Holz-Verbund-Solarthermie-System - Die neue Quadriga

5/2012 – 25 –
Im Blickpunkt: Steildächer
Holz-Verbund-Solarthermie-System
In [1] wurde vor Kurzem über ein Forschungsprojekt berichtet,
bei dem der Versuch unternommen wurde, Außenbauteile
von Neubauten in Holz-Beton-Verbundbauweise zu erstellen.
Diesen Außenbauteilen wurden nicht nur herkömmliche
Aufgaben, sondern auch die zusätzliche Funktion der Sonnenenergieabsorption
übertragen. In einem an der Hochschule
RheinMain in Kooperation mit der Firma Lignotrend
Produktions GmbH [2] durchgeführten FuE-Vorhaben (gefördert
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages) wurde
diese Idee nun weiterverfolgt für die Anwendung im Gebäudebestand.
Der vorliegende Beitrag stellt das Projekt vor.
Autoren:
Prof. Dr.-Ing. Leander Bathon
Dipl.-Ing. Oliver Bletz-Mühldorfer
M.Eng. Jens Schmidt
Dipl.-Ing. (FH) Michael Weil
M.Eng. Friedemann Diehl
Hochschule RheinMain
Fachbereich Architektur und
Bauingenieurwesen
Institut für Baustoffe und
Konstruktion
Materialprüfanstalt & Labor für
Holzbau
Nach der beschlossenen
Energiewende in Deutschland
wird es künftig darauf an-
kommen, regenerative Ener-
gien vermehrt zu nutzen.
Experten sind sich einig, dass
hierzu nicht nur eine Energiequelle,
sondern ein Mix unter-
schiedlicher Energiequellen
erforderlich sein wird. Zu den
nutzbaren erneuerbaren Ener-
giequellen zählen Wasserkraft,
Windenergie, Erdwärme,
nachwachsende Rohstoffe und
solare Strahlung.
Wie bereits in [1] beschrieben,
liegt in Deutschland in
Abhängigkeit der regionalen
Lage eine mittlere jährliche
Sonneneinstrahlung von bis
zu 1200 kWh/m 2 vor. Diese
kann zur energetischen Nut-
zung herangezogen werden,
was i.d.R. über so genannte
thermische Sonnenkollektoren
geschieht. Die Funktionsweise
beruht auf der Übertragung
der einstrahlenden Sonnenenergie
auf ein Wärme über-
tragendes Medium (Heizwasser),
wobei Photonenenergie
in Wärmeenergie umgewandelt
wird. Mit Hilfe der
Flüssigkeit des Wärmeträgers
wird die Wärme aus dem
Kollektor abgeführt und an-
schließend gespeichert oder
direkt als Prozesswärme
verwendet. Im Wesentlichen
existieren mit Flachkollektoren
und Vakuumröhrenkollektoren
2 Systeme am Markt.
Thermische Sonnenkollektoren
erreichen bei der Verwer-
Abb. 1:
Herkömmliche lokale Aufdach-Lösung
mittels aufgeständerter Solarthermieelemente.
tung der Sonnenstrahlung
i.d.R. relativ hohe Wirkungsgrade
zwischen 60 % und
75 %, wobei die tatsächliche
Effizienz natürlich von diver-
sen globalen und lokalen Fak-
toren abhängig ist (z.B. geo-
grafische Lage, topografische
Lage, Neigung und Ausrichtung
des Kollektors, ...).
Herkömmlichen thermischen
Kollektoren ist gemein, dass
sie i.d.R. lokal auf Dachkonstruktionen
aufgeständert sind.
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Im Blickpunkt: Steildächer
Abb. 2:
Durchführung eines Scherversuchs an
einer Nadelholz-Laubholz-Verklebung.
Abb. 3:
Bestimmung der Tragfähigkeit und
Biegesteifigkeit eines hölzernen
Flächentragelements.
Abb. 4:
Biegezugversagen als Versagens-
ursache des Flächentragelements im
3-Punkt-Biegeversuch.
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Multifunktionale
Dachelemente
Vor Kurzem ist in Kooperation
mit der Fa. Lignotrend
Produktions GmbH an der
Hochschule RheinMain ein
Forschungsvorhaben durchgeführt
worden, mit dem Ziel,
einen alternativen Lösungsansatz
für die Anwendung der
Solarthermie im Altbau zu
entwickeln. Es sollten groß-
flächige Elemente zum
Einsatz kommen, um komplette
Dachflächen belegen zu
können. Die Dachelemente
sollten die bauphysikalischen
Aufgaben der herkömmlichen
Dacheindeckung (Winddichtigkeit,
Luftdichtigkeit,
Wärmeschutz, Kälteschutz,
Schallschutz, Regensperre und
Wärmespeicherkapazität)
übernehmen und gleichzeitig
Wärmeenergie erzeugen. Ein
Ziel bestand zudem darin,
kostengünstige und möglichst
nachwachsende Rohstoffe zu
verwenden. Hierfür wurden
auch geringere Wirkungsgra-
Abb. 5:
Untersuchung des Schwindverhaltens
des Absorbermediums. Einfüllen des
Absorbermediums in die Schwindrinne.
de der Solarthermieelemente
in Kauf genommen.
Im Rahmen des Projektes
wurde für den Gebäudebestand
von folgender baulicher
Vorgehensweise ausgegangen:
� Rückbau der bestehenden
sanierungsbedürftigen
Dacheindeckung bis auf das
hölzerne Traggerüst der
Sparren und Pfetten.
� Aufsetzen von vorgefertigten
multifunktionalen
Dachtragelementen auf die
Sparren.
Abb. 6:
Temperierung von Prüfkörpern im
Ofen vor der Durchführung der Temperaturversuche.

5/2012
Abb. 7:
Ergebnisdiagramm zu stationären
Temperaturversuchen.
� Anschluss der Solarthermieelemente
an den Wärmetauscher,
den Warmwasserspeicher
sowie die Installations-
technik wie bei herkömmlichenSolarthermielösungen.
Die multifunktionalen
Dachtragelemente müssen
somit eine Reihe technischer
Anforderungen erfüllen:
� Infolge der angestrebten
Bauweise, bei denen die
Dachtragelemente auf die
Dachsparren aufzulegen und
dort zu befestigen sind,
müssen diese aus statischer
Sicht den Beanspruchungen
aus Eigengewicht, Schnee
und Wind widerstehen
können. Somit muss es sich
um statisch tragende
Elemente handeln.
� Die Dachtragelemente
sollten eine Formstabilität
besitzen.
� Um Zusatzverformungen
der tragenden Sparren zu
vermeiden, dürfen sie nicht
schwerer sein als die
zurückgebaute Dacheindeckung.
� Die Dachtragelemente
müssen Sonnenenergie in
Wärmeenergie umwandeln
können. Dies sollte über in
die Dachelemente integrierte
Rohrleitungen erfolgen, die
mit einem flüssigen Medium
gefüllt sind.
� Die Dachtragelemente
müssen einen Aufbau
besitzen, der möglichst hohe
Temperaturen in den Ele-
menten generiert. Hierzu ist
ein Absorbermedium in den
Dachtragelementen zu
verwenden, welches hohe
Absorptionseigenschaften
aufweist. Das Absorbermaterial
sollte gut verarbeitbar
und weitgehend schwindarm
sein. In dem Absorbermedium
sollten die Flüssigkeit
führenden
Rohrleitungen verlegt sein.
� Unter der Absorberschicht
muss eine Dämmebene
vorliegen, um ungewollte
Energieabflüsse zu verhindern.
Holz-Verbund-
Solarthermie-Element
(HVS-Element)
Um die oben dargestellten
Eigenschaften in einem
Dachtragelement zu vereinen,
wurden von den beteiligten
Kooperationspartnern diverse
Aufbauten entworfen und
Konzepte verfolgt. Es wurde
zudem eine Vielzahl an
Prüfkörpern und Prototypen
hergestellt, um an diesen
Untersuchungen unterschiedlichster
Art durchzuführen.
Die folgende Zusammenstellung
zeigt ausgewählte
Versuche:
� Im Rahmen der ersten Pro-
jektphase wurden Holzquerschnitte
aus unterschiedlichen
Holzarten miteinander
verklebt, um zu eruieren,
welche Holzarten und Kleb-
stoffsysteme grundsätzlich

Im Blickpunkt: Steildächer
Abb. 8:
Großformatige Flächentragelemente
mit integrierten Rohrleitungen vor
dem Einfüllen des Absorbermediums.
Abb. 9:
Traglastversuch an einem Prototypen
eines Holz-Verbund-Solarthermie-
Elements mit exzentrischer Lasteinleitung.
Abb. 10:
Skizze eines Flächentragelements mit
Dämmung. In die Schlitze werden die
Rohrleitungen eingesetzt. Anschließend
wird das Element bündig mit
dem Absorbermedium verfüllt.
(Zeichnung: Lignotrend).
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für den Bau der hölzernen
Flächentragelemente heran-
gezogen werden können.
Anhand von Scherversuchen
wurden u.a. Verklebungen
von Nadelhölzern
mit Laubhölzern untersucht.
� Anhand von 3-Punkt-Biegeversuche
wurden mehrere
Varianten von kleinformatigen
hölzernen Flächentragelementen
mit Grundflächen
von ca. 30 cm x 40 cm auf
ihre Tragfähigkeit und Stei-
figkeit hin untersucht. Ziel
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der Untersuchungen war die
Optimierung des Aufbaus
der Flächentragelemente.
� Unterschiedliche mineralische
Absorbermedien wur-
den geprüft, u.a. hinsichtlich
ihres Schwindverhaltens.
