Gemischtes Doppel

Bei einem Großteil moderner Verwaltungsbauten fließen bereits im Wettbewerbsentwurf so genannte Doppelfassaden in die Planung ein. Dabei ist in einem bestimmten Abstand (0,3–2 m) der eigentlichen Kernfassade (Primärfassade) eine zweite, meist volltransparente Glasfront (Sekundärfassade) vorangestellt. Der entstehende Fassadenzwischenraum dient als Pufferzone zwischen Raum- und Außenklima, in ihn kann über Zu- und Abluftöffnungen Um- gebungsluft einströmen oder entweichen. Bei solarer Einstrahlung erwärmt sich die Luft, steigt auf und zieht Frischluft nach. Zusätzlich wird durch eine geeignete Segmentierung des Fassadenzwischenraums sowie eine günstige Anordnung und Dimensionierung von Ein- und Ausström-öffnungen die Luft so geführt, dass beim Öffnen der Fenster die dahinter liegenden Räume mit Frischluft versorgt werden. Wo sonst wegen starker Lärmbelastung oder hohen Windgeschwindigkeiten ohne den Schutz der zweiten Fassade die Fenster nicht geöffnet werden können, ist dann freie Lüftung möglich. Im Fassadenzwischenraum kann außerdem ein effektiver, vor Wind- und Witterungseinflüssen geschützter Sonnenschutz montiert werden. Die Belüftung des Fassadenspaltes führt am Sonnenschutz absorbierte Energie ab, allerdings kann bei falscher Positionierung des Sonnenschutzes beziehungsweise bei unzureichender Belüftung eine Überhitzung des Fassadenzwischenraums auftreten [1].

Auch bei der Sanierung älterer Verwaltungsbauten vor allem aus den sechziger und siebziger Jahren wurde in den vergangenen Jahren der eigentlichen Fassade häufig eine zweite Glasfront vorangestellt, wie etwa bei dem Kreishaus Segeberg der Architekten Brockstedt Bergfeld Petersen (2002) oder dem Bayerischen Staatsministerium für Landesentwicklung und Umweltfragen von Bornschlegel + Kurth – nicht zuletzt, weil man dem Gebäude unabhängig von der Struktur der Kernfassade so ein filigranes und transparentes Erscheinungsbild verleihen und sowohl den Gesamt- charakter des Gebäudes als auch dessen bauphysikalische Eigenschaften positiv beeinflussen kann. Ein weiterer Vorzug der Sanierung mit einer Doppelfassade ist die Möglichkeit der durchgehenden Nutzung eines Gebäudes, da oft die gesamten Arbeiten von außen durchgeführt werden können. Allerdings ist dem Rauch- und Flammenüberschlag im Brandfall bei allen Doppelfassaden durch geeignete Brandschutzkonzepte Rechnung zu tragen [2].

Bauformen doppelschaliger Fassaden Als Basis für die Einteilung der derzeit gängigen Doppelfassadensysteme dient unabhängig von ihrer lüftungstechnischen Funktion die Art der Segmentierung des Fassadenzwischenraumes. Grundsätzlich können fünf verschiedene Bauformen doppelschaliger Fassaden unterschieden werden [3]:

Unsegmentierte Vorhangfassade

Bei unsegmentierten Vorhangfassaden (Bild 2a) handelt es sich um die einfachste Form der Doppelfassade. Der eigentlichen Kernfassade wird eine zweite durchgehende Glasfront vorangestellt, die unten und oben geöffnet ist. Derartige Fassaden werden vor allem aus Schallschutzgründen realisiert, wobei durch die geschlossene Glasfront eine sehr gute Schallschutzwirkung gegenüber äußeren Lärmquellen erreicht wird. Allerdings führt der unsegmentierte Fassadenzwischenraum zu Schall- und Geruchsübertragung zwischen den einzelnen Büroräumen und Geschossen, was bei der Gebäudekonzeption und späteren Nutzerbelegung berücksichtigt werden muss. Beispiele hierzu sind das Kreishaus in Segeberg (siehe oben), das Victoria Ensemble in Köln oder die Wacker-Hauptverwaltung in München.

