Weil sich Hochhäuser mit Glasfassaden wie Treibhäuser aufheizen, brauchen sie die meiste Zeit des Jahres Kühlung. Dank eines neuartigen Belüftungssystems für doppelt verglaste Fassaden ist der Energieverbrauch ohne großen technischen Aufwand halb so groß, sagen Forscher zur GFF.
„Unser Ansatz ist fundamental anders als bisherige Konzepte“, sagt Dr. Philipp Molter von der Technischen Universität München (TUM). Das Besondere: „Wir erarbeiten autoreaktive Lowtech-Lösungen, die sehr effizient sind“, sagt der Architekt, der gemeinsam mit dem Fassadenbauunternehmen Frener & Reifer ein Belüftungssystem für doppelt verglaste Fassaden entwickelt hat, welches sich automatisch öffnet, wenn die Temperatur über einen bestimmten Wert hinaus ansteigt, und sich wieder schließt, wenn es kühler wird.
Das Belüftungssystem soll dabei helfen, die 2015 in Paris vereinbarten Klimaschutzziele zu erreichen. Im Vergleich zu Wohngebäuden sind Hochhäuser mit Glasfassaden wahre Energiefresser.
„In Zusammenarbeit mit Frener & Reifer haben wir vor allem Funktionsweise und Konstruktion der Fassade entwickelt“, beschreibt Molter. Vertiefte thermische Berechnungen hätten anschließend bestätigt, dass der Anfangsgedanke funktioniert. „Die Komponenten sind wie ein Baukastensystem aus bewährten und erprobten Systemen bzw. Materialien aufgebaut“, erläutert er das Prinzip.
Hightech-Konzepte sehr aufwändig
Mithilfe verschiedener technischer Tricks versuchen Architekten schon seit Langem, der Überhitzung von Innenräumen den Kampf anzusagen: Standardlösungen sind Sonnenschutzlamellen oder -rollos. Da diese jedoch vor Wind geschützt werden müssen, ist in diesen Fällen eine zweite, vorgelagerte Glasscheibe erforderlich. Die Doppelverglasung hat zur Folge, dass ein Luftraum zwischen den Scheiben entsteht, der sich schnell aufheizt und der die Wärme an den Innenraum abgibt, der dann wiederum gekühlt werden muss. Zumeist sind doppelt verglaste Hochhäuser daher mit Lüftungsschlitzen ausgestattet. Um diese bei Kälte oder Sturm schließen zu können, sind eine ausgetüftelte Sensorik und kleine Elektromotoren erforderlich. Die Signalverarbeitung läuft dann über die zentrale Haustechnik.
Deutlich komplexer ist die Technik bei der neuesten Generation von Hightech-Fassaden, den so genannten Closed Cavity Facades (CCF). In diesen Konstruktionen gibt es keine Lüftungsschlitze, der Raum zwischen den Glasfronten ist vollständig gekapselt und wird über ein aufwändiges Röhrensystem permanent mit entfeuchteter Luft versorgt. Diese verhindert, dass sich an den Fensterscheiben Kondensat oder Schmutz ablagert. Die Steuerung läuft über den Zentralrechner.
„Das Vorbild für unser System ist die menschliche Haut: Denn diese schützt uns Menschen automatisch vor der Überhitzung, indem sich die Poren öffnen.“
Verglichen mit allen diesen Belüftungssystemen sei sein Konzept erstaunlich einfach, sagt Molter: „Unser Vorbild ist die menschliche Haut. Denn die schützt uns vor Überhitzung, indem sich die Poren öffnen.“ Das geschieht automatisch, ohne dass wir erst darüber nachdenken.
Wundermittel Paraffin
Kernstück der von ihm entwickelten Technologie Ventflex sind Thermozylinder, die mit dem Dehnstoffelement Paraffin gefüllt sind. Das Wachs/Öl-Gemisch im Inneren der autoreaktiven Komponenten reagiert sensibel auf etwaige Temperaturveränderungen: Sobald die Temperatur über einen bestimmten Wert hinaus ansteigt, dehnt sich das Paraffin aus. Die Volumenerhöhung erzeugt einen Druck, der die Zylinder wie Teleskope auseinanderschiebt. Sobald die Temperatur unter einen bestimmten Wert abgesunken ist, zieht sich das Dehnelement wieder zusammen.
