Colourface_Design_Guidelines, 5610 kB

Inhalt
1
Einleitung
2
Dimensionierungsrichtlinien
2.1
Einstrahlungsprofil in der Fassade
2.2
Abschattung von Kollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
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2.2.1 Abschattung durch Vordächer und Gebäudeteile
8
9
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10
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10
2.3
Die Leistungsfähigkeit solarthermischer Systeme
2.4
Kollektorfläche in der Fassade
2.4.1 Anlagenbeispiele
8
................................
2.2.2 Abschattung durch Bepflanzung
2.2.3 Ermittlung des Schattenwurfs
3
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11
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12
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12
2.4.2 Warmwasser- und Heizenergiebedarf
...................................................
2.4.3 Kollektorfläche bei Warmwasseranlagen
.............................................
2.4.4 Kollektorfläche bei Solaren Kombianlagen
..........................................
13
13
15
2.4.5 Einfluss der Kollektorbeschichtung auf die Dimensionierung
der Kollektorfläche
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15
3
Auslegung der Kollektorhydraulik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1
Kollektorhydraulik – Normalbetrieb
3.2
Kollektorhydraulik – Stillstandsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2.1 Vorgänge während des Stillstandes
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17
17
3.2.2 Einfluss der Kollektor- und Systemhydraulik auf das
Stillstandsverhalten
..............................................................................
3.2.3 Stillstandsverhalten von Fassadenkollektoren
3.3
18
Schlussfolgerungen für das Design von stillstandsicheren
Systemen
4
....................................
18
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18
Speichermanagement von Kombianlagen mit
Fassadenkollektoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
5
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
5.1
Wärme- und Feuchtetransport durch die Wandkonstruktionen
5.2
Reduktion des effektiven U-Wertes der Wand im Winter
5.3
Temperaturen im Wandaufbau
5.4
Einfluss der Feuchte auf den Wandaufbau
5.5
Betrachtete Wandaufbauten
2
21
.....................
21
..............................................................
21
............................................
22
.................................................................
22
..........................................
38
........................................................................
38
6
Richtlinien zu Bauverordnungen
7
Literatur
8
Abbildungsverzeichnis
9
Tabellenverzeichnis
Colourface
21
.........
5.5.1 Ergebnismatrix – Feuchte - Empfehlungen
5.5.2 Planungsempfehlungen
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..........................................................
39
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40
..........................................................................
41
...............................................................................
42
Einleitung
1
Beispiel Integration
S
Beispiel Akzentuierung
olarthermische Kollektoren sind heute eine nicht mehr
wegzudenkende Technologie zur Bereitstellung von
Warmwasser und zur Heizungsunterstützung im Wohnbau. Intensive Forschungs- und Entwicklungstätigkeit von unabhängigen Instituten und auch von Solartechnikanbietern
selbst hat zu Systemen geführt, die einen zuverlässigen Betrieb ermöglichen und eine Lebensdauer von mindestens 20
Jahren erreichen.
Die Anwendungen reichen von thermischen Solaranlagen
zur Warmwasserbereitung in Kleinanlagen über kombinierte solare Raumheizungen, großen Anlagen im städtischen
Wohnbau und für Hotels bis hin zu solaren Nahwärmenetzen
und der Unterstützung von Fernwärmenetzen.
In den Mitgliedsländern der Europäischen Union wurden bis
zum Jahr 2000 ca. 9,2 Mio. m² an Kollektorfläche installiert, wovon die Hälfte aller Anlagen in Deutschland und ca.
18% in Österreich installiert wurden. Einen weiteren großen Anteil hält Griechenland mit 17%, während die verbleibenden EU-Länder mit insgesamt 19% in Summe den restlichen Markt darstellen.
Der Anteil von thermischen Solarsystemen, die neben der
Warmwasserbereitung auch für die Heizungsunterstützung
(so genannte Solare Kombisysteme) eingesetzt werden, beträgt z. B. für Deutschland ca. 25% und für Österreich ca.
50% der neu installierten Anlagen [Lit 1].
Im Weißbuch der Kommission [Lit 2] „Energie für die Zukunft: Erneuerbare Energieträger“ wird als strategisches
Ziel angeführt, „... den Marktanteil der erneuerbaren Energieträger bis zum Jahre 2010 auf 12% zu erhöhen.“ Der jährliche Zuwachs der installierten Kollektorfläche in den Mitgliedsstaaten müsste etwa 40% betragen, um das von der
EU Kommission gesteckte Ziel einer installierten Gesamtkollektorfläche für thermischen Anwendungen der Solarenergie von 100 Millionen m² im Jahr 2010 zu erreichen.
Allein dieser Vergleich des EU-Zieles mit den derzeit bereits bestehenden Anlagen zeigt aus energiepolitischer Sicht die Notwendigkeit von neuen Anwendungen für die Solarthermie.
Beispiel Reihenhaus
Beispiel Geschoßbau
Während bei geneigten Kollektoren die Entwicklung in Richtung einer optimalen Integration in die Dachfläche ging,
wird der Fassadenkollektor nun eindeutig zur gestaltprägenden Haut eines Bauwerks.
So ist es auch nicht verwunderlich, dass zum gleichen Zeitpunkt die Frage nach Farbe auftritt.
Hierbei ist zu beachten, dass einerseits der Wunsch nach angepassten Farben (wie „Dachziegelrot“) besteht, Architekten den Kollektor aber als neues Gestaltungselement sehen
und eher „kontrastierende“ Farbwünsche (wie Signalblau
und Signalrot) nennen.
Das Element, das die Architektur der letzten Jahre am meisten beeinflusst hat, ist Glas. Die Transparenz lässt Innenund Außenräume verschmelzen und vermittelt Großzügigkeit und Offenheit. In der Glastechnologie wurden darum
die größten Innovationen bezüglich Statik, Wärmedämmung und Lichtdurchlässigkeit umgesetzt, und auch der
Preis hat sich aufgrund der gestiegenen Produktionsmengen reduziert.
Die Solartechnik besitzt das Potenzial die Fassaden der
nächsten Dekade ebenso wesentlich zu beeinflussen. Bereits gebaute Beispiele erregen allgemeines Aufsehen und
werden allerorts prämiert.
Colourface
3
Einleitung
Beispiel Bürohaus/Industrie
Beispiel Tourismus
Wir sind also am Punkt jenseits der Initialzündung. Warum
verläuft aber der Prozess zur seriellen Anwendung so träge?
Folgende Hemmschwellen für Architekten (auch als Mediatoren der Bauherrn) können dabei identifiziert werden:
l Das Thema wurde bis dato von Wissenschaftern der Energietechnik besetzt. Deren Aussagen in Fachzeitschriften
sind zu komplex, um im schnellen Entscheidungsprozess
des primären Entwurfs der Architekten angewendet werden
zu können. Faustformeln für Dimensionierung und Kostenersparnis fehlen.
l Das Thema der Kondensatbildung bei einer außenliegenden Dampfsperre aus Glas erzeugte Angst (vor allem im
Holzbau).
l Der Start im Anwendungsbereich fiel auf den Wohnbau,
ausgelöst durch einige „Freaks der Nullenergiehäuser“. Der
Wohnbau, der seine Hauptorientierung und Öffnung zur
Sonne hat (Sokrateshaus), ist das denkbar schwierigste
Einsatzfeld für Fassadenkollektoren.
l Schwarze Flächen, die je nach Sonnenstand und Blickwinkel ihr Erscheinungsbild ändern, sind als Außenwandverkleidung für Kunden, gelinde gesagt, gewöhnungsbedürftig („das Bankerl an der Hausmauer“). Farbigkeit kann
hierbei ein wesentlicher Schritt sein.
Aufgrund der vorliegenden intensiven Beschäftigung mit
Kollektorfragen und den in der Zwischenzeit vorliegenden
Ergebnissen aus der Praxis kann davon ausgegangen werden, dass diese Hemmschwellen relativ leicht verringerbar
sind.
Der Fassadenkollektor
Ein Fassadenkollektor wird in weiterer Folge als ein direkt in
die Fassade aufgenommenes Bauelement verstanden, wobei im Gegensatz zur Ausführung mit Hinterlüftungsebene
die Wärmedämmung Bestandteil sowohl des Gebäudes als
auch des Kollektors ist. Zwischen beiden ist keine thermische Trennung in Form einer Hinterlüftung vorhanden. Dieser – nicht hinterlüftete – Fassadenkollektor stellt gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik eine wesentliche
Verbesserung hinsichtlich Ressourcen- und Energieeffizienz dar, da der Kollektor verschiedene Funktionen in einem Bauteil übernimmt:
l Funktion als thermischer Flachkollektor
l Verbesserung der Wärmedämmung des Gebäudes
l Passiv solares Element, bei geringer Einstrahlung (Kollektor ohne Durchfluss)
l Witterungsschutz der Fassade durch Kollektorverglasung
l Gestaltungselement der Fassade
l Schallschutz
Die wesentlichen Vorteile von nicht hinterlüfteten fassadenintegrierten Kollektoren sind demnach:
l Reduktion der Transmissionswärmeverluste
l Kostenersparnis durch gemeinsame Nutzung von Bauteilen
l Ersatz der konventionellen Fassade mit dem Zusatznutzen des Energiegewinnes durch die Funktion als thermischer Kollektor
l sowohl für den Neubau als auch für Altbausanierungen
geeignet
Abbildung 1.1: Farbige Beschichtungen – Colourface
4
Colourface
Einleitung
ständigen Lacken beschichtet wurden. Mit diesen Kollektoren konnte allerdings das Leistungsniveau herkömmlicher
Kollektoren bei weitem nicht erreicht werden.
Die neueste Entwicklung von farbigen Schichten innerhalb
des von der EU geförderten Projektes Colourface hat zu Absorberbeschichtungen (siehe Abbildung 1.1) geführt, welche die oben beschriebene Anforderung erfüllen. Alle wesentlichen Erkenntnisse von Colourface in den Bereichen
der Anlagenauslegung und der bauphysikalischen Vorgänge
wurden in die Planungsrichtlinien der vorliegenden Broschüre integriert.
Fassadenintegration
Farbige Fassadenkollektoren
Aus der Diskussion mit Architekten wurde deutlich, dass diese für den breiten Einsatz von Fassadenkollektoren die Notwendigkeit von farbigen Absorbern sehen [Lit 3, Lit 4]. Architekten haben an thermische Sonnenkollektoren die gleiche Forderung, wie an alle anderen Elemente des Baus: sie
als Gestaltungselement einsetzen zu können. Dies bedeutet, dass farbige Beschichtungen für die Absorber benötigt
werden, welche in ihrer Leistungsfähigkeit möglichst nahe
an die bisher am Markt erhältlichen Schichten herankommen. Da eine verringerte Leistungsfähigkeit von Absorbern
prinzipiell zu einer Erhöhung der notwendigen Kollektorfläche und damit auch der Kosten führt, wird diese Forderung
verständlich.
Bisherige Anwendungen von farbigen Kollektoren bestanden darin, dass Absorber mit herkömmlichen temperaturbe-
Die folgenden Entwurfsgrundlagen setzen das Wissen aus einem Energiekonzept voraus, das für jedes individuelle Projekt von Fachleuten so früh wie möglich erstellt werden
muss. Auch die Anwendung, für die eine Solaranlage eingesetzt werden soll, Warmwasserbereitung oder kombinierte
Nutzung zur Heizungsunterstützung, ist bei der Dimensionierung zu berücksichtigen. Beispiele von Solaranlagen für
unterschiedliche Anwendungen werden in Kapitel 2.4 detailliert beschrieben.
Als Beispiel mit überschlägigen Kollektorflächen, die für Architekten und Planer in der Entwurfsphase als Anhaltswerte
dienen können, sei hier eine mittlere Wohnung im Geschoßbau mit ca. 70 m² Nutzfläche, errichtet in Niedrigenergiebauweise mit einem spezifischen Heizbedarf von ca.
35 kWh/m².a betrachtet. Dieses Objekt benötigt für die Abdeckung von ca. 60% des Warmwasserbedarfes und 30% des
Heizenergiebedarfes durch eine Solaranlage (sog. Kombianlage) mit einem 45° geneigten Dachkollektor ca. 4-6 m²
pro Wohneinheit (WE). Mit einem schwarz selektiven Fassadenkollektor sind dafür ca. 5-8 m²/WE nötig und mit farbigen selektiven Fassadenkollektoren ca. 7-10 m²/WE.
Wenn man pro Quadratmeter Kollektorfläche durchschnittliche Systemkosten im seriellen Geschoßbau von ca. € 400,ansetzt (ohne die Einsparung einer ohnehin notwendigen
Fassade zu berücksichtigen), betragen die Mehrkosten eines farbig beschichteten Fassadenkollektors gegenüber
dem 45° geneigten, schwarzen Kollektor ca. 2,5% der Baukosten – die Gesamtkosten der Fassadenkollektoranlage betragen ca. 5% der Baukosten.
Nach diesem groben Überblick werden die Einsatzmöglichkeiten von Fassadenkollektoren im Neubau und in der Sanierung getrennt betrachtet, da völlig unterschiedliche Motivationsansätze bestehen.
Sanierung
Im Bereich der Sanierung ist zu unterscheiden in Sanierung
denkmalschutzrelevanter Bausubstanz in innerstädtischem
Bereich und Sanierung von „Nachkriegsbauten“ der 5070er-Jahre.
Bei ersterem wird der Fassadenkollektor auch weiterhin keine wesentliche Rolle spielen, da die bestehenden Oberflächen einen kulturellen und historischen Wert darstellen,
der durch Verkleidungen auf jeden Fall beeinträchtigt wird.
Fassadenintegration
Colourface
5
Einleitung
Fassadenintegration bei einem Neubau
Bei den Bauten der 50er- bis 70er-Jahre ist die Bauaufgabe
meistens mit der thermischen Sanierung der Außenhaut
aufs engste verbunden, d.h. hier ist eine wärmedämmende
Verkleidung bereits gefordert, der hierfür kalkulierte Wert
kann also von den Kollektorkosten direkt in Abzug gebracht
werden.
Ohne Gestaltungswillen könnte hier ein Energietechniker
also bereits die Mauerflächen von Südost bis Südwest summieren und den ohnehin geplanten Vollwärmeschutz durch
Fassadenkollektoren ersetzten.
Es ist daher in jedem Falle der energetische Nutzen mit der
optischen Verträglichkeit in Einklang zu bringen, um so die
Bewohner des Hauses für die erneuerbare Energieversorgung zu gewinnen und eine neue Identifikation mit dem Gebäude zu schaffen.
Innovative Architekturbüros, deren Schwerpunkt im Neubau liegt, sind für diese reizvollen Aufgaben der Sanierung
aber erst zu gewinnen. Architektur-Wettbewerbe scheinen
hier der geeignete Weg zu sein.
Der Weg zur verbreiteten Anwendung ist jedoch prinzipiell
geebnet, Bauträger sind aufgeschlossen und Finanzierungsvarianten (Contracting Modelle) liegen vor.
Im Bereich der Sanierung liegt die Frage der Vordimensionierung im Bereich des Fachplaners, weil die thermischen Anforderungen an erster Stelle der Aufgabenhierarchie liegen.
Der Architekt hat „nur“ mehr die Aufgabe, die geforderten
Flächen am Baukörper anzubringen.
Hierbei wird es jedoch am Geschick des Gestalters liegen, inwieweit die Verwendung einer neuen Technologie auch das
„Erneuerungsklima“ des Quartiers beeinflusst, also inwieweit eine neue corporate identity entsteht. Erst wenn alle
stolz auf das Neue sind, der Nutzen „begreifbar“ gemacht
wird und Kollektorflächen neue Baugesichter hervorbringen, wird der Innovationsschub möglich sein. Versteckte,
verschämte, ungestaltete Lösungsansätze können dies
nicht leisten.
Neubau
Im Neubaubereich ist die Anwendung von Kollektoren ein integrativer Bestandteil des Entwurfsprozesses. Entweder de-
6
Colourface
finiert der Auftraggeber diesen Wunsch oder der Architekt
denkt schon in dieser Formensprache und überzeugt den
Bauherrn von der ökologischen Sinnhaftigkeit oder Notwendigkeit.
Hier ist also in vielen Fällen der Architekt auch Motivationsträger. Dazu benötigt er die oben angeführten Daumenregeln, um rechtzeitig die abgeschätzten Flächen einplanen
zu können oder umgekehrt: Bei einer großen Fläche eines
Büro- oder Mehrzweckgebäudes, dessen Südseite fensterlos
ist, sollte es dem Architekten automatisch in den Sinn kommen, diese Fläche als Kollektorfläche auszubilden. Der mit
derart großen Flächen erzielte Energiegewinn könnte auch
die Nachbarschaft versorgen.
Um dieses Ziel zu erreichen, ist es notwendig, dass Architekten thermisch und bauphysikalisch durchgerechnete Beispiele und einen Katalog der Einbauvarianten ständig zu
Hand haben.
Die im Kapitel 5 gezeigten Beispiele von Systemaufbauten
geben einen ausreichenden Überblick über die grundlegenden Werte, um die prinzipielle Angst vor technischen Problemen zu zerstreuen.
Zusammenfassung
l Aufgrund der ökologischen Diskussion ist der thermische
Kollektor weltweit im Aufwind.
l Durch die jahrelange Erprobungsphase ist die Herstellung und der Betrieb Stand der Technik, Energieeinsparungspotenziale sind vermessen und bekannt.
l Der Fassadenkollektor bringt diese Technologie von „versteckten“ Dachflächenlösungen in den Blickpunkt der Öffentlichkeit und wird somit zum Diskussionspunkt.
l Die Architekten haben ein neues Gestaltungsmittel zur
Verfügung, das ökologisch begründbar ist und völlig neue
innovative Lösungen hervorbringt. Hierzu ist die Notwendigkeit einer Farbauswahl eine Grundbedingung.
l Farbige Beschichtungen sind derzeit Stand der Wissenschaft. Bis zur Serienreife wird auch hier noch viel Innovation notwendig sein, wobei die Art der Abdeckgläser aufgrund der Spiegelungen nicht außer Acht gelassen werden
darf.
Einleitung
Abbildung 1.2:
Planungsablauf von Solaranlagen:
Von der Idee zur Umsetzung
Die Planungsrichtlinien
Die vorliegende Broschüre bietet Planungsgrundlagen für
thermische Solaranlagen mit Kollektoren in der Fassade. Als
Vergleichgrundlage der Dimensionierung der Kollektorflächen werden Kollektoren mit selektiver Beschichtung und
Kollektoren mit Solarlack herangezogen, da diese bei Fassadenkollektoranlagen bereits eingesetzt werden. Zusätzlich
werden Kollektoren mit farbigen Beschichtungen betrachtet. Weitere Schwerpunkte der Broschüre sind bauphysikali-
sche Aspekte nicht hinterlüfteter Kollektoren und die Anlagen- und Systemhydraulik.
Abbildung 1.2 zeigt den möglichen Ablauf, wie man von der
Idee eine Solaranlage zu errichten, zur Umsetzung gelangen kann. Dieses Schema soll auch als Übersicht und Orientierung dienen, welche Inhalte in der vorliegenden Broschüre behandelt werden.
Colourface
7
Dimensionierungsrichtlinien
2
Die jährliche Globalstrahlungssumme in eine südorientierte
Fassade ist um ca. 30% geringer als bei 45° geneigten Flächen. Während bei geneigten Dachflächen in den Sommermonaten ein deutliches Maximum im Einstrahlungsprofil
auftritt, weist die Einstrahlung in der Fassade in den Mona-
ten März bis September ein
sehr ausgeglichenes Profil
mit geringen Unterschieden
auf (siehe Abbildung 2.1).
In der Heizsaison ist die Einstrahlung in die Fassade vergleichbar mit der Einstrahlung in eine 45° geneigte
Fläche. Dem Fassadenkollektor steht über das Jahr also
eine sehr gleichmäßige Einstrahlung zur Verfügung.
Abbildung 2.2: Jährliche
Strahlungssumme auf süd- Die Kollektorfläche muss
entsprechend dem Energieorientierte Flächen mit 45°
und 90° Neigung (Klimada- bedarf für Warmwasser bzw.
ten Graz, Österreich, Meteo- Heizung und dem gewünschten Deckungsgrad der Anlanorm)
ge gewählt werden.
Die gesamte auf die Fläche auftreffende Strahlung ergibt
sich aus der Summe aus direkter und diffuser Himmelsstrahlung sowie Reflexionsstrahlung von der Umgebung auf den
Kollektor. Letztere geht einerseits vom Boden und andererseits von allen anderen umgebenden Flächen wie gegenüberliegende Gebäudefassaden oder Pflanzen aus. Vermindert wird die Einstrahlung auf eine Fläche durch Abschattung (siehe Abschnitt 2.2).
Die Reflexionsstrahlung stellt die von der Umgebung reflektierte Strahlung auf die betrachtete Fläche dar. Für schneefreien Untergrund mit Gras oder Schotter beträgt der Reflexionsgrad etwa 0,2. In den schneereichen Wintermonaten
vergrößert sich der Reflexionsgrad auf 0,45 bis 0,75 [Lit 6,
Lit 7]. Berücksichtigt man den erhöhten Reflexionsgrad bei
Schneelage in den Monaten November bis März, so ergibt
dies eine Erhöhung der Einstrahlung auf eine senkrechte
südorientierte Fläche um bis zu 7%. Bei Flächen mit einem
Neigungswinkel von 45° erhöht sich die Einstrahlung durch
die Schneereflexion nur um ca. 1,5% [Lit 3]. Der Grund für
diesen Unterschied liegt darin, dass auf senkrechte Flächen
ein größerer Anteil der vom Boden reflektierten Strahlung
auftrifft, als auf geneigte.
Abbildung 2.1: Jahreszeitlicher Verlauf der mittleren täglichen
Strahlungssumme auf südorientierte Flächen mit 45° und 90°
Neigung, Süd (Klimadaten Graz, Österreich, Meteonorm)
Abbildung 2.3: Fassadenkollektoranlage am Arlberg,
Österreich
Mit Hilfe von thermischen Sonnenkollektoren kann auf umweltfreundliche Weise Sonnenenergie zur Warmwasserbereitung und/oder zur Raumheizung genutzt werden. Thermische Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und Raumheizung werden auch Kombianlagen genannt. Solarthermie
wird in Ein- und Mehrfamilienhäusern, aber auch immer
mehr im Nichtwohnungsbau, wie z.B. in Bürogebäuden, Industriehallen, Schulen und anderen öffentlichen Gebäuden
eingesetzt.
Die bisher übliche Art der Positionierung der Sonnenkollektoren ist die am Dach eines Gebäudes, sei es nun in die Dachfläche integriert oder mit Hilfe von verschiedensten Konstruktionen auf Flachdächer oder auch auf geneigte Dächer
montiert.
Eine weitere Variante ist die Montage der Sonnenkollektoren in der Fassade eines Gebäudes. Aufgrund der senkrechten Position der Kollektoren weichen die Dimensionierungsrichtlinien für solche Anlagen von Anlagen mit geneigten
Kollektoren ab.
Weiters ist es möglich, Kollektoren mit einer farbigen Beschichtung zu versehen – wie z. B. blau oder grün. Diese
muss jedoch gewisse Kriterien erfüllen, um den im Kollektor
herrschenden Temperaturen stand zu halten und die physikalischen Anforderungen an eine Kollektorbeschichtung zu
erfüllen.
Im Folgenden werden zunächst die Einstrahlungsverhältnisse in die Fassade und die Anforderungen an farbige Kollektorbeschichtungen erläutert. Im Anschluss werden dann für
ausgewählte Anlagenbeispiele Dimensionierungsrichtlinien für Sonnenkollektoren in der Fassade dargestellt.
2.1
8
Einstrahlungsprofil in der Fassade
Colourface
Dimensionierungsrichtlinien
Abbildung 2.3 zeigt eine Fassadenkollektoranlage in den
österreichischen Alpen. Das Dach ist vollständig mit Schnee
bedeckt, während die Sonnenkollektoren in der Fassade
eine durch die Schneelage erhöhte Einstrahlung bekommen.
Die Winkelabhängigkeit der Transmission eines Abdeckglases des Kollektors wird bei der Betrachtung der reinen Einstrahlung auf eine Fläche nicht berücksichtigt. Die tatsächlich den Kollektor erreichende Strahlung wird durch die sinkende Transmission des Abdeckglases mit steigendem Einfallswinkel immer geringer.
Der Einfallswinkel wird baulich durch die Neigung des Kollektors und die Ausrichtung nach Süden beeinflusst. Die Abweichungen von den optimalen Neigungen und Ausrichtungen
sind bei der Auslegung der Anlage zu berücksichtigen.
Abbildung 2.4 zeigt die jährlichen solaren Gewinne durch
eine Solaranlage für die Warmwasserbereitung mit einer
45° geneigten Kollektorfläche und einer 90° geneigten Fläche in Abhängigkeit von der Südabweichung (Azimut).
Man erkennt, dass bei der senkrechten Fläche ab einer Abweichung von mehr als 45° von der Südorientierung die jährlichen solaren Gewinne deutlich abnehmen, wobei dies bei
Orientierungen in Richtung Osten stärker der Fall ist. Für die
Anlage mit Fassadenkollektoren (90°) wird deutlich, dass
das Maximum der solaren Gewinne in Richtung Westen verschoben ist.
Abbildung 2.4: Solarertrag in % vom maximalen Solarertrag
in Abhängigkeit von der Südorientierung (Azimut) und der Neigung
2.2
Die verminderte Einstrahlung und die Wärmeabstrahlung
der abgeschatteten Kollektorflächen führen zu einer Ertragsminderung der Kollektoren. Diese ist stark abhängig
von der Größe der abgeschatteten Fläche und der hydraulischen Verschaltung der Kollektorfläche.
Die Abschattung von Kollektorflächen in der Fassade kann
in verschiedener Weise erfolgen:
l Vordächer
l Gebäude(teile)
l Bepflanzung
2.2.1
Abschattung durch Vordächer
und Gebäudeteile
Kollektoren sollten so angeordnet werden, dass der Schatten des Vordachs auch beim höchsten Sonnenstand am
21. Juni die Oberkante des Kollektorfeldes nicht erreicht.
Die Ermittlung des nötigen Abstandes erfolgt in Kapitel
2.2.3.
Abbildung 2.5 zeigt die teilweise Abschattung der Kollektorfläche durch ein Vordach bei hohem Sonnenstand (im
Sommer). Dadurch kann nicht genügend Energie zur Warmwasserbereitung im Sommer bereitgestellt werden, da die
abgeschattete Kollektorfläche keine Energie an das System
liefert und sogar wie ein Kühler wirkt.
Abbildung 2.5: Abschattung von Fassadenkollektoren durch
ein Vordach. Im Hochsommer ist diese Kollektorfläche zu Mittag mehr als die Hälfte abgeschattet.
Abschattung von Kollektoren
Generell ist die Gefahr der Abschattung von Kollektoren in
der Fassade durch andere Gebäude und Gebäudeteile größer,
als am Dach. Wie auch Dachkollektoren können Fassadenkollektoren von Objekten abgeschattet werden, die sich vor der
Kollektorfläche befinden. Dazu kommt die Abschattung von
oben in Form von Vordächern, wie sie vor allem bei großen
Glasflächen in der Fassade häufig eingesetzt werden.
Ein abgeschatteter Kollektor kann keine Sonnenenergie in
Wärme umwandeln. Dazu wirkt er auch noch als Kühler, da
der Wärmeträger, der in einem bestrahlten Teil des Kollektors erwärmt wurde, über die beschatteten Flächen wieder
Wärme an die Umgebung abgibt.
Abbildung 2.6: Teilweise
Abschattung der Kollektorfläche auf dem rückwärtigen Gebäude durch angrenzende Gebäudeteile,
(vormittag im Spätherbst) [Lit 8].
Besonders im bebauten, städtischen Raum werden Planer von
Solaranlagen mit der Frage der
Abschattung durch andere Gebäude konfrontiert. Diese Problematik ist im Bereich der Fassadenkollektoren größer, als bei
Dachkollektoren.
Hier kann es zu einem Konflikt
zwischen der ästhetischen Sichtweise und den technischen Anforderungen kommen, wie folgendes Beispiel zeigt.
Abbildung 2.6 zeigt eine Fassadenkollektoranlage mit 100 m²
Kollektorfläche (Vakuumröhren) in Chemnitz in Deutschland. Es handelt sich um die Re-
Colourface
9
Dimensionierungsrichtlinien
novierung eines Studentenheims, die Ausrichtung der Fassade weicht von der Südorientierung um 14° nach Westen
ab. Die Abbildung zeigt die Licht- und Schatten-Situation im
Spätherbst vormittags. Zu diesem Zeitpunkt ist die Solarfassade am stärksten abgeschattet [Lit 8]. Es wird ein 5-bis
10%-iger Minderertrag gegenüber einem optimal platzierten Kollektorfeld erwartet. In einer Vorstudie des Steinbeis
Transferzentrums wurde ein optimales Feld vorgesehen,
welches durch eine Abstufung der Kollektoren dem Schattenwurf entgeht. Aus ästhetischen Überlegungen wurde jedoch die unten abgebildete Lösung realisiert. Die Kollektoren sind nun symmetrisch auf beiden Seiten der Fenster in
der SW-Fassade des Gebäudes angeordnet.
2.2.2
Abschattung durch Bepflanzung
Auf Bepflanzung im Bereich direkt vor einer Fassadenkollektoranlage sollte im Allgemeinen verzichtet werden, dies gilt
insbesondere für Nadelbäume. Durch die Entlaubung vieler
Pflanzen (Laubbäume, Büsche) im Winter wird der Effekt
des Schattens gemindert. Weiters sollte berücksichtigt werden, dass Pflanzen unterschiedlich schnell und unterschiedlich hoch wachsen. Ein paar kleine Bäume, die beim Einzug
in ein neues Haus gesetzt werden, können sich schon nach
ein paar Jahren zu großen Schattenspendern entwickeln.
Allfällige Bepflanzung sollte so weit vom Kollektorfeld entfernt sein, dass der Schatten auch beim niedrigsten Sonnenstand die Unterkante des Kollektorfeldes nicht erreicht (siehe Abbildung 2.7).
2.2.3
Objekt vor der Kollektorfläche
Der Zenitwinkel der Sonne beträgt bei 47° nördlicher Breite
(Graz, Österreich) am 21. Dezember 70°. Daraus ergibt sich
der Höhenwinkel a zu 20° (siehe Abbildung 2.7). Befindet
sich ein Objekt im Abstand „d“ von 10 m vor einem nach Süden orientierten Kollektorfeld, so darf er die Unterkante
des Feldes um die Höhe „h“ von 3,6 m überragen, ohne es zu
beschatten.
Die Ermittlung der maximalen Höhe eines Objektes über der
Unterkante des Fassadenkollektors erfolgt nach der Formel:
h = d ´ tan a
a = 90° - b
d [m] . . . . . . Abstand des Objektes von der Fassade
h [m] . . . . . . Höhe, um die das Objekt die Unterkante
des Kollektorfeldes überragt
a [°] . . . . . . Höhenwinkel
b [°] . . . . . . Zenitwinkel der Sonne
Objekt über der Kollektorfläche:
Der Zenitwinkel der Sonne beträgt bei 47° nördlicher Breite
(Graz, Österreich) am 21. Juni 24° (siehe Abbildung 2.8).
Hat ein Vordach nun einen Vorstand „h“ von einem Meter, so
muss es sich um die Entfernung „d“ von 2,3 m über der Oberkante eines nach Süden orientierten Kollektors befinden,
um ihn im Sommer nicht zu beschatten.
Ermittlung des Schattenwurfs
Soll der Schattenwurf auf die Kollektorfläche vermieden werden, so sollten alle Objekte (Pflanze, Gebäude) so weit vom
Kollektorfeld entfernt sein, dass der Schatten auch beim
niedrigsten Sonnenstand am 21. Dezember die Unterkante
des Kollektorfeldes nicht erreicht [Lit 9]. Bei der Anordnung
eines Kollektorfeldes sollte weiters darauf geachtet werden,
dass der Schatten eines vorhandenen Vordaches auch beim
höchsten Sonnenstand am 21. Juni die Oberkante des Kollektorfeldes nicht erreicht.
Abbildung 2.8: Schattenwurf
auf eine Südfassade im Sommer
Abbildung 2.7:
Schattenwurf auf eine
Südfassade im Winter
10
Colourface
Dimensionierungsrichtlinien
Die Ermittlung des maximalen Dachvorstandes über der
Oberkante des Fassadenkollektors erfolgt nach der Formel:
h‘ = d‘ ´ tan b
d‘ [m] . . . . . Abstand des Vordaches von der Oberkante
des Kollektorfeldes
h‘ [m] . . . . . . Dachvorstand
b [°] . . . . . . . . Zenitwinkel der Sonne
2.3
Die Leistungsfähigkeit
solarthermischer Systeme
Für die Leistungsfähigkeit von solarthermischen Kollektoren sind die Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärmeenergie und die damit verbundene Abgabe dieser Wärme an
ein Wärmeträgermedium (meist Wasser/Glykolgemisch) sowie die mit dieser Umwandlung verbundenen Verluste bestimmend. Die wesentlichen Verluste eines Kollektors sind
sind die Kennwerte verschiedener Beschichtungen von Absorbern gegenübergestellt. Außerdem werden die Werte
der farbigen Beschichtungen, die im Rahmen des Projektes
Colourface entwickelt wurden, angegeben. Die farbigen Beschichtungen wurden aufgrund ihres ähnlichen Verhaltens
in zwei Gruppen zusammengefasst und geben Mittelwerte
an. Die Farbbeschichtungen sind in verschiedenen Farbtönen der angegebenen Farben erhältlich, wobei sich aber die
Leistungsparameter entsprechend ändern.
Beschichtung
Absorptionskoeffizient a
Emissionskoeffizient e
Selektive
Beschichtung
0,95
0,05
Solarlackbeschichtung
0,95
0,85
Teilselektiv
grün/blau
0,85
0,50
Teilselektiv
rotbraun
0,75
0,37
Tabelle 2.1:
Physikalische Kennwerte – Absorberbeschichtungen
Die Auswirkungen eines hohen Emissionswertes und damit
höheren Wärmeabstrahlverlusten zeigen sich mit steigenden
Temperaturen immer deutlicher. Als graphischer Vergleich
von verschiedenen Absorbern kann die sogenannte Kennlinie
herangezogen werden, welche die Leistungsfähigkeit in Form
des Wirkungsgrades des Kollektors bei verschiedenen Temperaturen darstellt. Beispielhafte Kennlinien von Kollektoren
mit verschiedenen Beschichtungen entsprechend Tabelle 2.1
sind in Abbildung 2.10 wiedergegeben.
Abbildung 2.9: Verluste eines Flachkollektors
in Abbildung 2.9 dargestellt. Die Beschichtung des Absorbers hat dabei einen wesentlichen Einfluss. Auf der einen
Seite soll soviel wie möglich von der einfallenden Strahlung
absorbiert werden und auf der anderen Seite soll möglichst
wenig dieser Strahlung wieder in Form von Wärmestrahlung
verloren gehen. Jede Beschichtung eines Absorbers kann
durch die Angabe von zwei Parametern charakterisiert werden, welche als der Absorptionskoeffizient a bzw. der Emissionskoeffizient e bezeichnet werden. Der Absorptionskoeffizient gibt an, welcher Anteil der auftreffenden Strahlung
(im Wellenlängenbereich von 0,1 mm bis 2 mm) von der
Schicht aufgenommen wird, während der Emissionskoeffizient den Anteil der reflektierten Wärmestrahlung (im Wellenlängenbereich von 3 mm bis 40 mm) wiedergibt [Lit 10].
Als selektives Verhalten wird in weiterer Folge die Eigenschaft einer Beschichtung verstanden, ein hohes Absorptionsvermögen (hohes a) und ein möglichst niedriges Emissionsverhalten (niedriges e) aufzuweisen. In Tabelle 2.1
Abbildung 2.10: Kennlinien verschiedener Absorberbeschichtungen
Ein Wirkungsgrad von 50% bedeutet, dass die Hälfte der
Sonneneinstrahlung, die auf die Glasabdeckung des Kollektors trifft, in Form von Wärme an das Wärmeträgermedium
übertragen wird. Der Ertrag eines solarthermischen Kollektors wird daher in jedem Fall mit steigender Temperatur im-
Colourface
11
Dimensionierungsrichtlinien
Die Anlagenbeispiele zur Warmwasserbereitung werden
durch das Volumen des Energiespeichers und den Warmwasserbedarf auf der Verbraucherseite definiert. Bei Kombianlagen wird zusätzlich der Heizenergiebedarf definiert. Ausgehend von diesen Anlagenbeispielen wird die Abhängigkeit
des solaren Deckungsgrades von der Kollektorfläche und
der Kollektorbeschichtung bzw. -farbe ermittelt [Lit 11].
Der solare Deckungsgrad einer Anlage ist das Verhältnis der
durch das Solarsystem eingebrachten Energie zur gesamt
eingebrachten Energie inklusive Nachheizung (siehe Gleichung 2.1).
12
Colourface
1
2
3
4
5
Einfamilienhaus
Einfamilienhaus
Mehrfamilienhaus
Mehrfamilienhaus
Einfamilienhaus
Warmwasserbereitung
Warmwasserbereitung
Warmwasserbereitung
Warmwasserbereitung
Warmwasserbereitung
und Raumheizung
300 40 4
-
70
14
500 40 6
-
70
36 1800 30 20 -
55
90 3750 30 70 -
50
26 1800 40 4
40
Personenanzahl
10
WW-Bedarf [l/d,Person]
Solarer Deckungsgrad [%]
Anlagenbeispiele
Die Beschreibung der Farbbeschichtungen und ihr Einfluss
auf die Leistungsfähigkeit auf ein solarthermisches System
wurden in Abschnitt 2.3 erläutert. Verglichen wurden ein selektiv beschichteter Kollektor, ein Kollektor mit Solarlack
und zwei farbige teilselektive Kollektorbeschichtungen die
im Folgenden mit „grün/blau“ und „rotbraun“ bezeichnet
werden.
Tabelle 2.2 zeigt die Beispiele von thermischen Solaranlagen für die Ermittlung der nötigen Kollektorfläche von Fassadenkollektoranlagen. Die Auswahl der Anlagenbeispiele
und der Parameter erfolgte auf Basis der in Österreich und
Deutschland häufigsten umgesetzten Anlagentypen.
Heizlast [kW]
2.4.1
(ges. eingebrachte Energie durch Solarsystem u. Nachheizung)
Speichervolumen [l]
In einem Gebäude wird thermische Energie in Form von
Warmwasser und Heizenergie benötigt. Diese Energie kann
auf unterschiedlichste Weise bereitgestellt werden. Eine
thermische Solaranlage wandelt die Einstrahlung der Sonne
in den Kollektoren in Wärmeenergie um. Wenn die erzeugte
Solarenergie nicht ausreicht, um den herrschenden Energiebedarf zu decken, muss die restliche Energie durch die konventionelle Nachheizung (z.B. Biomasse, Erdgas, Strom...)
bereitgestellt werden. Je größer nun das Kollektorfeld ist,
desto mehr der benötigten Energie kann von der Sonne abgedeckt werden.
Fünf verschiedene Beispiele von typischen thermischen Solaranlagen für Ein- und Mehrfamilienhäuser werden im Folgenden verglichen, um Dimensionierungsrichtlinien für die
benötigte Kollektorfläche in der Fassade zu erhalten.
Diese Anlagenbeispiele unterscheiden sich durch die Größe
des Kollektorfeldes, das Volumen des Energiespeichers und
durch den unterschiedlichen Energiebedarf der „Nutzer“
(Warmwasser, Heizung). Weiters wird ermittelt, wie stark
der Einfluss der Farbe und Beschichtung des Kollektors auf
die benötigte Kollektorfläche ist.
(Energie durch das Solarsystem erbracht) ´100%
Kollektorfläche*) [m²]
Kollektorfläche in der Fassade
Solarer Deckungsgrad =
Energiebedarf
2.4
Gleichung 2.1:
Haustyp
Farbige Absorber
Bisher eingesetzte farbige Absorber waren mit temperaturbeständigen Lacken beschichtet, die nicht selektiv sind. Dadurch wurden wesentlich größere Kollektorflächen nötig,
um einen zufriedenstellenden Ertrag des Solarsystems zu erreichen.
Innerhalb des Projektes Colourface wurden aber teilselektive farbige Beschichtungen entwickelt und getestet, deren
Wirkungsgrad bei typischen Betriebstemperaturen jenem
von Solarlack beschichteten Absorbern entspricht. D.h. die
Kollektorflächen können im Vergleich zu herkömmlichen
Farblackbeschichtungen stark reduziert werden, wodurch
die Anlage wesentlich günstiger wird.
