Die aktive intelligente Fassade

Auf der Suche nach der idealen Gebäudehülle

Auf der Light+Building-Fachmesse präsentierte die Firma Zumtobel Lighting ein Fassaden-, Licht- und Energiekonzept, das auf Initiative von Behnisch Architekten entwickelt wurde. Gemeinsam mit Transsolar Energietechnik, Bartenbach Lichtlabor und Zumtobel Lighting wird in Szenarien untersucht, wohin sich die Themen Licht, Strom und Raumklima in unserer gebauten Umwelt zukünftig entwickeln. Daraus werden Konzepte für das zukünftige Planen und Bauen abgeleitet. Neue und intelligent genutzte Technologien sollen dabei so angewendet werden, dass ergonomische Verbesserungen für den Nutzer und ökologische und ökonomische Effekte erzielt werden können.

Im Einzelnen sind dies:

– Einsparungen an Bauvolumen, dadurch Einsparung von Gebäudeerrichtungskosten

– ergonomisch beleuchtete Büros

– Steigerung der Nutzungsqualität

– Steigerung der Nutzungsflexibilität der Büroflächen

– bessere Lichtqualität bei reduziertem Energieverbrauch

– höhere Nutzerfreundlichkeit

– verbesserte Wartungsfreundlichkeit, geringere Unterhaltskosten

– Konzentration der komplexen Technik auf einige wenige Gewerke.

Erreicht wird dies durch neue Technologien und über indirekte Synergieeffekte wie z.B. veränderte Bauweisen, andere Materialien, direktere Konzepte in der Architektur. Das hier vorgestellte Projekt unterscheidet sich durch eine ganzheitliche Betrachtungsweise (von der Energiegewinnung über die Regelung von haus- und lichttechnischen Funktionen bis hin zu ergonomischen Faktoren) von den bereits bekannten Fassadensystemen mit Energiegewinnung. Darüber hinaus werden die Einflüsse auf andere Gewerke berücksichtigt. Um die gemein­sam gewonnenen Erkenntnisse angemessen auf dem Stand der heutigen technischen Möglichkeiten darstellen zu können, wurden die Firmen Sunways Solartechnik, LTG Raumlufttechnik, Okalux und Büfa Glas um Mitwirkung gebeten.

Wandel in der Architektur

Aktuelle Zeitströmungen und Inhalte verändern die Architektur im Technischen und Formalen. Die Verantwortung für unsere Umwelt veranlasst Planer, Architekten, Ingenieure und Bauherren dazu, sich mit neuen Denkweisen auseinander zu setzen. So beeinflusst das Thema „Nachhaltigkeit“ seit geraumer Zeit die Art und Weise, wie wir Architektur entwickeln, wie wir bauen.

Es werden weniger unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen und weniger Gewerke nötig sein. Da­für werden die verbleibenden komplexer, ausgefeilter, und müssen Aufgaben anderer Gewerke mit übernehmen. So wird die abgehängte Decke als architektonisches Element mehr und mehr durch die Tatsache verdrängt, dass die klimatischen Vorteile des Rohbaus (Beton, unter Umständen auch Holzbau) Bedeutung gewinnen. So bleibt die Rohdecke als strukturelles Element sichtbar und wird zur Raum­klimatisierung genutzt (die so genannte Bauteilaktivierung). Hierzu werden Register in die Decken eingelegt, durch die zur Heizung und Kühlung Wasser gepumpt wird. Eine abgehängte Decke ist nicht mehr möglich, aber falls akustisch erforderlich, können einzelne Segel oder Felder abgehängt werden.

Konsequenzen für die Raumbeleuchtung

Dies hat zur Folge, dass die bisherigen Beleuchtungskonzepte überarbeitet werden müssen. Einbauelemente und das Verlegen von Kabeln in den Decken müssen entweder weit voraus geplant werden, so dass diese im Rohbau berücksichtigt werden können, oder der Trend geht zu einer Beleuchtung unabhängig von der Geschossdecke: Wand- und Stehleuchten, Tasklights mit Raumlichtfunktion und Beleuchtung in der Fassade.

Ähnlich verhält es sich auch im Bereich der Böden. In der Vergangenheit wurden aufgeständerte Böden zur künstlichen Be- und Entlüftung und für aufwändige Installationen genutzt. Nun versucht man, darauf ­weitgehend zu verzichten, um die Bauteilaktivierung zu optimieren. Neue Technologien wie „wireless LAN“ machen den Verzicht auf umfangreiche Kabelschächte/-kanäle und somit aufgeständerte Böden mög­lich. Zukünftig kann man Kabel einbetonieren oder Bewehrungsstahl für die Stromleitung verwenden. Durch Funk- und Piezosteuerung in der Haustechnik kann mehr und mehr auf kabelgebundene Lösungen verzichtet werden. Lediglich bei Quelllüftung macht Hohlraumboden noch Sinn. Insgesamt werden die Gebäude leichter, schlanker und weniger voluminös.

