Umsetzung gebäudeintegrierter Photovoltaik

Im Norden wie im Süden

PV-Anlagen werden inzwischen nahezu überall eingesetzt und erfüllen weit mehr Zwecke als nur Strom zu erzeugen. Im kurz vor der Einweihung stehenden Klimahaus Bremerhaven spenden PV-Module, einlaminiert in die Überkopfverglasung, Schatten, auf dem Dach der BMW Welt in München verdecken sie sämtliche Dachinstallationen. Im ersten Teil zu gebäudeintegrierter Photovoltaik in Ausgabe db 3/09 [1] demonstrierten weitere Anwendungsbeispiele die gestalterischen Möglichkeiten mit Photovoltaik. Doch wie verläuft die Planung einer derartigen Anlage, was beeinflusst die Architektur? Das Büro Baumgartner ist bei vielen Großprojekten für die Konzeptionierung und Umsetzung von PV-Anlagen verantwortlich und arbeitet mit Architekten und Klimaingenieuren zusammen – Vorgehen und Beachtenswertes aus ihrer Sicht.

Text: Siegfried Baumgartner Fotos: Siegfried Baumgartner, Marcus Buck, Wolfgang Heumer

PV bei »8° Ost«
In Bremerhaven entsteht zurzeit ein Ausstellungsgebäude, das die bereits vorhandenen touristischen Attraktionen wie etwa das Deutsche Schiffahrtsmuseum, das Deutsche Auswanderermuseum oder den Zoo am Meer zusätzlich bereichern soll. Im Klimahaus 8° Ost wird ab Juni 2009 unter anderem eine Reise durch die Klimazonen der Erde entlang des achten Längengrades Ost in einer Ausstellung zu erleben sein, daneben versteht es sich als Kompetenzzentrum und ist zum Beispiel Tagungsort für aktuelle Fragen zur Klimafoschung [2]. Das Klimahaus und das bereits fertiggestellte Mediterraneo, ein in südlichem Flair gehaltenes Gebäude mit Einkaufspassagen und Restaurants, werden gemeinsam durch eine überdachte Plaza erschlossen. Diese Erschließungszone besteht aus einer vollverglasten Gebäudehülle, die in der Überdachung einen statischen Sonnenschutz erhalten sollte.
Das Büro Transsolar in München, verantwortlich für das Energiekonzept des Klimahauses, hatte dem Bauherrn die Integration transparenter PV-Module als Sonnenschutz vorgeschlagen. Dabei ging es nicht primär um eine ertragsoptimierte PV-Anlage, sondern darum, den benötigten Strombedarf in den Ausstellungsbereichen der sogenannten Handlungsebenen (spezieller Themenbereich, in dem die Möglichkeiten zur Energieeinsparung aufgezeigt werden) vollständig durch regenerative Energien abzudecken. Der Vorschlag der Planer wurde somit vom Bauherrn befürwortet. Transsolar führte im Vorfeld eine 3D-Ertragsstudie durch, die für die weitere Bearbeitung beziehungsweise der Definition sinnvoll zu belegender PV-Flächen herangezogen wurde.
Unsere Aufgabe bestand unter anderem darin, eine PV-Anlage bestehend aus Isolierglasmodulen zu konzipieren, die sich gestalterisch ansprechend in die Architektur integrieren und möglichst gleiche elektrische Kenndaten aufweisen. Letzteres ist Voraussetzung, um bei der Auswahl der Wechselrichter und der elektrischen Verschaltung der Module zu sinnvollen Gruppen flexibel zu bleiben. Ebenso sollte der visuelle Eindruck eines transparenten Daches erhalten bleiben. Des Weiteren bildete der sommerliche Wärmeschutz ein wichtiges Augenmerk.
Entscheidungsfindung
Anhand einer Marktrecherche hinsichtlich kristalliner Zellen sowie CIS- und Dünnschicht-Zellen wurde geprüft, welche Standard-Photovoltaik-elemente zum Einbau in eine Isolierverglasung zur Verfügung stehen. Kristalline Zellen sitzen fertigungstechnisch bedingt in einem Abstand von 3–5 mm zueinander. Wählt man eine transparente Folie als Einbettung der Zellen, erhält man eine teiltransparente PV-Scheibe. Die Scheibentransparenz lässt sich bei derartigen Sonderlösungen noch zusätzlich durch Vergrößern der Abstände der Zellen zueinander beeinflussen.
