Solarhäuser und solare Bauelemente I

Weitere Solarhäuser und solare Bauelemente (I)

Neben den oben vorgestellten Modellhäusern gibt es noch viele andere, wie z.B. ein Modellhaus in Walldorf bei Heidelberg, bei dem eine Reduzierung des jährlichen Heizölbedarfs um bis zu 75 % erreicht wird – oder ab 1977 das Sonnenhaus der Stuttgarter Energieversorgung Schwaben AG (EVS) mit seinen 1.100 m2 Wohnfläche, das 1980 schon über zwei Winter ohne zusätzlichen Energieeinsatz bewohnt wird. Zwar besitzt das Haus einen großen Erd-Wasser-Speicher für die Wärmeenergie – aber rentabel ist es als Einzelprodukt noch nicht. Preisvorteile ergeben sich erst bei einer Serienproduktion.

Schon 1978 beginnt in Freiburg ein Parallelversuch mit einem gleichgearteten Experiment in Fort Collins/USA. Die Er­fahrungen an dem gemeinsamen Versuchsobjekt – es ist ein 12-Familien Haus – können so auch auf andere klimatische Verhältnisse hin extrapoliert werden. Die Sonnenenergie soll der Warmwasserbereitung und Teilraumbeheizung dienen, es sind bei den Versuchen zwei jeweils 30 Quadratmeter große Kollektorflächen im Einsatz.

Und daß es selbst unter harten klimatischen Bedingungen möglich ist, Solarhäuser dauerhaft zu bewohnen, beweist der amerikanische Architekt Karel Green. Abgesehen von einem nur gelegentlich benötigten elektrischen 1 kW Heizofen wird der gesamte Wärmebedarf seines Hauses alleine von der Sonne gedeckt. Immerhin bekommt Green vom US-Energieministerium eine Unterstützung von knapp 50.000 $ – schließlich steht sein Haus am Polarkreis in Alaska.

Zwischen 1979 und 1985 (vier Bauabschnitte, insgesamt 118 Wohneinheiten) wird im Salzburger Alpenvorland die erste österreichische Thermosolaranlage im Mehrfamilienhausbau errichtet. Die Wohnanlage Neumarkt II wird im Volksmund seit ihrer Errichtung übrigens ‚Neu-Jerusalem’ bezeichnet (Dank an Herrn Alois G. Auinger).

Der Architekt Thomas Herzog baut in München ein futuristisch wirkendes Solarhaus mit dreieckigem Querschnitt, das neben Solarzellen von AEG auch thermische Kollektoren und eine passive Ausnutzung miteinander verbindet.

Das MIT stellt 1982 einen ‚Kristall-Pavillon’ vor, dessen Doppelglasscheiben mit dem Edelgas Argon gefüllt und teilweise mit einem Kupfer/Zinn-Film bedampft waren. Dem Fußboden werden wärmespeichernde Salze zugesetzt. Sogar ohne jede zusätzliche Heizung kann das Glashaus auf dem Campus stets 7°C über der Umgebungstemperatur gehalten werden, selbst bei verhangenem Himmel.

1983 veröffentlicht die Kölner Arbeitsgemeinschaft Glas im Bau eine Informationsschrift über die Trombe-Wand. Felix Trombe (der Erbauer des Odeillo-Solarofens) macht sich die Wirkung zunutze, daß Glas sozusagen eine Lichtwärmefalle bildet – was bereits schon Senea und Pilinius vor ihm beschrieben hatten. Doch Trombe erreichte mit seiner Wandverglasung zuvor nicht erzielte Werte: Eine verglaste Südseite kann bei guter Restisolation bis zu 20°C höhere Temperaturen erbringen als die Außentemperatur. In Schweden wird daraufhin sogar ein ganzes Holz-Blockhaus unter Glas gesetzt. Ein Kiesbett unter dem Haus wirkt dabei als Wärmespeicher.

1990 wird das energiesparende Schichtfenster vorgestellt, das aus drei Glasscheiben mit zwischenliegender Edelgasfüllung (Argon) besteht, wobei sich (von Außen nach Innen) zuerst ein einfaches Glas, dann ein silberbeschichtetes und anschließend ein getöntes Glas in dem Fensterrahmen befinden. Diese Konstruktion gilt als Wärmefalle, da sie in hohem Maße Sonnenlicht absorbieren und in Wärme umwandeln kann. Als Schutz vor Überheizung im Sommer kann das gesamte Fenster – wie eine Drehtür – um 180° geschwenkt werden, woraufhin die grünlich schimmernde, wärmespeichernde Glasschicht nach außen weist (Moderne Häuser in Schweden haben sogar schon Fenster mit einer Vierfach-Verglasung).

