Wohnmaschine mit Solarantrieb

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Raffinierter Überhitzungsschutz bei zwei Einfamilienhäusern in Domat/Ems

Fünf Technologien
Die leuchtende Fassade
Sechs Schichten
Stichwort: Polycarbonat
Ein Pilotprojekt von Energie 2000

 

Praktisch die gesamte Bauhülle der beiden Einfamilienhäuser in Domat/Ems ist solare Gewinnfläche. Insgesamt kommen fünf unterschiedliche Technologien der Sonnenenergienutzung zur Anwendung, darunter transparent gedämmte Aussenwände in zwei Varianten. Bei der transluziden Nordfassade heisst das Thema Tageslicht, bei den opaken Speicherwänden Raumwärme.

Sonnenenergie ins Haus zu locken ist kein Kunststück. Schwieriger ist es, Licht und Wärme nur dann hereinzubringen, wenn man sie braucht. Die lapidare Forderung stellt Planer vor knifflige Aufgaben. Passive Systeme zur Solarenergienutzung sind eine Gratwanderung zwischen einem Zuviel an Wärme und einem Zuwenig. Die beiden Sonnenhäuser in Domat/Ems bilden dafür ein markantes Beispiel.

Bergriesen beidseits des Rheins beschatten in den Wintermonaten das fünf Kilometer westlich von Chur gelegene Domat/Ems. Im Dezember schrumpft die tägliche Sonnenscheindauer im Einfamilienhausquartier Calundis auf zweieinhalb Stunden - kein Standort für Solarhäuser. Wer in diesen dunklen Monaten mit Solarenergie Wohnräume beheizen will, braucht grosse Gewinnflächen. Für Dietrich Schwarz, Architekt der beiden Einfamilienhäuser, ist das die Lösung: Mit Ausnahme der nach Norden orientierten Dachfläche ist die gesamte Gebäudehülle von insgesamt 400 m2 als Sonnenkollektor ausgestaltet (alle Zahlenwerte je Haus). Naturgemäss bergen die für den Winter notwendigen grossen Kollektorflächen eine Gefahr der Überhitzung im Sommer: Sensible Systeme brauchen einen wirksamen Schutz.

 

Fünf Technologien

Schwarz ordnet den Gewinnflächen fünf verschiedene solare Nutzungstechniken zu, wobei drei Kriterien zur Anwendung gelangen: architektonische Anforderungen, Wohnqualität und Orientierung der Flächen. Photovoltaische Solarzellen zur Stromerzeugung mit einer Fläche von 30 m2 und Sonnenkollektoren zur Wassererwärmung (8 m2) bilden die Haut der um 45 Grad geneigten südlichen Dachfläche. Vom asymmetrischen Satteldach kommt also die "Prozessenergie" für Bad und Küche, während der grösste Teil der Raumwärme über die Fassaden ins Haus gelangt. Schwarz unterscheidet an den Fassaden drei Systeme. Rund ein Fünftel der 280 m2 sind hochwertige Fenster mit einem k-Wert von 0,84 W/m2 K und einem g-Wert von 29 %, der Rest ist transparent gedämmte Aussenwand in zwei Varianten. In der Süd-, Ost- und Westfassade ist die transparente Wärmedämmung (TWD) mit einer Speicherwand aus 20 cm Beton kombiniert, die 18 m lange Nordfassade dagegen besteht, neben einem Fensterband, aus beidseitig verglastem TWD-Material.
Schnitt durch das Haus in Domat/Ems, mit unter-, Erd- und Obergeschoss; links: Südfassade mit Speicherwand, rechts die transluzide Nordfassade mit Fensterband (oben).

 

Die leuchtende Fassade

Den beiden TWD-Varianten entspricht eine funktionale Differenzierung in der Solarenergienutzung: Über die opaken Speicherwände gelangt Raumwärme ins Haus, über die transluzide Nordfassade Tageslicht. Die Sonne füllt über den TWD-Filter die Räume mit einem diffusen, höchst angenehmen Licht. Abends leuchten die beiden Häuser, eine ungewöhnliche Erscheinung in Domat/Ems.