Je größer also der solare Deckungsgrad ist, desto mehr benötigte Energie für das Warmwasser bzw. für die Heizung
wird durch Sonnenenergie abgedeckt. Der solare Deckungsgrad einer Anlage wird als Jahresdurchschnittswert angegeben. Tatsächlich ist er aber jahreszeitlich bedingten starken
Schwankungen unterworfen.
Anlagenbeispiel Nr.
mer geringer, wobei das Ausmaß abhängig von der jeweiligen Beschichtung ist. Dieser Umstand wird aber bei der Auslegung der Anlage durch die richtige Wahl der Kollektorfläche
berücksichtigt, wie dies im Kapitel 2.4 beschrieben wird.
8
*) Selektiv beschichteter Kollektor
Tabelle 2.2: Anlagenbeispiele zur Ermittlung der nötigen
Fläche von Kollektoren in der Fassade
Anlagenbeispiel Nr. 1 stellt eine typische Solaranlage für die
Warmwasserbereitung im Einfamilienhausbereich mit mittlerem Warmwasserbedarf dar. Anlagenbeispiel Nr. 2 ist reprä-
Dimensionierungsrichtlinien
sentativ für Einfamilienhäuser mit erhöhtem Warmwasserbedarf, was hier durch die erhöhte Personenzahl ausgedrückt
wird.
Die Anlagenbeispiele Nr. 3 und 4 sind Anlagen für die Warmwasserbereitung für Mehrfamilienhäuser. Es wurde eine typische kleinere Anlage für ein Mehrfamilienhaus mit 20 Personen (Nr. 3) und eine größere Anlage für 70 Personen (Nr. 4)
ausgewählt.
Die Variante 5 ist ein Beispiel für eine solare Kombianlage eines Einfamilienhauses mit einer Heizlast von 8 kW. Als Heizsystem wird eine Wand- und Fußbodenheizung eingesetzt. Es
ist jedoch auch jedes andere Wärmeabgabesystem möglich.
2.4.2
Warmwasser- und Heizenergiebedarf
rechte und in eine 45° geneigt Fläche kaum. Bei einer Anlage mit 45° geneigten Kollektoren kann dagegen das Angebot von solarer Einstrahlung im Sommer nicht zur Gänze genützt werden und kann so zu Überhitzungsproblemen im Kollektor führen.
2.4.3
Kollektorfläche bei Warmwasseranlagen
Die Dimensionierungsrichtlinien für solare Warmwasseranlagen mit Fassadenkollektoren werden anhand der ausgewählten Anlagenbeispiele (siehe oben) beschrieben.
Abbildung 2.12 und Abbildung 2.13 zeigen den Verlauf des
solaren Deckungsgrades über der Kollektorfläche bei Einfamilienhäusern mit Solaranlagen zur Warmwasserbereitung,
Abbildung 2.14 und Abbildung 2.15 bei Mehrfamilienhäusern. Durch unterschiedlich groß gewählte Kollektorflächen und durch die Art der Beschichtung (Farbe) verändert
sich der Deckungsgrad.
l Je größer die Kollektorfläche ist, desto größer ist auch
der solare Deckungsgrad. Wie jedoch aus den Abbildungen
2.12 bis 2.15 zu erkennen ist, bewirkt im Bereich hoher solarer Deckung eine weitere Vergrößerung der Kollektorfläche
nur mehr eine geringe Steigerung des solaren Deckungsgrades. Dem kann durch Vergrößerung des Speichervolumens
innerhalb des wirtschaftlichen Rahmens entgegengesteuert werden. Typische Speichervolumina liegen für Fassadenkollektoranlagen zwischen 20 und 80 Litern pro m² Kollektorfläche.
l Je besser die optischen Eigenschaften einer Kollektorbeschichtung, desto größer ist der solare Deckungsgrad. Ein
Kollektor, der die Einstrahlung der Sonne besser in Wärmeenergie umwandeln kann, führt zu einem insgesamt besserem Solaren Deckungsgrad der gesamten Solaranlage.
Der vorhandenen solaren Einstrahlung steht der Energieverbrauch (Warmwasser, Heizenergie) gegenüber.
Der Warmwasserverbrauch in Ein- und Mehrfamilienhäusern ist über das Jahr annähernd konstant. Ausgenommen
sind naturgemäß saisonal genutzte Gebäude wie Ferienwohnungen, Hotels, Schulen etc. Der durchschnittliche Warmwasserbedarf pro Tag und Person liegt je nach Bedarf zwischen 10
und 80 Liter bei einer Temperatur von 60°C [Lit 12].
Der Heizenergiebedarf unterliegt jahreszeitlich bedingt
starken Schwankungen. Abbildung 2.11 zeigt den Energieverbrauch für ein Einfamilienhaus mit einer Belegung von
vier Personen und einer Heizlast von 8 kW. Weiters wird das
Einstrahlungsprofil auf eine Kollektorfläche mit dem Verbrauchsprofil verglichen. Die Einstrahlung wird für eine
20 m² große Kollektorfläche in Form eines Fassadenkollektors bzw. eines 45° geneigten Kollektors angegeben. Im Vergleich von Heizenergiebedarf mit dem Warmwasserbedarf
wird die Anforderung an ein Energieversorgungssystem erkennbar, nämlich den unterschiedlichen Energiebedarf im
Tabelle 2.3 gibt für die Anlagenbeispiele Nr. 1 bis 4 die solaren
Sommer und im Winter zu decken.
Deckungsgrade bei unterschiedlichen Kollektorflächen und
Die Einstrahlung auf den Fassadenkollektor kommt dem in
Abbildung 2.11 dargestellten Verbrauchsprofil entgegen. -beschichtungen an. So wird zum Beispiel für eine Anlage zur
Warmwasserbereitung für ein Einfamilienhaus mit einer BeleDie meiste Energie wird hier in der Heizsaison benötigt. In
dieser Zeit unterscheidet sich die Einstrahlung in eine senk- gung von vier Personen (Anlagenbeispiel Nr. 1) bei einer Kollektorfläche von 8 m² ein solarer Deckungsgrad zwischen 53
und 64% erreicht, je nach Art des eingesetzten Kollektors.
Für jedes Anlagenbeispiel kann so der solare Deckungsgrad
bei einer bestimmten Kollektorfläche und -beschichtung bestimmt werden (und umgekehrt die erforderliche Kollektorfläche bei einem bestimmten solaren Deckungsgrad mit den
jeweils angeführten Kollektorbeschichtungen).
Zwischen Kollektoren mit Solarlack und dem angegebenen
teilselektiven Kollektor mit grüner oder blauer Farbbeschichtung sind keine wesentlichen Unterschiede in ihrer Leistung
zu erkennen. Die solaren Deckungsgrade der Anlagenbeispiele unterscheiden sich bei gleicher Kollektorfläche dieser beiden Typen kaum. Der angeführte teilselektive Kollektor mit rotbrauner Farbbeschichtung zeigt bei gleicher Kollektorfläche wie der grün/blau beschichtete Kollektor etAbbildung 2.11: Solare Einstrahlung auf 20 m² Kollektorflä- was geringere solare Deckungsgrade.
che (Fassade und 45° geneigte Fläche) und Verbrauch (Warm- Die höchsten solaren Deckungsgrade werden mit dem selekwasser- und Heizenergiebedarf) eines Einfamilienhauses, tiv beschichteten Kollektor erzielt. Farbige Kollektoren, wel4 Personen, 8 kW Heizlast
che die gleiche Leistungsfähigkeit wie selektive Kollektoren
Co
Colourface
13
Dimensionierungsrichtlinien
4
43
40
39
36
Kollektorfläche [m²]
12
8
6
73
64
55
67
58
50
66
57
49
62
53
45
20
80
75
75
72
Solarer
Deckungsgrad [%]
Abbildung 2.15: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 70-Personen-Mehrfamilienhaus bei verschiedenen
Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 4
6
44
41
40
37
Kollektorfläche [m²]
20
12
8
77
65
53
71
60
49
70
58
48
67
54
44
25
81
75
75
71
Solarer
Deckungsgrad [%]
Abbildung 2.14: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 20-Personen-Mehrfamilienhaus bei verschiedenen
Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 3
20
39
37
35
32
Kollektorfläche [m²]
100
70
40
78
72
58
70
64
52
70
64
51
66
60
47
140
82
74
74
71
Solarer
Deckungsgrad [%]
Abbildung 2.13: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 6-Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 2
50
35
33
31
29
Kollektorfläche [m²]
180
140
100
66
62
53
60
55
48
59
54
47
55
50
43
220
70
63
63
59
Solarer
Deckungsgrad [%]
Abbildung 2.12: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 4-Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 1
Anlagenbeispiel Nr. 1 (Einfamilienhaus, 4 Personen)
Selektiv beschichteter Kollektor
Kollektor mit Solarlack
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, grün/blau
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, rotbraun
Anlagenbeispiel Nr. 2 (Einfamilienhaus, 6 Personen)
Selektiv beschichteter Kollektor
Kollektor mit Solarlack
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, grün/blau
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, rotbraun
Anlagenbeispiel Nr. 3 (Mehrfamilienhaus, 20 Personen)
Selektiv beschichteter Kollektor
Kollektor mit Solarlack
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, grün/blau
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, rotbraun
Anlagenbeispiel Nr. 4 (Mehrfamilienhaus, 70 Personen)
Selektiv beschichteter Kollektor
Kollektor mit Solarlack
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, grün/blau
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, rotbraun
Tabelle 2.3: Solare Deckungsgrade bei Warmwasseranlagen mit südorientierten Fassadenkollektoren
für Ein- und Mehrfamilienhäuser bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen
14
Colourface
Dimensionierungsrichtlinien
Abbildung 2.16: Solare Deckungsgrade von Kombianlagen für
ein 4 Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 5
Abbildung 2.17: Solare Warmwasser-Deckungsgrade von Kombianlagen für ein 4 Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen
Kollektorflächen und –beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 5
zeigen, sind derzeit noch nicht am Markt erhältlich. Allerdings liegen die hier angeführten farbig beschichteten teilselektiven Kollektoren im Bereich von Kollektoren mit Solarlack. Die im Projekt Colourface entwickelten farbigen
Kollektoren werden von den am Projekt beteiligten Unternehmen angeboten (siehe Impressum). Farbige Kollektoren
finden besonders dort ihren Einsatz, wo Kollektoren sichtbar montiert werden, wie es in der Fassade der Fall ist.
2.4.4 Kollektorfläche bei Solaren Kombianlagen
Abbildung 2.18: Solare Heizungs-Deckungsgrade von Kombianlagen für ein 4 Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und –beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 5
teten Kollektoren ähnliche Ergebnisse wie Anlagen mit Kollektoren mit Solarlack. Durch eine Vergrößerung der Kollektorfläche können auch mit farbig beschichteten Kollektoren
höhere solare Deckungsgrade erreicht werden.
2.4.5
Die Vergleiche der Anlagenbeispiele mit verschieden beschichteten Kollektoren zeigen also, dass die Kollektorfläche vergrößert werden muss, wenn Kollektoren mit farbiger
Beschichtung verwendet werden.
Anlagenbeispiel Nr. 5
(Einfamilienhaus, 4 Personen, Kombianlage)
Selektiv beschichteter Kollektor
Kollektor mit Solarlack
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, grün/blau
Teilselektiver farbig beschichteter Kollektor, rotbraun
Einfluss der Kollektorbeschichtung auf
die Dimensionierung der Kollektorfläche
Kollektorfläche [m²]
10
18
17
16
14
20
33
30
29
26
25
39
35
34
30
30
44
40
38
35
50
58
54
51
48
Solarer Ges.deckungsgrad [%]
Die Dimensionierungsrichtlinien für Solare Kombianlagen
für Einfamilienhäuser werden anhand von Anlagenbeispiel
Nr. 5 beschrieben.
Abbildung 2.16 gibt den solaren Deckungsgrad der Anlage
bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen
wieder.
Prinzipiell ist zu beachten, dass sich der solare Deckungsgrad bei Solaren Kombianlagen aus einem Warmwasser- und
einem Heizungsdeckungsgrad zusammensetzt. Diese sind
in den Abbildungen 2.17 und 2.18 getrennt dargestellt. Wie
sich Warmwasser- und Heizungsdeckungsgrad unterscheiden, ist aber stark vom jeweiligen Energiebedarf für Warmwasser und Heizung und dem gesamten Anlagensystem abhängig. Deshalb sind die hier angegeben Werte auch nur für
das angegebene Anlagenbeispiel Nr. 5 zu verstehen.
Tabelle 2.4 gibt die solaren Deckungsgrade von Kombianlagen mit Fassadenkollektoren für das Anlagenbeispiel Nr. 5
an. Wie bereits bei der Dimensionierung der Warmwasseranlagen beschrieben, ergeben die Anlagen mit farbig beschich-
Tabelle 2.4: Solare Gesamtdeckungsgrade von Kombianlagen für Einfamilienhäuser bei verschiedenen Kollektorflächen in der Fassade
Colourface
15
Dimensionierungsrichtlinien
Anlagenbeispiel
Anlagenbeispiel Nr. 1
(Einfamilienhaus, 4 Personen)
Anlagenbeispiel Nr. 2
(Einfamilienhaus, 6 Personen)
Anlagenbeispiel Nr. 3
(Mehrfamilienhaus, 20 Personen)
Anlagenbeispiel Nr. 4
(Mehrfamilienhaus, 70 Personen)
Anlagenbeispiel Nr. 5
(Einfamilienhaus, 4 Personen, Kombianlage)
*)
Sol.Deck.- Solarlack Grün/blau Rotbraun Grün/blau zu Rotbraun zu
grad*
zu Selektiv zu Selektiv zu Selektiv Solarlack Solarlack
[%]
[m²/m²]
[m²/m²]
[m²/m²]
[m²/m²]
[m²/m²]
60
1,2
1,3
1,6
1,0
1,3
70
1,5
1,5
1,7
1,0
1,2
60
1,2
1,3
1,5
1,1
1,3
70
1,4
1,4
1,7
1,0
1,2
55
1,3
1,3
1,6
1,0
1,2
50
1,2
1,3
1,5
1,0
1,3
25**
40**
1,1
1,2
1,2
1,3
1,4
1,4
1,0
1,1
1,2
1,2
Die Auswahl der angegeben Deckungsgrade erfolgte nach üblichen Dimensionierungen von Solaranlagen in Österreich und Deutschland.
**) Gesamtdeckungsgrad
Tabelle 2.5: Erforderliche Vergrößerung der Kollektorfläche bei Verwendung farbig beschichteter Kollektoren im Vergleich zu selektiv beschichteten Kollektoren und zu Kollektoren mit Solarlack (alle Ergebnisse +/-0,1)
Tabelle 2.5 zeigt, um wie viel die Kollektorfläche bei einem
bestimmten solaren Deckungsgrad im Vergleich zu selektiv
beschichteten Kollektoren vergrößert werden muss. Die Auswahl der angegeben Deckungsgrade erfolgte nach üblichen
Dimensionierungen von Solaranlagen in Österreich und
Deutschland. Bei Anlagenbeispiel Nr. 5 sind die angegebenen solaren Deckungsgrade als Gesamtdeckungsgrade zu
verstehen. Je nach solarem Deckungsgrad liegt die notwendige Vergrößerung der Kollektorfläche bei farbig beschichteten Kollektoren durchschnittlich bei 40% (1,4-fache Fläche) im Vergleich zu selektiv beschichteten Kollektoren.
Prinzipiell zeigen die Kollektoren mit farbiger Beschichtung
in den Farben grün oder blau sehr ähnliche Ergebnisse wie
die Kollektoren mit Solarlack. Um den gleichen solaren Deckungsgrad einer Anlage zu erreichen, ist nur eine geringe
Vergrößerung der Kollektorfläche nötig (siehe Tabelle 2.5).
Werden rotbraun beschichtete Kollektoren anstelle von Kol-
16
Colourface
lektoren mit Solarlack verwendet, so ist je nach Anlage eine
Vergrößerung der Kollektorfläche von 20 bis 30% (1,2- bis
1,3-fache Fläche) nötig.
Generell besteht neben der Vergrößerung der Kollektorfläche die Möglichkeit, zugunsten eines farbigen Kollektorfeldes in der Fassade einen geringeren solaren Deckungsgrad
in Kauf zu nehmen. Im Gegenzug muss die Bereitstellung
von zusätzlicher Energie (Nachheizung) erhöht werden. Die
Nachheizung kann aus erneuerbaren Energien bewerkstelligt werden, wie z.B. aus Pellets, Hackschnitzel, Biogas oder
auch Erdwärme. Auch Kombinationen mit Stückholzkesseln
oder Kachelöfen werden eingesetzt. Auf diese Weise kann
die Versorgung eines Gebäudes mit Warmwasser und/oder
Heizenergie bis zu 100% aus regenerativen Energiequellen
bestehen. Weiters werden Systeme mit fossilen Brennstoffen wie Erdöl oder -gas zur Nachheizung angeboten. Die
Nachheizung kann auch mithilfe von Strom erfolgen.
AuslegungderKollektorhydraulik
3
Zum Erreichen eines optimalen Betriebsverhaltens des Kollektors in allen seinen Betriebszuständen sind mehrere Gesichtspunkte zu beachten. Im Normalbetrieb sollen möglichst hohe Energieerträge bei möglichst niedrigem Einsatz
an Hilfsenergie (Pumpenergie) und Material (Verrohrung)
und damit Kosten erzielt werden. Im Stillstandsfall unter solarer Einstrahlung soll ein für den Benutzer möglichst unauffälliges und störungsfreies bzw. wartungsfreies Verhalten erzielt werden. Beides steht mit der Auslegung der Kollektorhydraulik in unmittelbarem Zusammenhang.
3.1
Kollektorhydraulik – Normalbetrieb
Verschiedene mögliche Betriebsarten von Solaranlagen
(Low Flow, High Flow) erfordern, um einen möglichst hohen
Kollektor- bzw. Systemertrag zu erreichen, eine gezielte Anpassung der Kollektorhydraulik an die Betriebsart. Im Endbericht des Projektes „Systemtechnische und bauphysikalische Grundlagen der Fassadenintegration von thermischen
Sonnenkollektoren ohne Hinterlüftung“1 [Lit 3] wird diese
Problematik ausführlich behandelt und gezeigt, dass Low
Flow Anlagen gegenüber High Flow Anlagen bei richtiger
Auslegung und Dimensionierung Vorteile bezüglich Ertrag,
Hilfsenergieverbrauch und Kosten aufweisen.
Kollektorhydraulik –
Stillstandsverhalten
3.2
Eine Anlage befindet sich im Stillstand, wenn die Kollektorkreispumpe nicht in Betrieb ist, die Einstrahlung aber zu einer weiteren Erwärmung des Absorbers führt.
3.2.1
Vorgänge während des Stillstandes
Wenn unter entsprechend hoher solarer Einstrahlung der
Kollektorkreis zum Stillstand kommt, z. B. weil der Speicher
seine maximale Temperatur erreicht hat und die Regelung
die Kollektorkreispumpe abschaltet, oder wegen Stromausfalls, dann erreichen Kollektoren mit selektiver Beschichtung in der Regel Temperaturen, die über dem Siedepunkt
( 120 bis 150°C) der unter erhöhtem Druck stehenden Wärmeträgerflüssigkeit im Kollektor liegen. Folgende Vorgänge
und Phasen während des Verlaufes eines Systemstillstandes
sind dann im Prinzip gegeben:
Nachdem die Flüssigkeit sich durch den Temperaturanstieg
etwas ausgedehnt hat (Phase 1) beginnt sie zu verdampfen.
Der zuerst entstehende Dampf drückt einen Großteil des heißen flüssigen Kollektorinhaltes in das System und damit ge-
langt auch zusätzliche Flüssigkeit in das Ausdehnungsgefäß, sodass der Systemdruck wesentlich ansteigt (Phase 2).
Ist der Kollektor später auf diese Weise dann für Dampf
durchlässig geworden, wird die noch im Kollektor vorhandene Restflüssigkeit nicht mehr weiter ausgedrückt, sondern
muss verdampfen (Sattdampf). Dieser Dampf kann nun, je
nach der von ihm transportierten Energie mehr oder weniger weit in das System eindringen und drückt weitere Flüssigkeit in das Ausdehnungsgefäß, der Systemdruck steigt damit weiter und erreicht seinen Maximalwert. In allen vom
Dampf erreichten Systembereichen werden dann Temperaturen erreicht, die der Sattdampftemperatur beim jeweiligen
Druck entsprechen (etwa 130 bis 150°C) (Phase 3). In ungünstigen Fällen kann so Dampf bis zu temperaturempfindlichen Systemkomponenten vordringen und diese beschädigen.
Mit zunehmender Verdampfung der Restflüssigkeit trocknet
der Kollektor zunehmend aus, es wird weniger Dampf produziert und das System wieder entlastet. Das Ausdehnungsgefäß drückt wieder Flüssigkeit zurück in das System und der
Druck sinkt. Während innerhalb des nun trockenen Kollektors der Dampf überhitzt wird und der Absorber je nach Einstrahlung Temperaturen bis über 200°C erreichen kann, sinken die Sattdampftemperaturen außerhalb des Kollektors
etwas ab. Flüssigkeit erreicht zuletzt wieder das Niveau des
unteren Kollektoranschlusses. Dieser Zustand kann dann einige Stunden anhalten (Phase 4).
Erst wenn die solare Strahlung und damit die Kollektortemperaturen genügend abgefallen sind, wird auch der Kollektor wieder mit Flüssigkeit gefüllt (Phase 5).
Damit ist ersichtlich, dass die Menge an Restflüssigkeit, die
am Ende der Phase 2 im Kollektor verbleibt, das Stillstandsverhalten wesentlich entscheidet. Kollektoren bzw. Systeme mit gutem Entleerungsverhalten haben sehr kleine Restflüssigkeitsmengen und damit nur geringe Dampfreichweiten; der Stillstandsvorgang wird bei solchen unproblematisch bzw. vom Nutzer unbemerkt ablaufen. Hingegen kann
ungünstiges Entleerungsverhalten zu hohen Dampfreichweiten mit Überhitzungen von Systemkomponenten führen.
Eine Maßzahl, die das Entleerungsverhalten von Kollektoren beschreibt, stellt die maximale spezifische Dampfleistung, die im Stillstandsfall in Summe an beiden Kollektoranschlüssen auftritt, dar. Sie erreicht am Ende der Phase 3,
bei maximaler solarer Einstrahlung (letztere kann kurzfristig bis etwa 1200 W/m² erreichen) ihren Höchstwert. Während diese bei Flachkollektoren mit gutem Entleerungsverhalten etwa 20 bis maximal 50 W je m² Kollektorfläche beträgt, wurden bei ungünstigem Entleerungsverhalten bis zu
120 W/m² festgestellt.
Mit diesem Wert kann das Vordringen des Dampfes über die
Vor- und Rücklaufleitung in das System aus den Wärmeverlusten dieser Leitungen bei Sattdampftemperatur ermittelt
werden [Lit 13].
1) http://www.hausderzukunft.at/download/
endbericht_bergmann_1302.pdf
Colourface
17
Auslegung der Kollektorhydraulik
Abbildung 3.1: Entleerungsverhalten verschiedener Kollektortypen. Oben: gut entleerend, Kennzeichen:
Absorber kann nach unten auslaufen, unten: schlecht entleerend, Kennzeichen: Absorber kann nicht nach unten auslaufen.
Einfluss der Kollektor- und
Systemhydraulik auf das Stillstandsverhalten
3.2.3
Absorberverschaltungen (Abbildung 3.1) mit günstigem
Entleerungsverhalten sind dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein (Sammelrohr-)Anschluss sich am Kollektor
unten befindet (auch wenn das anschließende Verbindungsrohr wieder hochgezogen wird wie in der Abbildung oben
rechts). Ungünstiges Entleerungsverhalten hingegen besitzen Absorber bei denen beide Sammelrohranschlüsse oben
sind.
Ein gut entleerender Kollektor kann auch durch ein ungünstiges Systemdesign zu einem ungünstigem Entleerungsverhalten führen (Abbildung 3.2).
Bei ungünstiger Anordnung der Rücklaufgruppe kann der
Kollektor nicht in die Rücklaufleitung entleeren und es steht
nur die Vorlaufleitung zur Abgabe der Dampfleistung zur Verfügung. Wesentlich ist dabei die relative Lage des Anschlusses des Ausdehnungsgefäßes zum Rückschlagventil.
Durch die vertikale Anordnung von Fassadenkollektoren
wird das Stillstandsproblem wesentlich entschärft. Während z.B. bei Kombianlagen mit dachintegrierten Kollektoren in der Sommerzeit im allgemeinen nahezu an jedem
schönen Tag ein Strahlungsüberschuss auftritt und damit
die Anlage in Stillstand geht, decken sich Strahlungsangebot und Energiebedarf bei Fassadenintegration wesentlich
besser. Hier wird bei guter Konzeption ein Anlagenstillstand
mit Dampfentwicklung im wesentlich nur bei technischem
Gebrechen (Stromausfall, Pumpendefekt) und dann vor allem nur während der Winter- und Übergangszeit, auftreten,
sodass die damit verbundenen Systembelastungen wesentlich weniger häufig sind. Insbesondere bei farbigen teilselektiven Absorbern mit ihren gegenüber hochselektiven Absorbern deutlich niedrigeren Wirkungsgraden und Stagnationstemperaturen kommt es zu einer weiteren Entschärfung der Problematik. Nichtsdestoweniger sollten auch bei
solchen Systemen grundlegende Regeln zur stillstandssicheren Konzeption eingehalten werden, da auch bei solchen Systemen Dampfentwicklung nicht ausgeschlossen
werden kann.
3.3
Abbildung 3.2: Abhängigkeit des Stillstandsverhaltens von der
Rücklaufgruppenanordnung
18
Stillstandsverhalten von
Fassadenkollektoren
3.2.2
Colourface
Schlussfolgerungen für das Design
von stillstandsicheren Systemen
Folgende Gesichtspunkte (Abbildung 3.3) sind allgemein zu
beachten [Lit 14]:
(1) Verwendung gut entleerender Kollektoren, Verschaltungen und Systeme. Sie ergeben spezifische Dampfleistungen
von weniger als 50 W/m² und damit günstige Dampfreichweiten. Sie reduzieren die Häufigkeit von Kondensationsschlägen. Sie reduzieren den temperaturbelasteten Restflüssigkeitsanteil und erhöhen die Gebrauchsdauer des Wärmeträgermediums.
(2) Ab Kollektor fallende Verlegung der Rohrleitungen und
Vermeidung von Flüssigkeitssäcken. Das verhindert Kondensationsschläge in den Rohrleitungen. An T-Stücken zur Verbindung von Kollektorteilfeldern bleibt das Potenzial für
Auslegung der Kollektorhydraulik
Abbildung 3.3: Zu beachtende Punkte für ein stagnationssicheres Systemdesign
Kondensationsschläge bestehen, allerdings wird deren Häufigkeit stark vermindert.
(3) Komponentenanordnung: Rückschlagventil – Anschluss
Ausdehnungsgefäß – Rücklaufleitung: Das ist Voraussetzung für ein gut entleerendes System. Es vermindert die
Dampfreichweite drastisch und reduziert den temperaturbelasteten Restflüssigkeitsanteil.
(4) Einsatz eines Stagnationskühlers an geodätisch hoher
Position bei zu hoher Dampfreichweite: Er schützt alle temperaturempfindlichen Komponenten, insbesondere das Ausdehnungsgefäß, vor zu hohen Temperaturen (Sattdampf)
und bringt kleinstmögliches Volumen des Ausdehnungsgefäßes.
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19
4
Die Systemhydraulik einer Solaranlage (siehe Kap. 3 bzw.
[Lit. 3]) und das Management des Energiespeichers hat einen entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der
gesamten Solaranlage.
Die unten angeführten Angaben zu Speichermanagement
und Kollektorhydraulik werden in Bezug auf Kombianlagen
(Warmwasserbereitung und Raumheizung) gemacht.
Bei der Erhebung von bestehenden Solaranlagenanlagen
mit Fassadenkollektor wurde festgestellt, dass einige Kombianlagen im Sommer Probleme haben, ausreichend Energie
für die Brauchwasserbereitung zu liefern. Das liegt daran,
dass die Sonne in den Sommermonaten in einem sehr ungünstigen Winkel auf den Kollektor auftrifft. Dadurch wird
der Ertrag der Solaranlage gemindert. Aus dieser speziellen
Situation in der Fassade ergibt sich die Notwendigkeit eines
geeigneten Speichermanagements, um die Bereitung von
Warmwasser in den Sommermonaten sicher zu stellen.
Bei einer Anlage in Low Flow Betriebsweise wird mit niedrigen Massenströmen ein großer Temperaturhub innerhalb eines Kollektordurchlaufs erzielt. Das von der Solaranlage erwärmte Heizmedium wird abhängig von seiner Temperatur
in den Energiespeicher eingeschichtet.
Im Sommer wäre aufgrund des Einstrahlungsprofils in die
Fassade ein kleinerer Speicher günstiger, um schneller die
nötige Temperatur für die Warmwasserbereitung zu erreichen. Als mögliche Lösung bietet sich eine „Teilung“ des
Speichers an, wenn die eingestellte Mindesttemperatur für
die Warmwasserbereitung noch nicht erreicht ist. Durch Umschalten eines Ventils wird der Solarrücklauf nicht mehr aus
dem untersten Bereich des Speichers entnommen, sondern
aus einem Bereich mit höherer Temperatur im oberen Teil
des Speichers (siehe Abbildung 4.1). Das Heizungsmedium
wird nun so weit erwärmt, dass vorerst nur der oberste Teil
des Speichers beladen wird. Dies stellt eine Verbesserung
20
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Speichermanagement
Abbildung 4.1: Speichermanagement bei Anlagen mit Fassadenkollektor, Umschalten des Drei-Wege-Ventils und Teilung
des Energiespeichers
des Komforts für den Nutzer dar, da die Bereitstellung des
Warmwassers mit geringst möglicher Zusatzheizung garantiert wird.
Bei Erreichen der Mindesttemperatur schaltet das Ventil um
und der Solarrücklauf wird wieder aus dem untersten Teil
des Energiespeichers entnommen. Damit wird wieder der gesamte Energiespeicher von der Solaranlage beladen. Mit dieser Regelung wird sichergestellt, dass der Nachheizenergiebedarf gering gehalten wird.
5
RichtlinienundEmpfehlungenzurBauphysik
Dieses Kapitel soll grundlegende Informationen über die
bauphysikalischen Vorgänge in Hinsicht auf entstehende
Temperaturen bzw. Feuchtetransport in Wandaufbauten anhand von sieben konkreten Beispielen geben. Die Wandaufbauten stellen dabei jene dar, welche in Deutschland und
Österreich am häufigsten angewendet werden.
5.1
Wärme- und Feuchtetransport
durch die Wandkonstruktionen
Prinzipiell müssen bei den Außenwand- und Dachkonstruktionen von Bauwerken die Wärme-, Feuchte- und Schallschutzanforderungen der einschlägigen Normen und Bauordnungen eingehalten werden.
Bei der Planung von nicht hinterlüfteten Kollektoren ist die
Kollektordämmung gleichzeitig die Wanddämmung, d. h.
der Kollektor ist ein integrierter Bestandteil des gesamten
Außenwandsystems.
Durch die Anordnung einer nicht hinterlüfteten Kollektoranlage an der Außenseite einer Wand können nun die Vorgaben eines nach außen diffusionsoffener werdenden Wandaufbaues nicht mehr vollständig eingehalten werden.
Abbildung 5.1: Diffusion bei Wandaufbauten mit hinterlüfteten und nicht hinterlüfteten Fassadenkollektoren
Es ist daher Aufgabe des Planers, Konstruktionen und Details zu entwickeln, welche diese Anforderungen weitgehend erfüllen, sodass es einerseits zu keinen Bauschäden
durch Feuchtigkeit von innen und außen und andererseits
zu geringen Energieverlusten bzw. Überwärmungen im
Raum kommt.
Neben dem wärmetechnischen Verhalten eines Wandbauteils mit seinen Auswirkungen auf den Heizwärmebedarf
und dem sommerlichen Wärmeschutz ist daher speziell auch
sein feuchtetechnisches Verhalten zu beachten.
Durch das heutige verstärkte Energiebewusstsein der Menschen werden Neubauten mit höherem Dämmstandard ausgestattet und Altbauten verstärkt thermisch saniert. Somit
bietet sich die Chance, speziell auch bei Altbauten gleichzeitig Fassadenkollektoren einzuplanen.
5.2
Reduktion des effektiven
U-Wertes der Wand im Winter
Ein nicht hinterlüfteter Fassadenkollektor bringt auch dann
einen Vorteil, wenn die Anlage nicht im Betrieb ist, als so genanntes passives Element. Am Absorber treten auch bei geringer Einstrahlung höhere Temperaturen auf als in der Umgebung. Dadurch werden die Transmissionswärmeverluste
des Wandabschnittes mit Kollektor vermindert, was in einer
Herabsetzung des U-Werts seinen Ausdruck findet. Dieser
U-Wert, der aus den tatsächlichen Gegebenheiten von Wärmestrom, Innen- und Außentemperaturen errechnet wird,
wird effektiver U-Wert (Ueff) genannt.
Der effektive U-Wert ist also im Gegensatz zum statischen
U-Wert kein konstanter Wert und ist abhängig von verschiedenen Randbedingungen, wie z. B. der solaren Strahlung
und den herrschenden Innen- und Außentemperaturen.
Eine Erwärmung eines nicht hinterlüfteten Kollektors in der
Fassade bewirkt somit eine Absenkung des effektiven UWerts und damit einhergehend eine Reduktion des Heizenergiebedarfs.
Aus den nachfolgenden Grafiken in Kapitel 5.5 können die
positiven Effekte des integrierten Kollektors auf den mittleren effektiven U-Wert (Ueff) der verschiedenen Wandaufbauten abgelesen werden, wobei in den Grafiken die Art des Kollektors variiert wird.
Es zeigt sich dabei, dass für einen strahlungsreichen Tag im
Winter der Ueff-Wert um bis zu 90 Prozent mit selektivem Absorber bzw. bis zu 85 Prozent mit nicht selektiven Absorbern
gesenkt werden kann. Auch an schlechten Tagen mit geringer solarer Einstrahlung ist eine Herabsetzung des Ueff -Wertes um bis zu 50 Prozent mit selektivem Absorber bzw. bis zu
35 Prozent mit nicht selektiven Absorbern möglich.
Dies zeigt deutlich, dass mit integriertem Kollektor in der
Fassade die Wärmeverluste nach außen stark reduziert werden können. An strahlungsreichen Tagen kann es außerdem
durch die Erwärmung des Kollektors zu einem Wärmestrom
in den Raum kommen, der als zusätzlicher Energiegewinn
verbucht werden kann.
5.3
Temperaturen im Wandaufbau
Aus der Betrachtung des Stagnationsfalles der Fassadenkollektoranlage, d.h. des Stillstandes der Anlage, da z.B. der
Puffer vollständig gefüllt ist und kein Warmwasserbedarf gegeben ist, geht hervor, dass es zu einer Erwärmung des Kollektors bis zu 200°C bei selektiv beschichteten Absorbern
und bis zu maximal 130°C bei nicht selektiv beschichteten
Absorbern kommt. Grafiken mit den Maximaltemperaturen
im Wandaufbau je nach Kollektor sind in Kapitel 5.5 zu finden.
Diese Temperaturen müssen auf jeden Fall bei der Wahl des
Materials der Dämmung berücksichtigt werden. Die Kollektordämmung wird immer Mineralwolle bzw. ein höher tempe-
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21
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Max. Temperatur
[ °C ]
Dichte
[kg/m³]
Wärmeleitfähigkeit
[W/mK] bei
20°C
Mineralwolle
200
60 - 200
0.040
Glaswolle
200
30 - 100
0.040
Glaswolle
200
130 - 150
0.048
PolyurethanSchaum
130
30 - 80
0.030
80
30 - 50
0.034
Material
Polystyrol
Tabelle 5.1: Temperaturbeständigkeit von Dämmstoffen
raturbeständiges Material sein, womit keine Probleme mit
oben genannten maximalen Temperaturen zu erwarten
sind. Voll integrierte Kollektoren, die über eine kombinierte
Dämmung (Kollektor- und Gebäudedämmung sind eine Einheit) ohne Kollektorrückwand verfügen, müssen mit einer
Dämmung versehen werden, die Temperaturen bis 200°C
standhält. Eine Übersicht über die Temperaturbeständigkeit
verschiedener Materialien gibt Tabelle 5.1.
Der Fall der Stagnation im Sommer kommt allerdings eher
selten vor, wobei durch die senkrechte Aufstellung der Kollektoren und den hohen Sonnenstand die erreichten Temperaturen nicht sehr hoch sind.
In der Übergangszeit, wenn der Sonnenstand wesentlich
niedriger ist und die Einstrahlung in die Wandebene höher
als im Sommer, werden höhere Temperaturen im Kollektor
und damit auch im dahinter liegenden Raum von bis zu 3 K
erreicht. Diese Effekte sind aber in dieser Zeit durchaus erwünscht, da sich damit der Heizbedarf reduziert.
densat geschädigt werden oder das angesammelte Kondenswasser im Sommer nicht vollständig austrocknen kann.
Gängige stationäre Rechenverfahren sind lediglich für die
feuchteschutztechnische Bewertung eines Bauteils gedacht, nicht jedoch für die Simulation realistischer Wärmeund Feuchtezustände eines Bauteils unter standortbedingten Klimaverhältnissen. Es wurde daher versucht, eine möglichst realitätsnahe Berechnung des instationären hygrothermischen Verhaltens von mehrschichtigen Bauteilen
durchzuführen. Nur durch diese Berechnungen können entsprechende realitätsnahe Rückschlüsse und Vorgaben für
Wandaufbauten mit nicht hinterlüfteten Fassadenkollektoren getätigt werden.
Bei der Auswahl der gewählten Wandaufbauten wurde darauf geachtet, dass heutzutage gebräuchliche Außenwandsysteme, welche sowohl in Deutschland als auch in Österreich Verwendung finden, berechnet werden. Zusätzlich sollen ein Altbau und zwei Holzbauten bauphysikalisch untersucht werden. Mit sämtlichen Aufbauten können die Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) der österreichischen
Wärmedämmverordnungen und Landesgesetze eingehalten
werden.
Durch diese Berechnungen können entsprechende realitätsnahe Rückschlüsse und Vorgaben für Wandaufbauten mit
nicht hinterlüfteten Fassadenkollektoren gemacht werden.
Die vorliegenden Berechnungen und die Ergebnismatrix
stellt eine Hilfestellung für Architekten und ausführende Firmen dar.
Die betrachteten Wandaufbauten ersetzen keinesfalls die
Detailplanung des Planers. Sie dienen lediglich zu dessen
Unterstützung. Ebenso bleibt die Verantwortung für die Details der Wandaufbauten bei den entsprechenden Fachplanern.
5.5
5.4
Einfluss der Feuchte
auf den Wandaufbau
Feuchtigkeitsanreicherungen in der Außenwand können
durch mehrere Ursachen entstehen. Einerseits durch Baufeuchtigkeit in den ersten Monaten, speziell in der Massivbauweise und andererseits durch eindringende Feuchtigkeit
von innen oder außen.
Während die Feuchtigkeit von außen (Regen etc.) durch konstruktive Maßnahmen zu verhindern bzw. zu minimieren ist,
ist auf die Abhaltung der Feuchtigkeit durch Diffusion und
Luftdurchströmung von innen besonderes Augenmerk zu legen.
Durch die relativ diffusionsdichten Materialien eines Kollektors an der kalten Außenseite einer Wand kann Wasserdampf nach außen nur bedingt abgeführt werden. Eine Austrocknung muss daher hauptsächlich, ähnlich wie bei Wärmedämmverbundsystemen, nach innen erfolgen. Schädlich
ist eine Kondensation im Bauteilinneren insbesondere immer nur dann, wenn das Kondenswasser nicht gespeichert
und wieder abgegeben werden kann, Baustoffe durch Kon-
22
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Betrachtete Wandaufbauten
Auf den folgenden Seiten werden für sieben verschiedene
Wandaufbauten, welche in Deutschland und Österreich häufig angewandt werden, die oben beschriebenen Effekte zusammenfassend dargestellt.
Am Beginn wird jeweils der Wandaufbau mit dem integrierten Kollektor in grafischer Form dargestellt, während in der
nebenstehenden Tabelle die zugehörigen Dicken der Wandabschnitte aufgelistet werden. Die Dicke der Dämmung wird
dabei als Summe von Gebäude- und Kollektordämmung angegeben.
