SI/502400

GreenPV – Potential Gebäudehülle - Lösungsansätze zur optimalen Fassadengestaltung mit PV und Begrünung im Hinblick auf den Klimawandel

Résumé

Mit dem Klimawandel wird der Klimakältebedarf und die Bedeutung der städtischen Wärmeinseln markant ansteigen. Gebäudefassaden können einen wesentlichen Beitrag zur Entschärfung der Problematik leisten. Einerseits durch Integration von PV-Flächen zur Stromerzeugung für die Kühlung, andererseits durch Integration von Begrünung mit Kühleffekt im Aussenraum. Das Projekt liefert praxistaugliche Lösungsansätze basierend auf theoretischen Grundlagen, Messungen und unter Einbezug der relevanten Stakeholder.

Textes supplémentaires

Publikationen / Ergebnisse

Fassaden sind mehr als die nackten Wände eines Hauses: Sie können mit Photovoltaik (PV)- Modulen zur Stromerzeugung genutzt werden, oder mittels Begrünung einen Mehrwert für Bewohnerinnen und Bewohner schaffen. Ein Forschungsprojekt der Hochschule Luzern hat untersucht, was Fassaden abhängig von ihrer Ausrichtung zur Solarstrom-Produktion beitragen und wie sich PV und Begrünung am besten kombinieren lassen.

Schlussbericht

Das Projekt GreenPV untersuchte Lösungsansätze zur Fassadengestaltung mit PV und Begrünungen im Hinblick auf den Klimawandel. Dabei wurden die Hemmnisse und die Akzeptanz von Begrünungen und PV-Anlagen an Fassaden betrachtet. Zudem wurde der Einfluss von verschiedenen Fassadensystemen auf das Mikroklima sowie die Energiebilanz im Gebäude untersucht und dieser dem Potential der Energieerzeugung gegenübergestellt sowie Synergien aufgezeigt. Es wurde analysiert, was die entscheidenden Faktoren für eine gesamtheitliche Optimierung der Gebäudefassade im Hinblick auf den Klimawandel sind, wie eine Fassade mit PV und Begrünungen für Mensch, Energie und Umwelt optimal gestaltet werden kann und wie die Anwendung einer solchen Fassade im Gebäudepark gefördert werden kann. Die Studie zeigt, dass Fassadenbegrünungen die Oberflächentemperaturen an der Fassade deutlich senken können. Am Fassadenprüfstand der Hochschule Luzern am Campus Horw konnten die Oberflächentemperaturen an einem milden, sonnigen Tag im Vergleich zur Messreferenzfassade um 13.9 K (bodengebundene Begrünung) und 14.9 K (wandgebundene Begrünung) gesenkt werden. Mittels Simulationen der Quartierklimamodellierung (QKM) wurde zudem die Physiological Equivalent Temperature (PET) in der Umgebung untersucht. In einem Abstand von 1 m zur Fassade konnte die PET um bis zu 4 K durch die bodengebundene Begrünung und um bis zu 8 K durch die wandgebundene Begrünung gesenkt werden. In einem Abstand von 5 m zur Fassade sind es noch 1.4 K (bodengebundenes System) und 3 K (wandgebundenes System). Dies zeigt, dass Fassadenbegrünungen die PET in der nahen Umgebung zwar deutlich zu senken vermögen, deren Einfluss jedoch mit zunehmender Entfernung rasch abnimmt. PV-Fassaden führten zu höheren Oberflächentemperaturen an der Fassade (bis zu 5 K im Vergleich zur Messreferenzfassade an einem milden, sonnigen Tag). Aufgrund der geringen solaren Rückstrahlung durch die tiefe Albedo der Module sowie auch durch die Umwandlung eines Teils der Einstrahlung in elektrische Energie ist jedoch kein negativer Einfluss auf die PET in der Umgebung vorhanden. Neben dem Kühleffekt in den Sommermonaten bieten Fassadenbegrünungen zudem weitere Vorteile: sie fördern die Biodiversität, verbessern die Luftqualität durch die Bindung von Schadstoffen und der Sauerstoffproduktion, mindern die Schallausbreitung im Strassenraum, tragen zur Regenwasserretention bei und steigern somit die Aufenthaltsqualität und Attraktivität von Aussenräumen (1), was insbesondere in städtischen Gebieten von Bedeutung ist. Auch PV-Fassaden bieten viele Vorteile, so erzeugen sie Strom und können eine positive Ökobilanz wie auch positive Lebenszykluskosten aufweisen. Die Amortisationszeit ist dabei stark abhängig von der Stromproduktion, was insbesondere vom Wirkungsgrad und der Anordnung der Module abhängig ist. So ist der jährliche Ertrag über ein PV-Modul (Wirkungsgrad: 20 %) an einer unverschatteten Südfassade bis zu 2.3 mal so hoch wie der an einer Nordfassade und ca. 1.2 mal so hoch wie an einer Ost- und Westfassade. Entscheidend ist die Anordnung der Module an unverschatteten Flächen: Bei einem PV-Modul im Erdgeschoss (Abstand zum gegenüberliegenden Gebäude gleich Gebäudehöhe) reduziert sich der Stromertrag um ca. 42 % (Nord-, Ost- und Westfassade) bis 45 % (Südfassade) im Vergleich zu einem unverschatteten Modul im obersten Geschoss. Dies wirkt sich somit auch auf die Ökobilanz und die Lebenszykluskosten aus. Eine unverschattete nach Süden ausgerichtete PV-Fassade kann die Umweltauswirkungen der Herstellung/Entsorgung des gesamten PV-Systems, bezogen auf die Treibhausgasemissionen (THGE), bereits nach 10.8 Jahren amortisieren (der vor Ort verbrauchte und eingespiesene Strom wurde in der Phase Betrieb gemäss Methode M1 «Investieren und verkaufen» des Forschungsprojektes «Netto-Null Treibhausgasemissionen im Gebäudebereich» (2) abgezogen), während eine PV-Fassade mit Nordausrichtung dafür 25.2 Jahre benötigt. Bei einer verschatteten nach Norden ausgerichteten PV-Fassade kann die Amortisationszeit die Lebensdauer übersteigen. Ähnliche Aussagen können mit Blick auf die Lebenszykluskosten gemacht werden: während sich sinnvoll angeordnete Module (d.h. in Süd-, Ost- und Westausrichtung ohne Verschattung) über den Lebenszyklus amortisieren, ist mit Blick auf die Kosten eine Anordnung an der Nordfassade oder an verschatteten Fassadenflächen in allen Orientierungen mit Annahmen zu aktuellen Kosten (Strompreise, Förderung etc.) nicht rentabel. Die Betrachtung der Stromproduktion im Tagesverlauf verdeutlichte zudem, dass es sinnvoll ist, PV-Module in verschiedenen Orientierungen (Süd, Ost und West, unverschattet) zu platzieren, um so die Stromproduktion über den gesamten Tag sicherzustellen und dadurch den Eigenverbrauch zu erhöhen. Im Dezember kann zudem mit einer südorientierten PV-Fassade bis zu 65 % (43% über die Wintermonate) mehr Strom produziert werden als mit einer PV-Dachanlage (Winkel 5° nach Süd orientiert), wodurch ein wichtiger Beitrag zur Deckung der Winterlücke geleistet werden kann. Die jährliche Stromproduktion über eine nach Süden ausgerichtete PV-Fassade liegt jedoch fast 20 % tiefer als über die PV-Dachanlage. Im Gegensatz zu PV-Fassaden amortisieren sich Fassadenbegrünungen mit Blick auf die Ökobilanz und die Lebenszykluskosten auf Gebäudeebene i.d.R. nicht. Die geringen Einsparungen im Betrieb des Gebäudes (Energiebedarf und Leistungsbedarf), können den Mehraufwand für die Installation, Pflege und Instandhaltung nicht ausgleichen. Ein bodengebundenes System führt jedoch nur zu geringfügig höheren THGE (ca. 2 % mehr als die Referenzfassade) und 1.5 mal so hohen Kosten über den Lebenszyklus und ist deshalb gegenüber einem wandgebundenen System (ca. 10 % höhere THGE und mehr als 4 mal so hohe Kosten) zu bevorzugen. Bei Entscheidungen sind jedoch auch die zuvor genannten qualitativen Aspekte von Begrünungen insbesondere in städtischen Gebieten nicht vernachlässigbar und sollten mit einbezogen werden, auch wenn sich diese nicht direkt monetarisieren lassen. Da der gesellschaftliche Nutzen von Fassadenbegrünungen besonders hoch ist, empfiehlt es sich, diese Diskrepanz zwischen Kosten zu Lasten des Eigentümers und Nutzen zum Vorteil der Allgemeinheit bspw. durch Förderungen auszugleichen. Die Studie hat gezeigt, dass sich PV und Begrünungen an Fassaden gut kombinieren lassen. PV-Fassaden sind an Flächen mit hohem Stromerzeugungspotential zu platzieren, was zumindest in Städten eher in den höheren Geschossen der Fall ist. Da Fassadenbegrünungen den Energiebedarf des Gebäudes nur geringfügig senken (insbesondere bei Neubauten), liegen die Vorteile der Systeme vor allem im Aussenraum. Begrünungen leisten nahe am Menschen den grössten Mehrwert, wodurch eine Platzierung in den unteren, in Städten oft beschatteten, Geschossen Sinn macht. Die Analyse von Systemkombinationen zeigte, dass ein sinnvoll kombiniertes System (bspw. obere Geschosse PV, untere Geschosse Begrünung, kein System an der Nordfassade) über den Lebenszyklus zu ca. 9 % höheren Kosten im Vergleich zur Referenzfassade führt, jedoch die Umweltauswirkungen bezogen auf die TGHE um mehr als ein Viertel reduzieren kann. Für lebenswerte Netto-Null-Städte sind sowohl Begrünungen als auch PV wichtige Elemente, wobei gesamtheitliche Lösungen anzustreben sind. Grünräume und PV-Anlagen sind arealübergreifend zu planen, die zur Verfügung stehenden Flächen von Dächern, Fassaden und Aussenräumen gezielt zu nutzen und die verschiedenen Potentiale der jeweiligen Systeme bewusst einzusetzen, um von deren Vorteilen zu profitieren

Détails du projet

Office de recherche: BFE
Statut du projet: Abgeschlossen
Type de projet: Forschungsprojekt
Date de début: 2021-10-31
Date de fin: 2024-03-30
Coûts totaux approuvés: CHF 150000.00
Section: Gebäude und Städte
Domaine politique NABS: Erzeugung, Verteilung und rationelle Nutzung der Energie

Catégories

Unallocated building design and envelope Photovoltaik (Solarzellen, Anlagen) Anwendungsorientierte Forschung

Labels

F+E Gebäude und Städte Photovoltaik