Klimawandel an der Fassade

Mit einem Anteil von rund 30 Prozent an den CO₂- Emissionen spielt der Gebäudesektor eine zentrale Rolle auf dem Weg zur Klimaneutralität. Entscheidende Hebel sind dabei die deutliche Steigerung der Energieeffizienz von Gebäudehülle und -technik sowie die konsequente Umstellung der Wärme- und Stromversorgung auf erneuerbare Energien [1; 2]. Besonders herausfordernd bleibt die regenerative Deckung des Wärmebedarfs, vor allem in urbanen Räumen: begrenzte Flächen, Lärmschutzanforderungen und Akzeptanzfragen erschweren die Erschließung geeigneter Wärmequellen für die Zukunftstechnologie Wärmepumpe. Neue Lösungsansätze sind daher dringend gefragt.

Ein vielversprechender Weg führt über die solare Aktivierung der Gebäudehülle – insbesondere über die vorgehängte hinterlüftete Fassade (VHF). Erste Forschungs- und Demonstrationsprojekte zeigen bereits heute, wie sich die VHF von der passiven Gebäudehülle zur aktiven Energiequelle entwickeln kann. Unter dem Leitgedanken „Energie erzeugen statt nur schützen“ rückt die Integration von Photovoltaik und Solarthermie in die Bekleidungsebene zunehmend in den Fokus. Technisch wie gestalterisch stehen hierfür ausgereifte Systemlösungen zur Verfügung. Damit wird die VHF zu einem multifunk­tionalen Baustein der Energiewende – und zu einem Schlüssel für die klimaneutrale Transformation des Gebäudebestands.

Fassade als Wärmequelle für die Energiewende

Die thermische Nutzung der Gebäudehülle gilt seit Jahrzehnten als vielversprechender Ansatz in der Forschung, konnte sich bislang jedoch nicht im Markt etablieren [3; 4; 5]. Angesichts steigender Anforderungen an eine klimafreundliche Wärmeversorgung wächst nun das Interesse von Wohnungswirtschaft und Industrie an praxisnahen Lösungen.↓

Vor diesem Hintergrund startete 2020 das Forschungsprojekt „Solar-VHF“ unter der Leitung des Institutes für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH). Gemeinsam entwickeln hier Wissenschaft und Industrie solarthermisch aktivierte Fassaden für die Wärmepumpen-basierte Wärmeversorgung von Geschosswohnungsbauten. Ziel ist die Umsetzung energieeffizienter, wirtschaftlicher und vor allem praxistauglicher Lösungen. Dazu wurden bereits Fassadenprototypen untersucht und zwei De­mon­stra­-
tionsgebäude realisiert, die bis 2027 wissenschaftlich begleitet werden.

Die Fassade kombiniert die Funktionen eines solarthermischen Kollektors mit denen eines Luft-Wasser-Wärmeübertragers und nutzt dabei sowohl Solarstrahlung als auch Umgebungswärme.

Je nach Temperaturniveau und Anlagensystem sind damit grundsätzlich drei Betriebsarten möglich: die direkte Versorgung der Wärmepumpe, die Unterstützung konventioneller Wärmequellen wie Erdsonden oder Erdwärmekollektoren sowie die direkte Beladung eines Pufferspeichers. Dadurch lässt sich die Technologie flexibel an unterschiedliche Gebäudetypen und Versorgungskonzepte anpassen.

Besonderes Augenmerk liegt auf der Markt­fähigkeit: Ziel ist es, gängige Fassadensysteme mit möglichst geringem konstruktivem Aufwand energetisch nutzbar zu machen, ohne das ­Erscheinungsbild der Gebäude zu verändern. ­Dadurch sollen Akzeptanz, Planbarkeit und ­Wirtschaftlichkeit erhöht werden. Zentrale Herausforderungen sind dabei die Ausgestaltung und die Anbindung des Wärmeübertragers an die Fassadenpaneele.

Als optimal geeignete Bauweise erwiesen sich vorgehängte hinterlüftete Fassaden. Ihr modularer Aufbau erleichtert Vorfertigung, Montage und Wartung. Für ihre Ausführung steht ein breites Spektrum langlebiger und witterungsbeständiger Werkstoffe zur Verfügung – von Glas und Beton über Faserzement, HPL-Platten und Aluminiumverbundmaterialien bis hin zu Metallen wie Aluminium, Titanzink oder Kupfer. Der Hinterlüftungsraum sorgt dabei nicht nur für eine zuverlässige Feuchteregulierung des Baukörpers, sondern bietet zugleich Platz für die unsichtbare Integration von Wärmeübertragern und Rohrleitungssystemen.

Die üblicherweise mineralische und hydrophobierte Dämmung trennt die Fassadenbekleidung thermisch von der tragenden Außenwand und stellt sicher, dass auch unübliche Betriebstemperaturen der Fassade keine negativen Auswirkungen auf das Raumklima haben.

Fassadenprototypen: Glas, Metall und Beton als aktive Fassadenbekleidungen

Im Forschungsprojekt wurden bislang drei sehr unterschiedliche Bekleidungsmaterialien untersucht: Glas, Aluminium und Beton.

Bei den Glasfassaden kommen Isolierverglasungen mit rückseitiger Emaillierung zum Einsatz, die Solarstrahlung absorbieren und in Wärme umwandeln. Gegenüber klassischen solarthermischen Kollektoren bietet das System große architektonische Freiheit hinsichtlich Farben, Formaten und Oberflächen. Die doppelt verglaste Variante ermöglicht zudem höhere Betriebstemperaturen und damit auch die direkte Beladung von Pufferspeichern. Für die Wärmeübertragung werden metallische Rohrregister verwendet, die rückseitig an die Glasscheiben über Wärmeleitbleche angebunden sind.

Auch bei den Aluminiumfassaden erfolgt die thermische Aktivierung über rückseitig montierte Wärmeübertrager. Im Projekt wurden unterschiedliche Verbindungs- und Befestigungstechniken untersucht, darunter Klebe- und Schweißgewindebolzenlösungen. Letztere bieten deut­liche Vorteile bei Fertigung und baurechtlicher Zulassung. Darüber hinaus wurden verschiedene Geometrien der Wärmeleitprofile getestet, um den thermischen Kontakt und damit die Effizienz zu verbessern.

Die Betonfassade basiert dagegen auf vorgefertigten Betonelementen mit integrierten Kapillarrohrmatten aus Kunststoff. Diese werden bereits während der Herstellung in die Fassadenelemente eingebettet und dienen später als Wärmeübertrager. Aufgrund des hohen Gewichts der Fassadenmodule (bis zu 350 kg/m²) werden hier spezielle Unterkonstruktionen verwendet.

Aufbauend auf den bisherigen Ergebnissen untersucht das Projekt inzwischen weitere marktgängige Fassadenmaterialien, um die Anwendbarkeit der Technologie weiter zu verbreitern: Faserzement-, HPL- und Aluminiumverbundplatten.

Wärmeerträge und Systempotenziale

Die entwickelten Fassadenprototypen wurden am Institut für Solarenergieforschung in Hameln (ISFH) sowie am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) umfassend getestet. Neben Laboruntersuchungen an Einzelmodulen wurden großformatige Testfassaden über drei Jahre unter realen Wetter- und Betriebsbedingungen untersucht. Dabei kamen sogenannte Hardware-in-the-Loop-Verfahren zum Einsatz, bei denen die Fassaden als Bestandteil eines simulierten Gebäudewärmeversorgungsystems betrieben werden.

Die Ergebnisse zeigen, dass thermisch aktivierte Fassaden insbesondere im für Wärmepumpen ­relevanten Quellentemperaturbereich hohe Wärmeerträge erzielen können.

Besonders großes Potenzial zeigt sich in Kombination mit erdreichgekoppelten Wärmepumpensystemen. Hier kann die Fassadenaktivierung den Bedarf an Erdsonden oder Erdwärmekollektoren bei vergleichbarer Systemeffizienz um bis zu 40 Prozent reduzieren. Dadurch werden auch auf Grundstücken mit begrenztem Platzangebot sehr effiziente Wärmepumpenlösungen ­rea­lisierbar.

Auch als alleinige Wärmequelle erzielten die Fassaden vielversprechende Ergebnisse. Die Untersuchungen zeigen bessere Effizienzwerte als marktübliche Luft-Wasser-Wärmepumpen. Damit könnten thermisch aktive Fassaden künftig insbesondere dort eine attraktive Alternative darstellen, wo klassische Außenluft- oder Erdreichsysteme aus baulichen oder genehmigungsrechtlichen Gründen nicht umsetzbar sind.

Aktuell untersucht das Projekt die Auswirkungen von Kondensation und Vereisung der Fassaden-oberflächen bei niedrigen Betriebstemperaturen. Ziel ist es, technische Lösungen, optimale Strategien sowie Bewertungskriterien für einen praxisgerechten Einsatz zu entwickeln.

Demonstrationsgebäude

Mit zwei Demonstrationsgebäuden werden die im Projekt entwickelten Fassadenlösungen erstmals unter realen Bedingungen erprobt. Neben der energetischen Bewertung stehen insbesondere Planungs-, Fertigungs- und Montageprozesse sowie die Praxistauglichkeit im Fokus.

Die erste Pilotanlage wurde 2023 in Pforzheim fertiggestellt. Der Neubau mit 19 Wohneinheiten wird über ein Sole-Wasser-Wärmepumpensystem versorgt. Bereits in der Planung zeigte sich, dass die verfügbare Grundstücksfläche für ein konventionell dimensioniertes Erdsondenfeld kritisch ist. Die Integration von 128 m² thermisch aktivierter Betonfassade (nur 13 Prozent der gesamten opaken Fassadenfläche) bot hingegen das Potenzial, die erforderlichen Erdsonden um rund 25 Prozent zu reduzieren.

