Solararchitektur in Europa (2)

Die Solarhäuser von  Felix Trombe in den Pyrenäen 

Das Laboratorium für Sonnenenergie der Direction Générale de la Recherche Scientifique et Technique (DGRST) liegt in Odeillo, in grosser Höhe in den französischen Pyrenäen. Unter der Leitung von Felix Trombe (1906-1985), eines französischen Chemikers, Physikers und Höhlenforschers ist diese Laboratorium in der ganzen Welt bekannt geworden wegen seines Solarofens, der eine Leistung von 1 MW hat und mit welchem sich Temperaturen über 3300°C erzielen lassen (Abb., 1).

Abb. 1 - Der Solarofen von Odeillo

Felix Trombe ist jedoch auch bekannt geworden durch die nach ihm benannte Wand, mit dem sich die Sonnenenergie sehr effizient passiv nutzen auch in Wohnhäusern lässt.

Zusammen mit dem Architekt Jacques Michel baute Felix Trombe eine Reihe von “maisons solaires“, die alle eine ins Gebäude integrierte Trombe-Wand besassen. Der Bau des ersten, als Prototyp gedachten, Hauses reicht in Jahr 1956 zurück, als die Südwand einer Gebirgshütte in einen Sonnenkollektor umgewandelt wurde (Abb. 2 und 3). Die Mauer mit einer Dicke von 30 cm wurde auf der Aussenseite verputzt und schwarz gestrichen, damit sie mehr Sonnenstrahlung absorbieren konnte. Das Mauerwerk nahm dann die gesammelte Sonnenwärme auf und speicherte sie. Vor der geschwärzten Mauer wurde im Abstand von 10 cm eine Verglasung angebracht, damit der Wind die Wärme nicht forttragen konnte. Zwischen der Mauer und dem Glas blieb also ein Zwischenraum. Oben und unten waren in der Mauer Öffnungen damit die Raumluft zirkulierten und sich erwärmen konnte.

Abb. 2 - Das erste Solarhaus von Felix Trombe aus dem Jahr 1956

Tagsüber, wenn die Sonne schien, erwärmte sich die Luft in dem Zwischenraum und trat aus den oberen Öffnungen in der Mauer aus und verbreitete sich in den Räumen. Gleichzeitig floss kältere Luft aus den unteren Öffnungen in den Zwischenraum. Auf diese Weise kam ein ständiger Luftkreislauf in Gang, der die Wärme ohne mechanische Hilfe in den Räumen verteilte.

Abb. 3 - Grundriss des ersten Solarhauses von Felix Trombe in Odeillo

Die Wand hatte jedoch die Funktion eines Wärmespeichers. Sie erwärmte sich unter dem Einfluss der Sonnenstrahlung und mit einer Verspätung von 6-8 Stunden erreichte die Wärme der Aussenseite die Innenseite der Mauer und strahlte in den Raum ab. Auf diese Weise garantierte die Mauer auch die Heizung während der Nacht, wenn die Luftzirkulation unterbrochen war.

Die Berghütte mit der ersten Tromb-Wand wurde nie bewohnt, sondern diente dazu, Luftkanäle mit verschiedenen Querschnitten und Auslässen zu testen und mit einem, in die Fassade integrierten Wasserkollektor zu experimentieren. Deshalb gibt es auch genügend Daten über den Wirkungsgrad der Anlage.

Wasserkollektoren

Wasser ist ein besserer Wärmespeicher als Mauerwerk und Beton. In 100 Liter Wasser kann man bei einer Temperaturzunahme von 17°C 20 kWh Wärme speichern, in Beton mit dem gleichen Volumen nur 9 kWh.  Folglich sind auch Speicherwände aus Wasser effizienter und verlieren ihre Wärme langsamer als Betonmauern.

Abb 4 – Der in ein Trombe-Wand integrierte Wasserkollektor von 1962 

In Odeillo wurde 1962 ein Solarhaus gebaut, dessen Südfassade eine Kombination von Fenstern und Wasserkollektoren trug (Abb. 4). Der Einsatz einer Wasserwand als Sonnenkollektor anstelle einer Betonwand war das wichtigste Merkmal, das dieses Haus von den anderen in Odeillo gebauten unterschied. Der Kollektor bestand aus einem mit Wasser gefüllten Radiator, der auf der Aussenseite schwarz gestrichen war und zwischen der äusseren Verglasung der Südfassade und den inneren Räumen untergebracht war. Die Innenseite des Radiators war wärmegedämmt um den Wärmefluss von und zu den Räumen zu kontrollieren. Das von der Sonne erwärmte Wasser stieg hoch in einen Behälter, gleichzeitig sank das kühlere Wasser und ersetzte das warme Wasser. Die Wärme wurde von der inneren Oberfläche des Speichers in die Räume abgestrahlt.

Weitere Solarhäuser in Odeillo

In Odeillo wurden später weitere mit Trombe-Wänden ausgestattete Häuser für Angestellte der DGRST gebaut. Unter der Leitung von Felix Trombe und Jacques Michel wurde 1967 eine Speicherwand aus Beton realisiert, die eine dicke von 60 cm hatte. Das Haus hatte vier Zimmer und eine Wohnfläche von 76 m². Die Fläche des Kollektors betrug 48 m². Der Kollektor funktionierte nach dem gleichen Prinzip wie der des ersten Hauses.

