utz - umwelt-technologie-zentrum / berlin - TUprints

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UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
52° 28` N / B.5
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GIPV-BEISPIELE in Europa
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Deutschland
UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
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UTZ- UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM BERLIN
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B5. BERLIN
52° 28` N Fassadenintegration
Projekt
Standort
Auszeichnung
Umwelttechnologie-Zentrum - UTZ,
Büro- und Laborgebäude
Berlin-Adlershof, Volmerstr. 5-9b
Architekturpreis 1998
Architekten
Bauherr
Gebäudetechnik
Tragwerksplanung
Lichttechnik
PV-Berechnung
PV-Nennleistung
Erzeugte Energie / Jahr
Wettbewerb
Vorentwurf
Baubeginn
Einweihung
Eisele + Fritz, Darmstadt
WISTA-Management GmbH, Berlin
HL-Technik AG, München
Bollinger + Grohmann, Frankfurt/Main
Prof. Dr. Ing. Helmut F.O. Müller, Dortmund/Köln
Menag Energie, Berlin
10 KWp
2.500 kWh/a
1995 (1. Preis)
Sept. 1995
Okt. 1996
Okt. 1998
Gebäudedaten
Hauptnutzfläche
BGF
Grundstücksfläche
Gebäudenutzung
Neu/Altbau
Photovoltaik
PV-Typologie
Anwendungstyp
Fläche Module / (Zellen)
Zellentechnologie-Typ
Hersteller
Orientierung
Effizienz der Solarzellen
Effizienzverlust
Veröffentlichungen
Zeitschriften
12.496 m2
ca. 25.000 m2
24.071 m2
Interdisziplinär / Zur Vermietung an verschiedene
Forschungseinrichtungen
Neubau
Netz-Anschluß
Fassadenintegration / Sonnenschutz
181 m2 / (Zellenfläche: 140 m2 )
Multikristalline Siliziumzellen, semitransparent,
Zellen von ASTRO-Power, USA
SOLON AG, Berlin
Süd -13° (Azimutwinkel) / 90° Neigung der PV
12 %
(im Mittel, unter STC)
ca. - 2% (durch fehlende Antireflexionsschicht)
Bücher
Bauwelt 1998 / Heft 28; Casabella 2000/ 683
Intelligente Architektur 1998
Photon, Herbst 2000
Gestalten mit Solarzellen (Susanne Rexroth)
Abbildungen
Lageplan / Ansichten / Skizzen
B.5 / 3
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GIPV-BEISPIELE in Europa
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Deutschland
1) Beschreibung
¬ Allgemein
Es wurde durch ein klares öffentliches Straßenraster ein ablesbarer Stadtgrundriß
geschaffen, der eine eindeutige Zuordnung zuläßt, wobei dem vorstädtischen
Raum jedoch kein geschlossenes Blockmuster aufgezwungen wird.
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„Das Leitbild sieht die vorhandene Stadtsubstanz mit ihren unterschiedlichen
Räumen und Gebäuden als Ausgangspunkt einer Synthese aus Altem und
Neuem. Trotz .... einer Gebäudehöhe von 18 m bewahrt diese Art von Städtebau
einen positiven Vorstadtcharakter, auf den die Neubebauung sich einstellt und in
ihm die Identität sucht.“ [1]
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(Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604)
Der Baukomplex besitzt eine innere Logik, welche die diversen Teile regelt, aus
denen er sich zusammensetzt und vermittelt gleichzeitig ein erkennbares Ganzes
in seiner Gesamtheit, in dem aus den synergetischen Effekten seiner Komponenten die eigene architektonische Identität entspringt.
Das Gebäude erstreckt sich entlang der Straße und die Hauptansicht ist durch die
gestaltungsbildenden Elemente gekennzeichnet, die das Tageslicht durch Photovoltaikelemente und Solarpaneele nutzen und den Rhythmus bestimmen.
Das Projekt setzt sich aus 3 schmalen, 200 m langen, Gebäudeteilen zusammen.
Zwischen den Gebäudeteilen befindet sich ein rechteckiger großer Garten, in den
die bestehende Vegetation integriert wurde und verbindet somit den Gebäudekomplex mit der Stadt. Im Nord-Osten befindet sich ein autonomes Gebäude für
die technischen Installationen aus Stahlbeton, an der Ansichtsseite aus Holz, Glas
und Stahl und dient als Verbindungselement zu dem zweiten Gebäudekörper,
der im zweiten Bauabschnitt realisiert wurde. [1]
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(Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604)
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¬ Besonderheiten
Dem Gebäude liegt ein energetisches Gesamtkonzept zu Grunde (siehe Energiekonzept). Die Photovoltaik-Integration besitzt einen Synenergie-Effekt: Sie stellt
neben der Stromproduktion ebenfalls einen idealen Sonnenschutz dar, welcher
zugleich einen optimalen Ausblick aus dem Innenraum ermöglicht, auf Grund
der Schrägstellung (Südorientierung) der „Schotten“.
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¬ Architekturpreis 1998
Auszug aus der Würdigung des Preisgerichtes zum Architekturpreis Berlin 1998:
"Die städtebauliche Situation schafft durch den Neubau eine deutliche körperliche Abgrenzung zum Straßenraster und ist somit als strategischer Baustein einer
im Werden begriffenen Vorstadtstruktur zu bewerten. ... Die geschickte Dramaturgie der eingesetzten Mittel vom vertikalen Sonnenschutz, Sonnenkollektoren,
tragenden Elementen, als auch horizontale Hohldeckenkörper und Fluchtbakone
fügen sich zu einem großen Ganzen und differenzieren die einzelnen Schichten
des in die Tiefe sich entwickelnden Raumes und definieren den technischen und
innovativen Status des Hauses, die doppelte Kodierung der gestalterischen und
UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
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technischen Elemente drücken das innovative Potential des Entwurfes aus. Die
Öffentlichkeit des Straßenraumes setzt sich als Kontinuum in die Raumzonen
des Foyers weiter bis fort in den Hofraum, der in seiner Dynamik die Grundfigur
bestätigt. Die angewandte Bautechnik überzeugt bis in das Detail, bleibt jedoch
idealisiert auf der Ebene der Zweckgebundenheit und ist im Sinne seiner selbstverordneten Variabilität deutlich zum Inhalt des Gebäudes zu lesen. Prägnant
wirkt der bautechnische Umgang mit der ökonomischen und ökologischen Zielsetzung, ohne einen gewissen Pathos der Rauminszenierung zu gefährden. ...
Die deutchlichen Stärken entwickelt das Gebäude in seiner enormen Potenz,
Aussen- und innenvolumen ineinander zu verzahnen, ohne die jeweilige Autonomie der beiden Räume zu hintergehen. Diese Stärke setzt das Haus in seiner
profunden, bautechnischen und industrialisert vorgefertigten Detaillösung fort."
[2].
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2) Gestalt
¬ Veröffentlichungen/Zitate
Susanne Rexroth beschreibt das Zentrum für Umwelt- und Energietechnologie
(UTZ) mit folgenden Worten: „Das ... UTZ in Berlin-Adlershof bietet vorwiegend
Platz für innovative Jungunternehmer. Die Architekten E+F aus Darmstadt
stellten ... rund 12.000 m2 hochwertige Fläche für naturwissenschaftliche
Laboratorien, Werkstätten und Büros sowie Technikproduktionsflächen bereit.
Die Grundform des Gebäudes beschreibt ein „U“, das mit seiner Längsseite die
Breite eines gesamten Blockes einnimmt. Über 200 m zieht sich die Fassade an
der Straßenflucht entlang. Sie ist senkrecht und waagrecht so geschickt gegliedert, daß der Gedanke an einen „langen Jammer“ erst gar nicht aufkommt.
Schon so kontrastreiche Materialien wie Holz, Glas und Beton rhythmisieren die
Fassade, vorgelagerte Elemente wie Glaswände, Betonstelen und Fluchtbalkone
verleihen ihr Tiefe. Wichtiges gestalterisches Element ist jedoch auch der Sonnenschutz, der in verschiedenen Varianten der Fassade Gesicht verleiht.“ [3]
[Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.43-44]
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¬ „Zentrales Thema - Sonnenschutz“
Rexroth fährt hierzu wie folgt fort. „Das Thema »horizontale und vertikale Gliederung« bestimmt das gesamte Gebäude. An den Südwest- und Südostfassaden
wurde das Thema mit dem Sonnenschutz durchgespielt - im Gegensatz zu
manch anderen ambitionierten gläsernen Bürogebäuden ist er hier nicht lästige
und langweilige Dreingabe zur Fassade, sondern wesentliches gestalterisches
Fassadenelement. Die Sonnenschutzelemente erinnern an Le Corbusiers »brise
soleil«, doch sind sie teilweise manuell zu verstellen, die dadurch entstehende
Ungleichmäßigkeit bringt Leben in die Fassade.
Vertikale Paneele aus gelochtem Aluminium modulieren die Hofansicht. Wie
breit die Paneele sind und die Art ihrer Perforation hängt von der Himmelsrichtung und vom Tageslichtbedarf im Innenraum ab. Sie stehen in einem
Abstand von 120 cm mit einem maximalen Anstellwinkel von 75 Grad. (Der
senkrechte Sonnenschutz wird durch ein waagrechtes System ergänzt. Diese
Funktion übernehmen die Gitterroste der Fluchtbalkone.) ... Im Rauminneren
führen Tageslichtlenksysteme das Tageslicht in die Raumtiefe und optimieren so
den Tageslichtquotienten. Zur Straße hin dominieren vertikale Elemente,
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GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
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stabförmige Lamellen und Betonstehlen, als brise-soleil, und bilden den Sonnenschutz.“ [3]
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[Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.44]
3) Fakten / Projektdaten
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BERLIN
¬ Breitengrad
Meereshöhe
¬ Globalstrahlung/a
¬ Sonnenstunden
¬ Topographie:
¬ Verschattung:
¬ Ausrichtung
¬ Energiekonzept
52° 28` N / 13° 18´ E
51 m ü. NN
1011 kWh/m2 a * [Mittelwert 1981-2000]
1.818 h/a
Ebene Fläche in der Stadt
keine Verschattung durch Bäume oder
Nachbargebäude der Photovoltaik /
Fassadenintegration / Teilverschattung
der Photovoltaik durch Konstruktion
W-O-Ausrichtung des Gebäudes
Photovoltaik ist südorientiert (der Schrägstellung
der Schotten)
Weiteres Gesamtenergiekonzept ist vorhanden,
Photovoltaik stellt lediglich einen Teil hiervon dar.
* Globalstrahlung als Mittelwert der Jahressummen von 1981-2000 in kWh/m2 a
Einstrahlung auf die horizontale Fläche [Quelle: Photon Spezial 2002, S. 109]
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¬ TOPOGRAPHIE
Städtisches Umfeld / Ebene
Es handelt sich bei der bestehenden Topographie um die Integration in das Stadtquartier Adlershof. Es treten keine weiteren äußeren Einflüsse auf, welche
die Wirkung der Photovoltaik beeinträchtigen bzw. entwurfsbestimmend sind.
¬ VERSCHATTUNG
Teilverschattung der PV-Module durch vorragende
Dachkonstruktion - Verluste der Energieerträge sind
hierauf teilweise zurückzuführen
Bei der Wahl der Bäume, die sich vor dem Gebäude (ebenfalls im Bereich der
Photovoltaik) befinden, handelt es sich um langsamwachsende und niedrige Laubbäume. Diese Entscheidung ist auf die angestrebte Vermeidung der Verschattung
der Photovoltaikpaneele zurückzuführen. [5]
[Kommentar Prof. Johann Eisele zum Projekt und PV]
¬ AUSRICHTUNG DES GEBÄUDES
N-S-Orientierung des Gebäudes
Photovoltaik: Südorientierung
Die Hauptansicht von der Liebigstraße erstreckt sich in Süd-West-Richtung. Die
schmalen Ansichten sind die Süd- bzw. Nordfassaden.
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UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
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Sonnenschutz des Gebäudes
Eine Untersuchungsreihe ergab, laut dem Bauwelt-Bericht 1998 (Heft 28/29),
daß die Südwest-Fassaden nicht mittels eines einzelnen Systems verschattet
werden können. Durch eine Kombination aus einem starren horizontalen und
einem starren vertikalen Sonnenschutz wird erst eine optimale Wirkung erreicht.
Beide ergänzen sich: Je nach dem entsprechenden Sonnenstand erfüllt eines der
beiden Systeme seine Funktion.
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„Um den Ausblick und den Lichteinfall speziell in den Wintermonaten zu verbessern, wurde eine zusätzliche manuelle Verstellmöglichkeit der vertikalen Sonnenschutzlemente eingebaut.“ [1]
(Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604ff)
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¬ ENERGIEKONZEPT
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Neben der Flexibilität bestand die Planungsaufgabe vor allem in einer weitgehenden Energieeinsparung und möglichst geringerer Umweltbelastung durch das
Gebäude und dessen Bauprozeß.
Hierzu tragen die folgenden fünf Komponenten bei:
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Ganzheitliches Energiekonzept ist vorhanden,
Photovoltaik als ein Teil der Gesamtkonzeption.
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Bauteilkühlung [Hohlraumdecke]
Verschattungssystem [Vermeidung der Fassadenaufheizung
und
Optimierung des Tageslichteinfalls]
Photovoltaik-Fassade der Eingangshalle
Regenwassernutzungsanlage.
Die einzelnen Maßnahmen besitzen, soweit möglich, einen doppelten Nutzen.
Die Photovoltaik-Anlage liefert nicht nur Energie, sondern dient gleichzeitig der
Verschattung. Die Hohlraumdecke gewährleistet nicht nur hohe Flexibilität, sondern kühlt auch indirekt die Räume.
