Fassade 2050 – Herausforderungen und Möglichkeiten für die Bauindustrie

Die Fassade 2050 wird eine elektronisch schaltbare Gebäudehülle, diese Gebäude werden energetisch autonom sein und Funktionalitäten besitzen, welche den Innen- & Außenraum der Gebäude interaktiv beeinflussen.

Dr.ing Werner Jager  –  ai³

Die Bauindustrie steht vor großen Veränderungen in den kommenden Jahren. Aktuelle Gesetzgebungen, Regularien und Normen in Europa und weltweit zielen auf den Gebäudestandard „nahezu Nullenergie“ in 7 Jahren. Blickt man auf 2020 und in die kommenden Jahrzehnte erhält man noch mehr Verständnis über die anstehenden Veränderungen. Die Prognosen in Bezug auf den Klimawandel weisen in 3 Hauptrichtungen und führen im Wesentlichen zu 3 Temperaturerhöhungsszenarien:

• + 2 K (bestmöglicher Fall – CO₂ Anstieg kann auf 450 ppm begrenzt werden)
• + 4 K (aktuelle politische Entscheidungen werden 1:1 umgesetzt)
• + 6 K (aktuelle politische Entscheidungen werden nicht umgesetzt)

Prognosen der Temperaturerhöhung

Des Weiteren altern die heutigen „Entwickelten Länder” und die kommenden  „Entwickelten Länder”  werden in Asien, Afrika und Lateinamerika liegen. Folglich wird sich auch das Wachstum im Bereich Bauindustrie in diese Länder verschieben. Deutschland kann als Beispiel für diesen Trend herangezogen werden. Die 2050 Prognose geht davon aus, dass die Bevölkerung in Deutschland um 15% oder 12 Millionen Menschen kleiner wird.
Des Weiteren wird der Anteil der über 65-jährigen dann über 30% oder mehr als 20 Millionen Menschen betragen. Im gleichen Zeitraum wird die Weltbevölkerung von 7 Millionen in 2010 auf 10 Millionen in 2050 anwachsen, von welchen dann 65% im urbanen Umfeld leben und arbeiten werden. Genau dieser urbane Kontext liefert für die Bauindustrie die kommenden Möglichkeiten, im Besonderen für jene Unternehmungen mit Fokus auf die Gebäudehülle.

Prognose der Weltbevölkerungsentwicklung

Detail:    

Der urbane Zusammenhang erzeugt einige wesentliche Fragen und Herausforderungen für das zukünftige Design der Gebäudehüllen, da bereits heutige MegaCities die Schwierigkeiten aufzeigen, die zu überwinden sind:

1. COS/VOC/ Feinstaub Verschmutzung der Umgebungsluft
2. Lärmbelastung durch Verkehr
3. Hitzeinsel-Effekt und
4. dunkle Straßenschluchten, verursacht durch dichte Bebauung und hohe Gebäude.

Diese äußeren Einflußfaktoren addieren sich zu den weiteren menschlichen Bedürfnissen wie:

• Kontakt zur Umwelt (Sicht, Geruch, Geräusch)
• Luftqualität
• Geräuschqualität
• Thermischer Komfort
• Visueller Komfort
• Mobilität
• Nutzkomfort
• Energetische Autonomie
• Schutz natürlicher Resourcen

Dies führt zu 3 Postulaten, wie die FASSADE 2050 aussehen und funktionieren wird:

Postulat 1
Die Fassade 2050 wird Funktionalitäten besitzen, welche den Innenraum wie den Außenraum der Gebäude aktiv und passiv beeinflussen werden.
Als Beispiel kann man Forschungsvorhaben und Start-Up Firmen heran ziehen, welche CO₂ aus der Umgebungsluft filtern möchten, entweder durch einen Adsorptionsprozess (CH-Climaworks AG) oder über Photosynthese (BIQ D-Hamburg) oder vergleichbare Prozesse.

