Immer an der Wand lang

Hoch ragt der Turm aus dem einstigen Industriegelände in der Dornacherstraße im Süden von Basel heraus. Er diente gut 100 Jahre lang als Kohlelager für die Fabrik, in der riesige Vakuumpumpen und Kompressoren gebaut wurden. Während die ehemaligen Fabrikgebäude den Charme der Industriearchitektur behalten haben, strahlt das Kohlesilo in ganz neuem Glanz. Heute sind dort Büros und Konferenzräume untergebracht. Die Architektin, die zur Jahrtausendwende den Auftrag erhielt, das Areal umzubauen und zu sanieren, entschied sich, mit dem Kohlesilo einen Farbtupfer in das Gewerbeareal zu setzen. Doch statt die einst graue Fassade einfach nur anzustreichen, ging sie einen innovativeren Weg. Sie verpasste dem Turm eine vorgehängte hinterlüftete Fassade, die heute mit Photovoltaikmodulen verblendet ist.

Für das Konzept bekam sie Unterstützung von den Projektentwicklern von Kantensprung. Das Unternehmen hatte den Auftrag, die einstigen Fabrikgebäude in eine Entwicklungszone für Gewerbe und Kultur zu verwandeln. „Mit der Entscheidung für eine Photovoltaikanlage an der Fassade haben die Bauherren das Risiko von Verzögerungen in der Planung und beim Bau auf sich genommen“, erinnert sich Dominik Müller, Geschäftsführer von Solvatec. Der Baseler Anbieter von Solaranlagen hat schon viele spezielle Projekte realisiert. Doch die Anlage im Gundelinger Feld, so der Name des Areals, ist selbst für einen erfahrenen Projektierer eine Besonderheit und vor allem eine Herausforderung.

Die Fassade aufgelockert

Herausgekommen ist eine echte Pilot- und Pionieranlage. Die Solaranlage zieht sich in vier nebeneinanderliegenden, verschiedenfarbigen Bändern über die ersten beiden Stockwerke des Turmes. Danach stößt sie auf eine Pfosten-Riegel-Konstruktion, in die normale Glasscheiben eingesetzt sind.

Diese Fensterfront sorgt dafür, dass die Konferenzräume im obersten Stockwerk üppig mit Tageslicht durchflutet werden. Die Module in Grau, Blau, Orange und Grün teilen die Fassade in vier gleich große Segmente. Damit erreicht die Architektin, dass der einstige graue Klotz aufgelockert wird. Auf dem Dach wiederholen sich die Farben. Doch statt die Bänder aus der Fassade weiterzuführen, entschied sich die Architektin für ein buntes Farbspiel, indem sie die unterschiedlich farbigen Module bunt durcheinanderwürfelte. Auf der Nordseite des Gebäudes wiederholt sich wiederum das Streifenmuster der Südfassade.

Während die Installation der Dachanlage mit einem bewährten Montagesystem des französischen Herstellers Mecosun reibungslos voranging, stieß Solvatec bei der Montage der Fassadenanlagen auf einige Hürden. Neben der Baustatik war es vor allem die Entscheidung des Fassadenbauers, kein System von einem Anbieter zu nehmen, was den Baselern Kopfzerbrechen bereitete. Solvatec hatte vorgeschlagen, ein bewährtes System von Gasser Fassadentechnik zu nehmen.

Module unsichtbar befestigt

Das Unternehmen aus Sankt Gallen bietet gleich mehrere Lösungen an, um eine vorgehängte hinterlüftete Photovoltaikfassade zu bauen. Der Architekt hat dabei die Wahl: Soll die Aufhängung der Module sichtbar oder unsichtbar sein? Bei der ersten Variante werden die Module an mindestens vier Punkten gehalten. Dies bedeutet etwas weniger Aufwand bei der Montage. Doch sind genau diese Haltepunkte später sichtbar und können den Eindruck einer glatten Fassade beeinträchtigen.

Die zweite Variante bedeutet etwas mehr Montageaufwand, weil der Installateur dann die Module oben und unten in Glasführungsprofile klemmen muss. Doch entsteht am Ende eine ebene und glatte Fassade. Die Halterung fungiert dabei optisch als Fugenfüllung zwischen den Modulen.

