Die Bauphysik des
Luftkollektors

Solare Luftheizsysteme
und -konstruktionen

Das Sammeln solarer Gewinne über die Gebäudehülle ist keine Erfindung der Neuzeit. Alte autochthone Haustypen wurden, wo möglich, zur Wintersonne ausgerichtet, die Wohnräume nach Süd/Südwest orientiert. Man spürte damals, dass solare Gewinne nicht nur über die Fensteröffnungen, sondern vielmehr über die opaken Außenwände gesammelt werden konnten. Meist orientierte sich daher die Außenwand der langen Wohnraumseite zur Sonne. Heute spielt die Ausrichtung opaker Außenwände kaum eine Rolle mehr. Außenwände dienen vor allem dem Schutz vor Wärmeverlusten. Die Ursprünge für diese Entwicklung liegen in den Erkenntnissen der Bauphysik, die folgend vereinfacht dargestellt werden.

Trifft Solarstrahlung auf eine Bauteiloberfläche, wird Energie absorbiert. Licht wird in Wärme umgewandelt. Farbe und Oberflächenbeschaffenheit bedingen den Absorptionsgrad, den Grad also, in dem Licht von der Oberfläche absorbiert werden kann. Unverputzter Ziegel absorbiert ca. 70 % der Energie, eine hell verputzte Wand, wie bei alten griechischen Häusern, nur etwa 20 – 30 %.

Ein Teil der verfügbaren Energie geht an die angrenzende Umgebung verloren, ein Teil wird vom Bauteil aufgenommen – die Bau-teiloberfläche wird erwärmt.

Weist die Außenwand, wie bei alten Häusern, einen hohen U-Wert auf, kann sie Energie in Folge des geringen Wärmewiderstands von außen nach innen leiten. Die solaren Gewinne sind im Innenraum spürbar, erhöhen temporär die Behaglichkeit. Der hohe U-Wert ist für die Wärmeleitung der Gewinne von außen nach innen verantwortlich, gleichermaßen jedoch für die Verluste von innen nach außen. Energie fließt immer vom höheren Energieniveau zum niedrigeren, was vereinfacht bedeutet: ist es außen wärmer als innen, fließt Energie von außen nach innen und andersherum. Je größer der Temperaturunterschied ist, desto größer ist der resultierende Wärmefluss. Dies hat zur Folge, dass bei Außenwandbauteilen mit hohem U-Wert ein

hoher Energiefluss von innen nach außen in strahlungsarmen Zeiten während der Heiz-periode stattfindet. Genau genommen reduziert solare Einstrahlung eher die enormen Verluste opaker Außenwände. Zum Vergleich: eine 1-schalige südausgerichtete Ziegelwand mit dem U-Wert von 1,39 W/(m²K) weist nominal im Vergleich zu einer 1-schaligen südausgerichteten Gasbetonwand mit dem
U-Wert 0,28 W/(m²K) die ca. 1,5-fache Nutz-

barkeit solarer Gewinne auf. Die bilanziellen Verluste der Wand sind jedoch im Vergleich zur Gasbetonwand um ein Vielfaches höher (Abb.01: 1+3). Die Reduktion des U-Wertes unserer Außenwände war daher eine sinnvolle Maßnahme, die zwar die solaren Gewinne, vor allem aber die bilanziellen Verluste reduzierte.

Es entwickelten sich mehrschalige Außenwandkonstruktionen, die bei gleichbleibendem Materialeinsatz auf Grund der Schichtung den U-Wert reduzierten und die solaren Gewinne erhöhen konnten (Abb.01: 2). Bei einer 2-schaligen Ziegelwand wird die Energie zwar auf der außenluftzugewandten Seite ­absorbiert, durch den geringen Wärmewiderstand der ersten Bauteilschicht gelangt jedoch ein größerer Teil der Wärme in den geschützten Luftspalt. Die Luft erwärmt sich und dient als zusätzlicher Widerstand gegen mögliche Wärmeverluste.

