4-kammrige Membrankonstruktion. Mit bedruckten Folien mit versetztem Schachbrettmuster als Sonnenschutz. Membrankonstruktion wärmedämmend mit luftgefüllten Kammern oder wärmeleitend mit luftleeren Kammern.
Foto: (c) IABP
Transluzente Konstruktion – Innenseite. Mit innenseitigem Phase Change Material (PCM).
Foto: (c) IABP
Schematische Darstellung der akustischen Eigenschaften nach Schaltzustand
Foto: (c) IABP
Transparente Konstruktion – Innenseite. Mit Wasser befüll-/ durchströmbare Schicht.
Foto: (c) IABP
Durchströmtes Fassadenelement – Außenansicht. Mit Luft durchströmbares Fassadenelement wärmedämmend – wärmeleitend.
Foto: (c) IABP
Nachhaltige Konstruktion. Mit Lehmbauplatte, Kokos, Kork und Aerogelgranulat.
Foto: (c) IABP
Förderphase II
„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.
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.
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.
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:innen
- Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner, Institut für Akustik und Bauphysik
- Dr.-Ing. Sumee Park, Fraunhofer-Institut für Bauphysik
Förderphase I
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.
Im Rahmen des Teilprojekts C05 werden zunächst geeignete Materialien und offenporige Dämmmaterialien für die Materialsysteme erarbeitet und bewertet. Anschließend ist ein Flächenelement zu entwickeln, bei dem neben den wärmetechnischen Eigenschaften die hygrischen, akustischen und ggf. visuellen Funktionen berücksichtigt werden, wobei die hygrothermischen Eigenschaften im Vordergrund stehen.
Ziel ist es, umfassende Erkenntnisse über die bauphysikalischen Eigenschaften von neu entwickelten adaptiven Flächenelementen zu gewinnen. Die ausgewählten Materialsysteme sind in einem nächsten Schritt zu modellieren, virtuell für verschiedene Außen- und Innenraumbedingungen zu evaluieren und zu bewerten.
Die modellierten Systeme werden anschließend in physische Modelle umgesetzt. Dabei evaluiert das Teilprojekt einzelne Materialien sowie das Zusammenspiel von Materialkombinationen. Zudem wird überprüft, ob sich solche Systeme mit bislang gängigen Materialkennwerten hinreichend zuverlässig beschreiben lassen oder ob neue Kennwerte nötig sind.
Erkenntnisse aus C05 fließen in andere Teilprojekte zurück und werden an Teilprojekt D02 zur ganzheitlichen Bilanzierung und nachhaltigen Produktion geliefert.
Teilprojektleiter:innen
- Prof. Dr.-Ing. Philip Leistner, Institut für Akustik und Bauphysik
- Dr.-Ing. Sumee Park, Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP
Ansprechpersonen
Simon Weber
M.Sc.Doktorand