Geleitwort

Mitte der siebziger Jahre verdeutlichte die so genannte Ölkrise die Endlichkeit fossiler Energieträger. Seitdem arbeiten Planer, Architekten und Ingenieure, mitverantwortlich für den Bereich, in dem mehr als ein Drittel des Energiebedarfs unserer Volkswirtschaft verbraucht wird, an der Entwicklung von Konzepten und konstruktiven Lösungen für einen behutsamen Umgang mit Energie sowie dem gezielten Einsatz von Umweltenergien - insbesondere der Solarenergie - in unserer gebauten Umwelt. Die gestalterische und konstruktive Einbindung dieser Techniken in Gebäude entwickelt sich zunehmend zu einer allgemeinen Bauaufgabe, die auch die Loslösung von gängigen normierten Gestaltvorstellungen und Planungsabläufen beinhaltet.

Die zur Zeit vielleicht interessanteste und vielseitigste Möglichkeit der Solarenergienutzung am Gebäude ist die Photovoltaik. In eleganter Weise wandelt sie verbrauchernah, ohne Materialverbrauch, Wartungsaufwand, Lärm und Abgabe von Schadstoffen Sonnenlicht direkt um in vielseitig einsetzbare elektrische Energie. Im Vergleich zu anderen Techniken einer Solarenergienutzung am Bau genießt die Photovoltaik eine große Popularität, die in ihrer ästhetischen Faszination und ihrer weithin sichtbaren optischen Präsenz in der Gebäudehülle begründet ist.

Diesem großen Interesse der Photovoltaiknutzung am Bau steht jedoch ein Mangel an Kenntnissen und fundierten Fachinformationen über eine architektonisch sinnvolle Integration der Photovoltaik am Gebäude gegenüber.

Das vorliegende wissenschaftlich solide recherchierte Werk möchte diese Lücke schließen. Es vermittelt umfassend und visuell anschaulich einen Überblick über die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Photovoltaik am Bau. Es geht dabei auf die Bedeutung der Detailplanung ebenso ein wie auf die notwendige Einbindung der Photovoltaik in einen übergeordneten gestalterischen, baukonstruktiven und energietechnischen Entwurfskontext. Auch wenn immer wieder dieselben Grundsätze zur Anwendung kommen, zeigen die Projektbeispiele, dass es keine standardisierten baulichen Konzepte und Lösungen im Sinne einer typischen Solararchitektur gibt.

Dem Entwerfer und Konstrukteur vermittelt dieses Buch praxisnahe Kompetenz und zugleich eine Fülle von Anregungen und Hilfsmitteln für die Entwicklung neuer und vielfältiger Integrationsbeispiele der Photovoltaik am Gebäude.

Der Autor, Ingo B. Hagemann, ist durch seine wissenschaftlichen Beiträge zur Weiterentwicklung, Markteinführung und Nutzung gebäudeintegrierter Photovoltaik-Systeme in Expertenkreisen bekannt.

Ich wünsche dem vorliegenden Buch eine große Verbreitung.

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Vladimir Nikolic

Dekan der Fakultät für Architektur
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Vorwort

Nicht mehr absehbare ökonomische und ökologische Konsequenzen der Umweltzerstörung haben zu einer zunehmenden Sensibilisierung der Öffentlichkeit geführt. Erklärtes Ziel ist es, den Verbrauch fossiler Energieträger durch regenerative Energieformen zu ersetzen und insgesamt eine rationellere Energieverwendung anzustreben. Dies führt auch im Gebäudebereich zu neuen Rahmenbedingungen und Veränderungen. Im Mittelpunkt notwendiger Veränderungen steht die Gebäudehülle. Bedingt durch die wachsende Vielfalt heutiger und zukünftiger Anforderungen wandelt sich die Gebäudehülle mehr und mehr zu einem komplexen, multifunktionalen Bauteil. Neue technologische Entwicklungen lassen andere Vorstellungen einer Fassade oder eines Daches zu und erfordern gleichzeitig eine zunehmend wissenschaftliche Auseinandersetzung mit dem Bauen.

Eine der interessantesten und vielseitigsten Neuentwicklungen ist die Photovoltaik (PV). Sie ermöglicht die direkte, emissionsfreie, dezentrale und verbrauchernahe Umwandlung von Licht in Strom. Ihre Nutzung und Integration am Gebäude steht heute an der Schwelle zur breiten Markteinführung und wird derzeit durch die "Richtlinien zur Förderung von Maßnahmen zur Nutzung erneuerbarer Energien" vom 23. Juli 2001 sowie auch durch die am 1. Februar 2002 in Kraft getretene "Energieeinsparverordnung (EnEV)" unterstützt. Die Energieeinsparverordnung löst die bisher gültige Wärmeschutzverordnung und die Heizanlagenverordnung ab und erlaubt erstmals auch, dass alternative Energiequellen mit ihrem Energiebetrag angerechnet werden.

Die ersten Versuche, die auf dem Markt erhältlichen PV-Module in die Architektur einzufügen, erwiesen sich als teilweise schwierig, ästhetisch unbefriedigend und technisch unausgereift. So ergaben sich wenig überzeugende Konstruktionen, die die baukonstruktive und optische Harmonie gewohnter Dach- und Wandkonstruktionen störten und deshalb bei allen Beteiligten am Bau zu Skepsis oder Ablehnung führten.

Die Auseinandersetzung mit den Ursachen hierfür gaben Anlass zu der Annahme, dass bei einer fundierten Informationsbasis und architektonisch ausgereiften Umsetzung schon heute die weltweit am Markt erhältlichen PV-Systemkomponenten und das verfügbare technische Know-how der PV-Technologie ausreichen müssten, um auch architektonisch und gestalterisch ansprechende PV-Gebäudeintegrationen variantenreich zu verwirklichen.

Deshalb erfolgt in diesem Werk zunächst eine Skizzierung der gegenwärtigen Entwicklung der Energieverwendung im Bauwesen und der sich daraus ableitenden besonderen Bedeutung der PV für die zukünftige Energieversorgung der Gebäude. Zur Verifizierbarkeit der oben formulierten Annahme werden die elektrotechnischen Eigenheiten und Besonderheiten der PV-Systemtechnik und PV-Systemkomponenten vorgestellt und in Bezug auf Relevanz, Eigenschaften und Einfluss auf die Entwicklung gebäudeintegrierter PV-Systeme überprüft. Hieran schließt sich eine Auseinandersetzung mit der verfügbaren Solarstrahlung und ihren Einfluss auf die Entwicklung, Herstellung, Aufstellung und Energieerzeugung eines gebäudeintegrierten PV-Systems an.

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf baukonstruktiven Fragestellungen. Deshalb wurde untersucht, inwieweit sich bestimmte Einsatzfelder für die Nutzung der PV am Gebäude eignen, welche baukonstruktiven Integrationstechniken für die PV heute zur Verfügung stehen und in der Entwicklung sind bzw. welche Bedingungen erfüllt sein müssen, um PV-Systeme erfolgreich ins Gebäude integrieren zu können. Die Voraussetzungen dafür sind dann gegeben, wenn es gelingt, ein PV-System gestalterisch und baukonstruktiv sowie vom Energiekonzept her sinnvoll in ein Gebäude einzufügen.

Das vorliegende Werk geht sowohl auf Einzelaspekte der PV-Gebäudeintegration als auch auf Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zwischen baukonstruktiven Erfordernissen, energietechnischen Anforderungen der PV-Technologie und gestalterischen Möglichkeiten ein. Chancen, aber auch Konfliktpotenziale bei der Integration der PV-Technologie in die Gebäudehülle werden offen gelegt. So wird eine Wissens- und Informationsbasis geschaffen, die es erlaubt, eine zeitgemäße Architektur mit PV zu entwickeln, die traditionelle und baugeschichtlich überlieferte Formen nicht nur kopiert, sondern die Grundlage dafür bildet, die PV zusammen mit neuen technischen Errungenschaften zu eigenständigen und zukunftsfähigen Lösungen weiterzuentwickeln.

Die durchgeführten Auswertungen machen deutlich, dass eine zukunftsweisende Architektur, die die sinnvolle Integration der PV und anderer neuer Technologien zulässt, nur entstehen kann, wenn ganzheitliche Planungs- und Architekturansätze benutzt werden. Diese müssen es ermöglichen, die notwendigen energietechnischen und ökologischen Veränderungen mit den zahlreichen bereits bestehenden und stetig wachsenden Anforderungen an die Gebäudehülle sowie an die Architektur- und Stadtplanung zu verknüpfen. Hierfür sind Veränderungen der bestehenden Planungs- und Entwurfsprozesse ebenso notwendig wie eine optimale interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen allen an der Planung und Ausführung eines Bauprojektes Beteiligten. Die hierfür notwendigen Bedingungen und Handlungsziele werden aufgezeigt.

Ein Ergebnis des Werkes ist es, dass die zukünftigen Entwicklungsbemühungen der PV das Ziel verfolgen müssen, PV-Standardmodule, die bisher nur als zusätzliches Element am Gebäude verwendet werden können, durch Produkte, in denen PV und Bauelement zu einer gestalterischen und konstruktiven Einheit verschmelzen, abzulösen. Die Entwicklung solcher zukunftsweisenden Bauprodukte mit integrierter PV setzt schon bei der Festlegung von Forschungszielen für die Konstruktion neuer Solarzellen ein. Eigenschaften, die für eine Solarzelle als Teil eines integrierten Bauprodukts wünschenswert sind, müssen festgelegt und konsequent entwickelt werden. Die Entwicklung solcher Bauprojekte mit PV erfordert eine anwendungsorientierte Forschung, bei der die verschiedenen Entwicklungsphasen eng ineinander greifen und frühzeitig auf die praktischen Anforderungen am Gebäude ausgerichtet werden.