Zum Einsatz kamen vorgehängte hinterlüftete Betonfertigteile mit integrierten Kapillarrohrmatten als Wärmeübertrager. Die architektonisch sehr gelungene Umsetzung bestätigte die technische Machbarkeit des Konzepts, machte aber auch erwartete Herausforderungen deutlich: die Koordination zwischen den verschiedenen Gewerken sowohl in der Planung als auch in der Ausführung, die sichere Integration der Matten während Fertigung, Transport und Montage sowie die normgerechte Verlegung der Rohrleitungen im begrenzten Hinterlüftungsraum. Die Erfahrungen zeigen, dass insbesondere die frühe Abstimmung zwischen Fassadenherstellern, Fachplanern und Anlagentechnik entscheidend ist und dass die hydraulische Einbindung die zentrale Planungsaufgabe ist. Für zukünftige Anwendungen werden hierzu derzeit praxisnahe Planungs- und Auslegungshilfen entwickelt.

Das System wird seit 2024 vom Fraunhofer IBP wissenschaftlich überwacht. Im ersten Betriebsjahr konnte die Funktionsfähigkeit erfolgreich nachgewiesen werden. In der nun laufenden Optimierungsphase werden Regelungsstrategien angepasst, Systemverluste reduziert und der Betrieb mit einem kleineren Sondenfeld untersucht.

Die zweite Pilotanlage wurde in einem energetisch sanierten Wohnquartier in Hannover mit mehr als 100 Wohneinheiten umgesetzt. Die Gebäude werden an ein neues Nahwärmenetz mit Wärmepumpe, Blockheizkraftwerk und Spitzenlastkessel angeschlossen. Auch hier erwies sich der verfügbare Platz für Erdsonden als begrenzt. Deshalb wurde eine Kombination aus thermisch aktivierter Metallfassade (65 m²) und Solar-Luftabsorbern zur Regeneration der Erdreichquelle integriert. Dadurch konnte das geplante Sondenfeld um rund 40 Prozent reduziert werden.

Die Erfahrungen aus Planung und Bau beweisen auch hier, dass die Integration der aktivierten Fassaden mit marktüblichen VHF-Konstruktionen möglich ist und dabei ein architektonisch hochqualitatives Ergebnis erzielt werden kann. Revisionsfähige Fassadenmodule ermöglichen zudem eine einfache Wartung einzelner Komponenten im Betrieb. Während Produktion und Transport weitgehend problemlos verliefen, bestätigen sich insbesondere Planung und Umsetzung der Hydraulik als zentrale Optimierungspunkte für künftige Anwendungen. Der Anlagebetrieb wird seit Anfang 2026 vom ISFH wissenschaftlich überwacht und soll weitere Erkenntnisse zur Systemperformance und zur praxisbezogenen Systemverbesserung liefern.

Ausblick: Von der Forschung in die Praxis

Die Erschließung der Wärmequelle für die energetische Sanierung von Mehrfamilienhäusern mit Wärmepumpen stellt insbesondere in dicht bebauten urbanen Räumen eine zentrale Herausforderung dar. Die Ergebnisse aus dem Projekt „Solar-VHF“ zeigen, dass thermisch aktivierte Fassaden eine praxisnahe Alternative zu klassischen Wärmequellen wie Luft oder Erdreich sein können – sowohl als alleinige als auch als unterstützende Lösung.

Vorgehängte, hinterlüftete Fassaden erweisen sich dafür als besonders geeignet: Ihr modularer Aufbau, der hohe Vorfertigungsgrad sowie die flexible Gestaltung ermöglichen eine einfache und nicht sichtbare Integration der Wärmeübertrager im Hinterlüftungsraum bei gleichzeitig guter Wartbarkeit und Systemtrennung.

Die Untersuchungen bestätigen zudem, dass sich die Technologie mit unterschiedlichen Bekleidungsmaterialien und Fassadensystemen kombinieren lässt.

Langzeituntersuchungen am Institut für Solar-energieforschung in Hameln (ISFH) und am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP) zeigen vielversprechende Leistungswerte ohne erkennbare Degradation über mehr als drei Jahre. Mit den Demonstrationsgebäuden in Pforzheim und Hannover konnte das Konzept erfolgreich in die Baupraxis überführt werden.

Gleichzeitig zeigen die Erfahrungen, dass Planung und Montage im Vergleich zu konventionellen Fassaden erhöhte Abstimmungs- und Koordinationsanforderungen mit sich bringen. Zur Unterstützung der Markteinführung werden ein praxisorientierter Leitfaden sowie ein Auslegungstool unter Einbindung des Fachverbands für Baustoffe und Bauteile für vorgehängte hinterlüftete Fassaden (FVHF) erarbeitet.

Für die abschließende Bewertung sind insbesondere die Betriebserfahrungen der Demonstra­tionsgebäude sowie eine detaillierte Kostenanalyse entscheidend. In der nächsten Projektphase stehen zudem weitere marktgängige Fassadenmaterialien und alternative Systemkonzepte im Fokus, um die Anwendbarkeit im Neubau und vor allem in der Sanierung zu erhöhen. Besonders die Nutzung als alleinige Wärmequelle weist dabei ein hohes Potenzial für eine breite Markteinführung auf.