DE19851926A1 - Wärmedämmender Rahmen zur Integration von solarthermischen Wandlern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen wärmedämmenden Rahmen zur Integration von solarthermischen Wandlern in Gebäudefassaden, vorzugsweise mit Wärmedämmverbundsystemen gedämmt, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Bekanntlich versteht man unter solarthermischen Wandlern alle Arten von aktiven Sonnenkollektoren und passiv wirkenden solarthermischen Elementen (z. B. transparente Wärmedämmung). Solarabsorber sind das einzige zwingend erforderliche Element von solarthermischen Wandlern. Ihre Aufgabe ist es, die auf sie einfallende Sonnenstrahlung in Wärme umzuwandeln und einer Nutzung zuzuführen. Die Nutzung kann auf verschiedene Weise erfolgen.

Bei aktiven Systemen wird die Wärme durch ein Wärmeträgerfluid abgeführt und kann einem Verbraucher (z. B. Warmwasser­ bereitung) zur Verfügung gestellt werden.

Passive Systeme benötigen keine gesonderten Komponenten für den Wärmetransport und die Speicherung (wie z. B. Rohrleitun­ gen, Pumpen, Warmwasserspeicher etc.). Die Energie wird durch Teile des Gebäudes (z. B. Wände oder Fenster) transportiert und im Gebäude selbst gespeichert (z. B. Wände, Decken).

Man kennt solarthermische Wandler, die auf eine senkrechte Fassade montiert werden.

Thermische Sonnenkollektoren als Komponenten von aktiven thermischen Solarsystemen werden dabei als Module auf die Fassade montiert. Der Kollektor ist kein Bestandteil der Fassade, sondern eine zusätzliche Komponente. Dies bringt zum einen den Nachteil mit sich, daß der Kollektor als Fremdkörper optisch nicht in das Gebäude integriert ist, zum anderen ist diese Variante recht teuer, da sowohl der Kollektor als auch die Fassade eigenständige Objekte sind und somit keine Kosten­ reduzierung durch Mehrfachnutzung von Bauteilen erfolgt.

Man kennt weiterhin in eine Holzständerbauweise integrierte Kollektoren mit einem Rahmen aus Holz und/oder Aluminium (Fa. Doma, Fa. Wagner), die mit oder ohne Hinterlüftung ausgeführt werden. Hierbei ersetzt der Kollektor Teile der Fassade. Bei diesem System erfolgt eine Kostenreduzierung durch eine Mehrfachnutzung von Bauteilen, allerdings ist die­ ses System nur mit erhöhtem Aufwand dazu geeignet, thermische Wandler in ein Wärmedämmverbundsystem oder ein Sichtmauerwerk zu integrieren. So müssen z. B. Dehnungsfugen ausgestaltet werden, um die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu kompensieren. Wärmedämmverbundsysteme und Sichtmauerwerk besitzen einen großen Marktanteil in Deutschland.

Bekanntlich sind transparente Wärmedämmsysteme passiv solare Komponenten, bei denen der Wärmetransport vom Absorber ins Gebäudeinnere über Wärmeleitung durch die Außenwand erfolgt. Diese Wärme trägt zur Reduzierung des Raumheizwärmebedarfs bei. Transparente Wärmedämmsysteme sind fassadenintegriert, z. B. in Form von TWD-Scheibenpaketen, die in eine Ständer­ konstruktion eingebaut werden (Fa. Okalux, Fa. Schott). Solche Systeme arbeiten nicht als aktive, flüssigkeitsgekühlte solar­ thermische Wandler und können somit keinen Anteil an der Warmwasserbereitung übernehmen.

Man kennt weiterhin das transparente Wärmedämmverbundsystem StoThermSolar (Fa. Sto AG). Dieses System besteht aus einer Platte aus transparentem kapillarem Material, die fugenlos in ein Wärmedämmverbundsystem gleicher Dicke eingebracht wird. Beim System StoThermSolar wird der Raum zwischen äußerer Abdeckung und dem Mauerwerk mit dem Kapillarmaterial voll­ ständig ausgefüllt. Dies ist zwingend für die Stabilität des Fassadenelements notwendig. Dieser Aufbau bringt zwei Nach­ teile mit sich: Zum einen ist man in der Wahl der Stärke des Elements angewiesen auf die Verfügbarkeit des entsprechend dicken Kapillarmaterials. Weiterhin ist man bei der Wahl möglicher Einbauten stark eingeschränkt. Z. B. sind flüssig­ keitsgekühlte Metallabsober mit selektiver Beschichtung nicht integrierbar.

