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Innovationen für Solarthermie

Architektonische Gestaltungsvielfalt: Streifenkollektor und solarthermische Jalousie
Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern zwei neuartige Fassadenkollektoren, die gegenüber herkömmlichen Systemen flexibler in die Gebäudehülle integrierbar sein sollen. Und das Beste: Laut den Wissenschaftlern sollen die Kosten durch die Multifunktionalität der Fassade für die solarerzeugte Wärme deutlich unter den Kosten konventioneller Solarthermiekollektoren liegen. Ein System basiert auf einem Streifenkollektor, bei dem der Abstand und das Material wie Holz oder Putz, Strukturen und Farben zwischen den Streifen frei gewählt werden können. Bei dem anderen System handelt es sich um eine solarthermische Jalousie, die zwischen Glasscheiben eingesetzt werden kann. Beide Entwicklungen verwenden Wärmerohre, sogenannte Heat-Pipes, mit einer trockenen thermischen Anbindung an den Sammelkanal und erlauben so eine flexible Gestaltung des Kollektordesigns.

Derzeit entsteht im Labor der erste Prototyp eines Fassadenelements mit integrierterer solarthermischer Jalousie, die eine energetisch optimale Regelung der Energieströme durch die Fassade ermöglicht. Über eine Heat-Pipe wird die Wärme von der Lamelle an den seitlichen Sammelkanal transportiert. »Wenn außenliegende Jalousien nicht erwünscht oder möglich sind, werden schon heute oft Jalousien zwischen zwei Glasscheiben eingesetzt. Solche Jalousien werden sehr warm, was den Kühlbedarf des Gebäudes erhöht. Die solarthermische Jalousie ist genauso beweglich wie eine normale Jalousie, aber sie liefert gleichzeitig Wärme und verringert den Energieeintrag in das Gebäudeinnere«, erläutert Christoph Maurer, Teamleiter Solarthermische Fassaden am Fraunhofer ISE. Die schaltbare Anbindung an den Sammelkanal ermöglicht es dem Nutzer, die Jalousie zu drehen und zu raffen. Somit können Sonnenschutz- und Wärmegewinn-Funktionen je nach Sonnenstand geregelt werden. Ein Testmuster-Fassadenelement in Originalgröße soll Anfang 2019 fertiggestellt und präsentiert werden, gefolgt von einer Demofassade, die die Anwendung mehrerer Elemente verdeutlicht.

Doppelt attraktiv: Photovoltaisch-thermische Hybdridkollektoren
Fläche wird in stark verdichteten urbanen Zonen immer mehr zur Mangelware – auch nutzbare Fläche auf den Dächern. Nicht selten konkurrieren hier verschiedene Solarsysteme – Photovoltaik zur Stromerzeugung und Solarthermie zur Wärmegewinnung miteinander. Eine Lösung sind photovoltaisch-thermische Hybridkollektoren, kurz PVT-Kollektoren, die beide Technologien in einem Bauteil kombinieren. Forschung und Industrie haben in den letzten Jahren verstärkt Anstrengungen unternommen, die PVT-Technologie weiterzuentwickeln. Um diesen aufstrebenden Markt zu unterstützen, startete das Programm »Solar Heating and Cooling« der Internationalen Energieagentur (IEA SHC) ein globales Forschungs- und Kommunikationsprojekt namens »Task 60: Anwendung von PVT-Kollektoren und neue Lösungen in HLK-Systemen«. IEA SHC ist ein internationales Forschungs- und Informationsprogramm zum solaren Heizen und Kühlen. Rund 200 Experten aus 21 Ländern und fünf Organisationen decken ein breites Themenspektrum ab – von der urbanen Solarplanung über zukünftige Speicherkonzepte bis hin zur Integration großer Solarfelder in Fernwärme- und -kältenetze.

In mehreren europäischen Ländern nimmt der PVT-Markt derzeit Fahrt auf – allen voran in Frankreich und in der Schweiz. »Wir sehen das Interesse an neuen PVT-Lösungen in mehreren Ländern, da die Dachfläche in städtischen Gebieten begrenzt ist«, erläuterte Jean-Christophe Hadorn, Manager der Schweizer Hadorn Business Consulting und Leiter des neuen Forschungsprojekts. Trotz der wachsenden Nachfrage sei PVT immer noch eine junge Technologie, die umfassende Unterstützung aus Forschung und Marketing brauche, so Hadorn weiter.

Dezeitige PV-Module nutzen etwa 15 bis 20 % der einfallenden Sonnenenergie zur Stromerzeugung. Der Rest geht in Form von Wärme verloren. PVT-Elemente nutzen diese Restenergie, um Luft oder Wasser zu erwärmen. Gleichzeitig kühlt die Ableitung der Wärme die PV-Zellen ab und lässt sie so effizienter arbeiten. Die produzierte Menge an Strom und Wärme hängt jedoch von vielen Variablen ab. Aus diesem Grund wird das IEA SHC-Forschungsprojekt Betriebsdaten von Heiz- und Kühlsystemen mit PVT-Komponenten sammeln, mit dem Ziel, die Daten mit dem simulierten Ertrag zu vergleichen. Simulationstools können dadurch optimiert werden. Wissenschaftler des Schweizerischen Institut für Solartechnik (SPF) haben bereits erste Evaluationen durchgeführt: PVT-Kollektoren in der Zentralschweiz liefern in der Regel einen jährlichen elektrischen Ertrag von etwa 160 kWh/m². Die Warmwasserproduktion hängt stark von der Anwendung ab: Je niedriger die erforderliche Temperatur, desto höher die verfügbare Energiemenge. Wird Warmwasser direkt (für Duschen etc.) erhitzt, können jährlich rund 150 kWh Wärme pro Quadratmeter Kollektorfläche gewonnen werden. Wird das Wasser nur vorgewärmt, sind 250 kWh/m² pro Jahr möglich. Bei der Regeneration der Bohrlöcher von Erdwärmesonden können jährliche Solarerträge von 300 bis 400 kWh/m² erzielt werden. Wie stark die Stromerzeugung von der Kühlwirkung der PVT-Technologie profitiert, hängt von der Betriebstemperatur auf der Wärmeseite ab. Niedrigtemperaturanwendungen führen zur höchsten Effizienzsteigerung: Sie ermöglichen im Vergleich zu Standard-PV-Systemen typischerweise einen Anstieg der jährlichen Solarstromerzeugung um 5%.

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