Kraftwerk vor dem Fenster

Geb?ude zu heizen oder zu k¨¹hlen ben?tigt Energie. Mit intelligenten Fassaden k?nnte man viel davon sparen. Ein an der ETH Z¨¹rich entwickeltes System verwendet bewegliche Solarpanels, die Strom produzieren und zugleich genau so viel Sonne durchlassen oder Schatten spenden, wie es Wetter und Raumklima erfordern. 

Positive Energiebilanz

Arno Schl¨¹ter, Professor f¨¹r Architektur und Geb?udesysteme, hat mit seiner Gruppe ein Fassadensystem entwickelt, mit der sich der Energie?haushalt von R?umen so regulieren l?sst, dass sie ¨¹ber das Jahr gesehen mehr Energie produzieren als verbrauchen. Das zeigt eine Studie, die k¨¹rzlich in der Zeitschrift ?Nature Energy? erschienen ist.

Die neuartige Fassade besteht aus einem leichten Seilnetz mit reihenweise angeordneten Solarpanels, die einzeln angesteuert und von einem weichen pneumatischen Element vertikal und horizontal bewegt werden. Die sogenannt ?weichen Aktuatoren? bilden das Herzst¨¹ck der Fassade: Dank der Kombination von weichen Materialien, die unter Druck ihre Form ver?ndern, und einem festen U-Gelenk k?nnen sie sich auf Wunsch so versteifen, dass sie auch einen Sturm ¨¹berstehen.

Mit mehreren Prototypen auf dem ÍþÁ®Ï£¶ûÌåÓýAPP_ÍþÁ®Ï£¶ûÖÐÎÄÍøÕ¾-ÏÂÔØÍøÖ· H?nggerberg haben die Forschenden die Wettertauglichkeit der Anlage getestet und Messungen durchgef¨¹hrt. Sie wollten insbesondere wissen, wie viel mehr Solarenergie die beweglichen Panels im Vergleich zu einer statischen Solarfassade generieren. Das Resultat: Die beweglichen Solarpaneele erzeugten an einem klaren Sommertag rund 50 Prozent mehr Energie als statische Fassaden-Paneele.

Sparpotenzial simuliert

Die Fassade kann aber nicht nur Strom produzieren, sondern auch regulieren, wie viel Licht die Fassade durchdringt und dadurch, wie viel W?rme im Raum entsteht. Ein lernf?higer Algorithmus steuert die Bewegungen der Paneele so, dass die Stromgewinnung und die Einsparungen bei Heizung und K¨¹hlung zusammen einen m?glichst geringen Gesamtenergiebedarf ergeben. Dabei ber¨¹cksichtigt der Algorithmus auch, wie der Raum gerade genutzt wird und optimiert das Klima entsprechend. 

Um zu eruieren, um wie viel sich der Energiebedarf eines Raumes theoretisch reduzieren l?sst, haben die Forschenden anhand der Daten aus dem Prototypen mehrere Szenarien simuliert. Sie berechneten das Energie?spar?potenzial von R?umen, die mit beweglichen Solar-Fassaden best¨¹ckt sind, in Kairo, Z¨¹rich und Helsinki. Dabei haben sie jeweils einen B¨¹ro- und einen Wohnraum simuliert.

Gr?sstes Potenzial in gem?ssigten Zonen

Die Ergebnisse zeigen: In B¨¹ros l?sst sich mit der Fassade tendenziell mehr Energie einsparen als in Wohnr?umen, in warmen Klimazonen mehr als in kalten, am meisten aber in gem?ssigten Zonen wie in Mitteluropa. Arno Schl¨¹ter res¨¹miert: ?Je variabler die Rahmenbedingungen, desto gr?sser sind die Vorteile der adaptiven Fassade?. Die beste Bilanz zeigten die Simulationen f¨¹r einen B¨¹roraum in einer gem?ssigten Zone, beispielsweise in Z¨¹rich, der gem?ss dem neusten Baustandard erstellt wurde. In diesem Szenario, bei dem der Raum ¨¹ber das Jahr sowohl Heizung wie K¨¹hlung bedarf, produzierte die Fassade 115 Prozent der Energie, die f¨¹r ein angenehmes Raumklima ben?tigt w¨¹rde. Ein ?hnlich gutes Ergebnis zeigt die Simulation f¨¹r einen B¨¹roraum in einem vor 1920 erbauten Haus in Kairo, f¨¹r den viel Verschattung und K¨¹hlung ben?tigt wird. Hier erzeugte die Anlage 114 Prozent der ben?tigten Energie. Die Studie verspricht also sowohl f¨¹r Neubauten wie f¨¹r alte Geb?ude Energiesparpotenzial, allerdings muss die Fassade immer im Zusammenspiel mit dem Raum dahinter betrachtet werden.

?Wir m?chten den Widerspruch zwischen Komfort und Energieeffizienz bei Geb?uden aufl?sen?, sagt Arno Schl¨¹ter. ?Der energieeffizienteste Raum w?re theoretisch n?mlich einer ohne Fenster. Es freut uns deshalb zu zeigen, dass wir mit einer intelligenten Schnittstelle zwischen dem Innen- und Aussenraum ein ideales Raumklima und zugleich sogar einen Energie-?berschuss produzieren k?nnen.?

Die Wirkung der adaptiven Solarfassade wird Schl¨¹ters Gruppe bald schon an einem echten Geb?ude messen k?nnen: Sie ist Teil der futuristischen Geb?ude-Einheit ?HiLo?, die zurzeit auf der obersten Plattform des Forschungsgeb?udes NEST in D¨¹bendorf gebaut wird (siehe Box).