Transparente Wärmedämmung (TWD)

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Mehr Kollektor als Wärmedämmung

Transparent gedämmte Aussen- wandkonstruktionen weisen positive monatliche Energiebilanzen auf.  Die im Raum wirksame Reduktion des Heizenergiebedarfes beläuft sich je Heizperiode auf rund 100 kWh pro m2 TWD-Fassade. Der grösste Teil der Einsparung stammt aus dem Strahlungsgewinn. Der wesentliche Vorteil einer TWD-Fassade liegt aber weniger bei der Energieeinsparung als beim höheren Komfort des angrenzenden Wohnraumes. Der Beitrag zeigt das Prinzip der "offenen Wand" und bringt Resultate zweier Pilot- und Demonstrationsprojekte in Ormalingen und auf der Hundwiler Höhe.

Transparent gedämmte Wandkonstruktionen (TWD) sind Versuche, ein altes Ingenieurproblem des Hausbaus zu lösen: Dem Wärmeabfluss durch Leitung und Konvektion einen hohen Widerstand durch Dämmung der Wand entgegenzusetzen und gleichzeitig einen grossen Gesamtenergiedurchlass von aussen nach innen zur Gewinnung von Solarenergie zu realisieren. Das Fenster macht diesen Spagat und kombiniert "offen" und "zu" in traditioneller und vielfältiger Weise; für neue Konstruktionen gilt dies ganz besonders. Fenster mit k-Werten um 0,7 W/m2 K (3fach-Wärmeschutzverglasung mit Krypton-Füllung) sind für das Auge transparent - das heisst der Tau-Wert ist mit 65 % bis 70 % relativ hoch - aber der Gesamtenergiedurchlass, ausgedrückt durch den g-Wert, liegt um 40 %. Dämmwirkung und Solarenergieertrag sind gegenläufig. Bei diesen Anforderungen kann die transparent gedämmte Wand ein Thema werden.

In den letzten zehn Jahren wurden in Europa Fassadenteile von etwa 20 Bauten transparent gedämmt. Das bekannteste TWD-Objekt ist ohne Zweifel die Jugendbildungsstätte Kloster Windberg des Münchner Architekten Thomas Herzog.

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TWD-M.
Das neue passivsolare Fassadenelement von Schweizer
Die wichtigsten Funktionselernente:

1. Solarglas
2. Transparente Wärmedämmung
3. Absorber
4. Aluminiurnrahrnen, isoliert
5. Sonnenschutz
6. Opake Wand

 

Aufbau einer TWD-Konstruktion

Die Abbildung 1 zeigt das Prinzip einer transparent gedämmten Wand. Das TWD-Material selbst muss mindestens einseitig geschlossen sein, um die Konvektion in Längsrichtung der Kapillarröhrchen zu unterbinden. Bei neuen Konstruktionen liegt der Absorber am Kunststoff an, sodass dieser seitliche Verschluss der Röhrchen konstruktiv sehr einfach möglich ist. Der direkte Kontakt von Absorber und TWD-Material bedeutet aber für den Kunststoff eine latente Überhitzungsgefahr. Ein Luftraum zwischen Absorber und Kunststoff, wie dies bei den ersten TWD-Konstruktionen der Fall war, vermindert diese Gefahr. Die Kapillarröhrchen müssen dann allerdings durch eine anliegende äussere Glasscheibe verschlossen sein. Eine präzise Dimensionierung der Bauteile bringt bei der kompakten Bauweise auch den gewünschten Effekt: Die Temperaturen in der Konstruktion sind über den Absorptionsfaktor des Absorbers und die Wärmeleitfähigkeit der Speicherwand "regelbar".

Die Beschattungseinrichtung ist aus Gründen der Wartung ausserhalb des Glases intelligenter plaziert; sie ist im mittelländischen Klima unerlässlich.

 

Das TWD-Material

Die heute verbauten TWD-Materialien sind auf Wärmedämmung und Strahlungstransmission optimiert. Dabei setzt eine gute energetische Transparenz keinewegs optische Durchsichtigkeit voraus. Wabenstrukturen aus transparenten Kunststoffen haben sich in einigen Anlagen bewährt und gelten heute als das TWD-Material schlechthin. Parallele, zum Absorber senkrecht angeordnete Röhrchen unterdrücken den konvektiven Wärmetransport vollständig. Der Wärmedämmeffekt kommt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der ruhenden Luft in diesen Röhrchen zustande (Lambda = 0,022 W/m K; zum Vergleich: Korkplatte 0,03 W/m K). Der Röhrchen-Durchmesser liegt, je nach Anwendung, zwischen 5 mm und 8 mm. Der Anteil der Wärmeleitung durch das Strukturmaterial liegt unter 10 % des gesamten Wärmetransportes. Basis des TWD-Materials ist Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC).