Bisher kamen solche Thermozylinder nur zum Einsatz, um Lüftungsschlitze in Gewächshäusern zu öffnen und zu schließen. In seinem kürzlich abgeschlossenen Forschungsprojekt zeigte nun Molter, dass sich die Technik ebenfalls dazu eignet, um Doppelglasfassaden effizient, kostengünstig, energiesparend und ohne aufwändige elektronische Steuerung zu kühlen.
Schutz vor Auskühlung im Winter
Die Elemente der neuen Lowtech-Fassade unterscheiden sich optisch nicht von gängigen Fassadenelementen. Die äußere Scheibe der doppelt verglasten Kastenfenster ist allerdings nicht fix montiert, sondern an allen vier Ecken über die Thermozylinder mit dem Rahmen verbunden.Steigt die Temperatur zwischen den Scheiben auf mehr als 23 Grad Celsius an, drücken die Zylinder die äußere Glasfront um fünf Zentimeter nach außen. Durch den Schlitz zwischen Rahmen und Scheibe kann dann kühlere Außenluft eindringen und den Scheibenzwischenraum (SZR) – in dem sich der aufgeheizte Sonnenschutz befindet – auf natürliche Weise belüften. Sinkt die Temperatur auf weniger als 23 Grad Celsius, schließt sich der Spalt automatisch wieder. Die Reaktionszeit beträgt dabei nur wenige Minuten. An kalten Tagen im Winter bleibt das Fassadenmodul geschlossen, um die Büroräume vor dem Auskühlen zu schützen
Simulationen, die am Lehrstuhl für Gebäudetechnologie und klimagerechtes Bauen der TUM angestellt wurden, belegen laut Molter die Effizienz des Lowtech-Konzepts: „Die autoreaktive Fassade vereint die Vorteile eines geschlossenen Zwischenraums wie der CCF und einer ständig durchlüfteten Doppelfassade auf eine technisch sehr einfache Weise“, fasst er die Ergebnisse seiner Forschungsarbeit zusammen. Bei niedrigen Außentemperaturen im Winter verbessert die zusätzliche Pufferzone des Fassadenzwischenraums den U-Wert, was wiederum die Heizlasten im Verhältnis zu einem permanent offenen Hohlraum um fast 45 Prozent verringert. Im Sommer hingegen sorgt der belüftete Zwischenraum für die Abfuhr der erheblich erwärmten Luft. „Dieser Effekt reduziert die Kühllasten im Vergleich zu einem geschlossenen Fassadenzwischenraum um fast 50 Prozent“, weiß Molter. Darüber hinaus verhindere das durch den belüfteten Hohlraum reduzierte Temperaturniveau eine Beschädigung des Sonnenschutzes. Der Grund: Zu hohe Temperaturen an Sonnenschutzeinrichtungen können anderenfalls zu technischen Problemen an Jalousien und an deren kinetischen Komponenten führen.
„Unsere Versuche zeigen aber vor allem, dass der geöffnete Fassadenzwischenraum nur ein Fünftel des Jahres geschaltet ist“, ergänzt Molter. Folglich reduziere sich auch die Reinigungs- und Wartungshäufigkeit beträchtlich, was zu einer weiteren Kostensenkung führe.
„.Der geöffnete Fassadenzwischenraum ist nur ein Fünftel des Jahres geschaltet. Das reduziert die Wartungs- und Reinigungshäufigkeit erheblich.“
Die spannendste Frage zuletzt: Wie geht es weiter mit der neuen Technologie Ventflex? „In der kommenden Zeit planen wir Langzeittests an unserer Solarstation“, verrät Molter. Parallel dazu suchen der Architekt und sein Team nach einem passenden Objekt, an dem die Fassade in größerem Maßstab erprobt werden kann, um die Marktreife des Belüftungssystems voranzutreiben.
Erprobungsobjekt gesucht
„Alles hängt von einem ersten Gebäude ab, in der unsere Entwicklung fallstudienartig beweisen kann, wie einfach die Technologie ist.“ Die Herausforderung dabei: „Für ein solches Projekt muss die Planung genau auf das Gebäude abgestimmt werden“, resümiert Molter im Recherchegespräch mit der GFF .