Die Gebäudehülle der Zukunft
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ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 Dr. Werner Lang Architekturbüro Werner Lang, München Die Gebäudehülle der Zukunft Tendenzen und Umsetzung 1 Vorbemerkung Die Gebäudehülle stellt das zentrale bauliche Subsystem dar, um die vorhandenen Außenbedingungen so zu beeinflussen, dass den Komfortansprüchen des Nutzers im Gebäudeinneren entsprochen wird. Die Erfüllung dieser primären Aufgabe erfordert – vergleichbar der Haut und der Kleidung des Menschen – die Übernahme einer Vielzahl von Funktionen, die durch eine entsprechende Planung und Konstruktion der Gebäudehülle ermöglicht wird. Im Idealfall bedeutet dies, dass die Gebäudehülle zu jeder Tages- und Jahreszeit sowohl auf die sich stark ändernden äußeren klimatischen Bedingungen als auch auf die variierenden, internen Anforderungen, wie Kühllasten und erforderlicher Luftwechsel, reagieren kann. Eine derart leistungsfähige Gebäudehülle würde es theoretisch erlauben, auf zusätzliche gebäudetechnische Anlagen zum Heizen und Kühlen des Gebäudes zu verzichten. Investitions- und Betriebskosten könnten eingespart, die Verbrennung fossiler Rohstoffe zur Energiegewinnung reduziert und der Ausstoß von CO2 und anderen klimaschädigenden Gasen signifikant verringert werden. 2 Die Gebäudehülle heute Moderne Hüllkonstruktionen sind schon heute in unseren Breiten in der Lage, über einen großen Teil des Jahres hinweg für komfortable Innenraumbedingungen zu sorgen, ohne zusätzlich auf gebäudetechnische Einrichtungen zurückgreifen zu müssen. Zurückzuführen ist diese Entwicklung auf den Einsatz neuer Baustoffe, Fassadenkomponenten, Konstruktionsmethoden und Technologien, der eine deutliche Verbesserung in folgenden Bereichen mit sich bringt: 1 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ ¦ Wärmeschutz, Sonnenschutz, Blendschutz, Tageslichtnutzung, natürliche Lüftung, Feuchtigkeitsschutz, Windschutz, Energiegewinnung. So weisen beispielsweise Wand- und Dachkonstruktionen von Gebäuden aus 2 den 50er und 60er Jahren U-Werte für die Außenwand von ca. 1,3 W/(m K) 2 und für einfach verglaste Fenster von 5,2 W/(m K) auf, während für heutige 2 Außenwandkonstruktionen U-Werte von 0,3 W/(m K) und für Isoliervergla2 sungen von 1,1 W/(m K) durchaus üblich sind. Die Verkürzung der Heizperiode, eine deutliche Energieeinsparung und eine geringere Dimensionierung der wärmetechnischen Anlagen im Wohnungsbau sind die Folge dieser Entwicklung. Doch auch für das Erscheinungsbild der Gebäude hat die Entwicklung heutiger Isolierverglasungen, Beschichtungsarten und Fassadenkonstruktionen eine enorme Bedeutung, was vor allem an dem Erscheinungsbild moderner Verwaltungsgebäude deutlich abgelesen werden kann. Nahezu vollständig transparent erscheinende Fassaden bestimmen das Bild und erlauben einen uneingeschränkten Bezug von innen nach außen. Schon heute ist eine Vielzahl von innovativen Komponenten verfügbar, welche die Vision einer multifunktionalen, auf unterschiedliche Anforderungen rasch reagierenden Gebäudehülle greifbar nahe erscheinen lassen. 2.1 Zielgrößen einer variablen Gebäudehülle Um ganzjährig einen optimalen Komfort im Gebäudeinneren zu erreichen, muss die Gebäudehülle nicht nur flexibel reagieren, sondern gegebenenfalls entgegenstehende Forderungen erfüllen können. So sollte an einem warmen Sommertag zur Vermeidung von Überhitzung möglichst wenig Solarstrahlung in das Gebäude gelangen, gleichzeitig im gesamten Innenraum eine ausreichende Tageslichtverteilung erreicht werden. Im Winter hingegen sollte zur Nutzung passiver Wärmegewinne möglichst viel Solarstrahlung in den Raum dringen, ohne dass die Nutzer geblendet werden, gleichzeitig muss nachts eine starke Auskühlung des Gebäudes durch die transparente Hülle hindurch vermieden werden. 2 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 Tabelle 1 Übersicht zu den Anforderungen an die Kenngrößen der Gebäudehülle U-Wert g-Wert z-Wert tvis-Wert Sommertag klarer Himmel hoch niedrig niedrig hoch Sommertag bedeckt hoch nicht relevant nicht relevant hoch Sommernacht hoch nicht relevant nicht relevant niedrig (Sichtschutz) Wintertag klarer Himmel niedrig hoch hoch hoch Wintertag bedeckt niedrig nicht relevant nicht relevant hoch Winternacht niedrig nicht relevant nicht relevant niedrig (Sichtschutz) Während der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) eine allgemein bekannte Kenngröße darstellt, ist der Gesamtenergiedurchlassgrad (g-Wert), obwohl er eine entscheidende Größe bei der Konzeption von transparenten Fassaden darstellt, weniger bekannt. Der g-Wert gibt an, welcher Anteil der auf eine transparente oder transluzente Außenwandkonstruktion auftreffenden Solarstrahlung an den Raum weitergegeben wird. Die g-Werte heutiger Isolierverglasungen liegen in der Regel zwischen 60 und 80 %, können aber bei Verwendung von speziellen Isoliergläsern auch Werte unter 40 % erreichen. Der Abminderungsfaktor z bezieht sich auf die Sonnenschutzwirkung von Verschattungseinrichtungen und gibt an, welcher Anteil der auftreffenden Strahlungsenergie von einem Sonnenschutzsystem durchgelassen wird. Dieser Wert hängt unmittelbar von der Ausführung und dem Stellwinkel des Sonnenschutzsystems ab und lässt Rückschlüsse darauf zu, wie sehr sich ein Innenraum unter Sonneneinstrahlung aufwärmt. Der Tageslichtdurchlassgrad (tvis) gibt an, welcher Prozentsatz des außerhalb eines Gebäudes vorhandenen Tageslichts (Wellenlängenbereich 320 bis 780 nm) durch die Verglasung hindurch tritt. Ein typischer tvis-Wert für heutige Isolierverglasungen liegt bei etwa 70 %. 2.2 Komponenten moderner Gebäudehüllen Um den wechselnden Witterungsbedingungen und schwankenden internen Anforderungen gerecht werden zu können, reicht es nicht aus, eine nur in thermischer Hinsicht optimierte Gebäudehülle mit sehr guten Wärmeschutzeigenschaften herzustellen. Hiermit würden lediglich die Transmissionswärmeverluste und der Heizenegiebedarf reduziert werden. 3 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 Die im Verwaltungsbau zusätzlich vorherrschenden Erfordernisse eines ausreichenden sommerlichen Wärmeschutzes, einer optimierten Tageslichtnutzung und einer ausreichenden natürlichen Lüftung mit der Möglichkeit zum Abführen interner Kühllasten würden hiermit jedoch nicht erfüllt werden. Der Einsatz zukunftsweisender Technologien und Komponenten zielt daher auf eine gesamtheitliche Betrachtungsweise unter Berücksichtigung folgender Teilaspekte ab: - Reduktion von Energieverlusten unter Einsatz hochwärmedämmender Fassadenkomponenten und neuartiger Verglasungen mit verbesserten Wärmeschutzeigenschaften, - Erstellung einer luftdichten Außenhaut zur Minimierung der Lüftungswärmeverluste, - Nutzung direkter