Sonnenhäuser: Alles über solare Architektur

Die Sonneneinstrahlung liefert Wärme, Licht und dadurch unter anderem via Photovoltaik (PV) die Möglichkeit, große Strommengen zu erzeugen. Doch wo bereits viele moderne Gebäude diese Möglichkeiten nutzen, geht sogenannte solare Architektur noch ein gutes Stück weiter – und ist derzeit sogar auf dem besten Weg, ein unabhängiger Baustil zu werden.

Solare Architektur versucht, mit unterschiedlichsten technischen und planerischen Methoden die Sonnennutzung eines Gebäudes zu maximieren. Denn was die Sonne ausstrahlt und was davon nach der Durchdringung der Erdatmosphäre auf dem Boden ankommt, ist mehr als beeindruckend – und hervorragend geeignet, um baulich-wohnlich genutzt zu werden.

Im Prinzip sendet unser Stern Strahlung in einem breiten Anteil des elektromagnetischen Spektrums aus. Für solare Architektur sind dabei zwei Wellenlängenbereiche besonders wichtig. Sie werden auf mehrere Arten technisch genutzt:

• Sichtbares Licht (400-800 Nanometer): Dieses Spektrum umfasst das für Menschenaugen wahrnehmbare Licht. Mit 52 Prozent hat es den größten Anteil an der solaren Einstrahlung. Dieses Licht ist das, was wir als natürliche Beleuchtung kennen – und woran es nachts mangelt. Die wichtigste Nutzung bezieht sich einerseits auf die direkte Ausleuchtung des Gebäudeinneren, andererseits auf die Erzeugung von elektrischem Strom durch das dahinterstehende Wirkprinzip der Photovoltaik.
• Infrarotstrahlung (800-1.400 Nanometer): Wo die kürzeren Infrarotwellen sich noch direkt an das sichtbare Licht anschließen und durch spezielle Geräte sichtbar gemacht werden können, wandelt sich die Strahlung mit steigender Wellenlänge immer mehr in Richtung einer Wärmestrahlung. Sie versetzt Moleküle in Schwingung. Durch diese Bewegung entsteht Wärme, die wiederum von derart erhitzten Gegenständen abgestrahlt wird. Die wichtigste architektonische Umsetzung bezieht sich auf Erwärmung durch direkte Einstrahlung via Glasflächen als auch über die Erhitzung eines Trägermediums – typischerweise Wasser. Der Vorteil, dieses lässt sich auf mehrere Arten zwischenspeichern. Zur Anwendung kommen dafür speziell isolierte Warmwasser- und Heizungsspeicher – bei solarer Architektur oft mit beeindruckenden Volumina. Generell ist die passende Größe bei der Auswahl des Speichers ein wichtiger Faktor.

Das Interessante daran: Beide Strahlungsarten treffen selbst dann noch in abgeschwächter Form auf die Erdoberfläche auf, wenn die Sonne dank Wolkenbedeckung nicht einmal mehr als diffuse Scheibe am Himmel erkennbar ist.

Doch wo im Prinzip jedes Haus, zumindest über die Fenster, die Sonnenstrahlung ausnutzt, richtet Solararchitektur besonders viele Details des baulichen Konzepts an der Strahlung aus – mitunter sogar zulasten anderer Dinge.

Wer ein heutiges Sonnenhaus zum ersten Mal sieht, wird es sicherlich am ehesten der modernen Architektur zuordnen. Denn viele solcher Bauten sehen durchaus „technisch“ aus. Allerdings entstand die Bauphilosophie dazu nicht erst mit dem Aufkommen eines breitgesellschaftlichen Bewusstseins für Energetik und Klimawandel im 21. Jahrhundert. Grundsätzlich ist die gezielte Nutzung von Sonnenlicht und Wärme ziemlich alt. Konkret finden sich verschiedene Elemente solarer Architektur bereits bei Gebäuden aus der Antike – sowohl der griechischen als auch römischen.

Bei römischen Badebereichen bzw. Badehäusern etwa fand häufig eine gezielte Ausrichtung nach Südwesten statt. Häufig verbunden mit dem Einsatz großer Glasflächen oder solchen aus dünn geschliffenem Gestein, das ebenfalls Licht durchließ. Allerdings gerieten derartige Bauweisen nach dem Ende des römischen Reiches über viele Jahrhunderte hinweg in Vergessenheit. Einzig der Einsatz großer Fensterflächen im südlichen Gebäudebereich blieb eine Konstante.