Zu diesem Zeitpunkt werden auch die ersten silberbedampften Isolierfenster vorgestellt, die wie eine Strahlenschleuse wirken. Während das kurzwellige Sonnenlicht die 60 – 80 Atomlagen dicke Schicht ungehindert durchdringen kann, wird die längerwellige Infrarotstrahlung aus dem Rauminneren weitgehend reflektiert. Im Gegensatz zu diesen sehr empfindlichen und teuren Scheiben hat der britische Glashersteller Pilkington eine Veredelungstechnik mit einer Zinkoxidschicht entwickelt, die bei 700°C direkt in das Glas eingebrannt wird und dadurch wesentlich kostengünstiger ist. Neben den Argongas-Füllungen wird in den USA auch mit Krypton experimentiert, das allerdings im Verhältnis ungemein teurer ist (2,5 DM/l im Vergleich zu 0,5 Pfennig/l). Die deutsche Firma Installa hat mit dem Toptherm-Fenster ein System aus vier durchsichtigen und einer metallbeschichteten Folie entwickelt, bei dem die erwärmte Luft über ein integriertes Lüftungssystem in den Wohnraum geblasen wird.

Ebenfalls 1990 schließen sich in Nordrhein-Westfalen Wissenschaftler und Unternehmer zu einer Arbeitsgemeinschaft Solar zusammen, um die Solarenergie stärker in Architektur und Stadtplanung zu integrieren. Inzwischen gibt es weltweit mehr und mehr Solarhäuser unterschiedlichster Bauart – und falls die angekündigten transparenten Isolations-Bausteine auf den Markt kommen, wird sich ihre Zahl noch weiter erhöhen. Diese lichtdurchlässigen Dämmstoffe (Transparent Insulation Materials = TIM) wurden bereits 1988 vom Freiburger Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) vorgestellt, sie sind nicht nur in der Lage, die Wärme zu dämmen, sondern sie sogar ins Hausinnere zu transportieren. Das Material besteht aus mehrschichtigen Folien mit luftgefüllten Waben, da stehende Luft ja eine der besten Wärmeisolationen bildet, die es gibt. TIMs lassen sich natürlich auch zur Abdeckung von Sonnenkollektoren nutzen, die dadurch Wirkungsgrade von Vakuumkollektoren erreichen – aber erheblich billiger sind.

Die transparente Wärmedämmung (TWD) ist eines der herausragenden Themen Anfang der 1990er, später verschwindet diese Technik aber wieder aus den Schlagzeilen, möglicherweise aufgrund der hohen Kosten. Bei einem der ersten Versuche an einem sanierten Acht-Familien-Haus der kommunalen Freiburger Wohnungsbaugesellschaft aus den 1950er Jahren, dessen Gesamtkosten von 1,1 Mio. DM zu etwa 80 % vom BMFT gefördert werden, reduziert sich der Heizbedarf mittels dieser Methode allerdings um beachtliche 80 %. Dabei werden an den südost- und südwestorientierten Fassaden 120 m² Außenfläche erst mit Absorberfarbe dunkel angestrichen, anschließend das TWD-Material installiert und abschließend Glasscheiben als Wetterschutz davor gesetzt. Ergänzt wird der Versuch mit 10 cm dicken Dämmschichten an den Nordwest- und Nordostfassaden sowie effiziente Wärmeschutzsysteme an den Fenstern (Wärmeschutzrollo).

1991 starten Forscher des ISE zusammen mit Kollegen der IfE Leipzig GmbH mit einem BMFT-geförderten Pilotprojekt, bei dem ein Leipziger Schulgebäude unter Einsatz der TWD-Technik saniert wurde. Die fast 90 m lange Südfassade des vierstöckigen Gebäudes bekam eine TWD-Fläche von mehr als 300 m² und völlig neue Fenster – außerdem wurden in den Schulräumen mehr als 100 Meßstellen integriert, um über zwei Jahre lang das energetische Verhalten des ganzen Bauwerks zu prüfen. Zu diesem Zeitpunkt gibt es in den neuen Bundesländern etwa 1.500 Schulgebäude von exakt der gleichen Bauausführung.

