklung

: Integration Röhrenkollektor in die Fassade, Horizontalschnitt Modell

Den globalen Klimawandel einzudämmen zählt zurzeit zu den größten Herausforderung der Menschheit. Gebäude sind für ca. 45 % des Weltenergieverbrauchs und somit für einen Großteil des CO₂-Ausstoßes verantwortlich. Eine Klimakatastrophe kann nur abgewendet werden, wenn auch Gebäude in der Lage sind, weniger Energie zu verbrauchen, erneuerbare Energien zu nutzen und im besten Fall über ihren eigenen Bedarf hinaus Energie produzieren. Dieser Paradigmenwechsel wird aber nur dann zeitnah eintreten, wenn einem signifikanten Teil der industrialisierten Welt attraktive Alternativen zur Verfügung gestellt werden. Wahllos auf Dächer montierte Photovoltaikanlagen oder thermische Solarkollektoren sind abschreckend und werden der Einführung erneuerbarer Energien langfristig schaden.

Solares Bauen ist nicht nur als technisches, sondern vor allem auch als architektonisches Thema zu verstehen. Daher beschäftigen sich das Institut für Baukonstruktion und Entwerfen, Lehrstuhl 2 und das IBK Forschung + Entwicklung der Universität Stuttgart mit der Konzeption und Durcharbeitung innovativer Gebäudekomponenten. Der integrative Ansatz ist dabei stets ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Leistungsfähigkeit– sei es in der Integration der Windenergienutzung in Hochhäusern oder der Entwicklung einzelner Bauteilkomponenten wie etwa dem transparenten Flachkollektor, der sowohl solare Energie sammelt als auch passiv Sonnen- und Blendschutzfunktionen übernimmt. Für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist die Natur eine unerschöpfliche Quelle der Inspiration. Daher wird am Institut intensiv auch auf dem Gebiet der Bionik geforscht. Das Spektrum reicht von der menschlichen Haut, die nicht nur eine Hülle, sondern auch ein aktives Temperaturausgleichs- und Atmungsorgan ist, bis hin zu Bauten von Tieren wie Termitenhügel, dieeine hochkomplexe »Fassade« besitzen.

Unsere Vision sind Gebäude, die mehr Energie einsammeln, als sie verbrauchen und dafür verstärkt ihre Oberflächen aktivieren. Dabei geht es darum, eine aktive Energiefassade zu schaffen, die nicht nur in Bezug auf Dämmung, Verschattung und aktive Nutzung solarer Baukomponenten leistungsfähiger sein muss als bisherige Systeme; gleichzeitig muss sie auch bessere Komfortbedingungen schaffen und ästhetischen Ansprüchen genügen.

Architektonische Integration von Solarthermie in Fassaden von Bürogebäuden

Der Nichtwohnungsbau, insbesondere der Büro- und Verwaltungsbau, beginnt sich erst seit kurzem für thermische Solaranlagen zu interessieren – nicht zuletzt aufgrund des damit verbundenen Imagegewinns. Da in solchen Gebäuden relativ wenige Dachflächen zur Verfügung stehen, müssen diese in die Fassade integriert werden. Nur dort sind solarthermische Anlagen von außen und zum Teil auch von innen sichtbar. Ziel ist es, in Büro- und Verwaltungsbauten solarthermische Energie zur Trinkwassererwärmung, zur solaren Kühlung oder auch zur Heizungsunterstützung zu nutzen.

Der »Evolutionssprung« von einem rein technisch-funktionalen Element zu einem architektonisch zufriedenstellenden Bauteil steht allerdings noch aus. Eine ähnliche Entwicklung haben Photovoltaikanlagen hinter sich. Im Gegensatz zur Solarthermie haben diese aber den Sprung in die Architektur inzwischen geschafft. So gibt es eine große Zahl preisgekrönter Bauten (meist Verwaltungsgebäude), bei denen Photovoltaikanlagen erfolgreich in der Gebäudehülle eingesetzt werden. Bezüglich der Photovoltaik werden auf politischer Ebene deutliche Signale gesetzt, die eine aktive Solarenergienutzung in der Gebäudehülle unterstützen. Der im Moment vorliegende Entwurf zum EEG (Erneuerbare-Energien-Gesetz) bringt zum Ausdruck, dass gebäudeintegrierte Anlagen eine erhöhte Vergütung und fassadenintegrierte Systeme den Höchstsatz bekommen. Sollte es ein neues EEG in Bezug auf Solarthermie geben, so werden auch hier die fassadenintegrierten Systeme bevorzugt werden.

Entsprechend den Modulen einer Photovoltaikanlage sind es auch bei solarthermischen Systemen die Kollektorflächen, die optisch in Erscheinung treten. Für sie sind prinzipiell dieselben Flächen in der Gebäudehülle geeignet, wobei eine Teilabschattung der Kollektoren nicht von so großer Bedeutung ist wie bei Photovoltaikmodulen.

Flachkollektoren

Für Flachkollektoren gibt es bereits Systeme, die eine Integration in die Gebäudehülle ermöglichen. Eine Integration von Vakuumröhren existiert hingegen bislang noch nicht, obwohl sie aufgrund ihrer ästhetischen Struktur große Potenziale für Gebäudefassaden bietet.

Ziel des Forschungsvorhabens an der Universität Stuttgart ist die Entwicklung eines Fassadenbauteils, welches die Funktionen Sonnenschutz, Energiegewinnung und Tageslichtnutzung übernimmt und in Fassadensystemen vollständig integriert werden kann. Der Fassadenkollektor basiert auf einer von der Schott-Rohrglas GmbH für Sonnenkollektoren entwickelten Vakuumröhre. Die Fassadenpfosten übernehmen neben ihrer konstruktiven Funktion die Aufgabe eines Sammlers. Wichtig hierbei ist es, die einwandfreie technische Funktion, hohe Zuverlässigkeit, Wartungsfreundlichkeit und flexible Gestaltungsmöglichkeiten mit architektonischer Qualität zu verbinden. Daher soll eine neuartige Kollektorfassade entstehen, die bei gleichzeitiger Gewinnung von Energie auch die Lichtwirkung im Innenraum beeinflusst.

Die gewählte Vakuumglasröhre hat dank ihres integrierten Spiegels geometrische Vorteile und kann ohne nennenswerte Effizienzeinbußen problemlos auch in eine vertikale Fassade eingebaut werden. Die Röhre wird dort so gedreht, dass der integrierte Spiegel optimal zur einfallenden Strahlung ausgerichtet ist. Untersuchungen zur Fassadeninte gration werden sowohl mit Elementfassaden als auch mit Pfosten-/Riegel-Fassaden durchgeführt.

In eine Glasfassade integriert kann die Vakuumröhre unterschiedlichste Funktionen übernehmen, etwa die Energiegewinnung für Warmwasserbereitung bzw. Raumheizung oder solare Kühlung. Sie kann durch die Teilverspiegelung der Röhren als Sonnenschutz, dank ihrer transparenten Bauweise aber auch zur Tageslichtnutzung eingesetzt werden. Mit dem so genannten Kammprinzip kann das Fassadensystem darüber hinaus an unterschiedliche Raster angepasst werden. Zur Überprüfung des optischen Erscheinungsbildes entstand ein Fassadenmodell im Maßstab 1:1, welches die Bereiche mit 100 % und 50 % Belegung zeigt.

Energetische Bewertung

Die energetische Optimierung und Bewertung des Fassadensystems erfolgt anhand theoretischer Betrachtungen (Ray-Tracing), Messungen unter Außenbedingungen und Simulationsrechnungen. Jahresenergieerträge des Fassadensystems von bis zu 500 kWh/m²a mit Bezug auf die Aperturfläche und bis zu 340 kWh/m²a mit Bezug auf die Brutto-Fassadenfläche zeigen sein viel versprechendes energetisches Potenzial auf.

Bei der Verwendung der außen liegenden Vakuumröhren im Fassadensystem beträgt der Energieeintrag in Bezug auf die Aperturfläche beispielsweise 490 kWh /m² a, für die Warmwasserbereitung in Ein- und Mehrfamilienhäusern 380 kWh /m²a, für zusätzliche Raumheizung in Ein- oder Mehrfamilienhäusern und in Bürogebäuden, in denen außerdem noch solare Kühlung betrieben wird 280 kWh /m²a (Simulation Solites, Stuttgart).

