Solarenergie Urban - Analyse und Bewertung der ökonomischen, energetischen und architektonischen Qualität urbaner Solarenergiebauten

Status

Abgeschlossen

Kurzfassung

Ausgangssituation/Motivation

Der Gebäudesektor ist einerseits einer der Hauptemittenten von CO2 und verbraucht andererseits einen hohen Anteil an Fläche. Es erscheint daher sinnvoll, Gebäude nicht nur so energieeffizient wie möglich zu errichten, sondern darüber hinaus auch die verfügbaren Gebäudeflächen so effizient wie möglich für die Energieumwandlung zu nutzen.

Die Erforschung des thermischen Verhaltens einzelner Gebäude ist dabei durchaus nicht mehr neu. Solarthermie wird seit jeher zur Beheizung von Gebäuden genutzt. Der heutige Stand der Technik macht es möglich, selbst in Mitteleuropa einen hohen Anteil des Warmwasser- und Heizwärmebedarfs von Wohnbauten über thermische Kollektoren aus Solarenergie zu decken. Doch was bedeutet effiziente Nutzung regenerativer Energie im urbanen Maßstab?

Inhalte und Zielsetzungen

Folgende Fragestellungen und deren Beantwortung sind Gegenstand des Projekts: Wie groß sind die Auswirkungen der urbanen Verschattung auf die Solarernte? Wie wirkt sich der Energiestandard der Gebäude auf den solaren Deckungsgrad aus? Was sind die energetischen, architektonischen und bautechnischen Kriterien für den Einsatz solarthermischer Systeme in mehrgeschoßigen urbanen Wohngebäuden?

Methodische Vorgehensweise

Anhand von vier Case Stories urbaner Mehrgeschoßwohnbauten, die beispielhaft für weit verbreitete Gebäudetypen gewählt wurden, werden folgende Aspekte für den Einsatz solartechnischer Systeme untersucht:

• Energetische Analyse der urbanen Randbedingungen (Verschattungsanalysen, Verfügbarkeit der Hüllenflächen, saisonale Deckungsbeiträge, etc.)
• Analyse und Bewertung der architektonisch relevanten Aspekte
• Bautechnische Analyse und Bewertung der Nutzbarkeit und Integrationsfähigkeit
• Auslegung und Simulation der thermischen Solaranlagen
• Zielgruppengerechte Aufbereitung von Planungshilfen für die frühe Planungsphase von urbanen Solarenergiebauten mit Fokus auf Neubau und Sanierung von großvolumigen urbanen Wohnbauten

Das Projekt basiert auf einer starken interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen ExpertInnen aus Architektur, Baupraxis, Wirtschaftlichkeitsanalytik und der thermisch-energetischen Analytik, um die Fragestellung im Sinne der Nachhaltigkeit umfassend behandeln zu können.

Ergebnisse

Die Ergebnisse des Projekts werden in Form von vier Case Stories durch eine ausführliche Darstellung der analysierten Fallbeispiele und in den Schlussfolgerungen dokumentiert:

• Bauphysikalische und bautechnische Anforderungen an fassadenintegrierte Solarthermiekollektorsysteme
• Planungsgrundlagen für urbane Solarenergiebauten für den Neubau und die Sanierung von großvolumigen Wohnbauten anhand vier konkreter Case Stories (architektonische, energetische, bautechnische, bauphysikalische und baurechtliche Kriterien)

Darüber hinaus wurde ein Tool zur energetischen und ökonomischen Bewertung unterschiedlicher thermischer Solartechnologien in der frühen Planungsphase entwickelt.

Schlussfolgerungen

Hochwertige Grün- und Freiraumgestaltung in qualitativ dichten, d.h. auch mit möglichst funktionsgemischten Erdgeschoßbereichen ausgestatteten und an öffentliche Verkehrsmittel angebundenen Wohnformen im städtischen Umfeld sind unabdingbare Voraussetzung nachhaltiger Wohnformen. Mit dem Einsatz solarthermischer Systeme in den vier gewählten Case Stories konnten solare Deckungsgrade (SD-Wert) von über 70 % erreicht werden. Es konnte simulationstechnisch gezeigt werden, dass auch im urbanen Umfeld die Möglichkeit besteht, eine durch passive und aktive Solarthermie dominierte Wärmeversorgung von Gebäuden zu bewerkstelligen.

