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Der Fachbereich Energie und Information der HTW Berlin baute im Rahmen des Forschungsprojektes StaGiMo eine Teststation zur Untersuchung des optimalen Hinterlüftungs-Abstandes für PV-Module – und profitierte dabei von der Flexibilität des MiniTec Profilbaukastens.
Photovoltaik im Gebäudesektor boomt ohne Ende. Neben der klassischen Anbringung von Modulen auf Dachziegeln (Aufdach-Anlagen) kommen die Stromerzeuger auch zunehmend an Fassaden sowie als direkte Dachfläche – ohne Ziegel – zum Einsatz (so genannte Indach-Module).
Bei normalen Fassadenverkleidungen braucht man eine ausreichende Hinterlüftung, um Feuchtigkeit aufgrund von Kondensation etc. abzutransportieren, damit sich in der Dämmung kein Schimmel bildet. Dies ist auch für PV-Module an Fassaden bedeutsam, zusätzlich sorgt hier die Luftströmung für eine Absenkung der Temperatur – und damit für mehr Ertrag. Denn im Schnitt werden nur 20 Prozent der Sonnenenergie in Strom umgewandelt, der Rest wird zu Wärme.
Je heißer die PV-Module, desto schlechter ist deren Wirkungsgrad. Ein ausreichender Abstand ist also doppelt wichtig. Allerdings gibt es bautechnische Einschränkungen. Die Dachdecker-Richtlinien sowie der Fachverband für hinterlüftete Fassaden geben einen Mindest-Abstand vor, und für vorgehängte hinterlüftete Fassaden mit Metall-Unterkonstruktion gibt es auch einen Maximal-Abstand.
Der Fachbereich Energie und Information der HTW Berlin hat sich zum Ziel gesetzt, den optimalen Hinterlüftungs-Abstand für Fassaden- und auch Indach-Module festzustellen. Deshalb konstruierte man eine Teststation auf Basis des MiniTec-Profilbaukastens, die für beide Anwendungsbereiche tauglich ist. Dafür musste sich die Testfläche von der Senkrechten (Fassade) bis zu einem Dach unterschiedlicher Schräge beliebig neigen lassen.
Prof. Dr.-Ing. Susanne Rexroth, Leiterin des Teilprojektes an der HTW Berlin, erläutert die Konzeption: „Wir testen und messen den Einfluss des Hinterlüftungs-Abstandes auf die Strömungsgeschwindigkeiten, und wie die Wärme dann abtransportiert wird. Dabei geht es auch darum, aufgrund der ersten Tests festzustellen, wie der Teststand selbst weiter zu entwickeln ist. Es handelt sich um einen Prototyp, der immer wieder überarbeitet und optimiert wird. Der MiniTec Profilbaukasten ist dafür die optimale Konstruktionsbasis, weil er die häufigen Änderungen sehr einfach ermöglicht.“
Der Fachbereich Energie und Information der HTW Berlin ermittelt mit einem Testaufbau den optimalen Hinterlüftungs-Abstand von PV-Modulen.
Die Konstruktion nahm die HTW mit einer CAD-Software vor. Die Ergebnisse importierte man in den iCAD Assembler von MiniTec, um daraus die automatische Stückliste zu generieren. „Das war sehr hilfreich. Die Stückliste schickten wir dann MiniTec, und die fertigen Teile wurden uns schnell geliefert. Die haben dann auch super gepasst. Wir hatten erst überlegt, die Profile selbst zu sägen, aber das hätten wir gar nicht so akkurat hinbekommen“, erklärt Ingo Wiederoder, Projektmitarbeiter und Projektkoordinator.
Prinzipiell hätte MiniTec auch die komplette Anlage bauen können, das war aufgrund der großen Erfahrung der HTW mit dem System aber nicht nötig, so Wiederoder: „Für uns als Team war es zwar das erste Mal, aber in anderen Studiengängen der HTW gibt es unzählige Labortesteinrichtungen und ähnliches auf MiniTec-Basis. Deshalb kennen sich die Labor-Ingenieure gut damit aus.“
Entwurf des Messstandes mit Funktionserläuterung.
Die Station ist etwa 3,60 m hoch. Bei der Unterkonstruktion kommen 45er Profile zum Einsatz, beim Rahmen selbst (aus Gewichtsgründen) solche aus der 30er Serie.
Die Rahmenkonstruktion besteht aus einem äußeren Rahmen, an welchem die Solarmodule befestigt sind und einem inneren Rahmen, an dem die Dämmung angebracht ist. Der gesamte Rahmen ist auf einem Ständer schwenkbar gelagert. Der innere Rahmen ist über Gleitschlitten verschiebbar. So kann der Abstand von der Dämmung zu den Solarmodulen variiert werden.
Durch die Lagerung der Rahmenkonstruktion über zwei Wellen ist die gesamte Fassade kippbar. Die Einstellung und Fixierung des Neigungswinkels wird über vier Seilwinden realisiert, welche an den Ecken des Ständers angebracht sind. Die Solarmodule am Rahmen sind frei austauschbar.
Die Dämmung wurde als EPS-Dämmung ausgeführt. Der Hinterlüftungsraum wird durch HPL-Platten und Folie von der Umgebung abgeschlossen. Wie die verwendeten Module, ist die entsprechende Unterkonstruktion frei wählbar und wird ohne tragende Funktion in den Hinterlüftungsraum montiert.
Für die Simulation der Sonnenbestrahlung legen die HTW-Experten an den Modulen Strom an, so dass diese sich erwärmen. Das Verfahren ist vergleichbar zu den Elektrolumineszenz-Tests an PV-Modulen, bei welchen nicht sichtbare Schäden diagnostiziert werden.
Die Station ist mit zahlreichen Sensoren zur Messung von Temperatur und Liftströmung versehen. Auch an den Modulen befinden sich Sensoren (Sechs Stück pro Modul), ebenso an der Dämmung, wo zwei Luftströmungs-Sensoren oben und unten messen, wie die Luft strömt. Auf der Rückseite des Teststandes befindet sich ein Kasten mit einem Server, welcher alle Messdaten aufzeichnet. Die Ergebnisse können dann via WLAN im CSV-Format heruntergeladen und weiterverarbeitet werden.
Ingo Wiederoder beschreibt die besonderen Vorteile des Indoor-Teststands: „Solche Tests werden bisher nur Outdoor duchgeführt. Wenn wir auch Indoor zu belastbaren Ergebnissen kommen, wäre das ein großer Fortschritt, weil wir dann wetterunabhängig sind. Zudem können wir dann auch reproduzierbare Rahmenbedingungen schaffen. Wir haben stets eine relativ gleiche Raumtemperatur. Es gibt keine Tages- und Nachtphasen, keine jahreszeitbedingten Unterschiede.
Wir haben auch keinen Wind, der von außen auf den Teststand bläst und dadurch den Hinterlüftungs-Luftstrom verwirbelt und die Messergebnisse verfälscht. Wir können jetzt optimal feststellen, wenn die Module sich erwärmen, was für ein Luftstrom sich dann entwickelt.“
Sie benötigen eine entsprechende Lösung oder einen Lösungsansatz für Ihr Vorhaben? Dann sprechen Sie uns gerne an!