Integration von Solaranlagen - Journal-dl

Integration von Solaranlagen
Roland Krippner
• Grundlagen
• Additiver oder integrierter Einbau?
• Gebäudebestand
• Gestalterische Einbindung
• Bauliche Integration
Grundlagen
Gesamtstruktur sichtbar wird. Dies macht die Notwendigkeit deutlich, neben den systemtechnischen und baupraktischen Anforderungen auch die gestalterischen
Zusammenhänge angemessen zu berücksichtigen.
Im Sinne Vitruvs ist eine schöpferische Synthese funktionaler, konstruktiver und gestalterischer Aspekte die
wesentliche Grundlage für adäquate Lösungen in der
Architektur. Dies gilt auch für die Schnittstelle zwischen
Gebäude und Solartechnik. Die bauliche Integration
solartechnischer Systeme umfasst deren schlüssige Einfügung in Dächer und/oder Fassaden, wobei die Solarkollektoren und PV-Module funktionale und konstruktive
Aufgaben zu übernehmen und zu unterstützen haben.
Darüber hinaus ist die sichtbare Solartechnik immer auch
Teil des architektonischen Konzepts. Folglich darf die
Installation auf oder in der Außenhaut nicht im Widerspruch zu den ästhetischen Merkmalen der Gebäudehülle stehen, sondern muss diese optimal ergänzen oder
bewusst kontrastieren [1].
Dabei lassen sich unterschiedliche Strategien erkennen.
Diese reichen von einer versteckten, für den Betrachter
nicht sichtbaren Anordnung der Solartechnik über eine
starke (farbliche und strukturelle) Unterordnung bis hin
zu Lösungen, die das Gebäude technisch und konstruktiv
dominieren. Ein wichtiger Einflussfaktor für die Integrationsarbeit ist der angestrebte Deckungsgrad mit thermischer bzw. photovoltaischer Solarenergie und die daraus resultierende Dimensionierung der Anlagen. Deren
Abmessungen beeinflussen das äußere Erscheinungsbild der Gebäude maßgeblich und sind daher mit den
Gliederungsprinzipien der Dach- und Fassadenflächen
abzustimmen.
Eine Vielzahl von Bauten spiegelt diesbezüglich eine
mangelnde Sensibilität und/oder ein fehlendes Verständnis für den Gebäudecharakter wider, was in einer
meist wenig geglückten Verbindung der Eingriffe mit der
Additiver oder integrierter Einbau?
Immer noch werden nachträglich installierte Kollektoren
und PV-Module als optisch störende Elemente auf dem
Dach oder an der Fassade empfunden. Bis heute sieht
man das »Hauptübel« in aufgeständerten Anlagen, also
in additiven Maßnahmen. Dagegen gelten integrierte Einbauten per se als dezent und unauffällig oder gar als elegant. So wird bereits die erste Indachmontage einer Kollektoranlage (1976) als »gelungene architektonische
Lösung« [2] herausgestellt. Hier scheint sich über Jahrzehnte ein Missverständnis gehalten zu haben. Das
Resultat mag in diesem Fall bautechnisch innovativ und
funktional, d. h. energetisch richtig gewesen sein, aber
von einer gestalterischen Einbindung in die bestehende
Dachfläche kann nicht gesprochen werden.
Das Unbehagen an den »aufgepflasterten« Anlagen hat
zunächst nichts mit der Art der baukonstruktiven Lösung
zu tun. Ob nun aufgeständert oder bündig in die Dachhaut oder die Fassadenebene integriert – maßgeblich für
eine gestalterisch befriedigende Lösung sind zunächst
die Bauteilabmessungen, die Proportionen des Gesamtelements und dessen Binnengliederung, vor allem aber
die gewählte Anordnung in der Fläche.
Eine Reihe gebauter Beispiele zeigt, dass Konzepte, die
solartechnische Anlagen sowohl im Dach als auch in der
Fassade additiv einsetzen, durchaus ein hohes Maß an
architektonischer Integration aufweisen können (Abb. 6.1
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Gebäudebestand
und 6.2). In diesen Projekten werden die Kollektoren
oder die PV-Module als eine weitere Funktionsebene
begriffen, die abgelöst von der wasserführenden Schicht
angeordnet ist. Dies kann seine Gründe im Bauablauf
haben, aber auch in Nutzungsaspekten, etwa in ausreichender Hinterlüftung, geschützten Wartungsgängen
etc. Wesentlich im Sinne einer architektonischen Integration ist neben den baukonstruktiven und energetischen Aspekten die schlüssige Einbindung in ein übergeordnetes Gestaltungskonzept. Verglichen damit ist
die Frage nach additivem oder integriertem Einbau
zunächst nachrangig.