Solarenergiegewinne zur Gebäudetemperierung während der kalten Jahreszeit, - Einsatz von Technologien zur temporären Speicherung von Wärmeund/oder Kühlenergie, beispielsweise durch Bauteilaktivierung, Berücksichtigung thermischer Massen im Gebäude oder Einsatz chemischer Speichersysteme, - Einsatz effizienter Sonnenschutzsysteme zur Verbesserung des Energiehaushaltes und Komforts im Gebäudeinneren, - Einsatz selektiver Beschichtungen bei Verglasungen zur Minimierung des g-Wertes bei maximaler Durchlässigkeit für den Tageslichtanteil in der Solarstrahlung, - Ermöglichung einer optimalen natürlichen Lüftung zur Gebäudekühlung ggf. unter Nutzung von thermischem Auftrieb und Druckdifferenzen, - Tageslichtlenkung und -steuerung, - Einsatz neuartiger Photovoltaiksysteme mit hohem Wirkungsgrad, - Einsatz neuartiger thermischer Kollektoren mit hohem Wirkungsgrad. Hierbei steht heute schon eine große Auswahl an innovativen Komponenten und Technologien im Bereich der Gebäudehülle zur Verfügung, die in folgenden Bereichen zum Einsatz kommen: Wärmeschutz - 2 Isolierverglasungen mit U-Wert unter 0,6 W/(m K) 2 Rahmensysteme mit einem U-Wert von unter 0,8 W/(m K) Vakuumdämmungen mit geringen Schichtdicken Hybride Systeme mit der Möglichkeit zur Nutzung der Solarstrahlung · TWD mit Solarwandsystem · TWD mit Hinterlüftung zur Vorwärmung der Zuluft im Winter bzw. Abfuhr der Wärmegewinne im Sommer · Luftkollektorfassade · Zweite-Haut-Fassaden und Glasvorbauten 4 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 ¦ Sonnenschutz - Sonnenschutzverglasung mit reflektierender Beschichtung - Innovative Sonnenschutzsysteme mit geringem Primärenergieinhalt, verbesserten gestalterischen oder funktionalen Eigenschaften, z. B. Holzlamellen, Glaslamellen, beweglichen Kunststoffmembranen - Mikrorastersysteme, integriert in Isolierverglasungen - Hochreflektierende, in Isolierverglasungen integrierte Jalousettensysteme - Thermochrome Verglasungen - Elektrochrome Verglasungen - Gasochrome Verglasungen - Einsatz von holografisch-optischen Elementen zur Strahlungsreflexion - Außenliegende, bewegliche Systeme mit emaillierten oder mittels Siebdruck beschichteten Verglasungen ¦ Tageslichtsteuerung und Blendschutz - Prismensysteme zur Lichtreflexion bzw. Lichtumlenkung - Hochreflektierende Lamellensysteme zur Lichtreflexion bzw. Lichtumlenkung - Bewegliche Blenden/Irissysteme zur Strahlungsreduktion und Lichtstreuung - Lichtstreuende Verglasungen, z. B. mit geätzten oder beschichteten Gläsern - Thermochrome Gläser zur Strahlungsreduktion und Lichtstreuung - Elektrochrome Gläser zur Strahlungsreduktion und Lichtstreuung - Gasochrome Verglasungen zur Strahlungsreduktion und Lichtstreuung - Perforierte Jalousettensysteme ¦ Indirekte Nutzung der Solarenergie/Photovoltaik - Effiziente PV-Elemente mit mono/polykristallinen Zellen - Effiziente PV-Elemente mit Dünnschichtzellen - PV-Elemente mit holographischen Elementen ¦ Indirekte Nutzung der Solarenergie/thermisch - Vakuumflachkollektoren in Kombination mit solarer Kühlung - Vakuumröhrenkollektoren in Kombination mit solarer Kühlung - Dach- und fassadenintegrierte Flachkollektoren ¦ Natürliche Lüftung - Fenster/Fassaden mit integrierter Wärmerückgewinnung - Fenster/Fassaden mit Potenzial zur Nachtauskühlung - Fenster mit spezieller Beschlagtechnik zur automatisierten Steuerung individueller Lüftungsfunktionen 5 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 ¦ Fassade als Informationsträger - Verglasung mit holografisch-optischen Elementen (HOE) - Leuchtdiodenfassaden - Verglasungen mit Siebdruck, geätzten Gläsern etc. ¦ Steuerungssysteme - Integrierte, automatisierte Regelung von Sonnen-/Blend-/Wärmeschutz unter Einsatz einer abgestimmten Sensortechnik (Strahlungsstärke, Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz, Raumlufttemperatur, ...) - Integrierte, automatisierte Regelung der Lüftung unter Einsatz einer abgestimmten Sensortechnik (CO2-Gehalt, Schalleinwirkung, Raumlufttemperatur, Bedarf hinsichtlich Nachtauskühlung, ....) ¦ Konstruktionsmethoden und Werkstoffe - Einsatz punktgehaltener Fassadensysteme - Einsatz neuer Verklebungen, z. B. Glas/Glas, Glas/Metall, Glas/Holz etc. - Einsatz alternativer Werkstoffe im Bereich der Gebäudehülle, z. B. Membrankissensysteme - Einsatz von Seiltragwerken im Bereich der Gebäudehülle ¦ Beschichtungen von Gläsern - Einsatz von Anti-Reflex-Beschichtungen zur Erhöhung der Effizienz von thermischen Kollektoren und PV-Elementen - Einsatz von Anti-Haft-Beschichtung unter Nutzung des Lotus-Effekts zur Verringerung der Reinigungshäufigkeit und damit Senkung der Betriebskosten von Fassaden 3 Wie könnte die Gebäudehülle der Zukunft aussehen? 3.1 Bestehende Tendenzen und künftige Anforderungen Auch in Zukunft werden im Hinblick auf die Gestaltung der Gebäudehülle die variierenden, umweltrelevanten und die sich verändernden nutzerbedingten Anforderungen eine tragende Rolle spielen. Weitere Energiepreissteigerungen und strengere Reglementierungen hinsichtlich des CO2-Ausstoßes von Gebäuden werden die Gestaltung der Gebäudehülle ebenso beeinflussen wie künftige Entwicklungen im Bereich der Arbeitsumwelt und der Bürotechnik. 6 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 Die Entwicklung neuer Werkstoffe, Fertigungsmethoden und Fassadenkomponenten stellte einen weiteren, wesentlichen Faktor dar, wodurch das Leistungs- und Erscheinungsbild der Gebäudehülle in ähnlicher Weise revolutioniert werden könnte, wie dies bei der Erfindung des Floatglasverfahrens im Jahre 1955 der Fall war. Die Nutzung von leistungsfähigen Rechnern und neuen Testmethoden ermöglicht heute schon den konstruktiven Einsatz von Glas und die Herstellung völlig transparenter Hüllkonstruktionen. Die Erfindung und Optimierung von Kunststoffen ist ein weiteres Beispiel dafür, wie sich die funktionalen, konstruktiven und gestalterischen Eigenschaften der Gebäudehülle der Zukunft verändern könnten. So hat die Entwicklung von Fluorpolymerfolien (ETFE) die Herstellung von mehrlagigen, weitgespannten Membrankonstruktionen ermöglicht, wodurch nicht nur transparente, sehr leichte und dauerhafte Außenwand- und Dachkonstruktionen erstellt werden können, sondern zugleich auch die wärmetechnischen Eigenschaften bisheriger Membrankonstruktionen um ein Vielfaches verbessert wurden. Die anhaltende Forderung nach leistungsfähigen und flexibel anpassbaren Fassadensystemen wird die Entwicklung der Außenhaut vom statischen System zu einer mehrschaligen und mehrschichtigen, mit Manipulatoren ausgestatteten Gebäudehülle weiter vorantreiben, wobei auch hier der Einsatz neuer und kostengünstiger Werkstoffe und Komponenten eine maßgebliche Rolle spielen wird. Schon heute ermöglichen die bereits erwähnten thermotropen oder elektrochromen Verglasungen eine