C: Integrative Bauelemente

C05 – Bauphysikalisch adaptive Fassadenelemente

Das Teilprojekt C05 widmet sich der Modellierung, Entwicklung und prototypischen Erprobung bauphysikalisch adaptiver Fassadenelemente. Die damit geschaffenen adaptiven Fassadensysteme sollen dem Nutzerkomfort genügen, Energie einsparen und Ressourcen schonen

„Wie können die neu entwickelten adaptiven Fassadenelemente multi-bauphysikalisch, integral optimiert werden?“

Das Teilprojekt C05 widmet sich der Modellierung, Entwicklung und prototypischen Erprobung bauphysikalisch adaptiver Fassadenelemente. In der ersten Förderperiode stand die hygrothermische Funktionalität und Adaptivität im Vordergrund der Lösungsansätze, wie z.B. ein mehrlagiges, pneumatisch anpassbares Membranelement und durchströmbare Elemente aus Faltkernstrukturen. Auf der Basis der aussichtsreichen experimentellen und rechnerischen Ergebnisse wird in der zweiten Förderperiode die Forschungsfrage auf weitere bauphysikalische Größen, wie z.B. die Akustik, erweitert. Um dabei alle Anforderungen konfliktfrei zu erfüllen und möglichst integral optimierte Fassadenelemente modellieren zu können, werden eine effiziente Methode zur Co-Simulation und ein bauphysikalisches Gesamtbewertungssystem für adaptive Fassadenelemente entwickelt sowie mit Demonstratoren realitätsnah erprobt.

Abbildung1

Schematische Darstellung der multi-bauphysikalischen Anforderungen für die Regelung der adaptiven Fassadenelemente (Quelle: IABP)

Je nach Zustand eines adaptiven Fassadenelements ändern sich neben der Regelgröße auch die anderen bauphysikalischen Eigenschaften. Der Wert einer Stellgröße kann daher z.B. aus wärmetechnischer Sicht optimal sein jedoch aus akustischer Sicht nicht annehmbar. Es bedarf also einer Priorisierung der einzelnen bauphysikalischen Eigenschaften je nach Nutzungsszenario sowie eines integralen Simulationsverfahrens für die bauphysikalischen Bereiche Akustik, Hygrothermik und für die Lebenszyklusanalyse (Teilprojekt D02), um die Fassadenelemente ganzheitlich zu bewerten. In diesem Projekt werden die bestehenden Ansätze überprüft und für die Anwendung von adaptiven Fassadenelementen weiterentwickelt. Dabei werden die einzelnen Simulationsverfahren, die Datenverfügbarkeit und der Datenaustausch (Schnittstellen) für Optimierungsaufgaben betrachtet.

Abbildung2

Schematische Darstellung der Koppelung von Simulationswerkzeugen und Nutzung der einheitlichen Projekt Datenbank (Quelle: IABP)

Ein weiteres Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung eines Gesamtbewertungssystems für adaptive Fassadenelemente. Hierfür werden zunächst die fallspezifischen Anforderungen (Kenn- und Zahlenwerte) in den einzelnen bauphysikalischen Domänen (Akustik, Licht, Feuchte, thermischer Komfort, Luftqualität) definiert, die so auch in den Planungsprozess des Teilprojekts A01 integriert werden können. Anschließend erfolgt eine Priorisierung der Anforderungen auf der Grundlage von typischen bzw. wahrscheinlichen Szenarien, z. B. der zeit- und ortsabhängigen Klima- und Lärmentwicklung. Mit den so entwickelten Werkzeugen sowie mit an sich bekannter Sensorik und Aktorik kann schließlich die Funktionalität des Gesamtsystems aus Fassadenelementen und Regelungskonzepten (Teilprojekt B04) erprobt werden. Dazu ist ein Demonstrator im Realmaßstab für das Demonstrator-Hochhaus vorgesehen.

Abbildung3

Gesamtbewertungsmodell einer Flugzeugkabine basierend auf Messgrößen der multi-bauphysikalischen Disziplinen (Quelle: Eigene Darstellung nach Grün, Fraunhofer IBP)

Zusammen mit den Simulationen und Experimenten erfolgt eine Untersuchung, inwieweit die jeweilige Bewältigung der komplexen Planungs- und Optimierungsaufgabe von neuartigen Visualisierungsmethoden (Teilprojekt B05) profitieren kann. Die Aussicht besteht in einer für alle an der Planung Beteiligten transparenten und übersichtlichen Nachvollziehbarkeit der allein aus bauphysikalischer Sicht sehr komplexen Eigenschaften der Fassadenelemente im Gebäude- und Standortkontext.

Teilprojektleiter

  • Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner, Institut für Akustik und Bauphysik
  • Dr.-Ing. Sumee Park, Fraunhofer-Institut für Bauphysik

Bislang wurden Gebäude so geplant, dass bauphysikalische Eigenschaften wie Schall-, Feuchte- und Wärmeschutz permanent und passiv sind. In Bezug auf adaptive Bauwerke ändert sich das Vorgehen: Bauteile sowie deren bauphysikalische Eigenschaften sind über den Lebenszyklus adaptiv. Um die bauphysikalischen Eigenschaften je nach Bedarf in der gewünschten Größenordnung bereitzustellen, ist dessen symbiotisches Materialverhalten zu berücksichtigen.

Im Teilprojekt C05 werden Ansätze für adaptive, bauphysikalische Materialsysteme zu adaptiven Flächen- und Strukturelementen unter anderem zur schaltbaren Wärmedämmung evaluiert, entwickelt und bewertet. In der ersten Phase geht es insbesondere um das hygrothermische Verhalten der adaptiven bauphysikalischen Materialsysteme. Das Potential wird in der ersten Phase hinsichtlich dieser Kriterien abgeschätzt und für die Anwendung in adaptiven Bauwerken aufgezeigt untersucht.

Ferner werden die Themen Akustik und Nachhaltigkeit sowie Brandschutz beachtet. Multifunktionale bauphysikalische Untersuchungen bieten anschließend weiteres Forschungspotential.

Folgende wissenschaftliche Fragestellungen werden im Teilprojekt C05 untersucht:

  • Welche Möglichkeiten zur schaltbaren Wärmedämmung in adaptiven Bauwerken gibt es?
  • Welche Materialien eignen sich zur schaltbaren Wärmedämmung?
  • Wie können die ausgewählten Materialsysteme modelliert und virtuell unter Einbezug verschiedener Bedingungen evaluiert bzw. bewertet werden?
  • Können die entwickelten Materialsysteme mit bestehenden Kennwerten beschrieben werden oder sind neue Kennwerte notwendig?

Neue Untersuchungen mit offenporigen Materialien zeigen die Potentiale schaltbarer Wärmedämmung. Besonders interessant für Leichtbaukonstruktionen oder noch leichtere Konstruktionen ist die aktive Steuerung z.B. der Luftdurchströmung oder Druckänderung innerhalb der Konstruktion. Mit diesem Ansatz lässt sich die Wärmeleitung durch die Fassade bei Bedarf rasch ändern.

Links: Schichtbauen der durchströmbaren Textilkonstruktion zur Solarenergienutzung. Rechts: Offenporige, strukturierte Metallschäume

Links: Schichtbauen der durchströmbaren Textilkonstruktion zur Solarenergienutzung. Rechts: Offenporige, strukturierte Metallschäume
Dieses Bild zeigt  Simon Weber
M.Sc.

Simon Weber

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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