Hierzu wurden schon sehr früh verschiedenartigste Fassadenkomponenten, beispielsweise Markisen, Klapp-, Schiebe- oder Faltläden, entwickelt. Bei der Integration dieser Manipulatoren in die Fassade standen von je her sowohl funktionale als auch gestalterische Aspekte im Vordergrund (Abb. 1).
Der Einsatz von Manipulatoren spielt auch beim heutigen Bauen zunehmend eine Rolle, da einerseits die Anforderungen hinsichtlich des Energieverbrauchs und des Komforts deutlich zugenommen haben, andererseits das Spektrum an möglichen Materialien, Komponenten und Techniken in den letzten Jahren sehr stark erweitert wurde.
Der Betriebsenergieverbrauch wird bestimmt von den nutzerbedingten Anforderungen und den klimatischen Gegebenheiten und schwankt im Bereich von Verwaltungsbauten in Abhängigkeit von der Konzeption der Gebäudehülle und dem Nutzerverhalten beträchtlich.
Im allgemeinen teilt sich bei konventionellen Bürogebäuden der Energieverbrauch in etwa folgendermaßen auf:2
• RLT/Kälteanlagen 40%
• Lüftung/Heizung 40%
• Beleuchtung 20%
Entsprechend der jeweiligen Energieverbrauchsart, können die Ziele des Einsatzes von Manipulatoren zur Minimierung des Betriebsenergieaufwandes in folgender Weise zusammengefasst werden (Abb. 2):
• Reduzierung der Kühllasten mittels wirkungsvollem Sonnenschutz und Nachtlüftung
• Reduzierung der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste
• Tageslichtsteuerung und tageslicht- abhängige Beleuchtungssteuerung
Bei einer gesamtheitlichen Betrachtung des Energieverbrauchs von Gebäuden spielt neben dem Betriebsenergieaufwand der Herstellungsenergiebedarf in Abhängigkeit von der Lebensdauer des Gebäudes und seiner Komponenten sowie der Aufwand zur Entsorgung bzw. Wiederverwendung eine entscheidende Rolle.
Während die Lebensdauer für das Tragwerk eines Gebäudes durchaus 150 Jahre und mehr betragen kann, wird bei Fassadenkomponenten von einer maximalen Lebensdauer von ca. 25 Jahren ausgegangen, weshalb gerade hier der Herstellungsenergieaufwand sowie die Frage der Wiederverwertbarkeit beachtet werden muss.
Komponenten zum temporären Wärme- bzw. Sonnenschutz von Fassaden
Wie in Abbildung 3 gezeigt wird, besteht eine große Auswahl an Komponenten, die für den Wärme- und Sonnenschutz von Fassaden eingesetzt werden können. Von diesen Fassadenkomponenten haben drehbare Lamellen den Vorteil, dass diese sehr einfach den jeweiligen Erfordernissen angepasst werden können und die Durchsicht bei entsprechender Ausrichtung nur geringfügig beeinträchtigt wird.
Zudem erlaubt die drehbare Lagerung die Anpassung des Systems an unterschiedliche Sonnenstände, was sich sowohl bei horizontaler Anordnung vor Südfassaden als auch bei vertikaler Anordnung vor Ost- oder Westfassaden sehr positiv auf die Tageslichtnutzung und die Möglichkeiten des Blendschutzes auswirkt.
Der Luftaustausch wird bei dem Einsatz von Lamellen als Sonnenschutzelement im Vergleich zu Rolladen oder Schiebeladen nur sehr geringfügig behindert, was gerade während der Sommermonate einen entscheidenden Vorteil zur Vermeidung von Überhitzung darstellt.
Manipulatoren auf der Basis nachwachsender Rohstoffe in Zweite-Haut-Fassaden
Ausgehend von den beiden Zielen, einerseits den Energieverbrauch von Verwaltungsgebäuden zu minimieren, andererseits den Komfort der Nutzer zu maximieren, wurden in den letzten Jahren verschiedene mehrschalige Glasfassadensysteme entwickelt, von welchen die sogenannte »Zweite-Haut-Fassade« eine der interessantesten Varianten darstellt.
