Projekt 07220/01

Solarroof – Entwicklung eines Fertigdachsegments mit integriertem Sonnenkollektor

Projektdurchführung

Wagner & Co Solartechnik GmbH
Ringstr. 14
35091 Cölbe

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der solare Wärmeenergiepreis in Sonnenkollektorfeldern größerer Anlagen fällt deutlich niedriger aus als in den typischen Einfamilienhausanlagen. Viele Fixkosten, wie Regler, Rohrsystem sowie viele Arbeitsschritte während der Montage fallen bei Großanlagen nicht ins Gewicht. Trotzdem besteht auch für große Kollektorfelder ein starker Optimierungsbedarf, zumal hier die Kunden die Rentabilität wesentlich stärker in den Mittelpunkt stellen. Große Kollektorfelder müssen darüber hinaus höheren Anforderungen an die architektonische Gestaltung Rechnung tragen.
Ziel dieses Vorhabens war es, ein Kollektorsystem aus größeren Einheiten zu schaffen, um den Anforderungen an große Kollektorfelder besser gerecht zu werden und die Systemkosten senken zu können. Solar-Roof FDK wurde als Modul entwickelt, das eine Einheit aus Dachelement und Kollektor bildet. Folgende Ziele sollen im wesentlichen mit dem System erreicht werden:
- Systemkostensenkung durch Doppelfunktion (Kollektor und Dach)
- Reduzierung der Montagezeit auf der Baustelle
- Vereinfachung der Verrohrungstechnik (Low Flow)
- Geschlosseneres Gesamtbild der Kollektorfläche
- Erfüllung von individuellen architektonischen Wünschen


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Entwicklung des Solar-Roof-Kollektors entstand in einer Kooperation zwischen den beiden Firmen Wagner & Co und Solvis Energiesysteme. Solvis übernahm die Federführung für die Konstruktion und Wagner & Co die Zuständigkeit für die Versuchsaufbauten und Tests sowie die Projektkoordination.
Es war geplant, innerhalb von 8 Wochen die Kollektorkonstruktion zu entwickeln. Anschließend sollte zum einen die besondere Temperatur- und Witterungsbeanspruchung untersucht werden, die bei dem Zusammenbringen von Kollektor und Dachkonstruktion entstehen, wie z.B. die Temperaturspitzen im Dämmaufbau im Bereich der Unterdachspannbahn, oder die Kompensation von Wärmeausdehnung im Glasträgerprofil. Zum anderen galt es, sämtliche Installationskosten zu minimieren. Angefangen vom Transport von der Werkstatt bis auf das Dach, über die Befestigung und Abdichtung der Elemente untereinander, bis hin zur einfachen aber wartungsfreundlichen Verrohrung der Elemente untereinander.
Der erste Prototyp wurde ab Mai 1995 am Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik, Universität Stuttgart, vermessen. Mit den Erfahrungen aus dem ersten Test konnte dann die Detailkonstruktion erarbeitet und die Glasabdichtungsprofile in Auftrag gegeben werden.
Der zweite Prototyp wurde dann beim Fensterinstitut einem Beregnungstest unter starkem Winddruck in Anlehnung an DIN 18055 unterzogen, um speziell die Anforderungen der Architekten an absolute Dichtigkeit im Dachbereich zu gewährleisten.
Mit den gesammelten Erfahrungen bei Bau und Test des Prototyps wurde dann eine Konstruktions-FMEA (Fehler Möglichkeits Einflußanalyse) durchgeführt, um konstruktive Risiken frühzeitig zu erkennen und Gegenmaßnahmen einzuleiten.
Mit den gesammelten Erkenntnissen wurden die Abschlüsse konstruiert und außerdem Änderungen am Vertikalprofil vorgenommen, um einen besseren Regenablauf zu gewährleisten.
Die erforderliche kombinierte Schnee- und Windlastbeständigkeit wurde durch statische Berechnungen nach DIN 4757 Teil 4 und 5 nachgewiesen.
Schließlich wurden die Vorrichtungen für die Solar-Roof-Montage gebaut, so daß im Sommer 1997 die erste Anlage montiert werden konnte.