Konstruktive Parameter

Wesentlicher konstruktiver Parameter des Fassadensystems mit Einfluss auf dessen Energieertrag ist zum einen der Rasterabstand zwischen zwei Röhren, über den im Wesentlichen der Sonnenschutz bzw. der verbleibende Anteil an Tageslichteinfall beeinflusst werden kann. Zum anderen der Röhrenanstellwinkel, d. h. das Maß, um welches das Spiegelhalbrund der Vakuumröhre aus einer vertikalen Fassadenposition verdreht wird, um Solarstrahlung auch bei höheren Sonnenständen zu empfangen. Dabei nimmt der spezifische Energieertrag mit Bezug auf die Brutto-Fassadenfläche direkt mit zunehmendem Röhrenabstand ab. Das Fassadensystem mit Vakuumröhren erbringt bei Bezug auf die Aperturfläche einen um ca. 35 % höheren Energieertrag als eine effiziente Flachkollektor-Fassade. Dieser Vorteil beruht im Wesentlichen auf der Möglichkeit, die Vakuumröhren gegen die Horizontale anzustellen.

Letztendlich unterliegt die Wahl der geometrischen Parameter des Fassadensystems der energetischen Optimierung oder den Anforderungen, die sich aus gestalterischer Sicht bzw. bezüglich der Belange der Nutzung als Verschattung ergeben. Die Ergebnisse zeigen, dass das Fassadensystem mit angestellten Vakuumröhren ein ausreichend flexibles Konzept darstellt, welches diesen Aspekten gerecht werden kann.

: 2 maximaler Energieeintrag der Vakuumröhren durch variable Ausrichtung
3 Integration Röhrenkollektor in die Fassade, Vertikalschnitt Modell

Forschungsprojekt »E²-Fassade«

Bisher werden Fassaden immer noch sehr stark in einzelnen Komponenten betrachtet und entwickelt. Qualitativ und quantitativ nicht aufeinander abgestimmte Bauteile wie Fassadenprofile, Füllelemente, Sonnenschutz oder Kollektoren werden von unterschiedlichen Herstellern angeboten und müssen von Planern mit hohem Aufwand zu komplexen Hüllsystemen kombiniert werden. Mit dem Forschungs- und Entwicklungsprojekt »E²-Fassade« werden in enger Zusammenarbeit mit der Firma Schüco neue Bauteilkomponenten für eine energieoptimierte Fassade entwickelt, welche formal so in das Fassadensystem integriert sind, dass sie optisch eine homogene Einheit bilden. Einzelne Elemente werden dabei hinsichtlich Abmessungen und Materialverbrauch auf ein Minimum reduziert. Folgende Punkte charakterisieren das Konzept:

1. Nicht sichtbare Integration öffenbarer Fensterflügel in Pfosten-/Riegel-Fassaden
Die energetischen und physiologischen Vorteile natürlicher Lüftung sowie die psychologischen Vorteile eines öffenbaren Fensters – etwa der direkte Bezug zur Außenwelt – sind unumstritten. Daher muss das »Öffnen « der Fassade so angenehm und einfach wie möglich sein. Die notwendige Technik und die Fensterrahmen sollten gleichzeitig nicht zu unproportionierten massigen Bauelementen führen.

Die konsequente Automation aller Öffnungsarten mit verdeckt liegenden Systemantrie ben in Pfostenbreiten von ca. 8,5 cm ermöglichen maximale Freiheitsgrade für das Design der Fassade. Dabei sind alle Antriebe in die Gebäudeleittechnik eingebunden und sorgen für eine intelligente, zentrale oder dezentrale Ansteuerung, z. B. bei Nachtauskühlung, individueller Öffnung oder automatischer Lüftung – ein wesentlicher Baustein für eine optimierte Energiebilanz. Die Bedienelemente zur Steuerung der individuellen Funktionen der Fassade sind in dem jeweiligen Fassadenelement integriert. So kann der Nutzer die dem jeweiligen Element zugeordneten Funktionen wie natürliches Lüften und Sonnenschutz unmittelbar am Fassadenelement steuern.

