Ing.-Büro A. Naumann & H. Stahr. Passivhaustaugliche Solarfassade für die Altbausanierung am Beispiel eines Gründerzeithauses

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1 Ing.-Büro A. Naumann & H. Stahr Passivhaustaugliche Solarfassade für die Altbausanierung am Beispiel eines Gründerzeithauses Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem AZ: von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt von Dipl.-Ing. Andreas Naumann & Dipl.-Ing. Harald Stahr Leipzig, Juni 2009

2 1. Inhaltsverzeichnis 1. Inhaltsverzeichnis S Verzeichnis von Bildern und Tabellen S Verzeichnis von Bildern S Verzeichnis von Tabellen S Verzeichnis von Formelzeichen und Abkürzungen S Zusammenfassung S Einleitung S Hauptteil S Bemerkungen zur Geschichte der Solarnutzung S Einschätzungen zur solaren Nutzung im Niedrigenergie- und Passivhausbau S Allgemeine Erläuterungen zum Einsatz Solarfassaden im Passivhaus - Holzbausystem Naumann & Stahr" S Eigenschaften der eingesetzten Baustoffe und Baumaterialien S Erläuterung zu den eingesetzten Materialien S Ökologische Bewertung der Materialien im Vergleich zu anderen Bausystemen S Statische Erläuterungen zum Tragsystem von Solarwänden in Konstruktionen von N & S" S Allgemeines S Systeme S Prüfungen S Bauphysikalische Bewertungen S Eigenschaften der Passivhaustauglichkeit S Wärmeschutz bzw. Wärmebrückenfreiheit und Feuchteschutz S Luftdichtheit S Schallschutz S Brandschutz S Technologie mit Holzbauelementen des Bausystems N & S S Haustechnische Bewertungen beim Einsatz von Photovoltaik und solarthermischer Nutzung S Ausführungsbeispiele in der Praxis S Leipzig Gründerzeitgebäude Arnoldstr. 26 S Chemnitz Wohnhaussanierung Lehmann S Neuendorf/Ostsee Umbau einer alten Zimmerei 2

3 zu Ferienwohnungen S Holzhausen Bauvorhaben Schumann S Wirtschaftliche Aspekte S Fazit S Literaturverzeichnis S Anhang S Bilder S Tabellen S technologische Ergänzungen S Fassadenintegrierte Kollektoren S Technologie mit Holzbauelementen des Bausystems N & S" S Zertifikate, Zulassungen und Prüfberichte (Stand August 2009) S

4 2. Verzeichnis von Bildern und Tabellen 2.1 Verzeichnis von Bildern Bild.1: Horizontalschnitt durch die Solarwand S. 18 Bild 2: Typischer Solarkollektoraufbau S. 21 Bild 3: Schnitt durch das Rahmenprofil eines industriell gefertigten Flachkollektors mit Glaseinfassung Abb.: Solvis Braunschweig S. 22 Bild 4: Gründerzeitgebäude Straßenansicht S. 28 Bild 5: Gründerzeitgebäude Hofansicht S. 28 Bild 6: Solarwand in Außenwand S. 31 Bild 7: Material S. 31 Bild 8: Temperaturverlauf S. 32 Bild 9: Wärmestromverlauf S. 32 Bild 10: Materialaufbau des Wandtyps Naumann & Stahr S. 33 Bild 11: Materialaufbau bei vorhandener Bausubstanz S. 35 Bild 12: Brandversuch Bausystem Naumann & Stahr S. 38 Bild 13: Fußpunkt Wandanschluss Bodenplatte S. 38 Bild 14: 3D- Außenwand Explo S. 39 Bild 15: 3D-Wand S. 39 Bild 16: Schnitt Solarwand S. 44 Bild17: Gebäude-Vorderansicht S. 47 Bild 18: Gebäude-Hofansicht S. 47 Bild19: Solarfassade Hofansicht S. 48 Bild 20: Fassade Hofansicht S. 48 Bild 21: Schnittebenen zur Ermittlung des U-Wertes S. 49 Bild 22: Hofansicht Symmetrie S. 49 Bild 23: Haus vor Baubeginn S. 50 Bild 24: Solarfassade nach Sanierung S. 50 Bild 25: Solarwände Ostseite (Giebelwand) und Südseite (Treppenaufgang) S. 51 Bild 26: Bau der Solarwand (Südseite) S. 52 Bild 27: Schichtaufbau PV-Laminate Typ Solartec S. 53 Bild 28: Montage der Dachelemente S. 53 Bild 29: vollständig mit PV-Elementen gedecktes Dach S. 53 Bild 30: Funktionsprinzip Wärmerückgewinnung S. 54 Bild 31: Funktionsprinzip kontrollierte Wohnungslüftung mit Solardach S. 54 Bild 33: Solarwand S. 55 Bild 34: PV-Anlage nach der Sanierung S. 55 4

