Solarthermische Fassadenkollektoren
Streifenkollektor und Jalousie
Im Gegensatz zur Photovoltaik wird bei der Solarthermie nicht Strom mithilfe der Sonnenenergie erzeugt, sondern Wärme gesammelt, mit der Trinkwasser erhitzt oder die Räume eines Gebäudes beheizt werden können. Die Idee, für solarthermische Energiegewinnung nicht nur die Dach-, sondern auch die Fassadenflächen zu aktivieren, ist nicht neu. Trotzdem haben sich vertikale Sonnenkollektoren für die Fassade bei Bauherrschaft und Planung noch nicht so recht durchgesetzt. Den nötigen Anstoß bringen soll das 2020 abgeschlossene Forschungsprojekt ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadenkollektoren mit Heat-Pipes, in Zuge dessen ein Forschungskonsortium unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE zwei neuartige solarthermischen Fassadenkollektoren entwickelt hat. Mit einer solarthermischen Jalousie sowie einem Streifenkollektor sollen auch diejenigen überzeugt werden, die sich bislang aufgrund des eingeschränkten Gestaltungsspielraums gegen die Nutzbarmachung von Fassadenflächen entschieden haben.
Gallerie
Die im Forschungsprojekt „Arkol“ entwickelten Streifenkollektor-Elemente lassen sich hinsichtlich Gestaltung und Ausrichtung flexibel in Fassaden integrieren, hier als schwarze Streifen in Kombination mit dekorativen Fassadenprofilen.
Bild: DAW SE / Karim Donath
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Fassadenkollektoren bieten gegenüber ihren Artverwandten vom Dach einige Vorteile, denn sie sind jahreszeitlich besser angepasst: Im Winter, wenn die Sonne niedriger steht, wird die Fassade in einem günstigeren Winkel angestrahlt als das Dach und kann daher einen höheren Ertrag liefern. Im Sommer dagegen, wenn der Wärmebedarf geringer ist und sich im Wesentlichen auf die Trinkwassererwärmung beschränkt, unterliegen die Fassadenkollektoren einer geringeren Sonneneinstrahlung. Sie erzeugen weniger überschüssige Wärme, was die Materialbelastung von Kollektor und dem darin enthaltenen Fluid verringert und eine längere Lebensdauer ermöglicht. Im urbanen Raum mit hohen Gebäuden stehen zudem mehr Flächen an Fassaden zur Verfügung als auf Dächern – zumal diese oft auch für Fahrstuhlschächte und andere technische Aufbauten benötigt werden.
Insbesondere für gläserne Fassaden, beispielsweise von Bürogebäuden und Hochhäusern, wurde die Jalousie entwickelt. Beim Prototypen sind diese in den Zwischenraum des Elements einer Doppelfassade integriert. Hier können Temperaturen von bis zu 100 Grad Celsius erreicht werden. Diese Wärme wird von den Kollektoren auf den Lamellen der Jalousie gesammelt und über sogenannte Heat-Pipes seitlich am Element abgeführt, um das Gebäude zu heizen. Zugleich verschatten die Kollektoren als Sonnenschutz das Fenster. Auf Wunsch können sie vollständig gerafft werden, sodass besonders im Winter volle Transparenz und damit Tageslicht in den Raum gelangen kann. So sollen die Module das Raumklima in mehrfacher Hinsicht verbessern.
Neben den solarthermischen Jalousien haben die Forscherinnen und Forscher Streifenkollektoren entwickelt, die eine hohe Effizienz und gegenüber klassischen Solarkollektorbauarten ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich Größe, Farbe, Abstand, Anzahl und Ausrichtung besitzen sollen. Die streifenförmigen Elemente können in unterschiedlichen Längen ausgeführt und frei auf der Fassade verteilt werden. Möglich wird dies, da die spektralselektiv beschichteten Kollektoren – wie die Lamellen der Jalousie – kein Fluid enthalten und darum keine einzelnen hydraulischen Anschlüsse benötigen. Stattdessen transportieren sie die durch die Sonneneeinstrahlung erzeugte Wärme quasi trocken an den seitlichen Sammelkanal, wo das Fluid erhitzt wird. Die Kollektoren werden in die Unterkonstruktion einer vorgehängten hinterlüfteten Fassade mit marktüblichen Agraffen eingehängt.
Für die Entwicklung der multifunktionalen Gebäudehüllen kooperierte das Fraunhofer ISE mit dem Institut für Baukonstruktion der Universität Stuttgart sowie mit den Firmen DAW SE und Priedemann Façade-Lab sowie dem Borderstep-Institut für Innovation und Nachhaltigkeit und dem Kompetenzzentrum Ausbau und Fassade. Die Schwerpunkte des Fraunhofer ISE lagen dabei neben der Gesamtkoordination insbesondere in der Charakterisierung und Entwicklung von Heat-Pipes, der solarthermischen Auslegung, der konstruktiven Umsetzung, dem Musterbau und der Vermessung. Die Streifenkollektoren für die Demonstrationsfassade wurden von der Firma Wagner Solar gefertigt. Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) gefördert.
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