Das offiziell erste Passivhaus Deutschlands entsteht 1991 in Darmstadt.

Ende 1992 beginnt in Donaueschingen der Bau von 9 zweistöckigen Erdhügelhäusern. Diese halbrunden Niedrigenergiegebäude werden mit Erde überdeckt, was zu einer hohen Isolationswirkung führt. Eine ähnliche Technik, wenn auch wesentlich ästhetischer, nutzt der Schweizer Architekt Peter Vetsch in Dietikon, dessen Häuser mit bis zu einem Meter Erde bedeckt sind und den Bewohnern ein besonderes Gefühl der Geborgenheit vermitteln.

Unter dem Namen ÖKOTEC 3 wird im Oktober 1993 die in Berlin erste PV-Solarfassade (300 m², 6 kW) eingeweiht. Das Haus besitzt ferner Solarkollektoren auf dem Dach und eine Regenwassersammelanlage. Die Hälfte der 228.000 DM Baukosten für die Fassade trägt das BMFT. Etwa zur gleichen Zeit beginnt der Bielefelder Fenster- und Fassadenhersteller Schüco International mit einer großen Werbekampagne für seine Synergie-Fassaden mit den integrierten Solarzellen aus der Produktion der Deutschen Aerospace.

Die weltweit erste Fassade dieser Art wurde bereits 1991 am Verwaltungsgebäude der Stadtwerke Aachen installiert. Der Kunde kann hier übrigens zwischen monokristallinen, polykristallinen oder amorphen Zellen auswählen, die Mehrkosten gegenüber vergleichbaren Fassadenelementen ohne Solarzellen betragen zwischen 2.000 DM und 3.500 DM pro m². 1994 rüstet Schüko eine Fassade des Bayerischen Umweltministeriums sowie die Erweiterung des firmeneigenen Verwaltungsbaus in Bielefeld mit Synergie-Fassaden aus. Weitere Mitspieler auf diesem neuen Marktsegment sind die Kölner Flachglas Solartechnik (Flagsol) mit einem Endpreis zwischen 3.000 und 3.500 DM/m² sowie die Münchner Firma Siemens Solar. Deren Tochter Nukem GmbH prägt das Motto „Strom statt Marmor“ und rüstet den Verwaltungsneubau der Krefelder Firma Erbslöh mit ihren neuartigen MIS-Inversionsschicht-Solarzellen aus.

Im Rahmen der THERMIE-Projekte der EU lanciert 1993 eine Gruppe aus Beraterfirmen und Ministerien das European Housing Ecology Network, das anschließend in sieben EU-Mitgliedsstaaten insgesamt 11 Neubau-Demonstrationsvorhaben durchführt, bei denen energiesparende Systeme und Solarenergie eingesetzt werden. 1996 folgt das European Green Cities Projekt, bei dem neue energiesparende Lösungen für die nachträgliche Ausstattung bestehender Gebäude sowie innovative Neubaukonzepte erprobt werden – an rund 30.000 Häusern in 11 europäischen Städten.

Bereits Anfang 1994 nimmt die Fachhochschule Gelsenkirchen die neuen Solarfenster der Firma Flachglas AG in Betrieb. Die vier Fenster mit einer Gesamtfläche von 6,5 m² liefern jährlich etwa 450 kWh elektrische Leistung, gekostet haben sie 14.000 DM. Im Rahmen des Projektes werden die Fenster mit Solarmodulen verglichen, die auf dem Dach des FH-Gebäudes, das speziell der Energie- und Solartechnik gewidmet ist, installiert sind.

Der Architekt Jürgen Hornemann aus Münster entwickelt 1994 unter dem Namen Solar Diamant ein besonders gut isoliertes Haus, dessen Fundament auf einer 10 cm dicken Schicht aus PUR-Schaum ruht. Das 45° geneigte Satteldach besitzt Solarzellen und -kollektoren, Kalksteinelemente speichern die Solarenergie und eine Lüftungsanlage mit integriertem Wärmetauscher reduziert die Energieverluste auf ein maß, daß das Haus im Grunde ohne Fremdenergie auskommen kann. 1996 kann man das Haus aus dem münsterländischen Wettringen für rund 850.000 DM bestellen, es hat eine Wohnfläche von knapp 200 m².

