Fortschritt in der Sanierung: Modul für nachhaltige Gebäudetechnik

Um das serielle Bauen voranzubringen, wurden in verschiedenen Forschungsprojekten bereits einige komplette modulare Fassaden als auch einzelne Fassadenkomponenten unter die Lupe genommen und auf ihre Marktfähigkeit hin geprüft. Darunter waren sowohl Fassadenmodule in Form von reinen Fassadensystemen für Sanierungen und Neubauten mit hohem Vorfertigungsgrad als auch multifunktionale Systeme mit integrierter Anlagentechnik.

Die nachfolgende Aufzählung gibt einen Querschnitt wichtiger Entwicklungen in diesem Bereich wieder, ohne dabei den Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben.

TES Energy Facade

Die TES Energy Facade (timberbased element systems for improving the energy-efficiency of the building envelope) wurde für die energetische Sanierung von Bestandsgebäuden entwickelt. Die integrierte Gebäudetechnik nebst PV-Modulen sollen zu einer Energieeinsparung führen. Dabei ist eine Montage bereits vorgefertigter Holzrahmenelemente vorgesehen. Auf Basis der TES Energy Facade wurde das smart TES durch Zusammenarbeit mehrerer Universitäten aus Deutschland, Finnland, Norwegen und Österreich entwickelt, das die Integration des Systems in den Markt ermöglichen soll. Unter anderem wurden hier rechtliche Vorgaben und technische Realisierbarkeit untersucht und Demonstrationsmodule für Monitoringprojekte gefertigt. In die TES-Elemente werden unterschiedliche Komponenten integriert, so zum Beispiel Leitungen für Lüftung, Trink- und Abwasser sowie Kabel für Strom und Kommunikation. Eine wärmedämmende Schicht schützt das Gehäuse der Geräte.

LucidoTech

Die Lucido Solar AG entwickelte drei Lowtech-basierte, solaraktive Fassadenmodule zur solaren Frischluftvorerwärmung (Lucido, Lucido ePlus, Lucido aPlus). Das System basiert auf der Absorption und Speicherung der auf die Fassade auftreffenden Solarenergie und soll somit eine thermische Pufferzone innerhalb der Gebäudehülle schaffen. Eine konventionelle Dämmschicht ist nach wie vor notwendig, sie kann jedoch wesentlich schlanker dimensioniert werden. Hauptmerkmal des Lucido-Systems ist dessen transparente Glashülle mit einem Luftspalt und einem lamellenförmigen Massivholzabsorber, welche vor die konventionelle Dämmschicht gehängt werden. Die lamellenartige Geometrie soll es erlauben, die thermodynamische Wirkungsweise im Sommer und Winter zu variieren. Im Sommer verschattet die Lamellenstruktur den Holzabsorber, was die solare Energieaufnahme minimiert und die Innenräume vor Überhitzung schützt. Im Winter hingegen verhindert der großflächige Holzabsorber die extreme Auskühlung der Fassade.

E2VENT

Das Projekt E2VENT umfasst zwei energieeffiziente Fassadenmodule zur Integration von Lüftungsanlagen in bestehende Wohngebäude, vordringlich Mehrfamilienhäuser. Mit der Smart Modular Heat Recovery Unit (SMHRU) wird ein Doppelwärmetauscher in die zu sanierende Fassade integriert. Darüber hinaus kann das sogenannte „Latent Thermal Energy Storage“ (LHTES) durch PCM eine latente Wärmespeicherung bewirken. Bislang wurden drei Demonstrationsgebäude mit den Systemen ausgestattet.

Multi-Aktiv-Fassade (MAfa)

Das Modul MAfa enthält eine integrierte Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, Passivhausfenstern und PV. Den Wärmeschutz sichert eine Kartonwabendämmung von Gap Solution. Die Konstruktion sollte teilweise vorgefertigt werden und so die Sanierungszeiten beschleunigen. Zugleich soll sich der bauliche Aufwand für den Passivhausstandard im Wohnungsbau minimieren. Ein Demonstrator an einer multifunktionalen Fassade in einem Mehrfamilienhaus in Wien soll messbare Erkenntnisse hervorbringen. Projektbeteiligte waren unter anderem die Universität für Bodenkultur Wien und die Stadt Wien.

GAP:skin

Bei dem von GAP solution entwickelte Solarpaneel GAP:skin bildet eine Solarwabe den Kern des Moduls. Sie reflektiert im Sommer einen Großteil der Solarstrahlung, senkt durch Eigenverschattung den Kühlbedarf im Gebäude und absorbiert im Winter die Solarstrahlung aufgrund des niedrigeren Sonnenstands. Durch die Absorption fungiert die Wabe als Dämmebene und reduziert die Wärmeverluste und Wärmebrücken. Das System wurde schon in vielen Gebäuden verbaut. Das zuvor beschriebene Projekt MAFa verwendet übrigens das hier beschriebene GAP-Element. 

