Energieerzeugende Holzverbund-Bauteile

von Prof. Dr. Leander Bathon, Oliver Bletz-Mühldorfer

Die Anzahl an Bauwerken, bei denen in den letzten Jahren Holz-Beton-Verbundkonstruktionen zum Einsatz gekommen sind, ist rapide gestiegen. Aus statischer und bauphysikalischer Sicht ist die Holz-Beton-Verbundbauweise äußerst interessant – verbindet sie doch infolge des Hybridansatzes die Stärken der jeweiligen Baustoffe. Prof. Dr. Leander Bathon und Oliver Bletz-Mühldorfer berichten über ein Vorhaben, das zum Ziel hat, unter Nutzung der Solarthermie energieerzeugende Holz-Verbundbauteile zu entwickeln

In einem derzeit an der Hochschule RheinMain FuE-Vorhaben (gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) sollen die am Markt existierenden technisch weit entwickelten, aber kostenintensiven Sonnenkollektorsysteme durch ein wesentlich kostengünstigeres Holz-Beton-Verbund(HBV)-Solarthermiemodul ersetzt werden. Bei diesem HBV-Solarthermiemodul wird als Absorberfläche der Beton des Bauteils herangezogen, in den ein mediumführendes Leitungssystem zur Wärmeabführung integriert ist. Um eine möglichst hohe Absorption der Sonnenenergie zu erreichen, ist die der Sonne zugewandte Oberfläche des Absorbers entweder schwarz eingefärbt oder mit einer speziellen Beschichtung versehen, die selektiv wirkt, das heißt, die von außen kommende kürzerwellige Sonnenenergie möglichst gut aufnimmt und die längerwellige Wärmeenergie des Absorbers nur schlecht abgibt. Bei dem neuartigen HBV-Solarthermiesystem handelt es sich insgesamt um ein multifunktionales Bauelement, das gleichzeitig folgende Funktionalitäten erfüllen soll und folgende Eigenschaften/
Charakteristika aufweist:

- Statik: Das vorgefertigte HBV-Solarthermiemodul besitzt volle statische Eigenschaften, d.h. es ist z.B. im Bereich von Dächern als eigenständiges Dachtragelement einsetzbar. Es sind keine weiteren Dachtragelemente aus Beton, Stahl oder Holz erforderlich. Damit unterscheidet es sich maßgeblich vom Stand der Technik. Aufgrund des Verbundansatzes kann davon ausgegangen werden, dass mit dem HBV-Solarthermiemodul auch Spannweiten bis zu 15 m und mehr erzielt werden können.

- Dämmung: Es besitzt eine unterseitige, zwischen den Holzrippen angeordnete Wärmedämmung. Damit unterscheidet es sich ebenfalls maßgeblich vom Stand der Technik, da herkömmlicheSolarkollektoren und Solarsysteme nur Energie erzeugen, jedoch keine bauphysikalische Verbesserung der Gebäudehülle erzielen (keine Dämmwirkung).

- Energiegewinnung: Die Energiegewinnung wird beim HBV-Solarthermiemodul über ein Aufheizen der Betonplatte und eine Erwärmung des Mediums erzielt, das sich innerhalb des Leitungssystems befindet. Die Größe der Energiegewinnung ist hierbei abhängig von vielen lokalen und globalen Faktoren.

- Wirkungsgrad und Herstellungskosten: Im Vergleich zu konventionellen Solarthermielösungen, die nur eine energetische Funktion besitzen, liefert das HBV-Solarsystem einen deutlich erhöhten Quotienten aus Wirkungsgrad/Herstellungskosten, da die Herstellungskosten für Sonnenkollektoren vergleichsweise hoch sind. Die bei konventionellen Solarthermiesystemen verwendeten teuren und knapper werdenden Rohstoffe Kupfer, Glas, Edelstahl, Stahl werden beim HBV-Solarthermiesystem durch den Einsatz des nachwachsenden Rohstoffes Holz als Trag- und Dämmelement substituiert. Beim HBV-Solarsystem sind die Material- und Herstellungskosten für das mediumführende Leitungssystem sowie eine mögliche Beschichtung der Betonplatte insgesamt äußerst gering.

- Bauzeit: Im Vergleich zu konventionellen Solarthermielösungen ist das HBV-Solarsystem bereits bei der Herstellung des Rohbaus integrierbar. Aufgrund der angestrebten Vollvorfertigung ist eine deutliche Beschleunigung des Bauablaufs im Vergleich zu herkömmlichen Solarsystemen zu erwarten (bei herkömmlichen Solarsystemen erfolgen in der Regel alle Verlege- und Installationsarbeiten nach dem eigentlichen Bau der Dachkonstruktion).

- Ersatz von teuren Rohstoffen: Kupfer, Glas, Edelstahl und Stahl werden beim HBV-Solarthermiesystem durch den Einsatz des nachwachsenden Rohstoffes Holz als Trag- und Dämmelement (z.B. Zellulose) sowie Beton als Wärmespeicher substituiert.

- Lebensdauer: Es handelt sich um ein äußerst robustes System mit einer deutlich höher zu erwartenden Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Sonnenkollektorsystemen. Ein wesentlicher Vorteil des HBV-Solarthermieansatzes besteht hierbei in der geschützten Positionierung des mediumführenden Leitungssystems innerhalb der Betonplatte. Im Gegensatz hierzu sind herkömmliche Solarsysteme der Witterung frei ausgesetzt (Sonne, Wind, Regen, UV, Frost, Hitze etc).

- Optik: Keine optische Beeinträchtigung als Fremdkörper auf dem Dach.

- Solarthermische Kühlung: Mittels der erzeugten Energie besteht grundsätzlich auch die Möglichkeit zur Gebäudekühlung. Konventionelle, elektrisch angetriebene Kühlungstechnik wird durch thermisch angetriebene Verfahren ersetzt. Dieser Lösungsansatz ist besonders in südlichen Regionen (Mittelmeerraum) attraktiv. Er führt u.a. zu deutlichen Primärenergieeinsparungen, zur Reduktion von Spitzen im elektrischen Leistungsbezug sowie zu einer Verminderung von lokalen Emissionen.

- Stromgewinnung: Durch die Integration einer variabel verlegbaren Photovoltaikbahn lässt sich neben der Energiegewinnung zusätzlich Strom mit dem innovativen Hybridbauteil erzeugen. Der Wirkungsgrad einer solchen Photovoltaikbahn (Dünnschichtmodul) liegt bei ca. 6 % bis 8 %.

Pilotprojekt HBV-Solar-Carport

In einem Versuchsstand an der Hochschule RheinMain werden derzeit verschiedene innovative Lösungsansätze in einem Pilotprojekt zusammengeführt. Wie Abb. 3 zeigt, handelt es sich bei dem Versuchsstand um einen Carport, dessen tragende Konstruktion aus den Werkstoffen Stahl, Holz und Beton besteht (Stützen aus Stahlhohlprofilen sowie das Dach aus einer Holz-Beton-Verbundkonstruktion).
Der Anschluss der Stahlstützen an das HBV-Dach erfolgt über eine Holz-Stahl-Klebeverbindung. Zusätzlich zu diesen innovativen Konstruktionslösungen wurden zwei verschiedene Systeme zur Nutzung regenerativer Energien kombiniert. Zum einen werden Photovoltaikbahnen zur Stromerzeugung auf dem Dach aufgelegt, zum anderen Solarthermie-Rohre für Warmwasserzeugung in die Betonplatten eingelegt. Ein nicht zu vernachlässigender Vorteil dieses Ansatzes: Die Photovoltaikelemente, die von der Sonne erhitzt werden, können durch die Solarthermie gekühlt werden, um ihre Leistungsfähigkeit zu steigern. Nähere Details zu dem Carport können den Abb. 4 und 5 entnommen werden.
Bezüglich des Monitorings ist beabsichtigt, in die Betonplatte vier Temperaturfühler mit einzubetonieren. Hierbei werden jeweils zwei Temperaturfühler mit Edelstahlhülse übereinander angeordnet. Einer der beiden Fühler wird dabei ca. 1 cm unterhalb der Photovoltaikelemente positioniert, um die Temperatur in der Nähe der Betonoberfläche zu messen. Der zweite Temperaturfühler liegt in Höhe der Solarthermie-Ebene (ca. 4,4 cm unterhalb der Betonoberfläche), um Messwerte in dieser Bauteilregion zu erfassen. Alle Messdaten werden von einem Datenlogger gespeichert und können am Computer ausgewertet werden. Des Weiteren wird sowohl der Wasserdurchfluss in den Solarthermie-Rohren gemessen als auch die Temperatur des eingespeisten und des ausgenommenen Wassers. Damit soll die Wärmemenge bestimmt werden, die durch das Carport gewonnen werden kann.

leander.bathon@hs-rm.de