Die Energiezukunft beginnt auch im urbanen, dicht besiedelten Kontext: In Sichtweite des Schaffhauserplatzes, mitten im Zürcher Stadtkreis 6, wird ein Wohnhaus mit neuartiger Glasfassade realisiert, die nebenher Energie produziert. Dafür wird erstmals ein Fassadensystem verwendet, das Energie in Form von Solarstrom erzeugt und das zudem optimal in das Gebäude und die innerstädtische Siedlungsumgebung integrierbar ist. Objektbeschrieb Gesamtkonzept: Das Mehrfamilienhaus aus den 1980er Jahren an der Hofwiesen- 22 / Rothstrasse 48 in Zürich in der Nähe des Schaffhauserplatzes mit 20 Wohnungen und 2 Büros wurde umfassend saniert. Mit einem gesamtheitlichen Sanierungskonzept und einer optimalen Gebäudehülle und intelligenter Haustechnik wurde ein PlusEnergieBau erstellt. Das Gebäude durfte gemäss Bauordnung um ein Vollgeschoss und ein Attikageschoss erhöht werden. Damit konnten weitere 8 Wohnungen eingebaut werden. Die Aufstockung wurde in vorfabrizierter Holzelementbauweise ausgeführt. Der Energieeffizienz wurde eine hohe Bedeutung beigemessen. Der Bedarf an Wärmeenergie wurde durch eine sehr gut gedämmte Gebäudehülle mit U-Werten um die 0.09 bis 0.12 W/m 2 K reduziert. Die Energieproduktion erfolgt an Fassade und Dach über die Photovoltaik. Im Weiteren wurde die Energiebereitstellung im Gebäude optimiert. Einerseits durch die Speicherung der Wärme und des elektrischen Stromes und anderseits ist der Bezug und der Verbrauch aufeinander abgestimmt. Städtebauliche Eingliederung Die projektierte Aufstockung folgt im 4. Obergeschoss auf den Strassenseiten der Form des Altbaus. Eine Aufstockung soll hier bewusst nicht erkennbar sein. Auf der Hofseite/Südseite springt die Fassade zurück, um einerseits die Ausnützungsfläche einzuhalten und andererseits den Wohnungen Terrassen mit Südausrichtung zu bieten. Das Attikageschoss orientiert sich gestalterisch auf der Strassenseite an dem Bestand. Die gezackte Fassade wird im Attikageschoss wiederholt. Dieses Weiterbauen des vorhandenen Stils respektiert einerseits die Formensprache des Altbaus und fügt dem Haus gleichzeitig einen eleganten Abschluss hinzu. Die neue Aufstockung wirkt strassenseitig wie selbstverständlich und immer dagewesen. Auf der Hofseite folgt das Attikageschoss der Fassadenflucht des 4. Obergeschosses. Dadurch wird hier die 2-geschossige Aufstockung deutlich sichtbar. Das Volumen bildet eine deutliche, klare Kante zum Alten und betont so das Neue. Die hinterlüftete Fassadenkonstruktion mit der Photovoltaik- Bekleidung,aktive Glasfassade erfüllt die hohen ästhetische Ansprüche und ist optimal in das Gebäude und die innerstädtische Siedlungsumgebung integriert. Gebäudehülle Herausforderungen: Das bestehende 4-geschossige Wohngebäude wurde als 2-Schalenmauerwerk mit einer Zwischendämmung von 8 cm erstellt. Die äussere massive Schale konnte aus statischen Gründen die Anforderungen der neu hinterlüfteten Fassadenhaut nicht aufnehmen und wurde deshalb komplett entfernt. Unser Ziel war es eine Gebäudehülle zu entwickeln, welche neben den schützenden, ästhetischen und energetischen Anforderungen auch als Energielieferant dient. Es stellten sich folgende Herausforderungen: Integration der PV-Module auf einer bestehenden Gebäudehülle mit vorgegebenem Fensterraster Hohe ästhetische und technische Anforderung an die PV-Module wie Farbe, Erträge (Fassade mit Teilbeschattungen und diffuser