Kollektorkonstruktionen

Mehrschichtige Konstruktionen, die den Glashauseffekt nutzen, optimieren die möglichen Gewinne (Abb.01: 4). Der Glashauseffekt bezeichnet das Phänomen, dass Glas für Lichtstrahlung im hohen Maße durchlässig, für Wärmestrahlung relativ undurchlässig ist. Fügt man einer opaken Wand auf der Außenseite eine transparente, transluszente Schicht mit Luftspalt zu, findet die Absorption im geschützten Luftspalt statt: die Wärmeenergie kann im großen Umfang genutzt werden.
Transparente bzw. transluszente Schichten lassen jedoch nicht 100 % des eintreffenden Lichtes durch. Wie bei Fenstern ist der g-Wert, der Gesamtenergiedurchlassgrad, von Entscheidung. Der g-Wert beziffert, wie viel
der Sonnenenergie durch eine transparente Schicht gelangen kann. Einfachverglasungen haben g-Werte von ca. 0,85, Mehrkammerstegplatten erreichen, je nach Kammerzahl, nur Werte um ca. 0,40. Im Groben gilt: je
geringer der U-Wert einer transparenten Schicht, desto geringer ist meist der g-Wert. Verschmutzung und Verschattung reduzieren den Solareintrag zusätzlich.

Die Ausrichtung des Bauteils zur Son­nenbahn ist ertragsbestimmend. Zur Wintersonnenwende, am 21.12., geht die Sonne in unseren Breiten im Süd-Osten auf, erreicht einen niedrigen Sonnenstandwinkel von ca. 13 bis 18 ° und geht im Süd-Westen bereits unter. Nur für die Tage um den 21.03. und den 21.09. gilt unser alter Kinderreim: im

Osten geht die Sonne auf... Der Sonnenstand erreicht einen Winkel von ca. 36 bis 42 °. Zur Sommersonnenwende geht die Sonne bereits im Nord-Osten auf, erreicht einen Sonnenstand von 59 bis 65 ° und geht erst im Nord-Westen wieder unter (Werte: http://www.stadtklima-stuttgart.de/index.php?klima_sonnenstand (03.10.2014)). Die Betrachtung der Sonnenstände ist von großer Bedeutung für die Planung solar aktiver Hüllflächen, die Sonnenstände sind ortsabhängig.

Kollektortypen

Prinzipiell können zwei Konstruktions-Typen bzw. drei Nutzungsarten unterschieden werden (Abb. 02):
Typ 1: Der einfachste Kollektor besteht aus einer opaken Wand, einer Luftschicht und einer transparenten Schicht. Die Wärmeübertragung vom Luftspalt zum Raum erfolgt durch Wärmeleitung, also konduktiv. Für eine gute Wärmeleitung und eine hohe Nutzbarkeit
der Gewinne raumseits sollten U-Wert und Wärmespeicherfähigkeit der opaken Wandschicht möglichst hoch sein. Um Verluste bei ausbleibender Solarstrahlung gering zu halten, sollte eine ruhende Luftschicht gewährleistet sein, was Anforderungen an die Anschlussdetails am Fuß- und Kopfpunkt des Kollektors definiert. Es gilt: Je niedriger der U-Wert der transparenten Schicht, desto geringer sind die Wärmeverluste vom Luftspalt an die Um­gebungsluft. Die Verluste der Gesamtkonstruktion werden reduziert. Doch Vorsicht: ein niedriger U-Wert bedeutet gleichermaßen einen niedrigen Gesamtenergiedurchlass. Zur Optimierung der Schichten wird empfohlen, die instationäre Gebäudesimulation als Planungswerkzeug zu nutzen. Für Kollektortyp 1 gilt vereinfacht: U-Wert und Speicher-fähigkeit der opaken Schicht sollte möglichst  hoch, der U-Wert der transparenten Schicht sollte bei gleichzeitig großem g-Wert mög-

lichst gering sein.

Typ 2: Der Typ 2 basiert auf der als Trombewand bekannten Wandkonstruktion, die Ed­-
ward Sylvester Morse, ein amerikanischer Archäologe und Professor für Zoologie, 1881 in den USA zum Patent anmeldete und Félix Trombe in seinem Solarhaus im französischen Odeillo 1967 wissenschaftlich erforschte. Die  Trombewand weist neben den Zu- und Ab­luftöffnungen des Luftspaltes im oberen und unteren Teil der opaken Schicht Zu- bzw. Abluftöffnungen auf, die eine Luftverbindung vom Luftspalt zum Raum herstellen. Ehemals durch Betätigen der mechanischen Zu- und Abluftklappen, heute durch temperaturgeführte Steuerung und Regelung des Luftaustausches, kann die erwärmte, im Kollektor aufsteigende Luft direkt als Zuluft für den Raum verwendet werden. Die Nutzbarkeit der Energie beträgt dadurch ein Vielfaches im Vergleich zum Kollektortyp 1. Der Kollektortyp ist sowohl im Umluft-, als auch im Zuluft-Heizmodus sowie zum Belüften von Räumen nutzbar.

