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Vakuumgedämmte Fassadenelemente aus Textilbeton

Schlankere Fassadenquerschnitte bei hoher Dämmwirkung sowie eine bessere Ökobilanz im Betonbau sollen die vakutex-Fassadenelemente ermöglichen, die ein vierköpfiges Team der HTWK Leipzig derzeit entwickelt. Maßgeblich für ihre Leistungsfähigkeit sind vor allem zwei Materialien: die Deckschichten aus Faserbeton sowie ein Dämmkern auch Vakuum-Isolationspaneelen. In ihrem Beitrag erläutern Frank Hülsmeier und Alexander Kahnt Funktionsweise und Vorteile ihrer Neuentwicklung.

Die ökologischen und energetischen Anforderungen an die Gebäudehülle werden sich in den nächsten Jahren weiter erhöhen. Unter Verwendung üblicher Materialien bedeutet dies eine kontinuierliche Verstärkung der Außenwandaufbauten. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, bieten sich neue Lösungen mit Konstruktionen aus mikro- bis nanostrukturierten Materialien an, die durch Wärmeleitfähigkeitsreduktion, Festigkeits-, Wärmekapazitäts- und Qualitätserhöhung schlankere Konstruktionen ermöglichen.

Diesen Problemstellungen widmet sich seit März 2010 die Forschungsgruppe energiedesign an der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK), nachdem der Forschungsantrag „Vakuumgedämmte Fassadenelemte aus Textilbeton“ vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS) bewilligt wurde.

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Tobias Krettek | filmaton.tv

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer extrem leichten und energieeffizienten Gebäudehülle in Sichtbetonoptik. Durch die Kombination neu entwickelter Materialien wie Textilbeton, Vakuumisolationspaneele (VIP), Latentwärmespeichermaterialien (PCM) und Glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) können Bauteildicken von 11 cm erreicht werden, die alle Anforderungen zukünftiger Fassaden erfüllen.

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Geringeres Gewicht, verbesserte Ökobilanz

Neue Bilanzierungswerkzeuge mit den entsprechenden Sachbilanzen von Materialen ermöglichen heute eine ganzheitliche Betrachtung der Umwelteinflüsse eines Bauwerks. Diese Bewertung bildet einen Schwerpunkt der Forschungsarbeit, daher wurden verschiedene Konstruktionen mit den geplanten vakutex-Elementen verglichen. Die dazu bilanzierten Bauteile haben alle den gleichen Wärmedurchgangskoeffizienten von 0,15 W/m²K, der dem Passivhausstandard entspricht. Betrachtet wird bei dieser Bilanzierung ein Quadratmeter Fassadenfläche. Die vier Konstruktionen stehen dabei exemplarisch für den Ziegelbau, den Holzbau, den Stahlbetonbau und die neue Materialentwicklung vakutex. Dabei ist die Ziegelfassade als einzige Konstruktion tragend, alle anderen Konstruktionen sind selbsttragend. Die selbsttragenden Konstruktionen werden anteilig auf den bilanzierten Quadratmeter um eine Tragkonstruktion beaufschlagt. Bei der Holzfassade wird ein Holzskelettbau als Tragkonstruktion angenommen, bei den Betonfassaden ein Stahlskelettbau für ein zweigeschossiges Gebäude.

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Das ökologische Potenzial der Materialkombination vakutex liegt in der Verringerung des Bauteilgewichtes auf ein Fünftel gegenüber einer energetisch gleichwertigen Stahlbetonkonstruktion. Die Reduzierung des Elementgewichtes führt zu kürzeren Montagezeiten, zur Vermeidung von schwerem Gerät, zu geringeren Lasten für das Tragsystem und zu Einsparungen im Transport.

Die Flächenversiegelung kann ebenfalls auf ein Fünftel gegenüber der Stahlbetonkonstruktion reduziert werden. Hier ergibt sich für freistehende Gebäude eine Nettogrundflächenerhöhung von 20%. Dieser Grundflächengewinn kann zusätzlich vermarktet werden. Die Verringerung der Flächenversiegelung bedeutet für das gesamte Bauwesen eine Reduzierung der versiegelten Freiflächen, da der benötigte Nettogrundflächenbedarf in kompakterer Baumasse untergebracht werden kann. Das gestalterische Potenzial der schlanken Fassadenelemente liegt in der Verbesserung von Ausblick und Ästhetik des Bauwerkes unter Berücksichtigung der Sichtbetonoptik und -haptik des derzeit meistverbauten Materials Beton. Textilbeton kann vielfältig in Form, Struktur und Farbe variieren.

Die Treibhausemissionen der vakutex-Elemente werden gegenüber einer energetisch gleichwertigen Stahlbetonkonstruktion um das 2-fache verringert. Die Einsparungen an Treibhausemissionen über einen Lebenszyklus von 50 Jahren werden durch eine verringerte Rohstoffentnahme sowie recycelbare Baumaterialien erreicht. Eine wichtige Besonderheit beim Aufstellen der Sachbilanz ist die Berechnung von nachwachsenden Rohstoffen. Exemplarisch dafür steht die bilanzierte Passivhaus-Holzkonstruktion. Sie weist im Betrachtungszeitraum ein negatives Treibhauspotenzial auf, da der Baum im Wachstum CO2 aufgenommen hat. Der Lebenszyklus des Bauteils wird um die Wachstumsphase des Baumes ausgedehnt, d. h. je öfter ein Holzbauteil ausgetauscht wird, desto besser wird die Treibhausbilanz. Angesichts des enormen Bevölkerungswachstums ist es fraglich, ob das landintensive Bauprodukt Holz weiterhin mit der Nahrungsmittelindustrie konkurrieren sollte und ob eine nachhaltige Forstwirtschaft den Anstieg an der Ressourcenentnahme für Bau- und Heizzwecke verkraftet. Hier sind in Zukunft ökologische Alternativen zum Holz gefragt, die ein höheres und konkurrenzloses Rohstoffvorkommen aufweisen.

