Autoreaktive Fassaden-
belüftung

Mit Low-tech gegen den Treibhauseffekt

Architektur gilt in einer dynamischen Zeit, in der sich unsere Lebensbedingungen und unser Umfeld immer wieder ändern, als eine beruhigende Konstante unserer gebauten Umwelt. Dennoch verändern sich ständig die Anforderungen an unsere Gebäude vor allem im klimatischen Kontext sowohl saisonal als auch innerhalb eines Tages. Somit entstehen unterschiedliche Anforderungen an unsere Raumkonditionierung und an die Gebäudehülle, im speziellen hinsichtlich Temperatur und Feuchtigkeit. Um diese Unterschiede zwischen äußeren Wetterbedingungen und inneren Anforderungen für Nutzer zu vermitteln, verbrauchen Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen eine erhebliche Menge an Energie.

Energieverbrauch von Bürogebäuden

Vor allem in Verwaltungsgebäuden wird ein konstant behagliches Innenraumklima wegen der starken Schwankungen der Jahres- und Tageszeiten in der Regel nur durch kostspielige und wartungsintensive Anlagentechnik erreicht. Für die Bereitstellung der hohen Anforderungen an den Komfort unserer Innenräume hinsichtlich eines behaglichen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsniveaus ist ein enormer Energieverbrauch nötig.  Die folgen­den Zahlen zeigen den Stromverbrauch von Bürogebäuden in Mitteleuropa, der vor allem für Gebäudetechnik verwendet wird [1]:

– klimatisierte Gebäude (Bestandsgebäude): 654 kWh/m²

– durchschnittliche Bürogebäude (klimatisiert und nicht klimatisiert, Bestandsgebäude): 424 kWh/m²

– Bürogebäude Neubau und Standardsegment: 200 kWh/m²

– optimierte Bürogebäude 100 kWh/m²

In den letzten Jahren ist also der Energiebedarf von Bürogebäuden erheblich gesunken. Die Directive 2010/31/EU verlangt jedoch ab 2020, dass alle Neubauten beinahe energieneutral sein müssen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind weitere Maßnahmen notwendig.  Global betrachtet ist der Einsatz von Gebäudetechnik zur Lüftung, Heizung und Kühlung, die wir in Industrieländern zur Bereitstellung von Nutzerkomfort in Innenräumen benötigen, für etwa 10 — 20 % des Endenergieverbrauchs verantwortlich [2]. Darüber hinaus kann Klimatisierungstechnik auch zum so genannten „Sick-Building-Syndrom“ führen. Diese Anlagentechnik ist nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation für 2,7 % der Krankheits­fälle weltweit verantwortlich [3]. Insofern gibt es nicht nur energetische und gesundheitliche Gründe, den Einsatz von Anlagentechnik zu reduzieren. Auch der enorme Flächenverbrauch durch Lüftungsanlagen mit großen Querschnitten in Geschossdecken und Gebäudekernen ist als verlorene Nutz­fläche ökonomisch fragwürdig. Denn gerade bei mehrgeschossigen Gebäuden kann die Verringerung der Aufbauhöhe von Geschossdecken ein zusätzliches Geschoss und somit ein Plus an vermietbarer Fläche bei gleicher Gebäudehöhe bedeuten.

Glasfassaden für viel Tageslicht

Eine Verbesserung der Anpassungsfähigkeit von Gebäudehüllen wird im Hinblick auf die verschärften Energiestandards in den nächsten Jahren unabdingbar werden. Vor allem für Bürogebäude mit hohem Verglasungsanteil wird eine Anpassungsfähigkeit zunehmend relevant, denn die genannten Werte für den Energiebedarf von Bürogebäuden zeigen, dass im Sommer aufgrund der absorbierten Sonneneinstrahlung ein enormer Kühlbedarf zur Herstellung des Nutzerkomforts in den Innenräumen besteht. Je nach Ausrichtung und Farbe heizen sich Gebäudehüllen auch in Mitteleuropa auf Temperaturen jenseits 70 °C auf. Im Winter bewirken Wärmeverluste durch die Gebäudehülle erhebliche Heizlasten, besonders wenn die Verglasung schlechte U-Werte aufweist. Das Bedürfnis  nach viel Tageslicht in Innenräumen und einem erweiterten Sichtbezug zur Außenwelt lässt den Bedarf nach einem hohen Verglasungsanteil der Fassadenflächen weiter steigen, auch weil die ausreichende Versorgung mit Tageslicht gerade in den Wintermonaten wichtig für unser Wohlbefinden ist.

Doppelfassaden

Vor allem in den 1990er- und den frühen 2000er-Jahren entstanden daher viele Verwaltungsgebäude mit so genannten doppelschaligen Gebäudehüllen. Um den außenliegenden Sonnenschutz vor Wind zu schützen, entsteht dabei durch eine vorgelagerte Glasscheibe ein Luftraum zwischen äußerer und raumseitiger Verglasung. Der darin befindliche Sonnenschutz heizt sich durch Absorp-tion solarer Strahlung auf und gibt diese Wärme zunächst an die Luft im Fassadenzwischenraum ab. Zeitversetzt werden diese Temperaturen dann durch eine gut isolierende Verglasung an die Innenräume weiter­gegeben. Um dies zu verhindern, wurden gerade doppeltverglaste Hochhäuser mit Lüftungsschlitzen in der äußeren Fassadenebene ausgestattet, die eine Durchlüftung des Fassadenzwischenraums ermöglichen. Diese ständige Öffnung des Fassadenzwischenraumes verhindert zwar eine starke Überhitzung der Luft und der angrenzenden Oberflächen, ist jedoch im Winter nicht optimal, wenn man zur Verbesserung der Wärmedämmung die Luftzirkulation eigentlich minimieren möchte. Außerdem ist die durchströmen-de Außenluft an stark befahrenen Straßen und im städtischen Raum oft mit Feinstaub und anderen Partikeln verunreinigt und führt zur Verschmutzung der Scheibenflächen und des Sonnenschutzes, was hohe Kosten für  die Reinigung der Fassade mit sich bringt.

Closed Cavity Fassade

Gerade für Länder mit hohen Lohnkosten für Reinigungskräfte, aber auch für Regionen mit hohen Staubanteilen in der Luft wurden zuletzt technikintensive Fassaden entwickelt, so genannte Closed Cavity Fassaden, kurz CCF. Um den teuren und wiederkehrenden Reinigungs- und auch Wartungsaufwand zu reduzieren, ist hier der Raum zwischen den Glas­ebenen versiegelt und wird ständig mit gereinigter und entfeuchteter Luft versorgt, was der Kondensation im Scheibenzwischenraum vorbeugen soll. Die geschlossene Fens-tereinheit hat aber zur Folge, dass sich der im Scheibenzwischenraum liegende Sonnenschutz stark aufheizt und die Wärmestrahlung durch die dahinterliegende Dreischeibenverglasung an die Innenräume weitergegeben wird. Diese technikintensive Fassade erfordert daher auch einen hohen Haustechnikaufwand, um die eingetragene Wärme in den Innenräumen wieder wegzukühlen.

Autoreaktive Fassade

Das neu entwickelte autoreaktive Fassadenbelüftungssstem, das von einem Team der TU München zusammen mit dem Fassadenunternehmen Frener und Reifer [4] entwickelt wurde, verhindert durch ein selbstregulierendes System genau diese Überhitzung des Fassadenzwischenraums. Nach dem Vorbild der menschlichen Haut öffnet und schließt sich der Scheibenzwischenraum selbstständig, jeweils in Abhängigkeit von den Temperaturschwankungen der Außenluft. Es handelt sich hier um eine Low-tech-Lösung, die ohne aufwendige Sensorik, Steuer- und Regelungstechnik auskommt. Diese Technologie vereint die Vorteile eines geschlossenen Zwischenraums der „Closed Cavity Fassade“ und einer ständig durchlüfteten Doppelfassade.

Die Funktionsweise der autoreaktiven Fassade stellt sich wie folgt dar: Die Fassade basiert auf einem herkömmlichen Kastenfenster mit einem Sonnenschutz als textilem Behang oder Raffstore, der sich windgeschützt im Fassadenzwischenraum befindet. Die äußere Scheibe des Kastenfensters ist über einen Scherenmechanismus parallel ausstellbar und an den Ecken über vier mit Paraffin gefüllte Zylinder mit dem Rahmen verbunden. Bei einem Anstieg der Lufttemperatur zwischen den Scheiben auf über 23 °C dehnt sich das Paraffinmaterial in den Zylindern aus, die Teleskopzylinder drücken dadurch die äußere Glasfront um 8 cm parallel nach außen. Durch den entstehenden Schlitz zwischen Rahmen und Scheibe kann kühlere Außenluft eindringen. Dieser Vorgang sorgt für eine Evakuierung von stark erwärmter Luft, die auf die absorbierte Wärme am Sonnenschutz zurückzuführen ist.

An Hochhausfassaden wirkt ein ständiger Luftdruck oder Luftsog auf die Fassade, womit eine kontinuierliche und gute Durchlüftung des Fassadenzwischenraums gewährleistet ist. Das so herabgesetzte Temperaturniveau reduziert den Wärmestrom zu den Innenräumen und bewirkt somit eine Reduktion der Kühllasten für die dahinterliegenden Räume. Bei einem Abfall der Temperatur auf unter 19 °C schließt sich der Spalt durch eine Rückstellfeder am Teleskopzylinder wieder. Dieser Vorgang kann mehrmals innerhalb einer Stunde wiederholt werden, da das Paraffin eine relativ kurze Reaktionszeit hat.

Im Winter bleibt das Fassadenmodul an kalten Tagen geschlossen und erhöht so den U-Wert der Fassade, indem die ent­stehende Pufferzone ein Wärmepolster entstehen lässt. Durch die so verringerten Transmissionswärme­verluste können die Heizlasten im Vergleich zu einem ständig geöffneten Fassadenzwischenraum um fast 45 % verringert werden. Die ansteuerbaren Temperaturniveaus, die den Mechanismus auslösen, können mit einer thermodynamischen Software gezielt ermittelt und durch eine Veränderung des Paraffinmaterials im Teleskop-zylinder modifiziert werden.