5 Bild 35: U-Wert und Aufbau Dach S. 57 Bild 36: U-Werte und Aufbau Kellerdecke S. 58 Bild 37: Detail 3- Fenster Bestand S. 60 Im Anhang Bild A1: Sonnenkollektor aus der DDR S. 69 Bild A2: Detail So.01A S. 70 Bild A3: Detail1 Verglasungssystem Solarwand N&S S. 71 Bild A4: Detail2 -Verglasungssystem Solarwand N&S S. 72 Bild A5: skizzierter Wandaufbau für Tragfähigkeitsprüfung (Versuche) S. 73 Bild A6: 3D Explosion S. 74 Bild A7: 3D Wand S. 74 Bild A8: Detail Prüfkörperaufbau S. 75 Bild A9: Schema Solar BV Krien S. 76 Bild A10:: Schema Solar BV Neuendorf S. 76 Bild A11: Schema Solar BV Schumacher S. 77 Bild A12: Schema solare Nutzung S. 77 Bild A13: Auswertung der thermischen Solaranlage Fam.- Lehmann S. 78 Bild A14: Messergebnisse Solardach BV Neuendorf S. 79 Bild A15: Solardach: Ergebnisse in Zahlen S. 80 Bild A16: Messwerte BV Schumacher S. 81 Bild A17: Detail3 S. 82 Bild A18: Anschluss Decke - Außenwand BV Arnoldstr.26 S. 83 Bild A19: Anschluss Bundwand Anschluss Fenster BV Arnoldstr.26 S. 84 Bild A20: Detail 3 Treppenhaus S. 85 Bild A21: Ansicht Solar-Giebel BV Neuendorf S. 86 Bild A22: Kollektor 2 BV Neuendorf S. 87 Bild A23: Detail1 Schottsystem - BV Schumacher S. 88 Bild A24 u. Solarwand Leipzig Bild A25 Gründerzeitgebäude Arnoldstr. 26 S. 89 Bild A26: Solarwände Ostseite (Giebelwand) und Südseite (Treppenaufgang) S. 90 Bild A27: Baukastensystem N & S" S

6 2.2 Verzeichnis von Tabellen Tabelle 1: Materialeigenschaften S. 19 Tabelle 2: Ökobilanz OSB- Platten S. 20 Tabelle3: Berechnungsergebnisse für den Anschluss Solarwand Außenwand S. 30 Tabelle 4: Wassergehalt S. 34 Tabelle 5: Wassergehalt der zusätzlich gedämmten vorhandenen Bausubstanz S. 36 Tabelle A1: Tabelle Materialhersteller und -Eigenschaften S. 91 Tabellen A2: Berechnungen Wärmedurchgangswiderstand S

7 3. Verzeichnis von Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen Formelzeichen Bezeichnung Maßeinheit n 50 Luftwechsel h -1 U(k) Wärmedurchgangskoeffizient W/m²K CO 2 Kohlendioxid kg/m³ SO 2 Schwefeldioxid kg/m³ ρ Rohdichte kg/m³ μ Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl λ Wärmeleitfähigkeit W/mK σ Wärmespeicherfähigkeit kj/(m³k) PEI Primärenergieinhalt kwh/m³ R w Schalldämm - Maß db NO x Stickoxid ppm u Holzfeuchte % A Fläche m² V Volumen m³ ψ Wärmebrückenverlustkoeffizient W/mK α Wärmeübergangskoeffizient W/(m²K) R Wärmedurchlasswiderstand (m²k)/w β Wärmeeindringkoeffizient kj/(m 2 h 0,5 K) η Phasenverschiebung h Σ Wärmespeicherkennwert W/(m²K) Δ Wärmeträgheitswert --- R Wärmedurchgangswiderstand (m 2 K)/W R Τ! oberer Wärmedurchgangswiderstand (m 2 K)/W R Τ!! unterer Wärmedurchgangswiderstand (m 2 K)/W ϖ Sicherheitsbeiwert --- Η Τ Transmissionsverluste W/K δ Spannung N/m 2 θ a Temperaturamplitudendämpfung, außen --- θ i Temperaturamplitudendämpfung, innen --- 7

8 Abkürzungen Kurzzeichen Bezeichnung kn Kilonewton t Tonnen kg Kilogramm m Meter m² Quadratmeter kw Kilowatt kwh Kilowattstunde db Dezibel Pa Pascal l Liter C Grad Celsius Wsch VO 95 Wärmeschutzverordnung 1995 F 90 Feuerwiderstandsklassen PE Polyethylen HWL- Platte Holzwolleleichtbauplatte OSB Oriented Strand Board PH Passivhaus NEH Niedrigenergiehaus A/V Verhältnis Außenwandvolumenverhältnis EnEV Energiesparverordnung HAOI Honorarordnung für Architekten und Ingenieure DIN Deutsche Industrie Norm ESG Einscheiben-Sicherheitsglas INS Ingenieurbüro Naumann & Stahr 8

