Integrierte Anlagentechnik 04.01.2022, 08:40 Uhr

Erneuerbarer Energie aus der TGA-Modulfassade

Noch ist die Sanierungsquote im Gebäudesektor zu gering, um die Energiewende in dem von der Bundesregierung anvisierten Zeitraum zu erreichen. Ein größerer Vorfertigungsgrad für Bauteile mit integrierter technischer Gebäudeausrüstung (TGA) für regenerative Energie könnte den Prozess an Gebäuden beschleunigen, die in Skelettbauweise errichtet worden sind.

Außenansicht der Erneuerbaren-Energie-Modulfassade mit raumhohem Photovoltaik-Element. Foto: Fraunhofer

Außenansicht der Erneuerbaren-Energie-Modulfassade mit raumhohem Photovoltaik-Element.

Foto: Fraunhofer

Forschende vom Fraunhofer IBP und vom Fraunhofer IEE entwickeln dazu ein Fassadenmodul, das die technische Gebäudeausrüstung (TGA) integriert und mit regenerativer Energie versorgt, um die dahinter liegenden Räume zu heizen, zu kühlen und zu lüften. Herzstück der sogenannte Erneuerbare-Energien-Modulfassade (EE-Modulfassade) ist eine Photovoltaik-Anlage (PV), die mit einer Wärmepumpe als hocheffizientem Wärme- und Kälteerzeuger kombiniert ist, sowie ein dezentrales Lüftungsgerät 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 entwickelt die Wärmepumpe, und die LTG AG ergänzt den Bereich dezentrale Lüftung.

„Minimalinvasive“ Fassadensanierung

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer kostengünstigen modularen Sanierungs- und Neubaufassade, wobei die Sanierung – wie bei vielen Operationen in der Medizin – „minimalinvasiv“ erfolgen soll. „Wir renovieren nicht das komplette Gebäude, sondern nur die Fassade“, erläutert Projektleiter und Wissenschaftler am Fraunhofer IEE Jan Kaiser. „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.“

Vorteile der Technologie

Eine einzelne Technikeinheit der EE-Modulfassade ist 1,25 Meter breit und 30 Zentimeter tief. Jede Einheit kann hierbei einen ca. 24 Quadratmeter großen Raum versorgen. 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 extra ausziehen.

Einsatz an in Skelettbauweise errichteten Büro- und Verwaltungsgebäuden sowie Schulen

Die EE-Modulfassade eignet sich vor allem für Büro-, Verwaltungsgebäude und Schulen, die in Skelettbauweise errichtet wurden – eine Bauweise, die in den 50er, 60er und 70er 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.

Modulfassade als Energiehülle

Die Wärmepumpe ist das bestimmende Bauteil der Technikeinheit in der EE-Modulfassade, da sie sowohl als Wärme- und Kälteerzeuger fungiert als auch für die Regelung der Energieströme verantwortlich ist. Mit Strom versorgt wird sie ebenso wie andere Anlagenkomponenten von der in die Modulfassade eingebaute PV-Anlage.

Aus einer Einheit Strom kann die Wärmepumpe drei bis vier Einheiten Wärme produzieren. Dazu entzieht sie über einen im Luftspalt hinter dem PV-Element montierten Ventilatorkonvektor entzieht sie der Außenluft die Wärme und gibt sie ebenfalls über einen Ventilatorkonvektor als Heizwärme an den dahinterliegenden Raum ab. Muss sie kühlen statt heizen, wird der Kreislauf umgekehrt. Dabei entzieht sie der Innenluft Wärme und führt sie an die Außenluft ab.

„Atmendes“ Lüftungsgerät

Eine integrierte dezentrale Lüftungstechnikeinheit regelt den Luftwechsel und die Wärmerückgewinnung. Durch eine gezielte Verschaltung von Luftklappen wird nur ein Ventilator benötigt, was den Stromverbrauch senkt. Das von der LTG stammende Lüftungsgerät wechselt dabei zyklisch zwischen Zu- und Abluftbetrieb und führt damit quasi einen Atemzug 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 Prozent aller Bürogebäude wurden von 1950 bis etwa 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 Kaiser.

Erste Tests mit simulierten „Nutzern“

Derzeit testen die Projektpartner den Demonstrator der EE-Modulfassade an der Südfront des Veru-Gebäudes (Versuchseinrichtung für Energetische und Raumklimatische Untersuchungen des Fraunhofer IBP in Holzkirchen) inklusive eines dahinterliegenden Versuchsraums. Sowohl der Demonstrator als auch der Versuchsraum sind mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet.

Darüber hinaus sind zeitabhängig geregelte internen Wärme- und Feuchtequellen, die „Nutzer“ in den Räumen nachbilden, installiert, um die Funktionsfähigkeit in einem realen Büroumfeld nachzuweisen. Dabei werden unter anderem 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 nach Angaben der Fraunhofer-Gesellschaft bereits sehr gut. Einzelne Bauteile werden derzeit noch optimiert.

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