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2000-04: Solare Raumheizungsanlagen

Grundlagen

Die Kollektorflächen von thermischen Solaranlagen für die Brauchwasserbereitung und Raumheizungsunterstützung, sogenannte solare Kombianlagen, nehmen sehr oft einen signifikanten Anteil der Außenhülle eines Gebäudes ein. Dies gilt nicht nur für Ein-, sondern genauso für Mehrfamilienhäuser und Beherbergungsbetriebe. Gerade der Anwendungsbereich solare Kombianlage verzeichnet in Österreich die größten Steigerungsraten. Um eine breite Akzeptanz bei Architekten und Baubehörden für diese großflächige Kollektoranwendung erreichen zu können, ist eine ästhetisch ansprechende Integration der Kollektorfläche in die Gebäudehülle erforderlich.

Integration von Kollektoren in die Gebäudehülle

Von Irene Stadler*

Thermische Solaranlagen werden in Österreich zu 90% für die Warmwasserbereitung und in Kombianlagen eingesetzt. Im Jahr 1999 wurde die Hälfte davon mit einer Fläche größer als 10 m² errichtet [1], wobei anzunehmen ist, dass diese für die Raumheizung eingesetzt werden (siehe Tabelle 1). Typische Kollektorflächen von Kombianlagen für Einfamilienhäuser liegen zwischen 15 und 30 m². Während in Österreich und in der Schweiz die Hälfte der installierten Kollektorfläche in Kombianlagen eingesetzt wird, ist es in Deutschland immerhin noch ein Viertel [2].

Tabelle 1: Verteilung der Anlagengröße bezogen auf die Kollektorfläche im Jahr 1999, (Anlagen zur Warmwasserbereitung bzw. Kombianlagen) [1]

Typische Kollektorflächengrößen für Mehrfamilienhäuser, Hotels oder Krankenhäuser liegen zwischen 50 und mehreren hundert Quadratmetern. Werden diese Kollektorflächen auf das bestehende Dach aufgebaut oder auf ein Flachdach aufgeständert, so führt dies einerseits zu hohen Systemkosten und andererseits sind die Auswirkungen auf die Architektur in den meisten Fällen nicht sehr zufriedenstellend (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Die auf dem Pultdach aufgeständerten Kollektoren machen nicht nur einen optisch unschönen Eindruck, sondern verschatten sich im Winter gegenseitig.

Mit der Integration der Kollektoren in die Gebäudehülle wandelt sich der Kollektor von einem rein technischen Element als Energieerzeuger zu einem gestaltenden Element des Gebäudes. Der Nutzer kann sich nicht nur an der erzeugten Energie, sondern auch am schönen optischen Erscheinungsbild seiner Solaranlage erfreuen.
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der Integration von Kollektoren in die Gebäudehülle: Einerseits die Integration in Dachflächen und andererseits die Montage in der Fassade.

Dachintegration von Kollektoren

Bei der Dachintegration wird auf die Dachsparren bzw. bei Kaltdachkonstruktionen auf die Konterlattung die Kollektorrückwand aufgebracht und der Kollektor darauf aufgebaut [3]. Dabei wird in der Regel zwischen der Montage von Großflächenmodulen, die vorgefertigt angeliefert und mittels Kran auf die Dachunterkonstruktion gehoben werden (siehe Abbildung 2), und der Kollektormontage (Zusammenbau) am Dach unterschieden. In Abbildung 3 ist der Aufbau einer Holzrahmenkonstruktion (Dachintegration) für die Kollektormontage am Dach dargestellt.

Abbildung 2: Kranmontage eines Großflächenkollektors auf dem Dach. Insgesamt sind an den Mehrfamilienhäusern Gneis-Moos in Salzburg 400 m² installiert. Der Pufferspeicher hat eine Größe von 100.000 Liter.

Die Kollektorfläche bildet die wasserabführende Ebene und ersetzt die Dachdeckung. Architektonisch aber auch hinsichtlich einfacher Kollektorhydraulik ist es von Vorteil, wenn Kollektorflächen nicht von Kaminen oder Dachgauben "unterbrochen" werden. Die Integration von Dachfenstern kann hingegen optisch sehr ansprechend gelöst werden. Wie im Titelfoto des Artikels dargestellt, können Dachflächenfenster an die Abmessungen bzw. die Teilung der Kollektoren angepasst werden. Die Kollektorfläche beträgt bei diesem Beispiel 144 m² und dient neben Warmwasserbereitung und Raumheizung auch der Schwimmbadheizung. An den seitlichen Rändern des Daches und auf dem bzw. um das "Türmchen" in der Mitte des Gebäudes sind Kollektorattrappen angebracht [4].
Wird vom solartechnischen Aspekt her nicht die gesamte Dachfläche, die für die Installation der Kollektorfläche vorgesehen ist, benötigt, stellt sich oft die Frage, wie die "Restfläche" dieser Dachfläche gedeckt werden soll. Häufige Übergänge von Kollektorfläche zum Ziegeldach ergeben sehr unruhige Dachlandschaften. In vielen Fällen ist nicht nur aus optischer, sondern auch aus ökonomischer Sicht, die Eindeckung dieser "Restflächen" mit Kollektorattrappen günstiger. D.h. unter der Glasabdeckung befindet sich kein Kollektor, sondern eine schwarze Dämmplatte, die aber optisch ein einheitliches Bild ergibt (siehe Abbildung 4).