Lichtanteil), Verkabelung usw. Entwicklung einer kostengünstigen, flexiblen und demontierbare Montageart der PV-Module auf eine wärmebrückenfreie Unterkonstruktion Umgang mit der aufwendigen Gebäudeabwicklung, Toleranzen, Massgenauigkeiten, Fensterzargen usw. MFH Hofwiesen-/Rothstrasse heute MFH Hofwiesen-/Rothstrasse vor der Gesamtsanierung Viridén + Partner, Nina Mann, Zürich Bei verschiedenen Bauvorhaben wird berichtet, dass eine Photovoltaikintegrierte Fassade zwar angestrebt wurde, jedoch die ästhetischen Ansprüche, die konstruktiven Herausforderungen, die Komplexität (Brandschutz, Elektrische Energie, Schnittstellen, etc.) und die hohen Kosten für die erstmalige Entwicklung die Projekte jeweils zum Scheitern brachte. Mit diesem Projekt konnten wir nun eine mögliche Umsetzung aufzeigen und dies gar an einem Umbauprojekt. Für die Umsetzung dieser anspruchsvollen Anforderungen haben wir im Projektteam zusammen mit Fassadenplaner, Herstellern und Systemanbietern eine neue, innovative Lösung entwickelt und realisiert. Viridén + Partner Zürich
Fassadenkonstruktion Unterkonstruktion: Für die hinterlüftete vorgehängte Fassadenkonstruktion wurde das Unterkonstruktionsystem von der Firma Gasser Fassadentechnik weiterentwickelt. Das System GFT 66 eignet sich für Glas und Photovoltaikfassaden. Unsere Zielsetzungen für die Unterkonstruktionen waren: Wärmebrückenfreies Fassadenunterkonstruktionssystem Keine sichtbaren Befestigungsteile Mechanische Sicherung Möglichkeit zur Feinjustierung der Fugenbreite Professionelles System für den Fassadenanschluss Geringer Planungs- und Montageaufwand Problemloser Austausch einzelner Elemente möglich Integrierte Verkabelung (Strings) Die statische Brücke zwischen der bestehenden Rohbaukonstruktion in Backstein und Fassadenbekleidung bildet die primäre Unterkonstruktion. Dabei ist immer der Spagat zwischen notwendiger Stabilität und möglichst geringen Wärmebrücken zu machen. Bei diesem Projekt wurde diese Aufgabe mit der Kombination aus Edelstahlkonsolen für Fassadengewicht und Windlast und aus wärmebrückenfreien GFK-Konsolen nur für Windlast gelöst. Diese Verbindung schafft den aktuell kleinstmöglichen Wärmebrückeneffekt. Eine entscheidende Bedingung um die guten Leistungen der Dämmpakete nicht durch viele durchgehende Metallteile zu schwächen. Für die sekundäre Unterkonstruktion wurde ein einfaches Schienensystem aus Aluminium angewandt. Jede Glasreihe steht dabei unten auf einer horizontalen Schiene und ist oben ebenfalls an einer Schiene zurückgebunden. Das System wurde so gewählt, dass die PV-Module nicht angehoben sondern nur eingekippt und fixiert werden müssen. Das vereinfacht sowohl Ein- und Ausbau wie auch das Handling mit der Verkabelung der Photovoltaik. 1. Untergrund (hier Backstein) 2. Wärmedämmung 3. GFT CNS-Konsole - Fixpunktkonsole 4. GFT Thermico STAR - Gleitpunktkonsole 5. GFT L-Profil - Vertikales Tragprofil 6. GFT 66 - Horizontales Tragprofil Fuge 7. GFT 66 - Glasführungsprofil (Backrail) 8. GFT 66 - Auflagewinkel (mech. Sicherung) 9. SSG Verklebung 10. Photovoltaik-Modul GFT CNS Konsole und GFT Thermico Star Konsolen; unsichtbare Befestigung hinterlüfteter Fassadenbekleidung Aktive Glasverkleidung - PV-Module Anforderungen an die aktive Glasverkleidung: Einheitliche Modul-Grössen anstreben: Geringere Kosten und bessere Energiebilanz. Jedes Modul demontierbar: Jedes PV Modul kann durch einen ausgebildeten Monteur mit geringem Aufwand demontiert werden. Möglichst keine Beschattung: Optimierte Bank-, Sturz- und Brüstungsausbildung. Geringe Verschmutzung: Schmutzwasser wenn möglich gegen das Gebäude (z. Bsp. Dachfläche) abführen. Wenn nicht anders möglich (z.b. Fensterbank), genügend Gefälle und ausreichender Vorsprung zur Fassade. Schwarzer Hintergrund: Damit die Installationen durch die offenen Fugen nicht sichtbar in Erscheinung treten, wurden alle Installationen, Profile und Dämmungen in schwarz gehalten. Verkabelung PV-Module: Verkabelung ohne Zug auf Steckverbindung und Verbindungskabeln; die Kabel an der Unter- konstruktion fixieren, damit bei den Kabelanschlussstellen kein Knicken auftreten und infolge Zuglast kein Kabelbruch entsteht kann; eine saubere Beschriftung der Kabelverbindungen. Leistungsoptimier (Optimizer): Platzierung in der Hinterlüftungsebene sind ohne grossen Aufwand zugänglich; möglichst kurze und direkte Verkabelungsdistanzen realisieren, um grössere Leistungsverluste zu vermeiden und Kabelkosten einzusparen; Leitungsführung in der Hinterlüftungsebene. Montage: Klare Logik der Modulbeschriftung; gute Terminierung mit Anlieferungskonzept; Verlege-Anleitung für Unterkonstruktion, Blitzschutz, PV-Module und Verkabelung erstellt inkl. Instruktion auf der Baustelle; Messkonzept und Protokollierung während der Montage definieren. Gerüstanker: PV Module bei den Gerüstankern können nicht montiert werden; entsprechend wurde ein Konzept bezüglich Montageablauf ausgearbeitet. Unterhalt und Reinigung: Konzept für Unterhalt der Fassade erarbeiten. Anlagedokumentation: vollständigen Anlagedokumentation erstellen und dem Anlageinhaber und - betreiber abgeben. Befestigungstechnik der Fassadenpanele - Klebetechnik: Die Vorteile der elastischen Klebetechnik (SSG Verklebung) sind, dass über die Klebstoffverbindung die auftretenden Kräfte durch Eigengewicht und Wind in die Fläche eingeleitet werden können. Spannungsspitzen, die bei gerahmten oder geklemmten Modulen im Glasrandbereich entstehen können, werden über die Elastizität des Klebstoffes ausgeglichen. Dieses Prinzip wurde auch bei der Hofwiesenstrasse konsequent angewandt. Dabei werden pro Glas zwei vertikale Aluminiumprofile seitlich randnah aufgeklebt. An den Enden dieser Profile liegen die Klammern, welche in die vorgängig beschriebenen Tragschienen eingreifen können. Die Klebetechnik bedingt zwar ein hochwertiges Glas-Glas-Modul weil nur auf glatten Oberflächen von Glas oder Aluminium zuverlässig geklebt werden kann. Viridén + Partner, Nina Mann, Zürich Isometrie der Unterkonstruktion Ausschnitt Ansicht Westfassade
Übersicht der Photovoltaikanlage Fassade Verkabelung der PV-Modulen Anlage Fassade Modultyp Glas/Glas-Module monokristaline PVP Photovoltaik GmbH, Wies/A Wechselrichter 8 Stück SolarEdge 25k / 17k 3-phasig Leistungsoptimierer SolarEdge Optimierer P700 Installierte Leistung (DC) 159 kwp S/O/W/N: ca. 25/23/22/20 % Aufstellwinkel 90 Anzahl Module aktiv 1 545 Stücke S/O/W/N: ca. 25/23/22/20 % Leistung Modul 28-170 Wp Leistung pro m2 110 Wp Installierte Fläche aktiv 1 586 m2 Installierte Fläche passiv 34 m2 Geplanter Ertrag 53 100 kwh/a Für die Verkabelung der PV-Module wird das System von Solaredge gewählt. Das Solaredge-System unterscheidet sich von konventionellen Systemen vor allem durch die Verwendung von Leistungsoptimierern. Dabei werden immer zwei