Ein zentraler Grund dafür: Spätestens seit der Industrialisierung standen vielerorts versorgungssichere und teils sehr komfortable Möglichkeiten zur Verfügung, um Gebäude fossil zu beheizen. Etwa der eiserne Zimmerofen. Er wurde während der Industrialisierung zum Massenprodukt – viel günstiger als gemauerte, aufwendige Grundöfen. Als schließlich noch die elektrische Beleuchtung hinzukam, wurde die Sonnennutzung im Bereich der „Massen-Architektur“ beinahe zur Nebensache.

Das änderte sich im Nachgang der 1973er Ölkrise – eine der tiefgreifendsten Zäsuren westlicher Länder seit dem Zweiten Weltkrieg. Auf einen Schlag wurde bewusst, wie kostspielig und endlich die fossile Energieversorgung war. Eine der vielen Folgen dieser Krise war eine Rückbesinnung darauf, die Sonne verstärkt für Beleuchtung und Beheizung im baulichen Bereich zu nutzen.

Das führt uns zur modernen Solararchitektur. Wohl wurde bereits in den 1940ern damit begonnen, Häuser experimentell stärker durch die Sonne zu versorgen. Was jedoch eine „technisierte“ solare Architektur anbelangt, gibt es einen nachweisbaren Startpunkt: „Solar One“. Das erste vollständig nach modernen Erkenntnissen und mit ebensolchen Techniken konzipierte Sonnenhaus. Es entstand 1973 an der University of Delaware, konzipiert vom ausgewanderten deutschen Ingenieur Karl Böer. Alles daran war Handarbeit und nahm viele bis heutige gültige Prinzipien vorweg – unter anderem eine großflächige Nutzung von Photovoltaik zur Stromerzeugung samt Speicherung überschüssigen Stromes in Batterien.

Wohl blieb Solar One ein Unikat. Dennoch stieß das Haus zahlreiche Entwicklungs- und Erkenntnisprozesse an. Über die Jahre folgten weitere, immer stärker verfeinerte Gebäude. So etwa das „Energieautarke Solarhaus“, erbaut Anfang der 1990er vom Fraunhofer-Institut für solare Energiesysteme. Einer der weltweit ersten Wohnbauten, der einen echten Passivhaus-Ansatz realisierte und kaum noch externe Energiezufuhr benötigte – nach einigen Verbesserungen.

Bis heute wurde das Konzept immer weiter verfeinert, wodurch sich gleichsam ein distinktiver eigener Baustil entwickelte – mitunter als „Solare Moderne“ bezeichnet.

Solares Bauen umfasst stets einige Grundbedingungen – und Kompromisse (dazu später mehr). Doch warum macht man das? So viel sei bereits verraten: Es ist eine Mischung aus kleinmaßstäblichen, das Haus und seine Bewohner betreffenden Gründen sowie solchen, die weit darüber hinausgehen.

• Durch eine maximale Ausnutzung der Sonne soll so wenig externe Energiezufuhr wie nur möglich nötig sein. Das wirkt sich nicht nur positiv hinsichtlich Erzeugung und Übertragung dieser Energien aus, sondern ebenso auf die Betriebskosten des Hauses.
• Die Sonnennutzung soll so erfolgen, dass das ganze Jahr über – selbst in unseren Breiten mit distinktiven Unterschieden zwischen den Jahreszeiten – ein angenehmes, energiesparendes Wohnen möglich ist.
• Neben dem massiv reduzierten Energieverbrauch soll zudem ein insgesamt einfacheres, behaglicheres Bewohnen möglich werden. Etwa, indem weniger durch die Hausbewohner zu regulieren ist.
• Nicht zuletzt bedeutet jedes neue Sonnenhaus einen Gewinn für diese Architektur an sich – darüber mehr Erkenntnisse sowie eine größere Verbreitung und dadurch Akzeptanz.

Das „Fernziel“, wenn man so will, besteht darin, zu einem relevanten Baustein im Kampf gegen den Klimawandel zu werden. Denn der (konventionelle) Gebäudesektor ist weltweit einer der größten CO₂-Emittenten – in Deutschland etwa mit einem Anteil von 40 Prozent an den Gesamtemissionen.