Als ‚Architektur-Skulptur’ bezeichnet der Freiburger Architekt Thomas Spiegelhalter sein Energiesparhaus, das er um eine altes Kieswerk herum gebaut hat. Von oben soll es wie ein landendes Insekt aussehen, mit Strom und Wärme wird es durch ein ausgeklügeltes Sonnenenergiesystem versorgt.

Der Raumfahrtingenieur und Solar-Technik-Unternehmer Hans-Joachim Reuther baut 1994/1995 ein energieautonomes Einfamilienhaus in Illmensee, Baden-Württemberg. Neben der PV-Anlage gibt es noch einen kleinen Windlader, das Haus ist selbstverständlich hochwärmegedämmt, besitzt eine kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung sowie ein kleines Rapsöl-BHKW.

Basis dieser Entwicklung ist das BMFT-geförderte Forschungsprojekt Niedrigenergiehäuser in Heidenheim, das vom Fraunhofer Institut für Bauphysik in Stuttgart wissenschaftlich begleitet wurde und nach einem Entwurf von Rolf Disch an einem Haus in Holztafelbauweise umgesetzt wurde. Der Hersteller WeberHaus baut – wie auch einige andere Fertigbaufirmen – schon seit Jahren ausschließlich Niedrigenergiehäuser. Im vorliegenden Fall werden diese auf Wunsch auch mit Vakuumkollektoren ausgestattet, sie haben eine Wohnfläche von etwa 150 m², und die Regenwassernutzungsanlage gehört bereits zum Standard.

Von den Marketingexperten wird für dieses erste serienmäßige Null-Heizenergie-Haus der Name Övolutionshaus plus erfunden. Das Haus wird ab 1997 angeboten und kostet rund 600.000 DM. Eine abgespeckte Version ohne PV-Anlage gibt es unter dem Titel Övolutionshaus schlüsselfertig bereits für 458.000 DM. Hier beträgt die Wohnfläche 130 m², und Haus hat eine Solarkollektor-Anlage mit 380 l Kombispeicher. 1989 erhält das Övolutionshaus die ‚Goldene DM’ als Produkt des Jahres.

Das europaweit größte Niedrigenergiehaus entsteht 1995 in Wien-Leopoldstadt, es besteht aus 333 Wohnungen in zwei gegenüberliegenden Gebäudeteilen von 8 und 9 Stockwerken und besitzt u.a. ein Sonnendach mit Schwimmbad – obwohl es ein Projekt des sozialen Wohnungsbaus ist. Diese von dem Architekten Harry Glück entworfene Wohnanlage Wien-Süd besitzt eine kompakte, energiesparende Gebäudeform, Wärmeschutzfenster und ein Wärmerückgewinnungssystem, mit dem das Brauchwasser erwärmt wird. Auch hier wurden – in Kooperation mit dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik – insgesamt 500 Meßfühler im ganzen Komplex verteilt, die im 10-Minuten-Rhythmus 13 verschiedene Parameter registrieren. Auf die TWD-Technik wurde allerdings verzichtet, da die neuen Isolierglas-Fenster „mehr bringen“ und man im Sommer nur vor den Fenstern einen wirksamen Sonnenschutz anbringen muß – und nicht vor der gesamten TDW-Fassade.

Auch in Deutschland werden um diese Zeit die ersten Niedrigenergiehäuser im sozialen Wohnungsbau errichtet: in Hamburg eine Siedlung mit 22, und in München ein Hochhaus mit 79 Wohnungen sowie einem Kindergarten. In Berlin und Münster werden Einfamilienhäuser mit 20 t Wasserspeichern gebaut, die der saisonalen Wärmeversorgung dienen.