Gebäudebestand
Im Zusammenhang mit der gebäudeintegrierten Solartechnik wird häufig darauf verwiesen, dass diese insbesondere ein Thema des Neubaus sei. Der Bedarf an Neubauten ist jedoch relativ klein geworden, die jährliche
Erneuerungsrate des Bestands beträgt »etwa 1 bis 1,5 %
für Nichtwohngebäude und nur 0,07 % für Wohngebäude« [3], Tendenz fallend. Große Potenziale liegen
hingegen in der baulichen und energetischen Ertüchtigung wie auch in der architektonischen Aufwertung von
Siedlungs-, Industrie- und Gewerbearealen. Es sind vor
allem die großen Bauvolumen aus den 1950er-, 1960erund 1970er-Jahren, die beim Wärmeschutz deutliche
Defizite aufweisen. Daher gewinnt die energietechnische
Sanierung der Altbauten gerade auch im Kontext der avisierten Energiewende hin zu einer zukunftsfähigen und
nachhaltigen Energieversorgung einen hohen Stellenwert. Die Aufgabenfelder für Architekten und Ingenieure
heißen Pflege, Umbau, Anpassung des Gebäudebestands sowie partieller Neubau. Auch lassen sich ressourcenschonende Maßnahmen letztlich nur im Altbaubestand realisieren [4].
Von etwa 19 Millionen Wohnungsbauten gelten zwei Drittel energetisch als sanierungsbedürftig; bei den soge-
nannten wohnähnlichen Gebäuden für Gewerbe, Handel
und Dienstleistungen sieht es nicht besser aus. Neben
einem verbesserten Wärmeschutz der Gebäudehülle
(Fassaden- und Dachsanierung, Fensteraustausch) und
dem Austausch alter Heizungen gewinnt dabei auch die
Aktivierung der Hüllflächen an Bedeutung. Ziel ist die
Transformation der Gebäude vom Energieverbraucher
zum Energieerzeuger. Damit stellt sich die Herausforderung, in bestehende Fassaden und Dächer Solarkollektoren und PV-Module konstruktiv und gestalterisch zu
integrieren [5]. Das Potenzial an Dach- und Fassadenflächen ist enorm. Einer Untersuchung des Bundesverbands Solarwirtschaft vom Januar 2014 zufolge sind
bisher nicht einmal 10 % der möglichen Flächen durch
Solarthermie und Photovoltaik genutzt; davon entfällt der
überwiegende Anteil auf Dachflächen. Insgesamt ist dies
eine bedeutende energietechnische und vor allem baukulturelle Herausforderung [6].
Bei Maßnahmen im Gebäudebestand sind die Randbedingungen für die gebäudeintegrierte Solartechnik
um ein Vielfaches komplexer als im Neubau. Oft erlauben
jedoch bestehende Dächer nicht nur durch ihre Exposition und Neigung, sondern auch durch die Möglichkeit
eines zusammenhängenden und großflächigen Einbaus
eine architektonisch stimmige und zugleich energetisch
sinnvolle Lösung.
Eine Untersuchung ausgewählter Altersklassen von
Wohnungsbauten in Bayern ergab, dass auch an Fassaden eigentlich reichlich solar nutzbare Flächen vorhanden sind. Bei Einzeluntersuchungen zeigen sich hier
jedoch mitunter erhebliche Einschränkungen, die durch
Auflagen des Denkmalschutzes noch verschärft werden
können [7].
Gerade in verdichteten urbanen Strukturen sind die Nutzungsmöglichkeiten an Fassaden häufig baulich stark
6.1 Einfamilienhaus in Hegenlohe (D) 2005, Tina Volz, Michael Resch
6.2 Tegelborgen-Gebäude in Malmö (S) 2007, Månsson Dahlbäck
Arkitektkontor
6.1
6.2
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Integration von Solaranlagen
6.3
limitiert. Auch verschlechtern sich die Einstrahlungsbedingungen gegenüber einem optimal ausgerichteten
Süddach. Gleichwohl gibt es eine Reihe von Gründen,
sich mit der solaren Aktivierung auch von Bestandsfassaden zu beschäftigen. Ein Beispiel sind mehrgeschossige Gebäude, bei denen die Dachflächen ungünstig orientiert, zu klein bemessen oder ungünstig geschnitten
sind. Nicht zuletzt erweitertet die Solartechnik auch das
Gestaltungsrepertoire und kann in der Fassade zum symbolischen Zeichen für die Nutzung erneuerbarer Energien
avancieren. Für nahezu alle Bauaufgaben finden sich
beispielhafte Realisierungen, die auch erfolgreich Strategien zur solaren Aktivierung der Gebäudehülle im
Gebäudebestand aufzeigen (Abb. 6.3) [8].
Der Einsatz von Solartechnik führt stets zu einem neuen
gestalterischen Erscheinungsbild der Gebäudehülle, und
diese Veränderung muss in jedem Projekt gezielt geplant
werden. Zwar fallen weit über 90 % der Bausubstanz
nicht in den Bereich Denkmalpflege, doch erfordern auch
diese Gebäude individuelle, auf die örtlichen Gegebenheiten abgestimmte Lösungen, damit das Ergebnis
sowohl energetisch als auch architektonisch überzeugt.