2. Sonnenschutz
Ein effektiver Sonnenschutz ist für jede Glasfassade Voraussetzung, wobei der außenliegende Sonnenschutz hierbei die sinnvollste Lösung darstellt. Aufgrund der Anfälligkeit gegenüber Witterungseinflüssen wie Wind, Schnee oder Schmutz haben filigrane Verschattungen aus textilen Materialien oder Lamellen aber oft den Nachteil, dass sie schon bei geringen Windgeschwindigkeiten einfahren müssen und somit an sonnigen Tagen mit Wind eine Überhitzung des Gebäudes eintritt. Als Hochleistungssonnenschutz wurde daher eine Mikrolamelle entwickelt, welche eine zuverlässige Verschattung bei Windgeschwindigkeiten bis zu 30 m/s – dies entspricht ca. 100 km/h – gewährleistet. Damit ist auch ein außenliegender Sonnenschutz selbst für Hochhäuser realisierbar. Die Mikrolamellen wurden flächenbündig und verdeckt liegend in die Fassade integriert und seitlich in den Deckschalen der Pfosten geführt. Die Walze wird von außen unsichtbar im Deckenstoß integriert. Dadurch ist der Sonnenschutz in eingefahrenem Zustand weder von außen noch von innen sichtbar. In ausgefahrenem Zustand erlauben die Mikrolammellen dem Nutzer einen Außenbezug, der bei den bisherigen Systemen oftmals fehlte.

: E2-Fassade, Systemaufbau

3. Energiegewinnung
Die thermische Solarenergie dient in naher Zukunft in Verbindung mit Absorptionskältemaschinen auch zur Kühlung des Gebäudes und stellt damit einen der wichtigsten Faktoren der alternativen Energieerzeugung dar. Somit kann die Gebäudehülle in Zukunft neben Strom auch Wärme und die oftmals noch wichtigere Kühlung selbst erzeugen. Das Gebäude wird zum Energiesammler. Hierzu wurde ein durchsichtiger Flachkollektor entwickelt, welcher auch den Bezug nach außen zulässt.

4. Dezentrale Lüftungstechnik
Die zunehmende globale Erwärmung wird die temporäre Kühlung von gewerblich genutzten Bauten nahezu unumgänglich machen – speziell in wärmeren Klimazonen gehört sie schon heute zur Grundvoraussetzung. Die Frage ist aber nicht ob, sondern wie man Kühlung und damit auch eine kontrollierte Be- und Entlüftung schafft. Seit Jahren wird über das Thema der Belüftung diskutiert. Bei der Frage nach Zentralisierung oder Dezentralisierung scheinen bei ganzheitlicher Betrachtung allerdings die Vorteile einer Dezentralisierung des Gebäudes zu überwiegen. Neben einem hohen baukonstruktiven Einsparpotenzial durch eine Reduzierung von Geschosshöhen, Schachtgrößen und Technikflächen wird der Komfort durch die Individualisierung der Lüftung zusätzlich erhöht. Außerdem besteht analog zu Beleuchtungsanlagen auch hier die Möglichkeit ganze Bereiche abzuschalten. Im Fall der Energiefassade E² ist die dezentrale Anlagentechnik für Lüftung, Heizung und Kühlung vollständig verdeckt vor der Geschosstrenndecke im Element positioniert, um flexibel nutzbare und gestaltbare Fassadenflächen zu ermöglichen.

Fazit

Abschließend ist festzuhalten, dass die Notwendigkeit Energie einzusparen bzw. vorhandene thermische Energien zu sammeln, mit Sicherheit ganz wesentlich die Entwicklung neuer Fassaden und damit auch die Entwicklung einer neuen Architektur beeinflussen und prägen wird. Vom rein thermischen Gebäudeabschluss werden sich die Fassaden in Zukunft zu hochkomplexen multifunktionalen Gebäudehüllen entwickeln, Bereiche der Haustechnik mitübernehmen und auf diese Weise aktiv das Gebäudeklima kontrollieren. Umso wichtiger ist es, das hochkomplexe System Gebäudehülle mit seinen vielfältigen Anforderungen und Funktionen integriert und ganzheitlich zu betrachten. Die beiden vorgestellten Projekte zeigen beispielhaft die Integration zeitgemäßer haustechnischer Systeme in die Gebäudehülle. Die aktive Nutzung solarer Energien in der Fassade ermöglicht die energetische Optimierung der Gebäudeversorgung, reduziert dadurch den Einsatz fossiler Energieträger und trägt überdies zu einer Minimierung des Ausstoßes von Treibhausgasen, insbesondere von CO₂ bei.

Autoren: Stefan Behling, Andreas Fuchs, Tina Volz

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