Bei CIS- und Dünnschichtmodulen wiederum wird diese Transparenz durch Streifen- beziehungsweise Lochmuster realisiert. Zum Zeitpunkt der Ausführungsplanung standen bei dieser Technik aber nur Standard-Geometrien in festgelegten Rastern zur Verfügung.
Nach einer Gegenüberstellung von Wirkungsgraden und Kosten der einzelnen Systeme (insbesondere der flächenspezifischen solaren Wirkungsgrade) hat man sich bei der begrenzt zur Verfügung stehenden Fläche schließlich für Isolierglasscheiben mit kristallinen Zellen entschieden. Die jetzigen Scheiben haben eine Transparenz von rund 18 %.
Umsetzung
Im weiteren Schritt sind die Erkenntnisse aus den Recherchen in die Architektur zurückgeflossen. Bei der Gestaltung der Dachform wurde ein Fassadengrundraster von 1100 x 1700 mm mit einheitlich rechteckigen PV-Scheiben gewählt, die einfach zu fertigen und somit kostengünstiger sind, gleiche elektrische Kenndaten aufweisen und des Weiteren ein homogenes Erscheinungsbild ergeben. Erst nach Festlegung der Größe der PV-Scheiben und des Rasters wurde die Stahlunterkonstruktion entwickelt, die ›
› die gekrümmte Dachform bildet. Scheiben im Randbereich, die zwangsweise zu Sonderformen führen, und solche, die aufgrund der Gebäudegeometrie zu stark verschattet werden, wurden als nicht aktive Elemente behandelt. Diese Flächen wurden mit Sonderscheiben belegt, die eine dem Erscheinungsbild einer PV-Scheibe gleichwertige Bedruckung beinhalten (Bild 3).
Eine weitere Herausforderung stellte die Leitungsführung innerhalb der Pfosten-Riegel-Fassade dar. Hier war bei der Planung darauf zu achten, dass ein genügend großer Zwischenraum in der Fassadenkonstruktion verbleibt, um bei Bedarf auch mehrere Leitungen innerhalb eines Pfostens aufnehmen zu können. Üblicherweise hat man es bei einem PV-Kabel zwar nur mit einem Durchmesser von rund 4 mm zu tun. Doch aus unserer Erfahrung wird es bei sehr filigranen Pfosten-Riegel-Fassaden (rund 5 cm) meist schwierig, die Verkabelungen aus der PV-Anlage inklusive all ihrer Befestigungen und Halterungen aufzunehmen. Beim Klimahaus Bremerhaven konnten wir durch eine geschickte Stringaufteilung die Anzahl der Leitungen in einem senkrecht verlaufenden Profil auf maximal vier Stück begrenzen, außerdem sind die Profilabmessungen aufgrund der Spannweiten recht großzügig. Von dort verlaufen die Strings direkt zu den sechs Wechselrichtern (Abmessungen je 60/50/30 cm), die beim Klimahaus an eine Wand in der Technikzentrale geschraubt wurden.
PV-Elemente in dieser Ausführung haben seitlich am Scheibenrand die elektrischen Anschlussdosen – auf der Rückseite sind sie bei Isolierglasscheiben nicht möglich. Dies ist bei der Planung und der Entscheidung für eine Pfosten-Riegel-Konstruktion zu berücksichtigen.
Anlagenbeschreibung:
Anlagenleistung: ca. 37 KWp
Anzahl der aktiven PV-Scheiben: 143 Stück
Scheibenaufbau (Gesamtdicke 42 mm): 6 mm ESG Diamant 2 mm Zellzwischenraum 6 mm ESG klar 14 mm Scheibenzwischenraum (Argon) 6 mm TVG low-E 6 mm TVG klar
Ug-Wert: 1,3 W/m²k
Hersteller: ERTEX Solar, Amstetten (A)
Zellentyp: monokristalline Zellen 125 x 125 mm
Wechselrichtertyp: Stringwechselrichter Fabrikat SMA
Bauherr: Stadt Bremerhaven Architekten: Thomas Klumpp, Bremen (Entwurf); agn Niederberghaus & Partner GmbH, Eickworth-Iggena, Bremen (Ausführungsplanung)
PV in München
Die Dachhaut der BMW Welt in München [3] besteht aus einer zweischaligen Konstruktion. In der unteren Ebene liegt ein konventionelles Foliendach als wasserführende Schicht. Darüber befindet sich die »fünfte« Fassade, die gestalterische Funktionen übernimmt und von höheren Bauten in der Umgebung (Fernsehturm, BMW Vierzylinder etc.) aus sichtbar ist. Sämtliche technischen Aufbauten wie Dachentwässerung, Zu- und Abluftöffnungen und RWA-Klappen befinden sich in der unteren Ebene und schließen flächenbündig mit der oberen Schale ab. Um für diese ungewöhnliche Konstruktion der RWA-Klappen (Bild 8) eine Zulassung im Einzelfall zu erhalten, wurden die durch den flächenbündigen Einbau veränderten Abströmbedingungen mittels einer Computersimulation untersucht.