1. Der von CH-Climaworks AG entwickelte Prozess adsorbiert CO₂ aus der Umgebungsluft mittels eines Filtersystems, welches bei niedrigen Temperaturen wieder regeneriert werden kann. Das eingefangene CO₂ wird dann in Treibstoff umgewandelt, welcher dann wieder dem heutigen, traditionellen Energiekreislauf (Verkehr und Transport, Energieerzeugung o.ä.) zugeführt werden kann
2. Das Prinzip hinter dem Projekt BIQ D-Hamburg basiert auf dem natürlichen Photosynthese Prozess von Pflanzen. In der Gebäudefassade sind transparente Kollektoren integriert, in welchen Algen durch Zugabe von CO₂ gezüchtet werden. Diese Biomasse wird von Zeit zu Zeit entnommen und in einem externen Bioreaktor in Biotreibstoff umgewandelt.

Herausforderung für die zukünftige Forschung wird es hier sein, Biologie und Physik noch weiter zusammen zu bringen, indem direkt aus Sonneneinstrahlung und CO₂ der Umgebungsluft mittels Photosynthese Zucker und Stärke erzeugt werden kann, ohne Umwege. So wie es Pflanzen in ihren Blättern schon seit Jahrmillionen vormachen. Die Gebäudehülle ist hier das zentrale Bauteil.
Eine weitere Herausforderung an Mega Cities ist die Verringerung der Lärmbelastung im Außenumfeld der Gebäude, was wie folgt angegangen werden könnte:

1. Orientierte/ Orientierbare Außenfassade
   Durch die unterschiedliche Orientierung der Gebäudehüllflächen kann der Schall in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Durch kombiniertes Design mit weiteren Schallreduktion-Techniken, wie Platten oder Hohlraum-Resonator, ist die Fassade dann in der Lage die Schallausbreitung im urbanen Umfeld zu verringern
2. Aktive Schallunterdrückungssysteme

Beispiele für diese Technik sind bereits heute vielfältig im Einsatz, seien es nun Schallausgleichssystem in Kopfhörern oder in Autos. Das Deutsche Forschungsinstitut FRAUNHOFER hat Systeme entwickelt, welche in die Gebäudehülle integriert werden können. Eine Variante hierbei ist ein System, bestehend aus einem Mikrophon, welches die Schallwellen aufnimmt, und einem Lautsprechersystem, welches entgegen gerichtete Schallwellen aussendet, um die einfallenden Schallwellen mittels Überlagerung auszulöschen und somit den Schalleintrag zu verringern. Ein derartiges System kann zur Schallreduktion in Räumen wie auch in der Außenanwendung zum Einsatz kommen und hier gleichzeitig zur Informationswiedergabe genutzt werden oder um auch akustisch einen virtuellen Kontakt zur -vom Nutzer gewünschten –  Umwelt herstellen zu können.

Schallqualität außen (orientierte)

Die dritte Herausforderung von Mega Cities wird der visuelle Komfort innerhalb und außerhalb des Gebäudes sein. In der engen urbanen  Bebauung ist heute bereits die Möglichkeit der Nutzung von natürlicher Beleuchtung in Räumen und in den Straßenschluchten gering, bedingt durch die Bebauungspläne und die Höhen der Gebäude. Natürliches Licht ist jedoch ein wichtiger Aspekt der Behaglichkeit von Nutzern. Des Weiteren ist auch der visuelle Kontakt zur Umwelt eine wichtige Forderung von Normen und Regularien, sowohl während des Tages als auch bei Nacht und in beiden Fällen unter Wahrung der jeweiligen Privatsphäre.
Letzte Entwicklungen und Produkte der Beleuchtungsindustrie scheinen nun Transparenz während des Tages mit der Möglichkeit der Beleuchtung in der Nacht kombinieren zu können, mit ein und demselben Bauteil: OLED – Organische Licht emittierende Dioden.
OLEDs haben den Vorteil, dass diese selbst Licht ausstrahlen können und bedingt hierdurch sehr dünn im Aufbau sein können (< 0,5 mm). Hierdurch können diese dünnen Schichten ideal kombiniert werden mit anderen, eher traditionellen Glasprodukten und diese veredeln helfen. Hierdurch ergeben sich zudem weitere Produktanwendungen, wie Medienfassaden, Beleuchtung von Straßenschluchten bei Tag und Nacht und dem Nutzer die Wahl zu lassen zwischen realem Blick nach Außen (OLED transparent geschaltet) oder virtuellen Ansichten – OLEDs als TV System verwendet.
Heute haben OLEDs immer noch kleine Grundabmessungen, auch ist die Langlebigkeit reduziert, jedoch wird die Forschung dies in absehbarer Zeit optimiert haben und ein neues Produkt dem Markt zur Verfügung stellen können.

Auch durch die immer bessere Übereinstimmung der Farbtemperaturen von künstlicher und natürlicher Beleuchtung wird eine Kombination von beiden Systemen zur gleichen Zeit (z.B. Dämmerung oder tiefe Räume) die Steigerung des visuellen Komforts des Nutzers wesentlich beeinflussen.

Visueller Komfort beeinflusst durch Farbtemperatur und Beleuchtungsstaerke

Postulat 2
Die Fassade 2050 wird eine elektronisch schaltbare Gebäudehülle.

Heute bestimmen folgende Parameter die Gebäudehülle:

1. U-Wert
2. g-Wert
3. α-Wert
4. ρ- oder τ-Wert

Und diese sind in der Regel feste Werte, maximal in gewissen Bereichen mechanisch einstellbar, wie dies z.B. äußere Beschattungssysteme sind.
Zukünftige Gebäudehüllen benötigen jedoch zusätzlich elektronisch schaltbare Funktionalitäten, da ein niedriger U-Wert in Kombination mit einem hohen g-Wert sehr hohe Einsparung im Bereich Heizenergie bedeutet.
Die hierfür verantwortlichen passiven solaren Gewinne über  die Fenster würden jedoch im Kühl-Fall zu einer deutlichen Erhöhung der Kühlenergie beitragen. Befördert von einer weiteren Anforderung an die visuelle Behaglichkeit „Visueller Kontakt zur Umwelt“, welcher oft zu g-Werten von 0,15 bis 0,20 führt. Ein niedriger U-Wert führt hier zu erhöhten Kühllasten. Adaptive U-Werte sind heute schon möglich durch Systeme wie die doppelschalige Fassade, welche die Überwärme aus der Kavität ventilieren kann oder durch zusätzliche Belüftungsklappen diesen Fassadenzwischenraum auch schließen kann, um den „Wintergarten“-Effekt zu erzielen. Zukünftig könnte dieser natürliche Prozess der Belüftung des Scheibenzwischenraumes auch mechanisch erfolgen. Neuere Systeme, wie die „Closed Cavity Facade“ der Firma GARTNER weißen in diese Richtung.
Schaltbare Verglasungseinheiten ermöglichen uns auch heute bereits die bedarfsorientierte Verringerung des g-Wertes. Tageslichtlenkung ist zwar noch nicht möglich, jedoch sind auch hier Forschungsansätze vorhanden, um mit Spiegelsystemen (micro mirror), LCDs oder vergleichbaren Systemen diese Lichtlenkung zu integrieren und elektronisch schaltbar zu machen.
Die Energie des Sonnenlichtes wird speicherbar werden müssen, passiv über Systeme mit Phasenwechselmaterial oder aktiv über die Speicherung von elektrischer Energie durch in Fassadenkomponenten, integrierten Batteriesystemen oder Abfuhr von Wärme über die Belüftung des Fassadensystems, jeweils abhängig vom momentanen Energiebedarf des Gebäudes.
Diese neuen Isolierglaseinheiten benötigen eine Tragstruktur, jedoch sind heutige Aufbauten mit Edelgasfüllung zu dick und zu schwer und zu teuer aufgrund des Gewichtes und der Menge der verwendeten Materialien. In der Zukunft werden Vakuum-Isolierverglasungen hier den Teil der Anforderung „Tragstruktur“ bei gleichzeitig niedrigem U-Wert, geringer Bautiefe und reduziertem Materialeinsatz übernehmen.
Des Weiteren werden diese elektronisch schaltbaren Fassaden 2050 auch die Anforderungen an den thermischen Komfort besser gerecht werden können, da Gebäude im Jahre 2050 ohne Klimatisierung nicht mehr verkäuflich oder vermietbar sein werden. Vergleichbar mit Autos heute, die ohne Klimatisierung nicht mehr verkauft werden können, da der Komfortanspruch des Nutzers diese Anlage voraussetzt.
Bereits heute wird die bis dato gültige Definition vom sommerlichen Komfort
nach der DIN 1946 angezweifelt, da arbeiten und wohnen bei Temperaturen von 26°C oder mehr als nicht mehr Nutzergerecht empfunden wird. Dieser Aspekt der Nutzerunzufriedenheit kann sehr einfach über die Ansätze der DIN ISO EN 7730 ermittelt werden und der Zusammenhang zwischen erhöhter Raumlufttemperatur und Unzufriedenheit ist deutlich erkennbar.