Eine dritte Variante, die Gasser anbietet, ist die Möglichkeit, die Module unsichtbar mit einem sogenannten Hinterschnittanker anzubringen. Bei der Installation von Glas- und Steinfassaden ist diese Technologie schon längst gang und gäbe, wenn die Haltepunkte nicht sichtbar sein dürfen. Dabei wird das hintere Modulglas mit einer konischen Vertiefung versehen. Dann schraubt der Monteur den Hinterschnittanker auf eine sogenannte Agraffe. Das ist ein kleines U-Profil, das an beiden Enden noch einmal abgeknickt ist, wodurch eine regelrechte Klammer entsteht.

Danach drückt der Monteur den Hinterschnittanker in die Vertiefung am Modul und klemmt es mit den Agraffen über die Modultragschiene. Damit bekommt er eine sichere Befestigung, ohne dass diese von vorn überhaupt zu sehen ist. Allerdings ist bei dieser Befestigung Präzision angesagt. Denn die Vertiefungen müssen genau im gleichen Abstand angebracht werden wie die Modultragprofile. Hat der Monteur das Modul an den Agraffen eingehängt, muss er diese nur noch an die Modultragschiene festschrauben, um die gesamte Konstruktion zu fixieren.

Praxis aus dem Glasbau nutzen

Doch so einfach machten es sich die Fassadenbauer in Basel nicht. Solvatec konnte zwar die Modulbefestigung von Gasser nutzen. Doch für die Anbindung an die Fassade musste ein anderes System her. „Das hat dann zu erheblichen Schwierigkeiten beim Aufbau der Unterkonstruktion geführt“, sagt Dominik Müller. „Am Ende hat es aber doch funktioniert.“

Gasser hat zwar viel Entwicklungsarbeit in das System gesteckt. Doch ist es nicht speziell für Solarfassaden gemacht. Auf ähnliche Weise gehen auch andere Unternehmen vor, die ohnehin Fassadensysteme im Angebot haben. „Grundsätzlich nutzen wir unsere Erfahrungen aus dem Bau von Glasfassaden bei der Errichtung von Solarfassaden“, erklärt Xavier Breitenmoser, Produktmanager für Solarfassaden bei der Ernst Schweizer AG, Metallbau.

Jedes Projekt einzeln geplant

Der Anbieter aus Hedingen im Kanton Zürich hat zwar verschiedene Standardmontagesysteme für Photovoltaikanlagen im Portfolio. „Beim Fassadenbau sind wir aber komplett anders aufgestellt“, erklärt Breitenmoser. „Fassaden planen wir projektspezifisch. Die Auslegung der Unterkonstruktion wird dann immer an das Gebäude und dessen Statik sowie an die Modulgrößen angepasst. Im Grunde kann man die Module, wenn sie für die Fassadenmontage einmal zugelassen sind, bei der Befestigung wie Verbundsicherheitsglas behandeln.“

Schließlich ändert sich sowohl für die Fugenabstände als auch für die Randabschlüsse nur wenig, wenn man die Glasscheiben durch Solarmodule ersetzt. Auch die Auflagen für die Absturzsicherung und die Hinterlüftung sind für Photovoltaik- und Glasfassaden gleich.

Für Solarfassaden gilt der gleiche Grundsatz wie für Glasfassaden: Es dürfen sowohl über die Module als auch über die Glasscheiben keine mechanischen Kräfte aus Bauwerkslasten abgeführt werden. Sie dürfen lediglich die Kräfte aus ihrem Eigengewicht und aus Windlasten aufnehmen. „Ein Unterschied, den man beachten muss, liegt beim Brandschutz“, betont Breitenmoser. „Dabei geht es um die Verkabelung und die Brandlast der Photovoltaikelemente, durch die die Auflagen etwas strenger ausfallen als für normale Glasfassaden.“ Wenn Solarmodule an der Fassade angebracht und verkabelt werden, müssen bei höheren Gebäuden mit großen Solarfassaden zwischen den Stockwerken Brandabschottungen eingebaut werden, damit sich das Feuer nicht über mehrere Etagen ausbreiten kann.

Auf Hinterlüftung achten

Das hat wiederum Auswirkungen auf die Wärmeentwicklung hinter den Modulen, was sich auch im Energieertrag niederschlagen kann. Deshalb muss der Planer die Anlage so auslegen, dass sich die warme Luft nicht staut, sondern durch die Fugen zwischen den Modulen entweicht.