bis drei Standard Module mit je rund 250 bis 300 W Leistung an einen Optimierer angeschlossen. Dieser übernimmt die MPP-Tracking Funktion, welche bei konventionellen Systemen vom Wechselrichter durchgeführt wird. Mehrere Optimierer werden wiederum zusammen in einem Strang zum Wechselrichter geführt. Pro Wechselrichter können maximal drei Stränge à maximal 25 Optimierer angeschlossen werden. MPP-Tracking auf Modulebene führt dazu, dass jedes Modul seine maximale Energie unabhängig von anderen Modulen im Strang produziert. Leistungsschwache Module beeinflussen somit nicht die Produktion des gesamten Stranges wie es bei konventionellen Systemen der Fall ist. Glasaufbau Module Fassade Modul C Modul C Modul A 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 1.1.1.1 1.1.1.2 1.1.2 Leistungsoptimierer ermöglichen die Installation von: Module in teilverschatteten Bereichen Stränge unterschiedlicher Länge und Anzahl Modulen Stränge mit verschiedenen Ausrichtungen und verschiedenen Flächen werden meist nur 23 Module pro Strang verwendet. Dadurch ist die Verkabelung der ganzen Anlage kürzer und es braucht weniger Stränge pro Wechselrichter für die gleiche Leistung. Gerade bei der Fassadenanlage bringt dies einen grossen Vorteil mit sich. Gerade die Möglichkeit Module in teilverschatteten Bereichen und verschiedenen Flächen miteinander zu koppeln ist eine wichtige Voraussetzung für die Fassadenfläche der HofwiesenRothstrasse. Durch die Verwendung der Leistungsoptimierer ist der Wechselrichter lediglich noch für die DC/AC Umwandlung zuständig. Somit ist er kleiner und ästhetischer, was wiederum weniger Platz beansprucht. Dies verringert zudem die Anfälligkeit für Störungen und reduziert das Brandrisiko. Bei der Installation können bis zu 60 Module pro Strang an den Wechselrichter angeschlossen werden. Für konventionelle Systeme Durch die Verwendung von Leistungsoptimierer können in einem Strang unterschiedliche Module (verschiedene Anzahl Zellen) verwendet werden. Bei einem Modulaustausch kann jedes auf dem Markt verfügbare Modul als Ersatz eingesetzt werden. Bei dem sich ständig verändernden Solarmarkt ist das ein grosser Vorteil für die Lebensdauer der gesamten Anlage. Auch eine Erweiterung der Anlage zu einem späteren Zeitpunkt ist ohne grösseren Aufwand möglich, da neue Leistungsoptimierer im selben Strang wie ältere Modelle verwendet werden können. 4 mm Frontglas TVG satiniert mit Digital- Keramikdruck Einkapselungsfolie EVA (Ethylen-Vinylacatat-Copolymer) Zellen 5.13 W/Zelle von Gintech Einkapselungsfolie EVA 4 mm Rückglas TVG Gesamtdicke von 8.5 +/- 0.05 mm String Strang Optimizer WR Nr. 1. 1. 1. 2. Viridén + Partner Zürich Wechselrichter Nr. 1 Montage der Optimierer im Hinterlüftungsraum, Platzierung im Erdgeschoss GAK Optimizer 1.1.1 Stringverkabelung (6mm2 - schwarz) 2 1 Optimizer 1.1.2 Strangverkabelung (6mm2 - blau, rot, schwarz) Konzept der Verstringung mit Solaredge Ausschnitt Verkabelung Nordfassade - pro Farbfeld wird ein Optimierer installiert Viridén + Partner AG, Zweierstrasse 35, 8004 Zürich