Solararchitektur benötigt prinzipiell zwei Bausteine:

• passende Bedingungen in Form der allgemeinen Lage
• eine entsprechende architektonisch-technische Konstruktion

Nur wenn beides gleichermaßen vorhanden ist, ist eine maximale Sonnennutzung möglich. Widmen wir uns zunächst den allgemeinen Bedingungen:

• Der Teil des Grundstücks, auf dem das Gebäude steht, muss ganzjährig volle Sonneneinstrahlung erhalten. Weder darf es in der Nähe (Bäume, Gebäude etc.) noch in der Ferne (Landschaftsformationen) abschattende Elemente geben. Idealerweise wäre die Landschaft ringsherum bis zum Horizont bretteben – wie es etwa in weiten Teilen Norddeutschlands der Fall ist.
• Das Grundstück sollte von seinem Zuschnitt her für die spezielle Positionierung bzw. Ausrichtung und mitunter Formgebung eines Solarhauses geeignet sein. Das Verhältnis von Breite zu Tiefe muss stimmen, damit ein möglichst großer Teil des Baukörpers beschienen wird. Erneut zeigt hier „Solar One“, wie extrem das durchaus aussehen kann.

Ganz können beide Ideale nicht immer erreicht werden. Das ist allerdings kein völliges Ausschlusskriterium. Denn insbesondere je nachdem, welcher Energiestandard angestrebt wird, ist durchaus weniger möglich.

Das gilt im Übrigen ebenso für die architektonisch-technische Ausführung. Wichtig ist vor allem, die Sonneneinstrahlung des Standorts maximal auszunutzen. Je mehr Sonne vorhanden ist, desto einfacher wird das – das heißt jedoch nicht, dass in einer (nicht zu engen) Tallage keine Solarhäuser möglich sind.

Ideale Umgebungsbedingungen sind, wie angesprochen, eine Voraussetzung. Die andere ist eine entsprechende Umsetzung des eigentlichen Gebäudes. Obwohl es nicht „das“ einzelne Sonnenhaus gibt, sind hier dennoch einige Herangehensweisen nahezu universell gültig:

• Die Form des Baukörpers gestattet es, möglichst großflächig von der Sonne beschienen zu werden. Daher orientieren sich viele Solargebäude relativ stark in die Breite, insbesondere nach Süden bzw. Südwesten.
• Dach- und Wandflächen werden so gestaltet, dass sie eine möglichst große Anzahl von Kollektoren für Photovoltaik und Solarthermie aufnehmen können. Erstere erzeugt Strom, Letztere erwärmt dank der Sonne einen Wasserkreislauf für Heizung und Brauchwasser.
• Die Ausgestaltung insbesondere der südlichen Gebäudehemisphäre achtet auf ein möglichst großes passives Nutzungspotenzial der Sonneneinstrahlung. Einerseits bedeutet das möglichst große Glasflächen. Andererseits die Verwendung von Baumaterialien, die Wärme möglichst gut speichern und sie so noch lange nach Sonnenuntergang ins Gebäudeinnere abstrahlen.
• Es werden verschiedene Maßnahmen getroffen, um Sonnenlicht gezielt zu absorbieren oder zu reflektieren. So verhindern beispielsweise umfassend verstellbare Jalousien eine zu große Aufheizung des Innenraumes – was den Kühlungsenergiebedarf erhöhen würde. Ebenso ist es möglich, gezielt helle und dunkle Farben einzusetzen.
• Die gesamte Gebäudehülle wird umfassend thermisch gedämmt. Besonders im Zusammenspiel mit den Glasflächen und der Solarthermie samt Speicher ergibt das eine hohe „Einseitigkeit“. Durch sie wird das Gebäude leicht aufgeheizt, kühlt aber nur deutlich schwieriger aus. Als Nebeneffekt wird sommerliche Aufheizung reduziert.
• Die gesamte Haustechnik rund um Beheizung, Belüftung und Kühlung wird unter anderem durch Wärmetauscher und eine sogenannte kontrollierte Wohnraumlüftung besonders energiesparend ausgelegt. Das geschieht insbesondere durch Entziehung der Wärme und Speicherung – mitunter in einem anderen Medium.

Ein solches Haus fühlt sich für die Bewohner ganzjährig angenehm an. Zwar können durchaus zusätzliche Heizungen oder Klimaanlagen vorhanden sein. Ihre Benutzung ist jedoch zumindest auf deutlich kürzere Zeiträume beschränkt. Je nachdem, nach welchem Energiestandard ein solares Gebäude ausgestaltet wird – und wo genau es steht – ist sogar eine völlige Autarkie möglich. Das führt uns zum nächsten Punkt:

Es war in Deutschland schon vor Einführung des Gebäudeenergiegesetzes (es trat Ende 2020 in Kraft) kaum noch möglich, ein Haus zu errichten, ohne dabei wenigstens einige Merkmale zu integrieren, die zu typischer solarer Architektur gehören. Mitte der 20er Jahre gibt es ferner in immer mehr Bundesländern Gesetze, die Bauherrn dazu verpflichten, sowieso die Sonneneinstrahlung durch Photovoltaik zu nutzen.