Im Gegensatz zu anderen Solartechnologien ist die PV im Begriff, ein positiv besetztes Symbol einer zukunfts- und umweltorientierten, verantwortlichen Haltung von Einzelpersonen und Unternehmen zu sein - ein Trend, der als entscheidender Motor für die bisherige und die weitere Entwicklung und Anwendung der gebäudeintegrierten PV von großer Bedeutung ist. In jüngster Zeit wird auch ein Interesse der Großkonzerne an der PV deutlich, und es zeichnet sich ein intensiver Auf- und Ausbau des Marktes gebäudeintegrierter PV-Systeme ab, der langfristig auch dazu führen wird, dass die PV in den Industrienationen eine energiewirtschaftliche Bedeutung erlangt und damit eine Alternative zu fossilen Energieträgern werden könnte.

Im Mittelpunkt eines zukunftsorientierten Bauens steht das Ziel der Nachhaltigkeit. Sicher ist, dass die PV entscheidend dazu beitragen kann, ein Gebäude von einem Energieverbraucher in einen Energieproduzenten umzuwandeln. Wie aufgezeigt werden konnte, sind das vorhandene technische Know-how und die erhältlichen PV-Systemkomponenten bereits heute ausreichend, um architektonisch und gestalterisch gelungene PV-Gebäudeintegrationen zu bauen. Weiter- und Neuentwicklungen der PV werden in naher Zukunft noch ganz andere Einsatzmöglichkeiten am Bau ermöglichen.

Die PV ist einsatzbereit und wird auf Dauer unverzichtbar sein. Wenn in der Vergangenheit in einer vielfach emotional geführten Debatte das kurzfristige Potenzial der PV häufig überschätzt wurde, so muss man für die Gegenwart feststellen, dass das in ihr enthaltene langfristige Nutzungspotenzial noch immer unterschätzt wird. Die Gebäudehülle als Stromlieferant und damit die Vision einer Stadt, deren Strombedarf emissionsfrei und verbrauchernah durch zahlreiche Fassaden und Dächer mit integrierter PV gedeckt wird, rückt damit in greifbare Nähe. Um hierfür architektonisch gelungene Lösungen zu entwickeln, ist es notwendig, dass Architekten mehr als bisher ihren Sachverstand in die Forschung und Entwicklung von Bauprodukten mit integrierter PV einfließen lassen und die weitere Entwicklung der PV fachlich kompetent begleiten.

Einen Schritt in diese Richtung unternimmt das vorliegende Werk. Es schlägt eine Brücke zwischen den verschiedenen Fachdisziplinen und stellt die weltweite Entwicklung der gebäudeintegrierten Photovoltaik vor. Die aktuellen Ergebnisse der PV-Forschung wurden in praxisnahe und verständliche Planungsinformationen übersetzt. Da sich die PV in einem dynamischen Entwicklungsprozess befindet, unterliegen die genannten Materialkennwerte, Anwendungsbedingungen und Regelwerke einer ständigen Anpassung. Es wird daher jedem Anwender geraten, die für seinen Anwendungsfall notwendigen Parameter zu überprüfen. Für sachdienliche Anregung zur Verbesserung und Ergänzung des vorliegenden Werkes ist der Verfasser dankbar.

Dank

Das vorliegende Werk entstand im Rahmen des Graduiertenkollegs "Interdisziplinäre Strategien zum Schutz der Umwelt" am Lehrstuhl und Institut für Wohnbau an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen als Dissertation. Bei meinen Ausführungen durfte ich die Unterstützung und Hilfe von verschiedenen Institutionen, Experten und Kollegen im In- und Ausland erfahren.

Zuerst habe ich Herrn Prof. G. Schöfl, Lehrstuhl und Institut für Wohnbau an der RWTH Aachen, für sein persönliches Engagement, sein Vertrauen, seine Offenheit und seine Anregungen sowie für die Betreuung und die technische Unterstützung durch seinen Lehrstuhl zu danken.

Ebenso herzlich danke ich Herrn Prof. Dr. F. Krauss, Lehrstuhl für Baukonstruktion I (Tragwerklehre) an der RWTH Aachen, für die Begleitung meiner Promotion und die Übernahme des Korreferats, die sorgfältige Durchsicht des Manuskripts, die Fachdiskussionen und wertvollen Hinweise sowie für seinen besonderen persönlichen Einsatz und die Unterstützung der Drucklegung meines Werkes.

In gleicher Weise danke ich dem Dekan der Architekturfakultät, Herrn Prof. V. Nikolic, Lehrstuhl für Baukonstruktion III (Bauphysik) an der RWTH Aachen, für die Übernahme des 2. Korreferats, seine guten Hinweise zur Abrundung des Werkes und sein Geleitwort.

Mein Dank gilt weiterhin: