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Solares Aktiv-Passiv-Energiegewinn-Fassadensystem

Autor: tavakolipour | Erstellt am: 25.02.2010 | Gelesen: 15271
Kategorie: Energie - Klima & Umwelt | Bewertung: rateArateArateArateArateB
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(Online-Artikel.de) - Bauökologische Technik für solare Energienutzung, Raumbe- und entlüftung sowie sommerliche und winterliche Wärme- und Schallschutz

Darstellung des Systems
Darstellung des Systems
Darstellung einer Möglichkeit durch Konstruktion und Gestaltung der Fassade die Energieversorgung von Gebäuden fast ausschließlich durch Solarenergie zusammen mit einer wohlfühlfördernden Raumqualität zu gewährleisten.

Es ist möglich sommerlichen und winterlichen Wärmeschutz, Schallschutz, Sonnen- und Blendschutz, energiesparende Be- und Entlüftung, Tageslichtnutzung und aktive und passive Solarenergiegewinnung zusammen durch ein System in der Fassadenkonstruktion zu realisieren.

Die Energieeffizienz während der Gebäudenutzung, ob in Neubauten oder sanierten Gebäuden umfasst in ökologischer Hinsicht grundsätzlich vier Themen:
a) Energieschutz d. h. maximale Vermeidung von Energieverlusten,
b) Energie gewinnen d. h. maximale  Erzeugung und Nutzung  erneuerbarer Energien im und am Gebäude,
c) Energie sparen d. h. minimaler Energieverbrauch,
d) Energieumsatz d. h. minimaler Energiebedarf.