Konstruktive Detaillösungen Fenster Die Fenster werden aussen auf das heutige tragende Mauerwerk mit Abstand von ca. 5 cm (je nach Fassaden und Genauigkeit unterschiedlich) montiert. Somit gibt dies eine äussere Leibungstiefe der Fenster (Fensterzargentiefe) vom einheitlichen 33 cm. Balkon 11 31 6 11 Detail-Fassadenschnitt und Grundriss Aufstockung in Holzelementbau Fenstersturz in der Aufstockung Holzelementbau Viridén + Partner Zürich Die neuen Balkonkonstruktionen in Stahl werden mit Metallstützen oder z.t. direkt an die Fassade bzw. Betondecken punktuell angebunden. Als Bodenplatten werden geschlossene, vorfabrizierte Polymerbetonplatten (Mineralitplatte 3 cm) verwendet. Die Abdichtung und der Bodeneinlauf sind in der Platte integriert. Die Entwässerung erfolgt über Speicher. Die Balkonbrüstungen werden bis auf ca. 1m Höhe als geschlossene/schalldichte Konstruktion ausgeführt. Auf der Aussenseite werden die PV-Module montiert. Auf der Innenseite erfolgt die Verkleidung mit perforierten Holzpanelplatten. Auf ca. 1.05 bis 1.10 m gibt es einen Handlauf mit einem Rechteckrohr aus Metall, einbrennlackiert. Die Fassadenbekleidungen im Innern der Balkone sind im Bereich der Brüstungen mit Holzpanelplatten anstelle PV-Module ausgeführt. Die Balkonuntersichten sind mit einer schalldämmenden Holzakustikplatte verkleidet. Die Brüstungen bei den Dachterrassen im 4. Obergeschoss und Attikageschoss wurden ebenfalls mit einer geschlossenen Konstruktion ausgeführt, Verkleidung dito Balkonbrüstungen. Viridén + Partner, Nina Mann, Zürich Balkonbrüstung, im inneren mit Schallabsorbierende Massivholz-Lamellenplatten 11 34 15 Viridén + Partner Zürich Detail-Fassadenschnitt und Grundriss Altbau Massivbau Fensterbrüstung im Altbau Massivbau Detail-Schnitt Balkonbrüstung
Sommerlicher Wärmeschutz Solare Energiegewinnung Wartungs- und Unterhaltsarbeiten Planungs- und Ausführungsteam Fassade: Alle Fenster wurden mit einem eingebauten Alu-Rafflamellenstoren (Fixsystem) ausgestattet. Die Rafflamellenstoren werden elektrisch mit einem Funktaster betrieben. Die Storensteuerung ist autonom und nicht verbunden mit einem anderen Steuersystem wie Heizung usw. Die Steuerung wird mittels einem Funk-System betrieben (System SwissDomino). Die Steuerung ist mit einer minimalen Automation ausgestattet. Dies ist bei Wohnbauten immer ein schwieriges Unterfangen. Wir haben uns für folgende Lösung entschieden: Solare Erträge von der Fassade haben den Vorteil, dass sie eine gleichmäßigere Ertragsverteilung über den Tag und das Jahr aufweisen als eine Dachanlagen. Bei den Detailausbildungen von Fensterzargen, Brüstungsabdeckungen usw. wurde auf eine gute Entwässerung geachtet, damit es keine Wasserläufe auf der Fassadenfläche gibt, sprich Schmutzablagerungen entstehen können. Zudem sind die Module rahmenlos, Blütenstaub und andere Verschmutzungen sollten damit von Regen abgewaschen werden. Gemäss ersten Erfahrungswerten gehen wir davon aus, dass die Fassade höchstens alle 4 bis 6 Jahren gereinigt werden muss. Jede Fassadenfläche ist über eine Arbeitshebebühne von aussen her erreichbar. Gesamtprojektleitung (Architektur, Realisation, Energieplanung): Viridén + Partner AG, Zürich Fassadenkonstruktion UK: Gasser Fassadentechnik AG, St. Gallen Fassadenbauer: Diethelm Fassadenbau AG, Hermetschwil Lieferung Module: PVP Photovoltaik GmbH, Wies Österreich Lieferung System/Solaredge: Advanceng GmbH, HochdorfLuzern Elektrische Installationen: Streit AG elektro & telecom, Bülach Rafflamellenstoren-Automatik in den Sommermonaten: Die Rafflamellenstoren schliessen sich bei Sonneneinstrahlung einmal pro Tag automatisch und werden schräg gestellt. Die Mieter können diese Position jederzeit manuell übersteuern. Die Storen bleiben