Mehr Aufgaben für die Fassade

Den komplexen Gewerken kommt in der Entwicklung von technischen Lösungen für die Architektur, wie einer Fassade, eine immer größere Bedeutung zu. Die weniger komplexen Gewerke werden noch einfacher und die komplexen intelligen­ten Gewerke werden noch komplexer, noch intelligenter. Viele Elemente, wie Steuerung, Sonnenschutz usw., waren in der Vergangenheit schon in die Fassaden integriert. In der Zukunft werden weitere Funktionen dazukommen. So beinhaltet die ideale Fassade nicht nur Sonnenschutz, Solarpaneele zur Energiegewinnung, Umlenkelemente im oberen Fassadenbereich zur Tageslichtoptimierung und öffenbare Elemente zu Lüftung, sondern auch Beleuchtungselemente für die Grundbeleuchtung bei Nacht sowie Wärmetauscher und Elemente der mechanischen Be- und Ent­lüftung. Durch die Ent­wicklung neuer Leuchtmittel wie OLED und LED lassen sich Leuchten in so geringer Dimension realisie­ren, dass diese in den Glasscheiben direkt in den Fenstern untergebracht werden können. Die dezentrale Technik in der Fassade führt zu geringeren Energiekosten, auch weil die Anlagentechnik nur bei Bedarf in Betrieb ist.

Energiegewinnung auf der Fassade

Bei den auf der Messe gezeigten Elementen handelt es sich um simulierte Ost-, West- und Südfassaden, die über künstliche Sonnen „solar“ aktiviert werden. Die Messefassade ist zur Energiegewinnung zu ca. 50 % mit PV-Modulen belegt, den so genannten Design Cells von Sunways. In den Durchsichtbereichen wurden teilweise transparente Zellen verwendet, um den Sichtbezug nach außen zu erhalten. Die ebenfalls mit Photovoltaik beleg­ten Verschattungselemente vor der Fensterfront verändern je nach Sonnenstand ihre Neigung. In zahl­reichen Ausführungen, Farben und Transparenzgraden erhältliche monokristalline und Dünnschicht-Design-
Solarzellen ermöglichen die Fassadenoptimierung für verschiedene Standorte.

Amortisation der Musterfassade

Der Energiebedarf für alle in dem 20 m² großen Büroraum zusammengefassten technischen Einheiten (Licht, PC, Lüftungstechnik und Klimatisierung (Kälte/Heizung)) liegt bei 510 kWh, der größte Einzelposten entfällt mit ca. 200 kWh auf die Beleuchtung.

Berechnungen der Firma Sunways belegen, dass sich die Mehrkosten für die gezeigte Fassade am angenommenen Standort in Süddeutschland nach ca. 8,5 Jahren amortisieren. Der zugrunde gelegte jährliche Verbrauch für Kunstlicht wird durch die PV-Elemente zu mehr als 200 % abgedeckt. Eine Optimierung kann durch die Wahl von effizien­teren dunklen PV-Zellen oder Standort optimierten Elementen und ergänzen­den PV-Flächen auf dem Dach erzielt werden.

Tageslichtoptimierung

Im oberen Drittel ist die Fassade im Scheiben­zwischenraum mit dem Lichtumlenksystem Okasolar W bestückt, das eine effizientere Tageslichtnutzung gewährleistet, auch wenn der Sonnenschutz geschlossen ist. Es wird in den tieferen Raum­bereichen durch flache LED-Deckenleuchten unterstützt, die sich der Lichtintensität der Außenwelt anpassen. Wird die Lichtausbeute durch Bewölkung geringer, reagiert die Deckenbeleuchtung im hinteren Raum- oder Flurbereich entsprechend. Das Lichtverhältnis Innen zu Außen soll konstant gehalten werden, möglichst 1:1, möglichst direkt. Die Blendung durch den Kontrast zwischen hellen Fensterflächen und dunklen tieferen Raumzonen wird so verhindert oder zumindest verringert.

