BIPV

Die Hochleistungsfassade

Der Umstieg auf erneuerbare Energiequellen und die Reduzierung des Energieverbrauchs von Gebäuden sind eine Notwendigkeit, um bis 2050 eine klimaneutrale Wirtschaft zu erreichen. Die Experten von Pilkington Austria zeigen, dass die Fassade eine wesentliche Rolle zur Erreichung dieser Ziele beitragen kann.

14.12.2020
BIPV
Michael Lackner
© Pilkington Austria/Johannes Felsch
Die neue BIPV-Hochleistungsfassade bei Pilkington Austria in Bischofshofen.

Studien zeigen, dass der EU-Gebäudebestand mit ineffizienten Verglasungen gealtert ist. Der durchschnittliche Ug-Wert von Fenstern in EU-Gebäuden liegt bei 3,4 – das entspricht Fenstern aus den späten 1960er-Jahren. Mit heute auf dem Markt verfügbaren Fenstern besteht ein enormes Verbesserungspotenzial – bis zu 37 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs im EU-Gebäudebestand können bis 2050 durch Hochleistungsverglasungsprodukte eingespart werden. Tatsächlich können Energie- und Treibhausgaseinsparungen noch erheblich sein, wenn adaptive Verglasungen mit integrierter Photovoltaik zum Standard werden.

Gebäudeintegrierte Photovoltaik

„Building Integrated Photovoltaic“ (BIPV) steht für die Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle, wobei nicht nur die Energiegewinnung, sondern auch andere Funktionen gewünscht werden. Fachgruppen beschreiben BIPV als eine architektonische, bauphysikalische und konstruktive Einbindung von PV-Elementen in die Gebäudehülle unter der Berücksichtigung der multifunktionalen Eigenschaften des PV-Moduls. Multifunktionalität können dabei Witterungsschutz, Wärmedämmung, Abschattung, Ästhetik und Design sowie Sichtschutz, Schalldämmung, elektromagnetische Schirmdämpfung, Einbruchsschutz, Lichtlenkung und -leitung sein. Die Einsatzbereiche von BIPV umfassen die Bereiche Dachintegration, Fassaden-, Fenster-, Brüstungs- oder Verschattungslösungen.
Die Module werden projektorientiert gefertigt (angepasst an das jeweilige Gebäude) in Größe, Form, Material, Farbe und Design, um ein möglichst homogenes Gesamterscheinungsbild zu erreichen.

© Pilkington Austria/Johannes Felsch
Im August 2020 wurde bei Pilkington Austria in Zusammenarbeit mit dem Techno-Z eine neuartige BIPV-Fassade installiert.

Einzigartige BIPV-Fassade

Im August wurde bei Pilkington Austria in Bischofshofen in Zusammenarbeit mit dem Techno-Z eine neuartige BIPV-Fassade installiert. Die BIPV-Gläser von Pilkington bedecken die gesamte vertikale und südseitig ausgerichtete (SE 160°) Fassadenfläche, sowohl die Brüstungs- als auch die Fensterbereiche.
Für die Fensterbereiche eignet sich das Produkt „Pilkington Sunplus BIPV Vision“, das teilflächig mit PV-Zellen belegt ist und trotzdem eine gute Sicht nach außen bietet. Im Brüstungsbereich wurde „Pilkington Sunplus BIPV Spandrel“ installiert. Dabei handelt es sich um ein Produkt ähnlich einer Fassadenplatte, das blickdicht, aber zusätzlich vollflächig mit PV-Zellen belegt ist.
Die gesamte Fassadenfläche bei Pilkington Austria beträgt 66,5 m², bestehend aus 30,4 m² „Vision“- und 36,1 m² „Spandrel“-Gläsern. In Summe erbringt die Fassade eine Maximalleistung von 7,31 kWp, 2,30 kWp kommen von der Fensterverglasung und 5,01 kWp aus dem Brüstungsbereich.

© Pilkington Austria/Johannes Felsch
Für die BIPV-Fassade im Fensterbereich (Fixverglasung sowie Dreh-/Kippfenster) kam „Pilkington Sunplus BIPV Vision“ zum Einsatz.

Die BIPV-Gläser bedecken die gesamte vertikale und südseitig ausgerichtete Fassadenfläche, sowohl die Brüstungs- als auch die Fensterbereiche.

Michael Lackner, Pilkington Austria

BIPV Fenster- und Fixverglasungen

Für die BIPV-Fassade im Fensterbereich (Fixverglasung sowie Dreh-/Kippfenster) kam „Pilkington Sunplus BIPV Vision“ zum Einsatz. Die Performance-Werte für den 3-fach Isolierglasaufbau sprechen für sich: Der Ug-Wert liegt bei 0,64 und der g-Wert beträgt dank Sonnenschutzfolie bei nur 18 Prozent. Das „Vision“-Modul hat eine Anschlussdose für den elektrischen Kabelanschluss an der Glaskante.
Beeinflusst haben das Design der „Vision“-Fenster Aspekte der optimalen Energieeffizienz sowie eine homogene Gesamtansicht der Fassade. Speziell im oberen Bereich der Fenster kommt es zu leichten Verschattungen durch den Rahmen, bedingt durch die Pfosten-Riegel Konstruktion, die Abdeckbleche stehen 20 mm vor. Dem wurde entgegengewirkt durch einen größeren Abstand der PV-Zellen von der oberen Glaskante. Die Außenansicht aller Fenster und Fixverglasungen wurde durch gleichmäßige seitliche Abstände der PV-Zellen zum Rahmen optimiert.
Die Behaglichkeit im Innenraum wird wesentlich durch die prozentuelle Belegung der Fensterfläche mit PV-Zellen beeinflusst. Es soll eine angenehme Arbeitsatmosphäre in den Büroräumen entstehen, die Arbeitseffizienz der Mitarbeiter wird bei ausreichend natürlichem Lichteinfall bis zu 15 Prozent gesteigert. Zudem gibt es seitens des Arbeitsinspektorats Vorgaben zum Lichteinfall, die erfüllt werden müssen.
Die Referenzfläche ergibt sich aus dem Produkt der Lichteintrittsfläche (10 Prozent der Raumfläche) und dem minimal zulässigen Lichttransmissionsgrad (65 Prozent).

Beispiel: Raumfläche = 50 m², Lichteintrittsfläche >= 5 m², Referenzfläche = 3,25 m². Dies wäre der Minimumwert, den die Verglasung des obigen Beispiels erfüllen muss.

Die verwendeten „Pilkington Sunplus BIPV Vision“ Isolierglasfenster mit einer durchschnittlichen PV-Zellenbelegung von 38 Prozent der Glasfläche konnten die oben genannten Anforderungen des Lichteinfalls problemlos erfüllen.

© Pilkington Austria/Johannes Felsch

In den opaken Bereichen wurde für die Fassadenverglasung das Produkt „Pilkington Sunplus BIPV Spandrel“ verwendet.

Leistungsstarke Brüstungsverglasungen

In den opaken Bereichen wurde für die Fassadenverglasung das Produkt „Pilkington Sunplus BIPV Spandrel“ verwendet. Dahinter befindet sich der Baukörper. Die Spandrels erfüllen eine wichtige Funktion innerhalb der Fassadenverglasung. Einerseits decken sie den Baukörper ab, andererseits wird durch eine vollflächige PV-Zellenbelegung (im Durchschnitt 72 Prozent) der PV-Energieertrag maximiert. Als grobe Faustformel gilt, dass die Spandrels den doppelten Energieertrag im Vergleich zu den Vision Elementen produzieren. Der Anteil der Spandrels an der Maximalleistung beträgt in unserem Beispiel 68 Prozent.

Der Aufbau der Spandrels mit einer Gesamtdicke von 10,52 mm sieht wie folgt aus:

  • 4 mm „Pilkington Optiwhite HN“
  • 0,76 mm PVB klar – PV Zellen – 0,76 mm PVB klar
  • 5 mm „Pilkington Optifloat Clear“, vollflächig emailliert (RAL 9010)

Die elektrische Anschlussdose befindet sich ebenfalls wie bei den „Vision“-Modulen an der Glaskante.