Dies kann jedoch nur erreicht werden, wenn großflächige Kollektorflächen und große Speichervolumina in die Gebäudestruktur hocheffizienter Gebäude integriert werden können. Aus gestalterisch-architektonischer Sicht lässt sich die solare Energiegewinnung dabei auf zwei Bereiche konzentrieren: Zum einen als normativ-generische Standardoption, die aufgeständerte Kollektoren auf – so eben vorhandenen – Flachdächern vorsieht und damit im Allgemeinen wenig gestaltungsrelevant wird. Und zum anderen die Erweiterung solarthermisch aktiver Flächen in den Dach- bzw. Fassadenbereich, die unmittelbar und hochgradig in vorhandene oder zu entwerfende Erscheinungsbilder eingreifen.

Der Einsatz von Dachkollektoren ist dabei als erste Option zu sehen, da diese für den Einsatz im städtebaulichen Umfeld bestens geeignet sind und keine bis wenig Verschattung der Kollektorflächen auftritt. Die Integration von Fassadenkollektoren in eine städtebauliche Situation kann, aufgrund der Verschattung durch umliegende Gebäude, in sehr geringen solaren Deckungsgraden enden und muss daher situationsspezifisch durch Verschattungsanalysen bereits bestehender, aber auch möglicher Verschattungen vorab bewertet werden.

Für das Erreichen gestalterisch solider Lösungen sind bei dieser Option zudem die Integration in den Entwurfsprozess und dessen iterative Entscheidungsfindungen, Abschätzungen, vergleichende Studien und Visualisierungen unabdinglich. Wie die vier Case Stories aufzeigen, lassen sich konkrete Gestaltungsqualitäten in diesem Ansatz nur im ebenso konkreten Projektzusammenhang ausarbeiten.

Neben den Richtlinien zur passiven Sonnenergienutzung lässt sich für die gebäudeintegrierte Solarthermienutzung aus gestalterischer Hinsicht jedenfalls noch die prinzipielle Unvereinbarkeit mit historischen Fassadencharakteren konstatieren bzw. die wesentlich schlüssiger gestalterisch handzuhabende Integration je deutlicher, scharfkantiger und klarer konturierter sich (zeitgenössische) Gebäudekubaturen- und -elemente eines Entwurfs mit den aktiven Flächen verbinden lassen. Der mehrfach motivierte Einsatz aktiver Elemente – als solarthermischer Kollektor und zugleich als Brüstungs- oder Absturzsicherungselement, als semitransparentes Fensterparapet, als Sonnenschutz, als Überdachung etc. – ist vielversprechend und zukunftsweisend.

Die Entwicklung von Objekt- und Visualisierungsdatenbanken für den aktiven Zugriff der Entwurfsabteilungen auf vorhandene oder mögliche Produkt- und Gestaltungsbandbreiten wäre ein wichtiger Schritt zur breiteren gestalterischen Auseinandersetzung durch die Architektur.

Unter technisch-energetischen Gesichtspunkten ist die Identifizierung von Abnehmern produzierter Überschusswärme als eines der Aufgabengebiete der nächsten Jahre zu sehen.

Je größer der solare Ertrag gegenüber dem Verbrauch ausfällt, umso größer fällt auch die Überproduktion des Solarsystems aus. Kann im urbanen Raum ein Abnehmer für eine derartige synergetische Beziehung gefunden werden, dann steigt damit schlagartig die energietechnische und wirtschaftliche Effektivität der solarthermischen Systeme mit hohen Deckungsgraden.

Projektumfeld

Das vorliegende Projekt wurde in enger Kooperation mit dem IEA SHC TASK 41 (Solar and Architecture) und dem COMET-Projekt MPPF (Multifunctional Plug & Play Facade) durchgeführt.

Projektleiter

DI Maria Amtmann
Österreichische Energieagentur - Austrian Energy Agency

Mitarbeiter

Ing. Thomas Barth

Projekt- und Kooperationspartner

• AIT - Austrian Institute of Technology
• Technische Universität Graz - Institut für Wärmetechnik
• Technische Universität Graz - Institut für Gebäudelehre
• Dr. Ronald Mischek ZT GmbH
• Mischek Bauträger Service GmbH

Österreichische Energieagentur - Austrian Energy Agency
DI Maria Amtmann
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