Smarte Fassaden

Fassade mit Funktion

Die Fassade soll das Gebäudeinnere schützen und dem Bauwerk ein Gesicht geben. Doch reicht es zukünftig wirklich aus, dass Fassadenflächen ausschließlich dem Wetterschutz und der Gestaltung dienen? Könnte die Fassade nicht multifunktionale Aufgaben übernehmen – etwa Strom erzeugen oder Schadstoffe aus der Luft filtern? Ein Vorgeschmack auf die smarte Fassade.

Autorin: Susanne Sachsenmaier-Wahl

Dieselskandal und damit verbundene Fahrverbote, der Kohleausstieg und immer strengere Vorschriften beim Primärenergieverbrauch. Wer den Umweltschutz bisher als Bagatelle abgetan hat, der hat spätestens im vergangenen Jahr bemerkt, dass es langsam ernst wird. Umweltschutz betrifft nicht mehr nur ambitionierte „Grüne“, sondern jeden von uns – immer öfter per gesetzlicher Regelung. So hat die Bundesregierung beispielsweise 2009 das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EE-WärmeG) in Kraft gesetzt.

Es soll den Ausbau der regenerativen Energien im Wärmemarkt vorantreiben und ihren Anteil an der Wärme- und Kältebereitstellung in Deutschland bis 2020 auf 14 Prozent erhöhen. Das Gesetz verpflichtet Eigentümerinnen und Eigentümer von neu errichteten Gebäuden, ihre Wärmeversorgung anteilig mit erneuerbaren Energien zu decken. Bei öffentlichen Gebäuden gilt dies sogar bei grundlegender Sanierung. Das Gesetz lässt dem Hauseigentümer oder der -eigentümerin verschiedene Optionen, die Nutzungspflicht zu erfüllen. Zugelassen sind Solarenergie, Geothermie, Biomasse sowie Umweltwärme.

Solarkollektoren an der Fassade

Wird Solarenergie gewählt, so schreibt das Gesetz vor, dass der Sonnenkollektor mindestens 0,04 Quadratmeter pro Quadratmeter beheizter Nutzfläche groß sein muss. Zur Veranschaulichung dient folgendes Beispiel: Bei einem Haus mit einer Wohnfläche von 120 Quadratmetern muss der Kollektor also mindestens 4,8 Quadratmeter groß sein. Während diese Forderung bei einem Einfamilienhaus meist problemlos umsetzbar ist, gestaltet sich die Umsetzung bei Mehrfamilien- oder gar Hochhäusern eher schwierig – zumindest dann, wenn ausschließlich die Dachfläche für die Sonnenkollektoren genutzt werden soll. Denn diese ist im Vergleich zur Fassadenfläche klein und zudem häufig bereits anderweitig belegt (etwa durch Aufbauten von Fahrstuhlschächten). Soll in diesen Fällen Sonnenenergie genutzt werden, bleibt ein Ausweichen auf die Fassadenfläche fast unumgänglich.

Doch machen Sonnenkollektoren an der Fassade überhaupt Sinn? Die Gesamteinstrahlung an der Fassade ist über das Jahr gemessen deutlich geringer als auf dem Dach. Betrachtet man die Einstrahlung aber einmal detailliert, so stellt man fest, dass an einer Südfassade die Erträge im Winter sogar höher sind als auf dem Dach, was der tiefer stehenden Sonne geschuldet ist. Praktischerweise fällt die tiefstehende Sonne in die Heizperiode – also genau in die Zeit, in der Solarthermie vor allem als Heizungsunterstützung (und selbstverständlich auch zur Warmwasserbereitung) direkt verbraucht wird. Weiterer netter Nebeneffekt einer Solarfassade: Schnee, der eine Dachanlage im Winter bisweilen stilllegt, stellt auf senkrechten Flächen kein Problem dar.

Unter wirtschaftlichen Aspekten betrachtet, gilt für die Solarfassade dasselbe wie für Dachanlagen: Die solaren Gewinne können gemäß Energieeinsparverordnung (EnEV) auf den Primärenergiebedarf angerechnet werden. Dadurch darf beispielsweise die Dämmstoffdicke geringer ausfallen, wodurch sich gerade in Städten, wo die Flächen begrenzt sind, ein Wohnraumgewinn für den Bauherrn ergeben kann. Und dieser stellt in Form von höheren Mieteinnahmen oder verkaufter Wohnfläche wiederum einen direkten finanziellen Gewinn dar. Die Solarfassade – zumindest sofern sie in die Fassade integriert ist – spart darüber hinaus das Fassaden(dämm)material an der Stelle, wo die Anlage sitzt. Außerdem wirkt die Solaranlage dort als Dämmung.