9 Kurzzeichen Bezeichnung N&S Naumann & Stahr B/L Verhältnis Breite zu Länge MFPA Gesellschaft für Materialforschung und Prüfungsanstalt DIBT Deutsches Institut für Bautechnik EEG Erneuerbares- Energien-Gesetz TJI- Träger Doppel T-Träger MUF- Harz Melamin-Harnstoff-Formaldehydharz d.h. das heißt vgl. vergleiche bzw. beziehungsweise Tab. Tabelle z.b. zum Beispiel z. Zt. zur Zeit i.d.r. in der Regel lt. laut Mio. Millionen gem. gemäß dgl. dergleichen Jh. Jahrhundert e.v. Eingetragener Verein TW Trinkwasser AW Abwasser Std. Stunden ca. cirka AB Baustoffklasse (nicht brennbare Konstruktion) BA Baustoffklasse (brennbare Konstruktion) 9

10 4. Zusammenfassung Durchgeführte Untersuchungen Tragfähigkeitsprüfungen an Versuchswänden in der Konstruktion des Bausystems Naumann & Stahr" zur Ermittlung der maximal aufnehmbaren statischen Vertikal- und Horizontalbelastungen bei MFBA Leipzig, durchgeführt 01/07 Schallschutzmessungen an einer Außenwand in der Konstruktion des Bausystems Naumann und Stahr" zur Ermittlung der Luftschalldämmung bei MFPA Leipzig e.v., durchgeführt 01/07 Brandschutzprüfungen der Außenwand in der Konstruktion des Bausystems INS mit 1.) Beflammung von innen und 2.) Beflammung von außen zur Feststellung der maximal möglichen Feuerwiderstandsdauer bei MFPA Leipzig e.v., durchgeführt 07/08 und 08/08 Prüfung der Solarwand INS Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln / Emmerthal Prüfzentrum für solarthermische Komponenten und Systeme Kollektor ist gelistet bei der BAFA. Erzielte Ergebnisse Wegfall des Kollektorrahmens durch Integration von Absorber und Solarsicherheitsglas direkt in die Holzkonstruktion von INS Bei einer Integration in Dach und Wand können bis zu 7cm Außenwanddämmung hinter der Solarfläche gespart werden durch Wegfall der typischen Kollektorrückseite wie Hartschaum, Styropor, Steinfaser (Primärenergiegehalt lt. Anlagen stark gesenkt). Aufbau ergibt sich aus ESG-Scheibe, Absorber, Absorberfläche Holzrahmen der Holzkonstruktion N&S. Trotz reduziertem Material bessere statische Eigenschaften. Besserer Brandschutz von F90B zu F120B (Brandwand) ermöglicht technisch den Holzbau in großen Höhen mit Gebäudeklasse 4 und 5, Grenzbebauung ist möglich. Hinter der Fassade und dem Bausystem N&S können innerhalb von 2 Stunden Menschen gerettet bzw. evakuiert werden ohne dass eine Temperaturerhöhung oder Rauchgase eine Gefährdung darstellen. Die statische Funktion bleibt voll erhalten und die Konstruktion bleibt reparabel. Solarwände erreichen einen hohen Deckungsgrad pro Jahr 10

11 im Sommer wurden mit 109 C bessere Werte erreicht als erwartet im Winter wurden bis 90 C gemessen. Der sommerliche Wärmeschutz ist nicht gefährdet, wenn 1000 C wie im Brandversuch nicht durchschlagen ist das ein Beweis, dass auch 100 C nicht durch die Wand dringen und eine Überhitzung provozieren. Die Ausrichtung der Solarwand kann in alle Himmelsrichtungen, außer Nord, erfolgen, da sie auf niedrige Sonnenstände gut reagiert. Messungen an der Solarwand ergaben selbst im Winter bei -4 C hinter dem Absorber sowohl abends als auch morgens eine konstante Temperatur von 6 C Keinerlei Wärmeverlust bei Sonneneinstrahlung auch diffuses Sonnenlicht wird genutzt. Bei einer Außentemperatur von -20 C hat die erwärmte Luft im Solardach eine Temperatur von 5 C erreicht. Damit lässt sich die Solarwand bzw. ein mit Photovoltaik belegtes Wandelement von INS auch als Luftkollektor zur Vorwärmung, für die im Passivhausstandard notwendige Lüftung, der Luft für die Innenräume nutzen. Putz entfällt im Kollektorbereich da der Kollektor im Segment ist. Putzlinie gleich Glaslinie ist Die Flächen können architektonisch variabler bearbeitet und gestaltet werden. Ausblick Weiterverantwortung Noch höhere Erträge durch gebogene Absorber Verwendung einfarbige und farbige Absorber, z.b. bei Kindergärten Bessere Dämmung der Solarleitungen und Verringerung der Verluste zwischen Absorber und Speicher Anschluss der Lüftungsanlage an die Solarflächen vorgewärmte Luft verwenden Solare Stromversorgung für Pumpen, Regelung mit PV-Strom absichern Stromverbrauch soweit absenken, dass autarke Versorgung möglich wird PV-Anlagen werden als Kraft-Wärmekopplung betrieben (Strom- und Wärmeproduktion) Z.Zt ist ein 7-geschossiges Gebäude in Dresden als Passivhaus in Planung, wo weitestgehend auf diese Ergebnisse zurückgegriffen werden soll. Dieses Gebäude wird nächstes Jahr zur Passivhaustagung in Dresden vorgestellt. 11