Für jeden Wandaufbau werden die Ergebnisse der feuchtetechnischen Berechnungen (Feuchteverlauf im Luftspalt
zwischen Kollektor und Dämmung bzw. Wassergehalt im
Hauptbauteil) mit entsprechenden Empfehlungen sowie die
wärmetechnischen Ergebnisse (Einfluss auf den U-Wert
bzw. Maximaltemperaturen im Wandaufbau) dargestellt.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Definitionen und Randbedingungen:
l Feuchteverlaufsgrafiken: Es wird angenommen, dass die
Kollektorrückwand ausführungsbedingt nicht vollflächig an
die dahinterliegende Fläche anliegt und somit ein minimaler Luftspalt vorhanden ist. Für diesen Luftspalt werden die
Feuchteverläufe dargestellt.
l Als Kollektorrückwand wird für den Standardfall eine
OSB-Platte eingesetzt, alternativ werden Fälle mit Aluminiumrückwand (ALU) angegeben.
l Die Dämmung des Wandaufbaus wird immer als Summe
aus Gebäudedämmung und Kollektordämmung angegeben.
Die Dicke der Gesamtdämmung wurde dabei so gewählt,
dass ein statischer U-Wert von kleiner 0,35 W/m².K eingehalten wurde. Als Dämmstoff wurde Mineralwolle gewählt.
l Der Wassergehalt wird stets im Hauptbauteil der Außenwand angegeben.
l Simulationsbeginn ist jeweils der 1. April (Frühjahr) und
läuft über ein ganzes Jahr. Die Berechnung erfolgt mit tatsächlich gemessenen Temperatur- und Luftfeuchtewerten
für den Raum Graz, sowie Kenndaten entsprechend der Baustoffdatenbank WUFI.
l Luftdichte Außenwandkonstruktionen und Anschlüsse
werden vorausgesetzt.
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23
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Luftfeuchtigkeit:
Bei Kollektoren mit ALU-Rückwand erhöht sich die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und Wanddämmung gering. Ähnliche höhere relative Luftfeuchtigkeiten
sind bei innenliegenden Fliesen möglich. Kondensat ist jedoch rechnerisch im Luftspalt nicht zu erwarten.
Bei höheren Anfangsfeuchten des Ziegels und/oder innenliegenden Fliesen sind im Bereich zwischen Ziegel und Wanddämmung (40mm) bei Kollektoren mit ALU-Rückwand höhere rel. Luftfeuchtigkeiten möglich. Diese sind ähnlich hoch
wie bei der Anordnung von außenliegenden Wärmedämmverbundsystemen. Die relative Feuchtigkeit nimmt jedoch im Laufe der Jahre ständig bis zur Ausgleichsfeuchte
ab.
24
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Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung der Anfangsfeuchte im
Ziegel kommt. Ist eine erhöhte Anfangsfeuchte im Ziegel
vorhanden, ist rechnerisch eine geringe Verzögerung bis
zur Ausgleichsfeuchte möglich. Fliesen an der Innenseite einer Ziegelwand verzögern das Austrocknen einer feuchten
Wand am Anfang jedoch erheblich.
Bei Kollektoren mit ALU-Rückwand ist die Ausgleichsfeuchte im Ziegel geringfügig höher als bei Kollektoren mit Holzrückwand.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues mit Hochlochziegel wird im Winter bei
guten Einstrahlungsverhältnissen um
85% mit einem selektiven und um 80%
mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren reduziert. Auch an Wintertagen
mit schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 40% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.2: Hochlochziegel – U-Werte – Winter
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.3: Hochlochziegel - Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner Stagnation
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25
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung der Anfangsfeuchte im
Stahlbeton kommt. Ist eine erhöhte Anfangsfeuchte im
Stahlbeton vorhanden, ist rechnerisch mit einer Verzögerung bis zur Ausgleichsfeuchte zu rechnen. Die Ausgleichsfeuchte des Stahlbetons wird erst nach ca. 3 Jahren erreicht.
Durch die Anordnung von innen liegenden Fliesen wird das
Austrocknen nach innen stark reduziert bzw. verzögert.
Bei hohen Anfangsfeuchtigkeiten des Stahlbetons ist im ersten Jahr (Winter) mit einer Erhöhung der Feuchte in der
OSB-Platte zu rechnen. Diese geringe Erhöhung ist jedoch
in der Regel unschädlich.
Der Austrocknungsvorgang zwischen den Varianten mit einer
ALU-Kollektorrückwand und einem Wärmedämmverbundsystem
liefert ähnliche Ergebnisse.
26
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Luftfeuchtigkeit:
Bei Kollektoren mit ALU-Rückwand erhöht sich die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und Wanddämmung im Winter rechnerisch erheblich. In diesen Fällen ist
mit Kondensat im Luftspalt zu rechnen. Ähnlich hohe relative Luftfeuchtigkeiten sind auch bei Stahlbeton mit erhöhter
Anfangsfeuchte möglich.
Im Bereich zwischen Stahlbeton und Wanddämmung
(40mm) ist anfänglich mit hohen relativen Luftfeuchtigkeiten zu rechnen. Die relative Feuchtigkeit nimmt jedoch im
Laufe der Jahre ständig bis zur Ausgleichsfeuchte ab. Die Anfangswerte sind ähnlich hoch wie bei außenliegenden Wärmedämmverbundsystemen.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues mit Stahlbeton wird im Winter bei guten Einstrahlungsverhältnissen um 90%
mit einem selektiven und um 85% mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren
reduziert. Auch an Wintertagen mit
schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 50% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.4: Stahlbeton – U-Werte Winter
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.5: Stahlbeton – Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Colourface
27
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Luftfeuchtigkeit:
Im Luftspalt zwischen Kollektor und Porenbeton nimmt rechnerisch die relative Luftfeuchtigkeit im Laufe des Jahres
ständig ab.
Bei Kollektoren mit ALU-Rückwand und bei innenliegenden
Fliesen verzögert sich die Abnahme der relativen Luftfeuchtigkeit geringfügig.
Schädliches Kondensat im Luftspalt ist rechnerisch nicht zu
erwarten.
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Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung der Anfangsfeuchte im
Porenbeton kommt. Ist eine erhöhte Anfangsfeuchte im Porenbeton vorhanden, ist mit einer Verzögerung bis zur Ausgleichsfeuchte zu rechnen.
Durch die Anordnung von innenliegenden Fliesen wird das
Austrocknen nach innen stark reduziert bzw. verzögert.
Bei hohen Anfangsfeuchtigkeiten des Porenbetons oder bei
Anordnung von Fliesen ist im ersten Winter mit einer geringen Erhöhung der Feuchte in der OSB-Platte zu rechnen. Diese geringe Erhöhung ist jedoch in der Regel unschädlich.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues mit Porenbeton wird im Winter bei guten Einstrahlungsverhältnissen um 95%
mit einem selektiven und um 90% mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren
reduziert. Auch an Wintertagen mit
schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 50% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.6: Porenbeton – U-Werte – Winter
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.7: Porenbeton - Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Colourface
29
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung der Anfangsfeuchte im
Kalksandstein kommt. Ist eine erhöhte Anfangsfeuchte im
Kalksandstein vorhanden, ist mit einer Verzögerung bis zur
Ausgleichsfeuchte zu rechnen.
Durch die Anordnung von innen liegenden Fliesen wird das
Austrocknen nach innen wiederum stark reduziert bzw. verzögert.
Bei hohen Anfangsfeuchtigkeiten des Kalksandsteines oder
bei Anordnung von Fliesen ist im ersten Winter mit einer geringen Erhöhung der Feuchte in der OSB-Platte zu rechnen.
Diese geringe Erhöhung ist jedoch in
der Regel unschädlich.
30
Colourface
Luftfeuchtigkeit:
Bei der Anordnung von nicht hinterlüfteten Kollektoren erhöht sich die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und Wanddämmung im Winter erheblich. In diesen Fällen ist mit Kondensat im Luftspalt zu rechnen.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues mit Kalksandstein wird im Winter bei
guten Einstrahlungsverhältnissen um
90% mit einem selektiven und um 85%
mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren reduziert. Auch an Wintertagen
mit schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 50% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.8: Kalksandstein – U-Werte – Winter
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.9: Kalksandstein – Temperaturen in den Wandabschnitten – Jänner –
Stagnation
Colourface
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Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Luftfeuchtigkeit:
Bei der Anordnung von nicht hinterlüfteten Kollektoren erhöht sich die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und Wanddämmung im Winter. Bei Kollektorrückwänden
aus ALU ist mit erhöhter Luftfeuchtigkeit in diesem Bereich
und im Vollziegel zu rechnen, allerdings entsteht rechnerisch kein Kondensat.
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Colourface
Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung im Vollziegel kommt.
Durch die Anordnung von innenliegenden Fliesen wird das
Austrocknen nach innen wiederum reduziert bzw. verzögert.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues mit Vollziegel wird im Winter bei guten
Einstrahlungsverhältnissen um 90% mit
einem selektiven und um 85% mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren reduziert. Auch an Wintertagen mit schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von
50% bzw. 40% möglich.
Abbildung 5.10: Winter – Altbauvollziegel
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.11: Altbauvollziegel – Temperaturen in den Wandabschnitten – Jänner
– Stagnation
Colourface
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Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Luftfeuchtigkeit:
Bei der Anordnung von nicht hinterlüfteten Kollektoren ist
die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und
Wanddämmung bei Anordnung einer diffusionsoffenen Luftsperre (Winddichtung) am geringsten. Bei Kollektorrückwänden aus ALU ist mit einer erhöhten Luftfeuchtigkeit in
diesem Bereich zu rechnen, allerdings entsteht rechnerisch
kein Kondensat.
Bei der Anordnung von innenliegenden Fliesen erhöht sich
die relative Luftfeuchtigkeit im Bereich der Installationsebene. Ein Austrocknen wird daher verzögert.
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Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung in der Massivholzplatte
kommt.
Durch die Anordnung von innenliegenden Fliesen wird das
Austrocknen nach innen wiederum reduziert bzw. verzögert.
Durch die Anordnung einer Dampfbremse und einer OSB-Platte
als Kollektorrückwand anstatt einer Dampfsperre oder ALURückwand wird die Ausgleichsfeuchtigkeit früher erreicht.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues in Holzmassivbauweise wird im Winter
bei guten Einstrahlungsverhältnissen um
90% mit einem selektiven und um 85%
mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren reduziert. Auch an Wintertagen
mit schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 50% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.12: Winter – Holzmassivbau
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.13: Holzmassivbau – Temperaturen in den Wandabschnitten – Jänner
– Stagnation
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Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Luftfeuchtigkeit:
Bei der Anordnung von nicht hinterlüfteten Kollektoren ist
die Luftfeuchtigkeit im Luftspalt zwischen Kollektor und
Wanddämmung bei Anordnung einer geringen Dampfbremse an der Innenseite am geringsten.
Bei Kollektorrückwänden aus ALU ist mit einer höheren Luftfeuchtigkeit in diesem Bereich zu rechnen, allerdings entsteht rechnerisch kein Kondensat.
Im Bereich Wärmedämmung und Vollholzschalung ist bei
der Ausbildung einer Dampfsperre mit
höheren rel. Luftfeuchtigkeiten zu rechnen.
36
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Wassergehalt:
Es zeigt sich, dass es im Laufe des betrachteten Jahres zu einer kontinuierlichen Austrocknung in der Holzleichtbaukonstruktion kommt.
Durch die Anordnung einer OSB-Platte als Kollektorrückwand anstatt einer ALU-Rückwand wird die Ausgleichsfeuchtigkeit früher erreicht. Eine innen angeordnete Dampfsperre anstatt einer Dampfbremse verzögert das Austrocknen
der Vollholzschalung um ca. 5 Monate.
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
Der statische U-Wert dieses Wandaufbaues in Holzleichtbauweise wird im Winter
bei guten Einstrahlungsverhältnissen um
90% mit einem selektiven und um 85%
mit farbigen teilselektiven Fassadenkollektoren reduziert. Auch an Wintertagen
mit schlechter Einstrahlung sind Reduktionen von 50% bzw. 35% möglich.
Abbildung 5.14: Winter – Holzleichtbau
Ausgehend vom definierten Wandaufbau
(ohne Kollektorrückwand) werden im Jänner bei einem Anlagenstillstand die
rechts dargestellten maximalen Temperaturen erreicht.
Diese Temperaturen sind vor allem bei der
Wahl des Dämmmaterials zu berücksichtigen!
Der Stillstandsfall wird mit Fassadenkollektoren nur bei einer technischen Störung auftreten.
Abbildung 5.15: Holzleichtbau – Temperaturen in den Wandabschnitten – Jänner –
Stagnation
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37
Richtlinien und Empfehlungen zur Bauphysik
5.5.1 Ergebnismatrix – Feuchte – Empfehlungen
Erhöhung
der Feuchtigkeit im Hauptbauteil
Anfangsbaufeuchtigkeit
relevant?
Dampfbremse/
-sperre
erforderlich?
Entspannungsebene zw. Kollektor und Wand
notwendig?
Art der
Kollektorrückwand
wichtig?
Innere
Wandoberfläche frei
wählbar?
