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Fassadenprüfboxen

Ziel des strategischen Projekts der ACR ist die In-situ-Messung von grundlegend neuen und intelligenten Energieversorgungskonzepten über die Fassade, für Neubauten und bestehende Gebäude, die einen hohen Integrationsanteil der aktiven und passiven Gebäudetechnikelemente in vorgefertigte Fassadenmodule erlauben.

BauphysikMessung & MonitoringForschung

Ausgangspunkt

Bei innovativen Bauweisen werden die Eigenschaften von Bauteilen von mehreren Parametern systemisch beeinflusst etwa vom Mikroklima, der Haustechnik, dem Nutzerverhalten in Bezug auf weitere Bauteile oder der erforderlichen Behaglichkeit im Innenraum. Diese Abhängigkeiten können mit den üblichen Prüfmethoden meist nicht abgebildet werden. Für hocheffiziente Komponenten ist es zielführend, deren Verhalten im Gesamtkontext unter möglichst realen Bedingungen zu untersuchen. Es ist also wichtig Prüfungen von tatsächlichen Elementen, mit realistischen Abmessungen, unter realen Witterungsbedingungen und mit konkreter konstruktiver- und gebäudetechnischer Anbindung durchzuführen. Bislang gibt es dafür europaweit kaum geeignete Prüf-Infrastrukturen, welche es gestatten gleichzeitig dynamische Untersuchungen über den Energiebedarf, Behaglichkeit, Lichtlenkung, Luftdurchlässigkeit, Witterungsbeständigkeit, solaren Ertrag etc. durchzuführen und mit Simulationen zu vergleichen.
Für diese Untersuchungen ist ein flexibler, ausreichend großer, real bewitterter Prüfstand notwendig, welcher über eine Vielzahl an Labor-messtechnischen Einrichtungen und Steuerungs- und Regelmöglichkeiten verfügen muss. Die AEE INTEC und das IBO – Österreichische Institut für Baubiologie und -ökologie haben diese Herausforderung angenommen und mithilfe eines Strategischen ACR-Projektes diese Lücke nun mit einer neu entwickelten Prüfeinrichtung geschlossen. Im Jahre 2017 sind in Gleisdorf – erstmals in Österreich – drehbare, energetische Zwillingsräume für Freiversuche an Fassadenelementen und Fenstern errichtet worden.

Anwendungsbereiche

Die Anwendungsgebiete können prinzipiell in zwei Bereiche unterteilt werden.
Im ersten Bereich geht es darum, dass unter Berücksichtigung der Beeinflussung von Umweltfaktoren und dem Nutzerverhalten das Verhalten von scheinbar einfachen Bauteilen schnell recht komplex und schwer darstellbar wird. Als Beispiel können hier etwa beschattete Glasfassaden genannt werden sich dynamisch ändernde Umweltbedingungen (Einstrahlung, Wind etc.) werden auf komplexe Weise von der Fassade „transformiert“ und führen zu sich ebenso dynamisch ändernden Innenraumbedingungen. Sehr relevante und vermeintlich einfache Fragestellungen, etwa bezüglich des Energieeintrags, der Blendung, der Innenraum-Behaglichkeit etc. können meist nur mit Hilfe von Untersuchungen unter Realbedingungen beantwortet werden.
Den zweiten wichtigen Bereich bilden an sich komplexe Fassadenelemente und Konstruktionselemente. Zur Erreichung der ambitionierten Klimaziele gibt es einen neuen Trend, hin zu integrierten, multifunktionellen Fassaden- und Konstruktionselementen. Im Neubau, vor allem aber bei der Sanierung wird angestrebt, Gebäudetechnikfunktionen verstärkt in die Fassade zu integrieren, z.B. Sonnenkollektoren, Versorgungsleitungen, Wärmepumpen, Bauteilaktivierungen, Kühlsysteme und Photovoltaik-Module. Die hierbei auftretenden Fragestellungen sind vielschichtig und betreffen sehr unterschiedliche Bereiche etwa Ästhetik, Schutz vor Umwelteinflüssen, Statik, Energieumwandlung, Energiespeicherung, Energieverteilung, Auswirkungen auf die Behaglichkeit usw.
Derzeit werden in der thermischen Sanierung von Altbauten noch wenig vorgefertigte Fassaden- und Gebäudetechnikmodule bzw. -komponenten eingesetzt. Konzepte und erste Umsetzungen von großflächigen, vorgefertigten Fassadenmodulen gibt es sowohl in Leichtbau- als auch in Massivbauausführung. Die nötigen Gebäudetechnikkomponenten werden hierbei entweder ohne Abstimmung auf die spezifischen Eigenheiten der thermisch sanierten Gebäude erneuert und kostenintensiv eingebaut – oder im häufigeren Fall von der Sanierung ausgeklammert und im ursprünglichen Zustand belassen. Die mögliche Umsetzung mittels Integration der Gebäudetechnik in die vorgefertigten Fassadenelemente wird oft gar nicht in Betracht gezogen, auch weil eine vorlaufende Überprüfung der Praxistauglichkeit unter weitgehend realen Bedingungen kaum möglich ist.