12 Kooperationspartner MFPA Leipzig e.v. Prüfungen Tragfähigkeit, Schall- und Brandschutz Zimmerei DAFA GmbH und Holzbau Wadewitz und DOKA Bau der Versuchsmodelle für Statik, Schall- und Brandschutz Holz- Glasbaugesellschaft Glas und fachliche Unterstützung Zu Fragen des Materialeinsatzes und der Materialeigenschaften sowie fachliche Unterstützung von EGGER Holzwerkstoffe Wismar GmbH & Co. KG pro clima MOLL bauökologische Produkte GmbH Isofloc Wärmedämmtechnik GmbH promat GmbH Werthie (Itapro) Marmorit Fermacell- Xella International GmbH Würth Das Entwicklungsprojekt wird von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt unter dem Aktenzeichen AZ gefördert. 5. Einleitung Innovationsgehalt der Solarfassaden Im Gegensatz zu den normalen Solaranlagen sowohl bei Flach- wie auch Röhrenkollektoren besteht keine unmittelbare Verbindung zwischen dem Dachoder Wandkonstruktionen. Es wird immer mit einer dazwischen liegenden Luftschicht gebaut. Die Ursache ist, dass keine interdisziplinäre Entwicklung stattfindet. Die Solarbauer können die bauphysikalischen Eigenschaften und deren Auswirkungen auf die Dach- und Wandkonstruktionen nicht einschätzen und bewerten. Die Bauphysiker haben zu wenige Erkenntnisse und Daten um sicher zu stellen, dass die direkte Integration der Solaranlage in die Wand- und Dachkonstruktionen keine negativen Auswirkungen besitzen. Weitere Probleme ergeben sich aus der Sicht des Brandschutzes. Insgesamt also müssen folgende Fragestellungen beantwortet werden: - Wie verhält sich die Dampfdiffusion bei wand- oder dachintegrierten Solaranlagen (keine Luftschicht zwischen Rückseite Solaranlage zur Außenfläche Unterdach oder Wandkonstruktion)? 12

13 - Wie gestaltet sich der Wärmestrom (100 C außen und 20 C innen)? - Welche Auswirkungen sind im Brandfall zu erwarten? - Ist die Solarflüssigkeit ein Brandbeschleuniger oder sind sogar Explosionen möglich? - Was bewirkt der Absorber? - Erhöht sich die Brandwiderstandsdauer oder wird sie verringert? Weiterhin sind gleichfalls die ökologischen Parameter bei den jetzigen angebotenen Solaranlagen in Frage gestellt worden, z.b. werden die Leistungsparameter nur nach dem Wirkungsgrad gemessen und bewertet. Wir halten es für sinnvoller auch in Bezug auf die schlechteren Bedingungen (Ausrichtung) im Altbaubereich, den Deckungsbeitrag pro Jahr zu ermitteln und dabei alle Parameter zu berücksichtigen (z.b. wärmere Wand im Winter oder Nutzung als Luftkollektor zur Luftvorwärmung) parallel zur Warmwasserbereitung. Vor allem muss der Energieinhalt der, für die Solaranlage verwendeten, Baustoffe (Hartschaum, Mineralwolle und Aluminium) hinterfragt werden. - Die Aufgabenstellung ist es diese Materialien weitestgehend zu substituieren. - Gleichzeitig sind die technologischen Bedingungen der Herstellung der Anlagen vor Ort zu klären gewesen. - Nicht zuletzt sind die architektonischen und ästhetischen Anforderungen zu berücksichtigen. - Die größte Herausforderung waren dabei die Situation der Grenzbebauung sowie die denkmalschutzrechtlichen Vorgaben. Für Passivanbauten wie im Hof der Arnoldstr. 26 musste die F90A erreicht werden. Daraus ergab sich, die Grenze zur Nachbarbebauung. Im Gründerzeitquartier musste als Holzbau-Passivhauswand bis zu 13 m oberste Geschosshöhe geplant und gebaut werden. Nicht zuletzt musste geklärt werden, welchen Einfluss die Solarwände und Dächer auf die Passivhausbauweise in Sanierung und auch im Neubau haben. - Können durch die Solarwände und Dächer die Dämmdicken reduziert werden (Wegfall der Dämmung der eigentlichen Solaranlage und Reduzierung der Passivhauswanddämmung)? - Kann durch einen höheren Deckungsbeitrag die Versorgung mit Warmwasser zu einem hohen Prozentsatz gesichert werden? - Welche Rolle spielen die genannten Systeme auf die Entwicklung der Betriebskosten der Gebäude? 13

14 Ziele des Projektes: Hauptzielstellung: Entwicklung einer passivhaustauglichen Solarfassade für die Sanierung eines mehrgeschossigen denkmalgeschützten Gründerzeithauses Teilziele: Fassadenausführung in einer speziellen Holzständerbauweise, Vorstellung mehrerer Grundrissvarianten und deren energetischer Bewertung. Spezielle Untersuchung und Bewertung der Wärmebrückenfreiheit. Konstruktive Gestaltung unter den Aspekten des Einsatzes von Solarthermie, Photovoltaik und der Verwendung als Luftkollektor, Ausführung der Fassade als Wärmespeicherwand (transparente Wärmedämmung, Tageslichtnutzung). Bau von Fassadenmodellen und deren Prüfung auf Wärmeschutz, Schallschutz, Brandschutz, Luftdichtheit, Schlagregendichtheit und Aufnahme von Windlasten, ökologische Bewertung der verwendeten Baustoffe. 6. Hauptteil 6.1 Bemerkungen zur Geschichte der Solarnutzung Die Sonne mit ihrer lebenspendenden und wärmenden Energie spielt seit jeher eine nicht unbedeutende Rolle in der Menschheitsgeschichte. Nicht erst der immer größere Energiebedarf, Energiekrisen und die Einsicht der Endlichkeit fossiler Energieressourcen der Welt veranlasst die Menschheit zur Suche nach effektiveren Nutzungsmöglichkeiten dieser schier unerschöpflichen Energiequelle Sonne. Die passive Nutzung der Solarthermie wurde bereits im alten Ägypten, in Mesopotamien und in den frühen südamerikanischen Hochkulturen durch die Architektur ihrer Bauwerke praktiziert. Hier wurden zum Beispiel Türen derart positioniert, dass sie sich zur Mittagszeit an der sonnenabgewandten Seite befanden. In kalten Klimazonen sind Fenster und Türen bevorzugt auf der windabgewandten Seite des Hauses, aber möglichst in Richtung zur Mittagssonne hin orientiert. Bereits im römischen Imperium sind wassergefüllte, dunkel gefärbte Tontöpfe in Gebrauch, die auf den Dächern durch die Sonnenwärme das Wasser erwärmen und um 100 n.chr. beschäftigt sich der Mecanicus Heron von Alexandria u.a. mit einem solaren Wassererhitzer. 14

15 Die Sonne und ihre Energienutzung war immer wieder Gegenstand von Überlegungen und Experimenten. Mit der Ölkrise in den 70er Jahren nahm das Interesse an solarer Nutzung wieder sprunghaft zu. Auch in der DDR setzte die Suche nach Alternativen zu Gas und Öl ein und so wurde bereits 1976 der erste Sonnenkollektor (Bild A1) in Dessau hergestellt. Das Forschungsinstitut Solarenergie Hannover hat diese DDR-Kollektoren geprüft und ermittelte noch einen Wirkungsgrad von 85%. Es gibt noch genug zu forschen und zu experimentieren für eine bessere ökologische und ökonomische Nutzung der Sonnenenergie. 6.2 Einschätzungen zur solaren Nutzung im Niedrigenergie- und Passivhausbau Der Gebäudebereich ist an den CO 2 Emissionen in der Bundesrepublik Deutschland mit etwa 30% beteiligt. Rund 33% der Endenergie wird für die Erzeugung von Raumwärme aufgewandt, weitere 4% entfallen auf die Warmwasserbereitung. Der Gebäudebereich ist damit ein außerordentlich wichtiger Sektor für Energieeinsparungen und CO 2 Reduktionsmaßnahmen. Gleichzeitig können die Emissionen von CO 2 und NO 4 erheblich zurückgedrängt werden. Gebäude gehören mit einer Lebensdauer von Jahren zu langlebigen Wirtschaftsgütern. Auf Grund eines deutlichen Anwachsens des Primärenergienverbrauchs muss die Frage beantwortet werden wie in Zukunft die Gebäude beheizt und auch eventuell gekühlt werden. Die Nutzung von regenerativen Energien, vor allem die energieoptimierte Anwendung von aktiver und passiver Solartechnik und deren baulicharchitektonische Gebäudeintegration sollten dabei auf breiter Basis erfolgen. Da die meisten Gebäude vor in Kraft treten und der Anwendung von energiesparenden Vorschriften errichtet wurden, muss zukünftig neben dem Neubau dem Gebäudebestand das Hauptaugenmerk gelten Der Passivhausstandard, den Heizwärmebedarf so gering wie möglich zu halten und Wärmeverluste des Hauses derart stark verringern, dass eine separate Heizung nicht mehr erforderlich ist, gewinnt in der Gebäudesanierung jedoch nur zögerlich Raum, obwohl gerade dort die höchsten Einsparpotenziale liegen. Zur passiven Solarnutzung werden insbesondere die Fensterflächen zur solaren Energiegewinnung genutzt und Wärmeverluste damit ausgeglichen. 15

