Die Fassade als Wärmelieferant

Bei der Integration von Solartechnik fristen Fassaden bislang ein Schattendasein. Im Rahmen der Forschungsprojekte TABSOLAR, TABSOLAR II und TABSOLAR III sowie ArKol wurden und werden daher unterschiedliche Kollektorsysteme zur integralen Entwicklung solarthermischer Fassadenkonzepte untersucht. Ein Überblick zum Stand der Forschung.

Die Gebäudehülle als Schutz vor Witterung und als permeable Schicht, die auf die klimatischen Bedingungen ihrer Umgebung reagiert, führte in der Entwicklung des Bauens zu ganz unterschiedlichen Lösungen. Durch das jeweilige Klima entstanden so Architekturen, die hinsichtlich ihrer Geometrie, Materialität und Beschaffenheit hervorragend an die örtlichen Bedingungen angepasst sind. Berühmte Beispiele sind das traditionelle Schwarzwaldhaus mit seiner typischen Dachform und seiner auf einem System der thermischen Zonierung basierenden Grundrissorganisation oder das traditionelle japanische Wohnhaus mit seiner mehrschichtig aufgebauten Hüllstruktur, die sich durch verschiebbare Wandelemente flexibel an die jeweiligen klimatischen Bedingungen anpassen lässt. Weltweit findet man die unterschiedlichsten historischen Typologien, die sich in den verschiedenen Klimazonen entwickelt haben und Teil der kulturellen Identität ihrer jeweiligen Region wurden. Wir bezeichnen sie als autochthone Architektur – und in ihren passiven Strategien beim Umgang mit Klima und Sonnenenergie faszinieren sie uns bis heute.

Passive und aktive Strategien

Passive Strategien sind bei der Nutzung solarer Einstrahlung beim energieeffizienten Bauen immer noch präsent. Sie finden sich wieder in der Frage nach der Kompaktheit eines Gebäudevolumens, seiner Ausrichtung nach Süden, der Größe und Verteilung der Fensteröffnungen sowie der Dämmung seiner Außenwände. Passive Strategien allein stoßen jedoch aufgrund möglicher Einschränkungen – zum Beispiel durch eine unvorteilhafte Grundstückssituation, wachsende Behaglichkeitsanforderungen oder die Gebäudetypologie – an ihre Grenzen. In Anbetracht des notwendigen Klimaschutzes und dem damit einhergehenden Nutzungsende fossiler Energien für die Gebäudeversorgung benötigen wir daher intelligente Konzepte aus passiven und aktiven Strategien, um die zukünftige Versorgung unserer Gebäude mit Strom und Wärme/Kälte zu gewährleisten.

Bei der aktiven Nutzung von solarer Energie unterscheidet man grundsätzlich zwei Prinzipien: zum einen die Umwandlung der Solarstrahlung in Strom mithilfe von Photovoltaikmodulen, zum anderen die Umwandlung in Wärme auf Basis von Solarthermiekollektoren. Die durch Solarthermiekollektoren gewonnene Wärme kann abhängig von der Dimensionierung, Ausrichtung und Leistungsfähigkeit der Kollektoren sinnvollerweise entweder ausschließlich zur Warmwasserbereitung oder auch zur Heizungsunterstützung genutzt werden.

Typen von Solarthermiekollektoren

Ein solarthermischer Kollektor hat die Aufgabe, einen möglichst großen Anteil der auf ihn treffenden Solarstrahlung zu absorbieren, in Wärme umzuwandeln und diese größtenteils an ein Wärmeträgermedium abzugeben. Dieses transportiert die Wärme  schließlich zum Wärmespeicher um sie  dort nutzbar zu machen. Dabei sollten die Verluste minimiert werden, um hohe Erträge zu erreichen. Optisch bedeutet dies, dass man einen hohen Absorptions- und einen geringen Reflexionsgrad anstrebt, weshalb gute Absorber dunkel erscheinen. Gleichzeitig soll wenig Wärme durch Infrarotstrahlung verloren gehen. Daher weisen Solarabsorber nach dem Stand der Technik in der Regel eine spektralselektive Beschichtung auf. Diese führt zu einem hohen Absorptionsgrad im kurzwelligen Spektralbereich, gleichzeitig jedoch zu einem geringen Emissionsgrad im infraroten Spektralbereich (anders als bei einem Kachelofen, bei dem man eine hohe Wärmeabstrahlung erreichen möchte). Konvektive Wärmeverluste werden durch Wärmedämmmaterialien wie Mineralwolle und durch transparente Abdeckungen reduziert, gegebenenfalls auch durch ein Vakuum. Es lassen sich folgende Kollektortypen unterscheiden:

Kollektoren mit flüssigem Trägermedium

Flachkollektoren: Die auftreffende Solarstrahlung wird über einen spektralselektiven Absorber absorbiert und die Energie über rückseitig an­gebrachte Rohrleitungen bzw. in den Absorber integrierte Kanalstrukturen abgeführt. Eine transparente Abdeckscheibe – in der Regel aus Glas – reduziert die Wärmeverluste. Hinter dem Absorber und gegebenenfalls auch seitlich befindet sich eine Wärmedämmung.