Lüftungsöffnungen in der äußeren und inneren Schale erlauben im Gegensatz zu Abluftfassaden einen natürlichen Luftaustausch, wodurch bei entsprechender Ausbildung und Abstimmung von Fassade, Gebäude und gebäudetechnischen Anlagen der Energieverbrauch für die künstliche Belüftung auf ein Minimum reduziert werden kann. Gerade bei Gebäuden mit hohen Windlasten, wie beispielsweise bei Hochhäusern, lässt sich so der erforderliche Luftwechsel über einen großen Zeitraum des Jahres hinweg auf natürliche Weise bewerkstelligen. Die Anordnung einer »Zweiten Haut« ermöglicht neben einem verbesserten Schallschutz die Vorwärmung der Zuluft im vorgelagerten Fassadenzwischenraum, wodurch die Lüftungswärmeverluste verringert werden können.
Ein bisher wenig beachtetes Potential von »Zweite-Haut-Fassaden« besteht jedoch darin, dass Sonnen- und Wärmeschutzsysteme im Fassadenzwischenraum wettergeschützt untergebracht sind. Hierdurch ergibt sich neben funktionalen Vorteilen die Möglichkeit, über ein erweitertes Spektrum von Werkstoffen zur Herstellung solcher Komponenten zu verfügen. Neben gestalterischen Teilaspekten und Fragen des Betriebsenergieaufwandes steht hierbei unter Berücksichtigung der Gesamtenergiebilanz einer Fassade vor allem der Primärenergieinhalt der Einzelkomponenten im Vordergrund.
Das Ziel einer Untersuchung von Manipulatoren für »Zweite-Haut-Fassaden« war daher die Entwicklung von Komponenten, die aufgrund ihrer funktionalen, konstruktiven und gestalterischen Eigenschaften sowie ihres geringen Primärenergieinhaltes besonders geeignet sind, einen möglichst großen Beitrag zur Senkung des Herstellungs- und Betriebsenergiebedarfs von Verwaltungsgebäuden zu leisten.
Vergleicht man den Primärenergieinhalt der verschiedenen Werkstoffe die im Bereich von Sonnen- und Wärmeschutzsystemen eingesetzt werden, so fällt auf, dass Holz gegenüber Aluminium sowohl volumen- als auch gewichtsbezogen enorme Vorteile besitzt.
Aufgrund der vorhergehend genannten funktionalen Vorteile von drehbaren Lamellensystemen wurde daher untersucht, inwiefern sich Holzwerkstoffe und andere Materialien mit niedrigem Primärenergieinhalt zur Herstellung derartiger Wärme- und Sonnenschutzsysteme einsetzen lassen.
Holzlamellensysteme
Auf der Basis von Voruntersuchungen von unterschiedlichen Holzarten und Querschnittsformen wurde eine Lamelle aus Birkensperrholz mit linsenförmigem Profil entwickelt, welche ein günstiges Verhältnis von Lamellenbreite zu -höhe aufweist. Die Kombination einer rippenförmigen Unterkonstruktion mit einer Beplankung aus ca. 2 mm starkem Birkensperrholz stellt eine in konstruktiver Hinsicht sehr leistungsfähige Verbindung dar, wie sie beispielsweise im Segelflugzeugbau zum Einsatz kommt.
Hinsichtlich des Wärmeschutzes sowie der freien Durchsicht ist zu beachten, dass durch die Lamellenbreite zugleich der Achsabstand der Lamellen bestimmt wird, da diese in vertikaler Stellung die Fassade vollständig abdecken. Dies ist sowohl hinsichtlich des Sonnenschutzes bei flachstehender Sonne als auch des Wärmeschutzes zur Ausbildung einer Pufferzone vor der Fassade notwendig.