16 Aktive Solarnutzung ist u.a. die Energiegewinnung zur Warmwasserbereitung. Sie erfolgt durch den Einsatz von solarthermischen Flachkollektoren oder wie in den vorliegenden Bauausführungen als Solarfassade oder Solardach ökologisch und ökonomisch sinnvoll. 6.3 Allgemeine Erläuterungen zum Einsatz Solarfassaden im Passivhaus Holz Bausystem Naumann und Stahr In den letzten Jahrzehnten haben die Holzwerkstoffe, insbesondere die OSB- Platten und die Doppel-T-Träger, zu neuen Lösungen im Holzhausbau geführt. Daraus ergeben sich neue Dimensionen im Holzbau, die qualitativ hochwertige Systemlösungen ermöglichen, welche allen Anforderungen moderner zukunftsweisender Bauweisen insbesondere für den mehrgeschossigen Holzbau gerecht werden. Wir befinden uns derzeit aber erst am Anfang des Weges, es liegt noch ein großes Entwicklungspotential vor uns. Die Besonderheit der genannten Bauweise liegt in der Überlagerung der Wirkungsweisen mehrerer statischer Systeme. Es besteht aus einem Rahmensystem, welches in Verbindung mit den über alle Geschosse durchlaufenden Trägern als Skelettprinzip funktioniert. Durch das Einfügen von EGGER-OSB- Platten zwischen die Rahmenstiele entsteht eine Scheibenwirkung, die gleichzeitig die Funktion eines Fachwerkes in die Konstruktion einbringt. Die Belastungsversuche haben bewiesen, dass es sich um ein Bausystem mit hervorragenden statischen Eigenschaften handelt, was in der Lage ist, sehr große vertikale und horizontale Kräfte aufzunehmen. Hierzu erfolgten in den letzten Jahren statische Versuche, die zeigen dass erstaunlich große Kräfte übertragen werden können. Auf jedem Fall verformt sich die Konstruktion auch bei sehr großer Lasteintragung nur gering, so dass bewiesen ist, dass die luftdichte Ebene (EGGER-OSB) und die Pressfuge aus Butylon-Klebeband dauerhaft erhalten bleiben. Es wurden somit die Voraussetzungen geschaffen, dass die geprüfte Rohbauwand, ohne die statische Funktion, sowohl der Innen- wie auch der Außenbeplankung mit zu beanspruchen, alle Kräfte aufnehmen und entsprechend in die Gründung weiterleiten kann. Natürlich übernimmt die Außenschale auch alle Funktionen des Witterungsschutzes. Die Diffusionsoffenheit bleibt dabei sehr gut erhalten. Durch die positiven Erfahrungen beim Einbau von thermischen Solaranlagen vertikal vor bzw. in der Wandebene ist im Ingenieurbüro Naumann & Stahr die Idee der Solarwand als weiterer Entwicklungsschritt gereift. 16

17 Als Basis dient der Wandaufbau vom INS. Vor den Wandaufbau wird in einem Abstand von ca. 6 cm eine Verglasung mit Einscheiben- Sicherheits-Glas (ESG) errichtet. Im Zwischenraum befindet sich eine stehende, durch die Erwärmung nach oben aufsteigende Luftschicht. Bei einer Ausrüstung mit thermischen Solarkollektoren wird in gefrästen Abstandsprofilen aus Holz der Absorber integriert. Nachfolgende Abbildung zeigt einen Horizontalschnitt durch die Solarwand, das Detail So.01A ist als Zeichnung Bild A2 im Anhang zu finden. Bild. 1: Horizontalschnitt durch die Solarwand Da Fassaden die Visitenkarte für das Gebäude sind und i.a. wesentlich genauer als Dächer betrachtet werden, müssen Fassadenkollektoren auch den höheren optischen Ansprüchen genügen. Es gibt viele optische Variationsmöglichkeiten, die technisch im wesentlichem gleichwertig sind Mit einer vom üblichen Schwarz abweichenden Absorberfarbe unter Beibehaltung eines hohen solaren Absorptionsgrads kann der optische Eindruck erheblich verbessert werden. 6.4 Eigenschaften der eingesetzten Baustoffe und Baumaterialien Erläuterungen zu den eingesetzten Materialien Bei Gebäuden als langlebige Wirtschaftsgüter sollten Ökonomie, Ökologie und Soziales in allen Lebensphasen eines Gebäudes ausgewogen berücksichtigt werden. Die Grundlagen zur Vermeidung schädlicher Wirkungen werden bereits in der Planung gelegt. Die Eigenschaften der eingesetzten Baustoffe und Materialien spielen dabei eine entscheidende Rolle. Die Materialienauswahl für die im vorliegenden Bericht ausgeführten Projekte erfolgte nach ökologischen Gesichtspunkten. Sie sollten bei der Herstellung 17

