Von Heiko Schwarzburger
Das Erneuerbare-Energien-Wärme-Gesetz des Bundes schreibt für den Neubau vor, mindestens 20 Prozent der Wärmeenergie zur Gebäudeversorgung aus regenerativen Energiequellen zu gewinnen. Solarthermische Kollektoren eignen sich gut, diese Ziele zu erfüllen. Üblicherweise werden sie auf dem Dach installiert, doch sie sind ebenso gut als vorgehängte, hinterlüftete Fassade einsetzbar – und das nicht nur bei neu zu errichtenden Gebäuden, wo sie frühzeitig in die Planung eingebunden werden können. Im Zuge der energetischen Aufwertung von Bestandsgebäuden ist auch die nachträgliche Montage möglich. Architekt Hinrich Reyelts wählte diese Variante bei der Modernisierung seines eigenen Wohnhauses in Karlsruhe nicht nur zur Senkung des Energieverbrauchs. Für ihn waren die Kollektoren gleichzeitig gestalterisches Mittel, um das in den 1960er-Jahren im Bungalowstil errichtete Gebäude optisch aufzuwerten. Jetzt sind die Fassaden großflächig mit Kollektoren bekleidet. Reyelts: „Dabei waren auch die baulichen Proportionen und die vorhandene Außenwandkonstruktion zu berücksichtigen.“ Für größere Fenster nach Süden und freien Blick in den Garten wurden die alten Rollladenkästen entfernt. Nach dem Rückbau der Fassadenbekleidung erhielten die Außenwände des Obergeschosses acht Zentimeter mineralische Dämmung. Im Untergeschoss wurden aus Platzgründen zwei Zentimeter dicke Vakuumisolationspaneele aufgebracht, darüber ein Zentimeter Putz.
Sondermaße kein Problem
Standard-Kollektoren sind üblicherweise zwischen 2.000 und 2.200 Millimeter lang, 1.100 bis 1.600 Millimeter breit und bis zu zehn Zentimeter stark. Sie sind hochkant oder quer installierbar. Je nach Anlagentyp befinden sich die hydraulischen Anschlüsse manchmal zwischen den Kollektoren, so dass nicht die bei Fassaden wichtige ebene Oberfläche entsteht. Daran sollte man bei der Planung denken. Bei nachträglichen Installationen ist aus statischen Gründen vor allem das Gewicht zu berücksichtigen. Ein Standard-Kollektor wiegt ohne Solefüllung schon rund 25 Kilogramm. Um Montagezeit zu sparen, bieten manche Hersteller großflächige Kollektoren an, so genannte Krankollektoren. Sie können mehr als 20 Quadratmeter erreichen, erfordern jedoch – wie der Name sagt – eine spezielle Logistik bei der Montage. In der Regel gelingt es nicht, eine Fassade nur aus Standardbauteilen aufzubauen. Verblendungen sind notwendig, was zusätzlichen Aufwand auf der Baustelle bedeutet.
Architekt Reyelts ließ sich die Solarkollektoren gleich passgenau anfertigen, insgesamt 125 Quadratmeter. Im Innern der Flachkollektoren befindet sich meist ein Mäander oder eine Harfe aus Kupfer, was die Herstellung von Sondermaßen vereinfacht. Die leistungsstärkeren Röhrenkollektoren arbeiten mit evakuierten Glasröhren. Bei dieser Technik sind Kundenwünsche kaum umsetzbar.
Keine einheitlichen Standards
Bei der Planung von Neubauten lässt sich die Fassadenfläche relativ leicht den Standardmaßen der Kollektoren anpassen. Dagegen ist bei Modernisierungen faktisch jede Solarfassade ein Prototyp. In beiden Fällen müssen die hydraulischen Anschlüsse der Kollektoren (Solarvorlauf und -rücklauf) gut zugänglich sein, um bei Wartung oder Reparaturen nicht die ganze Fassade demontieren zu müssen. Weil bei einer solarthermischen Fassade viele Faktoren zu berücksichtigen sind, gibt es bislang keine vorkonfektionierten und standardisierten Gesamtsysteme. Jede Solarfassade benötigt daher eine eigene Bauteilzulassung. Lediglich die Unterkonstruktionen werden von einigen Herstellern standardmäßig angeboten. In der Regel werden die schweren Kollektoren an Stahlschienen befestigt, beispielsweise durch Einhängen oder Verschraubung. Um das Entstehen von Wärmebrücken zu vermeiden, ist die Befestigungstechnik sorgfältig zu planen. Kritische Details sind vor allem der obere und untere Abschluss der Solarfassade. Hier können Spalte entstehen, durch die Wasser in die Konstruktion eindringen kann.
Flachkollektoren sind rückseitig mit einer aufkaschierten mineralischen Dämmung ausgestattet, um die Wärmeverluste zum Gebäude zu minimieren. Sie wirken demnach wie sonnenbeheizte Dämmplatten. Durch den Luftspalt zwischen Kollektor und Außenwand bildet sich zudem kaum Schwitzwasser. Kondensiert dennoch Wasser, wird es im Sommer durch die Sonnenwärme einfach „weggeheizt“. Im Winter funktioniert das umgekehrt: Die Wärme aus dem Gebäude erwärmt die Luft dahinter und wirkt wie ein warmes Polster. Bei dem Karlsruher Einfamilienhaus sank durch die vorgehängte Kollektorfassade der Transmissionswärmeverlust insgesamt auf 0,19 Watt pro Quadratmeter Wandfläche. Diesen Wert erreichen üblicherweise nur dick gedämmte Passivhäuser.
Ziel definieren
Eine solarthermische Fassade in dem Umfang wie beim Karlsruher Haus ist nur bei ganzjährig hohem Wärmebedarf sinnvoll. Hier wird damit das Wasser des Schwimmbades beheizt. Daneben liefern die solarthermischen Kollektoren auch Wärme für die Heizung. Reyelts rät: „Man sollte die Anlage so wählen, dass sie beides unterstützen kann.“ So wird doppelt Energie gespart; auch der staatliche Zuschuss aus dem Marktanreizprogramm ist dadurch deutlich höher. Trotzdem sollte man nicht außer Acht lassen, dass die Solarkollektoren die meiste Wärme in den heißen Sommermonaten liefern – also dann, wenn nicht geheizt wird. Deshalb empfiehlt es sich, die Anlage mit einem Solarspeicher zu komplettieren. Architekt Reyelts nutzt dazu das Erdreich, aus dem sich im Winter eine Erdwärmepumpe bedient. Die Solarkollektoren laufen dann in der so genannten Winterschaltung: Sie sind der Wärmepumpe vorgeschaltet und wärmen den Erdspeicher zusätzlich auf. Dadurch erreicht die Wärmepumpe deutlich höhere Leistungen. Denn auch an eisigen und bewölkten Tagen spenden die Kollektoren immer etwas Wärme. Die tief stehende Wintersonne wird sogar von der Fassade effektiver als von einer Dachanlage ausgenutzt.
Solar-Luft-Kollektoren
Einfacher und kostengünstiger ist es oft in einer Solarfassade als wärmeübertragendes Medium Luft einzusetzen. Solar-Luft-Kollektoren sind schnell montiert und eignen sich auch bei großen Flächen mit hohem Luftdurchsatz. Sie lassen sich außerdem einfacher miteinander verschalten als die solegeführten solarthermischen Kollektoren. Da Luft weder einfrieren, überkochen noch auslaufen kann, sind sie zudem äußerst betriebssicher. Das ist besonders bei einer Gebäudeintegration in der Fassade vorteilhaft. Solar-Luft-Kollektoren gibt es in verglaster Ausführung für höhere Temperaturen und Anforderungen oder unverglast in Form einer vorgehängten Blechfassade. Diese Blechkollektoren sind leicht und die statischen Anforderungen an die Unterkonstruktion entsprechend gering. Eine ebene einheitliche Oberfläche lässt sich schnell erzeugen und die Abmessungen können gut an die Fassade angepasst werden. Besonderes Augenmerk in der Planung muss den Übergängen und dem Abschluss am Fassadenrand gelten. Bei großen Kollektorflächen kann die thermische Ausdehnung beträchtliche Ausmaße erreichen. Auch die Gefahr der elektrochemischen Korrosion an den Verbindungsstellen mit der Unterkonstruktion ist nicht zu unterschätzen. Unverglaste Kollektoren sind dafür geeignet, große Luftvolumenströme nur um wenige Grad vorzuwärmen. Für höhere Temperaturen und einen besseren Heizeffekt ist eine Verglasung des Absorbers notwendig. Beide Solar-Luft-Kuftkollektor-Systeme werden gerne zur solaren Lüftung eingesetzt. In der Heizperiode wird kalte Außenluft solar erwärmt und dem Gebäude direkt oder über eine Lüftungsanlage zugeführt. Die Lüftungswärmeverluste des Gebäudes können so erheblich reduziert werden. Verglaste Kollektoren können zudem im Sommerhalbjahr direkt über einen Luftwasserwärmetauscher Warmwasser bereiten. Bei unverglasten Kollektoren ist wegen der niedrigeren Temperaturen hierfür eine Wärmepumpe notwendig. Eine Sonderform der Solar-Luft-Kollektoren ist eine hinterlüftete Photovoltaikfassade. Hier heizt die Abwärme der Solarzellen die Luft hinter den Modulen auf. Bei einer Photovoltaikfassade muss während der Stromerzeugung die Abwärme zwingend abgeführt werden. Deshalb ist eine ganzjährige Wärmenutzung vorteilhaft.
Heiko Schwarzburger ist Fachjournalist für Solartechnik in Berlin.