Korridorfassade

Bei so genannten Korridorfassaden (Bild 2b) wird eine erste Unterteilung des Fassadenzwischenraumes vorgenommen. Horizontal verlaufende Metall- oder Glas-»Lisenen« segmentieren die Fassade in geschosshohe Korridore. Die Zu- und Abluftöffnungen dieser Zonen befinden sich in der Regel in Boden- beziehungsweise Deckenhöhe, wobei die Öffnungen entlang der Geschossdecke nebeneinander versetzt angeordnet sind – um zu vermeiden, dass die Abluft über die Zuluftöffnungen des nächst höheren Geschosses als »Frischluft« wieder in das Gebäude gelangt (Reinfiltration). Diese Art der Doppelfassade wurde beispielsweise am Düsseldorfer Stadttor sowie am Bürogebäude Halensee in Berlin realisiert.

Umluftfassade

Auch bei der Umluftfassade (Bild 2c) unterteilen horizontale Lisenen den Fassadenzwischenraum, wobei allerdings mehrere Geschosse zu einer Lüftungseinheit zusammengefasst werden können. Darüber hinaus sind zur horizontalen Umwälzung der Luft über die Gebäudehülle verteilt mehrere Ventilatoren installiert, wodurch eine gleichmäßige Temperaturverteilung in der Nord- und Südfassade erreicht wird. Diese auch unter dem Namen »SolSkin« bekannte, eigens entwickelte Fassade setzte die Firma Götz zum Beispiel an ihrem zweigeschossigem Verwaltungsgebäude in Würzburg ein.

Kasten-Kasten-Fassade

Kasten-Kasten-Fassaden (Bild 2d) zeichnen sich – zusätzlich zur horizontalen, geschossweisen Unterteilung – durch eine vertikale Segmentierung pro Achsabschnitt aus. Die so entstehenden »Fensterkästen« werden ebenfalls über Ein- und Auslassöffnungen belüftet. Zur Vermeidung von »Kurzschlussströmungen« zwischen übereinander gelegenen Segmenten (Bild 2d links) werden heute in der Regel zwei benachbarte Fensterkästen zusammengefasst. So kann mittels der so genannten Diagonallüftung am Fuß eines Achsabschnitts die Be- und am oberen Ende des daneben liegenden

Abschnitts die Entlüftung dieser Zone erfolgen (Bild 2d rechts). Die Kasten-Kasten-Fassade findet sich beispielsweise bei der Commerzbank-Zentrale in Frankfurt sowie bei der Dienstleistungszentrale der RWE in Essen.

Schacht-Kasten-Fassade

Ein alternativer Weg zur Entlüftung derartiger Fensterkästen wird bei den so genannten Schacht-Kasten-Fassaden (Bild 2e) beschritten, wobei ausgehend von der Kasten-Kasten-Fassade durch das Entfernen der horizontalen Trennelemente in jedem zweiten Achsabschnitt übereinander liegende Fensterkästen zu einer Art Thermikschacht zusammengefasst werden. Daraus ergibt sich eine alternierende Rasterung des Fassadenzwischenraumes in durchgehende Fassadenschächte und geschossweise unterteilte Fensterkästen. Diese stehen wiederum über so genannte Überströmöffnungen mit den Schächten in Verbindung und sollen infolge der thermischen Auftriebsströmung im Schacht entlüftet werden. Die Frischluftversorgung der Fensterkästen erfolgt auch hier über spaltförmige Öffnungen am unteren Ende der Fensterkästen. Kurzschlussströme bei der Belüftung der Fensterkästen sind bei einer ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit im Schacht nicht möglich. Neben einigen Gebäuden mit geringerer Geschossanzahl wurde dieses Fassadensystem zum Beispiel am Turm der Bausparkasse Schwäbisch Hall verwirklicht (Schachthöhe etwa 35 m).

Einfluss von Sonnenschutzsystemen auf die Durchströmung von Doppelfassaden Wie bereits erwähnt, ist der größte Nachteil von Doppelfassaden – neben höheren Investitions- und Wartungskosten – eine sommerliche Überhitzung des Fassadenspaltes. Um behagliche thermische Bedingungen sicherzustellen, muss ein effektives Sonnenschutzsystem installiert werden. Einen großen Vorteil der Doppelfassade stellt dabei die Möglichkeit dar, ein Sonnenschutzsystem im Fassadenspalt zu montieren, wo es vor Wind- und Witterungseinflüssen geschützt ist. Ein in die Fassade integrierter Sonnenschutz beeinflusst allerdings wesentlich die Luftströmung in der Fassade, was zu Unsicherheiten bei der Planung von Doppelfassaden führt. Deshalb wurden am Lehrstuhl für Thermodynamik der TU München systematische, experimentell abgesicherte Untersuchungen zur optimalen Gestaltung und Positionierung von Sonnenschutzsystemen in Doppelfassaden durchgeführt [4,5]. Diese Untersuchungen konzentrieren sich auf die in der Praxis am häufigsten eingesetzten, hochreflektierenden Jalousien aus Aluminiumlamellen. Andere Sonnenschutzsysteme wurden zum Beispiel von Werner Lang (Großlamellen aus Holz) [6] und Stefan Heuß (Kupfer-Matrixkollektoren) [7] untersucht.