Vakuumröhrenkollektoren: Die konvektiven Verluste werden hier durch ein Vakuum reduziert. Es gibt einfache und doppelwandige Glasröhren; entweder ist das gesamte Rohr oder der Raum zwischen den beiden Glasröhren evakuiert. Der Absorber kann als Blech eingebracht sein oder die innere Glasröhre ist direkt spektralselektiv beschichtet. Die Wärme kann wiederum über ein Solarfluid, das durch die Absorber in jeder einzelnen Röhre fließt, oder durch sogenannte Heat-Pipes bzw. Wärmerohre abgeführt werden.

Nicht abgedeckte Kollektoren: Hier gibt es weder eine Abdeckscheibe noch ein Vakuum, das die Wärmeverluste reduzieren könnte. Daher sind die thermischen Verluste bei diesen Kollektoren höher. Das führt dazu, dass sie bei höheren Temperaturen nur geringe Leistungen und auch insgesamt niedrigere Temperaturen als abgedeckte Kollektoren erreichen, was Konsequenzen für ihre möglichen Anwendungen hat. So können nicht abgedeckte Kollektoren beispielsweise als Schwimmbadabsorber oder als Niedertemperaturwärmequellen für Wärmepumpen eingesetzt werden.

Kollektoren mit Luft als Trägermedium

Bei Luftkollektoren stellt Luft das Wärmeträgermedium dar. Sowohl Flachkollektoren als auch Vakuumröhrenkollektoren können als Luftkollektoren ausgeführt werden (vgl. Roland Krippner (Hrsg.): Gebäudeintegrierte Solartechnik).

Architektonischer Ansatz

Obwohl die Integration von solarer Energiegewinnung in Gebäuden in Deutschland seit den 1970er-Jahren bekannt ist und die Forderungen nach Versorgung von Gebäuden mit erneuerbaren Energien seitens des Gesetzgebers zunehmen (EU-Ge­bäuderichtlinie: „Nearly zero-energy buildings – NZEB“), spielt sie im Entwurf vieler ArchitektInnen eine untergeordnete Rolle. Dies macht sich unter anderem an dem Selbstverständnis bemerkbar, solare Energietechnik meist am Dach vorzusehen. Zudem steht in der Diskussion um die Integration von solarer Technologie in Gebäuden meist die Photovoltaik im Zentrum. Jedoch haben beide Technologien – Photovoltaik und Solarthermie – ihre Berechtigung und ergänzen sich sehr gut, um Beiträge zum Strom- und dem noch wesentlich höheren Wärmebedarf von Gebäuden zu liefern. Dabei ist besonders die Integration von Solarthermie in die Fassade sinnvoll, da sie im Gegensatz zur Photovoltaik unempfindlicher gegenüber Verschattung ist. Darüber hinaus empfiehlt sich der vertikale Einbau für den Fall der Gebäudeheizungsunterstützung, da Stagnationssituationen (Wärmeüberproduktion im Kollektor) im Sommer reduziert und im Winter hohe Erträge aufgrund der tiefer stehenden Sonne produziert werden (vgl. Hermann, M. u.a.: Fassade und Kollektor. Tagungsband, 30. Symposium Solarthermie und innovative Wärmesysteme, 2020). Die Speicherung von Wärme über Warmwasserspeicher ist wesentlich wirtschaftlicher als die Stromspeicherung. Und bei der Beladung von Warmwasserspeichern besteht ein Vorteil der Solarthermie darin, dass höhere Speichertemperaturen als mit einer Wärmepumpe erreicht werden können, wodurch die Speicherkapazität deutlich erhöht wird.  Dagegen ist die Integration der Leitungsführung bei Solarthermiekollektoren mit flüssigem Wärmespeichermedium wiederum komplexer, da die Dichtigkeit des Leitungssystems gewährleistet sein muss und es eineVielzahl an Anschlüssen gibt. Diese Argumente stellen nur einen kleinen Ausschnitt der Diskussion über die Vor- und Nachteile der verschiedenen solaren Technologien dar.

