MultiKomp-I

Solarthermische Kollektoren zur solaren Erwärmung von Trinkwarmwasser und zur Heizungsunterstützung werden heutzutage in den meisten Fällen auf dem Gebäudedach (Indach-, Aufdachmontage oder Aufständerung) angebracht. Um die solaren Deckungsanteile an der Wärmeversorgung von Wohn- und Bürogebäuden weiter zu erhöhen, werden jedoch zusätzliche Flächen für die Kollektoren benötigt. Aufgrund der begrenzten Dachfläche bietet sich hierfür die Fassade an, was zudem den Vorteil mit sich bringt, dass die jahreszeitlichen solaren Energiegewinne besser der Heizlast angepasst sind. So können im Vergleich zu Dachkollektoren die solaren Erträge im Winter gesteigert und Stagnationszeiten im Sommer vermindert werden. 

Im Forschungsprojekt „MultiKomp-I“ wurden sogenannte multifunktionale solare Gebäudekomponenten entwickelt, d.h. Fassadenelemente mit integrierten solarthermischen Komponenten, welche die klassische Trennung zwischen Gebäude- und Anlagentechnik aufheben. Das Ziel war die Vereinigung architektonischer Anforderungen wie Statik, Schutz vor Witterungseinflüssen, Schall- und Wärmedämmung etc. mit den Funktionalitäten einer solarthermischen Anlage zur Warmwasserbereitung und/oder Raumheizung in einem einzelnen Fassadenelement. Nach der Erarbeitung einiger grundlegender Konzepte für derartige fassadenintegrierte solarthermische Anlagen sowie umfangreichen Simulationsstudien mit dem Simulationsprogramm TRNSYS wurden zwei Prototypen aufgebaut und unter Laborbedingungen messtechnisch untersucht. Einer der Prototypen wurde zudem in einem eigens dafür konzipierten und errichteten Außenprüfstand unter quasi-realen Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen erprobt. Für diesen Prototyp wurden außerdem eine wirtschaftliche und eine ökologische Bewertung durchgeführt. 

Das Projekt umfasste die folgenden wesentlichen Inhalte:

• Entwicklung von mehreren grundlegenden Konzepten für multifunktionale solarthermische Fassadenelemente
• Dynamische gekoppelte Gebäude- und Anlagensimulationen ausgewählter Konzepte mit dem Simulationsprogramm TRNSYS
• Technologische Entwicklung und Aufbau von zwei Prototypen für verschiedene Arten fassadenintegrierter solarthermischer Anlagen
• Erprobung der beiden realisierten Prototypen unter Laborbedingungen
• Erprobung eines Prototyps auf einem eigens dafür konzipierten und errichteten Außenprüfstand unter quasi-realen Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen
• Wirtschaftliche und ökologische Bewertung eines Prototyps

Der erste im Projekt aufgebaute und untersuchte Prototyp stellt ein kompaktes solarthermisches Fassadenelement zur solaren Unterstützung der Trinkwassererwärmung dar. Der Aufbau des Prototyps ist in der untenstehenden CAD-Zeichnung dargestellt. Bei diesem solarthermischen Fassadenelement wird ein in der Fassade befindlicher rechteckiger, druckloser Warmwasserspeicher über eine davor angeordnete transparente Wärmedämmung direkt solar beladen. Das heißt, die Solarstrahlung gelangt durch die transparente Wärmedämmung und trifft auf die nach außen gerichtete Wand des Warmwasserspeichers auf, erwärmt diese und damit schließlich auch das Wasser im Speicher. Entladen wird der Speicher über einen externen Wärmeübertrager.

Der Prototyp wurde zunächst im dynamischen Sonnensimulator am IGTE vermessen. Hierbei konnte die grundsätzliche Funktionsfähigkeit des Konzeptes und dabei insbesondere die Eignung der transparenten Wärmedämmung für die direkte solare Beladung des Warmwasserspeichers aufgezeigt werden. Des Weiteren wurden für den Warmwasserspeicher des Prototyps wichtige Speicherkennwerte, wie z.B. das effektiv nutzbare Speichervolumen, die Wärmeverlustrate im Stillstand sowie die effektive vertikale Wärmeleitfähigkeit, auf einem Speicherprüfstand ermittelt.

Im Anschluss an diese Laborprüfungen im dynamischen Sonnensimulator und auf dem Speicherprüfstand wurde der Prototyp in einen Außenprüfstand (siehe Bild unten) eingebaut, um das thermische Verhalten auch unter quasi-realen Umgebungs- bzw. Betriebsbedingungen zu untersuchen. Seit Juni 2015 wird der Prototyp im Außenprüfstand messtechnisch untersucht. Erstaunlich sind hierbei insbesondere die im Winter auftretenden hohen solaren Gewinne, die sich aufgrund des günstigen, flachen Einstrahlwinkels in Fassadenebene ergeben. Zudem konnten bisher keinerlei Probleme hinsichtlich einer möglichen Überhitzung von Bauteilen sowie hinsichtlich einer Gefahr des Einfrierens des Warmwasserspeichers beobachtet werden.

Der zweite im Projekt technologisch entwickelte und unter Laborbedingungen erprobte Prototyp stellt eine fassadenintegrierte solarthermische Kombianlage für die solare Trinkwassererwärmung und Unterstützung der Raumheizung dar. Im Gegensatz zum ersten Prototyp wurde hierbei eine Aufteilung in drei separate Komponenten vorgenommen: der Fassade vorgehängte Flachkollektoren für die solarthermische Wärmeerzeugung, einem fassadenintegrierten Speichermodul mit zwei separaten Speichern für die Trinkwassererwärmung und Raumheizung, sowie einem im Gebäude befindlichen Hydraulikmodul für die hydraulische Kopplung der Komponenten sowie für die Anbindung an das bestehende Heiz- und Trinkwarmwassersystems des Gebäudes.

03/2012 - 06/2015

Abschlussbericht zum Projekt "MultiKomp-I" (als pdf)

Das Projekt "MultiKomp-I" wurde durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages durch den Projektträger Jülich unter dem Förderkennzeichen 0325985A gefördert. Die Autorinnen und Autoren danken für die Unterstützung und übernehmen die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung.