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Überblick über die technischen Möglichkeiten, Solaranlagen an Fassaden zu installieren

Was ist eine Solarfassade? Welche Solaranlagen lassen sich an die Fassade eines Hauses anbringen und was muss dabei beachtet werden? Welche Vor- und Nachteile hat die Solarfassade gegenüber einem Solardach? Was kostet eine Solarfassade?

Solaranlagen gibt’s in unterschiedlichen Ausführungen: Man kann sie auf dem Dach (flaches oder steiles Dach) montieren, in die Dachhaut integrieren oder mit ihr sogar die Dachhaut ersetzen. Solaranlagen lassen sich aber auch an Balkonen installieren, auf dem freien Feld oder an der Fassade eines Gebäudes. Dieser Artikel soll Ihnen einen Überblick darüber verschaffen, wie man Solaranlagen – und zwar sowohl Solarstromanlagen als auch Solarwärmeanlagen – an die Hausfassade baut und nutzt. Sie erfahren dabei, welche Vor- und Nachteile Solarfassaden bringen und welche außergewöhnlichen technischen Lösungen es in Sachen Solarfassade bereits gibt.

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Solarwärme und Solarstrom vom Dach oder von der Fassade – ein Vergleich

Solaranlagen auf Dächern sind inzwischen alltäglich. Doch nicht immer lässt sich das eigene Dach nutzen, um Solarwärme (Solarthermie, ST) und / oder Solarstrom (Photovoltaik, PV) mittels kostenloser Sonnenergie zu gewinnen. Gründe für die Nichteignung des Daches können statischer Natur sein, weil das Dach nicht die nötige Tragfähigkeit für die Solanalage mitbringt und sich auch nicht entsprechend nachstabilisieren lässt. Oder das Dach ist ein nach Norden hin ausgerichtetes Pultdach, das wenig Ertrag verspricht. Mitunter sind es auch einfach nur optische Gründe, die gegen eine Solaranlage auf dem Hausdach sprechen.

Als alternativer Montageort für eine Solaranlage bietet sich die Fassade des Gebäudes an. Sowohl Solarstrommodule als auch Solarwärmekollektoren lassen sich auf der Fassade anbringen (meist bei Nachrüstungen von Bestandsgebäuden) oder in die Fassade integrieren (meist bei Neubauten). Letztere Montageweise erspart einem die Kosten, die für die Fassadengestaltung benötigt würden, wenn keine Solarfassade integriert werden würde.

Hier sehen Sie ein Bild eines als Sonnenhaus konzipierten Mehrfamilienhauses mit einer modernen, futuristisch anmutenden Solararchitektur in Chemnitz.
Als Sonnenhaus konzipiertes Mehrfamilienhaus mit einer modernen, futuristisch anmutenden Solararchitektur in Chemnitz. Insgesamt wurden 317 Quadratmeter Solarkollektoren in die Ostfassade und der nach Süden orientierten Giebelseite integriert. (Foto: FASA AG / Sonnenhaus Institut e.V.)

Auch bei einer Solarfassade geht es selbstverständlich um einen möglichst hohen Ertrag, den die diese einfahren soll: Die Solarfassaden müssen also strategisch sinnvoll platziert und ausgerichtet sein, so dass sie möglichst viel Sonnenenergie einfangen. Es ist auch darauf zu achten, dass die Solarfassade möglichst nicht von Bäumen, Nachbargebäuden oder dem eigenen Dachvorsprung verschattet wird. Denn auch Verschattung ist ein maßgeblicher Grund für Ertragseinbußen. Ein Grund dafür, dass Solarfassaden seltener als Solardächer verbaut werden, ist übrigens nicht etwa der angeblich höhere Kostenaufwand dafür, sondern vielmehr die Tatsache, dass viele Architekten beziehungsweise Bauherren zu wenig über diese technische Alternative zum Solardach wissen.

Ein wichtiger Unterschied zwischen Solardach und Solarfassade ist der Neigungswinkel, in dem die Anlage die Sonnenstrahlen empfängt. Es gilt: Ein senkrecht an die Fassade montiertes/r Modul/Kollektor erntet übers Jahr gesehen etwa 30 Prozent weniger Sonnenenergie als ein schräg aufgestelltes Bauteil auf dem Solardach. Doch senkrecht ist nicht die einzige Installationsart, wenn es um Solarfassaden geht: Die PV-Module oder ST-Kollektoren können beide entweder senkrecht an die Fassade gebaut werden oder mit Hilfe einer speziellen Vorrichtung (Aufständerung u.a.) in einem Winkel aus der Senkrechten herausgeholt werden.

Jedoch passt bei solarthermisch aktivierten Fassaden das Einstrahlungsprofil besser zum tatsächlichen Energieverbrauch: Im Winter, wenn die Sonne niedriger steht, wird die Fassade in einem günstigeren Winkel angestrahlt als das Dach und kann daher einen höheren Ertrag liefern. Im Sommer dagegen, wenn der Wärmebedarf deutlich geringer ist und sich im Wesentlichen auf die Trinkwassererwärmung beschränkt, unterliegen die Fassadenkollektoren einer geringeren Sonneneinstrahlung. Sie erzeugen daher weniger überschüssige Wärme, was die Materialbelastung von Kollektor und Fluid verringert und eine längere Lebensdauer ermöglicht.

Solarstromfassade mit Fassadenmodulen

Während Photovoltaik-Anlagen „auf Dach“ vorwiegend in Form kristalliner Solarmodule zum Einsatz kommen, setzt man bei Solarfassaden eher auf Dünnschicht-PV-Module, die bei diesem Einstrahlungswinkel einen vergleichsweise besseren Wirkungsgrad als kristalline Module besitzen. Doch nicht nur der Wirkungsgrad allein ist Grund für ihren Einsatz als Solarfassade, sondern auch die Tatsache, dass Dünnschichtmodule wegen ihres technischen Aufbaus dem Architekten des Gebäudes mehr Spielraum zur Gestaltung geben. Gut zu wissen: Klassischerweise geht es beim Thema Solarfassade um die tatsächliche Fassade selbst eines Gebäudes, wobei es inzwischen auch Solarstromanlagen gibt, die sich in Fenster oder Markisen integrieren lassen.

Wobei es hier nicht nur darum geht, die zu einer Fassade optisch passenden Solarmodule zu finden, sondern auch darum, die zum Solarmodul optisch passenden Fassadengestaltungsmöglichkeiten (mit Glas, Keramik, Putz oder Naturstein) auszuschöpfen.

Folgende Varianten von PV-Solarfassaden haben sich bereits praktisch bewährt:

  • Glas-Glas-Solarmodule
  • Dünnschicht-PV-Solarfassade
  • farbige SIS-Solarzellen
  • flexible Solarfolien
  • bedruckbare Photovoltaik-Module
Das transparente, monokristalline Glas-Glas-Photovoltaik-Modul Elegante von aleo solar lässt sich in architektonisch anspruchsvolle Glasdächern, als Fenster oder in Gebäude als Solarfassade integrieren. (Foto: aleo solar GmbH)
Das transparente, monokristalline Glas-Glas-Photovoltaik-Modul Elegante von aleo solar lässt sich in architektonisch anspruchsvolle Glasdächern, als Fenster oder in Gebäude als Solarfassade integrieren. (Foto: aleo solar GmbH)
Transparente Glas-Glas-Solarmodule mit PERC (Passivated Emitter Rear Cell) Beschichtung und Foliendraht-Verbindung von Meyer Burger an der Fassade des SWISS KRONO Bürogebäude in Menznau in der Schweiz. (Foto: Meyer Burger Technology AG)
Transparente Glas-Glas-Solarmodule mit PERC (Passivated Emitter Rear Cell) Beschichtung und Foliendraht-Verbindung von Meyer Burger an der Fassade des SWISS KRONO Bürogebäude in Menznau in der Schweiz. (Foto: Meyer Burger Technology AG)
Das Dünnschicht-Modul "Architektur-PV Modul SKALA" ist in verschiedenen Farben und unterschiedlichen Größen erhältlich und besonders für hinterlüftete Fassaden geeignet. Durch die Befestigung auf der Modulrückseite fügt sich das Modul ohne sichtbare Klemmung auf der Vorderseite in jede Solarfassade ein. (Grafik: AVANCIS GmbH)
Das Dünnschicht-Modul "Architektur-PV Modul SKALA" ist in verschiedenen Farben und unterschiedlichen Größen erhältlich und besonders für hinterlüftete Fassaden geeignet. Durch die Befestigung auf der Modulrückseite fügt sich das Modul ohne sichtbare Klemmung auf der Vorderseite in jede Solarfassade ein. (Grafik: AVANCIS GmbH)
Solarfolie HeliaFilm von Heliatek an einer Teilfassade der Lechwerke AG (LEW) in Augsburg. (Foto: Lechwerke Augsburg)
Solarfolie HeliaFilm von Heliatek an einer Teilfassade der Lechwerke AG (LEW) in Augsburg. (Foto: Lechwerke Augsburg)

Solarwärmefassade mit Fassadenkollektoren

Eine Solarthermie-Solarfassade ist, so sie denn nicht nur der Trinkwassererwärmung dienen soll, was hierzulande lange ihr Haupteinsatzzweck war, sondern auch der Heizungsunterstützung, ein funktional optimales Bauteil für die Montage an einer senkrechten Fassade. Denn dort greift sie – anders als Dachanlagen – auch die Sonnenenergie ab, die eine tiefstehende (morgens, abends, winters) Sonne liefert. Bei der Konstruktion einer Solarthermie-Solarfassade hat man die Wahl, die Kollektoren hinterlüftet oder nicht hinterlüftet anzubringen. Es gibt entsprechend ausgelegte Solarwärme-Kollektoren mit Hinterlüftung und ohne. Wer sich für einen Solarkollektor-Typ ohne Hinterlüftung entscheidet und diesen in die Fassade integriert oder auf die Fassade montiert, der schlägt damit zwei Fliegen mit einer Klappe: Denn die Solarfassade ist zugleich Wärmedämmung.

Röhrenkollektoren als Verkleidung einer Balkonbrüstung an einer Fassade eines Modellhauses der IBA Hamburg. (Foto: energie-experten.org)
Röhrenkollektoren als Verkleidung einer Balkonbrüstung an einer Fassade eines Modellhauses der IBA Hamburg. (Foto: energie-experten.org)
Grammer Twinsolar 2.0 und ein SolarVenti SV14 Solar-Luftkollektoren an einer Hausfassade (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)
Grammer Twinsolar 2.0 und ein SolarVenti SV14 Solar-Luftkollektoren an einer Hausfassade (Foto: Holger Steffen - Soluko Solare Luftkollektoren / www.soluko.de)
AkoTec Vakuumröhrenkollektoren als Terrassenüberdachung. (Foto: epr/AkoTec)
AkoTec Vakuumröhrenkollektoren als Terrassenüberdachung. (Foto: epr/AkoTec)
AkoTec Vakuumröhrenkollektoren als flache Fassadenmontage. (Foto: epr/AkoTec)
AkoTec Vakuumröhrenkollektoren als flache Fassadenmontage. (Foto: epr/AkoTec)
Schräg aufgeständerte Solarthermie-Großkollektoren an einer Hausfassade eines landwirtschaftlichen Betriebes in Österreich. (Foto: energie-experten.org)
Schräg aufgeständerte Solarthermie-Großkollektoren an einer Hausfassade eines landwirtschaftlichen Betriebes in Österreich. (Foto: energie-experten.org)
Die Solar-Absorbermatten von MEFA Energy Systems (hier als Fassadenmontage) dienen der Energiegewinnung von Solar- und Umweltwärme, Abluft, Prozesswärme, etc. als Quelle für Wärmepumpen. (Foto: MEFA Befestigungs- und Montagesysteme GmbH)
Die Solar-Absorbermatten von MEFA Energy Systems (hier als Fassadenmontage) dienen der Energiegewinnung von Solar- und Umweltwärme, Abluft, Prozesswärme, etc. als Quelle für Wärmepumpen. (Foto: MEFA Befestigungs- und Montagesysteme GmbH)

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Fassaden zur Solarunterstützung von Lüftungssystemen

SolarWall

Das SolarWall-System ist ein spezielles Solar-Luft-Heizsystem zur Gewinnung von Solarwärme über die Fassade. Dabei kommt ein spezieller Kollektor zum Einsatz, der die Sonnenwärme auf die Luft überträgt und diese natürlich erwärmte Luft dann in das Lüftungssystem des Gebäudes einspeist. Dazu wird die SolarWall-Technologie als Fassadenelement am Gebäude installiert und schafft einen Lufthohlraum.

Der Solarfassaden-Kollektor besteht aus einem beschichteten Stahlprofilblech mit tausenden speziell entwickelten Perforationen auf seiner Oberfläche. Diese „solaraktive“ Wand wirkt als einfacher und robuster Luftkollektor, der die erwärmte Luft sammelt. Wo das Sonnenlicht auf die Stahl-Oberfläche trifft, wird Energie absorbiert, die die Oberfläche aufheizt und eine thermische Grenzschicht bildet. Die erwärmte Luftschicht wird dann durch die perforierte Oberfläche auf die Rückseite des Fassaden-Kollektors gesaugt und in das Belüftungssystem des Gebäudes eingespeist.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips der SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips der SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)
Fassade mit Elementen der Solar-Luftheizung SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)
Fassade mit Elementen der Solar-Luftheizung SolarWall (Grafik: ArcelorMittal)

SunAir Balcony

Die EnerSearch Solar GmbH im schwäbischen Welzheim entwickelt solare Lüftungs- und Wärmerückgewinnungssysteme für Gebäude. Die so genannten SunAir-Lüftungsanlagen sind dabei unauffällig in einem Glasbalkon, dem "SunAir Balcony", integriert. Die Elemente, die wie Milchglasfronten aussehen, extrahieren die Solarwärme aus der ausfließenden Abluft und nutzen sie, um die einfließende Luft in das Gebäude per Kreuzstromwärmetauscher vorzuwärmen. Ein kleiner Ventilator führt sensorgesteuert und bedarfsabhängig die warme Luft durch ein Rohr direkt in den dahinter liegenden Raum und verteilt sie in der Wohnung. Verschiedene Filter – etwa Pollenfilter und Kohlefilter – sorgen dabei für beste Luftqualität.

Der integrierte Solarkollektor garantiert eine gleichbleibende Wohlfühltemperatur im Gebäude und stellt die dazu benötigte zusätzliche Energie bereit. Die Solarfassade wird daneben als Latentwärmespeicher genutzt. Selbst bei schwacher Sonneinstrahlung, zum Beispiel im Winter, erreicht das System so eine Wärmerückgewinnung von etwa 95 Prozent und spart damit erheblich Heizkosten. Umgekehrt eignet sich das kontrollierte Lüftungssystem auch zum Kühlen der Räume in den Sommermonaten.

Der SunAir Balcony sorgt für eine zusätzliche solare Vorwärmung der eingehenden Luft. (Foto: KIC InnoEnergy / Aspectus PR)
Der SunAir Balcony sorgt für eine zusätzliche solare Vorwärmung der eingehenden Luft. (Foto: KIC InnoEnergy / Aspectus PR)

Fassaden zur Solarunterstützung der Wärmedämmung

Die bereits erwähnte „Doppelwirkung“ einer Solarfassade - Wärmedämmung plus Solarwärme - noch effizienter zu gestalten, haben sich viele Entwickler zum Ziel gesetzt: So bietet die Linzer "ESA-Energiesysteme Aschauer GmbH" eine Solarfassade aus Recyclingpapier / -karton und Glas, die die Eigenschaften der herkömmlichen Wärmedämmung mit der Speicherung von Sonnenenergie in der Wand vereint. Der Temperaturunterschied zwischen drinnen und draußen werde laut Anbieter damit praktisch aufgehoben, die Wände würden zur warmen Hülle des Gebäudes: Zwischen Wabe und Außenwand würden im Winter durchschnittlich etwa 18 Grad Celsius erreicht.

Das Prinzip der Linzer Solarfassade ist nach eigenen Angaben eine Umkehrung des Wärmestroms: Dringt das Licht der tief stehenden Wintersonne durch eine Glasscheibe in die Zellulosewabe ein, werde es in Wärme umgewandelt: Die Temperatur an der Außenseite der Wand steige kräftig. Die absorbierte Wärme führe zeitverzögert zu einem Anstieg der Temperatur der Wand, die als Wärmespeicher diene. Die Solarfassade kehre demnach den Wärmefluss des Gebäudes um: Verliere ein konventionelles Haus Wärme, die über die Heizung ersetzt werden müsste, so gewinnt die Solarfassade Energie aus Sonnenlicht und entlastet die Heizung. Sie schafft im Bereich der Außenwände eine warme Zone und versetzt das Haus sozusagen in eine wärmere Klimazone.

Auf einem ganz ähnlichen Prinzip basieren transparente bzw. transluzente Wärmedämmungen. Unter dem Begriff "transparente Wärmedämmung" versteht man halbtransparente (transluzente) Bauteile aus Kunststoffe oder vernehmlich Gussglas, die entweder vor eine Hauswand verbaut werden, um so die Fassade solar zu erwärmen und die Wärmeverluste des Hauses zu begrenzen oder auch Wärme in den Innenraum über die Hauswand zu führen, und optische Bauelemente, die dem Wärmeschutz dienen und gleichzeitig Helligkeit in den Raum lassen. Hier werden transparente Dämmstoffe vor Allem in Glasfassaden in Einfamilienhäusern bis hin zu Geschäftsgebäuden oder auch Parkhäusern eingesetzt.

Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Solarfassade mit einer transparenten Wärmedämmung (Grafik: Fachverband Transparente Wärmedämmung e.V.)
Schematische Darstellung des Funktionsprinzips einer Solarfassade mit einer transparenten Wärmedämmung (Grafik: Fachverband Transparente Wärmedämmung e.V.)