Dennoch sind nicht alle neuen Häuser bereits Solargebäude. Dazu mangelt es vielfach schlichtweg an der maximalen Stringenz hinsichtlich der Sonnennutzung. Stellt sich als nächstes die Frage, wie diese Gebäude zu den gängigen Energiestandards passen:

• Niedrigenergiegebäude: Das ist kein klar definierter Begriff. Gemeint sind typischerweise alle Gebäude, die in energetischer Hinsicht besser aufgestellt sind als das jeweilige gesetzliche Minimum.
• Passivhaus: Nach gängiger Definition ist das ein Haus, das pro Quadratmeter und Jahr nicht mehr als 15 Kilowattstunden (kWh) Energie benötigt. Oft darum ergänzt, dass eine behagliche Temperatur allein durch Heizen oder Kühlen der Frischluftzufuhr möglich ist.
• Nullenergiehaus: Das Haus erzeugt (auf das Jahr berechnet) exakt so viel Energie, wie es verbraucht. Es kann durchaus nötig sein, Energie extern zu beziehen – etwa im Winter. Dieser Bezug wird jedoch zu anderen Jahreszeiten durch eine Eigenerzeugung deutlich über dem jeweiligen Verbrauch ausgeglichen.
• Plusenergiehaus: Die Vorgaben ähneln denen des Nullenergiehauses. Jedoch erzeugt ein solches Gebäude in der Jahresbetrachtung mehr Energie, als es verbraucht, und gibt diese nach außen ab; etwa durch Einspeisung ins öffentliche Stromnetz.

Diese Energiestandards ignorieren weitgehend die Energiequelle. Beispielsweise ist technisch durchaus ein Nullenergiegebäude denkbar, das gar nicht auf Photovoltaik oder Solarthermie setzt, weil es seinen eigenen Strom und Wärme aus Wasserkraft generieren kann.

Solarhäuser sind immer Niedrigenergie-, Passiv- Nullenergie- oder Plusenergiegebäude. Jedoch ist nicht jedes Niedrigenergie-, Passiv-
Nullenergie- oder Plusenergiegebäude zwangsläufig ein Solarhaus.

Mit anderen Worten: Energiestandards beziehen sich nur allgemein auf Energiebedarf, nicht jedoch die konkrete Art der Energieerzeugung. Daraus lässt sich ableiten:

Das zentrale Merkmal der solaren Architektur ist, dass hierbei bei allem, was energetisch relevant ist, maximal auf die Sonne bzw. deren Strahlung fokussiert geschieht. Damit das funktioniert, sind jedoch zwangsläufig hohe energetische Standards vonnöten. Eher wenige Sonnenhäuser sind deshalb bloß Niedrigenergiegebäude. Die meisten sind mindestens Passivhäuser oder noch besser.

Kann man ein Sonnenhaus auf einen Blick erkennen? Es mag diesbezüglich Ausnahmen geben. Also Bauten, die sich (insbesondere aus Sicht von nicht architektonisch ausgebildeten Laien) optisch nicht sonderlich von anderen zeitgenössischen Häusern unterscheiden.

In solchen Fällen hat man es häufig mit einer Spielart der klassischen Moderne, respektive einer der vielen Strömungen darin zu tun. Das bedeutet eine eher starke geometrische Sachlichkeit, die weitgehende Abwesenheit von rein zierenden Elementen und generell eine stilistische Herangehensweise, die sich stark am bekannten Motto „form follows function“ orientiert.

Doch selbst wenn Solararchitektur in der Breite häufig zu einem gewissen Teil von der Moderne beeinflusst wird, so wäre es dennoch falsch, sie auf den Status von „simple Geometrie plus große Glasflächen und Photovoltaik“ herabzustufen. Denn solares Bauen ist notgedrungen ein gutes Stück pragmatischer als die oft recht dogmenhaft umgesetzte Moderne. Anders gesprochen: Bei klassischen modernen Baustilen, die heutzutage umgesetzt werden, hat man sich vielfach von jeder Form, die sich der Funktion unterordnet, entfernt. Dadurch ist eine moderne Architektur, wie sie heute praktiziert wird, vielfach zu unflexibel, um ein echtes solares Bauen zu gestatten.

