Gewitzte Gebäudehüllen

Fensterglas lenkt das Licht

Das Arbeitsklima in Bürogebäuden könnte sich zum Beispiel durch Einbau von Fenstern mit sogenanntem Lichtlenkglas deutlich verbessern. An Fenstern mit Normalglas fahren im Sommer, sobald die Sonne ins Büro scheint, automatisch die Jalousien herunter – und sperren das Sommergefühl aus. Die Arbeit an den Schreibtischen erfolgt dann, so wie es auch an dunklen Tagen üblich ist, bei Kunstlicht. Verzichtet man hingegen auf eine Verdunkelung, wird es im Raum schnell unangenehm warm, und auf dem Bildschirm machen sich lästige Blendeffekte breit.

In einem Verbundprojekt unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP in Stuttgart haben Forscher ein Fensterglas mit aufgeprägten, sägezahnartigen Mikrostrukturen entwickelt, das einfallende Sonnenstrahlung zunächst an die Decke umlenkt. Das von dort reflektierte Streulicht erhellt blendfrei und auf natürliche Weise die gesamte Raumtiefe. Wie der Praxiseinsatz des innovativen Fensterglases in der Gesamtschule Krefeld Oppum zeigt, lässt sich die Helligkeitsausbeute mittels hochreflektierender Deckenelemente in Fensternähe nochmals deutlich steigern.

Laut Fraunhofer IBP spart Lichtlenkglas nicht nur 80 Prozent des für künstliche Bürobeleuchtung benötigten Stroms, sondern auch Strom für die Raumkühlung mittels Klimaanlage. Hinzu kommt, dass Mitarbeiter bei natürlichem Licht weniger Fehler machen und motivierter bei der Sache sind als solche, die bei Kunstlicht arbeiten müssen. Während lichtlenkende Gläser schon bald auf den Markt kommen sollen, arbeiten die IBP-Forscher bereits an möglichen Varianten für Oberlichter, die zwar einen Raum auf natürliche Weise erhellen, diesen dabei jedoch auch schnell aufheizen.

Fassade mit Heizung und Klimaanlage

Eine weitere Neuheit, die das Fraunhofer IBP gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Energiewirtschaft und Energiesystemtechnik entwickelt hat, nimmt ebenfalls das Arbeitsklima in Bürogebäuden in den Blick. Es handelt sich um Fassadenmodule, die in ihrem Innern alle Komponenten vereinen, die man braucht, um dahinter liegende Räume zu heizen, zu kühlen und zu lüften. Heizung und Kühlung übernimmt eine Wärmepumpe; für die Lüftung ist ein dezentrales Lüftungsgerät mit integrierter Wärmerückgewinnung zuständig. Den dafür nötigen Strom erzeugt eine ebenfalls integrierte Photovoltaik-Einheit. Alle erforderlichen anlagentechnischen Bauteile sind im Fassadenmodul untergebracht, wodurch ein hoher Vorfertigungsgrad möglich ist.

Die Fassadenmodule sind vor allem für die energetische Sanierung von Schulen und Verwaltungsgebäuden konzipiert, die in Skelettbauweise errichtet wurden – eine Bauweise, bei der anstelle von tragenden Wänden schlanke Pfeiler aus Stahlbeton die Deckenlast abfangen. Von 1950 bis 1990 seien fast ein Drittel aller Bürogebäude als Skelettbauten errichtet worden, teilt das IBP mit. Bei der Sanierung werden die alten Fassadenelemente gegen die neuartigen Technikmodule ausgetauscht. Jedes dieser geschosshohen Module ist für die Versorgung eines bis zu 24 Quadratmeter großen Büroraumes ausgelegt.