Beiden Aussenwandtypen ist eine TWD-Schicht aus Polycarbonat gemeinsam; in der Südfassade sind 10 cm Dämmstoff eingebaut, in der Nordfassade 15 cm. In ihrer Wirkung sind die Wände durch den g- und den k-Wert definiert (Tabelle). Und durch einen eingebauten Überhitzungsschutz, muss man anfügen, denn ohne Massnahmen würden die Wohnbauten zu Treibhäusern. Der Architekt zog vorgehängte Storen oder Lamellen - starre und bewegliche - in die Evaluation ein; derartige Sonnenschutzsystme lassen sich indessen häufig nicht in befriedigender Weise in die Aussenwand integrieren - ganz abgesehen vom apparativen Aufwand für ihre Nachführung. Zu dieser Problemstellung liefern die Calundis-Bauten eine intelligente Lösung, auch in gestalterischer Hinsicht.
Domat/Ems bei Nacht:
zwei leuchtende Fassaden vor den dunklen Bergriesen.

 

Sechs Schichten

Alle speicherfähigen TWD-Bauteile weisen sechs Schichten auf: Gehärtetes Fensterglas (6 mm); transparente Wärmedämmung (10 cm); Luftzwischenraum von 2 cm; Absorber aus schwarz-chrom beschichtetem Chromstahl-Blech (0,5 mm); Hinterlüftung von 10 cm; Betonwand von 20 cm. Die gesamte Bautiefe beträgt 43 cm. Der Abstand zwischen dem Absorber und dem TWD-Material dient der Sicherheit: Simulationen zeigten maximale Temperaturen an der Absorberoberfläche von 150°C; bei 190°C wird Polycarbonat "butterweich", bei 250 °C verflüssigt sich das Material. Dem Überhitzungsschutz dient die Hinterlüftung zwischen Betonwand und dem Absorber, dessen zwei Seiten höchst unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Auf der Aussenseite ist das selektiv beschichtete Chrom-Nickel-Stahl-Blech ausgesprochen emissionsarm, auf der Innenseite, die nicht beschichtet ist, strahlt der Absorber Wärme ab (Emissionsfaktor 30 %) und erwärmt den Luftzwischenraum und auch die Betonwand. Zum Wärmetransport aufgrund von Strahlung kommt ein konvektiver Anteil hinzu, der durch Luftwalzen mit ellipsenförmigen Querschnitt ermöglicht wird. Alle opaken TWD-Bauteile sind oben und unten mit Luftklappen ausgerüstet. Bei offenen Klappen strömt der solare Wärmeeintrag mit der Luft nach aussen. Nach einfachen Kriterien lassen sich die Ein- und Austrittsöffnungen für die Hinterlüftung steuern: Bei einem 24-Stunden-Mittel der Aussentemperatur über 10°C sind die Klappen offen, darunter geschlossen. Interessant sind auch die Berechnungen des TWD-Experten Werner Platzer vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (Freiburg im Breisgau) zum optimalen Luftzwischenraum. Beträgt dieser weniger als 6 cm, ist eine ausreichende Hinterlüftung nicht mehr gewährleistet. Bei 10 cm dagegen ist dies der Fall, wie ein Zahlenvergleich zeigt. An einem warmen Frühlingstag steigt die Absorbertemperatur auf 100°C, die Wand dahinter ist bei offenen Klappen lediglich 20°C warm, bei unterbrochener Hinterlüftung 40°C.


Mechanik zur Betätigung der Klappe in der Hinterlüftung der mit TWD gedämmten Speicherwände.
Deutlich sind die beiden parallel bewegten Klappen zu erkennen.
System und Abbildung: Freymatic AG, Felsberg.

Sicherheitshalber liess der Architekt ein Funktionsmuster erstellen und die zu erwartenden maximalen Raumtemperaturen simulieren. Platzer sieht keine Gefahr der Überhitzung, räumt allerdings ein, dass die Hinterlüftung einen Minderertrag der TWD-Konstruktion um 20 % zur Folge hat. Dagegen kann aufgrund des Luftspaltes mit einem verbesserten Wärmeschutz (k-Wert) gerechnet werden, sofern die Luftklappen tatsächlich dicht sind. "In der Bilanz sind keine Einbussen im Verlgeich zu konventionellen TWD-Konstuktionen zu erwarten", meint der Experte.

