Projekt 07634/01

Entwicklung eines Fertigdachsegments mit integriertem Sonnenkollektor

Projektdurchführung

SET Solar Energie Technik GmbH
Hauptstr. 29
09477 Jöhstadt

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung eines Fertigdachsegments mit integriertem Sonnenkollektor basierend auf einem Sparrensystem, ähnlich dem Tragsystem des Pfettendachs. Ziel des Projektes war es, ein System zu entwickeln, bei dem das Dach und der Sonnenkollektor zu einer Einheit verschmelzen - die Symbiose aus Sonnenkollektor und Dach. Das heißt, die tragende Konstruktion des Daches ist gleichzeitig die Tragkonstruktion des Sonnenkollektors und umgekehrt. Die Funktion der abdichtenden Dachhaut - was vorher die Aufgabe der Ziegel war - übernimmt die Glasabdeckung des Sonnenkollektors, und die Kollektordämmung dämmt gleichzeitig das Dach. Durch ein in der Fabrik vorgefertigtes System mit kurzen Montagezeiten am Bau könnten Solaranlagen bei baulich vorgesehenem Schrägdach mit einer wesentlich geringeren Investitionshöhe realisiert werden, da das eigentliche Dach entfällt. Ein wesentlich effizienterer Materialeinsatz als bei Lösungen von Dach plus Kollektor, die Verwendung des nachwachsenden Rohstoffs Holz in Form von Schichtleimholz für die Tragkonstruktion und die Minimierung des Aluminiumeinsatzes, würde zu einer Verbesserung der ökologischen Bilanz der Solaranlage beitragen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenBei der Entwicklung und Konstruktion des Solar Roof mußten kollektor- und dachspezifische Konstruktionsmerkmale und Aufgaben miteinander verbunden werden. Hierbei wurde bezüglich der Tragkonstruktion auf bewährte Konstruktionsmerkmale und Materialien aus dem Holzbau zurückgegriffen. Auf das Sparren- bzw. Halbsparren-Tragsystem wurde der Kollektor aufgebaut und integriert, wobei die Sparren als Konstruktionselement im Lastenheft fest vorgegeben waren und aufgrund statischer Vorgaben nicht verändert wurden. Das Ziel der Entwicklung, die Symbiose aus Dach und Kollektor, wurde bei der Konzeption und Konstruktion konsequent verfolgt. Bei der konstruktiven Integration des Kollektors mußte berücksichtigt werden, daß das Tragsystem keinesfalls durch die unterschiedlichen Betriebsbedingungen des Kollektors bezüglich Mikroklima (Feuchtigkeit, Temperatur) und Stagnationstemperaturen beeinträchtigt wird. Des weiteren mußte auch für Schadensfälle wie Glasbruch Vorsorge getragen werden, da die Dachfunktion unter allen Bedingungen erfüllt werden muß. Durch den Bau von Modellen bzw. Prototypen konnten die Konstruktionslösungen überprüft und getestet werden. Mit Prototypen wurden auf dem Betriebsgelände umfangreiche Tests (Druckverlustmessungen, Wassersprühtest, Leistungs- und Stagnationstests) durchgeführt. Weitere wichtige Erkenntnisse konnten bei den Leistungstests am ITW in Stuttgart und mit überarbeiteten Prototypen am ITR-SPF Rapperswil gesammelt werden. Der zunächst nicht geplante Test in Rapperswil, die Wetterabhängigkeit und die nur beschränkt zur Verfügung stehenden Testkapazitäten bei den Instituten, haben dazu beigetragen, daß der angestrebte Zeitplan weit überschritten wurde.