„Somit verstehen sich die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht als Addition zum
Entwurf, sondern als Ganzheit: In der Nutzung von synergetischen Effekten soll
sich das Innovationszentrum für Umwelttechnologie auch in architektonischer
Hinsicht artikulieren.“ J.E. [1]
(Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604)
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4) Zelle / Photovoltaik-Beschreibung
¬ Allgemeine Beschreibung
Die Photovoltaikpaneele wurden an der Süd-West-Fassade an den hohen „Schotten“ in idealer Weise in Form von vertikalen Lamellen installiert. Die PhotovoltaikModule wurden nicht bis zum Erdgeschoß angebracht. Diese Anordnung ergab
sich aus den Berechnungen hinsichtlich der Verschattung durch die Bäume.
Jedes der sieben mit Photovoltaik bestückten Schottenelemente weist acht semitransparente Module (1,453 m x 2,22 m) auf. Ein Modul wiederum setzt sich aus
160 Solarzellen zusammen. Die Nennleistung der Anlage beträgt 10 kWp. [5]
[Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.44-45]
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GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
Der durch die Photovoltaikintegration erzielte Ertrag wird in das örtliche Stromnetz eingespeist und mit dem entsprechend geförderten Betrag vergütet.
¬ Erscheinungsbild
Durch die besondere Farbwahl der Photovoltaikzellen entsteht ein Erscheinungsbild, das sich in das Gesamtkonzept ideal integriert und den technologisch
fortschrittlichen Charakter des Umwelttechnologie-Zentrums deutlich unterstreicht. [6]
Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.45:
Es handelt sich bei den Solarzellen um graue, polykristalline Siliziumzellen, die
auf einer keramischen Trägersubstanz aufgetragen sind und als semitransparente
Glas-Glas-Module laminiert wurden. Die Module wurden zwischen die Betonstelen und Stahlstützen vor der Fassade moniert. „Die Rückseite der Module
erscheint mattgrau ... die Vorderseite kontrastiert grau glänzend.“
Die notwendigen Leitungsführungen sind in den Stahlstützen untergebracht.
„Die teiltransparenten Module erzeugen ein markantes Licht- und Schattenspiel... . Insgesamt überzeugt die elegante Konstruktion - bis ins Detail.“ [6]
[Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.45]
¬ Charakteristischen Merkmale GIPV
Die Wahl der gewählten GIPV-Art stellt das Resultat aus der Analyse der Orientierung des Gebäudes, sowie der entsprechenden Ausrichtung der Schotten, an
denen die Photovoltaikmodule integriert wurden dar. Die Farbwahl der Photovoltaikmodule (grau) fügt sich optimal in die Gesamtkonzeption und Materialwahl ein.
¬ Orientierung der Photovoltaik
Die Photovoltaik ist nach Süden orientiert (Süd -13°). Dies stellt einen optimale
Nutzung der Sonnenenergie dar.
PHOTOVOLTAIK-BASISDATEN
Basisdaten FASSADE (Süd-Orientierung)
¬ PV-Typ /
¬ Hersteller
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
8 / B.5
Neigung der Module
Ausrichtung Fassadenmodule
Abschattung
Lichtdurchlässigkeit
Wirkungsgrad / Zellen
Verluste durch fehlende AR
Wirkungsgrad / Module
Multikristalline Zellen / ohne
Antireflexionsschicht /
semitransparente Module
Solon AG Berlin [mit Hand gelötet /
Zellen auf Glasplatte, EVA]
90° (Senkrecht integrierte Module)
Süd -13°
Teilverschattung durch Dachkonstruktion
> 20%
ca. 12% (Mittel / STC)
ca. -2% (keine Antireflexionsschicht)
keine Angaben
UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
B.5
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Anzahl PV-Fassadenmodule
Farbe der Solarzellen
Anzahl der Wechselrichter
Modulfläche
PV-Fläche / Modul
Gesamt-Modulfläche /
Fassade SW
¬
Zellen pro Modul
¬ Gesamtanzahl der Zellen
¬ Fläche / Zelle
¬ Gesamte aktive Zellenfläche
¬ Leistung / Modul
¬ Gesamtleistung
56 Stück (gesamt); (8 x 7 Schotten)
grau
3 Stück
1,453 m x 2.22 m (8 pro Schotte)
3.23 m2
180,88 m2 (3,23m2 x 56 Stück)
160 Zellen
8960 Stück
12,5 cm x 12,5 cm (= 0,0156 m2)
140 m2 (8 x 7 x 160 x 0,0156 m2)
239 Wpeak
(Nur bei besten Bedingungen!)
10 kWpeak (real)
14 kWpeak (unter besten Bed.)
¬ Erzeugte Energie / Jahr
2.500 kWh/a (real)
¬ Effizienz F (Fläche) /
Leistung kWp
14 % [bez. auf akt. Zellenfläche]
¬ Spezifischer Jahresertrag
[kWh/a] / [kWp]
250 kWh / (kWp x a)
[SW-Fassade / Süd-Orientierung]
5) Kosten
Kosten der PV-Gesamtanlage:
209.000 DM
(dies entspricht ca. 13 DM pro Watt - bezogen auf die4
Planung mit 14 kWp - Nennleistung des Systems)
Gesamtbewertung / Konklusion
Zum Projekt schrieb Johann Eisele:
„Der Beleuchtungsbedarf von Gebäuden wird meist unterschätzt, d.h. er liegt
oft höher als der Verbrauch für Heizung und RLT-Anlagen. Starre Sonnenschutzsysteme können jedoch leicht in Widerspruch zur Tageslichtnutzung
geraten. Deshalb ist eine gemeinsame Betrachtung von `Sonnenschutz´ und
`Tageslicht´ notwendig, wenn diese sich nicht gegenseitig ausschließen sollen.
Zunächst war es sinnvoll, die Verschattungselemente zu optimieren. Dabei
wurden die Abstände von 90 cm auf 120 cm vergrößert, der Ausstellwinkel von
45° auf 75° geöffnet und die Elemente in der unteren Hälfte stark perforiert.
Bei geringfügig abnehmendem Verschattungseffekt wurde dadurch der Tageslichteinfall deutlich verbessert, ebenso der Blick von innen nach außen.“ [1]
(Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604)
Die innovative Integration der Photovoltaik-Module an der Süd-West-Fassade
stellt ein prägendes Element des Gebäudes und seiner Funktion dar.
Bewertung [7]
"Es ist hier gelungen, ein spezifisches Büro- und Laborgebäude mit einer intelligenten Mehrfachnutzung der bestimmten Elemente zu entwerfen.
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B.5
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
Bei allen Einzelmaßnahmen wurde darauf geachtet, dass diese sich nicht gegenseitig negativ beeinflussen. Die Nutzung von synenergetischen Effekten soll sich
im Innovationszentrum für Umwelttechnologie auch in der Fassadengestaltung
widerspiegeln und eine Identität entwickeln. Die Hohlraumdecken sowie die
Fluchtbalkone treten als `horizontale Bänder´in Erscheinung. Gestaltprägend
sind auch die `veritkalen Bänder´ der Tragstruktur des Sonnenschutzes zwischen
Sockel- und Dachzone. Beide strukturellen Elemente geben dem Gebäude Kraft
und Masse aber auch Tiefe, Leichtigkeit und Bewegung. Diese Wechselwirkung
und Gegensätzlichkeit von Volumen und einer ständig plastischen Aufgliederung des Gebäudes bildet den Schwerpunkt der Gestaltungsidee." [7]
Konklusion
Innovatives und ästhetisch anspruchsvolles Gebäude mit harmonischer Integration von Photovoltaikmodulen in die Gesamtgebäudekonzeption.
Gesamtbewertung zur Studie
Der erzielte Spezifische Jahresertrag [250 kWh (kWp x a)] ist im Vergleich der
restlichen Projekte der Gebäudestudie für die PV-Fassadenintegration sehr
gering, es handelt sich um den kleinsten Wert der Gesamtstudie. Dies ist auf
verschiedene Faktoren zurückzuführen, die in Kapitel 4 graphisch in Form von
einem Balkendiagramm (mit Kurzerläuterungen), sowie anhand von einer Übersichtsgraphik sämtlicher Projekte, Graphik B, dargestellt wurden. Die Hauptkriterien für diesen sehr geringen Spez. Jahresertrag sind die Verluste, die durch
die Teilverschattungen der PV-Module im oberen Bereich der Schotten (durch die
Dachkonstruktion) auftreten, sowie die Anpassungsverluste der Wechselrichter
an das Gesamtsystem. Zu einem geringen Teil verursacht auch die fehlende Antireflexionsschicht auf den Solarzellen (ca. 2% Effizienzverluste), sowie die Wahl
der grauen Zellen Minderungen des zu erzielenden Jahresertrages. Die Farbwahl
war jedoch für den konzeptionellen Gesamteindruck des Gebäudes von großer
Bedeutung, somit war die hellere Farbwahl der Zellen vom Gestaltungsaspekt
her entscheidend und die energetisch erzielbaren Erträge mußten dem gegenüber untergeordnet werden.
Die Semitransparenz hat keinen direkten Einfluß auf den untersuchten Wert, wie
bereits an anderen Stellen erwähnt und erläutert wurde. Ferner weist die
Photovoltaikausrichtung eine Südorientierung auf, die nur geringfügig von der
optimalen Ausrichtung abweicht (Süd -13°). Dieses Kriterium ist jedoch nicht
so einschlägig für das erzielte Resultat, wie durch verschiedene andere Projekte
belegt wurde, siehe Konklusion Kapitel 5 Punkt „O“ Standort / Orientierung.
Bei Vergleichsfassaden mit besseren Ergebnissen für den Spezifischen Jahresertrag handelt es sich teilweise um 1- bzw. 2-achsig nachgeführte PV-Anlagen, die
somit wesentlich geeignetere Grundbedingungen für die Sonneneinstrahlung
auf die Photovoltaik-Module aufweisen, bzw. deren Fassade mit den integrierten
PV-Modulen im Winkel von 60° zur Horizontalen geneigt ist und somit ebenfalls
bessere Konditionen für die einfallende Sonnenstrahlung zur Stromgeneration
der PV aufweist. Es handelt sich beim UTZ um eine Fassadenintegration (in die
sog. „Schotten“ der Fassade, siehe Abbildung) im Winkel von 90°. Der
optische und architektonische Eindruck wird jedoch durch die Integrations- und
10 / B.5
UTZ - UMWELT-TECHNOLOGIE-ZENTRUM / BERLIN
B.5
Gestaltungswahl der PV-Module im Besonderen hervorgehoben und verleiht der
Vorderansicht ein sehr charakteristisches Erscheinungsbild. Die PV-Paneele wurden
nicht bis zum EG geführt, somit treten durch die Vegetation vor dem Gebäude
keine jahreszeitlichen Verschattungen der Photovoltaikmodule auf. [Bei der ausgewählte Vegetation vor dem Gebäude handelt es sich, wie erwähnt, um kleinwüchsige Baumarten, um Verschattungen der integrierten Photovoltaik ebenso in größeren Zeitspannen zu vermeiden.]
Es handelt sich ferner bei Berlin [52,28° N] um einen nördlich gelegenen Standort,
im Vergleich zu den restlichen untersuchten Projektstandorten der ausgewählten
Klimazone in Europa.
Das Ergebnis der erzielten Performance Ratio [PR] des Projektes (35%, siehe Graphik [PR] B, Kapitel 4) ist jedoch von der Ausrichtung des Gebäudes, dem Neigungswinkel der PV-Module, sowie vom Projektstandort unabhängig. Die Kriterien,
welche die PR beeinflussen wurden ebenfalls detailliert in Kapitel 4 aufgeführt und
erläutert. In dem vorliegenden Fall sind die drei Hauptfaktoren für die unter dem
Durchschnitt der Studie liegenden PR:
die Teilverschattung der Module im oberen Bereich,
kombiniert mit der senkrechten Verschaltung der PV-Module
Solarzellentoleranzen, da Zellen ohne Antireflexionsschicht
gewählt wurden
Anpassungsverluste der eingesetzten Wechselrichter.
Jedoch wird das Projekt des Umwelttechnologiezentrums und im Besonderen die
PV-Integration in das Gesamtkonzept - auch mit leicht geringerem PR-Wert - einem
ästhetischen hohen Anspruch gerecht.
Die erzielten Werte für die PRhoriz [25%, siehe Graphik [PRhoriz]B, Kapitel 4]
macht den Einfluß der abweichenden Südorientierung und die Neigung der PV auf
den PR-Wert deutlich, siehe Kapitel 4 und 5, sowie die Überlagerungsgraphik von
PR und PRhoriz.