Kennwerte einer typischen TWD-Konstruktion

Wärmedurchgangskoeffizient k-Wert
im Glasbereich
0,7 W/m2 K
Wärmedurchgangskoeffizient k-Wert ganzes 1,2-m2-Modul (mit Rahmen) 0,9 W/m2 K
Transmissionsgrad (Tau) 65 %
Gesamtenergiedurchlass (g) 0,65
Nettoenergiegewinn je Heizsaison 90 bis 120 kWh/m2
Verlust einer opaken Wand je Heizsaison 25 bis 30 kWh/m2
Spezifische Energieeinsparung 115 bis 150 kWh/m2

Annahmen: Wärmeleitwert des TWD-Materials 0,1 W/m K, Bautiefe 10 cm, beidseitig verglast; Südfassade einer Wohnung; Mauer hinter dem TWD-Material: 30 cm Kalksandstein; Klima: Schweizer Mittelland; k-Wert der opaken Wand: 0,33 W/m2 K; mit dem Transmissionsgrad (Tau) wird der Strahlungsdurchgang (von aussen nach innen) des sichtbaren Lichtes (380 bis 780 nm) bezeichnet.


Der Weg der Energie

Solarstrahlung durchdringt die äussere Glasscheibe und die transparente Dämmschicht und wird dadurch stark gestreut. Die Brechung des Lichtes ist naturgemäss vom Einfallswinkel der Strahlung abhängig. Gut ein Drittel der Solarstrahlung wird an der Glasscheibe und im TWD-Material reflektiert oder geht durch langwellige Strahlung verloren. (Die Kapillaren leiten das Licht in Richtung Absorber, was erwünscht ist.) Der die TWD-Konstruktion durchdringende Strahlungsanteil erzeugt im dunkel gefärbten Absorber Wärme, die im Verhältnis der k-Werte der angrenzenden Bauteile abströmt. Ein Beispiel mit Zahlen: Die wirksame Globalstrahlung auf der Oberfläche der Konstruktion beträgt an einem sonnigen Tag 500 W pro m2. Davon kommt ein Drittel wegen Reflexion und Wärmeverlusten nicht bis zum Absorber. Die wirksame Wärmeleistung im Absorber beträgt demnach 330 W/m2. Bei einer zum Absorber energetisch symmetrischen Konstruktion übernehmen - durch Wärmeleitung oder Konvektion - die opake Wand und das TWD-Material je 160 W/m2. Wenn die Sonne mitmacht, sind das pro m2 und Tag 1 bis 1,5 kWh speicherbare Wärme im Absorber und in der Backstein- oder Betonwand. Von diesem "Bruttogewinn" müssen die nach aussen wirkenden Wärmeabstrahlungsverluste subtrahiert werden. Insbesondere in der Nacht bei unbewölktem Himmel gibt eine warme TWD-Wand relativ viel Wärme ab. Über eine Südfassade können je Heizperiode rund 100 kWh Wärme pro m2 gewonnen werden. Eine Energiebilanz berücksichtigt den (vermiedenen) Wärmeverlust einer opaken Wand - 20 bis 30 kWh/m2 a, was zu einer kumulierten Energieeinsparung von rund 125 kWh/m2 a führt. Subjektiv wird eine TWD-Wand als grossflächiger Niedertemperaturkollektor erfahren - eine aufgeklappte Bodenheizung sozusagen. Die Temperaturen auf der raumseitigen Oberfläche der TWD-Konstruktion variieren zwischen 20°C und 35°C.

 

6 wichtige Punkte

 

Parameteranalyse an einem TWD-gedämmten Wohngebäude

Alfred Kerschberger führte 1994 an der Universität Stuttgart eine umfangreiche Parameter-Analyse an einem nach der Wärmeschutzverordnung 1982 gedämmten Wohngebäude durch. Kerschberger variierte insgesamt 17 Parameter und errechnete die an der TWD-gedämmten Aussenwand resultierende Energieeinsparung pro m2 TWD-Wand. Die Simulationen zeigten, dass einzelne Parametern einen sehr grossen, andere einen geringen Einfluss auf den TWD-Ertrag haben.