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Fassaden- und Elektroinstallationsarbeiten

Bei der Techno-Z Fassade in Bischofshofen handelte es sich um eine Renovierungsmaßnahme: Die alte Fassade sowie die 2-fach Isoliergläser waren bereits in die Jahre gekommen. Die neue Aluminium-Fassade kommt aus dem Hause Wicona: Als Pfosten-Riegel Konstruktion wurde das System „Wictec 60“, für die Dreh-/Kippflügel das System „Wicline 75 Evo“ verwendet.
Für die Metallarbeiten wurde die Harasser GmbH beauftragt. Aus wetter- und urlaubsbedingten Gründen bot sich der Umbau im August besonders gut an. Begleitend zu den Metallarbeiten wurden die Elektroinstallationsarbeiten von der Kontriner Elektrotechnik GmbH durchgeführt.
Das Hauptaugenmerk bei dem Projekt lag vor allem in der sorgfältigen Verkabelung: Aus Gründen der Wartbarkeit entschied man sich, die Verschaltung der BIPV-Module im Gebäudeinneren durchzuführen. Die benötigten PV-Kabel (mit 4 mm² Querschnitt) konnten vollständig versteckt in den Rahmenprofilen der Pfosten-Riegel Konstruktion sowie des Dreh-/Kippflügels verlegt werden.
Um die maximale Leistungsfähigkeit der Module auch bei Teilverschattungssituationen sicherzustellen (ausgelöst durch Vegetation oder bedingt aus baulichen Gründen), kam je ein Power Optimizer pro BIPV-Modul zum Einsatz. Die in Serie geschalteten Power Optimizer wurden über zwei Leistungsstränge zum Wechselrichter geführt. Die erzeugte Energie wird direkt vom Wechselrichter in das hausinterne Stromnetz eingespeist und für den Eigenverbrauch der Büroräume verwendet.

Speziell für Gebäude, der Sektor, der die höchsten CO2-Emissionen der gesamten EU aufweist, spielt in Zukunft eine hocheffiziente Gebäudefassade die zusätzlich erneuerbare Energie erzeugt, eine wesentliche Rolle bei der Erreichung der Energieneutralität bis 2050.

Michael Lackner

Fazit und Ausblick

Die Techno-Z BIPV Fassade wurde im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Horizon 2020 projektiert und installiert. Die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung, kurz TNO, überwacht im Zeitraum von einem Jahr die Performance der BIPV-Fassade. Die zyklisch dokumentierten Messwerte des Wechselrichters auf Modulebene, werden den Messungen der solaren Energieeinstrahlung mittels Pyranometer, sowie Wetterdaten wie Temperatur, Windgeschwindigkeit, Luftfeuchte und Niederschlagsmenge gegenübergestellt. Dadurch kann auf effizientem Weg der produzierte Ist-Energieertrag mit dem Soll-Energieertrag verglichen und somit die Wirkungsweise der BIPV-Module überwacht werden.
Speziell für Gebäude, der Sektor, der die höchsten CO2-Emissionen der gesamten EU aufweist, spielt in Zukunft eine hocheffiziente Gebäudefassade die zusätzlich erneuerbare Energie erzeugt, eine wesentliche Rolle bei der Erreichung der Energieneutralität bis 2050. Österreich befindet sich laut Weltklimakarte in der gemäßigten Klimazone: Die Klimaprognosen bis 2050 sagen deutlich höhere Temperaturen in den Sommermonaten und ähnlich tiefe Temperaturen in den Wintermonaten voraus. Um künftig Primarenergiekosten für HVAC-Systeme (engl. „Heating, Ventilation and Air Conditioning“, dt. „Heizung, Lüftung, Klimatechnik“) zu sparen, sind Hochleistungsverglasungen mit g-Werten um die zehn Prozent gefragt. Durch eine zusätzliche Verdopplung der Gebäude- und Fassadenrenovierungen (der durchschnittliche Ug-Wert von Verglasungen in der EU liegt bei 3,4), kann der Gesamtenergieaufwand des Gebäudebestands um weitere 37 Prozent gesenkt werden.

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