Derzeit testen die IBP-Forscher die Technikmodule unter Realbedingungen an der Fassade ihres Versuchsgebäudes im bayerischen Holzkirchen. Das dreistöckige Testhaus mit einem turmartigen vierstöckigen Anbau verfügt über sechs quadratische Räume, die einzeln oder in Kombination der Erprobung verschiedenster Fassaden-Komponenten dienen. Die Fassade besteht aus austauschbaren Segmenten, sodass sich Fassadenelemente mit unterschiedlichsten Aufbauten testen lassen. Von diesem Zweck zeugt schon von Weitem die irritierend uneinheitliche Erscheinung des Gebäudes: Raumhohe Fenstersegmente wechseln sich ab mit halbhohen. Manche von ihnen sind mit Außenjalousie ausgestattet, andere werden von innen verschattet. Es gibt Sonnenblendensysteme mit Horizontal- und solche mit Vertikallamellen. Hinzu kommen zwischen den Fenster-Segmenten montierte, blauschwarz schimmernde Solarpaneele und natürlich die neuentwickelten Technikmodule.

Die Testräume hinter der Fassade sind vollgestopft mit modernster Messtechnik. Dort wird untersucht, wie viel Energie ein Fassadensystem für Beheizung, Kühlung und Beleuchtung des Raumes verbraucht. Zudem interessiert die IBP-Wissenschaftler, wie es um die visuelle und raumklimatische Behaglichkeit im Raum bestellt ist. Zeitabhängig gesteuerte Wärme- und Feuchtequellen stellen die Arbeitsbedingungen in einem realen Büro nach. Messfühler zeichnen kontinuierlich Temperatur, Feuchte, Luftbewegung sowie die Lichtverhältnisse auf und leiten die erfassten Werte weiter in eine Datenbank. Um vergleichende Messungen zu ermöglichen, sind alle Testräume des Gebäudes ähnlich aufgebaut. Was sich jeweils ändert, ist lediglich die Fassade.

Wasserfänger am Haus

Im Erprobungsstadium befindet sich auch „Hydroskin“, eine vollkommen anders geartete Fassadenkonstruktion, die nicht nur das Raumklima im Innern eines Gebäudes verbessert, sondern darüber hinaus nach außen wirkt. Hydroskin besteht aus textilen Leichtbauelementen, die schräg auf die Fassade treffendes Regenwasser aufnehmen und in Dürreperioden wieder verdunsten. Dabei entstehende Verdunstungskälte kühlt das Innere des Gebäudes und dazu den umgebenden Stadtraum. Aktuell laufen fünf Hydroskin-Elemente an einem Versuchsturm der Universität Stuttgart im Testbetrieb.

Mit Hydroskin haben urbane Fassaden das Potenzial, bei der Anpassung der Städte an den Klimawandel eine gewichtige Rolle zu spielen. Deutschlandweit nehmen Starkregen und Hitzewellen mit Temperaturen über 30 Grad Celsius zu. Insbesondere in Innenstädten mit ihrer dichten Bebauung und den versiegelten Böden staut sich die Hitze. Gießt es dagegen aus allen Kübeln, ist die Kanalisation schnell überfordert, sodass Keller volllaufen und Straßen überflutet werden. Um niederprasselnde Wassermassen zu puffern, sind unversiegelte Flächen zur Versickerung nötig, die in Innenstädten jedoch ein rares Gut sind. Da liegt es nahe, Flächen zu nutzen, die sowieso schon da sind. „Als größte Fläche in Innenstädten sind Fassaden der längste Hebel, um das Kleinklima zu steuern“, sagt Christina Eisenbarth, die Hydroskin im Rahmen ihrer Doktorarbeit am Institut für Leichtbau, Entwerfen und Konstruieren der Universität Stuttgart entwickelt hat.

Hydroskin-Fassaden bestehen aus zwei von borstenartigen Fäden auf Abstand gehaltenen Textilschichten in einem Aluminium-Rahmen. Die wabenförmig angeordneten Fäden sorgen für die nötige Formstabilität des 3D-Textils: „Zugleich ergibt sich durch die Wabengestalt eine besonders große Oberfläche im Innern, die optimal von Luft durchströmt wird“, erläutert Eisenbarth. „Das verstärkt den Verdunstungskühleffekt.“ Größe und Gestaltung der Elemente seien flexibel anpassbar, sagt die Architektin.