Die Maßnahmen für den Energieschutz beschäftigen schon seit Jahrzehnten die Akteure im Bauwesen und sind kaum noch unerforscht oder unbekannt. Diese betreffen die haustechnischen Anlagen sowie andere technischen Verbraucher im Gebäude. Zum Energie gewinnen sind Geothermie und Sonnenlicht die relevantesten Formen erneuerbarer Energien hinsichtlich der Nutzung im einzelnen Gebäude. Hierbei ist die Nutzung von Solarenergie besonders einfach und nahe liegend. Energie sparen ist zwar von Nutzerverhalten abhängig, wird aber maßgebend von der Dämmung und der Gestaltung des Gebäudes beeinflusst. Der optimale Energieumsatz bedeutet mit der relativ kleinsten Energiemenge die relativ größte Arbeit zu leisten dies noch in verschiedener Form und hinsichtlich des bauökologischen Gesichtspunkts mit erneuerbarer Energie, also Solarenergie. Die gesetzlichen Vorgaben und Normen legen den Dämmstandard und einzuhaltende Dämmwerte fest und auch den Anteil an Nutzung von erneuerbaren Energien. Die z. T. sehr voluminösen Dämmschichten der Außenbauteile sind oft schwer mit der Gestaltung der Gebäude in Anklang zu bringen und können zunehmend bei den jetzigen und noch verschärfteren Maßnahmen wirtschaftlich und nachhaltig als nachteilig angesehen werden. Gestalterisch sei hier die Kompaktheit der Gebäudeform eines Passivhauses genannt, wirtschaftlich der Aufwand für die hohe Wärmedämmung und nachhaltig die Inflexibilität derartiger Häuser bei Erweiterung, Umbau oder Umnutzung. Ein technischer und materieller Mehraufwand für Dämmung und Dichtheit hat zwar zu immer besseren energetischen Ergebnissen geführt, zeigt jedoch vertretbare Grenzen. Die Planung der energiesparenden Gebäude mit Hilfe der Dämmung kann deshalb nur noch mit der Verbesserung der technischen Details besser werden. Das größere und weit entwicklungsfähigere Potenzial liegt in der Kreativität der Konstruktion und Verwendung weiterentwickelter Baustoffe. Hier kann das Ziel in umgekehrter Richtung liegen, d. h. nicht der Mehraufwand an Material und Konstruktion, sondern die sinnvolle Reduzierung von ihnen mit gleichzeitiger Erhöhung von Energieeffizienz. Auf Grundlagen der physikalischen und chemischen Erkenntnisse zur solaren Energieerzeugung und Energienutzung, zusammen mit Weiterentwicklung von dem Baustoff Glas werden Maßnahmen möglich, die umfassender und effektiver sein können als die Bisherigen. Dabei ist die Nutzung und Gewinnung solarer Energie nur einer der Aspekte von ökologischer Gebäudeplanung. Für ein gesundes und angenehmes Gebäudeklima sind weitere Parameter zu berücksichtigen als die Raumtemperatur. Diese sind zum Beispiel Schalldämmmaß, Frischluftmaß, Außensichtmaß und Tageslichtmaß. Für den Zweck, Gebäude ganzheitlich zu planen, bauen und betreiben ist die Fassade ein wichtiges und wirkungsvolles Gebäudeteil. Hierbei spielen äußere Struktur, Gestaltung und Material sowie Schutzmechanismen gegen Unerwünschtes wesentliche Rollen. Die Architektur der zu bebauenden Umwelt hat im Sinne vom ökologischen Bauen sowohl den energetischen Aspekt als auch physiologische und psychologische Themen zum Inhalt. Für die Umsetzung ist neben technologisch hoch entwickelten Materialien und anderen technologischen Errungenschaften die Kreativität in Konstruktion und Gestaltung eine Voraussetzung. Durch die Fassaden werden fast sämtliche energetische und raumklimatische Bedingungen festgelegt. Bei Neubauten ist eine relativ größere Freiheit zum Erfüllen der gesetzlichen und individuellen Anforderungen vorhanden als bei Sanierungen. Vom großen Nutzen ist jedoch Entwicklung von Systemen, die nicht nur für Neubauten angewendet werden können, sondern auch beim Bauen im Bestand. Das Glas bzw. das Funktionsglas wird fast überall eingesetzt und bestimmt bei Hochhäusern, Büro- und Verwaltungsgebäuden und nicht selten auch bei Einfamilienhäusern das Erscheinungsbild. Die neuen Gebäude werden oft mit Glasfassaden gebaut und bei Sanierungen werden Teile der Fassade (ursprünglich aus anderen Materialien) durch Glas ersetzt. Die Errungenschaften der Glasindustrie machen diesen Baustoff zu einem fast „Alleskönner" und aufgrund seiner Transparenz und Leichtigkeit wegen vielfältiger Funktionalität, beinahe unentbehrlich in der modernen Architektur. So kann die Glasfassade neben dem Erscheinungsbild eines Gebäudes auch seinen Energieverbrauch, sein Raumklima und damit seinen ökologischen Wert maßgeblich bestimmen. Es werden u. a. Fassaden mit Fenstern, die so genannten Lochfassaden, Aluminium- Stahl- Glasfassaden bis hin zu Ganzglasfassaden unterschieden. Die Ausführung unterliegt den jeweilig geeigneten Konstruktionen mit dem Schwerpunkt gestalterisch hochwertige und energetisch optimale Fassaden zu bauen und durch sie den Energiehaushalt des Gebäudes zu verbessern bzw. die Anforderungen der Normen zu erfüllen. Bei Lochfassaden und Fassaden mit hohem Glasanteil werden die nichttransparenten Teile hochdämmend, weitgehend frei von Wärmebrücken mit möglichst kleinem U-Wert in einer luftdichten Konstruktion, schützend gegen Hitze und Außenlärm etc. geplant. Für die transparenten Fassadenflächen werden Funktionsgläser mit Wärmedämm- Sonnen- UV- Schallschutz etc. verwendet. Das Fenster an sich behält in meisten Fällen seine herkömmliche Funktion, als Licht- und Luftbringer. Bei Ganzglasfassaden ist wegen des relativ geringen Gewichts von Glas eine besondere Schwierigkeit hinsichtlich des Schallschutzes gegeben, die in der Regel durch geeignete Konstruktion, Gebäudeausrichtung und Schallschutzgläser etc. gelöst wird. Weitere Probleme gibt es bei Vermeidung von Hitze hinter den Glasfassaden oder auch bei Blendschutz wegen der transparenten Eigenschaft von Glas. Diese werden durch Sonnenschutzgläser oder Sonnen- und Blendschutzvorrichtungen vor, hinter und bei manchen Konstruktionen auch durch eine zweite Fassade zwischen den zwei Ebenen der Fassaden (Zweite-Haut-Fassaden) oder im Zwischenraum von Isoliergläsern zum Teil effektiv begegnet. Das gemeinsame Problem bei Anwendung von Funktionsgläsern liegt in der Reduzierung der einen zu Erhöhung einer anderen Eigenschaft. Zum Beispiel bei Verwendung von Sonnenschutzgläsern wird der Anteil von Tageslichtausbeute reduziert und die Verwendung von Wärmedämmgläsern hat die Reduzierung von solaren Wärmeerträgen zur Folge. Ein konstruktiver und materieller und damit auch finanzieller Mehraufwand bei Ganzglasfassaden, wie die Zweite-Haut-Fassade kann zwar einige spezifische Probleme wie Eindringen des Außenlärms und die Überhitzung etwas mindern, zeigt aber wegen erhöhter Kosten und der Flächen- bzw. Raumverluste u. a. nicht die ideale Lösung. Die einschalige Ganzglasfassade wiederum wäre, unabhängig davon welches Funktionsglas verwendet wird, mit anderen o. g. Problemen behaftet und ein Gebäude mit dieser Fassade würde ohne Klimatisierungsanlagen, oder elektrische Beleuchtung auch beim Sonnenschein, kaum realistisch als Lebensraum funktionieren. Im Bereich der Gebäudesanierung ist die Problematik ähnlich, wobei hier der gestalterische und konstruktive Spielraum kleiner ist. Da es sich bei Sanierung der transparenten Fassadenflächen in meisten Fällen um Tausch von Fenstern mit geringem Wärmeschutz oder wenig Dichtheit etc. gegen neue Fenster mit besseren Werten handelt, reduziert sich die energetische Wertbesserung der Fenster fast ausschließlich auf bessere Dämmwerte und kleinere Wärmetransmission. Die solare Nutzung ist damit begrenzt oder wenig gegeben und ein erträgliches, energieeffizientes Raumklima ohne Hilfsmittel wie Lüftungsanlagen kaum realisierbar. Es sind also Techniken, Konstruktionen und Systeme notwendig, durch die beim Neubau gestalterische und energetische Anforderungen ganzheitlich und ökologisch erfüllt werden können und bei Sanierung mehr erreichen als nur eine bessere Wärmedämmung und geringere Transmissionswärmeverluste. Die Technik und Konstruktion der Fassaden müssen die Gesamtheit der Anforderungen zur Aufgabe haben und diese im Zusammenhang mit einzelnen Themen lösen können. Sie sollten energetische Vorteile der bisher bekannten Konstruktionen, Techniken und Baustoffen mit dem gestalterischen Freiraum verbinden und bekannte und mögliche Nachteile in dieser Hinsicht ausschließen. Zum maximalen Energiesparen durch Wärmedämmung benötigen die einschaligen Glasfassadensysteme ein 3-Scheiben Wärmeschutzglas und eine dichte Gebäudehülle ohne Fenster und kommen ohne eine aufwendige und effektive Sonnenschutzvorrichtung nicht in Frage. Die doppelschaligen Systeme verursachen auch fast doppelte Kosten und benötigen zusätzliche Baufläche. Diese Konstruktionen sind damit nicht optimal für eine moderne Glasfassade.