 

Grosse Auswirkungen auf den Ertrag der TWD-Konstruktion haben:

 

Mittlere Auswirkungen:

 

Geringe Auswirkungen:

 

Standort, Rohdichte und g-Wert

Die unterschiedliche Klassierung von g- und k-Wert korreliert mit einer wesentlichen Eigenschaft von TWD-Konstruktionen: Das Einsparpotential durch Strahlungsgewinne ist um den Faktor 4 grösser als jenes durch Verminderung der Energieverluste. TWD ist eben mehr Sonnenkollektor als Wärmedämmung!

Nicht ganz unerwartet hat die Variation der Rohdichte der Aussenwand einen grossen Einfluss auf den TWD-Ertrag. Der Grund liegt in der erhöhten Wärmeeindringung und der grösseren Speicherfähigkeit von schweren Wandkonstruktionen. Fazit: Im TWD-Bereich müssen schwere Materialien vorgesehen werden, möglichst über 2'000 kg/m3. Opake Gebäudehüllen sollten dagegen leicht gebaut sein, weil dadurch die Wärmedämmung verbessert wird.

Von allen untersuchten Parametern ergibt der Standort die höchste Variation bei den Energieeinsparungen aufgrund der TWD-Applikation. An Standorten mit hohen Strahlungsgewinnen bei gleichzeitig langen Heizperioden ergeben sich naturgemäss die höchsten TWD-Nutzwerte, weil auch sommerliche Wärmebeiträge verwertet werden können. Am Referenzstandort Stuttgart spart 1 m2 TWD-Wand rund 110 kWh ein, in Davos sind es mehr als das doppelte, während in Lerwick auf den Shetland-Inseln ungefähr das anderthalbfache - 170 kWh/m2 - an Energieeinsparung möglich ist. Die TWD-Simulationen decken sich weitgehend mit den Erfahrungen, die in den letzten Jahren an Häusern mit passiver oder hybrider Sonnenenergienutzung (Fenster und Fensterkollektoren) gemacht wurden.

 

Beispiel Ormalingen

An einem Einfamilienhaus in Ormalingen, Baselland, ist ein Teil der Südfassade mit rund 36 m2 transparent gedämmt - davon sind 31 m2 aktive Fläche. Mit Unterstützung des Pilot- und Demonstrationsprogrammes des Bundesamtes für Energiewirtschaft wurde das Haus ausgemessen; im Zentrum der Untersuchung stand die Wirkung der TWD-Applikation sowie die Tauglichkeit der Beschattungseinrichtung. Der rechnerische Heizenergiebedarf nach SIA 380/1 beträgt - mit TWD - 102 MJ/2 a. Der Beitrag der TWD wurde mit 70 MJ/m2 a (Energiebezugsfläche) simuliert, was einem gesamten TWD-Ertrag von 3'550 kWh oder 113,7 kWh/m2 TWD entspricht. (Die in der Abbildung aufgeführten Werte wurden gemessen.)

Beweglicher oder fester Sonnenschutz? Die Frage lässt sich bereits heute beantworten: Der von Hand bewegte Stoffrollo schneidet bezüglich Wärmeertrag wesentlich beser ab, als die fixe Lamellenkonstruktion. Der Grund dürfte bei der intelligenten

"Steuerung" liegen. Die Rollos werden von den Bewohnern betätigt. Sehr gut betreute Häuser sollten also mit beweglichen, "anonyme" oder grosse Bauten eher mit festem Sonnenschutz ausgestattet sein.

 

