Wie werden unsere Gebäude in Zukunft aussehen? Sie sollen höchste Energieeffizienz aufweisen. Die EU-Gebäuderichtlinie fordert Niedrigstenergiehäuser ab 2021. Sie sollen vor Ort vorhandene Energie nutzen und eine aktive Rolle im Stromnetz übernehmen. Dazu leisten solaraktive Bauteile einen Beitrag.
Ergebnis eines interdisziplinären Forschungsprojektes ist ein multifunktionales, solaraktives, hybrides Leichtbauelement für den Einsatz in Fassaden und Dächern von Gewerbe-, Industrie- und Wohnbauten.
Das multifunktionale Leichtbauelement entstand in interdisziplinärer Zusammenarbeit verschiedener Partner. Die Sandwichstruktur wurde von der IWE GmbH & Co. KG gefertigt. Das Bausystem entstand bei der IAB Weimar gGmbH. Die Photovoltaik integrierte GSS Gebäude-Solarsysteme GmbH aus Korbußen bei Gera in Thüringen. Der Wärmetauscher wurde von SLT Schanze Lufttechnik GmbH entwickelt. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert.
Die Entwicklung basiert auf der Kombination mehrerer innovativer Einzelaspekte zu einem neuen Bauelement für Gebäudehüllen. Dieses bauwerkintegrierte, hybride Bauelement erfüllt die Funktionen eines Fassaden- oder Dachbauteils. Unter anderem sichert es den Witterungs- und Wärmeschutz.
Bauelement für die Gebäudehülle
Es ist selbsttragend, leicht, großformatig und erzeugt zusätzlich neben Solarstrom nutzbare Wärme, zum Beispiel zur Bereitung von Warmwasser, um die Heizung zu unterstützen oder für betriebliche Prozesswärme.
Das Sandwich besteht aus einem Wabenkern und beidseitigen Deckblechen aus Aluminium. Es ist mit einem umlaufenden Hohlkastenprofil versehen. Dieser Rahmen dient zur Stabilisierung der Module während des Herstellungsprozesses, der Sicherung der Tragfähigkeit der Leichtbauelemente sowie bei Ausführung als luftgekühltes Element als Sammler für das Kühlmedium, das die Waben durchströmt.
Auf das Sandwich sind, elektrisch isoliert, die Solarzellen laminiert und mit einer Frontfolie oder einem Zwei-Millimeter-Solarglas geschützt. Innenseitig erhält das solaraktive Leichtbauelement variable Dämm- und Deckschichten.
Untersucht wurden sowohl direkte Luftdurchströmungen unterschiedlicher Wabenkerne (aus Aluminium) als auch rohrgeführte Fluiddurchströmungen des Bauteils.
Als wirtschaftlich günstigere Variante erwiesen sich das Einpressen von Rohrleitungen in den Wabenkern und der Einsatz von Fluiden als Kühlmedium.
Viele Funktionen vereint
Durch die Wärmetauscherfunktion des Bauelementes werden die Photovoltaikmodule gekühlt, deren elektrische Leistung um etwa 25 Prozent erhöht sowie die anstehende Wärme genutzt.
Die Prototypen erreichten eine elektrische Leistung von 155 Watt pro Quadratmeter und eine thermische Leistung von 540 bis 780 Watt pro Quadratmeter, bei einer Durchflussmenge (Wasser) von vier Litern pro Minute.
Das hybride Leichtbauelement trägt sowohl durch den photovoltaisch erzeugten Strom als auch durch die abgeführte Wärme direkt zur Energieversorgung des Gebäudes bei (solare Kraft-Wärme-Kopplung). Damit leisten diese multifunktionalen Fassaden- und Dachelemente neben ihrer Funktion als Bauteil der Gebäudehülle einen Beitrag zu ihrer Refinanzierung, zur Betriebskostensenkung des Bauwerks.
Als Teil der Anlagentechnik haben sie einen positiven Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz eines Gebäudes. Welches konventionelle Bauteil der Gebäudehülle kann dies auch?
Bis zu neun Meter lang
Aufgrund wirtschaftlicher und fertigungstechnischer Erwägungen basiert das hybride Leichtbauelement auf Teilmodulen. Sie messen einen mal drei Meter und können im Werk objektspezifisch zu bis zu neun Meter langen Fertigelementen verbunden werden. Die Orientierung der Spannrichtung der Fassaden- oder Dachelemente richtet sich nach konstruktiven und architektonischen Gesichtspunkten.
Im Vordergrund der Entwicklung und Vermarktung steht die Multifunktionalität des bauwerkintegrierten, großformatigen, solaraktiven Leichtbauelementes als Fassaden- und Dachbauteil für energieeffiziente Gebäude.
Die Praxispartner stehen nun vor der Herausforderung, die hybriden Leichtbauelemente in den Markt einzuführen. Dazu sind die bauordnungsrechtlichen beziehungsweise zulassungsrelevanten Baustoff- und Bauteilprüfungen durchzuführen.
Hier werden die Hersteller und Projektpartner mit erheblichen Herstellungskosten (255 unterschiedliche Prüfkörper!) und Prüfkosten konfrontiert.
Parallel wollen die Projektpartner weitere, technisch und gestalterisch modifizierte Prototypen entwickeln, um sie in Demonstrationsprojekten zu testen.
Sandwichbauweise
Waben sind sehr tragfähig
Nach dem Vorbild der Natur lassen sich mit Sandwichbauteilen mit Wabenkern sehr leichte und dennoch sehr belastbare Platten herstellen. Zum Beispiel dienen harzgetränkte Papierwaben als Fußbodenplatten in Flugzeugen, ebenso für Türen und Verblendungen. Dort sind die Waben durch Deckschichten aus Kohlefaser oder Glasfaser eingefasst. Die Tränkung mit Harz schützt die Papierwaben vor Feuchte. Auch hauchfeine Wabenstrukturen aus Metall werden im Leichtbau verwendet.
Die Autoren
Dr. Ingrid Lützkendorf
Dr. Ulrich Palzer
sind am Institut für Angewandte Bauforschung Weimar gGmbH (IAB) tätig. Dr. Lützkendorf ist wissenschaftliche Mitarbeiterin im Fachbereich Nachhaltiges Bauen. Dr. Palzer leitet das Institut, das mehr als 90 Mitarbeiter hat.
Dieser Wabenkern wurde durchbrochen, um die Module mit Luft zu kühlen.
Anwendungsbeispiele der Leichtbaupaneele auf Industriedächern und an Fassaden.
Eine Version des Bauteils wurde mit einem fluidgeführten Wärmetauscher versehen. Er nutzt die Abwärme der Module zur Bereitung von Warmwasser oder Prozesswärme.
Komplettes Bauelement (ein mal drei Meter) mit rückseitigem Wärmetauscher.
Ergebnisse der Messungen am fluidgeführten Wärmetauscher, in Abhängigkeit von der Durchflussmenge.