Literatur
Zeitschriften
Weitere Literatur
Bauwelt 1998 / Heft 28 / S. 1604 ;
Casabella 2000/ 683
Intelligente Architektur 15/1998
Photon, Herbst 2000
Bauwelt (29/1998)
db(2/2000)
Die neuen Architekturführer (Nr. 10)
VfA Profil - Das Architektenmagazin (11/1999)
B.5 / 11
B.5
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
Wettbewerbe aktuell (09/1995)
Wettbewerbsergebnisse in der Realisierung
(5,6/1997)
Gestalten mit Solarzellen (Susanne Rexroth),
C.F. Müller Verlag, Heidelberg, 2002
ISBN 3-7880-7700-X
Bücher
BIBLIOGRAPHIE / UTZ
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Bauwelt 1998 / H. 28 / S. 1604ff
http: //www.tu-darmstadt.de/fb/arch/eub/staff/jo/jo.htm, S. 1
Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.43 - 44
Kommentar Professor Johann Eisele zum Projekt und zur
Gebäudeintegration der Photovoltaik
Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.44 - 45
Susanne Rexroth, Gestalten mit Solarzellen, S.45
Eisele Architekten, Innovationszentrum für Umwelt, S.11
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildungen
12 / B.5
Intelligente Architektur 1998
Gestalten mit Solarzellen (Susanne Rexroth), S.43, 44
SOLON AG, Berlin
EXPO MESSEHALLE / HANNOVER
52° 10` N / B.6
B.6
GIPV-BEISPIELE in Europa
2 / B.6
Deutschland
EXPO MESSEHALLE / HANNOVER
B.6
EXPO-MESSEHALLE 7
B6. HANNOVER
52° 10` N Dach- und Fassadenintegration
Projekt
Standort
Messehalle 7 - EXPO 2000
Hannover, EXPO-Gelände
Architekten
HHS Planer + Architekten BDA,
Hegger Hegger Schleiff Architekten, Kassel
Expo 2000 GmbH, Hannover
Solar-Engineering Decker & Mack GmbH,
Hannover
BP Solar, Hamburg
Keine Angaben
Osmer Elektrotechnik GmbH, Lilienthal
Bauherr
Fachplanung
Ausführung / PV
Tragwerksplanung
Elektrotechnik
PV Nennleistung
Fassade
Dach
Erzeugte Energie / Jahr
Planung
Fertigstellung
61 kWp (Gesamte PV-Anlage)
29 kWp
32 kWp
40.000 kWh/a
(Dach: 25.500 kWh/a +
Fassade 14.500 kWh/a)
1999
Juni 2000 (Beginn PV-Betrieb: 05/2000)
Gebäudedaten
Fläche BGF
Gebäudenutzung
Keine Angaben
öffentlich
Photovoltaik
PV-Typologie
Anwendungstyp
Dach
Fassade
Fläche / Gesamt
Fläche / Fassade
Fläche / Dach
Zellentechnologie-Typ
Hersteller
Netz-Anschluß
Fassaden- und Dachintegration
[Sheddachoberlichter + Add-On-System]
Semitransparente und opake Module
Opake Module
1.230 m2
555 m2
675 m2
Semitransparente Glas-Glas-Module;
Amorphe Silizium-Module [Dünnschichttechnologie] / kristalline Module
[Saturnzellen-Technologie]
BP Solar
Veröffentlichungen
Solon AG-Präsentationsbroschüre
BP-Solar, Präsentation
Abbildungen
Ansichten
B.6 / 3
B.6
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
1) Beschreibung
¬ Allgemein
Die Weltausstellung EXPO 2000 in Hannover hatte das Thema: “Mensch-NaturTechnik“. Pünktlich zur Eröffnung der Expo am 1. Juni 2000, wurde die Solaranlage auf dem Dach und an der Fassade der Messehalle 7 mit einer Nennleistung von 60 kWp in Betrieb genommen.
Der Energieertrag der Dachanlage wird auf 25.500, der der Fassadenanlage auf
14.500 Kilowattstunden pro Jahr geschätzt. Die Anlage spart jährlich 33 Tonnen
Kohlendioxid ein und könnte im Jahr zwölf Haushalte mit Strom versorgen. [1]
[ BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 1]
2) Gestalt
¬ Oberlichter, die hohen Ansprüchen genügen
Insgesamt 102 Oberlichter auf der südlichen Dachfläche der Messehalle 7 wurden gegen Satellichtbänder aus Photovoltaikmodulen ausgetauscht. Außer der
Produktion von Strom haben sie die hohen Anforderungen an Wärmedämmung,
Dichtigkeit, Statik, blendungsarme Sonnenlichttransparenz im Halleninneren
sowie an das Bruchverhalten im Überkopfbereich zu erfüllen.
Die technischen Voraussetzungen für die Installation einer Solaranlage statt der
passiven Oberlichter sind vorhanden:
Eine nach Süden ausgerichtete Dachfläche, eine Dachneigung von 10° und ein
Neigungswinkel der Lichtbänder von 30°.
[ BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 1]
¬ Fassade aus Photovoltaikmodulen
Im Abstand von etwa 1,60 m vom Gebäude, wurde parallel zur Südseite der
Halle eine ca. 550 m2 große Fassade mit einer kompletten Verkleidung aus Photovoltaikmodulen errichtet.
Bauliche Aspekte
Die Photovoltaik-Fassade steht auf dem angrenzenden Flachdach der eingeschossigen Halle 8. Auf dem Dach lag ausreichend Platz für die Unterkonstruktion aus Stahl vor. Die lasten durch dieses zusätzliche Gewicht wurden über
Flanschplatten und Schrägstützen in das Dach darunter geleitet. Lüftungskamine
und Ablufteinrichtungen werden somit verdeckt und die Hallenwand bekommt
eine architektonische Aufwertung. [1]
[ BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 1]
3) Fakten / Projektdaten
HANNOVER
¬ Breitengrad
¬ Globalstrahlung / a
¬ Sonnenstunden
¬ Topographie:
¬ Verschattung:
4 / B.6
¬ Ausrichtung
¬ Energiekonzept
52° 10` N
987 kWh/m2 a *
1610 h/a
Ebenes Gelände / Dachneigung 10°
keine erkennbaren Verschattung durch Bäume oder
Nachbargebäude/ Dach- und Fassadenintegration
Photovoltaik ist südorientiert, Süd O°
Keine Angaben vorliegend
EXPO MESSEHALLE / HANNOVER
B.6
* Globalstrahlung als Mittelwert der Jahressummen von1981-2000 in kWh/m2 a
Einstrahlung auf die horizontale Fläche [Quelle: Photon Spezial 2002, S.109]
4) Zelle / Photovoltaik-Beschreibung
¬ Oberlichter: Innovative Dünnschichttechnologie im Wechsel mit Solarmodulen der Saturn-Technologie
Die Oberlichter mit 40 Grad Neigung sind in Richtung Süden ausgerichtet, es
handelt sich um 120 Oberlichter mit je 4 Modulen. Es wurden 50% Saturnzellen
in Glas-Glas Technik (Transparenz von ca. 20%) und 50% Dünnschichtmodule (Harmony - semitransparente Module; mit einer Transparenz von ca. 10%)
eingesetzt.
Die eingesetzten Glas-Glas-Module - Dünnschichtmodule einerseits und kristalline Module andererseits - haben eine Gesamtleistung von 32 Kilowatt: Die semitransparenten Dünnschichtmodule aus amorphem Silizium von BP Solar wurden
auf ein Verbundsicherheitsglas laminiert. Die Lichtdurchlässigkeit dieser Module
ist aufgrund physikalischer Nachbearbeitung durch einen Laser gegeben. Der
erzeugte Strom wird über Wechselrichter des Typs Sunny Boy 2500 ins Netz geführt. Die kristallinen Module der Saturn-Technologie erhielten ihre Transparenz
durch einen vergrößerten Abstand von 20 mm zwischen den Solarzellen. Sie
wurden zu zwölf Teilgeneratoren verschaltet, die ihren Strom über jeweils einen
Wechselrichter Typ Sunny Boy 2000 in das Niederspannungsnetz der Deutschen
Messe AG einspeisen. Alle Photovoltaikmodule wurden mit einem gleichmäßigen
Passpartout im Siebdruckverfahren versehen, damit vom Halleninneren aus ein
einheitlicher Gesamteindruck erzielt wird.
[ BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 1]
¬ Fassade: Dünnschichttechnologie
Die Fassade ist nach Süden ausgerichtet - mit 900 Modulen des Typs MST 43.
In der Fassade wurden 678 Standardmodule der amorphen Dünnschichttechnologie als Standardprodukte verbaut. Über zwölf Wechselrichter wird der Ertrag
der Anlage mit einer Spitzenleistung von circa 29 Kilowatt Peak in das Stromnetz
eingespeist. [1]
[BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 1]
Der Einsatz von Glas/Glas-Modulen vermindert die Verluste, die durch die Erwärmung der Solarzellen bzw. der -Module auftreten und es können somit höhere
Jahreserträge der PV-Anlage erzielt werden (Vergleichsmaßstab in der Studie ist
der Spezifische Jahresertrag, der sich aus dem erzielten Jahresertrag in kWh/a
geteilt durch die Leistung der Anlage in kWp zusammensetzt), sowie ebenso
höhere PR-Ergebnisse der Anlage (siehe Kapitel 4 und 5).
¬ Monitoring-System / Fernüberwachung erspart Fachleute vor Ort
Die gesamte Anlage ist an eine Fernüberwachung angeschlossen. Diese überwachen von einer beliebig lokalisierten Zentrale aus die Funktionen der Anlage
und erfassen zur wissenschaftlichen Analyse der Betriebswerte die eingehenden
Messdaten.
[BP-Pr
äs.-Blatt, zur Halle 7, S. 2]
B.6 / 5
B.6
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
¬ Visualisierung
Vor der Halle wurde, für jedermann zugänglich, eine Säule mit einem Bildschirm
aufgestellt. Auf diesem Display wird verständlich dargestellt, wie groß die momentane Leistung de Anlage ist, wieviel Energie die Anlage seit ihrer Inbetriebnahme geliefert hat und die daraus resultierende Kohlendioxideinsparung. [2]
BP-Präs.-Blatt, zur Halle 7, S. 2]
¬ Orientierung der PV
Die Photovoltaik ist in der Fassade und den Oberlichtern jeweils nach Süden
orientiert. In beiden Fällen treten keinerlei Verschattungen auf; da die Fassade
wie beschrieben nicht bis zum EG reicht und somit keine Verschattungen durch
Nachbargebäude auftreten können.
¬ Oberlichter
Bei der Ausführung der Oberlichter handelt es sich um semitransparente
Glas/Glas-Module, somit treten geringere Verluste durch die Erwärmung der
Solarzellen bzw. -Module auf. Die Solarzellen bestehen zu einer Hälfte aus der
Dünnschichtzellen, sowie die restlichen 50% der eingesetzten Solarzellen sind
kristalline Zellen, basierend auf der sog. Saturn-Technologie („buried contact“
Solarzellen, siehe Anhang A detaillierte Beschreibung; BP hat das Patent für
diese Art von Solarzellen von dem Forschungszentrum der UNSW, unter der
Leitung von Professor Dr. Martin A. Green, erworben und vertreibt seitdem diese
Technologieart weltweit).
Anforderungen
• Stromproduktion
• Dichtigkeit
• Sonnendurchlässigkeit
• Überkopfbruchverhalten
Technische Daten
• Glas-Glas-Module
• Spezial-Dünnschicht-Laminate
• Saturnzellen-Technologie
• String-Wechselrichter
• ca. 25.000 kWh/Jahr
Besonderheiten
• Größe der Anlage
• Statik der bestehenden Halle
• große Ansprüche an Sicherheit einer Messehalle bezüglich Anforderungen
an Überkopfverglasung [2]
PHOTOVOLTAIK-BASISDATEN
Basisdaten Fassade (Süd-Orientierung)
¬ PV-Typ / Modultyp
¬ Hersteller
6 / B.6
Dünnschichttechnologie
Standard Dünnschicht-Laminate,
MST MV 43 W
BP Solar
EXPO MESSEHALLE / HANNOVER
B.6
¬ Neigung der Module
¬ Ausrichtung der Module
¬ Wirkungsgrad (Solarmodule)
¬ PV-Fläche (F) / Fassade
¬ Aktive Zellenfläche der Module
¬ Zellentransparenz
¬ Lichtdurchlässigkeit der Module
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Leistung / Modul
¬ Nennleistung (Fassade)
¬ Jahresenergieertrag
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Jahresertrag [kWh/a] / kWp
[Fassade / Süd-Orientierung]
90 °
Süd 0 °
keine Angaben
(Zellenwirkungsgrad bei
Dünnschichtmodulen nicht vorh.)
555 m 2
555 m 2
opak
0 % - opak
schwarz
43 Wpeak
29 kWpeak
14.500 kWh/a
21,09 %
500 kWh/(kWp x a)
Basisdaten Shed-Dach (Süd-Orientierung) / 102 Oberlichter
¬ PV-Typ /
Saturn-Zellentechnologie und
Dünnschichttechnologie
(jeweils zu 50%)
¬ Module
Glas/Glas-Module
¬ Hersteller
BP Solar
¬ Neigung der Module
40° (30 ° PV + 10° Dachneigung)
¬ Ausrichtung der Module
0°
¬ Wirkungsgrad (Saturnzellen)
ca. 17% (Mittel / STC)
[für die Dünnschichtmodule
existiert keine Angabe zum
Wirkungsgrad, nur
Modulwirkungsgrade]
¬ Wirkungsgrad (Solarmodule)
keine Angaben
¬ PV-Fläche (F) / Dach
675 m 2
¬ Zellentransparenz
ca. 20 % (Saturn-Technologie)
ca. 10% (Dünnschichtmodule)
¬ Farbe der Solarzellen
schwarz
¬ Anzahl der Module / Oberlicht
4 Stück (120 Oberlichter)
¬ Leistung / Modul
keine Angaben
¬ Nennleistung (Sheddach)
32 kWpeak
¬ Jahresenergieertrag
25.500 kWh/a
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
19,13 %
¬ Spezifischer Jahresertrag [kWh/a] / kWp
797 kWh/(kWp x a)
[Dach / Süd-Orientierung]
Basisdaten
¬ PV-Typ /
¬ Hersteller
Gesamt (Dach+ Fassade) (Süd-Orientierung)
Dünnschichttechnologie
Saturn-Technologie
BP Solar
B.6 / 7
B.6
GIPV-BEISPIELE in Europa
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
Neigung der Module
Ausrichtung
Abschattung
Wirkungsgrad / Module (optimal)
Wirkungsgrad / Module (praktisch)
PV-Fläche (F) (Shed-Dach)
Fläche (Fassade)
Fläche (Gesamt/Dach + Fassade)
Farbe der Solarzellen
Gesamtnennleistung (Dach + Fass.)