6.4
Gestalterische Einbindung
Für die gestalterische Einbindung solartechnischer Systeme in die Gebäudehülle ist zunächst die Klärung prinzipieller, typologischer Merkmale von Dach und Wand
erforderlich [9].
Dächer stellen für die aktive Nutzung der Solarenergie
ein immenses Potenzial dar. Ihr Erscheinungsbild – Form,
Neigung und Deckung – ist stark von regionalen, d. h.
klimatischen und materialspezifischen Gegebenheiten
bestimmt und prägt sichtbar die Gestalt von Städten und
Dörfern. Bei der Einbindung von Kollektoren und PVModulen sind jedoch häufig Unverträglichkeiten mit der
Dachgeometrie oder eine zusammenhangslose Verteilung der Komponenten auf dem Dach zu beobachten.
Dazu zählen die Zerstückelung homogener Flächen
sowie Diskrepanzen in der Farbgebung und die fehlende
Abstimmung der Bauteilabmessungen mit dem überwiegend kleinteiligen Dachdeckungsmaterial.
Betrachtet man, ausgehend von den Dachformen, prinzipielle Anordnungsmöglichkeiten, zeigt sich, dass bei
orthogonalen Formen wie Pult- und Satteldächern die
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Gestalterische Einbindung
Einbindungsmöglichkeiten zwar nicht zwingend größer,
hinsichtlich der Integration aber vielfach stimmiger sind
als bei Walm- und Mansarddächern. Bei Letzteren ist im
Bereich von Graten und Kehlen und dadurch bedingten
Anschnitten eine vollflächige Anordnung erschwert. Allerdings sind bei der Photovoltaik durch den Einsatz von
Dummy-Modulen mit einer gestuften Zellenanordnung
sowie durch farblich angeglichene Rückseitenfolien
optisch gleichmäßige Flächenausbildungen möglich.
Fassaden sind gegenüber Dachflächen durch eine Vielzahl zusätzlicher Aspekte charakterisiert. Als »Gesicht«
des Gebäudes zeigen sie in einem viel stärkeren Maße
die Überlagerung von Gliederungsprinzipien und strukturellen Erscheinungsformen. Dies wird sichtbar in Proportion und Einteilung, in architektonischen Schmuckformen
sowie in der Differenzierung, Übersteigerung und Modulation der Fassade und ihrer Teile. Daraus resultiert ein
mannigfaltiges Spektrum an Erscheinungsformen, das
überdies durch Baumaterial und Entstehungszeit
bestimmt ist [10].
Fassaden übernehmen gerade als visueller Mittler (Imageträger) eine besondere Rolle, und die installierten Kollektoren sowie PV-Module avancieren dabei zu einem
unmittelbar wirksamen Gestaltungselement. Spezielle
Anforderungen an die gestalterische Ausführung gelten
darüber hinaus beim Einbau in Teilflächen der Fassade
(z. B. Balkonbrüstungen oder Öffnungsbereiche). Daher
erfordert die Einbindung solartechnischer Systeme eine
genaue Betrachtung des Fassadentyps, um die Anordnungsmöglichkeiten einzugrenzen.
Entscheidend für eine gestalterisch befriedigende
Lösung ist die Abstimmung des Gesamtkonzepts mit
dem einzelnen Detail. Das schließt auch Fragen der
Oberflächenbeschaffenheit und der Farbigkeit ein.
So stehen den Oberflächen solartechnischer Systeme –
in der Regel glatte und spiegelnde Flächen aus Metall
und Glas – meist Dachdeckungs- und Fassadenmaterialien mit rauen Strukturen und warmen Farbtönen gegenüber.
Insbesondere im Bereich der Fassade ist die Anordnung
und Dimensionierung der Solaranlage eine weitere Herausforderung bei der Integrationsarbeit. Bruno Taut
sprach einmal von Architektur als der »Kunst der Proportion«. In seiner Architekturlehre formulierte er ein viel
weiterreichendes und umfassendes Verständnis der Verhältnisse und Beziehungen beim Gebäude, aber »die
gelungene Teilung« spielt nicht zuletzt beim Verhältnis
von Längen- und Breitenmaßen von solartechnischen
Bauteilen eine wichtige Rolle.
Hinsichtlich der formalästhetischen Kriterien ist bei den
am Markt verfügbaren Produkten ein großes Spektrum an
Gestaltungsoptionen (polygonal und polychrom) vorhan-
den, da die Hersteller versuchen, soweit möglich die
Wünsche von Architekten und Bauherren zu berücksichtigen. Solarthermie und Photovoltaik eröffnen vielfältige
Anwendungsmöglichkeiten und die Produktpalette hat
sich, wie einschlägige Fachmessen zeigen, enorm erweitert. Flachkollektoren sind mit schlanken, gut proportionierten Abmessungen, geschosshoch und in unterschiedlichen Systembreiten verfügbar; Röhrenkollektoren werden mit dünnen Glasröhren, hochreflektierenden CPCSpiegeln und eleganten Sammlerausführungen (für die
Vor- und Rücklaufleitungen) in den unterschiedlichsten
Ausstattungsvarianten geliefert.