Die Hinterlüftung der Module ist ein heikles Thema bei der Planung von Solarfassaden. Denn auf der einen Seite muss die warme Luft abgeführt werden. Auf der anderen Seite darf – zumindest in Deutschland – aus Brandschutzgründen der Abstand zwischen der Dämmschicht an der Warmfassade und der Solaranlage nicht größer als 150 Millimeter sein. Um die Solaranlage mit dem minimal notwendigen, aber maximal zulässigen Abstand zur Fassade zu montieren, hat Schletter sein Fassadensystem auf drei Dämmstärken ausgelegt.

Erste Projekte schon realisiert

Der Anbieter aus dem oberbayerischen Kirchdorf hat eine Unterkonstruktion für hinterlüftete vorgehängte Solarfassaden seit Ende des vergangenen Jahres im Portfolio. Einige Projekte damit sind auch schon realisiert. Damit ist Schletter neben Solarwatt einer der wenigen Anbieter von solchen Unterkonstruktionen, die speziell für die Photovoltaikfassade entwickelt wurden. „Unsere drei Varianten des Systems Energiefassade sind so ausgelegt, dass selbst bei einer Dämmdicke von 260 Millimetern immer noch eine Hinterlüftungsebene von mindestens 30 Millimetern übrig bleibt“, erklärt Bernhard Schmid, Leiter Solarkonstruktionen bei Schletter. „Das ist ausreichend, um die Norm für die Hinterlüftung von Fassaden einzuhalten.“

Sollte der Planer aber eine Dämmung von nur 110 Millimetern vorsehen, dann würde das System an die obere Grenze der zulässigen Hinterlüftungsebene stoßen. Dann greift der Planer auf eine Variante zurück, die für eine Dämmstärke von 200 oder sogar nur von 140 Millimetern ausgelegt ist. Dabei ist der einzige Unterschied zwischen den verschiedenen Systemen, dass der Befestigungswinkel unterschiedlich lang ist. Der Rest der Konstruktion bleibt gleich. So hat der Planer die Möglichkeit, die Größe der Hinterlüftungsebene nach den konkreten Bedürfnissen am Gebäude auszulegen.

Vorzeigefassade in Österreich

Dass die Hinterlüftung von Solarfassaden nicht trivial ist, weiß Thomas Becker, Geschäftsführer von ATB-Becker. Der Systemanbieter aus Absam, einer kleinen Gemeinde in Tirol, hat die Vorzeigefassade Österreichs geplant. Hoch über die Dächer der Hauptstadt der Alpenrepublik ragt sie empor. Der Neubau des Chemiehochhauses der Technischen Universität Wien wurde mit einer vorgehängten hinterlüfteten Fassade gebaut, die als Pfosten-Riegel-Konstruktion ausgeführt wurde. Die Solarmodule schützen damit die dahinterliegende Warmfassade. Auch bei solchen Konstruktionen werden die mechanischen Kräfte nicht über die Module abgeleitet. Vielmehr tragen die vertikalen Pfostenprofile die statischen Lasten. Zwischen diese werden die Solarmodule geschoben. Danach werden sie oben und unten mit horizontalen Riegelschienen abgeschlossen. So muss das Modul ausschließlich die Windlasten aufnehmen, die auf die Fassade wirken.

Eigentlich sind solche skelettartigen Konstruktionen mit Solarmodulen als Fassadenelementen statisch kein Problem. Doch der große Aufwand ist die Zulassung der Module. „Es gibt zwar viele Normen für Glas in der Fassade, aber keine für Solarmodule“, weiß Thomas Becker. „Das Problem ist, dass in den Verbundgläsern meist PVB-Folie genutzt wird. In den Solarmodulen werden die Zellen jedoch in der Regel mit EVA-Folie eingekapselt. Die Glasbaunormen kennen aber nur PVB. Das heißt, das zuständige Bauamt kann fordern, dass nur Module genutzt werden dürfen, in denen die Zellen ebenfalls mit PVB-Folie eingekapselt werden, oder ein Nachweis geführt wird, dass die Module mit EVA dieselben Eigenschaften besitzen.“

Luft strömt quer übers Modul

Die Hinterlüftung ist aber ein ganz separates Problem, das die Österreicher lösen mussten. Zumal in der Fassade in Wien kristalline Solarmodule eingesetzt wurden, die empfindlicher auf hohe Temperaturen reagieren. Werden sie zu warm, verlieren sie an Leistung. „Wir haben versucht, keine Wärmekaskaden entstehen zu lassen“, beschreibt Thomas Becker die Planung der Hinterlüftung. „Wir haben dann die Möglichkeit gefunden, die Luft diagonal über das Modul abzuführen. Das heißt, an jedem Modul kommt von unten links frische Luft hinein, strömt quer hinter dem Modul nach rechts oben und wird dort wieder nach außen geführt.“ Diese Konvektionskühlung für jedes einzelne Modul wird bis nach oben durchgezogen, sodass nicht an der obersten Modulreihe die gesamte Wärme aller Paneele ankommt.

Energie für elf Stockwerke

Auf diese Weise macht die Solaranlage nicht nur optisch einen guten Eindruck, sondern trägt entscheidend dazu bei, dass aus dem Gebäude ein Plus-Energie-Bürohochhaus geworden ist. Die Anlage versorgt nicht nur die Büroräume mit Solarstrom, sondern auch die Lüftung, die Heizung und die Kühlung.

Die Planer haben in ihre Berechnungen die gesamte Nutzung miteinbezogen, bis hin zu den Computern und der Kaffeemaschine. Jetzt erzeugt das Gebäude im Jahresmittel die gesamte Energie selbst, die in den elf Stockwerken benötigt wird. Das wäre ohne die Fassadenanlage nicht möglich gewesen. Denn die Dachfläche ist viel zu klein, damit eine dort installierte Solaranlage die gleichen Erträge bringt wie jetzt die Fassadenanlage.

Montagegestell für Fassaden

Schletter hat seit Ende 2014 ein System zur Montage von Fassadenanlagen im Portfolio. Kaum ein anderer Gestellhersteller wagt sich in diese Nische vor. Die Energiefassade (EFa) des oberbayerischen Gestellspezialisten ist ein vorgehängtes hinterlüftetes System. Es besteht aus nur vier Einzelteilen, die teilweise vormontiert beim Kunden ankommen.

Der Fassadenmonteur schraubt zunächst den Befestiger auf den Untergrund. Das ist ein Aluminiumwinkel mit einem kurzen Schenkel, der an die Wand geschraubt wird, und einem langen Schenkel, an den später die Klemmen für die Modulträger kommen. Die Anzahl der Befestiger richtet sich dabei nach der Tragfähigkeit des Untergrunds. Grundsätzlich sollte das Gewicht der Solaranlage möglichst gleichmäßig auf die gesamte Fassade verteilt sein. Der kurze Schenkel des Aluminiumwinkels ist zusätzlich mit einem Thermostopp versehen. Das ist ein Unterleger aus Kunststoff, der verhindert, dass Wärme aus der Fassade über die Unterkonstruktion der Solaranlage nach außen abgeleitet wird.

Über den Befestiger schiebt der Installateur dann die Dämmplatten. Danach schraubt er einen zweiten Winkel an das Ende der aus der Dämmung herausstehenden Aluminiumplatte des Befestigers. An diesem sind schon die Halter für die Modulträger vormontiert. Der Monteur kann sich noch entscheiden, ob er die Profilschienen horizontal oder vertikal anbringen will. Entsprechend dreht er den Halter in die richtige Richtung. Danach schiebt er die Modulträger über die Halter und schraubt diese zusammen mit dem Modultragprofil mit jeweils einer Schraube von außen fest.

Danach muss er nur noch die Module befestigen. Schletter nimmt dafür die gleichen Modulklemmen wie für Dachanlagen. „Wenn die Module liegend montiert werden, reicht es in der Regel aus, wenn das erste Modul auf der untersten Klemme aufliegt und die Module darüber mit Mittelklemmen weiterführend montiert werden“, erklärt Bernhard Schmid, Leiter Solarkonstruktionen bei Schletter. „Wenn sie aber senkrecht montiert werden, muss der Monteur sie gegebenenfalls an den kurzen Kanten gegen Abrutschen sichern und an den langen Kanten klemmen.“

Das System von Schletter hat einen entscheidenden Vorteil. Es ist sehr variabel. Denn der Monteur kann es sowohl horizontal als auch vertikal justieren. Denn die Modulhalter sind mit Langlöchern versehen, über die der Installateur die Tragprofile noch verschieben kann, sodass diese exakt waagerecht oder bei vertikaler Montage senkrecht ausgerichtet sind. Zusätzlich haben die äußeren Winkel, an denen der Modulträger angebracht ist, Langlöcher. Damit kann der Monteur Unebenheiten der Fassade ausgleichen, sodass die Solaranlage eine ebene Fläche bildet. Gleichzeitig kann er so die Hinterlüftungsebene vergrößern und damit die Abführung der Wärme sicherstellen.