Jahresenergieertrag
Kohlendioxid-Ersparnis / Jahr
Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
Spezifischer Jahresertrag [kWh/a] / kWp
Deutschland
90° / 40°
Süd 0 °
nein
keine Angaben
keine Angaben
675 m 2
555 m2
1230 m 2
schwarz (a-Si)
61 kWpeak
40.000 kWh/a
33 t/a
20,16 %
655,74
[Fassade +Dach/ Süd-Orientierung] [2]
Alternativ
¬ Ausrichtung Fassaden-/ Dachmodule
Süd 0°
¬ Globalstrahlung / a (horiz. Einstr.)
987 kWh/m2 a
(Jährlicher Mittelwert der Jahressummen von 1981-2000)
[Quelle: Photon Spezial 2002]
¬ PR (Dach):
81%
PR (Fassade):
72%
¬ PRhoriz (Dach):
81%
PRhoriz (Fassade): 51%
PR (Ges.D+F):
76,5%
PRhoriz (Ges.D+F):
66%
¬ Erzeugte Energie / Jahr
40.000 kWh/a (Gesamt)
5) Kosten
PV-Zellen (Material + Arbeitslohn)
- keine Angaben
Installationen (Material + Arbeitslohn)
- keine Angaben
Zu den oben genannten Kostenkriterien waren keine Angaben von der ausführenden Firma erhältlich.
Gesamtbewertung / Konklusion
Im Hinblick auf die erstellte Studie der einzelnen Projekte, mit dem Vergleich des
jeweilig erzielten Spezifischen Jahresertrages der PV-Anlagen, lassen sich in der
Gesamtbetrachtung zu dem Projekt Messehalle 7 der Expo in Hannover folgende
Aussagen machen:
Dachintegration der Photovoltaik:
Der Spezifische Jahresertrag der Dachanlage erzielt einen durchschnittlichen
Wert im Vergleich sämtlicher Projekte [797 kWh/(kWp x a), dies entspricht ebenso dem Durchschnittswert der Dachintegrations-Studie].
Trotz der optimalen Ausrichtung der Photovoltaikmodule (Süd 0°) und dem
Einsatz von Glas/Glas-Modulen, die eine starke Erwärmung der Solarzellen und
-Module verhindern und somit geringere Verluste bei den zu erzielenden Jah-
8 / B.6
EXPO MESSEHALLE / HANNOVER
B.6
reserträgen aufweisen, wird der Spitzenwert der Spezifischen Jahreserträge der
Studie [1000 kWh/(kWp x a)] nicht erreicht. Die Module sind auf das Flachdach
aufgeständert (opake Module) in einem Winkel von 40°, bzw. in die Sheddächer
integriert (semitransparente Module).
Fassadenintegration der Photovoltaik:
Der Spezifische Jahresertrag der Fassadenintegration [500 kWh/(kWp x a)], der
erzielt wird, liegt trotz optimaler Ausrichtung (Süd 0°) noch unter dem Durchschnittswert [553 kWh/(kWp x a)] der restlichen Vergleichsbeispiele der Fassaadenintegration von PV der erstellten Studie (siehe Kapitel 4 / Graphik B).
Es sind keine Verschattungen der PV-Module erkennbar, jedoch handelt es
sich um eine im 90°-Winkel integrierte starre PV-Anlage, wohingegen andere
Vergleichsanlagen mit wesentlich besseren Spezifischen Jahreserträgen 1- bzw.
2-achsige nachgeführte PV-Systeme aufweisen. Es wurden Glas/Glas-Module
verwendet, die eine starke Erwärmung der Solarzellen und -Module verhindern
und somit die möglichen entstehenden Verluste durch Erwärmung vermindern,
was sich auf die zu erzielenden Jahreserträge positiv auswirken kann.
Die Spitzenwerte des Spezifischen Jahresertrages der Dach- und Fassadenstudien
werden nicht erzielt (graphische Darstellung, siehe Kapitel 4 / Balkendiagramme
mit Kurzanalysen, sowie Graphiken A bzw. B). Es handelt sich um einen nördlich
gelegenen Standort [Hannover 52,10° N] im Vergleich der restlichen Projektstandorte.
Zu den einzelnen PR-Werten [PR] und [PRhoriz] siehe Kapitel 4 und 5, sowie die
entsprechenden Graphiken, einschließlich der Überlagerungsgraphik in Kap. 4.
BIBLIOGRAPHIE
[1]
[2]
BP-Präsentations-Blatt, zur Messehalle 7 / EXPO, S. 1
BP-Präsentations-Blatt, zur Messehalle 7 / EXPO, S. 2
ADRESSEN
Ansprechpartner Photovoltaik
BP Solar, Hamburg, Frau Winking
bzw. Herr Stefan Müller
Bp solar, Sachsenkamp 1-3, D-20097 Hamburg
Tel: 040 / 23.61-120; Fax: 040/23.61-1250
E-mail: [email protected] / oder: mechthild. [email protected]
Internet: www.bpsolarex.com
Solar-Engineering Decker & Mack GmbH, Hannover
Poburski, Solartechnik GmbH&Co KG, Hamburg
B.6 / 9
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
52° 10` N / B.7 a/b
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
2 / B.7
Deutschland
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
EXPO-TURM
Wesertal
B.7a/b. HAMELN
52° 15` N Fassadenintegration, 2000
Projekt
Standort
Expo-Turm 2000 / Elektrizitätswerk Wesertal
Am Ohmberg 1, Hameln-Emmerthal
Architekten
Niederwöhrmeier + Wiese Architekten BDA,
Prof. Dipl.-Ing. Carola Wiese,
Dr.-Ing. Julius Niederwöhrmeier,
Darmstadt / Blomberg
Elektrizitätswerk Wesertal GmbH, Hameln
Bollinger + Grohmann, Frankfurt
Institut für Solarenergieforschung GmbH,
Hameln/Emmerthal, (ISFH)
Bauherr
Tragwerksplanung
Fachplanung PV-Anlage
Ausführung und
Steuerung PV-Anlage
Gebäudetechnik
Nennleistung
Prognose Energieertrag
Fertigstellung
Gebäudedaten
Fläche BGF
Gebäudenutzung
Photovoltaik
PV-Typologie
Anwendungstyp
Fläche (Fassade/Gesamt)
Zellenfläche (Gesamt)
Zellentechnologie-Typ
Hersteller
Colt International, Kleve
Keine Angaben
6,6 kWp
5.400 kWh/a
2000
Keine Angaben
Informations- und Technikgebäude /
teilweise öffentlich / Neubau
Netz-Anschluß
Fassadenintegration / Sonnenlamellen /
1- und 2-achsig nachgeführtes System
62,61 m2 [Modulmaße]
[Mittelteil/Süd: 26,83 m2/ Flügel (beide) 35,78 m2 ]
1) monokristalline Solarzellen
(POWER-MAX, Siemens)
2) multikristalline Solarzellen (Shell/Photowatt) und
3) multikristalline ASE-Solarzellen (EFG-Verfahren)
[Edge-defined Film-fed Growth]
Siemens / Shell/Photowatt: / ASE
Veröffentlichungen
Intelligente Architektur, 2000, Nr. 23, (S. 59-63)
Veröffentlichung Solar Engineering / Colt z. Proj.
Photovoltaik und Architektur, Humm/Toggweiler
Abbildungen
Ansicht S / SW
B.7 / 3
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
1) Projekt-Beschreibung
¬ Allgemein
Wenn Architekten / Ingenieure der Natur ihre Tricks abschauen und diese in neue
technische Entwicklungen einfließen lassen, bezeichnet man dies Bionik.
„Die Robinie robina pseudoacacia zum Beispiel reagiert dynamisch auf die im
Jahreszeiten - und Tagesverlauf wechselnde solare Einstrahlung: ihre Blätter stehen
immer orthogonal zur Sonneneinstrahlung.“ [1]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 59]
Dieses gleiche Prinzip liegt dem Expo-Projekt des Informations- und Technikgebäude
der Solarsiedlung in Emmerthal zu Grunde: Die Photovoltaik-Anlage wurde in Analogie zur Natur als dynamisches System konzipiert. [1]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 59]
Nachgeführte Photovoltaikanlage am multifunktionalen Technikgebäude in
der Solarsiedlung am Ohmberg
„Die nachgeführte Photovoltaikanlage am multifunktionalen Technikgebäude in
Ohr (Gemeinde Emmerthal) befindet sich in der Solarsiedlung am Ohmberg. Die
Solarsiedlung ist ein offiziell anerkanntes EXPO 2000 Projekt, in der innovative
Systeme für eine zukünftige und nachhaltige Energieversorgung demonstriert werden (Niedrigenergiehausstandard, solare Warmwasserbereitung, Nahwärmesystem mit zweistufigem Wärmepumpenkonzept). In der Siedlung wurden bis zu 70
Einfamilienhäuser errichtet.
Das vertikal organisierte Technikgebäude dient der Unterbringung der zentralen
technischen Anlagen und der Darstellung und Erläuterung der eingesetzten Energiesysteme in der Solarsiedlung.“ [2]
[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, Einl., 1 S., bezogen über H. Nasse, Solar-Engineering + Paper z. Projekt von Solar-Engin./ Colt: S. 1)
¬ Besonderheit
Ein- und zweiachsig nachgeführtes Photovoltaiksystem: „Neben der einachsigen
Nachführung des Lamellensystems vor der Südfassade nach dem Sonnenhöhenwinkel können die beiden großen Solarflügel zweiachsig in einem Schwenkbereich von 180° dem Höhen- und dem Azimutwinkel nachgeführt werden.“ [1]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 59]
Einzelsteuerung der verschiedenen PV-Lamellen-Gruppen der Süd, Ost- und Westfassade. Ferner liegt dem Gesamtentwurf ein energetisches Gesamtkonzept
zugrunde (siehe Energiekonzept).
2) Gestalt
¬ Gesamtkonzept
Der Expo-Turm Wesertal beherbergt die Umspannstation zur Energieversorgung der
Solarsiedlung in Emmerthal bei Hameln und Informationseinrichtungen für Besucher
und stellt somit das Herzstück der Solarsiedlung dar. Im Sinne Nachhaltigen Bauens
sollen mit dem Expo-Projekt im Bereich Stadt und Region neue Wege aufgezeigt
werden, wie Wohnkomfort und Klimaschutz durch Niedrigenergiebauweise, die
Nutzung von Sonnenenergie und den Einsatz modernster Energietechnik zur Transformation solarer Energie verwirklicht werden können.
Die Co2-Emissionen sollen hier im Vergleich zu konventionellen Wohnhäusern um
50 Prozent reduziert werden.
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 60]
Die Solarsiedlung wird von der Gemeinde Emmerthal als Projektträger zusammen
4 / B.7
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
mit dem Elektrizitätswerk Wesertal GmbH Hameln betreut (seit 2000 ein Unternehmen der finnischen Fortum-Gruppe und dem ISFH, Institut für Solarenergieforschung, Hameln -Emmerthal). [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 60]
¬ Zielsetzung
Es sollte von Beginn der Planungen eine innovative und geeignete Gesamtlösung gefunden werden, die modernste an Wärmepumpentechnik und die
Umspannstation zur Energieversorgung sowie Informationseinrichtungen für
Besucher aufnehmen und zugleich PV-Anlage integrieren sollte. Es wurde nicht
ein normales Haus, sondern ein offener »Apparat«: „ein Instrument, das Energieerzeugung und Tranformation nicht aus Sicherheitsgründen im geschlossenen
Gehäuse verbergen und einkapseln muß.“ Die energetischen Zusammenhänge
und Prozesse sollten in einer transparenten Struktur offen und nachvollziehbar
demonstriert werden. [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 60]
¬ Energietransformation
Es wurden im Sinne der Bionik Analogien zu natürlichen Systemen gesucht, laut
Aussage der Architekten Wiese und Niederwöhrmeier.
Da Pflanzen bekannter Weise höchst effiziente Energieumwandler sind und ihre
Blätter dienen hierbei als Solarkollektoren, die dynamisch auf die Jahreszeitenund Tagesverlauf wechselnde solare Sonneneinstrahlung reagieren. (Die Blätter
der „Robinie robina pseudoacacia“ können hierfür als ein Beispiel dienen.)
Aus den verschiedenen Überlegungen wurde das Konzept eines „Energieturmes“ entwickelt, der die unterschiedlichen Funktionen auf sechs Ebenen
verteilt. [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
„Über die rein technisch bedingten Erfordernisse hinaus dient das Gebäude auch
der prinzipiellen Darstellung und Erläuterung der in der Solarsiedlung eingesetzten Energiesysteme und macht diese den Besuchern transparent.“ [2]
[Paper zum Projekt von Solar-Engin./ Colt: 1. Einleitung, S. 1)
3) Fakten / Projektdaten
HAMELN
¬ Breitengrad
¬ Globalstrahlung / a
¬ Sonnenstunden
¬ Topographie:
¬ Verschattung:
¬ Ausrichtung
52° 10` N
987 kWh/m2 a * [8]
[Jährl. Mittelw. 1981-00, Photon Spezial 2002]
1610 h/a
[Hannover, Palz, 1998]
Süd-Hang über der Solarsiedlung Emmerthal
keine Verschattung durch Nachbargebäude /
Fassadenintegration / nur am frühen Vormittag
Teilverschattung durch die Baumgruppe im Osten
Nord-Süd-Orientierung des Gebäudes / Südhang
Photovoltaik südorientiert /
Nachführung der PV-Anlage: optimale
Orientierung der Solarmodule
B.7 / 5
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
¬ Erschließung
¬ Energiekonzept
Deutschland
Ebenerdig, behindertenfreundlich bis in das 3. OG
Ganzheitliches Energiekonzept, Photovoltaik stellt
einen wichtigen Teil der Konzeption dar.
Nachgeführtes PV-System dient den Messzwecken
für das ISFH-Forschungsinstitut.