Aufgrund der teilweise sehr unterschiedlichen Absorptions-, Geometrie- und Materialcharakteristika bildet sich ein individuell verschiedenes Wärme- und Strömungsverhalten aus: Werden mit den konventionellen, eloxierten Aluminiumlamellen beispielsweise Absorptionsgrade von 40 % erreicht, liegen diese bei den von Lang verwendeten Holzlamellen bei etwa 50 %, bei »porösen« Materialien wie Stoffbahnen sogar bei bis zu 80 %. Es liegt auf der Hand, dass mit zunehmendem Absorptionsgrad die Gefahr einer Überhitzung der Fassade steigt, zumal sich zusätzlich zum höheren Strahlungseintrag bei steigender Porosität, also auch bei Lochblechen, der konvektive Wärmeübergang vom heißen Sonnenschutz an die umströmende Luft stark erhöht.

Dieser Überhitzungsvorgang ist in den Untersuchungen von Heuß sogar gewünscht, will er doch eine Nutzung vorgewärmter Luft für die winterliche Heizungsunterstützung bewerkstelligen. Der Fassadenkasten wird als reiner Luftkollektor betrieben, und die Luft durch zwei hochporöse Kupfergewebe (Matrizen) geführt, die gleichzeitig als Sonnenschutz verwendet werden können. Aufgrund des hohen Strömungswiderstandes der Matrizen muss hier allerdings auf freie Konvektion verzichtet und müssen Ventilatoren für die Luftführung eingesetzt werden. Bei Heuß sowie auch im vorliegenden Fall wurde als Fassadenkonfiguration mit einer 60 cm tiefen Kasten-Kasten-Fassade ein Standardfall herausgegriffen.

Zum Versuch

Für die experimentelle Untersuchung von Doppelfassaden stehen am Lehrstuhl für Thermodynamik mehrere nach unterschiedlichen Richtungen orientierte Fassadenteststände zur Verfügung. In einem nach Süden ausgerichteten Versuchsraum können die thermischen und lichttechnischen Verhältnisse in einem hinter der Doppel- fassade gelegenen Büro abgebildet und außerdem durch unterschiedliche Segmentierung alle oben beschriebenen Fassadentypen realisiert werden (Bild 3). Im Rahmen der hier dargestellten Untersuchung wurden die thermischen Verhältnisse in einer Kasten- Kasten-Fassade mit Sonnenschutzjalousien in unterschiedlichen Konfigurationen vermessen. Die Messergebnisse dienten als Grundlage für eine numerische Simulation der Luftströmung im Fassadenspalt. Für die Strömungssimulation wurde der Querschnitt der Testfassade in einem zweidimensionalen Modell abgebildet und mit Hilfe des CFD (Computational Fluid Dynamics)-Programmes Fluent die freie Konvektionsströmung simuliert. Die Prüfung des Simulationsmodells bestätigte eine sehr gute Übereinstimmung der berechneten Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen mit an der Testfassade gemessenen Daten.

Simulationsergebnisse

Die Abbildungen 4 bis 7 zeigen die in der Simulation berechneten Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen für verschiedene Konfigurationen der Jalousie jeweils für den Sommerfall. Dabei wird deutlich, wie sich sowohl die Position (Abstand d zur Primärfassade) der Jalousie als auch der Neigungungswinkel g der Lamellen auf die Ausbreitung von turbulenten Strömungsgebieten und damit auch auf die Temperaturverteilung in der Fassade auswirken.

Die großen Strömungsgeschwindigkeiten, die aufgrund hoher Temperaturen in der Umgebung der Jalousie auftreten, führen besonders bei angestellten Lamellen zu turbulenten Strömungsgebieten (Bild 4a–d). Bei einer zentralen Position der Jalousie (Bild 5b) wird dabei nahezu der gesamte Fassadenquerschnitt turbulent durchströmt, während sich bei Positionen des Sonnenschutzes in der Nähe einer der Fassadenebenen (Bild 5a,e) die Kernströmungszone jeweils an der Jalousie konzentriert. Durch die turbulente Durch-strömung der Fassade wird die am Sonnenschutz erwärmte Luft über den Fassadenquerschnitt verteilt. So ist bei angestellten Lamellen (Bild 6a–d) sowie bei zentraler Position des Sonnenschutzes (Bild 7b–d) eine eher gleichmäßige Temperaturverteilung zu beobachten. In den anderen Fällen (Bild 6e sowie Bild 7a,e) bildet sich eine Temperaturschichtung mit relativ niedrigen Temperaturen im unteren Bereich der Fassade aus.

