Beschreibung
P 880 – Mehrdimensional energieoptimierte Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise für den Industrie- und Gewerbebau
Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden Wege zur energetischen Optimierung von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise untersucht. Gegenstand waren die Möglichkeit zur Nutzung einfallender Solarstrahlung zur Energiegewinnung sowie die Minimierung auftretender Energieverluste. Da der Industrie- und Gewerbebau über große Flächenpotentiale verfügt, sind in diesem Bereich zum einen die aktive Nutzung solarer Gewinne besonders vielversprechend und zum anderen große Einsparpotentiale durch eine Optimierung der (passiven) bauphysikalischen Eigenschaften vorhanden.
Zur Minimierung der Energieverluste wurden die den Wärmedurchgang (Querschnitt, Wärmebrücken, Luft-dichtheit, konstruktive Details) und die Dauerhaftigkeit (Feuchteschutz) bestimmenden Aspekte bezüglich einer energetischen Optimierung analysiert und er-forscht. Mit numerischen und experimentellen Verfahren wurden konventionelle und verbesserte Bausysteme in Stahlleichtbauweise (Sandwich-, mehrschalige Konstruktionen) untersucht und bewertet. Neben der Reduktion der Lüftungs- und Transmissionswärmever-luste war die Vermeidung von Tauwasser an und in Bauteilen Forschungsinhalt.
Zur Stromerzeugung wurde die innovative PV-Technologie (flexible Kugel-Solarzellen) auf konventionelle Sandwichelemente appliziert. Der Einfluss der Profilierung sowie Möglichkeiten zur Integration der Modulverschaltung in das Bauteil wurden untersucht. Die erzielten Ergebnisse sind mit der Nutzung eines Sandwichelements mit marktüblichem, additivem PV-Modul technisch-energetisch und wirtschaftlich verglichen worden. Weiterer Nutzen entstand durch Integration von solarthermischen Komponenten. Das äußere Deckblech der Sandwichelemente diente als Solarkollektor, um in hinter dem Deckblech eingebrachten Leitungen ein Fluid zu erwärmen. Mit der entwickelten FluidBox war eine kontinuierliche Hintereinanderschaltung mehrerer „Solarsandwiche“ möglich. Einflussparameter wie Farbgestaltung, Profilierung und Leitungs- bzw. Anschlussführung wurden numerisch und experimentell untersucht.
Die Kombination der Ansätze ermöglichte es, Eingriffe in die Bauteilstruktur infolge der Integration aktiver Komponenten direkt unter Berücksichtigung möglicher (passiver) Energieverluste zu optimieren. Die energetische Qualität von Gebäudehüllen in Stahlleichtbauweise wurde anhand von Nachhaltigkeitskriterien an einer Referenzhalle ganzheitlich bewertet. Es zeigte sich, dass deutli-che Einsparungen durch wärmetechnisch verbesserte Sandwichkonstruktionen bei Transmissions- und Lüftungswärmetransfer realisierbar sind.
Im passiven Bereich wurde gezeigt, dass einige Konstruktionstypen bezüglich der aktuellen energetischen Anforderungen (Transmissionswärmeverlust) nicht mehr uneingeschränkt einsetzbar sind. Eine herkömmliche Kassettenkonstruktion mit 3 mm Trennstreifen stellt z.B. energetisch nicht mehr den Stand der Technik dar. Bei diesen konventionellen Konstruktionen geht thermisch ein großer Teil der verwendeten Dämmstoffmenge infolge von Wärmebrückeneffekten verloren; mögliche energetisch effizientere Alternativen wurden konzeptionell erarbeitet, bedürfen allerdings weiterer Erforschung. Der Einfluss von Undichtigkeiten in der Gebäudehülle auf den Energieverlust wurde verdeutlicht. Mit Bausystemen des Stahlleichtbaus ist die Erstellung einer fehlstellenfreien Luftdichtheitsebene möglich, erfordert allerdings exakte theoretische Planung und ordnungsgemäße praktische Ausführung.
Auf der aktiven Seite wurde mit Musterbauteilen verdeutlicht, wie die einfallende Solarstrahlung energetisch genutzt werden kann. Die untersuchte PV-Technologie und das konzipierte Solarsandwich stellen Lösungen dar, die nach Integration in den Herstellungsprozess großflächig angewandt werden können. Die Stromerzeugung durch neuartige PV-Bauteile be-sitzt gegenüber den herkömmlichen additiven Systemen einen geringeren Wirkungsgrad, kann dieses Defizit aber durch den größeren Flächenanteil und den Wegfall der zusätzlichen Montage ausgleichen. Das Solarsandwich kann durch die Nutzung der Solarstrahlung zur Fluiderwärmung einen Beitrag zu Herstellungsprozessen in Industrie und Gewerbe leisten und außerdem einen Anteil zur Innenraumtemperierung liefern.
Das IGF-Vorhaben 16936 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das Vorhaben wurde am Lehrstuhl für Stahlbau und Leichtmetallbau der RWTH Aachen, am Lehr- und Forschungsgebiet Architektur + Metallbau der FH Dortmund, am Fachgebiet Umwelttechnik und Klimagerechtes Bauen sowie am Fachgebiet Umweltinformatik und Umweltmanagement der HTW Berlin und an der Versuchsanstalt für Stahl, Holz und Steine, des Karlsruher Instituts für Technologie durchgeführt
Autoren:
M. Feldmann, M. Kuhnhenne, D. Pyschny, M. Brieden, H. Hachul, J. Bach, H. Rößling, S. Rexroth, F. Deininger, R. Morana, R. Görner, T. Ummenhofer, T. Misiek, H. Krüger, C. Fauth
Veröffentlichung:
2016