Festzustellen ist, dass gerade bei mehrgeschossigen Gebäuden die Dachflächen im Vergleich zu den Fassadenflächen deutlich kleiner sind und Solarlanlagen hier in Konkurrenz zu Dachbegrünung und Aufstellflächen für die Gebäudetechnik stehen. Daher ist es sinnvoll, die Fassadenflächen eines Gebäudes mit solarer Technik zu aktivieren. Die Fassadenflächen stehen dabei in einem Wettbewerb von Entwurfskonzept, Fensteröffnungsanteil und Aktivierung durch Photovoltaik oder eben Solarthermie, bei dem die ArchitektInnen die Planungshoheit behalten sollten. Dazu bedarf es jedoch einer speziellen Kompetenz im Fassadenentwurf, die nicht nur die ästhetische Komponente umfasst, sondern auch das Wissen über die Integration solarer Technologien hinsichtlich baukonstruktiver und versorgungstechnischer Anforderungen beinhaltet. Damit ArchitektInnen Solarthermiekollektoren nicht nur als technische, sondern auch als ästhetische Komponente verstehen, muss ein Fassadenkollektor verschiedene Anforderungen erfüllen:

Ästhetische Varianz

Das Kollektorfeld soll sowohl vertikal als auch horizontal ausgerichtet einsetzbar sein. Eine sinnvolle Anzahl an Abstufungen in der Dimensionierung erleichtert den Einsatz in unterschiedliche Fassadensysteme, zum Beispiel bei einer vorgehängten, hinterlüfteten Fassade (VHF). Mithilfe einer möglichst randlosen Konstruktion lassen sich die einzelnen Kollektormodule über eine schmale Schattenfuge aneinanderfügen und in Verbindung mit einem möglichst kleinen Grundmodul variabel zu größeren Feldern zusammenschließen.

Materialspezifische Varianz

Der Kollektor funktioniert als modulares Bauteil, das sich aufgrund seiner Dimensionierungen und randlosen Konstruktion leicht mit anderen Fassadentafeln innerhalb einer VHF kombinieren lässt. Darüber hinaus wäre eine Varianz hinsichtlich der Farbigkeit des Gehäuses, der spektralselektiven Beschichtung des Absorbers sowie der Struktur und Beschaffenheit der Abdeckscheibe (bedrucktes, geätztes oder geprägtes Glas) wünschenswert.

Konstruktive Integration

Die Integration des Kollektors erfolgt auf der gleichen Unterkonstruktion wie die restliche Fassade. Im Falle einer VHF wäre dies zum Beispiel eine Aluminium-Unterkonstruktion. Eine sogenannte trockene Anbindung an die Sammelleitungen zur Übertragung der Wärmeenergie vereinfacht die Installation. Sie kann seitens des Fassadenbauers erfolgen. Bei der trockenen Anbindung stehen wärmeabgebendes und wärmeaufnehmendes Element zwar in unmittelbarem Kontakt zueinander, es wird jedoch kein Fluid zwischen ihnen ausgetauscht. Gleichzeitig ermöglicht die trockene Anbindung die einfache Revisionierbarkeit für den Fall, dass ein Kollektormodul ausgetauscht werden muss.

Neue Kollektorsysteme

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeitet gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Forschung seit vielen Jahren an Konzepten für die solare Gebäudeintegration. Dies betrifft sowohl Photovoltaik als auch Solarthermie bzw. Niedertemperaturwärmequellen. Basis einiger Forschungsprojekte ist die Annahme, dass es für ein am Markt erfolgreiches Produkt nicht aus­reicht, lediglich ein Standardmodul für eine verbesserte Integration „anzupassen“, sondern es zielführender ist, von Beginn an integrale Ansätze mit interdisziplinären Konsortien zu entwickeln. Dies bedeutet, dass die technische Komponente „von der Baubranche aus“ gedacht werden sollte. Dazu gehören gestalterische und konstruktive Aspekte ebenso wie die Planungs-, Montage- und Installationsprozesse sowie die Beachtung der Zusammenhänge zwischen architektonischen Freiheitsgraden und thermischer Effizienz. Im Folgenden stellen wir beispielhaft drei solarthermische Konzepte vor, die in den vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Forschungsprojekten ArKol bzw. TABSOLAR, TABSOLAR II, TABSOLAR III entwickelt werden oder wurden:

Der „Solarthermische Streifenkollektor“ möchte Architektinnen und Architekten eine höhere Gestaltungsfreiheit gegenüber klassischen Solarkollektoren bieten. Erreicht wird dies durch schmale, streifenförmige, verglaste Kollektoren, die durch den Fassadenbauer an beliebigen Positionen auf senkrecht zu ihnen liegenden Sammelkanälen montiert werden können. Diese Flexibilität wird dadurch ermöglicht, dass die Wärmeabfuhr mittels Heat-Pipes bzw. Wärmerohren in trockener Anbindung an die Sammelkanäle erfolgt, die de facto als Montageschiene fungieren. Der Heizungsinstallateur schließt dann lediglich die Sammelkanäle an den Kollektorkreis an, sodass eine klare Gewerketrennung vorliegt. Die Bereiche zwischen den einzelnen Kollektorstreifen können durch andere Fassadenbekleidungsmaterialien (Putzfassade, Holz, Naturstein, Keramik etc.) ergänzt werden.

