Solar-VHF: Energiegewinnung zur Gebäudebeheizung mittels vorgehängt, hinterlüfteten Fassadenelementen

Solar-VHF-Testfassaden auf dem Freigelände
© Fraunhofer IBP
Solar-VHF-Testfassaden auf dem Freigelände des Fraunhofer IBP (links Betonfassade, rechts dunkelgraue Metallfassade).

Die deutsche Regierung hat bis 2045 das Ziel, Netto-Treibhausgasneutralität zu erreichen. Der Betrieb von Gebäuden erzeugt ca. 30 Prozent der CO₂-Emissionen. Davon verursacht die Wärmeversorgung einen großen Anteil. Solarthermie kann durch ihren dezentralen Charakter einen wichtigen Beitrag zur regenerativen Wärmeversorgung leisten. Im Geschosswohnungsbau sind Dächer oft zu klein, bereits durch Photovoltaik belegt oder für weitere statische Lasten ungeeignet. Die dichte Bebauung erschwert aus akustischen Gründen den Einsatz von Luft-/Wasser-Wärmepumpen; ausreichende Flächen für Erdsonden als Wärmequelle stehen nicht zur Verfügung oder Bohrungen sind generell nicht möglich.

Planende und Bauherren fragen: Lässt sich die Fassade als solare Wärmequelle nutzen, ohne dass das architektonische Erscheinungsbild verändert wird? Kann die Gebäudehülle eine Wärmepumpe mit erneuerbarer Wärme versorgen?

Vorgehängt, hinterlüftete Fassaden (VHF) eignen sich hierzu aufgrund ihrer konstruktiven, bauphysikalischen und montagetechnischen Eigenschaften besonders gut für die Aktivierung. Die Forschungspartner Fraunhofer IBP und Institut für Solarenergieforschung Hameln ISFH untersuchen das thermische Verhalten verschiedener VHF-Fassadenbekleidungen unter realen Bedingungen und leiten daraus Planungsgrundlagen für Mehrfamilienhäuser bzw. Geschosswohnungsbauten im Neubau und für die Sanierung ab.

Projektinhalte

Solar-VHF bezeichnet die solarthermische Aktivierung vorgehängt, hinterlüfteter Fassadenelemente. Die Fassadenbekleidung nimmt Sonnenenergie und Umweltwärme auf und gibt diese als Niedertemperaturwärme an eine Wärmepumpenanlage weiter. Die Gebäudehülle wird so zur erneuerbaren Wärmequelle.

Im Projekt werden folgende Schwerpunkte untersucht:

  • Sechs Bekleidungswerkstoffe werden an Freiland-Testflächen unter realer Witterung messtechnisch untersucht.
  • Simulationsmodelle werden anhand der gemessenen Fassadendaten erstellt und validiert.
  • Systemkonzepte (Wärmepumpe, Speicher und Regelung) für den Wohnungsbau werden erarbeitet.
  • Die Demoobjekte in Pforzheim und Hannover werden messtechnisch überwacht und belegen die Praxistauglichkeit des Konzepts.
  • Die Systemkombination Solar-VHF mit Eisspeicher wird als Ergänzungsvariante untersucht.
  • Ein Planungsleitfaden entsteht gemeinsam mit dem Fachverband Baustoffe und Bauteile für vorgehängte hinterlüftete Fassaden e.V. (FVHF).

Ziel ist es, die Praxistauglichkeit dieses Systems u.a. durch die beiden Demoobjekte aufzuzeigen. Zudem sollen die Projektergebnisse Entscheidungsgrundlagen für eine energieeffiziente Planung liefern sowie Planungs- und Investitionsrisiken reduzieren.

Stand des Projekts

Das Basisprojekt ist weitgehend abgeschlossen. Das Projektteam hat die solarthermische Aktivierung der Werkstoffe Metall, Glas und Beton an Testfassaden messtechnisch untersucht, wobei die gewonnenen Messdaten unter anderem zur Validierung der Fassaden-Simulationsmodelle dienen. Diese Modelle wurden wiederum in das Simulationsmodell eines mehrgeschossigen Wohnungsbaus implementiert, um das optimale Anlagenkonzept (Wärmepumpe, Sekundär-Quelle, Speichergrößen, Regelung) für den Betrieb der Solar-VHF zu ermitteln. Die Demoobjekte in Pforzheim und Hannover befinden sich im Betrieb; das Fraunhofer IBP und das ISFH überwachen beide Anlagen messtechnisch, um die Praxistauglichkeit der Solar-VHF nachzuweisen und die prognostizierten Energieerträge anhand der gemessenen Ergebnisse zu überprüfen.

Im Rahmen einer Aufstockung konnten weitere marktrelevante Bekleidungswerkstoffe (Faserzement, HPL- und Aluverbundplatten) in das Forschungsprojekt mit aufgenommen werden. Zusammen mit den bereits im Basisprojekt untersuchten Fassadenelementen wird damit ein breites Spektrum an typischen Fassadenbekleidungen abgedeckt. Derzeit laufen auf dem Freilandversuchsgelände des Fraunhofer IBP in Holzkirchen sowie im Technikum am ISFH Untersuchungen zu den neuen Werkstoffen. Parallel analysiert das Projektteam sowohl Solar-VHF als alleinige Quelle als auch eine Systemkombination aus Solar-VHF und Eisspeicher. Zudem werden die Demoobjekte weiterhin überwacht und Optimierungsmaßnahmen im Anlagenbetrieb durchgeführt. Ein Planungsleitfaden mit dem FVHF befindet sich in Erarbeitung, um den Wissenstransfer in die Praxis und damit die reale Umsetzung von Solar-VHF im Bau zu beschleunigen.

Projektpartner

  • Institut für Solarenergieforschung Hameln ISFH
  • Systea GmbH
  • Clina Heiz- und Kühlelemente GmbH
  • Konvortec GmbH
  • Pforzheimer Bau und Grund GmbH
  • Gundlach GmbH & Co. KG
  • Fachverband Baustoffe und Bauteile für vorgehängte hinterlüftete Fassaden e.V. FVHF
  • Etex Germany Exteriors GmbH
  • 3A Composites GmbH
  • Trespa Deutschland GmbH
Erstellung einer Solar-VHF Betontestfassade
© Fraunhofer IBP
Gießvorgang bei der Erstellung einer Solar-VHF Betontestfassade.
Montage der Solar-VHF-Betontestfassade
© Fraunhofer IBP
Montage der Solar-VHF-Betontestfassade auf dem Freigelände des Fraunhofer IBP.
Prinzipskizze thermisch aktivierter VHF
© www.fvhf.de, Fraunhofer IBP
Prinzipskizze einer thermisch aktivierten VHF mit integriertem Absorbersystem in der äußeren Bekleidung.