Bei der Photovoltaik ist die strukturelle und formale Vielfalt noch größer: Neben den gängigen unterschiedlichen
Glasmodulen (opak, semitransparent) haben auch flexible Dünnschichtzellen mit Metall- und Kunststoffbahnen
(opake Dachbahnen oder transparente ETFE-Folien) als
Trägermaterial zu neuen baulichen Lösungen geführt
(Abb. 6.4).
Als besonderer Pluspunkt der Photovoltaik wird oft die
große Bandbreite an Farben genannt. Natürlich beeinflussen die Farbvarianz und die formale Vielfalt von Profilen [11] ebenso wie die seitlichen Anschlusselemente
an Dachhaut oder Fassadenebene das Erscheinungsbild
der Anlagen. Für die gestalterische Einbindung von PVModulen spielt die Farbvielfalt aber keine dominante
Rolle. Gerade Blau und Anthrazit erfüllen architektonische Anforderungen durchaus überzeugend, da sie sehr
gut mit den hauptsächlich eingesetzten Baumaterialien
wie Beton, Stahl, Glas sowie Holz und Tonstein harmonieren (Abb. 6.9, S. 69) [12]. Allerdings birgt der Einsatz
zusätzlicher Farben wie auch Formen in der Gebäudehülle durchaus eine Reihe gestalterischer Risiken und
bedarf darum einer sorgfältigen Planung.
In Verbindung mit der Farbigkeit stellt sich häufig die
Anforderung einer möglichst »störungsfreien« Oberflächengestaltung gerade bei kristallinen PV-Modulen. So
wirken die Zellen durch eingefärbte Leiterbahnen oder
6.3 Sanierung der Halle Pajol in Paris (F) 2013, Jourda Architectes
6.4 Carport-Überdachung des Abfallwirtschaftsamts mit ETFE-Kissen
und integrierten, flexiblen Dünnschichtmodulen, München (D) 2011,
Ackermann und Partner Architekten
6.5 Paul Horn-Arena in Tübingen (D) 2004, Allmann Sattler Wappner
Architekten
6.6 Oskar von Miller Forum, München (D) 2009, Herzog + Partner
6.6
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Integration von Solaranlagen
6.7
mit Rückseitenkontakten als homogene Flächen, die in
Verbindung mit gleichfarbigen Folien oder Glasbeschichtungen im Modul nahezu nicht mehr ablesbar sind
(Abb. 6.12, S. 70).
Bei PV-Fassaden wird bisweilen eine starke Auflösung
des Generators in einzelne Module bemängelt, da sie
nicht nur den Verschaltungsaufwand erhöht, sondern
auch eine kleinteilige Struktur der Solaranlage zur Folge
hat. Diese Argumentation kann jedoch allein angesichts
der Vielfalt funktionaler und konstruktiver Anforderungen
nicht überzeugen. Gerade im Bereich der Fassade
erscheint es wichtig, die Anpassungsmöglichkeiten der
solartechnischen Systeme an die Bau- und Konstruktionsweisen relativ offen zu halten (Abb. 6.6, S. 67).
Fassadengestaltung ist vielfach auch von formalen und
farblichen Experimenten bestimmt. So ist seit Jahren eine
lichttechnische und mikroelektronische Aufrüstung festzustellen, die die Schauseiten der Gebäude zum multimedialen Bild- und Informationsträger erweitert. Die Verbindung derartiger Medienfassaden mit PV-Modulen
kann neben neuartigen gestalterischen Akzenten auch
Optionen hin zu energieneutralen Lösungen eröffnen, bei
denen die Photovoltaik den Strombedarf für die Fassadengestaltung deckt (Abb. 6.10). Ein anderer innovativer
Ansatz ist die Kombination mit Bauwerksbegrünung.
Bepflanzte Gebäudeoberflächen haben insbesondere in
verdichteten Innenstadtbereichen vielfältige ökologische
Vorteile, u. a. durch eine Verbesserung des (Mikro-)Klimas. Die Verdunstung des zugeführten Wassers im Sommer bewirkt überdies eine Kühlung der Fassade, die sich
wiederum positiv auf den Betrieb der PV-Anlage auswirken kann (Abb. 2.5, S. 23).
Generell ist zu beachten, dass sich nicht jede mehr oder
weniger gut ausgerichtete Fläche für die gestalterische
Einbindung solartechnischer Systeme eignet. Allerdings
sind die Optionen bei einer Neubauplanung sehr viel größer als im Gebäudebestand [13]. Für eine gestalterisch
schlüssige Einbindung ist einerseits die Bezugnahme auf
die typologischen und strukturellen Merkmale der Gebäudehülle sowie die Identifizierung zusammenhängender,
in sich geschlossener Flächen von Bedeutung [14].
Andererseits sind neben den solartechnischen Komponenten auch Auf-, Vor- und Einbauten einzubeziehen, die
häufig eine sinnvolle Anordnung zusätzlich erschweren.