Erste Prüfungen erfolgreich

Geprüft wird bereits seit Herbst 2017. Begonnen wurde mit Fenstern die mit einem neuartigen Mechanismus die integrierten Lüftungselemente steuern. Auch der Sonnenschutz ist integriert. Danach sollen 2018 verschiedene Fassadentypen mit thermisch aktivierten Bauteilen und aktiven Haustechnikkomponenten sowie Lüftungskonzepte unter realen Bedingungen folgen.
Von AEE INTEC und IBO werden verschiedene Fassadenelemente und deren Auswirkungen auf die dahinterliegenden Räumen unter denselben Realbedingungen miteinander verglichen. Gemessen werden, neben klassischen Bauteilkennwerten und energetischen Parametern (Strom-, Heiz- und Kühlbedarf) gleichzeitig auch die Auswirkungen auf die Behaglichkeit und den Innenraum. So wird untersucht wie sich unterschiedliche Kombinationen von Fassaden-, Fenster- und Haustechnik unter verschiedenen Nutzungsszenarien auswirken. Hierfür werden Innenraumparameter wie Lufttemperatur, Luftfeuchte, Strahlungstemperatur und Luftgeschwindigkeit an unterschiedlichen Messpunkten aufgezeichnet und ausgewertet. Auch die Innenraumluftqualität wird mit VOC- und Feinstaubsensoren erfasst. Somit können umfassende Aussagen über die Qualität der Heizung bzw. Kühlung und der Lüftung der Elemente gemacht werden.
Zukünftig können mit einer einfachen Erweiterung des Messequipments auch Studien zur Tageslichtsteuerung und Akustik in Büroräumen gemacht werden.
Die Messungen werden mit einem eigens entwickelten Verfahren mit einer Gebäudesimulation gekoppelt. Dies gestattet einerseits eine wesentlich umfangreichere Analyse und Interpretation der Messergebnisse und andererseits eine dynamische Echtzeit-Steuerung des Versuchsablaufes („hardware-in-the-loop“). Auf diese Weise kann etwa das Verhalten unterschiedlicher Konstruktionsweisen im Prüfraum simuliert werden und - beinahe auf magische Art und Weise – das reale Verhalten des Prüfraums per Knopfdruck beispielsweise von Stahlbeton-Bauweise auf Leichtbauweise umgeschaltet werden.

Konstruktion, Aufbau, Messtechnik

Die Prüfbox ist aus Massivholz konstruiert, ihre U-Werte liegen im Bereich von 0,10W/m²K. Im Gegensatz zum üblichen Aufbau einer Gebäudehülle, lässt sich diese aber in zwei unterschiedlichen Ebenen temperieren. Die außenliegende Aktivierung dient dazu den Wärmestrom aus dem Innenbereich in allen Flächen - außer der Prüfebene - zu neutralisieren. Hierdurch wird quasi eine „unendlich starke“ Dämmung realisiert, da keine nennenswerten Wärmeverluste aus dem Innenbereich mehr auftreten. Die innere Aktivierungsebene dient einerseits zur exakten Bestimmung des Energieeintrags (oder -verlustes) und anderseits zur Simulation des gewünschten realen Verhaltens des gewählten Aufbaus.
Sowohl im Innenbereich, als auch im Bereich des Prüflings und im Außenbereich stehen eine große Anzahl an unterschiedlichen Messsensoren zur Verfügung, um bei jedem Messvorgang eine Vielzahl von Forschungsfragestellungen gleichzeitig beantworten zu können.

Ausblick

Durch den Aufbau dieser neuartigen Forschungsinfrastruktur entsteht ein Kompetenzzentrum für Forschung und Industrie, vorrangig für KMUs für die Untersuchung komplexer, gebäudetechnikintegrierter Fassadenlösungen, Fenster- und Sonnenschutzentwicklungen und die gesamtheitliche Analyse des Fassadeneinflusses auf den dahinterliegenden Raum.
Das IBO und die AEE INTEC haben mit der Prüfbox umfassende Kompetenz aufgebaut. Fassadenelemente können mit dieser in Europa einzigartigen Messinfrastruktur schnell und unkompliziert auf Herz und Nieren geprüft werden. Mit AEE INTEC und IBO als Forschungs- und Geschäftspartner können Firmen, die Fassaden für Plusenergiehäuser entwickeln und bauen, ihre Produkte umfassend auf Funktion, Behaglichkeit und Praxistauglichkeit überprüfen und verbessern.

 

 IBO ist Mitglied der ACR - Austrian Cooperative Research, einem Netzwerk von 18 außeruniversitären Forschungsinstituten, die angewandte Forschung und Entwicklung für Unternehmen, speziell für KMU, betreiben. www.acr.ac.at

Forschungszeitraum

Juni 2018 –

Kontakt

Grundsätzlicher Aufbau der Zwillingsfassadenprüfbox, Bildquelle: Tobias Weiß – AEE INTEC
Explosionszeichnung der Zwillingsfassadenprüfbox, Bildquelle: Tobias Weiß – AEE INTEC
Steuerbare Wärmeflüsse mittels Hardware-in-the-Loop
Aufbau der Fassadenbox mit der Kühl- bzw. Heizmöglichkeit der Außenhaut
Fassadenbox-Innenraum: Behaglichkeits-Messbaum, eingesetzte Standardfassade mit den Messmöglichkeiten, Innenoberfläche mit sehr vielen Möglichkeiten das Verhalten regeltechnisch einzustellen (Oberflächentemperatur, Dynamik der Wärmeaufnahme um Massivbauten und Leichtbauten thermisch nachbilden zu können)
Die drehbare fertige Fassadenbox mit der Standardfassade auf dem Dach des Prüflabors der AEE INTEC in Gleisdorf