Bei einer festgelegten Spannweite der Lamelle ist zum Erreichen einer möglichst uneingeschränkten Durchsicht bei horizontaler Stellung der Lamellen eine geringe Bauhöhe erwünscht.
Im Rahmen der experimentellen Untersuchung hatte die Lamellenhöhe bei einer Spannweite von ca. 1,70 m lediglich 30 mm betragen.
Es wurden folgende Varianten untersucht, um neben gestalterischen Teilaspekten vergleichende Aussagen zu den Wärme- und Sonnenschutzeigenschaften der verschiedenen Systeme zu erhalten:
• Birkensperrholzlamelle ohne Kerndämmung
im Lamellenhohlraum7,
• Birkensperrholzlamelle mit Kerndämmung,
• Aluminiumlamelle mit Deckschicht aus Birkensperrholz ohne Kerndämmung,
• Aluminiumlamelle mit Deckschicht aus Birkensperrholz mit Kerndämmung.
Während der Messungen unter verschiedenen Witterungsbedingungen wurden die Lamellen tagsüber dem Sonnenstand nachgeführt, um bei Vollverschattung der Fassade die Durchsicht möglichst wenig einzuschränken. Nachts wurden die Lamellen bei kalter Witterung geschlossen gehalten, um den Wärmedurchgangswiderstand der Fassade zu verbessern.
Neben den erwähnten Varianten ist außerdem eine handelsübliche Aluminumlamelle experimentell untersucht worden, um Vergleichswerte gegenüber dem entwickelten Prototyp aus Holz sowie der Variante aus Aluminium mit Birkensperrholzbeplankung zu erhalten.
Es wurde außerdem eine Variante der Birkensperrholzlamelle entwickelt, die aufgrund von Aussparungen in der Lamellenoberfläche besondere lichttechnische Eigenschaften besitzt. Diese Birkensperrholzlamelle mit Folienbespannung konnte im Rahmen der experimentellen thermischen Untersuchung nicht berücksichtigt werden (Abb. 17, 18).
Bewertung verschiedener Lamellensysteme
Primärenergieinhalt
Auf der Basis von Berechnungsverfahren zur Ermittlung des Primärenergieinhaltes verschiedener Hochbaukonstruktionen wurden die verschiedenen Lamellensysteme miteinander verglichen.
Wesentliche Beurteilungskriterien waren hierbei der Energieaufwand für die Herstellung von der Gewinnung der Rohstoffe bis zur Fertigung der Komponenten. Der Aufwand auf der Baustelle wurde als Profilkriterium einbezogen. Bei der Berücksichtigung der Nutzungszeit war der Aufwand für den Ersatz eingeschlossen.
Als Indexkriterien dienen der Treibhauseffekt in g CO2 eq. sowie der Beitrag zur Versäuerung in g SO2 eq. bezogen auf die Fassadenfläche.
Bei der Ermittlung dieser Kriterien ergaben sich die in Abbildung 23, S. 433 dargestellten Werte, wobei die Holzlamelle im Vergleich zu den beiden Alternativen den mit Abstand geringsten Primärenergieinhalt besitzt.
Reflexionseigenschaften von Holzoberflächen
Die Reflexionseigenschaften von Komponenten zum Wärme- und Sonnenschutz von Fassaden stellen ein wesentliches Kriterium dar, um eine Überhitzung von Innenräumen oder Fassadenzwischenräumen zu verhindern. Zudem können stark reflektierende Materialien zur gezielten Reflexion des Tageslichtes in das Gebäudeinnere eingesetzt werden.
Um Aussagen hinsichtlich der strahlungstechnischen Eigenschaften von hellen Holzarten wie Ahorn- und Birkensperrholz zu erhalten, wurden die Reflexionseigenschaften dieser beiden Werkstoffe im Vergleich zu mattsilber gefärbtem Aluminium untersucht.
