Von Solarkollektoren bis zur solaren Stadt

Eine Klimakatastrophe kann abgewendet werden, wenn auch Gebäude so gebaut sind, dass sie weniger Energie verbrauchen, erneuerbare Energien nutzen und im besten Fall über ihren eigenen Bedarf hinaus Energie produzieren. Dieser Paradigmenwechsel wird aber nur dann zeitnah eintreten, wenn der industrialisierten Welt attraktive Alternativen zur Verfügung gestellt werden. Zukunftsweisende Ansätze dazu stellte der Leiter des Lehrstuhls 2 am Instituts für Baukonstruktion und Entwerfen (IBK2) der Universität Stuttgart, Prof. Stefan Behling, im Rahmen der Reihe "Forschung hinter den Kulissen vor.

Angesichts der vielfältigen Herausforderungen sind Lösungen in allen Maßstäben gefragt. Dies beginnt bei Mikro-Technologien und reicht über Produkte und Komponenten wie Photovoltaikpaneele, Windturbinen oder Solarthermie-Kollektoren sowie komplexe Gebäudesysteme bis hin zum kompletten System Stadt. Mit zunehmendem Maßstab steigt dabei auch die Komplexität der Problemstellungen. Vereinfacht gesagt sind auf dem Weg zu einer nachhaltigen Lebensform zunächst die solaren, nachhaltigen Komponenten zu erforschen und zu entwickeln, dann solare, nachhaltige Gebäude und schließlich solare, nachhaltige Städte. Das IBK arbeitet seit über 15 Jahren systematisch auf allen drei Ebenen. Eine Stadt oder einen Stadtteil als einen Organismus zu betrachten, ist nicht neu. Mit Blick auf die Nachhaltigkeit wird dabei ihr Metabolismus analysiert, also die Ein- und Ausfuhr von Material, Wasser, Luft und Energie. Die Entwicklung einer Stadt, deren Metabolismus CO2-neutral ist, ist sicher eines der anspruchsvollsten Ziele der Welt.

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Die Universität Stuttgart arbeitet an solchen Projekten in Forschung und Lehre. Studierende entwickeln Visionen an Hand von Modellen und Zeichnungen und versuchen, realistische Konzepte für die Stadt von Morgen aufzuzeigen. Darüber hinaus beschäftigt sich das IBK 2 mit innovativen Gebäudekomponenten. Der integrative Ansatz ist dabei ein wesentlicher Faktor zur Steigerung der Leistungsfähigkeit - sei es bei der Entwicklung einer neuartigen Energiefassade, der architektonischen Integration von Solarthermie in Fassaden, der Integration der Windenergienutzung in Hochhäusern oder auch bei der Entwicklung einzelner Bauteilkomponenten. Für Energieeffizienz und Nachhaltigkeit ist zudem die Natur eine unerschöpfliche Quelle der Inspiration. Daher wird am Institut auch intensiv auf dem Gebiet der Bionik geforscht. Das Spektrum reicht von der menschlichen Haut, die nicht nur eine Hülle, sondern auch ein aktives Temperaturausgleichs- und Atmungsorgan ist, bis hin zu Bauten von Tieren wie Termitenhügeln, die eine hochkomplexe "Fassade" besitzen. "Unsere Vision sind Gebäude, die mehr Energie einsammeln, als sie verbrauchen und dafür verstärkt ihre Oberflächen aktivieren", erklärt Prof. Stefan Behling. Da solares Bauen nicht nur ein technisches, sondern vor allem auch ein architektonisches Thema ist, muss nachhaltige solare Architektur besseren Komfort schaffen und zugleich nachhaltig ästhetischen Ansprüchen genügen.

Exemplarische Einzelprojekte:

1. Energiefassade

Fassadenprofile, Füllelemente, Sonnenschutz, Kollektoren und ähnliche Einzelkomponenten werden bisher von verschiedenen Herstellern angeboten und müssen von Planern mit hohem Aufwand zu komplexen Hüllsystemen kombiniert werden. Das Projekt versucht, neue Wege aufzuzeigen und funktional notwendige Baukomponenten für eine energieoptimierte Fassade zu entwickeln, die in ein handelsübliches Fassadensystem integriert werden können. So können automatisch zu öffnende Fensterflügel unsichtbar in die Pfosten- Riegelfassade integriert werden und für natürliche Lüftung sorgen. Die verdeckt liegenden Systemantriebe sind in Pfosten mit einer Breite von circa 8,5 Zentimeter eingebaut. Sie können zentral, dezentral oder individuell am Fassadenelement betrieben werden. Für den außen liegenden Sonnenschutz entwickelten die Wissenschaftler am IBK2 eine Mikrolamelle, die die Fassade bei Windgeschwindigkeiten bis etwa 100 Stundenkilometern zuverlässig verschattet. Die Mikrolamellen werden seitlich in den Pfosten geführt und sind in eingefahrenem Zustand praktisch unsichtbar. Im Bereich der Energiegewinnung müssen Photovoltaik und thermische Kollektoren gleichwertig in die Fassade integriert werden. In Zukunft kann die Gebäudehülle neben Strom auch Wärme und mittels Kälteabsorption die oftmals wichtigere Kühlung selbst erzeugen. Hierzu wurde ein optisch durchlässiger Flachkollektor entwickelt, der ein Licht- und Schattenspiel erzeugt. Heizung und Kühlung sind vor der Geschosstrenndecke im Fassadenelement positioniert, was eine flexibel nutz- und gestaltbare Fassadenfläche ermöglicht.