* Globalstrahlung als Mittelwert der Jahressummen von 1981-2000 in KWh/m2 a
Einstrahlung auf die horizontale Fläche [Quelle: Photon Spezial , 2002, S.109]
TOPOGRAPHIE
Das Gebäude befindet sich in einer exponierten Hanglage. Es tritt jedoch keine
Verschattung durch Nachbargebäude auf. Es befindet sich Vegetation (Laubbäume) neben und vor allem hinter dem Gebäude.
Als äußere Einflüsse können lediglich die Teilverschattung am frühen Vormittag
durch die im Osten stehende Baumgruppe erwähnt werden. Extremen Windbelastungen (und Sturmschäden) wird in der teilexponierten Lage des Gebäudes,
durch das Einfahren der Solarflügel entgegengewirkt.
ORIENTIERUNG / GEBÄUDE
Aufgrund der sehr eingeschränkten Platzverhältnisse entstand ein multifunktionaler Technikturm mit einer Höhe von 16 m, der in den Böschungsbereich des
Ohrbergs in Nord-Süd-Orientierung angeordnet wurde. Auf fünf Ebenen wurden
alle notwendigen Aggregate und Versorgungseinrichtungen untergebracht. [4]
[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, 1 Seite. 2. Technische Merkmale PV-Anlage, bezogen
über Herrn Nasse, Solar-Engineering]
Die Hauptfassade ist nach Süden orientiert, einschließlich der Photovoltaik-Anlage und deren dynamischem Nachführungskonzept entsprechend des jeweiligen
Tages- bzw. Jahreszeitlichen Sonnenstandes. Dies gewährleistet somit immer eine
optimal Orientierung für die Solarzellen.
COLT / Solar -Engineering-Paper - Ausf. Version, S. 3:
Durch die offene Struktur des Gebäudes (Nord-Südfassade sind vollflächig verglast, West- und Ostseite sind mit Lamellen aus Leichtmetall verkleidet) werden
dem Besucher Technik und Funktion anschaulich demonstriert. [4]
[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, 1 Seite 2. Technische Merkmale PV-Anlage, bezogen über
Herrn Nasse, Solar-Engineering]
ERSCHLIESSUNG
Die Hanglage ermöglicht jedoch die behindertenfreundliche, ebenerdigen Erschließung nicht nur in den unteren beiden Ebenen, sondern ebenso in die von
unten gesehenen dritten Ebene. Hier befinden sich die Besuchereinrichtungen.[3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
ENERGIEKONZEPT
6 / B.7
Ganzheitliches Energiekonzept, Photovoltaik stellt
einen wichtigen Teil der Konzeption dar.
Nachgeführtes PV-System dient den Messzwecken
für das ISFH-Forschungsinstitut.
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
Wärmeversorgungskonzept:
Das Konzept für die Wärmeversorgung der Gesamtanlage liegt ein zweistufiger
Prozeß zu Grunde: Wärmequelle ist das Wasser der Weser, dessen Temperatur von mindestens 3° C eine monovalente Bereitstellung des Wärmebedarfs
ermöglicht. Im Technikgebäude wird in der ersten Prozeßstufe über die zentrale
Wärmepumpe die natürlich schwankende Wassertemperatur auf mindestens 2°C
angehoben. „Mit dieser Mindesttemperatur wird ein sekundäres geschlossenes
´Kaltwassernetz´ betrieben. Durch die vergleichsweise geringe Systemtemperatur kann auf eine bei Vorlauftemperaturen von 70°C übliche Wärmedämmung
verzichtet werden.“
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[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
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In einem zweiten Wärmepumpenprozeß erfolgt die Anhebung auf Heiztempera�������������������������������
turniveau von 45°C zur Raumheizung dezentral in den jeweiligen Häusern. (Ein
solches kompaktes Aggregat ist auch Bestandteil der Ausstellung im Infozentrum
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Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
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[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S.
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4) Zelle / Photovoltaik-Beschreibung
61]
¬ Allgemeine Beschreibung Photovoltaik
Die Photovoltaik-Anlage hat einen Synenergie-Effekt: Sie dient zur Stromproduktion und zugleich als außenliegender, beweglicher Sonnenschutz.
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Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61:
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Die Photovoltaik-Anlage der großen Solarflügel sind exakt nach Süden ausgerichtet. (Sie versinnbildlichen die bereits genannte bionische Konzeption.
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Die Planung und die technischen Rahmenbedingungen wurden in kooperativer
Zusammenarbeit mit Fachplanern, Architekten, Bauherr und Tragwerksplanern
mit Hilfe von Simulationsprogrammen in wechselseitigen Optimierungsprozessen
abgestimmt und ausgearbeitet.
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Die Nord- und Südfassade ist vollverglast, somit dienen die PV-Anlage und die
Wartungsstege zugleich als Sonnenschutz. Die Ost- und Westfassaden sind mit
Lamellen aus Leichtmetall verkleidet und lassen je nach Blickwinkel und Lichtstimmung den Gebäudekern durchscheinen.
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[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
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Das PV-Lamellensystem (Typ: COLT-Shadowvoltaic) setzt sich aus elf Lamellenreihen zusammen, die vertikal und in gleichen Abständen übereinander
angeordnet sind. Die PV-Lamellen folgen im mittleren Segment einachsig dem
Sonnenhöhenwinkelprojektion
(exakte Südausrichtung), die beiden Solarflügel
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ermöglichen
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zweiachsige
Nachführung
über eine zentrale vertikale Antriebs�����������������������������������������������������
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welle mit einem Schwenkbereich in azimutalter Richtung von -90° (Ost) bis max.
90° (West), siehe Abbildung. Durch die Parameter Sonnenhöhenwinkel, Sonnenazimut und Gebäudestandort wird rechnergestützt eine optimale Nachführung
sichergestellt.“ [3]
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[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
B.7 / 7
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
¬ Erscheinungsbild
Wie eine Sonnenuhr machen die wechselnden Flügelstellungen im saisonalen Verlauf die Tageszeit ablesbar und sorgen für ein ständig sich variierendes
Erscheinungsbild. Sie ziehen damit ein hohes Maß an Aufmerksamkeit auf den
Technikturm in exponierter Lage.
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
„In ihrer dynamischen Konzeption und Drehbewegung weisen die Flügel auf ein
wesenhaftes Merkmal solarer Energie hin (Himmelsmechanik).“ [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
¬ Charakteristischen Merkmale der gebäudeintegrierten PV
Die Wahl der Gebäudeintegrierten Photovoltaikart und -Ausführung stellt das
Resultat aus der Analyse und der optimalen Umsetzung der gegebenen Randbedingungen (Hanglage, Ausrichtung nach Süden, Vegetation, etc.) dar. Das
charakteristische und einzigartige Merkmal de PV-Anlage ist die dynamische
Nachführung des Systems entsprechend des Sonnenstandes.
Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62:
Aus wissenschaftlicher Sicht ist die integrierte Photovoltaik-Anlage sehr
interessant. Das ISFH erhält durch die PV-Anlage die Möglichkeit, ein spezielles
Messprogramm anzuwenden, mit dem in Hinblick auf einen potentiellen Multiplikatoreffekt das Anlagenverhalten, die zu erwartenden Energiemehrerträge bei
ein- und zweiachsig nachgeführtem Betrieb sowie die unterschiedlichen Solarzellentypen analysiert werden können. [5]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62]
¬ Photovoltaik-Konzept
„Die Anforderungen wurden durch den Einsatz von drei verschiedenen kristallinen Silizium-Solarzellentypen (Shell - multikristallin, ASE (EFG-Silizium), Siemens
- monokristallin) ergänzt. Die Gesamtleistung des PV-Generators beträgt 6,6
kWp. Dieser ist in sechs PV-Generatoren aufgeteilt. Es wird zwischen den unterschiedlichen Zellen und der Art der Nachführung differenziert. Jeder PV-Teilgenerator wird über einen Sammel-Generatoranschlusskasten auf einen separaten
Wechseltrichter geführt. Eingesetzt wurden sechs Fronius-Wechseltrichter der
SUNRISE-Baureihe. Im Generatoranschlusskasten sind die Schutzeinrichtungen
(Überspannschutz, Rückstromdiode), die DC-Hauptschalter sowie der DC-seitige
Teil der Messeinrichtungen untergebracht.“ [6]
[Paper zum Projekt von Solar-Engin./ Colt:1. PV-Konzept, S. 5)
¬ Technische Merkmale der Photovoltaikanlage
•
11 Lamellenreihen sind vertikal und in gleichen Abständen
übereinander angeordnet
•
Nachführung der PV-Lamellen im Fassadenbereich einachsig, gemäß
Sonnenhöhenwinkelprojektion
•
Zweiachsige Nachführung der PV-Lamellen an den Solarflügeln über
eine zentrale vertikale Antriebswelle
•
Einsatz von 3 unterschiedlichen kristallinen Solarzellentypen je
Nachführung (ASE-EFG, Shell-multi, Siemens-mono).
•
Verwendung des PV-Lamellensystems COLT-SHADOWVOLATAIC
•
6 PV-Teilgeneratoren nach Art der Zellen und der Nachführung
differenziert
8 / B.7
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
•
•
•
•
•
•
Einsatz von Einscheibenlaminaten mit Folienverbund auf der
Modulrückseite (Hersteller: GSS)
Thermisch spannungsfreie punktförmige Lagerung der Module
Antrieb der Solarflügel durch langsam drehende Winkelgetriebemotoren
Einsatz des COLT Steuer- und Regelungssystem CCS 2000-Solar Control
mit redundantem Sicherheitskonzept
Einzelsteuerung der unterschiedlichen Gruppen (Südfassade, Ost- und
Westfassade) möglich
Gesamtleistung der PV-Anlage: 6.600 Wp [2]Colt / Solar Engineering, Veröffentli-
chungm Projekt, Einleitung, 1 Seite, bezogen über Herrn Nasse, Solar-Engineering]
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•
unterschiedliche Teilleistung der verschiedenen Fassaden und Bereiche
mit den unterschiedlichen Solarzellen (siehe PV-Daten).
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¬ Laminate
Es wurden Einscheiben-Laminate eingesetzt (Größe: 1800 x 480 Millimeter) mit
einem neuartigen Rückseitenfolienverbund, bestehend aus Tedlar- und Polyesterfolie und einem Zellenbelegungsgrad von circa 80 Prozent.
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Mit dem Verzicht
auf linienförmig gelagerte Lamellen wurde somit den architekt�� �������������������������������������������������������������
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onischen Ansprüchen
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Resttragfähigkeit
im Falle des Modulbruchs nachgewiesen werden sollte. Die
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Einscheiben-Laminate
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[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62]
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¬ Schaltungskonzept:
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Auf Grund der festgelegten
Anzahl der PV-Module (an der Südfassade und den
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Solarflügeln),
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unterschiedlichen
Zellentypen und der daraus resultierenden
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[Intelligente Architektur, Juli/August
2000, Nr.� 23/ S. ��62]
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¬ Messtechnik
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„Mit einem vereinfachten Mess-System ist eine begleitende wissenschaftliche
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Untersuchung
der verschiedenen Nachführungskonzepte der unterschiedlichen
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Solarzellentypen
unter norddeutschen Klimaverhältnissen vorgesehen.“ [4]
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[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, 1 Seite,2. Technische Merkmale PV-Anlage, bezogen über
Herrn Nasse, Solar-Engineering]
B.7.1. Diagramm:
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Simulation des Tageslichtverlauf der
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Bestrahlungsstärke am 21.06. für
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[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, Einleitung, 1 Seite
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B.7 / 9
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
¬ Orientierung / PV
•
Süd-Orientierung der Hauptfassade mit PV-Lamellensystemen
(nachgeführt)
•
Mittelteil: einachsig-nachgeführtes Lamellen-System
•
Seitenflügel: zweiachsig-nachgeführte Lamellen-Systeme
(Orientierung: optimaler Winkel zur Sonne)
¬ Besonderheit
Die Besonderheit dieser Photovoltaikintegration in das Gebäude ist charakterisiert durch verschiedene, intelligent kombinierte Integrationsformen der Photovoltaikmodule. Die verschiedenen Systeme der einachsig und zweiachsigen
Nachführung sind für die Gesamtgestaltung des Gebäudes prägend und wurden
unter Punkt 4 („Allgemeine Beschreibung der Photovoltaik“, sowie „Technische
Merkmale der Photovoltaik“) erklärt, ausgehend von dem natürlichen Beispiel
der „Robinie robina pseudoacacia“ (siehe Punkt 1 / Projekt-Beschreibung).
Da das realisierte Expo-Projekt auch den laufenden Versuchsprogrammen des
ISFH-Instituts dient, stellt es auch nach Fertigstellung eine „dynamische“ PV-Anlage dar, da ihre Integration und ihre Auswertungsergebnisse die Grundlage für
weitere neuentwickelte bzw. verschiedenartig gestaltete Photovoltaiksysteme in
Gebäude bilden sollen.
Die Anerkennung als offizielles Expo-Projekt im Jahr 2000 in Hannover, unterstreicht ebenfalls den Innovationscharakter und die Besonderheit des Projektes.