Fassaden zur Solarunterstützung der Heizung

Energieklinker-System

Von der FH Münster wurde ein Energieklinker-System entwickelt, das aus Mehrschichtverbundrohren besteht, die in genutete Klinkersteine eingesetzt werden. In diesen Rohren zirkuliert ein von einem Kühlaggregat heruntergekühltes Fluid. Die Kombination von durchströmtem Verbundrohr und sonnenbeschienenem Klinker fungiert dann als ein einfacher Wärmetauscher, der die solare Strahlung zur Erzeugung von Heizwärme nutzbar macht.

Trifft die Sonnenstrahlung auf die Klinkeroberfläche dieser Solarfassade wird diese in thermische Energie umgewandelt. Die im Mauerwerk verbleibende Energie führt zur Erwärmung des Klinkers. In Abhängigkeit von der Wärmeleit- und Wärmespeicherfähigkeit des Klinkers erfolgt die Durchwärmung des Mauerwerks mehr oder weniger schnell. Die eingebrachte Energie wird dann mithilfe von den in die Klinkerfassade integrierten Verbundrohren entzogen und kann anschließend einer Wärmepumpe zugefügt werden.

In die genuteten Klinkersteine wurden Mehrschichtverbundrohre, in denen ein heruntergekühltes Fluid zirkuliert. Das Verbundrohr und der Klinker stellen dann einen einfachen Solarfassaden-Wärmetauscher dar. (Foto: FH Münster/Pressestelle)
In die genuteten Klinkersteine wurden Mehrschichtverbundrohre, in denen ein heruntergekühltes Fluid zirkuliert. Das Verbundrohr und der Klinker stellen dann einen einfachen Solarfassaden-Wärmetauscher dar. (Foto: FH Münster/Pressestelle)

Solarthermische Jalousie

Im Projekt "ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadenkollektoren mit Heat-Pipes" wurden zwei neuartige solarthermische Fassadenkollektoren entwickelt:

  • ein Streifenkollektor und
  • eine solarthermische Jalousie.

Die Solarthermische Jalousie kann überschüssige Wärme wie ein solarthermischer Kollektor abführen und bietet gleichzeitig die volle Beweglichkeit und Funktionalität eines Lamellen-Sonnenschutzes. Somit kann die Solarthermische Jalousie bei Bedarf komplett gerafft werden und bietet dann volle Transparenz. Durch das Abführen der Wärme kann im Sommer zudem die Kühllast des Gebäudes verringert werden, was den Energiebedarf zusätzlich senkt.

Demonstrator der Solarthermischen Jalousie in einem Doppelfassadenelement (Foto: ©Fraunhofer ISE)
Die Lamellen der solarthermischen Jalousie dienen als Absorber. Die Wärme wird über Heat-Pipes und einen Aluminiumadapter an den Sammelkanal abgeführt. Die Jalousie ist insbesondere für Gebäude mit großen Glasfassaden geeignet. (Foto: ©Fraunhofer ISE)

Bei der solarthermischen Jalousie wurden Wärmerohre (Heat-Pipes) in die Lamellen integriert, um die Wärme der als Absorber dienenden Lamellen über eine schaltbare thermische Kopplung "trocken", ohne Flüssigkeitstransfer, an einen seitlichen Sammelkanal zu übergeben. Dank dieses Wärmeübertragungskonzepts können die Lamellen durch einfaches Lösen des Kontakts wie herkömmliche Jalousien bewegt werden. Die Jalousie ist vor allem für Doppelfassaden geeignet, deren Zwischenraum einen guten Witterungsschutz bietet.

Streifenkollektoren

Der im Projekt "ArKol" entwickelte Streifenkollektor kann in unterschiedlichen Längen ausgeführt und stufenlos auf der Unterkonstruktion positioniert werden. Die Bereiche zwischen den einzelnen Kollektorstreifen können mit üblichen Fassadenbekleidungsmaterialien in beliebiger Höhe ergänzt werden. Die Kollektoren werden in die Unterkonstruktion einer vorgehängten hinterlüfteten Fassade (VHF) mit marktüblichen Agraffen eingehängt. Dieses Konzept ist sowohl an Neubauten als auch im Rahmen einer Sanierung als Plug&Play-Lösung umsetzbar.

Technisch möglich wird dies dadurch, dass die Wärme, die durch Sonneneinstrahlung auf dem spektralselektiv beschichteten Absorber im Kollektor entsteht, durch Wärmerohre zur Seite transportiert und dort "trocken" an den Sammelkanal übertragen wird. Da nur der Sammelkanal von einem Solarfluid durchströmt wird, benötigen die einzelnen Kollektoren keinen hydraulischen Anschluss.

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"Technische Realisierung von Solarfassaden" wurde am 26.03.2020 das letzte Mal aktualisiert.