Energieoptimierte Gebäude 02.02.2022, 10:25 Uhr

Forschungsprojekt: Fassaden-Module mit integrierter Anlagentechnik

Forschende vom Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) und für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) arbeiten derzeit an einem Fassadenmodul, das die technische Gebäudeausrüstung (TGA) integriert und mit regenerativer Energie versorgt, um die dahinter liegenden Räume zu heizen, zu kühlen und zu lüften.

Gebäudetechnik bereits integriert: Die EE-Modulfassade mit raumhohem PV-Element. Foto: Fraunhofer

Gebäudetechnik bereits integriert: Die EE-Modulfassade mit raumhohem PV-Element.

Foto: Fraunhofer

Der Gebäudebereich hat einen wesentlichen Anteil am deutschlandweiten Gesamtenergiebedarf und den bundesweit verursachten Treibhausgasemissionen. Entsprechend können energieoptimierte Gebäude, deren intelligente Steuerung und Vernetzung sowie eine wirtschaftliche und klimafreundliche Energieversorgung maßgeblich zum Gelingen einer Energie- und Wärmewende beitragen. Doch die Sanierungsquote im Gebäudesektor ist aktuell zu gering, um die Energiewende im von der Bundesregierung avisierten Zeitraum tatsächlich zu erreichen. Um Zeit zu gewinnen, könnte ein höherer Vorfertigungsgrad verwendeter Bauteile helfen. So entwickeln Forscherteams am Fraunhofer IBP und am Fraunhofer IEE in Kooperation mit Partnern aus der Wirtschaft derzeit eine sogenannte EE-Modulfassade (Erneuerbare Energien-Modulfassade), die Gebäude umweltfreundlich mit Strom versorgt und die Räume zugleich beheizt, kühlt und lüftet. Herzstück des Moduls ist eine PV-Anlage, die mit einer Wärmepumpe als Wärme- und Kälteerzeuger kombiniert ist, sowie ein dezentrales Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung. Alle erforderlichen anlagentechnischen Bauteile sind in dem EE-Modul-Fassadenelement untergebracht. Anwendbar wäre das System für die Sanierung von Bestandsfassaden ebenso wie für Neubauten.

Fassaden-Module: Schnelle Installation und hohe Kostensicherheit

Eine Sanierung könnte minimalinvasiv erfolgen, so Jan Kaiser, Projektleiter am Fraunhofer IEE: „Wir renovieren nicht das komplette Gebäude, sondern nur die Fassade. Die alte Fassade wird durch die industriell vorgefertigten Module mit integrierter Anlagentechnik ersetzt, was sie multifunktional macht und an die neuen Energiestandards anpasst.“ Der Austausch erfolge in nur wenigen Stunden. Da die Heiz- und Lüftungstechnik bereits integriert ist, müssen keine neuen Rohre im Gebäudeinneren verlegt werden. Die Fassade müsse lediglich über einen Stromanschluss verfügen, um auch in Zeiten ohne PV-Strom die Räume klimatisieren und lüften zu können.

Ein weiterer Vorzug: Planer und Investoren erhalten durch die Vorfertigung eine hohe Kostensicherheit und einen klar definierten Kostenrahmen. Zudem sinkt der Installations- und Abstimmungsaufwand auf der Baustelle, im Idealfall könnten die Bewohner des Gebäudes sogar während der Sanierung in ihren Räumen verbleiben.

Die EE-Modulfassade eigne sich, so die Fraunhofer Institute, vor allem für Büro-, Verwaltungsgebäude und Schulen, die in Skelettbauweise errichtet wurden – eine Bauweise, wie sie in den 1950er, 60er und 70er Jahren üblich war. Anstelle von tragenden Wänden halten Stahlbetonstützen die Geschossdecken. Bei der Sanierung werden die alten Fassadenelemente abgenommen, und die geschosshohen Module (Breite: 1,25 Meter, Tiefe: 03 Zentimeter) vor der Gebäudestruktur eingehängt. Jede Einheit kann einen Raum von bis zu 24 Quadratmeter Größe versorgen.

Wärmepumpe für Wärme- und Kälteerzeugung integriert

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 und zeichnet sich durch eine intelligente Regelung der Energieströme aus. Aus einer Einheit Strom kann sie drei bis vier Einheiten Wärme produzieren. 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 wieder an den dahinterliegenden Raum ab. Muss sie kühlen statt heizen, wird der Kreislauf umgekehrt.

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 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“, wirbt Michael Eberl vom Fraunhofer IBP. Etwa 25 bis 30 % aller Bürogebäude wurden von 1950 bis etwa 1990 in Skelettbauweise errichtet, so Eberl. Sie wiesen einen Verbrauch von 3.200 Gigawattstunden pro Jahr auf. „Mit unserer EE-Modulfassade lässt sich der Verbrauch auf 600 Gigawattstunden senken“, ist sich Kaiser sicher. Auch die geringe Sanierungsquote von einem Prozent pro Jahr ließe sich durch den hohen Vorfertigungsgrad steigern.

Der Raum hinter der Fassade: Hier werden die aktuellen Daten erhoben und analysiert.

Foto: Fraunhofer

Erste Praxistests verlaufen erfolgreich

Getestet wird die EE-Modulfassade derzeit am Fraunhofer IBP-Standort in Holzkirchen. An der Südfront des ERU-Gebäudes inklusive eines dahinterliegenden Versuchsraums. Sowohl der Demonstrator als auch der Versuchsraum in der Versuchseinrichtung für Energetische und Raumklimatische Untersuchungen (VERU) sind mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet. Darüber hinaus sind zeitabhängig geregelte interne Wärme- und Feuchtequellen installiert, die die Anwesenheit von Personen simulieren, 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. Die elektrischen Verbräuche der Einzelkomponenten der Technikeinheit der EE-Modulfassade werden ebenso aufgezeichnet wie Erträge des PV-Elements, um daraus eine Energiebilanz zu berechnen. Erstes Fazit: Das Zusammenspiel aller Komponenten funktioniert bereits sehr gut, einzelne Bauteile werden aktuell optimiert.

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