PHOTOVOLTAIK-BASISDATEN
Basisdaten
Fassade (Süd): Mittelteil / EINACHSIG nachgeführt
¬ PV-Typ /
(a) Oben:
(b) Mitte:
(c) Unten:
¬ Hersteller/
Zellenflächen
(a)
(b)
(c)
¬ Neigung der Module
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
10 / B.7
Ausrichtung der Module
Zellen-Wirkungsgrad
Modulwirkungsgrade
PV-Fläche (F) / Module-Oben (a)
PV-Fläche (F) / Module-Mitte (b)
PV-Fläche (F) / Module-Unten (c)
PV-Fläche (F) / Gesamt-Mittelteil
PV-Fassaden-Standardmodul
[Glas-Glas-Laminate]
polykristalline Solarzellen,
polykristalline ASE-Solarzelle
[EFG-Verfahren]
monokristalline Silizium-Solarzellen
Shell-Photowatt (100 mm x 100 mm)
ASE (100 mm x 100 mm)
Siemens (103 mm x 103 mm)
5°-80° (a / b / c)
Nachgeführtes System
Süd O°
Keine Angaben (a), (b), (c)
9,6 % (a), 10,4% (b), 10,5% (c)
9,757 m2
9,757 m2
7,317 m2
26,83 m2 (Modulfläche)
1,73 m x 0,47 m [0,8131 m2]
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
¬ Modulreihen /
Anzahl Fassaden-Module
¬ Module / Strang
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Teil-Leistung / Module
¬ Gesamtnennleistung / Mittelteil
¬ Erzeugte Energie / Jahr
¬ Erwarteter Mehrertrag durch
einachsige Nachführung
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Jahresertrag [kWh/a] / [kWp]
(a)
4 / 12
(b)
4 / 12
(c)
3 / 9
[33 Module]
8 (a); 8 (b); 4,5 (c)
blau (a); blau (b); schwarz (c)
972 Wpeak (a)
1.056 Wpeak (b)
801 Wpeak (c)
2,829 kWpeak
2.009 kWh/a
10 -15 %
9,48 % [bezogen auf die Modulfl.]
710,14 [kWh / kWp] a
[Fassade / Süd - Mittelteil]
Basisdaten Fassade (Süd): Solarflügel / ZWEIACHSIG nachgeführt
¬ PV-Typ /
¬ Hersteller
(a) Oben:
(b) Mitte:
(c) Unten:
(a)
(b)
(c)
¬ Neigung der Module
¬
¬
¬
¬
¬
Ausrichtung der Module
Wirkungsgrad (optimal)
Modulwirkungsgrade
PV-Fläche (F) / Fassade-Flügel
PV-Fassaden-Standardmodul
¬ Modulreihen /
Anzahl Fassaden-Module
¬ Module / Strang
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Teil-Leistung / Module
¬ Gesamtnennleistung / Solarflügel
¬ Erzeugte Energie / Jahr
¬ Erwarteter Mehrertrag durch
zweiachsige Nachführung
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
multikristalline Solarzellen,
multikristalline ASE-Solarzelle
[EFG-Verfahren]
monokristalline Silizium-Solarzellen
Shell-Photowatt
ASE
Siemens
5°-80° (a / b / c)
Nachgeführtes System
0 ° -175 ° Nachführung
Keine Angaben (a), (b), (c)
9,6 % (a), 10,4% (b), 10,5% (c)
35,78 m 2 (44 x 0,47 x 1,73 m2)
1,73 m x 0,47 m [0,8131 m2]
[Glas-Glas-Laminate]
4 / 16
4 / 16
3 / 12
[44 Module]
8 (a); 8 (b); 4,5 (c)
blau (a); blau (b); schwarz (c)
1.296 Wpeak
1.408 Wpeak
1.068 Wpeak
3,772 kWpeak
3.391 kWh/a
20 - 25 %
9,49 % [bezogen auf die Modulfl.]
B.7 / 11
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
¬ Spezifischer Jahresertrag[kWh/a] / [kWp]
[Fassade / Süd-Solarflügel]
[beide Flügel zusammen]
898,99 [kWh / kWp] a
Basisdaten Fassade (Süd) / GESAMT-System
¬ PV-Typ /
(a) Oben:
(b) Mitte:
multikristalline Solarzellen,
multikristalline ASE-Solarzelle
[EFG-Verfahren]
monokristalline Silizium-Solarzellen
(a)
Shell-Photowatt
(b)
ASE
(c)
Siemens
(c) Unten:
¬ Hersteller
¬ Neigung der Module
5°-80° (a / b / c)
Nachgeführte Systeme
0° / 0°-175°
(starr / zweiachsig nachgeführt)
Keine Angaben (a), (b), (c)
9,6 % (a), 10,4% (b), 10,5% (c)
62,61 m 2 (77 x 0,47 x 1,73 m2)
1,73 m x 0,47 m [0,8131 m2]
¬ Ausrichtung der Module
¬
¬
¬
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Wirkungsgrad (optimal)
Modulwirkungsgrade
PV-Fläche (F) / Fassade-Gesamt
PV-Fassaden-Standardmodul
[Glas-Glas-Laminate]
¬ Modulreihen / Gesamt
Anzahl Fassaden-Module
(a)
(c)
¬ Module / Strang
¬ Farbe der Solarzellen
Mögliche Hintergrundfolien
bzw. Screengewebe (Laminate)
¬ Teil-Leistung / Module
(a)
(b)
(c)
¬ Gesamtnennleistung
¬ Erzeugte Energie / Jahr
¬ Erwarteter Mehrertrag durch
ein- und zweiachsige Nachführung
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Jahresertrag[kWh/a] / [kWp]
[Fassade / Süd-Gesamt]
Alternativ
¬ Ausrichtung Fassadenmodule
(Nachgeführte Solar-Flügel)
¬ Globalstrahlung / a
¬ Erzeugte Energie / Jahr / Gesamt
12 / B.7
4 / 28
(b)
8 / 28
6 / 21
[77 Module]
8 (a); 8 (b); 4,5 (c)
blau (a); blau (b); schwarz (c)
farbig / opake / transparente
2.268 Wpeak
2.464 Wpeak
1.869 Wpeak
6,601 kWpeak
5.400 kWh/a
30 - 40 %
9,48 % [bezogen auf die Modulfl.]
818,06 [kWh / kWp] a
0 °/ 0°-175° Süd-Ausrichtung
987 kWh/m2 a* [8]
5.400 kWh/a
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
* Globalstrahlung als Mittelwert der Jahressummen von 1981-2002 in KWh/m2 a
Einstrahlung auf die horizontale Fläche [Quelle: Photon Spezial , 2000, S.109]
Hersteller / Solarzellen-Firmen:
Es wurden drei kristalline Solarzellentypen (nach Vorschlägen vom ISFH) ausgewählt:
Siemens:
monokristalline Silizium-Solarzelle POWER-MAX
Shell/Photowatt: multikristalline Solarzellen
ASE
multikristalline ASE-Solarzelle mit dem neuartigem
EFG-Verfahren (Edge-defined Film-fed Growth)
produziert wird.
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62]
5) Kosten
Zu den Kosten der Photovoltaikanlage standen keine Angaben zur Veröffentlichung zur Verfügung.
GESAMTBEWERTUNG
Information
Die technische Struktur des Energieturmes und die Prozesse der energetischen
Transformationen sind für den Besucher deutlich nachvollziehbar.
Von der Aussichtplattform (in weitem Ausblick auf die Siedlung und Weser) wird
der Zusammenhang zwischen den natürlichen Energiequellen mit deren Transformation im Gebäude und der Siedlungskonzeption nachvollziehbar. [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
Besonderheit der Photovoltaik-Anlage
Sie stellt die erste und größte ein- und zweiachsig geführter PV-Anlage in Norddeutschland dar und der EXPO-Turm demonstriert mit der Synthese von Wärmepumpe und Photovoltaik eine „zukunftsweisende energetische Konzeption mit
hohem Innovationswert.“ [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
Zuamenfassung / Projekt B.7
„Bei der realisierten PV-Anlage handelt es sich um eine Demonstrationsanlage.
Aufgrund der besonderen Anforderungen und Rahmenbedingungen wurde eine
ingenieurmäßige Lösung gefunden. Durch den Einsatz eines standardisierten
Sonnenschutzsystems sowie objektspezifischer PV-Module wird eine hohe Flexibilität demonstriert.“ [7]
[Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, 1 Seite, 4. Zusammenfassung, bezogen über Herrn Nasse,
Solar-Engineering]
KONKLUSION / Projekt B.7
Es handelt sich bei dem beschriebenen Projekt um ein gutes und intelligent
durchdachtes System der Photovoltaikintegration in ein Gebäude mit ästhetisch
ansprechender Gestaltung und einem hohen Innovationscharakter.
Ferner stellt das vorgestellte Projekt ein Vorzeigeobjekt für die Zusammenarbeit
und hohe Bedeutung der Interdisziplinarität zwischen Forschungsinstituten,
B.7 / 13
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
Architekten, Ingenieuren und Bauherren dar, da die aus der besonderen Betriebsweise ermittelten Daten der unterschiedlichen Systeme und Zellenarten wichtige
Aufschlüsse für das ISFH (Institut für Solarenergieforschung GmbH, HamelnEmmerthal) bieten. [5]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62]
„Die öffentliche Resonanz gegenüber dem Projekt war groß und die Architekten
denken, daß der „Energieturm den Kontext Mensch-Natur-Technik im Zusammenhang aus didaktischer und energetischer Zielsetzung in exemplarischer Weise thematisiert und Inhalt und Anspruch der Weltausstellung (der EXPO 2000) in
besonderer Weise gerecht wird.“ [3]
[Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 61]
ERGEBNISSE DER STUDIE
Mittelteil
Bei dem erzielten Ergebnis des Spezifischen Jahresertrages [710 kWh/(kWp x a)]
des untersuchten Mittelteils der PV-Fassadenanlage, die einachsig dem Sonnenstand nachgeführt wird, handelt es sich um den zweitbesten Wert der Studie
für Fassadenintegration von Photovoltaik - trotz des nördlich gelegenen Standortes des Projektes [Hameln-Emmerthal, 52,10° N]. Das Photovoltaik-System ist
optimal (Süd 0°) ausgerichtet und kombiniert mit der 1-achsigen Nachführung,
kann die einfallende Sonnenstrahlung optimal für die Stromerzeugung durch die
Photovoltaik genutzt werden - dies ermöglicht das gute Ergebnis für den Spezifischen Jahresertrag der Anlage. Unterstützt wird dies durch die Kombination von
verschiedenen hochwertigen Solarzellen-Typen (siehe PV-Basisdaten / Mittelteil),
deren Farbwahl (blau bzw. schwarz) ebenso eine positive Auswirkung auf die
zu erzielenden Jahreserträge der Anlage haben, siehe auch Graphik B, Kapitel 4
zum Vergleich der restlichen Projektbeispiele, sowie Kapitel 5 / Konklusion und
Auswertung der Gesamtergebnisse. Der Spezifische Jahresertrag wird ferner
durch die Verwendung von Glas/Glas-Modulen positiv beeinflußt, da durch die
mögliche Hinterlüftung der PV-Module (Lamellensystem / siehe Abbildungen)
eine zu starke Erwärmung der Solarzellen bzw. -Module vermindert bzw. verhindert wird und somit die möglichen, durch Überhitzung auftretenden Verluste der
Anlage deutlich reduziert werden.
Solarflügel
Der Spezifische Jahresertrag der Solarflügel des Projektes [899 kWh/(kWp x
a)] stellt den Spitzenwert der Studie der Fassadenintegrationsbeispiele dar. Es
handelt sich bei den beiden sogenannten „Solarflügeln“ um eine 2-achsig dem
Sonnenstand nachgeführte Photovoltaik-Lamellenanlage (Winkelbereich der
Nachführung: 0°-175°). Die optimale Ausrichtung des Gebäudes (Süd 0°) unterstützt dieses hervorragende Ergebnis des Spezifischen Jahresertrages. Der Einsatz
von Glas/Glas-Modulen wirkt sich ebenfalls sehr positiv auf die erzielten Jahreserträge der PV-Anlage aus. Die auftretenden Teilverschattungen am Vormittag
durch die sich östlich befindliche Baumgruppe, führen einige Verluste mit sich.
Ohne diese auftretenden Verschattungsverluste der Module könnten somit die
erzielten Erträge noch bessere Ergebnisse aufweisen.
Es wurden mono- und polykristalline Solarzellen in Kombination verwendet, mit
14 / B.7
EXPO-TURM / HAMELN-EMMERTHAL
B.7
jeweils sehr guten Moduleffizienzen (siehe PV-Basisdaten, Tabelle / Graphik B
und Projektbeschreibung).
Trotz des nördlich gelegenen Projektstandortes [Hameln-Emmerthal, 52,10° N], im
Vergleich zu den restlichen ausgewählten Standorten der Dissertationsstudie,
kann der Spitzenwert der Fassadenstudie erzielt. Dies widerlegt die allgemein
herrschende „Meinung“, daß grundsätzlich in den südlich gelegeneren Standorten einer bessere Jahreserträge (bzw. hier Spezifische Jahreserträge) im Vergleich zu nördlicheren Standorten zu erzielen sind, siehe hierzu auch Kapitel 5 /
Konklusion.
Gesamtsystem
Die erzielten Ergebnisse der Studie im Vergleich zu den restlichen Fassaden- bzw.
Dachintegrationsbeispielen haben die Bedeutung und den Einfluß der ein- bzw.
zweiachsig dem Sonnenstand nachgeführten Photovoltaiksysteme dargestellt
und daß damit die Steigerung der erzielten Jahreserträge (hier des Spezifischen
Jahresertrages) möglich ist. In Kombination mit der optimalen Ausrichtung des
Gebäudes (Süd 0° bzw. durch die 2-achsige Nachführung: 0°-175°).
Die Anwendung von verschiedenen mono- und polykristallinen Solarzellentypen, mit guten Modulwirkungsgraden, in den jeweiligen Anlagen (Mittelteil und
Solarflügel) in Kombination mit der „optimalen“ Farbwahl (blau und schwarz),
ermöglicht durch die stattfindenden Messungen des Fachinstituts für Solarforschung (ISFH) in Hameln eine detaillierte Analyse und Auswertung der einzelnen
Arten und Umgebungsbedingungen (Teilverschattung, etc.) bzw. der unterschiedlichen Nachführungssysteme im Vergleich.
Der Einsatz von Glas/Glas-Modulen mit dem gewählten Lamellensystem unterstützt die zu erzielenden Spezifischen Jahreserträge sehr positiv. Lediglich die
auftretenden tageszeitbedingten Teilverschattungen durch die sich im Osten des
Gebäudes befindliche Baumgruppe, tragen zu einer Minderung der Energieerträge der Photovoltaikanlage bei. Ohne diese Verschattungen könnten somit
noch bessere Ergebnisse im Vergleich zu den restlichen Projekten erzielt werden.
Erwähnenswert ist die Tatsache, daß es sich bei dem angegebenen Wert des
Spezifischen Jahresertrages der Solarflügel des Projektes, im Vergleich der Fassaden- und Dachintegrationsbeispiele (siehe Graphik A/B, Kapitel 4 und
Kaptitel 5 / Konklusion), um den zweitbesten Wert der Gesamtstudie handelt!
Keine der untersuchten Dachintegrations-Anlagen, außer dem Projekt in München, weist dieses hohe Ergebnis auf [899 kWh/(kWp x a)] - lediglich die Photovoltaik-Dachintegration des Projektes des Messedaches in München-Riem übersteigt dieses Ergebnis [1000 kWh/(kWp x a)], trotz des wesentlich nördlicheren
Standortes der Anlagen des Expo-Turmes [Hameln: 52,10°N / München 48,20° N].
Dies ist auf die Vorteile der zweiachsigen Nachführung des PV-Systems zurückzuführen, in Kombination mit den anderen Einflußaktoren (siehe auch „Toughness“Kriterien, Kapitel 4 zum Projekt 7b).
Zu den jeweiligen erzielten Werten der Performance Ration [PR] und [PRhoriz],
siehe Kapitel 4 die jeweiligen Graphiken für Fassadenintegration, sowie die
Überlagerungsgraphik und Kapitel 5 / Konklusion.
B.7 / 15
B.7
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
Literatur
Intelligente Architektur, 2000, NR 23, S. 59-63
Colt / Solar Engineering Veröffentlichung zum Projekt
Palz, Dr. Wolfgang, "European Solar Radiation Atlas", Springer, 1998
BIBLIOGRAPHIE / EXPO-TURM HAMELN
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 59
Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, Einleitung,
Kurzfassung, Quelle: Herr Nasse, Solar-Engineering;
Paper zum Projekt von Solar-Engineering / Colt: Seite 1
Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23 / S. 60-61
Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, Kurzfassung,
Technische Merkmale PV-Anlage, Quelle: Herr Nasse, Solar-Engineering
Seite 2
Intelligente Architektur, Juli/August 2000, Nr. 23/ S. 62
Paper zum Projekt von Solar-Engineering / Colt: 1. PV-Konzept, S. 5
Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt, Kurzfassung,
Zusammenfassung, Quelle: Herr Nasse, Solar-Engineering; S. 4
Photon Spezial 2002, S.109
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abb. B.7.1
Colt / Solar Engineering, Veröffentlichung zum Projekt,
Einleitung, Kurzfassung
ADRESSEN
B.7 a/b Expo-Turm / Hameln-Emmerthal
[Zusatzinformation PV-Anlage und Auswertung]:
Colt-International GmbH
M. Starlinger
Briener Str. 186, D-47533 Kleve
Tel.: +49(0)2821/990-148, Fax.:+49(0)2821/990-262
E-mail: colt-klevet-online.de
Solar Engineering
Decker & Mack GmbH
Markus Brand
Vahrenwalder Str. 7, D-30165 Hannover
Tel.: +49(0)511/9357-330, Fax.:+49(0)511/9357-339
E-mail: [email protected]
16 / B.7
ÜSTRA-HELIOTRAM / HANNOVER
52° 10` N / B.8 a/b
B.8
GIPV-BEISPIELE in Europa
2 / B.8
Deutschland
HELIOTRAM ÜSTRA / HANNOVER
B.8
HELIOTRAM - ÜSTRA Betriebsgelände
B.8 HANNOVER
52° 10`N Fassaden- und Dachintegration, 1999
Projekt
„Heliotram“ / Üstra-Projekt - Wartungshalle für
Stadtbahnen, Projekt für die EXPO 2000
Hannover-Leinhausen
Bild B.8.1
Standort
Architekten
Bauherr
Nennleistung (PV)
S+P Planungsgruppe, Prof. Dr. Sommer,
Ulf Strey, Hamburg
Üstra Hannoversche Verkehrsbetriebe AG,
Hannover
130,5 kWp (a) / 94,4 kWp (b) (Dach, SSW)
224,90 kWp (Dach gesamt)
30,60 kWp (c) (Fassade gesamt)
Ausführungsjahr
225,50 KWp (Gesamt)
110.403 kWh/a (a) / 81.939,20 kWh/a (b) - Dach
12.240 kWh/a (c) - Fassade
204.582,20 kWh/a [Gesamt]
1999
Dimensionierung
Fläche BGF
Gebäudenutzung
Neu/Altbau
Keine Angaben
Wartunghalle für Stadtbahnen
Neubau
Erzeugte Energie / Jahr
Photovoltaik
PV-Typologie
Anwendungstyp
Modulfläche
(a)
(b)
(c)
Gesamt
Zellentechnologie-Typ
Hersteller
Netz-Anschluß
Fassaden- und Dachintegrationen (3 Teilanlagen)
1.052,90 m2 [Flachdachaufständerung]
1.070,70 m2 [Sheddachintegration]
321,40 m2 [Fassade]
2.385 m2
Amorphes und kristallines Silizum /
Add-On- und ISO-Module
(siehe Photvoltaikbeschreibung und Basisdaten)
SOLON AG, Berlin
Veröffentlichungen
- 14. Symposium PV-SE, Staffelstein 1999
- Prospekt Solon - Referenzen
Abbildungen
Fassaden- und Dachansicht der Photovoltaik
B.8 / 3
B.8
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
1) Beschreibung
¬ Allgemein
Der Betriebshof Hannover- Leinhausen
Für die DB AG bestand die Notwendigkeit, eine neue Werkstatt für die bis zur
EXPO zu beschaffenden 40 dreiteiligen S- Bahn- Züge zu bauen und für die
Üstra ergab sich somit die Möglichkeit, in unmittelbarer Nachbarschaft dazu eine
Abstellanlage und eine Betriebswerkstatt zu bauen. [1]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 2).
¬ Funktionen
Der Stadtbahnbetriebshof Leinhausen wird mit den Funktionen:
Fahrzeugabstellung
Fahrzeugbehandlung
Wartung / Instandhaltung
Fahrpersonaleinsatz
in den Stadtbahnbetrieb der Üstra eingebunden.
Auf dem Dach des Technikbaus, der sich angrenzend an die Betriebswerkstatt
befindet, wurde eine Photovoltaikanlage installiert, die direkt in das Bahnstromnetz einspeist. [1]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” / „Einspeisung einer 250 KWp Photovoltaik- Anlage in das
Bahnstromnetz der üstra“, Dieter Wolff, Hannover, Jürgen Schult, Hannover, S. 2-3)
¬ Die Grundidee
Im Zuge von geplanten Streckenerweiterungen wurden bereits zu Anfang der
90er Jahre Vorstudien zur Nutzung von photovoltaischer Solarenergie für die
Fahrstromversorgung durchgeführt. Schon in dieser frühen Phase verfolgte man
die Idee der Direkteinspeisung der elektrischen Energie ohne Wandlung und
Regelung, da dies sich für die Nutzung in Stadtbahnsystemen - mit ihren arttypischen Gleichstromanlagen - geradezu anbietet.
Bild B.8.2
Üstra Betriebsbahnhof, HannoverLeinhausen
Die günstigsten Voraussetzungen ergaben sich mit dem geplanten Neubau des
Betriebshofes Leinhausen. Die Vorplanung begann 1995. Hier entstand eine südlich ausgerichtete, verschattungsfreie Halle mit mehr als 5.500 m_ Dachfläche
und der nötigen Infrastruktur zur Netzanbindung eines Photovoltaik (PV)- Generators.
Der neue Betriebshof mit ca. 10 km Gleislänge wurde zum Jahresende 1999
weitgehend fertiggestellt und bietet Platz für max. 144 Stadtbahnfahrzeuge
(Bild B.8.1 und B.8.2). [1]
¬ Projektziel
Im Rahmen des Projektes soll die Realisierung und der Betrieb einer Photovoltaikanlage hoher Spitzenleistung ( > 250 KWp ) in direkter Kopplung mit dem
Gleichspannungsnetz eines Stadtbahnsystems demonstriert und erprobt werden.
Erstmalig werden in einer solchen Anlage - gemeinsam an einer Sammelschiene
- ungesteuerte Diodengleichrichter, ein direkt speisender PV- Generator und ein
4 / B.8
HELIOTRAM ÜSTRA / HANNOVER
B.8
Schwungradenergiespeicher installiert und deren Systemverhalten erprobt. Mit
einem solchen elektromechanischem Speicherelement läßt sich sowohl der Rückspeisewirkungsgrad des Bahnstromnetzes als auch der Einspeisewirkungsgrad des
PV-Generators erhöhen. [2]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 4).
2) Gestalt
Bild B.8.3
Zusammensetzung des PV- Generators
¬ PV-Integration
Einen weiteren Schwerpunkt stellen die Integration von PV-Modulen in die Isolierverglasung von Sheddach-Oberlichtern sowie die Applikation von Solartechnologie
auf hohem Spannungsniveau (UN= 600V / 750V) dar. Bei der baulichen Integration
insgesamt stand die Beibehaltung der originären, an den funktionalen Anforderungen einer Wartungshalle ausgerichteten Architektur im Vordergrund. Ziel war
es deshalb auch, einen bezüglich der zugewiesenen Flächen optimierten PV-Generator zu entwerfen, der gleichzeitig bauphysikalische Funktionen übernimmt und
durch Substitution ohnehin erforderlicher Bauelemente in Dachhaut und Fassade
Kosteneinsparungen erbringt. [2]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 4).
¬ Photovoltaikmodule und Merkmale der Gebäudeintegration
Wesentliche technische Innovationen dieses PV- Generators sind:
Eine Direkteinspeisung in ein 600 V Gleichstrom-Bahnstromnetz
eine vergleichsweise hohe Leistung der Anlage, mit über 250 kWp
Spitzenleistung ist diePV-Anlage Leinhausen derzeit die weltweit Größte
ihrer Art (Stand: 05/2000)
Drei unterschiedliche Arten der Modul- Installation werden angewandt.
Ca. 100 kWp Nennleistung mittels Isolierglas-PV-Modulen, die in
südseitigen Oberlichtern von Sheddächern integriert sind.
Ca. 130 kWp Nennleistung als konventionelle Flachdachaufständerung
mit Standardmodulen (Add-On-Module).
Ca. 30 kWp Nennleistung als hinterlüftete Fassadenverkleidung im Süden
der Halle.
Für das genannte Projekt werden hocheffiziente monokristalline Siliziumzellen im
Dachbereich sowie an der Fassade verwendet (siehe Bild B.8.3). [3]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 6-7).
Die Ausrichtung des Gebäudes und damit aller PV- Belegungsflächen besitzt eine
Abweichung von 35° aus der idealen Südrichtung nach Westen. Die Neigung der
PV- Module beträgt 20° in den Oberlichtern, 10° als Add- On und 90° an der Fassade. Der gesamte PV- Generator ist in 12 Teilgeneratoren elektrisch unterteilt. [3]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 6-7).
B.8 / 5
B.8
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
3) Fakten / Projektdaten
HANNOVER
¬ Breitengrad
¬ Globalstrahlung / a
¬ Sonnenstunden
¬ Topographie:
¬ Verschattung:
¬ Ausrichtung
52° 10` N
987 kWh/ m2 a [Photon Spezial 2000]
(Jährl. Mittelw. 1981-2000)*
1610 h/a
Ebenes Gelände
keine Verschattung durch Bäume oder
Nachbargebäude/ Dach- und Fassadenintegration
der Photovoltaik
O-W-Ausrichtung des Gebäudes
Photovoltaik ist südorientiert
* Globalstrahlung als Mittelwert der Jahressummen von 1981-2000 in KWh/m2 a
Einstrahlung auf die horizontale Fläche [Quelle: Photon Spezial , 2002, S.109]
4) Zelle / Photovoltaik-Beschreibung
¬ Flächenbelegung auf dem Dach der Wartungshalle
Die Aufteilung zwischen Isolierglasmodulen in den Lichtbändern und Add-OnModulen auf dem Flachdach dazwischen war durch die Geometrie, bzw. die
Architektur des Gebäudes und die Gleislage vorgegeben. Bei der Minimierung
der elektrischen Verluste durch Abschattungen der Teilgeneratoren untereinander
und durch Dachaufbauten mußte die Abweichung von 35° aus der Südrichtung
berücksichtigt werden.
Die Höhe und Neigung der Oberlichter wurde zunächst auf der Grundlage von
Simulationsrechnungen und Abschattungsanalysen der Belegungsflächen in den
Oberlichtern untereinander festgelegt. Die Belegung der verbleibenden Dachflächen mit Add- On- Modulen als Flachdachaufständerung paßte sich in Fläche,
Höhe und Neigung unter Minimierung der Abschattungsverluste an (Bild B.8.4).
[4]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 8).
Bild B.8.4
Montierte Isolierglas-PV-Module und Add-On Generator an der Südseite
6 / B.8
HELIOTRAM ÜSTRA / HANNOVER
B.8
Bild B.8.5
Montage der Isolierglas PV-Module
¬ Oberlichter mit Isolierglas-PV-Modulen
Die PV-Module wurden hier direkt in die fünf Oberlichtbänder der Wartungshalle
integriert (ca. 100 kWp). Die Oberlichtbänder sorgen für einen ausreichenden
Tageslichteinfall in die Halle. Sie tragen auf der Nordseite voll transparente Gläser sowie auf der Südseite PV-Module. Um einen ausreichenden Wärmeschutz
des Gebäudes zu gewährleisten, mußten die Module als Isolierglas ausgeführt
werden. Die Module auf der Südseite des Oberlichtes erfüllen neben der Stromerzeugung auch die Funktion des konstruktiven Sonnenschutzes. Eine südseitige
Verglasung muß zur Verhinderung von Überhitzungen und Blendwirkungen
im Gebäude grundsätzlich mit einem Sonnenschutz ausgestattet werden. Die
Isolierglas- PV- Module bieten aufgrund der gewählten Zellabstände (6 bzw. 10
mm) eine Kombination aus Sonnenschutz und Tageslichtnutzung. Dieser Modultyp wurde eigens für die Anlage entwickelt und zu zertifiziert (Bild B.8.5). [4]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 8).
