Fraunhofer ISE entwickelt an Fassadenelementen als Wärmequelle für Wärmepumpen

(9.5.2023) Wärmepumpen erleben als Heiztechnologie derzeit einen Boom, doch nicht auf jedem Grundstück ist Platz für die Außenlufteinheit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Neuartige solarthermische Fassadenelemente sind hierfür eine geräuschlose, architektonisch gestaltbare und platzsparende Alternative. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE entwickelt und testet sie im aktuellen Projekt Tabsolar III gemeinsam mit Industriepartnern.

Rückseite eines Tabsolar-Elements mit bionischer FracTherm-Kanalstruktur, seitlichen Sammelkanälen und Hydraulikanschlussbuchsen (oben) sowie ein Schnitt durch das Element (unten). (Bild: G.tecz Engeneering GmbH) 

Bionisch basiertes Design für effiziente Kanalstrukturen

Tabsolar-Elemente sind solarthermische Komponenten aus Ultrahochleistungsbeton (UHPC), die als verglaste oder unverglaste Fassadenbekleidungselemente architektonisch gestaltet werden können. Die Elemente sind von Kanälen durchzogen, durch die ein Solarfluid fließt, welches die Wärme durch Sonneneinstrahlung oder aus der Umgebung aufnimmt. Über einen Wärmeübertrager wird diese an den Wärmepumpenkreislauf abgegeben. Das Design der Kanalstrukturen beruht auf dem vom Fraunhofer ISE entwickelten bionischen FracTherm-Verfahren (mehrfach verzweigte, »fraktale« Strukturen, wie zu Beispiel bei Blutbahnen oder in Blättern). Mit diesem Verfahren können nahezu beliebige Formen mit einem gleichmäßig durchströmten Kanalnetzwerk versehen werden. Gleichzeitig haben sie den technischen Vorteil, dass sie zu einer gleichmäßigen Durchströmung bei geringem Energieaufwand für die Pumpe führen. Gefertigt werden die Elemente aus Ultrahochleistungsbeton mit Hilfe eines innovativen Membran-Vakuumtiefziehverfahrens, das im Rahmen des Forschungsprojekts Tabsolar III mit zahlreichen Industrie- und Forschungspartnern weiterentwickelt wird.

Ultrahochleistungsbeton-Muster mit Oberflächenstrukturen (Bild: Fraunhofer ISE) 

Vorgefertigte Fassadenelemente für VHF, WDVS oder Sandwichsysteme

Als Niedertemperatur-Wärmequellen für Wärmepumpen können die durchströmbaren Fassadenelemente eine geräuschlose, optisch ansprechende Alternative zu Außenlufteinheiten von Luft-Wasser-Wärmepumpen darstellen. »Unseren Simulationen zufolge können die verfügbaren Fassadenflächen bei Neubauten oder sanierten Bestandsgebäuden für diesen Zweck ausreichen«, erklärt Dr.-Ing. Michael Hermann, Koordinator des Verbundforschungsprojekts Tabsolar III und Projektleiter am Fraunhofer ISE. Die unverglaste Variante (Produktfamilie Tabsolar Design) ist als Wärmepumpen-Quelle, für die Trinkwarmwasservorerwärmung oder für Schwimmbäder vorgesehen und kann ähnlich wie marktverfügbare Fassadenelementen aus UHPC struktiert und/oder farblich gestaltet werden. Die verglasten und mit spektralselektiven Schichten versehenen Elemente der Produktfamilie Tabsolar Premium sind ähnlich wie klassische Solarthermie-Kollektoren für die Trinkwassererwärmung und die Heizungsunterstützung vorgesehen, da sie höhere Temperaturen erreichen.

Die vorgefertigten Fassadenelemente werden derzeit für vorgehängte hinterlüftete Fassaden (VHF) entwickelt, sind perspektivisch jedoch auch in Wärmedämmverbundsystemen oder Sandwichwandaufbauten vorstellbar. Im Gebäudeinnern sind die Elemente in der Produktfamilie Tabsolar Heat & Cool als thermoaktive Bauteilsysteme (TABS), auch in Ergänzung mit einer klassischen Betonkernaktivierung, für die Heizung oder Kühlung verwendbar.

Umfassender Ansatz von der Planung bis zum Betrieb

Im Projekt Tabsolar III wird der Einsatz der neuen Fassadenelemente von der Vorplanung über Planung, Fertigung und Montage bis zum Betrieb unter Einbeziehung der beteiligten Gewerke getestet.

»Das ganze Projekt wurde von Beginn an interdisziplinär gedacht, wir haben die integrierte Solartechnik und die Baubranche zusammengebracht, um gemeinsam eine innovative, architektonisch attraktive Baulösung für die Energiewende zu entwickeln«, erklärt Projektleiter Hermann. Dazu gehören auch neue Software-Werkzeuge für die Planungsphase: eine Augmented-Reality-App zur Vor-Ort-Visualisierung von Tabsolar-Fassaden sowie ein Webkonfigurator für deren weitere Auslegung. Auch die Einbindung in BIM-Projekte (Building Information Modeling) soll ermöglicht werden. Die Gesamtlösung soll im nächsten Schritt in einer Demonstrationsfassade einem Praxistest und Monitoring unterzogen werden.

Projektpartner und den Fördergeber

Tabsolar III wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefördert und knüpft an die vorangegangenen BMWi-Projekte Tabsolar und Tabsolar II an. Das Projekt wird vom Fraunhofer ISE koordiniert, außerdem sind die Firmen G.tecz Engineering GmbH, Wendt Maschinenbau GmbH & Co. KG, Priedemann Fassadenberatung GmbH, CAS Software AG, GiB – Gesellschaft für innovative Bautechnologie mbH, TruPhysics GmbH als Verbundprojektpartner, die Lindner Group KG und die Hans Berg GmbH & Co. KG als assoziierte Partner und die Betonfertigteile Spürgin GmbH & Co. KG und MV automatic GmbH & Co. KG sowie das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) als Unterauftragnehmer beteiligt.