Die Wissenschaftler am IBK2 vertreten die Auffassung, dass bei ganzheitlicher Betrachtung eines Gebäudes die Vorteile einer dezentralen Lösung für die HL (Heizungs- und Lüftungs)-Technik gegenüber einer zentralen Lösung überwiegen. Neben den konstruktiven Einsparungen an Geschosshöhen, Steigschächten, Technikräumen und -geschossen wird auch der Komfort durch die Individualisierung der Lüftung erhöht. Außerdem können, wie bei der Beleuchtung längst üblich, ganze Bereiche abgeschaltet werden. Fassaden werden sich in Zukunft vom rein thermischen Gebäudeabschluss zu multifunktionalen Gebäudehüllen entwickeln müssen, Bereiche der Haustechnik übernehmen und aktiv das Gebäudeklima kontrollieren. Umso wichtiger ist es, die Gebäudehülle als System zu begreifen und die vielfältigen Anforderungen und Funktionen ganzheitlich zu betrachten.

2. Architektonische Integration von Solarthermie in Fassaden

Im Gegensatz zur Photovoltaik hat sich in der Solarthermie der "Evolutionssprung" von einem technisch-funktionalen Element zu einem architektonisch zufriedenstellenden Bauteil noch nicht vollzogen. Für Flachkollektoren gibt es bereits Systeme, die eine Integration in die Gebäudehülle ermöglichen, für Vakuumröhren jedoch nicht. Sie bieten aufgrund ihrer ästhetischen Struktur große Potenziale für Fassaden. Ziel ist die Entwicklung eines flexibel anwendbaren integralen Fassadenbauteils, das Sonnenschutz, Energiegewinnung und Tageslichtnutzung leistet. Die Fassadenpfosten übernehmen dabei neben ihrer konstruktiven Funktion die Aufgabe des Sammlers. Die Vakuumglasröhre kann dank ihres integrierten Spiegels ohne große energetische Einbußen in eine vertikale Fassade eingebaut werden. Die Röhre wird so gedreht, dass der integrierte Spiegel optimal zur einfallenden Strahlung ausgerichtet ist. Die wesentlichen konstruktiven Parameter des Fassadensystems sind der Rasterabstand zwischen zwei Röhren, der den Tageslichteinfall beeinflusst und der Röhrenanstellwinkel. Der spezifische Energieertrag in Bezug auf die Brutto-Fassadenfläche nimmt mit zunehmendem Röhrenabstand ab. Das Fassadensystem mit Vakuumröhren erbringt in Bezug auf die Fläche, die das Sonnelicht aufnehmen kann (Aperturfläche), einen rund 35 Prozent höheren Energieertrag als eine effiziente Flachkollektor-Fassade.

3. Integration von Windturbinen in die gebaute Umwelt

In einem weiteren Projekt geht darum, wie Windenergieanlagen bei optimaler Nutzung der Standortfaktoren in ein bebautes Umfeld integriert werden können. Windturbinen in Gebäuden bringen Probleme mit sich, da weder die Turbine, noch das Gebäude dem Wind nachgeführt werden können. Im städtischen Umfeld sind die Windgeschwindigkeiten geringer und die Turbinen befinden sich in der Nähe von Menschen. Die Stuttgarter Wissenschaftler untersuchten verschiedene Gebäudeformen nach aerodynamischen Kriterien und testeten einen Zwillingsturm mit "Bumerang-Grundriss" als Modell. Wurden die Rotoren innerhalb der düsen-förmigen Gebäudekonfiguration platziert, erhöhte sich die Windgeschwindigkeit am Rotor um einen Meter pro Sekunde und erzeugte wesentlich mehr Kraft als freistehende Anlagen. Rechnet man die Ergebnisse hoch, hätte ein entsprechend größeres Gebäude eine mindestens 25 Prozent höhere Energieausbeute. Weitere Gewinne können erzielt werden, wenn es gelingt, die Rotoren in größerer Höhe stärkeren Windgeschwindigkeiten auszusetzen.

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