Solarpaneels für Fassaden
Der Autor: Frans van den Heuvel ist Mitbegründer von Scheuten Solar und als Geschäftsführer (Chief Operation Officer) verantwortlich für die Entwicklung der Solar-Aktivitäten. Darüber hinaus ist er Mitglied des Board of Directors am Hauptsitz von Scheuten in Venlo (NL).
Die globale Erwärmung, die zunehmende Verknappung von fossilen Brennstoffen, bedingt durch die enorme Nachfrage aus Schwellenländern wie Indien und China, sowie eine Veränderung des Bewusstseins im Umgang mit unserer Umwelt zwingen uns zu mehr Effizienz und zu mehr Flexibilität. Dies gilt natürlich für uns selbst, aber auch für unsere Autos, unsere Fabriken und nicht zuletzt auch für die Architektur und Gebäudetechnik.
Wo mehr Energieeffizienz gefragt und gefordert ist, muss die Fassade mehr sein, als nur eine Gebäudehülle. Eine moderne PV-Fassade mit Glas/Glas-Modulen produziert nicht nur Strom auf einer ansonsten nicht genutzten Fläche, sie trägt aktiv zum Gebäudeklima bei, erweitert die Möglichkeiten der Verschattung und bietet neue Räume für Lichtkonzepte im Innenraum. Durch die flexible Zelldichte der Module ist es leicht möglich, einfallendes Licht nach Belieben zu reduzieren und so, gerade im Sommer ein Überhitzen des Gebäudes zu verhindern. Dies spart zusätzlich Energie für die Kühlung, die bei großen Glasflächen sehr aufwändig und kostenintensiv ist. Darüber hinaus können auch Sonnenschutzlamellen und Markisen mit Solarzellen bestückt werden oder gleich als Glas/Glasmodule weiter zur Gebäudekühlung beitragen.
Die individuelle Herstellung der Module erlaubt es zudem, das Glas mit zusätzlichen Funktionen, wie Sonnenschutz-Beschichtungen, Isolationsfunktion oder ähnlichem zu versehen. So übernimmt die Fassade gleich mehrere Funktionen.
Die Integration von Solarzellen in Gebäudefassaden wird in den nächsten Jahren noch attraktiver, da die großflächigen Solarparks auf Freiflächen durch ständig steigende Grundstückspreise immer mehr ihrer Rendite einbüßen werden, und so als Investitionsobjekt an Attraktivität verlieren können.
Neue Lösungen sind also gefragt; und da bietet bereits durch Gebäude erschlossenes und bebautes Land eine lohnende und interessante Alternative. Über die Integration von Photovoltaik- Anlagen in die Gebäudehülle (BIPV) ist die Gewinnung von Sonnenenergie auch und gerade in urbanen Gebieten möglich, wo raumfüllende Solaranlagen nicht realisierbar sind.
Natürlich ist nicht jedes Gebäude (und nicht jeder Standort für einen Neubau) geeignet, es mit einer Photovoltaik-Fassade versehen zu werden. Dabei sind nämlich die Gebäudeausrichtung nach Süden, der Einstrahlungswinkel der Sonne über das ganze Jahr und vor allem die tägliche Einstrahlungsdauer von entscheidender Bedeutung. Zusätzlich muss auch die Schattenbildung durch benachbarte Gebäude schon in die Planungsphase einfließen und berücksichtigt werden, um die Module optimal zu positionieren. Vor allem die Einstrahlungsdauer und der Winkel in dem das Sonnenlicht auf die Fassade trifft sorgen dafür, dass sich solares Bauen nicht nur in südlichen Gefilden lohnt. Tatsächlich ist der Winkel der Sonne in Äquatornähe steiler als in Mitteleuropa und auch die Tage sind kürzer, sodass sich die Planung einer Solarfassade auch hierzulande bzw. in Mitteleuropa bezahlt macht.