Empfehlungen

Aufgrund der unterschiedlichen Anforderungen im Winter- und Sommerfall führen die Simulationsergebnisse zu unterschiedlichen Empfehlungen. Während im Sommerfall die absorbierte Energie abgeführt werden muss, um eine Überhitzung der Fassade zu vermeiden, sollte die solare Einstrahlung im Winter zur Reduzierung der Wärmeverluste genutzt werden. Da der Abstand des Sonnenschutzes von der Primärfassade normalerweise nicht verändert werden kann, sollte dieser für den Sommerfall optimiert werden. Den größten Luftmassenstrom und damit auch den maximalen Kühleffekt erreicht man, wenn sich die Jalousie in der Mitte des Fassadenspaltes befindet. Dann verteilt sich allerdings durch die turbulente Strömung die warme Luft über den gesamten Querschnitt, was zu relativ hohen Temperaturen an der Primärfassade führt (Bild 7b). Deshalb sollte die Jalousie näher an der Sekundärfassade positioniert werden, wobei sich ein Abstand von etwa 15 cm als optimal erweist (Bild 7c). Um die Verteilung der Warmluft im Fensterkasten zu begrenzen, sollten die Lamellen im Sommer möglichst weit geschlossen werden, wodurch auch die Transmission verringert wird. Dabei ergibt sich für einen Neigungswinkel von 67,5 ° ein Maximum des abgeführten Wärmestroms (Bild 6d). Im Winter kann sich durch das Öffnen der Lamellen die am Sonnenschutz erwärmte Luft im Fensterkasten verteilen. Gleichzeitig wird die Transmission der Solarstrahlung durch den Sonnenschutz erhöht, wobei allerdings Direktblendung durch die tiefstehende Sonne vermieden werden sollte (Bild 6a,b).

Zusammenfassung Doppelfassaden stellen sowohl bei Neubauten als auch in der Altbausanierung ein wirkungsvolles Instrument zur Verbesserung der energetischen Effizienz und der Nutzerbehaglichkeit dar. Eine falsche Auslegung von Doppelfassaden kann allerdings zu einer Verkehrung ihrer Vorteile ins Gegenteil führen. Die fachkundige Planung »intelligenter«, zweischaliger Fassadensysteme unter Berücksichtigung der Einflüsse von Sonnenschutzelementen ist deshalb die Grundvoraussetzung für den Erfolg dieser Technologie. N. A., M. S., T. S.

Literaturhinweise: [1] Blumenberg, Jürgen, Markus Spinnler und Andreas Zöllner: Doppelschalige Fassadensysteme – Schnittstelle zwischen Mensch und Umwelt, Fachkongress Climadesign, Messe Bau 2003, München, 2003 [2] Danz, Eike und Nitan Sondhi: Altbausanierung mit Doppelfassade, Diplomarbeit am Lehrstuhl für Thermodynamik, TU München, 2003 [3] Zöllner, Andreas: Experimentelle und theoretische Untersuchung des kombinierten Wärmetransports in Doppelfassaden, Dissertation am Lehrstuhl C für Thermodynamik, TU München, 2001 [4] Artmann Nikolai: Theoretische und experimentelle Untersuchung der Luftströmung in einer Doppelfassade mit Sonnenschutzeinrichtung, Diplomarbeit am Lehrstuhl für Thermodynamik, TU München, 2004 [5] Spinnler, Markus, Nikolai Artmann und Thomas Sattelmayer: Double-Skin Façades with Diverse Sun-screen Configurations, Proceedings of the International Symposium on the Application of Architectural Glass, ISAAG 2004, Munich [6] Lang, Werner: Typologische Klassifikation von Doppelfassaden und experimentelle Untersuchung von dort eingebauten Lamellensystemen aus Holz zur Steuerung des Energiehaushaltes hoher Häuser unter besonderer Berücksichtigung der Nutzung von Solarenergie, Dissertation am Lehrstuhl für Gebäudetechnologie, TU München, 2000 [7] Heuss, Stefan: Matrixkollektoren in Doppelfassaden, Dissertation am Lehrstuhl für Bauklimatik und Haustechnik, Experimente am Lehrstuhl für Thermodynamik, TU München, 2003