Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Herstellung dreidimensional geformter Fassaden mit integrierter solarthermischer Funktion mittels eines innovativen Umformverfahrens

In dem Forschungsvorhaben ist die Entwicklung metallbasierter Fassadenelemente geplant, welche individualisiertes Design mit solarthermischer Funktionalität kombinieren. Um dies zu erreichen wird ein neuartiger, vereinfachter Kollektoraufbau entwickelt, bei dem geformte Blechhalbschalen und ein optimiertes thermisches Layout zum Einsatz kommen. Durch die Substitution der bisherig verwendeten aufwändigen Bauweise mit separatem Rahmen, gebogenen Kupferrohen und darauf gefügter Absorberfläche können die Herstellkosten gesenkt, die Effizienz gesteigert und bisher nicht gekannte Gestaltungsfreiheiten gewonnen werden.Wesentliches Element des neuen Aufbaus ist die Verwendung eines umgeformten Blechs, welches mit einer Kanalstruktur die Kupferrohre ersetzt und gleichzeitig durch eine intelligente Ausformung den zusätzlichen Rahmen erübrigt. Dieses Blech wird anschließend mit einem analog geformten und speziell beschichteten Absorberblech mediendicht verbunden und rückseitig gedämmt. Die Fertigung der Blechhalbschalen erfolgt mittels des innovativen Verfahrens der inkrementellen Blechumformung. Um die Effizienz der solarthermischen Module zu verbessern, weist die Kanalstruktur ein optimiertes, bionisches Design auf, mit dessen Hilfe die Druckverluste signifikant reduziert werden.

Im Vergleich zur konventionellen Kollektoren ergeben sich folgende Vorteile:

- vereinfachter Kollektoraufbau / Kostenreduzierung

- verbesserte Energieeffizienz

- kundenspezifisches Design

Für KMUs im Solarthermie bzw. Fassadensektor ergeben sich mit dem gewonnen Prozess-Knowhow direkte Wettbewerbsvorteile durch geringere Produktionskosten. Daraus folgt wiederum, dass der neu entwickelte Kollektortyp zu günstigeren Preisen verkauft werden kann u. so eine nachhaltige Alternative zu Gas- oder Ölheizung bietet. Zusammen mit der Möglichkeit, die solarthermischen Elemente nahtlos in dreidimensionale Fassaden integrieren zu können, ergeben sich für KMUs neue Anwendungsgebiete und Geschäftsfelder.

Ergebniszusammenfassung:

Solarthermieabsorber für Fassaden sind immer gleich aufgebaut und bieten wenig Gestaltungsspielraum. Die planare Absorberschicht bestimmt maßgeblich das Erscheinungsbild und ist für eine Gestaltung in größerem Maßstab nicht erwünscht. Daher ist es wünschenswert, funktionsintegrierte solarthermisch aktivierte Fassadenelemente zu entwerfen, die ihre Funktion zunächst nicht direkt erkennen lassen. In diesem Forschungsprojekt wurden zunächst die Grundlagen der inkrementellen Blechumformung und der Aufbau von derzeit am Markt erhältlichen Fassadenelementen, Konstruktionen und Aufbauten analysiert. Verschiedene Designstudien führten schließlich zu möglichen Konzepten, die für einige Bauteile getestet und schließlich die funktionalste und effizienteste Form ausgewählt wurde.

Es wurden verschiedene Umformversuche durchgeführt, um die Grenzen der Konstruktion im Herstellungsprozess zu ermitteln, und das Design der Fassadentafel wurde an den Produktionsprozess angepasst. Auch bei den Schweiß- und Beschichtungsprozessen wurden verschiedene Probleme aufgedeckt, die zur Weiterentwicklung der Geometrie führten.

Es wurde festgestellt, dass der Arbeitsraum, der Abstand, der Winkel, die Krümmung, die Dehnung, die Beschattung und der Sonneneinfall die wichtigsten Faktoren sind, die das Design beeinflussen. Rückfederungseffekte bei der Herstellung stellten ebenfalls eine große Einschränkung für den Prozess dar und veränderten die Geometrie.

Schließlich wurde eine fertigungsorientierte Entwurfsstrategie für solarthermische Fassadenelemente entwickelt, einschließlich eines prototypischen digitalen Analysetools für Fachplaner.

Pro Forschungseinrichtung wurde ein Demonstrator gebaut, der zu Demonstrationszwecken auf Messen und Kongressen eingesetzt werden kann.