Thermisch-dynamische Fassade: Höhere Energieeffizienz, niedrigere Emissionen

„Der Gebäudesektor bietet großes Potenzial, um Energieverluste und die damit verbundenen CO₂-Emissionen weiter zu reduzieren. Ein entscheidender Hebel ist hierbei die Gebäudehülle. Wir zeigen, dass diese mehr als nur ein statisches Dämmsystem sein kann: Unser Fassadenmodul unterstützt die lokale Wärmeregulierung und versorgt sich für diesen Prozess unter anderem selbst mit Strom“, sagt Prof. Dr. Pietro Di Biase vom Institut für Technische Gebäudeausrüstung (TGA) der TH Köln, der das Projekt mit dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Max Stoppel geleitet hat.

Der physische Prototyp des Fassadenmoduls besteht aus einem Heizelement in Form einer transparenten Beschichtung auf einer Glasscheibe. Diese erwärmt die Fassade und gleicht das Temperaturgefälle zwischen Innenraum und Außenluft aus, wodurch Verluste minimiert werden. Das Isolierglas zwischen Heizelement und Fassade verstärkt diesen Effekt durch Dämmung. Mittels Sensoren und eines Mikrocontrollers wird die Leistung der wärmenden Schicht bedarfsgerecht geregelt. Innerhalb des Glasmoduls sind Solarzellen geschützt integriert, die einen Teil der benötigten Energie liefern, wie Stoppel ausführt. „An sonnenreichen Tagen fließt überschüssiger Strom in eine Batterie. Autarkie rund um die Uhr kann jedoch nicht sichergestellt werden, sodass ein Netzanschluss erforderlich ist.“

Eine Pfosten-Riegel-Konstruktion ermöglicht eine einfache Montage mit Schrauben und Dübeln. „Unser System ist als Plug-and-Play-Lösung konzipiert. Einige Komponenten lassen sich austauschen, um sie anschließend reparieren zu können. Das verwendete Glas und das Aluminium sind recycelbar“, berichtet Di Biase.

Simulationen, Optimierungen und Praxistests

Zunächst führte das Team der TH Köln verschiedene Analysen durch, um die bauphysikalischen Anforderungen, die Wärmeflüsse und den Energiebedarf zu ermitteln. Des Weiteren erarbeiteten die Forschenden die Funktionen für die Regelung mittels Mikrocontroller und für die elektrische Kontaktierung der Heizschicht. Anschließend wurde der Prototyp mithilfe von Simulationen und Experimenten im TGA-Labor und in einer Klimakammer der TU Dresden schrittweise auf seine Praxistauglichkeit hin überprüft.

„Wir konnten so belegen, dass das Montagesystem keine Kältebrücken verursacht, also Schwachstellen in der Gebäudehülle, an der Wärme schneller nach außen transportiert wird als über die umgebenden Flächen. Zudem haben wir herausgefunden, wie groß der Luftspalt zwischen Modul und Wand sein sollte, um den Dämmungseffekt zu verstärken, und welche Auswirkungen dies auf den Feuchtetransport im Mauerwerk hat. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass unsere Konstruktion im Hinblick auf Energieeffizienz am sinnvollsten an Fassaden mit Ost-Süd- und West-Süd-Ausrichtung angebracht werden sollte, da die Sonneneinstrahlung in diesen Positionen höher ist“, fasst Stoppel die Ergebnisse zusammen.

Ansätze für weiterführende Forschungen

Um das Fassadenmodul zu verbessern, bieten sich mehrere Ansatzpunkte für mögliche Folgeprojekte: Zum einen die Erweiterung um eine KI-gestützte Regelung, um Energiebedarfe präziser vorherzusagen und dadurch eine höhere Energieeffizienz erreichen zu können. Zum anderen könnte der Luftspalt zur Kühlung der Gebäudehülle an heißen Tagen genutzt werden. Weiteres Potenzial verspricht die Verwendung organischer Photovoltaikmodule. Diese kohlenstoffbasierten Kunststoffe und Moleküle nutzen den lichtelektrischen Effekt, um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln. „Im Vergleich zu konventioneller, siliziumbasierter Technologie weisen diese Module ein geringeres Treibhausgaspotenzial, ein geringeres Gewicht und eine einfachere Recyclingfähigkeit auf. Aktuell ist der Wirkungsgrad jedoch nicht ausreichend, wobei mit Nachdruck durch Partner daran geforscht wird“, so Di Biase abschließend.

Über das Projekt

Das Projekt „Entwicklung eines energieneutralen Fassadensystems zur außenliegenden Wandtemperierung“ (EnergySkin) wurde von Prof. Dr. Pietro Di Biase und dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Max Stoppel vom Institut für Technische Gebäudeausrüstung der TH Köln durchgeführt. Die Dobler Metallbau GmbH verantwortete die Entwicklung des Montagesystems. Die Flachglas Sachsen GmbH war für die Herstellung des Glasmoduls inklusive Belegung der Solarmodule zuständig. Die Berechnung der Glasstatik und der Ökobilanzierung sowie Dauerhaftigkeitstest des Fassadenmoduls lagen bei der TU Dresden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie förderte das Teilprojekt der TH Köln mit rund 208.000 Euro im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM). Die Laufzeit betrug etwas mehr als zwei Jahre.