Nachdem die Sonnenstrahlen den äusseren Glasabschluss passiert hatten, wurden sie vom schwarz gestrichenen Betonoberfläche absorbiert, die bis zu 65°C heiss wurde. Weil die langwellige Wärmestrahlung nicht durch das Glas nach aussen konnte, erwärmte sich die Luft im Zwischenraum zwischen Glas und Betonwand und stieg nach oben. Diese warme Luft gelangte in die Zimmer durch Öffnungen im oberen Teil der Mauer, wobei gleichzeitig kühlere Luft aus den Räumen durch Öffnungen im unteren Teil der Wand in den Zwischenraum strömte. Diese Luftzirkulation dauerte solange an bis die Temperatur der Aussenseite der Wand auf 21°C zurückgegangen war. Dies geschaht etwa zwei bis drei Stunden nach Sonnenuntergang.

Um die umgekehrte Luftzirkulation zu vermeiden, lagen die unteren Öffnungen etwas hoher als der Kollektorboden. Nachts blieb die kühlere Luft am Boden des Kollektors. Ein grosser Teil der von der Sonne erzeugten Wärme war im Beton gespeichert durchquerte die Wand im Verlauf von 10-15 Stunden.

Nachts wurde das Haus durch die auf der Innenseite der Wand abgestrahlte Wärme geheizt. An einem wolkenlosen Tag heizte mehr als 70 Prozent der Sonnenwärme die Zimmer durch Strahlung. Der Rest erreichte die Räume durch Luftkonvektion.  Zwei dieser Häuser waren ab 1967 von Ingenieuren des „Laboratoire de l’energie solaire” bewohnt. Weil sie nicht genügend wärmegedämmt waren, verloren die Häuser jeden Gradtag 6.448 kWh. Trotzdem lieferte die Trombe-Betonwand zwischen 60 und 70 Prozent der notwenigen Wärme, in einem durchschnittlichen Winter auf der Höhe von Odeillo, wo die Temperaturen bis auf -18°C sinken können. Von November bis Februar sammelte der Kollektor mehr als 30 Prozent der eintreffenden Sonnenstrahlung.

Während einer Typischen Heizperiode lieferte dieses passive System 630 kWh (entspricht 7 Liter Heizöl) pro Quadratmeter Kollektorfläche. Die Trombe-Wand, welche die gesamte Südseite des Hauses bedeckte, kostete seinerzeit etwa 130 Dollar pro Quadratmeter.

1971 wurde ein weiteres Haus mit einer Trombe-Wand an der Maas, in der Nähe der Belgischen Grenze, gebaut. Dieses Haus hatte eine Wohnfläche von 100 m² und besass eine wesentlich bessere Wärmedämmung als das Haus in Odeillo. Die Trombe-Wand dort war aus Beton und hatte eine Dicke von 40 cm und war durch eine Doppelverglasung geschützt. Während das Haus in Odeillo ungefähr 0,5 Quadratmeter Kollektorfläche pro Kubikmeter umbauten Raum hatte, hatte die Wohnung an der Maas  1 Quadratmeter Kollektorfläche pro 2,5 Kubikmeter umbauten Raum. An der Maas sind die Winter weniger hart als in Odeillo, aber der Himmel ist häufiger bewölkt. Die Trombe-Wand lieferte zwischen 40 und 45 Prozent der benötigten Wärme.

Die Residence di Odeillo del 1974

1974 wurde in Odeillo ein Gebäude mit drei Wohnungen gebaut. Auch dieses Haus war von Jacques Michel projektiert worden und auch in diesem Fall sollte das System Trombe zur Heizung und zur Kühlung genutzt werden. Die Fenster waren in den Wandkollektor integriert und Der Beton war tiefblau, rot oder grün bemalt und nicht schwarz. Andere Unterschiede waren zusätzliche Öffnungen im oberen Teil der Trombe-Wand und die Regulierbarkeit der Warmluftströmung sowohl von innen als auch von aussen.

Abb. 5 - Die Résidence mit drei Wohnungen in Odeillo (1974) 

Im Sommer waren die Auslässe so eingestellt, dass die von der Sonne erwärmte Luft im oberen Teil des Kollektors entweichen konnte. Dieser „Kamineffekt“ zog gleichzeitig auch die warme Luft aus den Zimmern, während kühle Luft von der Nordseite her nachströmte, wo ebenfalls Lüftungsöffnungen vorgesehen waren. Auf diese Weise setzte die Sonne auch einen natürlichen Lüftungsprozess in Gang, der an Sommertagen die Wohnungen kühlte.

Abb. 6 - Schnitt und Ansicht des solaren Heizsystems der 1974 gebauten Rèsidence in Odeillo (Sommerbetrieb)

Im Winter waren die Öffnungen so eingestellt, dass die im Kollektor erwärmte Luft direkt in die Zimmer gelangte, wie schon in den vorherigen Häusern der Fall war. Diese Konvektion lieferte auch nachts warme Luft, wenn auch in geringerem Masse. Der umgekehrte Luftstrom, der sich in den frühen Morgenstunden oder bei bewölktem Himmel hätte einstellen können, wurde vermieden, denn die kalte Luft blieb im unteren Teil des Kollektors gefangen. 

Der Wärmedurchgang durch die 40 cm dicke Betonwand dauerte zwischen 8 und 12 Stunden. Für ein gut wärmegedämmte Wohnung empfahl Michel etwa einen Quadratmeter Kollektoroberfläche pro 3,5 Kubikmeter Raumvolumen.