Zu den neuen Technologie zählt auch eine ‚intelligente Fensterscheibe’, die 1995 von Chemikern der BASF entwickelt wird. Zwischen zwei Glasplatten befindet sich ein Gel aus Wasser und zwei Polymeren, das sich bei Erwärmung selbständig eintrübt und damit vor übermäßiger Sonneneinstrahlung schützt. Ein Polymer bildet dabei ein schwammähnliches Netzwerk, das groß0e Mengen Wasser aufnehmen kann. In dieses Hydrogel eingebettet ist ein zweiter Kunststoff. Ab einer bestimmten Temperatur fallen feine Körnchen aus und trüben das Glas. Bei Ankühlung wird die Scheibe wieder klar. Die Umschalttemperatur kann exakt eingestellt werden. Bis zur Marktreife rechnet man mit etwa fünf Jahren, dann kommen weltweit etwa 140 Mio. m² Glasfläche als Einsatzort in Frage.

An dem Projekt, möglichst viel Tageslicht blendfrei in die Räume zu leiten, arbeitet seit Anfang 1995 eine Arbeitsgruppe der TU-Berlin, die vom BMFT mit 1,5 Mio. DM gefördert wird. Dabei geht es um herkömmliche Lamellen-Jalousien, die allerdings modifiziert werden: Zum einen sind die Lamellen im oberen Drittel um 30° versetzt angeordnet, so daß auch bei sonst geschlossener Jalousie offen bleiben und das Licht an die Zimmerdecke oder in die Tiefe des Raumes reflektieren. Weiterhin kann ein separater Stellmotor für die oberen Lamellen integriert werden – sowie zwei unterschiedliche Beschichtungen bei den unteren Lamellen, eine für den Sommer und eine für den Winter. Letztere ist matt und dunkel und wandelt das einfallende Licht in Wärme. Außerdem ist das ganze sensorgesteuert und folgt dem wechselnden Lichtangebot des Tages. Eine weitere Variante sind Prismen oder Spiegel-Raster, die in Plexiglas-Lamellen eingebettet sind. Sie trennen die verschiedenen Arten des Sonnenlichts: Im Sommer wird die warme Strahlung zurückgeworfen, und nach innen gelangt nur das ‚kalte’ Streulicht. Ohne Elektronik funktionieren feststehende Lamellen zwischen den Scheiben eines doppelt verglasten Fensters. Sie sind so angeordnet, daß sie das Licht je nach Einfallswinkel der Sonne reflektieren oder in den Raum lenken. An der letztgenannten Lamellentechnik, also Spiegellamellen innerhalb von Isoliergläsern, wird bereits seit 1986 gearbeitet, ein wichtiger Hersteller ist die Firma Okalux bei Würzburg, die jährlich zwischen 15.00 m² und 20.000 m² Systemglas fertigt.

Im März 1996 findet in Berlin der bereits 4. Europäische Kongreß für Solarenergie in Architektur und Stadtplanung statt. Die Zielsetzung eines raschen und grundlegenden Umdenkens wird eine Europäische Charta für Solarenergie in Architektur und Stadtplanung festgehalten.

Iim April 1996 stellt die Firma Sto ein neues, kostengünstiges TWD-System vor, das eine Marktchance hat. Dabei wird auf das massive Mauerwerk ein konventionelles Wärmedämm-Verbundsystem (WDVS) auf Polystyrol oder Steinwolle-Basis aufgebracht, wobei definierte Teile der Wandfläche ausgespart werden. Diese Lücken werden dann mit einem dunklen Absorber beschichtet, dessen Klebefähigkeit gleichzeitig auch die TWD-Fassadenelemente aus lichtdurchlässigem Polycarbonat (PC) in Kapillarstruktur in Position hält. Die äußere transparente Abdeckung besteht aus Glasputz. Der komplette Systemaufbau wird fabrikseitig vorproduziert, die maximal möglichen Temperaturen im Absorber liegen bei ca. 70°C. Das StoSolar Fassadenelement ist in Abhängigkeit von der Dämmstärke ab einem Preis von 385 DM/m² erhältlich, zuzüglich zu den Kosten für Solarabsorber (Kleber) und Einbau. Die Sto Ag erhält in diesem Jahr den Innovationspreis der deutschen Wirtschaft. Für die sechsjährige Entwicklung seit der Patentierung hatte das Unternehmen rund 3,2 Mio. DM ausgegeben, von denen 1,35 Mio. DM Fördermittel des BMFT waren.

Das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme stellt ebenfalls 1996 die neue Technologie der thermotropen Schichten vor: Diese Kunststoffolien verlieren bei Erwärmung ihre Lichtdurchlässigkeit und werden bei Abkühlung wieder klar.