ZONNE-ENERGIE
Install Magazine 970 – mei 2020
Warmtepotentieel van gevels benutten
Fraunhofer ISE ontwikkelt innoverende zonnecollectoren voor integratie in gevels
De lamellen van de zonnethermische jaloezie functioneren als absorber. De warmte wordt via heatpipes en een aluminium adapter afgevoerd naar een collectorkanaal aan de zijkant.
De jaloezie is bedoeld voor gebouwen met grote glaspartijen. Het demonstratiemodel werd dan ook in een beglaasde dubbele gevel geïntegreerd.
De strookvormige elementen zijn vrij in de gevelconstructie te integreren. Hier vormen ze donkere strepen in combinatie met decoratieve gevelprofielen. (Foto: DAW/Karim Donath)
In het kader van de energietransitie kunnen ‘warmtegevels’ een bijdrage leveren. Dit aspect werd tot nu toe eerder verwaarloosd. Een onderzoeksgroep onder leiding van het Fraunhofer Institut ISE (onderzoek naar zonne-energie) heeft in het project ArKol twee nieuwe types van zonnethermische collectoren ontwikkeld, die architecturaal in de gevel kunnen worden geïntegreerd. Het gaat om een strookcollector en een zonnethermische jaloezie.
Het project ArKol had tot doel om architecturaal geïntegreerde gevelcollectoren met heatpipes te ontwikkelen, en werd in februari 2020 afgesloten. Het Fraunhofer ISE werkte in dit project samen met de firma’s DAW SE en Priedemann Façade-Lab, evenals met het Borderstep Instituut voor Innovatie en Duurzaamheid, het competentiecentrum Ausbau und Fassade en het bouwtechnisch instituut van de universiteit van Stuttgart.
“Het doel van het project was het grote oppervlaktepotentieel van gevels te kunnen gebruiken voor warmteproductie. Tegelijk wilden we architecten meer ontwerpvrijheid geven. Tot nu toe blijft het een belangrijke hinderpaal voor een bredere inzet van zonnethermie, dat de mogelijke gebruikers bezwaren hebben tegen het uitzicht van de collectoren. Tegelijk moest de planning eenvoudiger worden, met een vlottere montage en installatie”, aldus Dr.-ing Michael Hermann, coördinator voor innovatieprocessen voor thermische systemen en gebouwentechniek aan Fraunhofer ISE.
Gevels hebben een aantal voordelen tegenover een klassieke dakopstelling van zonnecollectoren. Zo komt het bezonningspatroon voor verwarmingsondersteuning beter overeen met de werkelijke energiebehoefte: in de winter, als de zon laag staat, is de invalshoek van de zonnestraling gunstiger voor een gevel dan voor een dak. De opbrengst is dus groter. In de zomer, daarentegen, als de warmtebehoefte lager is, en eigenlijk beperkt blijft tot sanitair warm water, heeft de gevel een lagere bezonning dan het dak. Er is dan minder overtollige warmte, wat tegelijk de thermische belasting van het materiaal en het warmtemedium vermindert, en zo de levensduur verlengt. In stedelijke gebieden met hoge bebouwing is er overigens meer geveloppervlak dan dakoppervlak beschikbaar. Bovendien wordt het dak dan nog dikwijls ingenomen door liftkokers of andere technische installaties.
Voor een efficiënte en architecturaal verantwoorde toepassing van zonnethermie op gevels werden twee concepten ontwikkeld als demonstratieproject: een voor doorzichtige gebouwdelen en een voor ondoorzichtige.
Zonnethermische jaloezie als multifunctioneel gevel-element
Tot nu toe was het niet mogelijk om zonne-energie te produceren met behulp van doorzichtige delen van de gebouwschil, zonder de doorzichtigheid ervan te verminderen. De aanzet voor dit systeem was de vaststelling dat er in dubbele beglaasde gevels van hoogbouw veelal jaloezieën ingezet worden, tussen de twee glaspanelen in. In deze tussenruimte kan de temperatuur door de zonne-instraling oplopen tot 100°C. Een zonnethermische jaloezie kan deze warmte afvoeren als een thermische zonnecollector, terwijl het element de beweeglijkheid en functionaliteit van een lamellaire zonnewering behoudt. Indien nodig, kan men de zonnethermische jaloezie volledig sluiten, of in een volledig open stand zetten. Omdat de warmte wordt afgevoerd, daalt de koellast in de zomer, wat extra energie bespaart.