18 wenig Energie verbrauchen, während der Nutzung möglichst wenige Schadstoffe abgeben und unproblematisch zu entsorgen sein. Als Baustoffe und Baumaterialien wurden eingesetzt: OSB- Platten der Firma Egger Weichfaserplatten der Firma Gutex Doppelt-T-Träger Thermowall- Platten von der Firma Gutex Promatect H-Platten von Promat Rockwoll-und Marmorit (Steinfaser) Klebedichtungsband Schmid Einscheibensicherheitsglas 4mm Absorber der Firma Itapro Bei der in die Wandkonstruktion Naumann und Stahr integrierten Solarfläche wurde durch den Wegfall des sonst notwendigen Rahmens ein erheblicher Anteil ca. 4/5 an Aluminium eingespart und die Dämmung wird reduziert. Außerdem fällt der Außenputz für die Solarwand komplett weg Ökologische Bewertung der Materialien Ökologische Kriterien sind Primärenergieinhalt, Ressourcenverbrauch, Wiederverwertbarkeit bzw. Recyclingfähigkeit und Möglichkeiten der Reintegration in den Naturkreislauf. Die nachfolgende Tabelle zeigt die Materialeigenschaften der verwendeten Baustoffe: Tabelle1: Materialeigenschaften 18

19 Der Einsatz von Gipsfaserplatten und Zellulosedämmstoff bieten eine gute Wärmespeicherfähigkeit. Durch die diffusionsoffene Bauweise kann das Austrocknungsverhalten der Baustoffe als gut bezeichnet werden. Der Primärenergieinhalt, die Auswirkungen auf den Treibhauseffekt (geringer Energiebedarf) und die Versäuerung des Bodens sind dadurch am geringsten, weil der Boden als Holzkonstruktion ausgebildet ist. Der Ausstoß von Emissionen ist durch die in unseren Gebäuden eingesetzten Dämmstoffe (Zellulose, Steinwolle) in dieser Richtung als unbedenklich einzustufen. Der Dämmstoff Zellulose bedeutet gleichzeitig auch sinnvolle Verwertung bei der Entsorgung. Die Verwendung von Zellulosedämmung ist insbesondere hinsichtlich der großen Dämmstärken aus baubiologischer Sicht vorteilhaft. Für die Holzkonstruktion unseres Bausystems wurden Baustoffe mit einem möglichst geringen Leimanteil ausgewählt, so kommen Doppel-T-Träger mit 8,5 kg Leim/ m³ Holz zum Einsatz, was einem Anteil von ca. 3 m - % entspricht. Im Vergleich dazu liegt der Anteil bei einem TJI-Träger bei 16 kg Leim/m³ Holz. Die verwendeten OSB Platten (Oriented Strand Board) sind kunstharzgebundene, dreischichtig aufgebaute Holzwerkstoffplatten aus orientiert gestreuten, länglichen Holzspänen, sog. Strands (Mikrofurnieren) gemäß EN 300 OSB. Strands aus einer definierten Dicke und Form vornehmlich aus Rundhölzern werden in mehreren Schichten verleimt. Die Orientierung der Mittelschicht erfolgt dabei im 90 - Winkel zu den Deckschichten. Die OSB- Platten werden mit einem MUF- Harz in den Deckschichten und einem Polyurethan-Harz in der Mittelschicht verleimt. Die ökologischen Werte der verbauten EGGER EUROSTRAND OSB- Platten ist aus der Tabelle der Umwelt-Produktdeklaration nach ISO des Institut Bauen und Umwelt e.v. ersichtlich. 19

20 Tabelle 2: Ökobilanz OSB- Platten Die Ökobilanz umfasst dabei die Rohstoff- und Energiegewinnung, Rohstofftransporte, die eigentliche Herstellungsphase sowie das End of Life in einem Biomassekraftwerk mit Energierückgewinnung. Deklariert wird der OSB - Platten Produktmix. Die eingesetzten Materialien können gesundheitlich unbedenklich eingestuft werden. Direkt mit der Innenraumluft kommen nur die Gipsfaserplatten in Kontakt, von denen keine gesundheits- oder Umwelt relevante Emissionen ausgehen. Die bei der Verarbeitung des Zellulosedämmstoffes entstehenden Staubemissionen überschreiten die gesetzlichen Grenzwerte nicht. Dadurch werden die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte weit unterschritten und es sind keine gesundheitlichen Auswirkungen für den Menschen zu befürchten. Ein typischer Sonnenkollektor baut sich aus dem Solar-Sicherheitsglas, dem Absorber, einem Kollektorrahmen meist aus Aluminium, der thermischen Trennung, dem Verteilerrohr und einer entsprechenden Wärmeisolierung auf. 20

