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EE-Modulfassade mit integrierter Photovoltaik, Kleinstwärmepumpe und Lüftungstechnik

(2.5.2022) Noch ist die Sanierungsquote im Gebäudesektor zu gering, um die Energiewende im von der Bundesregierung anvisierten Zeitraum zu erreichen. Ein Schritt hierzu kann aber ein größerer Vorfertigungsgrad der Bauteile sein. Forscher vom Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) und vom Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) entwickeln vor diesem Hintergrund derzeit eine EE-Mo­dul­fassade (Erneuerbare Energien-Modulfassade), welche die technische Gebäudeausrüstung (TGA) integriert und mit regenerativer Energie versorgt, um die dahinter liegenden Räume zu heizen, zu kühlen und zu lüften. Möglich machen dies eine in die Modulfassade integrierte ...

  • PV-Anlage zur Energieerzeugung,
  • Kleinstwärmepumpe zum Heizen und Kühlen sowie
  • dezentrale Lüftungstechnik mit Wärmerückgewinnung.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Verbundforschungsvorhaben. Projektpartner sind die Implenia Fassadentechnik GmbH als Konstrukteur der EE-Modulfassade, das Unternehmen Lare GmbH Luft- und Kältetechnik, das die Wärmepumpe entwickelt, und die LTG AG für den Bereich dezentrale Lüftung.

Außenansicht der EE-Modulfassade mit raumhohem PV-Element. (Fotos © Fraunhofer) 

Minimalinvasive Fassadensanierung

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer kostengünstigen modularen Sa­nierungs- und Neubaufassade, wobei die Sanierung 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 am Fraunhofer IEE Jan Kaiser. „Die gesamte Heiz-/Kühl- und Lüftungstechnik für den dahinterliegenden Büroraum wird in die Fassade integriert.“

Da sich die Module vorfertigen lassen, können sie von der Stange produziert werden. Planer und Investoren erhalten dadurch eine hohe Kostensicherheit und einen klar definierten Kostenrahmen. 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 einmal extra ausziehen.

Die EE-Modulfassade eignet sich vor allem für Büro-, Verwaltungsgebäude und Schulen, die in Skelettbauweise errichtet wurden - eine Bauweise, die in den 1950er, 1960er und 1970er Jahren üblich war: Anstelle von tragenden Wänden halten Stahlbetonstützen die Geschossdecken. Bei der Sanierung werden die alten Fassadenelemente abgenommen, und die neuartigen, geschosshohen Module werden vor der Gebäudestruktur eingehängt. Eine einzelne Technikeinheit der EE-Modulfassade ist 1,25 m breit und 30 cm tief. Jede Einheit kann hierbei einen ca. 24 m² großen Raum versorgen.

Modulfassade als Energiehülle

Die eingebaute PV-Anlage erzeugt die Energie und versorgt die Anlagenkomponenten wie etwa die Wärmepumpe mit Strom. Diese fungiert zugleich als Wärme- und Kälteerzeuger. Sie ist das bestimmende Bauteil der Technikeinheit der EE-Modulfassade und übernimmt die Regelung der Energieströme. Über einen im Luftspalt hinter dem PV-Element montierten Ventilatorkonvektor entzieht sie die Wärme der Außenluft 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 von Luftklappen wird nur ein Ventilator benötigt, wodurch sich der Stromverbrauch minimiert. Das von der Fa. LTG stammende Push-Pull-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. Etwa 25 bis 30% aller Bürogebäude wurden von 1950 bis ca. 1990 in Skelettbauweise errichtet. Sie weisen einen Verbrauch von 3200 Gigawattstunden (GWh) pro Jahr auf. „Mit unserer EE-Modulfassade lässt sich der Verbrauch auf 600 GWh senken. Auch die geringe Sanierungsquote von einem Prozent pro Jahr ließe sich durch den hohen Vorfertigungsgrad steigern“, so Herr Kaiser.

Tests in der Versuchseinrichtung für Energetische und Raumklimatische Untersuchungen (VERU) des Fraunhofer IBP in Holzkirchen

Derzeit testen die Projektpartner den Demonstrator der EE-Modulfassade an der Südfront des VERU-Gebäudes inklusive eines dahinterliegenden Versuchsraums. Sowohl der Demonstrator als auch der Versuchsraum sind mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet. Darüber hinaus sind zeitabhängig geregelte interne Wärme- und Feuchte­quel­len - die „Nutzer“ in den Räumen nachbilden - installiert, um die Funktionsfähigkeit in einem realen Büroumfeld nachzuweisen. Dabei werden u.a. Parameter wie Lufttemperatur, Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit auf unterschiedlichen Höhen sowie die Beleuchtungsstärke ermittelt - Kennwerte, die für die Behaglichkeit im Raum relevant sind. Die elektrischen Verbräuche der Einzelkomponenten der Technikeinheit der EE-Modulfassade werden ebenso aufgezeichnet wie Erträge des PV-Elements, um daraus eine Energiebilanz zu berechnen. Das Zusammenspiel aller Komponenten funktioniert bereits sehr gut, einzelne Bauteile werden aktuell noch optimiert.

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