Typ 3: Kollektorkonstruktionen, die Typ 1 entsprechen, deren opake Wandschicht jedoch

einen sehr niedrigen U-Wert aufweist, können kaum konduktiv Wärme an der Raum ab­ge­-
ben. Die Energie im Luftspalt kann jedoch
genutzt werden, um sie via Haustechnik, z. B. über einen Wärmetauscher, dem Heiz­system zuzuführen. Der Kollektor ist geeignet,

warme Luft zu produzieren, die warmluftdurchströmte Bauteile im Gebäudeinnern bedient. Die Anforderung an die transparente Schicht sinkt, je schneller die Energie dem Luftspalt entzogen werden kann. Dieser Kollektortyp entkoppelt die volatile Wärmegewinnung von der Nutzung, so dass die Wärme dem Raum bedarfsgerecht zugeführt werden kann.

Kollektorbilanz – statischer versus dynamischer U-Wert¹

Der Vergleich zweier Kollektorkonstruktionen und einer gedämmten Wand mit jeweils identischem statischem U-Wert, unter Einbezug der solaren Gewinne während der Heizperiode simuliert (Software TRNSYS), verdeutlicht die Wirkungsweisen (Abb.03). Die gedämmte Vollziegelwand weist, je nach Himmelsrichtung, einen dynamischen U-Wert zwischen 0,27 und 0,30 W/(m²K) auf. Diese Werte entsprechen im Durchschnitt denen des nach DIN berechneten U-Wertes von 0,28 W/(m²K). Der Kollektor 1, gebildet aus einer opaken Wandschicht mit höherem U-Wert und einer transparenten Schicht niedrigeren U-Wertes, erzielt in Südausrichtung einen negativen Wert von -0,05 W/(m²K). Der durchschnittliche Wärmefluss geht während der Heizperiode von außen nach innen. Der dynamische U-Wert Richtung Norden liegt bei 0,20 W/(m²K): solare Gewinne werden auch bei Diffusstrahlung generiert.

Der Kollektor 2 wurde im Gegensatz zum Kollektor 1 aus einer opaken Wandschicht mit niedrigerem U-Wert und einer transparenten Schicht mit höherem U-Wert gebildet. Auf Grund der höheren Verluste durch die transparente Schicht an die Außenluft sind die Werte hier etwas höher: Der dynamische U-Wert Richtung Süden liegt bei 0,07 W/(m²K), der Richtung Norden bei 0,24 W/(m²K). Betrachtet man die zu erzielenden Kollektortemperaturen während der Heizperiode, erreicht der südausgerichtete Kollektor 1 auf Grund der geringeren Verluste mit durchschnittlich 20,6 °C und max. 84 °C höhere Temperaturen als Kollektor 2 mit max. 74 °C und durchschnittlich 12 °C. Nordausgerichtet erreicht Kollektor 1 immerhin noch Maximaltemperaturen von 33 °C, im Mittel von knapp 11 °C. Die mittlere Außentemperatur liegt im Betrachtungszeitraum bei 4 °C. Die Nutzung der Konstruktionen als Trombewand würde bei beiden Kollektoren einen negativen‚ äquivalenten U-Wert erzeugen. Richtung Süden läge der U-Wert von Kollektor 1 bei - 0,56, von Kollektor 2 bei -0,44 W/(m²K).

Energetisch-dynamische Wirkungsweise

Bei allen Konstruktionen gilt, dass sowohl die Funktion während der Heiz- und Kühlperiode als auch der Tag- und Nachtmodus in Abhängigkeit des Ortes (Sonnenbahn/Möglichkeit der Nachauskühlung...) detailliert geplant werden sollte. In der Kühlperiode müssen die Kollektoren durchgehend durchlüftet oder verschattet werden, in der Heizperiode soll-ten sie eine ruhende Luftschicht aufweisen, um die Verluste zu minimieren. Die Kollektor-Details müssen diese dynamischen Funktio­nen gewährleisten. Werden Trombewand-­systeme genutzt, muss sichergestellt werden, dass nur Luft in den Raum gelangt, wenn ­gelüftet werden soll oder wenn die Kollektortemperatur über der Raumlufttemperatur liegt. Andernfalls erhöht die Kollektornutzung den Heizwärmebedarf. Es empfiehlt sich daher, die instationäre Simulation als Planungswerkzeug während der Konzeptions- und ­Detaillierungsphase zu nutzen und ggf. eine temperaturgeführte Steuerung einzuplanen.

