Systemleichtbau durch adaptive Verglasungssysteme

Die energetische Optimierung von Gebäuden stellt hohe Anforderungen an die heutigen Verglasungs- und Verschattungssysteme. In Bereichen, in denen herkömmliche Systeme an ihre Grenzen gelangen, erlauben adaptive Verglasungssysteme durch die Änderung der Licht- und Energiedurchlässigkeit der Verglasung eine Reduzierung des Gebäudeenergieverbrauchs und eine Steigerung des Innenraumkomforts. Um für Planer*innen eine Entscheidungshilfe im Entwurfsprozess bieten zu können, wurden die technischen Möglichkeiten und Wirkweisen der einzelnen Systeme untersucht. Dafür wurden die jeweils optimalen Anwendungen ermittelt und geeignete Regelungsstrategien für unterschiedliche adaptive Verglasungssysteme im Bauwesen entwickelt.

Das bietet WiTra für den Systemleichtbau durch adaptive Verglasungen

  • Erfahren Sie mehr zu den verschiedenen Regelungsstrategien und Randbedingungen.
  • Vergleichen Sie die Energieverbräuche, die sich bei unterschiedlichen Verglasungen und Regelungsstrategien ergeben.
  • Entdecken Sie mögliche Anwendungsfelder für adaptive Verglasungen.

Adaptive Verglasungssysteme im Kontext des Systemleichtbaus

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.

Nachhaltigkeitspotenziale

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.

Welche Energieverbräuche ergeben sich durch verschiedene adaptive Verglasungssysteme?

Das Dashboard ermöglicht den Vergleich verschiedener adaptiver Verglasungen bezogen auf den Heiz-, Kühl- und Beleuchtungsenergieverbrauch für den dahinterliegenden Raum.
Im oberen Bereich können dazu verschiedene Konfigurationen hinsichtlich der Verglasungsart, der Regelstrategie, des Raumtyps und der Klimazone ausgewählt werden. Was genau hinter diesen Parametern steht, kann den folgenden Bereichen entnommen werden. Oben im Dashboard wird der g-Wert der Verglasung dargestellt, unten im Dashboard die Energieverbräuche in Abhängigkeit von den gewählten Einstellungen.

Mehr Informationen zu den einzelnen Regelungsstrategien, der Gebäudetypologie und den Standorten bzw. Klimazonen sind in einer kompakten PDF Datei zusammengestellt. Diese kann hier heruntergeladen werden. Einen kurzen Überblick geben die folgenden Abschnitte.

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.

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.

Anwendungen von adaptiven Verglasungen

Elektrochrome Verglasung in Bürogebäuden. © SageGlass / Jeffrey Totaro

Zweifachisolierverglasung mit Wärmeschutzbeschichtung als großflächige Verglasungsmöglichkeit. Museum, Rosenheim Foto: Josefine Unterhauser / © Saint-Gobain Glass

Zweifachisolierverglasung mit Wärmeschutzbeschichtung sowie außenliegender Jalousie als großflächige Verglasungsmöglichkeit von Wohngebäuden. © Warema

Zweifachisolierverglasung mit Sonnenschutzbeschichtung, verbaut in einer Kuppel. © Okalux Glastechnik GmbH

Elektrochrome Verglasungen für individuelle Anwendungen in Bürogebäuden. © EControl-Glas GmbH & Co. KG

Verglasung mit Jalousie im Scheibenzwischenraum als Lösung in Büroräumen. © Okalux Glastechnik GmbH

Bezug zu den Zielen für eine nachhaltige Entwicklung

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.

United Nations Sustainable Development – 17 Goals to Transform Our World

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Weitere zu untersuchende Aspekte sind die sinnvolle Unterteilung der einzeln ansteuerbaren Bereiche schaltbarer Verglasungen, geeignete Ansteuerungskonzepte, Regelungskonzepte und die benötigte sensorische Ausstattung zum effektiven Betrieb von adaptiven Verglasungen unter den Gesichtspunkten von Komfortsteigerung und Minimierung des Energieverbrauchs zur Raumkonditionierung.
Die aktuellen Berechnungen umfassen die reinen Energieeinsparungen im Bereich der Nutzungsphase. Für eine vollständige Umweltanalyse muss eine lebenszyklusbezogene Ökobilanz berechnet werden, um eine ganzheitliche Betrachtung zu ermöglichen. Falls Sie Interesse oder eigene Forschungsfragen zu diesem Themengebiet haben, melden Sie sich gerne bei unseren Ansprechpartner*Innen.

Für weitere Informationen zu verschiedensten Themen rund um Nachhaltigkeit finden Sie hier eine Weiterleitung auf die Webseite des Fraunhofer IBP, Abteilung Ganzheitliche Bilanzierung. Interessieren Sie sich für Themen rund um adaptive Gebäudesysteme und Bauen mit textilen Materialien, besuchen Sie die Webseite des Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren (ILEK).

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