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Die neu entwickelten multifunktionalen Fassadenelemente mit integrierten Vakuumröhrenkollektoren ermöglichen den Blick nach draußen (Visualisierung)
© Universität Stuttgart, IBK 2
Solaraktive Fassadensysteme
Projektinfo 07/2013

Computermodell: Vor der Glasscheibe wird das Fassadenbauteil befestigt. Das gebogene, perforierte Reflektorblech bündelt die Sonnenstrahlen zum Absorberrohr.
© Universität Stuttgart, IBK 2

Visualisierung: So könnte ein Bürogebäude mit Fassadenkollektoren von außen aussehen.
© Universität Stuttgart, IBK 2

Messungen: Mit einer Testvorrichtung wurde die solare Leistungsfähigkeit gemessen und anschließend Expositionstests durchgeführt. Am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) in Stuttgart sind die fertigen Fassadenmodule als 0-Serie montiert – mit und ohne Deckscheibe.
© Universität Stuttgart, IBK 2
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Fassadenkollektoren mit Durchblick

Wissenschaftler aus Forschung und Industrie entwickelten ein Fassadensystem, das mehrere Funktionen vereint: Integrierte Vakuumkollektoren erzeugen solare Wärme auf hohem Temperaturniveau, leuchten Räume gleichmäßig semitransparent aus und bieten Sonnenschutz, ohne den Blick nach draußen zu nehmen. Das System eignet sich vor allem für Bürogebäude und andere Funktionsbauten mit hohem Verglasungsanteil. Es kann auch als architektonisches Gestaltungselement für Fassaden eingesetzt werden.

In Büro- und Verwaltungsbauten wird solare Wärme noch vergleichsweise selten genutzt, obwohl dies für die Warmwasserbereitung, die Unterstützung der Heizung und die solare Kühlung technisch und wirtschaftlich möglich wäre. Hinderlich sind oftmals die geringen Dachflächen und konkurrierende Nutzung für Lüftungstechnik oder Rückkühler sowie attraktive Alternativnutzung, beispielsweise als Dachterrassen. Durch die Nutzung der Fassadenflächen zur Solarenergie-Nutzung sind hohe Potenziale zu erwarten, wenn es gelingt, alle architektonischen und gebäudetechnischen Anforderungen – wie Transparenz, Raumausleuchtung, Wärmeschutz und Sonnenschutz – in Einklang zu bringen.

Bei der Fortentwicklung setzten die Wissenschaftler auf Hochleistungsvakuumröhren, die mit perforierten Parabolspiegeln ausgestattet sind und in eine Elementfassade integriert werden. Der Spiegel bündelt die direkte Einstrahlung der Sonne und einen Teil des diffusen Lichts auf die Vakuumröhren, reduziert so den Wärmeeintrag der Glasfassade und damit den Kühlbedarf des Gebäudes um 70 bis 90%. Durch Variation der Lochdichte und -größe optimierten die Forscher das Zusammenspiel von Kollektorertrag, Sonnenschutz und Raumausleuchtung. Von innen erscheint das Sonnenlicht somit gedämpft, wird gleichmäßig verteilt und ist blendfrei.

Die Kollektorfassade liefert ganzjährig Temperaturen über 80°C zur Gebäudeheizung oder -kühlung sowie zur Warmwasserbereitung. Das System ist modular aufgebaut (siehe Abb.) und kann auf unterschiedlichsten Gebäuden und zu beliebiger Größe zusammengefügt werden. Das Rohrsystem ist in den Profilen der Kollektoren integriert und von außen zugänglich.

Aus architektonischen, geometrischen, technischen und visuellen Gründen erwies sich die horizontale Anordnung – analog zu Sonnenschutzjalousien – als am besten geeignet. Auf Jalousien und Sonnenschutzglas kann verzichtet werden. In einem vorangegangenen Forschungsprojekt am Institut für Baukonstruktion (IBK 2) der Universität Stuttgart untersuchten Wissenschaftler bereits Vakuumröhrenkollektoren für die Anwendung an der Fassade. Erste Ideen zur Integration wurden skizziert und funktionsfähige Prototypen realisiert.

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Lochung, Verglasung und solarer Ertrag

Visuelle Transparenz entsteht durch den Abstand der Röhren und durch die Perforation der Reflektorspiegel. Es zeigte sich, dass mit einem geringen Lochungsgrad von 19% die solare Effizienz und die visuelle Transparenz kaum litten. Dieser perforierte Spiegel erreicht nahezu den üblichen Sonnenschutz mit einem G-Wert von 0,15; 85% des Lichts werden reflektiert. Messungen mit unterschiedlichen Varianten – mit und ohne Deckscheibe aus Einscheibensicherheitsglas (ESG) bzw. Verbundsicherheitsglas (VSG) – zeigten, dass eine Erhöhung des Lochanteils im Reflektorspiegel um rund 3% den solaren Ertrag nur um etwa 2% reduziert.

Der Ertrag des Kollektors wird durch eine 20 mm starke VSG-Deckscheibe gegenüber einer 10 mm starken ESG-Deckscheibe um etwa 10% verringert. Konkret entspricht das einer Erhöhung des Lochanteils um rund 10%. Die Ergebnisse der Basismessungen und der Simulationen zeigten weiterhin, dass der solare Ertrag mit einer ESG-Scheibe und einer Stärke von 10 mm um circa 10%, mit einer VSG-Scheibe und einer Stärke von 2 x 10 mm um etwa 20% reduziert wird. Die Abdeckscheiben haben also einen größeren Einfluss auf den Ertrag als die Lochung der Reflektorspiegel.

Mit oder ohne schützende Frontscheibe

Je nach Anwendung bieten Kollektorfassaden mit oder ohne Deckscheibe (siehe Abb.) spezifische Vorteile. Die Konstruktion ohne Deckscheibe ist weniger aufwendig. Sie hat sich aus architektonischen und energetischen Gesichts-punkten durchgesetzt. Die aufwendigere Konstruktion mit einer schützenden Deckscheibe vor der eigentlichen thermischen Fassade – ähnlich einem Kastenfenster – bietet jedoch Vorteile in puncto Sicherheit und Verschmutzung. Außerdem kann die im Zwischenraum entstehende Wärme über den Kollektor abgeführt und damit die Überhitzung des Zwischenraums verhindert werden. Selbst bei Stillstand des Systems vermeiden die niedrigen U-Werte der Vakuumröhren, verglichen mit einem Flachkollektor, einen zusätzlichen Wärmeeintrag.

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