Daartoe worden er heatpipes in de lamellen geïntegreerd. De lamellen functioneren dan als absorbers, waarbij de warmte via een ‘droge’ thermische koppeling aan een zijdelings collectorkanaal wordt overgegeven. Dat gebeurt dus zonder vloeibaar warmtetransportmedium. Door dit warmte-overdrachtconcept kan men de lamellen als een gewone jaloezie blijven gebruiken: als men ze wil bewegen, hoeft men alleen de koppeling los te maken. Deze jaloezie is in de eerste plaats bedoeld voor montage in dubbele gevels, omdat ze dan beschermd blijft tegen weersinvloeden door de glazen buitengevel. “De zonnethermische jaloezie is een multifunctioneel element dat tegelijk voor zonnewering en een aangenaam klimaat zorgt. Bovendien wordt het energieverbruik voor verwarming en warm water lager”, verklaart projectleider Simon Häringer.
Strookcollectoren – hoog rendement en flexibele ontwerpmogelijkheden
In het kader van het project werd er ook een strookcollector ontwikkeld. In vergelijking met gangbare zonnecollectoren biedt dit type meer flexibiliteit inzake grootte, kleuren, tussenafstand, aantal elementen en opstelling, zodat er meer architecturale vormgevingsmogelijkheden zijn. De strookvormige collectorconstructie kan in verschillende lengtes worden uitgevoerd en vrij op de onderbouw gepositioneerd worden. De oppervlakken tussen de collectorstroken kunnen dan afgewerkt worden met gangbare gevelbekledingstechnieken. De warmte wordt opgewekt door de bezonning op de absorber die voorzien is van een spectraal-selectieve laag. Deze warmte wordt dan door heatpipes afgevoerd naar de zijkant en ‘droog’ overgedragen op een collectorkanaal. Omdat alleen dit collectorkanaal doorstroomd is door een warmtetransportmedium, hebben de strookcollectoren zelf geen hydraulische aansluiting nodig. De collectoren worden opgehangen in de draagstructuur van een geventileerde voorhanggevel met gangbare bevestigingshaken. Dit concept kan zowel in nieuwbouw worden toegepast, als in renovatie. “Deze plug&play-oplossing maakt coördinatie op de werf tussen de verschillende specialiteiten gemakkelijker. Zo is het duidelijk wie verantwoordelijk is voor de installatie en garantie. Omdat de hydraulische installatie eenvoudig is, zijn er ook minder complicaties voor gevelbouwers, stukadoors en schilders”, verklaart Katharina Morawietz, die het deelproject leidde. De voordelen bij de montage en de architecturale vormgevingsmogelijkheden werden duidelijk bij de realisatie van een demonstratiegevel bij DAW.
Interdisciplinaire samenwerking
De collectorconcepten die door Fraunhofer ISE werden voorgesteld, konden alleen maar omgezet worden in praktisch bruikbare vorm dankzij de samenwerking van diverse partijen. Knowhow en ervaring uit de sector van zonne-energie en de bouw – van gevelconstructie over componentenontwikkeling tot montage en installatie door vakmensen – moesten daarvoor samenkomen. De bijdrage van Fraunhofer ISE was, naast de algemene coördinatie, het ontwerp en ontwikkeling van de heatpipes, de zonnethermische dimensionering, de praktische realisatie van het demonstratieproject en de bemetering. De strookcollectoren van de demonstratiegevel werden vervaardigd door Wagner Solar.
Het project werd gesteund door het Duitse ministerie voor economie en energie (BMWi)
Bron: Fraunhofer ISE
Foto’s: Fraunhofer ISE