Veränderung der funktionalen Eigenschaften, und der Wunsch nach Fassaden mit flexiblem U-, g- und tvis-Wert lässt weitere Neuentwicklungen in diesem Bereich für die Zukunft erwarten. Neben den erwähnten Aspekten ist aufgrund der bestehenden rasanten Entwicklung im Bereich der Beschichtungs-, Leuchtdioden- und Visualisierungstechnologien zu erwarten, dass auch das Thema der Fassade als Informationsträger weiter in den Vordergrund rücken wird. Die Veränderung des Erscheinungsbildes der Fassade aufgrund neuer Technologien ist ein durchgängiges Motiv in der Architektur, welches auch in Zukunft Fassade und Dach maßgeblich prägen wird. 3.2 Die Verbindung von Gebäudehülle und Gebäudetechnik Die Verbindung von Gebäudehülle und Gebäudetechnik ist heute schon von ausschlaggebender Bedeutung für eine erfolgreiche Umsetzung innovativer Fassadenkonzepte. 7 ROSENHEIMER Die Gebäudehülle der Zukunft – Tendenzen und Umsetzung FENSTERTAGE 2002 Unter Nutzung des thermischen Auftriebs wird schon heute in modernen Gebäudekonzepten die Durchlüftung von Gebäuden auf natürlichem Weg erreicht, die thermische Aktivierung der Speichermassen im Gebäude ermöglicht den Ausgleich von Tag-/Nachtschwankungen, und Wärmerückgewinnungsanlagen reduzieren den Energieverbrauch von Gebäuden beträchtlich. Fenster, Lüftungsöffnungen und gebäudetechnische Anlagen werden witterungsabhängig automatisch gesteuert und regeln das Innenraumklima selbstständig. Die Vision einer selbstregelnden Gebäudehülle ist teilweise schon Realität; und künftig ist eine zunehmende Verlagerung der Funktionen der traditionellen Gebäudetechnik in die Außenhaut zu erwarten. Hierbei wird die Steuerungstechnik künftig umfangreiche Aufgaben übernehmen müssen, um die Sonnenschutz-, Wärmeschutz- und Lüftungsfunktionen der Gebäudehülle zu regeln und diese gezielt auf die internen Anforderungen, die wechselnden externen Witterungsbedingungen und das Potenzial zur Einlagerung von Kälte- oder Wärmeenergie abzustimmen. Gerade hinsichtlich der Integration von Umweltenergien in das Energiekonzept von Gebäuden spielen sowohl die Gebäudehülle als auch deren effektive Steuerung eine große Rolle; speziell dann, wenn übergeordnete Regelungsstrategien mit den individuellen Nutzeranforderungen in Übereinstimmung gebracht werden sollen. Hier ist die Entwicklung von leistungsfähigen, funktionstüchtigen und übergreifenden Systemen von ausschlaggebender Bedeutung. Schlussbemerkung In Anbetracht der rasanten Entwicklung im Bereich der Erfindung neuer Werkstoffe, Planungsinstrumente und Fertigungsmethoden sowie der zahllosen Kombinationsmöglichkeiten vorhandener Materialien und Systeme scheinen den Möglichkeiten der Fortentwicklung der Gebäudehülle keine Grenzen gesetzt zu sein. Doch gerade aufgrund der großen Vielfalt bedarf es künftig noch stärker als bisher einer zielgerichteten, verantwortungsbewussten und sensiblen Planung, um das Thema der Gebäudehülle im Hinblick auf eine nachhaltige, funktionale und gestalterisch überzeugende Architektur voranzutreiben. Ein hohes technisches Wissen aller Beteiligten und das gestalterische Können der Planer sind hierbei von ausschlaggebender Bedeutung. Das enorme Potenzial der Gebäudehülle kann hierbei der Schlüssel sein, um sowohl in konstruktiver, funktionaler, gestalterischer und ökologischer Hinsicht die Weiterentwicklung einer zukunftsorientierten Architektur zu ermöglichen. 8