Glas/Glas Module liegen im Trend
Glas/Glas Module werden individuell nach Kundenwünschen gefertigt, müssen also für jedes Projekt speziell produziert werden. Wichtig ist daher in jedem Falle eine frühzeitige Integration der PV-Anlage in die Planung des Gesamtkonzepts, um ein entsprechendes Zeitfenster einzuplanen. Entscheidende Fragen sind hierbei die Größe der Module, die Art der Belegung der Fassade und des Dachs mit Standard- und/oder Glas bzw. Glasmodulen sowie die Unterkonstruktion und die darin integrierte Verkabelung des Photovoltaik-Generators. Hierbei unterscheiden sich Module mit Rückenbox und Seitenanschluss und haben direkten Einfluss auf die Unterkonstruktion.
Das Einsetzen der Module in die Fassade funktioniert genau wie eine Verglasung mit normalen Standardfenstern. Jedoch sollte der Anschluss und die Verkabelung nur von geschultem Fachpersonal durchgeführt werden. Schließlich sind die Kosten pro Quadratmeter bei Glas-/Glasmodulen erheblich höher als bei Standardmodulen. Dies erfordert eine überdurchschnittlich hohe Fertigungsqualität, langlebige und wartungsarme Technik und eine präzise Montage durch erfahrene, fachkundige Partner.
Ob gebäudeintegrierte Photovoltaikfassaden tatsächlich die Fassaden von morgen sind, müssen die nächsten 5 bis 10 Jahre zeigen. Die Vorraussetzungen sind dafür in Mitteleuropa zumindest erfüllt. Die Sonneneinstrahlung und die –intensität reichen aus, um Energie zu produzieren. Dies wird natürlich durch ständig steigende Energiepreise zusätzlich begünstigt. Dazu steht hier, im Gegensatz zu vielen äquatornahen Ländern, das Kapital für solche Hightechfassaden zur Verfügung. Zwar liegt die Investition für eine Photovoltaik Fassade preislich genau zwischen einer Standardfassade aus Glas und dem teureren Marmor, dennoch macht sie sich unter optimalen Bedingungen erst nach einigen Jahren bezahlt.
Ausblick
In Mitteleuropa schaffen sowohl die Politik durch die Einspeisevergütung nach dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) als auch die öffentliche Meinung ein Bewusstsein für erneuerbare Energien und Energieeffizienz im Allgemeinen. Hinzu kommt, dass smarte Gebäude mit Photovoltaik-Generatoren der Vision von einer sicheren und dezentralen Energieversorgung mit einem Minimum an belastenden Kraftwerken sehr nahe kommen. So tragen gebäudeintegrierte Solarfassaden nicht nur zur ästhetischen Aufwertung eines Gebäudes bei, sie werden auch zum nicht zu unterschätzenden Imagefaktor durch den verantwortungsvoller und bewusster Umgang mit der Umwelt schon von außen klar kommuniziert wird.
Letztlich werden aber wohl neben dem Imagefaktor eines „smart buildings“ die Kosten den Ausschlag geben, ob die Photovoltaikfassade konkurrenzfähig ist. Die Herausforderung liegt also auch in der Forschung nach effizienten Produktionsmethoden und einer gleichbleibend hohen Fertigungsqualität. Die Chancen stehen also gut, jedoch wird die Entwicklung des Marktes immer eng gekoppelt an die Kosten für die Technik bleiben.|
Energieeffizienz und Mechatronik als Zukunftsaufgabe
Die Autoren: Dipl.-Ing. Ulrich Sieberath (re.) ist der Direktor des ift Rosenheim und Dipl.-Ing. Jürgen Benitz-Wildenburg, ist als Leiter PR & Kommunikation am ift Rosenheim tätig.