Die Aufgabe bestand darin, ein Grundraster von PV-Flächen zu finden, das die RWA-Klappen in ihrer Funktion nicht behindert. Ebenso mussten Wartungswege für Revisionsarbeiten zu den einzelnen Bereichen vorhanden sein. Die PV-Module sollten nicht aufgeständert, sondern Bestandteil des Gesamtbildes der riesigen Dachfläche und nur auf den zweiten Blick als solche zu erkennen sein. Um einen größeren Wettbewerb in der Ausschreibung zu erreichen, sollten außerdem verschiedene Modulabmessungen für die spätere Umsetzung möglich sein. Die Unterkonstruktion der Module war so auszulegen, dass auftretende Schneelasten aufgenommen werden können.
Entscheidungsfindung
Für den Standort München wäre allerdings eine aufgeständerte PV-Anlage mit einem Neigungswinkel von 35 ° die ertragsoptimierte Variante gewesen. Eine Gegenüberstellung der zu erwartenden Erträge zeigte bereits in der Entwurfsphase, dass bei einer flach installierten Anlage an diesem Standort mit einer Ertragsreduzierung von rund 16 % zu rechnen ist. Demgegenüber stand allerdings, dass man bei einem Neigungswinkel von 35 ° nur rund 40 % der zur Verfügung gestellten Fläche mit Modulen hätte belegen können. Der Zwischenraum zwischen den Modulreihen hätte somit aus Gründen der Selbstverschattung nicht genutzt werden können. Bei flach montierten Modulen ist jedoch eine Belegung von rund 90 % der zur Verfügung gestellten Fläche möglich, so dass sich die Ertragsminderung aufgrund der nicht optimalen Ausrichtung relativiert. Hinzu kommt noch, das die Kosten für die Unterkonstruktion bei einer aufgeständerten Lösung aufgrund des dann höheren Materialverbrauchs gestiegen wären.
Allerdings musste untersucht werden, ob bei der flachen Montage noch eine ausreichende Hinterlüftung der Module gewährleistet ist. Hierzu wurden Simulationen über die zu erwartenden Modultemperaturen durchgeführt (Abb. S. 76) [4]. Daran ließ sich erkennen, dass die Modultemperatur zwar gegenüber einer beispielsweise 45 ° aufgeständerten Variante etwa 8 Kelvin höher liegt und diese Temperaturerhöhung somit für einen Teil der Ertragsreduzierung verantwortlich ist. Dennoch sind die Module aufgrund der offenen Konstruktion und des Abstandes zur eigentlichen Dachhaut von rund 50 cm noch ausreichend hinterlüftet, um einen sinnvollen Betrieb der Anlage zu gewährleisten.
Umsetzung
Mit dem verantwortlichen Projektarchitekten Paul Kath von Coop Himmelb(l)au wurde nach einer Bemusterung die Auswahl des Zelltyps getroffen. Diese fiel auf eine schwarze, monokristalline Zelle, die ein homogenes Erscheinungsbild aufweist. Ihre Folienrückseite wurde schwarz anstatt der sonst serienmäßig eingesetzten weißen Variante ausgeführt– so entstanden dunkle Flächen, die sich aus der Ferne betrachtet von den restlichen Oberlichtern der BMW Welt optisch nur unwesentlich unterscheiden.
Der nächste Schritt war die Anfrage bei den Modulherstellern, ob die flache Montage von Modulen möglich sei. Bei einem Winkel von 0 ° kann das Wasser auf einem gerahmten Modul nicht mehr vollständig abfließen und somit bei Frost zu Beschädigungen am Modulrahmen führen. Aus diesem Grund und weil ansonsten die Rahmen aus gestalterischen Gründen hätten schwarz eloxiert oder beschichtet werden müssen, entschied man sich für ungerahmte Module. Bei deren Montage ist allerdings eine höhere Sorgfalt auf der Baustelle erforderlich, da die bei Modulen eingesetzten Sicherheitsglasscheiben beim Anschlagen der Ecke schneller zu Bruch gehen können.
