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Future Facade – Solarthermisch aktivierte funktionsintegrierte Metallfassade

Das Forschungsprojekt „Future Facade“ ist eine Reaktion auf die notwendige und unumgängliche Verknüpfung von Klimaschutz und Energie- und Ressourceneffizienz im Baugewerbe. Die Integration von Solarthermie in die Fassade birgt große Potentiale zur Gewinnung solarer Erträge, die bisher weitestgehend ungenutzt bleiben. Obwohl das Leibniz -Institut für ökologische Raumentwicklung (IÖR) in einer Studie insgesamt 12.000 Quadratkilometer Fassadenfläche in Deutschland als solar nutzbar ausweist, existieren bisher noch keine architektonisch anspruchsvollen solarthermischen Fassadenelemente (siehe Anmerkungen).

Inkrementell geformte Fassadenpaneele. Grafik: Fraunhofer IWU, Peter Scholz
Inkrementell geformte Fassadenpaneele. Grafik: Fraunhofer IWU, Peter Scholz

Die Kombination von Solarthermie an innerstädtischen Fassadenflächen und Photovoltaik auf Dächern kann zur Warmwasserbereitung, Heizunterstützung und Kühlung im Haushalt genutzt werden. Hinsichtlich unabsehbarer Entwicklungen der Kosten aller Brennstoffe bietet Solarthermie eine nachhaltige und kostengünstige Alternative.

Schematische Darstellung eines Kollektormoduls. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Linda Schmidt
Schematische Darstellung eines Kollektormoduls. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Linda Schmidt

Innovation

Die Innovation des Projektes stellt der neuartige Aufbau der Module und die gewählte Fertigungstechnik dar. Während herkömmliche Kollektoren optisch immer durch Glas und die dunkelblaue Absorberfläche zu erkennen sind, können durch Mono-Material-Paneele aus Metall komplexere Erscheinungsbilder erzeugt werden. Zusätzlich sind diese Fassadenelemente nahezu komplett rezyklierbar gestaltet und kommen weitestgehend ohne Kombination mit anderen Materialien und Verklebungen aus. Die gewählte Fertigungstechnik der Inkrementellen Blechumformung stellt ebenso eine Innovation dar. Hierbei werden mittels Drückdorn und einer Patrize komplexe Geometrien erzeugt. Die Umformtechnik ist vor allem für komplexe, individuelle Vorhaben geeignet.

Fördermittelgeber und Partner

Um die unterschiedlichen Bereiche Architektur, Maschinenbau, Metallbau und Solarthermie zusammenzubringen, wurde vom Fördermittelgeber „Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen“ (AiF) und der Forschungsvereinigung Stahlanwendung (FOSTA) ein internationales Verbundprojekt zwischen der Hochschule für Technik Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK), dem Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) und der CRM-Group aus Belgien initiiert. So konnte ein Pool an diversem Knowhow zur Umsetzung des Projekts entstehen.

Fertigungsorientiertes Konstruktions-und Gestaltungskonzept

Im Forschungsprojekt wurde nach einer Lösung für die Verknüpfung von architektonischem Anspruch und Nachhaltigkeit gesucht. Die von außen nicht ersichtliche Funktionsintegration wird durch zwei kombinierte Blechpaneele erreicht, die nicht sichtbar miteinander verschweißt werden.

Die Geometrieoptimierung des äußeren Paneels stand zu Beginn des Projekts im Vordergrund, um die Module möglichst effizient an die Einstrahlungsbedingungen mit Hilfe standortbezogener Wetterdaten anzupassen und gleichzeitig die Fertigungsbeschränkungen zu berücksichtigen. Die Anpassung der Modulgeometrie und somit der solar aktiven Fläche und der Einstrahlwinkel wird durch die verwendeten digitalen parametrischen Entwurfswerkzeuge reguliert. Dadurch können die Erträge gesteuert und optimiert werden, was eine zukunftsweisende Entwicklung im nachhaltigen Bauen darstellt.

Das innere Paneel stellt das Trägermedium für die Kanalstruktur, die als klassische Harfe angelegt ist, dar. Hinsichtlich einer möglichst energieeffizienten Auslegung der Fluidkanäle innerhalb der Fassadenelemente wurden Fluidsimulationen (CFD) durchgeführt, um die bestmögliche Performance des Fassadenelementes zu erreichen.