Textilien sorgen für Kühlung

Trifft Regen auf die Hydroskin-Fassade, dringen die Tropfen durch die wasserdurchlässige Außenhülle und werden über die Verbindungsfäden auf eine Folie im Innern geleitet, an der sie in eine Rinne ablaufen. Im Gebäude wird das Wasser gespeichert und kann dort, wo es möglich ist, Frischwasser ersetzen. An heißen Tagen wird es zurück in die Textilelemente geleitet, wo es verdunstet und auf natürliche Weise die Fassade des Gebäudes sowie dessen Umgebung kühlt. „Damit funktioniert Hydroskin grundlegend anders als herkömmliche Klimaanlagen, die zwar das Innere eines Gebäudes kühlen, mit der entzogenen Wärme jedoch die Umgebung aufheizen“, führt Christina Eisenbarth aus.

Nach einem ähnlichen Prinzip wie Hydroskin funktioniert auch die Schwammfassade, die Forscher am Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (UMSICHT) in Dortmund entwickelt haben. Der Vertical Water Sponge besteht aus gerahmten Modulen mit einer für Regen durchlässigen Außenseite aus Lochblech, deren Inneres aus zerkleinerten Recyclingmaterialien mit einer hohen Wasserspeicherkapazität besteht. Infrage kommen beispielsweise Bims, Ziegel, Porenbeton oder Kalksandstein. Die Module werden an die Fassade geschraubt und an die Dachentwässerung angeschlossen.

Montiert an einem frei stehenden, sechsstöckigen Wohnblock mit einer Grundfläche von 120 Quadratmetern und einem angenommenen Fensteranteil von 25 Prozent soll solch eine Schwammfassade nach Berechnungen der UMSICHT-Forscher bis zu 10.000 Liter Wasser speichern können – eine Menge, die ausreiche, um bei Hitzewellen die Gebäude-Umgebung per Verdunstungskälte über mehrere Tage zu kühlen, heißt es. Ob das auch so funktioniert wie berechnet, wird derzeit unter Praxisbedingungen untersucht.

Ein anderes Fassadensystem des Fraunhofer UMSICHT, das ebenfalls das Kleinklima im Gebäude und in dessen näherer Umgebung verbessert, dies allerdings mithilfe von Grünpflanzen erreicht, hat es dagegen bereits bis auf den Markt geschafft. Es besteht aus nach vorn offenen Kalksandstein-Modulen mit integrierter Pflanzrinne, die mit Substrat gefüllt und mit Gräsern, Blumen, Kräutern oder Tomatenstauden bepflanzt werden können. Bewässert wird von oben. Da Kalksandstein Flüssigkeit gut leitet, erreicht das Gießwasser allein durch die Schwerkraft auch noch die untersten Pflanzrinnen. Die Pflanzen wachsen nach vorn aus den Modulen heraus und bedecken nach einiger Zeit die vertikale Fläche. Die Module lassen sich für nahezu jede Fassade passend kombinieren.

Großflächige Fassadenbegrünung ohne bodengebundene Pflanzen geriet erstmals durch den 2013 fertiggestellten Bosco Verticale in Mailand in die Schlagzeilen. Die Terrassen und Balkone an den Fassaden der beiden 80 und 110 Meter hohen Wohntürme ließ Architekt Stefano Boeri mit rund 900 Bäumen und über 2.000 anderen Pflanzen begrünen. Eine weitere Renommierimmobile mit weitläufiger Grünfassade, entworfen von Christoph Ingenhoven, steht in Düsseldorf und wurde 2021 fertiggestellt. Der Kö-Bogen II ist ein zweiteiliges Geschäfts- und Bürogebäude, auf dessen Dachfläche sowie an dessen Nord- und Westfassade über 30.000 Hainbuchen-Heckenpflanzen wachsen.