Zusammenhang von Nutzerkomfort und Raumlufttemperatur

Der urbane Kontext wird diese Diskussion sogar noch verschärfen, da die dichte Bebauung wie die zunehmende Höhe der Gebäude den Effekt der Bildung von Hitzeinseln durch die Verringerung der natürliche Belüftung der Straßen befördert, da an den hochabsorbierenden Flächen der Straßen und Gebäude Solarstrahlung in Wärme umgewandelt wird und es gleichzeitig eine zu geringe natürliche Vegetation geben wird, welche diese Prozesse durch Verdunstungskühlung zumindest teilweise kompensieren könnte.

Hitzeinseln in Städten – Sommer

Experimentelle Untersuchungen des Fenster- und Fassadensystemhauses WICONA zeigt, dass der Effekt der Verdunstungskühlung auch auf mechanischem Wege in die Gebäudehülle integriert werden kann, um somit die Zuluft in das Gebäude vorkonditionieren zu können.

3 unterschiedliche Systeme wurden untersucht:

1. Düsensprüh-System
   Hier wird die Feuchtigkeit in den Außenluftstrom direkt injiziert, bevor diese über Fenster oder Belüftungsklappe in das Gebäude gelangen kann. Durch die geringe Größe der eingesprühten Wassertropfen, nehmen diese sehr viel Wärme aus der Außenluft auf. Dies mit dem Effekt, das die Absenkung der Raumlufttemperatur um 2K gerade einmal 4 Stunden dauern würde  (Raumvolumen 50m³).
2. Verdampfer-System
   Hier wird das Wasser im offenen Kreislauf über Fassadenkomponenten, wie Aluminium Beschattungssysteme geleitet. Das Wasser verdunstet direkt in die Umgebungsluft. Hiermit dauert die Absenkung der Raumlufttemperatur um 2K 5 Stunden oder mehr (Raumvolumen 50m³).
3. Wärmetauscher-System
   Hier strömt das Wasser/ die Kühlflüssigkeit in einem geschlossenen System in Rohren durch außenliegende Fassadenkomponenten, vergleichbar mit einem Wärmetauscher. Eine Absenkung der Raumlufttemperatur um 2K würde hiermit bis zu 10 Stunden und mehr dauern (Raumvolumen 50m³).

Der direkte Vergleich der 3 System zeigt auf, dass das Hochdruck-Düsensprüh-System die Vorkonditionierung der Zuluft am effizientesten erledigen kann und über diese Vorkonditionierung die Energielasten für Kühlung im Gebäude verringern wie potentiell die Temperierung in der Gebäudeumgebung ermöglichen kann. Bei relativ geringen Wasserverbräuchen.

Postulat 3
Gebäude mit der Fassade 2050 werden energetisch autonom sein.

Größte Herausforderung, um das oben genannte Ziel zu erreichen, ist es, die Produkte für Beleuchtung, Belüftung, Heizung und Kühlung noch energieeffizienter im Betrieb auszulegen, sowie die Frage, welche Fläche am Gebäude zur Produktion von solarer Energie tatsächlich zur Verfügung steht. In die Gebäudehülle integrierte thermische Kollektoren können den Bedarf an thermischer Energie und Photovoltaik-Module können den Bedarf an elektrischer Energie decken helfen.

Hochhäuser besitzen schnell ein großes Verhältnis zwischen Fassadenfläche und Dachflächen. Das Verhältnis von 8:1 und mehr zeigt an, dass die zur Verfügung stehende Dachfläche nicht ausreichen dürfte, um die Energie zu erzeugen, welche im Gebäude zum Betrieb benötigt wird.