Ein aufgrund dieser Problematik zu entwickelndes Glasfassadensystem kann wie unten beschrieben eine Lösung darstellen, die mehrere raumklimatische Vorteile beinhaltet. Es handelt sich um ein solares Aktiv-Passiv-Energiegewinn-Fassadensystem (SAPEF). Es nutzt die energiesparenden Vorteile der beiden o. g. Systeme und schließt deren Nachteile aus. Darüber hinaus gewinnt SAPEF aktiv und passiv Energie aus Solarstrahlen, schützt konstruktiv gegen Außenlärm, ermöglicht unbeschränkte Tageslichtnutzung und energiesparende Be- und Entlüftung der Räume sowie uneingeschränkte Sicht nach außen, bietet sommerlichen bzw. winterlichen Wärmeschutz und auch effektiven Sonnen- und Blendschutz. Dadurch unterscheidet sich dieses System von allen anderen bekannten Glasfassadensystemen. Ein im System befindlicher Glaskasten nutzt die physikalischen Prinzipien und Gesetze der Thermik ähnlich wie in dem Pufferraum von Doppelfassaden jedoch ohne die bekannten Probleme. Zum aktiven solaren Energiegewinn müssen die einschaligen Glasfassaden in der Regel Teile ihrer Flächen für Solarzellen zur Verfügung stellen und aufwendige Detaillösungen oft zusammen mit Reduzierung des Wärmeschutzes aufgrund des um diese Flächen reduzierten 3-Scheiben Wärmeschutzglases sind die Folgen. Bei den Doppelfassaden ist eine Unterbringung von Solarmodulen überhaupt kaum möglich und ggf. wenig Sinnvoll. Das SAPEF nutzt diese Möglichkeit in zwei seiner Komponenten. Einmal ist die untere Ebene des Kastens mit Solarzellen versehen und einmal die Sonnenschutzfläche. Die energiesparende und energiegewinnende Funktionen des SAPEF und beim letzteren gleich zweifach, aktiv und passiv, sind größtenteils konstruktiv bedingt. Das System lässt bezüglich der Dimension und Komponenten Alternativen zu. Zum Beispiel kann mit diesem System auf den Sonnenschutz bei Glasfassade verzichtet werden, wenn der einschalige Bereich aus Sonnenschutzgläsern besteht. Denn es schützt einmal durch die Geometrie des Kastens und einmal durch die Solarzellen der unteren Ebene des Kastens vor Sonne. Das System ist bei Sanierung mit den meisten anderen Fassaden kompatibel. Hier kann der Kasten z. B. dort eingesetzt werden, wo die zu sanierenden Fenster getauscht werden sollen. Damit wird es neben hoher Wärmedämmung auch die Möglichkeit der individuellen Lüftung ohne Energieverlust mit effektivem Schallschutz gegeben und durch die weitere Eigenschaft des Glaskastens auch noch passive solare Energie gewonnen. Die passive solare Energienutzung des SAPEF funktioniert in Verbindung mit Be- und Entlüftung des dahinterliegenden Raumes. Die Sonnenstrahlen erwärmen die eingeschlossene Luft im Kasten wegen des relativ kleinen Volumens in kürzester Zeit. In Übergangszeiten und im Winter kann der Nutzer einfach das Schiebefenster, das Teil des Systems ist, je nach Bedarf öffnen und somit frische und vorgewärmte Luft hereinlassen. Der Raum wird auf diese Weise belüftet und durch Sonnenenergie gewärmt. Zur Entlüftung wird bei geöffneter Abluftöffnung und geschlossener Zuluftöffnung die zu wechselnde Raumluft durch den Kasten entweichen, ohne gleichzeitig kalte Luft hinein strömen zu lassen. Die auf diesem Weg erwärmte raumseitige Glasoberfläche zeigt ein weiteres Plus im Innenraumklima. Im Sommer, wenn keine Beheizung der Räume erwünscht ist, funktioniert der Kasten zweierlei. Einmal bildet er einen Pufferraum und damit verhindert er das direkte Aufheizen des Aufenthaltsraumes und einmal bei offenem Fenster und offenen Zu- und Abluftöffnungen stellt er eine Luftströmung her, wodurch eine kühlende Wirkung ohne Zugerscheinung erfolgen kann. Im Vergleich zu herkömmlicher Fensteröffnung wird eine Reduzierung von Lärmbelästigung von außen erzielt, da der Kasten wie eine Schleuse wirkt.

