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Geklebte Photovoltaik-Fassade

Ab 2020 sollen alle Neubauten in den Mitgliedsstaaten der Europäischen Union so viel Energie erzeugen, wie sie verbrauchen. Das wurde im Rahmen der Klimaschutz- und Energieeffizienzziele des Staatenverbundes festgelegt. Um die strengen EU-Richtlinien umzusetzen, sind Photovoltaikanlagen gefragt, da sie gebäudenah erneuerbare Energie erzeugen können und dabei emissions-, lärm- und wartungsarm sind. Übernimmt das Photovoltaik-Modul durch Gebäudeintegration auch noch eine Gebäudefunktion wie Witterungsschutz, können zudem konventionelle Bauprodukte eingespart werden. Für Niedrigstenergiegebäude meist notwendig, ist die zusätzliche Nutzung der Fassadenfläche zur Energiegewinnung. Der Nachteil bisheriger sogenannter Building Integrated Photovoltaics (BIPV): Die Standardisierung der Elemente macht eine individuelle Fassadengestaltung schwierig. Zudem wirken Rahmen und mechanische Befestigungen herkömmlicher Module optisch störend.

Dies ist die Ausgangsbasis für das europäischen Verbundforschungsvorhaben Construct PV, in dessen Rahmen effiziente und kostengünstige gebäudeintegrierte Photovoltaik für opake Flächen in Dach und Fassade anwendungsorientiert entwickelt und deren Marktreife demonstriert wurde. Das Konsortium umfasste Partner aus Industrie und universitärer Forschung, insbesondere aus den Bereichen PV-Technologie und Hochbau, um die relevanten Akteure miteinander zu verbinden. In einem integrierten Ansatz wurde die Wertschöpfungskette für eine BIPV-Anlage vom Moduldesign über die Herstellung, die Anlagenplanung und -integration in den Bauprozess betrachtet, um die Anschaffungs- und Herstellungskosten, die den größten Anteil an den Lebenszykluskosten einer BIPV-Anlage haben, zu senken.

Geklebte Photovoltaik-Testfassade
Das Z3 wurde 2012 nach Plänen von MHM architects aus Wien fertiggestellt. Als Niedrigstenergie-Gebäude ist es mit einem DGNB-Zertifikat in Gold ausgezeichnet. Charakteristisch für den Bau sind die vor- und zurückspringenden 18 Meter hohen Lisenen aus brettschichtverleimtem, unbehandeltem Lärchenholz, die zur Verschattung beitragen. Sie stehen im Kontrast zu dazwischen liegenden, dunkel wirkenden Fassadenstreifen, bei denen sich Fenster und graphitgraue Glasbrüstungen abwechseln. Die Brüstungen aus ESG-Scheiben wurden nach dem Structural-Glazing-Prinzip lastabtragend geklebt. Im Rahmen von Construct PV wurden sie 2017 auf der Südfassade gegen Glas-Glas-Photovoltaik-Module ausgetauscht. Am Züblin Gebäude Z3 fügen sich nun die PV-Elemente dank eines speziellen, lastabtragenden Klebstoffs ohne mechanische Zusatzsicherung in die Architektur ein.

Um die Photovoltaik-Module in die Gebäudegestaltung mit einzubinden, waren neben konstruktiven auch gestalterische Lösungen gefragt. Das niederländische Architekturbüro UNStudio entwarf dazu zunächst eine Musterfassade, die sich nicht nur mit der Positionierung der Module, sondern auch der Gestaltung der Elemente auseinandersetzte. Dafür kamen verschiedene Siebdrucke zum Einsatz. Für das Z3 wählten die Architekten ein Design, das an das gezackte Profil der Holzlisenen angelehnt ist. In Kombination mit der unsichtbaren, geklebten Befestigung fügen sich die PV-Elemente harmonisch in das architektonische Gesamtbild ein. Erst bei genauerem Hinsehen werden die Photovoltaik-Module als solche identifizierbar.

Da die vorspringenden Holzlisenen die Module an der Fassade teilweise verschatten, wurde jedes Element elektrisch dreigeteilt und die jeweiligen Zellen entsprechend ihrer Position mit anderen Modulen zusammengeschaltet. So wird auch dann Energie erzeugt, wenn nur ein Teil eines Paneels von der Sonne beschienen wird. Die Module selbst wurden vom Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme (ISE) und Meyer Burger entwickelt, Klebstoff und Wasserdampfsperre stammen vom Forschungs- und Entwicklungsteam des Unternehmens Kömmerling.

Zustimmung im Einzelfall für lastabtragende Verklebung
Ausschlaggebendes Regelwerk für Structural Glazing Fassaden ist die Europäische Technische Zulassung 002 (ETAG 002), sie unterteilt Fassadenkonstruktionen in vier Typen. Lastabtragende Verklebungen ohne jegliche ergänzende Haltevorrichtungen werden in der Leitlinie nach Typ IV geregelt. In Deutschland sind bisher nur Systeme mit mechanischem Eigengewichtsabtrag nach Typ I und II zugelassen, sodass eine Dauerbeanspruchung der Klebefuge grundsätzlich nicht zulässig ist. Für die Umsetzung der rein verklebten PV-Module am fünfgeschossigen Z3 musste deshalb eine Zustimmung im Einzelfall beantragt werden. Diese wurde durch den speziellen Klebstoff sowie den innovativen Aufbau der PV-Elemente erreicht. Die Frontscheibe der Glas-Glas-PV-Module steht seitlich über. Dieser Stufenaufbau erlaubt die unabhängige Verklebung der Front- und der Rückscheibe auf der Unterkonstruktion, so dass die Lastabtragung aufgeteilt wird. Als Klebstoff kam 2-K Structural Glazing Silikon Ködiglaze S zum Einsatz. Statische und dynamische Lasten auf der Außenfassade wie zum Beispiel Eigengewicht, Wind- und Schneelasten sowie thermische Ausdehnung werden über die strukturelle Verklebung auf die Unterkonstruktion übertragen.

Insgesamt wurden an der Südfassade des Züblin-Bürogebäudes 186 Photovoltaik-Module in sechs verschiedenen Größen installiert. Die Fläche kommt auf eine Gesamtleistung von 30 kWp und soll einen elektrischen Ertrag von 17.000 kWh/Jahr liefern. Diese Ausbeute würde reichen, ein durchschnittliches Einfamilienhaus etwa ein halbes Jahr mit Energie zu versorgen. Die gewonnene Energie wird in das Z3-Gebäude eingespeist. Wissenschaftlich erfasst und überwacht wird der Solarstrom-Ertrag vom ISE.

Die Lösung der verklebten PV-Module bringt laut den Forschern neben technischen besonders auch ästhetische Vorteile, was vor allem für Architekten von Relevanz ist. Das Team erhofft sich dadurch die Anwendung gebäudeintegrierter PV-Module und somit eine umweltschonende Energiegewinnung positiv zu unterstützen.

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