Future Facade

Kombination von individualisiertem Design und Solarthermie durch Anwendung eines neuen Umformungsverfahrens für metallische Fassadenelemente

Im gegenwärtigen Diskurs um die Energiewende rücken Methoden der dezentralen Energiegewinnung aus erneuerbaren Ressourcen immer mehr in den Fokus. Idealerweise wird Energie dabei möglichst dort umgewandelt, wo sie auch genutzt wird.

Im internationalen Verbundforschungsprojekt FutureFacade steht daher die Entwicklung eines modernen solarthermischen Fassadensystems im Mittelpunkt. Mit diesem kann über die Außenwände eines Gebäudes Energie gewonnen werden, die direkt vor Ort zum Heizen oder Kühlen genutzt werden kann. Das anwendungsorientierte Forschungsvorhaben beruht auf einem beim Projektpartner Fraunhofer IWU neu entwickelten Verfahren zur inkrementellen Blechumformung. Angestrebt wird ein Maßstabssprung in den zu fertigenden Bauteildimensionen, der die automatisierte Fertigung von 3D-geformten Fassadenelementen ermöglicht, welche Technik, Funktionalität und Design gleichermaßen vereinen. Mit diesem Projekt wird der Transfer von der Grundlagenforschung hin zur Anwendung in der Architektur vollzogen.

 

Keywords: Fassade, Gebäudehülle, Solarthermie, Nachhaltigkeit, Energiegewinnung, Ressourcenschonung, Metallumformung, CAD, 3D-Modell, Bionik, Stahlforschung, Energiekosten, Parametrik, BIM, Digitalisierung, Simulation, Statik, Fertigung

Platzsparend und nachhaltig: Nutzung des bereits Vorhanden

Bisher bekannte und besonders im urbanen Raum verbreitete Lösungen richten ihren Fokus in der solaren Energiegewinnung zumeist auf die Nutzung von Dachflächen. Doch Gebäude verfügen auch über große Fassaden, die in Zukunft eine platzsparende, attraktive Möglichkeit der erneuerbaren Energiegewinnung darstellen könnten. Solche Fassadenpaneele werden in bereits vorhandene Flächen integriert und bieten damit eine Alternative, die sich besonders im städtischen Raum als äußerst nützlich erweisen kann. Zurzeit finden solche Solarkollektoren jedoch noch wenig Anwendung, da sie häufig weder mit Effizienz noch Design überzeugen können. Das Verbundprojekt hat sich diesem Problem angenommen und folgt deshalb dem Ziel, eine anwendungsfähige, vollständig digital basierte Lösung zu entwickeln.

Aufgaben von FLEX im Forschungsprojekt

Das FLEX.team bringt sein in mehrjähriger aktiver, interdisziplinärer Forschungsarbeit erworbenes, umfangreiches Knowhow aus der Arbeit im Überschneidungsbereich von Gestaltung (Architektur) und Technik (Engineering) in das Projekt ein. Dabei liegt der Schwerpunkt auf der Entwicklung einer durchgängig digitalen Entwurfs-, Planungs-, Konstruktions-, und Vorfertigungsstrategie für die solarthermischen Fassaden. Das Team erarbeitet dazu verschiedene Designvorschläge, die nicht nur hinsichtlich des gestalterischen Anspruchs, sondern auch mit Blick auf den solarthermischen Ertrag bei unterschiedlicher Ausrichtung der Fassade analysiert und verglichen werden. Damit die Kompatibilität der Form der Paneele mit der Funktionalität der bionischen Kanalstruktur gewährleistet werden kann, steht das FLEX.team im ständigen Austausch mit den Kollegen am Fraunhofer IWU in Chemnitz. Die intensive Teamarbeit mit den Projektpartnern bildet die Basis für eine sukzessive Anpassung der Entwurfs- und Planungsmethodik im Sinne einer ganzheitlichen Optimierung der Fassadenlösung. Die ersten Ansätze werden aktuell durch die Entwicklung eines maßstäblich skalierten Demonstrators (Größe zirka DIN A2-Format) erprobt (Stand 01/2021).

Individuelles Design und optimierter Wirkungsgrad

Das Forschungsprojekt zeichnet sich durch die smarte Verknüpfung von individualisiertem Design und solarthermischer Funktionalität aus und hebt sich so von anderen Ansätzen zur Herstellung von Solarkollektoren ab. Parametrische Planungsstrategien sowie computergestützte Umformungstechniken bilden die technologische Grundlage für die fertigungstechnische Umsetzung der Fassadenelemente.  Dank inkrementeller Blechumformung wird ein neuartiger, vereinfachter Aufbau mit verringerter Bauteilanzahl ermöglicht. Darüber hinaus wird der Wirkungsgrad mit Hilfe von spektralselektiver Beschichtung und der Generierung einer bionischen Kanalstruktur signifikant erhöht. Im Ergebnis entstehen individuell gestaltete Kollektormodule, die sich nahtlos in bestehende Stahlfassaden integrieren lassen und auf diese Weise sowohl architektonischen als auch technologischen Ansprüchen gerecht werden.

Gesteigerte Effizienz Dank neuartiger Formgebungstechnologie

FutureFacade basiert auf einem am Fraunhofer IWU in Chemnitz entwickelten Verfahren der inkrementellen Blechumformung. Diese Strategie eignet sich besonders gut, um komplexe Bauteile in kleineren Mengen fertigen zu können. Auf der Grundlage eines 3D-CAD-Modells des Fassadenelements wird das Metall auf eine Patrize, eine Negativform, gelegt und mit einem Druckstößel bearbeitet. Dieser bewegt sich auf vorprogrammierten Bahnen und bringt so das Blech in seine Form. Bei diesem berührungsarmen Verfahren können auf aufwendige Werkzeuge verzichtet und sowohl Kosten als auch Fertigungsdauer reduziert werden. Die inkrementelle Blechumformung ist somit die Voraussetzung für die Kombination von Individualisierung, Funktionalität und Effizienz im Forschungsprojekt.