Man kennt auch transparente Wärmedämmsysteme mit Flüssigkeits­ kühlung (Kopplung von passiven und aktiven Systemen), die fassadenintegriert sind. Sie besitzen unter dem Absorber ein Rohrleitungssystem, über das bei Bedarf die Wärme an einen Fluidkreislauf übertragen werden kann (Literatur: Felten, Janßen, Rockendorf, The Transparently Insulated Hybrid Wall with Integrated Absorber for Liquid Cooling, Solar Energy, Vol. 58, 1996). Die aktive Kühlung wirkt dabei zum einen als Überhitzungsschutz, zum anderen kann die abgeführte Wärme einer Nutzung zugeführt werden. Hierbei können ebenfalls keine selektiven Metallabsorber zum Einsatz gelangen. Die Wahl der Stärke des Elements ist ebenfalls von der Dicke des zur Verfügung stehenden Kapillarmaterials abhängig.

Man kennt für den Einsatz in thermischen Sonnenkollektoren Gehäuse in Wannenform aus z. B. organischem Schaumstoff (Fa. Solko, Fa. SEAB), die zum Schutz nach außen mit Aluminiumfolie kaschiert sind oder Gehäusekörper aus Poren­ beton oder Gipsschaum (DE 295 17 189 U1; Fa. Alligator). Solche Gehäuse in Wannenform sind für die Integration von Kollektoren in die Dachfläche gedacht. Daher besitzen diese Kollektor­ gehäuse eine Rückwand aus einem wärmedämmenden Material, was aus Stabilitätsgründen und Dämmungsgründen erforderlich ist. Die Aufgabe dieser Rückwand wird bei einer Fassadenintegration vom Gebäude übernommen. Die bei oben genannten Kollektor­ gehäusen vorhandene Rückwand entkoppelt den solarthermischen Wandler vom Gebäude. Somit können keine passiven solar­ thermischen Wandler in diese Gehäuse eingesetzt werden, da der Wärmetransport durch Wärmeleitung zum Gebäude nicht gewähr­ leistet ist (s. o.). Weiterhin bringt eine Rückwand zusätzliche Kosten und ein zusätzliches Gewicht mit sich, wodurch die einfache Montage auf der Baustelle behindert wird. Solche Gehäuse sind aus einem Gehäuseformkörper hergestellt. Ein modularer Aufbau des Gehäuses, der Vorteile bei der Montage und der Anpassung an die vorhandenen Fläche bietet, ist nicht bekannt.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, eine einfach zu montierende, kostengünstige, lückenlose Integrationsmöglich­ keit mit geringer Wärmebrückenwirkung für solarthermische Wandler als aktive Komponenten (Kollektor) und/oder als passive Komponenten (transparente Wärmedämmung) in Gebäude­ fassaden wie z. B. Wärmedämmverbundsysteme zu schaffen, die eine hohe Variabilität bezüglich der Anpassung an unterschied­ liche Fassaden aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen der Er­ findung durch die in den Unteransprüchen enthaltenen Merkmale gekennzeichnet sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Rahmen aus Baustoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit, z. B. aus mineralischen Baustoffen wie Porenbeton oder organischen Schaumstoffen wie Polyurethan, derart ausgebildet ist, daß durch Integration einzelner Komponenten ein aktiver und/oder passiver solarthermischer Wandler entsteht und dieser einfach in die Gebäudefassade zu integrieren ist. Die Integration in die Fassade kann somit leicht auf der Baustelle erfolgen. Auch eine Vormontage von Teil- oder Gesamtfassadensegmenten bzw. zu montierenden Wandlermodulen ist einfach möglich.

Man erreicht nämlich dadurch, daß der Rahmen aus Baustoffen mit geringer Wärmeleitfähigkeit besteht, eine einfache Möglichkeit der Montage. Der Rahmen ist an der Rückseite flächig aus­ geführt, wodurch eine Klebe- bzw. Putzverbindung mit dem Mauerwerk lückenfrei möglich ist. Die Verbindung kann auch mechanisch (z. B. geschraubt und/oder gedübelt) ausgeführt sein. Somit ist die Montage mit den auf Baustellen üblichen Werkzeugen und Zusatzstoffen möglich. Durch die Wahl der Baustoffe können die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Rahmens denen der Wand angepaßt werden.

Der Rahmen ist an den Seiten flächig ausgeführt. Hierdurch erreicht man, daß nach der Integration eine lückenfreie Ober­ fläche des betreffenden Fassadenabschnitts vorhanden ist. Durch die geringe Wärmeleitfähigkeit des Rahmenmaterials entsteht bei der Integration in die Gebäudefassade nur eine sehr geringe Wärmebrückenwirkung.

