Zwei Fraunhofer-Institute entwickeln gemeinsam mit Industriepartnern in einem vom BMWi geförderten Forschungsprojekt eine Modulfassade, die Photovoltaik, Wärmepumpe mit Kälteerzeugung und mechanische Lüftung integriert.
Noch ist die Sanierungsquote im Gebäudesektor zu gering, um die Energiewende im von der Bundesregierung anvisierten Zeitraum zu erreichen. Ein Schritt hierzu könnte ein größerer Vorfertigungsgrad der Bauteile sein. Dazu entwickeln die Fraunhofer-Institute für Bauphysik (IBP) und für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik (IEE) derzeit eine „Erneuerbare Energien-Modulfassade“. Diese enthält eine Photovoltaikanlage zur Energieerzeugung, eine Kleinwärmepumpe zum Heizen und Kühlen sowie ein dezentrales Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung. Mit dem System lassen sich Bestandsfassaden sanieren, aber auch Neubauten können damit nachhaltig und energieeffizient ausgestattet werden.
Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi fördert das Forschungsvorhaben. Projektpartner sind die Implenia Fassadentechnik GmbH, Hamburg, als Konstrukteur der Modulfassade. Die Lare GmbH Luft- und Kältetechnik, Wuppertal, entwickelt die Wärmepumpe, und die LTG AG, Stuttgart, ergänzt den Bereich dezentrale Lüftung.
Minimalinvasive Fassadensanierung
Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer kostengünstigen modularen Sanierungs- und Neubaufassade, wobei die Sanierung, wie auch bei vielen Operationen in der Medizin, „minimalinvasiv“ erfolgen soll. Das heißt: „Wir renovieren nicht das komplette Gebäude, sondern nur die Fassade. Die alte Fassade wird durch neue industriell vorgefertigte Module mit integrierter Anlagentechnik ersetzt, was sie somit multifunktional macht und an die neuen Energiestandards anpasst“, erläutert Projektleiter Jan Kaiser. „Die gesamte Heiz-/Kühl- und Lüftungstechnik für den dahinterliegenden Raum wird in die Fassade integriert.“
Da sich die Module vorfertigen lassen, können sie von der Stange produziert werden. Planer und Investoren erhalten dadurch eine hohe Kostensicherheit und einen klar definierten Kostenrahmen. Der Austausch erfolgt in nur wenigen Stunden. Da die LüKK-Systeme bereits integriert sind, müssen im Gebäude keine neuen Rohre verlegt werden. Die Fassade muss nur über einen Stromanschluss verfügen, um auch in Zeiten ohne Solarstrom die Räume klimatisieren und lüften zu können. Der Installations- und Abstimmungsaufwand an der Baustelle sinkt. Die Nutzer der Räume müssen während der Sanierung im Idealfall nicht extra ausziehen.
Die Modulfassade eignet sich vor allem für Büro-, Verwaltungsgebäude und Schulen, die in Skelettbauweise errichtet wurden – eine Bauweise, die in den 50er, 60er und 70er Jahren üblich war. Anstelle von tragenden Wänden halten dabei Stahlbetonstützen die Geschossdecken. Bei der Sanierung werden die alten Fassadenelemente abgenommen, und die neuen, geschosshohen Module werden vor der Gebäudestruktur eingehängt. Eine einzelne Technikeinheit der Modulfassade ist 1,25 m breit und 30 cm tief. Jede Einheit kann so einen etwa 24 m² großen Raum versorgen.
So funktioniert die Modulfassade
Die eingebaute PV-Anlage erzeugt die Energie und versorgt die Anlagenkomponenten wie etwa die Wärmepumpe mit Strom. Diese arbeitet zugleich als Wärme- und Kälteerzeuger. Sie ist das bestimmende Bauteil der Technikeinheit der Modulfassade 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 die Wärme der Außenluft und gibt sie ebenfalls über einen Ventilatorkonvektor als Heizwärme an den dahinterliegenden (Büro-)Raum ab. Muss sie kühlen statt heizen, wird der Kreislauf umgekehrt. Dabei entzieht sie die Wärme der Innenluft und führt sie an die Außenluft ab.
Eine integrierte dezentrale Lüftungseinheit mit Wärmerückgewinnung regelt den Luftwechsel. Durch eine gezielte Verschaltung von Luftklappen wird nur ein Ventilator benötigt, wodurch sich der Stromverbrauch minimiert. Das von der LTG stammende Lüftungsgerät wechselt dabei zyklisch zwischen Zu- und Abluftbetrieb. Vakuumdämmelemente sorgen für den Wärmeschutz.
„Die neue EE-Modulfassade bietet einen exakt aufeinander abgestimmten Wärme- und Sonnenschutz bei gleichzeitig geringem Energiebedarf und hohem Nutzungskomfort“, berichtet das Institut. Etwa 25 bis 30 % aller Bürogebäude wurden von 1950 bis etwa 1990 in Skelettbauweise errichtet. Sie haben einen Verbrauch von 3.200 GWh pro Jahr. Mit der Modulfassade lässt sich dieser auf 600 GWh senken. Auch die geringe Sanierungsquote von einem Prozent pro Jahr ließe sich durch den hohen Vorfertigungsgrad steigern.
Tests am IBP in Holzkirchen
Derzeit testen die Projektpartner einen Prototyp der Modulfassade an der Südfront des Versuchseinrichtung für Energetische und Raumklimatische Untersuchungen (VERU) des Fraunhofer IBP in Holzkirchen inklusive eines dahinterliegenden Versuchsraums.
Sowohl der Demonstrator als auch der Versuchsraum sind mit umfangreicher Messtechnik ausgerüstet. Darüber hinaus sind zeitabhängig geregelte interne Wärme- und Feuchtequellen, die die „Nutzer“ in den Räumen nachbilden, installiert, um die Funktionsfähigkeit in einem realen Büroumfeld nachzuweisen. Dabei werden unter anderem Behaglichkeitsparameter wie Lufttemperatur, Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit auf unterschiedlichen Höhen sowie die Beleuchtungsstärke ermittelt. Die elektrischen Verbräuche der Einzelkomponenten der Technikeinheit der Modulfassade werden ebenso aufgezeichnet wie Erträge des PV-Elements, um daraus eine Energiebilanz zu berechnen. Das Zusammenspiel aller Komponenten funktioniert bereits sehr gut, einzelne Bauteile werden aktuell noch optimiert, berichten die Projektpartner.
Der Beitrag basiert auf einem Bericht des Fraunhofer-Instituts und wurde für cci Wissensportal von Dr. Manfred Stahl bearbeitet (Stand: Februar 2022)
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