Integration in WDVS als Ziel

Während Photovoltaik-Fassadensysteme bereits seit einigen Jahren erfolgreich installiert werden, befindet sich die solarthermische Fassade noch in den Kinderschuhen. Die Forschung der DAW-Gruppe, zu der neben Caparol auch der VHF-Spezialist Lithodecor gehört (VHF = vorgehängte hinterlüftete Fassade), beschäftigt sich deshalb derzeit intensiv mit der Entwicklung solarthermischer Kollektoren für die Fassade. Auch diese Elemente sollen auf einer Unterkonstruktion montiert werden und fallen damit wie VHF-Fassaden zunächst in das Aufgabengebiet des Fassadenbauers. Allerdings forciert man bei DAW eine leicht durchführbare Kombination mit WDVS-Fassaden. Und damit dürfte das Thema Solarfassade auch den Maler und Stuckateur betreffen. Letztlich soll eine klassische Kombinationsfassade angestrebt werden, z.B. WDVS mit integrierter Glasfläche, vergleichbar mit der Integration von Photovoltaikmodulen in die Gebäudehülle (BIPV = Building-integrated Photovoltaic oder zu deutsch Gebäudeintegrierte Photovoltaik). Die Kombination von organischer Photovoltaik mit Wärmedämmverbundsystemen wurde ebenfalls innerhalb eines Forschungsvorhabens erarbeitet. Hier können die Arbeiten nahezu komplett vom Handwerker durchgeführt werden, da die Module mit einem mineralischen Putz verklebt werden können (also keine Unterkonstruktion nötig ist) und die Spannung unterhalb der Berührungsspannung liegt. Lediglich der Netzanschluss muss noch von einem Solarteur bzw. Elektriker durchgeführt werden. Was momentan noch wie Zukunftsmusik für den Maler bzw. Stuckateur klingt, könnte bald zu seinen Geschäftsfeldern gehören.

Optik von großer Bedeutung

Dr. Thomas Loewenstein, Projektentwicklung energetische Fassade bei DAW, weiß selbstverständlich, dass die ästhetischen Ansprüche an die smarte Fassade (im Gegensatz zum Dach) sehr hoch sind. Auf die Frage nach der Optik bzw. der Beschaffenheit der Module antwortet er: „Alle Konzepte treten durch ihre ausgeprägte gestalterische Freiheit hervor, was ja gerade für ästhetisch anspruchsvolle Fassaden ein Schlüsselparameter ist. Sowohl bei der Solarthermie als auch bei der Photovoltaik können die Größen und Farben der Elemente variiert werden. Auch kann der Glanzgrad der Oberflächen an die Wünsche des Kunden angepasst werden.

Durch die mögliche Kombination mit anderen Produkten wie z.B. Naturstein stehen hier auf vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden zahlreiche verschiedene Optiken zur Verfügung.“ Das bereits verfügbare Litho-Photovoltaik-System basiert auf einer vorgehängten, hinterlüfteten Fassade (VHF) und besteht somit aus einer Unterkonstruktion, der Dämmung und den BiPV-Modulen selbst. Ähnlich verhält es sich bei dem aktuell erforschten solarthermischen Kollektor, der auch in einer VHF verbaut wird. Anders das organische Photovoltaik auf WDVS. „Die ebenfalls im Forschungsstadium stehende organische Photovoltaik auf WDVS verfügt prinzipiell über einen gewöhnlichen WDVS Aufbau, nur dass die Armierungsschicht dicker ausgebildet ist, damit die elektrischen Verbindungskabel hinter die Modulebene verlegt werden können“, erklärt Dr. Thomas Loewenstein. „Bis zur Armierungsschicht besteht kein Unterschied zu einem Standard-WDVS.“

Aktuell befinden sich die organischen Solarmodule sowie die organische Photovoltaik noch im Forschungsstadium. Gemeinsam mit Handwerkern, die an Testobjekten beteiligt sind, erstellt DAW derzeit Verarbeitungshinweise. Für die Installation der organischen Photovoltaik wäre nach Abschluss der Forschungsphase eine Schulung der Malerhandwerker nötig, damit die Module fachgerecht verlegt und verschaltet werden.

Je grüner, desto besser

Immer mehr Menschen zieht es in die Städte. Die Bebauung wird immer dichter, ebenso der Verkehr. Im Gegensatz dazu nehmen die Grünflächen in den Städten zunehmend ab. Während also immer mehr Abgase in den Städten entstehen, fehlen Pflanzen, um die Schadstoffe wieder aus der Luft zu filtern.

Um den Anteil an luftreinigenden Pflanzen in der Stadt zu vergrößern, versucht man deshalb seit geraumer Zeit die Vertikale als Grünfläche zu nutzen. Eine im Frühjahr 2017 in Stuttgart installierte Mooswand dürfte Vielen noch in Erinnerung sein. Als diese nach rund einem Jahr wieder abmontiert wurde, war nicht nur der Anblick wenig zufriedenstellend (die Moose waren braun geworden), sondern auch das Messergebnis ernüchternd. Es konnte kaum ein luftverbessernder Effekt nachgewiesen werden. Dennoch hat dieser Dämpfer nicht dazu geführt, dass die Forschungen für Mooswände eingestellt wurden. Vielmehr hat man aus den Fehlern gelernt und die Systeme optimiert.

So hat Alsecco in einem gemeinsamen Projekt mit dem Berliner Start-Up Unternehmen Green City Solutions ein modulares System entwickelt, mit dem sich Moosflächen in Fassaden integrieren lassen. Max Gimpel-Henning, Produktmanager bei Green City Solutions, präsentierte das Fassadensystem beim Caparol-Werkstofftag im November 2018 dem Fachpublikum. Er ist sich sicher, dass Moose die Luftqualität eindeutig verbessern können – sofern optimale Bedingungen herrschen. In Laborversuchen konnte der Naturstoff 97 Prozent der schädlichen Feinstaubkristalle aus der Luft filtern und die „City Trees“ (siehe www.greencitysolutions.de) des Berliner Unternehmens sind nicht nur in deutschen Großstädten, sondern auch in Amsterdam, Oslo, Paris und London bereits erfolgreich im Einsatz – als eine Kombination aus Mooswand und Parkbank. Die Schadstoffe werden auf der Blattoberfläche der Moose gebunden und dauerhaft in deren Biomasse eingebunden. Dank ihrer großen Blattoberfläche sind Moose normalen Bäumen als Feinstaub-Killer deutlich überlegen. Doch Moose benötigen zum Gedeihen nicht nur Feuchtigkeit, sondern auch kühle Temperaturen. Diese waren bei der in Stuttgart fatalerweise nach Süden ausgerichteten Mooswand im Sommer deutlich zu hoch, was schließlich zum Vertrocknen der Moose führte. Das konnte auch die gut gemeinte, aber ebenfalls nicht optimal gestaltete Bewässerung nicht aufhalten.

Die smarte Fassade

Damit dem innovativen „AeroCare“-System von Alsecco nicht dasselbe Schicksal droht, wurde es mit moderner IoT-Technologie ausgestattet. Mithilfe dieser Technologie werden sämtliche Daten rund um den Status und die Leistung des Systems gesammelt, analysiert und visualisiert. Das System gibt mittels Sensorik Auskunft über den Zustand der Pflanzen und liefert Daten z.B. zur Feuchtigkeit, Temperatur, Feinstaubkonzentration und es sorgt dafür, dass die Moose stets ausreichend befeuchtet sind. Durch die Aktivierung einer zusätzlichen Ventilationsanlage in der Konstruktion bietet sich die Möglichkeit, die Luftdurchströmung zu verstärken und den Wirkungsgrad des Systems nochmals zu erhöhen. Alina Schneider, Projektleiterin für AeroCare bei Alsecco, erläutert die einzelnen Komponenten: „AeroCare besteht aus einem Modul mit einer Fläche von einem Quadratmeter. Hierbei handelt es sich um einen Edelstahlrahmen, in den zwei Ventilatoren integriert sind. In das Modul werden dann zwei Trays eingesetzt, in denen sich die vorkultivierten Moosmatten, die Sensorik mit IoT-Technologie und ein Filtrationskörper für die Bewässerung befinden. Mit einer VHF-Unterkonstruktion wird das Modul an der Wand befestigt. Die dadurch entstehende Hinterlüftung der Fassade wird dann genutzt, um mit Hilfe des Ventilators feinstaubbelastete Luft anzusaugen und durch das Moos zu leiten. Im Gebäude befindet sich die Anlagentechnik für die Versorgung und den Betrieb.“