Schematische Darstellung Hydraulik. Grafik: FLEX@HTWK Leipzig, Linda Schmidt
Schematische Darstellung Hydraulik. Grafik: FLEX@HTWK Leipzig, Linda Schmidt

Fertigung

Nach einer ersten gemeinsamen Materialvorauswahl wurden Umformversuche mittels Inkrementeller Blechumformung durchgeführt. An den ersten umgeformten Blechen wurden Schweiß- und Beschichtungstests umgesetzt, um die richtige Materialität und Blechdicke für eine fehlerfreie Herstellung festlegen zu können. Hierbei hat sich 0,8mm dicker kaltgewalzter Stahl als beste Option für die Fertigung herausgestellt. Ausschlaggebend für die Effizienz des Solarthermiepaneels ist außerdem die Beschichtung des Metalls, welche einerseits Korrosionsschutz durch eine Aluminiumbeschichtung bietet und gleichzeitig durch eine Solgel-Beschichtung (C-SiOx) die solare Absorption auf 93,5% steigert.

Konstruktion

Damit eine Fassade mit integrierter Solarthermie gegenüber herkömmlichen Fassadensystemen wirtschaftlich produziert werden kann, muss die Herstellung (Designprozess und Fertigung) parametrisch, anpassbar und automatisiert erfolgen. Hierfür wurde ein Algorithmus geschaffen, welcher Planungsbüros zukünftig als Analysetool für solarthermische Designs dienen soll. Dieser berücksichtigt Fertigungsvoraussetzungen und -einschränkungen ebenso wie die Erträge und damit die Effizienz des jeweiligen Designs.

Grafisches Ergebnis Solaranalyse. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Martin Dembski
Grafisches Ergebnis Solaranalyse. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Martin Dembski

Das Fassadenpaneel ist als Kassette ausgebildet und kann so in die Bolzenaufhängung von Fassadenkonstruktionen diverser Hersteller eingehangen werden. Durch die Verwendung einer standardisierten Unterkonstruktion kann der Aufwand für Montage und Wartung minimiert und die Wirtschaftlichkeit erhöht werden.

Darstellung Fassadenunterkonstruktion. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Martin Dembski
Darstellung Fassadenunterkonstruktion. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Martin Dembski

Forschungsergebnis

Das Projektergebnis wurde in einer Modellfassade veranschaulicht, welche einen Vergleich der Leistung zu herkömmlichen Kollektoren ermöglichen soll. Sie kann für Langzeitstudien und –messungen Vergleichswerte liefern. Zum Projektende entstand eine solarthermisch aktivierte funktionsintegrierte Metallfassade, die das Potential birgt, neue Erscheinungsbilder für den städtischen Raum zu erzeugen und den Umgang mit erneuerbaren Energien positiv zu beeinflussen.

Visualisierung Beispielfassade. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Linda Schmidt
Visualisierung Beispielfassade. Grafik: FLEX@HTWK-Leipzig, Linda Schmidt

flex.htwk-leipzig.de/futurefacade/

Leiter der Forschungsgruppe: Prof. Alexander Stahr
Projektleitung: Prof. Alexander Stahr, Linda Schmidt
Projektmitwirkende: Martin Dembski, Max Höhne

Projektförderung
AiF Projekt GmbH, www.aif-projekt-gmbh.de
CORNET: COllective Research NETworking, cornet.online

Praxispartner
Fraunhofer IWU, www.iwu.fraunhofer.de
CRM Group, www.crmgroup.be
Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V., www.stahlforschung.de

Assoziierte Partner
SCHRAG Fassaden GmbH, www.schrag-fassaden.de
Dachbau Stassfurt GmbH, www.dachbau-stassfurt.de
Montagebau Becker GmbH, www.mbb-weimar.de


Die Autorin Linda Schmidt, wissenschaftliche Mitarbeiterin an der HTWK Leipzig, erarbeitet eine solarthermisch aktivierte Metallfassade zur nachhaltigen Energiegewinnung für Bestands- und Neubauten. Ihr Architekturstudium brachte ihr das benötigte Knowhow um das Fassadensystem in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern im Verbundforschungsprojekt zu entwickeln.

Anmerkungen
Behnisch, M.; Münzinger, M.; Poglitsch, H.: Die vertikale Stadt als solare Energiequelle? Theoretische Flächenpotenziale für bauwerksintegrierte Photovoltaik und Abschätzung der solaren Einstrahlung. In: Transforming Cities 4 (2020), S. 62-66.
Behnisch, M.; Münzinger, M.; Poglitsch, H.; Willenborg, B.; Kolbe, T. H.: Anwendungsszenarien von Geomassendaten zur Modellierung von Grünvolumen und Solarflächenpotenzial. In: Meinel, G.; Schumacher, U.; Behnisch, M.; Krüger, T. (Hrsg.): Flächennutzungsmonitoring XII mit Beiträgen zum Monitoring von Ökosystemleistungen und SDGs. Berlin: Rhombos, 2020, S. 251-261 (IÖR-Schriften 78).