Hundwiler Höhe

Das weitherum bekannte Bergrestaurant Hundwiler Höhe liegt auf 1306 m oberhalb von Hundwil, an der Grenze zwischen Innerrhoden und Ausserrhoden. Der zweigeschossige Neubau wurde als Wohnhaus für Angestellte in Niedrigenergiebauweise geplant und realisiert. Die Südfassade wird einerseits durch Fenster, andererseits durch 40 transparent gedämmte Paneele mit einer aktiven Fläche von 42 m2 gebildet. Die Module sind 130 cm hoch, 90 cm breit und 18,5 cm tief. Die Bautiefe von 185 mm teilt sich, von aussen nach innen, wie folgt auf: Rahmenüberstand 8 mm, Glas 4 mm, Luftzwischenraum 30 mm, transparente Wärmedämmung 120 mm, Absorber 8 mm, Luft zwischen Absorber und Mauerwerk 15 mm. Dieser Zwischenraum gleicht Unebenheiten im Mauerwerk aus, verringert aber auch den Wirkungsgrad des TWD-Systems, weil der Wärmetransport strahlend und konvektiv - und nicht leitend - erfolgt. Grobe Schätzungen gehen von einer Ertragseinbusse um 10 % aus. Simulationen der Temperaturen innerhalb der TWD-Konstruktion hat Höchstwerte von 80°C bis 90°C ergeben; diese Temperaturen treten an der äusseren Oberfläche des Absorbers auf. Da der zulässige Grenzwert für das TWD-Material 110°C beträgt, liegt die Konstruktion auf der sicheren Seite - auch ohne Beschattungseinrichtung. Der Architekt und der Hersteller der Module wollten keine Risiken eingehen und wählten eine Fassade, die ohne viel Aufwand mit einem Sonnenschutz nachgerüstet werden kann. Das TWD-Material stammt, wie bei anderen Objekten dieser Art, von der deutschen Firma Okalux.

Die transparente Wärmedämmung halbiert den Heizenergiebedarf (nach Sia 380/1) des Wohnhauses auf der Hundwiler Höhe: Statt 200 MJ/m2 sind es nur 100 MJ/m2 Energiebezugsfläche. Bei einer EBF von 200 m2 ergibt sich ein TWD-Ertrag von 20'000 MJ oder 138 kWh/m2 TWD.

Die beiden vorgestellten Projekte sind durch das Pilot- und Demonstrationsprogramm (P+D) des Bundes und der Kantone unterstützt worden. Die verfügbaren Bundesbeiträge für P+D-Anlagen sind für das Jahr 1995 bereits fest verpflichtet. Dies hat zur Folge, dass durch das Bundesamt für Energiewirtschaft bis Jahresende keine P+D-Projekte mehr bewertet und unterstützt werden. Der Grund dafür liegt einerseits am unerwartet grossen Erfolg des P+D-Programmes, andererseits an den vom Parlament und vom Bundesrat verfügten Budgetkürzungen.

1996 wird das P+D-Programm mit vier Förderschwerpunkten und ungekürzten Finanzmitteln weitergeführt. Die Schwerpunkte sind: Ge-bäude, Lüftung, Klima; Verkehr, Leichtelektromobile; Umweltwärme (Wärmepumpen); Biomasse (Holz). Nach wie vor gültig sind die Randbedingungen für P+D-Projekte. Danach müssen förderungswürdige Vorhaben neu sein, ein grosses Anwendungspotential haben sowie eine professionelle Realisierung erwarten lassen. Gesuche sind an das Bundesamt für Energiewirtschaft, 3003 Bern, oder an die Energie-fachstelle des Standortkantons zu richten.

In Mitteleuropa arbeitet eine kleine Gruppe von Wissenschaftler und Praktikern an TWD-Konstruktionen. Dazu gehören das in Freiburg in Breisgau domizilierte Fraunhofer Institut für solare Energiesysteme, das Institut für Bauökonomie der Uni Stuttgart und die Hedinger Metallbaufirma Ernst Schweizer AG. Die Energiefachstelle des Kantons Zürich sowie die Koordinationsstelle Wärmeschutzforschung im Hochbau an der EMPA in Dübendorf haben eine grosse Zahl von Projekten finanziell unterstützt und fachlich begleitet.

 

Beteiligte

Einfamilienhaus Ormalingen

Bauherrschaft
Familie Buser
4466 Ormalingen

Architekt
Hans Rüegg
4054 Basel

Ingenieur
Sopra Solarpraxis
Christian Völlmin
4410 Liestal

 

Angestelltenhaus Hundwiler Höhe

Bauherrschaft
Marlies Schoch

Hundwiler Höhe
9064 Hundwil

Architekt
Peter Dransfeld
8272 Ermatingen

 

TWD-Fassade und TWD-Module beider Objekte

Ernst Schweizer AG
8908 Hedingen

 

TWD-Material

Okalux Kapillarglas GmbH
D-97828 Marktheidenfeld-Altfeld

 

Literatur

Kerschberger, Alfred: Transparente Wärmedämmung zur Gebäudeheizung. Systemausbildung, Wirtschaftlichkeit, Perspektiven. Bauök-Papiere 56 der Universität Stuttgart, 1994.

 

Berichterstattung

Othmar Humm, Fachjournalist Technik + Energie, 8050 Zürich


© Othmar Humm, Oerlikon Journalisten AG, Zürich 21.2.98
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