� Es wurden mehrere Varianten
von HVS-Prüfkörpern
(bestehend aus hölzernen
Flächentragelementen mit
Dämmung, integriertem
Rohrleitungssystem und
eingefülltem Absorbermedium)
hergestellt, an
denen jeweils anhand von
Temperaturversuchen die
Energiegewinnungscharakteristik
bestimmt wurde.
� An HVS-Prototypen wurden
u.a. die Parameter Tragfähigkeit,
Biegesteifigkeit und
Torsionssteifigkeit ermittelt.
Aufgrund der erzielten Un-
tersuchungsergebnisse haben
sich die Projektbeteiligten
Abb. 11:
Pilotprojekt – Aufsetzen der HVS-
Elemente durch Mitarbeiter des
Labors für Holzbau.
Abb. 12:
Pilotprojekt – Verlegen der Rohrleitungen
in den hölzernen Flächentragelementen.
letztlich für ein Holz-Verbund-Solarthermie-Element
(HVS-Element) entschieden,
welches folgende Struktur und
Eigenschaften besitzt:
� Basis ist ein hölzernes Flä-
chenelement, das aus kreuz-
weise verklebten Brettern
aus Fichte zusammengesetzt
ist. Es ist dreilagig und be-
sitzt eine aufgelöste Struk-
tur. Das Element ist ausreichend
tragfähig, biegesteif,
torsionssteif und formstabil.
� In den querlaufenden Bret-
tern der mittleren Lage sind
werkseitig Schlitze angeordnet,
in denen die Rohrleitungen
zur Wärmegewinnung
fixiert werden.

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Abb. 13:
Pilotprojekt – Einbringen des Absorbermediums.
� Die Rohrleitungen bestehen
aus PE-RT, weisen eine gute
Biegbarkeit, eine gute Wär-
meübertragung sowie eine
hohe Lebensdauer auf.
� Als Absorbermedium wird
ein mineralischer Zementmörtel
genutzt. Dieser wird
in die aufgelöste Struktur
der hölzernen Flächetragelemente
eingefüllt und
schließt oberseitig mit die-
sen bündig ab. Der Mörtel
wird so eingebracht, dass
die Flüssigkeit führenden
Rohrleitungen vollflächig
ummantelt sind.
� Im unteren Bereich der
Elemente sind druckfeste
Holzfaserdämmplatten vor-
handen, die einen unerwünschten
Wärmeabfluss
aus den Elementen verhindern
sollen.
Durch den beschriebenen
Aufbau sowie die eingesetzten
Materialien ist gewährleistet,
dass reproduzierbare Elementeigenschaften
vorliegen und
definierte Positionierungen
der Rohrleitungen innerhalb
der Elemente erreicht werden
können.
Pilotprojekt
Zur Quantifizierung der
tatsächlichen Leistungsfähigkeit
des HVS-Systems wurde
an der Hochschule RheinMain
im Jahr 2012 ein Pilotprojekt
umgesetzt. Dieses zeigt die
Anwendung bei einem flach
geneigten Dach. Zwischen
zwei existieren Carports
wurde eine Dachfläche von
180 cm x 600 cm mit HVS-
Elementen ausgelegt. Zum
Einsatz kamen 6 vorgefertigte
hölzerne Flächentragelemente
mit einem dreilagigem Auf-
bau. Sie besaßen jeweils eine
Breite von 60 cm sowie ein
Länge von 300 cm. Nachdem
die Elemente verlegt waren,
konnten vor Ort die Rohrleitungen
eingesetzt sowie der
Mörtel eingefüllt werden.
Oberseitig wurde die Konstruktion
mit einer Dachabdichtungsbahn
abgedichtet.
Ziel des Pilotprojektes ist es,
über die angeschlossene Messtechnik
die Energiemenge zu
bestimmen, die aus der
Dachkonstruktion gewonnen
werden kann. Hierzu wurde
mit der Fa. Wyrich Energie
GmbH [3] ein Spezialist aus
dem Bereich der Betonkernaktivierung
eingebunden. Das
Monitoring des Pilotprojekts
soll mindestens 24 Monate
andauern. Mit ersten Versuchsergebnissen
ist im Som-
mer 2013 zu rechnen. Bei In-
teresse können über die Auto-
ren jedoch auch Zwischenergebnisse
angefragt werden. �
Literatur
[1] Bathon, L.; Bletz-Mühldorfer,
O.: „Intelligente Gebäudehülle – Energieerzeugende
Außenbauteile aus Holz
und Beton“, HOLZBAU – die neue
quadriga, Heft 3/2011, Seite 43 – 47
[2] Fa. Lignotrend Produktions
GmbH, D-79809 Weilheim-Bannholz,
www.lignotrend.de
[3] Fa. Wyrich Energie GmbH,
D-68642 Bürstadt,
www.betonthermix.de
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