danach in der manuellen Stellung bis zum nächsten Tag. Rafflamellenstoren-Automatik in den Wintermonaten: Die Rafflamellenstoren öffnen sich bei Sonneneinstrahlung einmal pro Tag automatisch. Die Mieter können diese Position jederzeit manuell übersteuern. Die Storen bleiben danach in der manuellen Stellung bis zum nächsten Tag. Zudem sind alle Rafflamellenstoren und Ausstellmarkisen an einen Regen- und Windwächter angeschlossen. Bei allen Balkonen mit einer darüber liegenden Balkonkonstruktion werden mit Senkrechtmarkise ausgestattet. Diese werden mit einer Handkurbel bedient. Die Auswertung eines sonnigen Tages am 8. Juni 2017 zeigt z.b. einen konstanten Produktionsablauf über den Tag. Eine Dachanlage, die wie beim Leuchtturmprojekt im Idealfall eine Ost-Westausrichtung aufweist, hat eine jeweils mehr oder minder steil ansteigende Ertragskurve mit Ertragsspitze über Mittag danach wieder einen abfallenden Ertrag. Reine Südanlagen haben eine ausgeprägte Ertragsspitze über Mittag. Dank der aktiven Glassfassade ist der Ertrag zwischen 9 und 18 Uhr relativ konstant mit zwei kleinen Spitzen um 11 Uhr und 16 bis 17 Uhr (Sommerzeit). Am 8. Juni 2017 wurde 485 kwh Solarstrom produziert. Das Dach weist einen Anteil von 39 % auf, die Fassaden 12 % (Nord), 12 % (Ost), 16 % (Süd) und 21 % (West). Diese spezielle Ertrags-Verteilung an der Fassade kommt durch eine Verschattung der Ostfassade durch die Nachbargebäude, in den Morgenstunden, zustande. Die Südfassade hat durch den steilen Sonnenstand im Sommer auch einen relativ geringen Ertrag im Verhältnis zu den anderen Jahreszeiten. Die Dachanlage gleicht über den Tag die Fassaden sehr gut aus. Dies wird in der Abbildung ersichtlich, wenn nur die Fassadenerträge aufgezeichnet werden. Investitionskosten Für die Planung, Lieferung und Montage einer aktiven Glasfassade wird gegenüber einer normalen Glas- oder hochwertigen hinterlüfteten Fassadenverkleidung eine Differenz von 300 400 Franken pro Quadratmeter gerechnet. Diese Differenz wird in rund 15 bis 20 Jahren durch den Verkauf des produzierten Stromes amortisiert. Winterlicher Wärmeschutz Alle bestehenden Fenster werden durch neue Holz-MetallFenster ersetzt. Auf der Strassenseite müssen schwere Schallschutzgläser (R w = 33 db bis R w = 45 db) eingesetzt werden. Die Gläser mit 3-fach-Isolierverglasung haben einen U-Wert Glas von 0.6 W/m2K. Die Gebäudehülle entspricht den Primäranforderung des Minergie-P-Standards. Dach Nord Ost Süd Auswertung Tagesertrag vom 8. Juni 2017: Fassade und Dach West Nord Ost Süd Viridén + Partner, Nina Mann, Zürich Die Fassade wurde rundherum mit einer 34 cm dicken Dämmung (Steinwolle von Flumroc AG) versehen. Der Gebäudesockel ist mit einer verputzten Aussenwärmedämmung versehen. Die Fassadendämmung wird ca. 30 bis 150 cm unter das Terrain geführt. West Auswertung Tagesertrag vom 8. Juni 2017: Erträge nur der Fassade (ohne Dach) Viridén + Partner AG, Zweierstrasse 35, 8004 Zürich
1 1 16 STG 19.0 / 27.3 Regelgeschoss Erd - 3. Obergeschoss 4. Obergeschoss
1 1 Attikageschoss Dachaufsicht
5m 25m M. 1:500 5m 25m M. 1:500 1 M. 1:200 1 M. 1:200 RWA Nordfassade Ostfassade
5m 25m M. 1:500 5m 25m M. 1:500 1 M. 1:200 1 M. 1:200 Südfassade Westfassade
5m chnitt B 25m 1 M. 1:500 M. 1:200 Schnitt
AG AG 4.OG 4.OG 3.OG 3.OG 2.OG 2.OG 1.OG 1.OG EG EG 1.UG 1.UG 2.UG 2.UG Fassadenschnitt durch Fensterebene Fassadenschnitt durch Balkonebene