Das System kann wie folgt beschrieben, aufgebaut werden: Es besteht aus einem einschaligen und einem doppelschaligen Fassadenbereich. Der einschalige Beriech kann sowohl aus Glas als auch aus anderen Materialien und Konstruktionen bestehen. Der Anwendungszweck des Systems wird besonders sinnvoll, wenn jedoch das Glas als Baumaterial für die gesamte Fassade verwendet werden soll. Der doppelschalige Bereich besteht fast ausschließlich aus Glas. Er hat die Form eines Kastens mit beliebigen Maßen, der der einschaligen Fassadenebene vorgelagert ist. Die Maße des Kastens sind je nach gestalterischen und raumklimatischen Aspekten variierbar. Er kann sowohl horizontal als auch vertikal angeordnet werden. Die obere horizontale Ebene und die Front bestehen aus einfachem Sicherheitsglas und die seitlichen Flächen bei horizontaler Anordnung aus Isolierglas. Diese stellen auch die Trennung der Kastenabschnitte dar, wo eine Raumtrennung geplant wäre. Ein Schiebefenster bildet die Raumseite des Kastens mit Wärmedämmgläsern und beliebigem Rahmenmaterial. Es kann aber auch eine andere Fensterart  z. B. Kipp-Dreh-Fenster gewählt werden. In den horizontalen Ebenen des Kastens sind Zu- und Abluftöffnungen, unten und oben quer zu einander integriert, wobei die untere horizontale ebene aus opaken und/oder halbtransparenten Solarzellen besteht. Die Öffnungen sind lamellenartig ausgebildet und mit Filter in den Zuluftöffnungen versehen. Die Lamellen sind Zweck individueller Einstellung mit Hebel ausgestattet und können mechanisch per Hand betätigt werden. Wenn eine Ganzglasfassade bzw. eine Fassade mit Glaskonstruktion auch für den einschaligen Bereich gewählt wird, kann dieser aus Sonnenschutzgläsern bestehen und damit als  Sonnenschutzvorrichtung funktionieren. Ansonsten gibt es eine Sonnenschutzvorrichtung als dritte und abschließende Komponente des Systems. In der Sonnenschutzvorrichtung sind ebenfalls Solarzellen integriert. Die so gebildete Scheibe als Solarmodul (wie eine gläserne Einzellamelle konstruiert) wird mit Sensoren verbunden, wodurch der Sonnenstand und Sonnenlauf berücksichtigt werden. Sowohl der Glaskasten als auch der Sonnenschutz werden nach gleichem Prinzip befestigt. Das denkbar einfache Tragwerk beinhaltet Winkelprofile aus Stahl oder Aluminium, die den Sonnenschutz bzw. den Kasten tragen. Die horizontalen Scheiben des Kastens und der tragende Rahmen der Sonnenschutzlamelle werden mit Schrauben zwischen zwei in einander greifenden Winkelprofilen befestigt. Das raumseitige Fenster wird ebenfalls durch diese Profile gehalten.

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