Entwicklung und Wirkung

Für die Entwicklung des autoreaktiven Fassadenmoduls wurden in enger Abstimmung mit den Architekten thermische Simulationen am Lehrstuhl für Gebäudetechnik und klimagerechtes Bauen der TU München durchgeführt. Als Standort für die Simulationen wurde exemplarisch die Südfassade eines Münchener Verwaltungsgebäudes zu Grunde gelegt. Der Referenzraum wies eine nahezu vollflächige Verglasung mit einer Dreischeibenverglasung, Aluminium-Raffstore im Fassadenzwischenraum und einer äußeren Prallscheibe auf. Die anschließenden Berechnungen ergaben über ein Jahr betrachtet ein Energieeinsparpotential zur Kühlung der Räume von fast 50 % gegenüber ständig geschlossenen Fassaden.

Ein wichtiges Kriterium ist, dass der ge­öffnete Zustand des Fassadenzwischenraums in der Summe nur ein Fünftel des Jahres geschaltet ist. Folglich wird auch die Reinigungs- und Wartungshäufigkeit beträchtlich reduziert, was insofern als eine wesentliche Kostenreduzierung gegenüber ständig geöffneten Doppelfassaden bezeichnet werden kann.

Da­rüber hinaus verhindert das durch den belüfteten Hohlraum reduzierte Temperaturniveau eine Beschädigung des Sonnenschutzes. Denn dauerhaft geschlossene Fassaden-zwischenräume heizen sich bis auf 90 °C auf.  Diese hohen Temperaturen können bei Sonnenschutzvorrichtungen sehr schnell zu Ausfall oder technischen Problemen an den Motoren für die Jalousien und deren kinetischen Komponenten führen. Neben diesen Aspekten ist im Hinblick auf den laufenden Betrieb eines Gebäudes einer ganz entscheidend: Die selbstregulierende Fassade arbeitet dezentral und muss nicht über aufwendige Sensorik und Aktuatoren an die Gebäudetechnik gekoppelt werden.

Aus architektonischer Sicht ist vor allem relevant, dass es sich hierbei um eine technische Lösung handelt, die die Gestaltungsfreiheit von Architektinnen und Architekten nicht einschränkt. Denn die Funktionsweise hat kaum Auswirkungen auf die Fassadengestaltung und ist nahezu unsichtbar. Auch in puncto Dauerhaftigkeit ergeben sich Vorteile, denn die kinetischen Komponenten haben sich seit Jahrzehnten als nahezu wartungsfreie und elektrizitätsunabhängige Belüftungselemente in Gewächshäusern bewährt. Bei Paraffin, in den meisten Heizungsventilen im Wohnungsbau nahezu wartungsfrei im Einsatz, um den Volumenstrom von Radiatoren zu regulieren, handelt es sich um ein vergleichsweise preisgünstiges und bewährtes Material von hoher Zuverlässigkeit. Das robuste System ermöglicht somit eine unkomplizierte Integration in alle gängigen Fassadentypologien.

Selbststeuernde Funktionsweise

Bei der Realisierung von selbstregulierenden Fassaden ist es wichtig, dass die autoreaktive Steuerungsstrategie an den vorgefundenen klimatischen und städtebaulichen Kontext sowie an die nutzerspezifischen Anforderungen angepasst wird. Daher müssen schon in der Planungsphase die Parameter des Nutzerkomforts ermittelt und später in thermi-schen Simulationen entwickelt werden. Der angesteuerte Temperaturbereich der autoreaktiven Komponenten kann an spezifische Kontextanforderungen wie Klimazonen, Fassadenorientierung und Benutzerpräferenzen angepasst werden.

Das entwickelte System ist nur ein Baustein von vielen Möglichkeiten, die uns autoreaktive Materialien und Systeme bieten. Beispielsweise kann ein solches System auch zur Nachtauskühlung dienen, indem die Lüftungsklappen für die Nachtentlüftung mit entsprechenden Aktivierungstemperaturen angesteuert werden. Im Sommer werden die Klappen tagsüber bei zu hohen Temperaturen geschlossen; in der Nacht, wenn die Außentemperaturen unter 20 °C fallen, werden die Lüftungsklappen autoreaktiv geöffnet und ermöglichen das Auskühlen der Innenräume und der Speichermassen, beispielsweise Betondeckenplatten und Aufzugskerne. Auch die natürliche Durchlüftung von Atrien kann so selbstregulierend thermisch gesteuert werden.

Aktuell arbeitet das Team an der  TUM an feuchtigkeitsregulierenden Systemen, die Kondensation in Doppelfassaden verhindern. Das Ziel ist es, Gebäudehüllen zu entwickeln, die mit einfachen Technologien zu einer Verringerung der Gebäudetechnik und vor allem zu mehr Nutzerkomfort führen.