¬ Flachdachaufständerung mit Add-On-PV-Modulen
Es wurden Standard-PV-Module eingesetzt; erreichte Leistung ca. 130 kWp.
Da bis dato die bekannten Standardmodule nicht über die in diesem Projekt
geforderte erhöhte `Spannungsfestigkeit´ verfügten (bis 1500V), stellte sich die
Anforderung an den Markt, die Module entsprechend zu qualifizieren. [5]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 9).
¬ Fassadengenerator
Weil die angestrebte Gesamtleistung von 250 kWp auf dem Dach ohne erhebliche Einbußen durch Teilabschattungen nicht installiert werden konnte, wurde
die fehlende Leistung an der Südfassade mit einem ein ca. 30 kWp Teil-Generator realisiert. Ursprünglich war hier der Einsatz von PV-Modulen in amorpher
Dünnschicht-Silizium-Technologie ausgeschrieben. Da der Markt jedoch in dieser
Technologie derzeit die notwendige Spannungsfestigkeit nicht liefern konnte,
mußte auf bewährte monokristalline Technik (gleiche Zellen wie die Isolierglasmodule) zurückgegriffen werden.
Die Module des Fassadengenerators sind architektonisch und farblich gestaltet.
Sie substituieren hier die am übrigen Gebäude eingesetzte Aluminiumwelle als
äußere Fassadenverkleidung und setzen einen gestalterischen Akzent (siehe Bild
B.8.6). [5]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 9).
Bild B.8.6
Fassadenintegration der PV-Module
¬ Erscheinungsbild
Der Gestaltungsfaktor der integrierten Photovoltaikmodule in der Fassade kann
als prägend für die Südansicht beschrieben werden. Die Photovoltaik wurde
bewußt als gestaltbildendes Element eingesetzt - die Farbwahl (schwarz) als
Kontrapunkt zu den restlichen rötlichen Fassadenelementen, einschließlich der
Metallfassadenteile.
Bei der Dachintegration der Photovoltaik handelt es sich weniger um ein gestaltbildendes Element, da einerseits das PV-System als sogenannte „Add-On“
(aufgesetzte) Anlage auf das Flachdach aufgeständert wurde (opake PV-Module,
siehe Beschreibung und Graphik A, Kapitel 4), sowie andererseits in die semitransparenten PV-Module in die Sheddachkonstruktion integriert wurden. Somit
prägt die Photovoltaik die Dachgestaltung nur zum Teil mit.
B.8 / 7
B.8
GIPV-BEISPIELE in Europa
Deutschland
¬ Orientierung der PV
Die Orientierung der Photovoltaik weist eine Abweichung von der optimalen
Ausrichtung auf: Süd +35°. Es handelt sich um einen „nördlichen“ Standort
[Hannover: 52,10° N] im Vergleich der übrigen Standorte der Studie.
Sheddächer mit Photovoltaik-Modulen
PHOTOVOLTAIK-BASISDATEN
Basisdaten
Fassade (Süd-Orientierung)
¬ PV-Typ
¬ Hersteller
¬ Neigung der Module
¬ Ausrichtung der Module
¬ Wirkungsgrad (optimal)
¬ Wirkungsgrad (praktisch)
¬ PV-Fläche (F) / Fassade
¬ PV-Fassaden-Standardmodul:
¬ Anzahl der Module
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Leistung / Modul
¬ Nennleistung (Fassade)
¬ Erzeugte Energie/Jahr
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Ertrag/a [KWh/a]/ [kWp]
[Fassade / Süd-Orientierung]
Kristalline Solarzellen /
Zellen Siemens SM 103 /
Glas/Glas-Module
Solon AG
90 °
Süd + 35°
Keine Angaben
Keine Angaben
321,40 m 2
Keine Angaben
364 Stück
schwarz
84 Wpeak
30,60 kWpeak
12.240 kWh/a
10,5 %
400 [kWh / (kWp x a)]
Dach (Süd-Orientierung) / Add-On-System
¬ PV-Typ /
Sheddachintegration von
semitransparenten PV-Modulen Innenansicht
8 / B.8
¬ Hersteller
¬ Neigung der Module
¬ Ausrichtung der Module
¬ Wirkungsgrad (optimal)
¬ Wirkungsgrad (praktisch)
¬ PV-Fläche (F) / Dach
¬ Anzahl der Module
¬ PV-Dach-Standardmodul:
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Leistung / Modul
¬ Nennleistung (Dach / Add-On)
¬ Erzeugte Energie/Jahr
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Ertrag/a [KWh/a]/ [kWp]
[Dach / Süd-Orientierung]
Kristalline Solarzellen / SM 110
Glas/Glas-Module
Siemens Solar
10°
Süd +35°
ca. 14% (Zellen)
Keine Angaben
1.052,9 m 2
1.186 Stück
Keine Angaben
schwarz
110 kWpeak
130,46 kWpeak
110.403 kWh/a
8,08 %
846 [kWh / (kWp x a)]
HELIOTRAM ÜSTRA / HANNOVER
B.8
Dach (Süd-Orientierung) / Sheddachintegration
¬ PV-Typ /
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
¬
Hersteller
Neigung der Module
Ausrichtung der Module
Wirkungsgrad (optimal)
Wirkungsgrad (praktisch)
PV-Fläche (F) / Dach
Anzahl der Module
PV-Dach-Standardmodul:
¬ Farbe der Solarzellen
¬ Leistung / Modul
¬ Nennleistung (Sheddach)
¬ Erzeugte Energie/Jahr
¬ Effizienz F (Fläche) / Leistung kWp
¬ Spezifischer Ertrag/a [KWh/a]/ [kWp]
[Dach / Süd-Orientierung]
Alternativ:
¬ Ausrichtung Fassaden-/ Dachmodule
¬ PR (Dach/Sheds):
88%
¬ PRhoriz (Dach/Sheds): 88%
¬ Erzeugte Energie / Jahr
5)
Kristalline Solarzellen /
Zellen Siemens 103 /
Isolierglas-Module
SOLON AG Berlin
20 °
Süd +35°
ca. 14% (Zellen)
Keine Angaben
1.010,7 m 2
429 Stück
Keine Angaben
schwarz / semitransparent
220 kWpeak
94,40 kWpeak
81.939,20 kWh/a
10,71 %
868 [kWh / (kWp x a)]
Süd +35°
PR (Fassade):
58%
PRhoriz (Fassade): 41%
204.582,20 kWh/a (Gesamt)
Projektförderung, Kosten
Die Investitionskosten für den Photovoltaikgenerator betragen, einschließlich
Planung, rund 3,7 Mio. DM. Das Projekt wird im Rahmen des Thermie- Programmes unter dem Titel Heliotram SE/00146/96/DE/FR/CH von der Europäischen
Kommission, Generaldirektion Energie, mit 40 % der Gesamtkosten gefördert. Im
Rahmen eines Wettbewerbes für “Innovative Solartechnische Projekte” der niedersächsischen Wirtschaftsjunioren wurde der Teilgenerator im Fassadenbereich
prämiert, verbunden mit einer zusätzlichen Förderung von
30 % auf dessen baulichen Anteil am Gesamtvolumen. [6]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, Wolff, Schult, S. 12).
GESAMTBEWERTUNG / PROJEKT-KONKLUSION
ZUSAMMENFASSUNG / E.U.-BERICHT:
Auf der Grundlage des Berichtes für die Europäische Union, wurden folgende
Kern-Faktoren zusammenfassend über das Projekt beschrieben:
B.8 / 9
B.8
GIPV-BEISPIELE in Europa
Innenansicht / semitransparente PV-Module
Deutschland
„Der Einsatz von Solargeneratoren mit Direkteinspeisung in Fahrleitungsnetze
ist sinnvoll. Die technische Machbarkeit ist bereits an Vorläuferprojekten (Stadtwerke Bern, Stadtwerke Karlsruhe) bewiesen worden.
In Netzen mit hohem Rückspeise- Wirkungsgrad wird die Ausbeute der Rückspeisung durch den PV- Generator verschlechtert. Energiespeicher stellen in solchen
Netzen – neben den grundsätzlichen Vorteilen zur Rückspeiseverbesserung – eine
gute Ergänzung dar.
In der Investition sind Anlagen mit Direkteinspeisung je nach Anlagenspezifikation ca. 10-20% günstiger als vergleichbare netzgekoppelte Anlagen.
Bei Gebäudeintegrationen können funktionale und kostenbezogene Synergien
neben gestalterischen Effekten erzielt werden.“ [7]
(Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 13).
ERGEBNIS DER PROJEKTSTUDIE
¬ Fassadenintegration
Der erzielte Wert des Spezifischen Jahresertrages der Fassadenintegration [400
kWh / (kWp x a)] weist einen weit unter dem Durchschnitt [553 kWh / (kWp
x a)] liegenden Wert auf. Es handelt sich um den zweitschlechtesten Wert der
Vergleichsstudie der Fassadenintergrationsbeispiele.
Das Projekt weist eine abweichende Ausrichtung von der optimalen Südorientierung auf (Süd +35°). Der Integrationswinkel der PV in der Fassade beträgt
90°, es handelt sich im Vergleich zu einigen anderen Beispielen um eine starre
Anlage (bessere Ergebnisse wurden für nachgeführte Anlagen, bzw. Systeme im
Neigungswinkel von 60° zur Horizontalen erzielt). Es handelt sich zwar um die
Anwendung von Glas/Glas-Modulen, die durch ihre mögliche Hiinterlüftungsmöglichkeit geringere Erwärmungsverluste der Zellen und Module aufweisen
und sich somit positiv auf den zu erzielenden Jahresertrag auswirken, jedoch ist
dieser Faktor nicht ausreichend, um den durchschnittlichen bzw. einen überdurchschnittlichen Wert für den Spezifischen Jahresertrag der Anlage zu erzielen
(siehe Graphik A, Kapitel 4). Es treten keine Verschattungen der PV-Module auf.
¬ Dachintegrationen / Add-On-System / Sheddachintegration
Der erzielte Spezifische Jahresertrag für die Add-On PV-Anlage liegt über
[846 kWh / (kWp x a)] liegt über dem Durchschnitt der Dachintegrationsbeispiele
der Studie von 797 kWh / (kWp x a), erzielt jedoch nicht den Spitzenwert der
Studie von 1.000 kWh / (kWp x a). Die im Winkel von 10° aufgeständerten PVModule weisen keine Verschattungen auf, weichen jedoch in ihrer Orientierung
von der optimalen Südausrichtung ab (Süd +35°). Positive Auswirkung auf den
Spezifischen Jahresertrag hat die Tatsache, daß es sich um Glas/Glas-Module mit
einer Hinterlüftungsmöglichkeit handelt.
Für den Spezifische Jahresertrag bei der Sheddachintegration wird ein Wert von
868 kWh / (kWp x a) erzielt, der ebenfalls über dem Durchschnitt der Vergleichsanalgegen liegt. Hier treten ebenso keine Verschattungen auf, jedoch
handelt es sich um Isolierglasmodule, die Verluste der Energieerträge durch
Erwärmung der Zellen aufweisen können. Der Integrationswinkel ist 20° zur
10 / B.8
HELIOTRAM ÜSTRA / HANNOVER
B.8
Horizontalen. Für die Ausrichtung zählen o.g. Aussagen.
Es handelt sich insgesamt gesehen um einen nördlich gelegenen Standort im
Vergleich sämtlicher Beispiele.
Zu den einzelnen Einflußfaktoren, siehe "Toughness-Kriterien", Kapitel 4, sowie
zu den Werten der Performance Ratio [PR] und [PRhoriz] siehe die entsprechenden
Graphiken und Berechnungen Kapitel 4, sowie Kapitel 5.
BIBLIOGRAPHIE / ANHANG B.8
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” / „Einspeisung einer
250 KWp Photovoltaik- Anlage in das Bahnstromnetz der Üstra“, Dieter
Wolff, Hannover, Jürgen Schult, Hannover, S. 2-3
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, Wolff; Schult, S. 4
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, Wolff; Schult, S. 6-7
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 8
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen” , Wolff, Schult, S. 9
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, Wolff, Schult, S. 12
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, Wolff, Schult, S. 13
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
B.8.1
B.8.2
B.8.3
B.8.4
B.8.5
B.8.6
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 2-3
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 2-3
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 6-7
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 8
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 8
Fachbeitrag für die Zeitschrift “Elektrische Bahnen”, S. 9
ADRESSEN
B.8
Üstra Betriebsbahnhof / Hannover
TransTec Bauplanungs- und Managementgesellschaft mgH
Lister Str. 15, 30613 Hannover
Tel: 0511 / 3995-1200; Fax: 0511 / 3995-1299
ÜSTRA Hannover-Leinhausen:
Üstra Hannoversche Verkehrsbetriebe AG,
Friedrich-Lehner-Weg 1, 30025 Hannover
Tel: 0511 / 1668-2229; Fax: 0511 / 1668-2668
ISFH Institut für Solarenergieforschung GmbH, Hameln-Emmerthal
Am Ohmberg 1, 31860 Emmerthal
Tel: 0511 / 999-414; Fax: 0511 / 999-400
B.8 / 11
12 / B.8
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