Auf den ersten Blick könnte man den Eindruck bekommen, dass das System nicht nur kompliziert, sondern aufgrund der ständigen Wasser- und Stromversorgung auch teuer zu unterhalten ist. Alina Schneider hat auch hier eine Lösung parat: „Beim Anschluss einer Zisterne kann auf Regenwasser zurückgegriffen werden. Und durch Photovoltaikanlagen kann sich das System ebenfalls autark versorgen.“ Und die Bedenken hinsichtlich der Montage zerstreut sie ebenfalls: „Die Trays werden einfach eingehängt. Der Anschluss der Leitungen erfolgt durch Steckverbindungen.“ AeroCare kann entweder in ein klassisches WDVS oder in eine VHF-Fassade integriert werden. Generell kommt die Verarbeitung also auch für den Maler oder Stuckateur in Frage. Allerdings sollten die Handwerker über eine entsprechende Ausbildung verfügen. Alina Schneider: „Der Handwerker muss Kenntnisse im Bereich der Installation einer VHF-Fassade besitzen.“ Wer über diese bislang nicht verfügt, kann dies nachholen. alsecco wird für AeroCare spezielle Schulungen anbieten, sobald das System marktreif ist. Derzeit werden die ersten Pilot-Objekte realisiert. Die Serienproduktion der Module soll im Herbst 2019 starten.

Smarte Fassade: Regelmäßige Wartung

Alina Schneider empfiehlt, die Moosmodule nicht an der Südfassade einzuplanen, da Moose direkte Sonneneinstrahlung nicht vertragen. Im Falle einer hohen Sonnenbelastung bestehe jedoch auch die Möglichkeit, das Moos durch ein transparentes, luftdurchlässiges und UV-schützendes Gewebe zu verschatten. Nach der Montage sollte man die Mooswand ebenfalls im Auge behalten. „Da es sich um ein organisches Material handelt, empfehlen wir nach heutigem Kenntnisstand die Auswechslung der Moostrays innerhalb von 2 bis 3 Jahren“, erklärt Alina Schneider. „Dies liegt aber nicht an einer reduzierten Reinigungsleistung, sondern am Wachstum der Pflanze. Moos hat eine äußerst geringe Wachstumsgeschwindigkeit, nach 2 bis 3 Jahren sollten die Trays daher aus optischen Gründen ausgetauscht werden.“ Außerdem weist die Projektleiterin auf die Notwendigkeit regelmäßiger Wartungen hin: „Neben dem Austausch der Moostrays ist eine regelmäßige Wartung der elektrischen Bauteile wie Sensoren, Datenkabel und Ventilatoren erforderlich.“ Nur so kann die volle Funktionsfähigkeit der Moosfassade mit sämtlichen Vorteilen gewährleistet werden. Denn die Moosflächen wirken nicht nur schalldämmend und sind ein äußerst effektiver Luftbefeuchter und Feinstaubfilter, sondern unterstützen auch die winterliche Wärmedämmung und bieten eine deutliche Abkühlung im Sommer. Das ist der hohen Feuchtigkeitsspeicherung der Moose geschuldet. Durch eine vergrößerte Verdunstungsfläche entsteht so ein spürbarer Kühlungseffekt. Und zu guter Letzt bietet das System vielfältige neue Gestaltungsmöglichkeiten. Mit AeroCare lassen sich beispielsweise Teilflächen der Fassade äußerst wirkungsvoll akzentuieren. Zugleich ist die Systemlösung mit allen anderen Alsecco Fassadendämmsystemen und vorgehängten, hinterlüfteten Fassaden sowie unterschiedlichen Oberflächenmaterialien wie Putz, Klinker, Naturstein und Glas kombinierbar.