Verhältnis der Fassaden-zur Dachfläche

Dies ergibt zwangsläufig, dass die vertikale Fassade herangezogen werden muss, um mit regenerativen Systemen die benötigte Energie zu erzeugen:

1. Das Bedürfnis, dass der Nutzer den visuellen Kontakt zur Umwelt behält, ermöglicht es nicht, dass 100% der Fassadenfläche mit regenerativen Solargewinnsystemen opak belegt werden kann. Die Transparenz kann durch semi-transparente Solarsysteme erreicht werden, wie gelochte PV-Zellen oder größerer Abstand zwischen diesen PV-Zellen oder durch Vakuumröhrenkollektoren mit einem vergrößerten Abstand zwischen den Röhren und einer transparenten Rückseitenverkleidung. In beiden Fällen – Erzeugung von Strom und thermischer Energie – kann der mit der Erhöhung der Transparenz einhergehende Leistungsverlust teilweise kompensiert werden, indem Rückseitenreflektor-Systeme verwendet werden. In diesen Fällen muss z.B. die PV-Solarzelle in der Lage sein, auch an deren Rückseite solare Strahlung absorbieren zu können. Durch diese Prinzip kann zum einen die Anforderung nach 20% visueller Transparenz erreicht werden als auch gleichzeitig ein Vakuumröhrenkollektor verwendet werden, welcher  bis zu 300 kWh/ (m² a) an thermischer  Energie erzeugen kann. Diese Rückseitenreflektoren können zudem den Einstrahlverlust auf vertikale Flächen reduzieren helfen. Normalerweise erreicht ein nach Süden orientierter Fassadenkollektor nur 60% der Leistung eines ideal orientierten Kollektors auf dem Dach. Durch die Rückseiten-Reflektoren kann die Leistung auf 65% und mehr bei gleichzeitiger visueller Transparenz  gesteigert werden.
2. Verschattung der Fassade durch die Nachbarbebauung verringert zudem die Energieerzeugung auf den zur Verfügung stehenden Fassadenflächen. Dieser Effekt kann nur durch eine entsprechende urbane  Planung reduziert werden, welche die Verschattungsaspekte berücksichtigt oder durch Sonnenreflektoren auf dem Gebäudedach und den oberen Fassadenflächen mit solarer Einstrahlung. Tageslichtlenkung durch Light Tubes kann ein weiterer Entwicklungsbereich mit einem vergrößerten Marktvolumen werden.

Solare Einstrahlung auf die Gebäudehülle bei dichter urbaner Bebauung

Zusammenfassung

Die FASSADE 2050 benötigt weitergehende Produkte und Entwicklungen, um durch aktive wie passive Wirkungsweise das Innenraum- wie das Außenklima beeinflussen zu können. Allen voran in den Bereichen:

1. Luftqualität
2. Schallqualität
3. Thermischer Komfort
4. Visueller Komfort
5. Komfort Steuerung
6. Energetische Autonomie und Mobilität

Die FASSADE 2050 wird mehrschichtig und multifunktional sein, um eine adaptives Fassadendesign zur ermöglichen. Elektronisch schaltbare Gläser werden mechanische Verschattungs- Systeme substituieren. Die Verglasungseinheiten werden in der Lage sein zusätzlich zu beleuchten, während des Tages wie der Nacht, Außenlärm zu streuen und zu absorbieren. Vakuumverglasungen, OLEDs und LCD Systeme werden zentrale Bauteile der Gebäudehülle werden. Auch wird die FASSADE 2050 in der Lage sein Außenluft von VOCs, CO₂ und Feinstäuben zu reinigen und über Methoden wie die Verdunstungskühlung zu konditionieren. Sie wird Energie erzeugen, speichern und verteilen –  thermisch wie elektrisch. Die Fassade 2050 wird ein aktives Bauteil werden, eine Schnittstelle zwischen den Komfortansprüchen innerhalb und außerhalb des Gebäudes und mit all seinen Aspekten lokale wie regionale Bereiche unterstützen helfen.

Dr.-Ing. Werner Jager
Ingenieurbüro ai³

Geranienweg 32
D-89264 Weißenhorn
http://ai3ing.de