6.8
Bauliche Integration
Die Einbaubedingungen für solartechnische Systeme in
Dach bzw. Wand haben sich durch Innovationen der
Hersteller zuletzt stetig verbessert. Das betrifft vor allem
die Befestigungsarten und die seitliche Andichtung.
Neuartige Rahmenprofile vereinfachen nicht nur den
Zusammenbau der einzelnen Elemente und verkürzen
die Montagezeit, sondern minimieren auch die Profilhöhen und Ansichtsbreiten. Mittlerweile lassen sich Solaranlagen daher relativ flexibel in die Gebäudehülle integrieren. Auch gibt es vermehrt Komplettlösungen, bei
denen solarthermische und photovoltaische Systeme
besser untereinander und mit weiteren Komponenten
der Hülle, z. B. Dachfenstern, kombiniert werden können
(Abb. 6.7).
Gleichwohl stellt sich bei der Integrationsarbeit nach wie
vor die Frage nach der Wahl zwischen industriell hergestelltem, kostengünstigem Standardprodukt und objektspezifischer Maßanfertigung. Architekten ist es immer
wieder gelungen, mit vorgefertigten Serienprodukten auch
konstruktiv und gestalterisch qualitätvolle Bauten zu schaffen; das zeigt mustergültig das Werk des Schweizer Architekten Fritz Haller [15]. Allerdings muss man konstatieren,
dass trotz umfangreicher Bemühungen um Standardisierung bis heute das Gros der Gebäude in der Regel nach
individuellen Gestaltungsschemata realisiert wird.
Im Bauwesen hat seit den 1990er-Jahren ein stärker
objektbezogener Systembau in Verbindung mit innovativen Planungs- (CAD) und Fertigungstechnologien (CAM,
CIM) neue Impulse gesetzt. Anstelle von Großserien in
Tafel- bzw. Raumzellenbauweise mit gleichförmigen Bauteilkonfigurationen ermöglicht die industrielle Produktionstechnik heute Kleinserien mit wenigen Elementen
und individueller Gestaltung. Allerdings scheint die Solartechnikbranche diese Entwicklungen einer Art »Mass
Customization« bisher wenig erfolgreich adaptiert und
genutzt zu haben. Insbesondere für die architektonische
Integration von Solartechnik in Fassaden fehlen weitgehend (standardisierte) Ansätze mit einer moderaten
Anpassungsoffenheit bei Kollektoren und PV-Modulen
(Abb. 6.5, S. 66).
Wesentlich ist, dass die Solartechnik in das Haustechnikkonzept eingebunden werden muss. Dazu bedarf es je
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Bauliche Integration
nach der Nutzungsart Leitungsführungen und zusätzlicher Apparatetechnik, was vor allem bei Außenwandkonstruktionen zu berücksichtigen ist. Aufgrund der relativ schlanken Aufbauten und der beweglichen Stromkabel mit kleinen Querschnitten eignet sich dort die Photovoltaik besonders gut zur Integration. Der Durchmesser
der Rohrleitungen bei Luft- und Wasserkollektoren ist
deutlich größer, und es muss auf Dichtigkeit und ggf.
Frostsicherheit der Leitungen und Verbindungen geachtet werden.
Für die bauliche Integration stellt die gute Anpassungsfähigkeit der Systeme an die verschiedenen Hüllkonstruktionen einen wichtigen Aspekt dar. Dabei sind zunächst
mehrere prinzipielle Einbaumöglichkeiten in Wand und
Dach voneinander zu unterscheiden, bei denen die Lage
zur wasserführenden Schicht ein ausschlaggebendes
Kriterium darstellt. Aus diesen Grundprinzipien resultieren unterschiedliche Anforderungen je nach Einbausituation. Baukonstruktive und bauphysikalische Fragen sowie
die Lage des Systems relativ zu den jeweiligen Funktionsschichten (Lastabtragung, Dämmung, Feuchteschutz etc.) sind zu klären. Die Dimensionierung von
Bauteilen, die Ausbildung von Anschlussgeometrien
und Profilquerschnitten sowie andere Entscheidungen
im Detailmaßstab beeinflussen das Erscheinungsbild der
Gebäudehülle und müssen stets hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die strukturelle Gliederung und den Gesamtzusammenhang beurteilt werden.
Dach
Bei Dächern sind die grundlegenden Einbauprinzipien
für solarthermische und photovoltaische Systeme weitgehend gleich. Für das Steildach lassen sich additive
Lösungen oberhalb der Dachdeckung und integrierte
Lösungen in der Ebene der wasserführenden Schicht
unterscheiden. Auf dem Flachdach sind mehrere Formen
einer Freiaufstellung möglich.
Bei der Aufdachmontage werden die Systeme mit einer
Metallunterkonstruktion meist parallel zur bestehenden
Bedachung montiert, die dadurch mit ihrer dichtenden
Funktion erhalten bleibt. Die Rohr- bzw. Kabelführung
erfolgt oberhalb der Dachhaut. Bei dieser additiven
Lösung gestalten sich in der Regel die Anpassungsarbeiten weniger problematisch, allerdings lassen sich keine
Substitutionseffekte nutzen. Die Unterkonstruktion muss
neben dem Eigengewicht die Winddruck- oder Windsogkräfte aufnehmen und in das Dachtragwerk einleiten.
Bei der Dachbefestigung kann je nach Lastfall eine sparrenabhängige (Dachhaken) oder sparrenunabhängige
(spezielle Befestigungsziegel, Falzdachklammern) Ausführung gewählt werden. Da insbesondere die Kollektoren eine Zusatzlast darstellen, ist die Tragfähigkeit der
Konstruktion zu prüfen und ggf. eine Verstärkung vorzunehmen [16].
Demgegenüber ersetzen Kollektoren und PV-Module bei
der Indachmontage die konventionelle Dacheindeckung
und müssen damit Schutzfunktionen der Dachhaut übernehmen (Abb. 6.8). Insbesondere die Anschlüsse zur
Bedachung sowie zwischen den Komponenten sind
regen- und schneesicher auszuführen und müssen mögliche Wärmedehnungen aufnehmen können.
Der Markt bietet eine breite Palette an Lösungen, die von
Komponenten in verschiedenen Größen bis zum kompletten Energiedach reichen (Abb. 6.14, S. 70). Je nach Hersteller gibt es im Grunde für alle Dachdeckungsmaterialien standardisierte Systeme von der konventionellen Ziegelanschlusstechnik bis zu speziellen Eindeckrahmen,
6.7
Modernisierung und energetische Sanierung eines Siedlungshauses
von 1936 in Leverkusen (D) 2013, Caroline Wachsmann
6.8 dachintegrierte Flachkollektoren in Hohenems (A), ein gutes Beispiel aus der Alltagspraxis
6.9 Sanierung der Punkthäuser Wilmersdorfer Straße in Freiburg (D)
2001, Rolf + Hotz Architekten
6.10 »Energiewürfel« der Stadtwerke in Konstanz (D) 2011, Arnold Wild
(Stadtwerke Konstanz)
6.10
6.9
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die auf der vorhandenen Unterkonstruktion befestigt werden. Mittels Blechen und Dichtungsprofilen erfolgen die
Anschlüsse an Bedachung, Ortgang, First und Traufe.
Die Anschluss- und Verbindungsleitungen werden bei
der Indachmontage in den Zwischenräumen der Dachsparren verlegt.
Unterhalb einer Mindestdachneigung ist für die Regensicherheit ein wasserdichtes Unterdach erforderlich;
vor allem bei PV-Modulen ist in diesem Fall eine ausreichende Hinterlüftung auf der Systemrückseite zur Vermeidung von Kondensatbildung notwendig.
Im Bereich der Photovoltaik gibt es Module mit deutlich
kleineren Systemgrößen, z. B. Solardachsteine. Durch
herkömmliche Anschlusstechnik werden die Montage
sowie die Anpassung vereinfacht und es besteht ein
direkter Bezug zu dem vorhandenen modularen Prinzip.
Über Zwischentemperaturbereichen wie Atrien, Erschließungsgängen etc. lässt sich Photovoltaik als semitransparenter Sonnenschutz in (geneigten) Glasdachkonstruktionen einsetzen, wobei die Sicherheitsbestimmungen für
Überkopfverglasungen zu beachten sind.
Bei der Aufstellung solartechnischer Systeme auf Flachdächern ist eine spezielle Unterkonstruktion erforderlich,
die neben der Wahl des Anstellwinkels vor allem der Aufnahme der Eigenlasten und der Einleitung der Windkräfte
dient. Da sich mit dem Gewicht der Stützkonstruktion
erhebliche Zusatzlasten ergeben können, ist vor der
Installation eine ausreichende Tragfähigkeit des Dachs
zu prüfen. Die Wahl der Verankerung hängt vom statischen Nachweis ab: Bei einer Schwerlastverankerung
wird die (freistehende) Anlage mit Betonsockeln auf das
Flachdach gestellt. So lässt sich eine aufwendige und
schadensträchtige Durchdringung der Dachhaut vermeiden. Bei fehlender Tragfähigkeit müssen die Lasten über
eine spezielle Unterkonstruktion auf statisch beanspruchbare Bauteile abgeleitet werden.
Fassade
Seit Anfang der 1990er-Jahre findet der Begriff der Solarfassade in Forschung und Praxis zunehmend Verbreitung. Häufig werden damit solarthermische Anlagen
6.11
bezeichnet, bei denen die Wand als Klimaschutz und
-puffer um die Funktion eines aktiven Wärmelieferanten
erweitert wird. Hierbei handelt es sich meist nicht um
Komplettlösungen, wie sie im Bereich des Dachs angeboten werden, da die Fassade zusätzliche Anforderungen wie Tageslichtnutzung oder die Sichtbeziehung
nach außen erfüllen muss. Trotz Ertragsminderung und
einer höheren gestalterischen Anforderung eröffnet
die Fassadenintegration zusätzliche Optionen, wenn
z. B. bei ungünstiger Exposition und Form eines Steildachs oder unzureichender Tragfähigkeit eines Flachdachs dort eine Montage nicht möglich ist. Prinzipiell
unterscheidet man bei der Fassade ebenfalls additive
und integrierte Lösungen, die vertikal oder geneigt ausgeführt werden können.
Solarkollektoren lassen sich als kleinteilig angeordnete
Komponenten und als großformatige Kollektorflächen in
Kalt- und Warmfassaden integrieren (Abb. 6.11). Durch
die Vielzahl der heute üblichen Außenwandkonstruktionen stehen für die Fassadenintegration weniger standardisierte Montagesysteme zur Verfügung als für Dächer.
Bei massiven Wandaufbauten ist aufgrund der Bauhöhe
des Kollektors meist nur eine additive Anordnung auf
oder vor der wasserführenden Schicht möglich. Je nach
Dämmstärke kann die Komponente jedoch auch direkt
auf die Tragschicht oder zwischen Holzständer eingesetzt werden, sodass sich ihr Gesamtaufbau in heute
übliche Dämmschichten mit Außenhaut einbinden lässt.
Für Pfosten-Riegel-Fassaden bieten eine Reihe von Herstellern Komplettsysteme an. Dabei stellen Flachkollektoren und PV-Module ein weiteres Bauteil neben Fenstern,
feststehender Verglasung und opaken Brüstungselementen dar, das sich gut den unterschiedlichen modularen
Bezugssystemen anpassen lässt [17]. Besonders bei
solarthermischen Kollektoren mit Standardmaßen und
-formen sind im Vergleich zur Dachmontage höhere Aufwendungen für die Installation zu berücksichtigen.
Photovoltaik eignet sich aufgrund der niedrigen Bauhöhe
und der großen Bandbreite an Formaten, Farben und
Strukturen in besonderer Weise für die Integration in die
Fassade (Abb. 6.9, S. 69). In der Doppelfunktion von
6.12
6.13
70
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Bauliche Integration
Wandabschluss und Sonnenschutz können die Module
eine Reihe von Synergieeffekten bieten. Obwohl sie
geringere Ertragspotenziale aufweisen als Solardächer,
stellen Fassadenanlagen daher eine mögliche wirtschaftliche und ästhetische Alternative zu Materialien wie
Naturstein oder Edelstahl dar.
Prinzipiell ist bei fassadenintegrierten PV-Anlagen zwischen der Anordnung vor opaken und transparenten
bzw. transluzenten Flächen zu unterscheiden.
Der Einbau von Photovoltaikmodulen ist sowohl in opaken Kalt- als auch Warmfassaden möglich, wobei grundsätzlich auf eine niedrige Betriebstemperatur geachtet
werden sollte. Da mit ansteigender Temperatur der Wirkungsgrad abnimmt, ist bei Konstruktionen mit kristalliner
Zelltechnik eine Hinterlüftung von mindestens 5 cm
Abstand vorzusehen. Neben gerahmten Standardkomponenten können auch rahmenlose PV-Module in vorgehängten hinterlüfteten Aufbauten sowie in Pfosten-Riegelund Element-Fassadenkonstruktionen eingesetzt werden.
Weil die Module die optischen und funktionalen Eigenschaften von Glas aufweisen, lassen sie sich leicht in
Verbindung mit herkömmlicher Glasbefestigungstechnik
installieren. Es sind sowohl zwei- oder vierseitige lineare
Lagerungen, punktförmige Befestigungen als auch Ausführungen in Structural-Glazing-Systemen möglich.
In transparenten oder transluzenten Fassadenflächen
lassen sich die Solarzellen in den Scheibenverbund integrieren. Allerdings sind je nach Belegungsdichte die Zellenaufheizung, die verminderte Lichttransmission und der
reduzierte Gesamtenergiedurchlass sowie Einschränkungen der Durchsicht zu beachten. Weitere Anordnungsmöglichkeiten bestehen in der zweiten Ebene, d. h. in
der außen liegenden Schale von Doppelfassaden oder –
auf Abstand gesetzt – als Sonnenschutz (Abb. 6.13).
Hier ist eine ausreichende Hinterlüftung gewährleistet
und im Bereich von Doppelfassaden kann die anfallende
Wärme zusätzlich genutzt werden. Gerade im Bereich
des Sonnenschutzes lassen sich – durch die Variation
des Fugenanteils zwischen den einzelnen Zellen – die
Tageslichtversorgung und die Wärmetransmission, der
Sonnen- und Blendschutz wie auch die Durchsicht gut
anpassen. Zusätzlich sind insbesondere PV-Module auch
im Bereich von (Balkon-)Brüstungen und als feststehende
oder bewegliche, ein- oder zweiachsig nachführbare
Sonnenschutzsysteme zu nutzen.
Die Kombination von photovoltaischer Stromerzeugung
mit Sonnenschutz eröffnet vielfältige Einsatzbereiche für
feste (Vordächer, Auskragungen) oder bewegliche Systeme (Horizontallamellen, Drehfaltläden, Membrankonstruktionen). In Abhängigkeit von der Ausrichtung und
der Einbausituation ist eine horizontale oder vertikale
Anordnung der Drehachse denkbar.
Anmerkungen
[1] Krippner, Roland: Ökologie vs. Ästhetik? In: DBZ – Deutsche Bauzeitschrift, 48. Jg., 9/2000, S. 114 –118
[2] Auer, Falk: 25 Jahre »Sonnenenergie«. Ein Rückblick auf die ersten
drei Ausgaben des DGS-Mitteilungsblatts. In: Sonnenenergie, Januar
2001, S. 16
6.14
[3] Lorenz, David: Problemfall Bestandsimmobilien? In: Immobilienwirtschaft, 5/2008, S. 13
[4] Moewes, Günther: Solar, defensiv oder beides? In: Detail, 37. Jg.,
3/1997, S. 292– 296 und Petzet, Muck: Wertschätzung des Vorhandenen. In: Forum Stadt, 42. Jg., 1/2015, S. 74 –78
[5] Krippner, Roland; Plankemann, Dagmar: Zwischen Typologie und
Denkmalschutz. Arbeiten zum Photovoltaikeinsatz im Gebäudebestand. In: 17. Symposium Photovoltaische Solarenergie (Tagungsband), Regensburg 2002, S. 197– 202
[6] Neben Architekten haben sich häufig insbesondere Heimatpfleger
und Denkmalschützer abschätzig über den unkontrollierten Einsatz
von Photovoltaik (»PV-Seuche«) vor allem im ländlichen Raum geäußert. Vgl. Neumann, Werner: Klimaschutz und Denkmalschutz.
In: Denkmalpflege & Kulturgeschichte, 1/2009, S. 6
[7] Solarenergie und Denkmalpflege. Hrsg. Bayerisches Landesamt für
Denkmalpflege. München, November 2012
[8] Krippner, Roland: Energietechnik und Baukultur gehen Hand in
Hand. Integration von Solarfassaden in den Gebäudebestand.
In: B+B Bauen im Bestand, 38. Jg., 4/2015, S. 10 –14
[9] Krippner, Roland: Architektonische Aspekte solarer Energietechnik.
In: Schölkopf, Wolfgang (Hrsg.): SOLEG – Abschlussbericht. München 2001, S. 3.12-1– 3.12-29
[10] Herzog, Thomas; Krippner, Roland; Lang, Werner: Fassaden Atlas.
München 2016, S. 62 – 341
[11] Dass bei einer Architektenumfrage zum Thema in Österreich 92 %
der befragten Planer nun vor allem das Fehlen optisch ansprechender Abdeckleisten für den Fassadenbereich bemängelten, offenbart
indes eine starke Reduktion von Qualitätsansprüchen. Knackfuß,
Günter: Das gewisse Etwas. Vom Schutzdach zum Nutzdach: Integration von Sonnenkollektoren. In: Solares Bauen, Sonderheft der
Zeitschrift Sonnenenergie, Oktober 2002, S. 40
[12] Busse, Hans-Busso v.; Müller, Helmut F.O.; Runkel, Susanne: Photovoltaik. Integration einer neuen Technologie in die Architektur. Forschungsbericht, Universität Dortmund 1996, S. 10ff.
[13] Krippner, Roland: Zwischen Gebäudetypologie und Denkmalschutz.
In: Bauhandwerk / Bausanierung, 3 /1999, S. 43 – 46 und Anm. 5
[14] Krippner, Roland: Solartechnik in Gebäudehüllen. In: Detail Green,
1/2012, S. 53 – 57
[15] Krippner, Roland: Zwischen Teilvorfertigung und Universal-Baukasten – Zur Geschichte des Systembaus in Deutschland. In: Winfried
Nerdinger u. a. (Hrsg.): Wendepunkte im Bauen. Von der seriellen
zur digitalen Architektur. München 2010, S. 24 und S. 120
[16] Zur Beschreibung der Montagesysteme für die Dach- und Fassaden- Integration, auch: Solarthermische Anlagen. Hrsg. DGS, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Berlin 9/2012 und Photovoltaische Anlagen. Hrsg. DGS, Deutsche Gesellschaft für Sonnenenergie, Berlin 5/2013
[17] Munari Probst, Maria Cristina; Roecker, Christian: Architectural integration and design of solar thermal systems. Oxford u. a. 2011,
S. 65 – 78
6.11 Wohn- und Geschäftsgebäude in Lugano (CH) 2009, DeAngelis
Mazza Architetti
6.12 Bürogebäude in Klaus (A) 2014, Dietrich Untertrifaller Architekten
6.13 Sanierung einer Industriehalle in Erfurt (D) 2001, TU München /
Thomas Herzog, Roland Krippner, Peter Bonfig
6.14 Plusenergiehäuser in der Solarsiedlung in Freiburg (D) 2006, Rolf
Disch SolarArchitektur
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