Ergebnisse und Diskussion

Mit der Konstruktion des Fertigdachsegments mit integriertem Sonnenkollektor -Solar Roof- wurden die Ziele des Lastenheftes in vollem Umfang erreicht. Aufbauend auf bewährte Konstruktionsmerkmale des Holz- und Fassadenbaus sowie die Kollektortechnik konnte ein integriertes System entwickelt werden, das die Funktionen eines Daches und eines Sonnenkollektors verbindet. Die Grundidee, das vertikale Sparrenprinzip des Pfettendachs mit Schichtleimholzsparren zu nutzen, erwies sich als der richtige Weg. Die Integration des Sonnenkollektors und der Dachdämmung zwischen zwei Halbsparren, die zusammen mit dem jeweiligen Nachbarelement wiederum einen Sparren bilden und auf die Auflager First-, Trauf- sowie unter Umständen Mittelpfette aufgelegt werden, erwies sich als eine Konstruktion, mit der alle Problemstellungen gelöst werden konnten.
Bei der Integration des Sonnenkollektors zwischen den Halbsparren konnte durch eine Auskehlung der Sparren die Absorberfläche optimiert werden. Durch die Verwendung einer Dampf- und Ausgasungssperre aus Aluminiumblech kann das Tragwerk vor dem wechselhaften Mikroklima des Kollektors geschützt werden und dient bei einem eventuellen Glasbruch gleichzeitig als Notdach. Diese Maßnahme garantiert eine sichere Dachfunktion unter allen Umständen.
Weitaus schwieriger gestaltete sich die hydraulische Integration des Absorbers und die Verschaltung des gesamten Kollektorfeldes. Die im Kollektor auftretenden Längenausdehnungen des Absorbers wurden zwar im Vorfeld berücksichtigt, aber auch unterschätzt. Erschwerend kam hinzu, daß das verwendete Absorberblech mit Tinox-Beschichtung durch den Beschichtungsprozeß weichgeglüht war und sich anhaltende Verwerfungen des Absorbers gebildet haben. Dies hatte den Testabbruch in Stuttgart zur Folge und bedingte eine neue Prüfung zu einem späteren Zeitpunkt in Rapperswil, da die Testkapazitäten in Stuttgart durch die Stiftung Warentest erschöpft und witterungsbedingt kurzfristig in Rapperswil nicht möglich waren. Der Projektfortschritt wurde hierdurch wesentlich verzögert. Es konnte bei der zweiten Prototypengeneration eine technische Lösung gefunden werden, die den Absorber bei den Längenausdehnungen führt und Verwerfungen sowie ein Anliegen an der Glasabdeckung vermeidet. Der Anschluß und die Durchströmung des Absorbers ist aufgrund der Längenausdehnung nur in Form der U-Durchströmung von oben nach unten und zurück realisierbar, um dem Absorber ein ungehindertes Ausdehnen nach unten zu ermöglichen. Nachteil dieser Lösung ist, daß ein völliges Entleeren des Absorbers ausgeschlossen ist, was sich in der Praxis aber als nicht sehr relevant erwiesen hat.
Das Sparrenprinzip bildete auch bei der Konstruktion der dichtenden Dachhaut und den entsprechenden Dachvarianten Giebeldach, Pfettendach - jeweils mit oder ohne Hinterlüftung - die ideale Grundlage.
Die Dachabdichtung der an den Bau angelieferten vorverglasten Dachsegmente erfolgt über eine geschraubte Al-Pressleiste mit EPDM-Andruckdichtung und Al-Abdeckprofil über den Schrauben, die den vertikalen Stoß segmentübergreifend abdichtet. Für die horizontalen Glasstöße wurde eine dauerelastische Klebekonstruktion auf Silikonbasis nach dem Prinzip der doppelten Lasche entwickelt. Die durchgeführten Beregnungstests verifizierten die hohe Sicherheit dieser Dichtungskonstruktionen.
Das Tragwerk des Solar Roof aus dem nachwachsenden Rohstoff Holz in Form von Schichtleimholz bildet zusammen mit den Isoliermaterialien den Hauptmaterialanteil. Der Einsatz von Aluminium beschränkt sich auf die Dampfsperre und die Abdeckleisten. Des weiteren sind alle anderen Rohstoffe, wie Kupfer, Stahl und Glas, auf das absolut Notwendige beschränkt. Es konnte somit auch hinsichtlich der verwendeten Materialien eine hervorragende ökologische Bilanz erzielt werden, die sich von der bisher angewandten Philosophie Dach plus Kollektor äußerst positiv abhebt.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Zur Zeit befinden sich einige Solar Roof-Projekte in der Planung, die im Laufe des Jahres 98 realisiert werden sollen. Während der Realisierung und nach Fertigstellung werden die Projekte begleitend in der Fachpresse vorgestellt. Im Laufe des Sommers wird über eine breit angelegte PR-Aktion in der Tagespresse und in verschiedenen Fachzeitschriften über das Solar Roof-System berichtet werden, wobei begleitend auch neue Medien wie das Internet genutzt werden. Gezielt wird zur Zeit das Solar Roof Konzept und die sich daraus ergebenden Möglichkeiten auf verschiedenen Fachkongressen vorgestellt.


Fazit

Die in dem Projekt erzielten Ergebnisse zeigen, daß das Solar Roof hinsichtlich der Leistung sehr guten Großkollektoren ebenbürtig ist oder diese auch übertrifft. Die großen Vorteile des Solar Roof Fertigdachsegments werden bei der Integration in das architektonische Gesamtkonzept des Gebäudes und im Rahmen der rationellen Montage augenscheinlich. Das Prinzip des Halbsparrens erwies sich als äußerst flexibel und in fast jedes Designkonzept integrierbar. Die augenscheinlich schmalen vertikalen Linien bei gleichzeitiger optimaler Flächenausnutzung werden von Architektenseite begrüßt. Der Betreiber der Solaranlage zieht den Hauptnutzen aus den geringeren Investitionskosten, da gegenüber der bisherigen Dach plus Kollektor-Lösung ca. 150 - 200 DM/m² eingespart werden. Fertig montierte Solaranlagen ab 200m² inklusive Dach sind somit heute schon für 450 DM/m² realisierbar.