Tageslicht ist im Gegensatz zu Kunstlicht durch Veränderun­g gekennzeichnet: Tages- und Jahreszeit sowie Wetter beeinflussen unser natürliches Licht. Durch die direkte Koppelung der künstlichen Beleuchtung in den Raumtiefen und im Flurbereich mit der Photovoltaik in der Fassade wird lebendiges Licht überall im Gebäude erlebbar.Nachts, wenn Kunstlicht zugeschaltet werden muss, geht die Grundbeleuchtung von der Fassade aus. Tags wie nachts werden fast gleiche Lichtverhältnisse hergestellt, weil schon in den Übergangszeiten langsam Licht zugemischt wird. Die vier unteren Lamellen der Sonnenschutzjalousie wurden linear mit LEDs belegt, deren Licht über die Unterseite der Lamellen in den Innenraum reflektiert. Die Lichtquellen sind nicht direkt einsehbar und blenden daher nicht. Um die Vorschriften zur Beleuchtungsstärke zu erfüllen, ergänzt ein Tasklight die indirekte Beleuchtung. Für die Messe wurde dazu von Behnisch Architekten der Entwurf einer Tischleuchte mit OLED realisiert.

Jalousien im Glaszwischenraum und ein Verschattungsrollo sorgen für Blend- und Erwärmungsschutz bei Sonneneinfall. In zwei Fassadenelementen wurden Büfa-­Zwischen-
glasjalousien eingebaut, die Verschattung kann auch über das teiltransparente Foliensystem Okaflex Iso Fol reguliert werden.

Klimatisierung

Auch die Elemente der Klimatisierung, das heißt Wärmetauscher, Umluftheizer und Umluftkühler, können direkt im Brüstungsbereich der Fassaden eingebaut werden. Aufwändige Installationen in den Gebäuden erübrigen sich dadurch, weil die Räume direkt aus der Fassade versorgt werden. Über die Photovoltaik können die Klimatisierungselemente direkt mit Strom betrieben werden. Überschüssiger Strom wird ins Netz gespeist. Das Medium Wasser liefert Wärme- und Kälteenergie über Bauteilaktivierung, Lüftungskanäle und Schächte entfallen. So wird ein großes Bauvolumen, aber auch der energetisch aufwändige Transport der Luft im Bauwerk überflüssig. Da es noch keine Fassadenklimatisierungsgeräte gibt, die dem auf der Messe gezeigten Fassadenmaß entsprechen, wurde hier ein angepasster „Dummy“ gezeigt. Jedoch ist es realistisch, Geräte in dieser Dimension umzusetzen.

Gleichstrom/Steuerung

So, wie sich aus energetischen Gründen innerhalb eines Gebäudes verschiedene Klimazonen mit unterschied­lichen Temperaturen durchsetzen werden, wird Strom schon in naher Zukunft in den verschiedenen Gebäudebereichen in einem zusätzlichen Niederspannung-Gleichstromnetz anliegen. Bürogeräte, Klima- und Gebäudesteuerung werden bereits mit Gleichstrom betrieben. Bisher werden praktisch alle Abnehmer in einem Büro- oder Wohnhaus über Transformatoren ver-
sorgt. Geplant ist, alle Niedrigvolt-Gleichstrom-Geräte, genau wie in Zukunft auch die Beleuch­tung, über ein solches Netz zu versorgen, in das der durch die PV-Elemente gewonnene Strom eingespeist wird.

Mit der eingesetzten Zumtobel Ciria-Steuereinheit lassen sich sämtliche Raumfunktionen komfortabel von einem einzigen Gerät aus steuern: Licht, Sonnenschutz, Luftmenge und Temperatur. Dies reduziert die Zahl der Bedienungsfehler, wie sie bei unabhängig voneinander arbeitenden Einheiten auftreten könnten. Durch die Kopplung an einen Tageslichtsensor passt sich das System an die Lichtverhältnisse des Standortes an.

Abschließende Betrachtung

Das auf der Messe als „Concept car“ präsentierte Modell wird derzeit von den Beteiligten auf mögliche Produktansätze und Effizienzsteigerungen untersucht, um sie in die Serie überführen zu können. Bei den OLED wird eine Weiterentwicklung hinsichtlich Lichtleistung und Preis analog zur Entwicklungsgeschichte der LED erwartet. Ebenso kann mit Leistungssteigerungen bei den PV-Elementen gerechnet werden.Von enormer Bedeutung bei der Ausarbeitung des Energiekonzeptes ist die enge Zusammenarbeit der Planungsbeteiligten und des Bauherren. Die Zusammenführung der Gewerke in der Fassade bedarf eines Umdenkens der Ingenieure und aller am Planungs- und Realisierungs­prozess Beteiligten. Natürlich hat dies auch Einfluss auf die Leistungsbilder der Planer und damit auch auf die vertraglichen Vereinbarungen.