Solar Decathlon Europe

Innovationen für hohen Wohnkomfort

von Prof. Dr. Jan Cremers, Sebastian Fiedler

Im Juni 2010 wurde in Madrid der erste Solar Decathlon Europe ausgetragen. Für diesen internationalen Wettbewerb entwarfen und bauten 20 Hochschulteams aus der ganzen Welt Prototypen für ein Netto-Plusenergie-Wohnhaus. Prof. Dr. Jan Cremers und Sebastian Fiedler vom Team der Hochschule für Technik Stuttgart mit dem Haus home+ berichten über ihr Projekt, das nach einer spannenden Wettbewerbsphase unter Madrids Sommersonne einen Platz auf dem Siegertreppchen erringen konnte.

Das Teilnehmerfeld des ersten Solar Decathlon Europe (SDEurope) war international besetzt. Neben Teams aus Spanien, Deutschland, Frankreich, Finnland und Großbritannien beteiligten sich auch außereuropäische Teams aus den USA, Mexiko, Brasilien und China. Die Aufgabe bestand darin, einen Prototyp für ein Netto- Plusenergie Wohnhaus zu entwerfen, zu bauen, nach Madrid zu bringen und ,dort in zehn Disziplinen anzureten. Die Bewertung erfolgte durch die Auswertung von Messungen – z.B. Lufttemperatur und Luftfeuchte im Innenraum –, durch die Erfüllung gestellter Aufgaben – z.B. Waschen und Trocknen von Handtüchern – und durch Fachjurys. Dabei ging der Wettbewerb weit über bloße gestalterische und technische Aspekte hinaus, auch die Marktfähigkeit der Prototypen und die Kommunikation des eigenen Beitrags und der Wettbewerbsziele spielten entscheidende Rollen.
Die für den SDEurope entwickelten Häuser stellen die Bandbreite des heutigen Standes der Technik dar und weisen gleichzeitig weit darüber hinaus innovative Ansätze für zukünftige Entwicklungen im Bereich des energieeffizienten und nachhaltigen Bauens auf. home+, das Haus der Hochschule für Technik Stuttgart (HFT Stuttgart), verbindet dabei architektonischen Anspruch und traditionelle Methoden der Raumkonditionierung mit der sinnvollen Nutzung moderner Technologien und Materialie. Dafür wurde es in zwei der zehn Disziplinen des „solaren Zehnkampfes“ mit dem ersten Preis ausgezeichnet: in den Disziplinen „Engineering and Construction“ und „Innovation“. Zweite Preise erlangte home+ in den Disziplinen „solare Systeme“ und „Hausgeräte und Funktionalität“, einen dritten Preis in der Disziplin „Nachhaltigkeit“. Auch in den verbleibenden fünf Disziplinen wurde das Haus gut bewertet, sodass in einem äußerst knappen Finale in der Gesamtplatzierung der dritte Platz errungen werden konnte – der Abstand auf den Sieger betrug nur 4,5 von 1000 möglichen Punkten.

Herausforderung Gebäudekühlung

Das Klima in Madrid ist heiß und trocken, gerade auch zur Zeit des Wettbewerbs im Juni. Gleichzeitig gaben die Wettbewerbsregeln vor, dass im Inneren der Häuser die Temperatur zwischen 23–25°C und die relative Luftfeuchte zwischen 40–55 % gehalten werden sollte, auch wenn diese Vorgaben im Hinblick auf die sinnvolle Verwendung regenerativer Energien sicher infrage zu stellen sind. Die Vermeidung von Überhitzung und die Kühlung des Hauses waren also im Wettbewerb von entscheidender Bedeutung. Der Energieturm und die Energiehülle sind zwei wichtige und innovative Komponenten des Energiekonzeptes, die einen hohen Komfort bei gleichzeitig geringem Energieaufwand sicherstellen. Gleichzeitig prägen sie die Erscheinung des Gebäudes von außen und im Innenraum. [1]

Energieturm – ein altes Prinzip neu gedacht

Der Energieturm leistet in trockenen und heißen Regionen wie Madrid im Zusammenspiel von Wind, Verdunstungskälte und thermischem Auftrieb die Belüftung und Kühlung der Zuluft des Gebäudes, ohne dabei weitere Energie für den Lufttransport oder die Kältebereitstellung zu benötigen. Im Inneren des Turms verrieselt an abgehängten Tüchern Wasser. Hierdurch wird die Temperatur der durchströmenden Luft über Verdunstungskühlung abgesenkt. Anschließend tritt diese gekühlte Luft im Sockelbereich des Turmes quellluftartig in den Innenraum ein und trägt zum Wohnkomfort bei. Die Abluft verlässt das Gebäude durch die Bereiche links und rechts des Turmes, unterstützt durch so genannte Solarkamine. In diesen heizen sich mobile-artig gestaltete Absorberflächen durch die solare Einstrahlung auf und geben die Wärme an die umgebende Luft ab. Der dadurch entstehende thermische Auftrieb unterstützt die Durchströmung der Kamine und führt zu einem Unterdruck im Gebäude, wodurch die Funktion des kühlenden Teils des Turms gestärkt wird.

PVT-Kollektoren – Strom und Kühlenergie aus einer Hand

Die Energiehülle aus Photovoltaik-Modulen erzeugt tagsüber Strom und nachts Kälte. Dazu wird Wasser aus einem Rückkühlspeicher durch Rohre hinter den PV-Modulen auf das Dach gepumpt (Abb.1). Durch die Abstrahlung gegen den regelmäßig wolkenlosen Nachthimmel kühlen die PV-Module aus und entziehen dem dahinter vorbeifließendem Wasser Wärme. Das Prinzip der Strahlungskühlung beruht auf der Wärmeabgabe durch langwellige Abstrahlung eines Körpers an einen anderen Körper mit niedrigerer Temperatur, der als Wärmesenke dient. In der Anwendung zur Kühlung von Gebäuden stellt die Gebäudeoberfläche den zu kühlenden Körper dar, die Wärmesenke ist der klare Himmel. Dieser eignet sich dafür besonders gut, da die Himmelstemperatur – insbesondere in der Nacht – niedriger ist als die der meisten Gegenstände auf der Erde. Wie Experimente im Vorfeld gezeigt haben, sind dabei je nach Wassertemperatur, Außentemperatur und Bewölkungsgrad Kühlleistungen von ca. 50-120 W/m² Dachfläche realistisch, gerade am Wettbewerbsstandort Madrid mit regelmäßig wolkenlosen Nächten im Sommer. Um diesen Effekt auszunutzen, wurde home+ mit einem Strahlungskühlungssystem ausgestattet, das an der HFT Stuttgart im Rahmen des Projekts neu entwickelte photovoltaisch-thermische Hybridkollektoren (PVT Kollektoren) verwendet. Das so gekühlte Wasser wird zur Regenerierung einer PCM-Decke, zur direkten Kühlung des Fußbodens und zur Kühlung von 1.200 Liter Wasser in einem „Rückkühlspeicher“ genutzt. Dieser Speicher dient zur Rückkühlung einer reversiblen Wärmepumpe, die zur Abdeckung von Spitzenlasten vorgehalten wird. [2]

Regenerative Warmwasserbereitung und Heizung

Der Warmwasserbedarf wird über Vakuumröhren-Kollektoren gedeckt, die gleichzeitig in der Energiehülle als Verschattungselemente eingesetzt werden. Im Heizfall werden die überschüssigen und aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus nicht zur Warmwasserbereitung nutzbaren Erträge der Vakuumröhren-Kollektoren genutzt, um den Wasserspeicher zu laden. Dabei handelt es sich um den oben erwähnten „Rückkühlspeicher“, der im Heizfall der reversiblen Wärmepumpe als Wärmequelle zur Heizung des Gebäudes und zur Warmwasserbereitung dient. Ein Lüftungsgerät mit Wärmetauscher minimiert die Lüftungswärmeverluste im Winter und unterstützt durch Befeuchtung der Abluft mit einem weiteren Wärmetauscher die Kühlung der Zuluft.

Plusenergiehaus durch innovative Photovoltaik

Der Energiebedarf für Heizen, Kühlen, Lüftung und Warmwasser wird durch die oben beschriebenen passiven und aktiven Maßnahmen minimiert, ein Plusenergiehaus wird home+ aber natürlich erst durch regenerativ erzeugten Strom. Diesen liefern PV-Module an der Ost- und Westfassade sowie auf dem Dach, die sich wie eine zweite aktive Haut um die Gebäudemodule legen. Ihren besonderen Charakter erhält diese Hülle durch den Einsatz mehrfarbiger PV-Zellen aus polykristallinem Silizium (Titelbild). Die goldenen und bronzenen polykristallinen PV-Zellen weisen einen Zellenwirkungsgrad von etwa 13 % auf und lassen sich somit auch in einem Modul verbauen, ohne Einbußen beim Stromertrag in Kauf nehmen zu müssen. Mit einem Zellwirkungsgrad von etwa 17 % liefern die polykristallinen Zellen auf dem Dach aber natürlich den größten Anteil des jährlichen Stromertrags. Bei einer installierten Gesamtleistung Leistung von etwa 12 kWp (6 kWp an den Fassaden, 6 kWp auf dem Dach) liegt der jährliche Stromertrag am Standort Madrid bei etwa 11.400 kWh, der simulierte Jahresverbrauch von home+ bei etwa 3.800 kWh. Über ein Jahr gesehen wird also etwa dreimal so viel Strom produziert wie verbraucht. Auch für den Standort Stuttgart ist das Haus mit einem Ertrag von etwa 7.400 kWh und einem Verbrauch von 5.300 kWh noch in den schwarzen Zahlen.

jan.cremers@hft-stuttgart.de

Literatur
[1] Palla, N.; Fiedler, S.; Cremers, J.: Unser Beitrag zum Solar Decathlon Europe 2010 in Madrid – eine Herausforderung für Architektur und Bauphysik (Teil 1: Wettbewerb und Gebäudekonzept). In: Veröffentlichungen der Hochschule für Technik Stuttgart Band 106, Tagungsband Bauphysikertreffen 2009, Stuttgart, 27. November 2009

[2] Dalibard, A.; Binder, M.; Büttgenbach, S.; Cotrado, M.; Cremers, J.; Beck, A.: Unser Beitrag zum Solar Decathlon Europe 2010 in Madrid - eine Herausforderung für Architektur und Bauphysik (Teil 2: Energieeffiziente Kühlkonzepte). In: Veröffentlichungen der Hochschule für Technik Stuttgart Band 106, Tagungsband Bauphysikertreffen 2009, Stuttgart, 27. November 2009