Auf den die Dämmebene in einem festen Raster durchdringenden Befestigungspunkten wurde mit Stahlträgern eine Montageebene aufgebracht (Bild 5). Sie dient der Aufnahme von PV-Elementen, Gitterrosten über den Zu-und Abluftöffnungen, Edelstahlblechen und Glasdummys – ›
› letztere sorgen für die Krümmung der Dachfläche (Bild 7). Zur Montage der PV-Module wurden Aluminiumprofile aus dem Fassadenbau verwendet. Dabei sind die Module durchgängig auf der Längsseite gelagert.
Die gesamt 183 Strings der PV-Anlage wurden aufgeteilt zu zwei Zentralwechselrichtern geführt, die durch ihre Abmessungen (je etwa 3,50 x 2,50 x 0,80 m) wesentlich mehr Raum benötigen als kleinere Anlagen mit einzelnen Wechselrichtern. Die beiden Wechselrichter»schränke« befinden sich in den Technikräumen unter der auf einem rautenförmigen Muster beruhenden Dachkonstruktion.
Anlagenbeschreibung:
Anlagenleistung: 823,5 KWp
Anzahl der aktiven PV-Scheiben: 3660 Stück
Anzahl der Stringboxen: 25 Stück
Typ: M220–60 GET LK
Ausführung: Glas-Folien-Laminat
Hersteller: Solarwatt, Dresden
Hersteller der Wechselrichter: SMA, Niestetal
Wechselrichtertyp: Zentralwechselrichter SC350HE
Verschaltung: Master/Slave
Einspeisung: in das 10KV-Netz
Datenerfassung: Sunny String Monitor mit Stringüberwachung, Daten-verbindung zu Sunny Central Control, Automatischer Versand von Störmeldungen, Fernüberwachung via Modem
Bauherr: BMW AG, München Architekten: Coop Himmelb(l)au – weitere Beteiligte s. db 10/2007, S. 94
Loslösen vom solaren 1 x 1
Es ist mittlerweile ein deutlicher Trend zu architektonisch anspruchsvollen Photovoltaikanlagen zu erkennen. Auch nach dem eigentlichen Entwurf können beispielsweise PV-Anlagen in Isolierglasscheiben noch integriert werden, wenn man die Umplanung in Kauf nimmt: Fällt die Entscheidung erst spät für eine derartige Verglasung mit PV-Modulen, hat dies zwar meist keinen Einfluss auf die Statik, aber die Aufbauhöhe verändert sich: Im Vergleich zu üblichen Isolierglascheiben kommt nochmal eine ESG-Scheibe hinzu.
Wichtig ist, dass man beim wirtschaftlichen Vergleich einer PV-Anlage eine ganzheitliche Betrachtung durchführt. So waren beim Beispiel des Klimahaus Bremerhaven zur Beurteilung der tatsächlichen Mehrkosten für die PV-Anlage die Kosten gegenüberzustellen, die man ohnehin für bedruckte Scheiben als Sonnenschutz benötigt hätte. Bei der BMW Welt waren die Kosten der Edelstahlbleche, die die Installationen auf dem Dach hätten verstecken müssen und die nun nicht verbaut wurden, in die wirtschaftliche Analyse mit einzubeziehen. Man sollte sich also gedanklich von rein ertragsoptimierten PV-Anlagen lösen, deren Ziel es ist, möglichst viel Gewinn zu erwirtschaften. Hier ist die Betrachtung eines gestalterischen Elementes, das sich über die Jahre selbst refinanziert, besser angebracht. Der Imagegewinn des Bauherrn und der Architekten lässt sich ohnehin nicht in Zahlen ausdrücken. •
Literaturhinweise und weitere Informationen: [1] db 3/2009, Energie: Susanne Rexroth, »Schöner integriert«, S. 70 ff. Das dort für diese Ausgabe angekündigte und kurz vor der Fertigstellung stehende Gebäude in Basel (Bauherr Novartis, Architekt Frank Gehry) durfte wider Erwarten noch nicht veröffentlicht werden. [2] Eröffnung Klimahaus Bremerhaven 8° Ost: 27. Juni 2009 [3] siehe db 10/2007, S. 84 ff; sowie db 3/2009, S. 72 [1] [4] Stefan Holst, Transsolar Energietechnik GmbH, München (Simulationsprogramm TRNSYS)