Ergebnisse und Diskussion

1. Kollektortest
Die Kollektorprüfungen nach der neuen DIN 4757 Teil 3 und 4 haben die Leistungsfähigkeit des Kollektors bestätigt und auch die Qualitätsprüfung konnte ohne Schwierigkeiten durchgeführt werden. Die zusätzlichen Bauteiltemperaturmessungen haben gezeigt, daß die im Extremfall auftretenden Temperaturen unter den Grenzwerten der eingesetzten Materialien, wie z.B. EPDM-Profile oder Unterspannbahn, liegen und die maximal mögliche Wärmeausdehnung der Al-Profile bzw. Glasscheiben konstruktiv abgefangen werden kann.
2. Beregnungstest
Nur durch den verschärften Beregnungstest beim Fensterinstitut Rosenheim konnte eine Schwachstelle bei der Abdichtung im Vertikalprofil entdeckt werden. Denn nur bei großem Winddruck während der Beregnung konnte Wasser in das Vertikalprofil eindringen. Mit einer kleinen Korrektur bei der Abdichtung in der Ablaufrinne konnte das Problem behoben werden.
3. FMEA
Die FMEA - im Team durchgeführt - dient zum einen als Checkprüfung, ob die eingangs formulierten Anforderungen verwirklicht wurden; zum anderen der systematischen Auffindung aller denkbaren Fehler im Material oder in der Konstruktion. Bei der FMEA wurden alle denkbaren Extrembelastungen, wie z.B. Hitze, Schnee, Wind oder Krantransport, durchgespielt. Dabei wurden einige Details aufgespürt, die danach verbessert wurden, wie z.B. Werkstoff und Stärke der Schrauben oder die Form des oberen EPDM-Dichtprofils.
4. Montageerfahrungen
Gleich im ersten Bauprojekt zeigte sich der Vorteil des Montage-Konzepts von Solar-Roof; denn soweit wie nur möglich waren in der Fertigungshalle allen denkbaren Arbeiten, wie die Komplettverglasung und der Einbau der Verteilerleitung, bereits durchgeführt worden. Dank der großen Moduleinheiten konnte das gesamte Kollektorfeld von 140 m2 auf der Baustelle in nur 4 ½ Stunden auf das Dach gesetzt und befestigt werden. Schließlich hat sich gezeigt, daß witterungsabhängige Montagearbeiten auf der Baustelle wesentlich höher zu kalkulieren sind als diejenigen in der geschützten Fertigungshalle.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Planer und Architekten, die Projekte im kommunalen Bereich und bei Wohnungsfirmen abwickeln, sind die wichtigste Zielgruppe. Auf Fachmessen, in Seminaren und Fachzeitschriften wurden sie konkret über das Solar-Roof FDK System informiert, u.a. auch mit einem 6-Seiten-Farbprospekt.


Fazit

Im Rahmen dieses Entwicklungsprojekts wurde ein Sonnenkollektorsystem geschaffen, das besonders hohe Anforderungen zu erfüllen hatte. Planer und Bauherren im öffentlichen Bereich erwarten detaillierte Nachweise z.B. über die bauphysikalische Eignung, über Regendichtigkeit oder Temperaturbeständigkeit, während andererseits der kalkulatorische Spielraum bei den Firmen immer enger wird.
Nur durch die enge Kooperation der beiden erfahrenen Solarfirmen zusammen mit dem DBU-Förderprojekt war es möglich, den Solar-Roof FDK erfolgreich zu entwickeln. Die Kombination von Dach, Dämmung und Kollektor ermöglicht es, die Kollektorfeldkosten um 12 bis 15 % zu senken.