Grüne Wärme aus der Wand

Um die Klimaschutzziele im Wärmesektor zu erreichen, ist eine umfassende Sanierung des Gebäudebestandes nötig, darin sind sich Fachleute einig. Doch diese läuft seit Jahren bestenfalls schleppend. In Österreich lag die Sanierungsquote zuletzt bei 0,5 %, in Deutschland hing sie im letzten Jahrzehnt bei etwa 1 % fest. Die serielle Sanierung mit vorgefertigten, gedämmten Vorhangfassaden könnte Abhilfe schaffen.

Das im Rahmen von Austrian Cooperative Research (ACR) geförderte Projekt „MultiTab“ unter der Leitung von AEE – Institut für Nachhaltige Technologien (AEE Intec) geht noch einen Schritt weiter. Die Vorhangfassade ist hier zugleich die Tragekonstruktion für Solarenergiesysteme (Photovoltaik oder Solarthermie), Flächenheizsystem und Wärmespeicher. Das ermöglicht eine hohe Sanierungstiefe bis hin zur thermischen Bauteilaktivierung, die im Bestand sonst nicht möglich wäre. Die Sanierung kann vor Ort in kurzer Zeit und mit geringem Personaleinsatz umgesetzt werden. Die Gebäude können durchgängig bewohnt beziehungsweise genutzt werden, was zu einer erhöhten Akzeptanz führt.

Im Forschungsprojekt „MultiTab“ haben AEE Intec und die Partnerorganisationen einen Prototyp für eine solche Energiefassade entwickelt und auf dem Prüfstand getestet. Der Piloteinsatz ist gerade angelaufen.

Prototyp bewährt sich auf Teststand

Grundlage für den Prototypen ist eine Vorhangfassadenkonstruktion in Holz- oder Metallbauweise. Als aktives Heizelement kommt ein kommerziell verfügbares Fußbodenheizsystem zum Einsatz, das mit Klettmaterial auf einer Hohlkammerplatte befestigt wird. Das Riegelwerk ist innen und außen jeweils von einer Windfolie umschlossen. Beim Einblasvorgang des Dämmmaterials wird dieses komprimiert und drückt das Flächenheizsystem an die bestehende Außenwand des Gebäudes. Dabei können Unebenheiten der Bestandswand ausgeglichen werden. Zugleich sorgt das eingepresste Dämmmaterial dafür, dass der Kontakt dauerhaft bestehen bleibt. So stellt es einen guten Wärmeübergang zwischen Heizschicht und der alten Außenwand sicher. Mit diesem Aufbau und Anpressverfahren erreicht der Prototyp einen Heat Transfer Coefficient (HTC) von etwa 5 W/m²K. Dieser Wert beschreibt, wie gut die Wärme aus der Energiefassade an die Wand übergeht. Insgesamt ist die Vorhangfassade gut 25 cm dick. Für den Fassadenaufbau und das Verfahren zum Anpressen der aktiven Heizschicht an die Fassade hat AEE Intec ein Patent angemeldet.

Den Prototypen hat AEE Intec in der eigenen Fassaden-Prüf-einrichtung knapp drei Monate lang unter realen Bedingungen getestet. Dabei zeigte sich, dass die Messwerte für Wärmedurchgang und andere Eigenschaften sich sehr gut mit den Werten aus der Simulation decken. Auch auf potentielle Kondensationsprobleme bei einer Kühlanwendung wurde die Fassade untersucht. Doch selbst bei niedrigen Kühltemperaturen für hohe Kühlleistungen trat bei der fachgerechten Montage keine Kondensation auf.

Gebäude der 1960er bis 1980er gut geeignet

Die Untersuchungen im Projekt „MultiTab“ haben gezeigt, dass diese Art der Sanierung für Gebäude aus den 1960er bis 1980er Jahren besonders interessant ist. Die Fassaden aus dieser Bauzeit sind meist geradlinig, was den Einsatz großflächig vorgefertigter Fassadenelemente vereinfacht. Zugleich sind die Gebäude nicht eigens gedämmt. Das erhöht nicht nur die Energiekosteneinsparung, sondern erleichtert auch das Heizen und Kühlen über die Außenwand. In jenen Jahrzehnten bestanden Außenwände vor allem aus Hochlochziegel, Vollziegel, Vollbeton oder Mantelbeton. Die Forschungsergebnisse haben gezeigt, dass sich bei entsprechender Reduktion des Heizwärmebedarfs all diese Wandaufbauten ausgezeichnet für eine Beheizung oder Kühlung über die Außenwände eignen. Allerdings leitet Beton die Wärme deutlich besser als Hohllochziegel. Das kann man kompensieren, indem man bei Hohllochziegeln die aktive Heizebene der Energiefassade mit Wärmeleitblechen ausstattet. Je nach Heizsystem kann man auch auf höhere Vorlauftemperaturen setzen.

Bauteilaktivierung von außen bietet großes Speicherpotential

Ein weiterer Vorteil der aktiven Energiefassade ist es, dass sie Gebäude und Wände als thermische Speicher nutzbar macht. Durch diese Bauteilaktivierung wird es möglich, den fluktuierenden Wind- und Solarstrom genau dann in Wärmepumpen zu nutzen, wenn er in großen Mengen verfügbar ist. Die energieaktive Fassade bietet die Möglichkeit, auch die großen Potentiale von Bestandsgebäuden hierfür zu erschließen. Die maximale Speicherkapazität ist im Vergleich zu bestehenden Radiatorheizungen mehr als zehnmal so hoch. Demensprechend länger sind die Zeiträume, die nach dem Beladen der Wand ohne aktive Wärmezufuhr überbrückt werden können. Je nach Behaglichkeitsempfinden sind sogar mehrere Tage möglich. Auch um Produktionsspitzen in der Windenergie abzupuffern und sinnvoll zu nutzen, eignet sich die Bauteilaktivierung. In Österreich gibt es rund 624.000 Wohnungen aus den 1960er bis 1980er Jahren. Sie haben zusammen 26 Mio. m² Fassadenflächen. Würde man diese mit Energiefassaden sanieren, erhielte man einen thermischen Kurzzeitspeicher mit einer Kapazität von 31,2 GWh_th. Das ist genug, um eine Stunde lang die Energie aus mehr als 6.000 großen Windkraftanlagen aufzunehmen.

Vom Prototypen zum Pilotprojekt

Der erste praktische Einsatz des vollständigen Konzeptes soll in einem Bürogebäude in einem Grazer Gewerbegebiet erfolgen (//positive-energy-buildings.eu/demo-cases/austria:https://positive-energy-buildings.eu/demo-cases/austria). Ein ehemaliger Futtermittel-Silo wird dabei zu einem Bürogebäude im Passivhausstandard umgebaut. Die multifunktionale Energiefassade ist ein essentieller Teil des Konzepts und liefert die komplette Heiz- und Kühlenergie sowie einen Teil des Stroms für die Wohnungen. Durch die fassadenintegrierten Photovoltaikmodule wird mehr Strom über das Jahr produziert als das Gebäude verbraucht. Gemeinsam mit Strom aus einem kleinen Wasserkraftwerk treiben sie eine Wärmepumpenkaskade im Quartier an. So stammt die gesamte Energie zum Heizen und Kühlen des Gebäudes aus lokalen Ressourcen. Die Umbauten sollen im Herbst 2021 beginnen.

Diagramm zur Auslegung der Energiefassade

Im Rahmen der Forschungsprojekte wurde auch die Grundlage für die Auslegung des Fassaden-Heizsystems in der Praxis geschaffen. In die komplexen Modelle und Simulationen sind dabei neben den oben genannten Erkenntnissen auch Faktoren wie die Behaglichkeit im Gebäudeinneren und das dynamische Verhalten des Systems eingeflossen. Das Ergebnis sind Auslegungsdiagramme, wie man sie z.B. von Fußbodenheizungen kennt. Für verschiedene Typen von Bestandsfassaden (z.B. Stahlbeton oder Hohllochziegel, Stahlbeton oder Vollziegel) gibt es dabei jeweils ein spezifisches Diagramm.

Damit im Gebäudeinneren der gewünschte Komfort erreicht wird, muss die Wand eine bestimmte Wärmeleistung pro Fläche an den Raum abgeben (Heat Transfer Rate/ HTR). Mit welcher Kombination von Heiztechnik und Ausführung der Energiefassade das möglich ist, lässt sich mit dem Diagramm herausfinden.

Ein Beispiel: Ein Gebäude benötigt nach der thermischen Sanierung eine Heizleistung von z.B. 30 W/m², die über die Fassadenfläche an das Gebäude abgegeben werden muss. Im Diagramm (Bild 1) wählt man durch den HTC-Wert „Heat Transfer Coefficient“ die gewünschte Ausführungsart der Energiefassade. Dieser liegt zwischen 5 W/m²K bei Ausführung ohne Wärmeleitblech und 12 W/m²K bei Ausführung mit Wärmeleitblech. Das Diagramm verrät dann die benötigte Heizmittelübertemperatur, mit der die Energiefassade bei winterlichen Bedingungen betrieben werden muss.

Im gewählten Bespiel bei einer Ausführungsart mit Wärmeleitblechen (HTC = 12) und einer Bestandswand aus Stahlbeton genügt eine Heizmittelübertemperatur von 10 K. Das ermöglicht einen effizienten Betrieb mit einer Wärmepumpenheizung. Besteht die Bestandswand dagegen aus Hohllochziegeln, braucht man eine Heizmittelübertemperatur von rund 22 K. Auch das ist mit einer Wärmepumpe machbar.

Im Detail sind dann noch individuelle Anpassungen möglich. So lassen sich z.B. einzelne Wandzonen für höhere Leistungen auslegen, um ein Badezimmer stärker zu heizen. Auch ergänzende Wärmeabgabesysteme wie Handtuchtrockner sind möglich.

Die Grundlagen für die Energiefassade sind gelegt

Die Demonstration der Energiefassade in Graz ist Teil des EU-Projektes „Excess“ (www.aee-intec.at/excess-flexible-nutzerzentrierte-plusenergiegebaeude-p247). Sie zeigt, wie selbst aus einem alten Industriebau ein klimafreundliches Plusenergiegebäude werden kann. Mit der Energiefassade lassen sich unterschiedlichste Materialien und Heiztechniken einbinden – sogar externe Energielieferanten. Vor allem aber sorgt sie dafür, dass die Bewohner es behaglich haben, egal, ob es draußen schneit oder eine Hitzeglocke über der Stadt hängt. Mit der Demonstration der energieaktiven Fassade legen wir den Grundstein für viele nachhaltige Sanierungsprojekte. In den kommenden Jahren werden wir sie gemeinsam mit unseren Partnern stetig evaluieren und weiterentwickeln.