Systemleichtbau durch adaptive Verglasungssysteme

Adaptive Verglasungssysteme ermöglichen durch unterschiedliche Technologien die Änderung der Licht- und Energiedurchlässigkeit der Verglasung. Zu unterscheiden sind sowohl passive als auch aktive adaptive Systeme. Bei passiven Systemen erfolgt die Kontrolle des Licht- und Energieflusses automatisch als Reaktion auf eine Zustandsveränderung der steuernden physikalischen Größe, wie eine Temperaturerhöhung im Raum oder eine erhöhte solare Einstrahlung. Der Licht- und Energiefluss von aktiven Systemen wird auf der Grundlage von Sensordaten oder manuell geregelt oder gesteuert.
Das Prinzip des Systemleichtbaus wird angewendet, wenn Bauteile multifunktional ausgeführt werden, wenn also durch ein Bauteil neben der Hauptfunktion weitere Funktionen übernommen werden. Durch Systemleichtbau ergeben sich also nicht nur Gewichtseinsparungen, sondern auch weitere anwendungsspezifische Vorteile durch die Funktionsintegration, die neue Möglichkeiten des Entwerfens mit sich bringt. Adaptive Verglasungen können neben der Tageslichtversorgung im Raumabschluss weitere Funktionen wie Blendschutz und Verschattung erfüllen und lassen sich daher zum Systemleichtbau zählen.

Durch die Anpassung der Transmission der Verglasung an die veränderliche Einstrahlung der Sonne besitzen adaptive Verglasungssysteme das Potenzial, zur Reduzierung des Gebäudeenergieverbrauchs und zur Steigerung des Innenraumkomforts beizutragen.

Die Energieeinsparungen sind sowohl auf die Kühlung und Heizung als auch auf die Beleuchtung zurückzuführen. Die Einsparpotenziale hängen im Wesentlichen von der Typologie des Bauobjekts wie zum Beispiel dem Raumtyp und auch dem Standort ab. So sind adaptive Verglasungssysteme in tropischem Klima ganz anderes auszulegen als im gemäßigten Klima, um möglichst hohe Einsparungen zu erlangen. Darüber hinaus hängen die Nachhaltigkeitspotenziale steuerbarer Verglasungssysteme von ihrer Regelstrategie ab, die passend für die Anwendungsfälle ausgelegt werden müssen.

Der g-Wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) definiert das Verhältnis von auf die Verglasung auftreffender solarer Energie zur Summe aus der direkten Transmission von Solarenergie und der sekundären Wärmeabgabe durch Strahlung und Konvektion in den Raum. Bei einem g-Wert von 0,2 gelangen beispielsweise 20 Prozent der Energie durch die Verglasung. Durch Anpassung des Transmissiongrads kann mit adaptiven Verglasungen der g-Wert und damit der Energieeintrag beeinflusst werden.

Insgesamt können acht verschiedene Verglasungsarten gegenübergestellt werden. Diese unterscheiden sich darin, ob sie selbstregelnd, steuerbar oder statische Systeme darstellen. Als Vergleichsbasis sind außerdem Referenzverglasungen simuliert.

• Elektrochrome Verglasung 1:
  • Die Strahlungstransmission kann durch unterschiedliche Schaltzustände geregelt werden
• Elektrochrome Verglasung 2:
  • Die Strahlungstransmission kann durch unterschiedliche Schaltzustände geregelt werden
• Verglasung mit Jalousie im Scheibenzwischenraum:
  • Die Lamellen der Jalousie können hoch- und heruntergefahren werden und der Neigungswinkel kann verstellt werden
• Verglasung mit Mikrolamellen im Scheibenzwischenraum:
  • Die Strahlungstransmission ist stark abhängig vom Einstrahlwinkel
• Sonnenschutzbeschichtung:
  • OKATHERM Zweifachisolierverglasung mit Sonnenschutzbeschichtung
• Thermochrome Verglasung:
  • Die thermochrome Zwischenschicht in der Verglasung ändert in Abhängigkeit ihrer Temperatur die Strahlungstransmission
• Wärmeschutzbeschichtung:
  • Zweifachisolierverglasung mit Wärmeschutzbeschichtung
• Wärmeschutzbeschichtung mit Jalousie:
  • Zweifachwärmeschutzverglasung mit außenliegenden Jalousien

Die Regelungsansätze basieren grundsätzlich auf messbaren Parametern. Ein Parameter ist beispielsweise die Raumtemperatur, für die jeweils ein oberer und ein unterer Schwellenwert definiert werden. Unterschreitet der Parameterwert den unteren Schwellenwert, wird die Verglasung in den Zustand maximaler Transmission versetzt. Überschreitet der Parameterwert den oberen Schwellenwert, wird die Verglasung maximal abgedunkelt. Zwischen den Schwellenwerten wird sie meistens stufenweise abgedunkelt.

Es wurden drei repräsentative Gebäudetypologien mit unterschiedlichen Nutzungsszenarien und Bauarten ausgesucht und in die Simulationen einbezogen. Hierfür wurden die Komfortanforderungen für verschiedene Nutzungsszenarien analysiert. Insbesondere Büro- und Verwaltungsbauten haben Anforderungen an den Innenraumkomfort und die Energieeffizienz, deren Erfüllungsgrad durch eine entsprechende Fassadengestaltung wesentlich beeinflusst werden kann. Aufgrund dieser Anforderungen und der besonders hohen Potenziale zur Integration adaptiver Fassadensysteme wurden vor allem Verwaltungsgebäude als Grundlage der lichttechnischen und energetischen Modellierung verwendet. Innerhalb dieser Nutzung wurden sowohl ein Einzelbüro als auch ein Großraumbüro als repräsentative Raumtypologien ausgewählt. Zusätzlich zur Büronutzung wurde eine Schulnutzung simulativ untersucht. Eine besondere Bedeutung gewinnt hier die Besonnung (direkter Strahlungseinfall), der eine positive psychologische Wirkung zugeschrieben wird.

Klimatische Randbedingungen stellen mit die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Fassadenplanung dar. Die Ausführung der Fassade kann je nach der geografischen Lage eines Gebäudes stark variieren. Es sind vier Orte mit repräsentativen klimatischen Charakteristiken definiert. Um den Einfluss des Klimas bei den Simulationen zu berücksichtigen, wurden im Rahmen der numerischen Simulationen Wetterdatensätze eines Testreferenzjahres (Typical Meteorological Year, TMY) verwendet. Diese Datensätze beruhen auf realen Witterungsverhältnissen und bilden den charakteristischen Jahresverlauf des entsprechenden Standorts nach. Da ein TMY den üblichen Klimaverlauf eines Jahres darstellt, werden bei der Nutzung dieser Daten keine klimatischen Extremsituationen simuliert.

Durch ihre Nachhaltigkeitspotenziale adressieren adaptive Verglasungssysteme direkt oder indirekt folgende Ziele für eine nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals – SDGs). Dieser Bezug basiert auf einer qualitativen Zuordnung der Autor*innen und erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.