Großer Aufwand für das Grün

Grünfassaden dämpfen Lärm, sparen Energie, kühlen sowohl das Gebäude-Innere als auch die Umgebung, binden CO₂, Stickoxide und Feinstaub, produzieren Sauerstoff und fördern darüber hinaus die Artenvielfalt. Doch sie sind wartungsintensiv. Die Pflanzen müssen regelmäßig bewässert, gedüngt und geschnitten, junge Triebe aufgebunden und das Herbstlaub entfernt werden. Je höher die Fassade, desto größer der Aufwand.

Eine vergleichsweise wartungsarme Alternative könnten mit Algen begrünte Fassadenelemente sein. Auch Mikroalgen können Sauerstoff produzieren und Schadstoffe binden und abbauen, benötigen dafür jedoch keine gärtnerische Pflege. Zudem sind sie außerordentlich robust. Selbst längere Trockenphasen überstehen die winzigen Einzeller, von denen mehrere Tausend Arten existieren, unbeschadet.

An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) werden aktuell Fassadenelemente aus Beton entwickelt, auf denen dauerhaft ein Biofilm aus Mikroalgen wächst. „Die raue, poröse Oberflächenstruktur von Beton fördert die Besiedlung“, sagt Julia von Werder, BAM-Expertin für mineralische Baustoffe und Leiterin der Forschungsarbeiten. Beton sei dafür ein ideales Material, führt sie aus, denn seine Rezeptur lasse sich problemlos an unterschiedlichste Anforderungen anpassen.

Ein Mikrobiom auf Beton

Damit auf Beton Algen wachsen, muss die Oberfläche feucht gehalten und der pH-Wert reduziert werden. Dann entwickelt sich schon nach kurzer Zeit ein komplexes Mikrobiom aus vielen verschiedenen Organismen, darunter neben Algen auch Pilze und Bakterien. Allerdings verändere sich das Mikrobiom ständig, erläutert von Werder. „Dabei kann es sogar passieren, dass die Farbe der Fassade von sattgrün zu mattbraun wechselt.“ Die weitere Forschung wird sich schwerpunktmäßig mit der Frage beschäftigen, wie sich die Besiedelung der Betonelemente beschleunigt und die Zusammensetzung des Mikrobioms dauerhaft ausbalanciert werden kann.

Klappt das, könnte sich die Akzeptanz für Algenfassaden deutlich verbessern. Denn obwohl Algen völlig harmlos sind, will sie niemand an der Fassade haben. Oft werden sogar Biozide eingesetzt, um Algen wieder loszuwerden. In diesem Punkt ist also noch Überzeugungsarbeit zu leisten.

Wohnraum für Menschen und Tiere

Probleme, die eine andere Art der Fassade, die sich ebenfalls mit lebenden Organismen beschäftigt, vermutlich nicht haben wird. Animal-Aided Design nennt sich ein Architekturkonzept, das Wohnraum nicht nur für Menschen schaffen will, sondern auch für in der Stadt lebende Wildtiere. Dabei verbergen sich die Wohnungen für Spatzen, Mauersegler oder Fledermäuse hinter der Fassade in eingelassenen Hohlziegeln, die Raum bieten für einen Nist- oder Schlafplatz, nach außen jedoch nur als schlitzförmige Einflugöffnung erkennbar sind. Erstmals verwirklicht wurde dieser Ansatz in einem Münchner Wohnblock, der 2019 von Menschen und Tieren bezogen wurde.

Tiergerechte Fassaden könnten der Artenvielfalt im städtischen Raum, die im Zuge von Nachverdichtung und Bodenversiegelung stark unter Druck geraten ist, wieder auf die Beine helfen, hofft Wolfgang Weisser, Professor für Terrestrische Ökologie an der Technischen Universität München, der das Konzept mitentwickelt hat: Die Gebäudehülle dürfe nicht länger eine Trennschicht zwischen Innen und Außen sein, fordert der Wissenschaftler: „Sie sollte vielmehr als Übergangsraum betrachtet werden, den eine Vielzahl an Lebensformen gemeinsam nutzen.“

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…