Mit 1’000 kWh beträgt der Heizenergiebedarf lediglich einen Bruchteil eines konventionellen Neubaus. Über eine elektrische Bodenheizung gelangt die Heizwärme in die Räume. Ein wesentlicher Sparbeitrag stammt von der mechanischen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Dem Lüftungsgerät ist ein Erdregister vorgeschaltet, das die Zuluft im Winter vorwärmt und im Sommer kühlt. Den ersten Test während zwei Heizperioden haben die beiden 1996 erstellten Häuser bestanden. Über die Energiebeiträge der solaren Gewinnflächen und das thermische Verhalten der Wohnmaschinen wird ein vom Bundesamt für Energie und vom Kanton Graubünden unterstütztes Messprogramm 1999 Auskunft geben.

 

Orientierung Fensterflächen Tageslicht-
nutzung mit TWD
Solarkollektor mit TWD und Speicher Haustüre und Garagentor Summen der Fassaden
k-Wert 0,84 W/m2 K * 0,61 W/m2 K 0,7 W/m2 K - -
g-Wert 29 % 21 % ** 48 % - -
           
Fläche m2 % m2 % m2 % m2 % m2 %
Süd 29,2 10,4 - - 80,4 28,7 - - 109,6 39,1
Nord 18,6 6,6 82,6 29,5 - - 8,4 3,0 109,6 39,1
Ost - - - - 30,5 10,9 - - 30,5 10,9
West 6,4 2,3 - - 24,1 8,6 - - 30,5 10,9
Total 54,2 19,3 82,6 29,5 135 48,2 8,4 3,0 280,2 100,0

Tabelle: Grösse und Eigenschaften der Aussenwandbauteile zur Solarenergienutzung. * Der k-Wert der Fensterfläche versteht sich inklusive Rahmenanteil. ** Die Lichtwand im Norden ist mit Sonnenschutzglas ausgerüstet, um den g-Wert zu reduzieren. Ohne dieses Glas würden im Sommer Raumtemperaturen bis zu 40°C auftreten.

 

Stichwort: Polycarbonat

Polycarbonat (PC) ist ein thermoplastischer Kunststoff, der sich auszeichnet durch hohe mechanische Festigkeit, gute Wärmebeständigkeit und hohe Schlagfestigkeit (auch bei tiefen Temperaturen), gute elektrische Eigenschaften, geringe Wasseraufnahme, geringe Brennbarkeit und gute Transparenz. Der Schmelzpunkt liegt zwischen 220°C und 260°C. Gegen Fette, Öle sowie verdünnte mineralische Säuren ist Polycarbonat beständig, nicht jedoch gegen aromatische Kohlenwasserstoffe. Andauernder Kontakt mit heissem Wasser führt zur Schädigung des Materials. Aus PC werden - neben TWD - Rohre, Ventile, Flaschen, Automobilteile und Schutzhelme gefertigt.

 

Ein Pilotprojekt von Energie 2000

Zum Ziel des Bundesprogramms Energie 2000 gehört die vermehrte Nutzung erneuerbarer Energien und das Ausschöpfen von Energiesparpotentialen. Um dieses Ziel zu erreichen, fördert der Bund ausser der Forschung auch Pilot- und Demonstrationsprojekte, bei denen neue Technik in der Praxis angewendet wird. Auf diese Weise wurde die Entwicklung und Realisierung von Windkraftwerken, Leichtelektromobilen, Biogasanlagen, Kleinwasserkraftwerken und Niedrigenergiebauten möglich. Bei den Häusern in Domat/Ems hat das Bundesamt für Energie und das Amt für Energie des Kantons Graubünden der transparenten Wärmedämmung und insbesondere dem Überhitzungsschutz durch Hinterlüftung Pilotcharakter zuerkannt und einen Beitrag an die nichtamortisierbaren Mehrkosten respektive für Messungen und Steuerungen ausgerichtet.


© Othmar Humm, Oerlikon Journalisten AG, 1-9
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