Das Wort des Jahres 2007 „Klimawandel“ ist Ausdruck für die weltweite Diskussion um Energieeinsparung und CO2-Reduzierung. Es geht darum, den Gebäudebestand mit technischen Innovationen energieeffizienter zu machen und auf erneuerbare Energien auszurichten. Der Trend zur Glasarchitektur hat mit der Diskussion um behagliche Temperaturen im Sommer (Hamburger 26° Urteil) und der Kritik des Bundesrechnungshofs, Zweifel an Glasfassaden aufkommen lassen. Ein hoher Verglasungsanteil in der Fassade muss aber nicht zwangsläufig zu einem hohen Energieverbrauch und Überhitzung führen. So wird die Überhitzung neben dem Verglasungsanteil und dem Sonnenschutz von anderen Aspekten maßgeblich beeinflusst, z.B. der Bedienung des Sonnenschutzes, das Lüftungsverhalten und den internen Wärmelasten.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) hat u.a. zur besseren Energienutzung bei Gebäuden das Forschungsprogramm „Energieoptimiertes Bauen (EnOB)“ initiiert. Es geht um die Entwicklung neuer Materialien (z.B. Vakuum-Isolationsglas, Vakuum-Isolationspaneele, Phasen-Wechsel-Material, energieeffiziente Heiz- und Kühlsysteme) aber auch um die Analyse der Gebäude im Betrieb. Im Projekt EVA (Evaluierung von Energiekonzepten) wurden deshalb über 20 Büro- und Produktionsgebäude untersucht. Als Ergebnis zeigte sich, dass eine umfassende Planung, die Evaluierung und Optimierung des Gebäudebetriebs, die Information und aktive Einflussnahme der Gebäudenutzer sowie intelligente Steuerungssysteme von großer Bedeutung sind. Dies gilt besonders für Nichtwohngebäude, bei denen bis zu 90% der notwendigen Energie für Strom, Haustechnik und Klimatisierung aufgewendet werden müssen
Die Anforderungen an zukünftige Fenster-, Fassaden- und Verglasungen lassen sich daraus wie folgt ableiten:
- Intelligente Steuerung von Sonnenschutz, Lichtlenkung und Lüftung bei gleichzeitiger manueller Bedienbarkeit für Nutzer,
- Optimierung des sommerlichen Wärmeschutzes,
- Nutzung der Sonnenenergie,
- Energieeinsparung durch Anbindung der Gebäudehülle an die Haustechnik.
- Reduzierung des Kunstlichteinsatzes durch bessere Tageslichtnutzung,
- Bessere wärmedämmende Eigenschaften (U-Wert),
- Minimierung der Lüftungswärmeverluste.
Wohnräume müssen aus gesundheitlichen und bauphysikalischen Gründen belüftet werden. Bei Niedrigenergiegebäuden (Jahresenergieverbrauch von ca. 60 Kwh/m²a) können die Lüftungswärmeverluste über 50% betragen, sodass die Energieeffizienz durch eine Wärmerückgewinnung der Abluft verbessert werden sollte. Zukünftige Lüftungskonzepte für Fenster werden den Einsatz motorischer Beschläge, Außenluftdurchlässe sowie dezentraler Lüftungsgeräte erfordern, um eine nutzerunabhängige Mindestlüftung sicherzustellen. Die ift-Richtlinie „Fensterlüfter – Teil 1 Leistungseigenschaften“ bietet eine objektive Grundlage für den Vergleich und die Ausschreibung von Produkten, Teil 2 der Richtlinie wird Einsatzempfehlungen für verschiedenste Randbedingungen treffen und die Planung der Lüftungseinrichtungen erleichtern.
Sonnenschutz und Lichtlenkung spielen bei der Planung von Fenstern und Glasfassaden eine zentrale Rolle, denn sie verhindern eine Überhitzung des Gebäudes und verringern Energieaufwendungen für Kühlung und Kunstlicht. Die Einsparungspotenziale werden aber nur durch intelligente und flexible Systeme wirksam, die auf tages- und jahreszeitliche Einflüsse reagieren und eine Fehlbedienung durch Nutzer ausschließen, etwa Kunstlichteinsatz bei aktiviertem Sonnenschutz.
Systeme, die zum Einsatz bereit stehen sind: Verbesserter außenliegender Sonnenschutz), Sonnenschutz im SZR, optimierte Sonnenschutzverglasung sowie Lichtlenk- und Blendschutzelemente (Prismen, hochreflektierende Lamellen im Isolierglas), lichtstreuende Verglasungen (geätzte, emaillierte, bedruckte Gläsern sowie holographisch/optische Elemente), Elektrochrome und gasochrome Verglasungen.
Intelligente Bauelemente
Im Auto haben wir uns an den Einsatz von Elektronik gewöhnt und möchten Zentralverriegelung oder elektrische Fensteröffnung nicht mehr missen. Die Elektronik eröffnet neue Möglichkeiten ein Gebäude bedarfsgerecht und energiebewusst zu steuern. Das Fenster und der Sonnenschutz übernehmen als steuerbare Elemente dabei in der Gebäudehülle eine zentrale Rolle. Alleine die Rückkopplung mit der Haus- und Heiztechnik ergeben nach Untersuchungen des ift Rosenheim auf Basis der EN 15323 „Energieeffizienz von Gebäuden – Einfluss von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement“ Einsparungen des Heizenergiebedarfs von 5%.
Neben der Energieeinsparung bieten automatisierte Bauelemente auch Vorteile für Bedienkomfort und Sicherheit. Heute werden diese als Einzelkonstruktionen aus Wirtschaftlichkeitsgründen nur für Pilotprojekte oder in Sonderbauten eingesetzt. Eine Marktdurchdringung hat noch nicht stattgefunden, weil Unsicherheiten über die Einsatzmöglichkeiten, Normen und Anforderungen sowie praktische Umsetzungs- und Schnittstellenprobleme existieren. Hier setzt das ift-Forschungsprojekt „Grundlagen für die Planung und Ausführung mechatronischer Bauelemente“ an, bei der folgende Aspekte untersucht werden:
- Anforderungen elektrotechnischer Normen und Regeln,
- Leitungsführung und Auswahl im/am Bauelement,
- Anforderungen der Produktnorm EN 14351-1,
- Anforderungen bei Einsatz in der Gebäudehülle,
- Verhalten bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit,
- Schnittstellen, Parameter und Übergabepunkte zu anderen Gewerken (Stecker, Steuerungsdaten usw.),
- Einheitliche Kennzeichnung der Leitungen bzw. Belegung des Steckers,
- Einheitliche Kenndaten für Ausschreibungen,
- Beschreibung unterschiedlicher Ansteuerungskonzepte.
Die Ergebnisse werden in einem Leitfaden zusammengefasst, der Fensterbauern, Elektrotechnikern sowie Fachplanern Lösungsvorschläge für Planung, Kommunikation und Schnittstellendefinitionen gibt. Für die weitere Marktdurchdringung von „mechatronischen“ Bauteilen sind Standardisierungen notwendig. Das langfristige Ziel sind Plug-and-Play-Lösungen wie beim Computer.
Dies wird aber nur funktionieren, wenn Hardware (Fenster, Antriebe, Sensoren, Leitungen, Stecker etc.) und Software (BUS-Protokolle, Übergabeparameter bei der Kommunikation etc.) dies unterstützten.
Ausblick
Die Bauelemente der Zukunft werden technisch anspruchsvoller werden und viele Eigenschaften haben, die den Wohnkomfort und die Energieeffizienz positiv beeinflussen. Das Ziel zukünftiger Entwicklungen wird die intelligente Verknüpfung der Eigenschaften sein. Neue Konstruktionen bedürfen daher noch stärker als bisher einer gründlichen Entwicklung, Prüfung und Erprobung. Zur Umsetzung sind flexible Prüfprogramme, geringe bürokratische Hürden und zeitnahe Zulassungsverfahren nötig. Treten massive Schäden bei Produkten in fertiggestellten Gebäuden auf, wird ein neues Produkt schnell diskreditiert.|