Die „Solarthermische Jalousie“ nutzt ebenfalls Heat-Pipes in trockener Anbindung. Die einzelnen Jalousielamellen sind als Solarabsorber mit daran angebrachten Heat-Pipes ausgeführt. Zur Wärmeübertragung werden diese in Kontakt mit dem Sammelkanal gebracht; zum Kippen oder Raffen der Lamellen wird diese mechanische Verbindung gelöst. Die Abfuhr der Wärme bietet nicht nur die Möglichkeit, diese in entsprechenden Anwendungen zu nutzen, sondern führt gleichzeitig zu einer Verringerung des g-Werts der transparenten Fassade, was sich wiederum vorteilhaft auf die Wärmelast im Raum auswirkt und somit den Kühlbedarf reduziert.

Bei Tabsolar-Elementen handelt es sich um durchströmbare Bauteile aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC). Die Fertigung der Kanalstrukturen erfolgt durch ein innovatives Fertigungsverfahren – das Membran-Vakuumtiefziehverfahren – ohne ein weiteres Material direkt aus UHPC. Die Kanalstrukturen werden durch den bionischen FracTherm-Algorithmus des Fraunhofer ISE erzeugt und weisen eine mehrfach verzweigte, fraktalartige Geometrie auf, die zu einer gleichmäßigen Durchströmung bei geringem Druckverlust führt. Tabsolar-Elemente sind sowohl für die Gebäudehülle als auch als thermoaktive Bauteile (TABS) im Innenbereich vorgesehen. Für Fassaden sind unterschiedliche Produktfamilien (Tabsolar Premium, Economy und Design) geplant, die sich in ihrer Ausgestaltung, aber auch in ihren Anwendungsmöglichkeiten deutlich unterscheiden. So handelt es sich bei Tabsolar Premium um einen verglasten, wärmegedämmten Kollektor für die Trinkwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung, während Tabsolar Design aufgrund der fehlenden Glasabdeckung und durch die Gestaltungsmöglichkeiten der UHPC-Oberfläche (Farbe und Struktur) vor allem als Niedertemperaturquelle für Wärmepumpen gedacht ist. Tabsolar Economy stellt ebenfalls einen verglasten Kollektor dar, der jedoch auf die spektralselektive Beschichtung verzichtet und stattdessen eine Low-E-Verglasung verwendet. Diese Produktfamilie soll wie Tabsolar Premium für die Trinkwarmwasserbereitung und Heizungsunterstützung genutzt werden können.

Die genannten Beispiele verdeutlichen, dass der Wunsch nach einer Erhöhung der gestalterischen Freiheitsgrade zum einen technischer Lösungsansätze bedarf (zum Beispiel flexible Positionierung durch Heat-Pipes in trockener Anbindung), zum anderen aber auch Konsequenzen für die Anwendung hat (zum Beispiel ist ein unverglaster Absorber mit grauer Sichtbetonoberfläche nicht für die Trinkwarmwasserbereitung geeignet, höchstens für deren Vorwärmung). Daher ist es wichtig, derartige neue Ansätze interdisziplinär mit ExpertInnen aus den Bereichen Architektur, Fassadenplanung, technische Gebäudeausrüstung, Solarenergie, Fertigung, Montage und Installation zu entwickeln. Bereits die Missachtung vermeintlicher Details kann zum Misserfolg des Produkts führen, weil ihre Bedeutung unterschätzt wird. So ist ArchitektInnen vielleicht nicht bewusst, wie stark die Leistungsfähigkeit eines Kollektors und damit das Konzept des Heizungssystems durch eine hellere Farbe und eine fehlende Glasabdeckung beeinflusst wird; und MaschinenbauingenieurInnen denken unter Umständen nicht daran, dass zu breite Rahmen, wellige Absorber oder unschöne Fugenbilder aus architektonischer Sicht ein K.-o.-Kriterium darstellen können. Daher ist von Beginn an ein intensiver Austausch notwendig, um zunächst eine gemeinsame Sprache zu finden, mit dieser eine Vision zu formulieren, diese dann konkret auszugestalten und hoffentlich zum Markterfolg zu führen.

Die Projekte ArKol (www.arkol.de) sowie TABSOLAR, TABSOLAR II und TABSOLAR III  (www.tabsolar.de) wurden bzw. werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vom Fraunhofer ISE koordiniert. Die „Solarthermische Jalousie“ wird derzeit im Projekt DESTINI weiterentwickelt. Auch zum „Solarthermischen Streifenkollektor“ ist ein Folgeprojekt geplant.

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