21 Bild 2: Typischer Solarkollektoraufbau Bei der Solarwand von INS werden die Solarkollektoren und der Absorber nicht mit einen sonst üblichen Aluminium- Rahmen in der Fassade verbaut, sondern direkt in das Wandsystem INS integriert. Damit fällt der gesamte Materialanteil an Aluminium für den Rahmen sowie das Dämmmaterial und die Zweischichtisolierung weg. Bild 3: Schnitt durch das Rahmenprofil eines industriell gefertigten Flachkollektors, mit Glaseinfassung Abbildung: Solvis Braunschweig 21

22 Durch den Wegfall des Rahmens ergibt sich eine Einsparung von ca. 4/5 des Aluminiums, nur die Abdeckung des Einscheibensicherheitsglases bleibt. Verglichen mit Kollektoren der Firma Solvis, die bei einem Aluminiumrahmen in den Abmessungen von x x 105 mm ein Aluminiumverbrauch von ca. 5,225 kg/kollektorrahmen haben sind das ca. 4,18 kg je Kollektor weniger. Bedenkt man das für die Herstellung von 1kg Aluminium 1,4kWh elektrische Energie (für die Elektrolyse) erforderlich sind und dabei ca. 8,4kg CO 2 freigesetzt werden, ist das hochgerechnet pro Kollektor eine Einsparung von rund 5,8 kwh elektrische Energie und 35kg CO 2- Produktion weniger. Ein weiteres Einsparpotential ergibt sich durch die Änderung des Abstandes zwischen Glas und Absorber. Die Temperatursteigerung ermöglicht die Reduzierung der Isofloc- Dämmung um 7 cm ohne eine Überhitzung zu provozieren. Im Brandschutzversuch wurde nachgewiesen das das Bausystem N&S bei 1000 C Hitzezuführung auf der Gegenseite keinerlei Überhitzung gemessen wurde. Durch das gute Austrocknungsverhalten der Konstruktion, trocknet völlig aus, erreicht Isofloc einen Wert λ= 0,033 gegenüber λ = 0,04 und es werden Schädlings- und Pilzbefall vermieden. Die Abdeckleisten der Glasträgerprofile können in Farbe und Breite variiert werden. Der Gesamteindruck wird durch die Anordnung der Elemente in einer Fassade bestimmt. Es ist auch möglich, dass die Abdeckleisten aus Holz/ Thermoholz bestehen. 22

23 6.5 Statische Erläuterungen zum Tragsystem von Solarwänden in Konstruktionen von Naumann und Stahr Allgemeines Die Gründerzeithäuser sind als standsicher zu betrachten. Die energetische Sanierung des Gebäudes und die Verbesserungen des Schallschutzes tragen zusätzliche Belastungen in das Tragwerk ein. So werden durch die Dämmstoffe und erforderlichen Verkleidungen die Eigenlasten von Dachtragwerk, den Decken und den Wänden erhöht. Für den Einbau von Solarwänden an den Hofseiten sind Eingriffe an der Fassade notwendig, so dass durch die Lasterhöhungen statische Überprüfungen erforderlich werden. Gleichzeitig muss die Außenwand energetisch aufgewertet werden. Es ist immer ein Zusammenspiel zwischen Statik, Befestigungstechnik, Wärme-, Schall- und Brandschutz zu sehen Systeme Eine traditionelle Außenwanddämmung mit einem Wärmeverbundsystem in Kombination aus Klebung Dübelung ist oft problematisch, da die Außenoberfläche nicht eben ist. Die für das Erreichen des Passivhausstandards erforderlichen Dämmdicken gestalten sich sehr problematisch. Hier eignen sich deshalb Vorhangfassaden. Außen an die Fassade wird ein Tragsystem aus Schottkonstruktion angebracht. Diese vertikal angeordneten Schotte bestehen aus 2 Vierkanthölzern als Gurte und in der Regel eine 15mm OSB/4-Platte als Steg. Die Platte wird mittels Verschraubung mit den Gurten zu einem Gesamttragteil. Durch diese Konstruktion können Unebenheiten in der Fassade ausgeglichen werden. An den Schotten wird außen eine horizontale Lattung angebracht, an der dann die Verkleidungsplatten aus Holzfaserdämmplatten befestigt werden. Die Befestigung der Schotte an der Bestandswand erfolgt mittels Dübelverbindung über Kombination aus OSB/4-Plattenstücken und Holzfaserstreifen, als Hohlraumdämmung dient Zellulosedämmung. In Abhängigkeit der Bausubstanz, der vorhandenen Außenwand und deren Baustoff, muss immer die Verankerungsart (zugelassene Dübel) und deren Anzahl genau untersucht werden, nicht nur rechnerisch sondern von Fall zu Fall durch Auszugsversuche der Dübelhersteller So werden - bei den Gründerzeithäusern i.d.r. Vollziegelmauerwerk - bei Gebäuden aus den 30iger Jahren des vorigen Jahrhunderts mehrschalige Wandkonstruktionen mit Luftschicht 23