Des einen Freud, des anderen Leid

Doch Moos an der Fassade löst nicht immer positive Reaktionen aus. In den meisten Fällen bereiten grüne Fassaden dem Maler oder Stuckateur Ärger, denn der einst makellose Putz oder Anstrich verliert durch unerwünschten Bewuchs an Ästhetik und ist häufig die Ursache für Kundenreklamationen. „Der Algen- und Pilzbefall an der Fassade ist nach wie vor ein ungelöstes Problem“, sagt Dr. Helge Kramberger, Geschäftsführer des Robert-Murjahn-Instituts (RMI) in Ober-Ramstadt. Mit zahlreichen Lösungsansätzen wurde in den vergangenen Jahren versucht, die Problematik in den Griff zu bekommen – leider nur mit mäßigem Erfolg. Dank der Entwicklung eines Oberflächenfeuchtesensors im RMI konnte Dr. Kramberger nachweisen, dass die Belastung durch Tauwasser wesentlich mehr Einfluss auf die „unerwünschte begrünte Fassade“ hat, als Schlagregen: „Sehr geringe Wassermengen können die Fassade sehr lange feucht halten.“ Kramberger sieht deshalb die Lösung darin, das Tauwasser so schnell wie möglich von der Fassadenoberfläche zu beseitigen: „Entscheidend ist nicht, wieviel Kondensat auf der Oberfläche vorhanden ist, sondern wie lange es dort verbleibt.“ Damit war für Kramberger der Lösungsansatz klar: die Betauung muss durch höhere Oberflächentemperaturen reduziert werden.

Die beheizte Fassade

Gemeinsam mit seinem wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr. Ayman Bishara, der das System inzwischen verantwortlich erarbeitet und umsetzt, kam Kramberger die Idee, eine Fassadenheizung zu entwickeln. „Die Fassadenheizung ist zwar momentan noch Zukunftsmusik“, sagte Dr. Kramberger am Caparol Werkstofftag im November 2018, auf dem er das Projekt vorstellte, „aber eigentlich sind alle notwendigen Komponenten vorhanden.“ Kramberger erläutert, welche das sind: „Das Gesamtsystem besteht aus Sensoren, die je nach System eine direkte oder indirekte Messung der Oberflächentemperatur und -feuchte ermöglichen, einem zentralen Steuerungsmodul, einer Heizschicht zwischen Deckbeschichtung und Dämmstoff sowie den elektrischen Anschlüssen und Verbindungen. Die Heizschicht selbst kann in Form eines Gewebes in die Armierung eingebettet oder in Form einer Beschichtung zwischen Armierung und Deckbeschichtung aufgetragen werden.“ Derartige Heizanstriche sind für den Innenbereich bereits auf dem Markt. Sie enthalten Carbonfasern, die elektrisch leitend sind. Entscheidend für das Funktionieren der Heizfarbe ist, dass sie in einer bestimmten Schichtstärke aufgetragen wird. Hier wäre für eine korrekte Ausführung also ein Fachmann gefragt. Das bestätigt auch Kramberger: „Grundsätzlich wird das System im Niederspannungsbereich arbeiten, sodass die Arbeiten auch von geschulten Maler- und Stuckateurbetrieben und nicht nur von Elektrikern ausgeführt werden können.“ Doch er fügt hinzu: „Allerdings wird es sich um ein komplexes System handeln, das sowohl für die Kundenberatung als auch für die Ausführung nur in enger Kooperation zwischen Hersteller und Fachbetrieb umgesetzt werden kann. Dazu wird die Qualifizierung der Handwerker über spezielle Zertifizierungsschulungen erfolgen müssen.“ Wer die Fassadenheizung installieren möchte, muss daher entsprechend geschult werden. „Sobald das System vermarktet wird, sind Zertifizierungsschulungen für den gesamten Systemaufbau erforderlich. Diese Schulungen werden Voraussetzung für die Verarbeitung und Installation des Fassadenheizungssystems sein“, betont Dr. Helge Kramberger.

Auf Nachfrage des Malerblatts, ob die Fassadenheizung in absehbarer Zeit auf den Markt kommen wird, antwortet er: „Erste Prototypen könnten voraussichtlich innerhalb eines Jahres in die Freibewitterung gehen und erste Versuchsobjekte innerhalb von 2 bis 3 Jahren realisiert werden.“ Es bleibt vorerst also noch bei der Zukunftsmusik – doch die Klänge werden allmählich lauter ..:

Mehr zum Caparol Werkstofftag:

https://bit.ly/2InCnB5


Dr. Helge Kramberger, Geschäftsführer RMI

Sehr geringe
Wassermengen können die Fassade sehr lange feucht halten.


Dr. Thomas Loewenstein,Projektentwicklung Fassade bei DAW

Sowohl bei der
Solarthermie als auch bei der Photovoltaik können die Größen
und Farben der
Elemente variiert
werden.


Alina Schneider,Projektleiterin für Aero Care bei alsecco

Der Verarbeiter muss Kenntnisse im Bereich der Installation
einer VHF-Fassade
besitzen.



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