Bei unbewittertem Ahornfurnierholz wurden in Abhängigkeit von der Oberflächenbehandlung Reflexionsgrade für das Tageslichtspektrum von ca. 57 bis 71 % gemessen. Nach einer künstlichen Schnellbewitterung der Holzproben lagen die Werte bei 33 % bis 57 %.
Bei unbewittertem Birkenfurnierholz lagen die Reflexionsgrade in Abhängigkeit von der Oberflächenbehandlung zwischen 55 % und 67 %. Nach erfolgter Schnellbewitterung wurden hier Werte für die Reflexion von Tageslicht von ca. 36 % bis 63 % gemessen.
Thermische Eigenschaften
Eine erste Auswertung der experimentellen Untersuchungen zeigte, dass sowohl die Holzlamellen als auch die Holz-Alu- bzw. Alu-Lamellen in funktionaler Hinsicht gute Sonnen- und Wärmeschutzeigenschaften besitzen und sich daher zum Einsatz in »Zweite-Haut-Fassaden« gut eignen.
Eine Überhitzung des Innenraums gegenüber der Außenlufttemperatur wurde auch bei intensiver Solarstrahlung und hohen Außenlufttemperaturen weitgehend vermieden. Allerdings muss unbedingt beachtet werden, dass bei intensiver Sonneneinstrahlung die Luft im Fassadenzwischenraum um bis zu ca. 4 K gegenüber der Außenluft erwärmt wird, was den Komfort im Rauminneren bei Fensterlüftung sehr stark beeinträchtigt.
Hinsichtlich des Wärmeschutzes zeigen die drei Lamellenvarianten ebenfalls vergleichbar gute Werte, wobei die Holzlamelle im Hinblick auf Lamellenhöhe und Materialeinsatz die effizienteste Variante darstellt.
Lamellenverformung
Die Verformung der Lamellen unter Einbaubedingungen während der Versuchsdauer von 20 Wochen erlaubt erste Aussagen zu der Verformungsfestigkeit der Lamellen innerhalb der »Zweite-Haut-Fassade« unter sommerlichen Witterungsbedingungen.
Während des angegebenen Zeitraums wurden die Lamellen durchgehend in horizontaler Position gehalten, um die Beanspruchung durch Eigengewicht in Relation zum Lamellenquerschnitt möglichst hoch zu halten. Das Eigengewicht der untersuchten Lamellen lag bei 1740 g für die Holz-Lamelle und bei 5200 g für die Alu-Lamelle.
Bei der angegebenen Länge von ca. 165 cm beträgt in horizontaler Stellung die statisch relevante Lamellenhöhe 3 cm (l/55), in vertikaler Position hingegen 25 cm (l/6,5).
Trotz des sehr schlanken Querschnitts der Holzlamelle wurden nur sehr geringe Verformungen gemessen, die in Lamellenmitte in einem Bereich von etwa 1,2 mm lagen, was auf die hohe Leistungsfähigkeit von Birkensperrholz hinweist.
Licht- und Raumwirkung
Hinsichtlich der Licht- und Raumwirkung wurde neben den drei erwähnten Lamellenalternativen eine weitere Variante untersucht, die in konstruktiver Hinsicht der Birkensperrholzlamelle entspricht. Das wesentliche Merkmal dieser Lamelle ist die Lichtdurchlässigkeit der mit Aussparungen versehenen Lamellenoberfläche, die mit einer tageslichtdurchlässigen, recyclingfähigen Kunststofffolie bespannt wurde.
In Abhängigkeit von der Lamellenstellung und den Tageslichtverhältnissen beeinflussen diese vier Alternativen das Lichtmilieu im Innenraum auf sehr unterschiedliche Weise. Während die Holzlamellen den Tageslichteinfall bei geschlossener Lamelle vollständig verhindern, durchdringt das Tageslicht zu einem gewissen Anteil die folienbespannte Lamelle (Abb. 17, 18).
Je nach Folienmaterial wird dabei das Licht unterschiedlich stark gestreut, wodurch der Raum sehr gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Durch die gekrümmte Oberfläche der Birkensperrholz- sowie folienbespannten Lamelle ergibt sich in Abhängigkeit von Lamellenneigung und Sonnenstand eine unterschiedliche Reflexion des Tageslichts an der Lamellenoberfläche.
Die Aufnahmen des Innenraums mit Birkensperrholzlamellen unter verschiedenen Sonnenständen und Neigungswinkeln zeigen sehr deutlich, dass trotz Vollverschattung der Fassade diffuses bzw. reflektiertes Tageslicht in den Raum gelangt (Abb. 9 – 16).
Die Lichtfarbe des in den Raum reflektierten Tageslichts wird dabei durch die Eigenfarbe der Lamellenoberfläche beeinflusst, wobei im Gegensatz zu den Aluminiumlamellen die Birkensperrholzlamellen ein sehr warmes Licht in den Raum reflektieren. Obwohl die folienbespannte Birkensperrholzlamelle nicht in der Testfassade eingebaut wurde, kann hier davon ausgegangen werden, dass das Licht nahezu farbneutral in den Raum reflektiert würde.
Bedingt durch die Mehrfachreflexion des Tageslichts an der Lamellenoberfläche, wird auch die Rückseite der Lamellen aufgehellt, wodurch im Gegensatz zu anderen Sonnenschutzsystemen keine dunkle Oberfläche entsteht, sondern das Erscheinungsbild der verwendeten Materialien noch hervorgehoben wird. Dies kann einerseits als gestalterisches Mittel bewusst eingesetzt werden, andererseits reduziert dies den Helligkeitskontrast zwischen den Bereichen mit freiem Durchblick und der Lamelle, was sich positiv auf die Verminderung der Blendwirkung durch übermäßige Leuchtdichtekontraste auswirkt.
Erscheinungsbild von außen
Abhängig von den Lichtverhältnissen im Freien und im Rauminneren wirken die Lamellen sehr unterschiedlich (Abb. 4–6).
Während bei Tag die Farbgebung, die Oberflächenbeschaffenheit und das Reflexionsverhalten von Holz, Aluminium oder Kunststofffolie das Erscheinungsbild bestimmen, dominiert bei Nacht bei beleuchtetem Innenraum die unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit der Materialien das Erscheinungsbild der Fassade.
Ähnlich der Innenraumwirkung bei geöffneten Lamellen tagsüber wird bei Nacht das Licht aus dem Rauminneren an der gelblich weißen Holzoberfläche reflektiert und in Lichtfarbe verändert, während an der Aluminiumoberfläche das Licht nahezu farbneutral reflektiert wird.
Auch in dieser Hinsicht nimmt die folienbespannte Birkensperrholzlamelle eine Sonderstellung ein, da bei geschlossenem System das Licht im Gebäudeinneren die Lamellen durchdringen kann, was zu einem völlig anderen Erscheinungsbild führt als bei geschlossenen Birkensperrholz- oder Aluminiumlamellen (Abb. 19–22).
Zusammenfassung
Der Einsatz von Holz als Werkstoff zur Herstellung von Wärme- und Sonnenschutzsystemen für Zweite-Haut-Fassaden besitzt sowohl hinsichtlich des Herstellungs- als auch des Betriebsenergieaufwandes bedeutende Vorteile.
Hierbei erweist sich Birkensperrholz als ein äußerst leistungsfähiges Material, welches die Fertigung von sehr schlanken Profilquerschnitten bei geringem Eigengewicht zulässt.
Der Vergleich der folienbespannten Birkensperrholzlamelle bei unterschiedlichen Lichtsituationen mit den experimentell untersuchten Lamellensystemen zeigt sehr deutlich, wie groß das Potential des Einsatzes von Holz zur Konstruktion und Gestaltung von Elementen zum temporären Wärme- und Sonnenschutz von »Zweite-Haut« und anderen Fassadensystemen ist.