Kollektorsysteme

Kollektorkonstruktionen führen zu positiven Bilanzen, wenn sie in ein energetisches ­System mit Speichermöglichkeit eingebettet werden. Die gebauten Beispiele zeigen ­verschiedene Ansätze (Abb. 04).

Projekt 1: Das Wohn- und Atelierhaus Lang-Kröll von Florian Nagler Architekten (2002) nutzt die Prinzipien der Kollektortypen 1 und 2. Die Außenwände wurden als Kollektoren mit Polycarbonatstegplatten ausgebildet. Sie wirken für das Wohngeschoss konduktiv, reduzieren Verluste. Das im Dach angeordnete Atelier kann über mechanisch zu betätigende Klappen die aufströmende Warmluft der Kollektoren als Luftheizung nutzen. Die unter den Trauflinien regelmäßig angeordneten Luftauslässe sorgen während der Heizperiode für die Entladung der Kollektoren. Das Haus baut auf rein passive Prinzipien.

Projekt 2: Das „Luftkollektorhaus“, ein von

Architekt Bruno Maurer saniertes freistehendes Altenteilhaus, nutzt Kollektortyp 3. Der Altbau wurde gedämmt und zusätzlich mit

einer Kollektorhülle aus Polycarbonatstegplatten umhüllt. Die heiße Luft sammelt sich im Dachspitz, wo ein Teil der Energie über

einen Wärmetauscher zur Warmwasserbereitung genutzt wird. Die verbleibende Energie wird als Warmluft konvektiv genutzt. Durch den Kamin wird die warme Luft ins Erdgeschoss eingebracht.

Projekt 3: Das Wohnhaus der Kinderreitschule Weilimdorf des Architekten Werner Grosse nutzt eine Mischform aus Kollektortyp 1 und 3. Das Haus ist als Vollholzhaus (Palisadio) konstruiert. Die südlich ausgerichtete Fassaden- und Dachfläche wurde als Kollektorkonstruktion ausgebildet, ein schwarzer Anstrich der Vollholzwand sorgt für einen hohen Absorptionsgrad. Im Dachspitz wurde Lüftungstechnik angeordnet, die die erwärmte Kollektorluft in ein Murokausten-/Hypokaustensys-

tem, also warmluftdurchströmte Bauteile einbringt, die die Wärme konduktiv an den Innenraum abgibt. Es ergibt sich ein geschlossenes System vom Kollektor zur Hypokauste zum Kollektor. Während der Kühlperiode wird der Kollektor über den Dachspitz entlüftet.

Projekt 4: Der Schweizer Architekt Hans

Ruedi Stutz nutzte den Kollektortyp 3 für den Neubau Solarhaus Hehli vom Dach. Die südausgerichtete Dachhaut wurde hier durch ein

Solarglas mit einem hohen Gesamtenergie-

durchlassgrad und umströmten Absorber-blechen konstruiert. Die heiße Luft wird wie im Projekt 2 im Dachspitz gesammelt und mittels Wärmetauscher zur Erwärmung des Warmwassers verwendet. Die verbleibende warme Luft wird, ähnlich dem Projekt 3, durch Hypokausten-/Murokaustensysteme, hier aus Kalksand-Formsteinen, geleitet und gelangt wieder zurück in den Kollektor. Die aktive Speichermasse ist enorm, das publizierte Monitoring des Systems belegt hohe Gewinne und eine hohe Nutzbarkeit.

Résumee

Kollektorkonstruktionen können in Verbindung mit Speichermassen eine Alternative zum herkömmlichen Wärmeschutz und zur herkömmlichen Energiebereitstellung darstellen. Das Sammeln solarer Energie über die Gebäudehülle und die Speicherung thermischer Energie stellen eine ökonomische Alternative dar.