CoolSkin

Das Projekt CoolSkin verbindet die Idee einer fassadenintegrierten Lüftungsanlage mit angeschlossener Wärmepumpe als Fassadenmodul, was eine autonome Energiebereitstellung ermöglichen soll. Das System wurde an der Technischen Universität Graz getestet. Der Strom für den Antrieb des gesamten Energiesystems wird durch eine fassadenintegrierte PV-Anlage bereitgestellt, in der der Solarstrom direkt verbraucht werden kann oder eine Batterie als Energiespeicher fungiert. Ein kompaktes Wärmepumpensystem, das ebenfalls in die Fassade integriert ist, entzieht dem Büroraum Wärme zu Kühlzwecken über konditionierte Luft oder zirkulierendes kaltes Wasser. Die PV-Komponente stammt von dem Modulhersteller ERTEX-solar. Das Kühlsystem besteht unter anderem aus einem speziell entwickelten Kompressor der Technischen Universität Graz. Im Fazit wird festgehalten, dass es im schlimmsten Fall Tage mit Kühlbedarf gibt, gleichzeitig aber nicht genügend Sonneneinstrahlung vorhanden ist, um die Last zu decken. Weiterhin wurden kritische Einstellungen des Systems getestet.

SalüH!

Gemeinsam mit Kooperationspartnern aus Forschung und Industrie forschte die Universität Innsbruck unter der Leitung des Arbeitsbereichs für Energieeffizientes Bauen an dem Projekt SalüH!. Das übergeordnete Ziel war die Erarbeitung von kostengünstigen Lösungen für die Sanierung von mehrgeschossigen Wohnhäusern, was konzeptionell mit dezentralen Kleinst-Wärmepumpen für Heizung (kombiniert mit der Lüftungsanlage) und für Trinkwarmwasser erreicht wurde. Insgesamt drei sich ergänzende technische Lösungsansätze wurden als Funktionsmuster umgesetzt:

• Lüftungs-Heizungs-Wärmepumpe
• kompakte Trinkwarmwasser-Wärmepumpe mit Speicher
• aktive Überströmer

Die Heizleistung liegt im Bereich von 1 kW, die Zu-/Abluft-Volumenströme betragen 90 bis 150 m³/h. Es konnte bei der Entwicklung der Lüftungs-Wärmepumpe auf Erfahrungen des kurz vor Projektstarts abgeschlossenen EU-Projektes iNSPiRe zurückgegriffen werden, in dem ein Funktionsmuster einer Fortluft-Zuluft-Wärmepumpe in eine vorgefertigte Holzfassade integriert wurde.

Capricorn Gebäude

Eine Besonderheit des bereits 2008 in Düsseldorf fertiggestellten Capricorn-Gebäudes mit seinen prägnanten roten Glaspaneelen liegt in der von den Architekten Gatermann + Schossig konzipierten i-modul-Fassade. Die Fassade ist mit einem eigenen Lüftungssystem zum Kühlen, Heizen und Wärmerückgewinnen ausgestattet. Zudem sind Beleuchtung, Schallabsorptions- und Raumakustikelemente im Modul integriert. Das Gebäude hat zahlreiche Auszeichnungen erhalten, unter anderem ist es 2016 mit DGNB Platin prämiert worden.

PLUG-N-Harvest

Das von der EU finanzierte Projekt PLUG-N-HARVEST untersucht ein modulares Fassadensystem zur Nachrüstung bestehender Gebäude. Das Konsortium besteht aus Forschungs-, Industrie- und Kommunalverwaltungspartnern aus Deutschland, Griechenland, Großbritannien, Spanien und Rumänien. Das Design basiert auf einer modularen Toolbox, welche die energetische Effizienz der Gebäudehülle verbessert und die Gebäudetechnologie zur dezentralen Lüftung und Erzeugung erneuerbarer Energien kombiniert. Durch die außenseitige Installation an der Fassade können diese Module einfach nachgerüstet werden.

Die Modulkonfiguration erfolgt nach den Grundsätzen der Kreislaufwirtschaft, den länderspezifischen Vorschriften, lokalen klimatischen Bedingungen, bestehenden Gebäudestrukturen, Nutzungsprofilen und persönlichen Vorlieben. Der modulare Ansatz soll eine Serienproduktion und Vorfertigung ermöglichen. Es sind auch alternative Geschäftsmodelle wie Leasing geplant. Die baupraktische Umsetzung enthält Simulationen, Labortests und die Durchführung von Pilotprojekten in Deutschland, Griechenland, Spanien und Wales. Eine anschließende Monitoringphase analysiert die Vorteile bei der Reduzierung der Primärenergie, die Emissionsersparnis und den Komfortgewinn.

EE-Modulfassade

Forscherteams am Fraunhofer IBP und am Fraunhofer IEE entwickeln derzeit mit Projektpartnern aus der Industrie eine sogenannte Erneuerbare Energien-Modulfassade (EE-Modulfassade), die das Gebäude umweltfreundlich mit Strom versorgt und damit die Räume beheizt, kühlt und lüftet. Herzstück des Moduls ist eine PV-Anlage, die mit einer Wärmepumpe als hocheffizientem Wärme- und Kälteerzeuger kombiniert ist, sowie ein dezentrales Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung enthält. Alle erforderlichen anlagentechnischen Bauteile sind in dem EE-Modul-Fassadenelement untergebracht, was einen hohen Vorfertigungsgrad ermöglicht (Abb. 1, 2). Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie fördert das Verbundforschungsvorhaben.

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer kostengünstigen modularen Sanierungs- und Neubaufassade, wobei die Sanierung – wie auch bei vielen Operationen in der Medizin – minimalinvasiv erfolgen soll. „Wir renovieren nicht das komplette Gebäude, sondern nur die Fassade. Die alte Fassade wird künftig durch neue industriell vorgefertigte Module mit integrierter Anlagentechnik ersetzt, was sie somit multifunktional macht und an die neuen Energiestandards anpasst“, erläutert Projektleiter und Wissenschaftler Jan Kaiser vom Fraunhofer IEE. Die gesamte Heiz-/Kühl- und Lüftungstechnik für den dahinterliegenden Büroraum werde in die Fassade integriert.

Da sich die Module vorfertigen lassen, können sie von der Stange produziert werden. Das bietet Planern und Investoren eine hohe Kostensicherheit und einen klar definierten Kostenrahmen (Abb. 3). Der Austausch erfolgt in nur wenigen Stunden. Da die Heiz- und Lüftungstechnik bereits integriert ist, müssen keine neuen Rohre im Gebäudeinneren verlegt werden. Die Fassade muss nur über einen Stromanschluss verfügen, um auch in Zeiten ohne PV-Strom die Räume klimatisieren und lüften zu können. Der Installations- und Abstimmungsaufwand an der Baustelle sinkt. Die Nutzer der Räume müssen während der Sanierung im Idealfall nicht extra ausziehen.

Die EE-Modulfassade eignet sich vor allem für Büro- und Verwaltungsgebäude sowie für Schulen, die in Skelettbauweise errichtet wurden – eine Bauweise, die bereits in den 50er, 60er und 70er Jahren üblich war (Abb. 4). Anstelle von tragenden Wänden halten Stahlbetonstützen die Geschossdecken. Bei der Sanierung werden die alten Fassadenelemente abgenommen und die neuartigen, geschosshohen Module vor der Gebäudestruktur eingehängt (Abb. 5). Eine einzelne Technikeinheit der EE-Modulfassade ist 1,25 m breit und 30 cm tief. Jede Einheit kann hierbei einen rund 24 m² großen Raum versorgen.

Das integrierte PV-Modul erzeugt Energie und versorgt zum Teil die Anlagenkomponenten wie etwa die Wärmepumpe mit Strom. Diese fungiert zugleich als Wärme- und Kälteerzeuger. Sie ist somit das bestimmende Bauteil der Technikeinheit der EE-Modulfassade und wird über eine intelligente Regelung effizient betrieben. Aus einer Einheit Strom kann sie drei bis vier Einheiten Wärme produzieren. Über einen im Luftspalt hinter dem PV-Element montierten Ventilatorkonvektor entzieht der Außenluft sie die Wärme und gibt sie ebenfalls über einen Ventilatorkonvektor als Heizwärme an den dahinterliegenden (Büro-)Raum ab. Muss sie kühlen statt heizen, wird der Kreislauf umgekehrt, dabei entzieht sie die Wärme der Innenluft und führt sie an die Außenluft ab.

Eine integrierte dezentrale Lüftungstechnikeinheit regelt den Luftwechsel und die Wärmerückgewinnung. Durch eine gezielte Verschaltung mit der Luftklappe wird nur ein Ventilator benötigt, wodurch sich der Stromverbrauch minimiert. Das Lüftungsgerät wechselt dabei zyklisch zwischen Zu- und Abluftbetrieb und führt damit quasi eine Atmung aus. Darüber hinaus sorgen Vakuumdämmelemente für den Wärmeschutz. „Die neue EE-Modulfassade bietet einen exakt aufeinander abgestimmten Wärme- und Sonnenschutz bei gleichzeitig geringem Energiebedarf und hohem Nutzungskomfort“, betont Michael Eberl, Wissenschaftler am Fraunhofer IBP und Kollege von Jan Kaiser im Projekt.

Geschätzte 31 % der Fassaden im Zeitraum von 1950 bis 1990 sind nicht lastabtragend (Skelettbau). Ihr Energieverbrauch für Wärme beträgt rund 10,4 TWh/a. Nach einer Sanierung sinkt der rechnerische Bedarf auf 2,1 TWh/a. Somit lässt sich ein Einsparpotenzial von rund 8,3 TWh/a erreichen. Ein weiterer grundlegender, und nicht zu unterschätzender Vorteil vorgefertigter Modulfassaden ist deren Beitrag zur Anhebung der Sanierungsquote. Die Vorfertigung verkürzt Bauzeiten, ermöglicht den Austausch der Fassadenelemente während des Betriebs und gleicht den Fachkräftemangel aus.