Fassadenintegrierte Kollektoren

Typische Flachkollektoren bestehen aus einem metallischem Absorber, der zur Absorption der Solarstrahlung selektiv oder nichtselektiv beschichtet ist. Zumeist bestehen die Absorber aus Streifen mit mittig angeordnetem Fluidkanal, die mäanderförmig oder parallel verschaltet sind und an ein Sammler- bzw. Verteilerrohr angeschlossen werden. Die selektive Beschichtung zur Reduktion der thermischen Verluste ist allgemein üblich. Die Absorberstreifen bestehen zumeist aus Kupfer und im Einzelfall aus Aluminium. Das Wärmeträgermedium zur Abführung der Kollektorwärme ist mit Frostschutzmittel (Propylen-Glykol) gemischtes Wasser. Der Absorber ist in einen Rahmen eingebettet, der ihn vor der Witterung schützt und Wärmeverluste reduziert. Nach oben wird der Flachkollektor durch eine Glasscheibe geschützt (i.a. eisenfreies Einscheibensicherheitsglas). Der Rahmen besteht oft aus Aluminium, auch Holz ist anzutreffen. Die rückseitige Wärmedämmung hat i.a. eine Stärke von 4 bis 8 cm. Sie besteht z.Zt. oft aus Mineralwolle und PU-Hartschaumplatten.

Man unterscheidet Kollektoren mit und ohne thermische Trennung vom Gebäude. Die thermische Trennung wird durch Hinterlüftung des Kollektors erzeugt. Aus bauphysikalischen Gründen (hohe Temperaturen im Stagnationsfall und Feuchtetransport durch die Außenwand) werden üblicherweise hinterlüftete Kollektoren eingesetzt. Fassadenkollektoren sind auch in kleinen Flächen einsetzbar.

Aufbau der Solarwand

Solarwand System Naumann & Stahr 1 Fermacel-Gipsfaserplatten 37,50 mm 2 Lattung, e=62,5 cm 30/50 mm 3 Holzweichfaservierecke 22,00 mm 4 Doppel-T-Träger 305,00 mm 5 Zellulosedämmung 109,00 mm 6 OSB-Platte 22,00 mm 7 Zellulosedämmung 283,00 mm 8 Einscheibensicherheitsglas 8,00 mm 9 Luftschicht 60,00 mm 10 Anstrich Silikatfarbe 11 Heraklithplatte 35,00 mm 12 Lattung, e=62,5 cm 57/57 mm 13 Halteprofil + Pfostendichtung 57/60 mm 14 Abdeckprofil 15 Absorber 16 Butyl-Kautschuk-Klebeband 1,50 mm 17 Querholz 57/100 mm 18 Brandschutzplatte 20,00 mm

Nachteilig ist die geringere jährliche Bestrahlungssumme sowie die Einschränkung, daß ausreichend unverschattete freie Südflächen vorhanden sein müssen. Ein integrierter Fassadenkollektor hat im Sommer den Nachteil der höheren Einstrahlwinkel und somit der geringfügig höheren optischen Verluste, während im Winter (höhere Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Umgebung, niedrigere Einstrahlung) sich der Vorteil der besseren Wärmedämmung und der oft günstigere Einstrahlwinkel bemerkbar macht. Zudem ist für bestimmte Regionen interessant, daß der Fassadenkollektor nicht schneebedeckt ist und gleichzeitig verstärkt von der erhöhten reflektierten Strahlung durch den Schnee (Albedo) profitiert. Während in Deutschland Fassadenkollektoren selten sind, werden sie in Österreich verstärkt eingesetzt. Während bei kleinen Kollektorflächen die Dachkollektoranlage aufgrund der Einstrahlung deutlich im Vorteil ist, wird der Unterschied bei hohen Deckungsgraden (wie im Passivhaus erforderlich) weitgehend kompensiert.

Diese Kompensation erfolgt durch:

• die geringere Anzahl von Stillstandstunden wegen zu hoher Speichertemperatur
• dem besseren Kollektorwirkungsgrad
• der größeren Anzahl von Stunden mit höherer Einstrahlung auf die Fassade im Winter
• das gleichmäßigere Strahlungsangebots, wodurch nur geringer Pumpenleerlauf entsteht

Betrachtet man den Jahresverlauf des Deckungsgrades so zeigt sich der Nachteil der Fassade im Sommer, gleiches Verhalten in den Übergangszeiten und Vorteile im Winter. Soll eine Fassadenkollektoranlage den gleichen Deckungsgrad wie eine Dachkollektoranlage erreichen, dann muss hierfür die Kollektorfläche um ca. 25 % vergrößert werden.

Da der Absorber eines nicht thermisch getrennten Kollektors bei Bestrahlung meist eine höhere Temperatur als die Umgebungsluft aufweist, bei Sonnenschein i.a. sogar die höchste Temperatur im gesamten Wandaufbau, reduziert er die Transmissionsverluste der Außenwand. Geringfügig kann er sogar direkt passive Wärmegewinne an den Innenraum abgeben (reduzierte Wirkung als transparente Wärmedämmung). Eine einfache Abschätzung an einem mit 25 cm Dämmung versehenen Wandaufbau hat ergeben, daß die Minderung der Transmissionsverluste innerhalb der Heizperiode gegenüber einer opak gedämmten Wand etwa 40 % ausmacht. In der Jahresenergiebilanz ist dieser Anteil allerdings gering (bei 12 m² Kollektorfläche ca. 60 kWh). Überhitzung während des Sommers ist nicht zu erwarten.

Die Fassadenintegration von Sonnenkollektoren erfordert die Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen:

• wärmebrückenfreie Anbringung des Absorbers und der Glasscheibe mit Glasträgerprofil
• funktionierende Anbindung an die konventionelle Fassade (wind- und regendichte Eindeckung)
• maximale Absorbertemperaturen im Stillstand von ca. 150 °C erfordern eine stagnationsfeste Wärmedämmung und Temperaturstabilität der mit dem Absorber in Kontakt stehenden Bauteile
• Frostschutzmittel im Wärmeträger ist weiterhin notwendig
• Noch nicht völlig geklärt ist der Feuchtetransport durch den Wandaufbau
• einerseits verhindert die Glasscheibe eine Wasserdampfdiffusion
• andererseits ist der Kollektorraum belüftet und der Absorber häufig das wärmste Bauteil
• der noch bestehenden Unsicherheit kann durch das Anbringen einer Dampfbremse auf der Innenseite begegnet werden

Da Fassaden die Visitenkarte für das Gebäude sind und i.a. wesentlich genauer als Dächer betrachtet werden, müssen Fassadenkollektoren auch den höheren optischen Ansprüchen genügen. Es gibt viele optische Variationsmöglichkeiten, die technisch im wesentlichen gleichwertig sind

• Durch die Verwendung von strukturierten oder klaren Gläsern wird das Erscheinungsbild wesentlich beeinflußt
• Mit einer vom üblichen Schwarz abweichenden Absorberfarbe unter Beibehaltung eines hohen solaren Absorptionsgrads kann der optische Eindruck erheblich verbessert werden
• Die Abdeckleisten der Glasträgerprofile können in Farbe und Breite variiert werden
• Der Gesamteindruck wird durch die Anordnung der Elemente in einer Fassade bestimmt. Hier ist für die Kollektorintegration ein flexibles Konzept erforderlich

Beispiele für fassadenintegrierte Kollektoranlagen