www.schletter.de

Endlich die Architekten überzeugen

Design: In der Fassadenplanung ist Photovoltaik bei den Baumeistern eher unbeliebt. Zu stark beeinflussen die großflächigen dunklen Flächen die Optik eines Gebäudes und überlagern die ästhetischen Intentionen der Schöpfer und Bauherren. Ein Forschungsprojekt der Hochschule Luzern untersucht die Möglichkeiten, mit bedrucktem Glas für Abwechslung zu sorgen.

Immer wieder und immer noch wird an Konzepten gearbeitet, die blauschwarzen Flächen der Module optisch ansprechender zu gestalten und ihnen damit den Weg in die Fassade zu erleichtern. Denn viele Architektinnen und Architekten berücksichtigen Photovoltaik in ihren Entwürfen erst gar nicht, einfach nur aus ästhetischen Gründen. Neben den Versuchen mit organischen Zellen zum Beispiel von Heliatek und flächig farbigem Glas von Antec erforscht jetzt ein Team von der Hochschule Luzern einen anderen Weg.

Gemeinsam mit der Glas Trösch AG werden Gläser bedruckt, um die herkömmlichen Modulverglasungen zu ersetzen. Das Ziel ist es, ein Zulieferprodukt für Modulhersteller zu schaffen, das diese dann je nach Bedarf und konkreter Anforderung im Produktionsprozess verbauen. Stephen Wittkopf vom Bereich Technik und Architektur arbeitet in diesem interdisziplinären Forschungsprojekt mit seiner Kollegin Monika Gold vom Departement Design und Kunst zusammen. Sieben Designs wurden entwickelt, die Muster auf Glasplatten gedruckt und diverse Tests durchgeführt. Da das Projekt der Schweizer Forscher mit Mustern arbeitet, ist ein weiteres ästhetisches Kalkül im Spiel. Die Module sehen aus der Ferne anders aus als aus der Nähe. Auch das dürfte den Architekten viel Raum für neue Ideen liefern und die Kreativität beflügeln.

Die Entwicklung der Designs erwies sich als hoch komplex, da bunt bedrucktes Glas und hohe Lichtdurchlässigkeit einander normalerweise ausschließen. Das Forschungsteam setzte sich zum Ziel, mit den Ergebnissen einen Effizienzgrad von mindestens 80 Prozent der herkömmlichen Module zu erreichen. „Das Projekt war eine Gratwanderung zwischen Ästhetik und Technik. Wir fragten uns stets von Neuem, wie viel Farbdichte überhaupt möglich ist“, sagt Monika Gold. Mit den sieben Designs in verschiedenen Farbdichten erreichten die Forscher Effizienzgrade zwischen 75 und 90 Prozent gegenüber farblosem Glas. Die Farbformen sind dabei nicht das Entscheidende, alles ist möglich. Aber nur bestimmte Farben sind geeignet. Geforscht und optimiert wurde vor allem am Spektrum der Transmission. Dieses soll dem Spektrum der Module ähnlich sein. Auch dürfen die Farben sich nicht ähnlich wie Hotspots auf das Modul auswirken. Deshalb muss die gesamte Fläche bedruckt sein. Von unten, aus Sicht des Moduls gesehen, sieht die bedruckte Glasfläche gleichmäßig flächig grau aus.

Neben der Montage einer farblosen Glasfläche auf einem Modul wird allerdings auch noch ein alternativer Weg ausprobiert. Getestet wurde auch die zusätzliche Aufbringung des bunten Glases auf ein bereits fertiges Modul. Es liegt in der Natur der Sache, dass hier die Effizienzgrade geringer sind, das Modul schwerer wird und auch der Rahmen einiges an Know-how erfordert.

Mitte August wurden schließlich zwei ausgewählte Glasflächen zu einem Modulhersteller gebracht, die dieser in zwei Standardmodule anstatt des herkömmlichen Glases montierte. Die Module sollen nach technischen Tests an Fensterläden der Villa Seerose in Hergiswil am Vierwaldstättersee montiert werden.

www.hslu.ch