Abbildung 3: Über die gesamte Süddachfläche wurden dachintegrierte Kollektoren installiert. Um einen einheitlichen Eindruck zu erzielen, wurde die Kollektorfläche links und rechts mit "blinden" Modulen (Kollektorattrappen) bis an den Rand des Daches erweitert

Fassadenintegration von Kollektoren

Die Integration von Kollektoren in die Fassade kann hinterlüftet oder nicht hinterlüftet ausgeführt werden. Bei der hinterlüfteten Bauweise wird die Rückwand des Kollektors auf einer Lattung befestigt. Unter einem fassadenintegrierten Sonnenkollektor wird ein direkt in die Fassade aufgenommenes Kollektorelement verstanden, bei dem die Wärmedämmung Bestandteil sowohl des Gebäudes, als auch des Kollektors ist (siehe Abbildung 5). D.h. es 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: Die Funktion als thermischer Flachkollektor, die Verbesserung der Wärmedämmung des Gebäudes, die Funktion als passiv solares Element bei geringer Einstrahlung, als Witterungsschutz der Fassade durch die Kollektorverglasung und schließlich als Gestaltungselement der Fassade.
Vorteil von nicht hinterlüfteten fassadenintegrierten Kollektoren ist demnach eine Kostenersparnis durch gemeinsame Nutzung von Bauteilen (Dämmung). Zusätzlich wird die Fassaden-Anschlusstechnik an die konventionelle Gebäudehülle im Vergleich zur hinterlüfteten Ausführung vereinfacht. Die konventionelle Fassade wird durch den Kollektor eingespart, was wiederum wirtschaftliche Vorteile bringt. Fassadenintegrierte Kollektoren sind sowohl für den Neubau, als auch für Altbausanierungen geeignet.

Abbildung 4: Nicht hinterlüfteter Kollektor in einen Holzriegelbau integriert

Fenster in der Kollektorfläche

Wenn große Kollektorflächen in der Fassade errichtet werden, besteht oft die Notwendigkeit, Fenster in diese Flächen zu integrieren. Durch ansprechende Lösungen werden Fenster in Kollektorflächen nicht nur eine Notwendigkeit, sondern ein zusätzliches Gestaltungselement, wie Abbildung 6 zeigt. Um die Straßenfassade für die Bewohner des Hauses gewinnbringend zu nutzen, wurde dieses mit einem verglasten Laubengang ausgeführt. Dieser bietet Schutz vor Schall- und Wettereinflüssen. Ein Teil ist als Fassadenkollektor ausgeführt. Es konnte so eine besonders ansprechende Fassade gestaltet werden.

Abbildung 5: Bergrestaurant auf 2400 m Höhe in der Schischaukel Fiß-Serfaus in Tirol. Die 120m² große Kollektorfläche mit blauen Absorbern wird primär für die Heizung genutzt, die Restwärme wird für die Warmwasserbereitung verwendet.
Quelle: Foto Meyr

Wie bereits bei der Dachintegration angesprochen, besteht auch bei der Fassadenintegration von Kollektoren die Möglichkeit der Integration von Kollektorattrappen, um eine optisch einheitliche Fassade zu erhalten. Durch den Einbau von derartigen "blinden Elementen" wird die hydraulische Verschaltung der Kollektorflächen vereinfacht.
Thermische Kollektoren in der Fassade eines Gebäudes sind nicht nur Energielieferanten für die Bereitung von Warmwasser und für die Raumheizung, sondern auch ein wesentliches Gestaltungselement einer Fassade. Besonders bei öffentlichen Gebäuden oder repräsentativen Bürogebäuden wird auf eine ästhetisch ansprechende Fassade besonderer Wert gelegt. Dem Design sind keine Grenzen gesetzt, wodurch aber Standardlösungen erschwert werden. Mit der Wahl der Abmessung kann man einen strukturierten oder eher flächigen Eindruck erzeugen. Mit der Art (Metall, Holz) und Farbe der Glashalteprofile lassen sich zusätzliche gestalterische Akzente setzen. Schließlich kann mit der Wahl der Farbe des Absorberbleches auf spezielle Kundenwünsche eingegangen werden. So wurden bereits blaue, rote und grüne Absorber eingesetzt (siehe Abbildung 7), wobei etwas geringere Erträge in Kauf genommen wurden, um den Designansprüchen zu entsprechen. Dadurch wird auch die Akzeptanz dieser Technologie in der Öffentlichkeit größer.

Literatur
/1/ Faninger, G.: Der Solarmarkt in Österreich, 1999, Bundesverband SOLAR
/2/ Proceedings of 3 rd Industry Workshop of IEA-SHC-Task 26, Stuttgart, October 1999
/3/ Fink, C. , e.a., Heizen mit der Sonne, AEE, 1997
/4/ Hotel Agathenhof in Kärnten, Österreich, Foto: Sonnenkraft

*) Dipl.-Ing. Irene Stadler ist Mitarbeiterin der AEE Gleisdorf [^]