Die Primärenergie, die zur Herstellung, Instandsetzung und Entsorgung der vakutex-Elemente benötigt wird, halbiert sich gegenüber einem Stahlbetonelement; durch das geringe Gewicht wird auch das Transportaufkommen verringert.

Vakutex-Elemente können bereits heute einen Beitrag zu zukünftigen umweltpolitschen Zielen wie Energie- und Rohstoffproduktivität leisten. Die positiven Eigenschaften der Vakuumisolationspaneele erfüllen schon mit 3cm Dicke den aktuellen Wärmedurchgangskoeffizienten an Außenwände nach EnEV 2009. Die hier bilanzierten 6 cm dicken Vakuumisolationspaneele halbieren nochmals den Wärmedurchgang und zielen auf die Erfüllung kommender Verordnungen.

Stand der Forschung und Projektpartner

Das Team der Forschungsgruppe energiedesign besteht aus dem Projektleiter und drei Mitarbeitern. Der Leiter des jungen Teams Prof. Dipl.-Ing. Architekt Frank Hülsmeier lehrt Gebäudetechnik, Bauphysik und Energiekonzepte an der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK). Dipl.-Ing. (FH) Architekt Alexander Kahnt gibt mit seiner Promotion zu hochgedämmten, dünnen und leichten Fertigteilfassaden aus Textilbeton der Forschungsgruppe wichtige Impulse. Dipl.-Ing. (FH) Stefan Huth bearbeitet konstruktive und gestalterische Fragestellungen, Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Matthias Tietze organisiert den Projektverlauf und betrachtet die ökonomischen Aspekte. Bei der Zusammenstellung des Teams hatte der Projektleiter ein junges, motiviertes und interdisziplinäres Team im Blick. Das Team führt den Leitgedanken der anwendungsorientierten Forschung an der HTWK Leipzig fort.

Die Forschungsgruppe beschäftigt sich derzeitig mit dem Stand der Technik von Gebäudehüllen und erarbeitet mögliche hypothetische Lösungsansätze, von denen bereits zwei als Modelle umgesetzt wurden. Im nächsten Arbeitsschritt sollen ausgewählte Varianten auf Schall, Brand, Wärmebrücken etc. untersucht werden. Neben diesen bauphysikalischen Simulationen werden auch ökologische und ökonomische Vergleiche angestellt. Ausgewählte Lösungsansätze werden als Demonstrationsbauteile umgesetzt und praktischen Versuchen wie z. B. einem orientierenden Brandversuch oder einer dynamischen bauphysikalischen Messung im neu angeschafften Klimaprüfstand für Gebäudehüllen der HTWK Leipzig unterzogen.

Die neben der HTWK Leipzig am Projekt beteiligten Partnerfirmen bringen wichtiges Know-how in das Forschungsprojekt ein. So liefert die Firma Variotec GmbH aus Neumarkt die Kompetenz im Bereich der Vakuumisolationspaneele (VIP). Als Partner für Glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) steht die Firma CTS GmbH aus Geesthacht zur Verfügung. Die Firma HFB Engineering GmbH aus Leipzig hat langjährige Erfahrung in Glasfaser- und Textilbeton.

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Über die realisierten und geprüften Demonstrationsbauteile des Forschungsvorhabens hinaus soll die Praxistauglichkeit in einem Experimentalbau nachgewiesen werden.
Zur architektonischen Entwicklung des Baus wurde im Mai 2010 ein studentischer Stegreifentwurf durchgeführt, mit der Aufgabe, einen Hausparasiten zu entwickeln, der auf dem Campus der HTWK Leipzig platziert werden soll. Dabei kann der Experimentalbau die Vorteile von leichtem und nachhaltigem Bauen möglichst vielen Studenten, Nutzern und Besuchern näher bringen. Die Realisierung unterstützen die Projektpartner des Forschungsvorhabens vakutex mit der Herstellung der benötigten Fassadenelemente. Im Experimentalbau wird der Fokus auf die Reduktion und Integration baulicher und technischer Komponenten gelegt, um ein nachhaltiges Produkt mit einem ganzheitlichen Energiekonzept zu kombinieren.


Mit den angestrebten vakuumgedämmten Fassadenelementen aus Textilbeton soll durch Rohstoff- und Energieeffizienz ein wesentlicher ökologischer und ökonomischer Beitrag zur nachhaltigen Betonarchitektur geleistet werden.

Frank Hülsmeier, Alexander Kahnt

Kontaktadresse der Autoren
Architektur-Institut Leipzig - energiedesign
Prof. Dipl.-Ing. Architekt Frank Hülsmeier
HTWK Leipzig, Fakultät Bauwesen
Karl-Liebknecht-Straße 132
04277 Leipzig
www.energiedesign.htwk-leipzig.de

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