Energieeinsparung durch Sonnenreflexion - Dachbeschichtung für passive Kühlung und ein Mehrertrag für Photovoltaikanlagen
Ab 2020 wird der Netto-Null-Energie-Ansatz für alle Neubauten in der EU Pflicht sein. Dieser Standard ist nur durch Kombination einer optimierten Gebäudehülle mit einer hocheffizienten Wärmeerzeugung und Gebäudeklimatisierung sowie der Integration regenerativer Energiequellen zu erreichen. Wie das mit heutiger Technik realisiert werden kann, hat das zwölfmonatige Forschungsprojekt in Herten* der Zeller/Athoka GmbH und Daikin in Zusammenarbeit mit fünf renommierten Forschungsinstituten (Das französische Centre Technique des Industries Aérauliques et Thermiques (CETIAT), das Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), die Fraunhofer UMSICHT, The University of Manchester (UK) sowie die TU Dortmund) in Herten gezeigt. Ein Baustein dieses Forschungsprojektes war es zu untersuchen, welchen Beitrag passive Maßnahmen wie eine sonnenreflektierende Beschichtung der Bitumen-Dachbahnen zum Ergebnis „Netto-Null“ leisten können.
Die Beheizung des Netto-Null-Energiegebäudes in Herten übernimmt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe und eine VRV-Luft/Luft-Wärmepumpe. Das VRV-System ist gleichzeitig für die Kühlung zuständig.
Die Reflexionseigenschaft der Dachbeschichtung „Zeffle“ multipliziert die Lichteinstrahlung auf Photovoltaikmodule und maximiert somit den Stromertrag.
„Zeffle“-Beschichtung (weißer Teil) aufgetragen auf Bitumen-Dachbahnen.
Von März 2011 bis Februar 2012 wurde bei dem Forschungsprojekt untersucht, wie Technologien und Materialien für Hülle und Haustechnik in einem gewerblichen Netto-Null-Energie-Haus wirtschaftlich und energieeffizient als Gesamtkonzept zusammenwirken. Die Photovoltaikanlage hat in den zwölf Monaten einen Mehrertrag an Strom von 1000 kWh erzeugt. Zur Erreichung dieses Ergebnisses hat das Zusammenspiel der unterschiedlichen Technologien für Beheizung, Kühlung, Belüftung, Beleuchtung, der Stromerzeugung und der Dachbeschichtung eine wichtige Rolle gespielt.
Die Anlage im Überblick
Die Beheizung des insgesamt 1335 m2 großen Gebäudes in Herten (800 m2 gewerbliche Fläche, 535 m2 Bürofläche) übernimmt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, an die eine Fußbodenheizung und die Warmwasserversorgung angeschlossen ist. Zudem sorgt eine VRV-Luft/Luft-Wärmepumpe für Unterstützung. Das VRV-System ist gleichzeitig für die Kühlung zuständig. Bei der Beleuchtung kamen LED-Technik zur Nacht- und Akzentbeleuchtung zum Einsatz. Da sich durch die Dimensionierung der Gebäudehülle und der gesamten haustechnischen Anlagen ein geringer spezifischer Endenergiebedarf ergibt, kann dieser auf Jahresbasis über die Leichtbau-Röhren-Photovoltaikanlage mit Dünnzellenbeschichtung und einer Leistung von rund 27 kWp gedeckt werden.
Leistungssteigerung der Photovoltaikanlage
Die Photovoltaikmodule wandeln nicht nur das direkt auf sie eingestrahlte Sonnenlicht in Strom um. Sie nutzen zusätzlich auch die indirekte, diffuse Lichteinstrahlung, die beispielsweise durch Wolken oder umliegende Oberflächen reflektiert wird. Auf einem 100 m2 großen Bitumen-Testfeld auf dem Dach des Objektes wurde eine spezielle Beschichtung („Zeffle“)** aufgebracht. Sie sorgt für eine breitbandige Reflexion des Sonnenlichts. Helle Oberflächen reflektieren hauptsächlich den sichtbaren Teil des Lichtspektrums, welcher nur rund 40% des Energieeintrages ausmacht. Mit der eingesetzten Beschichtung ist es gelungen, den gewichtigeren infraroten Teil des Lichtspektrums, der rund 50% des Energieeintrages ausmacht, in die Reflexionseigenschaften einzubeziehen. Somit behandelt die Beschichtung rund 90% der eingestrahlten Lichtenergie. Die Reflexionseigenschaft multipliziert die Lichteinstrahlung auf Photovoltaikmodule und erhöht somit den Stromertrag.
Eine weitere Problematik stellt die Betriebstemperatur der PV-Module dar. Je höher sie ist, desto schlechter wird der Wirkungsgrad. Nebeneffekt der Reflexionseigenschaften von „Zeffle“ ist eine Verringerung der Dachhauttemperatur. Diese bewirkt eine Temperatursenkung an den PV-Modulen und sorgt damit für eine Steigerung des Ertrags. Im Netto-Null-Gebäude in Herten wurde das von der TU Dortmund nachgewiesen: Im Vergleich zum Referenzfeld (weiße Kunststoffdachbahnen) konnte der Gewinn der Photovoltaikanlage um 11% gesteigert werden.
Passive Kühlung durch breitbandige Reflexion des Sonnenlichts
Neben dem im Forschungsprojekt Herten wirksamen Effekt zur Leistungssteigerung der PV-Anlage, wird grundsätzlich ein Anstieg der Innentemperaturen im Gebäude eingedämmt. Handelsübliche Dachoberflächen, z.B. Bitumen, erreichen bei Sonneneinstrahlung Temperaturen von über 90°C. Dies hat zur Folge, dass ein angenehmes Arbeitsklima durch die folglich erhöhte Raumtemperatur ohne Klimatisierung nicht möglich ist. Wissenschaftliche Studien belegen, dass die Arbeits-, Leistungs- und Konzentrationsfähigkeit bei zu hohen Umgebungstemperaturen drastisch nachlässt. Entsprechend der Arbeitsstättenverordnung (AstV) und der Arbeitsstättenrichtlinien (ASR) sind Innentemperaturen bis 26°C zumutbar. Die eingesetzte Dachhaut schafft mit ihren Eigenschaften einen passiven Kühleffekt. So vermindert das Daikin-Produkt die Belastung für Klimaanlagen und reduziert deren Strombedarf. Gleichzeitig wird ermöglicht, dass interne Wärme nach außen geführt wird. Denn im Gegensatz zu gut gedämmten Gebäuden wird hier die Wärmetransmission nach außen nicht verhindert.
Zusätzliche Effizienzsteigerung für Wärmepumpen
Aus den Messungen im Rahmen des Forschungsprojektes in Herten lässt sich Folgendes schließen: Durch die Anwendung der Beschichtung wird die Effizienz der Wärmepumpen gesteigert, die im Gebäude zur Kühlung eingesetzt werden. Durch die Sonneneinstrahlung bildet sich normalerweise auf der Dachfläche eine Hitzeglocke. Wird ein auf dem Dach installiertes Wärmepumpengerät zum Kühlen eingesetzt, liegen so die Temperaturen am Lufteintritt des Gerätes deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur. Mit der „Zeffle“-Beschichtung wird ein Aufheizen verhindert und somit die Lufteintrittstemperatur verringert.
Fazit
Die Wechselwirkungen der in Herten eingesetzten Komponenten wurden über ein Jahr lang analysiert. Dabei stand vor allem im Mittelpunkt herauszufinden, welche Faktoren berücksichtigt werden müssen, um höchste Energieeffizienz bei gleichzeitig erträglichen Kosten zu erreichen. Das geforderte Ziel, ein „Netto-Null-Energie-Haus“ zu erreichen, wurde mehr als erfüllt. Dies lässt den Schluss zu, dass aufeinander abgestimmte Komponenten ein effektiver Schritt in Richtung Energiewende sind.
*) Wir berichteten im IKZ-FACHPLANER April 2011 ab
Seite 27. Nachzulesen auch unter www.ikz.de unter „Live-Labor im Firmensitz“.
**) Vertrieb und weitere Informationen zu „Zeffle“ über: Solution Consultant Alexander Thompson, Tecnexum GmbH, Walpurgisstr. 42, 45131 Essen, Tel.: 0201 958 7043, a.thompson@tecnexum.de.
Autor: Dipl.-Ing. Ansgar Thiemann, Section
Manager Environment Research Center Daikin Europe N.V.
Bilder: Daikin
www.daikin.de
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