An der Frontseite des Rahmens ist eine Kontaktfläche, z. B. als ebene umlaufende Auflagefläche oder Nut vorhanden, wodurch eine transparente Abdeckung, vorzugsweise eine Glasscheibe, einfach (z. B. mittels Klebung oder mittels verschraubtem Glashalteprofil oder durch Einlegen in eine im Rahmenprofil integrierte Nut) angebracht werden kann. Um die Transmissions­ wärmeverluste zu verringern, ist es möglich, eine Isolier- oder Wärmeschutzverglasung einzusetzen. Eine weitere Möglichkeit, die Wärmeverluste zu senken, besteht darin, in den Raum zwischen dem Solarabsorber und der Glasscheibe transparentes Wärmedämmaterial (z. B. aus transparentem Kapillarmaterial) oder eine weitere transparente Abdeckung (z. B. eine Folie) ein­ zubringen. Bei Bedarf kann eine Vorrichtung zur Vermeidung von Überhitzung integriert werden (z. B. thermotrope Beschichtung der transparenten Abdeckung, Prismenscheibe zur sonnenstands­ abhängigen Reflexion etc.).

Der Solarabsorber kann fluidgekühlt (aktiv) oder ohne Fluid­ kanal (passiv) ausgeführt sein. Er besteht aus Materialien, die vorzugsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das Gehäuse­ material aufweisen und wird in das Gehäuse eingelegt, befestigt oder am Rahmen adhäsiv, mechanisch, formschlüssig oder über eine Putzverbindung fixiert. Die Gebäudewand selbst kann als Absorber dienen, ihre Effektivität kann durch eine ent­ sprechende Beschichtung, z. B. einen dunklen Anstrich erhöht werden. Solarthermisch aktive und passive Ausführungen können im eingebauten Zustand (von vorn betrachtet) gleich aussehen. Somit ist eine architektonisch ansprechende Integration aktiver und passiver Wandler in der gleichen Fassade leicht realisierbar.

Anhand der als Zeichnungen beigefügten bevorzugten Aus­ führungsbeispiele wird die Erfindung näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführung der Erfindung mit einem fluid­ gekühlten Solarabsorber zur Integration in ein Wärmedämmverbundsystem,

Fig. 2 eine Ausführung der Erfindung als transparente Wärmedämmung zur Integration in ein Wärmedämm­ verbundsystem,

Fig. 3 eine Ausführung der Erfindung, bei der der Rahmen variabel durch Zusammenfügen verschiedener Rahmen­ module in Form und Größe modifiziert werden kann,

Fig. 4 eine Ausführung der Erfindung als aktiver solar­ thermischer Wandler mit rückseitiger Wärmedämmung (Sonnenkollektor),

Fig. 5 eine Ausführung der Erfindung als transparente Wärmedämmung mit Zweischeibenverglasung,

Fig. 6 eine Ausführung der Erfindung als flüssigkeits­ gekühlter aktiver Solarwandler (Sonnenkollektor) in eine Gebäudefassade integriert,

Fig. 7 eine Ausführung der Erfindung als aktiver und passiver fassadenintegrierter solarthermischer Wandler.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung des erfindungsgemäßen wärme­ dämmenden Rahmens zur Integration von solarthermischen Wand­ lern in Gebäudefassaden, bei der das Rahmenelement (1), das aus Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit besteht, frontseitig eine umlaufende Auflagefläche (2) zur Befestigung einer transparenten Abdeckung (3) (z. B. eine Glasscheibe) enthält. Die transparente Abdeckung kann hier mechanisch (z. B. Verschraubung mittels Glashalteprofil) oder adhäsiv (z. B. Klebung) am Rahmen befestigt werden. Der Solarabsorber (4) mit integriertem Fluidkanal (5) ist aus einem Material mit höherer thermischer Leitfähigkeit (z. B. Kupfer) gefertigt und in den Rahmen eingebracht. Der Solarabsorber kann adhäsiv, über eine Putzverbindung, mechanisch oder formschlüssig am Rahmen und/oder an der Gebäudewand (6) fixiert werden. Das Modul, bestehend aus Rahmen (1), transparenter Abdeckung (3) und Solarabsorber (4) kann als Gesamtsegment vorgefertigt oder an der Baustelle in Einzelteilen in das Wärmedämmverbundsystem integriert werden. Hierzu wird der Rahmen in eine Aussparung der Wärmedämmung (7) eingebracht bzw. die Wärmedämmung wird um das vorher montierte Modul bzw. den Rahmen angebracht. Der Rahmen (1) kann einfach am Mauerwerk mechanisch (z. B. Verschraubung), adhäsiv (z. B. Klebung) oder durch Putz fixiert werden. Durch die seitlich eben und flächig aus­ geführte Außenwandung des Rahmens ist eine lückenlose Montage mit geringer Wärmebrückenwirkung in die angrenzende Gebäude­ hülle möglich. Die Fertigung des Rahmens aus Materialien mit der Gebäudewand ähnlichem thermischen Ausdehnungskoeffizien­ ten wie z. B. Porenbeton oder Mineralschaum ermöglichen eine einfache Integration ohne aufwendige Dehnungsfugen.