Ziegel 25cm
nein
gering
nein
nein
nein
ja
Stahlbeton
25 cm
nein
ja
nein
empfohlen
ja
bedingt
Porenbeton
25 cm
nein
gering
nein
nein
bedingt
bedingt
Kalksandstein
25 cm
nein
ja
nein
empfohlen
bedingt
bedingt
Altbau-Vollziegel 49cm
nein
-
nein
ja*)
ja
ja
Holzmassivbauweise
nein
bedingt
ja
nein, jedoch
empfohlen
ja
ja
Holzleichtbauweise
nein
ja
ja
nein, jedoch
empfohlen
bedingt
bedingt
Bauteilaufbauten
*) nur bei ALU-Kollektorrückwand
5.5.2
Planungsempfehlungen
Resultierend aus den durchgeführten feuchtetechnischen
Berechnungen können folgende Planungsempfehlungen angegeben werden. In jedem Fall muss der gewählte Aufbau
trotzdem von einem Fachplaner überprüft werden.
l Da durch die Anbringung von nicht hinterlüfteten Kollektoranlagen ein Austrocknen der Feuchte großteils nach
innen stattfindet, sollte beim Bezug des Gebäudes keine
übermäßig große Baufeuchte mehr in der Konstruktion vorhanden sein. Speziell bei Stahlbeton und Holzaußenwandkonstruktionen ist besonders darauf zu achten. Die Inbetriebnahme wird daher im Frühjahr empfohlen.
l Bei Stahlbeton- und Kalksandstein-Konstruktionen ist
rechnerisch im Luftspalt zwischen Kollektor und Wandwärmedämmung zeitweise mit Kondensat zu rechnen. In diesen
Fällen wird unbedingt zumindest eine Entspannungsebene
bzw. diffusionsoffene Trennlage empfohlen. Eine fachgerechte Ableitungsmöglichkeit eines u.U. anfallenden nicht
schädlichen Kondensats ist einzuplanen.
38
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l Innen liegende sperrende Oberflächenmaterialien, wie
Fliesen etc. sind nach Möglichkeit zu vermeiden, da das Austrocknen der Konstruktion nach innen dadurch behindert
bzw. verlangsamt wird.
l Durch die Anordnung von Kollektoren mit sehr diffusionsdichten Rückwänden (z. B. ALU) kommt es zwischen
Kollektor und Wandwärmedämmung ebenfalls zeitweise zu
Kondensat. Dieses trocknet im Sommer wieder aus und ist
somit in der Regel nicht schädlich. Jedoch dürfen angrenzende Bauteile und Materialien nicht geschädigt werden.
l Die warmseitige Luftdichtheit der Außenwandkonstruktion, speziell bei Holzleichtbauten ist unbedingt sicherzustellen. Bei Holzleichtbaukonstruktionen ist die Anordnung
einer geringen Dampfbremse einer sehr dichten Dampfsperre vorzuziehen, da es ansonsten in der ersten Zeit in der
Konstruktion zu höheren Luftfeuchtigkeiten kommt. Dies
gilt auch für Ziegelbauten mit offenen Stoßfugen.
6
RichtlinienzuBauverordnungen
Für die Errichtung von Fassadenkollektoranlagen, insbesondere in mehrgeschoßiger Ausführung gelten grundlegend
andere bautechnische Anforderungen, als bei der Aufdachmontage oder Dachintegration von thermischen Kollektoranlagen. Daher wurden für diesen Bauteil bzw. für Glasfassaden in Frage kommenden Bauvorschriften und -gesetze,
Normen sowie Brand- und Schallschutzanforderungen in
der EU, speziell in Deutschland und in Österreich erhoben.
Im folgenden werden diese aufgelistet, der Weg zum Fassadenkollektor in einem Flussdiagramm dargestellt und hilfreiche Links auf Homepages zum Thema Bauordnungen gegeben.
Abbildung 6.1 zeigt einen möglichen Weg von der ersten
Idee eines Bauherrn bis zur tatsächlichen Realisierung und
Übergabe des gesamten Objektes mit einem Fassadenkollektor durch den Architekten, die beteiligten Projektpartner
und die zu berücksichtigenden Regulative. Es zeigt sich,
dass die gesetzlichen Regelungen schon bei einem Gestaltungsvorschlag bzw. der Kostenschätzung bekannt sein und
berücksichtigt werden müssen, da spätere Änderungen an
der Konstruktion wesentlich teurer kommen.
Ein integraler Planungsansatz, bei dem ein Architekt mit Solartechnikanbieter, Haustechnikplaner, Bauphysiker und
einem Fachmann auf dem Gebiet der Bauordnungen das
Konzept erstellt, ist demnach für eine zugelassene und damit auch kostengünstige Fassadenkollektoranlage unerlässlich.
Abbildung 6.1:
Der Weg zu einer Fassadenkollektoranlage
Folgende Normen bzw. Verordnungen in der jeweils gültigen
Fassung sind bei der Integration von Fassadenkollektoren
zu berücksichtigen (ohne Anspruch auf Vollständigkeit!):
Statik: ÖNORM B4001 / ÖNORM B4010 / ÖNORM B4012 /
ÖNORM B4014 Teil 1 / EN 12153 / EN 12155 /
EN 13051 / EN 14019 / EN 1991-2-4
Für Glas: ÖNORM B3710 / DIN 18516-4
Wärme- und Feuchteschutz:
ÖNORM B8110 Teil 1 und Teil 2
Verordnungen der österreichischen Bundesländer
DIN 4108-2 Wärmeschutz, DIN 4108-3 Feuchteschutz
Brandschutz: ÖNORM B3800 Teile 1-4
Technische Richtlinien z. vorbeugenden Brandbekämpfung
Verordnungen der österreichischen Bundesländer
DIN 4102-4, EN 1364-4
Lärmschutz
ÖNORM B8115 Teil 2 und Teil 4
Verordnungen der österreichischen Bundesländer
DIN 4109, EN 12354-3 / EN ISO 140-5
Hilfreiche Links auf Homepages
www.ziegel.at
Verband der österreichischen Ziegelwerke liefert unter „Technik“ in übersichtlicher Form alle Regelungen zu den Bereichen Statik, Wärmeschutz, Feuchteschutz, Brandschutz und Schallschutz
www.bauteilrechner.cc
Berechnung des U-Wertes eines Wandaufbaus mit
umfangreicher Bauteildatenbank für Deutschland
und Österreich
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Lit 1: Faninger, G.; Der Solarmarkt in Österreich 2001, Bundesverband Solar, 2002
Lit 2: Mitteilung der Kommission über Energie für die Zukunft: Erneuerbare Energieträger, Weißbuch für eine Gemeinschaftsstrategie und Aktionsplan, COM. (97) 599
vom 6.11. 1997
Lit 3: Systemtechnische und bauphysikalische Grundlagen
der Fassadenintegration von thermischen Sonnenkollektoren ohne Hinterlüftung, Endbericht, Bergmann, I., ,
Gleisdorf, 2002
Lit 4: Homepage der Programmlinie Haus der Zukunft im
Rahmen des Impulsprogramms Nachhaltig Wirtschaften
www.hausderzukunft.at
Lit 5: Dritter Industrie-Newsletter der IEA SHC – Task 26 (Internationale Energieagentur, Solar Heating and Cooling
Programme), Solare Kombianlagen für Warmwasser und
Raumheizung, Jänner 2003, Download unter http://
www.iea-shc.org/task26/index.html (englische, französische, deutsche Ausgabe vorhanden)
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Literatur
Lit 8: Schirmer, U., et al., Technische Universität Chemnitz:
Solarthermische Großanlage – Wunsch und Wirklichkeit,
Elftes Symposium Thermische Solarenergie, Staffelstein,
Deutschland, 1999
Lit 9: Quaschning, V., Hanitsch, R., Technische Universität
Berlin: Die Schattenseite der Solarenergie, Sonnenenergie, 1. Ausgabe 1995
Lit 10: Köhl, M.; Selektive Absorberschichten – Beitrag Tagungsband Kollektorbeschichtungen für die Hochleistungsklasse, Wien, 1997
Lit 11: Valentin, G., T*Sol, Programm zur Auslegung und Simulation Thermischer Solaranlagen, Innovative Ingenieur Software, Dr.-Ing. Valentin & Partner GbR, Berlin,
1998
Lit 12: Recknagl, H., Sprenger, E., Schramek, E.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik, München 1995
Lit 6: Duffie, J., Beckman, W.: Solar Engineering of Thermal
Processes, 2nd ed., New York, 1991
Lit 13: Weiss, W. (Hrsg.), Solar Heating Systems for Houses,
A Design Handbook for Solar Combisystems, James &
James Ltd., London, 2003
Lit 7: ÖNORM M 7714, Abgedeckte Sonnenkollektoren, Wirkungsgrad, Wärmekapazität und Druckabfall, Prüfbestimmungen, Österreichisches Normungsinstitut, 1021
Wien, 1995
Lit 14: C. Fink, R. Hausner, W. Wagner, R. Riva, Endbericht
zum Haus der Zukunft – Projekt: Entwicklung von thermischen Solarsystemen mit unproblematischem Stagnationsverhalten, Gleisdorf 2003
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Abbildung 1.1: Farbige Beschichtungen – Colourface
Abbildung 1.2: Planungsablauf von Solaranlagen: von der
Idee zur Umsetzung
Abbildung 2.1: Jahreszeitlicher Verlauf der mittleren täglichen Strahlungssumme auf südorientierte Flächen mit
45° und 90° Neigung, Süd (Klimadaten Graz, Österreich,
Meteonorm)
Abbildung 2.2: Jährliche Strahlungssumme auf südorientierte Flächen mit 45° und 90° Neigung (Klimadaten
Graz, Österreich, Meteonorm)
Abbildung 2.3: Fassadenkollektoranlage am Arlberg, Österreich. (Foto: AKS DOMA Solartechnik)
Abbildung 2.4: Solarertrag in % vom maximalen Solarertrag in Abhängigkeit von der Südorientierung (Azimut)
und der Neigung
Abbildung 2.5: Abschattung von Fassadenkollektoren
durch ein Vordach. Im Hochsommer ist diese Kollektorfläche zu Mittag mehr als die Hälfte abgeschattet.
Abbildung 2.6: Teilweise Abschattung der Kollektorfläche
auf dem rückwärtigen Gebäude durch angrenzende Gebäudeteile, [Lit 8]. Schattenwurf an einem Vormittag im
Spätherbst.
Abbildung 2.7: Schattenwurf auf eine Südfassade im Winter
Abbildung 2.8: Schattenwurf auf eine Südfassade im Sommer
Abbildung 2.9: Verluste eines Flachkollektors
Abbildung 2.10: Kennlinien verschiedener Absorberbeschichtungen
Abbildung 2.11: Solare Einstrahlung auf 20 m² Kollektorfläche (Fassade und 45° geneigte Fläche) und Verbrauch
(Warmwasser- und Heizenergiebedarf) eines Einfamilienhauses, 4 Personen, 8 kW Heizlast
Abbildung 2.12: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 4 Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 1
Abbildung 2.13: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 6 Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 2
Abbildung 2.14: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 20 Personen-Mehrfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 3
Abbildung 2.15: Solare Deckungsgrade für Warmwasseranlagen für ein 70-Personen-Mehrfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 4
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 2.16: Solare Deckungsgrade von Kombianlagen
für ein 4-Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen
Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel
Nr. 5
Abbildung 2.17: Solare Warmwasser-Deckungsgrade von
Kombianlagen für ein 4-Personen-Einfamilienhaus bei
verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen,
Anlagenbeispiel Nr. 5
Abbildung 2.18: Solare Heizungs-Deckungsgrade von Kombianlagen für ein 4-Personen-Einfamilienhaus bei verschiedenen Kollektorflächen und -beschichtungen, Anlagenbeispiel Nr. 5
Abbildung 3.1: Entleerungsverhalten verschiedener Kollektortypen.
Abbildung 3.2: Abhängigkeit des Stillstandsverhaltens von
der Rücklaufgruppenanordnung
Abbildung 3.3: Zu beachtende Punkte für ein stagnationssicheres Systemdesign
Abbildung 4.1: Speichermanagement bei Anlagen mit Fassadenkollektor, Umschalten des Drei-Wege-Ventils und
Teilung des Energiespeichers
Abbildung 5.1: Diffusion bei Wandaufbauten mit hinterlüfteten und nicht hinterlüfteten Fassadenkollektoren
Abbildung 5.2: Hochlochziegel – U-Werte – Winter
Abbildung 5.3: Hochlochziegel - Temperaturen in den
Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.4: Stahlbeton – U-Werte - Winter
Abbildung 5.5: Stahlbeton - Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.6: Porenbeton – U-Werte – Winter
Abbildung 5.7: Porenbeton - Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.8: Kalksandstein – U-Werte – Winter
Abbildung 5.9: Kalksandstein – Temperaturen in den Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.10: Winter – Altbauvollziegel
Abbildung 5.11: Altbauvollziegel – Temperaturen in den
Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.12: Winter – Holzmassivbau
Abbildung 5.13: Holzmassivbau – Temperaturen in den
Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 5.14: Winter – Holzleichtbau
Abbildung 5.15: Holzleichtbau - Temperaturen in den
Wandabschnitten - Jänner - Stagnation
Abbildung 6.1: Der Weg zu einer Fassadenkollektoranlage
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Tabelle 2.1: Physikalische Kennwerte - Absorberbeschichtungen
Tabelle 2.2: Anlagenbeispiele zur Ermittlung der nötigen
Fläche von Kollektoren in der Fassade
Tabelle 2.3: Solare Deckungsgrade bei Warmwasseranlagen
mit südorientierten Fassadenkollektoren für Ein- und
Mehrfamilienhäuser bei verschiedenen Kollektorflächen
und -beschichtungen
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Tabellenverzeichnis
Tabelle 2.4: Solare Gesamtdeckungsgrade von Kombianlagen für Einfamilienhäuser bei verschiedenen Kollektorflächen in der Fassade
Tabelle 2.5: Erforderliche Vergrößerung der Kollektorfläche bei Verwendung farbig beschichteter Kollektoren im
Vergleich zu selektiv beschichteten Kollektoren und zu
Kollektoren mit Solarlack (alle Ergebnisse +/-0,1)
Tabelle 5.1: Temperaturbeständigkeit von Dämmstoffen
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