Vielmehr vermischt heutige Solararchitektur die „alten Tugenden“ der Moderne, wo die Funktion tatsächlich noch diktierte, mit solchen Feldern wie einer umfassenden Integration in die regional vorherrschenden Stile, in die Natur und arbeitet nicht zuletzt selbst mit natürlichen Materialien und Details. In der Folge entsteht eine Architektur, die sich vor allem durch eine sehr spannende optische Vielfalt auszeichnet. Die Nutzung der Sonne, sowie das gezielte Erwärmen und Abschatten, sind das verbindende Element, das viele Standards kreiert. Jenseits davon haben Gestalter indes viele interessante Freiheiten.

So gestaltete der deutsche Architekt Uwe Fickenscher im fränkischen Hof ein kombiniertes Wohn- und Bürogebäude, das speziell auf seiner „Sonnenseite“ sowohl einer „Hobbit-Erdhöhle“ ähnelt als auch einem traditionellen Satteldachwohngebäude und solchen im Stil der klassischen Moderne. Ein vielbestaunter und von zahlreichen Experten gefeierter Bau, der im besten Sinn zeigt, wie wenig solare Architektur einfach nur eine Erweiterung bestehender Stile ist.

Dabei sei unterstrichen, dass dieses Haus nur eines von vielen Beispielen ist. Für die Zukunft dürfte es noch interessanter werden. Dafür sprechen zwei distinktive Gründe:

• Die Vorgaben hinsichtlich der Nutzung nachhaltiger Energien sowie möglichst geringer Energieverbräuche werden zwangsläufig immer strenger werden – in vielen Staaten. Dadurch wird vollwertige solare Architektur zunehmend zum Normalfall werden. Das wiederum befeuert nicht zuletzt die Planer, die hierdurch immer mehr Möglichkeiten erhalten, diesen Baustil weiterzuentwickeln und seine Grenzen auszuloten.
• Die technischen Möglichkeiten werden mit atemberaubenden Tempo immer vielfältiger und leistungsfähiger. Schon heute ist es beispielsweise möglich, PV-Module zu gestalten, die optisch gar nichts mehr mit den bekannten Paneelen in dunkelblauer oder -lila Farbgebung zu tun haben. Hierzu seien als Beispiel Solardachziegel genannt. Noch sind diese teurer als herkömmliche Aufdach-Module und haben gleichsam einen geringeren Wirkungsgrad. Beides wird sich jedoch erfahrungsgemäß ändern: Als „Solar One“ gebaut wurde, hatten durchschnittliche PV-Module einen Wirkungsgrad im Bereich von 6 bis 8 Prozent. Heute sind wir im Mittel bei 22 Prozent angekommen – zu stark gesunkenen Kosten.

Wir werden daher künftig automatisch mehr Häuser sehen, bei denen eine sehr hohe Sonnenausnutzung automatisch dazugehört. Gleichsam werden die Möglichkeiten der Technik es ermöglichen, abgesehen von den Grundprinzipien immer mehr gestalterische Freiheit zu erhalten. Das heißt: Die solare Komponente wird gleichzeitig bestimmender, während ihre Sichtbarkeit weniger zum herausragenden Merkmal wird. Insofern haben wir es in absehbarer Zeit mit einem enorm vielfältigen Baustil zu tun – bei dem zudem die Funktion die wichtigste Rolle spielt.

Solare Architektur hat zum Ziel, Licht- und Wärmestrahlung der Sonne bestmöglich zu nutzen. Dabei geht es primär um eine besonders nachhaltige Energieerzeugung und deren Verbrauch. Um die Sonnennutzung auf ein solches Level zu bringen, gehen solare Gebäude in vielerlei Hinsicht andere stilistische Wege als es bei herkömmlichen energetisch modernen Bauten der Fall ist.  

Zwar ist die Zahl „echter“ solarer Häuser derzeit auf wenige tausend Stück in Deutschland limitiert. Doch nicht zuletzt durch steigende Möglichkeiten der Technik bei gleichsam sinkenden Preisen dürfte sich das in den kommenden Jahren ändern. Allein schon, weil ein derzeitiges Haus seinen Bewohnern viele Fragen und Sorgen anderer Gebäudebesitzer abnimmt.