Fällt Solarstrahlung durch die frontseitige transparente Abdeckung (3), so wird sie an der Oberfläche des Solarabsorbers (4) absorbiert und in Wärme umgewandelt. Diese Wärme kann mit Hilfe eines Wärmeträgers, welcher durch die Fluidkanäle (5) strömt, einer Nutzung zugeführt werden (aktiver Betrieb). Da keine rückseitige Wärmedämmung vorhanden ist, wird bei Nichtdurchströmung ein großer Anteil der Wärme durch Leitung an das Gebäudeinnere abgeführt (passiver Betrieb). Durch den Rahmen (1) mit geringem thermischem Leitwert werden in Verbindung mit der transparenten Abdeckung die thermischen Energieverluste des Elements verringert.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der das Rahmen­ element (1) frontseitig mit einer transparenten Abdeckung (3) (z. B. einer Einfachglasscheibe) versehen ist. Die trans­ parente Abdeckung kann wie oben beschrieben am Rahmen montiert werden. Der Solarabsorber (5) ist direkt auf die Gebäudewand (6) aufgebracht (z. B. durch einen schwarzen Anstrich). Um die frontseitigen Wärmeverluste zu reduzieren, ist es möglich, in das Innere des Rahmens zusätzlich transparente Wärme­ dämmaterialien (8) (z. B. in Form von transparentem Kapillar­ material) einzubringen. Die Montage kann wie in Fig. 1 beschrieben erfolgen. Diese Ausführung wirkt als passiver Solarenergiewandler, bei dem der Wärmetransport vom Absorber durch Wärmeleitung in das Gebäudeinnere erfolgt. Die Wärme heizt das Gebäudeinnere.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung der Erfindung, bei der der Rahmen aus mehreren Rahmensegmenten (9) zusammengesetzt wird. Fig. 3a zeigt die Frontalansicht von Ausführungen solcher Rahmen­ segmente (9). In diese Rahmensegmente kann eine Nut (10) eingebracht werden, in die eine transparente Abdeckung ein­ gebracht wird. Durch das Zusammensetzen der einzelnen Rahmen­ segmente (9) entsteht das Rahmenmodul. Fig. 3b zeigt ein so entstandenes Rahmenmodul. Die transparente Abdeckung kann in der Nut (10) formschlüssig fixiert werden. Durch solche Rahmensegmente (9) kann der Rahmen individuell an die zur Verfügung stehende Fläche in Größe und Form angepaßt werden. Daher ist eine angepaßte Fertigung von kompletten Modulen mög­ lich. Gerade bei großen Rahmen bietet der modulare Aufbau aus standardisierten Halbzeugen neben der hohen Flexibilität den Vorteil einer einfacheren Montage, da die einzelnen Rahmen­ segmente leichter sind, als ein Rahmen aus einem Formstück. Somit wird die Vor-Ort-Fertigung auf der Baustelle begünstigt.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung der Erfindung, durch die ein rein aktiver solarthermischer Wandler (Sonnenkollektor) in ein Wärmedämmverbundsystem integriert ist. Hierzu ist rückseitig eine Wärmedämmung (11) angebracht. Diese Wärmedämmung kann direkt am Rahmen (1) bei einer Vormontage integriert werden oder auf der Baustelle zuerst an der Gebäudewand (6) befestigt werden. Die Fertigung eines kompletten Formteils, bestehend aus dem seitlichen Rahmen mit integrierter Rückseitendämmung, kann alternativ zu der hier dargestellten Ausführung erfolgen. Durch die rückseitige Dämmung (11) ist der Absorber (4) vom Gebäude weitgehend thermisch entkoppelt, wodurch nur sehr geringe passive Gewinne an das Gebäude durch Wärmeleitung in das Gebäudeinnere abgegeben werden. Hierdurch steigen die aktiven solarthermischen Gewinne. Weiterhin wird die Gebäude­ wand (6) vor hohen Temperaturen geschützt. Die Rückseiten­ dämmung kann aus dem gleichen Material wie der Rahmen oder aus einem anderen geeigneten Dämmstoff bestehen. Durch die variable Stärke der Rückseitendämmung kann eine Anpassung eines standardisierten Rahmens an unterschiedliche starke Ausführungen des Wärmedämmverbundsystems (7) erfolgen. Die transparente Abdeckung (3) ist in eine Nut, wie in Fig. 3 beschrieben, eingebracht.

Fig. 5 zeigt eine Ausführung der Erfindung als passiver solar­ thermischer Wandler, die wie bei Fig. 2 beschrieben funk­ tioniert. Um die frontseitigen Wärmeverluste zu verringern, ist die transparente Abdeckung (3) als Isolierglasverbund oder Wärmeschutzverglasung ausgeführt.

Fig. 6 zeigt eine Ausführung der Erfindung als aktiver solar­ thermischer Wandler, der in ein Wärmedämmverbundsystem inte­ griert ist. Die Funktionsweise ist wie bei Fig. 4 beschrieben. Die transparente Abdeckung (3) ist am Rahmen (1) in einer als Auflagefläche wirkenden umlaufenden Vertiefung (2) eingesetzt und schließt mit der Wärmedämmung (7) ab. Zwischen Absorber (4) und Gebäudewand (6) ist eine Wärmedämmung (12) in den Rahmen eingelegt. Die Festigkeitsanforderungen an die Wärme­ dämmung (12) sind geringer als bei der in Fig. 4 beschrie­ benen Ausführung mit Wärmedämmung (11). Durch die frontseitig ebene Ausführung der Oberfläche des Gesamtaufbaus ist es möglich, den Deckputz (13) bis an die transparente Abdeckung (3) heranzuführen, was sich positiv auf das Erscheinungsbild auswirkt.

Fig. 7 zeigt eine Ausführung der Erfindung als aktiver und passiver solarthermischer Wandler. Die Funktionsweise ist wie bei Fig. 1 beschrieben. Im Unterschied zu der Ausführung aus Fig. 1 besteht der Solarabsorber aus Rohren (z. B. Rohrmäander oder Rohrregister), die auf die Wand aufgebracht werden und in einem geeigneten Material, z. B. einem Putz, eingebettet werden. Dieses Material kann absorbierend beschichtet werden. Als transparente Abdeckung wird eine Isolierverglasung eingesetzt. Eine hier nicht als Figur dargestellte Variante der Ausführung von Fig. 7 besteht darin, daß der Absorber und der Rahmen aus einem Teil gefertigt werden.

Claims (9)

1. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden, vorzugsweise Wärmedämmverbundsysteme, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmenkonstruktion aus Material mit geringer Wärme­ leitfähigkeit und einem der Gebäudefassade ähnlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besteht, die Rahmen­ außenwände seitlich und rückseitig flächig ausgeführt sind, wodurch eine lückenlose Integration mit geringer Wärmebrückenwirkung in Gebäudefassaden durch einfache Montage, vorzugsweise gedübelt, geschraubt, geklebt oder mittels Putzschicht befestigt, ermöglicht wird und mindestens eine Kontaktfläche (2) vorhanden ist, mit deren Hilfe mindestens eine transparente Abdeckung (3) front­ seitig integriert werden kann.

2. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine umlaufende Kontaktfläche (2) zur frontseitigen Integration von mindestens einer transparenten Abdeckung (3) vorhanden ist.

3. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die transparente Abdeckung (3) aus einem Modul, vorzugsweise aus einer Einfachglasscheibe oder aus Isolier- oder Wärmeschutz­ verglasung mit zwei oder mehreren Scheiben, besteht.

4. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Solarabsorber (4), vorzugsweise aus Materialien mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das Rahmenmaterial, integriert werden kann.

5. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen modular aus mindestens zwei Formteilen (9) zusammengesetzt ist.

6. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen transparenter Abdeckung (3) und Solarabsorber (4) transparentes Wärmedämmaterial (8), vorzugsweise als Folie oder Kapillarstruktur ausgebildet, eingebracht werden kann.

7. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Solarabsorber (4) und Gebäudewand (6) Wärmedämmaterial (11, 12) eingebracht wird.

8. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmedämmaterial (11, 12) aus dem gleichen Material wie der Rahmen besteht.

9. Wärmedämmender Rahmen (1) zur Integration von solar­ thermischen Wandlern in Gebäudefassaden nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1) oder die Rahmenformteile (9) die rückseitige Wärmedämmung (11, 12) enthalten.